本方案利用荧光报告基因和细胞分选技术,简化巨噬细胞和T细胞系中的基因敲入实验。这些简化的基因敲入实验使用两种质粒:一种是表达CRISPR/Cas9和DsRed2的质粒,另一种是表达EBFP2的同源重组供体质粒,后者可永久整合到免疫细胞的Rosa26位点。
方法文章
本方案利用荧光报告基因和细胞分选技术,简化巨噬细胞和T细胞系中的基因敲入实验。这些简化的基因敲入实验使用两种质粒:一种是表达CRISPR/Cas9和DsRed2的质粒,另一种是表达EBFP2的同源重组供体质粒,后者可永久整合到免疫细胞的Rosa26位点。
免疫系统的功能基因组学研究需要进行基因操作,包括删除靶基因以及向目标蛋白添加元件。在细胞系模型中鉴定基因功能对于基因发现和细胞内在机制的探索具有重要意义。然而,利用CRISPR/Cas9介导的基因敲入技术对T细胞和巨噬细胞系等免疫细胞进行遗传操作较为困难,主要原因是这些细胞的转染效率较低,尤其是在静息状态下。为了对免疫细胞进行基因修饰,通常需要使用药物抗性筛选和病毒载体来富集表达CRISPR/Cas9系统的细胞,但这不可避免地会对细胞造成非预期的干扰。在之前的研究中,我们设计了与CRISPR/Cas9偶联的双荧光报告系统,该系统在电穿孔后瞬时表达,这一技术方案可实现免疫细胞中基因的快速删除;然而,在T细胞和巨噬细胞等免疫细胞中实现无需药物抗性筛选或病毒载体的基因敲入则更具挑战性。本文中,我们证明,通过流式细胞分选辅助筛选瞬时表达靶向Rosa26位点的CRISPR/Cas9载体并同时导入供体质粒的细胞,可在T细胞和巨噬细胞中实现无需药物抗性富集的基因敲入。作为示例,我们展示了如何通过基因敲入实验在RAW264.7巨噬细胞中表达SARS-CoV-2(导致当前新冠大流行的病毒)的受体人源ACE2。此类基因敲入细胞可广泛应用于机制研究。
免疫细胞在抵御病原体方面至关重要。先天免疫和适应性免疫均参与清除感染物并维持组织稳态1,2细胞系模型是理解哺乳动物免疫系统分子基础的重要工具,被广泛应用于 体外 功能分析,例如模拟人类T细胞活化的实验,以及确定遗传因子在激活或抑制免疫反应中的功能3,4值得注意的是,哺乳动物的免疫系统具有极大的异质性,同样重要的是,大量分子调控着特定细胞类型的分化、迁移和功能5,6.
成簇规律间隔短回文重复序列(CRISPR)/Cas9基因组编辑工具可实现对特定细胞类型的遗传操作,从而以精确的方式对基因进行功能注释7,8。已有多种已发表的实验方案描述了以Cas9-向导RNA复合物(即核糖核蛋白,RNP)形式将CRISPR/Cas9递送至HEK293细胞、Jurkat细胞系、原代T细胞9,10、巨噬细胞11,12,13、干细胞14以及其他细胞类型15,16。在这些方案中,基因标记通常通过将荧光标签与内源性蛋白融合来实现17,18。然而,目前较少尝试使用适用于单细胞分选的双荧光报告系统来促进基因敲入实验19,20,尤其是在免疫细胞中。
为了深入理解一种新型遗传因子在免疫细胞中的功能,通常需要进行细胞类型特异性的基因敲除、遗传拯救实验,并理想地鉴定其相互作用分子。尽管已有文献报道了优化免疫细胞中基因敲除的方法9,15,21,但关于如何在免疫细胞中引入具有多种功能的基因敲入等位基因以研究免疫应答的方法仍鲜有报道。因此,本实验方案旨在详细描述一种高效且高度可重复的技术流程,用于在人和小鼠免疫细胞系中于安全港位点Rosa26表达目的蛋白(POI)。我们设计了一种双色报告系统,通过表达CRISPR/Cas9的质粒(DsRed2)和重组DNA模板(EBFP2)来富集转染细胞,并可通过细胞分选进行分离。按照本方案操作,我们成功获得了多个基因敲入细胞系,包括人T细胞系Jurkat和小鼠巨噬细胞系RAW264.7,可用于功能尚未充分研究的蛋白质的深入分析。
作为示例,本方案展示了如何获得稳定表达人源ACE2(SARS-Cov-2的受体)的敲入型RAW264.7巨噬细胞22。由于先天免疫细胞参与了新型冠状病毒病(Covid-19)的发病机制23,24,而人源ACE2被认为是病毒进入细胞并在细胞内复制所需的主要受体,因此携带人源ACE2基因敲入的巨噬细胞可作为研究病毒在巨噬细胞内增殖机制的有用工具。同时,我们还展示了在人源ROSA26基因座敲入基因以表达RASGRP1蛋白的示例,该蛋白在其氨基末端融合了亲和性Twin-Strep标签(OST)。T细胞是免疫治疗中的关键靶细胞,越来越多的研究聚焦于调控其对癌症的响应能力25,26。由于Rasgrp1已被证实是T细胞受体及其相互作用分子信号通路下游的关键信号分子,但其相互作用分子尚未被充分阐明27,因此OST-RASGRP1敲入模型为鉴定调控T细胞对肿瘤和感染反应的相互作用分子奠定了基础。综上所述,这些工具可用于新型冠状病毒病(Covid-19)相关研究以及发现与Rasgrp1相互作用的新分子。
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1. 靶向 Rosa26 位点的sgRNA设计与质粒构建
2. 作为同源重组模板的靶向载体的设计与构建
3. 巨噬细胞和T细胞系的电穿孔
4. 细胞分选以分离假定的基因敲入细胞
5. 阳性敲入细胞的筛选与验证
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按照上述方案,在小鼠 RAW264.7 巨噬细胞中对 mRosa26 位点进行敲入实验,我们设计了一种靶向载体以表达人源 ACE2(SARS-CoV-2 病毒的受体)(图 2A)。采用类似的设计,我们构建了人源 Jurkat T 细胞,实现了 OST 标签标记的 RASGRP1 融合蛋白的敲入(图 2C)。在转染三种质粒后,其中两种用于表达 CRISPR/Cas9 系统(DsRed2;pDsR-mR26-sg1 和 pDsR-mR26-sg2 用于 mRosa26 位点敲入;pDsR-hR26-sg1 和 pDsR-hR26-sg2 用于 hROSA26 位点敲入),另一种作为同源重组的 DNA 模板(EBFP2),随后对表达两种荧光报告基因的双阳性细胞进行分选,并接种至 96 孔板中。在使用单细胞分选模式分选的 RAW264.7 细胞中,双阳性细胞(DsRed2+ EBFP2+)比例为 0.91%,但每个孔中收集了 10...
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在本实验中,我们以人源Jurkat T细胞和小鼠RAW264.7巨噬细胞为例,展示了如何从载体设计到基因敲入细胞的筛选与验证,完成免疫细胞中的敲入编辑。T细胞和巨噬细胞系均对转染具有抗性36,37;然而,通过结合荧光报告基因与细胞分选技术,可克服CRISPR/Cas9递送效率低的问题。本方案适用于基因功能挽救实验和蛋白质-蛋白质相互作用实验,但由于该方案是针对Rosa26位点的敲入修饰而开发的,因此不能用于研究调控性DNA序列(如转录因子结合位点)。
双荧光报告系统辅助 CRISPR/Cas9 基因敲入编辑
我们成功应用了一种双荧光报告系统,在免疫细胞中瞬时表达独立的 CRISPR/Cas9 载体,此前的研究已证明该系统可实现大片段 DNA 的删除21。我们设计了一种以 DsRed2 荧光蛋白作为报告基因的 CRISPR/Cas9 靶向工具,并引入另一种光...
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作者无任何利益冲突需要披露。
感谢新乡医学院流式细胞术核心设施。该技术的开发得到了国家自然科学基金项目81601360(资助LZ)、81471595和32070898(资助YL)的支持。本工作还得到了河南省教育委员会基金项目No. 21IRTSTHN030的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Amersham Imager 600 | 通用电气医疗 | 化学发光成像 | |
| 氨苄青霉素钠盐 | MP Biomedicals | 194526 | |
| 抗兔 IgG,HRP 标记抗体 | 细胞信号传导技术 | 7074 | 在1/5000稀释度下 |
| 抗RasGRP1抗体,克隆10.1 | 默克 | MABS146 | 1.0 μ工作浓度的 g/mL |
| AscI | New England BioLabs | R0558S | |
| β-肌动蛋白(D6A8)兔单克隆抗体 | 细胞信号技术公司 | 8457 | 在1/1000稀释度下 |
| BamHI-HF | New England BioLabs | R3136S | |
| BbsI-HF | New England BioLabs | R3539S | |
| Cellometer Mini 自动细胞计数仪 | Nexcelom Bioscience | ||
| E.coli DH5α 感受态细胞 | Takara | 9057 | |
| DMSO(二甲基亚砜) | MP Biomedicals | 196055 | |
| DNeasy 血液 & 组织试剂盒 | Qiagen | 69506 | 细胞培养试剂 |
| DPBS(10倍浓度),无钙,无镁 | 赛默飞世尔科技 | 14200075 | |
| 含高糖的杜尔贝科改良伊格尔培养基(DMEM) | HyClone | SH30022.01 | |
| EcoRI-HF | New England BioLabs | R3101S | |
| FACSAria™ 融合 | BD 生物科学 | 配备生物安全柜 | |
| FACS Canto 流式细胞仪 | BD 生物科学 | ||
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| 胎牛血清(FBS) | 赛默飞世尔科技 | 10099141 | |
| FlowJo 版本 10.7 | BD 生物科学 | ||
| GAPDH (D16H11) XP 兔单克隆抗体 | 细胞信号技术公司 | 5174 | 以1/1000稀释度 |
| 山羊抗小鼠IgG(H+L)二抗,HRP | 赛默飞世尔科技 | 31430 | 在1/5000稀释度下 |
| Immobilon ECL 超级 Western HRP 底物 | Millipore | WBKLS0500 | |
| Immobilon-PSQ PVDF 膜 | Millipore | ISEQ00010 | |
| Jurkat | ATCC | TIB-152 | https://www.atcc.org/ |
| 硫酸卡那霉素 | MP Biomedicals | 194531 | |
| LB 琼脂粉 | 赛默飞世尔科技 | 22700041 | |
| 多通道移液器(30-300 μL | Eppendorf 或类似产品 | ||
| Neon 转染系统 | 赛默飞世尔科技 | MPK5000 | |
| Neon 转染系统,10 μL 型试剂盒 | 赛默飞世尔科技 | MPK1096 | |
| Nunc 15 mL 圆锥形无菌离心管 | 赛默飞世尔科技 | 339651 | |
| OneTaq® 热启动快速载入® 2X 试剂混合液 | New England BioLabs | (M0489) | 高GC%模板 |
| PageRuler 预染蛋白标准品,10 至 180 kDa | 赛默飞世尔科技 | 26616 | |
| 移液器吸头 0.1-20µl | Eppendorf 或类似产品 | 0030 075.005 | |
| 移液器吸头 2-200µl | Eppendorf 或类似产品 | 0030 075.021 | |
| 移液器吸头 50-1000µl | Eppendorf 或类似产品 | 0030 075.064 | |
| 质粒大提试剂盒 | Qiagen | 12163 | |
| pX458-DsRed2 | Addgene | 112219 | |
| QIAquick PCR 纯化试剂盒 | Qiagen | 28104 | 从限制性消化中纯化质粒 |
| Q5热启动高保真2X预混液 | New England BioLabs | M0494S | |
| RAW264.7 | ATCC | TIB-71 | https://www.atcc.org/ |
| 重组抗ACE2抗体 [EPR4435(2)] | Abcam | ab108252 | 在1/1000稀释度下 |
| RPMI 1640培养基 | HyClone | SH30027.01 | |
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