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El método presentado aquí para generar endógenamente regula fusiones de la proteína fluorescente en hiPSCs es un enfoque versátil y potente para la generación de líneas celulares de gene editado con aplicaciones que van desde la proyección de imagen de células vivas a diversos estudios funcionales y " modelos de la enfermedad en un plato"usando derivados del paciente hiPSC líneas13,14,15. Mientras que este método ha sido utilizado para introducir grandes etiquetas FP a N - o C-terminal de proteínas endógenas, potencialmente podría utilizarse para introducir otras etiquetas o pequeños cambios genéticos a modelo o correcto el enfermedad-causar mutaciones22,23 . Para rellenos pequeños, puede reducirse el tamaño del brazo de homología, pero el enfoque general a la edición en este método puede aplicar24,25. Mientras que el uso de hiPSCs se recomienda por su gran utilidad, con cuidado de optimización, este protocolo puede adaptarse para editar los genomas de otras líneas de células de mamífero.
Hora de identificar un gen de interés para el etiquetado FP, estimaciones de abundancia de la transcripción (de microarrays o datos de RNA-Seq) es un buen punto de partida para evaluar si se expresa un gen o isoforma de interés, aunque los niveles de transcripción no siempre se correlacionan con niveles de proteína. La estrategia de enriquecimiento FACS descrita aquí funcionará mejor para los genes que se expresan por lo menos moderadamente bien en el tipo de la célula de interés. Esta estrategia ha tenido éxito en la selección para fusiones que muestran patrones de punteado o discreta localización como centrin, desmoplaquina y paxillin donde la relación señal a fondo es muy bajo12,19. Genes que muy no se expresan o se expresan únicamente en tipos celulares derivados pueden requerir estrategias de selección adicional.
El punto de partida para crRNA y donantes plasmid plantillas utilizadas en líneas celulares humanas debe ser el genoma humano de referencia (GRCh38). Dado que los genomas de diferentes líneas celulares pueden variar de la misma especie, y porque CRISPR/Cas9 es específica de secuencia, es muy útil identificar variantes específicas de la línea de la célula (polimorfismos de nucleótido único o inserciones/deleciones (indels)) difiere del genoma de referencia e incorporar en el diseño. Esto asegura que crRNAs será compatible con el genoma del anfitrión y que los brazos de homología plásmido donante plantilla conservará las variantes específicas de la línea celular. Es una estrategia sugerida incorporar variantes homocigóticas en brazos de homología de plásmido de plantilla de crRNAs y donantes durante el proceso de diseño. La incorporación de variantes heterozigóticas es opcional. Los reactivos específicos utilizan para gran knock-en experimentos y otras consideraciones principales de este protocolo se discuten a continuación.
Proteína de Cas9
El principal beneficio de usar proteína Cas9 es que introduciendo la Cas9 y gRNA como una complejo RNP se ha demostrado para dar lugar a una duración limitada de la actividad de nucleasa comparado con enfoques basados en el plásmido donde expresión de la Cas9 y gRNA puede continuar por días y conducir a mayor en y fuera del objetivo actividad26,27. Un beneficio adicional de usar proteína Cas9 es que está disponible para unirse una vez dentro de las células. Esto contrasta con los métodos más convencionales de Cas9 mRNA o plásmido Cas9/gRNA que requieren transcripción, traducción y procesamiento26,28la proteína. Wildtype S. pyogenes Cas9 proteína ya está disponible de muchas fuentes comerciales.
Guía de ARN
Hay muchas herramientas disponibles para la búsqueda de objetivos de crRNA cerca del sitio de inserción deseado de FP que tienen cero o pocos predicha de-objetivos en el anfitrión genoma29,30,31,32. Eficiencias en HDR y la precisión de los resultados HDR varían ampliamente entre los objetivos de la crRNA en un locus dado12. Por este motivo, prueba varios crRNAs (2-4 y preferentemente dentro de 50 bp del sitio de inserción deseada) por locus se recomienda ya que esto puede aumentar la probabilidad de que un exitoso experimento de edición. Posibilidades actuales para la entrega de gRNA incluyen sintética parte 2-crRNA y tracrRNA, gRNAs solo sintético (sgRNAs), en vitro transcribe sgRNAs, o la entrega de un plásmido a las células que expresan lo sgRNA de un promotor U6. Este protocolo no fue optimizado para actividad de escote alto. Sin modificar parte 2-crRNA y tracrRNA (véase Tabla de materiales) fueron utilizados con el objetivo de generar líneas de células mono-alélica FP-agregó mientras causando la perturbación menor potencial a las células.
Plásmido de plantilla de donantes
Porque algunos de la homología del brazo secuencia siempre en el donante plásmidos de la plantilla se incorporarán en el genoma del anfitrión durante el evento HDR, mutaciones de punto a los sitios de reconocimiento de crRNA deben introducirse para evitar más escote por Cas9 después de HDR. Muchas veces el simple cambio disruptivo es mutar la secuencia de PAM. Ya que algunas secuencias no-canónico de PAM todavía pueden ser reconocidos por tipo de salvaje Cas9 de S. pyogenes , es mejor evitar el uso de NGG, NAG o NGA33. Cuando mutando el brazo de homología, evitar las mutaciones no sinónimas y la introducción de codones raros. Si no es posible un cambio sinónimo a la secuencia de PAM, considerar tres sinónimas mutaciones de punto en la región de la semilla (10 bp proximal a PAM) del sitio de Unión crRNA. Debe tener extremo cuidado al hacer estos cambios en la región no traducida (UTR) de 5ʹ, puesto que estas regiones pueden contener secuencias reguladoras importantes. Consultar una base de datos de conservación genética tales como pistas de genómica comparativa de navegador de genoma de UCSC pueden orientar en estos casos, como cambios a las bases no conserva pueden tolerarse mejor que cambia a bases altamente conservado17. A veces la mera inserción de la secuencia FP es suficiente para alterar el sitio de unión de crRNA (como en la figura 1); sin embargo, debe revisarse la secuencia recién anexada para la persistencia de crRNA vinculante y secuencias de PAM.
Enlazadores de aminoácidos entre la FP y la proteína nativa se recomiendan conservar la función de la proteína de fusión34. A menudo un vinculador del aminoácido puede ser elegido por su particular carga o tamaño. Si una fusión de cDNA con un diseño similar a la específica endógena proteína de fusión se ha estudiado bien, que la misma secuencia de vinculador puede utilizarse para CRISPR/Cas9 knock-in experimento12,19. Si dicha información está disponible, un enlazador corto como GTSGGS también ha sido utilizado con éxito12. Otros estudios han demostrado éxito con una secuencia de vinculador ácido 3-amino pequeño genérico para una variedad de objetivos35.
Transfección y el enriquecimiento de la FACS
Muchos reactivos de transfección comercialmente disponibles están formulados para la entrega de ciertos tipos de moléculas a las células, mientras que un sistema de electroporación puede utilizarse para proporcionar reactivos con una amplia gama de composición, tamaño y carga. Además de ser un método común de transfección para duro para transfectar células como hiPSCs, electroporación también conlleva el beneficio de entrega de los tres componentes para FP CRISPR/Cas9-mediada knock-in como se describe en este método. Electroporación fue encontrada para producir los mejores resultados en comparación con otros reactivos disponibles en el mercado en el desarrollo de este método (datos no mostrados) y también ha sido utilizado por otros para RNP entrega26,28,36 .
Cuando se utiliza este protocolo para la edición hiPSCs, especial debe tener cuidado para asegurar un manejo suave de las células antes y después del gene de la edición de proceso para la supervivencia celular óptima y mínima diferenciación espontánea. En particular, los métodos de enriquecimiento FACS deben adaptarse para la clasificación de las células madre mediante el uso de la boquilla más grande posible (130 μm), una baja tasa de flujo (≤24 μl/min), fluido de vaina sin conservantes (como solución salina, véase Tabla de materiales) y muestra bajo presión (10 bar). En lugar de sola celda de clasificación, que da como resultado subóptimo viabilidad en células madre, el FACS enriquecido hiPSCs son ordenados a granel y ampliados como una población para optimizar integridad celular viabilidad y célula de vástago. Sin embargo, clasificación de la célula puede ser apropiado para menos tipos de células sensibles. Para promover la supervivencia celular, las células son volvió a cultura no más de una hora después de la cosecha para el enriquecimiento del FACS y mantenerse a temperatura ambiente durante el proceso de clasificación. Para algunos tipos de células, también puede mejorar supervivencia de la célula por incubación de las células en hielo (4° C) durante todo el proceso de clasificación.
La expansión masiva de células positivas de FP ofrece una oportunidad para evaluar la población de análisis para la localización de la proteína de fusión antes de generar líneas clonales. Mientras que la población enriquecida resultante de células puede ser suficiente para algunos estudios, estas poblaciones con frecuencia Mostrar señal de FP de intensidad variable. Las líneas clonales aisladas tienen señal uniforme (figura 3), lo que los hace más apropiados para experimentos funcionales12.
Generación de línea clonal de la célula
A lo largo del edición y clonal línea proceso de generación, es importante controlar la morfología de la célula. hiPSC colonias cultivadas en condiciones libres de alimentador deben exhibir bordes lisos y un centro bien lleno, incluso12,18,19. Deben observarse las células diferenciadas en menos del 5% de la cultura. Al escoger colonias individuales, elegir aquellos exhiben buena morfología. En la placa de 96 pocillos pases a eventos, ver clones de morfología y deje de aquellos que han invadido ya que podría conducir a la diferenciación o ser un indicio de inestabilidad genética.
Generación de líneas celulares clonales permite la confirmación genética de edición precisas, que es importante porque Cas9 inducido de doble cadena se rompe en el genoma son a menudo reparado impreciso a pesar de la incorporación de la etiqueta en el lugar deseado. Ensayos de PCR previamente descritos mostraron que acumulativamente en diez lugares geométricos genomic únicos muchos (45%) de los clones expresando su punto de congelación sufrida de la integración de columna vertebral de plásmido donante en el lugar geométrico del objetivo o (raramente) al azar en el genoma12. Además, clones de 23% de GFP-positivas (n = 177) en loci únicos diez fueron encontrados para abrigar mutaciones en o cerca del sitio de corte de crRNA esperado en el alelo sin etiquetar, probablemente debido a NHEJ12. Este análisis genético de muchas líneas clonales (~ 100 clones/edit) subrayaron la importancia de la validación genética que no es posible en una población celular desde FP-expresión y localización de la proteína de fusión prevista solo no garantizan la precisa edición12 . Además, estos ensayos basados en PCR no se puede realizar en una población enriquecida de células con certeza, justificando la necesidad de generación de línea clonal antes análisis significativo pueden ser completado. Confirmación genética de la etiqueta FP insertada y verificación de la integridad genética del alelo sin editar (en una copia editada mono-alélica) son necesarias para edición precisa en el locus específico más allá de la expresión de la etiqueta.
Una baja tasa de ediciones bi-alélicos y la falta de mutaciones fuera de objetivo (como ensayado por Sanger y secuenciación del exoma) se han observado hasta la fecha con este método (datos no publicados)12. Esto es consistente con estudios previos que describe el uso de corta duración RNP CRISPR/Cas9 experimentos26,27. La falta de líneas de células clonales con bi-alélicos ediciones también puede ser específicas de locus o debido a la incapacidad de la célula para tolerar dos tagged copias de una proteína esencial según lo sugerido de los experimentos previamente publicados donde fueron supuestas células editadas bi-alélicos observado para un lugar geométrico (LMNB1), pero no otro (TUBA1B)12. Líneas celulares clonales completamente validado BI-alélicos se han generado con este método para etiqueta ST6 beta-galactósido alfa-2, 6-sialyltransferase 1 (ST6GAL1) y miembro de RAB5A RAS oncogene family (RAB5A) mEGFP19.
Más allá de confirmar la precisión de la edición del genoma, hay una variedad de ensayos de control de calidad que pueden utilizarse para caracterizar la línea clonal e identificar clones que cumplan todas células, genómica, y criterios biológicos de la célula para utilizan en el futuro estudios . Estudios biológicos y funcionales de células pueden utilizarse para confirmar la adecuada expresión, localización y función de la proteína de fusión12. La comparación a los controles parentales sin editar le ayudará a evaluar la influencia del proceso de edición en función, dinámica y localización. Otros ensayos como análisis de crecimiento y pruebas de estabilidad genomic también pueden ayudar a determinan si la proteína etiquetada es perturbador a la celda. Cuando utilice hiPSC en este protocolo, evaluación de marcadores de pluripotencia y diferenciación potencial puede ser crítico en la determinación de un clon que es valioso para abajo estudios12. Porque extendida cultura de hiPSC se ha demostrado que la inestabilidad genética, monitoreo de la tasa de crecimiento y cariotipo de líneas celulares clonales es también importante12,37. Sin embargo, la final intención de uso de las células editadas en última instancia determinará el nivel y la amplitud de control de calidad análisis y variará según la aplicación.