Micro-injectie voor Transgenese en Genome Bewerken in Threespine Stekelbaarzen

Een fundamenteel onderdeel van het begrip van hoe biodiversiteit ontstaat is het bepalen van de genetische en ontwikkelingsstoornissen bases van geëvolueerd fenotypische veranderingen in de natuur. De driedoornige stekelbaars vis, Gasterosteus aculeatus, heeft ontpopt als een uitstekend model voor het bestuderen van de genetische basis van de evolutie. Stekelbaarzen hebben veel adaptieve evolutionaire veranderingen ondergaan zeevissen talloze zoetwater omgevingen gekoloniseerd rond het noordelijk halfrond, wat resulteert in dramatische morfologische, fysiologische en gedragsveranderingen ^1. De genomen van individuen 20-1 stickleback populaties werden gesequenced en geassembleerd, en een hoge dichtheid koppelingskaart werd gegenereerd om het samenstel te verbeteren ^2,3. Genetische mapping experimenten hebben genomische regio's die ten grondslag liggen aan geëvolueerd fenotypes ^4-6, en in een paar gevallen zijn de functionele rol van specifieke kandidaat-genen getest ^7,8. Een aantal genoomgebieden onderliggende morfologische veranderingen werden geïdentificeerd met veelbelovende kandidaat-genen, maar deze kandidaten nog niet functioneel getest ^9-12. Bovendien, stekelbaars zijn gangbare modellen voor studies van de bevolking genetica / genomics ^13,14, soortvorming ^15, gedrag ^1, endocrinologie ^16, ecotoxicologie ^17, immunologie en parasitologie ^{18 19.} Toekomstige studies in elk van deze gebieden zullen profiteren van de mogelijkheid om functionele genetische manipulaties in sticklebacks. Naast het manipuleren van hun coderende sequenties, kan de rol van kandidaatgenen worden geëvalueerd door het bestuderen van hun cis van regelgevende sequenties en functioneel toenemen, afnemen of elimineren van expressie van het kandidaatgen. Micro-injectie en transgenese methoden in stekelbaars zijn goed ingeburgerd ^7,8,20 en werden in eerste instantie ontwikkeld met behulp van een meganuclease bemiddeldeWerkwijze ²¹ eerst beschreven in medaka ^22. De gemodificeerde micro-injectie hier gepresenteerde methode is geoptimaliseerd voor zowel Tol2 gemedieerde transgenese en recent ontwikkelde genoom bewerken reagentia met inbegrip van Talens en CRISPRs.

Wijzigingen in cis van regelgevende elementen worden gedacht van cruciaal belang voor morfologische evolutie te zijn, zoals cis van regelgevende veranderingen die de negatieve gevolgen van pleiotrope codering mutaties ²³ kunnen voorkomen. Daarom is het testen en vergelijken van vermeende cis van regelgevende sequenties is uitgegroeid tot een centrale doelstelling van een toenemend aantal evolutionaire studies. Daarnaast hebben de meeste menselijke ziekten varianten zijn regulerende varianten ^24,25, en het model gewervelde systemen zijn hard nodig om cis van regelgevende element functie en logica te bestuderen. Vissen die hun embryo's extern bemesten in grote aantallen bieden krachtige gewervelde systemen om cis -regeling te bestuderen. Het Tol2 transposon systeem, waarbij buign DNA te integreren in het genoom wordt geflankeerd door Tol2 transposase bindingsplaatsen en co-geïnjecteerd met Tol2 transposase mRNA, werkt met hoge werkingsgraad voor succesvolle integratie plasmide constructen in fish genoom ^26-28. Typisch wordt een mogelijke enhancer gekloneerd stroomopwaarts van een basale promotor (zoals hsp70l ²⁹⁾ en fluorescerende reportergen zoals EGFP (verhoogd groen fluorescent eiwit) of mCherry in een Tol2 hoofdketen en geïnjecteerd met transposase mRNA ^26. Waarneming van expressie van het fluorescerende reporter, hetzij geïnjecteerde embryo's of nakomelingen met stabiel geïntegreerde transgenen, geeft informatie over de spatio-temporale regulatie van genexpressie aangedreven door de vermoedelijke enhancer. In verdere experimenten, kan bevestigd versterkers worden gebruikt om weefselspecifieke overexpressie van genen van belang drijven.

Voor de analyse van grotere cis van regelgevende regio's, van hoge kwaliteit met grote insert genomic bibliotheken met behulp van bacteriële kunstmatige chromosomen (BAC) zijn gebouwd voor zowel zee- en zoetwater stekelbaars ^30. Deze BACs kunnen worden recombineered een gen te vervangen door een fluorescerende reporter gen in de context van een groot (150-200 kb) genomisch gebied ^31. De fluorescerende reporter wordt vervolgens uitgedrukt in een spatiotemporele patroon, zoals bepaald door de regelgevende sequenties binnen de BAC. Voor studies in vis, kan Tol2 locaties worden toegevoegd aan de BAC op genomische integratie ^32,33 vergemakkelijken. In latere stadia van ontwikkeling in situ hybridisatie technisch uitdagend, kan de fluorescentie van de BAC worden gebruikt om patronen van genexpressie te bestuderen, zoals is getoond stickleback Bone morfogenetisch eiwit 6 (BMP6) ^20. Bovendien kunnen fluorescerende expressiepatronen bij een individu worden gevolgd in de tijd, die niet kan worden bereikt met in situ hybridisatie. BAC's kunnen ook worden gebruikt om een ​​additiona toevoegenl kopie van een genomisch gebied de dosering van een gen van belang te verhogen.

Voor het onderzoek van genfunctie, genoom bewerken is een explosief groeiende sector die kan worden gebruikt om gerichte wijzigingen genomische sequenties in diverse organismen ³⁴ te produceren. Transcriptie activator-achtige effector nucleasen (Talens) zijn modulair, sequentie-specifieke nucleasen oorspronkelijk geïsoleerd uit plantaardige pathogenen die nauwkeurig kan worden ontworpen om direct te binden aan een genoomsequentie van de keuze en het genereren van een dubbele streng te breken ^35,36. Geclusterde regelmatig afstand van elkaar korte palindroom repeats (CRISPR) / CAS werden oorspronkelijk gevonden in bacteriën en gebruik een gids-RNA en eiwit Cas9 om een breuk in een doel DNA sequentie complementair aan de geleiding ³⁷ te genereren. De daaropvolgende reparatie van de dubbelstrengbreuk door zowel Talens en CRISPRs vaak laat een kleine insertie of deletie, waarbij de functie van de doelsequentie kunnen verstoren35-37. In sticklebacks zijn Talens gebruikt om genexpressie ontwrichten via manipulatie van een versterker ^20, en beide Talens en CRISPRs met succes geproduceerd coderende mutaties (ongepubliceerde gegevens). Een gedetailleerd protocol voor het genereren van CRISPRs voor gebruik in zebravis kan worden gebruikt als richtlijn om CRISPRs voor stekelbaarsjes ³⁸ ontwikkelen.

Transgene en genoom bewerken experimenten vereisen invoering van nucleïnezuren in een pasbevruchte eencellige embryo. Door het inbrengen van het transgen of genoom-editing tool vroeg in de ontwikkeling, is het aantal genetisch gemanipuleerde dochtercellen in het embryo gemaximaliseerd. Geïnjecteerde embryo's worden vervolgens visueel onderzocht op fluorescentie of moleculair gescreend genoom wijzigingen. Als cellen die bijdragen tot de kiemlijn succesvol zijn gericht, kan het transgen of mutatie worden doorgegeven aan een subset van nakomelingen, zelfs wanneer na injectie dodelijkheid hoog. Het mozaïek vis kan worden outcrossed ofgekruist en hun nakomelingen gescreend om de mutant allelen of een stabiel geïntegreerd transgen van rente terug te vorderen. Dit protocol beschrijft methoden voor het introduceren van transgenen en genoom bewerken reagentia in één cel stekelbaars embryo's en het toezicht op voor een succesvolle genomische modificaties.