Elementy regulacyjne transkrypcji są kluczowe dla czasowo-przestrzennego dostrajania ekspresji genów podczas rozwoju1, a modyfikacje tych elementów mogą prowadzić do chorób w wyniku aberracyjnej ekspresji genów2. Wiele regionów związanych z chorobami, zidentyfikowanych w badaniach genome-wide association studies, znajduje się w obszarach niekodujących i wykazuje cechy enhancerów transkrypcyjnych3-4. Identyfikacja enhancerów i przypisanie ich do regulowanych przez nie genów jest skomplikowane, ponieważ często znajdują się one w odległości kilku kilobaz od genów, które regulują, i mogą być aktywowane w sposób specyficzny dla danej tkanki5-6. Przewidywania dotyczące enhancerów opierają się zazwyczaj na sygnaturach modyfikacji histonów, kompleksach mediator-kohezyna oraz wiązaniu czynników transkrypcyjnych specyficznych dla danego typu komórek7-10. Walidacja przewidywanych enhancerów najczęściej odbywa się za pomocą testu opartego na wektorze, w którym enhancer aktywuje ekspresję genu reporterowego11-12. Dane te dostarczają cennych informacji o potencjale regulacyjnym domniemanych sekwencji enhancerów, ale nie ujawniają ich funkcji w endogennym kontekście genomicznym ani nie identyfikują genów, które one regulują. Edycja genomu służy jako potężne narzędzie do badania funkcji elementów regulacyjnych transkrypcji w ich endogennym kontekście poprzez analizę utraty funkcji (loss-of-function).
Ostatnie postępy w edycji genomu, a w szczególności system edycji genomu CRISPR/Cas9, ułatwiają badanie funkcji genomu. System CRISPR/Cas9 jest łatwy w użyciu i możliwy do adaptacji w wielu systemach biologicznych. Białko Cas9 jest kierowane do specyficznego miejsca w genomie za pomocą przewodzącego RNA (gRNA)13. Kompleks SpCas9/gRNA skanuje genom w poszukiwaniu docelowej sekwencji genomicznej, która musi znajdować się w pozycji 5' względem sekwencji motywu sąsiadującego z protospacerem (PAM), NGG14-15. Parowanie zasad gRNA z jego celem, 20-nukleotydową (nt) sekwencją komplementarną do gRNA, aktywuje aktywność nukleazy SpCas9, co prowadzi do pęknięcia obu nici (DSB) 3 bp powyżej sekwencji PAM. Specyficzność jest osiągana dzięki pełnemu parowaniu zasad w regionie seed gRNA, obejmującym 6-12 nt sąsiadujących z PAM; przeciwnie, niedopasowania w pozycji 5' względem regionu seed są zazwyczaj tolerowane16-17. Wprowadzone DSB może zostać naprawione albo przez mechanizm niehomologicznego łączenia końców (NHEJ), albo przez mechanizm naprawy sterowanej homologią (HDR). Naprawa DNA przez NHEJ często prowadzi do powstania insercji lub delecji (indeli) o długości kilku bp w miejscu docelowym, co może zakłócić otwartą ramkę odczytu (ORF) genu. Aby wygenerować większe delecje w genomie, można zastosować dwa gRNA, które flankują interesujący region18-19. Podejście to jest szczególnie przydatne w badaniu enhancerów transkrypcyjnych skupionych w regionach kontroli locus lub super-enhancerów, które są większe od konwencjonalnych enhancerów9,18,20-22.
Delecje monoalleliczne stanowią cenny model do badania regulacji cis-transkrypcji. Obserwowana zmiana poziomu transkryptu po monoallelicznej delecji enhancera koreluje z rolą tego enhancera w regulacji genów, eliminując efekt zakłócający, który może wystąpić, gdy transkrypcja obu alleli zostanie naruszona, co potencjalnie wpływa na kondycję komórki. Ocena obniżonej ekspresji jest jednak trudna bez możliwości odróżnienia allelu z delecją od allelu typu dzikiego. Ponadto genotypowanie delecji w każdym allelu bez możliwości rozróżnienia tych dwóch alleli jest problematyczne, szczególnie w przypadku dużych delecji od >10 kb do 1 Mb23, w których trudno jest przeprowadzić amplifikację całego regionu typu dzikiego metodą PCR. Zastosowanie komórek ES F1, otrzymanych przez krzyżowanie Mus musculus129 z Mus castaneus, umożliwia rozróżnienie dwóch alleli za pomocą allele-specyficznego PCR18,24. Hybrydowy genom w tych komórkach ułatwia allele-specyficzne przesiewanie delecji oraz analizę ekspresji. Średnio co 125 bp między tymi dwoma genomami występuje SNP, co zapewnia elastyczność w projektowaniu starterów do analiz ekspresji i genotypowania. Obecność jednego SNP może wpływać na temperaturę topnienia (Tm) startera oraz specyficzność docelową w amplifikacji za pomocą ilościowego PCR w czasie rzeczywistym (qPCR), co pozwala na rozróżnienie dwóch alleli25. Co więcej, niedopasowanie w obrębie końca 3' startera w znacznym stopniu wpływa na zdolność polimerazy DNA do elongacji od startera, zapobiegając amplifikacji niepożądanego celu allelicznego26. W poniższym protokole opisano wykorzystanie komórek ES F1 do allele-specyficznych delecji enhancerów o wielkości powyżej 1 kb oraz późniejszą analizę ekspresji z wykorzystaniem systemu edycji genomu CRISPR/Cas9 (Rycina 1).

Rycina 1. Delecja enhancera za pomocą CRISPR/Cas9 w celu zbadania cis-regulacji ekspresji genów. (A) Komórki ES F1 uzyskane w wyniku krzyżówki Mus musculus129 i Mus castaneus są wykorzystywane, aby umożliwić delecję specyficzną dla allelu. (B) Dwie cząsteczki przewodzącego RNA (gRNA) są używane do indukcji rozległej delecji regionu enhancera za pośrednictwem Cas9. (C) Zestawy starterów służą do identyfikacji dużych delecji mono- i bi-allelicznych. Pomarańczowe startery to startery wewnętrzne, fioletowe startery to startery zewnętrzne, a zielone startery to startery flankujące gRNA. (D) Zmiany w ekspresji genów są monitorowane za pomocą allelo-specyficznego qPCR. RFU oznacza względne jednostki fluorescencji. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.