本文报道了利用CRISPR/Cas9系统构建着丝粒相关蛋白E(CENP-E)基因敲除细胞及三种基于表型的筛选策略。我们已利用CENP-E 基因敲除细胞系建立了一种新方法,用于验证CENP-E抑制剂的特异性和毒性,该方法对药物开发和生物学研究具有重要意义。
方法文章
本文报道了利用CRISPR/Cas9系统构建着丝粒相关蛋白E(CENP-E)基因敲除细胞及三种基于表型的筛选策略。我们已利用CENP-E 基因敲除细胞系建立了一种新方法,用于验证CENP-E抑制剂的特异性和毒性,该方法对药物开发和生物学研究具有重要意义。
CRISPR(成簇规律间隔短回文重复序列)/Cas9 系统已成为在多种生物体中进行精确高效基因编辑的强大工具。着丝粒相关蛋白 E(CENP-E)是一种向微管正端移动的驱动蛋白,参与动粒-微管捕获、染色体排列以及纺锤体组装检验点的调控。尽管 CENP-E 蛋白的细胞功能已被广泛研究,但使用传统方法研究其直接功能仍存在困难,因为 CENP-E 的缺失通常会导致纺锤体组装检验点激活、细胞周期阻滞以及细胞死亡。在本研究中,我们利用 CRISPR/Cas9 系统在人 HeLa 细胞中完全敲除了 CENP-E 基因,并成功构建了 CENP-E-/- HeLa 细胞系。
建立了三种优化的基于表型的筛选策略,包括细胞克隆筛选、染色体排列表型以及CENP-E蛋白的荧光强度检测,这些策略显著提高了CENP-E基因敲除细胞的筛选效率和实验成功率。重要的是,CENP-E基因的缺失会导致染色体排列异常、有丝分裂检查点丝氨酸/苏氨酸激酶B(BubR1)蛋白定位异常以及有丝分裂缺陷。此外,我们利用CENP-E基因敲除的HeLa细胞模型,开发了一种针对CENP-E特异性抑制剂的鉴定方法。
本研究建立了一种验证CENP-E抑制剂特异性和毒性的有效方法。此外,本文介绍了利用CRISPR/Cas9系统进行CENP-E基因编辑的实验方案,该方法可作为研究CENP-E在细胞分裂中作用机制的有力工具。同时,CENP-E 基因敲除细胞系将有助于CENP-E抑制剂的发现与验证,对肿瘤药物研发、细胞生物学中细胞分裂机制的研究以及临床应用具有重要意义。
基因组编辑技术可实现对多种细胞和生物体中基因的靶向修饰。在真核生物中,可通过使用序列特异性核酸酶诱导靶标DNA的同源重组,从而实现位点特异性突变1。近年来,已开发出多种基因组编辑技术,包括锌指核酸酶(ZFNs)2,3、转录激活因子样效应物核酸酶(TALENs)4,5以及归巢大核酸酶(homing meganucleases)6,7,这些技术均可在基因组特定位点进行切割,但往往需要复杂的蛋白质工程和重复的实验流程。研究表明,II型原核生物成簇规律间隔短回文重复序列(CRISPR)/Cas系统是一种高效的基因编辑技术,可在多种细胞和物种中特异性地介导RNA引导的位点特异性DNA切割8,9,10,11。CRISPR/Cas9基因敲除技术已彻底改变了基础生物学、生物技术和医学领域12。
细菌和大多数古菌进化出了一种基于RNA的适应性免疫系统,该系统利用CRISPR和Cas蛋白来识别并摧毁病毒和质粒13。Streptococcus pyogenes Cas9(SpCas9)核酸酶包含类RuvC的Holliday连接体解离酶(RuvC)结构域和组氨酸-天冬酰胺-组氨酸(HNH)结构域,通过提供包含CRISPR RNA(crRNA)和反式激活crRNA(tracrRNA)的合成单导向RNA(sgRNA),可高效介导序列特异性的双链断裂(DSBs)14,15,16。双链断裂可通过产生插入缺失的非同源末端连接(NHEJ)或同源定向修复(HDR)途径进行修复,从而在哺乳动物细胞中引入多种突变,包括插入、缺失或无痕的单核苷酸替换1,8。易错的NHEJ途径和高保真的HDR途径均可用于介导基因敲除,通过插入或缺失导致移码突变和提前终止密码子的产生10。
驱动蛋白-7 CENP-E 在细胞分裂过程中对动粒-微管连接和染色体排列至关重要17,18,19抗体显微注射20,21,siRNA 耗竭22,23,化学抑制24,25,26,以及基因敲除27,28,29 CENP-E的缺失会导致染色体排列异常、纺锤体组装检查点激活以及有丝分裂缺陷,进而引起非整倍性和染色体不稳定性19,30在小鼠中, CENP-E 缺失会导致发育异常,并在发育的极早期阶段引发胚胎致死27,29,31基因敲除 CENP-E 通常会导致染色体错位和细胞死亡26,27,29,这阻碍了对CENP-E蛋白功能和作用机制的研究。
最近一项研究利用一种可诱导的生长素CRISPR/Cas9基因编辑方法建立了条件性CENP-E基因敲除细胞系32,可在相对较短的时间内实现CENP-E蛋白的快速降解33。然而,迄今为止尚未建立稳定的CENP-E基因敲除细胞系,这是CENP-E生物学领域尚未解决的一项技术挑战。考虑到遗传稳健性34、遗传补偿反应35,36,37以及复杂的细胞内环境,完全删除CENP-E的直接后果可能十分复杂且难以预测。因此,建立CENP-E基因敲除细胞系对于研究染色体排列机制、纺锤体组装检查点以及下游信号通路具有重要意义。
CENP-E抑制剂的发现及其应用对癌症治疗具有重要意义。迄今为止,已发现并合成了七类CENP-E抑制剂,包括GSK923295及其衍生物24,25、PF-277138,39、咪唑并[1,2-a]吡啶骨架衍生物40,41、化合物A42,43、syntelin44,45、UA6278446以及苯并[d]吡咯并[2,1-b]噻唑衍生物47。在这些抑制剂中,GSK923295是一种变构性且高效的CENP-E抑制剂,可结合于CENP-E的马达结构域,抑制CENP-E微管刺激的ATP酶活性,其Ki值为3.2 ± 0.2 nM24,25。然而,与GSK923295在培养的癌细胞中的抑制效果相比,其在临床癌症患者中的治疗效果并不理想48,49,这也引发了人们对GSK923295作用于CENP-E特异性的担忧。此外,其他CENP-E抑制剂对CENP-E蛋白的特异性及其副作用也是癌症研究中的关键问题。
本研究利用 CRISPR/Cas9 系统在 HeLa 细胞中完全敲除了 CENP-E 基因。我们建立了三种优化的基于表型的筛选策略,包括细胞克隆筛选、染色体排列表型分析以及 CENP-E 蛋白的荧光强度检测,以提高 CENP-E 基因编辑的筛选效率和成功率。此外,CENP-E 基因敲除细胞系可用于验证候选化合物对 CENP-E 的特异性。
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1. CRISPR/Cas9基因敲除载体的构建
限制性内切酶。加入1 µg pX458质粒、2 µL 10x缓冲液G、1 µL Bbs
,并加入无RNase的ddH₂O2将体积补至20 µL放入1.5 mL离心管中。37 °C孵育2 h。随后根据生产商说明书,使用柱式DNA胶回收试剂盒纯化线性化质粒。2. 转染、分离及筛选 CENP-E 敲除的HeLa细胞
3. 免疫荧光染色与高分辨率共聚焦显微镜观察
4. 染色体标本制备与核型分析
5. 细胞克隆形成实验
6. 细胞活力检测
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该 CENP-E-/- HeLa细胞已通过CRISPR/Cas9系统成功构建(图1)。该方法的时间线和关键实验步骤如下所示: 图1首先,我们设计并合成了 CENP-E特异性的sgRNA,将sgRNA退火并连接至pX458质粒中,将该质粒转染入HeLa细胞,并培养48小时。转染后的细胞经消化分散,通过连续稀释法接种于96孔板中图1A)。挑选单菌落,并采用三种基于表型的策略进行筛选。突变类型及 CENP-E 敲除细胞通过PCR、Sanger测序和免疫荧光实验进行验证(图1A)。第1外显子和第13外显子 CENP-E 基因被选为4号染色体上的靶向位点(图1B)。CRISPR/Cas9 系统利用 RuvC 和 HNH 核酸酶结构域,在原间隔序列邻近基序(PA...
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驱动蛋白-7 CENP-E 是细胞分裂过程中染色体排列和纺锤体组装检查点的关键调控因子17,19,20。CENP-E 的基因缺失通常会导致纺锤体组装检查点激活、细胞周期阻滞以及细胞死亡27,29,51,52。因此,构建稳定的 CENP-E 基因敲除细胞系是 CENP-E 生物学研究中一个尚未解决的重要问题。本研究利用 CRISPR/Cas9 系统成功构建了 CENP-E 基因敲除的 HeLa 细胞。本研究建立了三种优化的基于表型的筛选策略——细胞克隆筛选、染色体排列表型分析以及 CENP-E 蛋白荧光强度检测——显著提高了 CENP-E 基因敲除细胞的筛选效率和成...
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作者声明无利益冲突。
感谢福建医科大学细胞骨架实验室所有成员的有益讨论。感谢福建医科大学公共技术服务中⼼的林俊进、黄志宏、林玲、庞丽丽、周林英、林曦和吴敏霞提供的技术支持。感谢福建医科大学基础医学实验教学中心郑思怡、林颖和柯祺给予的支持。本研究得到以下基金资助:国家自然科学基金(项目编号 82001608 和 82101678)、中国福建省自然科学基金(项目编号 2019J05071)、中国福建省科技创新增量联合资金(项目编号 2021Y9160)以及福建医科大学高层次人才科研启动基金项目(项目编号 XRCZX2017025)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.25% 胰蛋白酶-EDTA | Gibco | 25200056 | |
| 1.5 mL 离心管 | Axygen | MCT-150-C | |
| 24孔板 | 康宁 | 3524 | |
| 4S Gelred,水中10,000倍浓缩液 | 上海桑谷生物技术有限公司 | A616697 | |
| 50 mL 离心管 | 康宁 | 430828 | |
| 6 cm 培养皿 | 康宁 | 430166 | |
| 95% 乙醇 | 国药化学试剂 | 10009164 | |
| 96孔板 | 康宁 | 3599 | |
| 乙酸 | 国药集团化学试剂 | 10000218 | 溶于 H2O 以配制10%的工作液。 |
| 琼脂糖 | 生工生物(上海) | A620014 | |
| Alexa Fluor 488 标记的山羊抗小鼠 IgG(H+L) | Beyotime | A0428 | 用于免疫荧光。用 1% BSA/PBST 溶解,按 1:500 稀释。 |
| Alexa Fluor 488 标记的山羊抗兔 IgG(H+L) | Beyotime | A0423 | 用于免疫荧光。用 1% BSA/PBST 溶解,按 1:500 稀释。 |
| Alexa Fluor 555 标记的驴抗小鼠 IgG(H+L) | Beyotime | A0460 | 用于免疫荧光。用 1% BSA/PBST 溶解,按 1:500 稀释。 |
| 无水乙醇 | 国药集团化学试剂有限公司 | 100092690 | |
| 抗BubR1兔单克隆抗体 | Abcam | ab254326 | 用于免疫荧光。用 1% BSA/PBST 溶解,按 1:100 稀释 |
| 抗CENP-B小鼠单克隆抗体 | Santa Cruz Biotechnology | sc-376392 | 用于免疫荧光。用 1% BSA/PBST 溶解,按 1:50 稀释。 |
| 抗CENP-E兔单克隆抗体 | Abcam | ab133583 | 用于免疫荧光。用 1% BSA/PBST 溶解,按 1:100 稀释。 |
| 抗荧光淬灭封片剂 | Beyotime | P0131 | 减缓荧光信号的淬灭 |
| 抗-α微管蛋白小鼠单克隆抗体 | Abcam | ab7291 | 用于免疫荧光。溶于 1% BSA/PBST 中,按 1:100 稀释。 |
| Biotek Epoch 微孔板分光光度计 | Biotek Instruments | Biotek Epoch | |
| 牛血清白蛋白(BSA) | 国药集团化学试剂 | 69003435 | |
| BpiI (BbsI) | 赛默飞世尔科技 | ER1011 | |
| CellTiter 96 Aqueous 单溶液细胞增殖检测 | Promega | G3580 | |
| 离心 | Eppendorf | 5424BK745380 | |
| 秋水仙碱 | 国药集团化学试剂 | 61001563 | |
| 共聚焦扫描显微镜 | Leica | Leica TCS SP8 | |
| 盖玻片 | CITOTEST | 80344-1220 | |
| DAPI | Beyotime | C1006 | |
| DH5α 感受态细胞 | 上海桑谷生物技术有限公司 | B528413 | |
| DL2000 DNA marker | TaKaRa | 3427A | |
| 杜尔贝科改良伊格尔培养基(DMEM) | Gibco | C11995500BT | |
| 无内毒素质粒小提试剂盒 <图像替代文本"公式 2" 源文本:src="/files/ftp_upload/65476/65476eq02.jpg" 样式="margin: auto;"/> | Omega | D6950 | |
| Ezup柱式动物基因组DNA纯化试剂盒 | 上海桑谷生物技术有限公司 | B518251 | |
| 胎牛血清 | 浙江天航生物科技 | 11011-8611 | |
| 龙胆紫 | 国药集团化学试剂 | 71019944 | 用 PBS 溶解,配制 0.1% 龙胆紫/PBS 溶液。 |
| 吉姆萨染色液 | 国药集团化学试剂有限公司 | 71020260 | |
| GraphPad Prism 8.0 版本软件 | GraphPad | www.graphpad.com | 统计分析。 |
| GSK923295 | MedChemExpress | HY-10299 | |
| HeLa细胞系 | ATCC | CCL-2 | |
| 加湿培养箱 | Heal Force | HF90/HF240 | |
| Image J 软件 | 美国国立卫生研究院 | https://imagej.nih.gov/ij/ | 图像处理与分析 |
| 倒置显微镜 | 南京江南永新光学 | XD-202 | |
| LB 琼脂粉 | 上海桑谷生物技术有限公司 | A507003 | |
| Lipo6000 转染试剂 | Beyotime | C0526 | |
| 尼康 Ti-S2 显微镜 | 尼康 | Ti-S2 | |
| Opti-MEM 降低的 血清 培养基 | Gibco | 31985070 | |
| 多聚甲醛 | 国药集团化学试剂 | 80096618 | 用 PBS 溶解,配制 4% 多聚甲醛/PBS 溶液。 |
| 青霉素-链霉素溶液 | HyClone | SV30010 | |
| SanPrep 柱式 DNA 胶回收试剂盒 | 上海桑谷生物技术有限公司 | B518131 | |
| SanPrep 柱 质粒 小量质粒提取 试剂盒 | 生工生物(上海) | B518191 | |
| T4 DNA连接酶 | TaKaRa | 2011A | |
| T4多核苷酸激酶 | TaKaRa | 2021A | |
| TaKaRa Ex Taq | TaKaRa | RR001A | |
| Triton X-100 | 国药化学试剂 | 30188928 | 用 PBS 溶解,配制 0.25% Triton X-100/PBS 溶液。 |
| Tween 20 | 国药集团化学试剂 | 30189328 | 用 PBS 溶解,配制 0.1% Tween 20/PBS。 |
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