Ludzkie embrionalne komórki macierzyste (hESC) i indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (iPSC) są komórkami macierzystymi z potencjałem różnicowania się we wszystkie typy komórek w organizmie. Komórki te służą jako cenne narzędzia do badania rozwoju człowieka, a także do zrozumienia mechanizmów leżących u podstaw różnych chorób, oferując w ten sposób ogromną obietnicę dla medycyny regeneracyjnej, modelowania chorób i odkrywania leków. Takie badania polegają na zbadaniu sposobu, w jaki określone geny przyczyniają się do rozwoju, funkcjonowania i regulacji organizmów1,2.
Do rozszyfrowania funkcji genów stosuje się różne techniki i podejścia, w tym manipulacje genetyczne, takie jak nokaut lub nadekspresja genów, oraz edycję genomu. Wśród nich technologia CRISPR-Cas9 okazała się najbardziej efektywnym podejściem do badań nad nokautem genów i edycją genów1,2,3. System CRISPR-Cas9 działa poprzez wykorzystanie pojedynczej cząsteczki przewodnika RNA (sgRNA) zaprojektowanej specjalnie do identyfikacji i wiązania się z określoną sekwencją DNA. Działając jako przewodnik molekularny, sgRNA kieruje enzym Cas9 do precyzyjnego miejsca w genomie, które wymaga modyfikacji. Po związaniu Cas9 inicjuje dwuniciowe pęknięcie DNA w wyznaczonym miejscu. Po rozszczepieniu DNA aktywowane są wrodzone mechanizmy naprawcze komórki. Należą do nich dwie główne ścieżki naprawy: niehomologiczne łączenie końców (NHEJ) i naprawa ukierunkowana na homologię (HDR). NHEJ często powoduje insercje lub delecje (indelecja) w miejscu pęknięcia, co prowadzi do zakłócenia lub inaktywacji genu. I odwrotnie, HDR umożliwia wstawienie nowych sekwencji DNA w miejscu pęknięcia, ułatwiając wprowadzenie ukierunkowanych zmian genetycznych4.
Biorąc pod uwagę znaczenie delecji genów w pluripotencjalnych komórkach macierzystych, opublikowano kilka protokołów dotyczących nokautów genów za pośrednictwem CRISPR-Cas9 w hESC/iPSC. Jednak wiele z tych protokołów napotyka na poważne ograniczenia, takie jak niezwykle czasochłonność, pracochłonność i niska skuteczność ze względu na stosowanie metod dostarczania genów innych niż wirusowe5. Wyzwania te są jeszcze bardziej widoczne w przypadku komórek hESC/iPSC, ponieważ wiadomo, że komórki te mają niższą wydajność edycji w porównaniu z innymi typami komórek5. Niektóre z tych ograniczeń można rozwiązać, zwiększając wydajność dostarczania plazmidu zawierającego Cas9 i sgRNA. Można to z powodzeniem osiągnąć za pomocą systemu wektorów lentiwirusowych, który może znacznie poprawić wyniki edycji genów. Protokoły pakowania lentiwirusów są dobrze ugruntowane i proste, co pozwala na łatwe zastosowanie w laboratoriach, nawet przez badaczy o ograniczonym doświadczeniu. Lentiwirusy wykazują wysoką skuteczność infekcji w różnych typach komórek, w tym w hESC i iPSC. Dlatego wykorzystanie systemu lentiwirusowego do ekspresji Cas9-sgRNA jest idealne do rutynowych eksperymentów z edycją genów w hESC/iPSC do badań funkcji genów.
Tutaj oferujemy prostą i nieskomplikowaną metodę wysoce efektywnych delecji genów opartych na CRISPR-Cas9 w hESC w stosunkowo krótszym czasie niż konwencjonalne protokoły (Rysunek 1). Chociaż zastosowano wektor lentiwirusowy z konstytutywną ekspresją Cas9 i sgRNA, można go łatwo zastąpić indukowaną lekiem ekspresją Cas9 w celu kontrolowania ekspresji Cas9.