Il sistema CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)/Cas (CRISPR-associated), insieme ad altri strumenti di editing del genoma, ha rivoluzionato la manipolazione del genoma umano negli ultimi anni1-7. I componenti principali del sistema CRISPR/Cas9 sono l'RNA a guida singola (sgRNA) e Cas9. Cas9 è un'endonucleasi del DNA di tipo II guidata da RNA. Ha due domini nucleasici, HNH e RuvC, che sono responsabili della formazione di rotture a doppio filamento di DNA (DSB) in una specifica regione genomica accanto a un motivo adiacente a protospaziatore (PAM)7-10. Un sgRNA ha una funzione combinata di quella di crRNA e tracrRNA, due molecole di RNA dell'immunità adattativa identificate nei batteri (come lo Streptococcus pyogenes) e negli archei per combattere l'invasione del DNA di fonti esogene9-11. Quando opportunamente progettato e co-introdotto nelle cellule di mammifero, l'sgRNA riconosce la sequenza PAM, si accoppia con il filamento complementare del DNA bersaglio e guida e transattiva Cas9 per scindere entrambi i filamenti di DNA immediatamente a monte di PAM7. Successivamente, si verificherà la ricombinazione diretta omologa (HDR, in presenza di un vettore di puntamento) o l'unione di estremità non omologa (NHEJ) per riparare i DSB. Transgeni come cDNA, cassette reporter o frammenti resistenti agli antibiotici possono essere integrati e possono essere create linee transgeniche o knockin.
Sebbene il sistema CRISPR/Cas9 sia altamente efficiente e relativamente specifico, sono state segnalate attività fuori bersaglio indesiderate12-15. Per ridurre al minimo gli eventi fuori bersaglio, sono stati ingegnerizzati anche i nickasi Cas9 (Cas9n)9,10,14,16,17. Cas9n (Cas9 D10A o Cas9 H840A) è un enzima Cas9 con mutazioni in uno dei due domini nucleasici, che suscita un solo intaccamento in un filamento di DNA. Per ottenere la scissione in entrambi i filamenti, due sgRNA sono progettati per guidare una coppia di nickasi, che taglia separatamente i loci vicini dei due diversi filamenti di DNA. La strategia del "doppio nicking" richiede una progettazione più rigorosa rispetto alla piattaforma Cas9 convenzionale e offre sia un'elevata efficienza che un'elevata specificità per gli esperimenti di editing genetico.
Questo manoscritto descrive un protocollo per la generazione di reporter di cellule staminali pluripotenti indotte umane (hiPSC) specifiche per il lignaggio utilizzando la ricombinazione omologa assistita dal sistema CRISPR/Cas. Vengono descritti i passaggi per ottenere i componenti necessari per la creazione di linee reporter di lineazione neurale utilizzando l'editing genomico mediato dal sistema CRISPR/Cas, con particolare attenzione alla costruzione di vettori di targeting e sgRNA. Questo protocollo è stato ripetuto con successo in diverse linee di hiPSC, comprese quelle derivate da individui sani e da pazienti con malattie del SNC. I geni presi di mira nel nostro laboratorio includono OLIG2, HB9 (MNX1), NEUROG2, SOX1, ALDH1L1 e SOD1. L'efficienza di targeting della ricombinazione omologa mediata dal sistema CRISPR/Cas nelle hiPSC varia dal 20 al 40%, il che è coerente con i precedenti rapporti1,18,19. Rispetto a un'efficienza tipica dell'1-2% negli esperimenti convenzionali di targeting genico, l'efficienza di targeting è significativamente migliorata.