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
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Здесь мы представляем протокол для разработки генетически модифицированных моделей мышей с использованием эмбриональных стволовых клеток, особенно для больших ДНК(KI). Этот протокол настроен с использованием редактирования генома CRISPR / Cas9, что приводит к значительному повышению эффективности KI по сравнению с обычным гомологичным методом линеаризации ДНК, опосредованным рекомбинацией.
Система CRISPR/Cas9 позволила развивать генетически модифицированных мышей путем прямого редактирования генома с использованием оплодотворенных зигот. Тем не менее, хотя эффективность в разработке мышей с нокаутом генов путем индуцирования небольшой мутации инделя была бы достаточной, эффективность редактирования генома эмбриона для создания днк большого размера (KI) все еще низка. Поэтому, в отличие от метода прямого КИ в эмбрионах, нацеливание генов с использованием эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) с последующей инъекцией эмбриона для развития мышей-химер все еще имеет ряд преимуществ (например, высокая пропускная способность таргетирования in vitro, многоаллельные манипуляции и манипуляции с генами Cre и flox могут быть выполнены за короткий период). Кроме того, штаммы с труднообрабатываемыми эмбрионами in vitro, такие как BALB/c, также могут использоваться для нацеливания на ЭКУ. Этот протокол описывает оптимизированный метод для крупногабаритной ДНК (несколько кб) КИ в ЭСК путем применения CRISPR/Cas9-опосредованного редактирования генома с последующим производством мышей-химер для разработки моделей мышей, манипулируемых генами.
Производство генетически модифицированных мышей и анализ их фенотипа позволяет нам понять конкретные функции генов в деталях, in vivo. Многочисленные важные результаты были обнаружены с использованием генно-модифицированных моделей животных в области наук о жизни. Кроме того, начиная с отчета о технологии редактирования генома с использованием CRISPR / Cas91, исследования с использованием генетически модифицированных мышей быстро распространились во многих лабораториях 2,3. Редактирование генома зигот мышей с помощью CRISPR/Cas9 достигло приемлемой эффективности для разработки коротких модификаций ДНК, таких как нокаут гена4, ориентированный на мутацию индел, замена одного нуклеотида или короткая вставка пептидной метки с использованием одноцепочечных олигонуклеотидов (ssODNs) в качестве доноров5. С другой стороны, КИ крупных фрагментов ДНК в зиготы путем редактирования генома остается с низкой эффективностью по сравнению с короткоразмерной модификацией ДНК 6,7. Кроме того, трудно использовать мышиные штаммы, такие как BALB / c, который является важным штаммом для конкретных областей исследований, таких как иммунология, для редактирования генома на основе зигот, потому что их предимплантационные эмбрионы восприимчивы к манипуляциям in vitro.
Другим способом разработки генетически модифицированных моделей мышей является использование метода нацеливания на эмбриональные стволовые клетки (ESC) с последующей инъекцией ESC в предимплантационный эмбрион для получения химер 8,9,10, которые до сих пор обычно используются в качестве обычного метода. Хотя скорость сбора для получения точных клонов KI-ESC не очень высока в обычных методах нацеливания ESC, нацеливание ESC дает некоторые преимущества по сравнению с редактированием генома зиготы, особенно для длинных ДНК KI. Например, эффективность КИ длинных фрагментов ДНК (> несколько кб) в геном зиготы менее очевидна 6,7, и многие зиготы необходимы для развития даже одной линии KI мыши, что нежелательно в нынешней перспективе экспериментов на животных. В отличие от редактирования генома зиготы, длинная ДНК, нацеленная на ЭСК с последующим производством химер, требует значительно меньше эмбрионов, чем редактирование генома зиготы. Кроме того, несмотря на то, что преимплантационные эмбрионы из BALB/c восприимчивы к манипуляциям in vitro, их ЭСК могут поддерживаться и обрабатываться in vitro11 как другие компетентные фоновые ЭСК 129 или F1, следовательно, применимые для производства химер. Однако, несмотря на то, что вектор нацеливания содержит 5' и 3' гомологичные руки и кассеты генов лекарственной устойчивости для положительного или отрицательного отбора, обычная эффективность КИ ЭСК, как правило, недостаточна из-за высокой частоты случайной геномной интеграции 8,10, таким образом, требуется улучшенный метод с точной эффективностью нацеливания ЭКУ. Недавно мы сообщили о настроенном методе ESC KI с использованием редактирования генома на основе CRISPR / Cas9 для достижения более высокой эффективности KI, чем обычные методы нацеливания11. Метод, который мы здесь описываем, основан на этой процедуре, которая позволяет длинную ДНК (> от нескольких до 10 кб) КИ к ЭСК с приемлемой эффективностью для рутинных работ без выбора препарата; таким образом, процедура построения вектора была бы намного проще и требовала бы более короткого периода, или период клеточной культуры также стал бы значительно короче.
Все эксперименты на мышах были одобрены Институциональным комитетом по уходу за животными и их использованию Токийского университета (номер одобрения PA17-63) и Университетом Осаки (номер одобрения Biken-AP-H30-01) и выполнены в соответствии с их руководящими принципами, а также руководящими принципами ARRIVE (https://arriveguidelines.org).
1. Векторное построение таргетинга
2. Подготовка эмбрионального фибробласта мыши (MEF) в качестве питающих клеток для ESC
3. Приготовление смеси Cas9-RNP-ДНК
4. Генная таргетация ЭСК
5. Генотипирование ПЦР целевых ЭСК
6. Подготовка эмбриона восьмиклеточной стадии и микроинъекция ЭСК
Мы нацелились на конкретный ген (ы) в ESC с последующим производством химер для развития генно-манипулируемого производства мышей в соответствии с нашей предыдущей рукописью11. Генотипирование ЭКУ (описанное в разделе 4) обычно проводится методом ПЦР с использованием праймеров. Праймеры разработаны на геномных последовательностях вне гомологических рукавов и специфических последовательностях в фрагменте ДНК KI (рисунок 2A). В этом случае аллель дикого типа не амплифицируется, тогда как ампликон ПЦР определенного размера обнаруживается только тогда, когда целевая экзогенная ДНК находится в ki в целевом локусе. Репрезентативные результаты генотипирования ПЦР показаны на рисунке 2B. Девять из 22 клонов (40,9%) показали в этом случае специфичную для KI полосу. Три репрезентативных результата таргетинга, включая результат, показанный на рисунке 2, показаны в таблице 1. Эти результаты показывают, что метод, показанный здесь, эффективен и воспроизводим для гена KI без какого-либо выбора лекарств.
ESC подбирается в инъекционной пипетке, затем отверстие в пеллюцидной зоне делается с помощью пьезоэлектрического плюса, и ESC высвобождается между эмбриональными клетками (рисунок 3). Технически этот протокол для введения ЭКУ в эмбрион стадии восьми клеток или морулы аналогичен протоколу инъекции ЭКУ в бластоцисту, обычно используемому во многих мышечных установках. Репрезентативные химерные мыши показаны на рисунке 4. Для оценки цвета шерсти химеризма эмбрион из штамма ICR (альбинос, белые волосы) использовался в качестве реципиента B6 или B6-129 F1 ESC, а эмбрионы B6 использовались в качестве реципиента BALB/c ESC (рисунок 4).

Рисунок 1: Схема RPGR/Cas9 рибонуклеопротеина (RNP)-опосредованной круговой плазмидной интеграции в специфический локус генома ESC. Электропорация вводит круговую плазмиду в качестве вектора-мишени в ЭСК с Cas9-RNP. Сокращения: GOI = ген интереса, HA = гомологическая рука. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2: Геномные ПЦР-анализы для скрининга KI целевых клонов ESC. (A) КИ-специфические ПЦР-праймеры предназначены для геномных последовательностей вне гомологических рукавов (вперед) и в специфических последовательностях в фрагменте ДНК KI (реверс). (B) Репрезентативное генотипирование результатов ПЦР. Геном дикого типа использовался в качестве отрицательного контроля. Сокращения: GOI = ген интереса, HA = гомологическая рука. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3: Репрезентативные изображения инъекции эмбриона на восьмиклеточной стадии. (А) Для микроинъекции подбираются три дублета ЭСК (шесть клеток, наконечники стрел). (B) Отверстие в пеллюцидной зоне делается пьезоэлектрическим импульсом, и ЭСК вытесняются между каждым бластомером. Показанная шкала составляет 50 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 4: Репрезентативные изображения мышей-химер. (A,B) ESC, полученный из C57BL/6N (JM8. A3, волосы Агути; A) или B6-129 F1 (волосы Агути; Б) вводятся в эмбрионы ICR (альбиносы, белые волосы) с последующим переносом эмбрионов матерям-суррогатам. (C) ЭКУ, полученная из BALB/c (альбинос, белые волосы), вводится эмбрионам C57BL/6J (черные волосы) с последующим переносом эмбрионов матерям-суррогатам. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
| Идентификатор проекта | Хоромосома | Длина 5'HA (bp) | Длина 3'HA (bp) | Размер вкладыша (bp) | Количество проанализированных клонов | Количество клонов KI | КПД (%) | Замечания |
| R26-CC* | Хр6 | 965 | 1006 | 5321 | 23 | 2 | 8.7% | - |
| Р4-03* | Хр8 | 1000 | 997 | 3070 | 22 | 6 | 27.3% | - |
| П4-01* | Хр15 | 1000 | 1000 | 2569 | 22 | 9 | 40.9% | Показано на рисунке 2 |
Таблица 1: Эффективность КИ в трех независимых геномных локусах в ЭКУ. *Эти проекты до сих пор не опубликованы. Название этих генов будет раскрыто в независимых рукописях в будущем.
У авторов нет конкурирующих интересов для раскрытия.
Здесь мы представляем протокол для разработки генетически модифицированных моделей мышей с использованием эмбриональных стволовых клеток, особенно для больших ДНК(KI). Этот протокол настроен с использованием редактирования генома CRISPR / Cas9, что приводит к значительному повышению эффективности KI по сравнению с обычным гомологичным методом линеаризации ДНК, опосредованным рекомбинацией.
Мы благодарим Саки Нисиоку из Университета Осаки, Биотехнологические исследования и разработки (некоммерческая организация) и Мио Кикути и Рейко Сакамото из Института медицинских наук Токийского университета за их отличную техническую помощь. Эта работа была поддержана: Министерством образования, культуры, спорта, науки и техники (MEXT)/Японским обществом содействия развитию науки (JSPS) KAKENHI грантами MI (JP19H05750, JP21H05033) и MO (20H03162); грант Японского агентства по науке и технике (JST), предоставленный MI (JPMJCR21N1); Национальный институт детского здоровья и развития человека имени Юнис Кеннеди Шрайвер в ИМ (R01HD088412); Фонд Билла и Мелинды Гейтс для MI (грант Grand Challenges Explorations INV-001902); и грант на совместный исследовательский проект Научно-исследовательского института микробных заболеваний Университета Осаки для МИ и МО.
| BALB/c ESC | - | -ESC | разработан из штамма BALB/c |
| Bambanker | Nippon Genetics | CS-02-001 | Среда для заморозки клеток. Раздел 2.6 и в других разделах |
| Cas9 Nuclease V3 | IDT | 1081059 | разделе 3.2 и в других разделах. |
| CHIR99021 | FUJIFILM Wako | 038-23101 | Раздел 4.3 |
| Фрагмент гена CreERT | GeneWiz | Раздел 1.1. | |
| CRISPR-Cas9 crisprRNA | IDT | crisprRNA. Раздел 3.1 и в других местах. | |
| CRISPR-Cas9 тракрРНК | IDT | 1072534 | тракрРНК. Раздел 3.1 и в других местах. |
| DMEM | Nacalai | 08458-45 | MEF средний. Раздел 2.3 и другие разделы |
| Дуплексный буфер | IDT | 1072534 | буфер для разведения РНК. Раздел 3.1 и в других местах. |
| Набор для экстракции геля/ПЦР FastGene | Nippon Genetics | FG-91302 | Раздел 1.1 и 1.2. |
| GlutaMax | Thermo Fisher | 35-050-061 | L-глутатаймовый субстрат |
| ХГЧ | АСКА Ветеринария | Секция 6.1. | |
| Набор для клонирования In-Fusion HD | Clontech | 639648 | набор для клонирования ДНК. Раздел 1.3 и в других местах |
| JM8. A3 ESC | EuMMCR-ESC | разработан на основе штамма C57BL/6N | |
| Knock-out DMEM | Thermo Fisher | 10829018 | разделе 4.3 и других модифицированных коммерческих сред на основе DMEM. |
| КСОМ | « | Мерк МР-121-Д | », разделы 6.3 и 6.9. |
| Фактор ингибирования лейкемии | FUJIFILM Wako | 125-05603 | Раздел 4.3. Поставщик не предоставляет никаких данных о концентрации единиц продукции. Используется 1000-кратное разведение в этом протоколе. |
| Неоновая электропорационная система | Thermo Fisher | MPK5000 | разделах 3.2, 4.5 и др. Система содержит буфер для электропорации, также используемый в разделе 3.2. |
| NucleoSpin Plasmid Transfection класса | Takara | U0490B | Раздел 1.6. |
| PD0325901 | FUJIFILM Wako | 162-25291 | Раздел 4.3 |
| PMSG | ASKA Ветеринария Раздел | 6.1. | |
| Буфер для лизиса хвоста | Nacalai | 06169-95 | раздел 5.5. |
| Trypsin-EDTA | Nacalai | 32777-15 | Section 2.2 и другие |
| V6.5 ESC | - | -ESC разработаны из штамма B6J-129 F1 | |
| рентгеновского облучательного устройства | Hitachi | MBR-1618R-BE | Section 2.6. |