CRISPR Cas は植物や動物の複雑なゲノムをエンジニア リングする強力な技術です。ここでは、我々 は異なる Ca 酵素を使用して人間のゲノムを効率的に編集するためのプロトコルを詳しく説明します。我々 は、重要な考慮事項と編集の効率を最適化する設計パラメーターを強調表示します。
CRISPR Cas は植物や動物の複雑なゲノムをエンジニア リングする強力な技術です。ここでは、我々 は異なる Ca 酵素を使用して人間のゲノムを効率的に編集するためのプロトコルを詳しく説明します。我々 は、重要な考慮事項と編集の効率を最適化する設計パラメーターを強調表示します。
クラスター化された定期的に空間の短い回文繰り返し (CRISPR) システムは細菌の適応免疫の自然機能が、用途が正常に変更されて多くの異なる生物のゲノム工学のため。最も一般的に、または CRISPR 関連 9 (Cas9) または非相同末端結合 (NHEJ) 経路や相同性監督の修理 (を介して修理する DNA 二本鎖切断後、ゲノムの特定のサイトを切断するために使用 Cas12a エンドヌクレアーゼドナーのテンプレートがあるかによって HDR) 経路は、不在またはそれぞれ現在です。日には、哺乳類細胞でゲノムの編集を実行できるように細菌の異なる種から CRISPR システムを示されています。ただし、技術の見かけのシンプルさにもかかわらず複数の設計パラメーター必要があります考慮する頻繁のゲノム実験を編集を行う最高について当惑のユーザーを残して。ここでは、ゲノムを実験哺乳類セルラインでの編集が正常に実行を容易にする目的で、必要な DNA の変更を運ぶ細胞クローンの同定実験の設計から完全なワークフローを記述します。CRISPR システム、スペーサーの長さ、および単一座礁させた分野 (ssODN) ドナー テンプレートのデザインの選択など、メモを取るユーザーの重要な考慮事項を強調表示します。このワークフローは、遺伝子ノックアウト研究、疾患モデルの作業、役に立つでしょうか、記者の生成細胞を思い描いてください。
すべての生きている有機体のゲノムをエンジニア リングすることで、病原の補正など、多くの医学・ バイオ テクノロジー アプリケーションの突然変異、病気の研究、正確な細胞モデルの構築や農業の生成望ましい特徴を持つ作物。世紀の変わり目以来は、哺乳類セルの meganucleases1,2,3を含むゲノム工学の様々 な技術が開発されて、亜鉛指の核酸の4、5、または転写活性化因子のようなエフェクター核酸分解酵素 (TALENs)6,7,8,9。ただし、これらの以前のテクノロジは、プログラムすることは困難または組み立て、退屈な研究と業界での普及を阻害します。
近年では、クラスター化された定期的に空間短い回文繰り返し (CRISPR) - CRISPR 関連 (Cas) システムは、強力な新しいゲノム工学技術10,11として浮上しています。もともと細菌の適応免疫系、それ正常にされている人間を含む動植物のゲノム育種のために展開します。なぜ CRISPR Cas は、このような短い時間でそんなに人気を得ている主な理由 Cas9 や Cas12a (Cpf1 とも呼ばれます) など、キー Cas エンドヌクレアーゼをもたらす要素は、ゲノム内の正しい場所は単にキメラ シングル ガイド RN の短い作品(SgRNA) を設計するは簡単で合成する安価であります。ターゲット サイトに採用されて後、Cas 酵素分子はさみのペアとして機能し、その RuvC、アレイ、または Nuc ドメイン12,13,14バインドされた DNA を切断します。結果として得られる二重鎖休憩 (DSB) 後で非相同末端結合 (NHEJ) または相同監督修理 (HDR) 経路を介して細胞によって修理されています。修理のテンプレートがない場合は、DSB のヌクレオチド (オクターリピート) カットのサイトでの擬似ランダム挿入または削除に上昇を与えることができます、エラーを起こしやすい NHEJ 経路による蛋白質のコーディングの遺伝子のフレーム シフト変異を引き起こす可能性があります修理です。ただし、目的の DNA の変更を含むドナー テンプレートの存在下で、DSB は忠実度の高い HDR 経路によって修復します。ドナー テンプレートの一般的な種類には、一本鎖オリゴヌクレオチド (ssODNs) とプラスミドがあります。前者は、後者は通常使用されますが比較的長いシーケンスを挿入を希望する場合は、目的の DNA の変化が (たとえば、単一の基礎ペアの変化)、小さい場合に使われる (例えば、緑色蛍光蛋白質のコーディング シーケンスまたはGFP) ターゲット遺伝子座に。
Cas タンパク質の酵素活性には、ターゲット サイト15protospacer の隣接するモチーフ (PAM) の存在が必要です。Cas9 PAM、protospacer の 3' 端に (Cpf1 とも呼ばれる) Cas12a PAM 5' 端に代わりに16。Ca ガイド複雑な RNA は PAM17欠席がある場合、DSB を導入することができます。したがって、PAM は、特定の Ca ヌクレアーゼは切断することができるゲノムの位置に制約を配置します。幸いなことに、Cas 細菌種の核酸分解酵素は通常さまざまな PAM 要件を展示します。したがって、様々 な CRISPR Cas システムを当社のエンジニア リングのツールボックスに統合することで、ゲノムの対象にできるサイトの範囲を展開できます。さらに、自然な Ca 酵素を設計またはさらにゲノムのターゲット操作18,,1920にアクセスできる範囲を拡大、PAM のオルタナティブ シーケンスを認識するように進化できます。
複数 CRISPR Cas システムはゲノム エンジニア リング目的で利用できるが、技術のほとんどのユーザーは、複数の理由主に化膿連鎖球菌(SpCas9) から Cas9 ヌクレアーゼに頼ってきました。まず、比較的単に NGG PAM、複雑 PAMs の存在下でのみ切断することができます他の多くの Ca のタンパク質とは異なりが必要です。第二に、ひと細胞21,22,23,24で展開することに最初の Ca エンドヌクレアーゼです。第三に、SpCas9 は日付に最高の特徴酵素を抜いて。研究者別の Ca ヌクレアーゼを使用する場合、彼または彼女しばしば不明瞭でしょう実験や SpCas9 と比較して異なる生物学的文脈で他の酵素がどのように実行される設計する最善の方法について。
異なる CRISPR Cas システムの相対的なパフォーマンスに明快さを提供するために我々 は最近 5 Ca 酵素-SpCas9、黄色ブドウ球菌(SaCas9)、から Cas9 の酵素 Cas9 酵素の体系的な比較を実行しました。髄膜炎菌(NmCas9)、(AsCas12a)、 Acidaminococcus sp BV3L6 から Cas12a 酵素と菌Lachnospiraceae ND2006 から Cas12a 酵素 (LbCas12a)25。公正な比較のためのターゲット ・ サイトと他の実験条件の同じセットを使用してさまざまな Cas 核酸を評価されます。技術のユーザーのための有用な参照として役立つであろう CRISPR Cas システムごとにも線引き研究設計パラメーター。ここより良い CRISPR Cas の活用研究を有効にするシステム、我々 は別の Cas9 と Cas12a の酵素 (図 1参照) で最適なゲノム工学のステップバイ ステップのプロトコルを提供します。プロトコルにはだけでなく哺乳類細胞で成功したゲノム エンジニア リング結果の可能性を最大限にまた重要な設計上の考慮事項が、実験の詳細が含まれます。

図 1: ゲノムを生成するためのワークフローの概要がひと細胞ラインを編集します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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1. sgRNAs の設計
| Ca エンドヌクレアーゼ | PAM | 最適なスペーサーの長さ |
| SpCas9 | NGG | 17-22 nt インクルーシブ |
| SaCas9 | NNGRRT | ≥ 21 nt |
| NmCas9 | NNNNGATT | ≥ 19 nt |
| AsCas12a と LbCas12a | TTTV | ≥ 19 nt |
表 1: 同種 PAMs と最適な sgRNA 長さ一般的に使用される Cas 酵素。N = 任意のヌクレオチド (A、T、G、または C);R = A または G;V = A、C、または g.
| CRISPR プラスミド | シーケンス |
| pSpCas9 と pSaCas9 | 意味: 5 ' - CACC (G) NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNN - 3' アンチセンス: 3 ' - (C) NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNCAAA - 5' |
| pNmCas9 | 意味: 5 ' - CACC (G) NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNN - 3' アンチセンス: 3 ' - (C) NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNCAAC - 5' |
| pAsCas12a と pLbCas12a | 意味: 5 ' - AGATNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNN - 3' アンチセンス: 3 ' 5' - NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNAAAA- |
表 2: sgRNA のシーケンスを最近の評価で使用される CRISPR プラスミドにクローニングに必要なオリゴヌクレオチド研究25 。オーバー ハング、斜体で示します。

図 2: ターゲット サイトを選択し、CRISPR プラスミドにクローニングするためのオリゴヌクレオチドを設計する方法を示す例します。ここには、ターゲットの genomic 位置は CACNA1D 遺伝子のエクソン 45 です。SpCas9 と SaCas9 の PAMs NGG と NNGRRT は、それぞれ AsCas12a の PAM 中、赤で強調表示され、LbCas12a TTTN は、緑色で強調表示されます。緑の鉄棒が 2 つの Cas12a 酵素の protospacer を示し、赤色の横線は SpCas9、SaCas9、protospacer を示します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
2. クローニング バックボーン ベクトルにオリゴヌクレオチドの

図 3: CRISPR プラスミドの例。(、) A の地図はプラスミッドのさまざまな重要な機能を示します。ここでは、EF 1 a プロモーターは、U6 プロモーター、sgRNA の式のドライブ Cas9 の式を駆動します。Amp(R) では、アンピシリン耐性遺伝子プラスミッドのことを示します。(b) プラスミッドで「BbsI BplI クローニング サイト」のシーケンス。BbsI の認識順序は GAAGAC と BplI の認識シーケンスはギャグ-N5に赤で示されます - CTC、緑色で示されています。(c) プライマー プラスミッドに sgRNA シーケンスが正常にクローン化されたかどうかをチェックするコロニー PCR に使用できます。HU6_forward プライマーは、普遍的な M13R(-20) プライマーはプラスミド マップ上のピンクの矢印で示されている間、プラスミド マップ上の紫色の矢印によって示されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
3. 設計と修理テンプレートの合成
注: 精度ゲノム工学の DNA、必要な変更を指定するテンプレートの CRISPR 試薬と共に提供する必要があります。単一のヌクレオチドの変化などちょっとした DNA 編集 ssODN ドナー テンプレートが最適 (セクション 3.1 を参照) です。GFP の挿入など大きい DNA 編集タグ 5' または 3' 特定の蛋白質コーディングの遺伝子のプラスミド ドナー テンプレートは、最も適した (3.2 節参照)。

図 4: SsODN ドナー テンプレートのデザイン。(、) 様々 な可能な設計を示す模式図。赤い水平長方形は、青い四角形を示すターゲット (T) ストランド間非ターゲット (NT) 鎖を示します。さらに、小さな緑の四角形は、(単一のヌクレオチドの変更) など目的の DNA 修飾を示します。それぞれの相同性の腕の最小の長さが少なくとも 17 をする必要があります対称 ssODN を使用すると、nt (が、長くすることができます)。非対称 ssODNs 37/77 T ssODN 77/37 NT ssODN は、Cas12a による HDR に最適と思われる SpCas9 誘起 HDR、最適に表示されます。L = 左相同腕;R = 右ホモロジー腕。(b) ssODN テンプレートを設計する方法を示す具体的な例です。ここでは、ターゲットの genomic 位置はエクソン CACNA1D 遺伝子の 45 です。PAM は、Cas9 はピンクで下線付き、一方、PAM Cas12a は茶色、下線します。目的は、ミスセンス変異 (緑で強調表示されている) を作成する AGU (セリン エンコード) を変換することによって AGG (アルギニン エンコード)。Cas12a をターゲットに再ように TTTC PAM CTTC に変異します。アミノ酸 (UAU と UAC チロシンのコード両方) の変化がないことに注意してください。(太字)、UCC コドンに置き換えられます AGU コドン Cas9 をターゲットに再をさらに防ぐため、セリンのコードの両方。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 5: 設計およびドナー、プラスミッドのテンプレートのクローンを作成します。(、) これで目標の具体例は、P2A - CLTA タンパク質の C 末端に GFP を融合することです。青い横長の長方形は左側相同性腕を示し、赤い横長の長方形右側相同性腕を示します。大文字は、小文字を示す非コーディング シーケンス中蛋白質のコーディング シーケンスを示します。SpCas9 と Cas12a の PAMs が斜体、下線します。(b) プラスミド ドナー テンプレート CLTA の C 末端タグ P2A GFP の内生的に使用することができます。指定されたプライマー シーケンスは、ギブソンのアセンブリによってプラスミッドのクローンを作成する使用できます。PCR の状態は次のとおりです: 30 98 ° C、3 分間 98 ° C s (手順 2)、63 ° C、30 s (ステップ 3)、72 ° C 1 分 (ステップ 4)、別 34 サイクルの 72 ° C、3 分間の手順 2\u20124 を繰り返し、4 ° C で保持黒い文字はベクトル シーケンスに対応、青文字は左側相同アームに対応、P2A GFP に緑色の文字が対応して、右側相同腕に赤い文字対応します。P2A GFP をコードする配列はターゲットの軌跡に正常に統合され、いったん SpCas9 をターゲットに再はできないこと注意ください可能であれば、唯一 9 以来 nt の protospacer (GTGCACCAG) のままになります。また、再 Cas12a、3 つのヒトによるターゲット設定を防ぐために、停止の下流ですぐに太字のコドンがプラスミッド シーケンスから削除されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
4. 細胞のトランスフェクション
注: プロトコルの残りの部分書かれ心 HEK293T 細胞。使用培のダルベッコ変更イーグル培地 (DMEM) 4.5 G/L グルコース, 10% 牛胎児血清 (FBS)、2 mM L-グルタミン, 0.1% ペニシリン/ストレプトマイシンとで構成されています。使用される実際のセルのラインに従って変更するプロトコルの異なる手順があります。すべての細胞培養ワークは、滅菌作業環境を確保するためクラス II の安全キャビネットで行われます。
5. 蛍光アクティブ セルが transfected セル (FACS) を並べ替え
6。 個々 のクローンの拡張
7. 編集効率の評価


図 6: 成功したゲノム編集結果のセルを確認します。通常 2 を示す (、) A の回路図使用の試金、すなわち不一致胸の谷間分析 T7 エンドヌクレアーゼと私 (T7EI) の酵素と次世代シーケンシング (NGS) やターゲットを絞った私アンプリコン シーケンス。青い横棒を示し DNA、黄色の丸は CRISPR Cas システムによる変更を示します。NGS の産物の生成のためのプライマーは赤で示される間、T7E1 の試金のためのプライマーは緑色で示されます。NGS、T7EI 胸の谷間の試金のためのプライマーの設計 (b) シーケンス。ここでは、ターゲットの genomic 位置はエクソン CACNA1D 遺伝子の 45 です。目的変更サイトは、アスタリスクによって示されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
8。 個々 のクローンのスクリーニング
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ゲノムの実験では、クローンを作成する必要があります興味の軌跡 sgRNA ターゲットを表現する CRISPR プラスミドを編集を実行します。最初に、プラスミッドはそれをリニア化する (通常型酵素) 制限の酵素と消化されます。完全および部分的な消化を区別する未消化プラスミドと一緒に 1% の agarose のゲルの消化の製品を解決することをお勧めします。未消化のプラスミドはスーパー、線形化された対応する (図 7を参照) よりも速く走る傾向があります。第二に、sgRNA の 2 つのオリゴヌクレオチドがアニールしカットのプラスミッドに。オリゴヌクレオチドが正常に CRISPR プラスミドのバックボーンにクローニングされているかどうかを確認するのには、(図 7b参照) コロニー PCR が実行されます。肯定的なクローンがプラスミッドが抽出され、サンガーの送信前に接種し、シーケンス。
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CRISPR Cas システムは、エンジニアのゲノムおよびトランスクリプトームの植物や動物に強力な革新的な技術です。CRISPR Cas システムでは、ゲノム、トランスクリプトーム解析目的44をエンジニア リングの適応が可能性があるを含む多くの菌種が見つかっています。化膿連鎖球菌(SpCas9) から Cas9 エンドヌクレアーゼが他の細菌由来の酵素細胞21,22,23,24日に正常に展開するのに最初の酵素表 1に示すように、種は、人間16,26,27,
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著者は競争を持っていない金銭的な利益。
M.H.T. は、科学技術と研究の共同協議会事務所の助成金 (1431AFG103) のための代理店でサポートされて、国立医療研究評議会は、(OFIRG/0017/2016) を付与、国立研究財団補助金 (046-NRF2013-THE001 ・ NRF2013-THE001-093)、教育層 1 の省許可 (RG50/17 (S))、スタートアップは、ナンヤン工科大学、南洋工科大学から国際遺伝子工学機械 (iGEM) 競争のための資金から付与します。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| T4ポリヌクレオチドキナーゼ(PNK) | NEB | M0201 | |
| ビアルカリホスファターゼ(rSAP) | NEB | M0371 | |
| トリス-アセテート-EDTA(TAE)バッファー、50X | 1st Base | BUF-3000-50X4L | 使用前に1倍に希釈してください。1X 溶液には、40 mM Tris、20 mM 酢酸、および 1 mM EDTA が含まれています。 |
| Tris-EDTA(TE)バッファー、10X | 1st Base | BUF-3020-10X4L | 使用前に1倍に希釈してください。1X 溶液には、10 mM Tris(pH 8.0)と 1 mM EDTAが含まれています。 |
| BbsI | NEB | R0539 | |
| BsmBI | NEB | R0580 | |
| T4 DNAリガーゼ | NEB | M0202 | 400,000ユニット/ml |
| クイックライゲーションキット | NEB | M2200 | T4 DNAリガーゼの代替品です。 |
| Rapid DNA Ligation Kit | Thermo Scientific | K1423 | T4 DNAリガーゼの代替品です。 |
| Zero Blunt TOPO PCRクローニングキット | Thermo Scientific | 451245 | この塩溶液は、キットにTOPOベクターが付属しています。 |
| NEBuilder HiFi DNAアセンブリマスターミックスNEB | E2621L | ギブソンアセンブリ用キット。 | |
| ワンショットSTBL3化学的に有能な大腸菌 | サーモサイエンティフィック | C737303 | |
| LBブロス(レノックス)、粉末 | シグマアルドリッチ | L3022 | ddH20で再構成し、オートクレーブ使用前に |
| LBブロスと寒天(レノックス)、粉末 | シグマアルドリッチ | L2897 | ddH20で再構成し、使用前にオートクレーブ |
| SOC培地 | - | - | 2.5 mM KCl、10 mM MgCl2、20 mM グルコース、1 L の LB ブロス |
| アンピシリン (ナトリウム)、USP グレード | ゴールド バイオテクノロジー | A-301 | |
| REDiant 2X PCR Mastermix | 1st Base | BIO-5185 | |
| アガロース | 1st Base | BIO-1000 | |
| T7 エンドヌクレアーゼ I | NEB | M0302 | |
| プラスミド DNA 抽出 Miniprep Kit | Favorgen | FAPDE 300 | |
| ダルベッコ修正イーグルミディアム (DMEM)、高グルコース | Hyclone | SH30081.01 | 4.5 g/L グルコース、L-グルタミンなし、HEPES およびピルビン酸ナトリウム |
| L-グルタミン、200mM | Gibco | 25030 | |
| ペニシリン - ストレプトマイシン、10、000U/mL | Gibco | 15140 | |
| 0.25% トリプシン EDTA、1X | Gibco | 25200 | |
| ウシ胎児血清 | Hyclone | SV30160 | FBS は、56 oC で 30 分間 |
| リン酸緩衝生理食塩水、1X | Gibco | 20012 | |
| jetPRIME トランスフェクション試薬 | Polyplus Transfection | 114-75 | |
| QuickExtract DNA 抽出液、1.0 | Epicenter | LUCG-QE09050 | |
| ISOLATE II ゲノム DNA キット | バイオラインで使用前に熱不活性化されます。 | BIO-52067 | QuickExtract |
| Q5 High-Fidelity DNA ポリメラーゼ | NEB | M0491 | |
| デオキシヌクレオチド (dNTP) 溶液ミックス | NEB | N0447 | |
| 6X DNA ローディング色素 | Thermo Scientific | R0611 | 10 mM Tris-HCl (pH 7.6) 0.03% ブロモフェノールブルー、0.03% キシレンシアノール FF、60% グリセロール、60 mM EDTA |
| プロテアーゼ阻害剤カクテル、Set3 | Merck | ||
| ニトロセルロースメンブレン、0.2µm | バイオ・ラッド | 1620112 | |
| Tris-glycine-SDS バッファー、10X | Bio-Rad | 1610772 | 使用前に 1X に希釈してください。1x溶液には、25 mMトリス、192 mMグリシン、および0.1%SDSが含まれています。 |
| トリスグリシン緩衝液、10X | 1st base | BUF-2020 | 使用前に1倍に希釈してください。1x溶液には、25 mMトリスと192 mMグリシンが含まれています。 |
| Ponceau S solution | Sigma Aldrich | P7170 | |
| TBS, 20X | 1st base | BUF-3030 | 使用前に 1X に希釈してください。1x溶液には、25 mM Tris-HCl(pH 7.5)と150 mM NaClが含まれています。 |
| Tween 20 | Sigma Aldrich | P9416 | |
| Skim Milk for immunoassay | Nacalai Tesque | 31149-75 | |
| WesternBright Sirius-femtogram HRP | Advansta | K12043 | |
| 抗体 β-actin (C4) | Santa Cruz Biotechnology | sc-47778 | ロット番号: C0916 |
| MiSeq system | Illumina | SY-410-1003 | |
| NanoDrop分光光度計 | Thermo Scientific | ND-2000 | |
| Qubit蛍光光度計 | Thermo Scientific | Q33226 | |
| EVOS FL Cell Imaging System | Thermo Scientific | AMF4300 | |
| CRISPRプラスミド:pSpCas9(BB)-2A-GFP (PX458) | Addgene | 48138 | シングルベクターシステム:gRNAは同じプラスミドから発現します。 |
| CRISPRプラスミド:pX601-AAV-CMV::NLS-SaCas9-NLS-3xHA-bGHpA | Addgene | 61591 | シングルベクターシステム:gRNAは同じプラスミドから発現します。 |
| CRISPRプラスミド:xCas9 3.7 Addgene 108379 | デュアルベクターシステム:gRNAは異なるプラスミドから発現します。 | ||
| CRISPRプラスミド:pX330-U6-Chimeric_BB-CBh-hSpCas9 | Addgene | 42230 | シングルベクターシステム:gRNAは同じプラスミドから発現します。 |
| CRISPRプラスミド:hCas9 | Addgene | 41815 | デュアルベクターシステム:gRNAは異なるプラスミドから発現されます。 |
| CRISPRプラスミド:eSpCas9(1.1) | Addgene | 71814 | シングルベクターシステム:gRNAは同じプラスミドから発現します。 |
| CRISPRプラスミド:VP12(SpCas9-HF1) | Addgene | 72247 | デュアルベクターシステム:gRNAは異なるプラスミドから発現します。 |
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