本稿では、昆虫病原性線虫(EPN:昆虫寄生)線虫であり、新たな遺伝モデルである Steinernema hermaphroditum におけるCRISPR-Cas9媒介ゲノム工学を実証しています。この技術は変異体の作成に有用であり、相利共生および寄生共生に関連する線虫生物学の遺伝子機能の解明を可能にします。
方法論記事
本稿では、昆虫病原性線虫(EPN:昆虫寄生)線虫であり、新たな遺伝モデルである Steinernema hermaphroditum におけるCRISPR-Cas9媒介ゲノム工学を実証しています。この技術は変異体の作成に有用であり、相利共生および寄生共生に関連する線虫生物学の遺伝子機能の解明を可能にします。
ステインネルネマ属およびヘテロラブディティス属の昆虫病原性線虫(EPN)は、それぞれゼノルハブダス属およびフォトラブドゥス属の共生細菌と相利共生関係を維持しています。これらの線虫-細菌のペアは、主にチョウ目とコウチョウ目に属する幼虫の宿主を感染・殺害し、相利共生と寄生の分子基盤を解明するための扱いやすい三部構成システムを形成します。このモデルを完全に活用するための重要な一歩は、EPNにおける安定的かつ世代を超えた遺伝的ツールの開発です。ここでは、生体内およびin vitroで容易に維持でき、性腺マイクロ注射にも非常に適している新興モデルSteinernema hermaphroditumにおける信頼性の高いCRISPR–Cas9ゲノム編集プラットフォームを示します。重要なのは、その両性生殖によってホモ接合型変異体系統の生成と維持が大幅に効率化されていることです。私たちは、Cas9リボヌクレオタンパク質複合体のマイクロインジェクションを用いて効率的かつ標的的となる遺伝子破壊のための詳細なプロトコルを提供します。概念実証として、保存された筋肉関連遺伝子unc-22を修飾し、このシステムにおける標的変異誘発を検証する特徴的な痙攣表現型を生成しました。このCRISPR–Cas9プラットフォームは、S. hermaphroditumにおけるトランスジーン発現などの安定した遺伝子操作への扉を開き、農業および生態学的に重要な他のEPN種にも拡張可能な枠組みを提供します。
昆虫病原性線虫(EPN)は、細菌共生菌と種特異的な相利共生的パートナーシップを形成する昆虫殺害寄生虫です。EPNは2つの科、SteinermatidaeとHeterorhabditidaeの2科で構成され、それぞれグラム陰性菌のPhotorhabdusおよびXenorhabdus属と共生します2,3。Steinernema線虫の自由生活感染幼虫期(IJ)には、Xenorhabdus菌は線虫の腸内ポケットである受け皿内に宿っており、昆虫宿主が血腔に侵入すると細菌が放出され、その後増殖して敗血症によって昆虫を殺します 3,4.この相利共生の関係の中で、細菌は抗菌および殺虫化合物を産生し、宿主の免疫反応から守り、線虫5に栄養を支えます。その見返りとして、細菌は線虫宿主による環境微生物からの保護を受け、新たな昆虫の獲物への拡散が促進されます。
過去数十年にわたり、Steinernema-Xenorhabdusのパートナーシップは、昆虫の宿主探索行動3、線虫宿主における細菌の定着8、線虫と昆虫宿主動物間の移行を促進する共生細菌の適応的行動など、寄生および相利共生の相互作用の様々な側面を研究するための強力な実験システムとして確立されました.EPNは土壌の持続可能性においても重要な種であり、有機害虫防除剤として農業生産性の促進に使用されています10,11。
共生細菌であるゼノルハブダスおよびフォトラブドゥス12における遺伝的手法の急速な発展にもかかわらず、EPNsにおける一貫した遺伝的手法は稀です。性腺マイクロ注射はヘテロラブディティスおよびステイナーネマ線虫の両方で成功裏に確立されています13,14。以前は、ヘテロラハブディティス・バクテリオフォラにおける生殖腺微注射を用いて、第一世代の子孫13,15において一貫して二本鎖RNAを送達し遺伝子ノックダウンを行ってきました。最近、SteinernemaにおけるCRISPR-Cas9ゲノム編集が開発され、性腺マイクロ注射によって投与され、正確で安定かつ遺伝可能な突然変異をもたらしました14。
Steinernema属のS. hermaphroditumは、非常に扱いやすく、新興の遺伝モデル生物として大きな可能性を秘めていることが示されています4,14。 もともとはインドネシア16の土壌から分離され、インド17で再分離されたS. hermaphroditumは一貫して両性具有であり、各世代に少数のオスが存在します。これらは古典モデル線虫C. elegansの遺伝的手法の適応を促進する2つの特徴です。さらに、S. hermaphroditumのゲノムは染色体として配列決定・組み立てられ、潜在的なCas9標的部位の特定やプライマー設計の作業が簡素化されました。
EPNの微小注射中、適切な試薬(例えばdsRNA、Cas9タンパク質、ガイドRNAなど)を含む注射混合物が、石英毛細管から引き出された針を介して合胞線虫性腺に届けられます。適切な注入量と圧力により、性腺腕全体に液体の「流れ」が目に見えます。これらの線虫は、同じ細胞質を共有する生殖細胞核からなる2つの合胞性腺を持つため、この微小注射法により複数の生殖細胞を編集可能にし、細胞分裂が起こって生殖細胞細胞を発育中の卵母細胞に分離します。性腺マイクロ注射は、非モデル線虫14,21,22,23,24,25種において遺伝的調節の一貫した技術として機能しますが、成功と高い効率を確保するためには、各線虫種の適切な生殖腺構造、生活段階、生理的状態に合わせて注射技術を適応させることが不可欠です。注入後の回収技術と変異株ラインの維持管理は、この技術をコスト効率よくするために重要です。
本研究は、 Steinernema hermaphroditumにおけるCRISPR-Cas9ゲノム編集プロトコルを示しています。性腺マイクロ注射は若年成人期に記述され、高圧マイクロインジェンダーに耐性があり遺伝子編集にも受容性のある段階です。さらに 、低温 保存および昆虫による増殖を通じて、遺伝的かつ安定した変異体系統の維持を詳細に記述する方法も提供されています。
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試薬および使用機器は 材料表に記載されています。
1. マイクロインジェクション前の線虫調製
2. マイクロインジェクション用CRISPR-Cas9製剤
3. CRISPR-Cas9顕微注射と顕微注射後の線虫回収
4. CRISPR-Cas9介在ノックアウトの確認のためのスクリーニング
5. CRISPRラインのメンテナンス
注:ラインメンテナンスには主に3つの方法があります。これには、トレハロース-DMSOベースの凍結保存(ステップ5.1)、 in vivo でのワックスワーム通過(ステップ5.2)、NGMプレートでの in vitro メンテナンス(ステップ5.3)が含まれます。
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2つのCRISPR RNAが設計され(Pamサイト番号、Pam 3およびPam 5)、既に発表されたPamサイト14のUnc-22のS. hermaphroditum相同体を標的としています(図2A)。各crRNAはtracrRNAと複合体を形成し、単一のガイドRNA(sgRNA)を形成し、Cas9に組み込まれてステップ3.1で説明したリボ核タンパク質を形成しました。このプロトコルでは、2つのcrRNAが同じ遺伝子を標的とするように設計されました。しかし、C. elegans31で開発されたco-CRISPR法を用いる場合、crRNA #2は目的遺伝子であるcrRNAに置き換えることができます。あるいは、unc-22 crRNAを対象遺伝子を標的とする2つに加え、全crRNAとtracrRNAの比率を1:1に保つことも可能です。
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非伝統的な遺伝学モデルの動物システムは、真核生物の遺伝子機能が自然に存在する生態学的・生理学的文脈、例えば寄生宿主や生物の固有のマイクロバイオームの存在下で研究する貴重な機会を提供します。昆虫病原性線虫(EPN)では、遺伝子操作がRNAiベースのアプローチの一部のケースに依存しています13,32。RNAiは一部の種で機能的な遺伝学的研究を可能にしますが、dsRNAの一時的な性質に制約があり、遺伝子サイレンシングは確実に遺伝性が低い場合があります。これらの制約は、安定した世代を超えた遺伝学ツールの必要性を強調しています。33,34。本研究は、Rhabditida目に属する2つのEPNファミリーの一つであるSteinernematidsにおける正確なゲノム編集の最初のプロトコルを記述しており、Cao(2023)14で示されています。
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著者たちは利益相反はないと宣言しています。
共焦点顕微鏡の使用をいただいたマーガレット・マクフォール・ンガイ氏とエドワード・ルビー氏に感謝いたします。共焦点顕微鏡のトレーニングをしてくれたアレクシス(コーディ)・ハーガドン氏とグリシャ・チェン氏、そしてピクピク動画の写真取得と分析に協力してくださったカーリー・R・マイヤーズ氏に感謝いたします。また、マイクロインジェクションシステムの購入資金を割り当ててくださったステファニー・ハンプトン氏にも感謝いたします。カーネギー科学研究所がこの研究を支援しました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| アガー(80-100メッシュ) | フィッシャー・サイエンティフィック | BP26411 | LBピルビン酸板にも使用されます |
| アガロース | フィッシャー・サイエンティフィック | 16500500 | また、遺伝子型分けにも利用されます |
| Alt-R CRISPR-Cas9 tracrRNA | IDT | 1072532 | |
| Alt-R S.p. Cas9 ヌクレアーゼ V3 | IDT | 1081058 | |
| ホウケイ酸塩針 | ワールド・プレシジョン・インスツルメント | 1B120F-4 | |
| 塩化カルシウム(CaCl2) | シグマ・オルドリッチ | C4901 | |
| コレステロール | VWR | 433 | エタノールに5 mg/mL |
| Comamonas aquatica (DA1877) | |||
| アガロースパッド用のカバーガラス | 脳研究所 | #4860-1D | 48 x 60 mm No1 厚さ |
| CRISPRScan | https://www.crisprscan.org/ | ||
| ジメチルスルオキシド(DMSO) | シグマ・オルドリッチ | 472301 | 0.5 M |
| DNAクリーン&コンセントレーター-5 | ザイモリサーチ | D4014 | |
| FemtoJet 4xマイクロインジェクター(グリップヘッドセット付き、4サイズ0ニードルホルダー) | エッペンドルフ/カリブル | 5253000017 | |
| ガレリア・メロネラ 5齢幼虫 | グラブコ | https://www.grubco.com/index.cfm | |
| ゲルイメージングシステム | Azure400 | AZI400-01 | |
| ゲルローディング染料 | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | B72 | |
| ゼラチン(2%) | シグマ・オルドリッチ | G1393 | |
| ジェルレッド | バイオティウム | #41003 | |
| ジェノタイピングプライマー:DNAオリゴ、25 nmol | IDT | 該当なし | |
| ギブコ・バクト・ペプトーン | フィッシャー・サイエンティフィック | DF0118-17-0 | |
| ギブコ・バクト・トリプトン | フィッシャー・サイエンティフィック | DF0123-17-3 | また、ダークLB、LBピルビン酸プレートなどにも使用されています。 |
| Gibco酵母抽出物 | フィッシャー・サイエンティフィック | DF0127-17-9 | また、ダークLB、LBピルビン酸プレートなどにも使用されています。 |
| グリップヘッドセット 4サイズ1 ニードルホルダー | 口径 | EPE-5196083008 | (ホウケイ酸塩針1B120F-4と組み合わせて) |
| ハロカーボンオイル700 | シグマ・オルドリッチ | H8898 | |
| 日々のメンテナンス用に硬いプラチナのワイヤーワームピック | トライテックリサーチ | PT-9901 | |
| CRISPR編集の推論(ICE) | シンセゴ | 該当なし | インデルを特定するためにサンガー配列を解析するソフトウェア |
| KCl | シグマ・オルドリッチ | P9541 | |
| レーザーニードルプラー P-2000 | サター | P-2000G | |
| 塩化マグネシウム(MgCl2) | シグマ・オルドリッチ | M8266 | |
| 硫酸マグネシウム(MgSO4) | シグマ・オルドリッチ | M7506 | M9バッファー用、NGMでも使用されます。 |
| マイクロローダーチップ 2x96ST | 口径 | 930001007 | |
| ツァイス・アクシオ・オブザーバーおよびアクキシオベルト200用のマイクロマニピュレーター取り付けアダプター | トライテックリサーチ | NZ-19-2 | |
| 顕微鏡 | トライテック | SMT1 | |
| ニコチン | シグマ・オルドリッチ | N3876 | |
| NP-40 | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 85124 | |
| ヌクレアーゼフリーデュプレックスバッファ | IDT | 11-01-03-01 | |
| OneTaq マスターミックス | NEB | M0486 | |
| ピペット保管箱 | サター・インストゥルメンツ | BX10 | |
| 塩化カリウム(KCl) | シグマ・オルドリッチ | 793590 | |
| リン酸カリウム、二塩基(K2HPO4) | シグマ・オルドリッチ | P3786 | KOHはNGMの意味です |
| リン酸カリウム、単塩性(KH2PO4) | シグマ・オルドリッチ | P5655 | M9バッファー用、NGMでも使用されます。 |
| プロテイナーゼK | シグマ・オルドリッチ | P6556 | |
| 石英針 | サター・インストゥルメンツ | QF100-70-10 | |
| S. hermaphroditiumゲノム | NCBI | https://www.ncbi.nlm.nih.gov/datasets/genome/GCA_030435675.1/ | |
| sh-unc-22 Alt-R CRISPR-Cas9 crRNA | IDT | 該当なし | |
| 塩化ナトリウム(NaCl) | VWR | SS0430 | M9、ダークLB、LBピルビン酸プレートにも使用されています |
| リン酸ナトリウム、二塩基性(Na2HPO4.7H20) | シグマ・オルドリッチ | S9390 | M9バッファの場合 |
| ピルビン酸ナトリウム | シグマ・オルドリッチ | P2256 | また、LBピルビン酸プレートにも使用され、nbsp; |
| マイクロインジェクション用のソフトプラチナワイヤーワームピック | シュアピュア・ケメタルズ | 6824 | プラチナ90%、イリジウム10%合金線、直径0.002インチ×長さ5フィート |
| 標準ニードルホルダー | トライテックリサーチ | HI-7 | |
| Steinernema hermaphroditum | |||
| 立体顕微鏡 | ライカ | インベタ3 | |
| トレハロース | コール・パーマー | EW-88195-99 | 0.08 M |
| Tris | フィッシャー・サイエンティフィック | AM9855G | pH 8.0 |
| トゥイーン20 | シグマ・オルドリッチ | P1379 | |
| 垂直マイクロマニピュレーター取り付けアダプター | トライテックリサーチ | NR2 | |
| Xenorhabdus griffiniae (HGB2511) |
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