La somministrazione diretta di complessi preassemblati di ribonucleoproteina di RNA Cas9/guide è un mezzo veloce ed efficiente per l’editing del genoma nelle cellule ematopoietiche. Qui, utilizziamo questo approccio per eliminare un silenziatore intronico RUNX1 ed esaminare le risposte trascrizionali nelle cellule leucemiche OCI-AML3.
La maggior parte del genoma umano (98%) è costituito da sequenze non codificanti. Gli elementi Cis-regulatory (CRE) sono sequenze di DNA non codificanti che contengono siti di legame per regolatori trascrizionali per modulare l’espressione genica. Le alterazioni delle CRE sono state implicate in varie malattie, tra cui il cancro. Mentre i promotori e gli stimolatori sono stati i CRE primari per lo studio della regolazione genica, si sa molto poco sul ruolo del silenziatore, che è un altro tipo di CRE che media la repressione genica. Originariamente identificato come un sistema di immunità adattivo nei procarioti, CRISPR/Cas9 è stato sfruttato per essere un potente strumento per l’editing del genoma eucatrale. Qui, presentiamo l’uso di questa tecnica per eliminare un silenziatore intronico nel gene umano RUNX1 e studiare gli impatti sull’espressione genica nelle cellule leucemiche OCI-AML3. Il nostro approccio si basa sulla consegna mediata dall’elettroporazione di due complessi RNLnucleoprotein a rna (gRNA) Cas9/guide (GRNA) preassemblati per creare due rotture a doppio filamento (DSB) che fiancheggiano il silenziatore. Le eliminazioni possono essere facilmente sottoposte a screening mediante l’analisi dei frammenti. Le analisi di espressione di diversi mRNA trascritti da promotori alternativi aiutano a valutare gli effetti dipendenti dal promotore. Questa strategia può essere utilizzata per studiare altre CRE ed è particolarmente adatta per le cellule ematopoietiche, che sono spesso difficili da trasfecare con metodi a base di plasmide. L’uso di una strategia plasmide e priva di virus consente valutazioni semplici e rapide delle funzioni di regolazione genica.
Gli elementi Cis-regulatory (CRE) sono sequenze di DNA non codificanti che contengono siti di legame per regolatori trascrizionali per controllare l’espressione genica1,2. Questi elementi sono in genere lunghi da 100 a 1.000 coppie di base (bp). Promotori e potenziatori sono i due tipi di CRE più caratterizzati. I promotori sono presenti in prossimità dei siti di partenza della trascrizione e costituiscono l’unità di base della trascrizione. Molti geni hanno più di un promotore e il loro uso alternativo contribuisce alla diversità del trascrittoma e alla specificità dei tessuti3,4. D’altra parte, gli stimolatori attivano la trascrizione e possono essere localizzati a monte, a valle o all’interno di introni dei geni bersaglio. Gli esaltatori possono agire da lontano (su una megabase) e indipendentemente dall’orientamento1,2. I CRE includono anche silenziatori e isolanti5,6. Il primo agisce in modo opposto agli stimolatori per inibire l’espressione genica legandosi ai repressori trascrizionali, mentre il secondo divide il genoma in domini topologicamente discreti per isolare geni da altri CRE dai domini vicini. Questi elementi agiscono in concerto l’uno con l’altro attraverso interazioni di cromatina a breve e/o a lungo raggio e sono organizzati in centri normativi per dirigere una corretta espressione genica patiotemporale. I recenti progressi nelle tecniche di sequenziamento ad alto valore di produzione hanno accelerato l’identificazione e l’annotazione funzionale di molte CRE che hanno notevolmente facilitato la nostra comprensione delle reti trascrizionali che dettano il gene specifico del lignaggio espressione in diversi tipi di cellule e tessuti7,8,9,10,11,12.
Dato il ruolo fondamentale delle CRE nella regolazione della trascrizione, le loro alterazioni possono portare all’espressione genica aberrante. È stato dimostrato che i CRE sono spesso interrotti da cambiamenti genetici ed epigenetici in diversi tipi di tumori umani, contribuendo così all’inizio del tumore, alla progressione e all’aggressività13,14. Inoltre, i fattori cre-binding sono spesso mutati e/o male espressi in vari tipi di cancro, evidenziando ulteriormente il significato della deregolamentazione CRE nell’oncogenesi15. Le CRE possono anche essere colpite da aberrazioni strutturali, come esemplificato da frequenti riarrangiamenti cromosomici dell’avanzata genetica immunoglobulina pesante (IgH) che si traducono in un’attivazione anomala degli oncogeni vicini nei linfomi a cellule B16. Nella leucemia mieloide acuta (AML), il riposizionamento di un singolo potenziatore mediante cromosoma 3q riarrangia il 3q provoca la downregolazione GATA2 concomitante e l’attivazione di EVI1, che può essere potenzialmente presa di mira dall’inibizione di BET delle funzioni di potenziatore 17.Recentemente, abbiamo caratterizzato una nuova traslocazione cromosomica che comporta la perturbazione di un silenziatore intronico RUNX1 che potrebbe contribuire alla progressione di AML in un paziente pediatrico18. Pertanto, la decifrazione del genoma del cancro non codificante offre vie fruttuose per chiarire la patogenesi della malattia, la scoperta di biomarcatori e gli interventi terapeutici, che in ultima analisi migliorano gli esiti dei pazienti.
Il percorso nuclease CRISPR/Cas9, originariamente identificato come sistema immunitario adattivo nelle cellule procariotiche, è stato sfruttato come mezzo rapido ed economico per l’editing genomico site-specific in cellule viventi e organismi19,20 ,21,22. Il sistema CRISPR/Cas9 coinvolge due componenti principali: la gRNA e la nuogene Cas9 derivata da Streptococcus,derivata da Stre9. Il gRNA contiene una sequenza specifica chiamata protospacer che riconosce la regione di destinazione e dirige Cas9 per l’editing. Il gRNA è composto da due parti: CRISPR RNA (crRNA), tipicamente una sequenza nucleotide di 20 mer complementare al DNA bersaglio, e un crRNA a riattivazione trans (tracrRNA), che funge da scaffold di legame per la nucleato. Un motivo adiacente al protospaziale (PAM) (5′-NGG) immediatamente adiacente al sito di destinazione è necessario per la scissione di Cas9 e il sito di scissione si trova a 3 nucleotidi a monte del PAM. con un plasmide che codifica Cas9 e il gRNA clonato23. Tuttavia, questo approccio è impegnativo per le cellule ematopoietiche, che sono spesso difficili da trasfecare e richiedono lunghi metodi di trasduzione basati su virus. Un approccio alternativo è la somministrazione cellulare diretta di complessi RNP Cas9/gRNA preassemblati24. Un metodo comune per la somministrazione di RNP è l’elettroporazione, che genera pori temporanei nella membrana cellulare, consentendo così l’ingresso dei complessi RNP nelle cellule25,26. I vantaggi di questo approccio includono la facilità d’uso, la riduzione degli effetti fuori target e la stabilità dei complessi RNP. Qui, descriviamo un protocollo di utilizzo del metodo di consegna RNP per studiare il ruolo trascrizionale di un silenziatore intronico RUNX1 nella linea cellulare leucemia OCI-AML318, che è stata stabilita dal sangue periferico di un paziente AML diagnosticato il sottotipo M4 franco-americano-britannico27. Il protocollo include la progettazione del crRNA, la preparazione di complessi RNP, l’elettroporazione, lo screening e la successiva caratterizzazione dei cloni desiderati.
Il sistema CRISPR/Cas9 è stato utilizzato in una vasta gamma di applicazioni di editing del genoma come il knockout genico e gli studi a caso35,36, regolazione trascrizionale37,38, ingegneria genetica di vari organismi modello39,40,41,42,43,44 e terapia genica45,46. Qui, dimostriamo l’uso di CRISPR/Cas9 per studiare le conseguenze funzionali dell’eliminazione di un silenziatore intronico sul gene RUNX1. La consegna dei componenti CRISPR nel nostro approccio non si basava sul DNA plasmide, sulla clonazione di gRNA o virus, ma sull’elettroporazione dei complessi Preassemblati Cas9/gRNA RNP. È stato dimostrato che l’uso di DNA esogeno può essere associato all’integrazione indesiderabile di sequenze vettoriali estranee nel genoma dell’ospite, a una maggiore tossicità e bassa efficienza25,47,48, mentre i metodi di trasduzione dei virus richiedono molto tempo. Inoltre, l’espressione prolungata di Cas9 dal DNA plasmide può aumentare gli effetti fuori bersaglio48. Al contrario, l’approccio diretto di consegna basata su RNP è stato stabilito come metodo preferito in quanto è veloce e diretto con una migliore efficienza di modifica, selettività e redditività delle cellule. Infatti, una varietà di metodi come lipofezione49,50, elettroporazione25,51, nanoparticelle52, peptidi penetranti nelle cellule53, iTOP54 e TRIAMF 55 sono stati sviluppati per l’efficiente consegna CRISPR/Cas9 in diversi tipi di cellule, così come specie animali e vegetali24,25,26,56,57 , 58 (di base) , 59 (di cinità) , 60 del sistema , 61 o , 62 del sistema , 63.Poiché le sequenze di DNA non codificanti sono punti caldi di variazioni genetiche64, controllare la presenza di SNP/indel comuni nelle sequenze PAM target e vicine è particolarmente rilevante quando si progetta gRNA che si rivolge a normative Elementi.
Un collo di bottiglia nell’editing del genoma CRISPR/Cas9 prevede lo screening dei cloni mutanti desiderati in un gran numero di campioni. Abbiamo impiegato la PCR fluorescente accoppiata con l’elettroforesi capillare del gel per lo screening, poiché la mutazione bersaglio è una piccola eliminazione genomica di circa 300 bp. Questo metodo è rapido e sensibile e può essere eseguito in modo ad alta velocità effettiva. Inoltre, questo metodo consente una stima accurata dei livelli mutanti e delle dimensioni di delezione contemporaneamente. Inoltre, è supportata l’analisi multiplex di frammenti di PCR etichettati con diversi coloranti fluorescenti. Abbiamo usato regolarmente questa tecnica per genottare piccoli inserimenti/ eliminazioni nei neoplasmi mieloidi65,66. Nella nostra esperienza, siamo in grado di rilevare costantemente dimensioni dei frammenti che differiscono di 4 bp con alta precisione e carico mutante fino al 3 %. Tuttavia, va notato che questo metodo ha un limite di dimensione del frammento di 1.200 bp, e quindi non è adatto per lo screening di eliminazioni di grandi dimensioni. Inoltre, non è possibile rilevare sostituzioni di base (con conseguente dimensione dei frammenti invariata) e potenziali eventi fuori bersaglio in altre regioni genomiche. Per quest’ultimo, il costoso sequenziamento dell’intero genoma è necessario per profilare in modo completo i cambiamenti globali indesiderati nei cloni bersaglio. Per adottare il nostro attuale approccio per lo studio di grandi sequenze normative non codificanti (>1,000 bp), è possibile eseguire un’analisi dettagliata della cancellazione e della mutagenesi dei siti di legame dei fattori di trascrizione putativa utilizzando analisi dei geni dei reporter in vitro in anticipo per delineare la regione funzionale minima per la modifica CRISPR/Cas918.
Poiché molti geni contengono più di un promotore3,4, è importante essere consapevoli dell’esistenza di promotori alternativi nel locus genico bersaglio in quanto la manipolazione degli elementi regolatori può influenzare i promotori in modo differenziale. Pertanto, le varianti di trascrizione derivate da diversi promotori devono essere misurate individualmente per valutare eventuali risposte specifiche del promotore. L’uso di saggi basati su probe TaqMan è preferito rispetto a SYBR Green a causa di una migliore specificità e riproducibilità. Se è disponibile il sistema PCR digitale più avanzato, la quantificazione della trascrizione può essere eseguita in modo più preciso senza la necessità di una costruzione standard della curva.
Una considerazione importante nell’esecuzione di esperimenti CRISPR/Cas9 nelle linee cellulari tumorali è la ploidia e il numero di copia del gene bersaglio nelle cellule utilizzate come praticamente tutte le linee cellulari tumorali che ospitano alterazioni genetiche comprese le variazioni strutturali e del numero di copie. Nel nostro caso, OCI-AML3 ha un cariotipo iperdiploide con 45-50 cromosomi. Inoltre, la linea cellulare è stato trovato per portare un normale numero di copia RUNX1 come rivelato dalla Cancer Cell Line Encyclopedia67 e fluorescenza in studi di ibridazione situ18. Quando si mira un gene con guadagno del numero di copie, potrebbe essere necessario ottimizzare il metodo di consegna per fornire livelli sufficienti dei componenti CRISPR per l’editing. Inoltre, potrebbe essere necessario vagliare altri cloni per identificare i knockout completi. È importante sottolineare che il targeting a regioni genomiche amplificate, in particolare quelle causate da riarrangiamenti strutturali, può innescare risposte antiproliferanti indipendenti dal gene nelle cellule tumorali, portando a risultati falsi positivi nel gene studi funzionali68,69,70. A questo proposito, per verificare i risultati del CRISPR dovrebbero essere adottati approcci alternativi come l’interferenza dell’RNA (RNAi) al knockdown e/o alla sovraespressione cDNA. Inoltre, più linee cellulari dovrebbero essere utilizzate per evitare interpretazioni errate degli effetti di editing CRISPR specifici della linea cellulare ma indipendenti dal gene.
Il sistema CRISPR/Cas9 ha rivoluzionato la ricerca di base e traslazionale fornendo un mezzo semplice ed efficiente per l’editing del genoma. Qui dimostriamo la facilità di utilizzo di CRISPR/Cas9 per interrompere un silenziatore intronico per studi trascrizionali in una linea cellulare del cancro. Questa tecnica consente lo studio delle CRE a livello di DNA e offre l’opportunità di esaminare le funzioni cre nel contesto endogeno piuttosto che i geni reporter eterologi tradizionali. Recentemente, è stato identificato anche un sistema di editing dell’RNA basato su CRISPR71 e può servire da nuovo strumento per studiare le CRE prendendo di mira l’RNA trascritto dagli elementi regolatori. Combinandosi con tecniche di cattura della conformazione cromosomica, CRISPR/Cas9 aiuterà certamente a decifrare il coinvolgimento delle CRE nell’organizzazione alterata del genoma e nell’espressione genica legata a vari problemi di salute.
The authors have nothing to disclose.
Gli autori desiderano ringraziare la prof.ssa M.D. Minden (Princess Margaret Cancer Centre, University Health Network, Toronto, Canada) per aver fornito la linea cellulare OCI-AML3. Inoltre, gli autori desiderano ringraziare le utilità di base della genomica e patobiologia del cancro (l’Università Cinese di Hong Kong) per aver fornito le strutture e l’assistenza a sostegno di questa ricerca.
0.2 cm-gap electroporation cuvette | Bio-Rad | 1652086 | |
1×TE buffer, pH7.5 | Integrated DNA Technologies | 11-01-02-02 | |
10mM dNTP mix | Thermo Fisher Scientific | 18427013 | |
3500 Genetic Analyzer | Thermo Fisher Scientific | 4405673 | |
6-FAM-labeled fluorescent PCR forward primer | Thermo Fisher Scientific | None | |
7300 Real-Time PCR System | Thermo Fisher Scientific | None | |
7300 System SDS Software | Thermo Fisher Scientific | None | Version 1.3.1 |
Bio-Rad Gene Pulser Xcell system | Bio-Rad | 1652660 | |
ChargeSwitch Direct gDNA Purification Kit, 96-well | Thermo Fisher Scientific | CS11205 | |
crRNA-1 | Integrated DNA Technologies | Alt-R CRISPR-Cas9 crRNA | Components of the Cas9/gRNA complex |
crRNA-2 | Integrated DNA Technologies | Alt-R CRISPR-Cas9 crRNA | Components of the Cas9/gRNA complex |
Deionized formamide | Thermo Fisher Scientific | 4311320 | |
Electroporation Enhancer | Integrated DNA Technologies | 1075915 | |
fetal bovine serum | Thermo Fisher Scientific | 10270098 | |
Fluorometer | Thermo Fisher Scientific | Q32857 | |
GeneMapper Software 5 | Thermo Fisher Scientific | 4475073 | |
GeneScan 600 LIZ Size Standard | Thermo Fisher Scientific | 4408399 | |
GlutaMAX | Thermo Fisher Scientific | 35050061 | |
PBS, 10X Solution, pH7.4 | Affymetrix | 75889 | |
Penicillin and streptomycin | Thermo Fisher Scientific | 15140122 | |
Platinum Taq DNA Polymerase High Fidelity | Thermo Fisher Scientific | 11304029 | |
Qubit dsDNA HS Assay Kit | Thermo Fisher Scientific | Q32854 | |
Recombinant S. pyogenes Cas9 nuclease | Integrated DNA Technologies | 1081058 | Components of the Cas9/gRNA complex |
RPMI 1640 medium | Thermo Fisher Scientific | 31800-022 | |
RPMI 1640 medium without phenol red | Thermo Fisher Scientific | 11835030 | |
RUNX1a TaqMan gene expression assays | Thermo Fisher Scientific | 4331182 | Hs04186042_m1 |
RUNX1b/c TaqMan gene expression assays | Thermo Fisher Scientific | 4331182 | Hs00231079_m1 |
RUNX1c TaqMan gene expression assays | Thermo Fisher Scientific | 4331182 | Hs01021966_m1 |
SuperScript III First-Strand Synthesis System | Thermo Fisher Scientific | 18080051 | |
TaqMan Universal PCR Master Mix | Thermo Fisher Scientific | 4304437 | |
tracrRNA | Integrated DNA Technologies | 1072533 | Components of the Cas9/gRNA complex |
TRIzol Reagent | Thermo Fisher Scientific | 15596018 | |
Unlabeled PCR reverse primer | Thermo Fisher Scientific | None |