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Las células madre pluripotentes humanas (hPSCs) representan una fuente ilimitada de células somáticas para la investigación o la clínica1. La orientación génica en las hPSC ofrece un método poderoso para estudiar la función de los genes durante la especificación celular y para comprender los mecanismos de la enfermedad. Aunque existen métodos eficientes de edición del genoma, la modificación de genes en hPSCs sigue siendo técnicamente un desafío. La focalización génica estándar por recombinación homóloga en hPSCs ocurre con baja frecuencia o incluso es indetectable en algunos genes 2, por lo que la segmentación génica estimulada por la ruptura de doble cadena del ADN (DSB) (denominada edición génica) es necesaria en estas células 2,3. Además, la transfección de hPSCs y la posterior clonación unicelular no es muy eficiente, aunque la apoptosis asociada a una sola célula puede reducirse mediante el uso del inhibidor de la proteína quinasa asociada a Rho (ROCK)4. Finalmente, las posibles mutaciones en el objetivo y fuera del objetivo en el gen de interés también pueden ser problemáticas. Por lo tanto, un protocolo confiable es esencial para realizar cambios genéticos personalizados en las hPSC.
La tecnología CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) y la proteína 9 asociada a CRISPR (Cas9) guiadas por ARN son ahora una herramienta bien establecida en la edición de genes. El ARN CRISPR transcrito (crRNA) y un ARN transactivador (tracrRNA) forman el ARN guía único (sgRNA), que se integra con la proteína Cas9 permitiendo la escisión específica del gen5. El sistema CRISPR/Cas9 es programable, cambiando una secuencia guía de 20 pb del sgRNA, lo que significa que se puede editar casi cualquier locus que cumpla con el requisito del motivo adyacente al protoespaciador (PAM). Sin embargo, el tipo salvaje Cas9 puede tolerar algunos desajustes entre su secuencia guía y un objetivo de ADN, lo que podría causar efectos no deseados fuera del objetivo. Para mejorar su especificidad, se ha desarrollado un mutante de nickasa (Cas9n). Una mutación Cas9n que contiene D10A o N863A solo posee un dominio nucleasa funcional y, como resultado, solo puede cortar ADN en una hebra. Un par de Cas9n adecuadamente espaciados y orientados pueden inducir efectivamente ADN DSB y los efectos fuera del objetivo se reducen drásticamente6. Para garantizar una modificación eficiente de Cas9n, se ha demostrado que dos Cas9n-sgRNA idealmente deben colocarse con un desplazamiento de -4 a 20 pb y siempre crear un voladizo de 5'6.
El DSB inducido por Cas9(n)-sgRNA puede utilizarse para la edición del genoma en hPSCs 7,8. Puede crear un knockout de genes a través de la reparación de unión de extremos no homólogos, o introducir la modificación de genes a través de la reparación dirigida por homología (HDR) si hay una plantilla de ADN de donante. El protocolo descrito aquí utiliza un plásmido donante basado en transposón piggyBac (o vector objetivo) para HDR, en el que un marcador de resistencia a los medicamentos está flanqueado por las repeticiones invertidas del transposón. La ventaja de este enfoque incluye un cribado eficiente y una edición de genes sin fisuras, como lo demostraron por primera vez Yusa et al.9,10. El casete de selección de fármacos permite el enriquecimiento de las células con el vector integrado, que posteriormente son tamizadas por PCR de unión para identificar las derivadas por HDR. Además, el casete de selección de fármacos se puede colocar para reemplazar las secuencias objetivo para la escisión de Cas9 (n), de modo que no se produzca más rotura del ADN después de HDR, eliminando así las mutaciones objetivo "en" resultantes de la re-escisión de Cas9 (n). Además, al explotar la escisión precisa catalizada por la transposasa piggyBac, el marcador de selección se extirpa del genoma sin dejar cicatriz. Sólo queda la secuencia endógena original de TTAA para la inserción de piggyBac después de la eliminación del marcador de selección de fármacos9. Incluso si los sitios TTAA tienen que ser creados mediante la introducción de sustituciones, las posibilidades de perturbar los elementos regulatorios se reducen en comparación con otros métodos10.
Aquí describimos procedimientos detallados para implementar la edición perfecta del genoma en hPSC. Combinando un plásmido donante basado en piggyBac y el mutante de nickasa CRISPR-Cas9 en una selección genética de dos pasos, introdujimos dos mutaciones puntuales predeterminadas en el gen11 del factor nuclear de hepatocitos 4 alfa (HNF4α). Este enfoque es confiable y eficiente, y ha permitido analizar en profundidad el importante papel desempeñado por HNF4α en la especificación del endodermo y hepatocitos a partir de células madre pluripotentes humanas11.