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As células-tronco pluripotentes humanas (hPSCs) representam uma fonte ilimitada de células somáticas para a pesquisa ou para a clínica1. A segmentação de genes em hPSCs oferece um método poderoso para estudar a função gênica durante a especificação celular e entender os mecanismos da doença. Embora existam métodos eficientes de edição de genoma, modificar genes em hPSCs permanece tecnicamente desafiador. O direcionamento padrão de genes por recombinação homóloga em hPSCs ocorre em baixa frequência ou é mesmo indetectável em alguns genes 2, e o direcionamento de genes estimulado por quebra de fita dupla de DNA (DSB) (denominado edição de genes) é, portanto, necessário nessas células 2,3. Além disso, a transfecção de hPSCs e a subsequente clonagem unicelular não são muito eficientes, embora a apoptose associada a uma única célula possa ser reduzida com o uso do inibidor da proteína quinase associada ao Rho (ROCK)4. Finalmente, as potenciais mutações no alvo e fora do alvo no gene de interesse também podem ser problemáticas. Portanto, um protocolo confiável é essencial para fazer alterações genéticas personalizadas em hPSCs.
A tecnologia CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) guiada por RNA e a proteína 9 (Cas9) associada à CRISPR são agora uma ferramenta bem estabelecida na edição de genes. O RNA CRISPR transcrito (crRNA) e um RNA transativador (tracrRNA) formam o RNA guia único (sgRNA), que se complexa com a proteína Cas9 permitindo a clivagem específica do gene5. O sistema CRISPR/Cas9 é programável, alterando uma sequência de guia de 20 pb do sgRNA, o que significa que quase qualquer locus que atenda ao requisito de motivo adjacente ao protoespaçador (PAM) pode ser editado. No entanto, o tipo selvagem Cas9 pode tolerar algumas incompatibilidades entre sua sequência de guia e um alvo de DNA, o que pode causar efeitos indesejados fora do alvo. Para melhorar sua especificidade, um mutante nickase (Cas9n) foi desenvolvido. Um Cas9n contendo mutação D10A ou N863A possui apenas um domínio nuclease funcional e, como resultado, só pode cortar o DNA em uma fita. Um par de Cas9n adequadamente espaçado e orientado pode efetivamente induzir DNA DSB e os efeitos fora do alvo são drasticamente reduzidos6. Para garantir uma modificação eficiente do Cas9n, foi demonstrado que dois sgRNA Cas9n devem ser idealmente colocados com um deslocamento de -4 a 20 pb e sempre criar uma saliência de 5'6.
O DSB induzido por Cas9(n)-sgRNA pode ser utilizado para edição de genoma em hPSCs 7,8. Pode criar nocaute de genes através de reparo de junção final não homóloga, ou introduzir modificação genética através de reparo dirigido por homologia (HDR) se um molde de DNA do doador estiver presente. O protocolo aqui descrito utiliza um plasmídeo doador baseado em transposon piggyBac (ou vetor alvo) para HDR, no qual um marcador de resistência a medicamentos é flanqueado pelas repetições invertidas de transposon. A vantagem dessa abordagem inclui triagem eficiente e edição de genes sem costura, como demonstrado primeiramente por Yusa et al.9,10. O de seleção de fármacos permite o enriquecimento de células com o vetor integrado, que são posteriormente rastreadas por PCR de junção para identificar aquelas derivadas por HDR. Além disso, o de seleção de drogas pode ser posicionado para substituir as sequências-alvo para a clivagem Cas9(n), de modo que nenhuma outra quebra de DNA ocorra após o HDR, eliminando assim as mutações "on" do alvo resultantes da reclivagem Cas9(n). Além disso, ao explorar a excisão precisa catalisada pela transposase piggyBac, o marcador de seleção é então extirpado do genoma sem deixar uma cicatriz. Apenas a sequência endógena original de ATT para inserção de piggyBac permanece após a remoção do marcador de seleção de drogas9. Mesmo que os sítios TTAA tenham de ser criados através da introdução de substituições, as hipóteses de perturbação dos elementos regulamentares são reduzidas em comparação com outros métodos10.
Aqui descrevemos procedimentos detalhados para implementar a edição contínua do genoma em hPSCs. Combinando um plasmídeo doador à base de piggyBac e o mutante CRISPR-Cas9 nickase em uma seleção genética de duas etapas, introduzimos duas mutações pontuais predeterminadas no gene11 do fator nuclear de hepatócitos 4 alfa (HNF4α). Essa abordagem é confiável e eficiente, e tem permitido análises aprofundadas dos importantes papéis desempenhados pelo HNF4α na especificação de endodermes e hepatócitos a partir de células-tronco pluripotentes humanas11.