ここでは、クラスター化された規則的な間隔を空けた短い回文反復法(CRISPR)/CRISPR関連エンドヌクレアーゼ(Cas9)ベースの技術を使用して免疫系の目的の遺伝子をノックアウトする方法と、分化クラスター40(CD40)アゴニスト抗体誘発性大腸炎モデルにおけるこれらのマウスの評価について説明します。
方法論記事
ここでは、クラスター化された規則的な間隔を空けた短い回文反復法(CRISPR)/CRISPR関連エンドヌクレアーゼ(Cas9)ベースの技術を使用して免疫系の目的の遺伝子をノックアウトする方法と、分化クラスター40(CD40)アゴニスト抗体誘発性大腸炎モデルにおけるこれらのマウスの評価について説明します。
免疫系は、細菌やウイルスなどの外来の侵入者から人間を守るために機能しています。しかし、免疫系の障害は、自己免疫、炎症性疾患、および癌につながる可能性があります。炎症性腸疾患(IBD)は、クローン病(CD)や潰瘍性大腸炎(UC)など、腸の炎症を再発する慢性疾患です。IBDは欧米諸国で最も蔓延していますが(1,000人に1人)、世界中で発症率は増加しています。関連研究を通じて、研究者は何百もの遺伝子をIBDの病理に関連付けてきました。しかし、IBDの背後にある精巧な病理と多数の潜在的な遺伝子は、最適な治療標的を見つける上で大きな課題を提起しています。さらに、各遺伝的関連を機能的に特徴付けるために必要なツールは、各遺伝子の遺伝子改変マウスの生成など、多くの律速制限因子を導入します。標的遺伝子の治療可能性を調べるために、クラスター化された規則的な間隔を空けた短い回文反復配列(CRISPR)/CRISPR関連エンドヌクレアーゼ(Cas9)ベースの技術と、分化クラスター40(CD40)アゴニスト抗体を使用してモデルシステムを開発しました。本研究は、免疫系におけるCRISPR/Cas9を介した編集が、in vivoでの遺伝子の影響を調査するために使用できることを示しています。造血コンパートメントに限定されたこのアプローチは、結果として再構成された免疫系を確実に編集します。CRISPR/Cas9編集マウスは、従来の遺伝子改変マウスよりも早く作製でき、はるかに安価です。さらに、マウスのCRISPR/Cas9編集は、遺伝子改変マウスを作製して育種する場合と比較して、胚致死的な標的を評価する能力など、科学的な利点も大きいです。本研究では、CD40アゴニスト抗体誘発性大腸炎モデルにおいて、CD40をモデルターゲットとして、このアプローチの実現可能性を実証しています。
自己免疫疾患とは、患者の免疫系が自分の細胞や臓器を攻撃し、慢性的な炎症や組織損傷を引き起こす状態を指します。これまでに約100種類の自己免疫疾患が報告されており、人口の3〜5%が罹患しています1。全身性エリテマトーデスやIBDなど、自己免疫疾患の多くは効果的な治療法がなく、アンメット・メディカル・ニーズが顕著です。現在、米国だけで約150万人が罹患しているIBDは、進行性、持続性、再発性の腸内炎症を特徴とする壊滅的な病気で、治療法はありません。IBD患者が必要とする新しい治療および予防戦略を提供するためには、根本的な病因と病態生理学を解明する必要があります2,3。
ゲノムワイド関連解析(GWAS)4により、230種類以上のIBD遺伝子座が同定されています。これらの関連により、IBDの主要なメカニズムと経路において重要な役割を果たす可能性のある新しい遺伝子が解明されましたが、これらの遺伝子座からの遺伝子はごくわずかしか研究されていません。一部の遺伝子は、特定の経路に関与しています。例えば、微生物感知経路は、ヌクレオチド結合オリゴマー化ドメイン含有タンパク質2(NOD2)に関連しています。オートファジー経路は、オートファジー関連16 like 1(ATG16L1)、免疫関連GTPアーゼファミリーM(IRGM)、およびカスパーゼリクルートドメインファミリーメンバー9(CARD9)に関連しています。また、炎症誘発性経路は、インターロイキン(IL)-23駆動型T細胞応答に関連しています4。GWAS 5,6を通じて同定された遺伝子を機能的に特徴付けるために、さまざまなin vivoマウスモデルが使用されています。
IBDの病因を研究するために使用された主要なモデルの1つは、免疫不全マウス(T細胞およびB細胞)にCD40アゴニスト抗体を注射した後に自然免疫腸の炎症を誘発する大腸炎のCD40モデルです。主にIBD(主にマクロファージおよび樹状細胞)9の自然免疫の発症への寄与を調べるために使用され、完全に免疫能の高い野生型(WT)マウスで疾患を誘発できるかどうかは不明である。動物モデルに加えて、化合物や生物製剤などの遺伝子の機能特性評価には、遺伝子特異的なツールも必要です。さらに重要なことは、遺伝子改変動物は特定の遺伝子の機能を明らかにするために不可欠であるということです。しかし、遺伝子組み換えマウスの胚注入と育種に通常使用される戦略は、多くの場合、1年以上かかり、多額の財政的コストを負担します。この律速プロセスは、GWASによって同定されたIBD関連遺伝子の機能を解明する上で大きな課題を提示しています。
ここで紹介するプロトコルは、遺伝子改変マウスの繁殖に代わる実行可能な代替手段を提供します。まず、 図1 の概略図に示すように、系統陰性、幹細胞抗原1陽性、受容体チロシンキナーゼKit陽性(lineage-Sca1+c-Kit+またはLSK)細胞を、特定の対立遺伝子(CD45.2)を有するCas9ノックイン(KI)マウスの骨髄から単離し、ドナー免疫細胞の追跡を可能にする。次に、これらの細胞を、異なるガイドRNA(gRNA)と蛍光マーカーである紫色励起緑色蛍光タンパク質(VexGFP)を持つレンチウイルスに曝露して、形質導入細胞の追跡を可能にします。2日後、VexGFP+細胞を選別し、致死的に照射したレシピエントLy5.1 Pep Boyマウス(CD45.1対立遺伝子を持つC57Bl/6マウス)に注入して、レシピエント免疫細胞の追跡を可能にします。12週間後、免疫系は完全に再構成され、マウスをin vivoモデルに登録することができます。
この方法論は、遺伝子組み換え動物の作製と育種と比較して、コスト削減と世代までの時間の短縮という利点に加えて、造血コンパートメントを特異的に標的とするため、胚致死的な標的に最適です。さらに、抗体などのツールが利用できないターゲットに対しても、このシステムは実現可能なアプローチを提供します。要約すると、これまでに述べた課題に対処するために、遺伝子改変動物モデル10,11,12,13,14を迅速に生成するために、in vivo CRISPR/Cas9ベースのゲノム編集プラットフォームが開発された。この研究は、WT C57Bl/6マウスの腸内炎症がCD40アゴニスト抗体によって誘発されることを示しています。CD40は、このモデルでは疾患の重要な調節因子であるため、CRISPR/Cas9ベースのノックアウトと遺伝子機能の喪失を検証するためのモデルターゲットとして使用されました。
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このプロトコルに従って行われるすべての動物実験は、それぞれの動物実験委員会(IACUC)によって承認されなければなりません。ここに記載されているすべての手順は、AbbVie IACUCによって承認されています。
1. 必要なレンチウイルスの作製とドナー・レシピエント動物の調達
注: 資料表 には、このプロトコルで使用されるすべての動物、器具、および試薬の供給元番号と注文番号の詳細が含まれています。
2. 骨髄採取と細胞選別の準備
3. 形質導入のためのLSK細胞を単離するためのセルソーティング
4. LSK形質導入と培養による制御細胞とノックアウト細胞の作製
5. ドナー幹細胞生着準備のための動物照射
6. 放射線照射を受けた動物への細胞調製と注入
7. 野生型マウスにおけるCD40アゴニスト抗体誘発性大腸炎モデル
注:動物を毎日体重を量り、評価してください。必要に応じて支持療法を提供します:10%の体重減少で1.0mLの皮下塩化ナトリウム溶液、または脱水状態の場合。このモデルのポジティブコントロールは、-1日目から週に2回、25 mg / kgで腹腔内に投与される抗p40です。
注:この研究では、実験グループには、ナイーブコントロール、ビヒクル(ネガティブ)コントロール、およびアンチp40(ポジティブ)コントロールグループが含まれていました。これらのグループは、CD40アゴニスト抗体誘発性大腸炎モデルの正常な挙動を制御します。ベクター、SgNone、およびSgRNAグループ:一般的なレンチウイルスベクターのベクターコントロール、SgNoneはスクランブルされたノンターゲティングガイドコントロールであり、SgRNAグループは標的gRNAの発現が低下した「治療」グループです。
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上述の手順に従い、CD40を標的としたgRNAを発現するマウスを作製した。2週目までに、B細胞、CD11b+マクロファージ、およびCD11c+樹状細胞(DC)が生着しました(図2)。しかし、T細胞は、以前の文献18に基づいて予想されたように、完全に生着するまでに時間がかかり、生着後~90%に達するには生着後12週間を要しました(図2)。脾臓やリンパ節などの免疫器官は、ドナー由来の細胞の最も顕著な集団を持っていました。しかし、肝臓、肺、腸などの他の臓器でもドナー細胞の存在が示されました(図3)。CD40発現の大幅な減少は、CD40を標的とするgRNAを発現するマウスでのみ観察されました(図4)。
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今回紹介する結果は、このCD40アゴニスト抗体誘発性大腸炎モデルにおける遺伝子機能を調査できる、新しいCRISPR/Cas9ベースのゲノム編集プラットフォームを紹介するものです。セルソーティングにより、遺伝子改変LSK細胞のプールが濃縮され、再構成された動物内でのCD40発現がわずか4か月で90%以上減少しました。さらに、免疫系内でのCD40の発現の減少は、CD40アゴニスト抗体誘発性大腸炎モデル内で大きな影響を及ぼし、疾患のエンドポイントを大幅に減少させました。これらの結果に基づいて、in vivo CRISPR/Cas9ベースのプラットフォームが確立され、研究者は免疫系内の遺伝子の機能を研究するための強力なツールを得ることができます。この技術の進歩により、新たな標的生物学の検証プロセスが促進され、最終的には、必要とするIBD患者や自己免疫患者に革新的な治療法を提供する能力がもたらされます。
ここで紹介するCRISPR/Cas9ベースのプラットフォームは、WT C57Bl/6マウスにおける効率的かつ効果的な遺伝子...
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この研究のデザイン、研究実施、および財政的支援は、AbbVieによって提供されました。AbbVieは、データの解釈、レビュー、および出版物の承認に参加しました。著者は、利益相反を宣言しません。
この活動を支援してくださったRuoqi Pengさん、Donna McCarthyさん、Jamie Eriksonさん、Liz O'Connorさん、Robert Dunstanさん、Susan Westmorelandさん、Tariq Ghayurさんに感謝します。WT C57Bl/6マウスにおけるCD40アゴニスト抗体誘発性大腸炎モデルの確立におけるリーダーシップについて、Rajesh Kamath氏をはじめとする薬理学のリーダーに感謝します。また、AbbVie Bioresearch CenterおよびCambridge Research CenterのComparative Medicine East Departmentの皆様に、in vivo実験をご支援いただき、誠にありがとうございました。
CRISPR試薬を提供してくださったBroad InstituteおよびMassachusetts Institute of TechnologyのMcGovern Institute of Brain ResearchのZhang研究室に感謝いたします。Cong、L、Ran、FA、Cox、D、Lin S、Barretto、R、Habib N、Hsu PD、Wu X、Jiang W、Marraffini LA、Zhang F Science。2013年1月3日]。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 6ウェル組織培養プレート | Corning/Costar | #3506 | |
| TransIT-LT1 | Mirus Bio | MIR 2300/5/6 | |
| MACS Buffer (autoMACS Running Buffer) | Miltenyi Biotec | 130-091-221 | |
| 0.45 µm フィルターユニット | Millipore | #SLHV013SL | |
| 0.6 mL 微量遠心チューブ | Axygen | MCT-060-C-S | |
| 1.5 mL Eppendorf チューブ | Axygen | MCT-150-C-S | |
| 15mL コニカル | VWR | 21008-918 | |
| 23 G ニードル | VWR | #305145 | |
| 24 ウェル ノン TC プレート | Falcon | #351147 | |
| 24ウェルTCプレート | Falcon | #353047 | |
| 50 mL コニカルチューブ | VWR | 21008-951 | |
| 5 mL Syringe | BD Biosciences | #309647 | |
| 70 µm Filter | Miltenyi | #130-098-462 | |
| 96-Well Flat Bottom Plates | Corning | #3599 | |
| 96-Well U-Bottom Plates | Corning/Costar | #3365 | |
| Anesthesia Machine | VetEquip - COMPAC5 | #901812 | |
| Anti-CD40 Agonist monoclonal antibody | BioXcell | BE-0016 | |
| Anti-p40 monoclonal antibody | BioXcell | BE-0051 | |
| B220 PE 抗体 | BioLegend | #103208 | |
| ウシ血清アルブミン | Sigma Aldrich | A7906-100G | |
| Cas9 ノックインマウス | Jackson Labs | #026179 | C57Bl/6 バックグラウンド |
| CD117+ ビーズ | Miltenyi | #130-091-224 | |
| CD11b PE 抗体 | BioLegend | #101208 | |
| CD3 PE 抗体 | BD Biosciences | #553240 | |
| Centrifuge | Beckman Coulter | Allegra 6KR Centrifuge | |
| Countertop Centrifuge | Eppendorf | Centrifuge 5424 | |
| DPBS | ThermoFisher | #14190136 | |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium | Mediatech | #10-013-CV | |
| エチレンジアミン四酢酸 (EDTA) | Invitrogen | AM9260G | |
| 内視鏡 | カールストルツ | N/A | Custom Coloview Tower |
| Flow cytometer | BD Biosciences | FACS Aria II | |
| Fms-related tyrosine kinase 3 ligand (Flt-L) | PeproTech | #250-31L | |
| Gr-1 PE 抗体 | BD Biosciences | #553128 | |
| Hank's balanced salt solution (HBSS) | ThermoFisher | #14170120 | |
| Heat-Inactivated Fetal Bovine Serum | HyClone | #SH30071.03 | |
| IL-7 | PeproTech | #217-17 | |
| Incubator | Binder | #9040-0116 | |
| Isoflurane | HenrySchein | #6679401710 | |
| LS Column | Miltenyi | #130-042-041 | |
| Ly5.1 Pepboy Mice | Jackson Labs | #002014 | C57Bl/6 |
| バックグラウンドマウス幹細胞因子 (mSCF) | PeproTech | #250-03 | |
| 塩化ナトリウム (NaCl) | Hospira | #00409488850 | |
| OPTI-MEM 無血清培地 | Invitrogen | #31985-070 | |
| Penicillin-streptomycin (PenStrep) | ThermoFisher | #15140-122 | |
| Plate Shaker | , | ThermoFisher#88880023 | |
| pLentiPuro | Addgene | #52963 | |
| Polybrene (10 µg/µL) | Sigma Aldrich | #TR-1003-G | |
| 赤血球溶解バッファー | eBioscience | #00-4333 | |
| レトロネクチン | Takarbio | #T100B | |
| SCA-1 APC 抗体 | BioLegend | #108112 | |
| StemSpan | StemCell Technologies | #09600 | |
| Ter119 PE 抗体 | eBioscience | #12-5921 | |
| トロンボポエチン(TPO) | PeproTech | #315-14 | |
| X線照射器 | 精密X線 | X-Rad 320 |
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