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En nuestros experimentos, demostramos cómo realizar la edición en cadena en células inmunes desde el diseño de la construcción hasta la detección y validación de células en cadena utilizando células T Jurkat humanas y macrófagos murinos RAW264.7 como ejemplos. Tanto las líneas celulares de células T como las de macrófagos son resistentes a la transfección36,37; sin embargo, el problema de la baja eficiencia de la entrega de CRISPR / Cas9 se puede superar con la ayuda de reporteros fluorescentes junto con la clasificación celular. Este protocolo es adecuado para experimentos de rescate de genes y experimentos de interacción proteína-proteína, pero no se puede aplicar al estudio de secuencias de ADN reguladoras, como los sitios de unión de factores de transcripción porque el protocolo se desarrolló para la modificación en cadena del locus Rosa26.
Los reporteros fluorescentes duales ayudaron a la edición en cadena CRISPR / Cas9
Aplicamos con éxito un sistema de reportero fluorescente dual para expresar transitoriamente conjuntos independientes de vectores CRISPR/Cas9 en células inmunes, lo que resultó en la eliminación de grandes fragmentos de ADN en estudios previos21. Diseñamos una herramienta de orientación CRISPR / Cas9 utilizando la proteína fluorescente DsRed2 como reportero y una proteína fluorescente adicional espectralmente distinta para rastrear la entrega de la plantilla de ADN para la modificación en cadena. Para hacer factible la modificación del alelo knock-in, utilizamos el reportero de proteínas fluorescentes EBFP2, que no tiene derrame espectral con la RFP (DsRed2 en nuestro caso), para monitorear la transfección del ADN del donante que sirve como plantilla durante la recombinación homóloga. Para optimizar el casete que expresa el POI y el reportero fluorescente, se introdujo una secuencia IRES para obtener proteínas independientes. En nuestro estudio anterior, observamos que los aminoácidos residuales del enlazador P2A o T2A que quedaban después de la escisión post-transcripcional afectaban la localización de proteínas en la superficie celular. La secuencia IRES no deja tales aminoácidos residuales. Como se describió en un estudio anterior, el IRES dio lugar a niveles más altos del reportero fluorescente, tras la expresión de la proteína Cas9 impulsada por el promotor CAG38.
Plásmido TODO EN UNO CRISPR/Cas9
En estudios previos se han descrito diversos formatos y combinaciones del sistema CRISPR/Cas9, como la transfección Cas9 como ARNm o proteína junto con sgRNAs sintetizados químicamente39. Los complejos CRISPR/Cas9 RNP también se han entregado a células de mamíferos; esta estrategia ofrece las ventajas de un inicio más temprano de la actividad de las nucleasas y una vida media más corta; sin embargo, el etiquetado de los RNP es menos rentable en comparación con la construcción de plásmidos todo en uno. En nuestros estudios previos, encontramos que el uso de la clasificación de células individuales para aislar aquellas células raras que expresan CRISPR / Cas9 (DsRed2 positivo) y la proteína knock-in (EBFP2 positivo) es mucho menos complicado que el uso de la entrega de RNP, y es fácil preparar los plásmidos. Es cierto que este protocolo se basa en la clasificación de una sola célula. Pero nuestro protocolo es fácil de realizar y produce modificaciones exitosas con alta reproducibilidad.
Expresión de un POI del locus Rosa26
Hay múltiples informes en la literatura que describen métodos para etiquetar proteínas endógenas con reporteros fluorescentes utilizando CRISPR / Cas9 edición40,41,42. Las ventajas del etiquetado endógeno son que es factible determinar la localización subcelular y realizar un seguimiento in vivo de la proteína endógena. Sin embargo, se pueden encontrar problemas si no es posible diseñar un ARN guía CRIPSR apropiado en el locus endógeno. Aquí desarrollamos un método alternativo de knock-in mediante la incorporación de POI-IRES-EBFP2 en el locus de puerto seguro genómico Rosa26,que supera las limitaciones de encontrar guías adecuadas para posicionar etiquetas endógenas.
Resumimos algunos puntos clave que deben considerarse durante los experimentos para garantizar la reproducibilidad técnica. Primero, el clasificador celular debe tener un láser violeta de 405 nm para la excitación de EBFP2 y un láser azul de 488 nm o, alternativamente, un láser amarillo de 561 nm para la excitación de DsRed2. Con tales configuraciones, EBFP2 y DsRed2 se pueden detectar sin derrame espectral, lo que puede conducir a resultados falsos positivos. En nuestros experimentos, la proporción de células DsRed2+ EBFP2+ doble positivo fue tan baja como 0.9%; por lo tanto, la protección de la población adecuada fue esencial para el éxito de los experimentos. Se realizó una segunda ronda de clasificación para gatear las células positivas EBFP2+, seguida de la validación por PCR. Además, para la detección de proteínas knock-in, es preferible introducir una etiqueta de proteína como OST u otro tipo de etiqueta. La eliminación del gen antes de los experimentos de knock-in del locus Rosa26 proporciona una buena oportunidad para evaluar si el anticuerpo tiene una especificidad deseable. Cuando la especificidad del anticuerpo no es suficiente, la detección de la proteína knock-in debe realizarse después del pulldown a través de la etiqueta de proteína. Finalmente, durante el cribado FACS de las células que expresan el alelo knock-in, la intensidad de EBFP2 se puede utilizar para evaluar si dos copias o una copia del alelo knock-in está presente.
Aplicaciones
En este protocolo describimos la modificación knock-in de RASGRP1, una molécula clave implicada en la activación de las células T27. Primero obtuvimos células Jurkat RASGRP1-knockout que se pueden utilizar para estudios de pérdida de función, y generamos células Jurkat adicionales que expresan OST-RASGRP1 en el locus hROSA26. Las células jurkat son la línea celular humana más utilizada para estudiar la biología de las células T43. Debido al éxito de la inmunoterapia en la prevención del agotamiento de las células T en pacientes con cáncer, los inmunólogos y biólogos del cáncer tienen un gran interés en modificar las células de Jurkat para estudios funcionales de moléculas candidatas. También es digno de mención que la línea celular T de Jurkat se usa comúnmente para la disección de las vías de señalización, pero existen limitaciones para usar esta línea celular, ya que las células de Jurkat son pobres productoras de IFN-γ tras la estimulación44. Estudios previos utilizaron tanto la modificación endógena del locus45 como la ingeniería genética en el locus46 de hROSA26 para realizar experimentos en cadena en células Jurkat humanas. Ambas estrategias tienen sus propias ventajas; al modificar el locus endógeno, la proteína se expresa presumiblemente a un nivel "fisiológico". La modificación en cadena en el locus hROSA26 produce resultados predecibles porque se evita el empalme alternativo de ARNm, y la abundancia de la proteína modificada también es fácilmente detectable. Otros puertos seguros genómicos, como el sitio del virus adenoaso asociado 1(AAVS1)y el receptor de quimiocinas (motivo CC) 5(CCR5)47,48 merecen más exploración.
En nuestro estudio anterior, cuando Vav1-OST se expresó a niveles más altos en el locus Rosa26 de ratón en células RAW264.7, que son células macrófagos de uso muy frecuente, pudimos detectar su interacción con moléculas Vav3 poco expresadas debido a los altos niveles de proteína de cebo y la alta eficiencia de la purificación de afinidad OST13. También describimos experimentos knock-in para establecer una línea celular de macrófagos que expresa de manera estable hACE2, un receptor para SARS-CoV-2, en el que se garantiza una expresión abundante. En la base de datos de secuenciación de ARN unicelular, ace2 murino se expresa en macrófagos pulmonares, y el modelo celular genético que expresa hACE2 que desarrollamos podría ser útil para estudios de macrófagos durante la infección por SARS-CoV-2.
Otras consideraciones
Este protocolo está diseñado para identificar células knock-in que expresan un POI con la ayuda de análisis citométricos de flujo de un reportero fluorescente, en nuestro caso el reportero EBFP2. Sin embargo, cuando se dispone de anticuerpos de etiquetado superficial detectables por FACS para una proteína de superficie49,no es necesario utilizar el sistema reportero50. Las líneas celulares de células T y macrófagos, así como los ejemplos de proteínas marcadas con OST utilizadas para estudios de interactomas, se utilizan principalmente para estudios de señalización, y la mayoría de estas moléculas de señalización se localizan en el citosol o núcleos de las células. Por lo tanto, un reportero fluorescente puede ser necesario para la identificación de células knock-in deseables.
Es importante señalar que este protocolo fue desarrollado para líneas celulares, y la aplicación a células inmunes primarias como células T, monocitos/macrófagos no fue validada. Debido a la capacidad limitada de las células para proliferar, no recomendamos este protocolo para su uso con células inmunes primarias. Como el reportero fluorescente EBFP2 se expresó bajo el mismo promotor que el gen knock-in o POI utilizando un elemento IRES, no observamos células que expresaran el reportere fluorescente en ausencia del gen knock-in. Sospechamos que la recuperación de las células fluorescentes que expresan proteínas depende en gran medida del éxito de la recombinación homóloga. Como se informó en un estudio anterior, es tedioso clasificar, expandir e identificar las células knock-in correctas mediante la clasificación de una sola célula cuando la eficiencia de knock-in es muy baja42, lo que también explica por qué necesitábamos clasificar las células a granel para mejorar la tasa de éxito.