Процесс микроинъекций CRISPR/Cas9 для эндогенного флуоресцентного метирования в зародышевой линии Caenorhabditis elegans с целью получения гомозиготных «knock-in» линий для анализа локализации белков in vivo.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
* These authors contributed equally
Процесс микроинъекций CRISPR/Cas9 для эндогенного флуоресцентного метирования в зародышевой линии Caenorhabditis elegans с целью получения гомозиготных «knock-in» линий для анализа локализации белков in vivo.
Локализация белка в зародышевой линии Caenorhabditis elegans (C. elegans) играет ключевую роль в интерпретации функции генов во время гаметогенеза, однако традиционные методы трансгенов часто дают вариальную экспрессию и могут быть заглушены в зародышевых клетках. Здесь описан практический рабочий процесс CRISPR/Cas9, при котором флуоресцентная метка вставляется в эндогенный локус, что позволяет создавать стабильные knock-in аллели, сообщающие о распределении белков при нативной регуляции. Протокол охватывает ключевые этапы процедуры: выбор стратегии маркировки, подходящей для целевого белка, доставку реагентов CRISPR с помощью гонадных микроинъекций молодым взрослым гермафродитам и восстановление инъекционных животных для скрининга. Кандидаты на knock-in определяются с помощью генотипирования на основе ПЦР в двух поколениях для выделения гомозиготных червей и проверки редактированного аллеля. Наконец, конфокальная микроскопия используется для подтверждения флуоресценции зародышевой линии и оценки субклеточной локализации in vivo. Рабочий процесс разработан так, чтобы быть воспроизводимым и широко применимым к генам, обогащённым зародышевой линией, обеспечивая простой путь к установлению гомозиготных маркированных штаммов для развития и клеточно-биологических анализов.
Caenorhabditis elegans (C. elegans) — хорошо зарекомендовавшая себя модель для изучения репродуктивного развития и гаметогенеза благодаря короткому жизненному циклу, прозрачному телу и высокой генетическойуправляемости 1. C. elegans существует в основном как самооплодотворяющиеся гермафродиты, у которых гонада сначала проходит сперматогенез, а затем переходит в ооогенез. Этот репродуктивный режим упрощает поддержание штамма и облегчает получение гомозиготныхлиний 2. Недавняя пространственная транскриптомика значительно расширила список генов, обогащённых в гонаде, и выявила выраженные характерные по полу паттерны экспрессии по всей репродуктивной системе у C. elegans3. В последнее время секвенирование одноклеточной РНК позволило восстановить траектории развития зародышевых клеток и сделать выводы о генетических регуляторных сетях, управляющихсперматогенезом 4. Вместе эти наборы данных создают богатые списки кандидатов, но функциональная интерпретация часто требует наблюдения за поведением белков in vivo — в частности, определения времени и места локализации соответствующих белков и того, как меняются их паттерны на протяжении развития зародышевой линии.
Традиционный трансгенез у C. elegans часто основывается на гонадном микроинъекции плазмидной ДНК, что легко генерирует мультикопированные экстрахромосомныемассивы 5. Однако в зародышевой линии эти массивы часто надёжно заглушаются — механизм, который, как считается, помогает поддерживать целостность зародышевой линии, ограничивая экспрессию повторяющейся ДНК, сохраняя тем самым функцию зародышевой линии и стабильность генетической информации на протяжениипоколений 6,7. В результате конструкции экспрессии трансгенов, которые легко экспрессируются в соматических тканях, могут быть слабыми или непоследовательными в зародышевой линии. Даже когда экспрессия обнаруживаема, эффекты количества копий и инженерные регуляторные элементы могут изменять дозировку и время работы белков, что потенциально приводит к запутанным выводам о нативной локализации и динамике. Для устранения этих ограничений широко используются микрочастицная бомбардировка и Mos1-опосредованная Single Copy Insertion (MosSCI) для генерации интеграционных трансгенных линий с низкой или одиночнойкопией 8,9,10. Эти подходы могут улучшить экспрессию в зародышевой линии, но отличаются по стоимости, пропускной способности и эффективности эндогенной регуляции. Редактирование генома CRISPR/Cas9 предлагает более прямой путь, вставляя флуоресцентную метку в эндогенный локус с помощью гомологическо-ориентированного ремонта, создавая стабильные аллели knock-in, которые сообщают о локализации и динамике белков под нативнымрегуляторным контролем 11,12,13,14.
Здесь описан практический рабочий процесс для эндогенного флуоресцентного метирования с помощью CRISPR/Cas9 у C. elegans , применяемый к генам, отобранным на основе описанных паттернов экспрессии, обогащённой зародышевой линией. Протокол описывает выбор мишеней, шаблон донора и руководство по проектированию РНК, гонадную микроинъекцию и дальнейший скрининг для выделения гомозиготных «knock-in» линий, после чего проводится валидация с помощью генотипирования. Этот подход широко применим к генам, экспрессируемым зародышевой линией на разных этапах развития, и позволяет проводить количественный анализ локализации и динамики белков in vivo. Этот рабочий процесс предоставляет практическую стратегию маркирования генов, экспрессированных в зародышевой линии, а также анализа локализации и динамики белков in vivo под нативным регуляторным контролем.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Все эксперименты с Caenorhabditis elegans проводились в соответствии с институциональными рекомендациями по уходу и использованию лабораторных организмов Пекинского педагогического университета.

Рисунок 1: Обзор эндогенного флуоресцентного метирования, опосредованного CRISPR/Cas9, у C. elegans. Схематический рабочий процесс, иллюстрирующий основные этапы генерации и валидации эндогенного флуоресцентного knock-in. На этапе проектирования и создания выбираются ген-мишень, обогащённые зародышевой линией, и место вставки, pDD162 используется в качестве плазмиды CRISPR/Cas9 для экспрессии Cas9 и направляющей экспрессию РНК, а pPD95.75 — как донорский картенок, в который субклонируются флуоресцентная метка (например, GFP) и левая и правая гомологические руки. На этапе микроинъекции инъекционная смесь CRISPR/Cas9 (включая плазмиду gRNA/Cas9, донорский шаблон и маркеры совместной инъекции) вводится в гонаду молодых взрослых гермафродитов, после чего происходит извлечение на засеянных пластинах. На этапе валидации отбираются маркерно-положительные потомки для дальнейшего генотипирования, включая идентификацию событий knock-in с помощью ПЦР и подтверждение с помощью секвенирования ДНК, а успешные линии knock-in затем исследуются флуоресцентной микроскопией для оценки экспрессии зародышевой линии и субклеточной локализации маркированного белка. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.
1. Выберите ген-мишень, обогащённый зародышевой линией
2. Разработайте шаблон РНК и донора
3. Приготовьте инъекционную смесь
| Компонент | Функция | Рабочая концентрация (ng/μL) |
| pDD162 | Плазмида CRISPR/Cas9 (экспрессия Cas9 и gRNA) | 50-100 |
| Донорская плазмида (позвоночник pPD95.75) | Шаблон донора HDR с флуоресцентной меткой, по бокам которой расположены гомологические руки размером ~1 кб | 50-100 |
| pRF4 | Маркер ко-инъекции (фенотип ролика) | 50-100 |
| pPD122.11 | Маркер ко-инъекции (экспрессия GFP) | 5-10 |
| СтерильныйddH 2O | Довести к финальному тому | – |
Таблица 1: Состав инжекционной смеси и функции плазмид. Инъекционная смесь содержит плазмиду CRISPR экспрессии, донорную плазмиду, pRF4 и pPD122.11 в указанных концентрациях, что обеспечивает общий объём 10 мкл.
4. Загрузить и подготовить иглу для инъекции
5. Подготовьте червей к инъекции
ПРИМЕЧАНИЕ: Подготовьте пластины для среды роста нематод (NGM) и буфер M9, как было описановыше 17. Содержать червей на пластинах, засеянных Escherichia coli OP50 (далее OP50), и проводить инъекции на фоне N2.
6. Проведите микроинъекцию гонады

Рисунок 2: Локализация синцития дистальной гонады для микроинъекции у молодых взрослых C. elegans hermaphrodites. (A) Изображение с низким увеличением смонтированного молодого взрослого гермафродита. Видны обе гонады; Место инъекции указано для одной руки (стрелка) в качестве примера. Коробчатая область отмечает область, показанную при большем увеличении в панели B. (B) Вид дистальной гонады с большим увеличением DIC в панели A. Стрелка показывает положение инъекции в дистальной гонадальной синцитии, куда подаётся инъекционная смесь. Шкалы: 100 мкм (A) и 20 мкм (B). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.
7. Проверьте кандидатов F1 для выявления положительных линий
8. Провести скрининг потомства F2 для выделения гомозиготных линий выбивания и подтверждения интеграции
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Согласно протоколу, молодым взрослым гермафродитам гонадально вводились микроинъекции плазмиды CRISPR/Cas9 (pDD162), донора плазмиды с кодированием GFP-метки knock-in, окружённой гомологическими рукавами около 1 кб (pPD95.75), а также маркерами для совместной инъекции (pRF4 и pPD122.11). Ген-мишень, обогащённый зародышевой линией, был использован в качестве репрезентативного примера для создания стабильного, гомозиготного knock-in аллеля, который сообщает о локализации белка под нативным...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Этот рабочий процесс предназначен для генерации стабильных, гомозиготных линейных «knock-in», в которые на эндогенном локусе вводится флуоресцентная метка для отчёта о локализации белков под нативнымрегуляторным контролем 5,6,7,8,9,10. На практике успех лучше всего оценивать по последовательн...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Авторам нечего раскрывать.
Эта работа была поддержана грантами от Национальной программы ключевых исследований и разработок Китая (2023YFA1801100 — L.M.), Фонда естественных наук Китая (32400698 до П.В., 32270774 до Л.М.).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Агар | Beijing Lablead Biotech Co., Ltd. | QZ02 | Компонент для приготовления агар-агар блюд с низким содержанием гепа (NGM) |
| Агароза | NOVON | ZZ14011 | Приготовление 2% агарозных подложек |
| Caenorhabditis elegans штамм N2 | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | Штамм для инъекций | |
| Центрифуга | Eppendorf | 5425 | Очистка смеси для инъекции |
| Холестерин | Beijing Chemical Reagents Company | 57-88-5 | Компонент для приготовления агар-агар блюд с низким содержанием гепа (NGM) |
| Ко-инъекционный маркерный плазмид rol-6 (su1006) (pRF4) | Guangshuo Ou Lab | Маркер роллера для обогащения кандидатов | |
| Конфокальный микроскоп | ZEISS | LSM880 + Airyscan | Проверка экспрессии/локализации GFP |
| Ди-калий фосфат (K2HPO4) | Sinapharm | CAS: 7758-11-4 | Компонент для приготовления агар-агар блюд с низким содержанием гепа (NGM) |
| Ди-натрий фосфат (Na2HPO4) | Sinapharm | CAS: 7558-79-4 | Компонент для приготовления буфера M9 |
| Молекула ДНК-лестницы | Mei5 Biotechnology, Co., Ltd. | MF288-01 | Размерная шкала для агарозных гелевых электронфорезов |
| Донорная плазмидная основа (pPD95.75) | Addgene | 1494 | Основа для построения донора HDR |
| Электрофорезная система | Beijing Liuyi Biotechnology Co., Ltd. | 112-0630 | Разделение ампликонов ПЦР на агарозных гелях для скрининга соединений и генотипирования зиготности |
| Escherichia coli OP50 штамм | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | Питание для червей | |
| Флуоресцентный маркерный плазмид для ко-инъекции (pPD122.11) | Fire Lab | GFP со-маркер для обогащения кандидатов | |
| Флуоресцентный стереоскопический микроскоп | SOPTOP | SZX12-HT | Просмотр живых червей на наличие флуоресцентных маркеров для ко-инъекции |
| GelRed окраска нуклеиновых кислот для гелевого электронфореза | Mei5 Biotechnology, Co., Ltd. | MF079-plus-01 | Визуализация ДНК-полос |
| Стеклянные капилляры | World Precision Instruments | 1B100F-4 | Используются с пуллером для изготовления игл для инъекции |
| Галоуглеродное масло 700 | Sigma-Aldrich | H8898-50ML | Предотвращение высыхания во время инъекции |
| Инкубатор | Wuhan Ruihua Instrument & Equipment Co., Ltd. | HP400S | Поддержание червей при стандартной температуре |
| Сульфат магния (MgSO4) | Sinapharm | CAS: 7487-88-9 | Компонент для приготовления агар-агар блюд с низким содержанием гепа (NGM) и буфера M9 |
| Микропипетки | KIMBLE | 71900-50 | Нагреваются и разламываются для создания инструмента загрузки |
| Микроинжектор | Eppendorf | FemtoJet 4i | Подача управляемых импульсов давления смеси для инъекции в дистальную гонаду через иглу для микроинъекции (запуск с помощью педали) |
| Крышки для микроскопа | Fisherbrand | 12545A 22×30-1 | Приготовление 2% агарозных подложек для монтирования и иммобилизации червей во время микроинъекции; открытие кончиков игл для инъекции против края предметного стекла |
| Микроскоп для микроинъекции | ZEISS | Axio Observer.A1 | Инъекционный микроскоп |
| Пуллер для изготовления игл | Sutter Instrument Company | Model P97 | Изготовление стеклянных капилляров в иглы для инъекции |
| Термоциклер для ПЦР | Bio-Rad | C1000 Touch Thermal Cycler | Амплификация ПЦР |
| pDD162 (Peft-3::Cas9 + Пустая sgRNA) | Addgene | 47549 | Экспрессия Cas9 + sgRNA |
| Пептон | Gibco | 308723 | Компонент для приготовления агар-агар блюд с низким содержанием гепа (NGM) |
| Дикалий фосфат (KH2PO4) | Sinapharm | CAS: 7778-77-0 | Компонент для приготовления агар-агар блюд с низким содержанием гепа (NGM) и буфера M9 |
| Натрий хлорид (NaCl) | Sinapharm | CAS: 7647-14-5 | Компонент для приготовления агар-агар блюд с низким содержанием гепа (NGM) и буфера M9 |
| Стереоскоп | Motic | K400L | Подбор и монтирование червей на агарозных подложках и выполнение шагов восстановления после инъекции |
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.