このプロトコルは、CRISPR-Cas9技術を使用してゼブラフィッシュ胚の正確なノックイン編集を容易にするアプローチを説明しています。表現型パイプラインは、QT延長症候群関連遺伝子変異をモデル化するためのこれらの技術の適用可能性を実証するために提示される。
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このプロトコルは、CRISPR-Cas9技術を使用してゼブラフィッシュ胚の正確なノックイン編集を容易にするアプローチを説明しています。表現型パイプラインは、QT延長症候群関連遺伝子変異をモデル化するためのこれらの技術の適用可能性を実証するために提示される。
動物モデルにおけるクラスター化された規則的に間隔を空けた短い回文反復(CRISPR)は、生理学的現象の研究のための正確な遺伝子操作を可能にします。ゼブラフィッシュは、遺伝性疾患、発生、および毒物学に関連する多くの質問を臓器および生物レベルで研究するための効果的な遺伝子モデルとして使用されてきました。よく注釈されマッピングされたゼブラフィッシュゲノムのために、遺伝子編集のための多数のツールが開発されてきた。ただし、CRISPRを使用して正確なノックイン編集を生成することの有効性と検出の容易さは制限要因です。ここでは、心臓の再分極に関与し、電気障害であるQT延長症候群(LQTS)に関連する遺伝子の正確な編集を簡単に検出するCRISPR-Cas9ベースのノックインアプローチについて説明します。この2つのシングルガイドRNA(sgRNA)アプローチは、標的配列を切除して置換し、遺伝的にコードされたレポーター遺伝子を結合します。このアプローチの有用性は、野生型および遺伝子編集ゼブラフィッシュ幼虫における心臓電気機能の非侵襲的表現型測定を記述することによって実証される。このアプローチにより、生物全体の疾患関連変異の効率的な研究が可能になります。さらに、この戦略は、レポーター遺伝子、オルソログ、遺伝子エディターなどの選択した外因性配列を挿入する可能性を提供します。
動物モデルにおけるCRISPRベースの遺伝子編集戦略により、遺伝性疾患、発生、および毒物学を生物全体レベルで研究することができます1,2,3。ゼブラフィッシュは、マウスやヒト由来の細胞モデルよりも多くの生理学的側面でヒトに近い強力なモデルを提供します4。ゼブラフィッシュでは、フォワード5とリバースの両方の遺伝子スクリーニング6に、さまざまな遺伝的ツールと戦略が使用されてきました。ゼブラフィッシュの包括的な遺伝子マッピングとアノテーションは、標的遺伝子ノックアウト(KO)と精密ノックイン(KI)を設計するための主要な技術として、遺伝子編集アプローチを促進しました7。
それにもかかわらず、ゼブラフィッシュで正確なKI編集を生成することは、効率が低く、正確な検出が難しいために制限されています。転写因子様エフェクターヌクレアーゼ(TALEN)はKI8にうまく使用され最適化されていますが、CRISPRはより単純なsgRNAターゲティングで改善された遺伝子編集戦略を提供します。多くの研究がCRISPRを使用してゼブラフィッシュ9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20で正確なKIを生成していますが、CRISPRを介した相同性指向修復(HDR)によって生成されたこれらの編集は非効率的であり、本質的な成功率が低い傾向があります。一次スクリーニングとしてジェノタイピングを必要とする率9、10、14、21。これは、ゼブラフィッシュにおける効率的なKI CRISPRシステムと、正確な編集を検出するための信頼性の高いハイスループットシステムの必要性を示しています。
この研究の目的は、ゼブラフィッシュの心臓で正確な心臓遺伝子KIを生成するためのプラットフォームを記述し、成功した編集を簡単かつハイスループットに検出することでした。TALENアプローチ8に基づくCRISPR-Cas9ベースの2sgRNAエクソン置換アプローチが記載されている。このアプローチでは、2つのsgRNAガイドを使用して標的配列を切除し、目的のKIと遺伝的にコードされたイントロニックレポーター遺伝子を含む外因性のテンプレート配列で置き換えます(図1)。標的遺伝子のイントロニック配列内に遺伝的にコードされた蛍光レポーターを統合することで、ポジティブ編集の効率的な検出が可能になります。次に、ゼブラフィッシュ幼虫の心臓電気機能を評価するための表現型プラットフォームが説明され、遺伝性LQTS(個人を心臓突然死にかかりやすくする心臓電気障害)に関連する遺伝子変異の非侵襲的特徴付けが行われます。
これらのアプローチは、遺伝性疾患をモデル化し、遺伝子発現パターンのマッピングや発生制御などの生物学的および生理学的問題に対処するためのゼブラフィッシュKI遺伝子編集へのアクセスと使用を強化します。ゼブラフィッシュの心臓は、マウスモデルよりもヒトの心臓電気生理学的特性とよく平行しているので、心臓病モデリングのための遺伝的に扱いやすいシステムとして特に魅力的かもしれません7、22、23。
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ゼブラフィッシュを用いた研究は、サイモンフレーザー大学動物管理委員会およびカナダ動物飼育評議会の方針および手順に同意して実施され、プロトコル#1264K-18の下で完了した。
1. 精密編集のためのCRISPRコンポーネントの設計
2. 胚マイクロインジェクションのためのCRISPR成分の調製
3.ゼブラフィッシュの繁殖と胚のマイクロインジェクション
注:ゼブラフィッシュの繁殖と単一細胞胚のマイクロインジェクションのプロトコルは、以前に説明されています29,30,31。
4. CRISPR-Cas9編集仔魚のレポーター遺伝子スクリーニング
5. CRISPR-Cas9編集仔魚の表現型決定
6. CRISPR-Cas9で編集したゼブラフィッシュ仔魚のジェノタイピング
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この2sgRNAエクソン置換CRISPRアプローチの使用の成功は、ゼブラフィッシュの zkcnh6a 遺伝子におけるLQTS関連変異体R56Qを改変するための正確な編集の導入と簡単な検出によって強調されています。 図6 は、上記のようなCRISPR成分を1細胞胚期に注入した代表的な3dpf幼虫を示す。 図6A は、鋳型統合に成功した陽性レポーターとしての眼レンズにおけるYFP mVenusレポーター遺伝子発現の存在を示す。 図6B、C は、野生型およびレポーター遺伝子陽性魚のテールクリップサンプルから単離されたゲノムDNAから得られたサンガーシーケンシングクロマトグラムをそれぞれ示す。レポーター遺伝子陽性の魚は、R56Q変異体を zkcnh6aに導入する正確な編集GからAを持っていることがわかりました。ジェノタイピングは、YFPレポーター遺伝子発現と正確なR56Q遺伝子編集の存在との間に10...
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CRISPR-Cas9を使用した正確な遺伝子編集のエンジニアリングは、HDRメカニズムの効率の低さと効率的な検出によって課題となっています。ここでは、CRISPR-Cas9ベースの2sgRNAエクソン置換アプローチについて説明し、ポジティブ編集の簡単な視覚的検出によりゼブラフィッシュで正確な編集を生成します。このアプローチの有効性は、 zkcnh6a 遺伝子の正確な編集を生成することによって実証されます。この論文は、遺伝子編集ゼブラフィッシュ幼虫の心機能を、心拍数、心膜寸法、およびECG形態の非侵襲的表現型測定を使用してどのように評価できるかを示しています。遺伝子編集の導入から表現型評価まで、このアプローチは、開始から終了まで約1週間で完了することができます。
上記の編集および表現型アプローチの利点は、CRISPR修飾設計の容易さ、複数の生理学的システムへの幅広い適用性、大きな遺伝子または遺伝子断片を挿入する能力、および発生および世代を通じてバリアント効果を縦断的に追跡できることです。このアプローチでの正確な編集の成功は、ゼブラフィッシュ
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著者は開示する利益相反を持っていません。
この研究は、カナダ衛生研究所研究プロジェクト助成金(TWC)およびカナダ自然科学工学研究評議会ディスカバリー助成金(TWC)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 |
|---|---|---|---|
| Program | |||
| CRISPOR | TEFOR Infrastructure | ||
| ENSEMBL | European Bioinformatics Institute | ||
| ImageJ | National Institutes of Health (NIH) | ||
| Micro-Manager | Open Source (Github) | ||
| NEBiocalculator | New EnglandBiolabs (NEB) | ||
| EQUIPMENT | |||
| 24ウェルプレート | VWR | ||
| 25 mm ペトリ皿 | VWR | ||
| Blackfly USB3 カメラ | Teledyne FLIR | ||
| C1000 サーマルサイクラー | Bio-Rad | ||
| 遠心分離機 5415C | エッペンドルフ | ||
| EZNA ゲル抽出キット | Omega Biotek | ||
| MAXIscript T7 転写キット | Invitrogen | ||
| MaxQ 5000 インキュベーター | バーンステッド ラボライン | ||
| Miniprep キット | Qiagen | ||
| mMessage mMachine T7 Ultra Transcription Kit | Invitrogen | ||
| ND1000 分光光度計 | Nanodrop | ||
| PCR 精製キット | Qiagen | ||
| PLI 100A ピコインジェクター | ハーバード製装置 | ||
| PowerPac 基本電源 | Bio-Rad | ||
| Stemi 305 Steroscope | Zeiss | ||
| Wide Mini Sub Cell GT 電気泳動システム | Bio-Rad | ||
| ZebTec ゼブラフィッシュハウジングシステム | 技術 | ||
| SERVICES | |||
| Gene Synthesis | Genewiz | ||
| Sanger Sequencing | Genewiz | ||
| REAGENTS | |||
| 10βコンピテントセル | NEB | ||
| 10X PCR バッファー | Qiagen | ||
| 100 mM ヌクレオチド混合物 | ABM | ||
| アンピシリン | Sigma | ||
| BamHI エンドヌクレアーゼ バッファー付き | NEB | ||
| BsaI エンドヌクレアーゼ バッファー付き | NEB | ||
| DR274 プラスミド (XL1 ブルー バクテリア寒天 スタブ) | Addgene | ||
| EcoRI エンドヌクレアーゼ 緩衝液付き | NEB | ||
| グリセロール | |||
| HEPES | Σ HindIII | ||
| エンドヌクレアーゼ 緩衝液付き | NEB | ||
| カナマイシン | Σ | ||
| メチレンブルー | Σ | ||
| MLM3613 プラスミド (XL1 ブルー)細菌寒天スタブ) | Addgene | ||
| MS-222 (トリカイン) | Sigma | ||
| pKHR5 プラスミド (DH5&α; 細菌寒天スタブ) | Addgene | ||
| PmeI エンドヌクレアーゼ w/ バッファー | NEB | ||
| SalI エンドヌクレアーゼ w/ バッファー | NEB | ||
| 水酸化ナトリウム | Σ | ||
| T4 リガーゼw/バッファー | Σ | ||
| Taq ポリメラーゼ | Qiagen | ||
| TEバッファー | Sigma | ||
| Tris 塩酸塩 | Sigma | ||
| XhoIエンドヌクレアーゼ w/バッファー | NEB | ||
| RECIPES | |||
| Solution | コンポーネント | サプライヤー | |
| アニーリングバッファー (pH 7.5-8.0) | 10 mM Tris | Sigma | |
| 50 mM NaCl | Sigma | ||
| 1 mM EDTA | Sigma | ||
| E3 培地 (pH 7.2) | 5 mM NaCl | Sigma | |
| 0.17 mM KCl | Sigma | ||
| 0.33 mM CaCl2 | Sigma | ||
| 0.33 mMMgSO4 | Sigma | ||
| 注入バッファー (pH 7.5) | 20 mM HEPES | Sigma | |
| 150 mM KCl | Sigma |
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