1. Generowanie długich substratów pre-crRNA za pomocą PCR
- Zaprojektować startery PCR nakierowane na regiony spacerowe klastra CRISPR. Do startera forward dodać sekwencję promotora polimerazy RNA T7 (T7RNAP) (5' -taatacgactcactata-3'), a do obu starterów miejsca restrykcyjne umożliwiające klonowanie produktu PCR do wektora (np. BamHI i Hind III dla pUC19, Rys. 2A).
Uwaga: T7RNAP wymaga obecności reszty guanidyny do prawidłowej inicjacji transkrypcji.
- Przeprowadzić amplifikację PCR interesującej sekwencji pre-crRNA z DNA genomicznego.
- Rozdzielić produkty PCR za pomocą elektroforezy w żelu agarozowym i wyciąć pożądany prążek z żelu. Strawić produkt PCR enzymami restrykcyjnymi w celu utworzenia lepkich końców (np. BamHI i HindIII, Rys. 2A). Oczyścić produkt PCR za pomocą zestawu do oczyszczania produktów PCR, aby usunąć produkty uboczne cięcia.
- Przygotować reakcję ligacji zawierającą ligazę DNA T4, bufor do ligazy DNA T4 oraz produkt PCR po trawieniu i zdefosforylowany liniowy wektor pUC z odpowiadającymi lepkimi końcami w stosunku molowym 3:1. Inkubować mieszaninę w temperaturze 16 °C przez noc. Przenieść mieszaninę ligacyjną do kompetentnych komórek Escherichia coli DH5α zgodnie ze standardowymi protokołami i zastosować selekcję biało-niebieską w celu zidentyfikowania udanych ligacji.
- Wyizolować plazmidy z białych kolonii przy użyciu zestawu do preparatyki plazmidów. Zidentyfikować pozytywne klony poprzez sekwencjonowanie plazmidów. Alternatywnie, do przesiewania można wykorzystać PCR kolonii.
2. Generowanie pośrednich substratów pre-crRNA poprzez hybrydyzację oligonukleotydów DNA
- Zaprojektuj oligonukleotydy forward i reverse z pożądaną sekwencją powtórzeń/spacerów CRISPR. Oligonukleotydy zawierają sekwencję promotora T7 RNAP oraz terminalne miejsca restrykcyjne (np. BamHI i Hind III dla pUC19). Zakończ oligonukleotydy w sposób zapewniający powstanie lepkich końców po wyżarzaniu (patrz Rys. 2B).
- Przeprowadź 5'-fosforylację 1 nmol każdego oligonukleotydu w oddzielnej reakcji o objętości 20 μl zawierającej 5 μl kinazy polinukleotydowej T4 (PNK), 2 μl buforu 10x do T4 PNK oraz 2 μl ATP (10 mM). Inkubuj każdą próbkę przez 1 godzinę w temperaturze 37 °C.
- Zhybrydyzuj dwa fosforylowane oligonukleotydy. Połącz 1 μl mieszaniny fosforylowanego oligo forward (z punktu 2.2.), 1 μl mieszaniny fosforylowanego oligo reverse (z punktu 2.2.) oraz 1 μl buforu 10x do T4 DNA ligazy w reakcji o objętości 10 μl. Inkubuj próbki przez 5 min w 95 °C na bloku grzewczym lub w wrzącej wodzie, wyłącz źródło ciepła i pozwól mieszaninie ostygnąć do temperatury pokojowej (~2-3 godziny).
Uwaga: W tym krytycznym etapie powolny proces chłodzenia sprzyja wyżarzaniu dwóch oligonukleotydów w porównaniu do tworzenia struktur w obrębie pojedynczego oligonukleotydu.
- Przeprowadź ligację 4 μl mieszaniny hybrydyzacyjnej oraz 1 μl trawionego i defosforylowanego wektora pUC (0,1 μg/μl) z użyciem T4 DNA ligazy, buforu 10x do T4 DNA ligazy i 10 mM ATP w 20 μl mieszaniny ligacyjnej. Inkubuj próbkę w 16 °C przez noc.
- Transformuj ligowane plazmidy do kompetentnych komórek Escherichia coli DH5α zgodnie ze standardowymi protokołami i zastosuj selekcję niebiesko-białą. Izoluj plazmidy i identyfikuj pozytywne klony poprzez trawienie (w celu weryfikacji insertów o pożądanej wielkości) oraz następujące po nim sekwencjonowanie plazmidów.
3. Generowanie krótkich substratów Cas RNA poprzez syntezę niestandardowych oligonukleotydów RNA
Zaprojektuj krótkie substraty RNA dla Cas (np. sekwencje pojedynczych powtórzeń, Rys. 2C) i skorzystaj z usług komercyjnej syntezy oligonukleotydów RNA.
Uwaga: Wprowadzenie deoksyrybonukleotydu w określonej pozycji oligonukleotydu RNA (Rys. 2C) może zostać wykorzystane do precyzyjnego wskazania miejsca rozcięcia RNA.
4. Transkrypcja in vitro za pomocą polimerazy RNA T7
- Wyizoluj plazmidy z zaprojektowaną konstrukcją (z pkt 1.9. lub 2.7.) przy użyciu zestawu do maxiprepu służącego do oczyszczania plazmidów.
- Zlinearyzuj plazmid za pomocą enzymu restrykcyjnego, który tnie w miejscu poniżej sklonowanego fragmentu (np. HindIII). Upewnij się, że trawienie przebiegło całkowicie.
Uwaga: Jeśli pożądany jest odmienny, zdefiniowany koniec 3' transkryptu RNA, zaprojektowana konstrukcja powinna zawierać dodatkową specyficzną sekwencję rozpoznawania enzymu restrykcyjnego do transkrypcji typu „run-off” powyżej sekwencji HindIII.
- Oczyść zlinearyzowany plazmid poprzez ekstrakcję fenol:chloroform (1:1) oraz precypitację etanolem. Odzyskaj kwasy nukleinowe, resuspendując osad w sterylnej wodzie traktowanej DEPC.
- Przygotuj mieszaninę do transkrypcji in vitro typu run-off z wykorzystaniem T7 RNAP, zawierającą 40 mM Hepes/KOH (pH 8), 22 mM MgCl2, 5 mM ditiotreitol, 1 mM spermidynę, 4 mM każdego nukleozydotrifosforanu (ATP, CTP, GTP, UTP), 40-100 μg/ml strawionego plazmidu oraz 0.1 mg/ml T7 RNAP w wodzie traktowanej DEPC. Inkubuj przez 3 godziny w temperaturze 37 °C.
- Przeanalizuj otrzymane transkrypty RNA na denaturującym żelu poliakrylamidowym 12% z 8 M mocznikiem (Rys. 3A). Transkrypty RNA można oczyścić za pomocą chromatografii wymiany anionowej Mono Q13 i odzyskać poprzez precypitację etanolem frakcji RNA oraz resuspensję osadu w sterylnej wodzie traktowanej DEPC. Do późniejszego wykorzystania przechowuj RNA w temperaturze -80 °C.
5. Test endonukleazy Cas6
- Przygotuj 20 μl in vitro mieszanina do transkrypcji z T7 RNAP (patrz 4.4), zawierająca zmniejszoną ilość ATP (2 mM) i uzupełniona o 2.5 μl α-[32[P]-ATP (10 mCi/ml, 5000 Ci/mmol). Produkty reakcji należy oczyścić poprzez ekstrakcję z żelu z denaturującego żelu poliakrylamidowego 12% z dodatkiem 8 M mocznika. Prążki należy uwidocznić za pomocą autoradiografii.
- Wytworzyć i oczyścić pożądane rekombinowane białka Cas. W tym przykładzie białko Cas6 z Clostridium thermocellum oczyszczono metodą precypitacji termicznej oraz chromatografii Ni-NTA.
- Przygotuj reakcję testu endonukleazy (np. dla Clostridium thermocellum Cas6, mieszanina reakcyjna zawiera 20 mM Hepes (KOH pH8), 250 mM KCl, 2 mM MgCl2, 1 mM DTT, 12 000 cpm substratu RNA oraz 1 μM enzym i inkubowano w 37 °C przez 30 min).
- Załaduj 5 μl mieszaniny reakcyjnej (+ 10 μl bufor do ładowania RNA zawierający 95% formamid) na żel poliakrylamidowy 12% z 8 M mocznikiem. Produkty cięcia po elektroforezie należy zwizualizować za pomocą autoradiografii.
6. Reprezentatywne wyniki
Przykład substratów RNA do analizy aktywności endonukleazy Cas przedstawiono na rysunku 3A. Nanoszono alikwot 5 μl z analitycznej reakcji transkrypcji in vitro o objętości 100 μl. Należy pamiętać, że wydajność produkcji RNA różni się w zależności od zastosowanych konstruktów. Zaobserwowano, że na ilość uzyskanego RNA wpływają następujące czynniki: (i) sekwencja początkowa następująca po +1G niezbędnym do inicjacji transkrypcji, (ii) możliwość tworzenia się struktur RNA podczas transkrypcji oraz (iii) wybór miejsca restrykcyjnego dla wygenerowania pozycji cięcia run-off.
Badanie aktywności endonukleazy RNA wymaga zarówno wysoce oczyszczonych rekombinowanych białek Cas (Ryc. 3B), jak i odpowiednich kontroli negatywnych. W idealnym przypadku próbka kontroli negatywnej różni się jak najmniej od badanej reakcji endonukleazy Cas. Można to osiągnąć poprzez inkubację RNA z buforem reakcyjnym i lizatem komórkowym bez ekspresji Cas (stosując identyczną procedurę oczyszczania). Idealną kontrolą negatywną jest dodanie deoksyrybonukleotydu w proponowanym miejscu cięcia. Na Ryc. 3C przedstawiono cięcie sekwencji powtórzonej znakowanej na końcu 5' dla Cas6 z Clostridium thermocellum. W identycznych warunkach powtórzenie to przestaje być substratem, gdy w pozycji -9 wprowadzony zostanie deoksyrybonukleotyd. Metoda ta dostarcza również informacji o miejscu cięcia. Na koniec, długie, znakowane wewnętrznie pre-crRNA zostaje przecięte przez Cas6, co pozwala na zaobserwowanie dwóch fragmentów cięcia.

Rycina 1. Schematyczny przegląd aktywności CRISPR/Cas. Przegląd przedstawia insercję wirusowej sekwencji DNA (protospacera) do klastra CRISPR (adaptacja), transkrypcję i przetwarzanie macierzy CRISPR w małe crRNA przez endonukleazę Cas6, wbudowanie crRNA do kompleksu Cascade oraz interferencję w przypadku ponownego ataku wirusa w oparciu o komplementarność między crRNA a protospacerem. Motywy sąsiednie protospacera (PAM) oznaczają wirusowe sekwencje protospacerów.

Rycina 2. Generowanie substratów RNA dla białek Cas. Schemat przedstawia przebieg procesu generowania (A) długich substratów pre-crRNA, (B) pośrednich substratów pre-crRNA oraz (C) krótkich substratów RNA Cas do produkcji pre-crRNA. Przedstawiono przykładowe sekwencje dla macierzy CRISPR Clostridium thermocellum. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną rycinę.

Rysunek 3. Test endonukleazy Cas6. A.) Żel poliakrylamidowy barwiony błękitem toluidyny z zastosowaniem zaprojektowanego na zamówienie oligonukleotydu RNA (250 pmol) oraz dwóch transkryptów RNA in vitro (5 μl z typowej reakcji o objętości 100 μl). B.) Żel SDS-PAGE preparatu Cas6 (80 pmol) z Clostridium thermocellum po wytrąceniu termicznym w 50°C przez 1 godzinę i chromatografii Ni-NTA. C.) Wykrywanie aktywności endonukleolitycznej Cas6 dla sekwencji powtórzeń znakowanych na końcu 5' oraz transkryptów pre-crRNA in vitro. Wprowadzenie dNTP w pozycji -9 znosi cięcie przez Cas6 w przypadku krótkiego substratu RNA Cas (S, Rys. 2C). Dla dojrzewania crRNA z długich substratów pre-crRNA generowany jest również 8 nt znacznik na końcu 5' (L, Rys. 2A). Prążki rozdzielono na denaturującym żelu poliakrylamidowym 12% z 8 M mocznikiem i wizualizowano za pomocą autoradiografii.