Menselijke embryonale stamcellen (hESC's) en geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSC's) zijn stamcellen met het potentieel om te differentiëren in alle celtypen in het lichaam. Deze cellen dienen als waardevolle hulpmiddelen voor het bestuderen van de menselijke ontwikkeling, maar ook voor het begrijpen van de onderliggende mechanismen van verschillende ziekten, en bieden zo een enorme belofte voor regeneratieve geneeskunde, ziektemodellering en het ontdekken van geneesmiddelen. Dergelijke studies omvatten het onderzoeken hoe specifieke genen bijdragen aan de ontwikkeling, het functioneren en de regulatie van organismen 1,2.
Er worden verschillende technieken en benaderingen gebruikt om de genfunctie te ontcijferen, waaronder genetische manipulatie, zoals gen-knock-out of overexpressie, en genoombewerking. Hiervan is de CRISPR-Cas9-technologie naar voren gekomen als de meest efficiënte aanpak voor onderzoeken naar gen-knock-out en genbewerking 1,2,3. Het CRISPR-Cas9-systeem werkt door gebruik te maken van een enkel gids-RNA (sgRNA) molecuul dat speciaal is ontworpen om een bepaalde DNA-sequentie van belang te identificeren en eraan te binden. Het sgRNA fungeert als een moleculaire gids en stuurt het Cas9-enzym naar de precieze locatie in het genoom die moet worden gewijzigd. Eenmaal gebonden, initieert Cas9 een dubbelstrengs breuk in het DNA op de aangewezen plaats. Na de splitsing van DNA worden de inherente herstelmechanismen van de cel geactiveerd. Deze omvatten twee belangrijke reparatieroutes: niet-homologe eindverbindingen (NHEJ) en homologiegerichte reparatie (HDR). NHEJ resulteert vaak in inserties of deleties (indels) op de plaats van de pauze, wat leidt tot genverstoring of inactivering. Omgekeerd maakt HDR het mogelijk om nieuwe DNA-sequenties in te voegen op de plaats van de pauze, waardoor de introductie van gerichte genetische veranderingen wordt vergemakkelijkt4.
Gezien het belang van gendeleties in pluripotente stamcellen, zijn er verschillende protocollen gepubliceerd over CRISPR-Cas9-gemedieerde genknock-outs in hESC's/iPSC's. Veel van deze protocollen hebben echter te maken met aanzienlijke beperkingen, zoals extreem tijdrovend, arbeidsintensief en een lage efficiëntie door het gebruik van niet-virale genafgiftemethoden5. Deze uitdagingen zijn nog meer uitgesproken bij hESC's/iPSC's, omdat bekend is dat deze cellen een lagere bewerkingsefficiëntie hebben in vergelijking met andere celtypen5. Sommige van deze beperkingen kunnen worden aangepakt door de efficiëntie van plasmide-afgifte die Cas9 en sgRNA's bevatten, te verhogen. Dit kan met succes worden bereikt met behulp van een lentiviraal vectorsysteem, dat de resultaten van het bewerken van genen aanzienlijk kan verbeteren. Lentivirus-verpakkingsprotocollen zijn goed ingeburgerd en eenvoudig, waardoor ze gemakkelijk in laboratoria kunnen worden toegepast, zelfs door onderzoekers met beperkte ervaring. Lentivirussen vertonen een hoge infectie-efficiëntie in verschillende celtypen, waaronder hESC's en iPSC's. Daarom is het gebruik van een lentiviraal systeem voor Cas9-sgRNA-expressie ideaal voor routinematige experimenten met het bewerken van genen in hESC's/iPSC's voor genfunctiestudies.
Hier bieden we een eenvoudige en ongecompliceerde methode voor zeer efficiënte op CRISPR-Cas9 gebaseerde gendeleties in hESC's in een relatief kortere tijdsduur dan conventionele protocollen (Figuur 1). Hoewel een lentivirale vector met constitutieve expressie van Cas9 en sgRNA is gebruikt, kan deze gemakkelijk worden vervangen door geneesmiddel-induceerbare Cas9-expressie voor controleerbare Cas9-expressie.