Entrega de mediada por vírus adeno-associado de CRISPR para Gene cardíaco em ratos de edição

A cluster, regularmente intercalada, curta palíndromo repetição (CRISPR) tecnologia representa o mais recente avanço na engenharia de genoma e revolucionou a prática atual da genética em células e organismos. Edição baseada em CRISPR genoma utiliza um guia único RNA (gRNA) para direcionar uma endonuclease CRISPR associadas tais como proteínas associadas CRISPR 9 (Cas9) e Cpf1 para um alvo de DNA genômico complementar em sequência para o protospacer codificada pela gRNA com um protospacer específico motivo adjacentes (PAM)^1,2. O PAM varia dependendo da espécie bacteriana do gene Cas9 ou Cpf1. O mais comumente usado nuclease Cas9 derivado de Streptococcus pyogenes (SpCas9) reconhece uma sequência de PAM de NGG que encontra-se diretamente a jusante da sequência alvo no DNA genômico, na vertente não-alvo. No local de destino, as proteínas Cas9 e Cpf1 geram uma ruptura da dobro-Costa (DSB), que então é reparada via intrínsecos mecanismos reparação DNA celulares, incluindo não-homóloga final juntando (NHEJ) e reparação de homologia-dirigido (HDR) vias^{3, 4}. Na ausência de um modelo de DNA para recombinação homóloga, ORL é reparado principalmente por via NHEJ propenso a erro, que pode resultar em inserções ou exclusões (puntuais) de nucleotídeos, causando mutações frameshift se o ORL foram criado na codificação região de um gene^5,6. Assim, o sistema CRISPR amplamente serviu para engenheiro-perda da função de mutações em vários modelos de celulares e organismos de todo, a fim de investigar a função de um gene. Além disso, o Cas9 cataliticamente inactiva e Cpf1 têm sido desenvolvidos para transcricionalmente e epigenetically modulam a expressão de genes de alvo^7,8.

Mais recentemente, tanto SpCas9 e SaCas9 (derivado de Staphylococcus aureus) foram embalados em vetores de vírus adeno-associado recombinante (rAAV) para correção do gene pós-natal no modelo animal de doenças humanas, particularmente, Duchenne distrofia muscular (de Duchenne DMD)^{9,10,11,12,13,14,15}. DMD é uma doença fatal e ligada ao X recessiva causada por mutações no gene DMD , que codifica a distrofina proteína^16,17, afetando aproximadamente 1 em 3500 nascimentos masculinos de acordo com o teste do pezinho^{18 , 19}. é caracterizada por fraqueza muscular progressiva e a perder. Os pacientes DMD geralmente perdem a habilidade de andar entre 10 e 12 anos de idade e morrem de insuficiência respiratória e/ou cardíaca com a idade de 20-30 anos²⁰. Notavelmente, cardiomiopatia desenvolve em > 90% dos pacientes DMD e representa a principal causa de morte em pacientes DMD^21,22. Embora o Deflazacort (um medicamento anti-inflamatório) e Eteplirsen (um exon saltando de medicina para saltar o exon 51) recentemente foram aprovados para DMD pelo Food and Drug Administration (FDA)^23,24, nenhum destes tratamentos corrigi o defeito genético no nível do DNA genômico. O mdx mouse, que transporta uma mutação pontual no exon 23 do gene da distrofina, tem sido amplamente utilizado como um DMD modelo²⁵. Além disso, temos demonstrado anteriormente que a expressão de distrofina funcional foi restaurada por exclusão em-frame do DNA genômico cobrindo exões, 21, 22 e 23 em músculos esqueléticos de camundongos mdx usando intramuscular entrega de Ad-SpCas9/gRNA⁹ e dos músculos do coração de camundongos mdx/Utrofina^{+ /-} usando intraperitoneal e intravenosa entrega de rAAVrh.74-SaCas9/gRNA²⁶.

Neste protocolo, descrevemos em detalhe cada etapa no gene cardíaca pós-natal de edição para restaurar a distrofina em camundongos mdx/Utrofina^{+ /-} usando vetores de rAAVrh.74-SaCas9/gRNA, desde a concepção de gRNA para análise de distrofina nas seções de músculo do coração.

Os animais utilizados neste protocolo foram mantidos no estado com recursos de animais de laboratório Universidade The Ohio em conformidade com as diretrizes de uso de animais. Todos os estudos em animais foram autorizados pelo institucional Cuidado Animal, uso e o Comitê de revisão da Ohio State University.

1. design e clonagem de gRNAs no vetor CRISPR

1. Selecione 2 gRNAs segmentação distrofina intron 20 e intrão 23 (i20 e i23) para SaCas9: i20: 5'-GGGCGTTGAAATTCTCATTAC CAGAGT e i23: 5'-CACCGATGAGAGGGAAAGGTC CTGAAT (a sequência de PAM é sublinhada e itálico).
   Nota: Os sites de destino para i20 e i23 são cerca de 23 quilos pares de base (kbp) afastado. Para interromper um gene de codificação, dois gRNAs alvejando os exões comuns com o NNGRRT PAM sequenciar para SaCas9 (de preferência, NNGAAT, NNGGGT e NNGAGT) e distância dentro 20 kbp são recomendados.
2. Use os seguintes parâmetros PCR para recozer a gRNA oligos (100 µmol/L) em 1x tampão de recozimento (o 5x recozimento regulador contém 0,5 mol/L K-acetato, 150 mmol/L HEPES-KOH, 10 mmol/L Mg-acetato, pH7.4): 95 ° C 10 min., diminuir a 90 ciclos de 95 a 59 ° C, com 0,4 ° C por ciclo de 20 s, 90 ciclos de 59 a 32 ° C, com uma diminuição de 0,3 ° C por ciclo de 20 s, 20 ciclos de 32 a 26 ° C, com uma diminuição de 0,3 ° C por ciclo de 20 s.
3. Ligam os oligos recozido gRNA para o pX601-CMV-SaCas9-mPA-U6-gRNA usando BsaI e T4 DNA ligase em uma reação (1 µ l 50 ng / µ l pX601-CMV-SaCas9-mPA-U6-gRNA 1 µ l recozido oligos, buffer de ligase T4 DNA de 10 x 1,5 µ l, 0,5 µ l T4 DNA ligase, 1 µ l BsaI, 10 µ l ddH₂O ), com a seguinte condição de reação em um cycler PCR: 5 ciclos de 37 ° C 5 min e 16 ° C 10 min; 37 ° C 20 min; 80 ° C 5 min.
4. Transformar o produto de ligadura de 15 µ l de células competentes de 30 µ l, placa as células em placa de ágar com 100 mg/mL ampicilina e cultura a 37 ° C por 24 h.
5. Pegar de 5 a 10 colônias e cultura em meio LB contendo 100 µ g/mL ampicilina a 37 ° C, 250 rpm numa incubadora shaker para 3-4 h.
6. As colônias por PCR de tela: 10 µ l 2 x mestre mistura PCR 8 µ l ddH₂O, cultura de Escherichia Coli 1 µ l, 1 µ l 10 µmol/L U6-forward da primeira demão, 1 µ l i20 ou i23 gRNA inversa da primeira demão. Os parâmetros de ciclismo de PCR: 95 ° C 5 min, 35 ciclos de 95 ° C 30 s, 61 ° C 30 s, 72 ° C 30 s.
7. Prepare a cultura 5ml dos clones positivos por adicionando 4 mL fresco LB médio containing100 µ g/mL ampicilina e cultura durante a noite a 37 ° C, 250 rpm.
8. Purificar o plasmídeo de DNA usando o kit de extração de plasmídeo apropriado e verifique se o plasmídeo por Sanger sequenciando com o primer U6-para a frente.
9. Cultura de células de C2C12 em DMEM suplementado com 10% FBS e 1% caneta-Strep até alcançar a confluência de ~ 70% para testar o gene edição eficácia dos Plasmideos.
10. Electroporate um total de 5 µ g de mistura de plasmídeo SaCas9/gRNA em proporção molar de 1:1 em 1 x 10⁶ C2C12 células de acordo com o protocolo do fabricante.
11. Depois de pós-transfeccao 48 h, colher as células C2C12 e extrair DNA genômico.
12. Uso 100 ng DNA genômico como modelo para realizar a reação de PCR para locus de distrofina rato: encaminhar cartilha 5'-GGCCAAAGCAAACTCTGGTA (1 µ l 10 µmol/L), reverter a primeira demão 5'-TTTAATCCCACGTCATGCAA (1 µ l 10 µmol/L), 10 µ l 2 x a verde PCR master mix, 7 µ l ddH2O, 1 µ l (de DNA genômico 100 ng). Use o PCR ciclismo condições como a 95 ° C 5 min, 35 ciclos de [95 ° C 30 s, 61 ° C 30 s, 72 ° C 30 s], 72 ° C 2 min.

2. produção de rAAV

1. Para cultura de células, células AD293 para 20 a 40 de pratos de 15 cm da semente e manter em DMEM suplementado com 10% FBS e 1% caneta-Strep até alcançar a confluência do ~ 90% para transfeccao.
2. Diluir 3 plasmídeos com 200 µ l reduziram média de soro (por prato): 1) 10 µ g pHelper; 2) 5 µ g pXR (rh.74 ou outros sorotipos) e 3) num total de 5 µ g de mistura de pX601-i20 e pX601-i23 (proporção de 1:1). Executar o polyethylenimine (PEI) do transfection misturando com 80 µ l PEI e incubar a temperatura ambiente por 10 min. adicionar a mistura para as culturas de células AD293 em forma de gota a gota.
3. Para a produção de vírus vírus adeno-associados, depois de Transfeccao de post de 72 h, use um raspador de célula para coletar tanto a mídia e as pelotas de célula AD293 por centrifugação a 1100 x g por 10 minutos.
4. Resuspenda as pelotas de célula em 15 mL de tampão de Lise rAAV (50 mmol/L Tris Base, 150 mmol/L NaCl, pH 8,5) seguidas por 3 ciclos de congelamento e descongelamento com a alternância de incubação em nitrogênio líquido e um banho de água de 42 ° C. Armazene os lisados celulares em-80 ° C para processamento futuro se eles não estão sendo processados imediatamente.
5. Os meios de cultura de filtragem com um filtro de 0,45 µm e adicionar um 40% PEG8000 em 2,5 mol/L NaCl, a uma concentração final de 8%. Incube a mistura a 4 ° C, durante 1 h e centrifugar 1100 x g por 15 min.
6. Resuspenda as pelotas em tampão de Lise rAAV e combinar com os lisados celulares da etapa 2.3, seguido de tratamento benzonase (50 U/mL) a 37 ° C por 1h.
7. Centrifugue o rAAV benzonase-tratados contendo mistura 1100 x g durante 15 minutos a 4 ° C e salvar o sobrenadante (preparação rAAV bruto).

3. rAAV purificação e concentração

1. Carregar a preparação rAAV bruto em um gradiente de iodixanol num tubo se na seguinte ordem de cima para a parte inferior: bruto AAV lisado (~ 15 mL), 8 mL 15% Iodixanol, 6 mL 25% Iodixanol, 5ml 40% Iodixanol, 5ml 58% Iodixanol. Preencha o restante volume vazio do tubo até o topo usando 1 x DPBS.
2. Centrifugar as amostras a 230.000 x g em um rotor se para 120 min a 10 ° C e coletar 3-4 mL da fração gradiente 40% contendo as partículas rAAV com uma agulha de 18 G.
3. Dilua as partículas rAAV com 1 x DPBS e centrífuga usando a unidade de filtração centrífuga (MWCO 100 kDa). Repita este passo para 3 - 5 vezes e finalmente concentrar a preparação rAAV a 300-500 µ l.

4. rAAV Titulagem

1. Extrair o DNA genômico de 2 µ l concentrado rAAV, precipitado com 3 M NaOAc em etanol e ressuspender em 20 µ l ddH₂O.
2. Obter a curva padrão para quantificação de rAAV por diluição serial do plasmídeo pX601: 1 x 10⁹, 1x10^8,1 x 10⁷, 1 x 10⁶, 1 x 10⁵ cópias em cada 10 µ l ddH₂O. dilua o rAAV DNAase-tratados as amostras como 01:10, 01:50, 1: 100 e 1: 1000.
3. Determinar o título de rAAV por PCR quantitativo em tempo real (qPCR) usando qPCR Kit de acordo com as instruções do fabricante, em um sistema de PCR em tempo real: 1 µ l 10 µmol/L de cada primer (5'-GGATTTCCAAGTCTCCACCC e 5'-TCCCACCGT ACACGCCTAC), 5 µ l 2 x mestre mistura PCR, 1 µ l diluído rAAV amostras e 2 µ l ddH₂O. executar a reação com os seguintes parâmetros de ciclismo: 95 ° C 3 min, 45 ciclos de 95 ° C 5 seg e 61 ° C 20 seg.

5. intravenosa e injeção Intraperitoneal de rAAVrh.74-CRISPR em Neonatal mdx/Utrofina^{+ /-} ratos

1. Imobilizar os mdx/Utrofina⁺ rato filhotes (dia 3), colocando no gelo por 1 min e então administrar com 1 x 10¹² partículas virais em 50 µ l por rato sistemicamente através de uma abordagem retrô-orbital ou uma injeção intraperitoneal.
2. Permitir que os ratos recuperar e colocar volta em suas gaiolas para casa. Às dez semanas após a administração de rAAV, eutanásia em ratos pela exposição de CO₂ para a coleção de tecido.
3. Snap-congelar tecidos para genômica extração de DNA e RNA e o uso de refrigeração em nitrogênio líquido para congelar tecidos com temperatura ideal de corte composto para cryosectioning o isopentano.

6. análise do Gene alvo, resultados de edição

1. Análise de PCR do DNA genômico
   1. Isole o DNA genômico de tecidos de camundongos mdx/Utrofina^{+ /-} coração tratado com ou sem rAAV total.
   2. Use o mesmo protocolo em 1.12 passo para análise PCR.
2. Análise de RT-PCR da expressão de distrofina
   1. Extrair o RNA total de tecidos do coração com o kit de extração de RNA seguindo o manual do fabricante.
   2. Para realizar a transcrição reversa, Pre-treat o RNA total com um livre de RNase DNase e uso 5 µ g de RNA tratado como modelo para a síntese do cDNA da primeiro-costa com o kit de transcrição reversa.
   3. Utilizar o produto de transcrição reversa para análise de RT-PCR da expressão de distrofina com os primers de cDNA de distrofina: 5'-GGCTAGAGTATCAAACCAACATCAT e 5'-TGGAGGCTTACGGTTTTATCC.
3. Estimar o gene edição eficácia por qPCR análise
   1. Estimar o gene edição eficácia por RT-PCR quantitativo para detectar a redução da exon 22-contendo as transcrições usando o primer para a frente (exon 21): 5'-TTGTCAGCTCTTCAGCCTCAAA e o primer reverso (exon 23): 5'-AAACTCTCCTTCACAGTGTCACT. Use Gapdh como um gene de referência com o primer para a frente: 5'-AGGTTGTCTCCTGCGACTTC e o primer reverso: 5'-GGTGGTCCAGGGTTTCTTACT.
   2. Executar o PCR quantitativo em tempo real (qPCR) usando o qPCR Kit de acordo com as instruções do fabricante, em um sistema de PCR em tempo real e as condições de reação de 2-passo: 95 ° C 3 min, 45 ciclos de 95 ° C 5 seg e 61 ° C 30 seg.
4. Mancha para analisar a expressão de distrofina
   1. Corte os tecidos congelados usando um criostato em uma espessura de 10 µm. Fix as seções congeladas com paraformaldeído 4% à temperatura ambiente por 15 min.
   2. Lave 2 vezes com PBS e incubar com bloqueio de solução (10% de soro de cavalo) por 1h.
   3. Incube o anticorpo primário antidistrofina, a 4 ° C durante a noite.
   4. Lave os slides com PBS 3 x 5 min e incubar com anticorpos secundários fluorescentes (1: 500) à temperatura ambiente durante 1 h.
   5. Monte as lâminas usando o meio de montagem com DAPI e imagem com um microscópio confocal invertido.

7. o alvo análise por meio de ensaio T7E1

1. Prever os potenciais sites fora do alvo usando o on-line CRISPR projetar ferramentas tais como < http://crispr.mit.edu>.
2. Amplificar as regiões genômicas cobrindo o top 5-10 sites de fora do alvo potenciais por PCR: ng de 200 de DNA genômico, 1 µ l alta fidelidade DNA polimerase, 5 µ l 10 x PCR Buffer misturar 1,5 µ l 10 µmol/L de site-specific primers para diante e reversos, ajustando o volume total de 50 µ l, com ddH₂O.
3. Executar os produtos PCR por electroforese, extrair e purificar o DNA usando um kit de extração do gel. Medir a concentração usando espectrofotômetros.
4. Promover a formação de doheteroduplex por desnaturação e re-recozimento os amplicons purificada lentamente no Buffer 2.1 usando um reciclador PCR. Use as mesmas condições de ciclismo conforme detalhado na etapa 1.2.
5. Digerir os produtos re-recozidos por 30 min a 37 ° C, com a enzima de T7E1 0,5 µ l e analisar a reação a electroforese do gel do agarose 1-2%.
   Nota: Os amplicons também podem ser analisados pelo sequenciamento profundo orientado.

A eficácia do gRNAs para induzir a exclusão da região de DNA genômica de destino deve ser avaliada em culturas de células antes de empacotar em rAAV para estudos in vivo. Para este fim, o gRNAs e SaCas9-expressando construções foram electroporated em C2C12 de células e o DNA genômico foi analisado por PCR com primers flanqueando os sites de destino (Figura 1). Um produto PCR de ~ 500 bp indica exclusão bem-sucedida do DNA genômico alvo resultantes da edição de gene, enquanto as células de controle não devem produzir uma banda devido ao grande tamanho do DNA genômico.

Uma vez que a eficácia do gRNAs foi confirmada em culturas de células, eles podem ser empacotados em rAAVrh.74 ou outros sorotipos (como AAV6, 8 ou 9, todas as entregas de gene cardíaca robusto apresentando) usando o transfection co três plasmídeos em células AAV293. Nós achamos que não é necessário fazer dois preparação rAAV individuais para os dois gRNAs, em vez disso, nós misturado as duas construções gRNA em uma relação molar igual e produzido uma único rAAV preparação. As partículas virais rAAV foram purificadas usando ultracentrifugação gradiente de densidade e a pureza foi analisada por SDS-PAGE. A preparação de rAAV altamente purificada renderia apenas três bandas correspondentes às proteínas do capsídeo VP1, VP2 e VP3, respectivamente, em SDS-PAGE, conforme mostrado na Figura 2.

As partículas virais rAAVrh.74 purificado foram injetadas dia 1-3 neonatos de camundongos mdx/Utrofina+ /- através de injeção retro-orbital ou intraperitoneal. Encontramos os dois métodos que funcionaram bem para cardíaca entrega do rAAVrh.74-CRISPR. Os ratos injetados podem ser analisados para expressão de distrofina por imunofluorescência coloração (Figura 3) com 10 semanas de idade.

Figura 1: validação do gRNAs para edição de genes mediada por SaCas9 nas células C2C12. A eletroforese em gel de agarose representante mostrou os produtos PCR do DNA genômico extraído de electroporated C2C12 com ou sem SaCas9/gRNAs. A seta indica que o produto do PCR resultou da edição de gene. GAPDH serviu como uma referência. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: análise de partículas de rAAVrh.74 por SDS-PAGE. Partículas virais rAAVrh.74 purificado, executadas em SDS-PAGE mostraram três bandas, correspondentes as três proteínas do capsídeo do vírus adeno-associados, VP1 (87 kDa), VP2 (72 kDa) e VP3 (62 kDa), respectivamente. A presença de apenas essas 3 bandas indica a alta pureza da preparação rAAV sem contaminar outras proteínas celulares. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Mancha da imunofluorescência das seções coração de camundongos mdx/Utrofina+ /- 10 semanas após o tratamento de AAV-SaCas9/gRNAs. As imagens representativas da imunofluorescência mostraram a expressão da distrofina (vermelho) e caveolin-3 (verde) nas seções de WT, mdx/Utrofina+ /- coração e mdx/Utrofina+ /- ratos tratadocom com 1 x 1012 vg AAV-SaCas9/gRNA sistemicamente. DAPI era usado para rotular os núcleos (azul). Barra de escala: 100 µm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Não há conflito de interesse existe.