本方案描述了如何在无PAM限制的情况下进行高效的腺嘌呤碱基编辑,以利用zSpRY-ABE8e构建精确的斑马鱼疾病模型。
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本方案描述了如何在无PAM限制的情况下进行高效的腺嘌呤碱基编辑,以利用zSpRY-ABE8e构建精确的斑马鱼疾病模型。
CRISPR/Cas9 技术提高了斑马鱼在模拟人类遗传疾病、研究疾病发病机制以及药物筛选中的价值。然而,原间隔序列邻近基序(PAM)的限制仍是构建由单核苷酸变异(SNVs)引起的人类遗传病精准动物模型的主要障碍。迄今为止,一些具有广泛PAM兼容性的SpCas9变体已在斑马鱼中显示出编辑效率。优化后的SpRY介导的腺嘌呤碱基编辑器(ABE)、zSpRY-ABE8e以及合成修饰的gRNA在斑马鱼中的应用,实现了不受PAM限制的高效腺嘌呤-鸟嘌呤碱基转换。本文描述了一种利用zSpRY-ABE8e在斑马鱼中实现高效腺嘌呤碱基编辑且不受PAM限制的实验方案。通过将zSpRY-ABE8e mRNA与合成修饰的gRNA混合物注射到斑马鱼胚胎中,成功构建了一个携带精确突变的斑马鱼疾病模型,该突变模拟了核糖体成熟因子TSR2(tsr2)的一个致病位点。该方法为建立精准疾病模型以研究疾病机制和治疗方法提供了有价值的工具。
导致错义或无义突变的单核苷酸变异(SNVs)是人类基因组中最常见的突变来源1。为了确定特定SNV是否具有致病性,并阐明其致病机制,需要建立精确的动物模型2。斑马鱼是良好的人类疾病模型,其与人类在生理和遗传上具有高度同源性,且发育周期短、繁殖能力强,有利于致病特征与机制的研究以及药物筛选3。
成簇规律间隔短回文重复序列(CRISPR)/Cas9系统已广泛应用于包括斑马鱼在内的多种物种的基因组编辑4。在gRNA的引导下,CRISPR/Cas9系统可在靶位点产生DNA双链断裂(DSBs),随后通过同源定向修复(HDR)途径将靶位点与供体DNA模板重组,实现单碱基替换。via然而,由于细胞DNA修复过程主要通过非同源末端连接(NHEJ)途径进行,该方法的碱基替换效率较低,且通常伴随插入和缺失(indel)突变5。幸运的是,基于CRISPR/Cas9的单碱基编辑技术通过使用碱基编辑器(base editors),在不诱导DSBs的情况下实现了更高效的单碱基编辑,显著缓解了这一问题。目前已开发出两类主要的碱基编辑器:腺嘌呤碱基编辑器(ABEs)和胞嘧啶碱基编辑器(CBEs),分别用于实现A·T到G·C和C·G到T·A的碱基替换6,7,8,9,10,11。这四种碱基替换类型涵盖了30%的人类致病性变异12。已有报道表明,包括PmCDA1、BE系统、CBE4max、ABE7.10和ABE8e在内的这两类碱基编辑器均能在斑马鱼中发挥作用,其中BE4max和ABE8e尤其被报道具有较高的编辑活性13,14,15,16,17,18,19。
来自不同物种的Cas9蛋白,包括Staphylococcus aureus、Streptococcus pyogenes和S. canis,已被应用于斑马鱼基因编辑,其中Streptococcus pyogenes Cas9(SpCas9)的应用最为广泛20,21,22,23。然而,SpCas9只能识别具有NGG原间隔序列邻近基序(PAM)的靶位点,这限制了其可编辑范围,可能导致在感兴趣的致病位点附近无法找到合适的序列24。为了扩展靶向范围,已通过定向进化和结构导向设计构建了多种SpCas9变体,以识别不同的PAM序列。然而,这些变体中仅有少数在动物体内有效,尤其是在斑马鱼中,这限制了斑马鱼在单核苷酸变异(SNV)相关疾病研究中的应用25,26,27,28。最近,报道了两种PAM限制更宽松的SpCas9变体SpG和SpRY(SpG识别NGN,SpRY识别NNN,且对NRN的偏好高于NYN),在人类细胞和植物中表现出高效的编辑活性29,30,31,32。随后,SpG和SpRY以及多种由其介导的碱基编辑器,如SpRY介导的CBEs和SpRY介导的ABEs,也被证实可在斑马鱼中发挥作用,这将增强斑马鱼模型在SNV相关疾病机制研究和药物筛选中的应用18,33,34,35。此外,i-Silence被提出作为一种高效且精确的基因敲除策略,通过ABE介导将起始密码子从ATG转换为GTG或ACG36。i-Silence策略与SpRY介导的碱基编辑器zSpRY-ABE8e的结合,为疾病建模提供了新方法18。本实验方案展示了如何在斑马鱼中利用zSpRY-ABE8e结合i-Silence策略构建tsr2(M1V)模型,并对斑马鱼模型中的编辑效率和表型进行了评估与分析。
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本研究严格遵守华南师范大学动物护理与使用委员会的指导方针进行。
1. 准备合成修饰的gRNA和zSpRY-ABE8e mRNA
2. 准备受精显微注射用玻璃毛细管
3. 将zSpRY-ABE8e mRNA与EE gRNA混合物显微注射入斑马鱼胚胎
使用 EditR 进行碱基编辑效率分析
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已报道TSR2基因突变可导致戴蒙德-布莱克凡贫血症(DBA)42。本研究利用i-Silence策略构建了携带tsr2(M1V)突变的DBA斑马鱼模型。通过使用zSpRY-ABE8e,成功将斑马鱼tsr2基因起始密码子中的腺嘌呤转换为鸟嘌呤(图3)。
Sanger测序结果的EditR分析显示,在tsr2起始密码子的腺嘌呤碱基位置存在A/G重叠峰(图4)。
将F0代创始个体与先前获得的tsr2杂合突变成鱼进行交配后,在受精后2天(dpf)于显微镜下观察胚胎表型。与对照组相比,部分胚胎表现出眼睛较小及心包肿胀的表型(图5)。随后使用0.03%三卡因麻醉胚胎,固定于4%甲基纤维素中,并进行拍照记录。
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本方案描述了使用碱基编辑器 zSpRY-ABE8e 构建斑马鱼疾病模型的方法。与传统的通过同源定向修复(HDR)途径实现碱基替换的方法相比,本方案可实现更高效的碱基编辑,并减少插入缺失(indels)的发生。同时,本方案涉及在斑马鱼中实施近期提出的 i-Silence 基因敲除策略。综上所述,zSpRY-ABE8e 将增强斑马鱼模型在疾病研究中的应用。
脱靶效应是CRISPR/Cas9系统中的常见问题。尽管先前一项包含靶向tsr2的研究未发现显著的脱靶效应18,但由于缺乏PAM序列限制,zSpRY-ABE8e的脱靶效应可能更高。幸运的是,通过严格的gRNA设计标准可避免这一问题,这些标准确保仅有一个基因组序列能与gRNA及其PAM序列完全匹配,并将预测的脱靶位点总数降至最低。此外,已有研究表明,与注射mRNA和gRNA相比,注射核糖核蛋白复合物(RNP)和gRNA可降低脱靶概率43。进一步地,对gRNA和Cas9的修饰也可减少脱靶效应...
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作者声明无利益冲突。
我们感谢来自理文编辑(Edanz)的Barbara Garbers博士对本手稿初稿英文文本的编辑。本工作由广东省重点领域研发计划(2019B030335001)、国家重点领域研发计划&中国国家重点研发计划(2019YFE0106700)、国家自然科学基金(32070819,31970782)以及广东省水产经济动物病原生物学与流行病学重点实验室(PBEA2020YB05)研究基金项目。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 琼脂糖 | Sigma-Aldrich | A9539 | 用于制备注射平板的1.5%琼脂糖 |
| 硼硅酸盐玻璃毛细管 | Harvard Apparatus | BS4 30-0016 | |
| 细胞培养皿 | Falcon | 351029 | |
| ClonExpress Ultra一步克隆试剂盒 | Vazyme | C115 | 用于Infusion克隆的试剂盒 |
| 密码子优化服务 | Sangon Biotech | ||
| Drummond微量毛细管 | Drummond Microcaps | P1299-1PAK | 长度:32 mm,容量:0.5 μL |
| EasyEdit gRNA服务 | GenScript | ||
| 精细镊子 | Fine Scientific Instrument | 11254-20 | 用于折断针头 |
| Flaming/Brown微电极拉制仪 | Stutter Instrument | P-97 | 用于拉制玻璃毛细管 |
| HotStart Taq PCR StarMix | Genstar | A033-101 | 用于PCR反应 |
| 智能人工气候箱 | TENLIN | PRX-1000A | 用于培养斑马鱼胚胎 |
| 甲基纤维素 | Sigma-Aldrich | M0512 | 拍摄时用于固定斑马鱼 |
| Microloader移液器吸头 | Eppendorf | 5242956003 | |
| mMACHINE试剂盒 | |||
| Mut Express II快速定点突变试剂盒V2 | Vazyme | C214-01 | 用于定点突变的试剂盒 |
| 气动显微注射仪 | ZGene Biotech | ZGPCP-1500 PLUS | |
| pT3TS-zSpCas9 | Addgene | 46757 | |
| RNeasy FFPE试剂盒 | Qiagen | 73504 | 用于RNA纯化的试剂盒 |
| Sanger测序服务 | Sangon Biotech | ||
| 氢氧化钠,颗粒状 | Sangon | A100173-0500 | 基因组提取中使用的NaOH |
| 体视显微镜 | Olympus | SZX10 | 用于表型拍照 |
| SZ系列变倍体视显微镜 | CNOPTEC | SZ650 | |
| T3 mMESSAGE | Ambion | AM1348 | 用于体外转录的试剂盒 |
| TIANprep迷你质粒提取试剂盒 | TIANGEN | DP103-03 | 质粒提取试剂盒 |
| TIANquick迷你纯化试剂盒 | TIANGEN | DP203-02 | 用于线性化质粒纯化的试剂盒 |
| 三卡因 | Sigma-Aldrich | E10521 | 用于麻醉斑马鱼 |
| 三(羟甲基)氨基甲烷 | Sangon | A600194-0500 | 基因组提取中Tris·HCl的组分 |
| XbaI | New England Biolabs | R0145S | 用于质粒线性化的限制性内切酶 |
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