Wiele badań z zakresu hematologii i immunologii opiera się na dostępności genetycznie modyfikowanych myszy, w tym konwencjonalnych i warunkowo transgenicznych/nokautujących myszy, które wykorzystują specyficzne dla układu krwiotwórczego sterowniki Cre, takie jak Mx1-Cre, Vav-Cre i inne1,2,3,4,5. Strategie te wymagają stworzenia nowych szczepów myszy, co może być czasochłonne i obciążające finansowo. Podczas gdy rewolucyjne postępy w technologii edycji genomu umożliwiły wygenerowanie nowych szczepów myszy w ciągu zaledwie 3-4 miesięcy dzięki odpowiedniej wiedzy technicznej6,7,8,9, potrzeba znacznie więcej czasu, aby amplifikacja kolonii myszy została przeprowadzona przed rozpoczęciem eksperymentów. Ponadto procedury te są kosztowne. Na przykład Jackson Laboratory podaje obecną cenę usług generowania myszy knock-out na poziomie 16 845 USD za szczep (stan na grudzień 2018 r.). W związku z tym metody, które są bardziej ekonomiczne i wydajne niż konwencjonalne mysie podejścia transgeniczne, są korzystniejsze.
Technologia CRISPR/Cas9 (Clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR associated protein 9) doprowadziła do opracowania nowych narzędzi do szybkiej i efektywnej edycji genomu opartego na RNA, specyficznej dla sekwencji. Pierwotnie odkryty jako bakteryjny adaptacyjny mechanizm immunologiczny do niszczenia atakującego DNA patogenu, system CRISPR/Cas9 został wykorzystany jako narzędzie zwiększające skuteczność edycji genomu w komórkach eukariotycznych i modelach zwierzęcych. Zastosowano szereg podejść do przesyłania maszynerii CRISPR/Cas9 do hematopoetycznych komórek macierzystych (tj. elektroporacja, nukleofekcja, lipofekcja, dostarczanie wirusa i inne).
Tutaj system lentiwirusowy jest używany do transdukcji komórek ze względu na jego zdolność do skutecznego infekowania mysich hematopoetycznych komórek macierzystych z ekspresją Cas9 i pakowania razem przewodnika ekspresji RNA, promotorów, sekwencji regulatorowych i genów kodujących fluorescencyjne białka reporterowe (np. GFP, RFP). Za pomocą tej metody uzyskano edycję genów ex vivo krwiotwórczych komórek macierzystych myszy, a następnie udaną rekonstytucję szpiku kostnego u śmiertelnie napromieniowanych myszy10. Wektor lentiwirusowy zastosowany w tym badaniu wykazuje ekspresję genów reporterowych Cas9 i GFP ze wspólnego rdzeniowego promotora EF1a z wewnętrznym rybosomalnym miejscem wejścia przed genem reporterowym. Sekwencja przewodnikowego RNA jest wyrażana z oddzielnego promotora U6. System ten jest następnie wykorzystywany do tworzenia mutacji insercyjnych i delecyjnych w kandydujących genach napędzających hematopoezę klonalną Tet2 i Dnmt3a10. Jednak wydajność transdukcji tą metodą jest stosunkowo niska (~5%-10%) ze względu na duży rozmiar wstawki wektorowej (13 Kbp), który ogranicza wydajność transdukcji i zmniejsza miano wirusa podczas produkcji.
W innych badaniach wykazano, że większy rozmiar wirusowego RNA negatywnie wpływa zarówno na produkcję wirusa, jak i na efektywność transdukcji. Na przykład, wzrost rozmiaru wkładki o 1 kb zmniejsza produkcję wirusa o ~50%, a wydajność transdukcji spadnie do ponad 50% w krwiotwórczych komórkach macierzystych myszy11. Dlatego korzystne jest maksymalne zmniejszenie rozmiaru wstawki wirusowej, aby poprawić wydajność systemu.
To niedociągnięcie można przezwyciężyć poprzez zastosowanie transgenicznych myszy Cas9, u których białko Cas9 jest wyrażane w sposób konstytutywny lub indukowalny12. Składowe myszy knock-in CRISPR / Cas9 eksprymują endonukleazę Cas9 i EGFP z promotora CAG w locus Rosa26 w powszechny sposób. W ten sposób konstrukt z sgRNA pod kontrolą promotora U6 i genu reporterowego RFP pod kontrolą głównego promotora EF1a może być dostarczony przy użyciu wektora lentiwirusa w celu uzyskania edycji genomu. Dzięki temu systemowi geny hematopoetycznych komórek macierzystych zostały pomyślnie zredagowane, wykazując ~90% skuteczność transdukcji. W ten sposób protokół ten zapewnia szybką i skuteczną metodę tworzenia myszy, u których do układu krwiotwórczego wprowadzane są docelowe mutacje genów. Chociaż nasze laboratorium wykorzystuje głównie tego typu technologię do badania roli klonalnej hematopoezy w procesach chorób sercowo-naczyniowych13,14,15, ma ona również zastosowanie do badań nad nowotworami hematologicznymi16. Ponadto protokół ten można rozszerzyć o analizę wpływu mutacji DNA w HSPC na inne choroby lub procesy rozwojowe w układzie krwiotwórczym.
Aby stworzyć solidny system wektorów lentiwirusowych, potrzebne są zapasy wirusów o wysokim mianie oraz zoptymalizowane warunki do transdukcji i przeszczepu komórek krwiotwórczych. W protokole w sekcji 1 znajdują się instrukcje dotyczące przygotowania szczepu wirusa o wysokim mianie, optymalizacji warunków hodowli mysich krwiotwórczych komórek macierzystych w sekcji 2, metod przeszczepiania szpiku kostnego w sekcji 3 oraz oceny wszczepienia w sekcji 4.