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方法文章

利用CRISPR/Cas9与Cas9双切口酶系统高效构建hiPSC神经谱系特异性敲入报告细胞系

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DOI:

10.3791/52539

2015年5月28日

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

基因组编辑工具(如CRISPR(成簇规律间隔短回文重复序列)/Cas(CRISPR相关蛋白)系统)显著提高了在人诱导性多能干细胞(hiPSCs)中进行基因靶向的效率。本文描述了一种利用CRISPR/Cas系统介导的同源重组技术,构建谱系特异性hiPSC报告细胞系的实验方案。

摘要

基因靶向是现代生物医学研究中用于鉴定基因功能的关键方法。然而,人类细胞中基因靶向的效率较低,限制了人类细胞系以理想速度的建立。过去两年中,基因组编辑工具(如CRISPR(成簇规律间隔短回文重复序列)/Cas(CRISPR相关蛋白)系统)在提高基因操作效率方面取得了快速进展。本文描述了一种利用CRISPR/Cas系统介导的同源重组技术,构建谱系特异性人类诱导多能干细胞(hiPSC)报告细胞系的实验方案。文中详细介绍了使用CRISPR/Cas系统构建神经谱系报告细胞系所需关键组分的操作步骤,重点包括靶向载体和单导向RNA的设计与构建。该方案还可拓展应用于hiPSC中的平台建立及突变修复。

引言

CRISPR(成簇规律间隔短回文重复序列)/Cas(CRISPR相关蛋白)系统,连同其他基因组编辑工具,在近年来彻底改变了人类基因组的操作方式1-7。CRISPR/Cas9系统的主要组分是单链向导RNA(sgRNA)和Cas9蛋白。Cas9是一种RNA引导的II型DNA内切酶,具有两个核酸酶结构域——HNH和RuvC,可在原间隔序列邻近基序(PAM)附近的特定基因组区域产生DNA双链断裂(DSBs)7-10。sgRNA兼具crRNA和tracrRNA的功能,这两种RNA分子是细菌(如Streptococcus pyogenes)和古菌中发现的适应性免疫RNA分子,用于抵御外源DNA的入侵9-11。当被合理设计并共导入哺乳动物细胞后,sgRNA可识别PAM序列,与靶DNA的互补链进行碱基配对,并引导及转激活Cas9蛋白,在PAM序列上游立即切割双链DNA7。随后,细胞将通过同源定向重组(HDR,存在靶向载体时)或非同源末端连接(NHEJ)机制修复这些双链断裂。外源基因如cDNA、报告基因盒或抗生素抗性片段可被整合,从而构建转基因或基因敲入细胞系。

尽管CRISPR/Cas9系统具有高效性和相对特异性,但已有报道称其存在非预期的脱靶效应12-15。为了最大限度减少脱靶事件,研究人员已开发出Cas9切口酶(Cas9n)9,10,14,16,17。Cas9n(Cas9 D10A 或 Cas9 H840A)是在两个核酸酶结构域之一上携带突变的Cas9酶,仅能在DNA的一条链上产生单链切口。为了实现双链切割,需设计两个sgRNA来引导一对切口酶,分别在两条不同DNA链上的邻近位点进行切割。这种“双切口”策略相较于传统的Cas9平台需要更严格的设计,但可在基因编辑实验中同时实现高效率和高特异性。

本文描述了一种利用CRISPR/Cas系统介导的同源重组技术,生成谱系特异性人类诱导多能干细胞(hiPSC)报告细胞系的实验方案。文中详细介绍了使用CRISPR/Cas系统进行基因组编辑以构建神经谱系报告细胞系所需各组分的操作步骤,重点阐述了靶向载体和单导RNA(sgRNA)的构建方法。该方案已在多种hiPSC细胞系中成功重复,包括来自健康个体及中枢神经系统(CNS)疾病患者的细胞系。本实验室已靶向的基因包括OLIG2、HB9(MNX1)、NEUROG2、SOX1、ALDH1L1和SOD1。在hiPSC中,通过CRISPR/Cas系统介导的同源重组所实现的靶向效率为20–40%,与既往报道结果一致1,18,19。相较于传统基因靶向实验中典型的1–2%效率,本方法的靶向效率显著提高。

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方案

1. 靶向载体的设计与载体构建

  1. 确定谱系特异性标记物后,查找该基因的基因组序列,并据此设计同源臂。5’同源臂长度约为1 kb,3’同源臂长度约为1.5 kb(图1)。
  2. 通过亚克隆将报告基因表达盒依次插入到基因组序列的下游、终止密码子之前,以确保内源性表达不受改变或破坏。使用自剪切的2A肽序列(F2A、E2A或T2A)20,21或内部核糖体进入位点(IRES)连接报告基因或双报告基因表达盒。
    注意:报告基因可包括荧光蛋白(如GFP、tdTomato、tagRFP、YFP)、荧光素酶、抗生素抗性表达盒,或荧光蛋白与抗生素抗性表达盒的组合。例如,在图1中展示了针对人ALDH1L1基因的打靶载体构建,该载体在EGFP和新霉素抗性表达盒标记下进行。
  3. 在报告基因下游添加一个阳性筛选表达盒。该阳性筛选元件为两侧带有loxP位点的抗生素抗性表达盒,在筛选并分离出阳性克隆后,可从靶向修饰的iPSC中将其切除。
  4. 在3’同源臂之外包含一个阴性筛选表达盒。常用的阴性筛选表达盒包括胸苷激酶(TK)和白喉毒素A(DTA)22
  5. 获取含有所述谱系标记物序列的人源BAC克隆,并通过PCR扩增验证克隆的正确性。利用重组工程技术,在含pKD46的DH5α菌株中构建打靶载体,以捕获目标位点23。必要时可采用多片段Gateway或Golden Gate克隆策略23,24

2. CRISPR/Cas9 系统中sgRNA的设计与载体构建。

  1. 确定将用于构建报告基因的谱系特异性标志物。从NCBI数据库复制cDNA序列。前往人类BLAT搜索以获取基因组DNA比对结果。
  2. 点击“browser”标签查看基因的组装结果。在“View”标签下,点击“DNA”以获取FASTA格式的完整基因组DNA序列。
  3. 在DNA序列中定位终止密码子,用于插入2A序列和报告基因盒。
  4. 寻找原间隔序列邻近基序(PAM,在终止密码子附近(约上下游100 bp范围内)搜索NGG序列。对两条链均进行扫描以定位合适的NGG序列。考虑上游序列的特异性,以避免潜在的脱靶效应。可使用BLAST和CasOT等开源工具(详见步骤5)。
  5. 将NGG上游紧邻的20个碱基序列复制,并粘贴至网络设计工具ZiFit中,用于设计带有与人类gRNA表达载体(含U6启动子)MLM3636兼容的突出末端的寡核苷酸。
  6. 合成正向和反向寡核苷酸 7.
  7. 为了制备双链sgRNA,在70℃下使两条寡核苷酸链变性 °C,15 分钟,然后逐渐冷却至室温。对于 50 µl 反应,加入 22.5 µ正向和反向寡核苷酸各 l(储存浓度为 0.1 mM),以及 5 µ100 mM Tris-HCl,10 mM EDTA,1.5 M NaCl,pH 8.0的退火缓冲液
  8. 将第2.7步获得的寡核苷酸与经BsmBI酶切的人源gRNA表达载体(含U6启动子)MLM3636混合并进行连接。对于20 µl 反应,加入 1 µ来自步骤 2.7 的寡核苷酸,100 ng MLM3636,以及 1 µ400 U 的 T4 连接酶,室温孵育过夜。
  9. 转化 DH5α 通过42℃热激将连接产物转化至感受态细胞°C,30 秒。在 LB 琼脂氨苄青霉素(100 μg/ml)板在37℃°C O/N。根据制造商说明书,挑取3~5个菌落进行质粒小提。将质粒DNA送至商业测序公司进行测序验证。根据制造商说明书,对正确的质粒进行质粒大提。
  10. 通过T7核酸内切酶1(T7E1)检测评估sgRNA(详见步骤4)。将hiPSC转染携带sgRNA的质粒,sgRNA将在MLM3636骨架中的内置U6启动子驱动下表达(详见步骤6)。

3. Cas9n 双切口酶 sgRNA 的设计与构建

  1. 获取双切口酶 Cas9n D10A 载体 pX335-U6-Chimeric_BB-CBh-hSpCas9n (D10A)。
  2. 为每个靶向位点设计一对正向和反向寡核苷酸。复制紧邻NGG上游的20个碱基序列(如步骤2所述),并将其粘贴至网络设计工具ZiFit中。
  3. 为了获得与载体pX335-U6-Chimeric_BB-CBh-hSpCas9n (D10A)兼容的黏性末端,需去除ZiFit设计工具中显示的正向和反向寡核苷酸的首尾各一个碱基。
  4. 合成正向和反向寡核苷酸7。将这些寡核苷酸命名为f(n)-F、f(n)-R(用于靶位点一侧的PAM序列)和r(n)-F、r(n)-R(用于靶位点另一侧的PAM序列)。其中,n为区分不同PAM序列的编号,小写字母f和r分别代表PAM位于正义链(f)或反义链(r),F和R分别代表正向和反向寡核苷酸。
    1. 使用T7E1检测法(详见步骤4)测试多对组合(例如,r5和f2),以确定适用于Cas9n的最优sgRNA配对。
  5. 为形成双链sgRNA,将两条寡核苷酸在70 °C下变性15分钟,然后逐渐冷却至室温。在50 µl反应体系中,分别加入22.5 µl正向和反向寡核苷酸(储存浓度为0.1 mM),以及5 µl退火缓冲液(100 mM Tris-HCl,10 mM EDTA,1.5 M NaCl,pH 8.0)。
  6. 将步骤3.5中获得的寡核苷酸与经BbsI酶切的pX335-U6-Chimeric_BB-CBh-hSpCas9n (D10A)载体混合并进行连接反应。在20 µl反应体系中,加入1 µl步骤3.5所得sgRNA,100 ng Cas9n (D10A) 载体DNA,以及1 µl(400 U)T4 DNA连接酶。于室温孵育过夜。
  7. 将连接产物通过热激法转化至DH5α感受态细胞(42 °C,30秒)。将细菌接种于含氨苄青霉素(100 μg/ml)的LB琼脂平板,在37 °C培养过夜。根据制造商说明书挑选3~5个单菌落进行质粒小量提取。送商业测序公司对质粒DNA进行测序验证。根据制造商说明书对正确质粒进行大量提取。
  8. 通过T7E1检测法评估sgRNA活性(详见步骤4)。将质粒转染至hiPSC细胞,sgRNA将在Cas9n (D10A) 载体骨架内置的U6启动子驱动下表达(详见步骤6)。

4. 通过T7核酸内切酶1(T7E1)检测评估sgRNA活性

  1. 对于一个24孔板,在转染前一天(第-1天)每孔接种2 × 105个293FT细胞。
  2. 在转染当天(第0天),将sgRNA质粒和Cas9表达载体共同转染至293FT细胞中。每孔加入0.5 µg sgRNA载体、0.5 µg Cas9表达载体JDS246(Cas9-003)以及1.5 µl Lipofectamine 2000。
    1. 作为阴性对照,用0.5 µg GFP表达载体(例如,基于pcDNA3骨架、由CMV启动子驱动的GFP)替代sgRNA载体。
  3. 72小时后(第3天),加入100 µl DNA快速提取缓冲液,剧烈吹打以收集细胞。
  4. 将混合物在68 °C孵育15分钟,然后在95 °C孵育8分钟。所得产物作为后续PCR实验的模板。
  5. 设计上下游PCR引物以扩增PAM序列侧翼区域。通常目标PCR产物长度约为400–500 bp。合成寡核苷酸引物7
  6. 对于50 µl的PCR反应体系,加入第4.5步获得的模板1 µl、Herculase II 0.5 µl、DMSO 0.5 µl、5×缓冲液10 µl、dNTP混合液0.5 µl,以及上下游引物混合液各1 µl。
  7. 采用以下PCR程序:98 °C预变性2分钟;进行35个循环(98 °C变性20秒,59 °C退火20秒,72 °C延伸1分钟),最后在72 °C延伸5分钟。
    注意:此处描述的PCR条件适用于多个已测试基因,可获得特异性扩增产物。然而,这些条件依赖于用户所选择的目标基因。以基因组DNA为模板的PCR通常需要优化,以确保无非特异性条带出现。这些额外条带可能在T7E1酶切分析后与切割产物混淆。
  8. 使用分光光度计在A260处测定PCR产物的DNA浓度。
  9. 取400 ng PCR产物加入2 µl Digestion buffer 2中,用ddH2O补足至终体积19 µl。将反应管置于沸水中孵育5分钟,随后置于实验台上自然冷却至室温(45–60分钟)。
  10. 加入1 µl T7E1(10单位/µl),37 °C孵育15分钟。加入2 µl 0.25 M EDTA与6× DNA上样染料的混合液以终止反应。
  11. 将2.5 g琼脂糖粉末溶于100 ml 1×TAE缓冲液中,微波加热溶解后倒入电泳槽制胶。待凝胶凝固后,将全部20 µl反应产物上样至2.5%琼脂糖凝胶中,在100–150 V电压下电泳30分钟。
  12. 在紫外光下观察凝胶结果(图3)。T7E1会在错配位点进行切割。对于已引发非同源末端连接(NHEJ)的sgRNA,其PCR产物相较于阴性对照(见步骤4.3)会出现额外的快速迁移条带(分子量更小)。
  13. 通过ImageJ软件比较条带密度,估算并排序sgRNA的切割效率及插入缺失百分比(indel%)。
    1. 对凝胶上每个样品的条带分别标记为未切割条带、切割条带1和切割条带2。
    2. 根据ImageJ软件手册,测量各条带的密度值。
    3. 使用以下公式计算fcut:fcut = (切割条带1 + 切割条带2) / (未切割条带 + 切割条带1 + 切割条带2)
    4. 使用以下公式计算Indel%:Indel% = 1 - √(1 - fcut)。

5. 计算机模拟 潜在脱靶位点的预测

注意:可使用一种名为 CasOT17 的在线开源工具预测潜在的脱靶位点,该工具是一个基于 Perl 的程序。

  1. 对于 Windows 系统,将 CasOT 程序和人类基因组数据库文件下载至本地硬盘。
  2. 准备设计好的sgRNA的靶序列文件,格式为FASTA。
  3. 打开名为“casot”的文件。一个命令窗口将出现。暂时保持其状态不变。
  4. 打开名为“opt-generator”的文件以生成选项字符串。将目标文件的路径和名称粘贴到“-t”或“-target”选项的对话框中。
  5. 将基因组序列文件的路径粘贴到“-g”或“-genome”选项的对话框中。
  6. 输入 –s 或 –seed 的值(默认值为 2)以及 –n 或 –nonseed 的值(默认值为 255)。选项字符串将生成并显示在页面顶部的文本框中。
  7. 复制选项字符串,并将其粘贴到第5.3步所述的CasOT命令窗口中。
    注意:运行 CasOT 程序可能需要 30–90 分钟,具体时间取决于所选选项和使用的计算机。完成后,将生成一个名为 ‘<input_target_file>-<基因组文件>-<脱靶相关选项>’ 将生成两个文件,文件夹中包含一个描述统计信息的“.stat”文件和一个包含详细搜索结果的.csv(逗号分隔值)文件。</脱靶相关选项><基因组文件><请提供需要翻译的具体源文本内容,以便我按照您的要求进行专业翻译。>
  8. 使用电子表格程序打开 .csv 文件。文件中为每个脱靶位点提供以下信息:染色体和基因组位置、位点序列、错配(Mm)类型、错配碱基总数以及与脱靶位点相关的外显子信息。
  9. 为具有以下位点设计PCR引物 <2 mM,无论是在种子序列还是非种子序列中。
  10. 对选定的阳性hiPSC克隆进行PCR,反应条件如下:98 °C 2分钟,35个循环:98 °C,20 秒,59 °C,20 秒,72 °C 下 1 分钟,最后在 72℃ 延伸 °5 分钟,C
    注意:本文所述的PCR参数在本实验室测试的多个基因中均能扩增出特异性产物。然而,这些条件取决于用户所选择的目的基因。以基因组DNA为模板的PCR反应通常需要优化,以确保不出现非特异性条带。
  11. 对PCR产物进行测序,将测序结果与预期序列比对,并搜索突变。如果存在突变,则确认存在脱靶效应。

6. 制备神经谱系报告基因的hiPSC电穿孔

  1. 在Geltrex包被的培养皿中,使用TeSR-E8培养基培养hiPSCs。电穿孔前两天将培养基更换为MEF-CM(小鼠胚胎成纤维细胞条件培养基)。加入2 ml Accutase孵育5分钟,收集细胞。
  2. 使用以下条件,将线性化的靶向载体、Cas9-003表达载体和sgRNA载体共同电穿孔转染hiPSCs:每转染1×107个hiPSCs,共转染2.5 µg sgRNA、2.5 µg Cas9和50 µg靶向载体。若采用双切口酶策略,则加入50 µg靶向载体和每种sgRNA各2.5 µg(sgRNA载体同时共表达Cas9n)。
  3. 按照文献24,25所述方法进行阳性与阴性筛选以获得单克隆。
  4. 通过Southern印迹分析或长片段基因组PCR鉴定阳性克隆24,25

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结果

包含同源臂、报告基因盒、阳性与阴性筛选盒等所有必要元件的靶向载体被构建 (图1)。根据内源基因组位点,设计并构建多个(2至3个)sgRNA(若使用Cas9系统)或sgRNA配对(若使用Cas9n双切口酶策略),并将其克隆至人源sgRNA表达载体MLM3636或pX335-U6-Chimeric_BB-CBh-hSpCas9n (D10A) 骨架中 (图2)。在转染人诱导多能干细胞(hiPSCs)之前,通过T7E1检测在293FT细胞中评估sgRNA的切割效率 (图3)。同时预测脱靶位点。选择切割效率适中(插入缺失率在10%-30%之间)且通过in silico分析(步骤5)预测潜在脱靶位点较少的sgRNA,通过电穿孔法用于转染hiPSCs。在成功转染并完成筛选后,鉴定阳性克隆。如有需要,使用从阳性克隆中提取的基因组DNA,对潜在脱靶位点进行PCR扩增。随后通过测序或T7E1检测,确定是否存在脱靶效应。

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讨论

基因靶向是研究基因功能的重要工具。然而,由于其效率相对较低,需要耗费大量人力和时间。近年来,基因组编辑工具的发展,特别是CRISPR(成簇规律间隔短回文重复序列)/Cas(CRISPR相关蛋白)系统的出现,显著提高了靶向效率。本文描述了一种利用CRISPR/Cas系统介导的同源重组技术,构建谱系特异性人类诱导多能干细胞(hiPSC)报告细胞系的实验方案。文中详细介绍了使用CRISPR/Cas系统进行基因组编辑以获得神经谱系报告细胞系所需各组分的操作步骤,重点阐述了靶向载体以及用于Cas9和Cas9n双切口酶系统的单导向RNA的构建方法。

CRISPR/Cas9 系统可用于满足人诱导多能干细胞(hiPSCs)中多种基因工程需求。该系统可用于构建基因敲除和基因敲入(例如,报告基因)细胞系、诱导型平台细胞系以及进行突变校正。根据基因修饰的目的,可设计并构建相应的靶向载体,使得在 Cas9 诱导产生双链断裂(DSB)后,发生同源定向重组(HDR),而非易错的非同源末端连接(NHEJ)。若目的是在特定基因座引入错义突变,则转染 sgRNA 和 Cas9 即可,无需使用靶向载体。

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本工作由神经外科、纪念赫尔曼基金会斯塔曼·奥格尔维基金、德克萨斯大学休斯顿健康科学中心本特森卒中中心以及使命连接蒂尔基金会资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
pStart-KAddgene20346
pWS-TK6 Addgene20350
pKD3 Addgene45604
pKD46大肠杆菌遗传保种中心,CGSC7634
PGK-neo-bpA 序列 Addgene13442
人类目标基因的BAC克隆 https://bacpac.chori.org
JDS246(Cas9-003),哺乳动物密码子优化的化脓性链球菌 Cas9-3X FlagAddgene43861
MLM3636,带有U6启动子的人源gRNA表达载体 Addgene43860
pX335-U6-嵌合体_BB-CBh-hSpCas9n(D10A)Addgene42335
sgRNA 设计,ZiFithttp://zifit.partners.org/ZiFiT/
脱靶预测工具 CasOThttp://eendb.zfgenetics.org/casot/download.php
Perlhttp://www.perl.org/get.html
NCBIhttp://www.ncbi.nlm.nih.gov/
BLAThttps://genome.ucsc.edu/cgi-bin/hgBlat?command=start
sgRNA 引物合成Sigma
Top10 电转感受态大肠杆菌,一管装Life TechnologiesC4040-50
AccuPrime Pfx SuperMixLife Technologies12344-040
限制性内切酶NEB 和 Life Technologies
Zymoclean 凝胶 DNA 回收试剂盒Zymo ResearchD4007
DNA快速提取缓冲液 EpicentreQE0905T
Herculase II 融合 DNA 聚合酶安捷伦科技600675
消化缓冲液2新英格兰生物实验室
6X DNA上样缓冲液赛默飞世尔科技R0611
TeSR-E8 人胚胎干细胞/人诱导多能干细胞维持试剂盒干细胞技术05940
UltraPure 琼脂糖 Life Technologies16500-100
50xTAELife TechnologiesB49
Essential 8 培养基 Life TechnologiesA1517001
杜尔贝科’不含钙和镁的磷酸盐缓冲液 Life TechnologiesA12856-01
含谷氨酰胺-最大量的D-MEM/F12培养基 Life Technologies10565018
含谷氨酰胺的D-MEM培养基 Life Technologies10566040
胎牛血清-胚胎干细胞级别 Life Technologies10439
无血清替代物 Life Technologies10828010
2-巯基乙醇 1000X Life Technologies21985023
非必需氨基酸 Life Technologies11140050
Stempro Accutase Life TechnologiesA1110501
Dispase Life Technologies17105-041
0.25% 胰蛋白酶-EDTA 溶液 Life Technologies25200-056
Geltrex Life Technologies   12760-013
ROCK抑制剂Y-27632Millipore   SCM075
SMC4 试剂 BD354357
新霉素抗性小鼠胚胎成纤维细胞 MilliporePMEF-NL
潮霉素抗性MEF MilliporePMEF-HL
G418(遗传霉素)LifeTechnologies11811
潮霉素B Life Technologies10687010
FIAU(Fialuridine,1-2-脱氧-2-氟-ßD-阿拉伯呋喃糖基-5-碘尿嘧啶 莫拉维克生化与放射化学公司   M251
电穿孔仪:Gene Pulser Xcell 伯乐(Bio-Rad)
0.4 cm 电穿孔比色皿 伯乐(Bio-Rad)165-2088
DIG-高效DNA标记与检测起始试剂盒II 罗氏11585614910
杂交变性溶液 VWR82021-478
PCR DIG探针合成试剂盒 罗氏11636090910
DIG洗涤液套装 罗氏11585762001
抗地高辛(DIG-AP)罗氏11093274910
CSPD 化学发光系统 罗氏11755633001
DIG洗涤与封闭缓冲液套装 罗氏11585762001
50X TAE 缓冲液 Life Technologies24710030
印迹缓冲液(25 mM Tris,pH 7.4,  0.15 M NaCl,  0.1% Tween20
Hoefer 紫外交联仪 Fisher Scientific03-500-308
亚精胺 FisherAC13274-0010
Tris HCl 2M (pH 7.5)VWR   200064-506
Denville Scientific 蓝色生物膜 8x10 Fishernc9550782
DNA分子量标记物II(DIG标记)罗氏11218590910
Amersham 印迹膜 Hybond-N+ 罗氏95038-400
Pyrex 玻璃干燥盘 Fisher15-242A
金佰利C型折叠纸巾 Fisher06-666-32B
Whatman 3MM 滤纸 (26×41)Fisher   05-713-336
杂交袋 罗氏11666649001
杂交管 Fisher13-247-300
杂交炉旋转架 Shake 'n' Stack FisherHBMSOV14110

参考文献

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