פרוטוקול זה מתווה את זרימת העבודה של הגן מבוססת על CRISPR/Cas9 עריכת המערכת עבור התיקון של מוטציות נקודה בתרבית של תאים. כאן, אנו משתמשים בגישה קומבינטורית לעריכת ג’ין עם נתונים היסטוריים אסטרטגיה ניסיוני המשכית למדידת ויאסין היווצרות באתר היעד — בעיקרו של דבר, ניתוח מוטגנזה מכוונת באתר.
ג’ין קומבינטורית עריכת שימוש CRISPR/Cas9 ו- oligonucleotides חד גדילי היא אסטרטגיית יעיל עבור התיקון של מוטציות נקודת בסיס יחיד, אשר לעיתים קרובות אחראים על מגוון רחב של הפרעות תורשתיות אנושי. באמצעות מערכת מודל מבוססת תא ומבוססת, נקודת המוטציה של הגן eGFP מוטציה עותק יחיד משולב לתוך תאים HCT116 תוקנו באמצעות גישה זו קומבינטורית. הניתוח של תאים שיוחלף ו שלא תוקנו מגלה את מידת הדיוק של ג’ין עריכה והן על ההתפתחות של נגעים גנטי, כאשר indels נוצרות בתאים שלא תוקנו רצף הדנ א סביב אתר היעד. . הנה, המתודולוגיה מסוימים להשתמש בה כדי לנתח את הגישה קומבינטורית ג’ין עריכה של מוטציה, בשילוב עם אסטרטגיה ניסיוני מפורט מדידה ויאסין היווצרות באתר היעד, מחולקת לרמות. פרוטוקול זה מתווה של זרימת עבודה עבור חקירות שמטרתה לפתח הגן מבוססת על CRISPR/Cas9 עריכה עבור טיפול אנושי והגישה למעין. המסקנה של עבודה זו היא שמוטגנזה מכוונת באתר הזה מתרחש כתוצאה CRISPR/Cas9 פעילות במהלך התהליך של תיקון נקודת מוטציה. עבודה זו מציב במקום מתודולוגיה מתוקננים כדי לזהות את מידת מוטגנזה מכוונת, שאמור להיות היבט חשוב וביקורתי של כל גישה מיועד ליישום קליני.
חלוצי מחקרים על-ידי Mandecki (1986) הראו שינויים קבועים ב- DNA פלסמיד באמצעות oligonucleotides והפך חיידקים1, תוך ולדר ולדר (1986) ביצעו מחקרים דומים שמרים2. זמן קצר לאחר מכן, שרמן ועמיתיו פרסם סדרת מאמרים שבהם חד גדילי oligonucleotides הוכנסו לתוך תאי שמרים כדי לבצע שינויים heritable גנים3. בונים על העבודה הזרע בתאי חיידקים, Kmiec ועמיתיו החל לפתח oligonucleotides יחיד-הסוכן ייחודי זה מכוונת לתיקון בסיס יחיד תאים בתרבית של4. תפיסה זו התבססה על נתונים ביוכימיים שהראו כי מולקולות RNA הנושאת לאגד צמוד יותר לאתר היעד יותר מאלה של DNA בסיסים. אמנם היו דיווחים רבים של עריכת ג’ין הצלחה באמצעות chimeric oligonucleotides5,6,7, רמות עריכה נותרה משתנה מאוד בין ניסויים על פני תא היעד שונה שילובים.
דנ א חד גדילי התורם הוא העדיף התורם כפול גדילי DNA כי זה פחות סביר להשתלב באופן אקראי האתרים שבתוך הגנום8. עם זאת, הציג exogenously oligonucleotides חד גדילי נוטים להשפלה מהירה באמצעות הסלולר nucleases. יש כבר מועסקים מספר אסטרטגיות כדי להגן על טרמיני של oligonucleotides מפני השפלה. המוגנים אקסונוקלאז, חד-גדילי DNA המכיל את הרצף הרצוי היה מספיק להשיג יעילות העריכה 0.1-1% טווח6. שיפור ולא עקבית יותר טכניקות תרביות תאים, בשילוב עם המפרט פנוטיפי, איפשרה עקבית יותר עריכה על-ידי מספר מחקר קבוצות8,9,10,11, 12,13.
במהלך 10 השנים האחרונות, חלה מאמץ משמעותי כדי להפוך את התאים היעד יותר בעניין לעריכת ג’ין. אסטרטגיה אחת מעסיקה את האפנון של מחזור התא15,14,, או16. בזמן עריכת תדרים בתנאים תגובה נורמלית עם חד-גדילי oligonucleotides (ssODNs) מוחדרים בתרבית של תאים בתרבית שהורחקה בין 0.1% ל- % 1, התדרים של ג’ין עריכה מוגברת 3 – ל 5 פי כאשר את oligonucleotides הוכנסו לתוך התאים במהלך המעבר שלהם באמצעות שלב S. בסדרת ניסויים נפרדים, Brachman ו- Kmiec (2005) הראו כי רמות גבוהות יחסית של ג’ין מדויק עריכה (3-5%) התקבלו כאשר 2’3 ‘ dideoxycytosine (ddC), נדגרה בתוך תאים עבור 24 שעןת לפני התוספת של oligonucleotide17 . ddC מקטין את קצב תנועת מזלג שכפול ה-DNA, רומז כי הגן עריכה על-ידי ssODNs ב שכפול התאים סביר כולל שילוב של ODNs למחוזות של שכפול active11,18. נלקח יחד, מחקרים אלה הולידו את הרעיון כי תורם DNA הופך ישולבו מזלג שכפול הולך וגדל במסגרת מנגנון הפעולה של ג’ין עריכה, נכון באופן עצמאי אם הפסקה גדילי כפול הוא נוכח או לא19. לכן, התיקון של מוטציה או ההחלפה של מקטע של DNA בתוך הכרומוזום מתרחשת דרך ה-DNA זיווג ועל מסלול יחיד-strand התבוללות.
גרימת אקראי כפול-גדילי DNA מעברי בגידול תאים עם סוכנים מולקולה קטנה יוצר סביבה שבה אירועים שכפול ה-DNA הם התקועה התא מנסה לתקן את הנזק20,21. את ההאטה חלוף של מזלגות שכפול מאפשר חדירה ניצול של המבנה כרומטין מאת oligonucleotides עריכה חד-גדילי, שיפור הנגישות היעד15. יצירת זוגיות גדילי DNA נשבר על ידי תרופות כגון VP16, bleomycin, או camptothecin22,23, הוכח לעורר גנים עריכת רמות על ידי כמעט 10-fold, עד 6-8%. עם זאת, אקראי כפול-גדילי DNA מעברי הם לא רצויים בסביבה טיפולית.
גן עריכה עם nucleases לתכנות, oligonucleotides הוא גם מגורה במהלך חלוקת התא24,25. בעת משלוח מבוססי חומצת גרעין שימש לביצוע תיקון מכוון הומולוגיה בתאים של HCT 116 מסונכרן, ריברה-טורס ועמיתיו הוכיחו עליית באותו מיקוד פעילות כאשר nucleases אפקטור כמו מפעיל שעתוק (TALENs) הועסקו עם oligonucleotides חד-גדילי, שניהם מוחדרים של שכפול התא האוכלוסייה26,27 . לאחרונה, Bialk ועמיתיו הראו כי התיקון של מוטציות בסיס יחיד עם oligonucleotides חד גדילי ושורה של מקובצים באופן קבוע interspaced חזרה palindromic קצר Cas9 (CRISPR/Cas9) מולקולות מתקיים עם יעילות גבוהה יותר כאשר האוכלוסייה התא הוא למעבר שלב S28. מולקולת CRISPR מורכבת של RNA ופונקציות כדי לזהות את האזור בתוך המטרה רצף ה-DNA המיועד המחשוף. Cas9 הוא אנזים בקטריאלי שתפקידו קליב שני גדילי ה-DNA בתגובה exchange חד-תאית. לפיכך, CRISPR עמדות המתחם על המטרה גנומית, נוקלאז Cas9 ביצוע מעבר כפול גדילי. . לין ואח (2014) גם הדגימו את החשיבות של מחזור התא להשגת תדרים גבוהים של ג’ין עריכה, שימוש שונה CRISPR/Cas9 ribonulceoprotien (RNP) בתיווך מורכבת מערכת ב- fibroblasts neonatal העיקרי, תאי גזע עובריים, ו שאר קווי תא24. לכן, הקשר שנוצר בין גנים עריכה והתקדמות מחזור התא לעריכה סוכן בודד הגן חל ג’ין קומבינטורית עריכת שימוש nucleases לתכנות ותבניות DNA התורם. בעוד הגישה קומבינטורית לעריכת ג’ין איחד את מגוון של שותפים עם תבנית ה-DNA התורם, רוב העובדים בתחום להשתמש CRISPR/Cas9 לספק את הפונקציה הפסקה גדילי כפול. בחירה זו, המושתתת על נוחות השימוש של כלי זה גנטי מסוים ואת הגמישות שבה זה יכול להיות מועסק כדי לבטל את פונקציית ג’ין או להציג פיסת דנ א זר לתוך אתר מסוים. הדור של נוק אאוט טכנית מושווה קל תחליף ג’ין, איפה שיתוף עותקים “נכונה” או נורמלי של גנים לתוך האתר המחלה צריך להתבצע בדייקנות. מספר חוקרים בזיהוי, ללמוד את השימוש בסמים ספציפיים, ריאגנטים המאפשרים את התיקון של בסיסים מוטציה החדרת רצפים גנטי רגיל במצב תקין תדירויות גבוהות29.
לאחרונה, ריברה-טורס. et al. 30 פעם ג’ין קומבינטורית עריכה, ניצול כפול גדילי הפסקת הפעילות של מערכת CRISPR/Cas9 מעוצב במיוחד, המידע הגנטי התורם oligonucleotide חד גדילי DNA תבנית, לתקן נקודת מוטציה ב-עותק יחיד של הגן משופרת חלבון נמכרות ירוק (eGFP) משולב לתוך התאים HCT116. החוקרים ניצלו את הקו תא דגם מאופיין היטב הזה כדי להעריך את ייחודה של פצילות סביב אתר היעד. הנתונים חושפים כי הטרוגניות באתר היעד קיים, במיוחד בתאים שאינם מכילים מוטציה המתוקן. כתב יד זה, פירוט ומיקוד על המתודולוגיה בשימוש על ידי עובדים אלו כדי לבדוק באתר הטרוגניות mutational שנוצרו על-ידי עריכת ג’ין CRISPR/Cas9.
ג’ין עריכה התפתחה כענף מדעי המיינסטרים בעיקר בשל הופעתה של המערכת CRISPR/Cas9. יש כבר לשנות את מסלול יוצא דופן זה, אשר מקלה על החסינות המאמצת תאים חיידקיים, ייעודו ככלי מולקולרית כדי לאפשר שינוי גנומית האדם הכרומוזומים. הפונקציה הטבעית של CRISPR/Cas9 הוא כדי לבטל את ה-DNA הנגיפי על ידי החדרת כפול גדילי DNA מעברי שמוביל פיצול30,31. פעילות זו גורמת להרס של פולשים DNA אקסוגני ומוביל חסינות prokaryotic שמדחיק זיהום לאחר מכן על ידי אותו החלקיק ויראלי. למרבה הפלא, מערכת זו מוצגים התנהגות pneumonic, כי זה יכול להפעיל מחדש את gRNA CRISPR מסוים שנוצר על-ידי אירועים קודמים של זיהום.
היעילות והדיוק של שיבוש גנטי על ידי CRISPR/Cas9 נעשה שימוש במערכות רבות גנטי האיקריוטים שבו המטרה היא לבטל את תפקוד הגן32,33. כאשר חזרה למצבה הבזליים, התהליך מורכבת משני שלבים הבסיסית. הראשון הוא הפסקה כפולה-גדילי, ואילו השני מסתמך על התהליך הטבועה של קצה שאינם הומולוגיים להצטרף (NHEJ) כדי להשלים את ההסתרה. ברוב המקרים, התוצאות כפול גדילי הפסקה ביצירת בלנט-הסתיים, מנותק מקטעי כרומוזומלית, אנזימים המעורבים NHEJ מגיבים מעבר כרומוזומלית, לפעול מתאחדות את קצוות שבורים. תהליך זה יכול לעיתים כרוכים האובדן של נוקלאוטידים בודדים באתר קטועה. האובדן של בסיסים אפילו כמה יכול לגרום frameshift ויחדל ביטוי פונקציונאלי. השימוש CRISPR/Cas9 כדי ליצור נוקאאוט גנטי ומרבה את התהליך הטבעי של NHEJ יש מהפכה גנטיקה האיקריוטים; האובדן של DNA באתר היעד הוא צפוי והן הצפוי.
בניגוד נוקאאוט גנטי, מספר חוקרים כבר עוסקת בניסיון לנתב מחדש ולשנות את הייעוד CRISPR/Cas9 פעילות לקראת התהליך של תיקון מכוון הומולוגיה. מטרת הלימודים היא תיקון גנים. באסטרטגיה זו, CRISPR/Cas9 בשילוב עם תבנית ה-DNA התורם המספק מידע גנטי כדי לתקן שגיאה מולדת או להכניס מוטציות גנים בריא. מוקדם יותר דווח המדגיש את יכולת יוצאת דופן של CRISPR/Cas9 כדי לעודד תיקון מכוון הומולוגיה מצוינת (ישירות או בעקיפין) כי התהליך התרחשה ב24,אופנה מאוד מדויק34. המעבדה שלנו למד תיקון מכוון הומולוגיה או תיקון ג’ין בעזרת oligonucleotides חד גדילי בניסיון להגדיר את מנגנון של הרגולציה המעגלים המקיפים אותה15,17,18 ,23. אנחנו התמקדו בעיקר הגן עריכה מוטציות נקודה בודדת, מאחר שזוהי מוטציה גנטית הבסיסיים ביותר ידוע להיות אחראי על הפרעות תורשתיות רבות. הידע הבסיסי שלנו. ג’ין עריכה הובילו אותנו לחקור את מידת הדיוק של פעילות CRISPR/Cas9 תגובות אלו, מאז הפונקציה CRISPR/Cas9 בתוצאות נוקאאוט גנטי להיווצרות של indels. השתמשנו מערכת מודל מוגדרים היטב, במקום גן שאינו ניתן לבחירה אך הרלוונטית קלינית, ללמוד באתר מוטגנזה מכוונת אופנה רדיוקציוניסטי בהחלט. באמצעות גן מטרה פשוטה, על אילו גנים תיקון ניתן למדוד ברמות שני genotypic ו פנוטיפי, אנחנו הסיק כי הטרוגניות המתרחשים באתר היעד יכול להיות מזוהה באופן אמין וחזק.
הנתונים שלנו מאשרים כי הגן ומבוססת עריכת המערכת, המורכב eGFP מוטציה גן משולב לתוך תאים HCT116, יכול לספק למעין מידע לגבי הדור של נגעים גנטיות ותהליך מוטגנזה מכוונת באתר. Oligonucleotide CRISPR/Cas9, חד-גדילי התורם במולקולות דנ א עובדים במשולב יכול להוביל התיקון מדויקת של נקודת המוטציה בגן eGFP. אנו מציעים מודל חדש עבור התיקון של מוטציות נקודה, נתיב מולקולרי שבו ה-DNA של התורם פועלת כתבנית השכפול עבור התיקון של הבסיס מוטציה, תהליך אנו יש להגדירו המדויק30. האוכלוסייה יישוב, לא מפגין את פנוטיפ המתוקן, מציג מגוון רחב של תאים המכילים הטרוגנית ו נרחב החל indels DNA סביב אתר היעד. ב חצי לערך שיבוטים מבודד מן האוכלוסייה שלא תוקנו, מחיקה מוטגנזה מכוונת נצפתה ב אתר היעד. מאז הדו ח הקודם לא מצביעים כי oligonucleotides חד גדילי מתנהג כמו כלי עריכת ג’ין. הסוכן יחיד יכול לגרום indels באתר היעד, אנו מסיקים כי פעילות CRISPR/Cas9 אחראי על מוטציות אלה.
כתב יד זה, אנו מספקים מתודולוגיה מפורט כך הטרוגניות גנטית באתר היעד ניתן למדוד באופן אמין וחזק. בעוד כמות עצומה של תשומת לב הוקדשה הניתוח מיפוי של מוטגנזה מכוונת מחוץ לאתר, סביר כי מוטציה הטרוגנית שנוצרו באותו אתר היעד יהיה השפעה רבה יותר על ההצלחה או הכישלון של ג’ין עריכה בזירה קליניים. ייתכן שתידרש כדי לשפר את מידת הדיוק של התיקון מכוון הומולוגיה של שגיאות מולדות תאים בתרבית של35טכנולוגיות נוספות או ששונה Cas9 חלבונים. חלק טכנולוגיות אלה כוללים את השימוש oligonucleotides עזר לשמש גשר, מחזיק יחד את הקצוות כרומוזומלית והימנעות בפעולה הרסניים של NHEJ. הגדרת מידת הטרוגניות באתר היעד גנים לעריכת פעילות, חייב להיות חלק חשוב של כל פרוטוקול המיועד התערבות טיפולית.
The authors have nothing to disclose.
המחברים יש אין התודות.
McCoy’s 5A Modified medium | ATCC | 30-2007 | |
Fetal Bovine Serum (FBS) | ATCC | 30-2020 | |
L-glutamine | ATCC | 30-2214 | |
Penicillin-Streptomycin Solution | ATCC | 30-2300 | |
Dulbecco's Phosphate Buffered Saline | ATCC | 30-2200 | No Calcium or magnesium |
Trypsin EDTA Solution | ATCC | 30-2101 | |
Aphidicolin 1mg | Thermo Fisher | AC611970010 | |
Alt-R CRISPR crRNA, 10 nmol | IDT | No catalog number since its made to your specific gene target. | |
CRISPR-Cas9 tracrRNA, 20 nmol | IDT | 1072533 | |
S.p. Cas9 Nuclease 3NLS, 500 µg | IDT | 1074182 | |
IDTE Buffer | IDT | 11-01-03-01 | |
Zeus Electroporation Cuvettes 0.4 Cm | VWR | 10497-474 | |
Gene Pulser Xcell Electroporation Systems | BioRad | 1652660 | |
Bovine serum albumin lyophilized powder, crystallized, ≥98.0% (GE) |
Sigma | 05470-1G | |
EDTA (0.5 M), pH 8.0 | ThermoFisher Scientific | AM9260G | |
Propidium Iodide – 1.0 mg/mL Solution in Water | ThermoFisher Scientific | P3566 | |
DNeasy Blood & Tissue Kit (250) | Qiagen | 69581 | |
6-well Standard Line Multiwell Cell Culture Plates | VWR | 10062-892 | |
Petri Dishes | Fisher | 12-565-90 | |
Conical Tubes (15 mL) (racked) | Thermo Fisher | AM12500 | |
Trypan Blue Solution, 0.4% | Thermo Fisher | 15250061 | |
Reduced Serum Medium | Thermo Fisher | 31985062 |