CRISPR-Cas bitki ve hayvan karmaşık genleri Mühendisi için güçlü bir teknolojidir. Burada, verimli bir şekilde farklı Cas endonucleases kullanarak insan genomu düzenlemek için bir iletişim kuralı ayrıntılı. Biz ilgili önemli noktalar ve Düzenleme verimliliği optimize etmek için tasarım parametreleri vurgulayın.
Kümelenmiş düzenli olarak interspaced kısa palindromik yineler (CRISPR) sistem doğal olarak bakteriyel edinilmiş bağışıklık fonksiyonları ama başarılı bir şekilde pek çok farklı canlıların genom mühendisliği için repurposed. En sık wildtype CRISPR 9 (Cas9) ilişkili veya Cas12a endonükleaz sonra homolog olmayan sonunda (NHEJ) yol veya onarım homoloji-yönetmen (katılma yolu ile DNA çift iplikçikli sonu onarılana genom, belirli sitelerde ayırmak için kullanılır Bir donör şablon olmasına bağlı olarak HDR) yolu yok veya sırasıyla mevcut. Bugüne kadar farklı bakteri türleri sistemlerden CRISPR genom memeli hücrelerinde düzenleme gerçekleştirme yeteneğine sahip olması gösterilmiştir. Ancak, teknoloji belirgin basitliğine rağmen birden çok tasarım parametrelerinin değerlendirilmesi, hakkında en iyi deneyler düzenleme onların genom taşımak için çapraşık kullanıcılar sık sık terk gerekir. Burada, tam bir iş akışı deneysel tasarım başarılı memeli hücre hatları deneylerde düzenleme genom yürütülmesini kolaylaştırmak amacı ile istenilen DNA değişiklikleri taşıyan Hücre klonlar tanımlaması için açıklamak. Biz kullanıcıların, dikkat çekmek kritik noktalar CRISPR sistem, rondela uzunluğu ve tek iplikçikli oligodeoxynucleotide (ssODN) donör şablonunun tasarımını seçimi de dahil olmak üzere vurgulayın. Biz bu iş akışı için gen nakavt çalışmaları, çabaları, modelleme hastalığı faydalı olacaktır veya satırları üretimi muhabiri hücre öngörülüyor.
Hastalığa neden olan düzeltilmesi gibi birçok Biyomedikal ve Biyoteknolojik uygulamaları herhangi bir canlı organizma genom mühendis yeteneğine sahiptir mutasyonlar, hastalık çalışmalar için doğru hücresel modelleri inşaatı veya, tarımsal üretimi arzu edilen özellikleri ile bitkileri. Yüzyılın beri genom Mühendisliği dahil meganucleases1,2,3memeli hücrelerinde için çeşitli teknolojiler geliştirilmiştir, parmak nükleaz4,5, çinko veya Transkripsiyon harekete geçirmek gibi efektör enzimler (TALENs)6,7,8,9. Ancak, bu önceki böylece onların yaygınlaşmasının araştırma ve endüstrisi engelleyici programı için zor ya da sıkıcı bir araya getirmek teknolojilerdir.
Son yıllarda, kümelenmiş düzenli olarak kısa palindromik yineler (CRISPR) interspaced – CRISPR-ilişkili (Cas) sistem teknoloji10,11mühendislik güçlü yeni genom ortaya çıkmıştır. Aslında bir adaptif bağışıklık sisteminde bakteri, başarıyla oldu genom değişiklik bitkiler ve hayvanlar, insanlar da dahil olmak üzere dağıtılmış. Neden CRISPR-Cas kısa bir sürede çok popülerlik kazanmıştır bir temel nedeni bu Cas9 veya Cas12a (Ayrıca Cpf1 da bilinir) gibi anahtar Cas endonükleaz getiriyor öğe, genom doğru konuma chimeric tek Kılavuzu RN sadece kısa bir parçası (SgRNA), bir tasarım için basit ve ucuz sentezlemek. Hedef siteye işe ediliyor sonra CA’ları enzim moleküler makas çifti olarak işlev görür ve onun RuvC, HNH veya Nuc etki alanları12,13,14ile ilişkili DNA cleaves. Elde edilen çift telli sonu (DSB) daha sonra homolog olmayan sonu (NHEJ) katılma veya homoloji yönetmen onarım (HDR) yolu ile hücreleri tarafından onarıldı. Onarım şablon yokluğunda, DSB potansiyel olarak protein kodlayıcı genlerin frameshift mutasyonlar neden çıkmasına neden takma ad-rasgele ekleme veya silmek-in nükleotit (indels) kesim yerinde olabilir, hataya NHEJ yolu tarafından onarıldı. Ancak, istediğiniz DNA değişiklikleri içeren bir donör şablonu huzurunda DSB yüksek sadakat HDR yolu tarafından onarıldı. Donör şablonları sık karşılaşılan tek iplikçikli oligonucleotides (ssODNs) ve plazmid bulunmaktadır. Eğer bir nispeten uzun bir sıra eklemek dilek ikinci genellikle kullanılırken dilediğiniz DNA değişiklikleri (örneğin, tek bir baz çifti İLETİMLERİNİZE), küçük eski genellikle kullanılır (örneğin, bir yeşil flüoresan protein kodlama dizisi veya GFP) hedef locus içine.
CA’ları protein endonükleaz Etkinlik hedef site15bir protospacer bitişik motifi (PAM) olmasını gerektirir. (Cpf1 olarak da bilinir) Cas12a PAM 5′ sonunda bunun yerine olmakla Cas9 PAM163′ sonunda protospacer olduğunu. Cas-Kılavuzu RNA karmaşık PAM17ise bir DSB tanıtmak değiştiremiyor. Bu nedenle, PAM belirli bir Cas nükleaz ayırmak mümkün nerede genomik Mekanlar üzerinde bir kısıtlama yerleştirir. Neyse ki, Cas enzimler farklı bakteri türleri üzerinden genellikle farklı PAM gereksinimleri sergi. Bu nedenle, çeşitli CRISPR-Cas sistemleri mühendislik bizim alet entegre ederek, bir genom hedefleyebilir siteleri aralığını genişletebilirsiniz. Ayrıca, doğal bir Cas enzim mühendislik veya daha fazla genomik hedefleri manipülasyon18,19,20‘ ye erişilebilir kapsamını genişletme alternatif PAM dizileri tanımasını gelişti.
Teknolojisi çoğu kullanıcı için birden çok nedeni birden çok CRISPR-Cas sistemi genom mühendislik amaçları için kullanılabilir olmakla birlikte, ağırlıklı olarak Cas9 nükleaz Streptococcus pyogenes (SpCas9) üzerinden yararlanmıştır. Birincisi, bir nispeten sade bir şekilde NGG PAM, aksine sadece varlığında daha karmaşık PAMs bölmek birçok diğer Cas protein gerektirir. İkincisi, bu insan hücreleri21,22,23,24‘ te başarılı bir şekilde dağıtılması için ilk Cas endonükleaz ‘s. Üçüncü olarak, SpCas9 bugüne kadar en iyi karakterize enzim gereğidir. Bir araştırmacı başka bir Cas nükleaz kullanmak isterse, o ya da o sık sık tasarım deneme ve nasıl su kuyusu diğer enzimler için SpCas9 göre farklı biyolojik bağlamlarda yapmak için en iyi nasıl hakkında belirsiz olur.
Farklı CRISPR-Cas sistemleri göreli performansını konusunu açıklığa kavuşturmak amacıyla, biz son zamanlarda beş Cas endonucleases – SpCas9, Staphylococcus aureus (SaCas9), Cas9 enzim dan gelen Cas9 enzim sistematik karşılaştırılması gerçekleştirdiyseniz Neisseria meningitidis (NmCas9), Cas12a enzim Acidaminococcus sp. BV3L6 üzerinden (AsCas12a) ve Cas12a enzim (LbCas12a) Lachnospiraceae bakteri ND2006 üzerinden25. Adil bir karşılaştırma için hedef siteleri ve diğer deneysel koşullar aynı kümesini kullanarak çeşitli Cas nükleaz değerlendirildi. Teknoloji kullanıcıları için yararlı bir başvuru olarak hizmet verecek her CRISPR-Cas sistem ayrıca belirlenen çalışma tasarım parametreleri. Burada, daha iyi araştırmacılar CRISPR-CA’larına faydalanmak için etkinleştirme sistemi, biz en iyi genom Mühendisliği (bkz. şekil 1) farklı Cas9 ve Cas12a enzimleri ile için adım adım bir protokol sağlar. Protokol sadece başarılı genom mühendislik sonucu memeli hücrelerinde olasılığını en üst düzeye çıkarmak için de önemli tasarım konuları ama deneysel ayrıntıları içerir.
Resim 1 : İnsan hücre hatları düzenlenmiş genom oluşturmak için iş akışının genel bir bakış. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
CRISPR-Cas sistemi genleri ve transcriptomes bitki ve hayvan Mühendisi için güçlü, devrimci bir teknolojidir. Çok sayıda bakteri türlerinin potansiyel olarak genom ve transcriptome amacıyla44mühendislik için adapte olabilir CRISPR-Cas sistemleri içeren tespit edilmiştir. Cas9 endonükleaz Streptococcus pyogenes (SpCas9) üzerinden diğer bakteriyel gelen enzimler insan hücreleri21,22,23</…
The authors have nothing to disclose.
M.H.T. bir ajans için bilim teknoloji ve araştırma’nın ortak Konseyi Office grant (1431AFG103) tarafından desteklenmektedir, Ulusal Tıbbi Araştırma Konseyi grant (OFIRG/0017/2016), Ulusal Araştırma Vakfı Hibe (NRF2013-THE001-046 ve NRF2013-THE001-093), bir Bakanlığı Eğitim Tier 1 verme (RG50/17 (S)), bir başlangıç Nanyang Teknoloji Üniversitesi ve Nanyang Teknoloji Üniversitesi Uluslararası genetik mühendislik makine (IGEM) rekabet için para verin.
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. |