传统的利用基因敲除动物进行的基因功能缺失研究通常成本高昂且耗时。基于电穿孔的CRISPR介导体细胞突变技术是研究基因功能的强大工具。 体内在此,我们报告一种用于分析小脑增殖细胞中基因敲除表型的方法。
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传统的利用基因敲除动物进行的基因功能缺失研究通常成本高昂且耗时。基于电穿孔的CRISPR介导体细胞突变技术是研究基因功能的强大工具。 体内在此,我们报告一种用于分析小脑增殖细胞中基因敲除表型的方法。
脑部畸形通常由基因突变引起。解析患者来源组织中的突变已帮助识别出多种潜在致病因素。为了验证突变基因功能障碍对疾病发展的贡献,构建携带这些突变的动物模型是一种显而易见的方法。尽管生殖系基因工程小鼠模型(GEMMs)是常用的生物学工具且具有可重复的结果,但其应用受限于时间和成本。相比之下,非生殖系GEMMs通常能以更可行的方式探索基因功能。由于某些脑部疾病(例如,脑肿瘤)似乎由体细胞突变而非种系突变引起,因此正常细胞与异常细胞共存的非种系嵌合小鼠模型可能有助于开展与疾病相关的分析。在本研究中,我们报道了一种在小脑中诱导CRISPR介导的体细胞突变的方法。具体而言,我们使用了条件性基因敲入小鼠,其中 Cas9 和 GFP 处于慢性激活状态 CAG (CMV增强子/鸡ß-actin)启动子之后 Cre介导的基因组重组。将自设计的单导向RNA(sgRNAs)和Cre重组酶序列共同构建于同一质粒中,在胚胎期通过 在子宫内 电穿孔。因此,转染的细胞及其子代细胞均被绿色荧光蛋白(GFP)标记,从而便于进一步的表型分析。该方法不仅展示了基于电穿孔的基因递送技术在胚胎小脑细胞中的应用,还提出了一种评估CRISPR介导的功能缺失表型的新型定量方法。
脑部疾病是最令人畏惧的致命疾病之一,通常由基因突变及其后续的调控失调引起。为了理解脑部疾病的分子机制,研究人员持续不断地对人类患者的基因组进行解析,已鉴定出多个潜在的致病基因。迄今为止,已利用生殖系基因工程动物模型开展相关研究 体内 功能获得(GOF)和功能缺失(LOF)分析是针对此类候选基因的常用方法。随着功能验证研究的快速发展,一种更为可行且灵活的 体内 用于研究基因功能的基因检测系统是可取的。
应用一个 体内 基于电穿孔的基因转移系统适用于发育中小鼠大脑的这一目的。事实上,已有多个研究采用了这种方法 在子宫内 电穿孔已显示出在发育中的大脑中进行功能分析的潜力1,2,3实际上,小鼠大脑的多个区域,例如大脑皮层4,视网膜5间脑6, 后脑7小脑8和脊髓9 迄今为止,已通过体细胞基因递送方法靶向了这些目标。
事实上,通过瞬时基因表达 体内 电穿孔技术长期被用于小鼠胚胎脑组织的基因功能获得(GOF)分析。近年来,基于转座子的基因组整合技术进一步实现了目的基因的长期和/或条件性表达。10,11,这有利于在发育过程中以时空特异性的方式解析基因功能。与功能获得(GOF)分析相比,功能缺失(LOF)分析更具挑战性。尽管已采用小干扰RNA(siRNA)和携带短发夹RNA(shRNA)质粒的瞬时转染方法,但由于外源引入的核酸(如质粒和双链RNA)最终会降解,基因LOF的长期效应难以保证。然而,CRISPR/Cas技术为LOF分析带来了突破性进展。编码荧光蛋白的基因(例如,GFP)或生物发光蛋白(例如,萤火虫荧光素酶)已与CRISPR-Cas9和sgRNA共转染,用于标记经历CRISPR-Cas9介导的体细胞突变的细胞。然而,该方法在增殖细胞的功能研究中可能存在局限性,因为外源性标记基因在长期增殖后会被稀释并降解。尽管转染细胞及其子代细胞的基因组发生了CRISPR诱导的突变,但其标记痕迹可能随时间而丢失。因此,遗传标记方法将适用于克服这一问题。
我们最近开发了一种基于CRISPR的脑颗粒细胞功能缺失研究方法,该细胞在分化过程中经历长期增殖12为了对转染细胞进行遗传标记,我们构建了一个质粒,该质粒携带一条sgRNA以及 Cre 并将质粒导入 Rosa26-CAG-LSL-Cas9-P2A-EGFP 小鼠的小脑中13 使用 在子宫内 电穿孔。与编码EGFP的常规质粒载体不同,该方法成功标记了转染的颗粒神经元前体细胞(GNPs)及其子代细胞。该技术为理解 体内 在正常脑发育及易发肿瘤背景下,研究目的基因在增殖细胞中的功能。
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所有动物实验均按照动物福利法规进行,并已获得主管部门(卡尔斯鲁厄政府,批准编号:G90/13、G176/13、G32/14、G48/14 和 G133/14)的批准。
1. 构建 pU6-sgRNA-Cbh-Cre 质粒
2. 使用 EGxxFP 质粒系统检测 sgRNA 的效率
注意:通常使用Surveyor或T7E1(T7内切酶I)检测sgRNA的编辑效率。本方案中采用了一种简便且高效的替代方法。该方法的关键在于使用pCAG-EGxxFP质粒,该质粒包含被一段含有sgRNA靶向位点的DNA序列分隔开的重叠EGFP片段17。当pCAG-EGxxFP质粒与sgRNA及Cas9共同在转染细胞中表达时,Cas9在靶序列处诱导产生双链断裂(DSB),该断裂通过细胞内源性的同源依赖性修复机制进行修复,从而重建EGFP表达盒。
3. 执行 子宫内 电穿孔
4. 制备电穿孔小脑的冷冻切片
5. 冷冻切片的免疫染色
6. 成像与分析
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对于 体内 功能分析中,关键是要鉴定出外源基因已导入的细胞。虽然在非增殖细胞中,标记物(如GFP)的表达可长期追踪,但在增殖细胞中,其信号会随着细胞分裂逐渐丢失。这一效应的示例如下所示: 图1为避免在功能缺失(LOF)分析中丢失转染细胞的痕迹,我们开发了一种新方法,将基于电穿孔的基因递送技术与CRISPR/Cas9技术相结合。
代表性结果如图2所示。通过将携带sgTop2b靶序列的质粒pU6-sgTop2b-Cbh-Cre和pCAG-EG-Top2b-FP17瞬时转染至稳定表达SpCas9的HEK293T细胞中,检测质粒构建物的功能(图2A)。由sgRNA引导的Cas9核酸酶活性可诱导EGFP表达盒发生双链断裂...
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使用 子宫外 电穿孔,我们先前已报道基于siRNA的 体内 小脑颗粒细胞分化早期阶段 Atoh1 的功能分析8由于siRNA的稀释/降解以及胚胎在子宫外暴露,对电穿孔颗粒细胞的表型分析仅限于胚胎阶段。然而,当前方法实现了对出生后动物表型的分析。
我们之前的研究表明,Cas9介导的肿瘤抑制基因敲除 Ptch1 通过 在子宫内 电穿孔成功诱导了髓母细胞瘤2相比之下,当前方法具有两个主要优势:1)Cas9 无需与质粒共同递送,而是通过单个质粒携带多个sgRNA表达盒即可实现多基因靶向;2)靶细胞及其子代细胞可被GFP永久标记,从而实现对活细胞的可视化以及对转化肿瘤细胞行为的分析 体内.
该方案最关键的步骤是将质粒DNA准确地注射到正确位置,以及将电脉冲递送至大脑的适当区域。小脑神经元以出生时间依赖的方式,依次来源于小脑神经上皮。由于电穿孔技术仅在E1...
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作者无任何利益冲突需要披露。
感谢 Laura Sieber、Anna Neuerburg、Yassin Harim 和 Petra Schroeter 在技术方面的协助。同时感谢 K. Reifenberg 博士、K. Dell 博士和 P. Prückl 在 DKFZ 动物实验中提供的有益帮助;感谢 DKFZ 成像核心设施以及 DKFZ 内卡尔蔡司成像中心提供的共聚焦显微成像支持。本研究由德国研究基金会(Deutsche Forschungsgemeinschaft)资助,项目编号 KA 4472/1-1(资助对象:D.K.)。
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