本方法描述了利用高效慢病毒介导的基因递送系统,在稳定表达靶向L2HGDH基因的sgRNA的人胚胎干细胞(hESC)系H9中,构建CRISPR介导的基因敲除。
本方法描述了利用高效慢病毒介导的基因递送系统,在稳定表达靶向L2HGDH基因的sgRNA的人胚胎干细胞(hESC)系H9中,构建CRISPR介导的基因敲除。
用于基因组编辑的CRISPR-Cas9系统已彻底改变了包括干细胞在内的哺乳动物细胞中基因功能的研究。然而,该技术的实际应用,特别是在多能干细胞中,仍面临一些挑战,例如耗时长、劳动强度大以及编辑效率低。本文描述了一种利用高效且稳定的慢病毒介导的基因递送系统,在稳定表达针对L2HGDH基因的sgRNA的人胚胎干细胞(hESC)系中实现CRISPR介导的基因敲除的方法。靶向L2HGDH基因第1外显子的sgRNA经化学合成后克隆至lentiCRISPR v2-puro载体中,该载体将sgRNA与Cas9的组成型表达整合于一个高效的单载体系统中,从而获得更高的慢病毒滴度以感染hESC,并通过嘌呤霉素实现稳定筛选。经嘌呤霉素筛选的细胞进一步扩增,并采用有限稀释法获得单细胞克隆。扩增单克隆后,获得了多个L2HGDH基因的纯合敲除克隆,Western blot分析显示L2HGDH表达量完全降低100%。此外,通过MSBSP-PCR技术,将CRISPR突变位点定位在所选纯合克隆中Cas9的PAM识别序列上游。随后进行Sanger测序以分析确切的插入/缺失情况,并对克隆进行了功能表征。与先前报道的非病毒基因递送方法相比,该方法产生的纯合缺失比例显著更高。尽管本研究聚焦于L2HGDH基因,但这种稳健且经济高效的方法也可用于在多能干细胞中构建其他基因的纯合敲除,以开展基因功能研究。
人类胚胎干细胞(hESCs)和诱导性多能干细胞(iPSCs)是具有分化为体内所有细胞类型潜能的干细胞。这些细胞是研究人类发育以及理解各种疾病潜在机制的重要工具,因此在再生医学、疾病建模和药物发现方面具有巨大前景。此类研究涉及探讨特定基因如何参与生物体的发育、功能及调控过程1,2。
为了阐明基因功能,研究人员采用了多种技术和方法,包括基因敲除或过表达等遗传操作以及基因组编辑。其中,CRISPR-Cas9 技术已成为基因敲除和基因编辑研究中最高效的方法1,2,3。CRISPR-Cas9 系统通过使用一种单链向导 RNA(sgRNA)分子发挥作用,该分子被特异性设计用于识别并结合特定的目标 DNA 序列。作为分子向导,sgRNA 将 Cas9 酶引导至基因组中需要修饰的精确位置。一旦结合到位,Cas9 即在指定位置引发 DNA 的双链断裂。DNA 断裂后,细胞自身的修复机制被激活,主要包括两种修复途径:非同源末端连接(NHEJ)和同源定向修复(HDR)。NHEJ 通常在断裂位点产生插入或缺失(indels),从而导致基因的破坏或失活;而 HDR 则能够在断裂位点插入新的 DNA 序列,实现靶向遗传修饰的引入4。
鉴于基因敲除在多能干细胞中的重要性,已有多种关于利用CRISPR-Cas9技术在人胚胎干细胞(hESCs)和诱导多能干细胞(iPSCs)中实现基因敲除的实验方案发表。然而,这些方案中的许多存在显著局限性,例如耗时极长、劳动强度大,且由于采用非病毒基因递送方法,导致效率较低5。这些问题在hESCs/iPSCs中尤为突出,因为这些细胞相较于其他细胞类型已知具有更低的基因编辑效率5。通过提高携带Cas9和sgRNA的质粒递送效率,可在一定程度上克服上述部分限制。使用慢病毒载体系统可成功实现这一目标,并显著改善基因编辑效果。慢病毒包装方案成熟且操作简便,便于实验室广泛采用,即使经验有限的研究人员也能轻松掌握。慢病毒在多种细胞类型中均表现出高效的感染能力,包括hESCs和iPSCs。因此,在hESCs/iPSCs中开展常规基因功能研究时,采用慢病毒系统表达Cas9-sgRNA是理想的选择。
本文提供了一种简单直接的方法,可在比传统方案更短的时间内实现人胚胎干细胞(hESCs)中高效基于CRISPR-Cas9的基因删除(图1)。尽管本研究使用了组成型表达Cas9和sgRNA的慢病毒载体,但也可轻易替换为药物可诱导的Cas9表达系统,以实现对Cas9表达的可控调节。
本研究中使用的基因序列、试剂和设备的详细信息见材料表。
1. 单导向RNA(sgRNA)设计、克隆及慢病毒载体生产
注意:使用两种不同的靶向 L2HGDH 基因第一外显子的sgRNA序列,均引自Qiu等人的研究6,其中序列1和序列2的PAM位点分别为AGG和TGG。两种sgRNA长度均为20 bp,并在末端修饰以添加用于限制性内切酶Bsmb1的连接序列,以便克隆至目标载体(LentiCRISPRv2)中,具体方法如先前报道所述6。连接序列在sgRNA设计阶段即已加入,用于克隆目的。
2. 慢病毒感染与单细胞克隆扩增
3. 基因组DNA提取、MS-BSP PCR及Sanger测序
4. 人胚胎干细胞分化及拟胚体(EB)形成实验
5. 蛋白质印迹分析
6. 免疫染色
将 L2HGDH sgRNA 克隆至 lentiCRISPRv2 puro 载体
lentiCRISPRv2 puro 载体购自商业来源(见材料表),并用 BsmB1 进行酶切,释放出一个 1.8 Kb 的填充片段。如图 2A所示,载体完全被酶切。对于每个构建体,使用反向 sgRNA 序列作为引物,并结合载体序列内的正向引物(U6-459F),对六个克隆进行插入片段存在与否的筛选。采用该方法,仅含有插入片段的克隆可扩增出 288 bp 的 PCR 产物,而不含 sgRNA 反向序列的阴性克隆则无 PCR 产物,如图 2B所示。
H9 感染、稳定筛选及蛋白质印迹分析
人胚胎干细胞(hESCs)被表达两种不同靶向 L2HGDH 基因第一外显子的 sgRNA 的慢病毒颗粒感染,并用嘌呤霉素进行筛选。通过对稳定共表达 sgRNA 和 Cas9 的异质细胞群体进行蛋白质印迹分析,以确定两种 sgRNA 中哪一种在诱导基因缺失方面更有效。如图 3A所示,在降低异质细胞群中 L2HGDH 表达水平方面,L2HGDH-sgRNA-1 比另一种序列更有效。
克隆筛选、扩增与蛋白质分析
对表达 L2HGDH-sgRNA-1 的细胞进行单细胞筛选和克隆扩增。标记获得单克隆的孔,并继续培养至克隆达到足够大小(通常为2周),以便进一步扩增、冻存和分析(图3B)。共对22个克隆进行了蛋白质印迹分析,其中获得5个纯合敲除克隆(占23%),针对 L2HGDH 基因。该结果表明,利用慢病毒介导的基因递送实现sgRNA与Cas9在同一表达盒中的稳定共表达,具有较高的基因敲除效率。图4 展示了这5个纯合敲除克隆与对照细胞的蛋白质印迹分析结果,显示所选克隆中目标蛋白表达量相比对照组减少100%。
在DNA水平上的分析
为了定位Cas9的PAM识别序列上游的CRISPR突变位点,使用对照细胞以及五个不同克隆的基因组DNA进行了基于突变位点特异性引物的聚合酶链式反应(MS-BSP PCR)。如图5所示,两个克隆(A5和B4)的突变位点紧邻PAM识别序列,而另外三个克隆(A1、A9和B12)的突变可能距离PAM位点较远,位于L2HGDH基因第一外显子内20bp的sgRNA序列更上游的位置。
为了确定DNA中的确切突变,对对照细胞(仅感染空载体的H9细胞)以及三个不同的CRISPR克隆A5、A1和B4的纯化PCR产物进行了Sanger测序,并利用ClustalW多重比对工具在PAM位点上游定位了突变位点8。结果表明,A5克隆在PAM位点上游存在缺失突变。另外两个克隆A1和B4则在PAM位点上游显示出插入突变,如图6中所示。
克隆的功能分析
在生成hESCs中的CRISPR敲除细胞系后,下一步是验证其多能性及分化潜能。为此,我们检测了三个不同克隆(A1、A5和B4)的多种多能性标志物,并将结果与对照组(仅载体感染的H9细胞)进行比较。结果显示,通过OCT4、NANOG和SOX2标志物的免疫染色检测,敲除细胞系的多能性潜能未发生改变。接着,我们对对照组和敲除细胞系也进行了细胞增殖标志物KI67的染色,结果同样显示敲除细胞系与对照组相比无明显差异。这些结果表明,CRISPR敲除未影响这些细胞的自我更新特性。此外,拟胚体形成和克隆形成能力也未受到影响(图7)。使用 体外 我们实验室建立的方法,所有克隆均成功分化为三个胚层细胞,免疫染色结果显示PAX6(神经外胚层标志物)、Brachyury(中胚层标志物)和FOXA2(内胚层标志物)呈阳性。与对照细胞相比,基因敲除细胞系的分化潜能未见改变,表明敲除细胞保留了其分化能力图8).

图 1:研究设计的五个步骤示意图。步骤 1:将 sgRNA 设计并克隆至经 Bsmb1 消化处理的 V2 CRISPR 载体中。步骤 2:利用携带 sgRNA 的入门载体与包装质粒共同转染 HEK293T 细胞(通过多质粒共转染法)生成慢病毒颗粒,并采用超速离心法浓缩病毒。步骤 3:以感染复数(MOI)为 10–20 的慢病毒颗粒感染人胚胎干细胞(hESCs),随后使用嘌呤霉素进行稳定细胞系筛选,并分析异质性细胞群体以评估 sgRNA 的编辑效率。步骤 4:从在异质性群体中表现出最高敲低效率的细胞中,采用有限稀释法进行单细胞克隆,并筛选获得单克隆细胞系。步骤 5:扩增单克隆细胞系,并在 DNA 水平、蛋白质水平以及功能层面分析克隆的干性特征和分化潜能。请点击此处查看该图的放大版本。

图2:sgRNA在lentiCRISPR V2.puro载体中的克隆。(A)使用限制性内切酶BsmB1对lentiCRISPR V2.puro载体进行酶切。箭头指示酶切后释放的1.8 Kb填充片段。(B)L2HGDH sgRNA构建体1和2不同克隆的菌落PCR分析。请点击此处查看该图的放大版本。

图 3:通过单细胞筛选进行的 Western 印迹分析和克隆扩增。(A)来自两组不同生物学重复(S1 和 S2)的稳定共表达 sgRNA(L2H-1 和 L2H-2)与 Cas9 的异质性细胞群体,以及对照(C)H9 人胚胎干细胞的 Western 印迹分析结果。(B)稳定表达 L2HGDH-sgRNA-1 的 H9 细胞的单细胞筛选与克隆扩增。箭头指示 96 孔板中仅含有单个克隆的孔。比例尺 = 100 µM。请点击此处查看该图的高清版本。

图 4:H9 不同克隆的 Western blot 分析。 (A-C)对 22 个克隆的全细胞裂解液进行 Western blot 分析,获得 5 个 L2HGDH 纯合敲除克隆(占 23%)。 (D)通过另一次生物学重复实验的 Western blot 结果验证 L2HGDH 敲除效果。 请点击此处查看该图的放大版本。

图5:不同H9克隆的MSBSP PCR分析。(A)用于MSBSP PCR分析的L2HGDH外显子1的序列分析。(B)使用对照和H9 V2 L2HGDH KO克隆B4优化MSBSP PCR分析的退火温度。在96.8时,对照显示出条带,而B4未显示出条带,如箭头所示。(C)对所有纯合KO克隆的分析得出了外显子1内突变位点的如下定位。A1 = 插入/缺失远离PAM位点;A5 = 插入/缺失靠近PAM位点;A9 = 插入/缺失较靠近PAM位点;B4 = 插入/缺失非常靠近PAM位点;B12 = 插入/缺失不靠近PAM位点。请点击此处查看该图的放大版本。

图6:Sanger测序PCR产物与参考L2HGDH外显子1序列的比对。将A1、A5和B4以及对照细胞的Sanger测序PCR产物与NCBI数据库中L2HGDH基因第一外显子的参考序列进行多序列比对。请点击此处查看该图的放大版本。

图7:CRISPR基因敲除细胞系的功能表征。(A)对多能性标志物(OCT4、NANOG、SOX2)、自我更新能力(KI67)、拟胚体形成及克隆形成能力进行免疫染色,以对照感染的H9人胚胎干细胞为参照。比例尺:100 µM。(B)根据DAPI染色结果,计算阳性(+ve)表达细胞的百分比。请点击此处查看该图的放大版本。

图8:CRISPR基因敲除细胞系的分化潜能。通过检测神经外胚层标志物PAX6、中胚层标志物Brachyury和内胚层标志物FOXA2的表达,对CRISPR基因敲除细胞系的分化潜能进行功能表征,并以感染对照的H9细胞作为参照。比例尺:100 µM。请点击此处查看该图的放大版本。
| 实验步骤 | 所需时间 |
| 将sgRNA克隆至LentiCRISPRv2载体 | 4天 |
| 慢病毒生产及滴度测定 | 5天 |
| hESC感染、稳定细胞筛选与扩增 | 2周 |
| 单细胞克隆筛选与扩增 | 2周 |
| 克隆的功能分析 | 2周 |
表1:实验方案步骤的时间线及所需时间估算。
本研究建立了一种标准化方法,利用CRISPR-Cas9技术在人胚胎干细胞(hESCs)中实现高效且低成本的基因敲除。该方法从hESC感染开始,经过单细胞克隆筛选与扩增,在3-4周内成功实现了L2HGDH基因的纯合子缺失(表1)。尽管在大多数细胞中可通过瞬时转染实现CRISPR-Cas9介导的基因操作,但在干细胞中该方法面临转染效率低和细胞毒性高的挑战。已有不同研究报道,获得的克隆中最多有10%出现目标基因缺失。例如,Mali等人报道,在靶向AAVS1位点后,人诱导性多能干细胞中的基因组编辑效率为2%至4%3。另一项研究报道,在原始态hESCs中靶向TUNA(一种参与多能性和神经分化的长链非编码RNA)时,编辑效率为1.3%-8.4%14。Ocana等人在靶向人类多能干细胞中的CFTR基因时,报告的编辑效率最高达10%15。因此,为实现高效的基因编辑,必须采用高效的Cas9-gRNA递送方法,这一点在干细胞中尤为关键,因为与典型的体细胞和永生化细胞系相比,干细胞对瞬时递送方法表现出更高的敏感性和抗性5。
本研究报道了一种利用慢病毒介导的sgRNA递送至人胚胎干细胞(hESCs)以获得纯合CRISPR基因敲除细胞系的高效方法。与通过化学或机械手段使用非病毒载体转染相比,采用慢病毒载体将CRISPR-Cas9系统导入hESCs在实现基因删除方面效率显著更高,且耗时更短(数据未显示)。在单克隆筛选及单个克隆扩增后,基因组编辑效率显著提高(约23%)。因此,本方法结合了慢病毒介导的sgRNA和Cas9递送至hESCs的技术,以及一种经济高效的慢病毒制备方案,不仅高效、省时,而且具有成本效益。
以下是一些确保成功操作的建议:(1)使用单一慢病毒载体系统,同时表达 Cas9 和 sgRNA。(2)在表达 Cas9 和 sgRNA 的同一质粒上携带抗生素筛选标记(如嘌呤霉素),可确保几乎 100% 的细胞均表达 Cas9-sgRNA,从而显著提高基因编辑成功的可能性。(3)为了有效感染人胚胎干细胞(hESCs),必须浓缩慢病毒载体以获得高滴度病毒。在多种技术中,最经济的方法是使用大体积的慢病毒液(LVS),将其浓缩至原体积的 100 至 500 倍,以达到 107 至 108 IU/mL 的病毒滴度。(4)在 HEK293T 细胞中进行质粒转染时,使用聚乙烯亚胺(PEI)进行慢病毒载体转染以包装病毒,其效率与常用的转染试剂脂质体(lipofectamine7)相当,且更具成本效益。(5)慢病毒的平均滴度应维持在 5 × 107 IU/mL 范围内。(6)需通过单细胞筛选进行克隆扩增,以在这些细胞中实现目标基因的纯合子缺失。(7)尽管先前研究显示,CRISPR-Cas9 介导的人多能干细胞基因编辑极少引起脱靶突变16,17,但仍建议检测潜在的脱靶位点。可通过高效的 gRNA 设计工具以最小化脱靶效应,并对编辑后的细胞系进行全基因组测序18,尤其是在具有临床意义的实验中。(8)最后,应通过 G 显带和高分辨率分析等方法验证所选克隆的正常核型,以确保无大规模基因组改变。此外,还可进行微核试验以评估微核形成的频率,从而判断是否存在基因组不稳定性。
该方法的主要局限性之一是使用了慢病毒载体系统,导致Cas9和sgRNA稳定整合到基因组中,从而在编辑后持续表达,这是不希望出现的情况。未来可以通过用药物诱导型启动子替代组成型启动子来改进该方法,例如使用强力霉素处理的Tet-on系统,以实现对Cas9基因表达的可控调节。
作者声明不存在利益冲突。
本研究工作得到了阿拉伯联合酋长国大学(UAEU)研究基金的资助,基金编号为 #12M105、#12R167(扎耶德健康科学中心)、21R105(扎耶德·本·苏丹慈善与人道主义基金会(ZCHF)),以及由阿布扎比先进技术研究委员会(ATRC)的技术项目管理支柱ASPIRE通过ASPIRE精准医学研究所阿布扎比(ASPIREPMRIAD)授予的VRI-20-10号基金。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2-巯基乙醇 | Invitrogen | 31350010 | |
| 38.5 mL,无菌且经认证的开放式超透明管 | Beckman Coulter | C14292 | |
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| Brachyury 兔单克隆抗体 | Abclonal | A5078 | |
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| Corning Matrigel 基底膜基质,无LDEV | Corning | 354234 | |
| 环杷明 | Stem cell technologies | 72074 | |
| DMEM 培养基 | Invitrogen | 11995073 | |
| DMEM 营养混合物 F12 | Invitrogen | 11320033 | |
| 不含 Ca 和 Mg 的 DPBS | PAN Biotech | P04-36500 | |
| 胎牛血清 | Invitrogen | 10270106 | |
| FoxA2/HNF3β | CST | 8186 | |
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| 温和细胞解离试剂 | Stem cell technologies | 7174 | |
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