Humane embryonale Stammzellen (hESCs) und induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) sind Stammzellen mit dem Potenzial, sich in alle Zelltypen des Körpers zu differenzieren. Diese Zellen dienen als wertvolle Werkzeuge für die Erforschung der menschlichen Entwicklung sowie für das Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen verschiedener Krankheiten und sind somit ein enormes Versprechen für die regenerative Medizin, die Modellierung von Krankheiten und die Wirkstoffforschung. In solchen Studien wird untersucht, wie bestimmte Gene zur Entwicklung, Funktion und Regulation von Organismen beitragen 1,2.
Um die Funktion von Genen zu entschlüsseln, werden verschiedene Techniken und Ansätze eingesetzt, darunter genetische Manipulationen wie Gen-Knockout oder -Überexpression und Genom-Editing. Unter diesen hat sich die CRISPR-Cas9-Technologie als der effizienteste Ansatz für Gen-Knockout- und Gen-Editing-Studien erwiesen 1,2,3. Das CRISPR-Cas9-System funktioniert mit der Verwendung eines einzigen Guide-RNA (sgRNA)-Moleküls, das speziell entwickelt wurde, um eine bestimmte DNA-Sequenz von Interesse zu identifizieren und an sie zu binden. Die sgRNA fungiert als molekularer Leitfaden und leitet das Cas9-Enzym genau an die Stelle im Genom, die modifiziert werden muss. Einmal gebunden, initiiert Cas9 einen doppelsträngigen Bruch in der DNA an der angegebenen Stelle. Nach der Spaltung der DNA werden die zelleigenen Reparaturmechanismen aktiviert. Dazu gehören zwei Hauptreparaturwege: die nicht-homologe Endverbindung (NHEJ) und die homologiegerichtete Reparatur (HDR). NHEJ führt häufig zu Insertionen oder Deletionen (Indels) an der Bruchstelle, was zu einer Störung oder Inaktivierung des Gens führt. Umgekehrt ermöglicht HDR das Einfügen neuer DNA-Sequenzen an der Bruchstelle, was die Einführung gezielter genetischer Veränderungen erleichtert4.
Angesichts der Bedeutung von Gendeletionen in pluripotenten Stammzellen wurden mehrere Protokolle zu CRISPR-Cas9-vermittelten Gen-Knockouts in hESCs/iPSCs veröffentlicht. Viele dieser Protokolle sind jedoch mit erheblichen Einschränkungen konfrontiert, z. B. sind sie extrem zeitaufwändig, arbeitsintensiv und haben aufgrund der Verwendung nicht-viraler Genverabreichungsmethoden eine geringe Effizienz5. Diese Herausforderungen sind bei hESCs/iPSCs noch ausgeprägter, da diese Zellen bekanntermaßen im Vergleich zu anderen Zelltypen eine geringere Editierungseffizienz aufweisen5. Einige dieser Einschränkungen können durch eine Erhöhung der Effizienz der Plasmidabgabe, die Cas9 und sgRNAs enthält, behoben werden. Dies kann erfolgreich mit einem lentiviralen Vektorsystem erreicht werden, das die Ergebnisse der Geneditierung erheblich verbessern kann. Die Verpackungsprotokolle für Lentiviren sind gut etabliert und unkompliziert und ermöglichen eine einfache Anwendung in Laboren, selbst von Forschern mit begrenzter Erfahrung. Lentiviren weisen eine hohe Infektionseffizienz bei verschiedenen Zelltypen auf, einschließlich hES-Zellen und iPS-Zellen. Daher ist die Verwendung eines lentiviralen Systems für die Cas9-sgRNA-Expression ideal für routinemäßige Gen-Editing-Experimente in hESCs/iPSCs für Genfunktionsstudien.
Hier stellen wir eine einfache und unkomplizierte Methode für hocheffiziente CRISPR-Cas9-basierte Gendeletionen in hES-Zellen in einer vergleichsweise kürzeren Zeitdauer als herkömmliche Protokolle zur Verfügung (Abbildung 1). Obwohl ein lentiviraler Vektor mit konstitutiver Expression von Cas9 und sgRNA verwendet wurde, könnte er leicht durch eine medikamenteninduzierbare Cas9-Expression für eine kontrollierbare Cas9-Expression ersetzt werden.