本文介绍了一种时间特异性方法,可有效调控小鼠胎盘中关键的发育通路 体内通过在胚胎发育第12.5天向妊娠母鼠胎盘注射CRISPR质粒并进行电穿孔来完成该操作。
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本文介绍了一种时间特异性方法,可有效调控小鼠胎盘中关键的发育通路 体内通过在胚胎发育第12.5天向妊娠母鼠胎盘注射CRISPR质粒并进行电穿孔来完成该操作。
胎盘是一种关键器官,可调节并维持哺乳动物的发育 在子宫内胎盘负责母体与胎儿之间的营养物质和废物交换,以及生长因子和激素的产生与输送。在小鼠中进行胎盘特异性的遗传操作对于理解胎盘在产前发育中的特定作用至关重要。目前使用的胎盘特异性表达Cre的转基因小鼠在效率上存在差异,因此其他胎盘基因操作方法可作为有益的替代方案。本文描述了一种利用CRISPR基因编辑技术直接调控胎盘基因表达的方法,可用于改变特定靶基因的表达水平。通过相对精细的外科手术操作,在胚胎发育第12.5天(E12.5)对怀孕母鼠实施剖腹手术,使用玻璃微量移液管将CRISPR质粒分别注入各个胎盘组织中,每次注射后立即进行电穿孔转染。母鼠术后恢复后,胎盘和胚胎可继续发育,直至在后续时间点进行分析评估。通过该技术处理后对胎盘及子代的检测,可揭示特定发育时期胎盘功能在胚胎发育过程中的作用。此类基因操作手段将有助于更深入地理解在多种疾病背景下,胎盘遗传机制与功能如何影响胎儿的生长与发育。 关键词:胎盘, 基因操作, CRISPR, 电穿孔, 胚胎发育, 小鼠模型, 胎儿生长, 转基因技术, 剖腹手术, 基因表达调控
胎盘是胎儿发育过程中至关重要的器官。胎盘的主要功能是提供必要的因子,并调控母体与胎儿之间营养物质和代谢废物的转运。哺乳动物的胎盘由胎儿组织和母体组织共同构成,形成母胎界面,因此母体和胎儿的遗传因素均会影响胎盘的功能1。胎盘的遗传异常或功能受损会显著改变胎儿的发育过程。既往研究表明,胎盘的遗传特征和发育状况与胎儿特定器官系统的发育异常密切相关。特别是胎盘的异常与胎儿大脑、心脏及血管系统的改变存在关联2,3,4,5。
激素、生长因子及其他分子从胎盘向胎儿的转运在胎儿发育过程中起着重要作用6。研究表明,改变胎盘中特定分子的生成可影响神经发育。母体炎症可通过改变胎盘中色氨酸(TRP)代谢相关基因的表达,增加血清素的生成,进而导致胎儿大脑中血清素的积聚7。其他研究发现胎盘异常常伴随心脏缺陷。目前认为,胎盘的异常可能促进先天性心脏病的发生,而先天性心脏病是人类最常见的出生缺陷8。最近一项研究鉴定出多个在胎盘和心脏中具有相似细胞通路的基因。若这些通路受到干扰,可能导致两个器官同时出现缺陷9。胎盘的缺陷可能加剧先天性心脏病的严重程度。胎盘遗传学及其功能对特定胎儿器官系统发育的影响,正成为一个新兴的研究领域。
小鼠具有血绒毛膜胎盘及其他与人类胎盘相似的特征,这使其成为研究人类疾病的高度有用模型1尽管胎盘具有重要意义,但目前仍缺乏针对性的 体内 基因操作。此外,目前在胎盘中可用于基因敲除或基因沉默的技术选择,多于基因过表达或功能获得性操作的方法10存在多种转基因 Cre-表达谱系特异性操控的胎盘细胞系,分别在不同时间点针对不同的滋养层细胞谱系。这些包括 Cyp19-Cre, Ada/Tpbpa-Cre, PDGFRα-CreER,以及 Gcm1-Cre11,12,13,14。尽管这些 Cre 转基因技术虽然高效,但可能无法在特定时间点操控某些基因。另一种常用的方法是将慢病毒载体插入囊胚培养物中,以实现对胎盘基因表达的敲除或过表达,该方法可引起滋养层特异性的遗传操作15,16该技术可在发育早期有效改变胎盘基因表达。RNA干扰技术的应用 体内 在胎盘中的应用较为有限。shRNA质粒的插入操作可参照本文所述CRISPR技术进行,已有研究在E13.5时期成功实现靶基因表达的下调 PlGF 胎盘中的表达对子代脑血管系统的影响17.
除了主要用于基因敲除或基因沉默的技术外,诱导过表达通常通过腺病毒或外源蛋白插入实现。用于过表达的技术成功率各异,且大多在妊娠中后期实施。为研究胰岛素样生长因子1(IGF-1)在胎盘功能中的作用,采用腺病毒介导的胎盘基因转导技术以诱导IGF-1的过表达 IGF-1 基因18,19在小鼠妊娠晚期的E18.5天进行 通过 直接胎盘注射。为了提供更多的选择,并避免已建立的胎盘基因操作方法可能出现的失败,例如 Cre-Lox 组合失败、腺病毒可能存在的毒性以及shRNA的脱靶效应, 体内 直接对胎盘进行CRISPR操作可用于20,21,22该模型的开发旨在解决过表达模型的缺乏问题,并构建一个具有灵活性的模型。
该技术基于 Lecuyer 等人的研究,其中 shRNA 和 CRISPR 质粒被直接靶向 体内 小鼠胎盘以改变 PlGF 表达17该技术可用于在多个时间点通过CRISPR操作直接改变胎盘基因表达;本研究选择了E12.5时间点。此时胎盘已发育成熟且体积足够大,便于操作,可在E12.5时插入特定的CRISPR质粒,从而对妊娠中期至晚期的胎儿发育产生显著影响23,24与转基因方法不同,但类似于病毒诱导或RNA干扰技术,该方法通过一种相对先进的外科手术手段,可在特定时间点实现基因的过表达或敲除,从而避免因早期改变导致的胎盘形成障碍或胚胎致死。由于每窝动物中仅有少数胎盘接受了实验或对照质粒,该方法可提供两种类型的内部对照:一种是注射并电穿孔了相应对照质粒的胎盘,另一种是未接受任何直接操作的胎盘。该技术已优化用于实现基因的过表达 IGF-1 小鼠胎盘中的基因 通过 一种协同激活介质(SAM)CRISPR质粒。该 IGF-1 选择该基因是因为IGF-1是一种重要的生长激素,在出生前主要由胎盘产生并输送给胎儿25,26这种新型的胎盘靶向CRISPR技术将实现直接操控,有助于阐明胎盘功能与胎儿发育之间的关联。
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所有操作均按照联邦法规和爱荷华大学政策进行,并经机构动物护理和使用委员会批准。
1. 动物与饲养
2. 微量移液器的校准
注意:应尽可能在手术前完成微量移液器的校准。
3. 手术(图1A)
注意:准备时,使用70%乙醇清洁准备区域和手术区域的表面。在准备区域放置一张吸水垫。在手术区域,先放置加热垫,然后在其上方放置一张吸水垫。手术前对所有器械进行灭菌。麻醉状态下大鼠的持续时间应少于1小时。
4. 术后护理与监测
5. E14.5 胎盘采集
6. 胎盘基因表达分析
7. 胎盘蛋白水平分析
8. 利用荧光原位杂交标记进行空间CRISPR验证
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常规实验流程结果(图6)
在本研究中,共有三个被操纵的组别,包括注射了通用CRISPR Cas9对照质粒(Cas9 Control)、激活对照CRISPR质粒(Act Control)或一个 IGF-1 SAM激活质粒(Igf1-OE)。Cas9对照更适合敲除质粒,而激活对照更适合过表达/激活质粒。用于评估通过操控胎盘所引起的活力变化 通过 注射与电穿孔后,于E14.5分析同窝胚胎的存活情况(图6A)。选择这一时间点是因为其他已开展的研究也曾进行过该操作 体内 通过电穿孔插入CRISPR质粒已表明,可在8–22小时内实现基因表达变化30,31,32在E14.5时进行收集,可使CRISPR质粒有大约48小时的...
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胎盘是胎儿生长的主要调控器官,如前所述,胎盘基因表达或功能的改变可能对胎儿发育产生显著影响6. 本方案可用于进行靶向 体内 利用相对先进的手术方法对小鼠胎盘进行CRISPR操作。该技术可获得大量存活胚胎及其对应胎盘,可用于后续研究图6A,B)。该技术使我们能够成功地过表达胎盘 IGF-1 在 E14.5(图7A,B)。所使用的质粒具有特异性,因为插入的质粒保留在经操作的胎盘中,而在相邻未处理的胎盘中未检测到。图7C,D)。其空间分布 IGF-1 通过FISH检测dCas9-3xNLS-VP64和Prl8a8的激活质粒,结果表明该激活质粒存在于IGF1-OE胎盘的三个亚区中,而在未经处理的胎盘任何亚区中均不存在图7E
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢以下资助来源:R01 MH122435、NIH T32GM008629 和 NIH T32GM145441。作者感谢爱荷华大学的 Val Sheffield 博士和 Calvin Carter 博士实验室提供手术室和设备的使用,同时也感谢 Eric Van Otterloo 博士、Nandakumar Narayanan 博士和 Matthew Weber 博士在显微成像方面的协助。作者还感谢 Sara Maurer 博士、Maya Evans 和 Sreelekha Kundu 在初步手术中的协助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1.5 ml 离心管 | USA Scientific 公司 | 1615-5500 | |
| PBS 中的 4% 多聚甲醛(PFA) | 赛默飞世尔科技 | J61899.AP | |
| 96孔板 | 科宁斯 | 3598 | 对于BCA试剂盒 |
| 吸水垫 | Fisher Scientific | 14-206-62 | |
| 激活对照质粒 | Santa Cruz Biotechnology | sc-437275 | 用于稀释的无DNase水 |
| AMV逆转录酶 | New England Biolabs | M0277L | 用于cDNA合成 |
| 麻醉气体蒸发器 | Vetamac | VAD-601TT | VAD-compact 蒸发器 |
| 人工泪液凝胶 | 阿克恩 | NDC 59399-162-35 | |
| BCA 蛋白检测试剂盒 | 赛默飞世尔科技 | 23227 | 蛋白质定量 |
| Biovortexer | Bellco Glass, Inc. | 198050000 | 手持式组织匀浆器 |
| CellSens 软件 | Olympus | V4.1.1 | FISH图像的图像处理 |
| Centrifuge 5810 | Eppendorf | EP022628168 | 平板离心机 |
| 氯仿 | 赛默飞世尔科技 | J67241-AP | RNA提取 |
| 棉签 | ProAdvantage | 77100 | 使用前灭菌 |
| CRISPR/Cas9 对照质粒 | Santa Cruz Biotechnology | sc-418922 | 用于稀释的无DNase水 |
| CryoStat | Leica | CM1950 | |
| 解剖显微镜 | Leica | M125 C | 用于尸体解剖后成像 |
| 可吸收缝线 | 医学与兽医国际 | J385H | |
| 蒸馏水 | Gibco | 15230162 | |
| 杜氏磷酸盐缓冲液(DPBS) | 赛默飞世尔科技 | 14190144 | (-) 钙;(-) 镁 |
| ECM 830 电穿孔仪(电穿孔设备) | BTX Harvard Apparatus | 45-0662 | 发电机仅 |
| 电动剃须刀 | Wahl | CL9990 | Kent Scientific |
| 电穿孔板/镊子电极 | BTX Harvard Apparatus | 45-0487 | 3 mm 直径电极片;包含导线 |
| 包埋盒:250 个/包 | 格雷格纳 | 21RK94 | 胎盘包埋盒 |
| 乙醇 | 赛默飞世尔科技 | 268280010 | |
| F-Air 采气罐 | Penn Veterinary Supply 公司 | BIC80120 | 过量异氟烷过滤器 |
| 快绿FCF染料 | Sigma | F7252-5G | 溶解至1 μg/ml,过滤;避光 |
| 基于滤光片的微孔板光度计(酶标仪) | Fisher Scientific | 14377576 | 可用于 BCA 和 ELISA |
| 镊子 | VWR | 82027-386 | 精细尖头,直刃,锯齿状 |
| 中性缓冲福尔马林溶液,10% | Sigma Aldrich | HT501128 | |
| 玻璃毛细管 - 硼硅酸盐玻璃(微量移液管) | Sutter Instrument | B150-86-10 | 外径:1.5 mm,内径:0.86 mm,长度:10 cm |
| Halt 蛋白酶和磷酸酶抑制剂混合液(100倍浓缩) | 赛默飞世尔科技 | 1861281 | 蛋白匀浆缓冲液 |
| 加热垫 | Thermotech | S766D | 数字控温加热湿敷垫 |
| 止血钳 | VWR | 10806-188 | 完全饱和的下颌;弯曲 |
| 热水浴 | Fisher Scientific | 20253 | Isotemp 205 |
| Igf-1 SAM 质粒 (m1) | Santa Cruz Biotechnology | sc-421056-ACT | 用于稀释的无DNase水 |
| 诱导室 | Vetamac | 941443 | 无需特定的升数规格 |
| 异氟烷 | Piramal Pharma Limited | NDC 66794-013-25 | |
| 异丙醇/2-丙醇 | Fisher Scientific | A451-4 | RNA 提取 |
| 盐酸氯胺酮 100 mg/ml | Akorn | NDC 59399-114-10 | |
| MgCl2/氯化镁 | Sigma Aldrich | 63069-100ML | 1M 蛋白匀浆缓冲液 |
| MicroAmp™ 带条形码的光学384孔反应板 | Fisher Scientific | 4309849 | 无需条形码板 |
| 微毛细管尖端 | Eppendorf | 5196082001 | 连接至 BTX 显微注射仪 |
| 显微注射仪 | BTX Harvard Apparatus | 45-0766 | 不锈钢移液器架,130 mm 长,适用于 1 至 1.5 mm 移液器 |
| Microject 1000A(注射装置) | BTX Harvard Apparatus | 45-0751 | MicroJect 1000A Plus 系统 |
| 显微注射仪 P-97 型 | Sutter Instrument | P-97 | Flaming/Brown型微电极拉制仪 |
| 微孔板混合器(板式摇床) | scilogex | 822000049999 | |
| 小鼠/大鼠IGF-I/IGF-1 Quantikine ELISA试剂盒 | R & D Systems | MG100 | |
| 针头 | BD - 贝克顿·迪金森公司 | 305106 | 30 G × 1/2(0.3 mm × 13 mm) |
| 氮气罐 | Linde | 7727-37-9 | 任何惰性气体 |
| 非甾体抗炎药(NSAID) | 诺布鲁克实验室有限公司 | NDC 55529-040-10 | 镇痛药,例如美洛昔康 |
| 鼻锥 | Vetamac | 921609 | 9-14 毫米 |
| Opal 620 检测染料 | Akoya Biosciences | SKU FP1495001KT | 用于FISH |
| 最佳切割温度(O.C.T.)包埋剂 | 樱花 | 4583 | |
| 氧气瓶 | Linde | 7782 - 44 - 7 | 医用级氧气 |
| 研钵杵 | USA Scientific 公司 | 14155390 | |
| 聚维酮碘溶液,5% | Avrio Health L.P. | NDC 67618-155-16 | |
| Power SYBR™ 绿色 PCR 预混液 | 赛默飞世尔科技 | 4367659 | 用于qPCR |
| 随机六聚体(随机引物) | 新英格兰生物实验室 | S1330S | 用于cDNA合成 |
| 剃刀刀片 | 格雷格纳 | 26X080 | |
| RNA纯化试剂盒 &和浓缩器 | Zymo Research | R1013 | |
| RNALater | 赛默飞世尔科技 | AM7021 | |
| RNAscope试剂盒v.2.5 | Advanced Cells Diagnostics | 323100 | 包含荧光原位杂交所需的所有试剂。探针需单独购买。 |
| RNAscope™ 探针-Mm-Prl8a8-C2 | Advanced Cells Diagnostics | 528641-C2 | |
| RNAscope™ 探针-载体-dCas9-3xNLS-VP64 | Advanced Cells Diagnostics | 527421 | |
| Roto-Therm Mini | 基准测试 | R2020 | 原位杂交用干烤箱 |
| 剪刀 | VWR | 82027-578 | 解剖剪,尖头,4¹/? |
| 氯化钠(生理盐水) | Hospra | NDC 0409-4888-03 | 无菌的, 0.9% |
| 柠檬酸钠二水合物,三钠盐,[柠檬酸三钠二水合物] | Research Product International | 03-04-6132 | |
| Fisher Chemical 1N 氢氧化钠浓缩液 | Fisher Scientific | SS277 | 蛋白匀浆缓冲液 |
| 蒸锅 | 贝拉 | B00DPX8UBA | |
| 无菌手术巾 | Busse | 696 | 使用前灭菌 |
| Superfrost Plus 显微镜载玻片 | Fisher Scientific | 12-550-15 | |
| Surgipath 盖玻片 24x60 | Leica | 3800160 | |
| 注射器 | BD - 贝克顿·迪金森公司 | 309659 | BD鲁尔滑动针头注射器,无菌,一次性使用,1 mL |
| 赛默飞世尔科技™ Invitrogen™ Nanodrop™ 一台带WiFi功能的Qubit荧光计™ 4 氟光计 | Fisher Scientific | 13-400-525 | 此配置随 Qubit 4 荧光仪提供。 无需进行Qubit定量。 |
| 组织粘合剂 | 3M | 1469SB | VetBond |
| Tris HCl | 赛默飞世尔科技 | 15568025 | 1M 蛋白匀浆缓冲液 |
| TRIzol™ 试剂 | 赛默飞世尔科技 | 15596018 | RNA 提取 |
| TSA缓冲液套装 | Advanced Cells Diagnostics | 322810 | 用于稀释 Opal 620 检测染料 |
| 通用F-电路 | Vetamac | 40200 | 连接至蒸发器及蒸发器配件 |
| 正置复合荧光显微镜 | 奥林巴斯 | BX61VS | 用于FISH成像 |
| 含DAPI的Vectorshield | Vector Laboratories | H-1200 | 盖玻片封片介质 |
| ViiA™ 7实时荧光定量PCR系统,配备384孔反应模块 | 赛默飞世尔科技 | 4453536 | 这是用于SYBR 384孔板检测。 TaqMan 和/或较小的片段可供使用 |
| Wet n Wild 指甲油 Wild Shine,透明指甲保护剂,指甲彩绘 | 亚马逊 | C450B | |
| 赛拉嗪 20mg/ml | Anased | 343730_RX |
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