AAV-implementatie van enhancer-gebaseerde expressieconstructies in vivo in muizenhersenen

Versterkers zijn genomische cis-regulerende elementen die dienen als transcriptiefactorbindingsplaatsen en de expressie van een doelgen op een spatiotemporaal specifieke manier kunnen stimuleren ^1,2. Ze zijn differentieel actief in verschillende celtypen, weefsels en ontwikkelingsstadia en kunnen substraten zijn van ziekterisicogerelateerde genomische variatie ^3,4. De noodzaak om de dynamiek van de enhancer-functie te begrijpen is dus van cruciaal belang voor vooruitgang in zowel translationele als fundamentele wetenschappelijke toepassingen binnen genomica. In silico kunnen voorspellingen van enhancer-activiteit dienen als uitstekende bronnen voor het genereren van hypothesen als voor enhancer-capaciteit ^5,6. Een dergelijke voorspelde enhancer-activiteit kan aanvullende validatie en ondervraging vereisen voor een volledig begrip van de functionele activiteit. Enhancer reporter assays zijn waardevol gebleken voor dit doel in verschillende systemen, van cellen tot dieren ^7,8,9. Om deze studies uit te breiden in een flexibele en kosteneffectieve voorbijgaande in vivo context, beschrijft dit protocol het gebruik van in vivo AAV-gebaseerde methoden om vermeende enhancersequenties te testen op hun vermogen om de expressie van een ectopisch reportergen in het postnatale muizenbrein te stimuleren. Deze familie van methoden heeft nut voor het ondervragen van enkele kandidaatsequenties of parallelle bibliotheekscreening en is relevant voor fundamenteel en translationeel onderzoek.

Deze methode combineert in een enkel plasmide een vermeende versterker kandidaat-DNA-sequentie met een reporter-gen (hier EGFP), onder de controle van een minimale promotor die alleen geen significante expressie stimuleert. Het plasmide wordt verpakt in recombinant AAV (rAAV) en geïnjecteerd in een diermodel. Hoewel de toepassing hier op de hersenen is, maken verschillende rAAV-serotypen infectie in verschillende weefseltypen mogelijk, zodat deze aanpak kan worden uitgebreid naar andere systemen¹⁰. Na verloop van tijd kunnen de hersenen worden verzameld en getest op de expressie van het reporter-gen. Sterke expressie, vergeleken met controles, geeft aan dat de geteste kandidaatsequentie in staat was om de expressie van het gen te “verbeteren” (figuur 1). Dit eenvoudige ontwerp biedt een eenvoudige en duidelijke aanpak om een reeks te testen op versterkeractiviteit in vivo in de hersenen.

Naast het testen op het vermogen van een versterker van een sequentie, kan deze methode worden gecombineerd met technieken om de activiteit van het celtype versterker te bepalen. In sequentiegebaseerde benaderingen voor het bepalen van differentiële versterkeractiviteit, kan het sorteren van cellen op celtypespecifieke markers voorafgaand aan DNA- en RNA-sequencing onderzoekers in staat stellen om te bepalen of verschillende celtypen differentiële versterkeractiviteit vertonen, zoals werd beschreven in Gisselbrecht et ^al.11. In op beeldvorming gebaseerde benaderingen maakt co-labeling van afbeeldingen met celtypespecifieke markers het mogelijk om te onderzoeken of cellen met enhancer-gedreven fluorescentie ook celtypemarkers van belang weergeven 12,13,14,15,16. Enhancer reporter assays maken directe testen van risico-geassocieerde allelische variatie in versterkers mogelijk op effecten op het vermogen van enhancers. De overgrote meerderheid van de risicoloci die in genoombrede associatiestudies (GWAS) zijn geïdentificeerd, ligt in niet-coderende regio’s van het genoom¹⁷. Functionele annotatiestudies van deze risicoloci geven aan dat een groot deel waarschijnlijk fungeert als versterkers 18,19,20. MPRA-implementatie in vivo kan het testen van deze risico-geassocieerde varianten voor versterkeractiviteit in de hersenen mogelijk maken^12,21. Tot slot kan levering en afhaling op verschillende tijdstippen inzicht bieden in de ontwikkelingsfasen waarin een versterker actief is.

Enhancer-reporter plasmide ontwerpen zijn divers en kunnen worden aangepast aan experimentele doelen. Er zijn verschillende opties voor minimale promotors die zijn gebruikt in versterkeronderzoek, zoals de humane β-globine minimale promotor²² en de muis Hsp68 minimal promoter²³. Van deze promotors is bekend dat ze lage expressieniveaus stimuleren, tenzij ze worden gekoppeld aan een enhancer-element om ze te activeren. Constitutieve promotorelementen daarentegen stimuleren een sterke expressie van het transgen, nuttig voor positieve controle of om te testen op enhancer-functie tegen een achtergrond van robuuste expressie. Veel voorkomende keuzes voor constitutieve promotors zijn CAG, een hybride promotor afgeleid van de kip β-actine promotor en de cytomegalovirus onmiddellijk-vroege versterker²⁴, of humaan EF1α²⁵. Aangezien van versterkers bekend is dat ze bidirectioneel werken²⁶, zijn de oriëntatie en locatie van de versterker ten opzichte van de minimale promotor flexibel (figuur 2A). Traditionele enhancer-reporter assays plaatsen de enhancer stroomopwaarts van de promotor en omvatten in bibliotheekleveringen een barcodesequentie stroomafwaarts van het reporter-gen om sequencing reads te associëren met de geteste enhancer²⁷. Versterkers kunnen echter ook in het open leesframe van het reporter-gen worden geplaatst en dienen als hun eigen barcodesequentie, zoals wordt gedaan in STARR-seq²⁸. Het hier beschreven protocol maakt gebruik van het STARR-seq-testontwerp, waarbij de kandidaat-enhancersequentie in de 3 ‘UTR van het reporter-gen wordt geplaatst. Hoewel de STARR-seq-oriëntatie het voordeel biedt van meer gestroomlijnd klonen, is het minder goed begrepen dan de conventionele benadering en kan het variabele RNA-stabiliteit tussen constructen induceren. De beschreven methoden kunnen eenvoudig worden aangepast aan de STARR-seq of conventionele oriëntatie met kleine wijzigingen in het kloonproces die elders zijn beschreven^27,29.

Verschillende methoden voor AAV-levering kunnen worden gebruikt om deze techniek verder aan te passen aan experimentele doelen (figuur 2B). Directe intracraniale injecties, verder beschreven in dit protocol, leveren een hoge concentratie virus rechtstreeks aan de hersenen³⁰. Dit geeft een hoge transductie-efficiëntie gecentreerd op de injectieplaats, waardoor dit een uitstekende techniek is voor experimenten die de dichtheid van getransduceerde cellen over een weefselgebied willen maximaliseren. Stereotactische injectie kan helpen bij het standaardiseren van de injectieplaats bij dieren voor reproduceerbare gelokaliseerde transductie. Intracraniale injecties zijn het eenvoudigst bij vroege postnatale dieren. Als alternatieve techniek kunnen systemische injecties transgenen afleveren met behulp van AAV’s met serotypen die de bloed-hersenbarrière kunnen passeren³¹. Staartaderinjecties laten het virus door het lichaam circuleren, waardoor gegeneraliseerde afgifte over veel weefsels mogelijk wordt¹⁰. Retro-orbitale injecties zijn een andere systemische injectietechniek die het virus achter het oog afgeeft in de retro-orbitale sinus³². Dit biedt een directere route voor de AAV van het veneuze systeem naar de hersenen, wat resulteert in een hogere concentratie van getransduceerde cellen in de hersenen dan injecties in meer perifere bloedvaten³³.

Een ander flexibel aspect van deze techniek is de methode van uitlezing. In grote lijnen kunnen opties worden beschreven als reporter-based of sequencing-based (figuur 2C). Het opnemen van een fluorescerende reporter zoals GFP in het open leesframe van het construct resulteert in de expressie van het fluorescerende eiwit in alle getransduceerde cellen waar de kandidaat-versterker expressie aandreef. Etiketterings- en beeldvormingstechnieken zoals immunohistochemie maken signaalversterking mogelijk. Sequencing-gebaseerde uitleestechnieken omvatten het identificeren van sequenties van het geleverde construct in RNA verzameld uit het weefsel. Door de hoeveelheid viraal DNA te kwantificeren die aanvankelijk werd afgeleverd, kan de vergelijking van uitgedrukt RNA versus afgeleverd DNA worden gebruikt om de mate te bepalen waarin een geteste versterkersequentie in staat was om verhoogde expressie van het transgen te stimuleren, bijvoorbeeld in de context van een massaal parallelle reporter assay (MPRA). MPRA’s bieden een krachtige uitbreiding van deze technieken om tot duizenden kandidaat-versterkers tegelijkertijd op activiteit te testen en zijn uitgebreid beschreven in genomics-onderzoek 12,27,34,35,36. Screening met een hogere doorvoer wordt bereikt door het uitvoeren van kloon-, verpakkings-, leverings- en sequencingstappen voor kandidaat-versterkers in batch in plaats van individueel.

De selectie van kandidatenversterkers biedt een andere mogelijkheid voor flexibiliteit (figuur 2D). Deze test kan bijvoorbeeld worden gebruikt om versterkers van een specifiek gen te identificeren, om de functie van niet-coderende DNA-regio’s van belang vast te stellen, of om specifieke celtypen of ontwikkelingsstadia te bepalen waarin een versterker actief is – die allemaal doelen dienen, zowel in de basiswetenschap als in ziekteonderzoek. Over het algemeen wordt de selectie van kandidaat-versterkers aangedreven door in silico-voorspellingen van versterkeractiviteit. Gewoonlijk omvatten in silico-voorspellingen ChIP-seq voor histonmodificaties die wijzen op waarschijnlijke versterkers, zoals H3K27ac³⁷ en chromatine accessibility mapping³⁸. Ten slotte is een groeiend onderzoeksgebied de functiegebaseerde screening van synthetisch ontworpen enhancer-elementen, waardoor studies mogelijk worden gemaakt van hoe enhancer-sequentie functie³⁹ stuurt en het ontwerp van enhancers met specifieke eigenschappen⁴⁰.