本文展示了在雌雄同体斯氏线虫(Steinernema hermaphroditum)中利用CRISPR-Cas9进行基因组编辑的技术,该线虫是一种昆虫病原性(EPN:寄生昆虫的)线虫,正逐渐成为一种新兴的遗传学研究模型。该技术可用于构建突变体,有助于阐明与线虫生物学中互利共生和寄生性共生相关的基因功能。
本文展示了在雌雄同体斯氏线虫(Steinernema hermaphroditum)中利用CRISPR-Cas9进行基因组编辑的技术,该线虫是一种昆虫病原性(EPN:寄生昆虫的)线虫,正逐渐成为一种新兴的遗传学研究模型。该技术可用于构建突变体,有助于阐明与线虫生物学中互利共生和寄生性共生相关的基因功能。
斯氏线虫属(Steinernema)和异小杆线虫属(Heterorhabditis)的昆虫病原线虫分别与共生细菌致病杆菌属(Xenorhabdus)和发光杆菌属(Photorhabdus)维持互惠共生关系。这些线虫-细菌组合可侵染并杀死主要来自鳞翅目(Lepidoptera)和鞘翅目(Coleoptera)的昆虫幼虫,构成一个易于研究的三界互作体系,可用于解析互惠共生与寄生关系的分子基础。充分开发利用该模型的关键一步是在昆虫病原线虫中建立稳定且可跨代遗传的遗传 工具。本文中,我们展示了在新兴模式生物——雌雄同体斯氏线虫(Steinernema hermaphroditum)中建立的一种可靠的CRISPR–Cas9基因组编辑平台。该物种易于在体内(in vivo)和体外(in vitro)培养,并且对性腺显微注射具有高度可操作性。尤为重要的是,其雌雄同体的繁殖方式极大地简化了纯合突变系的建立与维持。我们提供了一套详细的实验方案,通过显微注射递送Cas9核糖核蛋白复合物,实现高效、靶向的基因敲除。作为概念验证,我们对保守的肌肉相关基因unc-22进行了修饰,获得了特征性的抽搐表型,证实了该系统中靶向诱变的有效性。该CRISPR–Cas9平台为在S. hermaphroditum中开展稳定的遗传操作(例如外源基因表达)打开了大门,并为拓展至其他具有农业与生态重要性的昆虫病原线虫物种提供了可借鉴的技术框架。
昆虫病原线虫(EPNs)是一类能够杀死昆虫的寄生性线虫,其与细菌共生体形成物种特异性的互利共生关系1。EPNs 包含两个科:斯氏线虫科(Steinermatidae)和异小杆线虫科(Heterorhabditidae),分别与革兰氏阴性菌Photorhabdus 属和Xenorhabdus 属共生2,3。在斯氏线虫属(Steinernema)线虫的自由生活感染期幼虫阶段(IJ),Xenorhabdus 细菌被储存在线虫肠道内的一个称为“ receptacle”( receptacle,贮菌器)的特化结构中;当线虫侵入昆虫血腔后,细菌被释放出来,随后大量增殖,并通过败血症杀死昆虫宿主3,4。在这种互利共生关系中,细菌产生抗菌和杀虫化合物,以抵御昆虫宿主的免疫反应,并为线虫提供营养支持5。作为回报,细菌则得益于线虫宿主提供的保护,避免受到环境中其他微生物的侵害,并借助线虫实现向新的昆虫猎物的传播6,7。
在过去的几十年中,Steinernema-Xenorhabdus 共生体系已被确立为研究寄生与互利互作多个方面的有力实验系统,例如昆虫宿主搜寻行为3、细菌在线虫宿主体内的定殖8,以及促进共生细菌在线虫与昆虫宿主动物之间转换的适应性行为9。EPNs 在土壤可持续性方面也具有重要意义,并被用作有机害虫防治剂以促进农业生产力10,11。
尽管共生细菌的遗传工具已迅速发展 Xenorhabdus 和 Photorhabdus12,EPN中一致的遗传工具一直较为稀缺。性腺显微注射已在两种 异小杆线虫属 和 斯氏线虫属 线虫13,14此前,性腺显微注射在 Heterorhabditis bacteriophora 已用于在子一代中持续递送双链RNA以实现基因敲低13,15最近,CRISPR-Cas9 基因组编辑在 斯氏线虫属 已开发并递送 通过 性腺显微注射,并产生了精确、稳定且可遗传的突变14.
一种斯氏线虫属(Steinernema spp.)物种——S. hermaphroditum,已被证明具有高度可操作性,是一种极具潜力的新兴遗传学模式生物4,14。该物种最初从印度尼西亚的土壤中分离获得16,后在 印度被再次分离17。S. hermaphroditum 始终表现为雌雄同体,每代仅有少量雄性个体,这两个特征有利于借鉴经典模式线虫 C. elegans 的遗传学工具4。此外,S. hermaphroditum 的基因组已完成测序并组装至染色体水平,这简化了潜在 Cas9 靶位点的鉴定以及引物设计工作18。
在对EPN进行显微注射时,通过从石英毛细管拉制而成的针头,将含有适当试剂(如dsRNA、Cas9蛋白或向导RNA)的注射混合物注入同步体性线虫生殖腺。via该方法,适当的注射体积和压力可在生殖腺臂内产生可见的液体“流动”。由于这些线虫具有一对由共享同一细胞质的生殖系细胞核组成的合胞体生殖腺19,这种显微注射方法可在细胞质分裂发生前,使多个生殖细胞暴露于编辑作用之下,而细胞质分裂会将生殖系细胞核分隔形成发育中的卵母细胞20。尽管生殖腺显微注射作为一种稳定的技术已应用于多种非模式线虫物种的遗传调控14,21,22,23,24,25,但为了确保 递送的成功率和高效率,必须根据每种线虫物种相应的生殖腺结构、生活阶段及生理状态调整注射技术。注射后的恢复技术以及突变品系的维持同样重要,以确保该技术具有成本效益。
本研究展示了一种CRISPR-Cas9基因组编辑方案 斯氏线虫属 Hermaphroditum 种性腺显微注射法在年轻成虫阶段进行,该阶段对高压显微注射具有较强耐受性,并易于接受基因编辑14此外,还提供了关于如何维持可遗传且稳定的突变品系的详细方法, 通过 通过昆虫进行冷冻保存与扩增.
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所用试剂和设备列于材料表中。
1. 显微注射前的线虫准备
2. 显微注射用CRISPR-Cas9的制备
3. 线虫的 CRISPR-Cas9 显微注射及注射后的恢复
4. 筛选以确认CRISPR-Cas9介导的基因敲除
5. CRISPR 品系的维持
注意:线虫保种主要有三种方法,包括基于海藻糖-DMSO 的冷冻保存法(步骤 5.1)、通过大蜡螟幼虫进行的 体内 传代法(步骤 5.2),以及在 NGM 平板上进行的 体外 培养维持法(步骤 5.3)。
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设计了两种CRISPR RNA(以Pam位点编号命名——Pam 3和Pam 5),靶向S. hermaphroditum中unc-22的同源基因,其Pam位点信息来自已发表的研究14(图2A)。每种crRNA与tracrRNA结合形成单导向RNA(sgRNA),并按步骤3.1所述整合入Cas9蛋白,形成核糖核蛋白复合物。本方案中设计了两种靶向同一基因的crRNA;然而,若采用先前为C. elegans开发的共CRISPR(co-CRISPR)方法31,可将crRNA #2替换为针对目标基因的crRNA。或者,也可将unc-22 crRNA添加至两个靶向目标基因的crRNA中,但需确保总crRNA与tracrRNA的比例保持1:1。
显微注射前一天,挑选摄食良好、具有可见性腺臂的早期J3期线虫(图1A...
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非常规的遗传模式动物系统为在这些性状自然发生的生态和生理背景下研究真核生物基因功能提供了宝贵的机会,例如在寄生宿主存在的情况下或生物体自身的原生微生物组环境中。在昆虫病原线虫(EPNs)中,基因操作主要依赖于某些基于RNA干扰(RNAi)的方法13,32。尽管RNAi可在某些物种中实现功能性的 遗传学研究,但其应用受限于双链RNA(dsRNA)的瞬时性,且基因沉默可能无法稳定遗传。这些局限性凸显了对稳定、可跨代遗传的遗传工具的需求33,34。本研究描述了首个针对斯氏线虫科(Steinernematids)的精确基因组编辑方案,斯氏线虫科是小杆目(Rhabditida)中两个EPN科之一,相关方法已在Cao(2023)14中得到验证。
成功的CRISPR-Cas9诱变依赖于对线虫的...
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作者声明不存在利益冲突。
我们感谢 Margaret McFall-Ngai 和 Edward Ruby 提供共聚焦显微镜的使用机会。感谢 Alexis (Cody) Hargadon 和 Grischa Chen 在共聚焦显微镜操作方面的培训,以及 Carly R. Myers 在图像获取和抽搐视频分析方面的帮助。我们还感谢 Stephanie Hampton 为购买显微注射系统的经费分配。本研究工作得到了卡内基科学研究所的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 琼脂糖(80-100 目) | Fisher Scientific | BP26411 | 也用于LB丙酮酸平板 |
| 琼脂糖 | Fisher Scientific | 16500500 | 也用于基因分型 |
| Alt-R CRISPR-Cas9 tracrRNA | IDT | 1072532 | |
| Alt-R S.p. Cas9 核酸酶 V3 | IDT | 1081058 | |
| 硼硅酸盐针头 | 世界精密仪器公司 | 1B120F-4 | |
| 氯化钙(CaCl₂) | Sigma Aldrich | C4901 | |
| 胆固醇 | VWR | 433 | 5 mg/mL,溶于乙醇 |
| Comamonas aquatica (DA1877) | |||
| 琼脂糖垫用盖玻片 | 脑科学研究实验室 | #4860-1D | 48 × 60 mm,1号厚度 |
| CRISPRScan | https://www.crisprscan.org/ | ||
| 二甲基亚砜(DMSO) | Sigma-Aldrich | 472301 | 0.5 M |
| DNA纯化与浓缩试剂盒-5 | Zymo Research | D4014 | |
| FemtoJet 4x 微注射仪,配备 Grip 头部组件,4 号尺寸 0 针 holder | Eppendorf/Calibre | 5253000017 | |
| 甘蓝夜蛾第五龄幼虫 | GrubCo | https://www.grubco.com/index.cfm | |
| 凝胶成像系统 | Azure400 | AZI400-01 | |
| 上样缓冲液 | 赛默飞世尔科技 | B72 | |
| 明胶(2%) | Sigma Aldrich | G1393 | |
| GelRed | Biotium | #41003 | |
| 基因分型引物:DNA寡核苷酸,25 nmol | IDT | N/A | |
| Gibco Bacto 胰蛋白胨 | Fisher Scientific | DF0118-17-0 | |
| Gibco Bacto 胰蛋白胨 | Fisher Scientific | DF0123-17-3 | 也用于暗LB、LB丙酮酸盐平板 |
| Gibco Bacto 酵母提取物 | Fisher Scientific | DF0127-17-9 | 也用于暗LB、LB丙酮酸盐平板 |
| 4号持针钳 Grip Head 套装 | 校准 | EPE-5196083008 | (与硼硅酸盐针头 1B120F-4 配对使用) |
| 卤代烃油 700 | Sigma Aldrich | H8898 | |
| 用于日常维护的硬质铂金丝线虫挑取工具 | Tritech Research | PT-9901 | |
| CRISPR编辑推断(ICE) | Synthego | N/A | 用于分析Sanger测序结果以鉴定插入缺失突变的软件 |
| KCl | Sigma Aldrich | P9541 | |
| 激光拉针仪 P-2000 | Sutter | P-2000G | |
| 氯化镁(MgCl2) | Sigma Aldrich | M8266 | |
| 硫酸镁(MgSO4) | Sigma Aldrich | M7506 | 用于M9缓冲液,也用于NGM |
| Microloader尖端 2x96ST | 校准器 | 930001007 | |
| 蔡司 Axio Observer 和 Axiovert 200 显微镜用显微操作仪安装适配器 | Tritech Research | NZ-19-2 | |
| 显微镜 | Tritech | SMT1 | |
| 尼古丁 | Sigma Aldrich | N3876 | |
| NP-40 | 赛默飞世尔科技 | 85124 | |
| 无核酸酶双链缓冲液 | IDT | 11-01-03-01 | |
| OneTaq MasterMix | NEB | M0486 | |
| 移液器储存盒 | Sutter Instruments | BX10 | |
| 氯化钾(KCl) | Sigma Aldrich | 793590 | |
| 磷酸氢二钾(K2HPO4) | Sigma Aldrich | P3786 | KOH用于NGM |
| 磷酸二氢钾(KH2PO4) | Sigma Aldrich | P5655 | 用于M9缓冲液,也用于NGM |
| 蛋白酶K | Sigma Aldrich | P6556 | |
| 石英针 | Sutter Instruments | QF100-70-10 | |
| S. hermaphroditium 基因组 | NCBI | https://www.ncbi.nlm.nih.gov/datasets/genome/GCA_030435675.1/ | |
| sh-unc-22 Alt-R CRISPR-Cas9 crRNA | IDT | N/A | |
| 氯化钠(NaCl) | VWR | SS0430 | 也用于M9、暗LB、LB丙酮酸盐平板 |
| 磷酸氢二钠(Na2HPO4·7H2O) | Sigma Aldrich | S9390 | M9 缓冲液 |
| 丙酮酸钠 | Sigma Aldrich | P2256 | 也用于LB丙酮酸平板 |
| 用于显微注射的软质铂金丝挑虫针 | Surepure Chemetals | 6824 | 铂90%,铱10%合金丝,直径0.002英寸,长5英尺 |
| 标准持针器 | Tritech Research | HI-7 | |
| 斯氏线虫属 Hermaphroditum 种 | |||
| 体视显微镜 | Leica | Inveta 3 | |
| 海藻糖 | Cole-Parmer | EW-88195-99 | 0.08 M |
| Tris | Fisher Scientific | AM9855G | pH 8.0 |
| Tween 20 | Sigma Aldrich | P1379 | |
| 垂直显微操作器安装适配器 | Tritech Research | NR2 | |
| Xenorhabdus griffiniae (HGB2511) |
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