Fluorescerende eiwitten zijn naar voren gekomen als krachtige hulpmiddelen voor het visualiseren van eiwitlokalisatie, dynamiek en eiwit-eiwitinteracties in cellen in levende organismen 1,2. Het taggen van endogene genen met fluorescerende eiwitten maakt langdurige live beeldvorming van cellulaire processen met subcellulaire resolutie mogelijk. Bovendien hebben deze endogene gen-labelingtechnieken verschillende voordelen ten opzichte van overexpressie- en immunokleuringsbenaderingen. Overexpressie van eiwitten kan bijvoorbeeld leiden tot verkeerde eiwitvouwing, niet-specifieke eiwit-eiwitinteracties en verkeerde lokalisatie3. Tot op heden zijn onderzoekers in staat geweest om enorme bibliotheken van endogene genen te creëren die zijn gefuseerd met fluorescerende eiwitten voor een paar modelorganismen, zoals ontluikende gist, die efficiënte homologe recombinatie kunnen ondergaan4. In het geval van Drosophila melanogaster zijn verschillende hulpmiddelen zoals MiMIC's5, op transposon gebaseerde enhancervallen6 en fosmiden7 bedacht om genen fluorescerend te labelen.
De ontwikkeling van op CRISPR-Cas9 gebaseerde tools heeft het mogelijk gemaakt om genoombewerking, inclusief het taggen van endogene eiwitten, efficiënt uit te voeren in een breed scala aan modelorganismen 8,9. Cas9 is een RNA-geleid enzym dat dubbelstrengs DNA op een zeer efficiënte en specifieke manier splitst8, dat vervolgens kan worden gerepareerd door een niet-homologe eindverbinding (NHEJ) -route die leidt tot puntmutaties of -deleties. Als alternatief maakt de homologie-directed repair (HDR)-route de integratie van heteroloog DNA in het chromosoom mogelijk.
Eerdere methoden voor op CRISPR gebaseerde gentagging in het modelorganisme, Drosophila melanogaster, waren gebaseerd op een tweestapsproces 10,11,12. Dit omvat het gebruik van een waarneembare oogkleurmarkering, Dsred, om succesvolle HDR-gebeurtenissen te detecteren. Daarna zou de Dsred-marker worden weggesneden met behulp van het Cre/loxP-recombinatiesysteem. Om dit proces te stroomlijnen en te versnellen, presenteren we hier een eenvoudigere en efficiëntere methode. Deze aanpak omzeilt de noodzaak van dodelijke genotypering en maakt de directe screening van individuele vliegen mogelijk. In het bijzonder gebruiken we een op PCR gebaseerde benadering om DNA te extraheren uit een klein segment van de middelste poot van de vlieg, waardoor we individuele vliegen kunnen genotyperen. Deze procedure brengt met name de vitaliteit, beweging of voortplantingsmogelijkheden van de bemonsterde vlieg niet in gevaar. Alleen de geschikte individuen, die via deze methode worden geïdentificeerd, worden verder ontwikkeld tot stabiele bestanden.
Hier presenteren we een gedetailleerd protocol voor het genereren van fluorescerende eiwitgelabelde vliegen waarin endogene genen worden gelabeld met fluorescerende reporters. Deze techniek maakt gebruik van CRISPR-Cas9-genoombewerking om elke gewenste fluorofoortag te fuseren met de N- of C-terminal van een endogeen gen. Hieronder beschrijven we het ontwerp en de constructie van gRNA-plasmiden en een donorplasmide, een eenstapsscreeningsstrategie om CRISPR-positieve vliegen te selecteren en stappen om stabiele lijnen vast te stellen. In het bijzonder beschrijven we strategieën om een endogene kernklok Drosophila-gen, punt uit, te labelen met een fluorofoor aan de C-terminal. We beschrijven ook kort de controle-experimenten die moeten worden uitgevoerd om te bevestigen dat het gelabelde eiwit functioneel is en live-imaging-technieken om het periode-eiwit te visualiseren in levende klokneuronen in intacte Drosophila-hersenen 13. Het hier beschreven protocol is ook breed toepasbaar om kandidaten te screenen op deleties en inserties van specifieke stukjes DNA door CRISPR-Cas9 genoombewerking.