virus Vaccinia (VV) se ha utilizado ampliamente en la investigación biomédica y la mejora de la salud humana. Este artículo describe un método simple, altamente eficiente para editar el genoma VV usando un sistema de CRISPR-Cas9.
The CRISPR-associated endonuclease Cas9 can edit particular genomic loci directed by a single guide RNA (gRNA). The CRISPR/Cas9 system has been successfully employed for editing genomes of various organisms. Here we describe a protocol for editing the vaccinia virus (VV) genome in the cytoplasm of VV-infected CV-1 cells using the RNA-guided Cas9. RNA-guided Cas9 induces double-stranded DNA breaks facilitating homologous recombination efficiently and specifically in the targeted site of VV and a transgene can be incorporated into these sites by homologous recombination. By using a site-specific homologous vector with transgene(s), a N1L gene-deleted VV with the red fluorescence protein (RFP) gene incorporated in this region was generated with a successful recombination efficiency 10 times greater than that obtained from the conventional homologous recombination method. This protocol demonstrates successful use of RNA-guided Cas9 system to generate mutant VVs with enhanced efficiency.
El virus vaccinia (VV) es un virus de ADN con envoltura que pertenece a la familia de los poxvirus y ha desempeñado un papel crucial en uno de los mayores logros de la medicina de la erradicación de la viruela. En la era posterior a la erradicación de la viruela, VV se ha desarrollado como un vector para la entrega de genes para las vacunas contra el VIH y otras enfermedades infecciosas 1-7 mediante la inserción de genes de diversos patógenos en vectores de VV. VV también se ha utilizado ampliamente como un vector para la inmunoterapia del cáncer 8-14 especialmente para el desarrollo de virus vaccinia oncolítico de replicación específica de tumor. Con el fin de crear un vector de vacuna eficiente con una mejor selectividad para las células cancerosas, se requieren modificaciones en el genoma viral, incluyendo deleciones de genes o la introducción de genes terapéuticos.
Con el desarrollo de la tecnología del ADN y una mejor comprensión de la biología molecular y la virología, la inserción de ADN extraño en VV fue lograr originalmented usando recombinación homóloga (HR) en 1980 15. Este método sigue siendo ampliamente utilizado para la construcción de vectores VV. La introducción de la modificación genética se logra mediante el uso de un vector lanzadera para HR, que se recombina con el genoma VV de células pre-infectados. Sin embargo, este método ha demostrado ser muy ineficiente (menos de 1% de eficiencia de la recombinación homóloga 16) y a menudo resulta en la inserción aleatoria del marcador de selección en las regiones no diana y / o la pérdida del marcador después de la expansión de virus.
La eficiencia de la recombinación homóloga de ADN para la inserción de ADN exógeno en loci genómico se puede mejorar de manera espectacular en la presencia de roturas de la doble hebra (DSB) 17. Por lo tanto, la tecnología que puede inducir DSBs en loci diana tiene un gran potencial para la ingeniería del genoma de VV.
El sistema CRISPR-Cas9 recientemente desarrollado se muestra prometedor para la activación de las DSB en cualquier región del gen de VV. CRISPR-Cas9 es un ARNnucleasa guiada implicados en la inmunidad adaptativa contra la invasión de los fagos y otros materiales genéticos foráneos 18-20. Hay tres sistemas de CRISPR-cas en una gama de 21 especies microbianas. El sistema de CRISPR-cas de tipo II es ampliamente utilizado para la edición del genoma de células eucariotas y virus grandes. Se compone de la endonucleasa de Cas9 RNA-guiado (de Streptococcus pyogenes), una sola guía de ARN (sgRNA) y la crRNA activadora trans (tracrRNA) 22-24. El complejo Cas9 / sgRNA reconoce la secuencia genómica de 20 nucleótidos complementaria que precede a una secuencia 5'-NGG-3 'Protospacer motivo adyacente (PAM) en células de mamíferos 22, 23. Se ha utilizado con éxito para la generación eficaz de las células, los virus modificados genéticamente y modelos animales 22-32.
El sistema CRISPR-Cas9 ha demostrado ser una herramienta eficaz para el genoma de orientación en combinación con la recombinación homóloga en el citoplasma de las células infectadas por VV CV-1s para generar virus vaccinia mutantes 33, 34. Con el fin de extender la aplicación potencial de este método, se presenta información detallada sobre la metodología de este sistema. El protocolo descrito se puede utilizar para crear un VV mutante con una deleción del gen particular y / o armar el virus mutante con un transgén terapéutico.
Hay dos objetivos principales con respecto a la modificación de VV con fines terapéuticos. Una de ellas es para eliminar un gen particular, tal como el gen de la timidina quinasa (TK) para atenuar virus para uso terapéutico anti-tumor. El otro es para armar VV con un gen terapéutico deseado (por ejemplo, GM-CSF) o un gen marcador (por ejemplo, gen de la luciferasa). El logro de cualquiera de éstos consiste en la deleción de una región objetivo / gen. Un método de ligadura de ADN directa 35 y un método de empaquetamiento in vitro 36 se han utilizado previamente para generar virus vaccinia mutantes con modificaciones gen tk. Sin embargo, estos métodos han aplicación con respecto a la mutación de otras regiones en el genoma limitado debido a la falta de sitios de enzimas de restricción únicos en todo el genoma. El enfoque actual a la creación de VV mutante implica la transfección de un vector lanzadera (donante) con un marcador de selección (RFP o GFP) en células CV-1 dos horas después de la infección con VV de inducir una recombinación homóloga de plásticng el marcador de selección en la región diana. La selección de placas de marcador positivo es seguido por la purificación de 24 h después de la transfección. El proceso de purificación de la placa puede tardar hasta 10 rondas, las últimas 3-4 semanas y, a menudo conduce a los virus recombinantes no deseadas con marcadores de selección insertadas en las regiones fuera de objetivo. ADN de doble filamento se rompe pueden inducir eficazmente la recombinación homóloga en células de mamíferos 37, y el aprovechamiento de este mecanismo, la eficiencia de la generación de VV mutante puede ser mejorado enormemente. El sistema Cas9 gRNA guiada se ha empleado con éxito en la edición del genoma y la mejora de la eficiencia de la recombinación homóloga en organismos eucarióticos 22, 25. Recientemente, en células huésped de los genomas de adenovirus y de tipo I del virus del herpes simple fueron editadas por el Cas9 guiada por gRNA sistema 24. Se ha demostrado recientemente que el sistema de CRISPR Cas9 es una poderosa herramienta para la edición de manera eficiente el genoma VV y la construcción de un vector para expresar un VVen particular de genes.
Tanto el método tradicional de recombinación homóloga (HR) Cas9 guiada por gRNA N1L y resultaron en eventos de recursos humanos con éxito en el mismo lugar de destino de N1L. Curiosamente, sin embargo gRNA guiada HR inducida Cas9 a niveles mucho más altos de eficiencia que el método de HR tradicional. Por lo tanto, el uso de Cas9 guiada por gRNA elimina la necesidad de purificar el mayor número de placas para obtener VV mutantes. En este trabajo, hemos mejorado significativamente la eficiencia y el calendario para la generación de VV mutante utilizando el sistema de guiado Cas9-gRNA 33. De nota, un paso crítico para la obtención de una alta eficiencia de la recombinación homóloga es para transfectar células CV-1 con los plásmidos que expresan Cas9 y la gRNA durante 24 h antes de realizar la recombinación homóloga convencional. El intervalo de 24 h permite Cas9 y gRNA a ser expresadas en un nivel razonable. Además, puede ser necesario optimizar la secuencia gRNA dirigidas a un gen particular en lo que se encontró que los diferentes gRNA secuencias de tgen argeting N1L variar en su eficacia 33, 34.
La limitación de la CRISPR / Cas9 en VV edición es la baja tasa de placas RFP-positivas en la primera ronda de recombinación. Para obtener un número suficiente de placas de RFP-positivas que contienen virus recombinante, por lo general por lo menos diez se necesitan placas de 6 pocillos, lo que hace de primera ronda de cribado tedioso. Por lo tanto, todavía hay una necesidad de optimizar el protocolo para superar esta limitación.
El pequeño tamaño de placas RFP-positivo es otro problema potencial, que es debido a un alto volumen de lisado se usó para infectar una placa de 6 pocillos. Para superar esto, un menor volumen de lisado se debe utilizar para infectar una placa de 6 pocillos para obtener placas RFP-positivo mayor tamaño. El uso de un menor volumen de lisado también permitirá una mejor separación de las placas de RFP-positivo de los RFP-negativo. En consecuencia se requieren menos rondas de purificación de placas para obtener placas puras RFP-positivo.
<pclass = "jove_content"> fuera de objetivo efectos son siempre un problema no deseado en la edición de genes. CRISPR-Cas9 ha mostrado efectos fuera de la meta. Sin embargo, con un diseño cuidadoso de gRNA, fuera de objetivo efectos pueden ser evitados cuando se edita el VV genomas 33, 34. Esta es la ventaja particular de usar el sistema Cas9 guiada por gRNA para editar el genoma de VV. Teniendo en cuenta las promesas de VV, usando el sistema de CRISPR / Cas9 acelerará el desarrollo de VV mutantes para la investigación biomédica y en la medicina traslacional. Además, tal sistema también acelerar descubrimientos en biología celular, tales como la disección de las vías de señalización utilizados por VV para su motilidad basado en actina.The authors have nothing to disclose.
This work was supported by The MRC DPFS grant (MR/M015696/1) and Ministry of Sciences and Technology of China (2013DFG32080).
Plasmid #41824 | 41824 | Addgene | gRNA cloning vector |
pST1374 | 13426 | Addgene | Cas9 cloning vector |
pGEMT easy | A1360 | promega | repair donor vector cloning |
One Shot TOP10 Chemically Competent E .Coli | C4040-10 | Invitrogen | transformation |
QIAprep Spin Miniprep Kit | 27106 | Qiagen | plasmid extraction |
Dulbecco’s Eagle’s Medium (DMEM) | 11965-092 | Life Technologies | cell culture medium |
fetal bovine serum (FBS) | SH30088.03HI | Hyclone | cell culture serum |
penicillin, streptomycin | 15070-063 | Thermo Scientific | antibiotics |
Effectene | 301425 | Qiagen | transfection |
Thermo Scientific Nalgene Cryogenic vial; 2.0 mL | W-06754-96 | Thermo Scientific | collect virus |
fluorescence microscope | Olympus BX51 Fluorescence | Olympus | find RFP-positive plque |
DNeasy Blood & Tissue Kit | 69506 | Qiagen | DNA extraction |
Extensor Long PCR ReddyMix Master Mix | AB-0794/B | Thermo Scientific | PCR reagent |
10cm culture dish | Z688819-6EA | sigma | cell culture |
6-well plate | Z707759 | sigma | cell culture |
cell scraper | C5981 | sigma | scrap cells |
1XTrypsin-EDTA solution | T4299 | sigma | trypsinize cells |
Virkon | 95015661 | Anachem Ltd | desinfectant |
Falcon tube | CLS430791-500EA | Sigma | hold cell suspension |
N1L forward 5’-TATCTAGCAATGGACCGT-3’ | Sigma | PCR primer | |
N1L reverse 5’-CCGAAGGTAGTAGCATGGA-3' | Sigma | PCR primer | |
A52R forward 5’-ATAGGATTGTGTGCATGC-3’ | Sigma | PCR primer | |
A52R reverse 5’-TTGCGGTATATGTATGAGGTG-3’ | Sigma | PCR primer | |
RFP forward 5’- GCTACCGGACTCAGATCCA-3’ | Sigma | PCR primer | |
RFP reverse 5’-CGCCTTAAGATACATTGATGAG-3’ | Sigma | PCR primer | |
Argarose | A7431 | Sigma | resolve PCR product |
G:BOX F3 | G:BOX F3 | Syngene | UV gel doc |