CRISPR-Cas היא טכנולוגיה רבת עוצמה להנדס הגנום מורכבים של צמחים ובעלי חיים. כאן, אנחנו פירוט נוהל לעריכת ביעילות הגנום האנושי באמצעות endonucleases רשויות אישורים שונים. אנחנו מדגישים שיקולים חשובים ופרמטרים עיצוב כדי למטב את יעילות העריכה.
המערכת חזרה palindromic קצר באופן קבוע interspaced (CRISPR) באשכולות מתפקד באופן טבעי של חיידקי החסינות אדפטיבית, אך יש כבר בהצלחה לשנות את ייעודו הגנום הנדסה רבים אורגניזמים שונים. בדרך כלל, wildtype CRISPR הקשורים 9 (Cas9) או Cas12a endonuclease משמשת כדי לדבוק אתרים ספציפיים בגנום, אחרי אשר יתוקן מעבר כפול גדילי הדנ א באמצעות הסוף שאינם הומולוגיים הצטרפות לשביל (NHEJ) או את (תיקון מכוון הומולוגיה HDR) מסלול בהתאם תבנית התורם נעדרים או להציג בהתאמה. עד כה, CRISPR מערכות ממינים שונים חיידקי הוכחו להיות מסוגל לבצע עריכה הגנום בתאים בתרבית. עם זאת, למרות הפשטות לכאורה של הטכנולוגיה, מספר פרמטרים צריכים לקחת בחשבון, אשר לעיתים קרובות להשאיר משתמשים מבולבלים אודות הטוב ביותר לבצע את הגנום שלהם עריכת ניסויים. כאן, אנו מתארים שזרימת עבודה מלאה של הנבחנים: זיהוי של שיבוטים תא שנושאים שינויים DNA הרצוי, במטרה להקל על ביצוע מוצלח של הגנום עריכת ניסויים בקווים בתרבית של תאים. אנחנו האר שיקולים מרכזיים עבור משתמשים כדי לשים לב, כולל הבחירה של מערכת CRISPR, אורך מרווח, את העיצוב של תבנית התורם חד גדילי oligodeoxynucleotide (ssODN). נוכל לדמות כי זרימת עבודה זו תהיה שימושית ללימודים נוקאאוט גנטי, מחלת מידול המאמצים, או הדור של הכתב תא קווים.
היכולת מהנדס הגנום של כל אורגניזם חי יש לא מעט אפליקציות ביו, הביו-טכנולוגיה, כגון התיקון של גורמי מחלות מוטציות, בניית דגמי הסלולר מדויק לחקר המחלה, או דור של החקלאי יבולים עם תכונות רצויות. מאז המאה ה, טכנולוגיות שונות פותחו עבור גנום הנדסה בתאי יונקים, כולל meganucleases1,2,3, אבץ אצבע nucleases4,5, או תמלול אפקטור activator דמוי nucleases (TALENs)6,7,8,9. עם זאת, טכנולוגיות קודמות אלה הם קשה לתוכנית או מייגע להרכיב, ובכך פוגעות שלהם אימוץ נרחב מחקר ובתעשייה.
בשנים האחרונות, באופן קבוע באשכולות interspaced חזרה palindromic קצר (CRISPR) – מערכת CRISPR-הקשורים (Ca) התפתחה גנום חדש חזק הנדסה טכנולוגיה10,11. במקור מערכת חיסונית אדפטיבית בחיידקים, עבר בהצלחה לפריסה הגנום שינוי בצמחים ובעלי חיים, כולל האדם. הסיבות העיקריות מדוע CRISPR-Cas צברה פופולריות רבה בזמן כל כך קצר זה הרכיב המביאה את endonuclease Cas מפתח, כגון Cas9 או Cas12a (ידוע גם בשם Cpf1), על המיקום הנכון הגנום הוא פשוט חתיכת קצר מדריך בודד chimeric RN (SgRNA), אשר היא פעולה פשוטה עיצוב וזול לסנתז. לאחר לאתר היעד האנזים Cas מתפקד בתור זוג מספריים מולקולרית ודבק ה-DNA מאוגד עם שלו RuvC, HNH או Nuc תחומים12,13,14. מעבר נטושים כפול וכתוצאה מכך (DSB) לאחר מכן תיקון על ידי התאים באמצעות קצה שאינם הומולוגיים להצטרף (NHEJ) או מסלול תיקון מכוון הומולוגיה (HDR). בהיעדרו של תבנית תיקון, DSB יתוקן על ידי השביל NHEJ לשגיאות, אשר יכולים להצמיח אקראיים מדומים ההוספה או המחיקה של נוקלאוטידים (indels) באתר לחתוך, ובכך לגרום frameshift מוטציות בגנים חלבונים. עם זאת, בנוכחות התורם תבנית המכילה את השינויים הרצויים של הדנ א, DSB יתוקן על ידי השביל HDR דיוק גבוה. סוגים נפוצים של תבניות התורם כוללים חד גדילי oligonucleotides (ssODNs), פלסמידים. לשעבר משמש בדרך כלל אם השינויים DNA המיועד קטנות (לדוגמה, שינוי של בסיס יחיד זוג רשימות), בזמן האחרון זה משמש בדרך כלל אם אנחנו רוצים להוסיף רצף ארוך יחסית (לדוגמה, רצף קידוד של חלבון פלואורסצנטי ירוק או GFP) לתוך מיקומה היעד.
הפעילות endonuclease של החלבון Cas דורש הנוכחות של protospacer הסמוך מוטיב (פאם) ב אתר היעד15. פאם של Cas9 נמצא בקצה 3′ של protospacer, פאם Cas12a (הנקראת גם Cpf1) נמצאת בקצה 5′ במקום16. Cas-המדריך RNA מורכב אין אפשרות להציג DSB אם פאם הוא נעדר17. לפיכך, פאם המקומות אילוץ על המיקומים גנומית איפה מסוגל לבקע נוקלאז Cas מסוים. למרבה המזל, nucleases Cas של מינים שונים של חיידקים בדרך כלל התערוכה פאם דרישות שונות. לפיכך, על ידי שילוב של המערכות CRISPR-Cas השונות שלנו ארגז כלים הנדסיים, אפשר להרחיב את מגוון אתרים אשר עשוי להיות ממוקד הגנום. יתר על כן, אנזים Cas טבעי שניתן הנדסה לאחור או התפתחו כדי לזהות רצפים פאם חלופיים, שמפרידה את היקף נגיש מניפולציה18,19,20גנומית מטרות.
למרות מספר מערכות CRISPR-Cas זמינים למטרות הנדסה הגנום, רוב המשתמשים של הטכנולוגיה יש הסתמך בעיקר על נוקלאז Cas9 מ הפישחה ינפל תומימת סטרפטוקוקוס (SpCas9) מסיבות רבות. קודם כל, זה דורש יחסית פשוט הגולה פאם, בניגוד רבים לחלבונים אחרים-Cas זה יכול לבקע רק בנוכחות PAMs מורכבים יותר. שנית, זה endonuclease Cas הראשון כדי לפרוס בהצלחה תאים אנושיים21,22,23,24. שלישית, SpCas9 הוא האנזים מאופיין בצורה הטובה ביותר עד כה. אם חוקר מבקש להשתמש נוקלאז Cas אחר, הוא או היא לעתים קרובות יהיה ברור על הדרך הטובה ביותר לעצב את הניסוי ותבצע כמה אנזימים אחרים בהקשרים ביולוגיים שונים, בהשוואה ל- SpCas9.
כדי להוסיף הבהרות לגבי את הביצועים היחסיים של מערכות CRISPR-Cas שונות, לאחרונה ערכנו השוואה שיטתית של חמש רשויות אישורים endonucleases – SpCas9, האנזים Cas9 מ Staphylococcus aureus (SaCas9), האנזים Cas9 מ- מנינגוקוקוס (NmCas9), האנזים Cas12a מן Acidaminococcus sp. BV3L6 (AsCas12a), האנזים Cas12a של החיידק Lachnospiraceae ND2006 (LbCas12a)25. להשוואה הוגן, הערכנו את nucleases רשויות אישורים שונים באמצעות אותה קבוצה של אתרי יעד ותנאים אחרים ניסיוני. המחקר גם מאפשרת עיצוב הפרמטרים עבור כל מערכת CRISPR-Cas, אשר ישמש כהפניה שימושי עבור משתמשים של הטכנולוגיה. . הנה, טוב יותר לאפשר לחוקרים לנצל CRISPR-Cas מערכת, אנו מספקים פרוטוקול צעד אחר צעד עבור הנדסה הגנום אופטימלית עם אנזימים שונים Cas9 ו- Cas12a (ראה איור 1). הפרוטוקול כוללת לא רק פרטים ניסיוני אבל שיקולי התכנון חשוב גם כדי להגדיל את הסבירות של תוצאה הנדסה מוצלחת הגנום בתאים בתרבית.
איור 1 : סקירה כללית של זרימת העבודה כדי ליצור הגנום נערך שורות תאים אנושיים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
מערכת CRISPR-Cas היא טכנולוגיה חזקה, מהפכני להנדס את הגנום ואת transcriptomes של צמחים ובעלי חיים. זנים חיידקיים רבים נמצאו יכילו מערכות CRISPR-Cas, אשר פוטנציאל עשוי להיות מותאם הגנום, transcriptome הנדסה למטרות44. למרות Cas9 endonuclease של סטרפטוקוקוס הפישחה ינפל תומימת (SpCas9) היה האנזים הראשון כדי לפ?…
The authors have nothing to disclose.
M.H.T. נתמך על ידי סוכנות מענק משרד המועצה המשותפת של מדע טכנולוגיה ומחקר (1431AFG103), המועצה הלאומית למחקר רפואי גרנט (OFIRG 0017 2016), קרן מחקר לאומי מעניק (NRF2013-THE001-046, NRF2013-THE001-093), משרד החינוך Tier 1 גרנט (RG50/17 (S)), סטארט-אפ הענק Nanyang הטכנולוגי מהאוניברסיטה, ו כספים עבור התחרות הבינלאומית גנטית הנדסת מכונות (iGEM) מאוניברסיטת Nanyang הטכנולוגי.
T4 Polynucleotide Kinase (PNK) | NEB | M0201 | |
Shrimp Alkaline Phosphatase (rSAP) | NEB | M0371 | |
Tris-Acetate-EDTA (TAE) Buffer, 50X | 1st Base | BUF-3000-50X4L | Dilute to 1X before use. The 1X solution contains 40 mM Tris, 20 mM acetic acid, and 1 mM EDTA. |
Tris-EDTA (TE) Buffer, 10X | 1st Base | BUF-3020-10X4L | Dilute to 1X before use. The 1X solution contains 10 mM Tris (pH 8.0) and 1 mM EDTA. |
BbsI | NEB | R0539 | |
BsmBI | NEB | R0580 | |
T4 DNA Ligase | NEB | M0202 | 400,000 units/ml |
Quick Ligation Kit | NEB | M2200 | An alternative to T4 DNA Ligase. |
Rapid DNA Ligation Kit | Thermo Scientific | K1423 | An alternative to T4 DNA Ligase. |
Zero Blunt TOPO PCR Cloning Kit | Thermo Scientific | 451245 | The salt solution comes with the TOPO vector in the kit. |
NEBuilder HiFi DNA Assembly Master Mix | NEB | E2621L | Kit for Gibson assembly. |
One Shot Stbl3 Chemically Competent E.Coli | Thermo Scientific | C737303 | |
LB Broth (Lennox), powder | Sigma Aldrich | L3022 | Reconstitute in ddH20, and autoclave before use |
LB Broth with Agar (Lennox), powder | Sigma Aldrich | L2897 | Reconstitute in ddH20, and autoclave before use |
SOC media | – | – | 2.5 mM KCl, 10 mM MgCl2, 20 mM glucose in 1 L of LB Broth |
Ampicillin (Sodium), USP Grade | Gold Biotechnology | A-301 | |
REDiant 2X PCR Mastermix | 1st Base | BIO-5185 | |
Agarose | 1st Base | BIO-1000 | |
T7 Endonuclease I | NEB | M0302 | |
Plasmid DNA Extraction Miniprep Kit | Favorgen | FAPDE 300 | |
Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM), High Glucose | Hyclone | SH30081.01 | 4.5 g/L Glucose, no L-glutamine, HEPES and Sodium Pyruvate |
L-Glutamine, 200mM | Gibco | 25030 | |
Penicillin-Streptomycin, 10, 000U/mL | Gibco | 15140 | |
0.25% Trypsin-EDTA, 1X | Gibco | 25200 | |
Fetal Bovine Serum | Hyclone | SV30160 | FBS is heat inactivated before use at 56 oC for 30 min |
Phosphate Buffered Saline, 1X | Gibco | 20012 | |
jetPRIME transfection reagent | Polyplus Transfection | 114-75 | |
QuickExtract DNA Extraction Solution, 1.0 | Epicentre | LUCG-QE09050 | |
ISOLATE II Genomic DNA Kit | Bioline | BIO-52067 | An alternative to QuickExtract |
Q5 High-Fidelity DNA Polymerase | NEB | M0491 | |
Deoxynucleotide (dNTP) Solution Mix | NEB | N0447 | |
6X DNA Loading Dye | Thermo Scientific | R0611 | 10 mM Tris-HCl (pH 7.6) 0.03% bromophenol blue, 0.03% xylene cyanol FF, 60% glycerol, 60 mM EDTA |
Protease Inhibitor Cocktail, Set3 | Merck | 539134 | |
Nitrocellulose membrane, 0.2µm | Bio-Rad | 1620112 | |
Tris-glycine-SDS buffer, 10X | Bio-Rad | 1610772 | Dilute to 1X before use. The 1x solution contains 25 mM Tris, 192 mM glycine, and 0.1% SDS. |
Tris-glycine buffer, 10X | 1st base | BUF-2020 | Dilute to 1X before use. The 1x solution contains 25 mM Tris and 192 mM glycine. |
Ponceau S solution | Sigma Aldrich | P7170 | |
TBS, 20X | 1st base | BUF-3030 | Dilute to 1X before use. The 1x solution contains 25 mM Tris-HCl (pH 7.5) and 150 mM NaCl. |
Tween 20 | Sigma Aldrich | P9416 | |
Skim Milk for immunoassay | Nacalai Tesque | 31149-75 | |
WesternBright Sirius-femtogram HRP | Advansta | K12043 | |
Antibody for β-actin (C4) | Santa Cruz Biotechnology | sc-47778 | Lot number: C0916 |
MiSeq system | Illumina | SY-410-1003 | |
NanoDrop spectrophotometer | Thermo Scientific | ND-2000 | |
Qubit fluorometer | Thermo Scientific | Q33226 | |
EVOS FL Cell Imaging System | Thermo Scientific | AMF4300 | |
CRISPR plasmid: pSpCas9(BB)-2A-GFP (PX458) | Addgene | 48138 | Single vector system: The gRNA is expressed from the same plasmid. |
CRISPR plasmid: pX601-AAV-CMV::NLS-SaCas9-NLS-3xHA-bGHpA | Addgene | 61591 | Single vector system: The gRNA is expressed from the same plasmid. |
CRISPR plasmid: xCas9 3.7 | Addgene | 108379 | Dual vector system: The gRNA is expressed from a different plasmid. |
CRISPR plasmid: pX330-U6-Chimeric_BB-CBh-hSpCas9 | Addgene | 42230 | Single vector system: The gRNA is expressed from the same plasmid. |
CRISPR plasmid: hCas9 | Addgene | 41815 | Dual vector system: The gRNA is expressed from a different plasmid. |
CRISPR plasmid: eSpCas9(1.1) | Addgene | 71814 | Single vector system: The gRNA is expressed from the same plasmid. |
CRISPR plasmid: VP12 (SpCas9-HF1) | Addgene | 72247 | Dual vector system: The gRNA is expressed from a different plasmid. |