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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Cet article détaille un protocole d’identification rapide des indels induits par CRISPR/Cas9 et la sélection de lignées mutantes chez le moustique Aedes aegypti à l’aide d’une analyse de fusion à haute résolution.
L’édition de gènes de moustiques est devenue une routine dans plusieurs laboratoires avec la mise en place de systèmes tels que les nucléases effectrices de type activateur de transcription (TALEN), les nucléases à doigts de zinc (ZFN) et les endonucléases de homing (HE). Plus récemment, la technologie CRISPR (CRISPR) / protéine 9 associée à CRISPR (CAS9) a offert une alternative plus facile et moins chère pour l’ingénierie du génome de précision. Après l’action de la nucléase, les voies de réparation de l’ADN répareront les extrémités brisées de l’ADN, introduisant souvent des indels. Ces mutations hors cadre sont ensuite utilisées pour comprendre la fonction des gènes dans les organismes cibles. Un inconvénient, cependant, est que les individus mutants ne portent aucun marqueur dominant, ce qui rend l’identification et le suivi des allèles mutants difficiles, en particulier aux échelles nécessaires pour de nombreuses expériences.
L’analyse de fusion à haute résolution (HRMA) est une méthode simple pour identifier les variations dans les séquences d’acides nucléiques et utilise des courbes de fusion PCR pour détecter de telles variations. Cette méthode d’analyse post-PCR utilise des colorants fluorescents à double brin liant l’ADN avec une instrumentation dotée d’une capacité de capture de données de contrôle de la température et facilement mise à l’échelle à des formats de plaques à 96 puits. Décrit ici est un flux de travail simple utilisant HRMA pour la détection rapide des indels induits par CRISPR / Cas9 et l’établissement de lignées mutantes chez le moustique Ae. aegypti. De manière critique, toutes les étapes peuvent être effectuées avec une petite quantité de tissu de jambe et ne nécessitent pas de sacrifier l’organisme, ce qui permet d’effectuer des croisements génétiques ou des tests de phénotypage après le génotypage.
En tant que vecteurs d’agents pathogènes tels que les virus de la dengue1, zika2 et chikungunya3, ainsi que des parasites du paludisme4, les moustiques représentent une menace importante pour la santé publique humaine. Pour toutes ces maladies, l’intervention de transmission est fortement axée sur la lutte contre les moustiques vecteurs. L’étude des gènes importants, par exemple, dans la permissivité des agents pathogènes, la condition physique des moustiques, la survie, la reproduction et la résistance aux insecticides est essentielle pour développer de nouvelles stratégies de lutte contre les moustiques. À ces fins, l’édition du génome chez les moustiques devient une pratique courante, en particulier avec le développement de technologies telles que les HE, les ZFN, les TALEN et, plus récemment, CRISPR avec Cas9. L’établissement de souches génétiquement modifiées implique généralement le croisement d’individus porteurs des mutations souhaitées pendant quelques générations afin de minimiser les effets hors cible et fondateurs (goulot d’étranglement), suivis du croisement d’individus hétérozygotes pour générer des lignées homozygotes ou trans-hétérozygotes. En l’absence d’un marqueur dominant, le génotypage moléculaire est nécessaire dans ce processus car, dans de nombreux cas, aucun trait phénotypique clair ne peut être détecté pour les mutants hétérozygotes.
Bien que le séquençage soit l’étalon-or pour la caractérisation génotypique, le faire sur des centaines, voire des milliers d’individus, entraîne des coûts, de la main-d’œuvre et du temps importants pour obtenir des résultats, ce qui est particulièrement critique pour les organismes à courte durée de vie tels que les moustiques. Les solutions de rechange couramment utilisées sont le test de nucléase Surveyor5 (SNA), le test T7E16 et l’analyse de fusion à haute résolution (HRMA, examiné dans 7). SNA et T7E1 utilisent tous deux des endonucléases qui ne coupent que des bases incompatibles. Lorsqu’une région mutée du génome mutant hétérozygote est amplifiée, des fragments d’ADN provenant d’allèles mutants et de type sauvage sont recuits pour former de l’ADN double brin dépareillé (ADNds). Le SNA détecte la présence d’inadéquations par digestion avec une endonucléase spécifique à l’inadéquation et une électrophorèse simple sur gel d’agarose. Alternativement, HRMA utilise les propriétés thermodynamiques de l’ADNds détectés par les colorants fluorescents liant l’ADNds, la température de dissociation du colorant variant en fonction de la présence et du type de mutation. HRMA a été utilisé pour la détection de polymorphismes mononucléotidiques (SNP)8, le génotypage mutant du poisson zèbre9, les applications microbiologiques10 et la recherche en génétique végétale11, entre autres.
Cet article décrit HRMA, une méthode simple de génotypage moléculaire pour les moustiques mutants générée par la technologie CRISPR/Cas9. Les avantages de HRMA par rapport aux techniques alternatives comprennent 1) la flexibilité, car elle s’est avérée utile pour divers gènes, une large gamme de tailles d’indel, ainsi que la distinction entre différentes tailles d’indel et la différenciation hétérozygote, homozygote et trans-hétérozygote12,13,14, 2) le coût, car il est basé sur les réactifs PCR couramment utilisés, et 3) le gain de temps, car il peut être effectué en quelques heures seulement. En outre, le protocole utilise une petite partie du corps (une jambe) comme source d’ADN, permettant au moustique de survivre au processus de génotypage, permettant l’établissement et le maintien de lignées mutantes.
1. Recherche de polymorphismes mononucléotidiques (SNP), conception de l’amorce HRMA et validation de l’amorce
2. Préparation de l’ADN génomique des pattes de moustiques
3. HRMA
4. Vérification des séquences par séquençage sanger
Les moustiques contenant des mutations dans les gènes AaeZIP11 (transporteur putatif de fer21) et myo-fem (un gène de myosine à biais féminin lié aux muscles volants13) ont été obtenus à l’aide de la technologie CRISPR/Cas9, génotypés à l’aide de HRMA et vérifiés par séquence (Figure 5). La figure 5A et la figure 5C montrent l’intensité de fluorescence normalisée des courbes HRM des échantillons mutants AaeZIP11 et myo-fem, respectivement, ainsi que des témoins de type sauvage. La figure 4B et la figure 4D montrent le grossissement des courbes de différence (à partir des échantillons mutants AaeZIP11 et myo-fem, respectivement) entre les profils de fusion des différents amas attribués par le logiciel après soustraction de chaque courbe de la référence de type sauvage. Les individus mutants hétérozygotes et homozygotes AaeZIP11 ont été placés dans différents groupes et se distinguent facilement des témoins de type sauvage (figure 5B). Les individus myo-fem mutants hétérozygotes sont également distincts des témoins (Figure 5D). Il convient de noter que deux grappes au sein des témoins de type sauvage étaient présentes dans les deux cas, probablement en raison de la présence de SNP dans la région cible (figure 5), ce qui souligne la nécessité d’utiliser plusieurs échantillons de contrôle pour éviter de catégoriser les témoins comme des mutants lorsque les SNP ne peuvent être évités.
La figure 4A montre l’analyse de séquence du mutant AaeZIP11 . L’électrophérogramme des mutants hétérozygotes AaeZIP11 indique la position nucléotidique où l’indel s’est produit. Ceci est représenté par un passage des pics simples aux pics doubles, car les positions polymorphes montreront les deux nucléotides de manière concomitante (figure 4A). Le nombre de paires de bases supprimées ou insérées a été calculé en comptant les pics uniques à la fin de la course (Figure 4B) car l’un des brins d’ADN sera plus court ou plus long que l’autre par le nombre de paires de bases supprimées ou insérées, respectivement. Il est recommandé d’utiliser l’ADNg vérifié par séquence des mutants comme référence pour l’identification des hétérozygotes afin de faciliter les analyses HRMA pour les générations suivantes. L’affectation manuelle des courbes peut être nécessaire lorsque des courbes similaires sont automatiquement affectées à différents clusters. Cela peut être fait en comparant les courbes décalées par la température et les courbes de différence. Un ajustement manuel du logiciel peut être nécessaire pour affecter correctement les échantillons aux clusters. Les résultats HRMA d’AaeZIP11 et d’un mutant appelé Aeflightin montrent que des analyses d’échantillons individuels étaient nécessaires pour catégoriser avec succès les hétérozygotes, les homozygotes et les trans-hétérozygotes. Initialement, l’affectation automatique du cluster à partir du logiciel ne pouvait pas faire une distinction correcte entre les groupes (Figure 6A, Figure 6C, Figure 6E et Figure 6G). Chaque échantillon a ensuite été analysé individuellement et assigné aux groupes appropriés en fonction de la similitude avec les échantillons de référence d’hétérozygotes, d’homozygotes et de trans-hétérozygotes (préalablement vérifiés par séquençage) (Figure 6B, Figure 6D, Figure 6F et Figure 6H).

Figure 1 : Identification SNP. Représentation schématique de l’alignement de séquences multiples du fragment AaeZIP11 de type sauvage. En rouge sont les SNP, et en vert sont les fragments exempts de SNP; cette région sans SNP est suggérée pour la conception de l’ARNg et de l’amorce. Abréviations : SNP = polymorphisme mononucléotidique ; SGRNA = ARN guide unique; LVP = souche Liverpool. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Procédure expérimentale pour obtenir de l’ADN génomique à partir de pattes de moustiques pour HRMA. (A) Matériaux pour l’obtention d’ADN génomique, y compris les pipettes, les pointes, la plaque PCR, le joint optique, le réservoir, le tampon de dilution et la solution de libération d’ADN. B) Préparation de plaques PCR contenant un réactif de libération d’ADN et un tampon de dilution. (C) Anesthésie anti-moustiques au CO2. (D) Essuyer la pince à épiler avec de l’éthanol à 70 % pour éviter toute contamination entre les échantillons. (E) Installation expérimentale comprenant une pince à épiler, une grille pour flacons de moustiques, une boîte de Petri sur le dessus d’un récipient de glace avec des moustiques anesthésiés et la plaque PCR préalablement préparée. (F) Retrait de la patte de moustique. (G) Vue zoom de la patte de moustique immergée dans la solution de réactif de libération d’ADN. (H) Moustique unique placé dans le flacon. (I) Scellement de la plaque PCR contenant les pattes de moustique. Abréviation : HRMA = analyse de fusion à haute résolution. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : Procédure expérimentale pour les analyses de GRH. (A) Transfert de l’ADNg libéré sur une plaque de 96 puits contenant le mélange PCR. (B) Inspection visuelle des courbes de différence. (C) Marquer chaque échantillon sur le gabarit de 96 puits avec la même couleur que sa couleur de courbe de différence respective. (D) Rétrocroisement des individus d’un même groupe. Abréviations : HRM = fusion haute résolution ; ADNg = ADN génomique. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4 : Analyse séquentielle d’un mutant AaeZIP11. (A) Alignement nucléotidique du mutant AaeZIP11Δ56. Les tirets surlignés en jaune sont les bases supprimées. Dans la boîte, l’électrophérogramme passe de pics simples à pics doubles, illustrant la position où la suppression s’est produite (flèche). (B) Électrophérogramme de la fin de la séquence de séquençage et du passage des pics doubles aux pics simples. Notez que le nombre de pics simples représente le nombre de bases supprimées (rectangle gris). Les séquences d’amorces sont fournies dans le tableau supplémentaire S1. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5 : HRMA de l’ADN extrait des pattes de moustiques. L’ADN a été extrait d’une seule jambe des moustiques AaeZIP11 (A et B) et myo-fem (C et D) knockout Ae. aegypti et analysé par HRMA. A et C désignent les signaux de fluorescence normalisés des échantillons à des valeurs relatives de 1,0 à 0. B et D désignent le grossissement des différences de courbe en soustrayant chaque courbe de la référence de type sauvage (déformation de Liverpool). Abréviations : HRMA = analyse de fusion à haute résolution; LVP = souche liverpool; RFU = unités de fluorescence relatives. Les séquences d’amorces sont fournies dans le tableau supplémentaire S1. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 6: Exemples d’affectations manuelles de groupes. (A-D) HRMA pour les mutants Aeflightin. (A et C) Les courbes de fusion (courbes d’échelle linéaire normalisées et courbes de différence, respectivement) sont automatiquement regroupées par le logiciel d’analyse de fusion de précision. (B) Normalisation des courbes différentielles modifiées manuellement. (D) Après modification de la normalisation des courbes différentielles, chaque échantillon a été attribué individuellement par les températures maximales dans les courbes de différence pour les témoins positifs correspondants (échantillons précédemment séquencés identifiés par les hétérozygotes Δ4 et Δ5 et les trans-hétérozygotes Δ4Δ5), permettant l’identification claire des 3 groupes. Des flèches rouges et brunes sont ajoutées pour mettre en évidence les pics à différentes températures. (E-H) HRMA pour les mutants AaeZIP11. (E et G) Les courbes de fusion sont automatiquement attribuées par le logiciel. (F et H) Les mutants dans le deuxième auto-croisement hétérozygote ont été attribués de manière appropriée aux groupes corrects par la similitude des courbes normalisées et de différence avec les références précédemment déterminées (codées par couleur dans les courbes). Heterozygotes asg, Homozygotes asg et Trans-heterozygotes asg : courbes de fusion assignées par Precision Melt Analysis Software. Abréviations : HRMA = analyse de fusion à haute résolution; LVP = souche liverpool; RFU = unités de fluorescence relatives. Les séquences d’amorces sont fournies dans le tableau supplémentaire S1. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Matériel supplémentaire: Protocole détaillé pour la configuration de HRMA dans le système en temps réel CFX96 (par exemple, Bio-rad). Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Figure supplémentaire S1 : Instructions étape par étape pour la configuration du protocole de cycle sur Bio-rad CFX Manager. Voir les documents supplémentaires 2.1 à 2.3. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Figure supplémentaire S2 : Instructions étape par étape pour une configuration de plaque sur Bio-rad CFX Manager. Voir les documents supplémentaires 3.1 à 3.4. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Figure supplémentaire S3 : Instructions étape par étape pour la configuration d’une plaque sur Bio-rad CFX Manager. Voir les documents supplémentaires 3.5 à 3.6. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Figure supplémentaire S4 : Instructions pas à pas pour la configuration de l’exécution sur Bio-rad CFX Manager. Voir le document supplémentaire 4.1. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Figure supplémentaire S5 : Instructions étape par étape pour l’analyse HRMA sur Bio-rad CFX Manager. Voir les documents supplémentaires 5.1 à 5.3. Abréviation : HRMA = analyse de fusion à haute résolution. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Tableau supplémentaire S1 : Liste des amorces. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.
Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à déclarer.
Cet article détaille un protocole d’identification rapide des indels induits par CRISPR/Cas9 et la sélection de lignées mutantes chez le moustique Aedes aegypti à l’aide d’une analyse de fusion à haute résolution.
Toutes les figurines ont été créées avec Biorender.com sous licence à la Texas A & M University. Ce travail a été soutenu par des fonds de l’Institut national des allergies et des maladies infectieuses (AI137112 et AI115138 à Z.N.A.), texas a & M AgriLife Research dans le cadre du programme de subventions pour les maladies tronquées par insectes et le national Institute of Food and Agriculture de l’USDA, projet Hatch 1018401.
| 70 % d’éthanol | Solution | d’éthanol à 70 % dans l’eau | |
| Plaques PCR à 96 puits et PCR en temps réel | VWR | 82006-636 | Pour l’obtention de l’ADN génomique (de la patte du moustique) |
| Modèles | de plaques à 96 puits | Imprimés sur place, pour l’enregistrement du génotype | |
| Bio Rad CFX96 | Machine de PCR Bio Rad | avec capacités de gradient et HRMA | |
| Réservoirs de réactifs Diversified Biotech | VWR | 490006-896 | |
| Exo-CIP Rapid PCR Cleanup Kit | New England Biolabs | E1050S | |
| Boîte de Pétri en verre | VWR | 89001-246 | 150 mm x 20 mm |
| Plaques PCR à paroi mince à 96 puits à coque dure | Bio-rad | HSP9665 | pour |
| HRMA Pipette multicanaux (P10) | Integra Biosciences | 4721 | |
| Pipette multicanaux (P300) | Integra Biosciences | 4723 | |
| Nunc Ruban d’étanchéité en polyoléfine acrylate, Thermo Scientific | VWR | 37000-548 | À utiliser avec le 96-well  ; Plaques PCR pour l’obtention de l’ADN génomique |
| Bande de scellement optique | Bio-rad | 2239444 | À utiliser avec les plaques PCR à jupe à 96 puits pour HRMA |
| Phire Kit de PCR directe pour tissus animaux (sans outils d’échantillonnage) | Thermo Fisher | F140WH | Pour l’obtention de l’ADN génomique et la réalisation de |
| PCR Diviseurs de flacons de mouches en plastique | Genesee | 59-128W | |
| Logiciel d’analyse de fusion de précision | Bio Rad | 1845025 | Utilisé pour le génotypage des échantillons d’ADN de moustiques et l’analyse des propriétés de dénaturation thermique de l’ADN double brin (voir protocole étape 3.3) |
| Logiciel | SeqMan Pro | DNAstar Lasergene | Pour l’alignement de séquences multiples |
| Pipette monocanal | Gilson | ||
| Pince à épiler Dumont #5 11 cm | WPI | 14098 | |
| Bouchons en mousse blanche | VWR | 60882-189 | |
| Flacons larges pour drosophiles, polystyrène | Genesee | 32-117 | |
| Plateau pour flacons larges pour mouches, bleu | Genesee | 59-164B |