この研究は、CRISPR/Cas9リボヌクレアーゼベースのホモ接合型ローカスト変異体の構築の体系的に最適化された手順と、イナゴ卵の凍結保存と蘇生のための詳細な方法を提供します。
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方法論記事
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この研究は、CRISPR/Cas9リボヌクレアーゼベースのホモ接合型ローカスト変異体の構築の体系的に最適化された手順と、イナゴ卵の凍結保存と蘇生のための詳細な方法を提供します。
渡りバッタである Locusta migratoriaは、人類に莫大な経済的損失をもたらした世界的なペストバッタの1つであるだけでなく、昆虫の変態の重要な研究モデルでもあります。CRISPR/Cas9システムは、特定のDNA遺伝子座を正確に特定し、標的部位内で切断し、二本鎖切断を効率的に導入して標的遺伝子ノックアウトを誘導したり、新しい遺伝子断片を特定の遺伝子座に組み込んだりすることができます。CRISPR/Cas9を介したゲノム編集は、イナゴの研究で遭遇する問題に対処するための強力なツールであり、バッタ防除のための有望な技術です。この研究は、移動性バッタにおけるCas9タンパク質とシングルガイドRNA(sgRNA)の複合体を使用したCRISPR/Cas9を介した遺伝子ノックアウトの系統的プロトコルを提供します。標的部位の選択とsgRNAの設計について詳細に説明し、その後、 in vitro 合成とsgRNAの検証を行います。その後の手順には、卵いかだの収集と日焼け卵の分離が含まれ、死亡率の低いマイクロインジェクションの成功、卵の培養、突然変異率の予備推定、イナゴの繁殖、および編集されたイナゴの個体群の安定性を確保するための突然変異体の検出、保存、および通過が含まれます。この方法は、渡りバッタや他の昆虫におけるCRISPR/Cas9ベースの遺伝子編集アプリケーションのリファレンスとして使用できます。
遺伝子編集技術を使用して、特定のゲノム遺伝子座に挿入または欠失を導入し、目的1で標的遺伝子を人為的に改変することができます。過去数年間で、CRISPR / Cas9技術は急速に発展し、ライフサイエンスのさまざまな分野での適用範囲を拡大しています2,3,4,5,6。CRISPR / Cas9システムは1987年に発見され7、細菌や古細菌に広く見られます。さらなる研究は、ファージ8と戦うためにRNA誘導ヌクレアーゼCas9に依存する原核生物の適応免疫系であることを示しました。人工的に改変されたCRISPR/Cas9システムは、主に単一のガイドRNA(sgRNA)とCas9タンパク質の2つのコンポーネントで構成されています。sgRNAは、標的配列に相補的なCRISPR RNA(crRNA)と、比較的保存されている補助トランス活性化crRNA(tracrRNA)で構成されています。CRISPR/Cas9システムが活性化されると、sgRNAはCas9タンパク質とリボ核タンパク質(RNP)を形成し、RNA-DNA相互作用の塩基対を介してCas9を標的部位に誘導します。次に、二本鎖DNAはCas9タンパク質によって切断され、その結果、標的部位9,10,11,12のプロトスペーサー隣接モチーフ(PAM)の近くに二本鎖切断(DSB)が出現する。DSBによって引き起こされる損傷を軽減するために、細胞は包括的なDNA損傷応答を活性化して、ゲノム損傷を効率的に検出し、修復手順を開始します。細胞には、非相同末端結合(NHEJ)と相同性指向修復(HDR)の2つの異なる修復メカニズムがあります。NHEJは、DNA二本鎖切断を迅速に修復し、細胞のアポトーシスを防ぐことができる最も一般的な修復経路です。ただし、DSBの近くに挿入と欠失(インデル)の小さな断片が残るため、エラーが発生しやすく、通常は読み取りフレームがオープンになり、遺伝子ノックアウトにつながる可能性があります。対照的に、相同修復は非常にまれなイベントです。DSBのコンテキストに相同な配列を有する修復テンプレートが存在することを条件として、細胞は時折、近くのテンプレートに従ってゲノム切断を修復するであろう。HDRの結果、DSBは正確に修復されます。特に、テンプレート内の相同配列間に付加配列がある場合、それらはHDRを介してゲノムに組み込まれ、このようにして、特定の遺伝子挿入を実現することができた13。
sgRNA構造とCas9タンパク質変異体の最適化と開発により、CRISPR/Cas9ベースの遺伝子編集システムは、ショウジョウバエメラノガスター、ネッタイシマカ、ボンビクスモリ、ヘリカバーパアルミゲラ、プルテラキシロステラ、イナゴの渡り鳥などの昆虫の研究にもうまく適用されています14,15,16,17,18 、19。著者らの知る限り、Cas9タンパク質とin vitro転写sgRNAからなるRNPはイナゴゲノム編集に使用されていますが20,21,22、CRISPR/Cas9リボヌクレアーゼを介した移動性イナゴのホモ接合変異体の構築のための体系的かつ詳細なプロトコルはまだ不足しています。
渡りバッタは、世界的に分布し、食料生産に大きな脅威をもたらす重要な農業害虫であり、小麦、トウモロコシ、米、キビなどのイネ科植物に特に有害です23。ゲノム編集技術に基づく遺伝子機能解析は、渡りバッタの新たな標的と新たな戦略を提供する可能性があります。本研究では、標的部位の選択とsgRNAの設計、sgRNAのin vitro合成と検証、卵のマイクロインジェクションと培養、胚期における突然変異率の推定、変異体の検出、変異体の継代と保存など、CRISPR/Cas9システムを介して渡りバッタ遺伝子をノックアウトするための詳細な方法を提案します。このプロトコルは、バッタ遺伝子の大部分を操作するための基礎参照として使用でき、他の昆虫のゲノム編集に貴重な参照を提供できます。
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1. ターゲット部位の選択とsgRNAの設計
2. インビトロでのsgRNAの合成と検証
3.卵のマイクロインジェクションと培養
4. 変異率推定と変異体のスクリーニング
5. 変異株の確立と継代
6.卵の凍結保存と蘇生
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このプロトコルには、Cas9タンパク質と in vitro で合成されたsgRNAからなるRNPを持つ移動性イナゴのホモ接合変異体を生成するための詳細な手順が含まれています。以下は、標的選択、sgRNA合成と検証(図1A)、採卵と注射、変異体スクリーニングと継代、凍結保存、ホモ接合卵の蘇生など、イナゴにおけるCRISPR/Cas9を介した標的遺伝子ノックアウトの代表的な結果です。
本研究では、3つのオンラインプログラム(E-CRISP、CRISPOR、およびZiFit)の結果に従って、CRISPR/Cas9システムのターゲットサイトを選択し、最初のエクソンに配置します(図1B)。 in vitro でのCas9切断アッセイ(表1)によると、CRISPR/Cas9 RNPはPCRフラグメント(標的部位を含む)を約55%の切断率で消化することができました(図...
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イナゴは、人間の文明以来、農業にとって最も壊滅的な害虫の1つです23。CRISPR/Cas9ベースのゲノム編集技術は、バッタの生物学的メカニズムに関するより良い知識と有望な害虫駆除戦略を提供するための強力なツールです。したがって、ホモ接合型ローカスト変異体のCRISPR/Cas9を介した構築の効率的で使いやすい方法を開発することは大きな利益です。いくつかの素晴らしい研究が報告され、バッタのゲノム編集のためのいくつかの基本的なワークフローが提供されましたが18,20,21,22、手順全体の体系的な最適化はまだ不足しています。一般に、CRISPR / Cas9システムの胚注入によって生成されたホモ接合型イナゴ変異体は、3つの主要なステップに分けることができます:a)in vitroでのsgRNAの設計、合成、およびスクリー...
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著者は、利益相反がないことを宣言します。
この研究は、中国国家自然科学財団(32070502、31601697、32072419および中国ポスドク科学基金会(2020M672205)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 |
|---|---|---|---|
| 10回;NEBuffer r3.1 | New England Biolabs | B7030S | のバッファ in vitro Cas9切断アッセイ |
| 2xEs Taq MasterMix (Dye) | Cwbio | CW0690 | 遺伝子増幅用 |
| 2xPfu MasterMix (Dye) | Cwbio | CW0686 | 遺伝子増幅用 |
| CHOPCHOP | sgRNAsを設計するためのオンラインウェブサイト、http://chopchop.cbu.uib.no/. | ||
| CRISPOR | sgRNAを設計するためのオンラインウェブサイト、http://crispor.org. | ||
| CRISPRdirect | sgRNAを設計するためのオンラインウェブサイト、http://crispr.dbcls.jp/. | ||
| 電気泳動電源 | LIUYI BIOLOGY | DYY-6D | 異なるサイズの核酸分子の分離 |
| エッペンドルフチューブ | エッペンドルフ | 30125177 | サンプル収集などに。 |
| 細かいブラシ | Annigoni | 1235 | の洗浄と隔離用。オンラインで購入しました。 |
| フレーミング/ブラウンマイクロピペットプーラー | サッターインストゥルメント | P97 | マイクロインジェクション針作成用 |
| ゲル抽出キット | Cwbio | CW2302 | DNA回収・精製 |
| ゲルイメージング解析システム | OLYMPUS | Gel Doc XR | 電気泳動結果の観察 |
| GeneTouch Plus | Bioer | B-48DA | 遺伝子増幅用 |
| ガラス電極キャピラリー | ガードナー | GD-102 | 製作用 注射針付き a マイクロピペット プーラー |
| インキュベーター | MEMMERT | INplus55 | 渡りバッタ胚培養用 |
| メタルバス | TIANGEN | AJ-800 | サンプル加熱用 |
| マイクロオートインジェクター | エッペンドルフ | 5253000068 | 開発初期の胚のマイクロインジェクション |
| マイクロ遠心分離機 | Allsheng | MTV-1 | 試薬の混合に使用 |
| マイクログラインダー | ナリシゲ | EG-401 | 注射針の先端を接地する |
| マイクロローダー エ | ッペンドルフ | 5242956003 | 注射針に溶液を装填します。 |
| マイクロマニピュレーションシステム | Eppendorf | TransferMan 4r | マイクロインジェクション用アルチネーションマニピュレーションシステム |
| 顕微鏡 | cnoptec | SZ780 | マイクロインジェクション用 |
| モータードライブマニピュレーター | ナリシゲ | MM-94 | マイクロインジェクション先行時のマイクロピペットの位置制御用 |
| マルチサンプルティッシュグラインダー | jingxin | Tissuelyser-64 | 卵を挽いて均質化 |
| 卵ポット | ChangShengYuanYi | CS-11 | イナゴの産卵のための湿った滅菌砂で満たされています。オーシストはこの容器から採取されます。オンラインで購入しました。 |
| パラフィルム | パラフィルムM | PM996 | シャーレのラッピングに。 |
| pEASY-T3クローニングキット | TransGen Biotech | CT301-01 | TAクローニング用 |
| ペトリ皿 | NEST | 752001 | 卵子の培養と保存用。 |
| ピペッター | ・エッペンドルフ | ・リサーチ・プラス | サンプルローディング用 |
| プラスチック培養カップ | イナゴを別々に飼育し、十分な大きさ(容量1000mL以上)のプラスチックカップであれば何でも構いません。 | ||
| 精密gRNA合成キット | Thermo | A29377 | for sgRNA合成 |
| Primer Premier | PREMIER Biosoft | Primer Premier 5.00 | プライマーデザイン用 |
| SnapGene | Insightful Science | SnapGene®4.2.4 | 分析用 シーケンス |
| 鋼球 | HuaXinGangQiu | HXGQ60 | サンプル研削用。オンラインで購入しました。 |
| ヒント | バイオリーフ | D781349 | サンプルローディング用 |
| Trans DNA マーカー II | TransGen Biotech | BM411-01 | 遺伝子サイズの決定に使用 |
| TrueCut Cas9 タンパク質 v2 | サーモ | A36496 | Cas9 タンパク質 |
| UniversalGen DNA キット | Cwbio | CWY004 | ゲノムDNA抽出用 |
| VANNAS はさみ | 電子顕微鏡科学 | 72932-01 | 触角を切断するための |
| 小麦 | イナゴの餌として小麦の苗を生成します。地元の農家から購入 | ||
| ZiFiT | のウェブサイト sgRNAを設計するため、http://zifit.partners.org/ZiFiT/ChoiceMenu.aspx. |
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