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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Este artículo detalla un protocolo para la identificación rápida de indels inducidos por CRISPR/Cas9 y la selección de líneas mutantes en el mosquito Aedes aegypti utilizando análisis de fusión de alta resolución.
La edición de genes de mosquitos se ha convertido en rutina en varios laboratorios con el establecimiento de sistemas como nucleasas efectoras similares a activadores de transcripción (TALEN), nucleasas de dedos de zinc (ZFN) y endonucleasas de homing (HE). Más recientemente, la tecnología de repeticiones palindrómicas cortas agrupadas regularmente interespaciadas (CRISPR) / proteína 9 asociada a CRISPR (Cas9) ha ofrecido una alternativa más fácil y barata para la ingeniería genómica de precisión. Después de la acción de la nucleasa, las vías de reparación del ADN arreglarán los extremos rotos del ADN, a menudo introduciendo indels. Estas mutaciones fuera de marco se utilizan para comprender la función génica en los organismos objetivo. Un inconveniente, sin embargo, es que los individuos mutantes no llevan un marcador dominante, lo que hace que la identificación y el seguimiento de los alelos mutantes sean un desafío, especialmente a escalas necesarias para muchos experimentos.
El análisis de fusión de alta resolución (HRMA) es un método simple para identificar variaciones en las secuencias de ácidos nucleicos y utiliza curvas de fusión por PCR para detectar tales variaciones. Este método de análisis post-PCR utiliza colorantes fluorescentes de doble cadena de unión al ADN con instrumentación que tiene capacidad de captura de datos de control de rampa de temperatura y se escala fácilmente a formatos de placa de 96 pocillos. Aquí se describe un flujo de trabajo simple utilizando HRMA para la detección rápida de indels inducidos por CRISPR / Cas9 y el establecimiento de líneas mutantes en el mosquito Ae. aegypti. Críticamente, todos los pasos se pueden realizar con una pequeña cantidad de tejido de la pierna y no requieren sacrificar el organismo, lo que permite que se realicen cruces genéticos o ensayos de fenotipado después del genotipado.
Como vectores de patógenos como los virus del dengue1, Zika2 y chikungunya3, así como de parásitos de la malaria4, los mosquitos representan una amenaza significativa para la salud pública de los seres humanos. Para todas estas enfermedades, hay un enfoque sustancial de la intervención de transmisión en el control de los mosquitos vectores. El estudio de los genes importantes en, por ejemplo, la permisividad a los patógenos, la aptitud de los mosquitos, la supervivencia, la reproducción y la resistencia a los insecticidas es clave para desarrollar nuevas estrategias de control de mosquitos. Para tales fines, la edición del genoma en mosquitos se está convirtiendo en una práctica común, especialmente con el desarrollo de tecnologías como HEs, ZFNs, TALENs y, más recientemente, CRISPR con Cas9. El establecimiento de cepas editadas genéticamente implica el retrocruce de individuos portadores de las mutaciones deseadas durante unas pocas generaciones para minimizar los efectos fuera del objetivo y fundadores (cuello de botella), seguido de cruzar individuos heterocigotos para generar líneas homocigotas o trans-heterocigotas. En ausencia de un marcador dominante, el genotipado molecular es necesario en este proceso porque, en muchos casos, no se pueden detectar rasgos fenotípicos claros para los mutantes heterocigotos.
Aunque la secuenciación es el estándar de oro para la caracterización genotípica, realizar esto en cientos, o posiblemente miles de individuos, plantea costos significativos, mano de obra y tiempo requerido para obtener resultados, lo cual es especialmente crítico para organismos con una vida útil corta, como los mosquitos. Las alternativas más utilizadas son el ensayo de nucleasa Surveyor5 (SNA), el ensayo T7E16 y el análisis de fusión de alta resolución (HRMA, revisado en7). Tanto SNA como T7E1 usan endonucleasas que cortan solo bases no coincidentes. Cuando se amplifica una región mutada del genoma mutante heterocigoto, los fragmentos de ADN de alelos mutantes y de tipo salvaje se recocen para hacer ADN de doble cadena (dsDNA) no coincidente. SNA detecta la presencia de desajustes a través de la digestión con una endonucleasa específica de desajuste y electroforesis simple en gel de agarosa. Alternativamente, HRMA utiliza las propiedades termodinámicas del dsDNA detectadas por los colorantes fluorescentes de unión al dsDNA, con la temperatura de disociación del colorante variando según la presencia y el tipo de mutación. La HRMA se ha utilizado para la detección de polimorfismos de un solo nucleótido (SNPs)8, genotipado mutante de peces cebra9, aplicaciones microbiológicas10 e investigación fitogenética11, entre otras.
Este artículo describe HRMA, un método simple de genotipado molecular para mosquitos mutantes generados por la tecnología CRISPR / Cas9. Las ventajas de hrMA sobre las técnicas alternativas incluyen 1) flexibilidad, ya que se ha demostrado que es útil para varios genes, una amplia gama de tamaños indel, así como la distinción entre diferentes tamaños de indel y diferenciación heterocigota, homocigota y trans-heterocigota12,13,14, 2) costo, ya que se basa en reactivos de PCR de uso común, y 3) ahorro de tiempo, ya que se puede realizar en tan solo unas horas. Además, el protocolo utiliza una pequeña parte del cuerpo (una pata) como fuente de ADN, lo que permite que el mosquito sobreviva al proceso de genotipado, lo que permite el establecimiento y mantenimiento de líneas mutantes.
1. Escaneo de polimorfismos de un solo nucleótido (SNP), diseño de imprimación HRMA y validación de imprimación
2. Preparación de ADN genómico de patas de mosquito
3. HRMA
4. Verificación de secuencia por secuenciación de Sanger
Los mosquitos que contenían mutaciones en los genes AaeZIP11 (supuesto transportador de hierro21) y myo-fem (un gen de miosina con sesgo femenino relacionado con los músculos de vuelo13) se obtuvieron utilizando la tecnología CRISPR/Cas9, genotipados con HRMA y verificados por secuencia (Figura 5). La Figura 5A y la Figura 5C muestran la intensidad de fluorescencia normalizada de las curvas HRM de muestras mutantes AaeZIP11 y myo-fem , respectivamente, junto con controles de tipo salvaje. La Figura 4B y la Figura 4D muestran la ampliación de las curvas de diferencia (de las muestras mutantes AaeZIP11 y myo-fem , respectivamente) entre los perfiles de fusión de los diferentes clústeres asignados por el software después de restar cada curva de la referencia de tipo salvaje. Los individuos heterocigotos y homocigotos mutantes AaeZIP11 se colocaron en diferentes grupos y se distinguen fácilmente de los controles de tipo salvaje (Figura 5B). Los individuos heterocigotos mutantes mio-fem también son distintos de los controles (Figura 5D). Tenga en cuenta que dos grupos dentro de los controles de tipo salvaje estaban presentes en ambos casos, muy probablemente debido a la presencia de SNP en la región de destino (Figura 5), lo que destaca la necesidad de usar múltiples muestras de control para evitar categorizar los controles como mutantes cuando los SNP no se pueden evitar.
La Figura 4A muestra el análisis de secuencia del mutante AaeZIP11 . El electroferograma de los mutantes heterocigotos AaeZIP11 indica la posición del nucleótido donde se produjo el indel. Esto se representa mediante un cambio de picos simples a dobles, ya que las posiciones polimórficas mostrarán ambos nucleótidos concomitantemente (Figura 4A). El número de pares de bases eliminados o insertados se calculó contando los picos individuales al final de la ejecución (Figura 4B) ya que una de las hebras de ADN será más corta o más larga que la otra por el número de pares de bases eliminados o insertados, respectivamente. Se recomienda utilizar gDNA verificado por secuencia de los mutantes como referencia para la identificación de los heterocigotos para ayudar con los análisis de HRMA para las generaciones posteriores. La asignación manual para las curvas puede ser necesaria cuando se asignan automáticamente curvas similares a diferentes grupos. Esto se puede hacer comparando las curvas desplazadas por la temperatura y las curvas de diferencia. Es posible que sea necesario ajustar manualmente el software para asignar correctamente las muestras a los clústeres. Los resultados de HRMA de AaeZIP11 y un mutante llamado Aeflightin muestran que se necesitaron análisis de muestras individuales para categorizar con éxito a los heterocigotos, homocigotos y trans-heterocigotos. Inicialmente, la asignación automática de clústeres desde el software no podía hacer una distinción adecuada entre los grupos (Figura 6A, Figura 6C, Figura 6E y Figura 6G). Luego, cada muestra se analizó individualmente y se asignó a los grupos correctos en función de la similitud con las muestras de referencia de heterocigotos, homocigotos y transheterogotas (previamente verificadas por secuenciación) (Figura 6B, Figura 6D, Figura 6F y Figura 6H).

Figura 1: Identificación de SNP. Representación esquemática de la alineación de secuencias múltiples del fragmento AaeZIP11 de tipo salvaje. En rojo están los SNP, y en verde están los fragmentos libres de SNP; esta región libre de SNP se sugiere para el diseño de sgRNA y cebadores. Abreviaturas: SNP = polimorfismo de un solo nucleótido; sgRNA = ARN guía único; LVP = Cepa liverpool. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Procedimiento experimental para la obtención de ADN genómico de patas de mosquito para HRMA. (A) Materiales para la obtención de ADN genómico, incluidas pipetas, puntas, placa de PCR, sello óptico, reservorio, tampón de dilución y solución de liberación de ADN. (B) Preparación de placa de PCR que contenga reactivo de liberación de ADN y tampón de dilución. (C) Anestesia de mosquitos con CO2. (D) Limpiar las pinzas con etanol al 70% para evitar la contaminación entre muestras. (E) Configuración experimental que incluye pinzas, bastidor para viales de mosquitos, placa de Petri en la parte superior de un recipiente de hielo con mosquitos anestesiados y la placa de PCR previamente preparada. (F) Eliminación de la pata del mosquito. (G) Vista de zoom de la pata del mosquito sumergida en la solución de reactivo de liberación de ADN. (H) Mosquito único colocado en el vial. (I) Sellado de la placa de PCR que contiene las patas del mosquito. Abreviatura: HRMA = análisis de fusión de alta resolución. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Procedimiento experimental para análisis de HRM. (A) Transferencia del gDNA liberado a una placa de 96 pocillos que contiene la mezcla de PCR. (B) Inspección visual de las curvas de diferencia. (C) Marcar cada muestra en la plantilla de 96 pocillos con el mismo color que su respectivo color de curva de diferencia. (D) Retrocruzar a los individuos del mismo grupo. Abreviaturas: HRM = fusión de alta resolución; gDNA = ADN genómico. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: Secuenciación de un mutante AaeZIP11 . (A) Alineación de nucleótidos del mutante AaeZIP11Δ56. Los guiones resaltados en amarillo son las bases eliminadas. En el cuadro, el electroferograma pasa de picos simples a picos dobles, representando la posición donde ocurrió la deleción (flecha). (B) Electroferograma del final de la secuenciación y la transición de picos dobles a picos simples. Tenga en cuenta que el número de picos individuales representa el número de bases eliminadas (rectángulo gris). Las secuencias de imprimación se proporcionan en la Tabla suplementaria S1. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5: HRMA de ADN extraído de patas de mosquito. El ADN se extrajo de una sola pata de los mosquitos AaeZIP11 (A y B) y myo-fem (C y D) knockout Ae. aegypti y se analizó por HRMA. A y C denotan las señales de fluorescencia normalizadas de las muestras a valores relativos de 1.0 a 0. B y D denotan la ampliación de las diferencias de curva restando cada curva de la referencia de tipo salvaje (cepa de Liverpool). Abreviaturas: HRMA = análisis de fusión de alta resolución; LVP = cepa de Liverpool; RFU = unidades de fluorescencia relativas. Las secuencias de imprimación se proporcionan en la Tabla suplementaria S1. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6: Ejemplos de asignaciones manuales de grupos. (A-D) HRMA para mutantes Aeflightin. (A y C) Las curvas de fusión (curvas de escala lineal normalizadas y curvas de diferencia, respectivamente) se agrupan automáticamente mediante el software de análisis de fusión de precisión. (B) Normalización de curvas diferenciales alteradas manualmente. (D) Después de alterar la normalización de las curvas diferenciales, cada muestra fue asignada individualmente por las temperaturas máximas en las curvas de diferencia para los controles positivos correspondientes (muestras previamente secuenciadas identificadas por heterocigotos Δ4 y Δ5 y trans-heterocigotos Δ4Δ5), lo que permitió la identificación clara de los 3 grupos. Se agregan flechas rojas y marrones para resaltar los picos a diferentes temperaturas. (E-H) HRMA para mutantes AaeZIP11. (E y G) Las curvas de fusión son asignadas automáticamente por el software. (F y H) Los mutantes en el segundo autocruce heterocigoto fueron asignados apropiadamente a los grupos correctos por la similitud de las curvas normalizadas y de diferencia con las referencias previamente determinadas (codificadas por colores en las curvas). Heterozygotes asg, Homozygotes asg y Trans-heterozygotes asg: curvas de fusión asignadas por Precision Melt Analysis Software. Abreviaturas: HRMA = análisis de fusión de alta resolución; LVP = cepa de Liverpool; RFU = unidades de fluorescencia relativas. Las secuencias de imprimación se proporcionan en la Tabla suplementaria S1. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Material complementario: Protocolo detallado para configurar HRMA en el sistema cfx96 en tiempo real (por ejemplo, Bio-rad). Haga clic aquí para descargar este archivo.
Figura suplementaria S1: Instrucciones paso a paso para configurar el protocolo de ciclo en Bio-rad CFX Manager. Véase el material complementario 2.1-2.3. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Figura suplementaria S2: Instrucciones paso a paso para una configuración de placa en Bio-rad CFX Manager. Véase el material complementario 3.1-3.4. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Figura suplementaria S3: Instrucciones paso a paso para una configuración de placa en Bio-rad CFX Manager. Véase el material complementario 3.5-3.6. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Figura suplementaria S4: Instrucciones paso a paso para la configuración de ejecución en Bio-rad CFX Manager. Véase el material complementario 4.1. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Figura suplementaria S5: Instrucciones paso a paso para el análisis HRMA en Bio-rad CFX Manager. Véase el material complementario 5.1-5.3. Abreviatura: HRMA = análisis de fusión de alta resolución. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Tabla suplementaria S1: Lista de cebadores. Haga clic aquí para descargar esta tabla.
Los autores no tienen conflictos de intereses que declarar.
Este artículo detalla un protocolo para la identificación rápida de indels inducidos por CRISPR/Cas9 y la selección de líneas mutantes en el mosquito Aedes aegypti utilizando análisis de fusión de alta resolución.
Todas las figuras fueron creadas con Biorender.com bajo una licencia de la Universidad de Texas A&M. Este trabajo fue apoyado por fondos del Instituto Nacional de Alergias y Enfermedades Infecciosas (AI137112 y AI115138 a Z.N.A.), Texas A&M AgriLife Research bajo el Programa de Subvenciones para Enfermedades Insectarias Vectorizadas, y el Proyecto Hatch del Instituto Nacional de Alimentos y Agricultura del USDA, 1018401.
| Etanol | al 70% Solución de etanol al 70% en agua | ||
| Placas de PCR de 96 pocillos y PCR en tiempo real | VWR | 82006-636 | Para la obtención de ADN genómico (de la pata del mosquito) |
| Plantillas | de placas de 96 pocillos | Impreso en casa, para el registro de genotipos | |
| Bio Rad CFX96 | Máquina de PCR Bio Rad | con gradiente y capacidades | |
| HRMADepósitos de reactivos biotecnológicos diversificados | VWR | 490006-896 | |
| Exo-CIP Kit de limpieza rápida de PCR | New England Biolabs | E1050S | |
| Placa de Petri de vidrio | VWR | 89001-246 | 150 mm x 20 mm |
| Placas de PCR rígidas de pared delgada de 96 pocillos | Bio-rad | HSP9665 | para HRMA |
| Pipeta multicanal (P10) | Integra Biosciences | 4721 | |
| Pipeta multicanal (P300) | Integra Biosciences | 4723 | |
| Nunc Cinta de sellado de acrilato de poliolefina, Thermo Scientific | VWR | 37000-548 | Para usar con el 96-pocillos Placas de PCR para la obtención de ADN genómico |
| Cinta de sellado óptico | Bio-rad | 2239444 | Para usar con las placas de PCR con faldón de 96 pocillos para HRMA |
| Kit de PCR directo de tejido animal Phire (sin herramientas de muestreo) | Thermo Fisher | F140WH | Para la obtención de ADN genómico y la realización de PCR |
| Divisores de viales de moscas de plástico | Genesee | 59-128W | |
| Software de análisis de fusión de precisión | Bio Rad | 1845025 | Se utiliza para el genotipado de las muestras de ADN de mosquitos y el análisis de las propiedades de desnaturalización térmica del ADN bicatenario (consulte el paso 3.3 del protocolo) |
| SeqMan Pro | DNAstar Lasergene | Para la alineación de secuencias múltiples | |
| Pipeta monocanal | Pinzas Gilson | ||
| Dumont #5 11 cm | WPI | 14098 | |
| Tapones de espuma blanca | VWR | 60882-189 | |
| Viales anchos de Drosophila, poliestireno | Genesee | 32-117 | |
| Bandeja ancha para viales para moscas, azul | Genesee | 59-164B |