Система CRISPR–Cas, основанная на адаптивном иммунном механизме бактерий и архей, произвела революцию в генетической инженерии, позволив точное редактирование генома различныхорганизмов 1,2. Ключевым компонентом является однопутная РНК (sgRNA) — химерная РНК, направляющая Cas-нуклеазы в определённые геномные локусы; её модульная конструкция позволяет ретаргетировать посредством модификации примерно 20-нуклеотидной протоспейсернойпоследовательности 3. Помимо SpCas9, другие нуклеазы Cas с отличительными свойствами широко приняты. Staphylococcus aureus Cas9 (saCas9) меньше, облегчает доставку аденоассоциированного вируса (AAV) и тем самым расширяет возможностидоставки 4. Каждая система требует специфических архитектур направляющей РНК, что делает универсальный метод синтеза крайнежелательным. 3.
Традиционные методы генерации функциональных направляющих РНК включают клонирование на основе плазмид, коммерческие наборы для синтеза sgRNA или прямой коммерческий синтезsgRNA 5,6. Клонирование на основе плазмидных процессов требует нескольких трудоёмких этапов — рестрикционное переваривание, лигирование, трансформация и скрининг колоний — обычно занимая более 48часов 2,4,6. Коммерческие наборы sgRNA, хотя и предлагают упрощённый рабочий процесс (<5 ч), остаются непомерно дорогими для приложений с высокой производительностью, обычно оценивая 35–45 долларов за реакцию. Прямой химический синтез sgRNA обладает такими преимуществами, как высокая чистота, химические модификации для повышения стабильности и снижение внецелевыхэффектов 7; однако он слишком дорог (обычно $200–$280 за sgRNA) для применений с высокой пропускной способностью или крупномасштабных скринингов, требующих сотен sgRNA.
В отличие от этого, одноступенчатый перекрывающийся метод ПЦР, описанный здесь, завершает синтез шаблона менее чем за 5 часов с использованием стандартных праймеров стоимостью примерно $5–8 за sgRNA, что означает значительное сокращение как времени, так и материальных затрат. Кроме того, sgRNA, полученные этим методом, достигают эффективности редактирования, сопоставимой с плазмидным клонированием, что подтверждается анализами расщепления in vitro . Сравнение этих подходов показано на рисунке 1.
Расширение перекрытия ПЦР (OE-PCR) обеспечивает быструю, независимую от лигазы стратегию сборки фрагментовДНК 8. Этот подход адаптирован для синтеза шаблонов sgRNA с использованием перекрывающихся праймеров. В одноступенчатой реакции с использованием четырёх частично перекрывающихся праймеров происходит конкурентное связывание: внешние праймеры (AF1 и Tracr-R) определяют границы амплификации, а внутренние праймеры (AF2 и AF3) должны быть разбавлены для обеспечения упорядоченного протяжения с обоих концов к центру. Несмотря на эту теоретическую основу, критический параметр, влияющий на эффективность сборки — оптимальное соотношение праймеров — не был систематически изучен. Кроме того, более широкое применение таких методов OE-PCR в различных системах CRISPR остаётся недостаточно изученным.
Для устранения этих ограничений было разработано исследование по оптимизации и валидации одноступенчатого перекрывающегося метода ПЦР для синтеза шаблонов sgRNA. Оптимальное соотношение праймеров было установлено с помощью структурированного экспериментального дизайна, с использованием агарозного гелевого электрофореза для выявления условий, приводящих к единому продукту правильного размера. После оптимизации универсальность метода была оценена на двух широко используемых системах CRISPR (SpCas9 и saCas9), с успешной амплификацией обоих шаблонов. Функциональная валидация с использованием in vitro анализов расщепления показала, что sgRNA, созданные с помощью этого метода, достигают эффективности, сопоставимой с теми, что достигаются при плазмидном клонировании.
Для дальнейшей оценки функциональности в клеточном контексте SpCas9 sgRNA была комплексирована с белком Cas9 для формирования комплексов рибонуклеопротеинов (RNP) и доставлена в HEK293T клетки посредством электропорации. Редактирование генома в эндогенном локусе оценивалось с помощью анализа T7 эндонуклеазы I (T7EI), при этом паттерны расщепления на агарозных гелях указывают на обнаруженное образование индел in vivo. В совокупности эти результаты демонстрируют, что этот метод надёжно производит высококачественные функциональные шаблоны sgRNA. Следующий протокол описывает подробную процедуру с использованием SpCas9 как репрезентативного примера с шаблонами праймеров для адаптации к другим нуклеазам Cas.