Generación de modificaciones genómicas definidas utilizando CRISPR-CAS9 en células madre pluripotentes humanas
Summary
Este protocolo proporciona un método para facilitar la generación de cambios de nucleótidos heterocigotos u homocigotos definidos utilizando CRISPR-CAS9 en células madre pluripotentes humanas.
Abstract
Las células madre pluripotentes humanas ofrecen un potente sistema para estudiar la función génica y modelar mutaciones específicas relevantes para la enfermedad. La generación de modificaciones genéticas heterocigotos precisas es difícil debido a la formación de indel mediada por CRISPR-CAS9 en el segundo alelo. Aquí, demostramos un protocolo para ayudar a superar esta dificultad mediante el uso de dos plantillas de reparación en las que sólo una expresa el cambio de secuencia deseado, mientras que ambas plantillas contienen mutaciones silenciosas para evitar el re-corte y la formación de indel. Esta metodología es más ventajosa para que las regiones de codificación de genes del ADN generen control isogénico y líneas de células madre humanas mutantes para el estudio de enfermedades humanas y biología. Además, se han realizado metodologías de optimización de la transfección y el cribado para reducir el trabajo de parto y el costo de un experimento de edición de genes. En general, este protocolo es ampliamente aplicable a muchos proyectos de edición del genoma que utilizan el modelo de células madre pluripotentes humanas.
Introduction
Las células madre embrionarias humanas (hESC) y las células madre pluripotentes inducidas (iPSC) son herramientas valiosas para modelar enfermedades humanas debido a su capacidad de renovación, manteniendo al mismo tiempo la capacidad de generar tipos celulares de diferentes linajes1,2 ,3,4. Estos modelos abren la posibilidad de interrogar la función génica, y entender cómo las mutaciones y fenotipos específicos están relacionados con diversas enfermedades5,6. Sin embargo, para entender cómo una alteración específica está vinculada a un fenotipo particular, el uso de un control isogénico emparejado y líneas celulares mutantes es importante controlar para la variabilidad de línea a línea7,8. Las nucleasas de efector similares a los activadores de transcripción (TALENs) y las nucleasas de dedos de zinc se han utilizado para generar mutaciones de inserción o deleción (indels) en diversos modelos genéticos, incluidas las células primarias; pero estas nucleasas pueden ser engorrosas de usar y caras9,10,11,12,13,14. El descubrimiento de la nuclearo de repetición palindrómica corta (CRISPR)-CAS9, regularmente interespaciada, ha revolucionado el campo debido a la eficiencia en la formación de indel en prácticamente cualquier región del genoma, la simplicidad de uso y la reducción del costo15 , 16 , 17 , 18 , 19.
Un desafío en el uso de la tecnología de edición del genoma basada en CRISPR-CAS9 ha sido la generación o corrección de mutaciones específicas en un alelo sin crear una mutación indel en el segundo alelo20. El objetivo principal de este protocolo es superar este desafío mediante el uso de dos plantillas de reparación de oligonucleótidos de una sola cadena (ssODN) para reducir la formación de indel en el segundo alelo. Ambos ssODN están diseñados para contener mutaciones silenciosas para evitar el re-corte por la nucleasa CAS9, pero sólo uno contiene la alteración del interés. Este método aumenta la eficiencia de generar una modificación genética heterocigota específica sin inducir la formación de indel en el segundo alelo. Usando este protocolo, los experimentos de edición de genes en seis ubicaciones genómicas independientes demuestran la introducción precisa del cambio genómico deseado en un alelo sin formación indel en el segundo alelo y se produce con una eficiencia general del 10 %. El protocolo descrito ha sido adaptado de Maguire et al.21.
Protocol
Representative Results
Discussion
En este protocolo, se demuestra el uso de CRISPR-CAS9 junto con dos plantillas de reparación ssODN para generar cambios específicos del genoma heterocigoto u homocigoto en células madre pluripotentes humanas. Este método dio lugar a la generación exitosa de líneas celulares isogénicas que expresan cambios genómicos heterocigotos con una eficiencia cercana al 10%. Este protocolo ha sido optimizado tanto para ESC seres humanos como para iPSC cultivados en MEF irradiados que apoyan el crecimiento celular y la superv…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta investigación fue apoyada por fondos del Instituto Nacional del Corazón, Pulmón y Sangre (NHLBI), Institutos Nacionales de Salud a través de subvenciones U01HL099656 (P.G. y D.L.F.) y U01HL134696 (P.G. y D.L.F.).
Materials
| 5-ml polystyrene round-bottom tube with cell-strainer cap | Corning | 352235 | |
| 6-well polystyrene tissue culture dishes | Corning | 353046 | |
| AflII restriction endonuclease | New England Biolabs | R0520 | |
| Agarose | VWR | N605 | |
| DMEM/F12 medium | ThermoFisher | 11320033 | |
| dNTPs | Roche | 11969064001 | |
| Fluorescence-activated cell sorter (FACS) apparatus | |||
| Gel extraction kit | Macherey-Nagel | 740609 | |
| Gibson Assembly Kit | New England Biolabs | E2611 | |
| gRNA_Cloning Vector | Addgene | 41824 | |
| LB agar plates containing 50 μg/ml kanamycin | |||
| Lipofectamine Stem Reagent | ThermoFisher | (STEM00001) | |
| Matrigel Growth Factor Reduced (GFR) | Corning | 354230 | |
| Murine embryonic fibroblasts (MEFs) | |||
| Nucleospin Gel Extraction and PCR Clean-up Kit | Macherey-Nagel | 740609 | |
| Orbital shaking incubator | |||
| pCas9_GFP vector | Addgene | 44719 | |
| PCR strip tubes | USA Scientific | 1402-2900 | |
| Phusion High Fidelity DNA Polymerase and 5× Phusion buffer | New England Biolabs | M0530 | |
| PurelinkTM Quick Plasmid Miniprep Kit | Invitrogen | K210011 | |
| Proteinase K | Qiagen | Qiagen 19133 | |
| StellarTM electrocompetent Escherichia coli cells | Takara | 636763 | |
| SOC medium | New England Biolabs | B9020S | |
| TrypLE Express Enzyme | ThermoFisher | 12605036 | |
| Y-27632 dihydrochloride/ROCK inhibitor (ROCKi) | Tocris | 1254 |
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