Человеческие эмбриональные стволовые клетки (hESCs) и индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSCs) являются стволовыми клетками, обладающими потенциалом к дифференцировке во все типы клеток организма. Эти клетки служат ценными инструментами для изучения развития человека, а также для понимания основных механизмов различных заболеваний, тем самым открывая огромные перспективы для регенеративной медицины, моделирования болезней и открытия лекарств. Такие исследования включают изучение того, как конкретные гены способствуют развитию, функционированию и регуляции организмов 1,2.
Для расшифровки функции генов используются различные методы и подходы, включая генетические манипуляции, такие как нокаут или сверхэкспрессия генов, а также редактирование генома. Среди них технология CRISPR-Cas9 оказалась наиболее эффективным подходом к исследованиям нокаута генов и редактирования генов 1,2,3. Система CRISPR-Cas9 работает с использованием одной молекулы направляющей РНК (sgRNA), специально разработанной для идентификации и связывания с определенной последовательностью ДНК, представляющей интерес. Действуя как молекулярный проводник, sgRNA направляет фермент Cas9 к точному месту в геноме, которое требует модификации. После связывания Cas9 инициирует двухцепочечный разрыв в ДНК в указанном месте. После расщепления ДНК активируются внутренние механизмы восстановления клетки. К ним относятся два основных пути репарации: негомологичное соединение концов (NHEJ) и гомологически направленное репарирование (HDR). NHEJ часто приводит к вставке или делеции (инделам) в месте разрыва, что приводит к нарушению или инактивации генов. С другой стороны, HDR позволяет вставлять новые последовательности ДНК в место разрыва, способствуя внедрению целевых генетических изменений4.
Учитывая важность делеций генов в плюрипотентных стволовых клетках, было опубликовано несколько протоколов по CRISPR-Cas9-опосредованным нокаутам генов в hESCs/iPSCs. Тем не менее, многие из этих протоколов сталкиваются со значительными ограничениями, такими как чрезвычайно трудоемкие и неэффективные протоколы из-за использования невирусныхметодов доставки генов. Эти проблемы еще более выражены у hESCs/iPSCs, поскольку известно, что эти клетки имеют более низкую эффективность редактирования по сравнению с другими типами клеток5. Некоторые из этих ограничений могут быть устранены путем повышения эффективности доставки плазмид, содержащих Cas9 и sgРНК. Это может быть успешно достигнуто с помощью лентивирусной векторной системы, которая может значительно улучшить результаты редактирования генов. Протоколы упаковки лентивирусов хорошо зарекомендовали себя и просты, что позволяет легко применять их в лабораториях даже исследователям с ограниченным опытом. Лентивирусы демонстрируют высокую инфекционную эффективность в различных типах клеток, включая hESCs и iPSCs. Таким образом, использование лентивирусной системы для экспрессии Cas9-sgРНК идеально подходит для рутинных экспериментов по редактированию генов в hESCs/iPSCs для изучения функции генов.
Здесь мы предлагаем простой и понятный метод высокоэффективного делеции генов на основе CRISPR-Cas9 в hESCs за сравнительно более короткий промежуток времени, чем при использовании обычных протоколов (рис. 1). Несмотря на то, что был использован лентивирусный вектор с конститутивной экспрессией Cas9 и sgRNA, его можно легко заменить на индуцируемую лекарственными препаратами экспрессию Cas9 для контролируемой экспрессии Cas9.