对Nasonia vitripennis胚胎进行显微注射是实现可遗传基因组修饰的关键方法。本文详细描述了Nasonia vitripennis胚胎的显微注射与移植操作步骤,该方法将极大促进未来对该生物体的基因组操作研究。
对Nasonia vitripennis胚胎进行显微注射是实现可遗传基因组修饰的关键方法。本文详细描述了Nasonia vitripennis胚胎的显微注射与移植操作步骤,该方法将极大促进未来对该生物体的基因组操作研究。
jewel 蜂 Nasonia vitripennis 已成为研究包括性别决定、单双倍体性别决定、毒液合成以及宿主-共生体相互作用等多种生物学过程的有效模式系统。使用该生物体的一个主要限制是缺乏有效的定向基因组改造方法。基因组改造的一个重要环节是将编辑试剂(包括 CRISPR/Cas9 分子)通过显微注射导入胚胎。尽管显微注射技术在许多模式生物中已较为成熟,但在 N. vitripennis 中实施该技术尤为困难,主要原因是其胚胎体积微小,且胚胎发育完全发生在被寄生的丽蝇蛹体内。以下实验流程克服了这些重大技术挑战,展示了一种简化且可视化的操作方法,可有效将蜂类胚胎从被寄生的宿主蛹中取出,进行显微注射,并谨慎地将其重新移植回宿主体内,以继续并完成发育过程。该方案将显著增强各研究团队在此生物体中开展高级基因组改造的能力。
宝石蜂, N. vitripennis 是该属四个物种之一 Nasonia 以腐食性蝇类为寄主的体外寄生蜂,例如 Sarcophaga bullata1由于其世代周期短、易于在实验室中培养,以及具有一系列独特且重要的生物学特性, N. vitripennis 一直是传统模式生物中多种实验工具开发的关注焦点。例如,某些独特的生物学特征包括单双倍体繁殖系统2与微生物和遗传寄生虫的关系3,4,以及一条额外染色体(B染色体)5,6,7综上所述,这些 制作 N. vitripennis 一个重要的实验系统,可用于研究这些过程的分子和细胞机制,此外还可用于包括毒液产生在内的其他研究8,9性别决定10,11以及体轴模式形成的进化与发育12,13,14此外,研究生物学的遗传工具包 N. vitripennis 在过去十年左右,随着高分辨率基因组的测序完成,其研究进展显著加快15,多项基因表达研究16,17,18,以及利用RNA干扰(RNAi)在功能上阻断基因表达的能力19,20这些改进共同提升了对该生物体进行反向遗传学研究的可操作性和能力。
尽管在该生物体中已取得许多重要的科学进展并扩展了工具包,但根据目前的认知,仅有一家研究团队成功进行了胚胎显微注射,以产生可遗传的基因组修饰21。这主要是由于操作N. vitripennis胚胎存在困难,因为这些胚胎非常脆弱且体积微小,大小约为Drosophila melanogaster胚胎的三分之二,因此通常难以操作。此外,N. vitripennis雌性会将卵产入已被其蜇刺过的丽蝇蛹内,在其中完成整个胚胎发育、幼虫及蛹期发育过程。因此,为了成功进行显微注射,必须高效地从寄主蛹中收集处于囊胚前期的胚胎,迅速完成显微注射,并立即将其移植回寄主体内继续发育。这些步骤需要极高的精确度和操作技巧,以避免损伤被注射的胚胎或蛹期寄主,使得该技术极具挑战性。尽管如此,十余年前曾发表过一个简短的实验方案,描述了N. vitripennis胚胎的显微注射方法22。然而,该方法要求对刚产下的胚胎进行干燥处理,使用粘性胶带固定卵以进行显微注射,且未提供该技术的可视化演示。因此,本文描述了一种更新和修订后的实验流程,包含可视化操作步骤,详细阐述了一种改进的、分步进行的N. vitripennis胚胎显微注射方案,可供任何基础实验室参照执行,以在这一重要的模式昆虫中实现可遗传的基因组修饰。
1. N. Vitripennis 种群饲养
2. 玻璃翼果蝇(N. Vitripennis)原肠胚前阶段胚胎的收集与排列
3. 显微注射针头的制备
4. 胚胎显微注射
5. 将显微注射后的 G0 N. vitripennis 胚胎移植到预先被刺伤的寄主体内
6. 基因组修饰的筛选
本方案提供了关于群体饲养、原肠胚前胚胎收集、排列、显微注射以及注射后移植的详细操作指南,可用于高效进行基因组编辑 N. vitripennis如所示 图2,成功进行显微注射的一般操作步骤顺序为 N. vitripennis 包括:(i)让雄性和雌性成虫交配(约4天),(ii)提供新鲜的寄生蝇蛹(S. bullata) 将交配后的雌虫置于改良的泡沫塞中以使其产卵(约 45 分钟),(iii)小心剥离被寄生的宿主蛹的表皮,以暴露并收集处于前囊胚期的蜂胚胎(约 15 分钟),(iv)对收集的胚胎进行排列(约 15 分钟),(v)向胚胎中显微注射基因组修饰组分(约 15 分钟),(vi)将注射后的胚胎小心放回先前已被蜇刺的宿主中,以使其正常发育(约 15 分钟),以及(vii)通过将注射后的胚胎/宿主转移至相对湿度约为 70% 的加湿培养 chamber 中,防止其脱水(约 15 分钟)。随后,将被寄生的宿主孵育约 14 天,以完成其充分发育 N. vitripennis 胚胎。注射后,成虫从宿主中羽化(viii),分离、交配,并 individually 筛查其是否含有预期的突变。
为了有效穿刺和显微注射 N. vitripennis 胚胎注射中,测试了多种含内丝的毛细玻璃针,包括石英、铝硅酸盐和硼硅酸盐类型。研究发现,针的质量对于避免注射过程中针头断裂或堵塞,以及实现较高的胚胎存活率和转化效率至关重要。针对每种玻璃类型,均开发出有效的拉针方案,以制备出理想的类似皮下注射针的长尖端 N. vitripennis 使用不同拉针仪(P-1000 和 P-2000)进行胚胎显微注射表 1, 图4).
为了优化该实验流程,通过注射不同剂量的基因组修饰组分后测定存活率。本实验所用的基因组修饰组分包括混合的引导RNA(gRNA)和Cas9蛋白,用于CRISPR介导的基因组编辑,此前已证明该组合在N. vitripennis21中具有良好的编辑效果。与先前报道类似,本研究设计并合成了靶向cinnabar基因的单导RNA(sgRNA)。通过靶向并破坏该基因,可在生物体的眼色上观察到易于识别的表型变化19,21。配制包含不同浓度sgRNA(0、20、40、80、160和320 ng/µL)与Cas9蛋白(0、20、40、80、160和320 ng/µL)组合的注射混合液,并将其注射至野生型N. vitripennis的胚胎中。结果显示,注射后胚胎的存活率呈剂量依赖性(表2)21。sgRNA和Cas9蛋白浓度的增加会导致存活率下降(表2),这可能是由于叠加的脱靶效应所致。此外,移植至寄主后维持较高的湿度(约70%)对胚胎存活也至关重要,因为在低湿度(约10%)条件下,所有注射后的胚胎均全部死亡。

图1. 宿主蛹的制备 (S. bullata 用于 N. vitripennis 胚胎产卵 (A年轻与年老 S. bullata 蛹。较老的蛹体壁颜色较深,而较年轻的蛹体壁则呈较明显的红褐色。为最大化产卵量,宜选用较年轻的蛹。蛹的后端与前端亦可区分,后端具一类似火山口的开口,前端则呈圆钝状。B宿主(S. bullata) 蛹的制备用于 N. vitripennis 胚胎产卵. 将寄主蛹插入已挖出与蛹大小相匹配孔洞的泡沫塞中,使寄主蛹的后端朝向泡沫塞内部,前端露出约0.2 cm,以确保产卵主要集中于前端区域。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图 2.通过显微注射创建 N. vitripennis 突变体的时间线。N. vitripennis 胚胎采集、CRISPR/Cas9 显微注射及注射后操作的时间流程。N. vitripennis 成虫在无产卵位点的条件下交配 4 天(i)。随后,将新鲜的腐肉蝇蛹 S. bullata 置于泡沫塞内,仅暴露其后端约 0.5 cm,并提供给 gravid 雌虫 45 分钟以完成寄生行为(ii)。同时准备显微注射所需材料,包括显微注射针和 CRISPR/Cas9 组分(iii)。从寄主体内收集胚胎(iv),排列整齐(v),并注射 CRISPR/Cas9 组分(vi)。将注射后的胚胎小心转移回预先被蜇刺过的寄主体内(vii),并在其中孵化直至完全发育(14 天)(viii)。成虫羽化后,筛选目标基因中预期由 CRISPR/Cas9 诱导突变所产生的表型(ix)。整个流程通常需 19 天完成。请点击此处查看该图的放大版本。

图 3.用于排列胚胎的改良显微镜载玻片。(A)盖玻片。(B)显微镜载玻片。(C)胚胎排列装置。可将盖玻片粘附于显微镜载玻片上,用于在注射前对胚胎进行排列。盖玻片的作用是形成边缘,便于胚胎的操控与整齐排列。请点击此处查看此图的放大版本。

图 4.注射针制备。(A)优质与劣质铝硅酸盐玻璃针的示例。(B)无斜面、正确斜面处理及斜面处理不良的针尖。采用微移液管拉制仪拉制铝硅酸盐玻璃毛细管,所得针尖随后使用斜面仪轻柔打开并修整。良好斜面处理的针尖极为锋利,而斜面处理不良的针尖则钝拙。请点击此处查看该图的放大版本。
| 毛细玻璃类型 | Sutter 针状拉制仪型号 | 加热 | 灯丝 | 速度 | 延迟 | 拉力 | 压力 |
| 石英 | P-2000 | 750 | 4 | 40 | 150 | 165 | - |
| 铝硅酸盐 | P-1000 | 605 | - | 130 | 80 | 70 | 500 |
| 硼硅酸盐 | P-1000 | 450 | - | 130 | 80 | 70 | 500 |
表1. 拉针仪参数设置。
注意:拉针仪的设置因设备而异,因此每个实验室都需要优化自身的拉针仪参数。本表已根据 Li et al.21 进行修改
| sgRNA-1 | Cas9 | 总胚胎数 | 移植(10% 湿度) | 移植(70% 湿度) | |||
| 存活幼虫 | 存活幼虫 | 存活成虫 | |||||
| 总计 (%) | 总计 (%) | ♂ | ♀ | 总计 (%) | |||
| 未注射 | 未注射 | 100 | 94 (94) | 96 (96) | 66 | 26 | 92 (92) |
| 水 | 水 | 100 | 0 (0) | 78 (78) | 44 | 32 | 76 (76) |
| 20 ng/µL | 20 ng/µL | 100 | 0 (0) | 74 (74) | 34 | 34 | 68 (68) |
| 40 ng/µL | 40 ng/µL | 100 | 0 (0) | 67 (67) | 30 | 32 | 62 (62) |
| 80 ng/µL | 80 ng/µL | 100 | 0 (0) | 53 (53) | 24 | 22 | 46 (46) |
| 160 ng/µL | 160 ng/µL | 100 | 0 (0) | 41 (41) | 16 | 22 | 38 (38) |
| 320 ng/µL | 320 ng/µL | 100 | 0 (0) | 25 (25) | 10 | 10 | 20 (20) |
表2. 基于不同浓度sgRNA和Cas9注射的注射与移植后存活率及基因编辑效率。 本表格经修改自 Li et al.21
近期对N. vitripennis基因组的测序工作,引发了对该物种中未知基因进行功能性表征的分子工具的重要需求23。CRISPR-Cas9系统及其他多种基因编辑工具已被证明在研究多种生物的基因功能方面具有重要价值24。然而,为了产生可遗传的突变,这些工具需要进行胚胎显微注射。因此,本文展示了一种详细的可视化技术,包含多项创新,可实现高效的N. vitripennis胚胎显微注射。
总体而言,与现有方法相比23,该详细技术在多个方面实现了重要创新,可实现对N. vitripennis胚胎的高效显微注射。例如,为便于快速收集胚胎,设计并使用了一种产卵工具(泡沫塞),使寄生蜂产卵完全局限于寄主的后端(图1),从而可在短时间内高效收集大量胚胎。此外,还改进并明确了大规模饲养寄生蜂种群以获得更多卵的技术。同时,为加快胚胎排列速度,开发了一种胚胎排列装置,可高效完成胚胎的排列与注射,无需使用双面胶带固定胚胎(图3)。
此外,研究发现,在注射过程中保持胚胎湿润(用水)并避免胚胎干燥或用油覆盖,可提高存活率。同时,测试了多种毛细玻璃管类型,并确定了制备适用于N. vitripennis显微注射的最佳针头的参数(表1,图4)。另外,在显微注射后,将注射过的卵置于预先被刺伤且处于高湿度(70%)环境中的宿主体内进行孵化,可显著提高胚胎的存活率。这些改进使得N. vitripennis的显微注射操作更加高效且成功率更高。
根据用户的偏好,可对本实验方案中的注射装置和饲养流程进行一些微小的调整。然而,要成功在N. vitripennis中产生突变体,若干关键步骤至关重要。例如,操作需迅速,以确保注射的胚胎发育时间超过>1小时,并且必须保证注射针足够锋利,以尽量减少对胚胎的损伤,这两点均至关重要。尽管本方案在多数(即使不是全部)基因的突变构建中均应有效,但其主要局限性在于CRISPR/Cas9系统需要靶向PAM(NGG)序列,这将决定可靶向的序列范围。
总之,这种改进的技术可用于产生多种基因组修饰,例如利用CRISPR/Cas9技术引入突变、缺失,甚至可能实现插入操作21,或进行转基因插入以创制转基因的 N. vitripennis,这将极大加速对该生物的功能研究。
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作获得了加利福尼亚大学河滨分校(UCR)提供的实验室启动基金(资助对象:O.S.A.)以及美国农业部国家食品与农业研究所(NIFA)哈奇项目(1009509,资助对象:O.S.A.)的大力支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Bugdorm | Bugdorm | 41515 | 昆虫饲养笼 |
| 玻璃试管 | Fisher Scientific | 982010 | |
| 肉蝇蛹,Sarcophaga bullata | Carolina Insects | 144440 | |
| 微电极斜面研磨仪 | Sutter Instruments | BV10 | |
| 金刚石研磨板(适用于0.7μm至2.0μm尖端尺寸) | Sutter Instruments | 104E | |
| 显微操作器 | World Precision Instruments | Kite R | |
| Femtojet Express 可编程微量注射仪 | Eppendorf | ||
| 微电极拉制仪 | Sutter Instruments | P-1000 或 P-2000 | |
| 体视显微镜 | Olympus | SZ51 | |
| 复合光学显微镜 | Leica DM-750 | ||
| 铝硅酸盐玻璃毛细管,外径1 mm,内径0.58 mm | Sutter Instruments | BF100-58-10 | 也可使用硼硅酸盐玻璃或石英材质 |
| Identi-Plugs | JAECE | L800-B | 泡沫塞 |
| 显微镜载玻片 | Fisherbrand | 12-550-A3 | |
| 盖玻片 | VWR | 48366045 | |
| 粘合剂 | Aron Alpha | AA471 | 用于将盖玻片粘合至载玻片 |
| 细尖毛笔 | ZEM | 2595 | |
| 超细尖镊子 | Fisher Scientific | 16-100-121 | |
| Femtotips 微量移液吸头加载尖端 | Fisher Scientific | E5242956003 |
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