Een CRISPR/Cas9 microinjectieworkflow voor endogene fluorescerende tagging in de Caenorhabditis elegans kiemlijn om homozygote knock-in-lijnen te verkrijgen voor in vivo eiwitlokalisatieanalyse.
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
Een CRISPR/Cas9 microinjectieworkflow voor endogene fluorescerende tagging in de Caenorhabditis elegans kiemlijn om homozygote knock-in-lijnen te verkrijgen voor in vivo eiwitlokalisatieanalyse.
Eiwitlokalisatie in de caenorhabditis elegans (C. elegans) kiemlijn is centraal bij het interpreteren van genfunctie tijdens gametogenese, maar conventionele transgenbenaderingen leveren vaak variabele expressie op en kunnen in kiemcellen worden geneutraliseerd. Hier wordt een praktische CRISPR/Cas9-workflow beschreven waarbij een fluorescerende tag in een endogene locus wordt geplaatst, waardoor stabiele knock-in allelen kunnen worden gegenereerd die eiwitdistributie rapporteren onder native regulatie. Het protocol omvat de belangrijkste fasen van de procedure: het kiezen van een taggingstrategie die geschikt is voor het doeleiwit, het toedienen van CRISPR-reagentia via gonadale microinjectie aan jonge volwassen hermafrodieten, en het terughalen van geïnjecteerde dieren voor screening. Knock-in kandidaten worden geïdentificeerd via PCR-gebaseerde genotypering over twee generaties om homozygote wormen te isoleren en het bewerkte allel te verifiëren. Tot slot wordt confocale microscopie gebruikt om de fluorescentie van de kiemlijn te verifiëren en subcellulaire lokalisatie in vivo te beoordelen. De workflow is ontworpen om reproduceerbaar en breed toepasbaar te zijn op genen die met kiemlijnen verrijkt zijn, en biedt een eenvoudige route om homozygote getagde stammen vast te stellen voor ontwikkelings- en celbiologische analyses.
Caenorhabditis elegans (C. elegans) is een goed gevestigd model voor het bestuderen van voortplantingsontwikkeling en gametogenese, vanwege zijn korte levenscyclus, transparante lichaam en hoge genetische tractabiliteit1. C. elegans bestaat voornamelijk als zelfbevruchtende hermafrodieten, waarvan de gonade eerst spermatogenese ondergaat en vervolgens overschakelt naar oogenese. Deze voortplantingsmodus vereenvoudigt het onderhoud van de spanning en maakt het eenvoudig om homozygote lijnen2 te verkrijgen. Recente ruimtelijke transcriptomics hebben de lijst van genen die in de gonade zijn verrijkt aanzienlijk uitgebreid en uitgesproken geslachtsspecifieke expressiepatronen in het voortplantingssysteem bij C. elegans3 aan het licht gebracht. Meer recentelijk heeft single-cell RNA-sequencing reconstructie van kiemcelontwikkelingstrajecten en het afleiden van genregulatienetwerken die spermatogenese beheersenmogelijk gemaakt. Samen genereren deze datasets rijke kandidatenlijsten, maar functionele interpretatie vereist vaak het observeren van eiwitgedrag in vivo—specifiek het definiëren wanneer en waar de overeenkomstige eiwitten zich lokaliseren en hoe hun patronen veranderen gedurende de ontwikkeling van de kiemlijn.
Conventionele transgenese bij C. elegans is vaak afhankelijk van gonadale micro-injectie van plasmide-DNA, die gemakkelijk multi-kopie extrachromosomale arraysgenereert 5. In de kiemlijn worden deze arrays echter vaak robuust gedempt, een mechanisme waarvan wordt gedacht dat het helpt de integriteit van de kiemlijn te behouden door expressie van repetitief DNA te beperken, waardoor de kiemlijnfunctie en de stabiliteit van genetische informatie over generaties 6,7 behouden blijven. Als gevolg hiervan kunnen transgenexpressieconstructies die gemakkelijk tot expressie komen in somatische weefsels zwak of inconsistent zijn in de kiemlijn. Zelfs wanneer expressie detecteerbaar is, kunnen copy-number-effecten en geengineerde regulerende elementen de eiwitdosering en timing verschuiven, wat mogelijk conclusies over native localisatie en dynamiek kan verwarren. Om deze beperkingen aan te pakken, worden microdeeltjesbombardement en Mos1-gemedieerde Single Copy Insertion (MosSCI) veel gebruikt om geïntegreerde transgene lijnen 8,9,10 met lage of enkele kopie te genereren. Deze benaderingen kunnen de expressie in de kiemlijn verbeteren, maar verschillen in kosten, doorvoer en hoe goed ze endogene regulatie reproduceren. CRISPR/Cas9-genoombewerking biedt een directere route door een fluorescerende tag in te brengen op het endogene locus via homologiegerichte reparatie, waarmee stabiele knock-in allelen worden gegenereerd die eiwitlokalisatie en -dynamiek rapporteren onder native regulatiecontrole 11,12,13,14.
Hier wordt een praktische workflow beschreven voor CRISPR/Cas9-gemedieerde endogene fluorescerende tagging in C. elegans , toegepast op genen die zijn geselecteerd op basis van gerapporteerde door kiemlijnen verrijkte expressiepatronen. Het protocol beschrijft doelselectie, het ontwerp van donortemplate en -guide-RNA, gonadale micro-injectie en downstream screening om homozygote knock-in lijnen te isoleren, gevolgd door validatie met genotypering. Deze benadering is breed toepasbaar op door kiemlijnen uitgedrukte genen over ontwikkelingsstadia heen en maakt kwantitatieve analyses van eiwitlokalisatie en -dynamiek in vivo mogelijk. Deze workflow biedt een praktische strategie voor het taggen van genen die in de kiemlijn worden uitgedrukt en voor het analyseren van eiwitlokalisatie en -dynamiek in vivo onder native regulatiecontrole.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Alle experimenten met Caenorhabditis elegans werden uitgevoerd volgens de institutionele richtlijnen voor de zorg en het gebruik van laboratoriumorganismen aan de Beijing Normal University.

Figuur 1: Overzicht van CRISPR/Cas9-gemedieerde endogene fluorescerende tagging bij C. elegans. Schematische workflow die de belangrijkste fasen van endogene fluorescerende knock-in generatie en validatie illustreert. In de ontwerp- en constructiefase worden een door kiemlijn verrijkt doelgen en insertieplaats geselecteerd, pDD162 wordt gebruikt als CRISPR/Cas9-plasmide voor Cas9- en gidsRNA-expressie, en pPD95.75 als donorruggengraat waarin de fluorescerende tag (bijv. GFP) en de linker- en rechterhomologiearmen worden gesubkloond. In de micro-injectiefase wordt het CRISPR/Cas9-injectiemengsel (inclusief het gRNA/Cas9-plasmide, donortemplate en co-injectiemarkers) toegediend in de gonade van jonge volwassen hermafrodieten, gevolgd door herstel op zaadplaten. In de validatiefase worden marker-positieve nakomelingen geselecteerd voor downstream genotypering, inclusief PCR-gebaseerde identificatie van knock-in gebeurtenissen en bevestiging door DNA-sequencing, en succesvolle knock-in lijnen worden vervolgens onderzocht met fluorescentiemicroscopie om de kiemlijnexpressie en subcellulaire lokalisatie van het getagde eiwit te beoordelen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
1. Selecteer een kiemlijnverrijkt doelgen
2. Ontwerp het gids-RNA en donortemplate
3. Bereid het injectiemengsel voor
| Component | Functie | Werksconcentratie (ng/μL) |
| pDD162 | CRISPR/Cas9-plasmide (Cas9- en gRNA-expressie) | 50-100 |
| Donor plasmide (pPD95,75 ruggengraat) | HDR-donortemplate met fluorescerende tag, geflankeerd door ~1 kb homologiearmen | 50-100 |
| pRF4 | Co-injectiemarker (Rollerfenotype) | 50-100 |
| pPD122.11 | Co-injectiemarker (GFP-expressie) | 5-10 |
| Steriel ddH2O | Breng naar het laatste deel | – |
Tabel 1: Samenstelling van injectiemengsels en plasmidfuncties. Het injectiemengsel bevat CRISPR-expressieplasmide, donorplasmide, pRF4 en pPD122.11 bij de aangegeven concentraties, voor een totaal volume van 10 μL.
4. Laad en bereid de injectienaald voor
5. Bereid wormen voor op injectie
OPMERKING: Bereid Nematode Growth Medium (NGM) platen en M9-buffer voor zoals eerder beschreven17. Houd wormen op platen die zijn ingezaaid met Escherichia coli OP50 (hierna OP50) en voer injecties uit in de N2-achtergrond.
6. Voer gonadale micro-injectie uit

Figuur 2: Lokalisatie van het distale gonadesyncytium voor micro-injectie bij jonge volwassen hermafrodieten van C. elegans. (A) Lichtveldafbeelding met lage vergroting van een gemonteerde jonge hermafrodiet. Beide gonadarmen zijn zichtbaar; De injectieplaats wordt aangegeven voor één arm (pijl) als representatief voorbeeld. Het ingebakte gebied markeert het gebied dat bij hogere vergroting in paneel B wordt weergegeven. (B) DIC-weergave met hogere vergroting van de distale gonade die overeenkomt met het ingebakte gebied in paneel A. De pijl geeft de injectiepositie aan binnen het distale gonadale syncytium, waar het injectiemengsel wordt toegediend. Schaalbalken: 100 μm (A) en 20 μm (B). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
7. Screenen F1-kandidaten om knock-in-positieve lijnen te identificeren
8. Screenen F2-nakomelingen om homozygote knock-in lijnen te isoleren en integratie te bevestigen
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Volgens het protocol werden jonge volwassen hermafrodieten gonadaal microgeïnjecteerd met een CRISPR/Cas9-plasmide (pDD162), een plasmidedonor die codeert voor een GFP knock-in tag geflankeerd door ongeveer 1 kb homologiearmen (pPD95.75), en co-injectiemarkers (pRF4 en pPD122.11). Een kiemlijnverrijkt doelgen werd gebruikt als representatief voorbeeld om een stabiel, homozygoot knock-in allel te genereren dat eiwitlokalisatie rapporteert onder native regulatiecontrole.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Deze workflow is ontworpen om stabiele, homozygote knock-in-lijnen te genereren waarin een fluorescerende tag wordt ingebracht op de endogene locus om eiwitlokalisatie te rapporteren onder native regulatory control 5,6,7,8,9,10. In de praktijk wordt succes het beste beoordeeld door een sequen...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dit werk werd ondersteund door subsidies van het National Key Research and Development Program van China (2023YFA1801100 tot L.M.), de Natural Science Foundation of China (32400698 tot P.W., 32270774 tot L.M.).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Agar | Beijing Lablead Biotech Co., Ltd. | QZ02 | Component voor het bereiden van NGM agar platen |
| Agarose | NOVON | ZZ14011 | Bereid 2% agarose pads |
| Caenorhabditis elegans stam N2 | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | Injectie achtergrondstam | |
| Centrifuge | Eppendorf | 5425 | Helder maken van injectiemix |
| Cholesterol | Beijing Chemical Reagents Company | 57-88-5 | Component voor het bereiden van NGM agar platen |
| Co-injectie marker plasmid rol-6 (su1006) (pRF4) | Guangshuo Ou Lab | Roller marker om kandidaten te verrijken | |
| Confocale microscoop | ZEISS | LSM880 + Airyscan | Valideer GFP expressie/lokalisatie |
| Di-Kaliumwaterstoffosfaat (K2HPO4) | Sinapharm | CAS: 7758-11-4 | Component voor het bereiden van NGM agar platen |
| Di-Natriumwaterstoffosfaat (Na2HPO4) | Sinapharm | CAS: 7558-79-4 | Component voor het bereiden van M9 buffer |
| DNA ladder | Mei5 Biotechnology, Co., Ltd. | MF288-01 | Grootte referentie voor agarose gels |
| Donor plasmid backbeen (pPD95.75) | Addgene | 1494 | Backbeen voor HDR donor constructie |
| Elektroforese Systeem | Beijing Liuyi Biotechnology Co., Ltd. | 112-0630 | Scheiding van PCR amplicons op agarose gels voor junction screening en zygositeit genotypering |
| Escherichia coli OP50 stam | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | Voedselbron voor wormen | |
| Fluorescente co-injectie marker plasmid (pPD122.11) | Fire Lab | GFP co-marker om kandidaten te verrijken | |
| Fluorescente stereomicroscoop | SOPTOP | SZX12-HT | Screen live wormen voor fluorescente co-injectie markers |
| GelRed Nucleïnezuur Gel Stain | Mei5 Biotechnology, Co., Ltd. | MF079-plus-01 | Visualisatie van DNA banden |
| Glazen capillairen | World Precision Instruments | 1B100F-4 | Gebruikt met naaldpuller om injectienaalden te maken |
| Halocarbon olie 700 | Sigma-Aldrich | H8898-50ML | Voorkomen van uitdroging tijdens injectie |
| Incubator | Wuhan Ruihua Instrument & Equipment Co., Ltd. | HP400S | Bewaar wormen op standaard temperatuur |
| Magnesiumsulfaat (MgSO4) | Sinapharm | CAS: 7487-88-9 | Component voor het bereiden van NGM agar platen en M9 buffer |
| Microcapillaire pipetten | KIMBLE | 71900-50 | Verwarmd en gebroken om laadtool te maken |
| Microinjector eenheid | Eppendorf | FemtoJet 4i | Lever gecontroleerde drukpulsen van injectiemix in de distale gonade via een microinjectienaald (voetpedaal getriggerd) |
| Microscoop dekvlakjes | Fisherbrand | 12545A 22×30-1 | Bereid 2% agarose pads voor montage en immobilisatie van wormen tijdens micro-injectie; Open injectienaald tips tegen de rand van het dekvlakje |
| Microscoop voor micro-injectie | ZEISS | Axio Observer.A1 | Injectie microscoop |
| Naald puller | Sutter Instrument Company | Model P97 | Trek glas capillairen in injectienaalden |
| PCR thermocycler | Bio-Rad | C1000 Touch Thermal Cycler | PCR amplificatie |
| pDD162 (Peft-3::Cas9 + Lege sgRNA) | Addgene | 47549 | Cas9 + sgRNA expressie |
| Peptone | Gibco | 308723 | Component voor het bereiden van NGM agar platen |
| Kaliumdiwaterstoffosfaat (KH2PO4) | Sinapharm | CAS: 7778-77-0 | Component voor het bereiden van NGM agar platen en M9 buffer |
| Natriumchloride (NaCl) | Sinapharm | CAS: 7647-14-5 | Component voor het bereiden van NGM agar platen en M9 buffer |
| Stereomicroscoop | Motic | K400L | Plakken en monteren wormen op agarose pads en uitvoeren van post-injectie herstel stappen |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.