Hier beschrijven we een gedetailleerd protocol voor genoombewerking door middel van embryonale micro-injectie in de mug A. aegypti met behulp van de CRISPR-Cas9-technologie.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
* These authors contributed equally
Hier beschrijven we een gedetailleerd protocol voor genoombewerking door middel van embryonale micro-injectie in de mug A. aegypti met behulp van de CRISPR-Cas9-technologie.
De opkomst van de geclusterde, regelmatig afgewisselde, korte palindromische herhalingen (CRISPR)-Cas9-technologie heeft een revolutie teweeggebracht op het gebied van genetische manipulatie en de deuren geopend voor nauwkeurige genoombewerking in meerdere soorten, inclusief niet-modelorganismen. Bij de mug Aedes aegypti zijn met deze technologie mutaties met functieverlies en DNA-inserties tot stand gebracht. Hier beschrijven we een gedetailleerd protocol voor genoombewerking door middel van embryonale micro-injectie in de mug A. aegypti met behulp van de CRISPR-Cas9-technologie, met de nadruk op zowel het genereren van gen-knock-out als knock-inlijnen. In dit protocol worden kwartsnaalden gevuld met een mengsel van gids-RNA, recombinant Cas9 en een plasmide met een DNA-cassette die codeert voor een gen voor een fluorescerende marker, als genknockin gewenst is. Embryo's in het preblastoderm-stadium worden op een rij gezet op een strook dubbelzijdig plakband die op een dekglaasje wordt geplaatst, dat vervolgens op een glasplaatje wordt gemonteerd. Met behulp van een micro-injector worden de naalden voorzichtig in het achterste uiteinde van de embryo's ingebracht en wordt een klein volume van het CRISPR-mengsel afgegeven. Wanneer de embryo's zijn uitgebroed, worden de larven gecontroleerd onder de fluorescerende scoop en worden de poppen op geslacht gesorteerd en gescheiden in verschillende kooien. Zodra de volwassenen tevoorschijn komen, worden deze wederzijds gekruist met wildtype individuen, met bloed gevoed en geplaatst om eieren te leggen. Zodra deze eieren zijn uitgekomen, vertegenwoordigen de verzamelde fluorescerende larven individuen met een stabiele invoeging van de DNA-cassette in hun genoom. Deze larven worden vervolgens gekweekt tot het volwassen stadium, gekruist met wildtype individuen en vervolgens verder beoordeeld door middel van moleculaire technieken om te bevestigen dat de exacte sequentie van de DNA-cassette aanwezig is op de gewenste plaats van het muggengenoom. Homozygote lijnen kunnen ook worden verkregen door de meegeleverde pijplijn van kruisingsschema en moleculaire screening van de mutaties te volgen.
Nauwkeurige genoombewerking is aantoonbaar eenvoudiger geworden, maar mogelijk, met de oprichting van de CRISPR-Cas-technologieën van moleculaire scharen1. Deze technologieën maken gebruik van een mechanisme dat het prokaryote immuunsysteem gebruikt om faaginfecties te bestrijden2. Onder deze systemen zijn geclusterde, regelmatig afgewisselde, korte palindromische herhalingen (CRISPR) samen met de Cas9-nuclease meestal gebaseerd op 20 basenpaar-RNA's, de gids-RNA's (gRNA's), met sequenties die homoloog zijn aan het beoogde DNA, die worden gevolgd door een NGG protospacer aangrenzend motief (PAM) sequentie3. De gRNA's die op de Cas9 zijn geladen, leiden deze nucleasen precies naar specifieke doelwitten in het genoom, waardoor dubbelstrengs DNA-breuken worden veroorzaakt3.
Dubbelstrengsbreuken in het DNA induceren de reparatiemechanismen om de dubbele helix4 te patchen. Hoewel van DNA-reparatie wordt verwacht dat deze nauwkeurig is, bestaan er minder nauwkeurige DNA-reparatiemechanismen die sequentielittekens kunnen achterlaten en, op hun beurt, mutaties met functieverlies4. Onder de foutgevoelige DNA-reparatiemechanismen kan de niet-homologe eindverbinding (NHEJ) frame-shift-mutaties veroorzaken, waaronder kleine deleties, inserties en nucleotideveranderingen (SNP's), die kunnen resulteren in mutatie met functieverlies. Het Homology Directed Repair (HDR)-mechanisme daarentegen vertrouwt op het homologe chromosoom als een sjabloon om de exacte sequentie van het onbeschadigde allel te kopiëren en een perfecte reparatie van de beoogde DNA-sequentie te maken4.
Op basis van deze kennis is de CRISPR-Cas9-technologie ontwikkeld om genomen nauwkeurig te bewerken, aantoonbaar op elke sequentie die een PAM-sitebevat 3. Bij muggen is de CRISPR-Cas9-technologie gebruikt om een verscheidenheid aan genen uit te schakelen, door middel van embryonale micro-injectie van een mengsel van Cas9 en gRNA's, gebruikmakend van het NHEJ-reparatiemechanisme 5,6. Vergelijkbare kiembaanmutagenese wordt verkregen met de injectie van gRNA + Cas9-mengsel in de hemolymfe van volwassen vrouwelijke muggen7. Deze technologie werd ReMOT-controle genoemd en is gebaseerd op een aangepaste versie van een Cas9 gelabeld met een peptide dat door de eierstokken wordt opgenomen door middel van endocytose tijdens het proces van ei-ontwikkeling (vitellogenese)7. Het inbrengen van specifieke gencassettes in een genoom is alleen mogelijk door embryonale micro-injectie van een mengsel van gRNA en Cas9 (of een plasmide dat die moleculen tot expressie brengt) samen met een plasmide dat codeert voor een gewenste DNA-cassette8. Door gebruik te maken van het HDR-mechanisme, wordt het plasmide met de DNA-cassette van belang, geflankeerd door homologe sequenties (500-1,000 bp)9,10 stroomopwaarts en stroomafwaarts van de doellocatie, gebruikt als een sjabloon om de dubbelstrengsbreuk te herschrijven, waarbij ook de DNA-cassette in de doelsequentie9 wordt gekopieerd.
De CRISPR-Cas9-technologie is gebruikt om meerdere genen uit te schakelen die voornamelijk betrokken zijn bij de sensorische systemen in de mug Aedes aegypti11, maar ook genen die verband houden met mannelijke vruchtbaarheid en vrouwelijke levensvatbaarheid (PgSIT) voor populatiecontrole12. Het uitschakelen van doelgenen is ook bereikt door genen die coderen voor fluorescerende markers in de coderende sequenties van specifieke genen in te voegen13,14. Deze strategie heeft het voordeel dat er niet alleen frame-shift-mutaties worden induceerd, maar ook dat het gebruik van fluorescerend licht mogelijk is om de individuen van de nieuwe knock-outlijnte sorteren 13,14. Het A. aegypti-genoom is ook bewerkt met sequenties van binaire expressiesystemen, zoals het Q-systeem (QF-QUAS)11. Het inkloppen van het gen dat codeert voor de QF-transactivator stroomafwaarts naar een promotor van een specifiek gen zorgt voor een gedefinieerde spatiotemporele expressie van de transactivator15,16. Zodra een QF-expressie muggenlijn wordt gekruist met een andere muggenlijn die de bindingsplaatsen (QUAS) voor QF bevat, bindt deze laatste eraan en activeert de expressie van genen stroomafwaarts van de QUAS-sequentie15,16. Dit systeem maakt over het algemeen weefsel- en tijdspecifieke expressie van dergelijke effectorgenen mogelijk, die fluorescerende markers kunnen zijn die worden gebruikt voor cellokalisatie of detectie van neuronale activiteit, en zelfs Cas9-nucleasen voor het verstoren van genen in specifieke weefsels (d.w.z. somatische knock-out)11.
Gezien alle informatie die beschikbaar is voor de genetische transformatie van A. aegypti , bieden we hierin een gedetailleerd protocol met stapsgewijze aanwijzingen voor het uitvoeren van genoombewerking met het CRISPR-Cas9-systeem door middel van embryonale micro-injectie. Strategieën voor het genereren van zowel knock-out, door middel van frame-shift mutaties en deleties gemedieerd door NHEJ, als knockinlijnen, door HDR-gemedieerde gencassette-inserties, worden besproken.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Details met betrekking tot de apparatuur en reagentia die in dit protocol worden gebruikt, staan vermeld in de materiaaltabel. Alle dieren werden behandeld volgens de Gids voor de verzorging en het gebruik van proefdieren, zoals aanbevolen door de National Institutes of Health. De procedures werden goedgekeurd door het UCSD Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC, Animal Use Protocol #S17187) en UCSD Biological Use Authorization (BUA #R2401).
1. gRNA's en ontwerp van donorplasmide
2. Bereiding van de injectiemix
3. Montage van het donorplasmide
4. Mengen van het injectieconstruct
OPMERKING: De voorgestelde uiteindelijke concentratiebereiken voor elk construct worden gegeven in tabel 1. Begin met een verhouding van 2:1:2 (ng Cas9: ng sgRNA: ng donorplasmide) en pas indien nodig aan om de HDR-efficiëntie te optimaliseren. Het monitoren van de resultaten zal helpen bij het identificeren van de meest effectieve combinatie.
5. Trekken en laden van microinjectienaalden
6. Embryo oogsten
7. Embryo line-up
8. Micro-injectie van embryo's
OPMERKING: De injectie vindt plaats bij kamertemperatuur of bij 18 °C. De temperatuur van 18°C wordt om praktische redenen aanbevolen, omdat dit de ontwikkeling van het embryo vertraagt.
9. Nazorg voor geïnjecteerde embryo's
10. Embryo's uitkomen en screenen van G0-larven
11. Geslacht sorteren poppen en uitkruisen naar wildtype
12. G1 vertoning
13. Bevestiging van de G1-invoegsite
14. Uitbreiding van de nieuwe CRISPR-lijnen
15. Maak homozygote lijnen
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Ontwerp en validatie van gRNA-gemedieerde gentargeting voor HDR-homologierecombinatie
Om ervoor te zorgen dat het gewenste gen nauwkeurig wordt getarget, raden we aan om een paar gRNA's te selecteren en de 5'- en 3'-homologiearmen dicht bij de snijplaats te plaatsen voor HDR-gemedieerde homologe recombinatie (Figuur 1A). We hebben bijvoorbeeld twee gRNA's ontworpen om zich te richten op beide zijden van he...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
CRISPR-Cas-technologie heeft het landschap van genoombewerking veranderd door doelwitspecifieke veranderingen in chromosomen te bevorderen1. Hoewel transponeerbare elementen essentieel waren voor het genereren van de eerste transgene muggen, zijn hun insertieplaatsen enigszins willekeurig en komt de expressie van het ladingconstruct (promotor + gen) mogelijk niet overeen met het expressieprofiel van het eigenlijke gen vanwege een genoompositioneel effect (d.w.z. i...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
O.S.A. is een van de oprichters van Agragene, Inc. en Synvect, Inc. met een aandelenbelang. De voorwaarden van deze overeenkomst zijn beoordeeld en goedgekeurd door de University of California, San Diego in overeenstemming met haar beleid inzake belangenconflicten. De overige auteurs verklaren geen tegenstrijdige belangen.
De auteurs bedanken Judy Ishikawa en Ava Stevenson voor hun hulp bij het houden van muggen. Dit werk werd ondersteund door financiering van NIH-prijzen (R01AI151004, RO1AI148300, RO1AI175152) toegekend aan O.S.A. en K22AI166268 aan NHR-figuren werden gemaakt met behulp van BioRender.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 10x Cas9 reactiebuffer | PNA Bio | CB01 | |
| Benchling software | Benchling | N/A | www.benchling.com |
| Cas9 verdunningsbuffer | PNA Bio | CB03 | |
| Cas9-eiwit | PNA Bio | CP01-50 | |
| DH5α E. coli competente cellen | New England Biolabs | C2987 | |
| Dubbelzijdig plakband | Scotch Permanent | 3136 | |
| Drosophila-buisjes | Genesee Scientific | 32-109 | |
| Filterpapieren | GE Healthcare Life Science | 1450-042 | |
| Visvoer | Tetra | B00025Z6YI | goudvissenvlokken |
| Flugs | Genesee Scientific | AS273 | |
| Fluorescentiemicroscoop | Leica Microsystems | M165 FC | |
| Genfragment | Integrated DNA Technologies | N/A | |
| gRNA | Synthego | N/A | |
| Halocarbon olie 700 | Sigma-Aldrich | H8898 | |
| Injectiemicroscoop | Leica Microsystems | DM2000 | |
| JM109 E. coli competente cellen | Zymo Research | T3005 | |
| Microinjector | Eppendorf | FemtoJet 4x | |
| Microloader tips voor het vullen van Femtotips | Eppendorf | E5242956003 | |
| Micromanipulator | Eppendorf | TransferMan 4r | |
| Micropipettrekkers | Sutter Instrument | P-2000 | |
| Microscoopdekglas | Fisherbrand | 12-542-B | |
| Microscoopglasplaat | Eisco | 12-550-A3 | |
| Muisbloed (levende muizen gebruikt voor voeding) | University of California | IACUC, Animal Use Protocol #S17187 | Gebaten voor muggenbloedvoeding; details voldoen aan protocollen voor dierenetiek |
| NEB Q5 High-Fidelity DNA-polymerase | New England Biolabs | M0491S | |
| PCR-zuiveringskit | Qiagen | 28004 | |
| Plasmid Miniprep Kit | Zymo Research | D4036 | |
| Kwartsfilament | Sutter Instruments | QF100-70-10 | |
| Transcriptie Clean-Up Kit | Fisher Scientific | AM1908 | |
| Ultra-zuiver water | Life Technologies | 10977-023 |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.