基因靶向工具的最新进展使得制备基因敲除(KO)兔成为可能。在本研究中,我们利用锌指核酸酶(ZFN)成功构建了五种载脂蛋白(Apo)C-III基因敲除兔。该工作表明,ZFN是一种高效制备基因敲除兔的方法。
基因靶向工具的最新进展使得制备基因敲除(KO)兔成为可能。在本研究中,我们利用锌指核酸酶(ZFN)成功构建了五种载脂蛋白(Apo)C-III基因敲除兔。该工作表明,ZFN是一种高效制备基因敲除兔的方法。
载脂蛋白(Apo)C-III(ApoCIII)存在于血浆乳糜微粒(CM)、极低密度脂蛋白(VLDL)和高密度脂蛋白(HDL)的表面。已有研究证实,血浆中ApoCIII水平升高是心血管疾病(CVD)的一个风险因素。血浆ApoCIII水平升高常与胰岛素抵抗、肥胖和高甘油三酯血症相关。通过转基因小鼠模型(包括ApoCIII基因敲除(KO)小鼠)的研究,已获得了关于ApoCIII在脂质代谢和心血管疾病中作用的宝贵知识;然而,需要注意的是,小鼠的脂蛋白代谢在许多方面与人类存在差异。目前尚不清楚血浆ApoCIII水平升高是否具有直接致动脉粥样硬化作用。在本研究中,我们致力于建立ApoCIII基因敲除兔模型,基于兔可作为研究人类脂质代谢和动脉粥样硬化的合理模型的假设。我们设计了靶向兔ApoCIII基因的锌指核酸酶(ZFN)系统,并对其进行验证 体外 在胚胎显微注射前进行验证。将mRNA注射至35只兔原核期胚胎的细胞质中,并在囊胚阶段评估其突变率。在检测的16个囊胚中,靶位点的突变率达到令人满意的50%(8/16),支持使用Set 1 体内 实验。接下来,我们将Set 1 mRNA显微注射到145枚胚胎中,并将这些胚胎移植至7只受体兔。经过30天妊娠后,共产下21只仔兔,其中经PCR测序鉴定确认有5只为ApoCIII基因敲除(KO)兔。基因敲除动物率(#KO仔兔/总出生数)为23.8%。总体生产效率为3.4%(5只仔兔/145枚移植胚胎)。本研究结果表明,ZFN是一种高效制备基因敲除兔的方法。这些ApoCIII基因敲除兔是研究ApoCIII在脂质代谢中作用的新型资源。
载脂蛋白C-III(ApoCIII)是一种小型O-糖基化分泌蛋白,主要在肝脏和肠道中合成。它存在于血浆乳糜微粒(CM)、极低密度脂蛋白(VLDL)和高密度脂蛋白(HDL)的表面。ApoCIII已被公认为心血管疾病的危险因素1。遗传性ApoCIII缺乏的患者血浆甘油三酯(TG)水平较低,亚临床冠状动脉粥样硬化程度减轻2,3。相反,血浆ApoCIII水平升高通常与胰岛素抵抗、肥胖和高甘油三酯血症(HTG)相关4,5。
基因敲除(KO)是研究基因功能的有力手段。与在人类突变群体中的观察结果一致,在小鼠中敲除 ApoCIII 基因可导致血浆 TG 水平降低,并对餐后高甘油三酯血症(HTG)具有保护作用6ApoCIII 的这种积极作用似乎独立于载脂蛋白 E(ApoE),因为同时缺乏 ApoE 和 ApoCIII 的小鼠同样受到保护,免于餐后高脂血症的影响。7尽管这些ApoCIII基因敲除小鼠模型为了解ApoCIII在人体中的可能功能提供了宝贵信息,但需注意的是,小鼠的脂蛋白代谢在许多方面与人类存在差异。例如,小鼠缺乏血浆胆固醇酯转移蛋白(CETP),而该酶在人类极低密度脂蛋白(VLDL)、低密度脂蛋白(LDL)和高密度脂蛋白(HDL)的转运过程中起着关键作用8因此,有必要建立合适的动物模型,以进一步理解ApoCIII的生理作用。 体内.
兔是一种经典的模式动物物种9-11。其妊娠期较短(30–31天),每胎产仔数较多(4–12只/窝),且可在室内设施中方便地饲养。与小鼠相比,兔在系统发育上更接近人类10。更重要的是,与人类相似而不同于小鼠,兔是富含低密度脂蛋白(LDL)的哺乳动物,并具有较高水平的胆固醇酯转运蛋白(CETP)10,12。此外,兔对高胆固醇饮食诱导的动脉粥样硬化具有易感性,其病变特征与人类动脉粥样硬化相似13。基于上述原因,我们假设载脂蛋白CIII基因敲除(ApoCIII KO)兔可作为比小鼠更理想的模型,用于研究ApoCIII在人类脂质代谢和动脉粥样硬化中的作用。
基因靶向转基因(GTT)兔的制备一直存在挑战,主要原因是缺乏能够传递生殖系的胚胎干细胞(ESC),以及兔体细胞核移植(SCNT)效率极低。ESC是制备GTT小鼠的主要工具,而SCNT已成功用于缺乏生殖系传递能力ESC的物种中制备基因敲除(KO)动物,包括猪、绵羊和牛,但在兔中尚未成功。近年来,锌指核酸酶(ZFN)、转录激活样效应因子核酸酶(TALEN)14和RNA引导的内切酶(RGEN)15成为强大的基因组编辑工具。这些核酸酶被称为"分子剪刀",可在多种物种的基因组中高效诱导双链断裂(DSB),从而导致靶基因功能失活,或用于在基因组特定位点整合DNA序列16。2011年,我们是最早采用ZFN技术的研究团队之一,通过该方法成功获得了过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)基因敲除的猪体细胞,并利用这些细胞通过SCNT成功培育出PPARγ基因敲除猪17。同年,也有研究报道利用ZFN在兔中实现了高效的免疫球蛋白基因破坏和靶向替换18。
在本研究中,使用ZFN Set 1通过PCR测序确认成功制备了五只ApoCIII基因敲除兔(见图1流程图示意图)。这些动物是研究ApoCIII在脂质代谢中作用的新型资源。
所有动物的饲养、护理和使用程序均经密歇根大学动物使用与护理委员会审查并批准。
1. ZFN 设计与筛选
2. 兔胚胎采集
3. ZFN mRNA 的制备
4. 胚胎显微注射
5. 胚胎移植
6. ZFN 诱导基因破坏的检测
体外验证ZFN配对
最初设计了16对ZFN。Set 1的靶向破坏序列位于兔ApoCIII的第2外显子(图2A)。选取其中3对(Set 1、Set 2和Set 3,图2A),并通过酵母MEL-1报告基因检测法评估ZFN活性(图2B)。Set 1的ZFN活性得分为224.2%,高于Set 2(196.9%)和Set 3(177.8%),且远高于筛选阈值(即 内部阳性对照的50%)。因此选择Set 1进行体外验证实验。
特定组合需使胚胎中的阳性率达到10%或更高方可通过 体外 胚胎验证,依据内部验证标准进行。将第1组的mRNA(5 µg/ml)显微注射至35个兔原核期胚胎的细胞质中。图3A)。未进行显微注射处理的冲洗胚胎(n=31)作为对照组。显微注射组中有18枚胚胎在第5天发育至囊胚(BL)阶段,其中16枚进行了测序,获得8枚(BL#apoc-3, 4, 5, 7, 11, 13, 15, 17) 图3B,红色下划线)在靶向位点(用黑框标出)显示出突变序列 图2B,第一行,apoC3wt.seq)。显微注射组的囊胚率(51.4%)低于对照组(77.4%),表明显微注射胚胎的发育潜能略有下降。显微注射胚胎的阳性突变率为50.0%(8/16),远高于筛选阈值即 10%)。这些结果表明,Set 1 是一组有效的ZFN,可在兔ApoCIII靶位点诱导突变。因此选择Set 1用于后续实验。 体内 ApoCIII基因敲除兔的制备
ApoCIII 基因敲除兔的制备
将 ZFN 第1组的 mRNA 显微注射至兔原核期胚胎的细胞质中,并将145枚显微注射后的胚胎移植到7只假孕受体兔体内(图4A)。作为对照组,将未经 ZFN 显微注射的新鲜冲出胚胎(n=75)移植至6只受体兔体内。妊娠30天后,显微注射组共出生21只仔兔。PCR 测序鉴定出其中5只为阳性基因敲除仔兔(apoC3-R1、R9、R11、R12 和 R16)(图4B)。以足月仔兔数与移植胚胎总数之比计算,实验组的足月率为14.5%(21/145),而对照组为29.3%(22/75)。以基因敲除仔兔数与足月仔兔总数之比计算,基因敲除率为23.8%(5/21)。其中1只基因敲除仔兔(apoC-R16)在出生后第5天死亡(20.0%,1/5)。靶位点处的插入缺失突变包括两个插入和三个缺失,分别为 Rabbits # R1、R9、R11、R12 和 R16 的 Δ1、+1、+1、Δ20 和 Δ21(图4B)。
生物信息学分析用于鉴定与Set 1序列存在7个或更少错配的潜在ZFN脱靶位点,方法如前所述17。仅预测到一个可能的脱靶位点,位于14号染色体上,具有7个错配的碱基对。PCR检测未在任何创始动物中发现脱靶事件。
在本研究中,利用ZFN技术成功构建了五只ApoCIII基因敲除兔。此前唯一一篇关于制备GTT兔的报道也采用了ZFN技术18。本研究结果证实,ZFN技术可有效用于靶向兔的基因编辑。
本研究中,转基因率(阳性仔兔数/总出生数)为23.8%(5/21),与此前在兔子中使用ZFN技术的报道结果(30.8%,16/52)18相近,也与其他动物物种中使用ZFN技术所报道的结果相似,包括斑马鱼19、小鼠20、大鼠21和猪17。该比率实际上高于许多传统转基因兔制备研究中的比率,后者通常在5–20%之间。例如,Ding et al. 通过传统的DNA显微注射法培育ApoCIII转基因兔时,共出生54只仔兔,获得3只阳性 founder 个体(5.6%)22。
与先前的研究结果一致,靶位点的突变具有多样性,包括不同碱基数目的缺失或插入(在五只基因敲除兔中,缺失或插入的碱基数范围为1-21个)。根据创始动物的特异性序列信息预测,至少有四只即含有 Δ1、+1、+1 或 Δ20 突变的个体可能丧失 ApoCIII 功能。动物 R-16 携带 Δ21 突变,可能不会表现出功能丧失,因为该突变预计仅导致七个氨基酸缺失,而不会引起读码框移位。最终仍需通过表型检测来确定这些 Founder 动物是否真正表现出 ApoCIII 功能的缺失。
本研究中产生的五只基因敲除兔均未出现双等位基因修饰。有趣的是,此前关于ZFN兔的报道中也存在同样情况。相比之下,当将靶向α1,3-半乳糖基转移酶的ZFN应用于猪细胞时,单等位基因靶向频率为7%-46%,其中约三分之一的突变可一步实现双等位基因敲除23。与此一致的是,当TALEN应用于猪成纤维细胞时,在全部阳性克隆中约有15%-40%检测到双等位基因修饰14。本研究未能获得双等位基因敲除兔,可能提示核酸酶介导的基因靶向能力存在物种差异(i.e. 兔与猪之间)。然而更可能的原因是本项目产生的基因敲除兔数量相对较少。我们认为ZFN具备在兔中产生双等位基因突变的能力,这应被视为基于ZFN的基因靶向兔生产的另一潜在优势。仍需进一步实验以验证ZFN在兔中的这一能力。
综上所述,本研究证明基于ZFN的基因靶向技术在制备基因敲除兔方面是有效的。特别是,我们成功获得了5只ApoCIII基因敲除兔,转基因效率达到23.8%,结果令人满意。相较于相应的小鼠模型,这些动物被认为能更有效地揭示该蛋白在人类脂质代谢中的作用。我们预测,基于ZFN的基因靶向技术以及其他基于核酸酶的技术(如TALEN和RGEN)在非啮齿类动物中的应用将显著促进多种人类疾病新型动物模型的建立。

图1. 利用ZFN技术制备基因敲除兔的流程图使用ZFN技术生产基因敲除兔的第一步是选择目标基因。提供基因序列信息后,设计ZFN组合,并进行基于酵母的内部验证。在检查点1(CP-1)阶段,仅将通过内部验证(相对于内部阳性对照效率达到50%或更高)的ZFN组合提供给用户进行选择。若无任何组合通过CP-1,则可能需要提供额外的序列信息以设计有效的ZFN组合。 体外 胚胎验证用于确保所选的ZFN组合能够在目标位点诱导突变(CP-2)。只有通过CP-2验证的ZFN组合才能被使用。>突变率约为10% 体外 胚胎)。若在CP-2阶段失败,则需重新设计ZFN组合。将准备胚胎供体,并对原核期胚胎显微注射经验证的ZFN组合。显微注射后的胚胎将移植至同步化的胚胎受体中。经过约一个月的妊娠期后,对新生仔兔进行基因型鉴定(CP-3)。若所有新生仔兔均为阴性,则需进行额外的显微注射实验。假设实验过程中无失败,从项目启动至完成CP-2阶段需时2–3个月,从CP-2至CP-3阶段还需额外2–3个月。因此,利用ZFN技术可在4–6个月内获得基因敲除兔。 单击此处以查看大图.

图2. ZFN设计三组ZFN(ZFN第1组、第2组和第3组)被设计用于靶向兔ApoCIII基因的第1外显子或第2外显子上的不同序列 (A). 所有三组均接受酵母MEL-1报告基因检测,以确定ZFN活性。根据制造商的操作规程,显示活性的ZFN >制造商内部阳性对照活性的50%被视为有效 体外 和 体内 基因组编辑实验。ZFN 活性在第1组为224.2%,第2组为196.9%,第3组为177.8% (B)因此,本研究选用了第一组。 单击此处以查看大图.

图3. 体外 ZFN 胚胎验证。mRNA(5 μg/ml将第1组的)微量注射至35个处于原核期的兔胚胎的细胞质中 (A)未进行显微注射处理的冲洗胚胎(n=31)作为对照组。对照组的囊胚发育率为77.4%。显微注射组的囊胚率为51.4%。在进行PCR测序的16个囊胚中,有8个(50%)被鉴定为阳性,表明Set 1是一组有效的ZFN,可在靶位点诱导突变B,apoc3wt.seq,黑箱)的兔ApoCIII。含突变的BL包括BL#apoc-3、4、5、7、11、13、15和17(B,红色下划线)。其余BLs(#apoc-2、6、9、10、12、14和16)在靶向位点处无突变。 单击此处以查看大图.

图4. ApoCIII基因敲除兔的制备。将145枚显微注射ZFN Set 1 mRNA的胚胎移植至7只假孕受体兔中(A)。作为对照组,将未进行ZFN显微注射的新鲜冲出胚胎(n=75)移植至6只受体兔中。实验组的分娩率(以出生幼兔总数/移植胚胎总数计算)为14.5%(21/145),而对照组为29.3%(22/75)(A)。在显微注射组出生的21只幼兔中,经PCR测序鉴定出5只(R1、R9、R11、R12和R16)为阳性基因敲除个体(B)。靶位点处的插入缺失突变包括两处插入(R9和R11均为+1)和三处缺失(R1、R12和R16分别为Δ1、Δ20、Δ21)。点击此处查看高清图像。
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作部分由美国国立卫生研究院(NIH)资助(项目编号:HL105114、HL088391、NS066652 和 HL068878,授予 Y.E.C.),以及美国心脏协会(国家科学家发展项目 0835237N,授予 J.Z.)资助。Y.E.C. 获密歇根大学医学中心(UMMC)设立的弗雷德里克·许特韦尔冠心病医学讲席教授基金支持。本研究使用了由密歇根大学医学中心先进转化科学与治疗模型中心(CAMTraST)支持的核心服务设施。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| APOC3-ZFN | Sigma Aldrich | CSTZFNY-1KT | 靶基因:APOC3,批号:12201118MN |
| mMESSAGE 试剂盒 | Invitrogen | AM1344M | mRNA 合成 |
| MEGAclear 试剂盒 | Invitrogen | AM1908M | mRNA 纯化 |
| 卵泡刺激素 | Bioniche Life Sciences | Folltropin-V | 用于处理胚胎供体兔 |
| 人绒毛膜促性腺激素 | Intervet | Chorulon | 用于处理胚胎供体兔 |
| 促性腺激素释放激素 | Prospecbio | HOR-255 | 用于处理胚胎受体兔 |
| Earle's 平衡盐溶液(EBSS) | Thermo Fisher Scientific | SH30029.02 | 胚胎培养基础培养基 |
| MEM(非必需氨基酸) | Sigma Aldrich | M7145 | 胚胎培养补充剂 |
| BME 氨基酸溶液 | Sigma Aldrich | B6766 | 胚胎培养补充剂 |
| 谷氨酰胺 | Gibco | 25030-149 | 胚胎培养补充剂 |
| 丙酮酸钠 | Gibco | 11360-070 | 胚胎培养补充剂 |
| 胎牛血清 | Sigma Aldrich | 12003C | 胚胎培养补充剂 |
| HEPES 缓冲 TCM 199 | Gibco | 12350039 | 胚胎操作培养基 |
| 培养箱 | Eppendorf | Galaxy 170 | 胚胎培养设备 |
| 显微操作仪 | Eppendorf | TransferMan NK 2 | 胚胎操作设备 |
| 微量移液器拉制仪 | Sutter Instruments Inc. | P-1000 | 胚胎操作设备 |
| 显微注射仪 | Tritech Research | MINJ-D | 胚胎操作设备 |
| 硼硅酸盐玻璃毛细管 | World Precision Instruments, Inc. | TW100F-6 | 胚胎操作耗材 |
| Euthasol(戊巴比妥钠) | Virbac AH, Inc. | ANADA#200-071 | 胚胎供体兔的安乐死 |