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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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 estudio describe un método para experimentos de alto rendimiento utilizando una matriz de LED impresa en 3D para optimizar la expresión génica inducible por luz en células HEK293T.
Las herramientas de expresión génica inducibles pueden abrir aplicaciones novedosas en salud humana y biotecnología, pero las opciones actuales suelen ser caras, difíciles de revertir y tienen efectos indeseables fuera del objetivo. Los sistemas optogenéticos utilizan proteínas sensibles a la luz para controlar la actividad de los reguladores, de modo que la expresión se controla con solo presionar un interruptor. Este estudio optimiza un sistema efector CRISPR activado por luz simplificado (2pLACE), que proporciona un control sintonizable, reversible y preciso de la expresión génica de los mamíferos. El OptoPlate-96 permite la detección de alto rendimiento mediante citometría de flujo para el análisis de una sola célula y la optimización rápida de 2pLACE. Este estudio demuestra cómo usar el sistema 2pLACE con OptoPlate-96 en celdas HEK293T para identificar las proporciones óptimas de componentes para maximizar el rango dinámico y encontrar la curva de respuesta de intensidad de luz azul. Se pueden desarrollar flujos de trabajo similares para otras células de mamíferos y para otros sistemas optogenéticos y longitudes de onda de luz. Estos avances mejoran la precisión, escalabilidad y adaptabilidad de las herramientas optogenéticas para aplicaciones de biofabricación.
Las herramientas de biología sintética, como los sistemas de expresión génica inducible, han proporcionado contribuciones significativas a la investigación biológica. Su capacidad para regular la expresión génica de manera ajustable, reversible y precisa puede mejorar el control de la producción de proteínas 1,2,3,4,5,6, la morfología celular 7,8,9,10,11,12, las vías metabólicas 13,14,15,16,17,18, y otros objetivos para aplicaciones terapéuticas y de biofabricación. Los sistemas inducibles por productos químicos pueden tener efectos residuales19,20 o fuera del objetivo. Los aditivos químicos también pueden ser muy caros y difíciles de escalar industrialmente debido a los procesos de purificación posteriores adicionales 21,22,23. Los sistemas de expresión génica inducibles por la luz pueden ofrecer un método escalable y preciso para las prácticas de biofabricación 24,25,26,27.
Muchos sistemas de expresión génica inducibles por la luz se han desarrollado como herramientas útiles de biología sintética en una variedad de aplicaciones 28,29,30,31,32,33,34,35,36 y longitudes de onda de azul 35,37,38, rojo / rojo lejano 12,39,40, o luz verde41. En el caso de la regulación génica optogenética basada en CRISPR, la modificación de la cantidad de ARN guía individuales (ARNg) administrados puede afectar la expresión de ARNm de genes endógenos42, y deberá optimizarse para diferentes líneas celulares. También se pueden utilizar proteínas de transactivación como VP64 37,42,43,44, VP16 39,40,44,45,46, p6544, o fusiones de ellas 47, aumentando la modularidad de los sistemas optogenéticos. Con el fin de investigar vías biológicas complejas y entrelazadas 12,40,48,49,50,51,52,53, se pueden probar diferentes combinaciones de estos componentes conocidos. Además, diferentes líneas celulares pueden mostrar diferencias en la inducción con el mismo sistema52. Los diferentes niveles de inducción pueden conducir a una expresión génica insuficiente o sensibilidad en el control preciso de la expresión génica, lo que requiere pruebas rigurosas para encontrar un sistema optogenético óptimo en líneas celulares novedosas o biológicamente más relevantes. Con un ritmo creciente y una aplicabilidad cada vez mayor de la regulación de genes optogenéticos, es imperativo caracterizar rápidamente estos diferentes sistemas.
Los métodos actuales para caracterizar las herramientas optogenéticas utilizan la expresión estable o transitoria de genes12,54. Generar líneas celulares que se expresan de manera estable y optimizar la dinámica del sistema para obtener la máxima expresión puede llevar mucho tiempo y, por lo tanto, ser costoso. La expresión transitoria permite obtener información rápida y valiosa, especialmente cuando se prueban sistemas optogenéticos multicomponente. Aquí, utilizamos el sistema efector CRISPR-dCas9 (LACE)37 activado por luz azul, compuesto por criptocromo 2 (CRY2) y terminal N de hélice básica (CIBN) que interactúa con criptocromo. Se ha utilizado para controlar la expresión génica en células de mamíferos como HEK293T (células renales embrionarias humanas)37,38, CHO-DG44 (células de ovario de hámster chino)55 y C2C12 (células de mioblastos de ratón)38. Su naturaleza modular es ideal para caracterizar rápidamente el rendimiento del sistema a través de métodos de expresión transitoria y alto rendimiento. Por ejemplo, los sistemas multicomponentes como LACE pueden necesitar la optimización de las relaciones de masa para mejorar la inducción, un paso que no se emplea normalmente en la caracterización del sistema optogenético.
Este protocolo detalla la rápida optimización y caracterización de dos plásmidos del sistema LACE (2pLACE)38. En esta configuración, 2pLACE controla la expresión de un reportero fluorescente, eGFP (proteína fluorescente verde mejorada), en células HEK293T. La activación se realiza en placas de 96 pocillos con fondo de vidrio negro utilizando un OptoPlate-96, una matriz de LED impresa en 3D diseñada y construida por Lukasz Bugaj y sus colegas 56,57,58,59. Este protocolo optimiza específicamente la expresión máxima con diferentes proporciones de masa del sistema de dos plásmidos. También incluye un código fácil de usar para controlar diferentes intensidades de luz para investigar la capacidad de sintonización del sistema y su rango dinámico completo. La citometría de flujo se utiliza para la recopilación y el análisis de datos. Los protocolos para generar construcciones de plásmidos y materiales de impresión 3D para la matriz de LED se pueden encontrar en publicaciones anteriores54,56. Estos métodos destacan una línea rápida y de alto rendimiento para caracterizar sistemas de expresión génica inducibles por luz.
1. Recubrimiento de celdas HEK293T en un formato de 96 pocillos
2. Optimización de la transfección 2pLACE
3. Activación de 2pLACE
4. Preparación de citometría de flujo
5. Activación de citometría de flujo y recopilación de datos
6. Optimización de la intensidad del LED
Adoptando elementos de flujo de trabajo de la literatura anterior 37,38,55, agregamos iluminación simultánea de alto rendimiento del OptoPlate-96 y demostramos una tubería para optimizar rápidamente un sistema de expresión génica inducible por luz en células de mamíferos (Figura 1).
Para los sistemas de expresión génica inducible, los rangos dinámicos altos son un marcador de rendimiento crítico, además de la expresión absoluta de encendido y apagado (con fugas). Con las imágenes de fluorescencia de las células transfectadas, se puede observar cualitativamente la diferencia en la expresión de eGFP entre las células activadas por la luz y las células mantenidas en la oscuridad (Figura 2). Una proporción de 1:9 da como resultado visiblemente una menor expresión máxima de eGFP en comparación con una proporción de 5:5. También se puede observar que hay un aumento de la fuga en la proporción 5:5. Las imágenes de fluorescencia de células transfectadas y no transfectadas de eGFP que expresan constitutivamente (CMV-eGFP) son valiosos controles positivos y negativos para contextualizar la eficiencia de la transfección y la expresión inducida y con fugas del sistema, respectivamente. El uso de imágenes de fluorescencia permite a los usuarios ver y validar rápidamente la transfección y activación exitosas de la expresión génica con luz azul, proporcionando un valioso punto de control antes de la citometría de flujo. La citometría de flujo se puede utilizar para cuantificar la intensidad media de fluorescencia (MFI) y el rango dinámico.
Después de activar la luz de las células, se preparan con tampón FACS y se analizan mediante citometría de flujo. HEK293T células miden aproximadamente 11-15 μm, lo que da como resultado una ganancia FSC de 500 y una ganancia SSC de 125 (Figura complementaria 2C) para centrar las poblaciones de células sanas. Los voltajes más altos dan como resultado el análisis de desechos en lugar de poblaciones celulares sanas. Nuestras carreras tienen consistentemente más de ~ 60% de eventos en la primera puerta de población (P1) (Figura 3A-D). Una vez que las poblaciones de células sanas constituyen la mayoría de los eventos en el gráfico SSC-A vs FSC-A, también se puede verificar la densidad de eventos para identificar a la mayoría de la población (Figura complementaria 3A). Luego, la discriminación del doblete se puede realizar a través del gráfico SSC-H vs SSC-A, que es crucial para obtener resultados confiables y reproducibles60,61. En este sistema, generalmente encontramos que más del 95% de los eventos cerrados en P1 eran singlets (Figura 3A-D). En el gráfico SSC-A vs FITC-A, las celdas no transfectadas generalmente estarán hacia la izquierda del centro del gráfico y estarán cerradas para tener una población <0.1% (Figura 3A). Luego, las células positivas para eGFP llenarán la puerta que estaba vacía en la muestra sin transfectar, lo que dará como resultado mediciones de análisis de una sola célula de MFI (Figura 3B). Una vez que se recopilan los controles negativos y positivos para establecer las puertas y voltajes adecuados, las muestras con 2pLACE se pueden analizar utilizando las mismas puertas para excluir de manera confiable las celdas autofluorescentes (Figura 3C, D). Aquí, el porcentaje de población de células positivas para eGFP fue de ~99% para CMV-eGFP y ~57% para células transfectadas con 2pLACE. También se puede usar una puerta final en el canal PE-A para garantizar que se capturen células altamente fluorescentes (Figura complementaria 3B).
Otra proporción que se optó por probar fue 3: 7. Como paso de validación, se tomaron imágenes de microscopía de fluorescencia antes de la citometría de flujo y se observó una transfección exitosa para la inducción de la expresión de eGFP con 2pLACE, esperadamente menor que CMV-eGFP (Figura 4A). Después de recopilar datos de citometría de flujo de 2pLACE, la expresión génica activada por luz azul se puede comparar con la expresión génica con fugas (Figura 4B). Usando la configuración enumerada en el Paso 3.1, pudimos observar un aumento de ~ 3 veces en la expresión después de la activación de la luz azul, coincidiendo con el aumento de la señal de fluorescencia vista cualitativamente por microscopía. Además, las eficiencias de transfección se pueden ver indirectamente midiendo el % de población positiva para eGFP, o porcentaje de padres, en ~ 60% de células individuales sanas (Figura 4C).
La implementación de este protocolo en su totalidad puede identificar relaciones de masa óptimas (Figura 5A) e intensidades de luz (Figura 5B) para un rango dinámico máximo y una expresión sintonizable. Las relaciones de masa inferiores a 6:4 exhibieron un rango dinámico más amplio (3,5-4,5), mientras que las relaciones de masa más allá de 6:4 mostraron un rango dinámico disminuido debido al aumento del fondo y la disminución de la expresión máxima de eGFP. Tanto para la expresión máxima como para el alto rango dinámico, se prefiere una relación de 3:7. Las proporciones por debajo de 3:7 mostraron inducciones de pliegues similares pero tuvieron menos expresión máxima general. Utilizando nuestros valores de intensidad de luz previamente calibrados38 (Tabla 2), se puede caracterizar el nivel de expresión génica con respecto a diferentes intensidades de luz. Las intensidades de luz también controlaron los niveles de expresión de eGFP, donde MFI se satura a ~ 3 mW / cm2. Las intensidades de luz más allá de esto pueden tener valores variables de MFI, probablemente debido al fotoblanqueo en algunas muestras como se ve a ~ 9 y 11 mW / cm2.

Figura 1: Pipeline general de experimentos de alto rendimiento que prueban sistemas optogenéticos. Las células se siembran en una placa negra de 96 pocillos durante 24 h. Luego, las células se transfectan con un período de incubación de 12 minutos de ADN y reactivo de transfección. 24 h después de la transfección, la placa se coloca en el OptoPlate-96 para la activación de la luz azul. Después de la duración deseada de la activación de la luz azul, las células se preparan en un entorno de luz roja para la citometría de flujo. Los datos de citometría de flujo se representan como gráficos de intensidad de fluorescencia media de células positivas para eGFP en la oscuridad o tratadas con luz azul. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Imágenes representativas de microscopía de fluorescencia de 2pLACE en estado de encendido y apagado en células HEK293T. Se probaron diferentes proporciones de masa de CRY2-eGFP: CIBN-gRNA para determinar los niveles de expresión de eGFP. Las células se expusieron a la luz azul (ON) o se mantuvieron en la oscuridad (OFF) durante 24 h. La barra de escala representa 100 μm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Diagramas de dispersión representativos de citometría de flujo de células HEK293T no transfectadas (UT), CMV-eGFP y 2pLACE. La citometría de flujo se realizó utilizando la función de cargador de placas. (A) HEK293T celdas se cerraron en función de la dispersión directa (FSC-A) y la dispersión lateral (SSC-A). La concentración de eventos en las parcelas SSC-A frente a FSC-A se puede visualizar utilizando un gráfico de contorno (Figura complementaria 3A) para ayudar a controlar las poblaciones sanas. La discriminación de dobletes se realizó en un gráfico SSC-H vs. SSC-A utilizando una puerta lineal. El gráfico final detuvo las células fluorescentes haciendo referencia a la muestra no transfectada. (B) Las celdas se cerraron como en (A), mostrando la población fluorescente y la intensidad de fluorescencia en la tabla de estadísticas (Figura complementaria 2B). (C, D) 2pLACE-transfected se cerraron por separado a través de la puerta P3. La población magenta representa todas las células positivas para eGFP (Figura complementaria 3B). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: Análisis cualitativo y cuantitativo de la expresión de eGFP inducida por la luz en células HEK293T. (A) Imágenes de microscopía de fluorescencia de células HEK293T transfectadas con plásmidos 2pLACE o CMV-eGFP. (B) Cuantificación de la intensidad media de fluorescencia (MFI) de eGFP en células mantenidas en condiciones de luz azul u oscuridad. (C) Porcentaje de células positivas para eGFP medido mediante análisis de activación por citometría de flujo. La activación dio como resultado que el <0,1% de las células no transfectadas cayeran dentro del umbral positivo para eGFP. Los datos de citometría de flujo representan valores medios y las barras de error indican desviaciones estándar de cuatro réplicas técnicas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5: Citometría de flujo de proporciones de masa representativas de 2pLACE e intensidades de luz azul. (A) Varias relaciones de masa de CRY2-eGFP: CIBN-gRNA se transfectaron en células HEK293T, que luego se expusieron a la luz azul o se mantuvieron en la oscuridad utilizando la misma configuración que se informó en el paso 3 del protocolo. Cada condición es la media de 3 réplicas biológicas. (B) Tendencia representativa de la expresión génica en función de la intensidad de la luz azul. Cada condición es la media de 6 réplicas técnicas. Las intensidades medias de fluorescencia se cuantifican mediante la activación del citómetro de flujo de las células que expresan eGFP. Todas las barras de error representan la desviación estándar. Para las proporciones de plásmidos, la significación estadística de MFI se calculó mediante una prueba t unidireccional que comparó la luz y la oscuridad de una proporción de plásmidos. Para intensidades de luz, se calculó la significación estadística con ANOVA de una vía y prueba post-hoc T2 de Tamhane en comparación con el estado oscuro (OFF). *p < 0,05, **p < 0,01, ***p < 0,001, ****p <0,0001, *****p < 0,00001 y ns no es significativo. Esta figura fue adaptada de Garimella et al.38. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Tabla 1: Cantidad de plásmidos CRY2-eGFP y CIBN-gRNA por pocillo utilizando concentraciones de ejemplo. Las cantidades de volumen son por pocillo y se pueden modificar en función del número de muestras o réplicas en un experimento. Haga clic aquí para descargar esta tabla.
Tabla 2: Valores recomendados para intensidades de luz azul. El código se encuentra en el Archivo de codificación complementario 1 (líneas 215-228). Los valores de intensidad equivalentes se calculan utilizando datos de calibración previamente informados con un medidor de potencia óptica. Cada nivel de intensidad tiene 6 réplicas técnicas. Las filas G y H están destinadas a CMV-eGFP y pocillos de control no transfectados. Haga clic aquí para descargar esta tabla.
Figura complementaria 1: Pasos 5.1-5.5 del protocolo. (A) Ejecutar el programa de inicio del sistema. (B) Estandarización del control de calidad mediante perlas de fluoróforo. (C) Cambio del modo de muestreo de tubos al modo de cargador de placas. (D) Selección de pozos para etiquetar como pozos de muestra; Se seleccionaron 35 pozos para este ejemplo. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Figura complementaria 2: Pasos 5.6-5.14 del protocolo. (A) Configuración de gráficos de dispersión de luz: FSC-A frente a SSC-A para la activación de la población de células sanas, SSC-A frente a SSC-H para la discriminación de dobletes y SSC-A frente a FITC-A para la activación de células autofluorescentes y eGFP positivas. (B) Configuración de la tabla de estadísticas para adquirir datos FITC-A para medir la intensidad media de fluorescencia. (C) Resaltar las reglas de detención en la pestaña Eventos para mostrar. Asegure un caudal de muestra lento, expulse y cargue la placa, inicialice la sonda del citómetro de flujo y ajuste los voltajes de adquisición. (D) Crear polígonos para cerrar cada población como se muestra. (E) Agregar el número apropiado de pozos. (F) Hacer clic en Grabar automáticamente una vez que se completen los ajustes y las puertas. (G) Hacer clic en Limpieza diaria después de que se recolecten todas las muestras y se exporten las estadísticas. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Figura complementaria 3: Validación de todas las celdas dentro de la puerta capturada, visualizadas por eventos verdes en P4 (magenta). (A) Gráfico de contorno de la población sana dentro de la puerta de población positiva para eGFP (P3). Las células se concentran principalmente en las zonas rojas, disminuyendo hacia afuera. (B) Gráfico SSC-A vs. PE-A para la compuerta P4, que proporciona una verificación adicional para garantizar que todos los eventos fluorescentes se tengan en cuenta en el gráfico FITC-A. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Archivo de codificación complementario 1: Ejemplo de código Arduino que implementa todas las propiedades descritas en el protocolo anterior. Este archivo activa todas las posiciones de LED utilizando los valores de intensidad de LED recomendados en la Tabla 2. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Los autores declaran que no tienen intereses contrapuestos.
Este estudio describe un método para experimentos de alto rendimiento utilizando una matriz de LED impresa en 3D para optimizar la expresión génica inducible por luz en células HEK293T.
Este trabajo cuenta con el apoyo del Instituto de Investigación Traslacional a través del Acuerdo de Cooperación de la NASA NNX16AO69A y del Good Foods Institute. Este proyecto fue apoyado por el Laboratorio de Recursos Compartidos de Citometría de Flujo de UC Davis con la asistencia técnica de Bridget McLaughlin, Jonathan Van Dyke y Ashley Karajeh, con fondos del NCI P30 CA093373 (Centro Integral del Cáncer) y S10OD018223 (citómetro Beckman Coulter "Cytoflex").
| Tubos microcentrífugas de 1,5 mL | VWR | 10025-724 | |
| Reservorios de reactivos de 10 mL | VWR | 77395-252 | |
| Pipetas serológicas de 10 mL | VWR | 75816-100 | |
| 1000 y mu; Puntas del filtro en L | VWR | 76322-154 | |
| 15 mL Tubos de centrifugadora de alto rendimiento, tapa plana | VWR | 89039-664 | |
| Medidor de potencia óptica 1931-C | Newport | 1931-C | |
| 2 mL de pipetas serológicas | VWR | 75816-104 | |
| 20 & mu; Puntas del filtro en L | VWR | 76322-134 | |
| 200 & mu; Puntas del filtro en L | VWR | 76322-150 | |
| Tubos centrífugos de alto rendimiento de 50 mL, tapa plana | VWR | 89039-656 | |
| Placas en V de 96 pozos | MARCAplacas | 781661 | |
| A21, bombilla LED roja | Bombillas Bluex | N/A | Fuente de luz roja |
| Arduino IDE Software | Arduino | N/A | |
| Gabinete de Bioseguridad, Clase II | NuAire | N/A | |
| Hemocitometro de línea brillante | Hausser Scientific | 3110 | |
| Diapositivas de conteo de células | BioRad | 1450016 | |
| Placa de cultivo celular de 96 pozos, placa inferior de vidrio #1,5H | Cellvis | P96-1.5H-N | |
| CytExpert Software | Beckman Coulter | N/A | |
| Fluorosferas de control de calidad diarias listas para usar CytoFLEX | Beckman Coulter | C65719 | 4 & deg; C |
| Citómetro de flujo CytoFLEX-S (4 canales violetas, 2 azules, 4 amarillos verdes, 3 rojos) | Beckman Coulter | C09766 | |
| Polvo salino tamponado con fosfato de Dulbecco, sin calicum, sin magnesio | Fisher Scientific | 21600069 | Temperatura ambiente |
| Centrífuga Eppendorf 5804 | Eppendorf | 022622501 | Paso de centrífuga con placa inferior en V |
| Centrífuga Eppendorf 5810R | Eppendorf | 22625501 | |
| Eppendorf Research plus, 8 canales, volumen variable, 30 - 300 y mu; L | Eppendorf | 3125000052 | |
| Eppendorf Research plus, canal único, volumen variable, 100 - 1000 & mu; L | Eppendorf | 3123000063 | |
| Eppendorf Research plus, monocanal, volumen variable, 2 - 20 y mu; L | Eppendorf | 3123000039 | |
| Eppendorf Research plus, canal único, volumen variable, 20 - 200 y mu; L | Eppendorf | 3123000055 | |
| Cinta de etiquetado de laboratorio de uso general | VWR | 89097-920 | |
| DMEM gibco, polvo, glucosa alta | Fisher Scientific | 12100061 | 4 & deg; C |
| Solución azul de Gibco Trypan, 0,4% | Fisher Scientific | 15-250-061 | Temperatura ambiente |
| Gibco Value Heat Inactivated FBS | Fisher Scientific | A5256901 | -20 y grados; C |
| Gibco, Tripsina-EDTA (0,05%), con EDTA, Origen Animal, 1X, Fenol Rojo, 500 mL | Gibco | 25300062 | -20 y grados; C |
| HEK293T Células | ATCC | CRL-11268 | -80 ºC; C, nitrógeno líquido |
| Marcadores de laboratorio, Micronova | VWR | 89205-944 | |
| Lámpara de escritorio metálica | Diseños sencillos | N/A | Lámpara para luz roja |
| OptoPlate-96 | LABmaker | N/A | |
| XP de ayuda de biseta | Drummond | 4-000-101 | |
| Plásmido: CIBN-gRNA | N/A | N/A | -20 y grados; C |
| Plásmido: CMV-eGFP | N/A | N/A | -20 y grados; C |
| Plásmido: CRY2-eGFP | N/A | N/A | -20 y grados; C |
| Reactivo de transfección in vitro de ADN PolyJet | Fisher Scientific | NC1536117 | 4 & deg; C |
| Matraz de cultivo celular T-75 | VWR | 10062-860 | |
| Incubadora de CO<2> con chaqueta de agua | VWR | 10810-884 |