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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Questo articolo descrive in dettaglio un protocollo per la rapida identificazione degli indel indotti da CRISPR / Cas9 e la selezione delle linee mutanti nella zanzara Aedes aegypti utilizzando l'analisi del fuso ad alta risoluzione.
L'editing genetico delle zanzare è diventato di routine in diversi laboratori con la creazione di sistemi come le nucleasi effettori simili a stimolatori di trascrizione (TALEN), le nucleasi a dita di zinco (ZFN) e le endonucleasi di homing (HE). Più recentemente, la tecnologia CRISPR (CRISPR)/CRISPR-associated protein 9 (Cas9) aggregolate regolarmente intervallate ha offerto un'alternativa più semplice ed economica per l'ingegneria del genoma di precisione. Seguendo l'azione della nucleasi, i percorsi di riparazione del DNA risolveranno le estremità del DNA rotte, spesso introducendo indel. Queste mutazioni fuori dal quadro vengono quindi utilizzate per comprendere la funzione genica negli organismi bersaglio. Uno svantaggio, tuttavia, è che gli individui mutanti non portano marcatori dominanti, rendendo difficile l'identificazione e il tracciamento degli alleli mutanti, specialmente alle scale necessarie per molti esperimenti.
L'analisi della fusione ad alta risoluzione (HRMA) è un metodo semplice per identificare le variazioni nelle sequenze di acidi nucleici e utilizza le curve di fusione pcr per rilevare tali variazioni. Questo metodo di analisi post-PCR utilizza coloranti fluorescenti a doppio filamento che legano il DNA con strumentazione che ha capacità di acquisizione dei dati di controllo della rampa di temperatura ed è facilmente scalabile a formati di piastre a 96 pozzetti. Qui è descritto un semplice flusso di lavoro che utilizza HRMA per il rilevamento rapido di indel indotti da CRISPR / Cas9 e la creazione di linee mutanti nella zanzara Ae. aegypti. Criticamente, tutti i passaggi possono essere eseguiti con una piccola quantità di tessuto delle gambe e non richiedono il sacrificio dell'organismo, consentendo l'esecuzione di incroci genetici o saggi di fenotipizzazione dopo la genotipizzazione.
Come vettori di agenti patogeni come i virus dengue1, Zika2 e chikungunya3, nonché i parassiti malarici4, le zanzare rappresentano una significativa minaccia per la salute pubblica umana. Per tutte queste malattie, c'è un focus sostanziale dell'intervento di trasmissione sul controllo dei vettori di zanzare. Lo studio dei geni importanti, ad esempio, per il permissivismo nei confronti degli agenti patogeni, la forma fisica delle zanzare, la sopravvivenza, la riproduzione e la resistenza agli insetticidi è fondamentale per lo sviluppo di nuove strategie di controllo delle zanzare. Per tali scopi, l'editing del genoma nelle zanzare sta diventando una pratica comune, specialmente con lo sviluppo di tecnologie come HEs, ZFN, TALEN e, più recentemente, CRISPR con Cas9. La creazione di ceppi geneticamente modificati comporta tipicamente il backcrossing di individui portatori delle mutazioni desiderate per alcune generazioni per ridurre al minimo gli effetti off-target e founder (collo di bottiglia), seguiti dall'incrocio di individui eterozigoti per generare linee omozigoti o trans-eterozigoti. In assenza di un marcatore dominante, la genotipizzazione molecolare è necessaria in questo processo perché, in molti casi, non è possibile rilevare tratti fenotipici chiari per i mutanti eterozigoti.
Sebbene il sequenziamento sia il gold standard per la caratterizzazione genotipica, l'esecuzione di questo su centinaia, o forse migliaia di individui, pone costi significativi, manodopera e tempo necessari per ottenere risultati, il che è particolarmente critico per gli organismi con una vita breve come le zanzare. Le alternative comunemente utilizzate sono surveyor nuclease assay5 (SNA), T7E1 assay6 e analisi della fusione ad alta risoluzione (HRMA, recensito in7). Sia SNA che T7E1 utilizzano endonucleasi che scindere solo basi non corrispondenti. Quando una regione mutata del genoma mutante eterozigote viene amplificata, i frammenti di DNA di alleli mutanti e wild-type vengono ricotti per produrre DNA a doppio filamento (dsDNA) non corrispondente. SNA rileva la presenza di disallineamenti attraverso la digestione con un'endonucleasi specifica per la mancata corrispondenza e una semplice elettroforesi su gel di agarosio. In alternativa, HRMA utilizza le proprietà termodinamiche del dsDNA rilevate dai coloranti fluorescenti leganti il dsDNA, con la temperatura di dissociazione del colorante che varia in base alla presenza e al tipo di mutazione. HRMA è stato utilizzato per il rilevamento di polimorfismi a singolo nucleotide (SNP)8, genotipizzazione mutante di pesci zebra9, applicazioni microbiologiche10 e ricerca genetica vegetale11, tra gli altri.
Questo articolo descrive l'HRMA, un semplice metodo di genotipizzazione molecolare per le zanzare mutanti generato dalla tecnologia CRISPR/Cas9. I vantaggi dell'HRMA rispetto alle tecniche alternative includono 1) flessibilità, in quanto si è dimostrato utile per vari geni, una vasta gamma di dimensioni indel, nonché la distinzione tra diverse dimensioni indel e differenziazione eterozigote, omozigote e trans-eterozigote12,13,14, 2) costo, in quanto si basa su reagenti PCR comunemente usati e 3) risparmio di tempo, in quanto può essere eseguito in poche ore. Inoltre, il protocollo utilizza una piccola parte del corpo (una gamba) come fonte di DNA, consentendo alla zanzara di sopravvivere al processo di genotipizzazione, consentendo la creazione e il mantenimento di linee mutanti.
1. Scansione per polimorfismi a singolo nucleotide (SNP), progettazione di primer HRMA e convalida del primer
2. Preparazione del DNA genomico dalle zampe di zanzara
3. HRMA
4. Verifica della sequenza mediante sequenziamento Sanger
Le zanzare contenenti mutazioni nei geni AaeZIP11 (presunto trasportatore di ferro21) e myo-fem (un gene della miosina polarizzato femminile correlato ai muscoli di volo13) sono state ottenute utilizzando la tecnologia CRISPR/Cas9, genotipizzate utilizzando HRMA e verificate in sequenza (Figura 5). La Figura 5A e la Figura 5C mostrano l'intensità di fluorescenza normalizzata dalle curve HRM da campioni mutanti AaeZIP11 e myo-fem , rispettivamente, insieme ai controlli wild-type. La Figura 4B e la Figura 4D mostrano l'ingrandimento delle curve di differenza (rispettivamente dai campioni mutanti AaeZIP11 e myo-fem ) tra i profili di fusione dei diversi cluster assegnati dal software dopo aver sottratto ogni curva dal riferimento wild-type. Gli individui mutanti eterozigoti e omozigoti AaeZIP11 sono stati collocati in cluster diversi e sono facilmente distinguibili dai controlli wild-type (Figura 5B). Anche gli individui mio-fem mutanti eterozigoti sono distinti dai controlli (Figura 5D). Si noti che in entrambi i casi erano presenti due cluster all'interno dei controlli wild-type, molto probabilmente a causa della presenza di SNP nella regione di destinazione (Figura 5), evidenziando la necessità di utilizzare più campioni di controllo per evitare di classificare i controlli come mutanti quando gli SNP non possono essere evitati.
La Figura 4A mostra l'analisi di sequenza del mutante AaeZIP11 . L'elettroferogramma dei mutanti eterozigoti AaeZIP11 indica la posizione nucleotidica in cui si è verificato l'indel. Ciò è rappresentato da uno spostamento da picchi singoli a doppi poiché le posizioni polimorfiche mostreranno entrambi i nucleotidi contemporaneamente (Figura 4A). Il numero di coppie di basi cancellate o inserite è stato calcolato contando i singoli picchi alla fine della corsa (Figura 4B) poiché uno dei filamenti di DNA sarà più corto o più lungo dell'altro in base al numero di coppie di basi cancellate o inserite, rispettivamente. Si raccomanda di utilizzare il gDNA verificato in sequenza dai mutanti come riferimento per l'identificazione degli eterozigoti per aiutare con le analisi HRMA per le generazioni successive. L'assegnazione manuale per le curve può essere necessaria quando curve simili vengono assegnate automaticamente a cluster diversi. Questo può essere fatto confrontando le curve spostate di temperatura e le curve di differenza. Potrebbe essere necessaria la regolazione manuale del software per assegnare correttamente i campioni ai cluster. I risultati hrma di AaeZIP11 e di un mutante chiamato Aeflightin mostrano che erano necessarie analisi di singoli campioni per classificare con successo eterozigoti, omozigoti e trans-eterozigoti. Inizialmente, l'assegnazione automatica del cluster dal software non poteva fare una distinzione adeguata tra i gruppi (Figura 6A, Figura 6C, Figura 6E e Figura 6G). Ogni campione è stato quindi analizzato individualmente e assegnato ai gruppi corretti in base alla somiglianza con campioni di riferimento di eterozigoti, omozigoti e trans-eterozigoti (precedentemente verificati mediante sequenziamento) (Figura 6B, Figura 6D, Figura 6F e Figura 6H).

Figura 1: Identificazione SNP. Rappresentazione schematica dell'allineamento di sequenze multiple del frammento AaeZIP11 da wild-type. In rosso ci sono gli SNP, e in verde ci sono i frammenti privi di SNP; questa regione priva di SNP è suggerita per la progettazione di sgRNA e primer. Abbreviazioni: SNP = polimorfismo a singolo nucleotide; sgRNA = RNA a guida singola; LVP = ceppo di Liverpool. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Procedura sperimentale per ottenere DNA genomico dalle zampe di zanzara per HRMA. (A) Materiali per ottenere DNA genomico tra cui pipette, punte, piastra PCR, sigillo ottico, serbatoio, tampone di diluizione e soluzione di rilascio del DNA. (B) Preparazione della piastra PCR contenente reagente di rilascio del DNA e tampone di diluizione. (C) Anestesia delle zanzare con CO2. (D) Pulire le pinzette con etanolo al 70% per evitare la contaminazione tra i campioni. (E) Configurazione sperimentale che include pinzette, rack per fiale di zanzare, piastra di Petri sopra un contenitore di ghiaccio con zanzare anestetizzate e la piastra PCR precedentemente preparata. (F) Rimozione della zampa della zanzara. (G) Vista zoom della zampa della zanzara immersa nella soluzione di reagente di rilascio del DNA. (H) Zanzara singola posta nel flaconcino. (I) Sigillare la piastra PCR contenente le zampe di zanzara. Abbreviazione: HRMA = analisi del fuso ad alta risoluzione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Procedura sperimentale per le analisi HRM. (A) Trasferimento del gDNA rilasciato su una piastra a 96 pozzetti contenente la miscela PCR. (B) Ispezione visiva delle curve di differenza. (C) Marcatura di ciascun campione sul modello a 96 pozzetti con lo stesso colore del rispettivo colore della curva di differenza. (D) Incrociare gli individui dello stesso cluster. Abbreviazioni: HRM = fusione ad alta risoluzione; gDNA = DNA genomico. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Sequenziamento di un mutante AaeZIP11 . (A) Allineamento nucleotidico del mutante AaeZIP11Δ56. I trattini evidenziati in giallo sono le basi eliminate. Nella casella, l'elettroferogramma passa da picchi singoli a picchi doppi, raffigurando la posizione in cui si è verificata la delezione (freccia). (B) Elettroferogramma della fine della sequenza e del passaggio da picchi doppi a picchi singoli. Si noti che il numero di singoli picchi rappresenta il numero di basi eliminate (rettangolo grigio). Le sequenze di primer sono fornite nella tabella supplementare S1. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: HRMA del DNA estratto dalle zampe di zanzara. Il DNA è stato estratto da una singola gamba dalle zanzare AaeZIP11 (A e B) e myo-fem (C e D) knockout Ae. aegypti e analizzato da HRMA. A e C denotano i segnali di fluorescenza normalizzati dei campioni a valori relativi da 1,0 a 0. B e D denotano l'ingrandimento delle differenze di curva sottraendo ogni curva dal riferimento wild-type (ceppo di Liverpool). Abbreviazioni: HRMA = analisi del fuso ad alta risoluzione; LVP = ceppo di Liverpool; RFU = unità di fluorescenza relative. Le sequenze di primer sono fornite nella tabella supplementare S1. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6: Esempi di assegnazioni manuali di gruppo. (A-D) HRMA per mutanti Aeflightin. (A e C) Le curve di fusione (rispettivamente curve di scala lineare normalizzate e curve di differenza) vengono raggruppate automaticamente dal software di analisi della fusione di precisione. (B) Normalizzazione delle curve differenziali modificata manualmente. (D) Dopo aver alterato la normalizzazione delle curve differenziali, ogni campione è stato assegnato individualmente dalle temperature di picco nelle curve di differenza per i corrispondenti controlli positivi (campioni precedentemente sequenziati identificati da eterozigoti Δ4 e Δ5 e trans-eterozigoti Δ4Δ5), consentendo la chiara identificazione dei 3 gruppi. Le frecce rosse e marroni vengono aggiunte per evidenziare i picchi a diverse temperature. (E-H) HRMA per mutanti AaeZIP11. (E e G) Le curve di fusione vengono assegnate automaticamente dal software. (F e H) I mutanti nel secondo auto-incrocio eterozigote sono stati opportunamente assegnati ai gruppi corretti dalla somiglianza delle curve normalizzate e di differenza a riferimenti precedentemente determinati (codificati a colori in curve). Heterozygotes asg, Homozygotes asg e Trans-heterozygotes asg: curve di fusione assegnate da Precision Melt Analysis Software. Abbreviazioni: HRMA = analisi del fuso ad alta risoluzione; LVP = ceppo di Liverpool; RFU = unità di fluorescenza relative. Le sequenze di primer sono fornite nella tabella supplementare S1. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Materiale supplementare: Protocollo dettagliato per la configurazione di HRMA nel sistema in tempo reale CFX96 (ad esempio, Bio-rad). Fare clic qui per scaricare questo file.
Figura supplementare S1: Istruzioni dettagliate per l'impostazione del protocollo di ciclismo su Bio-rad CFX Manager. Vedere Materiale supplementare 2.1-2.3. Fare clic qui per scaricare questo file.
Figura supplementare S2: Istruzioni dettagliate per la configurazione di una piastra su Bio-rad CFX Manager. Vedere Materiale supplementare 3.1-3.4. Fare clic qui per scaricare questo file.
Figura supplementare S3: Istruzioni dettagliate per la configurazione di una piastra su Bio-rad CFX Manager. Vedere Materiale supplementare 3.5-3.6. Fare clic qui per scaricare questo file.
Figura supplementare S4: Istruzioni dettagliate per l'installazione dell'esecuzione su Bio-rad CFX Manager. Vedere Materiale supplementare 4.1. Fare clic qui per scaricare questo file.
Figura supplementare S5: Istruzioni dettagliate per l'analisi HRMA su Bio-rad CFX Manager. Vedere Materiale supplementare 5.1-5.3. Abbreviazione: HRMA = analisi del fuso ad alta risoluzione. Fare clic qui per scaricare questo file.
Tabella supplementare S1: Elenco dei primer. Fare clic qui per scaricare questa tabella.
Gli autori non hanno conflitti di interesse da dichiarare.
Questo articolo descrive in dettaglio un protocollo per la rapida identificazione degli indel indotti da CRISPR / Cas9 e la selezione delle linee mutanti nella zanzara Aedes aegypti utilizzando l'analisi del fuso ad alta risoluzione.
Tutte le figure sono state create con Biorender.com sotto licenza alla Texas A & M University. Questo lavoro è stato supportato da fondi del National Institute of Allergy and Infectious Disease (AI137112 e AI115138 a Z.N.A.), Texas A & M AgriLife Research nell'ambito del programma Insect Vectored Disease Grant e USDA National Institute of Food and Agriculture, progetto Hatch 1018401.
| Soluzione di etanolo | al 70% in acqua | ||
| Piastre PCR a 96 pozzetti e PCR in tempo reale | VWR | 82006-636 | Per ottenere DNA genomico (dalla zampa della zanzara) |
| di | piastre a 96 pozzetti | Stampato in casa, per la registrazione del genotipo | |
| Bio Rad CFX96 | Macchina Bio Rad | PCR con capacità | |
| di gradiente e HRMASerbatoi di reagenti biotecnologici diversificati VWR | 490006-896 | ||
| Kit di pulizia rapida PCR Exo-CIP | New England Biolabs | E1050S | |
| Piastra di Petri in vetro | VWR | 89001-246 | 150 mm x 20 mm |
| Piastre PCR a parete sottile a 96 pozzetti a guscio rigido | Bio-rad | HSP9665 | per pipettatoremulticanale HRMA |
| (P10) | Integra Biosciences | 4721 | |
| Pipettatore multicanale (P300) | Integra Biosciences | 4723 | |
| Nunc Nastro sigillante in poliolefina acrilato, Thermo Scientific | VWR | 37000-548 | Da utilizzare con il 96 pozzetti Piastre PCR per l'ottenimento di DNA genomico |
| Nastro sigillante ottico | Bio-rad | 2239444 Da utilizzare con le piastre PCR a 96 pozzetti per HRMA | |
| Phire Kit PCR diretto per tessuti animali (senza strumenti di campionamento) | Thermo Fisher | F140WH | Per ottenere DNA genomico ed eseguire PCR |
| Divisori per fiale di plastica | Genesee | 59-128W | |
| Software per l'analisi della fusione di precisione | Bio Rad | 1845025 | Utilizzato per la genotipizzazione dei campioni di DNA delle zanzare e l'analisi delle proprietà di denaturazione termica del DNA a doppio filamento (vedere il passaggio 3.3 del protocollo) |
| Software | SeqMan Pro | DNAstar Lasergene | Per l'allineamento di sequenze multiple |
| Pipettatore monocanale | Pinzette Gilson | ||
| Dumont #5 11 cm | WPI | 14098 | |
| Tappi in schiuma bianca | VWR | 60882-189 | |
| Fiale di Drosophila larghe, polistirene | Genesee | 32-117 | |
| Vassoio per fiale di mosche larghe, blu | Genesee | 59-164B |