ワクシニアウイルス(VV)は、広く生物医学研究およびヒトの健康の改善に使用されています。この記事では、CRISPR-Cas9システムを使用して、VVゲノムを編集するための簡単な、非常に効率的な方法を説明します。
方法論記事
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ワクシニアウイルス(VV)は、広く生物医学研究およびヒトの健康の改善に使用されています。この記事では、CRISPR-Cas9システムを使用して、VVゲノムを編集するための簡単な、非常に効率的な方法を説明します。
CRISPR関連エンドヌクレアーゼCas9は、単一のガイドRNA(gRNA)によって指示される特定のゲノム遺伝子座を編集することができます。CRISPR/Cas9システムは、さまざまな生物のゲノム編集に採用されています。ここでは、RNAガイド下Cas9を使用してVV感染CV-1細胞の細胞質内のワクシニアウイルス(VV)ゲノムを編集するためのプロトコルについて説明します。RNAガイド下Cas9は、VVの標的部位において二本鎖DNA切断を誘導し、効率的かつ特異的に相同組換えを促進し、相同組換えによって導入遺伝子をこれらの部位に組み込むことができます。導入遺伝子を含む部位特異的相同ベクターを使用することにより、この領域に組み込まれた赤色蛍光タンパク質(RFP)遺伝子を持つN1L遺伝子欠失VVが、従来の相同組換え法から得られるものよりも10倍高い組換え効率で生成されました。このプロトコルは、RNAガイド下Cas9システムを使用して、効率を高めた変異型VVを生成することを実証しています。
ワクシニアウイルス(VV)は、ポックスウイルス科に属するエンベロープDNAウイルスで、天然痘の撲滅の医学における最大の成果の一つで重要な役割を果たしてきました。天然痘のポスト撲滅の時代では、VVはVVベクターに種々の病原体からの遺伝子を挿入することによって、HIVやその他の感染症1-7に対するワクチンのための遺伝子を送達するためのベクターとして開発されてきました。 VVも広く、特に腫瘍標的複製する腫瘍崩壊ワクシニアウイルスの開発のための癌免疫療法8-14のためのベクターとして使用されています。癌細胞のための改良された選択性を有する効率的なワクチンベクターを作成するために、ウイルスゲノム内の改変は、遺伝子欠失または治療遺伝子の導入を含む、必要とされます。
DNA技術および分子生物学およびウイルス学のより良い理解の発展に伴い、VVへの外来DNAの挿入は、もともと達成しました。D 1980 15での相同組換え(HR)を使用。この方法は、依然としてVVベクターを構築するために広く使用されています。遺伝子改変の導入は、前感染細胞におけるVVゲノムとの再結合HRためのシャトルベクターを使用することによって達成されます。しかし、この方法は、(1%未満の相同組換えの効率16)は非常に非効率的であることが証明されていると、しばしば非標的領域および/またはウイルスの拡大の際にマーカーの損失に選択マーカーのランダム挿入をもたらします。
ゲノム遺伝子座に外来性DNAを挿入するためのDNAの相同組換えの効率が飛躍的に二本鎖切断(DSB)17の存在下で増強することができます。そのため、ターゲット遺伝子座でのDSBを誘導することができる技術がVVのゲノム工学のための大きな可能性を保持しています。
最近開発されたCRISPR-Cas9システムは、任意のVV遺伝子領域でのDSBをトリガするための約束を示しています。 CRISPR-Cas9はRNA-ですファージおよび他の外来遺伝物質18-20を侵略に対する適応免疫に関与して案内されるヌクレアーゼ。微生物種21の範囲で3 CRISPR-CASシステムがあります。タイプII CRISPR-CASシステムは、真核細胞および大きなウイルスのゲノムを編集するために広く使用されています。これは、( 化膿連鎖球菌から)RNA誘導型Cas9エンドヌクレアーゼ、単一のガイドRNA(sgRNA)およびトランス活性化crRNA(tracrRNA)22-24で構成されています。 Cas9 / sgRNA複合体は、哺乳動物細胞22内の 5'-NGG-3 'Protospacer隣接モチーフ(PAM)シーケンス、23の前に相補的な20ヌクレオチドゲノム配列を認識しています。それが正常に遺伝的に改変された細胞、ウイルスの効果的な生成のために使用されてきましたおよび動物モデル22-32。
CRISPR-Cas9システムは、CV-1細胞を感染させたVVの細胞質での相同組換えと組み合わせて標的ゲノムのための効率的なツールであることが証明されていますSは変異ワクシニアウイルス33、34を生成する。この方法の潜在的なアプリケーションを拡張するために、我々は、このシステムの方法論に関する詳細な情報を提示します。説明されたプロトコルは、特定の遺伝子欠失を有する変異体VV作成および/または治療的導入遺伝子を有する変異ウイルスのアームに使用することができます。
標的RNAとCas9構築と修復ドナーベクターの作製
2.播種細胞(1日目)
Cas9プラスミドとgRNAプラスミドの3トランスフェクション(2日目)
CV-1細胞およびシャトルドナーVの4感染エクタートランスフェクションHRのための(3日目)
5.収穫組換えウイルス(4日目)
変更されたVV(ファーストラウンド)の6.精製
変更されたVVの7.精製(2回戦)
プラークプリ8.さらなるラウンドfication
9.展開し精製したプラーク(複数可)
PCRを用いた変異VVの変形例10.検証
新しいVVベクターの構築のために、重要な出発点は、ゲノムの特定の領域を標的とすることができるドナーシャトルベクターを設計し、構築することです。この研究では、VV N1L遺伝子は、例えば、ターゲットとして使用しました。 VVにおける組換えおよび標的領域のためのドナーシャトルベクターのカセットは、 図1に示されている。相同組換えの効率を高めるために、Cas9およびN1L固有gRNAを発現するプラスミドをCVに同時トランスフェクトしました。相同組換え33を実行する48時間前に-1細胞。 1日(24時間)後、トランスフェクションは、RFPは、CV-1細胞( 図2)で発現させました。相同組換え(ステップ5)からの全溶解物でCV-1細胞の感染後に、RFP陽性および陰性のプラークを、両方のCV-1細胞( 図3)で観察されました。精製プロトコールに記載した後、純粋なプラークCO精製の3-5ラウンド後に得られるULD。 図4に示すように、突然変異体ワクシニアウイルスの純粋なプラーク由来の細胞溶解物に感染させた後、すべてのプラークがRFP信号を提示しました。純粋な変異体VVが正しい遺伝子修飾を有していたかどうかを確認するために、PCRは、 図5に示すように、標的N1L遺伝子が存在しないことを確認した。修飾ウイルスのPCRは、RFPとN1L不在信号(のための正のシグナルを示しました図5レーンAG)、無傷のN1L領域と制御ウイルス(CTR)のためN1LのPCRの結果が正である間。 A52Rの制御DNA断片は、すべての組換えウイルスおよびセンターウイルス陽性でした。 RFP陽性プラークにおけるHR効率は、(それが前作34にまで94%であった)この実験では100%(6/6)です。本明細書に記載される方法は、従来のプロトコル33、34と比較して、100以上の倍再結合効率を向上させることができます。
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図2:相同組換え後のCV-1細胞1日のイメージングある日AFTER相同組換え、細胞VVに感染させ、修理ドナーベクターによってトランスフェクトは、RFP陽性であるA:位相コントラスト画像(元倍率100X)B:蛍光顕微鏡画像(元の倍率100倍)。スケールバー=50μmである。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図3:変異ウイルスの最初のラウンド精製におけるRFP陽性プラーク変異ウイルスの第一ラウンドの精製では、標的領域の欠失を有する(赤線で丸で囲んだ)RFP陽性プラークをすることによって形成されたプラークに囲まれています。 (黄色の線で丸で囲んだ)は、野生型ウイルスA:位相コントラスト画像(原倍率100X)B:蛍光MICRoscopy画像(元の倍率100倍)。スケールバー=50μmである。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図4:VVは 、精製の3-5ラウンドの後、純粋なプラークがすべてのプラークとして得られた純粋な変異体は、RFP陽性であったA:位相コントラスト画像(元倍率100X)B:蛍光顕微鏡像(元倍率100X) 。スケールバー=50μmである。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図5:VerificatioVVから抽出した純粋な変異VV。DNAのnが、CV-1細胞を感染させました。 N1Lは、N1Lプライマーを用いてPCRにより確認した対象領域の欠失は、N1L領域へのRFPの挿入はRFPのプライマーを用いたPCRによって確認しました。レーンAFは6精製されたプラークに対応し、レーンGは前作33で検証N1L欠失を有する制御プラークで、レーンセンター(制御)(N1L地域そのままで)、野生型ワクシニアウイルスです。 A52R遺伝子は、全ての試料について対照遺伝子として増幅した。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
治療目的のためにVVの変更に関する二つの主な目標があります。一つは、抗腫瘍治療用ウイルスを弱毒化するチミジンキナーゼ(TK)遺伝子のような特定の遺伝子を削除することです。他には、(例えば、GM-CSFなど)、所望の治療遺伝子または(例えばルシフェラーゼ遺伝子など)マーカー遺伝子とVVを武装することです。これらのいずれかを達成することが目標領域/遺伝子の欠失を伴います。直接DNAライゲーション法35とインビトロパッケージング方法36は、TK遺伝子改変を有する突然変異体ワクシニアウイルスを生成するために以前に使用されてきました。しかしながら、これらの方法は、原因、ゲノム全体で固有の制限酵素部位がないために、ゲノムの他の領域の突然変異に関するアプリケーションが限られています。変異体VVを作成する現在のアプローチは、相同組換えincorporatiを誘導するために、2つの時間VV感染後のCV-1細胞への選択マーカー(RFP又はGFP)とシャトル(ドナー)ベクターのトランスフェクションを含みます標的領域に選択マーカーをngの。マーカー陽性プラークの選択は、それらの精製トランスフェクションの24時間後が続いています。プラーク精製プロセスは、最後の3〜4週間、10ラウンドを取ると、多くの場合、オフターゲット領域に挿入された選択マーカーとの望ましくない組換えウイルスにつながることができます。 DNA二重鎖切断を効果的に哺乳動物細胞37に相同組換えを誘導することができ、この機構を利用することにより、変異体VVの生成効率が大幅に向上させることができます。 gRNA誘導Cas9システムが正常ゲノム編集に用いられ、25、真核生物22における相同組換えの効率を高めている。最近では、宿主細胞において単純ヘルペスウイルスはgRNA誘導Cas9によって編集されたIアデノウイルスおよび型のゲノムをシステム24。最近、CRISPR Cas9システムを効率的にVVゲノムを編集し、発現させるためのVVベクターを構築するための強力なツールであることが実証されています特定の遺伝子。
N1L gRNAガイド下Cas9と伝統的な相同組換え(HR)メソッドの両方がN1Lの同じ標的部位での成功HRイベントをもたらしました。興味深いことに、しかしgRNAガイド下Cas9は、伝統的なHR法よりも効率の非常に高いレベルでのHRを誘導しました。かくして、gRNA誘導Cas9の使用は、変異のVVを得るために多くのプラークを精製する必要がなくなります。本研究では、大幅gRNAガイド式Cas9システム33を用いて、変異VVを生成するための効率と時間枠を改善しました。注目すべきは、相同組換えの高い効率を得るための1つの重要な工程は、従来の相同組換えを行う前に24時間Cas9およびgRNAを発現するプラスミドでCV-1細胞をトランスフェクトすることです。 24時間の間隔がCas9とgRNAは、合理的なレベルで発現することができます。我々は異なるgRNAはトンをシーケンスことがわかったとしてまた、特定の遺伝子を標的gRNAシーケンスを最適化する必要があるかもしれませんargeting N1L遺伝子は、その効率33、34に変化しました。
編集VVにおけるCRISPR / Cas9のための制限は、組換えの第一ラウンドでRFP陽性プラーク率の低さです。組換えウイルスを含むRFP陽性プラークの十分な数を得るために、通常は、少なくとも10 6ウェルプレートは、第一ラウンド面倒スクリーニングなりれ、必要とされています。したがって、この制限を克服するためのプロトコルを最適化する必要性が依然として存在します。
RFP陽性プラークの小さいサイズは、6ウェルプレートに感染するために使用される溶解物の高容量に起因する別の潜在的な問題です。これを克服するために、溶解物のより小さい体積は、より大きなサイズのRFP陽性プラークを得るために、6ウェルプレートを感染させるために使用されるべきです。溶解物の少量を使用すると、RFP陰性のものからRFP陽性プラークのより良好な分離のために有効になります。そのためプラーク精製の少ないラウンドは、純粋なRFP陽性プラークを得るために必要とされます。
オフターゲット効果は、常に遺伝子編集で不要な課題です。 CRISPR-Cas9は、オフターゲット効果を示しています。 VVは、33、34のゲノム編集しかし、gRNAの注意深い設計により、オフターゲット効果を回避することができる。これは、VVのゲノムを編集するためのgRNA誘導Cas9システムを使用する特定の利点です。生物医学研究のためおよび翻訳医療における変異のVVの開発をスピードアップしますCRISPR / Cas9システムを使用して、VVの約束を与えられました。また、このようなシステムはまた、そのアクチンに基づく運動性のためのVVによって使用されるシグナル伝達経路の切開、細胞生物学の発見を促進するであろう。著者には競合する金銭的利益はありません。
この作業は、MRC DPFS助成金(MR/M015696/1)および中国科学技術省))によって支援されました)。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| Plasmid #41824 | 41824 | Addgene | gRNA クローニングベクター |
| pST1374 | 13426 | Addgene | Cas9 クローニングベクター |
| pGEMT easy | A1360 | promega | repair donor vector cloning |
| One Shot TOP10 Chemically Competent E. coli | C4040-10 | Invitrogen | transformation |
| QIAprep Spin Miniprep Kit | 27106 | Qiagen | プラスミド抽出 |
| Dulbecco'のイーグル」s Medium (DMEM) | 11965-092 | Life Technologies | cell culture medium |
| fetal wevine serum (FBS) | SH30088.03HI | Hyclone | 細胞培養血清 |
| ペニシリン、ストレプトマイシン | 15070-063 | Thermo Scientific | 抗生物質 |
| Effectene | 301425 | Qiagen | トランスフェクション |
| Thermo Scientific Nalgene 低温バイアル; 2.0 mL | W-06754-96 | Thermo Scientific | コレクトウイルス |
| 蛍光顕微鏡 | オリンパス BX51 蛍光 | オリンパスは | RFP陽性plque |
| DNeasy Blood &ティッシュキット | 69506 | Qiagen | DNA extraction |
| Extensor Long PCR ReddyMix Master Mix | AB-0794/B | Thermo Scientific | PCR reagent |
| 10 cm 培養皿 | Z688819-6EA | シグマ | 細胞培養 |
| シグマ | Z707759 | 6ウェルプレート | |
| 細胞スクレー | パーC5981 | シグマ | スクラップ細胞 |
| 1xトリプシンEDTA溶液 | T4299 | シグマ | トリプシン細胞 |
| Virkon | 95015661 | Anachem Ltd | 剤 |
| ファルコンチューブ | CLS430791-500EA | シグマ | ホールドセルサスペンション |
| N1Lフォワード5'-TATCTAGCAATGGACCGT-3' | シグマ | PCRプライ | |
| マーN1L逆 5'-CCGAAGGTAGTAGCATGGA-3' | シグ | マPCRプライ | |
| マーA52Rフォワード5'-ATAGGATTGTGTGCATGC-3' | シグマ | PCRプライ | |
| マーA52Rリバース5'-TTGCGGTATATGTATGAGGTG-3' | シグマ | PCRプライ | |
| マーRFPフォワード5'-GCTACCGGACTCAGATCCA-3' | シグマ | PCRプライ | |
| マーRFPリバース5'-CGCCTTAAGATACATTGATGAG-3' | シグマ | PCRプライマー | |
| アルガロース | A7431 | シグマ | リゾリュートPCR産物 |
| G:BOX F3 | G:BOX F3 | Syngene | UVゲルドクター |
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