为了理解头颈部肿瘤的发生机制,需要建立具有头颈部癌症患者特定基因突变的小鼠模型。本文介绍了一种利用腺相关病毒-Cas9系统在体外转化小鼠原代舌细胞的实验方案,以构建具有特定基因组改变的小鼠头颈部癌细胞系。
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为了理解头颈部肿瘤的发生机制,需要建立具有头颈部癌症患者特定基因突变的小鼠模型。本文介绍了一种利用腺相关病毒-Cas9系统在体外转化小鼠原代舌细胞的实验方案,以构建具有特定基因组改变的小鼠头颈部癌细胞系。
利用原代正常上皮细胞,结合基于成簇规律间隔短回文重复序列(CRISPR)的基因组编辑技术,在小鼠中引入癌基因和抑癌基因的特定突变,可重复地诱导细胞转化所需的基因组改变。该技术使我们能够利用小鼠精确模拟人类癌症中发生的遗传变异。通过对小鼠原代细胞进行遗传转化,可更深入地研究癌症的发生、发展、治疗及诊断。在本研究中,我们使用可由Cre诱导表达Cas9的小鼠舌上皮细胞,实现在体外利用腺相关病毒(AAV)进行基因组编辑。具体而言,通过对正常舌上皮细胞中的KRAS、p53和APC基因进行修饰,我们在体外建立了一株具有致瘤性的鼠源头颈部癌(HNC)细胞系,该细胞系可在同源小鼠中形成肿瘤。本文详细描述了如何构建具有特定基因组改变的HNC细胞系,并阐述了其在预测同源小鼠中肿瘤进展方面的适用性。我们预期,这一具有前景的方法将有助于头颈部癌的肿瘤生物学研究与治疗探索。
头颈部癌(HNC)是全球范围内常见的恶性肿瘤1。目前,HNC肿瘤发生的建模研究正处于一个科学上的转折点2。尽管已在HNC中鉴定出多种基因突变2,3,4(例如 TP53、PIK3CA、NOTCH1、FAT1 和 RAS),但诱导HNC发生所必需的基因组改变的具体组合仍不明确。
目前人源HNC细胞系的应用已显著帮助阐明了与发病机制及治疗相关的各种机制3。然而,在免疫缺陷型小鼠模型中研究人源细胞系存在局限性,因为这些模型无法反映体内肿瘤发生过程、特定基因突变的作用,以及在免疫微环境中的治疗反应。因此,建立具有特定遗传改变的小鼠细胞系对于研究不同基因在转化过程中的作用,以及在免疫健全小鼠中测试基于新分子的治疗方法具有重要意义。
生物医学研究中的基因功能研究已因DNA编辑技术的进步而受到显著影响,例如通过引入双链断裂(DSBs)5。这些技术包括锌指核酸酶、转录激活因子样效应物核酸酶以及成簇规律间隔短回文重复序列(CRISPR/Cas9)系统,能够在其基因座上对任何目的基因进行操控。最新的CRISPR/Cas9系统由一条引导RNA(gRNA)组成,该RNA可引导Cas9核酸酶在基因组的特定位点产生双链断裂。该系统已在任何细胞或靶组织中修饰内源性基因方面获得广泛认可,甚至在传统上最难处理的生物体中也取得了成功5。由于其简便性、快速性和高效性,该系统相较于其他技术具有多种优势。
在肿瘤学领域,CRISPR/Cas9 技术已成功实现了对癌细胞的有效模拟。为了在头颈部癌(HNC)中建立该系统,我们对强效的 KRAS 癌基因以及两个重要的抑癌基因 APC 和 p536进行了操作。根据 GENIE 数据库7,这种基因组合在头颈部癌中较为罕见。RAS 基因突变(HRAS、NRAS 和 KRAS)仅存在于约 7% 的头颈部癌患者中。这类肿瘤通常对治疗具有耐药性8,9。
通过使用AAV或慢病毒进行病毒转导,可实现Cas9及其gRNA的递送。由于重组AAV具有高滴度、较弱的免疫反应、能够转导多种细胞类型以及整体安全性较高等优点,常被作为将基因递送至靶细胞的首选方法。利用AAV系统,研究人员已成功构建了多种组织特异性的小鼠细胞系,并且新的细胞系仍在不断开发中10,11,12。然而,目前仍缺乏一种高效的基因组编辑系统,用于生成小鼠头颈部癌(HNC)细胞系模型。在本研究中,我们旨在建立一种基于体外AAV-Cas9的系统,将原代小鼠舌细胞转化为具有致瘤性的状态。该独特的CRISPR/Cas9转化方案以及所建立的肿瘤细胞系,可用于更深入地理解由多种基因组改变所诱导的HNC生物学特性。
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本研究经内盖夫本古里安大学动物护理与使用委员会批准。动物实验已获得国际实验动物护理评估与认证委员会(IACUC)的批准(编号:IL.80-12-2015 和 IL.29-05-2018(E))。本研究中涉及的所有动物实验、饲养及环境条件均符合《实验动物护理与使用指南》13 的要求。
1. 腺相关病毒的制备
2. AAV 纯化
3. 原代细胞的分离与培养
4. 原代细胞的 AAV 转导
5. 使用免疫荧光和蛋白质印迹法验证正常细胞向致瘤性细胞的转化
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利用 AAV 系统转化正常的 Cas9 细胞
图 1 提供了本研究中所用 AAV 转基因质粒的详细载体图谱。图 2 概述了基于 AAV-Cas9 系统的设计与工作原理。为产生病毒颗粒,采用 PEI 转染法将 HEK293T 细胞与 AAV 转基因载体及其他病毒包装载体共同转染。转染后,收集含病毒的细胞并进行裂解,通过肝素-琼脂糖纯化流程对病毒颗粒进行纯化与浓缩(图 2A)。这些纯化的病毒颗粒用于体外转化从 Cas9 小鼠中分离的原代细胞,以检测其有效性。在本系统中,AAV 转基因表达盒通过同源重组插入到小鼠细胞内的 Cre 依赖性 Cas9 Rosa26 靶向模板中,该模板包含普遍性 CAG 启动子(pCAG)、LoxP-Stop-LoxP 结构(LSL)、Cas9 核酸酶基因、自剪切 P2A 肽段以及由两个同源臂包围的...
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此前已有多种方法用于转化培养中的原代细胞,但成功率各不相同25,26,27,28。这些方法大多使用小鼠成纤维细胞进行转化14,17,18,19,或使用4-硝基喹啉-1-氧化物(4-NQO)等致癌剂21,22来建立小鼠细胞系模型。基因敲除和转基因小鼠模型的应用也极大地加深了我们对调控头颈部癌(HNC)发生与分化的各种分子通路的理解。具有独特遗传模式的小鼠口腔上皮细胞系的使用无疑将补充这些研究,其后续的生化检测将有助于...
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M.S. 担任生物科学研究所的顾问委员会成员,Menarini Ricerche 已从 Puma Biotechnology、Daiichi-Sankio、Targimmune、Immunomedics 和 Menarini Ricerche 获得研究经费。M.S. 还是 Medendi Medical Travel 的联合创始人,在过去两年中,曾从 Menarini Ricerche 和 ADC Pharma 获得酬金。其他所有作者均无任何利益冲突需要披露。
我们感谢 Daniel Gitler 博士为我们提供了 pAd Delta 5 Helper 质粒。本研究由以色列科学基金会(ISF,700/16)(资助对象:ME)、美国-以色列双边科学基金会(BSF,2017323)(资助对象:ME 和 MS)、以色列癌症协会(ICA,20170024)(资助对象:ME)、以色列癌症研究基金会(ICRF,17-1693-RCDA)(资助对象:ME)以及关爱基金会(#7895)(资助对象:ME)提供资金支持。博士后奖学金:Alon 奖学金授予 ME,BGU Kreitman 奖学金授予 SJ 和 MP。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 抗体 | |||
| 抗小鼠 HRP | Jackson ImmunoResearch | 115-035-146 | |
| 抗兔 HRP | Jackson ImmunoResearch | 711-035-152 | |
| Cas9 小鼠单克隆抗体 | Cell Signaling Technology | 14697 | |
| Cre | BioLegend | 900901 | |
| Cy3-AffiniPure 山羊抗小鼠 IgG | Jackson ImmunoResearch | 115-165-062 | |
| Cy-AffiniPure 山羊抗兔 IgG | Jackson ImmunoResearch | 111-165-144 | |
| GFP | Santa Cruz Biotechnology | sc-9996 | |
| 磷酸化-p44/42 MAPK (Erk1/2) | Cell Signaling Technology | 4370 | |
| 兔单克隆抗E钙黏蛋白 | Cell Signaling Technology | 3195S | |
| 兔单克隆抗KRT 14 | Abcam | AB-ab181595 | |
| β 肌动蛋白 | MP Biomedicals | 691001 | |
| β 连环蛋白 | Cell Signaling Technology | 9582S | |
| 细胞系 | |||
| HEK93T | ATCC | CRL-3216 | |
| 培养基、化学试剂与试剂 | |||
| Bradford 试剂 | Bio-Rad | 30015484 | |
| BSA | Amresco | 0332-TAM-50G | |
| DAPI 氟封片剂 | Southern Biotech | 0100-20 | |
| DMEM | Biological Industries Israel Beit-Haemek Ltd. | 01-055-1A | |
| ECL(Westar Supernova 和 Westar Nova 2.0) | Cyanagen | XLS3.0100 和 XLS071.0250 | |
| FBS | Biological Industries Israel Beit-Haemek Ltd. | 04-127-1A | |
| HBSS | Sigma | H6648 | |
| 肝素-琼脂糖 | Sigma | H6508 | |
| Isolate II 基因组DNA试剂盒 | Bioline | BIO-52066 | |
| MgCl2 | Panreac AppliChem | 300283 | |
| NaCl | Bio Lab Ltd | 1903059100 | |
| PBS | Biological Industries Israel Beit-Haemek Ltd. | 02-023-1A | |
| PEI | Polysciences | 23966-1 | |
| 青霉素-链霉素溶液 | Biological Industries Israel Beit-Haemek Ltd. | 03-031-1B | |
| PFA | Santa Cruz Biotechnology | 30525-89-4 | |
| 磷酸酶抑制剂混合液 | Biotool | B15001A/B | |
| 蛋白酶抑制剂混合液 | MilliporeSigma | P2714-1BTL | |
| Tris 缓冲液 | MERCK Millipore | 648311-1KG | |
| 酶 | |||
| 苯甲酸酶 | Sigma | E1014 | |
| 胶原酶IV | Thermo Fisher Scientific | 17104019 | |
| DNA酶 | Thermo Fisher Scientific | 18047019 | |
| 透明质酸酶 | MilliporeSigma | H3506 | |
| 胰蛋白酶 | Biological Industries Israel Beit-Haemek Ltd. | 03-050-1B | |
| 玻璃器皿 | |||
| 盖玻片 | Bar Naor | BNCB00130RA1 | |
| 载玻片 | Bar Naor | BN9308C | |
| 小鼠品系 | |||
| C57BL/6 | Envigo | ||
| B6;129-Gt(ROSA)26Sortm1(CAG-cas9*,-EGFP)Fezh/J | Jackson labs | 24857 | |
| NOD.CB17-Prkdc-scid/NCr Hsd(Nod.Scid) | Envigo | ||
| 质粒 | |||
| AAV pCM109 EFS Cre sg APC sg Kras sg P53- Kras HDR | 麻省理工学院布罗德研究所 | 由美国马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所 Randall J Platt 博士和 Joseph Rosenbluh 博士惠赠 | |
| AAV 2/9 衣壳载体 | Addgene | 112865 | |
| pAD Delta F5 辅助质粒 | 内盖夫本-古里安大学 | 由以色列贝尔谢巴内盖夫本-古里安大学健康科学学院生理与细胞生物学系及兹洛托夫斯基神经科学中心 Daniel Gitler 博士提供 | |
| 塑料器皿 | |||
| Amicon-ULTRA 100 KDa 滤膜 | Millipore | UFC910024 | |
| 0.22 µm 无菌滤器,4 mm | Millex | SLGV004SL | |
| 0.45 µm 无菌滤器,13 mm | Millex | SLHV013SL | |
| 培养板 | Greiner Bio-One | ||
| Falcon 管 | Greiner Bio-One |
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