Prezentowany tutaj jest protokół do przeprowadzenia ograniczonego czasowo i przestrzennie nokautowania genów w rdzeniu kręgowym aksolotla poprzez wstrzyknięcie kompleksu CAS9-gRNA do kanału centralnego rdzenia kręgowego, a następnie elektroporację.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Prezentowany tutaj jest protokół do przeprowadzenia ograniczonego czasowo i przestrzennie nokautowania genów w rdzeniu kręgowym aksolotla poprzez wstrzyknięcie kompleksu CAS9-gRNA do kanału centralnego rdzenia kręgowego, a następnie elektroporację.
Aksolotl posiada unikalną zdolność do pełnej regeneracji swojego rdzenia kręgowego. Wynika to w dużej mierze z tego, że komórki wyściółki pozostają przez całe życie jako nerwowe komórki macierzyste (NSC), które namnażają się, aby zreformować cewkę wyściółkową i różnicować się w utracone neurony po urazie rdzenia kręgowego. Rozszyfrowanie, w jaki sposób te NSC zachowują pluripotencję po rozwoju i namnażają się po urazie rdzenia kręgowego w celu zreformowania dokładnej struktury przed urazem, może dostarczyć cennych informacji na temat tego, jak rdzenie kręgowe ssaków mogą się regenerować, a także potencjalnych opcji leczenia. Przeprowadzenie nokautów genów w określonych podzbiorach NSC w ograniczonym czasie pozwoli na badanie mechanizmów molekularnych stojących za tymi procesami regeneracyjnymi, bez zakłóceń spowodowanych efektami zakłócającymi rozwój. Opisano tutaj metodę wykonywania nokautu genów w NSC rdzenia kręgowego aksolotla przy użyciu systemu CRISPR-Cas9. Poprzez wstrzyknięcie kompleksu CAS9-gRNA do kanału centralnego rdzenia kręgowego, a następnie elektroporację, docelowe geny są eliminowane w NSC w określonych obszarach rdzenia kręgowego w pożądanym punkcie czasowym, co pozwala na badania molekularne NSC rdzenia kręgowego podczas regeneracji.
Rdzeń kręgowy większości kręgowców nie jest w stanie zregenerować się po urazie, co prowadzi do trwałego kalectwa. Kilka salamander, takich jak aksolotl, jest godnymi uwagi wyjątkami. Aksolotl może w pełni zregenerować strukturalnie identyczny rdzeń kręgowy i całkowicie przywrócić funkcję rdzenia kręgowego. Duża część zdolności regeneracyjnych rdzenia kręgowego aksolotla wynika z komórek wyściółki. Komórki te wyściełają kanał centralny i w przeciwieństwie do tych u ssaków, komórki wyściółki aksolotla pozostają jako nerwowe komórki macierzyste (NSC) po rozwoju embrionalnym. Po urazie rdzenia kręgowego (np. w wyniku amputacji ogona) te NSC namnażają się, aby odrosnąć rurkę wyściółkową i różnicować się, zastępując utracone neurony1,2,3. Odkrycie, w jaki sposób NSC rdzenia kręgowego aksolotla pozostają pluripotencjalne i aktywują się po urazie, może dostarczyć cennych informacji na temat opracowywania nowych strategii terapeutycznych dla pacjentów.
Dzięki postępom w technice nokautowania genów CRISPR-Cas9, wykonywanie nokautów w celu rozszyfrowania funkcji genu stało się łatwiejsze i okazało się, że ma szerokie zastosowanie u różnych gatunków, w tym aksolotlów4,5,6,7,8. Niedawne wydanie pełnego genomu aksolotla i transkryptomu pozwala teraz na ukierunkowanie dowolnego locus genomowego i lepszą ocenę efektów poza celem9,10,11,12,13,14. Opracowano zoptymalizowane protokoły nokautowania i wbijania aksolotli przy użyciu systemu CRISPR-Cas915. Wykazano, że dostarczanie maszynerii CRISPR-Cas9 w postaci rybonukleoproteiny białkowej CAS9-gRNA (RNP) jest bardziej wydajne niż przy użyciu plazmidów kodujących Cas9 i gRNA4. Jest to prawdopodobnie spowodowane tym, że RNP jest mniejszy niż wektory plazmidowe, jego zdolność do natychmiastowego tworzenia pęknięć DNA i chroni gRNA przed degradacją RNA. Ponadto użycie RNP omija transkrypcję i translację; W ten sposób unika się problemów, takich jak siła promotora i optymalne wykorzystanie kodonów, gdy elementy plazmidowe pochodzą z innego gatunku.
Badania nad utratą funkcji są jednym z ogólnych podejść do badania potencjalnych funkcji interesujących genów. W celu zbadania funkcji genów podczas regeneracji, najlepiej byłoby wykonać nokaut tuż przed kontuzją, aby uniknąć wpływu na rozwój. Ponadto nokaut powinien być ograniczony zarówno do NSC, jak i do regionu regeneracji. Wyeliminowanie docelowego genu we wszystkich NSC (w tym w mózgu, co ma miejsce w systemach Cre-LoxP) może wywołać efekty niezwiązane z regeneracją, które mogą zakłócić interpretację wyników. Na szczęście struktura rdzenia kręgowego aksolotla stwarza wyjątkową okazję do nokautowania w NSC w czasie i przestrzeni. Większość NSC rdzenia kręgowego styka się z kanałem centralnym i stanowi zdecydowaną większość komórek stykających się z kanałem centralnym16,17. Dlatego wstrzyknięcie kompleksu CAS9-gRNA do kanału centralnego, a następnie elektroporacja, umożliwia dostarczenie do NSC rdzenia kręgowego w żądanym regionie w określonym czasie4,18,19. Protokół ten pokazuje, w jaki sposób jest to wykonywane, co prowadzi do wysoce penetrującego nokautu w docelowych NSC rdzenia kręgowego. Następnie przeprowadza się dalszą analizę w celu zbadania wpływu na regenerację i zachowanie NSC.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wszystkie eksperymenty na zwierzętach muszą być przeprowadzane zgodnie z lokalnymi i krajowymi przepisami dotyczącymi doświadczeń na zwierzętach oraz za zgodą odpowiedniej instytucjonalnej komisji rewizyjnej.
1. Przygotowanie mieszanki CAS9-gRNA RNP
2. Przygotowanie płytek agarozowych do elektroporacji
3. Konfiguracja elektroporatora
4. Przygotowanie i ładowanie szklanych kapilar do mikroiniekcji
5. Konfiguracja pompy pneumatycznej
6. Wstrzykiwanie mieszanki RNP do rdzenia kręgowego
7. Elektroporacja
8. Ocena skuteczności nokautu
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Iniekcja i elektroporacja kompleksu CAS9-gRNA przeciwko Sox2 do kanału centralnego rdzenia kręgowego aksolotla doprowadziły do masowej utraty immunoreaktywności SOX2 w większości NSCs rdzenia kręgowego, przy zastosowaniu gRNA przeciwko tyrozynazie (Tyr) jako kontroli (Rycyna 2A). B3-tubulina (barwiona TUJ1) jest markerem neuronów i nie była wyrażana w NSCs, a komórki SOX2- TUJ1- otaczające kanał centralny uznano za komórki z delecjami Sox2. Ilościowa analiz...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Opisany protokół pozwala na ograniczony czasowo i przestrzennie nokaut genów w NSC w rdzeniu kręgowym aksolotl. Obecny protokół pozwala na precyzyjne namierzanie NSC w określonym czasie i miejscu z wysoką penetracją. Pozwala to uniknąć potencjalnych działań niepożądanych wynikających z nokautu genów w NSC w innych regionach, takich jak mózg, które występują podczas korzystania z systemu Cre-LoxP. Pozwala to również uniknąć skutków rozwojowych wynikających z uporczywego nokautu, co pozwala na badanie funkcji genów skoncen...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy deklarują brak konfliktu interesów.
Dziękujemy Prof. Elly M. Tanaka za jej ciągłe i długoterminowe wsparcie. Praca ta była wspierana przez grant (317716) Narodowej Fundacji Nauk Przyrodniczych Chin (NSFC), granty na rozpoczęcie badań z South China Normal University (S82111 i 8S0109) oraz grant China Postdoctoral Science Foundation (2018M633067).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Agaroza | Sigma-Aldrich | A9539 | |
| Benzokaina | Sigma-Aldrich | E1501-100G | |
| Benzokaina 0,03 % (wag./vol) | Wymieszać 500 ml 10&razy; TBS, 500 ml 400% (wag./obj.) Holtfreter' s i 30 ml 10% (wag./obj.) roztworu podstawowego benzokainy. Napełnić objętość do 10 l dH2O. Roztwór można przechowywać w temperaturze pokojowej do 6 miesięcy. | ||
| Benzokaina 10 % (wag./obj.) | Zmieszać 50 g benzokainy w 500 ml 100% (obj./obj.) etanolu. Roztwór można przechowywać w temperaturze pokojowej do 12 miesięcy. | ||
| Kapilary ze szkła borokrzemianowego 1,2 mm średnica zewnętrzna, średnica wewnętrzna 0,94 mm | Instrument jąkający się | BF120-94-8 | |
| CaCl2· 2H2O | Merck | 102382 | |
| bufor CAS9, 10x | Mix 200 mM HEPES i 1,5 M KCl w wodzie wolnej od RNaz. Dostosuj pH do 7,5. Filtrować sterylizować, porcjować i przechowywać w temperaturze − 20 &stopni; C przez okres do 24 miesięcy | ||
| białko CAS9-NLS | PNA Bio | CP03 | |
| Szalki do hodowli komórkowych, 10cm | Falcon | 351029 | |
| Dumont #5 - Kleszcze drobne | Fine Scientific Instruments | 11254-20 | |
| Elektroporator | Nepa Gene | NEPA21 | |
| BEX | CUY21EDIT II | ||
| Fast Green FCF | Sigma-Aldrich | F7252-5G | |
| Fast Green FCF Solution, 5x | Rozpuść 12,5 mg proszku Fast Green FCF w 10 ml 1&razy; Pbs. | ||
| Ściągacz do mikropipet płonących/brązowych | Instrument jąkający się | P-97 | |
| Holtfreter' Roztwór S 400% (wag./obj.) | Rozpuścić 11,125 g MgSO4· 7H2O, 5,36 g CaCl2· 2H2O, 158,4 g NaCl i 2,875 g KCl w 10 l dH2O. Roztwór można przechowywać w temperaturze pokojowej do 6 miesięcy. | ||
| KCl | Merck | 104936 | |
| MgSO4· 7H2O | Końcówki | 105886 | |
| Microloader | Eppendorf | 5242956003 | |
| Micromanipulator | Narishige | MN-153 | |
| NaCl | Merck | 106404 | |
| Pneumatyczna pompa PicoPump | World Precision Instruments | SYS-PV830 | |
| Kleszcze pierścieniowe | Fine Scientific Instruments | 11103-09 | |
| Mikroskop stereoskopowy | Olympus | SZX10 | |
| Tris base | Sigma-Aldrich | T6066 | |
| Tris-buforowana sól fizjologiczna, 10x | Rozpuść 24,2 g zasady Tris i 90 g NaCl w 990 ml dH2O. Dostosuj pH do 8,0, dodając 10 ml HCl o stężeniu 37% (obj. / obj.). Roztwór można przechowywać w temperaturze pokojowej do 6 miesięcy. | ||
| Pęseta z 2-okrągłą elektrodą platynową o zmiennej szczelinie, średnica 10 mm | Nepa Gene |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.