CRISPR(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)/Cas(CRISPR関連)システムなどのゲノム編集ツールは、ヒト人工多能性幹細胞(hiPSC)の遺伝子ターゲティング効率を大幅に向上させました。この原稿では、CRISPR/Casシステム支援相同組換えを使用して系統特異的なhiPSCレポーターを生成するためのプロトコルについて説明します。
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方法論記事
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CRISPR(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)/Cas(CRISPR関連)システムなどのゲノム編集ツールは、ヒト人工多能性幹細胞(hiPSC)の遺伝子ターゲティング効率を大幅に向上させました。この原稿では、CRISPR/Casシステム支援相同組換えを使用して系統特異的なhiPSCレポーターを生成するためのプロトコルについて説明します。
遺伝子ターゲティングは、現代の生物医学研究における遺伝子機能を特徴付けるための重要なアプローチです。しかし、ヒト細胞における遺伝子ターゲティングの効率は低く、そのためにヒト細胞株を所望の速度で作製することができません。この2年間で、CRISPR(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)/Cas(CRISPR関連)システムなどのゲノム編集ツールによる遺伝子操作の効率化が急速に進んでいます。この原稿では、CRISPR/Casシステム支援相同組換えを使用して、系統特異的なヒト人工多能性幹細胞(hiPSC)レポーターを生成するためのプロトコルについて説明します。CRISPR/Casシステムを用いて神経系統レポーターラインを作製するために必要な成分を得るための手順について、ターゲティングベクターとシングルガイドRNAの構築を中心に説明する。このプロトコルは、hiPSCのプラットフォーム確立と変異修正に拡張できます。
CRISPR(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)/Cas(CRISPR-associated)システムは、他のゲノム編集ツールとともに、近年のヒトゲノム操作に革命をもたらしました1-7。CRISPR/Cas9システムの主要コンポーネントは、シングルガイドRNA(sgRNA)とCas9です。Cas9は、RNA誘導II型DNAエンドヌクレアーゼです。HNHとRuvCの2つのヌクレアーゼドメインを持ち、これらはプロトスペーサー隣接モチーフ(PAM)7-10に隣接する特定のゲノム領域でDNA二本鎖切断(DSB)を作る役割を担っています。sgRNAは、crRNAとtracrRNAの複合機能を持ち、細菌(化膿連鎖球菌など)と古細菌で同定された2つの適応免疫RNA分子の複合機能を持ち、外因性源のDNA侵入と戦う9-11。適切に設計され、哺乳動物細胞に共導入されると、sgRNAはPAM配列を認識し、標的DNAの相補鎖と塩基対を形成し、Cas9を誘導してトランス活性化し、PAM7のすぐ上流にある両方のDNA鎖で切断します。その後、相同指向性組換え(HDR、標的ベクターの存在下)または非相同末端結合(NHEJ)が起こり、DSBを修復します。cDNA、レポーターカセット、または抗生物質耐性フラグメントなどの導入遺伝子を統合し、トランスジェニックまたはノックインラインを作成することができます。
CRISPR/Cas9システムは非常に効率的で比較的特異的ですが、望ましくないオフターゲット活性が報告されています12-15。オフターゲット事象を最小限に抑えるために、Cas9ニッカーゼ(Cas9n)も設計されています9,10,14,16,17。Cas9n(Cas9 D10AまたはCas9 H840A)は、2つのヌクレアーゼドメインのいずれかに変異を持つCas9酵素であり、DNAの1本鎖にのみニックを誘発します。両方の鎖で切断を達成するために、2つのsgRNAが一対のニッカーゼをガイドするように設計されており、ニッカーゼは2つの異なるDNA鎖の近くの遺伝子座で別々に切断されます。「ダブルニッキング」戦略は、従来のCas9プラットフォームよりも厳格な設計が必要であり、遺伝子編集実験に高い効率と高い特異性の両方を提供します。
この原稿は、CRISPR/Casシステム支援相同組換えを使用して、系統特異的なヒト人工多能性幹細胞(hiPSC)レポーターを生成するためのプロトコルについて説明しています。CRISPR/Casシステムを介したゲノム編集を用いて神経系統レポーターラインを作製するために必要な成分を取得する手順を、ターゲティングベクターとsgRNAの構築を中心に説明します。このプロトコルは、健康な個人やCNS疾患の患者に由来するものを含む複数のhiPSC系統で成功裏に繰り返されています。当研究室で対象とする遺伝子は、OLIG2、HB9(MNX1)、NEUROG2、SOX1、ALDH1L1、SOD1です。ヒトiPS細胞におけるCRISPR/Casシステムを介した相同組換えによるターゲティング効率は20〜40%の範囲であり、これは以前の報告1,18,19と一致しています。従来の遺伝子ターゲティング実験における一般的な効率が1〜2%であるのに対し、ターゲティング効率は大幅に向上しています。
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1. ターゲットベクトルの設計とベクトル構築
2. CRISPR/Cas9システムのためのsgRNAの設計とベクター構築。
3. Cas9n二重ニッカーゼsgRNAの設計と構築
4. T7エンドヌクレアーゼ1 (T7E1) AssayによるsgRNAの評価
5. 潜在的なオフターゲットサイトのインシリコ予測
注:潜在的なターゲット外サイトは、PerlベースのプログラムであるCasOT17と呼ばれるオンラインオープンソースツールを使用して予測できます。
6. 神経系統レポーターを作るためのhiPSCのエレクトロポレーション
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ホモロジーアーム、レポーターカセット、正および負の選択カセットを含む、必要なすべての構成要素を備えたターゲティングベクターを構築します(Figure 1)。内因性のゲノム遺伝子座に基づき、複数の(2〜3種類の)sgRNA(Cas9システムを使用する場合)またはsgRNAペア(Cas9nダブルニッカーゼ戦略を使用する場合)を設計し、ヒトgRNA発現ベクターMLM3636またはpX335-U6-Chimeric_BB-CBh-hSpCas9n (D10A) バックボーンに構築します(Figure 2)。hiPSCにトランスフェクションする前に、293FT細胞を用いてT7E1アッセイによりsgRNAの評価を行います(Figure 3)。オフターゲット部位の予測を行います。in silico手順(ステップ5)で予測されたオフターゲット部位が少なく、切断効率が中程度(indel%が10-30%)であるsgRNAを用いて、エレクトロポレーションによりhiPSCにトランスフェクションします。トランスフェクションと選択に成功した後、ポ...
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遺伝子ターゲティングは、遺伝子機能を特徴付ける上で不可欠なツールです。しかし、効率が比較的低いため、労働集約的で時間のかかる作業が必要です。近年、CRISPR(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)/Cas(CRISPR-associated)システムなどのゲノム編集ツールの開発により、ターゲティング効率が大幅に向上しました。この原稿では、CRISPR/Casシステム支援相同組換えを使用して系統特異的ヒト人工多能性幹細胞(hiPSC)レポーターを生成するためのプロトコルについて説明します。Cas9およびCas9nダブルニッカーゼ系の両方のターゲティングベクターとシングルガイドRNAの構築に焦点を当てて、CRISPR/Casシステムを介したゲノム編集を使用して神経系統レポーターラインを作成するために必要なコンポーネントを取得する手順について説明します。
CRISPR/Cas9システムは、hiPS細胞におけるさまざまな遺伝子工学のニーズに応えることができます。ノックアウトおよびノックイン(レポーターなど)系統、誘導性プラットフォーム...
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著者らは開示するものは何もない。
この研究は、脳神経外科、メモリアル・ヘルマン財団、スタマン・オギルビー基金、ヒューストンのテキサス大学健康科学センターのベンツェン脳卒中センター、ミッションコネクトTIRR財団の支援を受けました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| pStart-K | Addgene | 20346 | |
| pWS-TK6 | Addgene | 20350 | |
| pKD3 | Addgene | 45604 | |
| pKD46 | The Coli Genetic Stock Center, CGSC | 7634 | |
| PGK-neo-bpA sequence | Addgene | 13442 | |
| 標的遺伝子のヒトBACクローン | |||
| JDS246 (Cas9-003)、哺乳類コドン最適化化膿連鎖球菌 Cas9-3X Flag | Addgene | 43861 | |
| MLM3636、U6 プロモーターを含む Human-gRNA-ExpressionVector | Addgene | 43860 | |
| pX335-U6-Chimeric_BB-CBh-hSpCas9n(D10A) | Addgene | 42335 | |
| sgRNAデザイン、ZiFit | http://zifit.partners.org/ZiFiT/ | ||
| オフターゲット予測ツール CasOT | http://eendb.zfgenetics.org/casot/download.php | ||
| Perl | http://www.perl.org/get.html | ||
| NCBI | http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ | ||
| BLAT | https://genome.ucsc.edu/cgi-bin/hgBlat?command=start | ||
| sgRNAプライマー合成 | シグマ | ||
| ワンショット Top10 Electrocomp 大腸菌 コンピテントセル | ライフテクノロジー | ズ C4040-50 | |
| AccuPrime Pfx SupperMix | ライフテクノロジー | ズ 12344-040 | |
| 制限酵素 | NEB and Life Technologies | ||
| Zymoclean Gel DNA Recovery Kit | Zymo Researech | D4007 | |
| DNA Quick Extraction Buffer | 震源地 | QE0905T | |
| Herculase II Fusion DNA ポリメラーゼ | Agilent Technologies | 600675 | |
| Digestion buffer 2 | New England Biolab | ||
| 6X DNA Loading Dye | Thermo Scientific | R0611 | |
| TeSR-E8 Kit for hESC/hiPSC Maintenance | Stem Cell Technologies | 05940 | |
| UltraPure Agarose | ライフテクノロジーズ | 16500-100 | |
| 50xTAE | ライフテクノロジー | ズ B49 | |
| エッセンシャル 8 ミディアム | ライフテクノロジー | A1517001 | |
| ダルベッコカルシウムとマグネシウムを含まないリン酸緩衝生理食塩水 | ライフテクノロジー | A12856-01 | |
| D-MEM/F12 with Glutamax | ライフテクノロジー | 10565018 | |
| D-MEM with Glutamax | Life Technologies | 10566040 | |
| ウシ胎児血清-ES細胞認定 | ライフテクノロジーズ | 10439 | |
| ノックアウトセラム交換 | ライフテクノロジー | 10828010 | |
| 2-メルカプトエタノール 1000X | ライフテクノロジー | 21985023 | |
| 非必須アミノ酸 | ライフテクノロジー | 11140050 | |
| Stempro Accutase | ライフテクノロジー | ズA1110501 | |
| ディスパーゼ | ライフテクノロジー | ズ 17105-041 | |
| 0.25% トリプシン - EDTA溶液 | ライフテクノロジー | 25200-056 | |
| ゲルトレックス | ライフテクノロジーズ | 12760-013 | |
| ROCK阻害剤Y-27632 | ミリポア | SCM075 | |
| SMC4試薬 | BD | 354357 | |
| ネオマイシン耐性 MEF | ミリポア | PMEF-NL | |
| ハイグロマイシン耐性MEF | ミリポア | PMEF-HL | |
| G418(遺伝学) | LifeTechnologies | 11811 | |
| グロマイシンB | FIAU 10687010 | ライフテクノロジー | |
| (フィアルリジン、1-2-デオキシ-2-フルオロ-ß-D-アラビノフラノシル-5-ヨードウラシル | モラベック生化学品および放射性化学品 | M251 | |
| エレクトロポレーター Gene Pulser Xcell | バイオ・ラッド | ||
| 0.4 cm エレクトロポレーションキュベット | バイオ・ラッド | 165-2088 | |
| DIG-High プライム DNA ラベリングおよび検出スターターキット II | ロシュ | 11585614910 | |
| ハイブリダイゼーション変性ソリューション | VWR | 82021-478 | |
| PCR DIGプローブ合成キット | ロシュ | 11636090910 | |
| DIGウォッシュセット | ロシュ | 11585762001 | |
| 抗ジゴキシゲニン (DIG-AP) | ロシュ | 11093274910 | |
| CSPD 化学発光システム | ロシュ | 11755633001 | |
| DIG洗浄およびブロックバッファーセット | ロシュ | 11585762001 | |
| 50X TAEバッファ | Life Technologies | 24710030 | |
| Blotting buffer (25 mM Tris pH 7.4, 0.15 M NaCl, 0.1% Tween20) | |||
| Hoefer Ultraviolet Crosslinker | フィッシャーサイエンティフィック | 03-500-308 | |
| スペルミジン | フィッシャー | AC13274-0010 | |
| トリスHCl 2M(pH 7.5) | VWR | 200064-506 | |
| デンビルサイエンティフィックブルーバイオフィルム8x10 | フィッシャー | nc9550782 | |
| DNA 分子量マーカー II ( DIG 標識) | ロシュ | 11218590910 | |
| アマシャムブロッティングメンブレン Hybond-N+ | ロシュ | 95038-400 | |
| パイレックスガラス乾燥トレイ | フィ | ッシャー15-242A | |
| キンバリークラークC折りペーパータオル | フィッシャー | 06-666-32B | |
| ワットマン 3MMペーパー(26X41) | フィッシャー | 05-713-336 | |
| ハイブリダイゼーションバッグ | ロシュ | 11666649001 | |
| ハイブリダイゼーションチューブ | フィ | ッシャー13-247-300 | |
| ブリダイゼーションオーブンロティサリーシェイク&スタック | フィッシャー | HBMSOV14110 |
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