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Research Article
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Erratum Notice
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Este artigo detalha um protocolo para identificação rápida de indels induzidos pelo CRISPR/Cas9 e seleção de linhas mutantes no mosquito Aedes aegypti utilizando análise de derretimento de alta resolução.
A edição de genes de mosquitos tornou-se rotina em vários laboratórios com o estabelecimento de sistemas como nucleases efeitos (TALENs) de ativação de transcrição, núcleos de dedo de zinco (ZFNs) e endonucleases (HEs). Mais recentemente, a tecnologia de repetições palindômicas curtas interespaçadas regularmente (CRISPR)/CRISPR(Cas9) ofereceu uma alternativa mais fácil e barata para a engenharia de genomas de precisão. Após a ação nuclease, as vias de reparação de DNA consertarão as extremidades de DNA quebradas, muitas vezes introduzindo indels. Essas mutações fora do quadro são então usadas para entender a função genética nos organismos alvo. Uma desvantagem, no entanto, é que indivíduos mutantes não carregam nenhum marcador dominante, tornando a identificação e o rastreamento de alelos mutantes desafiadores, especialmente em escalas necessárias para muitos experimentos.
A análise de derretimento de alta resolução (HRMA) é um método simples para identificar variações nas sequências de ácido nucleico e utiliza curvas de fusão pcr para detectar tais variações. Este método de análise pós-PCR usa corantes fluorescentes de ligação de DNA de dupla fita com instrumentação que tem capacidade de captura de dados de controle de rampa de temperatura e é facilmente dimensionado para formatos de placas de 96 poços. Descrito aqui é um simples fluxo de trabalho utilizando o HRMA para a detecção rápida de indeles induzidos pelo CRISPR/Cas9 e o estabelecimento de linhas mutantes no mosquito Ae. aegypti. Criticamente, todas as etapas podem ser realizadas com uma pequena quantidade de tecido da perna e não requerem o sacrifício do organismo, permitindo que cruzes genéticas ou ensaios de fenotipagem sejam realizados após a genotipagem.
Como vetores de patógenos como os vírus da dengue1, zika2 e chikungunya3, bem como parasitas maláricos4, os mosquitos representam uma ameaça significativa à saúde pública para os seres humanos. Para todas essas doenças, há um foco substancial de intervenção de transmissão no controle de mosquitos vetores. O estudo dos genes importantes, por exemplo, na permissividade aos patógenos, na aptidão dos mosquitos, na sobrevivência, na reprodução e na resistência aos inseticidas é fundamental para o desenvolvimento de novas estratégias de controle de mosquitos. Para tais efeitos, a edição de genomas em mosquitos está se tornando uma prática comum, especialmente com o desenvolvimento de tecnologias como HEs, ZFNs, TALENs e, mais recentemente, CRISPR com Cas9. O estabelecimento de cepas editadas por genes normalmente envolve o backcrossing de indivíduos que carregam as mutações desejadas por algumas gerações para minimizar efeitos fora do alvo e fundador (gargalo), seguido pela travessia de indivíduos heterozigosos para gerar linhas homozigosas ou trans-heterozigosas. Na ausência de um marcador dominante, a genotipagem molecular é necessária nesse processo porque, em muitos casos, não podem ser detectados traços fenotípicos claros para mutantes heterozigosos.
Embora o sequenciamento seja o padrão-ouro para a caracterização genotipípica, realizar isso em centenas, ou possivelmente milhares de indivíduos, representa custos significativos, mão-de-obra e tempo necessários para obter resultados, o que é especialmente crítico para organismos com vida útil curta, como mosquitos. Alternativas comumente utilizadas são Surveyor nuclease assay5 (SNA), ensaio T7E1 e análise de derretimento de alta resolução (HRMA, revisado in7). Tanto o SNA quanto o T7E1 usam endonucleases que apenas se descompatem bases incompatíveis. Quando uma região mutante mutante mutada do genoma mutante heterozigoso é amplificada, fragmentos de DNA de alelos mutantes e do tipo selvagem são enais para fazer DNA de dupla cadeia incompatível (dsDNA). A SNA detecta a presença de incompatibilidades via digestão com uma endonuclease específica de incompatibilidade e eletroforese de gel de agarose simples. Alternativamente, o HRMA utiliza as propriedades termodinâmicas do dsDNA detectadas por corantes fluorescentes de ligação dsDNA, com a temperatura de dissociação do corante variando com base na presença e tipo de mutação. O HRMA tem sido utilizado para a detecção de polimorfismos de nucleotídeos únicos (SNPs)8, genotipagem mutante de peixe-zebra9, aplicações microbiológicas10 e pesquisa genética vegetal11, entre outros.
Este artigo descreve o HRMA, um método simples de genotipagem molecular para mosquitos mutantes gerado pela tecnologia CRISPR/Cas9. As vantagens do HRMA sobre técnicas alternativas incluem 1) flexibilidade, pois tem sido comprovadamente útil para vários genes, uma ampla gama de tamanhos indel, bem como a distinção entre diferentes tamanhos indel e heterozigous, homozygous e trans-heterozygous diferenciação12,13,14, 2) custo, pois é baseado em reagentes PCR comumente usados, e 3) economia de tempo, como pode ser realizado em apenas algumas horas. Além disso, o protocolo utiliza uma pequena parte do corpo (uma perna) como fonte de DNA, permitindo que o mosquito sobreviva ao processo de genotipagem, permitindo o estabelecimento e manutenção de linhas mutantes.
1. Digitalização para polimorfismos de nucleotídeos únicos (SNPs), projeto de primer HRMA e validação do primer
2. Preparação de DNA genômico a partir de pernas de mosquito
3. HRMA
4. Verificação de sequência por sequenciamento Sanger
Mosquitos contendo mutações nos genes AaeZIP11 (transporte de ferro putativo21) e mio-fem (gene de miosina tendenciosa da fêmea relacionado aos músculos de voo13) foram obtidos utilizando a tecnologia CRISPR/Cas9, genótipo usando HRMA e sequência verificada (Figura 5). As amostras mutantes Figura 5A e Figura 5C mostram a intensidade de fluorescência normalizada das curvas HRM das amostras mutantes de AaeZIP11 e mio-fem, respectivamente, juntamente com controles do tipo selvagem. As figuras 4B e Figura 4D mostram a ampliação das curvas de diferença (das amostras mutantes AaeZIP11 e myo-fem, respectivamente) entre os perfis de derretimento dos diferentes clusters atribuídos pelo software após subtrair cada curva da referência do tipo selvagem. Indivíduos heterozigosos e homozigos mutantes AaeZIP11 foram colocados em diferentes aglomerados e são facilmente distinguidos dos controles do tipo selvagem (Figura 5B). Os indivíduos mô-fem mutantes heterozigosos também são distintos dos controles (Figura 5D). Observe que dois clusters dentro dos controles do tipo selvagem estavam presentes em ambos os casos, provavelmente devido à presença de SNPs na região alvo (Figura 5), destacando a necessidade de usar múltiplas amostras de controle para evitar a categorização de controles como mutantes quando os SNPs não podem ser evitados.
A Figura 4A mostra a análise sequencial do mutante AaeZIP11 . O eletroferograma de AaeZIP11 mutantes heterozigosos indica a posição nucleotídea onde o indel ocorreu. Isso é representado por uma mudança de picos únicos para duplos, pois as posições polimórficas mostrarão ambos os nucleotídeos concomitantemente (Figura 4A). O número de pares de base excluídos ou inseridos foi calculado contando os picos únicos no final da execução (Figura 4B) como um dos fios de DNA será menor ou mais longo do que o outro pelo número de pares de base excluídos ou inseridos, respectivamente. Recomenda-se o uso de gDNA verificado por sequência dos mutantes como referência para a identificação das heterozygotes para ajudar nas análises do HRMA para as gerações subsequentes. A atribuição manual para as curvas pode ser necessária quando curvas semelhantes são automaticamente atribuídas a diferentes clusters. Isso pode ser feito comparando as curvas de mudança de temperatura e as curvas de diferença. O ajuste manual do software pode ser necessário para atribuir adequadamente amostras a clusters. Os resultados do HRMA de AaeZIP11 e de um mutante chamado Aeflightin mostram que análises de amostras individuais foram necessárias para categorizar com sucesso heterozygotes, homozygotes e trans-heterozygotes. Inicialmente, a atribuição automática de cluster do software não poderia fazer uma distinção adequada entre os grupos (Figura 6A, Figura 6C, Figura 6E e Figura 6G). Cada amostra foi então analisada individualmente e atribuída aos grupos corretos com base na similaridade com amostras de referência de heterozigotes, homozygotes e trans-heterozygotes (previamente verificadas por sequenciamento) (Figura 6B, Figura 6D, Figura 6F e Figura 6H).

Figura 1: Identificação do SNP. Representação esquemática do alinhamento de sequência múltipla do fragmento AaeZIP11 do tipo selvagem. Em vermelho estão os SNPs, e em verde estão os fragmentos livres de SNPs; esta região livre de SNP é sugerida para o design sgRNA e primer. Abreviaturas: SNP = polimorfismo de nucleotídeo único; sgRNA = RNA guia único; LVP = Tensão de Liverpool. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Procedimento experimental para obtenção de DNA genômico de pernas de mosquito para HRMA. (A) Materiais para obtenção de DNA genômico, incluindo pipetas, pontas, placa PCR, vedação óptica, reservatório, tampão de diluição e solução de liberação de DNA. (B) Preparação da placa PCR contendo reagente de liberação de DNA e tampão de diluição. (C) Anestesia de mosquitos com CO2. (D) Limpar a pinça com 70% de etanol para evitar contaminação entre as amostras. (E) Configuração experimental incluindo pinças, rack para frascos de mosquito, placa de Petri em cima de um recipiente de gelo com mosquitos anestesiados, e a placa PCR previamente preparada. (F) Remoção da perna do mosquito. (G) Visão de zoom da perna do mosquito sendo submersa na solução de reagente de liberação de DNA. (H) Mosquito único colocado no frasco. (I) Selar a placa PCR contendo as pernas do mosquito. Abreviação: HRMA = análise de derretimento de alta resolução. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Procedimento experimental para análises de HRM. (A) Transferir o gDNA liberado para uma placa de 96 poços contendo a mistura PCR. (B) Inspeção visual das curvas de diferença. (C) Marcando cada amostra no modelo de 96 poços com a mesma cor da sua respectiva cor de curva de diferença. (D) Retroamendo os indivíduos do mesmo aglomerado. Abreviaturas: HRM = derretimento de alta resolução; gDNA = DNA genômico. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Análise sequencial de um mutante AaeZIP11 . (A) Alinhamento nucleotídeo do mutante AaeZIP11Δ56. Traços destacados em amarelo são as bases excluídas. Na caixa, o eletroferograma passa de picos únicos para picos duplos, representando a posição onde ocorreu a exclusão (seta). (B) Eletroferograma do final da corrida de sequenciamento e da transição de picos duplos para picos únicos. Observe que o número de picos únicos representa o número de bases excluídas (retângulo cinza). As sequências de primer são fornecidas na Tabela Suplementar S1. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5: HRMA de DNA extraído de pernas de mosquito. O DNA foi extraído de uma única perna dos mosquitos AaeZIP11 (A e B) e myo-fem (C e D) e analisado pelo HRMA. A e C denotam os sinais de fluorescência normalizados das amostras a valores relativos de 1,0 a 0. B e D denotam a ampliação das diferenças de curva subtraindo cada curva da referência do tipo selvagem (tensão de Liverpool). Abreviaturas: HRMA = análise de derretimento de alta resolução; LVP = Tensão de Liverpool; RFU = unidades de fluorescência relativa. As sequências de primer são fornecidas na Tabela Suplementar S1. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6: Exemplos de atribuições manuais de grupo. (A-D) HRMA para mutantes de Aeflightin. (A e C) As curvas de derretimento (curvas de escala linear normalizadas e curvas de diferença, respectivamente) são agrupadas automaticamente pelo Software de Análise de Derretimento de Precisão. (B) Normalização das curvas diferenciais alteradas manualmente. (D) Após alterar a normalização das curvas diferenciais, cada amostra foi atribuída individualmente pelas temperaturas máximas nas curvas de diferença para controles positivos correspondentes (amostras anteriormente sequenciadas identificadas por heterozygotes Δ4 e Δ5 e Δ4Δ5 trans-heterozygotes), permitindo a identificação clara dos 3 grupos. Setas vermelhas e marrons são adicionadas para destacar os picos em diferentes temperaturas. (E-H) HRMA para mutantes AaeZIP11. (E e G) As curvas de derretimento são automaticamente atribuídas pelo software. (F e H) Mutantes na segunda auto-cruz heterozigagous foram apropriadamente atribuídos aos grupos corretos pela semelhança das curvas normalizadas e de diferença com referências previamente determinadas (codificadas por cores em curvas). Heterozygotes asg, Homozygotes asg e Trans-heterozygotes asg: curvas de derretimento atribuídas pelo Software de Análise de Derretimento de Precisão. Abreviaturas: HRMA = análise de derretimento de alta resolução; LVP = Tensão de Liverpool; RFU = unidades de fluorescência relativa. As sequências de primer são fornecidas na Tabela Suplementar S1. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Material Suplementar: Protocolo detalhado para configurar o HRMA no Sistema em Tempo Real CFX96 (por exemplo, Bio-rad). Por favor, clique aqui para baixar este Arquivo.
Figura suplementar S1: Instruções passo a passo para configurar o protocolo de ciclismo no Gerenciador CFX Bio-rad. Consulte Material Suplementar 2.1-2.3. Clique aqui para baixar este Arquivo.
Figura Suplementar S2: Instruções passo a passo para uma configuração de placa no Gerenciador CFX Bio-rad. Consulte Material Suplementar 3.1-3.4. Clique aqui para baixar este Arquivo.
Figura suplementar S3: Instruções passo a passo para uma configuração de placa no Gerenciador CFX Bio-rad. Consulte Material Suplementar 3.5-3.6. Clique aqui para baixar este Arquivo.
Figura suplementar S4: Instruções passo a passo para a configuração de execução no Gerenciador CFX Bio-rad. Consulte Material Suplementar 4.1. Clique aqui para baixar este Arquivo.
Figura suplementar S5: Instruções passo a passo para análise de HRMA no Gerenciador CFX Bio-rad. Consulte Material Suplementar 5.1-5.3. Abreviação: HRMA = análise de derretimento de alta resolução. Clique aqui para baixar este Arquivo.
Tabela Suplementar S1: Lista de primers. Clique aqui para baixar esta Tabela.
Os autores não têm conflitos de interesse para declarar.
Este artigo detalha um protocolo para identificação rápida de indels induzidos pelo CRISPR/Cas9 e seleção de linhas mutantes no mosquito Aedes aegypti utilizando análise de derretimento de alta resolução.
Todos os números foram criados com Biorender.com sob licença para a Texas A&M University. Este trabalho foi apoiado por fundos do Instituto Nacional de Alergia e Doenças Infecciosas (AI137112 e AI115138 a Z.N.A.), Texas A&M AgriLife Research sob o Insect Vectored Disease Grant Program, e o UsDA National Institute of Food and Agriculture, projeto Hatch 1018401.
| a 70% | Solução de etanol a 70% em água | ||
| PCR de 96 poços e placas de PCR em tempo real | VWR | 82006-636 | Para obtenção de ADN genómico (da perna de mosquito) |
| Modelos | de placas de 96 poços | Impresso em casa, para registo de genótipos | |
| Bio Rad CFX96 | Bio Rad | com capacidades | |
| de gradiente e HRMAReservatórios de reagentes de biotecnologia diversificada | VWR | 490006-896 | |
| Kit de limpeza de PCR rápido Exo-CIP | Placa de Petri de vidroNew England Biolabs | E1050S | |
| VWR | 89001-246 | 150 mm x 20 mm | |
| Placas de PCR de 96 poços de parede fina de casca dura | Bio-rad | HSP9665 | para|
| pipetador multicanal HRMA (P10) | Integra Biosciences | 4721 | |
| Pipetador multicanal (P300) | Integra Biosciences | 4723 | |
| Fita de vedação de acrilato de poliolefina Nunc, Thermo Scientific | VWR | 37000-548 | Para usar com o 96-well Placas de PCR para obtenção de DNA genômico |
| Fita de vedação óptica | Bio-rad | 2239444 | Para usar com as placas de PCR com 96 poços para HRMA |
| Phire Kit de PCR direto de tecido animal (sem ferramentas de amostragem) | Thermo Fisher | F140WH | Para obter DNA genômico e realizar |
| PCR Divisores de Frascos de Mosca de Plástico | Genesee | 59-128W | |
| Software de Análise de Fusão de Precisão | Bio Rad | 1845025 | Utilizado para genotipar as amostras de ADN do mosquito e analisar as propriedades de desnaturação térmica do ADN de fita dupla (ver passo 3.3 do protocolo) |
| Software SeqMan Pro | DNAstar Lasergene | Para alinhamento de sequências múltiplas | |
| Pipetador de canal único | Gilson | ||
| Pinças Dumont #5 11 cm | WPI | 14098 | |
| Tampões de espuma branca | VWR | 60882-189 | |
| Frascos largos de Drosophila, poliestireno | Genesee | 32-117 | |
| Bandeja de frascos de mosca larga, azul | Genesee | 59-164B |