Tutaj prezentujemy uproszczony protokół endogennego znakowania genów dla Drosophila, który wykorzystuje technikę opartą na PCR do bezmarkerowej identyfikacji udanych modyfikacji genetycznych, ułatwiając rozwój stabilnych linii knock-in.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Tutaj prezentujemy uproszczony protokół endogennego znakowania genów dla Drosophila, który wykorzystuje technikę opartą na PCR do bezmarkerowej identyfikacji udanych modyfikacji genetycznych, ułatwiając rozwój stabilnych linii knock-in.
Badanie lokalizacji, dynamiki i regulacji subkomórkowej białek w żywych komórkach uległo głębokiej transformacji dzięki pojawieniu się technik, które pozwalają na znakowanie endogennych genów w celu produkcji fluorescencyjnych białek fuzyjnych. Metody te umożliwiają naukowcom wizualizację zachowania białek w czasie rzeczywistym, dostarczając cennych informacji na temat ich funkcji i interakcji w środowisku komórkowym. Wiele obecnych badań nad znakowaniem genów wykorzystuje dwuetapowy proces, w którym widoczne markery, takie jak zmiany koloru oczu, są wykorzystywane do identyfikacji organizmów modyfikowanych genetycznie w pierwszym etapie, a widoczny marker jest wycinany w drugim etapie. W tym miejscu przedstawiamy jednoetapowy protokół do wykonywania precyzyjnego i szybkiego endogennego znakowania genów u Drosophila melanogaster, który umożliwia badania przesiewowe w kierunku zmodyfikowanych linii bez widocznego markera oka, oferując znaczną przewagę nad wcześniejszymi metodami. Aby przeprowadzić badania przesiewowe pod kątem udanych zdarzeń znakowania genów, stosujemy technikę opartą na PCR do genotypowania poszczególnych muszek poprzez analizę małego segmentu z ich środkowej nogi. Muchy, które przejdą kryteria przesiewowe, są następnie wykorzystywane do produkcji stabilnych stad. W tym miejscu szczegółowo opisujemy projekt i budowę plazmidów do edycji CRISPR oraz metody badań przesiewowych i potwierdzania linii inżynieryjnych. Łącznie protokół ten znacznie poprawia skuteczność endogennego znakowania genów u Drosophila i umożliwia badania procesów komórkowych in vivo.
Białka fluorescencyjne stały się potężnymi narzędziami do wizualizacji lokalizacji, dynamiki i interakcji białko-białko w komórkach w organizmach żywych1,2. Znakowanie endogennych genów białkami fluorescencyjnymi umożliwia długoterminowe obrazowanie procesów komórkowych na żywo z rozdzielczością subkomórkową. Co więcej, te endogenne techniki znakowania genów mają kilka zalet w porównaniu z metodami nadekspresji i barwienia immunologicznego. Na przykład nadekspresja białek może prowadzić do nieprawidłowego fałdowania białek, niespecyficznych interakcji białko-białko i błędnej lokalizacji3. Do tej pory naukowcom udało się stworzyć ogromne biblioteki endogennych genów połączonych z białkami fluorescencyjnymi dla kilku organizmów modelowych, takich jak pączkujące drożdże, które mogą ulegać wydajnej rekombinacji homologicznej4. W przypadku Drosophila melanogaster opracowano różne narzędzia, takie jak MiMICs5, transpozon-based enhancer traps6 i fosmids7 zostały opracowane do fluorescencyjnego oznaczania genów.
Rozwój narzędzi opartych na CRISPR-Cas9 umożliwił efektywne przeprowadzanie edycji genomu, w tym znakowanie białek endogennych, w szerokim zakresie organizmów modelowych8,9. Cas9 to enzym kierowany przez RNA, który rozszczepia dwuniciowe DNA w bardzo wydajny i specyficzny sposób8, który może być następnie naprawiony przez niehomologiczny szlak łączenia końców (NHEJ) prowadzący do mutacji punktowych lub delecji. Alternatywnie, szlak naprawy ukierunkowanej na homologię (HDR) umożliwia integrację heterologicznego DNA z chromosomem.
Poprzednie metody znakowania genów w organizmie modelowym, Drosophila melanogaster, oparte na CRISPR, opierały się na dwuetapowym procesie10,11,12. Polega to na użyciu rozpoznawalnego markera koloru oczu, Dsred, do wykrywania udanych zdarzeń HDR. Następnie marker Dsred zostałby wycięty przy użyciu systemu rekombinacji Cre/loxP. Aby usprawnić i przyspieszyć ten proces, przedstawiamy tutaj prostszą i bardziej wydajną metodę. Takie podejście pozwala obejść potrzebę śmiertelnego genotypowania i pozwala na bezpośrednie badanie przesiewowe poszczególnych much. W szczególności stosujemy podejście oparte na PCR, aby wyekstrahować DNA z niewielkiego segmentu środkowej nogi muchy, co pozwala nam na genotypowanie poszczególnych much. Warto zauważyć, że procedura ta nie zagraża witalności, ruchowi ani zdolnościom reprodukcyjnym muchy, od której pobrano próbkę. Tylko odpowiednie osobniki, zidentyfikowane za pomocą tej metody, są dalej rozwijane w stabilne stada.
Tutaj prezentujemy szczegółowy protokół generowania fluorescencyjnych muszek oznaczonych białkiem, w których endogenne geny są znakowane za pomocą fluorescencyjnych reporterów. Technika ta wykorzystuje edycję genomu CRISPR-Cas9 do fuzji dowolnego pożądanego znacznika fluoroforowego z N- lub C- końcem endogennego genu. Poniżej opisujemy projektowanie i budowę plazmidów gRNA i plazmidu dawcy, jednoetapową strategię badań przesiewowych w celu wyboru much CRISPR-dodatnich oraz kroki w celu ustalenia stabilnych linii. W szczególności opisujemy strategie znakowania endogennego genu Drosophila zegara rdzeniowego, kropka, za pomocą fluoroforu na C-końcu. Pokrótce opisujemy również eksperymenty kontrolne, które należy przeprowadzić, aby potwierdzić, że oznaczone białko jest funkcjonalne oraz techniki obrazowania na żywo w celu wizualizacji białka Period w żywych neuronach zegarowych w nienaruszonych mózgach Drosophila13. Opisany tutaj protokół ma również szerokie zastosowanie do kandydatów do badań przesiewowych pod kątem delecji i insercji określonych fragmentów DNA poprzez edycję genomu CRISPR-Cas9.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Projektowanie i budowa odczynników do edycji genów
UWAGA: Aby przeprowadzić endogenne znakowanie, konieczne jest zidentyfikowanie różnych izoform pożądanego genu. W zależności od konkretnych celów eksperymentu, znacznik fluorescencyjny może być włączony wewnętrznie lub na końcach N lub C wybranej izoformy białka. Aby uzyskać optymalną edycję za pośrednictwem CRISPR, ważne jest, aby umieścić dwa sgRNA odpowiednio blisko zamierzonego miejsca wbicia. Następnie, aby umożliwić edycję poprzez rekombinację homologiczną, należy przygotować wektor dawcy obejmujący sekwencje homologiczne do genu docelowego, wraz ze znacznikiem fluorescencyjnym. Poniżej znajduje się przewodnik krok po kroku po tych procesach (Rysunek 1).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
W naszych eksperymentach zazwyczaj wykazywaliśmy wskaźnik sukcesu na poziomie ~20%-30% w badaniach przesiewowych dla różnych endogennych genów oznaczonych na wszystkich chromosomach (X, II, III). Wydajność tego procesu może się różnić w zależności od kilku czynników, takich jak selekcja gRNA, charakter genu i jakość wstrzyknięcia. Tutaj ilustrujemy wyniki naszej strategii oznaczania endogennego genu okresu za pomocą mNeonGreen fluorophore13. Gen menstr...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki pokazują uproszczoną, prostą, jednoetapową strategię znakowania endogennych genów u Drosophila, opartą na CRISPR. W protokole używamy dwóch gRNA, aby skuteczniej indukować pękanie podwójnej nici DNA i rekombinację homologiczną. GRNA i plazmid dawcy są wstrzykiwane do zarodków muszek owocowych, które wyrażają enzym Cas9 w swojej linii zarodkowej. Zarodki te są następnie hodowane w standardowych warunkach aż do osiągnięcia dorosłości, kiedy to są krzyżowane z muchami równoważącymi w celu uzyskania potomstwa...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów.
Dziękujemy George'owi Watase i Josie Clowney za dyskusje podczas początkowych etapów rozwoju protokołu. Prace były wspierane przez fundusze z NIH (grant nr R35GM133737 dla S.Y.), Alfred P. Sloan Fellowship (dla S. Y.) i McKnight Scholar Award (dla S. Y.).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 0,5 M EDTA pH 8,0 | Invitrogen | AM9260G | |
| 5-alfa Kompetentny E. coli ( Wysoka wydajność) | NEB | C2987H | |
| 96-dołkowa płytka głębinowa | BRAND | 701354 | |
| Agar | Fisher Scientific | BP1423-500 | |
| BbsI-HF | NEB | R3539S | |
| DreamTaq Green PCR Master Mix (2X) | Thermo Scientific | K1081 | |
| D-Sacharoza | Fisher Scientific | BP220-1 | |
| EcoRI-HF | NEB | R3101S | |
| Kwas solny | Fisher Scientific | A142-212 | |
| Prolong Glass Antifade Mounting Medium | Invitrogen | P36982 | |
| Proteinaza K | QIAGEN | 19131 | |
| Schneider's Drosophila Medium | Gibco | 21720001 | |
| Chlorek | soduLigaza DNA Fisher Scientific | S271-500 | |
| T4 | NEB | M0202S | |
| Tris Base | Fisher Scientific | BP152-500 | |
| XbaI | NEB | R0145S |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.