Este protocolo describe un enfoque escalable de cribado intraductal CRISPR que permite estudios paralelos in vivo de eliminación y activación génica en la glándula mamaria del ratón.
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Este protocolo describe un enfoque escalable de cribado intraductal CRISPR que permite estudios paralelos in vivo de eliminación y activación génica en la glándula mamaria del ratón.
Los cribados de genética directa se emplean rutinariamente para perturbar miles de elementos genéticos de forma agrupada con el objetivo de producir mapas a gran escala de genotipo a fenotipo. Aunque a menudo se realiza en sistemas de cultivo celular, la acumulación de evidencia apoya que los cribados in vivo tienen el poder de revelar nueva biología que no puede recapitularse in vitro. Sin embargo, la aplicación generalizada de este enfoque ha estado limitada por dos grandes desafíos: un enfoque predominante en perturbaciones por pérdida de función más que en la activación génica y los importantes obstáculos técnicos para entregar bibliotecas genéticas complejas a tejidos específicos in vivo. Para superar estos desafíos, describimos una estrategia de inyección intraductal sencilla y versátil que permite un cribado genómico funcional eficiente y rápido en la glándula mamaria del ratón, generando decenas de miles de clones epiteliales discretos. Además, proporcionamos todos los detalles necesarios para la generación de librerías, inyección intraductal, deconvolución de pantalla y análisis de bibliotecas CRISPR-Knockout y Activation para pantallas in vivo completas. Utilizando estas herramientas, que denominamos CRISPR-KOALA (Ensayo Enlazado por Eliminación y Activación), hemos identificado nuevos supresores tumorales y oncogenes dentro del genoma codificante y no codificante en bibliotecas agrupadas que van desde 46 loci hasta una quinta parte del genoma. Es importante destacar que este enfoque y análisis pueden aplicarse a otros órganos para estudiar la función biológica de cualquier gen durante la homeostasis o enfermedad.
Los cribados de genómica funcional proporcionan un marco potente para interrogar la función génica a escala1. El desarrollo de tecnologías de edición genética CRISPR-Cas ha permitido la perturbación sistemática de cientos a miles de genes en paralelo, y los cribados basados en CRISPR agrupados en líneas celulares de mamíferos se han convertido en una piedra angular de la investigación moderna en biologíadel cáncer 2. Estos enfoques in vitro han identificado genesesenciales 3, supresorestumorales 4 e interacciones letalessintéticas 5 en diversos contextos cancerígenos. Sin embargo, una limitación central es la incapacidad para captar las complejas características biológicas de los tumores in vivo, incluyendo las interacciones con el sistema inmunitario y el estroma, los gradientes de nutrientes y la arquitectura tisular dentro delmicroambiente 2. En consonancia con esta limitación, estudios recientes han demostrado que muchos genes auténticos que impulsan el cáncer no ejercen efectos medibles in vitro, especialmente cuando su función depende de señales microambientales ausentes en el cultivocelular 6,7,8,9,10.
La glándula mamaria del ratón proporciona un contexto tisular especialmente ventajoso para el cribado genómico funcional in vivo. Las células epiteliales mamarias son altamente regenerativas, sufren rondas de expansión clonal durante el ciclo estrol y están organizadas en una red ductal ramificada que puede ser fácilmente accedida y manipuladagenéticamente 11,12,13. Estas características han apoyado décadas de análisis genéticos en mosaico y experimentos de trazo de linaje, y han establecido la glándula mamaria como un sistema manejable para interrogar la función génica intrínseca de las células y dependiente del microambiente durante la homeostasis y enfermedadtisular 14,15,16,17,18,19,20,21,22, 23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33. Es importante destacar que las perturbaciones genéticas pueden restringirse al compartimento epitelial, lo que permite el estudio directo de los factores específicos del epitelio para la transformación, la competencia celular, la fidelidad del linaje y la progresión tumoral en un contexto de tejido intacto.
Aunque se han desarrollado varias estrategias para entregar perturbaciones genéticas directamente a la glándula mamaria adulta in situ, persisten obstáculos técnicos significativos para aplicaciones de alto rendimiento. La administración mediada por adenovirus de Cre recombinasa se ha utilizado ampliamente para inducir la recombinación somática de alelos condicionales en la glándula mamariaadulta 34,35,36,37, ofreciendo un medio eficiente para manipular la función génica sin la compleja reproducción germinal requerida por los modelos de ratón genéticamente modificados tradicionalmente (GEMMs). Aunque el adenovirus de alto título también puede suministrar componentes CRISPR-Cas9 a las células residentes en tejidos, estos vectores no se integran en el genomadel huésped 38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49 . Esto limita severamente la escala de los cribados a ~10–55 genes, ya que cada sitio objetivo del gRNA debe ser secuenciado individualmente usando las sondas de inversiónmolecular 38,39,40,41,42,43,44,45,46,47. Además, los métodos actuales de administración intraductal permiten el acceso directo al sistema mamario ductal, pero requieren una exposición quirúrgica invasiva de la glándula mamaria50 o depender del uso de jeringuillas Hamilton comparativamente grandes que sonengorrosas 51. Aunque son eficaces para la entrega localizada del virus, estos enfoques son comparativamente invasivos, técnicamente desafiantes y no están optimizados para la entrega escalable de bibliotecas lentivirales agrupadas. En conjunto, estos estudios demuestran que las perturbaciones virales in situ son factibles, pero las herramientas actuales no soportan las perturbaciones estables, agrupadas y recuperables por secuencia necesarias para el cribado CRISPR in vivo de alto rendimiento en vivo.
Para abordar estas limitaciones, nosotros y otros hemos recurrido a la integración de vectores lentivirales, que permiten modificaciones genéticas estables y heredables. A diferencia de los sistemas de cultivo celular, los tejidos in vivo imponen restricciones estrictas sobre el número de células perturbadas que pueden generarse dentro de un solo órgano, lo que hace impracticable el cribado a nivel genómico. En consecuencia, las pantallas CRISPR in vivo requieren el diseño de bibliotecas dirigidas y biológicamente informadas que equilibren la cobertura con la viabilidad. Además, la mayoría de los cribados CRISPR in vivo, revisadosaquí 2, se han centrado casi exclusivamente en perturbaciones de pérdida de función lentiviral, a pesar de la creciente evidencia de que la activación génica puede revelar conocimientos biológicos complementariosy no solapados 52,53,54,55. Nosotros y otros hemos demostrado anteriormente que integrar perturbaciones lentivirales de CRISPR en el epitelio mamario adulto permite una modificación genética estable y hereditaria in situ, y que pueden recuperarse y cuantificarse a partir del ADNgenómico 36,55,56,57,58. Utilizando este enfoque, realizamos cribados CRISPR in vivo agrupados que identificaron nuevos factores que impulsan la transformaciónoncogénica 36,55, estableciendo tanto la viabilidad como la relevancia biológica de la administración lentiviral y el cribado CRISPR. Sin embargo, estos estudios también pusieron de manifiesto la necesidad de un protocolo simple, estandarizado y escalable que pudiera adoptarse ampliamente y ampliarse para incluir tanto modelos de cribado de pérdida como de ganancia de función dentro de la misma glándula.
Aquí describimos una estrategia de inyección intraductal sencilla y versátil que permite el cribado in vivo paralelo de bibliotecas de eliminación y activación de CRISPR, denominadas CRISPR-KOALA, dentro de la glándula mamariaadulta del ratón 55. CRISPR-KOALA emplea un ARN convencional 'guía simple' (sg) de 20-21 pb para capacidades CRISPR-KO o un ARN 'guía muerto' (dg)ARN de 14 pbs para CRISPR-A. El dgRNA guía eficazmente a Cas9 hasta su sitio objetivo pero impide la actividad de las endonucleasasde Cas9 59,60,61, permitiendo así el uso de un solo ratón que exprese Cas9 activo tanto para las modalidades de eliminación como de activación. La introducción de dos horquillas PP7 en el trcr de ARNdg permite el reclutamiento de un transactivador62 de PP7 y conduce a una sobreexpresión eficiente de genes in vivo55 (Figura 1). Al combinar el diseño de bibliotecas de gRNA dirigidas con la producción de lentivirales de alto título y la entrega intraductal no quirúrgica mediante microcapilares de vidrio, este enfoque genera decenas de miles de clones epiteliales espacialmente discretos mientras preserva la arquitectura tisular y las interacciones microambientales. Es importante destacar que la integración lentiviral en el genoma del huésped permite la recuperación y cuantificación de los gRNAs mediante secuenciación de alto rendimiento, facilitando cribados genómicos funcionales agrupados in vivo. Juntos, esto permite perturbaciones paralelas o simultáneas (en la misma célula) de CRISPR-KO y CRISPR-A dentro de la misma glándula mamaria de un ratón que expresa Cas9.
Presentamos un protocolo detallado paso a paso que abarca el diseño de bibliotecas de gRNA, la producción y concentración de lentivirales, la entrega intraductal, la deconvolución de bibliotecas y el análisis de datos (Figura 1). En conjunto, este método proporciona un marco práctico y escalable para el cribado knockout y/o activación in vivo de CRISPR en la glándula mamaria del ratón y puede adaptarse para estudiar la función génica durante la homeostasis tisular, diferentes contextos de enfermedades, otros tejidos y otras especies como la rata.
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Todos los procedimientos animales se realizaron conforme a las directrices del Consejo Canadiense de Cuidado Animal y fueron aprobados por el Comité de Cuidado Animal del Centro de Fenogenómica (protocolo 26-0272H).
1. Clonación de bibliotecas CRISPR
NOTA: Esta sección describe la clonación agrupada de las librerías de eliminación y activación de CRISPR desde oligonucleótidos sintetizados en matrices hacia esqueletos lentivirales. Rutinariamente generamos bibliotecas que contienen hasta 4.000 gRNAs, que pueden ser evaluadas a una cobertura de 400X-1.000X en 8-20 ratones. El número de gRNAs y la cobertura pueden ajustarse según sea necesario, lo que afectará al número de ratones necesarios para mantener la potencia estadística. Recomendamos mantener una cobertura mínima de 400X, lo que puede ser suficiente para fenotipos de ganancia de función fuertes.
2. Producción de lentivirales para cribado in vivo
NOTA: Para el parto intraductal y el cribado agrupado in vivo , las preparaciones lentivirales deben concentrarse para lograr títulos altos (idealmente entre 1 x 108 pfu/mL y 1 x 109 pfu/mL) para asegurar la transducción eficiente de las células epiteliales mamarias. El siguiente protocolo describe la producción de lentivirales de alto título optimizada para su uso in vivo .
3. Inyección lentiviral intraductal en la glándula mamaria del ratón
4. Aislamiento genómico de ADN de glándulas mamarias y tumores
NOTA: Eutanasiar ratones mediante exposición a CO2 o sobredosis de anestésicos seguidas de dislocación cervical, de acuerdo con las directrices de cuidado animal. Extraer glándulas mamarias o tumores mamarios en los momentos deseados o en el punto final humano según las directrices regulatorias. Las células infectadas se han extraído tan pronto como 48 horas después de la infecciónlentiviral 36,55 o tan tarde como 5+ meses después de la inyección en ratonessalvajes 36, o >24 meses en fondos oncogénicos55. Los siguientes pasos deben realizarse en un espacio limpiado con borrado de ADN y con equipos libres de plásmidos que contengan casetes de sgRNA/dgRNA. Incluso cantidades traza de ADN plasmídico son suficientes para provocar la contaminación de muestras de tejido, y se deben realizar posteriormente PCRs profundas y controles negativos (sin tejido) para asegurar preparaciones limpias.
5. Secuenciación de nueva generación de bibliotecas CRISPR
NOTA: Generar una muestra de referencia para permitir el cálculo de los cambios en el pliegue del gRNA a lo largo del tiempo. Los MEFs transducidos (Sección 2) o las glándulas mamarias (Sección 4) extraídos 3 días después de la infección, así como el plásmido original maxiprep, pueden usarse para determinar la representación de la guía en la biblioteca inicial y en el stock viral.
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Aquí ofrecemos un protocolo para el cribado CRISPR in vivo agrupado en la glándula mamaria del ratón. Esta cadena puede utilizarse de extremo a extremo para diseñar y amplificar bibliotecas de gRNA agrupadas de matrices de oligonucleótidos, clonar las bibliotecas de gRNA en esqueletas lentivirales, producir lentivirus de alto título, realizar la entrega intraductal de bibliotecas lentivirales agrupadas en la glándula mamaria adulta y recuperar gRNAs para la deconvolución basada ...
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Una consideración clave para el cribado CRISPR in vivo compartido es lograr una cobertura suficiente de biblioteca manteniendo la transducción escasa y unicelular para preservar la resoluciónclonal 2. En la glándula mamaria del ratón, el compartimento epitelial consta conservadoramente de aproximadamente 3,5 × 105 células porglándula 36. Con una tasa media de transducción lentiviral del 15%, que minimiza la frecuencia de...
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D.S. es consultor y fundador de ViVerita Therapeutics, y su laboratorio ha patrocinado acuerdos de investigación y de servicios con ViVerita Therapeutics.
Agradecemos a todos los miembros de nuestros laboratorios sus útiles comentarios y discusiones relacionadas con este trabajo. También agradecemos y reconocemos al Centro de Fenogenómica toda la ayuda y experiencia con el trabajo con ratones en el Instituto de Investigación Lunenfeld-Tanenbaum (LTRI), Toronto, Canadá. Este estudio fue financiado por una subvención de proyecto de los Institutos Canadienses de Investigación en Salud (PJT462506) y una subvención del Programa de Proyectos del Instituto de Investigación Terry Fox para D.S. (TFRI Project #1107) a D.S. y por la Fundación Familia Nicol. E.R.L. contó con el apoyo del Premio de Formación en Investigación de la Sociedad Canadiense del Cáncer y el Fondo Conmemorativo Frank Fletcher. K.N.A. contó con el apoyo de una beca postdoctoral H.L. Holmes y subvenciones 1318698 y 26089 de la Sociedad de Investigación del Cáncer. J.N. contó con el apoyo de una beca de posgrado de los Institutos Canadienses de Investigación en Salud de Canadá y de una Beca de Investigación Doctoral de los Institutos Canadienses de Investigación en Salud (#193389). Y.L contó con el apoyo de la beca Research Excellence, Diversity, and Independence (#ED6-190718) de los Institutos Canadienses de Investigación en Salud.
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| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| 0.45 micron filter | Sigma | S2HVU02RE | |
| 12k or 92k oligo chip | Customarray Inc. (Genscript) | ||
| 15 cm cell culture plates | Corning | CLS353004 | |
| 293FT | Invitrogen | R70007 | |
| 293NT | Systems Biosciences | LV900A-1 | |
| Alkaline phosphatase | NEB | M0290L | |
| Amplicillin | Fisher Scientific | BP1760-25 | |
| ATP | NEB | 9804S | |
| ATP | NEB | P0756S | |
| Cutsmart buffer | NEB | B6004S | |
| Deep sequencing (Next-Seq or Hi-Seq) | Illumina | ||
| DNAesy Blood and Tissue DNA extraction kit | Qiagen | 69506 | |
| Dulbecco’s modified Eagle medium | Wisent | 319-015-CL | |
| Endura electrocompetent cells | Lucigen | 60242-1 | |
| EpiCult-B Mouse Medium Kit | Stemcell Technologies | 05610 | |
| Esp3I | NEB | R0734L | |
| Fetal Bovine Serum | Wisent | 090-150 | |
| Gel DNA-cleanup kit | Zymo Research | D4008 | |
| Gene Pulser/MicroPulser Electroporation Cuvettes | BioRad | 1652089 | |
| Gentle Collagenase/Hyaluronidase | Stemcell Technologies | 7919 | |
| H11-Cas9 | Jackson Labratories | JAX#028239 | |
| High-Speed Centrifuge | Beckman Coulter | MLS-50 | |
| Kim-wipe | Kimberly-Clark | 34155 | |
| LB Agar | Wisent Technologies | 800-011-LG | |
| Micropipette puller | Sutter Instrument | P97 | |
| Mini-prep plasmid Kit | Frogga Bio | PDH300 | |
| NEBuffer 3.1 (Buffer for BsmBI) | NEB | R0580L | |
| Oligo Clean and Concentrator | Zymo Research | D4061 | |
| Oligo cleanup kit | Zymo research | D4060 | |
| PAGE purified illumina sequencing primer | IDT DNA | ||
| PCR Micropipettes | Drummond | 5-000-1001-X10 | |
| PEI (polyethyleneimine) | Sigma | 408727-100ML | |
| Penicillin and Streptinomycin | Wisent | 450-201-EL | |
| pLKO-Cre | Addgene | 158032 | |
| pMD2.G | Addgene | 12259 | |
| Poly-L-Lysine | Sigma | P2636-100MG | |
| psPAX2 | Addgene | 12260 | |
| pXPR502-PPH-Cre | Addgene | 256776 | |
| Q5 Polymerase 2x Master mix | NEB | M0494L | |
| Qubit Fluorometric Quantification | Invitrogen | Q33327 | |
| R26-LSL-Cas9-EGFP | Jackson Labratories | JAX#024857 | |
| R26-LSL-TdTomato mice | Jackson Labratories | JAX#007909 | |
| SapI | NEB | R0569L | |
| T4 DNA ligase | NEB | M0202L | |
| Ultra-centrifuge tubes | Beckman Coulter | 344058 | |
| Vacuum Filter Units | Fisher Scientific | SCHVU02RE |
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