RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
pl_PL
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Ten artykuł opisuje protokół szybkiej identyfikacji indeli indukowanych przez CRISPR/Cas9 i selekcji linii mutantów u komara Aedes aegypti za pomocą analizy topnienia w wysokiej rozdzielczości.
Edycja genów komarów stała się rutyną w wielu laboratoriach wraz z ustanowieniem takich systemów jak nukleazy efektorowe podobne do aktywatora transkrypcji (TALENs), nukleazy palców cynkowych (ZFNs) i endonukleazy naprowadzające (HEs). Niedawno, technologia CRISPR/białko 9 (Cas9) związane z regularnymi odstępami między sobą (CRISPR)/CRISPR-associated protein 9 (Cas9) zaoferowała łatwiejszą i tańszą alternatywę dla precyzyjnej inżynierii genomu. Po działaniu nukleazy szlaki naprawy DNA naprawiają uszkodzone końce DNA, często wprowadzając indele. Te mutacje poza ramką są następnie wykorzystywane do zrozumienia funkcji genów w organizmach docelowych. Wadą jest jednak to, że zmutowane osobniki nie są nosicielami dominującego markera, co sprawia, że identyfikacja i śledzenie zmutowanych alleli jest trudne, zwłaszcza w skali potrzebnej do wielu eksperymentów.
Analiza topnienia w wysokiej rozdzielczości (HRMA) jest prostą metodą identyfikacji zmian w sekwencjach kwasów nukleinowych i wykorzystuje krzywe topnienia PCR do wykrywania takich zmian. Ta metoda analizy post-PCR wykorzystuje fluorescencyjne dwuniciowe barwniki wiążące DNA z oprzyrządowaniem, które ma zdolność przechwytywania danych kontroli rampy temperatury i można je łatwo skalować do formatów płytek 96-dołkowych. Opisano tutaj prosty przepływ pracy wykorzystujący HRMA do szybkiego wykrywania indeli indukowanych przez CRISPR/Cas9 i ustanawiania zmutowanych linii u komara Ae. aegypti. Co najważniejsze, wszystkie etapy można wykonać przy użyciu niewielkiej ilości tkanki nogi i nie wymagają poświęcania organizmu, co pozwala na przeprowadzenie krzyżówek genetycznych lub testów fenotypowania po genotypowaniu.
Jako wektory patogenów, takich jak wirusy denga1, Zika2 i chikungunya3, a także pasożyty malarii4, komary stanowią poważne zagrożenie dla zdrowia publicznego ludzi. W przypadku wszystkich tych chorób interwencja transmisyjna kładzie się duży nacisk na zwalczanie komarów-wektorów. Badanie genów ważnych na przykład w odniesieniu do pobłażliwości wobec patogenów, przystosowania komarów, przeżywalności, reprodukcji i odporności na środki owadobójcze ma kluczowe znaczenie dla opracowania nowych strategii zwalczania komarów. W tym celu edycja genomu u komarów staje się powszechną praktyką, zwłaszcza wraz z rozwojem technologii takich jak HE, ZFN, TALENs, a ostatnio CRISPR with Cas9. Tworzenie szczepów z edytowanymi genami zazwyczaj obejmuje krzyżowanie wsteczne osobników niosących pożądane mutacje przez kilka pokoleń w celu zminimalizowania efektów off-target i założyciela (wąskiego gardła), a następnie krzyżowanie osobników heterozygotycznych w celu wytworzenia linii homozygotycznych lub trans-heterozygotycznych. W przypadku braku markera dominującego, genotypowanie molekularne jest konieczne w tym procesie, ponieważ w wielu przypadkach nie można wykryć wyraźnych cech fenotypowych dla mutantów heterozygotycznych.
Chociaż sekwencjonowanie jest złotym standardem w charakterystyce genotypowej, przeprowadzanie tego na setkach, a nawet tysiącach osób, wiąże się ze znacznymi kosztami, pracą i czasem potrzebnym do uzyskania wyników, co jest szczególnie ważne dla organizmów o krótkiej długości życia, takich jak komary. Powszechnie stosowanymi alternatywami są test nukleazy Surveyor5 (SNA), test T7E16 i analiza topnienia w wysokiej rozdzielczości (HRMA, przejrzana w7). Zarówno SNA, jak i T7E1 używają endonukleaz, które rozszczepiają tylko niedopasowane zasady. Kiedy zmutowany region heterozygotycznego zmutowanego genomu jest amplifikowany, fragmenty DNA ze zmutowanych i dzikich alleli są wyżarzane w celu wytworzenia niedopasowanego dwuniciowego DNA (dsDNA). SNA wykrywa obecność niedopasowań poprzez trawienie za pomocą endonukleazy specyficznej dla niezgodności i prostą elektroforezę w żelu agarozowym. Alternatywnie, HRMA wykorzystuje właściwości termodynamiczne dsDNA wykryte przez barwniki fluorescencyjne wiążące dsDNA, przy czym temperatura dysocjacji barwnika zmienia się w zależności od obecności i rodzaju mutacji. HRMA został wykorzystany między innymi do wykrywania polimorfizmów pojedynczego nukleotydu (SNPs)8, genotypowania mutantów ryb danio pręgowanego9, zastosowań mikrobiologicznych10 oraz badań genetycznych roślin11.
Ten artykuł opisuje HRMA, prostą metodę molekularnego genotypowania dla zmutowanych komarów generowaną przez technologię CRISPR/Cas9. Zalety HRMA w porównaniu z alternatywnymi technikami obejmują: 1) elastyczność, ponieważ udowodniono, że jest przydatna dla różnych genów, szeroki zakres rozmiarów indel, a także rozróżnienie między różnymi rozmiarami indel oraz różnicowaniem heterozygotycznym, homozygotycznym i trans-heterozygotycznym12,13,14, 2) koszt, ponieważ opiera się na powszechnie stosowanych odczynnikach PCR, oraz 3) oszczędność czasu, ponieważ można go wykonać w ciągu zaledwie kilku godzin. Ponadto protokół wykorzystuje małą część ciała (nogę) jako źródło DNA, co pozwala komarowi przetrwać proces genotypowania, co pozwala na ustanowienie i utrzymanie zmutowanych linii.
1. Skanowanie w poszukiwaniu polimorfizmów pojedynczych nukleotydów (SNP), projektowanie starterów HRMA i walidacja starterów
2. Przygotowanie genomowego DNA z nóg komara
3. HRMA
4. Weryfikacja sekwencji za pomocą sekwencjonowania Sangera
Komary zawierające mutacje w genach AaeZIP11 (domniemany transporter żelaza21) i myo-fem (gen miozyny związany z mięśniami lotu13) uzyskano przy użyciu technologii CRISPR/Cas9, genotypowano za pomocą HRMA i zweryfikowano sekwencyjnie (Rysunek 5). Rysunek 5A i Rysunek 5C pokazuje znormalizowaną intensywność fluorescencji z krzywych HRM z próbek mutantów AaeZIP11 i myo-fem, odpowiednio, wraz z kontrolami typu dzikiego. Rysunek 4B i Rysunek 4D pokazuje powiększenie krzywych różnicowych (odpowiednio z próbek mutantów AaeZIP11 i myo-fem) między profilami topnienia różnych klastrów przypisanych przez oprogramowanie po odjęciu każdej krzywej od odniesienia typu dzikiego. Heterozygotyczne i homozygotyczne zmutowane osobniki AaeZIP11 umieszczono w różnych skupiskach i można je łatwo odróżnić od kontrolnych typu dzikiego (Figura 5B). Heterozygotyczne zmutowane osobniki myo-fem również różnią się od kontrolnych (Ryc. 5D). Należy zauważyć, że w obu przypadkach obecne były dwa klastry w kontrolach typu dzikiego, najprawdopodobniej z powodu obecności SNP w regionie docelowym (Rysunek 5), podkreślając potrzebę użycia wielu próbek kontrolnych, aby uniknąć kategoryzowania kontroli jako mutantów, gdy nie można uniknąć SNP.
Rysunek 4A przedstawia analizę sekwencji mutanta AaeZIP11. Elektroferogram heterozygotycznych mutantów AaeZIP11 wskazuje pozycję nukleotydu, w której wystąpił indel. Jest to reprezentowane przez przesunięcie od pojedynczych do podwójnych pików, ponieważ pozycje polimorficzne pokażą oba nukleotydy jednocześnie (Rysunek 4A). Liczba usuniętych lub wstawionych par zasad została obliczona poprzez zliczenie pojedynczych pików na końcu serii (Rysunek 4B), ponieważ jedna z nici DNA będzie krótsza lub dłuższa od drugiej odpowiednio o liczbę par zasad usuniętych lub wstawionych. Zaleca się stosowanie zweryfikowanego sekwencyjnie gDNA z mutantów jako punktu odniesienia do identyfikacji heterozygot, aby pomóc w analizach HRMA dla kolejnych pokoleń. Ręczne przypisanie krzywych może być konieczne, gdy podobne krzywe są automatycznie przypisywane do różnych klastrów. Można to zrobić, porównując krzywe przesunięte temperaturowo i krzywe różnicowe. Ręczne dostosowanie oprogramowania może być konieczne do prawidłowego przypisania próbek do klastrów. Wyniki HRMA z AaeZIP11 i mutanta o nazwie Aeflightin pokazują, że do pomyślnej kategoryzacji heterozygot, homozygot i transheterozygot potrzebne były analizy poszczególnych próbek. Początkowo automatyczne przypisanie klastrów przez oprogramowanie nie mogło dokonać prawidłowego rozróżnienia między grupami (Rysunek 6A, Rysunek 6C, Rysunek 6E, oraz Rysunek 6G). Każda próbka została następnie przeanalizowana indywidualnie i przypisana do odpowiednich grup na podstawie podobieństwa do próbek referencyjnych heterozygot, homozygot i trans-heterozygot (wcześniej zweryfikowanych przez sekwencjonowanie) (Rysunek 6B, Rysunek 6D, Rysunek 6F, oraz Figura 6H).

Rysunek 1: Identyfikacja SNP. Schematyczne przedstawienie wielokrotnego wyrównania sekwencji fragmentu AaeZIP11 z typu dzikiego. Na czerwono zaznaczono SNP, a na zielono fragmenty wolne od SNP; ten region wolny od SNP jest sugerowany do projektowania sgRNA i starterów. Skróty: SNP = polimorfizm pojedynczego nukleotydu; sgRNA = pojedynczy przewodnik RNA; LVP = szczep Liverpool. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Eksperymentalna procedura pozyskiwania genomowego DNA z nóg komara dla HRMA. (A) Materiały do otrzymywania genomowego DNA, w tym pipety, końcówki, płytka do PCR, uszczelka optyczna, zbiornik, bufor rozcieńczający i roztwór do uwalniania DNA. (B) Przygotowanie płytki PCR zawierającej odczynnik do uwalniania DNA i bufor do rozcieńczania. (C) Znieczulenie komarami z CO2 . (D) Przetarcie pęsety 70% etanolem, aby zapobiec zanieczyszczeniu między próbkami. (E) Zestaw eksperymentalny obejmujący pęsetę, stojak na fiolki z komarami, szalkę Petriego na pojemniku na lód ze znieczulonymi komarami oraz wcześniej przygotowaną płytkę PCR. (F) Usunięcie nogi komara. (G) Powiększenie nogi komara zanurzonej w roztworze odczynnika uwalniającego DNA. (H) Pojedynczy komar umieszczony w fiolce. (I) Zapieczętowanie płytki PCR zawierającej nogi komara. Skrót: HRMA = analiza stopu w wysokiej rozdzielczości. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Procedura eksperymentalna dla analiz HRM. (A) Przeniesienie uwolnionego gDNA na 96-dołkową płytkę zawierającą mieszaninę PCR. (B) Oględziny krzywych różnicowych. (C) Oznaczanie każdej próbki na 96-dołkowej matrycy tym samym kolorem, co odpowiedni kolor krzywej różnicy. (D) Krzyżowanie wsteczne osobników z tej samej grupy. Skróty: HRM = stopiony o wysokiej rozdzielczości; gDNA = genomowe DNA. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Analiza sekwencji mutanta AaeZIP11. (A) Wyrównanie nukleotydowe mutanta AaeZIP11Δ56. Kreski podświetlone na żółto to usunięte podstawy. W ramce elektroferogram przechodzi od pojedynczych pików do podwójnych pików, przedstawiając pozycję, w której nastąpiła delecja (strzałka). (B) Elektroferogram zakończenia serii sekwencjonowania i przejścia od pików podwójnych do pików pojedynczych. Należy zauważyć, że liczba pojedynczych szczytów reprezentuje liczbę usuniętych zasad (szary prostokąt). Sekwencje starterów znajdują się w tabeli uzupełniającej S1. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: HRMA DNA wyekstrahowane z nóg komara. DNA wyekstrahowano z pojedynczej nogi komarów AaeZIP11 (A i B) oraz myo-fem (C i D) z nokautem Ae. aegypti i przeanalizowano za pomocą HRMA. A i C oznaczają znormalizowane sygnały fluorescencji próbek do wartości względnych od 1,0 do 0. B i D oznaczają powiększenie różnic krzywych poprzez odjęcie każdej krzywej od odniesienia typu dzikiego (szczep Liverpool). Skróty: HRMA = analiza stopu w wysokiej rozdzielczości; LVP = szczep Liverpool; RFU = względne jednostki fluorescencji. Sekwencje starterów znajdują się w tabeli uzupełniającej S1. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6: Przykłady ręcznego przypisywania grup. (A-D) HRMA dla mutantów Aeflightin. (A i C) Krzywe topnienia (odpowiednio znormalizowane krzywe skali liniowej i krzywe różnicowe) są automatycznie grupowane przez oprogramowanie do precyzyjnej analizy stopienia. (B) Normalizacja krzywych różnicowych zmienianych ręcznie. (D) Po zmianie normalizacji krzywych różnicowych, każda próbka została przypisana indywidualnie przez temperatury szczytowe na krzywych różnicowych dla odpowiednich kontroli pozytywnych (wcześniej zsekwencjonowane próbki zidentyfikowane przez heterozygoty Δ4 i Δ5 oraz transheterozygoty Δ4Δ5), umożliwiając wyraźną identyfikację 3 grup. Dodano czerwone i brązowe strzałki, aby podkreślić szczyty w różnych temperaturach. (E-H) HRMA dla mutantów AaeZIP11. (E i G) Krzywe topnienia są automatycznie przypisywane przez oprogramowanie. (F i H) Mutanty w drugim heterozygotycznym samokrzyżowaniu zostały odpowiednio przypisane do właściwych grup przez podobieństwo krzywych znormalizowanych i różnicowych do wcześniej wyznaczonych odniesień (oznaczonych kolorami w krzywych). Heterozygoty asg, Homozygoty asg i Trans-heterozygoty asg: przypisane krzywe topnienia za pomocą oprogramowania do precyzyjnej analizy stopienia. Skróty: HRMA = analiza stopu w wysokiej rozdzielczości; LVP = szczep Liverpool; RFU = względne jednostki fluorescencji. Sekwencje starterów znajdują się w tabeli uzupełniającej S1. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Materiały uzupełniające: Szczegółowy protokół konfiguracji HRMA w systemie czasu rzeczywistego CFX96 (np. Bio-rad). Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Rysunek uzupełniający S1: Instrukcje krok po kroku dotyczące konfiguracji protokołu rowerowego w Bio-rad CFX Manager. Patrz materiał uzupełniający 2.1-2.3. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Rysunek uzupełniający S2: Instrukcje krok po kroku dotyczące konfiguracji płytki w Bio-rad CFX Manager. Patrz materiał uzupełniający 3.1-3.4. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Rysunek uzupełniający S3: Instrukcje krok po kroku dotyczące konfiguracji płytki w Bio-rad CFX Manager. Patrz materiał uzupełniający 3.5-3.6. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Rysunek uzupełniający S4: Instrukcje krok po kroku dotyczące konfiguracji uruchamiania w Bio-rad CFX Manager. Patrz materiał uzupełniający 4.1. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Rysunek uzupełniający S5: Instrukcje krok po kroku dotyczące analizy HRMA w Bio-rad CFX Manager. Patrz materiał uzupełniający 5.1-5.3. Skrót: HRMA = analiza stopu w wysokiej rozdzielczości. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Tabela uzupełniająca S1: Lista starterów. Kliknij tutaj, aby pobrać tę tabelę.
Autorzy nie mają do zadeklarowania konfliktu interesów.
Ten artykuł opisuje protokół szybkiej identyfikacji indeli indukowanych przez CRISPR/Cas9 i selekcji linii mutantów u komara Aedes aegypti za pomocą analizy topnienia w wysokiej rozdzielczości.
Wszystkie figurki zostały stworzone za pomocą Biorender.com na podstawie licencji Texas A&M University. Prace te były wspierane przez fundusze z Narodowego Instytutu Alergii i Chorób Zakaźnych (AI137112 i AI115138 do Z.N.A.), Texas A&M AgriLife Research w ramach programu grantowego Insect Vectored Disease Grant Program oraz USDA National Institute of Food and Agriculture, projekt Hatch 1018401.
| 70% etanol | 70% roztwór etanolu w wodzie | ||
| 96-dołkowe płytki do PCR i PCR w czasie rzeczywistym | VWR | 82006-636 | Do uzyskiwania genomowego DNA (z nogi komara) |
| Szablony | płytek 96-dołkowych | Drukowane w domu, do rejestracji genotypu | |
| Bio Rad CFX96 | Maszyna Bio Rad | PCR z możliwością | |
| gradientu i HRMAZróżnicowane zbiorniki odczynników biotechnologicznych | VWR | 490006-896 | |
| Exo-Zestaw do szybkiego czyszczenia PCR | New England Biolabs | E1050S | |
| Szklana szalka Petriego | VWR | 89001-246 | 150 mm x 20 mm |
| Cienkościenne 96-dołkowe płytki PCR z twardą skorupą | Bio-rad | HSP9665 | Do |
| HRMA Pipetor wielokanałowy (P10) | Integra Biosciences | 4721 | |
| Pipetor wielokanałowy (P300) | Integra Biosciences | 4723 | |
| Taśma uszczelniająca z poliolefiny i akrylanu Nunc, Thermo Scientific | VWR | 37000-548 | Do użytku z 96-dołkiem Płytki PCR do otrzymywania genomowego DNA |
| Optyczny taśma uszczelniająca | Bio-rad | 2239444 | Do użytku z 96-dołkowymi płytkami PCR z osłoną do zestawu do |
| bezpośredniego PCR tkanek zwierzęcych HRMA Phire (bez narzędzi do pobierania próbek) | Thermo Fisher | F140WH | Do uzyskiwania genomowego DNA i wykonywania |
| PCR Plastikowe dzielniki fiolek na muchy | Genesee | 59-128W | |
| Oprogramowanie do precyzyjnej analizy stopu | Bio Rad | 1845025 | Służy do genotypowania próbek DNA komarów i analizy właściwości denaturacji termicznej dwuniciowego DNA (patrz krok protokołu 3.3) |
| Oprogramowanie | SeqMan Pro | DNAstar Lasergene | Do wyrównywania wielu sekwencji |
| Pipetor jednokanałowy | Gilson | ||
| Pęseta Dumont #5 11 cm | WPI | 14098 | |
| Białe zatyczki piankowe | VWR | 60882-189 | |
| Szerokie fiolki Drosophila, polistyren | Genesee | 32-117 | |
| Szeroka tacka na fiolki na muchy, niebieska | Genesee | 59-164B |