RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
ru_RU
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
В этой статье подробно описывается протокол быстрой идентификации инделов, индуцированных CRISPR/Cas9, и выбора мутантных линий у комара Aedes aegypti с использованием анализа расплава с высоким разрешением.
Редактирование генов комаров стало обычным делом в нескольких лабораториях с созданием таких систем, как транскрипционно-активатор-подобные эффекторные нуклеазы (TALENs), нуклеазы цинкового пальца (ZFNs) и самонаводящиеся эндонуклеазы (HEs). Совсем недавно технология кластеризованных регулярно чередующихся коротких палиндромных повторов (CRISPR) / CRISPR-ассоциированного белка 9 (Cas9) предложила более простую и дешевую альтернативу для точной геномной инженерии. После действия нуклеазы пути репарации ДНК будут исправлять сломанные концы ДНК, часто вводя индели. Эти внекадровые мутации затем используются для понимания функции генов в целевых организмах. Недостатком, однако, является то, что мутантные особи не несут доминирующего маркера, что затрудняет идентификацию и отслеживание аллелей мутантов, особенно в масштабах, необходимых для многих экспериментов.
Анализ расплава с высоким разрешением (HRMA) является простым методом выявления вариаций последовательностей нуклеиновых кислот и использует кривые плавления ПЦР для обнаружения таких изменений. Этот метод анализа после ПЦР использует флуоресцентные двухцепочечные ДНК-связывающие красители с приборами, которые имеют возможность сбора данных о контроле температуры и легко масштабируются до форматов пластин с 96 лунками. Здесь описан простой рабочий процесс с использованием HRMA для быстрого обнаружения CRISPR/Cas9-индуцированных инделей и установления мутантных линий у комара Ae. aegypti. Критически важно, что все этапы могут быть выполнены с небольшим количеством ткани ноги и не требуют жертвоприношения организма, позволяя проводить генетические скрещивания или фенотипирование после генотипирования.
Как переносчики патогенов, таких как вирусы денге1, Зика2 и чикунгунья3, а также малярийные паразиты4, комары представляют значительную угрозу для здоровья людей. В связи со всеми этими заболеваниями основное внимание уделяется мерам по борьбе с комарами-переносчиками. Изучение генов, важных, например, в отношении вседозволенности к патогенам, приспособленности комаров, выживания, размножения и устойчивости к инсектицидам, является ключом к разработке новых стратегий борьбы с комарами. Для таких целей редактирование генома у комаров становится обычной практикой, особенно с развитием таких технологий, как HEs, ZFN, TALENs и совсем недавно CRISPR с Cas9. Создание генетически отредактированных штаммов обычно включает в себя обратное скрещивание людей, несущих желаемые мутации в течение нескольких поколений, чтобы свести к минимуму нецелевые и фаундокторные (узкие места) эффекты, с последующим скрещиванием гетерозиготных особей для генерации гомозиготных или трансгетерозиготных линий. В отсутствие доминирующего маркера молекулярное генотипирование необходимо в этом процессе, поскольку во многих случаях у гетерозиготных мутантов не может быть обнаружено четких фенотипических признаков.
Хотя секвенирование является золотым стандартом для генотипической характеристики, выполнение этого для сотен или, возможно, тысяч особей сопряжено со значительными затратами, трудом и временем, необходимыми для получения результатов, что особенно важно для организмов с короткой продолжительностью жизни, таких как комары. Обычно используемыми альтернативами являются Surveyor nuclease assay5 (SNA), T7E1 assay6 и анализ расплава с высоким разрешением (HRMA, рассмотрено в 7). И SNA, и T7E1 используют эндонуклеазы, которые расщепляют только несоответствующие основания. Когда мутированная область гетерозиготного мутантного генома амплифицируется, фрагменты ДНК из аллелей мутантного и дикого типа отжигаются, чтобы сделать несоответствующую двухцепочечную ДНК (dsDNA). СНС обнаруживает наличие несоответствий через пищеварение с несоответствующей специфической эндонуклеазой и простым электрофорезом агарозного геля. В качестве альтернативы HRMA использует термодинамические свойства dsDNA, обнаруженные флуоресцентными красителями, связывающими dsDNA, при этом температура диссоциации красителя изменяется в зависимости от наличия и типа мутации. HRMA использовался для обнаружения однонуклеотидных полиморфизмов (SNP)8, мутантного генотипирования рыб данио9, микробиологических приложений10 и генетических исследований растений11.
В этой статье описывается HRMA, простой метод молекулярного генотипирования для комаров-мутантов, генерируемый технологией CRISPR / Cas9. Преимущества HRMA перед альтернативными методами включают в себя 1) гибкость, поскольку она доказала свою полезность для различных генов, широкий диапазон размеров инделя, а также различие между различными размерами инделя и гетерозиготной, гомозиготной и трансгетерозиговой дифференцировкой12,13,14, 2) стоимость, поскольку она основана на широко используемых реагентах ПЦР, и 3) экономию времени, так как это может быть выполнено всего за несколько часов. Кроме того, протокол использует небольшую часть тела (ногу) в качестве источника ДНК, что позволяет комару выжить в процессе генотипирования, позволяя устанавливать и поддерживать мутантные линии.
1. Сканирование на наличие однонуклеотидных полиморфизмов (SNP), проектирование праймера HRMA и валидация праймера
2. Получение геномной ДНК из ног комаров
3. HRMA
4. Проверка последовательности с помощью секвенирования Сэнгера
Комары, содержащие мутации в генах AaeZIP11 (предполагаемый транспортер железа21) и мио-фем (ген миозина с женским уклоном, связанный с летными мышцами13), были получены с использованием технологии CRISPR/Cas9, генотипированы с использованием HRMA и проверены последовательностью (рисунок 5). На рисунках 5A и 5C показана нормализованная интенсивность флуоресценции из кривых HRM из образцов мутантов AaeZIP11 и myo-fem , соответственно, наряду с контролем дикого типа. На рисунках 4B и 4D показано увеличение разностных кривых (из образцов мутантов AaeZIP11 и myo-fem соответственно) между профилями расплава различных кластеров, назначенных программным обеспечением после вычитания каждой кривой из эталона дикого типа. Гетерозиготные и гомозиготные мутантные особи AaeZIP11 были помещены в разные кластеры и легко отличаются от контрольных групп дикого типа (рисунок 5B). Гетерозиготные мутантные мио-фем-особи также отличаются от контрольных (рисунок 5D). Обратите внимание, что в обоих случаях присутствовали два кластера в элементах управления дикого типа, скорее всего, из-за присутствия SNP в целевой области (рисунок 5), что подчеркивает необходимость использования нескольких контрольных образцов, чтобы избежать классификации элементов управления как мутантов, когда SNP нельзя избежать.
На рисунке 4A показан анализ последовательности мутанта AaeZIP11 . Электроферограмма гетерозиготных мутантов AaeZIP11 указывает на нуклеотидное положение, где произошел индель. Это представлено сдвигом от одинарных к двойным пикам, поскольку полиморфные положения будут показывать оба нуклеотида одновременно (рисунок 4A). Количество пар оснований, удаленных или вставленных, было рассчитано путем подсчета одиночных пиков в конце пробега (рисунок 4B), поскольку одна из нитей ДНК будет короче или длиннее другой по количеству пар оснований, удаленных или вставленных, соответственно. Рекомендуется использовать проверенную последовательностью гДНК от мутантов в качестве ориентира для идентификации гетерозигот, чтобы помочь с анализом HRMA для последующих поколений. Ручное назначение кривых может потребоваться, если похожие кривые автоматически назначаются различным кластерам. Это можно сделать, сравнив кривые со сдвигом температуры и кривые разности. Для правильного назначения образцов кластерам может потребоваться ручная настройка программного обеспечения. Результаты HRMA от AaeZIP11 и мутанта под названием Aeflightin показывают, что для успешной классификации гетерозигот, гомозигот и трансгетерозигот необходимы отдельные анализы образцов. Первоначально автоматическое назначение кластера из программного обеспечения не могло провести надлежащее различие между группами (рисунок 6A, рисунок 6C, рисунок 6E и рисунок 6G). Затем каждый образец анализировали индивидуально и распределяли по правильным группам на основе сходства с эталонными образцами гетерозигот, гомозигот и трансгетерозигот (ранее проверенных секвенированием) (рисунок 6B, рисунок 6D, рисунок 6F и рисунок 6H).

Рисунок 1: Идентификация SNP. Схематическое представление выравнивания нескольких последовательностей фрагмента AaeZIP11 от wild-type. Красным цветом выделены SNP, а зеленым — фрагменты, свободные от SNP; эта область, свободная от SNP, предлагается для проектирования sgRNA и праймера. Сокращения: SNP = однонуклеотидный полиморфизм; sgRNA = единая направляющая РНК; LVP = Ливерпульский штамм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2: Экспериментальная процедура получения геномной ДНК из ног комаров для HRMA. (A) Материалы для получения геномной ДНК, включая пипетки, наконечники, ПЦР-пластину, оптическую пломбу, резервуар, буфер разбавления и раствор для высвобождения ДНК. (B) Препарат ПЦР-пластины, содержащий реагент высвобождения ДНК и буфер разбавления. (C) Противомоскитная анестезия CO2. (D) Протирание пинцета 70% этанолом для предотвращения загрязнения между образцами. (E) Экспериментальная установка, включающая пинцет, стойку для флаконов комаров, чашку Петри поверх контейнера со льдом с обезболенными комарами и ранее подготовленную ПЦР-пластину. (F) Удаление ноги комара. (G) Увеличить вид ноги комара, погруженной в раствор реагента для высвобождения ДНК. H) Одиночный комар, помещенный во флакон. (I) Герметизация ПЦР-пластины, содержащей ноги комара. Аббревиатура: HRMA = анализ расплава с высоким разрешением. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3: Экспериментальная процедура анализа HRM. (A) Перенос высвобождаемой гДНК на 96-луночную пластину, содержащую смесь ПЦР. (B) Визуальный осмотр кривых разности. (C) Маркировка каждого образца на 96-луночном шаблоне тем же цветом, что и его соответствующий цвет разностной кривой. D) обратное пересечение лиц из одного и того же кластера. Сокращения: HRM = расплав высокого разрешения; гДНК = геномная ДНК. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 4: Анализ последовательности мутанта AaeZIP11 . (A) Нуклеотидное выравнивание мутанта AaeZIP11Δ56. Тире, выделенные желтым цветом, являются удаленными основаниями. В коробке электроферограмма переходит от одинарных пиков к двойным пикам, изображая положение, где произошло удаление (стрелка). (B) Электроферограмма конца последовательного пробега и перехода от двойных пиков к одинарным пикам. Обратите внимание, что число одиночных пиков представляет собой количество удаленных оснований (серый прямоугольник). Последовательности грунтовок приведены в дополнительной таблице S1. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 5: HRMA ДНК, извлеченной из ног комаров. ДНК была извлечена из одной ноги комаров AaeZIP11 (A и B) и myo-fem (C и D) и проанализирована HRMA. A и C обозначают нормализованные флуоресцентные сигналы образцов до относительных значений от 1,0 до 0. B и D обозначают увеличение разности кривых путем вычитания каждой кривой из эталона дикого типа (деформация Ливерпуля). Сокращения: HRMA = анализ расплава высокого разрешения; LVP = ливерпульский штамм; РФС = относительные единицы флуоресценции. Последовательности грунтовок приведены в дополнительной таблице S1. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 6: Примеры ручных групповых заданий. (A-D) HRMA для мутантов Aeflightin. (A и C) Кривые расплава (нормализованные линейные кривые масштаба и разностные кривые соответственно) автоматически группируются программным обеспечением precision Melt Analysis. (B) Нормализация дифференциальных кривых, измененных вручную. (D) После изменения нормализации дифференциальных кривых каждый образец был назначен индивидуально по пиковым температурам в разностных кривых для соответствующих положительных контрольных показателей (ранее секвенированные образцы, идентифицированные гетерозиготами Δ4 и Δ5 и трансгетерозиготами Δ4Δ5), что позволило четко идентифицировать 3 группы. Красные и коричневые стрелки добавляются, чтобы подчеркнуть пики при разных температурах. (Э-Н) HRMA для мутантов AaeZIP11. (E и G) Кривые расплава автоматически назначаются программным обеспечением. (F и H) Мутанты во втором гетерозиготном самокрещивании были соответствующим образом отнесены к правильным группам по сходству нормализованных и разностных кривых с ранее определенными ссылками (цветовая кодировка в кривых). Гетерозиготы asg, Homozygotes asg и Trans-heterozygotes asg: присвоены кривые расплава программным обеспечением Precision Melt Analysis. Сокращения: HRMA = анализ расплава высокого разрешения; LVP = ливерпульский штамм; РФС = относительные единицы флуоресценции. Последовательности грунтовок приведены в дополнительной таблице S1. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Дополнительный материал: Подробный протокол для настройки HRMA в системе реального времени CFX96 (например, Bio-rad). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный рисунок S1: Пошаговые инструкции по настройке протокола циклирования на Bio-rad CFX Manager. Дополнительный материал 2.1-2.3. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный рисунок S2: Пошаговая инструкция по установке пластины на Bio-rad CFX Manager. Дополнительный материал 3.1-3.4. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный рисунок S3: Пошаговые инструкции по настройке пластины на Bio-rad CFX Manager. Дополнительный материал 3.5-3.6. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный рисунок S4: Пошаговая инструкция по настройке запуска на Bio-rad CFX Manager. См. Дополнительный материал 4.1. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный рисунок S5: Пошаговая инструкция по анализу HRMA на Bio-rad CFX Manager. Дополнительный материал 5.1-5.3. Аббревиатура: HRMA = анализ расплава с высоким разрешением. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительная таблица S1: Список грунтовок. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.
У авторов нет конфликта интересов, о которых можно было бы заявить.
В этой статье подробно описывается протокол быстрой идентификации инделов, индуцированных CRISPR/Cas9, и выбора мутантных линий у комара Aedes aegypti с использованием анализа расплава с высоким разрешением.
Все фигуры были созданы с Biorender.com по лицензии Техасского университета A&M. Эта работа была поддержана средствами Национального института аллергии и инфекционных заболеваний (AI137112 и AI115138 до Z.N.A.), Texas A&M AgriLife Research в рамках Программы грантов на переносчики насекомых и Национального института продовольствия и сельского хозяйства Министерства сельского хозяйства США, проект Хэтч 1018401.
| 70% этанол | 70% раствор этанола в воде | ||
| 96-луночный ПЦР и ПЦР в реальном времени | VWR | 82006-636 | Для получения геномной ДНК (из комарной лапки) |
| 96-луночные шаблоны | планшетов Домашние печатные, для регистрации генотипа | ||
| Bio Rad CFX96 | Bio Rad | ПЦР машина с градиентом и возможностями | |
| HRMAДиверсифицированные биотехнологические резервуары для реагентов | VWR | 490006-896 | |
| Набор для быстрой очистки ПЦР Exo-CIP New | England Biolabs | E1050S | |
| Стеклянная чашка Петри | VWR | 89001-246 | 150 мм x 20 мм |
| Тонкостенные 96-луночные ПЦР-планшеты с жесткой оболочкой | Bio-rad | HSP9665 | Для |
| многоканального пипеттора HRMA (P10) | Integra Biosciences | 4721 | |
| Многоканальный дозатор (P300) | Integra Biosciences | 4723 | |
| Nunc Полиолефиновый акрилатный герметизирующий ленец, Thermo Scientific | VWR | 37000-548 | Для использования с 96-луночным ПЦР-планшеты для получения геномной ДНК |
| Оптическая герметизирующая лента | Bio-rad | 2239444 | Для использования с 96-луночными ПЦР-планшетами с юбкой для HRMA |
| Phire Набор для прямой ПЦР животных тканей (без инструментов для отбора проб) | Thermo Fisher | F140WH | Для получения геномной ДНК и проведения ПЦР |
| Пластиковые делители флаконов для мух | Genesee | 59-128W | |
| Программное обеспечение для прецизионного анализа расплава | Bio Rad | 1845025 | Используется для генотипирования образцов ДНК комаров и анализа свойств термической денатурации двухцепочечной ДНК (см. протокол шаг 3.3) |
| SeqMan Pro | DNAstar Программное обеспечение | Lasergene | Для множественного выравнивания последовательностей |
| Одноканальный пипеттор | Gilson | ||
| Tweezers Dumont #5 11 см | WPI | 14098 | |
| Белые поролоновые пробки | VWR | 60882-189 | |
| Широкий флакон с дрозофилами, полистирол | Genesee | 32-117 | |
| Широкий лоток для флаконов с мухами, синий | Genesee | 59-164B |