Podejście RNP opisane w tym szczegółowym protokole umożliwia skuteczny nokaut genów zarówno w mysich, jak i ludzkich pierwotnych komórkach krwiotwórczych, a także w liniach komórek zawiesinowych. Chociaż często uzyskuje się bardzo wysoką sprawność KO, należy wziąć pod uwagę kilka krytycznych zmiennych. Po pierwsze, właściwy wybór eksonów jest kluczem do zagwarantowania, że efektywna inkorporacja indela odpowiada nokautowi genu. Dwa ważne czynniki związane z wyborem eksonów to zachowanie izoform i pozycja eksonów w transkryptach. Wzorce ekspresji izoform są zmienne w zależności od typu komórek, więc jeśli pożądany jest gen KO między typami komórek, należy celować w eksony, które są niezmienne między typami komórek. Wzorce izoform można zweryfikować za pomocą danych z sekwencjonowania q-PCR lub RNA. W przypadku pozycji eksonów w transkryptach najlepiej jest celować we wczesne eksony, ponieważ mutacje przesunięcia ramki odczytu w końcowym lub przedostatnim eksonie mogą uciec przed rozpadem za pośrednictwem nonsensu10, wytwarzając białka o nowych lub nieznanych funkcjach, a nie prawdziwych zerach.
Określenie częstości występowania indel jest kluczowym krokiem do oszacowania wydajności KO i prawidłowej interpretacji biologicznego wyniku eksperymentu. Testy endonukleaz (np. test geodezyjny) mają tę zaletę, że są stosunkowo szybkie i łatwe do wykonania. Jednak zwykle są one niedokładne ze względu na znaczne sygnały tła, a wyniki są często trudne do odtworzenia. Co więcej, nie dostarczają one informacji na temat jakości wytworzonych indeli (np. długości insercji i delecji) w eksperymencie. Sekwencjonowanie Sangera stanowi cenną alternatywę dla testów endonukleazy. Platformy takie jak TIDE11 (https://tide.nki.nl/) pomagają w dekompozycji śladów Sangera i dostarczają dokładnych szacunków skuteczności rozerwania alleli, zapewniając jednocześnie częstość występowania poszczególnych indeli. Główną wadą jest absolutna zależność od wysokiej jakości ścieżek sekwencjonowania Sangera. Sekwencjonowanie amplikonów o wysokiej przepustowości rozwiązuje większość tych problemów. Biblioteki amplikonów można przygotowywać przy bardzo niskich danych wejściowych DNA, a wysokie pokrycie zapewnia wiarygodne wyniki. Aby obniżyć koszty sekwencjonowania amplikonów, zwykle zwiększamy biblioteki amplikonów do większych serii sekwencjonowania (np. sekwencjonowania RNA), używając tylko 1 - 1,5% całkowitych odczytów. Wreszcie, aby potwierdzić udany nokaut, zdecydowanie zalecamy ocenę poziomu białka za pomocą western blot lub cytometrii przepływowej, jeśli to możliwe.
Jak opisano wcześniej, przedstawiona tutaj metoda jest szybka i prosta oraz stanowi nowe narzędzie do badania nokautu genów u myszy i ludzi. Podczas gdy nasz protokół zawiera instrukcje dotyczące nokautu genów za pomocą systemu elektroporacji opartego na końcówce, inne systemy okazały się bardzo skuteczne12,13.
W odniesieniu do podejścia opartego na RNP należy zwrócić uwagę na dwa zasadnicze ograniczenia. Po pierwsze, jak opisała nasza grupa, żywotność HSPC elektroporowanych transkrybowanymi in vitro sgRNA może być znacznie zagrożona przez elektroporację, zwłaszcza gdy warunki niesą optymalne6. W razie potrzeby komercyjnie syntetyzowane sgRNA (tj. eliminujące transkrypcję in vitro ) mogą rozwiązać ten problem. Z czasem stają się one coraz tańsze i można je kupić u kilku dostawców. W tym scenariuszu transkrypcja in vitro może być wykorzystana do wygenerowania puli sgRNA do badania przesiewowego pod kątem skuteczności, a następnie można wybrać najbardziej wydajne sgRNA (s) do syntezy. Drugim poważnym ograniczeniem podejścia RNP jest brak możliwości śledzenia pomyślnie transfekowanych komórek, jak w przypadku podejść opartych na wirusach. Jednak wysoka wydajność KO i szybka edycja uzyskana za pomocą RNP Cas9-sgRNA może przeważyć nad tymi wadami w wielu scenariuszach eksperymentalnych. Zalecamy korzystanie z sekwencjonowania amplikonów o wysokiej przepustowości w celu dokładnego określenia skuteczności zakłóceń w każdym eksperymencie. Jeśli oczekuje się, że nokaut genu będącego przedmiotem zainteresowania nada fenotyp proliferacyjny (tj. zmniejszoną lub zwiększoną proliferację w porównaniu z komórkami typu dzikiego), określenie częstości indel w wielu punktach czasowych pozwala ocenić, czy komórki KO ulegają wzbogaceniu (tj. częstotliwość indel wzrasta w czasie), czy też są konkurencyjne (tj. częstotliwość indel zmniejsza się w czasie).
Przeprowadzanie eksperymentów in vivo lub in vitro w celu zrozumienia biologicznych skutków utraty funkcji genów wymaga odpowiednich kontroli. Jak wspomniano wcześniej, transkrybowane in vitro sgRNA mogą być toksyczne dla komórek, zwłaszcza pierwotnych komórek progenitorowych6. Dodatkowo, pęknięcia dwuniciowej DNA spowodowane białkiem Cas9 mogą powodować niezależną od genów odpowiedź antyproliferacyjną14. Dlatego w eksperymentach CRISPR często używamy wielu kontrolnych sgRNA i zalecamy marker powierzchni komórki wyrażony na typie komórki, a także drugi gen docelowy, który nie ulega ekspresji.
Krótkotrwała hodowla ludzkich HSPC w obecności cytokin zwiększa skuteczność rozerwaniagenów6 i jest niezbędna do osiągnięcia wysokiej wydajności KO. Odkryliśmy, że 36 - 48 godzin to idealny okres posiewu przed elektroporacją6. Po elektroporacji komórki mogą być dalej hodowane, mając na uwadze, że im dłuższa hodowla, tym większe ryzyko utraty zdolności do wszczepienia wieloliniowego. Dlatego przeszczepy wykonujemy zazwyczaj 6 godzin po elektroporacji i nigdy nie później niż 24 godziny po elektroporacji.
CRISPR/Cas9 znacznie poprawił zdolność naukowców do skutecznej edycji genomu komórek ssaków. Przewiduje się, że zwiększenie możliwości rozerwania genów w pierwotnych hematopoetycznych komórkach progenitorowych szybko poszerzy wiedzę naukową w dziedzinie HSPC i chorób hematologicznych. Co ważne, opisany tutaj protokół umożliwia również jednoczesne generowanie wielu nokautów z wysoką wydajnością, co pozwala na modelowanie złożonych krajobrazów genetycznych, często obserwowanych w chorobach białaczkowych.
Chociaż opisane tutaj protokoły koncentrują się na zaburzeniach genów, można je łatwo zaadaptować do eksperymentów z wykorzystaniem genów. Można to osiągnąć poprzez jednoczesne dostarczanie jednoniciowych matryc oligonukleotydowych do naprawy 6,13 kierowanej homologią (HDR) lub poprzez transdukcję komórek po elektroporacji wektorami AAV6 zawierającymi matrycę homologii12. Zdolność do naprawy lub wprowadzania określonych mutacji w HSPC ułatwi nowe strategie terapeutyczne w terapii genowej i rozszerzone badania nad mutacjami powodującymi raka w AML i innych chorobach hematologicznych. Podczas gdy HDR w ludzkich HSPC był udany 6,12,13, mysie HSPC były trudne do edycji przy użyciu tej strategii6. Optymalizacja protokołów HDR u ludzi, a w szczególności u myszy HSPC, umożliwi bardziej szczegółową edycję i opracowanie narzędzi do śledzenia edytowanych komórek za pomocą endogennego znakowania.
Wreszcie, przewiduje się również, że zakłócenie zmutowanych alleli wzmocnienia funkcji może stanowić potencjalne podejście terapeutyczne w przypadku wrodzonych i nabytych zaburzeń krwiotwórczych. W tym scenariuszu zaleca się podejście bez DNA, aby uniknąć możliwych integracji, które mogłyby sprzyjać transformacji. Co więcej, podejście "uderz i uciekaj" zmniejsza możliwość wystąpienia niepożądanych efektów niepożądanych. Konieczne są dalsze wysiłki w celu opracowania specjalnych systemów dostarczania, które otworzyłyby nowe możliwości leczenia złośliwych i niezłośliwych chorób hematologicznych.