Genome editing of human pluripotent stem cells (hPSCs) can be done quickly and efficiently. Presented here is a robust experimental procedure to genetically engineer hPSCs as exemplified by editing the AAVS1 safe harbor locus to express EGFP and introduce antibiotic resistance.
Genoma de edición de células madre pluripotentes humanas (hPSCs) proporciona una plataforma controlada genéticamente y clínicamente relevante de la que para comprender el desarrollo humano e investigar la fisiopatología de la enfermedad. Mediante el empleo de nucleasas específicas del lugar (SSN) para la edición del genoma, la rápida derivación de nuevas líneas HPSC albergan alteraciones genéticas específicas en un entorno de lo contrario isogénico se hace posible. Zinc dedo nucleasas (ZFNs), transcripción nucleasas tipo activador efectoras (Talens) y agrupados espaciadas regularmente repeticiones palindrómicas cortas (CRISPR) / Cas9 son los números de seguro social más utilizados. Todas estas nucleasas funcionan mediante la introducción de un descanso de ADN de doble cadena en un sitio determinado, promoviendo así la edición gen precisa en un locus genómico. Edición genoma meditado-SSN explota dos de los mecanismos de las células endógenas de reparación del ADN, de extremos no homólogos de unión (NHEJ) y homología de reparación dirigido (IDH), ya sea a introducir de inserción / deleción mutaciones o alter el genoma utilizando una plantilla de reparación homóloga en el sitio de la rotura de doble cadena. Electroporación de hPSCs es un medio eficaz para la transfección de números de Seguro Social y las plantillas de reparación que incorporen transgenes tales como reporteros fluorescentes y casetes de resistencia a antibióticos. Después de la electroporación, es posible aislar sólo aquellos hPSCs que incorporaron el constructo de reparación mediante la selección para la resistencia a los antibióticos. Para separar mecánicamente colonias HPSC y confirmando la integración adecuada en el sitio diana a través de genotipado permite el aislamiento de líneas celulares correctamente orientadas y genéticamente homogéneos. La validez de este protocolo se demuestra aquí utilizando las tres plataformas SSN incorporar EGFP y una resistencia a puromicina construyen en el locus puerto seguro AAVS1 en células madre pluripotentes humanas.
Tecnologías de edición Genoma están evolucionando rápidamente en herramientas estándar de biología molecular y celular 1. La ingeniería genética de las células madre pluripotentes humanas (hPSCs) es de particular interés ya hPSCs representan una fuente de auto-renovación de células humanas primarias genéticamente intactos. hPSCs pueden diferenciarse en diversos tipos de células para el modelado de la enfermedad o como una fuente para las terapias de trasplante de 2,3. Ha demostrado aquí es un protocolo que utiliza tres tipos diferentes de nucleasas específicas de sitio (SSN) en conjunción con los mecanismos de reparación del ADN endógeno para la integración dirigida de un constructo indicador en el locus AAVS1. Después de la transfección de los SSN en hPSCs, demostramos cómo aislar poblaciones de células isogénicas albergar el reportero.
La capacidad de manipular genomas, específicamente los genomas de células madre pluripotentes, utilizando los SSN no es un nuevo fenómeno como la utilidad de nucleasas de dedos de zinc (ZFNs) y activat transcripciónnucleasas efectoras o similares (Talens) para la edición de genes se demostró hace varios años 4-10. Sin embargo, con el advenimiento de S. pyogenes CRISPR / tecnología Cas9 11-13 de la edición gen se ha convertido en ampliamente accesible 14. Todos los números de Seguro Social introducen una ruptura del ADN de doble cadena (DSB) en el sitio 1,4,5,11 destino especificado que está reparado por mecanismos celulares endógenos usando reparará extremo de unión (NHEJ) u homología dirigida no homóloga (IDH) 15. NHEJ es propenso a errores y se puede introducir mutaciones cambio de marco resulta en la pérdida de la función génica, mientras HDR permite nuevos elementos para ser introducidos a través de la co-transfección de una plantilla de reparación con el SSN. Mientras que los principios subyacentes de la reparación del ADN que facilitan la edición gen se cree que son en gran parte los mismos para cada SSN, algunas diferencias entre las plataformas pueden tenerse en cuenta. De novo diseño de ZFNs permite la flexibilidad y la nucleasa de optimización 16, sin embargo el uso de públicamentebibliotecas de montaje disponibles y herramientas de evaluación para diseñar ZFNs individuales pueden llevar mucho tiempo. Una vez determinado el lugar deseado para la orientación mediada por ZFN, pares ZFN pueden ser diseñados con la herramienta en línea ZiFit 17. Después de diseño, ZFNs se puede montar de forma modular a través de varias rondas de clonación plásmido 18. Alternativamente, hay muchas ZFNs disponibles comercialmente, pre-validado 19. Nucleasas TALE también pueden ser diseñados utilizando herramientas en línea y componentes disponibles públicamente 17,20. Por ejemplo, Talens se puede montar rápidamente de bloques de cinco repeticiones TALE, a través del conjunto FLASH 21 o el uso conjunto de la puerta de oro de PCR basada jerárquica 22. Facilidad de diseño SSN y la velocidad de la construcción utilizando CRISPR / Cas9 han hecho genoma editar una herramienta ampliamente accesible. La guía breve orientación ARN mediada de CRISPR / Cas9 también permite la multiplexación de los ARN de guía para orientar varios loci con una única construcción 14. El diseñoCas9 para la edición de gen sólo requiere la identificación de un motivo adyacente protospacer (PAM; un trinucleótido NGG para S. pyrogenes Cas9) proximal para el locus diana. Mediante la inserción de un oligonucleótido que corresponde a los pares de bases 20 5 'de la PAM en el plásmido px330 14, el constructo se puede montar en un solo paso de clonación. Además de S. pyogenes Cas9, Cas9 de N. meningitidis (NmCas9) que reconoce a '(PAM) 5'-NNNNGATT-3 se ha demostrado para permitir la eficiente gen de edición en hPSCs 23.
Además de las diferencias en la facilidad de diseño SSN, cada plataforma tiene propiedades específicas. Por ejemplo, ZFNs y Talens utilizan el dominio nucleasa FokI, que genera una de cuatro nucleótidos 5 'voladizo 24, mientras que Cas9 se piensa sobre todo para generar embotar DSBs terminado. ZFNs, Talens, y Cas9 difieren en sus estabilidades de proteína, la tasa de encendido y apagado en el ADN objetivo, y el modo de exploración de ADN, todos los cuales could teóricamente dar lugar a pequeñas diferencias en el resultado de edición 1. Aunque se necesitan más estudios para comprender plenamente las consecuencias de estas diferencias, se describe aquí un protocolo que es muy robusto en las tres plataformas y se puede utilizar para generar fácilmente hPSCs modificados genéticamente.
Independientemente de la opción SSN, electroporación es un procedimiento robusto para transfectar SSN y plantillas de reparación de homología en hPSCs 25. El número de colonias supervivientes después de la selección para la resistencia a los antibióticos depende de los parámetros específicos de locus y la estrategia de edición (por ejemplo, el tamaño del inserto transgénico y el modo de selección). El protocolo descrito aquí por lo general se traduce en unos 150 a 400 colonias de células individuales derivados.
Gen-editando en el locus AAVS1 usando este protocolo se ha utilizado anteriormente para demostrar la eficacia de los SSN 4,5. La plantilla de reparación de AAV-CAGGS-EGFP utiliza una trampa de genes strategia para conferir resistencia a puromicina de una manera específica locus. Brevemente, la plantilla de reparación contiene un sitio aceptor de empalme aguas arriba de la casete de resistencia a puromicina sin promotor. Tras la integración correcta en el primer intrón del gen PPP1R12C en el locus AAVS1, la casete de resistencia se expresa a partir del promotor del gen editado. La solidez de este ensayo AAVS1 específica nos permite comparar la eficiencia de cada plataforma SSN.
Edición de genes usando números de seguro social es de gran alcance, dada la capacidad de alterar y / o modificar teóricamente cualquier gen. La aplicación de esta estrategia para hPSCs ofrece versatilidad como hPSCs pueden diferenciarse posteriormente en una multitud de tipos de células humanas tales como las neuronas 26, hepatocitos 27, 28 y cardiomiocitos. Además, el uso de células madre pluripotentes inducidas derivados del paciente permite la reparación o la introducción de mutaciones causantes de enfermedad conocidos en un fondo genético específico del paciente 29 </sup>, Proporcionando una plataforma para investigar mecanismos de la enfermedad y la terapéutica de prueba utilizando las propias células del paciente 30. En resumen, la edición de genes en hPSCs es un enfoque eficiente y versátil para la investigación de la biología básica del desarrollo humano y la enfermedad 31.
El método que aquí se presenta para el aislamiento de poblaciones homogéneas de células madre pluripotentes humanos de genes-editado es un enfoque poderoso para la generación de líneas isogénicas HPSC que se diferencian sólo en el locus diana. Estas células son un sistema ideal para sondear los mecanismos de la diferenciación celular y el desarrollo humanos, así como para la comprensión de la fisiopatología de las enfermedades monogénicas en un entorno genético controlada. Como se ha demostrado aquí, es posible utilizar independientes tres estrategias de diseño SSN (ZFNs, Talens, y CRISPR / Cas9) para lograr la integración dirigida en el locus AAVS1. Cada una de estas metodologías tiene sus propias ventajas y desventajas. Una ventaja potencial de ZFNs y, en cierta medida, Talens es su flexibilidad de diseño, lo que permite la ingeniería iterativo con el fin de mejorar los dominios de nucleasas individuales 42 de unión a ADN. Esta optimización nucleasa podría aumentar la especificidad de ZFNs y Talens más allá de lo que se puede lograr con el CRISistema de SPR / Cas9. Tal selectividad puede ser importante para aplicaciones clínicas que requieran un alto grado de especificidad de diana. La ventaja principal del sistema / Cas9 CRISPR es su facilidad de uso. Aunque kits de construcción TALEN y ZFN se han puesto a disposición del público (es decir, a través de Addgene 21), / SSN basados Cas9 CRISPR son significativamente más fáciles de construir, como la única personalización necesaria es un par de oligonucleótidos 20 base (cuando se utiliza el plásmido px330 diseño de 14). Esta simplicidad resulta ser ventajoso para los laboratorios de investigación que buscan incluir la edición genoma en sus estudios.
Hay técnicas de transfección alternativos, incluyendo nucleofection 43, para crear genes editado HPSC líneas; Sin embargo electroporación ha demostrado ser eficaz 4,5,25 consistente y costo. Nucleofection se puede utilizar para transfectar directamente Cas9-guía complejos de ribonucleoproteínas ARN en el núcleo, el aumento de la eficiencia SSN unad fidelidad 44. Creciendo hPSCs en MEFs es un método robusto y de bajo costo para mantener hPSCs en un estado pluripotente sin diferenciación excesiva. Además, permite el fácil aislamiento de colonias genéticamente idénticos. Alternativamente, es posible hPSCs de cultivo sin MEFs, sin embargo estas condiciones de cultivo pueden ser más caros que los cultivos basados alimentadoras. Además, todo el proceso es escalable, lo que permite el aislamiento de edición de eventos muy raros o la generación de muchas líneas celulares distintas en experimentos paralelos de edición.
El protocolo descrito aquí es robusto; sin embargo, hay varios pasos clave que afectan a la eficiencia con la que clones editado correctamente se pueden obtener. El componente más crítico para este método es que tiene MEFs de alta calidad y resistentes MEFs DR4 drogas. La supervivencia de hPSCs individuales es tenue, y MEFs baja calidad impedirá el aislamiento de líneas diferenciadas HPSC. En segundo lugar, el uso de Y-27632 es tambiénclave para permitir solo la supervivencia celular sin generar una presión selectiva para las células con un cariotipo anormal 45. En tercer lugar, recogiendo colonias bien espaciadas garantiza homogeneidad genética de las líneas celulares derivadas. Finalmente, es importante preparar pipetas de vidrio de modo que la abertura es lo suficientemente pequeño para romper la colonia en muchos pedazos más pequeños, asegurando que múltiples colonias crecerán en el nuevo pozo. Esto permite la recogida de subclones bien espaciadas para una placa de réplica para tener en la cultura, dejando la placa original de colonias aisladas para el genotipado. Una parte difícil en este protocolo es el manual tirando de las pipetas de vidrio; esta debe ser practicado de antemano. Cabe señalar que existen múltiples técnicas de picking clon que no requieren una pipeta de vidrio. Se anima a los experimentadores para encontrar el que funciona mejor para ellos.
Existen limitaciones a este protocolo que puede ser superado por modificaciones sencillas. Un experimento destinado a oólo perturbar el lugar de interés sin reparación o aquel cuya reparación plantilla no contiene un casete de selección, debe utilizar otro método de enriquecimiento para las células que fueron editadas. Tenga en cuenta que el número de colonias que deben ser recogidos para encontrar un clon positivo aumenta en gran medida en ausencia de selección. Una estrategia para mejorar la eficiencia es para co-transfectar un plásmido no integrador que expresa una proteína fluorescente. Después de permitir que las células se recuperen durante dos días, las células diana pueden ser ordenados en la fluorescencia positiva utilizando fluorescencia de clasificación de células activadas y replated 29. Este proceso enriquece para células que han sido transfectadas con los plásmidos por electroporación y por lo tanto aumenta la probabilidad de un evento de edición concurrente en la célula.
Las técnicas descritas aquí se pueden extender para utilizar varios RNAs guía para orientar de forma simultánea varios 14,46,47 loci. Muchos protocolos se han establecido para diferenciar hPSCsen distintos tipos de células, lo que permite varias manipulaciones genéticas en los tipos de células de interés 30. En general, hemos demostrado el potencial para la edición genoma eficientes en hPSCs independientemente de la elección SSN. Proponemos que esta técnica se puede adaptar para crear líneas isogénicas HPSC que han sido editados-gen en cualquier locus genómico.
The authors have nothing to disclose.
Este trabajo fue apoyado por una subvención de Semilla de Fundación de Investigación del Cerebro (BRFSG-2014-02) para Helen Bateup. Dirk Hockemeyer es un nuevo Académico en el envejecimiento de la Fundación Médica Ellison y es apoyado por la Fundación Glenn así como el El Shurl y Fundación Kay Curci. DH también es apoyado por el NIH subvención 1R01CA196884-01.
DMEM/F12 | Life Technologies | 11320082 | |
Fetal Bovine Serum (HI) | Life Technologies | 10082-147 | |
Knockout Serum | Life Technologies | 10828-028 | |
Fibroblast Growth Factor – basic | Life Technologies | PHG0261 | |
Pen/Strep | Life Technologies | 15140-122 | |
Glutamine | Life Technologies | 25030-081 | |
MEM NEAA | Life Technologies | 11140-050 | |
2-mercaptoethanol | Life Technologies | 21985-023 | |
Y-27632 | Calbiochem | 688000 | |
6-well plates | Corning | 3506 | |
12-well plates | Corning | 3512 | |
4mm Electroporation cuvettes | Bio-rad | 165-2081 | |
X-cel gene pulser II | Bio-rad | 165-2661 | |
0.25 % Trypsin-EDTA | Life Technologies | 25200-056 | |
10× Phosphate buffered saline (PBS) pH7.4 | Life Technologies | 70011-044 | |
Puromycin | Life Technologies | A11138-02 | |
Pasteur pipettes, plugged | VWR | 14672-412 | |
Tris-HCl | Sigma-Aldrich | S5941 | |
NaCL | Sigma-Aldrich | S9888 | |
SDS | Sigma-Aldrich | L3771 | |
EDTA | Sigma-Aldrich | E5134 | |
Proteinase-K | Life Technologies | AM2544 | |
Ethanol | VWR | TX89125-172SFU | |
Isopropyl Alcohol | VWR | MK303216 | |
TE Buffer | Life Technologies | 12090-015 | |
Dimethyl Sulfoxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | D8418 | |
1.8 ml Cryotubes | ThermoScientific | 377267 |