Het CRISPR–Cas-systeem, afgeleid van een adaptief immuunmechanisme in bacteriën en archaea, heeft genetische engineering gerevolutioneerd door precieze genoombewerking mogelijk te maken over diverse organismen 1,2. Een belangrijk onderdeel is het single-guide RNA (sgRNA), een chimerisch RNA dat Cas-nucleasen naar specifieke genomische loci leidt; het modulaire ontwerp maakt retargeting mogelijk door aanpassing van een ongeveer 20-nucleotide protospacersequentie3. Naast SpCas9 zijn andere Cas-nucleasen met verschillende eigenschappen breed toegepast. Staphylococcus aureus Cas9 (saCas9) is kleiner, wat de levering van adeno-geassocieerd virus (AAV) faciliteert en daarmee de afgiftemogelijkheden uitbreidt4. Elk systeem vereist specifieke gids-RNA-architecturen, waardoor een veelzijdige synthesemethode zeer wenselijk is3.
Traditionele methoden voor het genereren van functionele gids-RNA's zijn plasmide-gebaseerd klonen, commerciële sgRNA-synthesekits of directe commerciële synthese van sgRNA's 5,6. Plasmide-gebaseerd klonen vereist meerdere arbeidsintensieve stappen—restrictie-verteiering, ligatie, transformatie en koloniescreening—en duurt doorgaans meer dan 48 uur 2,4,6. Commerciële sgRNA-kits, hoewel ze een gestroomlijnde workflow bieden (<5 uur), blijven onbetaalbaar duur voor toepassingen met hoge doorvoer, doorgaans met een prijs van $35–$45 per reactie. Directe chemische synthese van sgRNA's biedt voordelen zoals hoge zuiverheid, chemische modificaties om de stabiliteit te verbeteren, en verminderde off-target effecten7; het is echter onbetaalbaar (meestal $200–$280 per SGRNA) voor toepassingen met hoge doorvoer of grootschalige screens die honderden SGRNA's vereisen.
Daarentegen voltooit de hier beschreven eenstaps-overlappende PCR-methode de template-synthese in minder dan 5 uur met standaardprimers tegen een kostprijs van ongeveer $5–8 per sgRNA, wat een aanzienlijke vermindering van zowel tijd als materiaalkosten betekent. Bovendien bereiken sgRNA's die met deze methode worden geproduceerd bewerkingsefficiënties vergelijkbaar met die van plasmide-gebaseerd klonen, zoals bevestigd door in vitro splitsingsassays. Een vergelijking van deze benaderingen is geïllustreerd in Figuur 1.
Overlap extensie PCR (OE-PCR) biedt een snelle, ligase-onafhankelijke strategie voor het samenstellen van DNA-fragmenten8. Deze benadering is aangepast voor sgRNA-sjabloonsynthese met behulp van overlappende primers. In een eenstapsreactie met vier gedeeltelijk overlappende primers vindt competitieve binding plaats: de buitenste primers (AF1 en Tracr-R) definiëren de amplificatiegrenzen, terwijl de binnenste primers (AF2 en AF3) verdund moeten worden om een ordelijke extensie van beide uiteinden naar het centrum te garanderen. Ondanks dit theoretische kader is een cruciale parameter die de assemblage-efficiëntie beïnvloedt – de optimale primerverhouding – niet systematisch onderzocht. Bovendien blijft de bredere toepasbaarheid van dergelijke OE-PCR-methoden op verschillende CRISPR-systemen onderbelicht.
Om deze beperkingen aan te pakken, werd een studie ontworpen om een eenstaps overlappende PCR-methode voor sgRNA-sjabloonsynthese te optimaliseren en te valideren. De optimale primerverhouding werd vastgesteld via een gestructureerd experimenteel ontwerp, waarbij agarosegelelektroforese werd gebruikt om condities te identificeren die resulteerden in één enkel, correct gedimensioneerd product. Na optimalisatie werd de veelzijdigheid van de methode geëvalueerd over twee veelgebruikte CRISPR-systemen (SpCas9 en saCas9), met succesvolle amplificatie van beide templates. Functionele validatie met behulp van in vitro splitsingsassays toonde aan dat sgRNA's die met deze methode werden gegenereerd efficiënties bereiken vergelijkbaar met die verkregen via plasmide-gebaseerde klonering.
Om de functionaliteit in een cellulaire context verder te beoordelen, werd SpCas9 sgRNA gecomplex met Cas9-eiwit om ribonucleoproteïne (RNP) complexen te vormen en via elektroporatie in HEK293T cellen afgeleverd. Genoombewerking op een endogene locus werd geëvalueerd met behulp van een T7 Endonuclease I (T7EI) assay, waarbij splijtingspatronen op agarosegels duiden op detecteerbare indelvorming in vivo. Gezamenlijk tonen deze bevindingen aan dat deze methode betrouwbaar hoogwaardige, functionele sgRNA-sjablonen produceert. Het volgende protocol beschrijft de gedetailleerde procedure met SpCas9 als representatief voorbeeld, met primertemplates die zijn voorzien voor aanpassing aan andere Cas-nucleasen.