牛痘病毒(VV)已被广泛用于生物医学研究和人体健康的改善。本文介绍使用CRISPR-Cas9系统编辑VV基因组的简单,高效的方法。
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.
痘苗病毒(VV)是属于痘病毒家族包膜DNA病毒,并且在消灭天花的药物最伟大的成就之一,起到了至关重要的作用。在消灭了天花后时代,维维已经发展成为通过插入由各种病原体基因导入VV载体基因交付防治艾滋病毒和其他传染性疾病的疫苗1-7的向量。 VV也被广泛地用作载体的癌症免疫治疗8-14特别是对于肿瘤靶向复制溶瘤痘苗病毒的发展。为了创建与癌细胞改进选择性的有效疫苗载体,病毒基因组内的修改是必要的,包括基因缺失或导入治疗基因。
用DNA技术的发展和更好地理解分子生物学和病毒学,外源DNA的插入到VV最初实现d。使用同源重组(HR)20世纪80年代15。这种方法仍然是广泛用于构建VV载体。遗传修饰的导入是通过使用了HR的穿梭载体,它与在预感染的细胞的基因组中的VV重组实现。然而,这种方法已被证明是非常低效的(小于1%的同源重组效率16)和通常导致选择标记的随机插入非目标区域和/或在病毒扩张所述标记的损失。
DNA的同源重组在基因组位点插入的外源DNA的效率可以在双链断裂(DNA双链断裂)17的存在而显着提高。因此,可以在目标位点DNA双链断裂诱导技术适用于VV基因组工程的巨大潜力。
最近开发的CRISPR-Cas9系统显示在任何VV基因区域触发DNA双链断裂的承诺。 CRISPR-Cas9是RNA-引导核酸酶参与打击入侵的噬菌体等外来遗传物质18-20适应性免疫。有在一个范围内的微生物物种21三CRISPR-CAS系统。 II型CRISPR-CAS系统广泛用于编辑真核细胞和大的病毒的基因组。它由RNA导向Cas9核酸内切酶(由化脓性链球菌 )中,单个导的RNA(因组)和反式激活crRNA(tracrRNA)22-24。所述Cas9 /因组复杂识别在哺乳动物细胞22 5'-NGG-3'Protospacer相邻基序(PAM)的序列,23之前的互补20-核苷酸基因组序列,已被成功地用于有效产生遗传修饰的细胞,病毒和动物模型22-32。
所述CRISPR-Cas9系统已被证明是对基因组中的VV的细胞质与同源重组结合靶向的有效工具感染的CV-1细胞s至产生突变牛痘病毒33,34。为了延长该方法的潜在应用,我们提出有关此系统的方法的详细信息。所述协议可用于创建与特定的基因缺失的突变体VV和/或与治疗性转基因臂的突变病毒。
有关于用于治疗目的VV的修改两个主要目标。之一是要删除一个特定的基因,如胸苷激酶(TK)基因,以衰减病毒抗肿瘤的治疗用途。另一种是手臂VV与期望的治疗基因(如GM-CSF)或标记基因(如荧光素酶基因)。实现任一这些涉及的目标区域/基因的缺失。一个直接的DNA连接方法35和体外包装方法36先前已被用来产生的TK基因突变的修改痘苗病毒。然而,这些方法都对基因组中的其他区域的突变应用由于缺乏在整个基因组的独特限制酶位点的限制。当前的方法来创建突变的VV涉及用选择标记(RFP或GFP)到CV-1细胞感染VV后两小时的穿梭(供体)载体的转染以诱导同源重组incorporati纳克选择标记到目标区域。标记阳性噬斑的选择,随后可以通过纯化后24小时转染。斑块净化过程可能需要长达10个回合,最后3-4周,并常常导致不希望重组病毒插入在非目标区域选择标记。 DNA双链断裂能有效诱导同源重组在哺乳动物细胞37,以及通过利用这种机制,产生突变的VV的效率可以大大提高。所述gRNA引导Cas9系统已在基因组中的编辑被成功地并增强同源重组的效率在真核生物22,25。最近,在宿主细胞中我单纯疱疹病毒是由gRNA引导Cas9编辑腺病毒和类型的基因组系统24。最近已经证明,CRISPR Cas9系统是用于有效地编辑VV基因组,构建一个VV载体用于表达的有力工具特定基因。
既N1L gRNA制导Cas9和传统的同源重组(HR)方法导致在N1L的相同靶位点成功的人力资源的事件。然而有趣的是gRNA引导Cas9引起HR在更高水平的效率比传统的人力资源的方法。因此,使用gRNA制导Cas9的无需纯化许多斑块以获得突变的VV。在这项工作中,我们显著提高用于产生使用gRNA引导Cas9系统33突变的VV的效率和时限。值得注意的是,用于获得同源重组的一种高效率的一个关键步骤是在执行传统的同源重组之前转染CV-1细胞用表达Cas9和gRNA质粒24小时。在24小时的时间间隔允许Cas9和gRNA至在合理的水平来表示。此外,靶向特定基因的gRNA序列可能需要被优化的,因为我们发现,不同gRNA序列吨argeting N1L基因的效率33,34变化。
在编辑VV为CRISPR / Cas9的限制是在第一轮重组RFP阳性斑块的低速率。以获得足够数量的含有重组病毒的RFP阳性噬斑,通常至少十个,需要6孔板,这使得第一轮筛选乏味。因此,仍有需要优化来克服这种限制的协议。
RFP阳性噬斑的小尺寸是另一个潜在的问题,这是由于用于感染6孔板高容量裂解物。为了克服这个,裂解物的一个较小的体积,应用于感染6孔板,以获得更大的尺寸的RFP阳性噬菌斑。使用裂解物的一个更小的体积也将使从RFP-消极的RFP阳性噬斑的更好的分离。因此较少轮噬斑纯化的需要获得纯的RFP阳性噬菌斑。
<p类=“jove_content”>关靶效应总是在基因的编辑不需要的问题。 CRISPR-Cas9表明脱靶效应。然而,随着gRNA的精心设计,脱靶可以编辑VV基因组的33,34时避免了影响。这是使用gRNA引导Cas9系统用于编辑VV的基因组的特定益处。由于VV的承诺,使用CRISPR / Cas9系统将加快生物医学研究和转化医学突变些VV的发展。此外,这样的系统也将加速在细胞生物学的发现,例如用于其基于肌动蛋白的蠕动使用VV的信号通路的清扫。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 |