Este protocolo descreve uma abordagem escalável de triagem intraductal CRISPR, permitindo estudos paralelos in vivo de eliminação e ativação genética na glândula mamária do camundongo.
Artigo de método
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Este protocolo descreve uma abordagem escalável de triagem intraductal CRISPR, permitindo estudos paralelos in vivo de eliminação e ativação genética na glândula mamária do camundongo.
As triagens genéticas avançadas são rotineiramente empregadas para perturbar milhares de elementos genéticos de forma agrupada, com o objetivo de produzir mapas em grande escala de genótipo para fenótipo. Embora frequentemente realizado em sistemas de cultura celular, a acumulação de evidências apoia que as triagens in vivo têm o poder de revelar novas biologias que não podem ser recapituladas in vitro. No entanto, a aplicação ampla dessa abordagem tem sido limitada por dois grandes desafios: o foco predominante em perturbações de perda de função em vez da ativação gênica e os significativos obstáculos técnicos para entregar bibliotecas genéticas complexas a tecidos específicos in vivo. Para superar esses desafios, descrevemos uma estratégia simples e versátil de injeção intraductal que permite uma triagem genômica funcional eficiente e rápida na glândula mamária do camundongo, gerando dezenas de milhares de clones epiteliais discretos. Além disso, fornecemos todos os detalhes necessários para geração de bibliotecas, injeção intradutal, deconvolução de tela e análise das bibliotecas CRISPR-Knockout e Ativação para telas in vivo abrangentes. Usando essas ferramentas, que denominamos CRISPR-KOALA (Ensaio Ligado de Knockout e Ativação), identificamos novos supressores tumorais e oncogenes dentro do genoma codificante e não codificante em bibliotecas agrupadas que variam de 46 loci a um quinto do genoma. Importante destacar que essa abordagem e análise podem ser aplicadas a outros órgãos para estudar a função biológica de qualquer gene durante a homeostase ou doença.
As triagens de genômica funcional fornecem uma estrutura poderosa para interrogar a função gênica na escala1. O desenvolvimento das tecnologias de edição genética CRISPR-Cas possibilitou a perturbação sistemática de centenas a milhares de genes em paralelo, e triagens baseadas em CRISPR em linhagens celulares de mamíferos tornaram-se uma pedra angular da pesquisa moderna em biologiado câncer 2. Essas abordagens in vitro identificaram genesessenciais 3, supressorestumorais 4 e interações letaissintéticas 5 em diversos contextos de câncer. No entanto, uma limitação central é a incapacidade de capturar as complexas características biológicas dos tumores in vivo, incluindo interações com o sistema imunológico e estroma, gradientes de nutrientes e arquitetura tecidular dentro domicroambiente 2. Em consonância com essa limitação, estudos recentes demonstraram que muitos genes legítimos condutores do câncer não exercem efeitos mensuráveis in vitro, especialmente quando sua função depende de sinais microambientais ausentes na culturacelular 6,7,8,9,10.
A glândula mamária do camundongo fornece um contexto tecidular singularmente vantajoso para a triagem genômica funcional in vivo. As células epiteliais mamárias são altamente regenerativas, passam por ciclos de expansão clonal durante o ciclo estrol e são organizadas em uma rede ductal ramificada que pode ser facilmente acessada e geneticamentemanipulada 11,12,13. Essas características apoiaram décadas de análises genéticas em mosaico e experimentos de rastreamento de linhagem, estabelecendo a glândula mamária como um sistema tratável para interrogar a função gênica intrínseca das células e dependente do microambiente durante a homeostase e doençasteciduais 14,15,16,17,18,19,20,21,22, 23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33. Importante destacar que perturbações genéticas podem ser restritas ao compartimento epitelial, permitindo o estudo direto dos fatores específicos do epitelio para transformação, competição celular, fidelidade da linhagem e progressão tumoral em um contexto de tecido intacto.
Embora várias estratégias tenham sido desenvolvidas para entregar perturbações genéticas diretamente à glândula mamária adulta in situ, permanecem obstáculos técnicos significativos para aplicações de alto rendimento. A administração mediada por adenovírus da Cre recombinase tem sido amplamente utilizada para induzir a recombinação somática de alelos condicionais na glândula mamáriaadulta 34,35,36,37, oferecendo um meio eficiente de manipular a função gênica sem o complexo acolhimento germinativo exigido pelos modelos tradicionais de camundongos geneticamente modificados (GEMMs). Embora o adenovírus de alto título também possa entregar componentes CRISPR-Cas9 para células residentes em tecidos, esses vetores não se integram ao genomado hospedeiro 38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49 . Isso limita severamente a escala das triagens a ~10–55 genes, já que cada sítio-alvo do gRNA deve ser sequenciado individualmente usando as sondas de inversão molecular 38,39,40,41,42,43,44,45,46,47. Além disso, os métodos atuais de entrega intraductal permitem acesso direto ao sistema mamário ductal, mas exigem exposição cirúrgica invasiva da glândulamamária 50 ou dependem do uso de seringas Hamilton comparativamente grandes, que sãoincómodas 51. Embora eficazes para entrega localizada do vírus, essas abordagens são comparativamente invasivas, tecnicamente desafiadoras e não otimizadas para a entrega escalável de bibliotecas lentivirais agrupadas. Coletivamente, esses estudos demonstram que perturbações virais in situ são viáveis, mas as ferramentas atuais não suportam as perturbações estáveis, agrupadas e recuperáveis por sequência, necessárias para o rastreamento in vivo de CRISPR de alto rendimento.
Para enfrentar essas limitações, nós e outros passamos a integrar vetores lentivirais, que possibilitam modificações genéticas estáveis e hereditárias. Em contraste com os sistemas de cultura celular, os tecidos in vivo impõem restrições rigorosas ao número de células perturbadas que podem ser geradas dentro de um único órgão, tornando impraticável a triagem genômica. Consequentemente, telas CRISPR in vivo exigem o design de bibliotecas direcionadas e informadas biologicamente que equilibrem cobertura com viabilidade. Além disso, a maioria dos exames CRISPR in vivo, revisados aqui2, tem focado quase exclusivamente em perturbações de perda de função lentiviral, apesar das evidências crescentes de que a ativação gênica pode revelar insights biológicos complementares e nãosobrepostos 52,53,54,55. Nós e outros já demonstramos anteriormente que integrar perturbações lentivirais do CRISPR no epitélio mamário adulto permite uma modificação genética estável e hereditária in situ, e que elas podem ser recuperadas e quantificadas a partir do DNAgenômico 36,55,56,57,58. Usando essa abordagem, realizamos triagens CRISPR in vivo agrupadas que identificaram novos fatores que impulsionam a transformaçãooncogênica 36,55, estabelecendo tanto a viabilidade quanto a relevância biológica da entrega lentiviral e do rastreamento CRISPR. No entanto, esses estudos também destacaram a necessidade de um protocolo simples, padronizado e escalável que pudesse ser amplamente adotado e estendido para incluir tanto modelos de triagem de perda quanto de ganho de função dentro da mesma glândula.
Aqui, descrevemos uma estratégia simples e versátil de injeção intraductal que permite a triagem paralela in vivo das bibliotecas de knockout e ativação do CRISPR, denominadas CRISPR-KOALA, dentro da glândula mamáriaadulta de camundongo 55. O CRISPR-KOALA emprega um RNA convencional 'single-guide' (sg)RNA (sg)' de 20-21 bp para capacidades CRISPR-KO ou um 'dead-guide' (dg)RNA (dead-guide) de 14 bp para CRISPR-A. O dgRNA guia eficientemente o Cas9 até seu local-alvo, mas impede a atividade das endonucleasesdo Cas9 59,60,61, permitindo assim o uso de um único camundongo expressando Cas9 ativo tanto para as modalidades de eliminação quanto de ativação. A introdução de dois grampos PP7 no trcr do dgRNA possibilita o recrutamento de uma transativadora de proteína derevestimento PP7 e leva à superexpressão eficiente dos genes invivo 55 (Figura 1). Ao combinar o design de biblioteca de gRNA direcionado com produção lentiviral de alto título e entrega intraductal não cirúrgica usando microcapilares de vidro, essa abordagem gera dezenas de milhares de clones epiteliais espacialmente discretos, preservando a arquitetura dos tecidos e as interações microambientais. Importante, a integração lentiviral no genoma do hospedeiro possibilita a recuperação e quantificação de gRNAs por meio de sequenciamento de alto rendimento, possibilitando triagens genômicas funcionais em vivo. Juntos, isso permite perturbações paralelas ou simultâneas (na mesma célula) CRISPR-KO e CRISPR-A dentro da mesma glândula mamária de um camundongo que expressa Cas9.
Apresentamos um protocolo detalhado passo a passo que abrange o design de bibliotecas de gRNA, produção e concentração de lentivirais, entrega intraductal, deconvolução de bibliotecas e análise de dados (Figura 1). Juntos, esse método fornece uma estrutura prática e escalável para a triagem knockout e/ou ativação in vivo do CRISPR na glândula mamária do camundongo e pode ser adaptado para estudar a função gênica durante a homeostase dos tecidos, diferentes contextos de doenças, outros tecidos e outras espécies como o rato.
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Todos os procedimentos com animais foram realizados de acordo com as diretrizes do Conselho Canadense de Cuidados Animais e aprovados pelo Comitê de Cuidados Animais do Centro de Fenogenômica (protocolo 26-0272H).
1. Clonagem da biblioteca CRISPR
NOTA: Esta seção descreve a clonagem agrupada das bibliotecas knockout e ativação do CRISPR a partir de oligonucleotídeos sintetizados em matrizes para as espinhas dorsuais lentivirais. Nós rotineiramente geramos bibliotecas contendo até 4.000 gRNAs, que podem ser testadas com cobertura de 400X-1.000X em 8-20 camundongos. O número de gRNAs e a cobertura podem ser ajustados conforme necessário, o que afetará o número de camundongos necessários para manter o poder estatístico. Recomendamos manter uma cobertura mínima de 400X, o que pode ser suficiente para fenótipos de ganho de função fortes.
2. Produção de lentivais para triagem in vivo
NOTA: Para parto intraductal e triagem agrupada in vivo , preparações lentivirais devem ser concentradas para alcançar títulos altos (idealmente entre 1 x 108 pfu/mL e 1 x 109 pfu/mL) para garantir a transdução eficiente das células epiteliais mamárias. O protocolo a seguir descreve a produção de lentiviral de alto título, otimizada para uso in vivo .
3. Injeção lentiviral intraductal na glândula mamária do camundongo
4. Isolamento genômico de DNA de glândulas mamárias e tumores
NOTA: Eutanasie camundongos por exposição aoCO2 ou overdose de anestésicos seguidos por luxação cervical, de acordo com as diretrizes de cuidado animal. Colhe glândulas mamárias ou tumores mamários nos momentos desejados ou no desfecho humano conforme as diretrizes regulatórias. Células infectadas foram colhidas tão cedo quanto 48 h após a infecçãolentiviral 36,55 ou até 5+ meses após a injeção em camundongosselvagens 36, ou >24 meses em fundos oncogênicos55. Os passos a seguir devem ser feitos em um espaço limpo com DNA Erase e com equipamentos livres de plasmídeos contendo cassetes sgRNA/dgRNA. Mesmo quantidades traços de DNA plasmídico são suficientes para resultar na contaminação de amostras de tecido, e subsequentes PCRs de sequenciamento profundo e controles negativos (sem tecido) devem ser realizados para garantir preparações limpas.
5. Sequenciamento de próxima geração de bibliotecas CRISPR
NOTA: Gerar uma amostra de referência para permitir o cálculo das mudanças na dobra do gRNA ao longo do tempo. MEFs transdutos (Seção 2) ou glândulas mamárias (Seção 4) colhidos 3 dias após a infecção, assim como o plasmídeo original maxiprep, podem ser usados para determinar a representação do guia na biblioteca inicial e no estoque viral.
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Aqui, fornecemos um protocolo para triagem CRISPR in vivo em conjunto na glândula mamária do camundongo. Esse pipeline pode ser usado de ponta a ponta para projetar e amplificar bibliotecas de gRNA agrupadas a partir de matrizes de oligonucleotídeos, clonar as bibliotecas de gRNA em espinhas dorsuais lentivirais, produzir lentivírus de alto título, realizar a entrega intraductal de bibliotecas lentivirais agrupadas na glândula mamária adulta e recuperar gRNAs para a deconvolução...
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Uma consideração fundamental para a triagem CRISPR in vivo em conjunto é alcançar cobertura suficiente de bibliotecas enquanto se mantém a transdução escassa de células únicas para preservar a resoluçãoclonal 2. Na glândula mamária do camundongo, o compartimento epitelial consiste conservadoramente em aproximadamente 3,5 × 105 células porglândula 36. Com uma taxa média de transdução lentiviral de 15%, o que minimiza a fr...
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D.S. é consultor e fundador da ViVerita Therapeutics, e seu laboratório patrocinou acordos de pesquisa e de serviços com a ViVerita Therapeutics.
Agradecemos a todos os membros de nossos laboratórios pelos comentários e discussões úteis relacionados a este trabalho. Também agradecemos e reconhecemos o Centro de Fenogenômica por toda a ajuda e expertise no trabalho com camundongos no Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute (LTRI), Toronto, Canadá. Este estudo foi apoiado por uma bolsa de projeto dos Institutos Canadenses de Pesquisa em Saúde (PJT462506) e por uma bolsa do Programa de Projetos do Instituto de Pesquisa Terry Fox para a D.S. (TFRI Projeto #1107) para a D.S. e pela Fundação Família Nicol. E.R.L. foi apoiado pelo Prêmio de Treinamento em Pesquisa da Sociedade Canadense do Câncer e pelo Fundo Memorial Frank Fletcher. A K.N.A. foi apoiada por uma Bolsa de Pós-Doutorado H.L. Holmes e bolsas 1318698 e 26089 da Cancer Research Society. J.N. foi apoiado por uma Bolsa de Estudos de Pós-Graduação – Mestrado do Canadian Institutes of Health Research Canada e por um Prêmio de Pesquisa Doutoral (#193389). Y.L foi apoiado pela bolsa de Excelência em Pesquisa, Diversidade e Independência (#ED6-190718) dos Institutos Canadenses de Pesquisa em Saúde.
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| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| 0.45 micron filter | Sigma | S2HVU02RE | |
| 12k ou 92k oligo chip | Customarray Inc. (Genscript) | ||
| Placas de cultura celular de 15 cm | Corning | CLS353004 | |
| 293FT | Invitrogen | R70007 | |
| 293NT | Systems Biosciences | LV900A-1 | |
| Fosfatase alcalina | NEB | M0290L | |
| Ampicilina | Fisher Scientific | BP1760-25 | |
| ATP | NEB | 9804S | |
| ATP | NEB | P0756S | |
| Cutsmart buffer | NEB | B6004S | |
| Sequenciamento profundo (Next-Seq ou Hi-Seq) | Illumina | ||
| Kit de extração de DNA de sangue e tecido DNAesy | Qiagen | 69506 | |
| Meio Eagle modificado de Dulbecco | Wisent | 319-015-CL | |
| Células eletrocompetentes Endura | Lucigen | 60242-1 | |
| Kit de meio EpiCult-B para camundongos | Stemcell Technologies | 05610 | |
| Esp3I | NEB | R0734L | |
| Soro bovino fetal | Wisent | 090-150 | |
| Kit de limpeza de DNA em gel | Zymo Research | D4008 | |
| Gentle Collagenase/Hyaluronidase | Stemcell Technologies | 7919 | |
| Cânulas de eletroporação Gene Pulser/MicroPulser | BioRad | 1652089 | |
| Kim-wipe | Kimberly-Clark | 34155 | |
| Ágar LB | Wisent Technologies | 800-011-LG | |
| Extrusor de micropipetas | Sutter Instrument | P97 | |
| Kit de miniprep de plasmídeo | Frogga Bio | PDH300 | |
| NEBuffer 3.1 (Buffer para BsmBI) | NEB | R0580L | |
| Oligo Clean and Concentrator | Zymo Research | D4061 | |
| Kit de limpeza de oligo | Zymo research | D4060 | |
| Primers de sequenciamento illumina PAGE purificados | IDT DNA | ||
| Micropipetas PCR | Drummond | 5-000-1001-X10 | |
| PEI (polietilenimina) | Sigma | 408727-100ML | |
| Penicilina e Estretomicina | Wisent | 450-201-EL | |
| pLKO-Cre | Addgene | 158032 | |
| pMD2.G | Addgene | 12259 | |
| Poli-L-Lisina | Sigma | P2636-100MG | |
| psPAX2 | Addgene | 12260 | |
| pXPR502-PPH-Cre | Addgene | 256776 | |
| Q5 Polymerase 2x Master mix | NEB | M0494L | |
| Qubit Fluorometric Quantification | Invitrogen | Q33327 | |
| R26-LSL-Cas9-EGFP | Jackson Labratories | JAX#024857 | |
| R26-LSL-TdTomato camundongos | Jackson Labratories | JAX#007909 | |
| SapI | NEB | R0569L | |
| T4 DNA ligase | NEB | M0202L | |
| Tubos de ultracentrífuga | Beckman Coulter | 344058 | |
| Unidades de filtro a vácuo | Fisher Scientific | SCHVU02RE |
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