Ein CRISPR/Cas9-Mikroinjektions-Workflow für endogene fluoreszierende Markierung in der Keimlinie Caenorhabditis elegans , um homozygote Knock-in-Linien für die In-vivo-Proteinlokalisationsanalyse zu erhalten.
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Ein CRISPR/Cas9-Mikroinjektions-Workflow für endogene fluoreszierende Markierung in der Keimlinie Caenorhabditis elegans , um homozygote Knock-in-Linien für die In-vivo-Proteinlokalisationsanalyse zu erhalten.
Die Proteinlokalisierung in der Keimlinie Caenorhabditis elegans (C. elegans) ist zentral für die Interpretation der Genfunktion während der Gametogenese, doch konventionelle Transgen-Ansätze führen oft zu variabler Expression und können in Keimzellen zum Schweigen gebracht werden. Hier wird ein praktischer CRISPR/Cas9-Workflow beschrieben, bei dem ein fluoreszierendes Tag in einen endogenen Locus eingefügt wird, der die Erzeugung stabiler Knock-in-Allele ermöglicht, die die Proteinverteilung unter nativer Regulation melden. Das Protokoll umfasst die wichtigsten Phasen des Verfahrens: die Auswahl einer für das Zielprotein geeigneten Tagging-Strategie, die Abgabe von CRISPR-Reagenzien durch gonadale Mikroinjektion in junge erwachsene Hermaphroditen sowie die Bergung injizierter Tiere für das Screening. Knock-in-Kandidaten werden durch PCR-basierte Genotypisierung über zwei Generationen hinweg identifiziert, um homozygote Würmer zu isolieren und das bearbeitete Allel zu verifizieren. Schließlich wird die konfokale Mikroskopie verwendet, um die Keimbahnfluoreszenz zu überprüfen und die subzelluläre Lokalisierung in vivo zu beurteilen. Der Arbeitsablauf ist so konzipiert, dass er reproduzierbar und breit anwendbar auf mit Keimbahn angereicherte Gene ist und einen einfachen Weg bietet, homozygot markierte Stämme für Entwicklungs- und zellbiologische Analysen zu etablieren.
Caenorhabditis elegans (C. elegans) ist ein gut etabliertes Modell zur Untersuchung der Fortpflanzungsentwicklung und Gametogenese, bedingt durch seinen kurzen Lebenszyklus, den transparenten Körper und die hohe genetische Behandlungsfähigkeit1. C. elegans existiert hauptsächlich als selbstbefruchtende Hermaphroditen, deren Gonade zunächst die Spermatogenese durchläuft und dann zur Oogenese wechselt. Dieser Fortpflanzungsmodus vereinfacht die Dehnungsaufrechterhaltung und macht es einfach, homozygote Linien2 zu erhalten. Jüngste räumliche Transkriptomik hat die Liste der in der Gonade angereicherten Gene erheblich erweitert und ausgeprägte geschlechtsspezifische Expressionsmuster im gesamten Fortpflanzungssystem bei C. elegans3 offenbart. In jüngerer Zeit hat die Einzelzell-RNA-Sequenzierung die Rekonstruktion der Keimzellentwicklungsbahnen und die Inferenz von Genregulationsnetzwerken ermöglicht, die die Spermatogenesezu steuern. Zusammen erzeugen diese Datensätze reichhaltige Kandidatenlisten, aber die funktionale Interpretation erfordert oft das Beobachten des Proteinverhaltens in vivo – insbesondere die Definition wann und wo die entsprechenden Proteine lokalisieren und wie sich ihre Muster während der Keimbahnentwicklung verändern.
Die konventionelle Transgenese bei C. elegans basiert oft auf gonadaler Mikroinjektion von Plasmid-DNA, die leicht mehrfache extrachromosomale Arrayserzeugt. In der Keimbahn sind diese Arrays jedoch oft robust zum Schweigen gebracht, ein Mechanismus, von dem angenommen wird, dass er die Keimbahn-Integrität aufrechterhält, indem er die Expression aus repetitiver DNA einschränkt und so die Keimbahnfunktion und die Stabilität genetischer Informationen über Generationen 6,7 hinweg bewahrt. Daher können Transgene-Expressionskonstrukte, die in somatischen Geweben leicht exprimiert werden, schwach oder inkonsistent in der Keimbahn sein. Selbst wenn die Expression nachweisbar ist, können Effekte der Kopienzahl und technisch entwickelte regulatorische Elemente die Proteindosierung und -timing verschieben, was potenziell zu Schlussfolgerungen über native Lokalisierung und Dynamik führen kann. Um diese Einschränkungen zu beheben, werden Mikropartikelbombardement und Mos1-vermittelte Single Copy Insertion (MosSCI) weit verbreitet eingesetzt, um niedrige/einzelne Kopien integrierte transgene Linien 8,9,10 zu erzeugen. Diese Ansätze können die Expression in der Keimbahn verbessern, unterscheiden sich jedoch in Kosten, Durchsatz und wie gut sie endogene Regulation reproduzieren. Die CRISPR/Cas9-Genom-Editierung bietet einen direkteren Weg, indem ein fluoreszierender Tag am endogenen Locus mittels homologiegesteuerter Reparatur eingesetzt wird, wodurch stabile Knock-in-Allele erzeugt werden, die unter nativer regulatorischer Kontrolle Proteinlokalisierung und -dynamik berichten 11,12,13,14.
Hier wird ein praktischer Arbeitsablauf für CRISPR/Cas9-vermittelte endogene fluoreszierende Markierung in C. elegans beschrieben, der auf Gene angewendet wird, die auf Basis berichteter von Keimbahn-angereicherten Expressionsmustern ausgewählt werden. Das Protokoll beschreibt Zielauswahl, das Design von Spendervorlagen und Guide-RNAs, gonadale Mikroinjektion und nachgelagertes Screening zur Isolierung homozygoter Knock-in-Linien, gefolgt von der Validierung mittels Genotypisierung. Dieser Ansatz ist weitgehend auf Keimbahn-exprimierte Gene über Entwicklungsstadien hinweg anwendbar und ermöglicht quantitative Analysen der Proteinlokalisierung und -dynamik in vivo. Dieser Workflow bietet eine praktische Strategie zur Markierung von Gene, die in der Keimlinie exprimiert werden, sowie zur Analyse der Proteinlokalisierung und -dynamik in vivo unter nativer regulatorischer Kontrolle.
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Alle Experimente mit Caenorhabditis elegans wurden gemäß den institutionellen Richtlinien für die Pflege und Anwendung von Labororganismen an der Beijing Normal University durchgeführt.

Abbildung 1: Überblick über CRISPR/Cas9-vermittelte endogene fluoreszierende Markierung bei C. elegans. Schematischer Workflow, der die Hauptstadien der endogenen fluoreszierenden Knock-in-Generierung und -Validierung darstellt. In der Design- und Bauphase werden ein mit Keimbahn angereichertes Zielgen und eine Einfügungsstelle ausgewählt, pDD162 wird als CRISPR/Cas9-Plasmid für die Expression von Cas9 und Guide-RNA verwendet, und pPD95.75 dient als Spender-Rückgrat, in das das fluoreszierende Tag (z. B. GFP) sowie die linken und rechten Homologiearme subklont werden. In der Mikroinjektionsphase wird die CRISPR/Cas9-Injektionsmischung (einschließlich des gRNA/Cas9-Plasmids, der Spendervorlage und der Co-Injektionsmarker) in die Gonade junger Hermaphroditen abgegeben, gefolgt von der Wiedergewinnung auf besaaten Platten. In der Validierungsphase werden marker-positive Nachkommen für die nachgelagerte Genotypisierung ausgewählt, einschließlich PCR-basierter Identifikation von Knock-in-Ereignissen und Bestätigung durch DNA-Sequenzierung, und erfolgreiche Knock-in-Linien werden anschließend mit Fluoreszenzmikroskopie untersucht, um die Keimbahnexpression und subzelluläre Lokalisierung des markierten Proteins zu bewerten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.
1. Wählen Sie ein mit Keimbahn angereichertes Zielgen aus
2. Entwurf der Leit-RNA und der Spendervorlage
3. Bereite die Injektionsmischung vor
| Komponente | Funktion | Arbeitskonzentration (ng/μL) |
| pDD162 | CRISPR/Cas9-Plasmid (Cas9- und gRNA-Expression) | 50-100 |
| Spenderplasmid (pPD95,75 Rückgrat) | HDR-Spendervorlage mit fluoreszierendem Tag, flankiert von ~1 kb Homologiearmen | 50-100 |
| pRF4 | Co-Injektionsmarker (Roller-Phänotyp) | 50-100 |
| pPD122.11 | Ko-Injektionsmarker (GFP-Expression) | 5-10 |
| Sterile ddH2O | Bring zum letzten Band | – |
Tabelle 1: Zusammensetzung der Injektionsmischung und Plasmidfunktionen. Die Injektionsmischung enthält CRISPR-Expressionsplasmid, Spenderplasmid, pRF4 und pPD122.11 bei den angegebenen Konzentrationen, mit einem Gesamtvolumen von 10 μL.
4. Laden und bereiten Sie die Injektionsnadel vor
5. Würmer zur Injektion vorbereiten
HINWEIS: Bereiten Sie Nematodenwachstumsmedium (NGM)-Platten und M9-Puffer wie zuvor beschriebenvor. Würmer auf Platten mit Escherichia coli OP50 (im Folgenden OP50) aufbewahren und Injektionen im N2-Hintergrund durchführen.
6. Gonadale Mikroinjektion durchführen

Abbildung 2: Lokalisierung des distalen Gonadensynzytiums zur Mikroinjektion bei jungen erwachsenen C. elegans-Hermaphroditen. (A) Lichtfeldbild mit geringer Vergrößerung eines montierten jungen Hermaphroditen. Beide Gonadenarme sind sichtbar; Die Injektionsstelle ist für einen Arm (Pfeil) als repräsentatives Beispiel angegeben. Der geboxte Bereich markiert den Bereich mit höherer Vergrößerung im Panel B. (B) DIC-Ansicht mit höherer Vergrößerung der distalen Gonade, die dem geboxten Bereich in Panel A entspricht. Der Pfeil zeigt die Injektionsposition im distalen gonadalen Synzytium an, wo das Injektionsgemisch abgegeben wird. Skalenbalken: 100 μm (A) und 20 μm (B). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.
7. Screenen Sie F1-Kandidaten, um Knock-in-positive Linien zu identifizieren
8. Screenen Sie F2-Nachkommen, um homozygote Knock-in-Linien zu isolieren und die Integration zu bestätigen
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Nach dem Protokoll wurden junge erwachsene Hermaphroditen gonadal mikroinjiziert mit einem CRISPR/Cas9-Plasmid (pDD162), einem Plasmidspender mit einem GFP-Knock-in-Tag, flankiert von etwa 1 kb Homologiearmen (pPD95.75), sowie Ko-Injektionsmarkern (pRF4 und pPD122.11). Ein mit Keimbahn angereichertes Zielgen wurde als repräsentatives Beispiel verwendet, um ein stabiles, homozygotes Knock-in-Allel zu erzeugen, das Proteinlokalisierung unter nativer regulatorischer Kontrolle meldet.
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Dieser Workflow ist darauf ausgelegt, stabile, homozygote Knock-in-Linien zu erzeugen, in die ein fluoreszierendes Tag am endogenen Locus eingefügt wird, um die Proteinlokalisierung unter native regulatorischer Kontrolle 5,6,7,8,9,10 zu melden. In der Praxis wird der Erfolg am besten durch e...
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Die Autoren haben nichts offenzulegen.
Diese Arbeit wurde durch Fördermittel des National Key Research and Development Program Chinas (2023YFA1801100 an L.M.), der Natural Science Foundation of China (32400698 zu P.W., 32270774 zu L.M.) unterstützt.
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| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Agar | Beijing Lablead Biotech Co., Ltd. | QZ02 | Komponente zur Herstellung von NGM-Agarplatten |
| Agarose | NOVON | ZZ14011 | Herstellung von 2% Agarose-Pflaster |
| Caenorhabditis elegans Stamm N2 | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | Injektions-Hintergrundstamm | |
| Zentrifuge | Eppendorf | 5425 | Klärung der Injektionsmischung |
| Cholesterol | Beijing Chemical Reagents Company | 57-88-5 | Komponente zur Herstellung von NGM-Agarplatten |
| Co-Injektionsmarker-Plasmid rol-6 (su1006) (pRF4) | Guangshuo Ou Lab | Roller-Marker zur Anreicherung von Kandidaten | |
| Konfokalmikroskop | ZEISS | LSM880 + Airyscan | Validierung der GFP-Expression/-Lokalisierung |
| Di-Kaliumhydrogenphosphat (K2HPO4) | Sinapharm | CAS: 7758-11-4 | Komponente zur Herstellung von NGM-Agarplatten |
| Di-Natriumhydrogenphosphat (Na2HPO4) | Sinapharm | CAS: 7558-79-4 | Komponente zur Herstellung von M9-Puffer |
| DNA-Leiter | Mei5 Biotechnology, Co., Ltd. | MF288-01 | Größenreferenz für Agarose-Gels |
| Donor-Plasmid-Backbone (pPD95.75) | Addgene | 1494 | Backbone für HDR-Donor-Konstruktion |
| Elektrophorese System | Beijing Liuyi Biotechnology Co., Ltd. | 112-0630 | Trennung von PCR-Amplikomen auf Agarose-Gelen für die Überprüfung der Junction und die Genotypisierung der Zygosität |
| Escherichia coli OP50 Stamm | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | Nahrungsquelle für Würmer | |
| Fluoreszierendes Co-Injektionsmarker-Plasmid (pPD122.11) | Fire Lab | GFP-Co-Marker zur Anreicherung von Kandidaten | |
| Fluoreszierendes Stereomikroskop | SOPTOP | SZX12-HT | Screening lebender Würmer auf fluoreszierende Co-Injektionsmarker |
| GelRed Nukleinsäure-Gel-Färbemittel | Mei5 Biotechnology, Co., Ltd. | MF079-plus-01 | Visualisierung von DNA-Banden |
| Glaskarotten | World Precision Instruments | 1B100F-4 | Verwendet mit Nadelzieher zum Herstellen von Injektionsnadeln |
| Halocarbonöl 700 | Sigma-Aldrich | H8898-50ML | Verhinderung der Austrocknung während der Injektion |
| Inkubator | Wuhan Ruihua Instrument & Equipment Co., Ltd. | HP400S | Erhaltung der Würmer bei Standardtemperatur |
| Magnesiumsulfat (MgSO4) | Sinapharm | CAS: 7487-88-9 | Komponente zur Herstellung von NGM-Agarplatten und M9-Puffer |
| Mikrokapillarpipetten | KIMBLE | 71900-50 | Erhitzt und gebrochen, um ein Beladewerkzeug herzustellen |
| Mikroinjektoreinheit | Eppendorf | FemtoJet 4i | Übertragen von kontrollierten Druckimpulsen der Injektionsmischung in die distale Gonaden über eine Mikroinjektionsnadel (fußpedalgesteuert) |
| Mikroskop-Deckgläser | Fisherbrand | 12545A 22×30-1 | Herstellung von 2% Agarose-Pflaster für das Montieren und Immobilisieren von Würmern während der Mikroinjektion; Offene Injektionsnadelspitzen gegen den Deckglasrand |
| Mikroskop für Mikroinjektion | ZEISS | Axio Observer.A1 | Injektionsmikroskop |
| Nadelzieher | Sutter Instrument Company | Modell P97 | Ziehen von Glaskarotetten in Injektionsnadeln |
| PCR-Thermocycler | Bio-Rad | C1000 Touch Thermal Cycler | PCR-Amplifikation |
| pDD162 (Peft-3::Cas9 + leeres sgRNA) | Addgene | 47549 | Cas9 + sgRNA-Expression |
| Pepton | Gibco | 308723 | Komponente zur Herstellung von NGM-Agarplatten |
| Kaliumdihydrogenphosphat (KH2PO4) | Sinapharm | CAS: 7778-77-0 | Komponente zur Herstellung von NGM-Agarplatten und M9-Puffer |
| Natriumchlorid (NaCl) | Sinapharm | CAS: 7647-14-5 | Komponente zur Herstellung von NGM-Agarplatten und M9-Puffer |
| Stereomikroskop | Motic | K400L | Aufheben und Montieren von Würmern auf Agarose-Pflastern und Durchführung der Nachbehandlungsschritte nach der Injektion |
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