本文旨在证明使用部分遗传性单体胚胎干细胞作为精子的替代品,用于构建半克隆胚胎。
在具有性繁殖的生物体中,生殖细胞是发育成新个体的托蒂能细胞的来源。在小鼠中,由精子卵母细胞受精会产生一种托蒂波特酶。最近,一些出版物报道说,单体胚胎干细胞(haESCs)可以替代游戏基因组,并有助于胚胎,发展成小鼠。在这里,我们提出了一个协议,应用部分遗传性haESCs作为精子的替代品,通过细胞内注入卵母细胞来构建胚胎。该协议包括准备作为精子替代的haESC,将海斯C染色体注射到卵母细胞中,以及培养半克隆胚胎的步骤。胚胎在胚胎移植后可以产生肥沃的半克隆小鼠。使用haESC作为精子的替代物,有助于基因组编辑的生殖系,胚胎发育的研究,基因组印记的研究。
在哺乳动物中,游戏是唯一向下一代传递遗传信息的细胞。卵母细胞和精子的融合形成了一种双体卵母细胞,发育成成年动物。因此,游戏基因组的突变是由后代遗传的,并推动物种1的基因变异。引入生殖系突变已应用于生产转基因动物的多样化生物学研究,包括基因功能特征和疾病建模。卵母细胞和精子细胞都是绝分和高度专业化的细胞,已经停止增殖。因此,游戏玩家的直接修改在技术上是困难的,并且已经开发出专门的方法。基因改造可以通过将转基因ESC注射到胚波细胞中引入小鼠生殖系,在那里它们融入发育中的胚胎并殖民生殖系。此外,使用基因组编辑方法(包括CRISPR/Cas9系统)对受精卵进行基因改造已被广泛采用。
最近,有报道说,一个杰出的方法,它应用haESC作为游戏基因组3,4,5,6,7,8的替代品。HaESC是干细胞系,源自部分遗传学或雄激素单体胚波细胞的内细胞质量,拥有一组4、7、9、10染色体。已经证明,在细胞内质注射后,部分遗传学和雄激素haESC都可以促进半克隆小鼠的基因组。与其他方法不同,由于自身更新能力,HAESC的基因组可以在培养中直接改变。通过用haESC代替精子,将基因改造引入生殖系,是生物研究的重要方法。它规定了分别培养和操纵产妇或父系基因组的可能性,这些基因组分别来自部分遗传学或雄激素haESC。然后,HaESC 可以用作游戏基因组替代,这尤其有利于基因组印记、等位基因特异性表达和父母特定过程的研究。
在小鼠中,正常胚胎发育需要母体和母体基因组信息。因此,当注射野生型部分遗传体(phaESCs)以取代精子基因组5,8时,无法获得全期幼崽。为了克服发育障碍,需要将部分遗传性 HAESC 母体基因组的基因组印记更正为父系结构。这可以通过操纵不同甲基化区域 (DMR) 来实现。迄今为止,已研究有针对性地删除H19-DMR、Gtl2-Dlk1 IG-DMR和拉斯格夫1-DMR,以抑制第3、5、8、12期的母体表达基因。这些研究表明,删除H19-DMR和IG-DMR都足以将母体转换为可以替代精子染色体的母体印印结构。将两个DMR缺失物移植到卵母细胞中的噬细胞内质注射产生半克隆幼崽,其频率在5.1%至15.5%之间。
本议定书基于删除 H19-DMR 和 IG-DMR的 phaESC 的应用,我们称之为双敲除式噬菌体 (DKO-PHAESCs)。我们为改变噬菌体中的基因组印记以建立DKO-phaESC线、将DKO-phaESC注入卵母细胞以取代精子基因组、将半克隆胚胎培养成胚胎和获得半克隆小鼠提供详细说明。该协议是研究人员的参考,他们需要精确和直接地操纵父系基因组和半克隆胚胎和小鼠的生成。
哺乳动物的克隆体细胞核转移(SCNT)已率先在20世纪90年代19,20,21。这些发展是继30年前在两栖动物22号进行的克隆研究之后发生的。相当的延迟反映了哺乳动物胚胎学和基因组印记的困难。哺乳动物SCNT的发展是应用HAESC替代精子的基础,本协议对此进行了详细的说明。
细胞周期同步是SCNT23成功的重要因素。本协议中也注射了 HAESC。将供体基因组引入接受者需要匹配细胞周期阶段,以避免染色体破裂或会破坏胚胎发育的增异。半克隆具有额外的复杂性,两个基因组和一个细胞质需要兼容。先前的一份报告显示,注射M相逮捕和生化haESCs比将G1相haESC注射到卵母细胞7中,能产生更好的半克隆胚胎发育率。本报告建议将M相作为半克隆的合适同步点。因此,噬菌体在元相中与脱甲基辛一起被分层逮捕,并被注射到MII卵母细胞的卵母细胞中,这些卵母细胞在肌瘤的元二期中自然被捕。重要的是,M相阻塞可以在小鼠ESC中高效实现,为供体和受体细胞周期提供出色的同步。
在间歇期间,核膜分解,并形成复制染色体的主轴形式。注射M相DKO-噬菌体后,姐妹色度被隔离成伪极地体和酶7(图3E)。因此,来自DKO-phaESC的单组染色体有助于半克隆胚胎。至关重要的是,DKO-phaESC染色体的姐妹色度在注射后可以正确隔离。完整的DKO-phaESC的等离子膜防止分离成伪极地体。我们确实观察到极少数情况下,DKO-噬菌体的血浆膜没有破裂,胚胎在注射后在卵石中表现出完整的DKO-噬菌体(图3D)。因此,必须小心通过管道去除DKO-噬菌体的血浆膜。在注射过程中,同样重要的是避免卵母细胞的髓质主轴中断,这可能导致染色体分离缺陷,并诱发厌食症。
在哺乳动物中,基因组印记限制了噬菌体作为精子替代物的应用。部分遗传性 HAESC 具有基因组印记的母体配置,而精子具有父系配置。因此,在注射野生型phaESC作为精子替代后,没有出现过全期幼崽的生成。为了克服这一限制,在分阶段的实验室中设计了IG和H19-DMR的删除。在母体Igf2-H19和Gtl2-Dlk1 loci上修改印迹表达,足以改变基因组印记的配置,使半克隆小鼠的生成频率超过5.1%,基于转移的2细胞胚胎。这些观察表明,针对两个印迹基因将噬菌体的基因组转换成一种功能性的父系结构,可以取代小鼠的精子。然而,这一战略需要对相文进行永久性的基因改造。作为替代策略,可以考虑雄激素haESC。雄激素从精子基因组中提取,并具有父系印记。有报道说,野生型和遗传性海斯特作为精子替代,以1.3%至1.9%的频率产生全期幼崽转移胚胎4,7,24。也通过注射和生化haESC与IG-和H19-DMR的删除频率20.2%的转移24的全期幼崽获得。使用改性雄激素 haESC 进行半克隆效率的提高可能是因为印记在文化中可能变得不稳定。打印缺陷通过关键 DMR 的遗传删除来纠正。
考虑到将基因改造直接引入卵母细胞或精子基因组的困难,HAESC是单独操纵父母基因组的宝贵工具。使用haESC作为精子的替代品,为小鼠生殖系的基因组编辑提供了显著的优势。最近的一项研究将CRISPR/Cas9的基因组编辑与haESC的应用相结合,用于对胚胎发育至关重要的印记区域的特征。这项研究分析了Rasgrf1-DMR与H19和IG-DMR在双子小鼠发育中的作用,以及7种不同的DMR在双父小鼠发育中的作用。用haESC代替精子的方法为基因筛选方法奠定了基础,用于识别DND1蛋白中原始生殖细胞发育中的关键氨基酸,以及识别骨骼发育中的基因24、25、26。基因组印记和基因筛选研究,以确定胚胎发育的关键因素,是将HAESC应用于游戏基因组的重要方法。
The authors have nothing to disclose.
我们感谢朱利奥·迪米宁博士对phaESC线的推导和雷莫·弗雷曼博士的流动细胞术。我们还感谢米歇尔·沙夫纳女士和托马斯·亨内克先生在胚胎移植方面提供的技术支持。这项工作得到了瑞士国家科学基金会的支持(赠款31003A_152814/1)。
1.5 mLTube | Eppendorf | 0030 125.150 | haESC culture |
15 ml Tube | Greiner Bio-One | 188271 | haESC culture |
12-well plate | Thermo Scientific | 150628 | haESC culture |
24-well plate | Thermo Scientific | 142475 | haESC culture |
6-well plate | Thermo Scientific | 140675 | haESC culture |
96-well plate | Thermo Scientific | 167008 | haESC culture |
β-Mercaptoethanol | Merck | M6250 | haESC culture |
BSA fraction | Gibco | 15260-037 | haESC culture |
CHIR 99021 | Axon | 1386 | haESC culture |
Demecolcine solution | Merck | D1925 | haESC culture |
DMEM | Gibco | 41965-039 | haESC culture |
DMEM / F-12 | Gibco | 11320-033 | haESC culture |
DR4 mouse | The Jackson Laboratory | 3208 | haESC culture |
EDTA | Merck | E5134 | haESC culture |
FBS | biowest | S1810-500 | haESC culture |
Freezing medium | amsbio | 11897 | haESC culture |
Gelatin | Merck | G1890 | haESC culture |
Hepes solution | Gibco | 15630-056 | haESC culture |
Irradiated MEF | Gibco | A34966 | haESC culture |
LIF (Leukemia inhibitory factor) | (Homemade) | – | haESC culture |
Lipofection reagent | Invitrogen | 11668019 | haESC culture |
NDiff 227 | Takara | Y40002 | haESC culture |
PD 0325901 | Axon | 1408 | haESC culture |
Pen Strep | Gibco | 15140-122 | haESC culture |
piggyBac plasmid carrying a CAG-EGFP transgene | Addgene | #40973 | haESC culture |
piggyBac transposase plasmid | System Biosciences | PB210PA-1 | haESC culture |
pX330 plasmid | Addgene | #42230 | haESC culture |
pX458 plasmid | Addgene | #48138 | haESC culture |
Trypsin | Gibco | 15090-046 | haESC culture |
DNA polymerase | Thermo Scientific | F549S | Genotyping |
dNTP Mix | Thermo Scientific | R0192 | Genotyping |
Ethanol | Merck | 100983 | Genotyping |
Hydrochloric acid | Merck | 100317 | Genotyping |
Isopropanol | Merck | 109634 | Genotyping |
Proteinase K | Axon | A3830 | Genotyping |
SDS | Merck | 71729 | Genotyping |
Sodium chloride | Merck | 106404 | Genotyping |
ThermoMixer | Epeendorf | 5384000012 | Genotyping |
Tris | Merck | T1503 | Genotyping |
5 mL Tube | Falcon | 352063 | Flow cytometry |
5 mL Tube with cell strainer cap | Falcon | 352235 | Flow cytometry |
Hoechst 33342 | Invitrogen | H3570 | Flow cytometry |
MoFlo Astrios EQ | Beckman Coulter | B25982 | Flow cytometry |
1 mL syringe | Codan | 62.1640 | Superovulation |
30-gauge 1/2 inch needle | Merck | Z192362-100EA | Superovulation |
B6D2F1 mouse | The Jackson Laboratory | 100006 | Superovulation |
hCG | MSD animal health | 49451 | Superovulation |
PBS | Gibco | 10010015 | Superovulation |
PMSG | Avivasysbio | OPPA1037 5000 IU | Superovulation |
10-cm dish | Thermo Scientific | 150350 | Embryo manipulation |
4-well plate | Thermo Scientific | 179830 | Embryo manipulation |
50 mL tube | Greiner Bio-One | 227261 | Embryo manipulation |
6 cm dish | Thermo Scientific | 150288 | Embryo manipulation |
Center-well dish | Corning | 3260 | Embryo manipulation |
Digital rocker | Thermo Scientific | 88880020 | Embryo manipulation |
EGTA | AppliChem | A0878 | Embryo manipulation |
Hyaluronidase | Merck | H4272 | Embryo manipulation |
KSOM | Merck | MR-020P-5F | Embryo manipulation |
M16 medium | Merck | M7292 | Embryo manipulation |
M2 medium | Merck | M7167 | Embryo manipulation |
Mineral oil | Merck | M8410 | Embryo manipulation |
Glass capillary | Merck | P1049-1PAK | Embryo manipulation |
Stereomicroscope | Nikon | SMZ745 | Embryo manipulation |
Strontium chloride | Merck | 13909 | Embryo manipulation |
5ml syringe | Codan | 62.5607 | Microinjection |
Borosilicate glass cappilary | Science product | GB100T-8P | Microinjection |
CellTram 4r Oil | Eppendorf | 5196000030 | Microinjection |
Fluorinert FC-770 | Merck | F3556 | Microinjection |
Holding pipette | BioMedical Instruments | – | Microinjection |
Inverted microscope | Nikon | Eclipse Ti-U | Microinjection |
Microforge | Narishige | MF-900 | Microinjection |
Microinjection pipette | BioMedical Instruments | – | Microinjection |
Microlaoder tips | Eppendorf | 5252 956.003 | Microinjection |
Micromanipulaor arms | Narishige | NT-88-V3 | Microinjection |
Micropipette puller | Sutter Instrument | P-1000 | Microinjection |
PiezoXpert | Eppendorf | 5194000016 | Microinjection |
PVP (Polyvinylpyrrolidine) | Merck | PVP360 | Microinjection |
Syringe filter | SARSTEDT | 83.1826.001 | Microinjection |