该协议描述了将多个单个引导RNA克隆到一个引导RNA并行载体中的步骤,其特别用于使用CRISPR / Cas9技术创建多基因敲除。肠组织中双重敲除的产生显示为该方法的可能应用。
CRISPR / Cas9技术大大提高了理解基因功能必不可少的功能丧失功能研究的可行性和速度。在高等真核生物中,旁系同源基因可以通过补偿基因的损失来掩盖潜在的表型,从而限制了依靠单基因敲除的遗传研究可以获得的信息。我们已经开发了一种用于引导RNA(gRNA)并联体的新型快速克隆方法,以便在小鼠小肠组织中进行单次转染后产生多基因敲除。我们的策略允许通过与退火的gRNA寡核苷酸和预先设计的逆转录病毒载体进行单一的金门改组反应,将多达四个单独的gRNA并入单个载体。这允许同时敲除多达四种不同的基因,或者通过多种gRNA靶向一种基因后提高的敲除效率。在这个协议中,我们详细说明如何有效克隆多个gRNA到逆转录病毒CRISPR连锁载体中,以及如何在肠组织中实现高效电穿孔。例如,我们显示同时敲除Wnt信号通路(Axin1 / 2和Rnf43 / Znrf3)负调节因子的两对基因,使得肠组织对抵抗关键生长因子有抵抗力。
反向遗传学方法是广泛使用的一种调查基因功能的方法。特别是功能丧失研究,其中基因的破坏导致表型改变,在构建我们对生物过程的理解方面发挥关键作用。 CRISPR / Cas9方法代表了基因组工程技术的最新进展,并彻底改变了目前在细胞和生物体中的遗传学实践。 Cas9是RNA引导的内切核酸酶,其结合与gRNA互补的特异性DNA序列并产生双链断裂(DSB)。该DSB招募DNA修复机器,在不存在用于同源重组的DNA模板的情况下,将通过易错非同源末端连接重新连接切割的DNA链,从而导致核苷酸的插入或缺失,造成移码突变1 。
CRISPR / Cas9 appr的极大的简便性和多功能性oach,使它成为旨在解开未知的基因功能2,3基因组范围内的淘汰赛屏幕一个极具吸引力的工具。然而,如果存在具有冗余功能的多个旁系同源物,单基因敲除方法的使用有限。因此,消融单一基因可能不足以确定该基因的功能,给予可能由旁系同源物补偿导致很少或没有表型改变4 。因此,重要的是通过递送靶向不同旁系同源基因的多个gRNA载体来并行敲除旁系同源物,以克服遗传补偿的影响。
延长使用CRISPR / Cas9到旁系同源基因敲除,我们最近开发了一种快速,一步克隆方法克隆多达四个预退火gRNAs成一个单一的逆转录病毒载体5。这个骨干,名为CRISPR-concatemer,是基于在含有重复gRNA表达盒的MSCV逆转录病毒质粒上。每个盒含有IIS类型限制酶Bbs I的两个倒置识别位点,其可以在具有匹配突出端的退火的gRNA寡核苷酸中使用金管改组反应在单管6中不可逆地替代。该克隆方法由消化和连接的重复循环组成,允许通过利用Bbs I产生的不同突出序列同时装配多个DNA片段。该酶的唯一性是例如在其识别之外进行不对称切割的能力序列;因此,每个盒可以具有与Bbs I核心位点侧翼的定制突出端不同的序列,并且以这种方式,每个gRNA可以克隆在连接体载体的特定位置和取向上。
作为原则的证明,我们展示了这一策略的使用小鼠肠组织通过一轮电穿孔同时破坏Wnt途径的两对旁系同源负调节因子5 。
在过去的几年中,基于使用金门洗牌7,以实现各种模型系统中,如人细胞系8, 图9,斑马鱼10和大肠杆菌的多基因敲除构建多个gRNA表达载体许多其他组织已经开发类似的策略11 。在它们的方案中,首先将gRNA克隆到单独的中间载体中,然后组装成一个最终产物。相比之下,我们的CRISPR连锁策略的主要优点是单个Bbs I洗牌,克隆步骤的便利。像其他gRNA连锁蛋白一样,我们的方法可以同时敲除多达四个不同基因或增加的CRISPR敲除效率后,一个或两个基因与多个gRNA的靶向( 图1 )。
在本协议中,我们详细描述了从gRNA设计到金门反应以及成功克隆确认的CRISPR连锁向量生成的每个步骤。我们还提供了一种高效的方案,用于通过电穿孔和随后的生长因子取出实验将CRISPR连结体转染入小鼠小肠组织。
在本协议中,我们详细介绍了产生CRISPR并发剂所需的所有步骤,并将CRISPR-concatemers应用于小肠肠组织,以同时敲除多个基因。如前所述,该策略具有速度快,效率高,成本效益好等优点。
为了顺利执行整个程序,需要考虑几个关键方面。首先,所有gRNA寡核苷酸都必须正确退火和磷酸化,因为它们代表了本身非常有效的Bbs I克隆反应的起始材料。其次,当电穿孔有机体时,每种条件使用的细胞越多,转染效率的最大可能越高。此外,重要的是,细胞解离后,小细胞簇比单细胞占优势。
然而,可能会遇到技术问题尝试克隆或转染第一次时,在gRNA克隆的问题的情况下,建议仔细检查gRNA寡核苷酸序列,如果正确,选择额外的细菌菌落进行限制性消化筛选。如果转染效率和细胞活力低于电穿孔后,建议每个条件使用更多细胞重复该方案,并将细胞解离时间缩短至3分钟。
虽然CRISPR联合器的生成相对便宜且容易,但是在组织细胞中进行更大规模的遗传筛选不是,因为规模受到与器官培养相关的成本和劳动密集型的限制。在这种情况下值得一提的是,CRISPR并联方法也与细胞系如HEK293和小鼠胚胎干细胞相容。
不管细胞系统,这个的另一个潜在的缺点当瞄准同时敲除三个或四个不同基因时,可能会遇到策略。例如,每个gRNA将具有不同的靶向效率,并且同时击中所有基因的变化可以相对较低;出于这个原因,建议使用连接体系引导不止一种gRNA反对相同的基因。
同样基于金门洗牌替代战略已经提出,多年来产生多重gRNA载体7,8。然而,在我们的方法中,可以在单次克隆中将多个gRNA直接组装到单个逆转录病毒载体中,这使得其适合于产生靶向旁系同源物的gRNA文库。
我们的CRISPR并行器建立在MSCV逆转录病毒载体骨架中。因此,可以使用含gRNA并连反转录病毒的逆转录病毒产生过表达的稳定细胞系ress gRNAs。当与Cas9诱导系统结合使用时,可以使用我们的系统进行诱导型旁系同源基因敲除。
总之,在这里我们将介绍如何在一个步骤中将多达四种不同的gRNA克隆到相同的载体中,以及如何以高转染效率将这一策略应用于有机培养。此外,我们提供有用的建议,以最大限度地提高整个程序成功的机会。
The authors have nothing to disclose.
我们感谢Christopher Hindley对稿件的批判性阅读。 AM由Wntsapp(Marie Curie ITN),AA-R支持。由医学研究理事会(MRC)和BK.K.支持。和RM由Wellcome Trust和Royal Society [101241 / Z / 13 / Z]的Henry Dale奖学金支持,并通过惠康信托基金和MRC向Wellcome Trust – MRC剑桥干细胞研究所提供的核心资助获得支持。
Optimized CRISPR Design Tool | Feng Zhang group | CRISPR gRNA design tool; http://crispr.mit.edu/ | |
Webcutter 2.0 | restriction mapping tool; http://rna.lundberg.gu.se/cutter2/ | ||
T4 PNK (Polynucleotide Kinase) | New England Biolabs | M0201L | |
T4 DNA ligase buffer | New England Biolabs | M0202S | |
T7 DNA Ligase | New England Biolabs | M0318L | |
DTT (dithiothreitol) | Promega | P1171 | |
ATP (adenosine triphosphate) | New England Biolabs | P0756S | |
FastDigest BbsI (BpiI) | Thermo Fisher | FD1014 | |
Tango buffer (BSA-containing restriction enzyme buffer) | Thermo Fisher | BY5 | |
BglII | New England Biolabs | R0144 | |
EcoRI | New England Biolabs | R0101 | |
Plasmid-safe exonuclease | Cambio | E3101K | |
Thermal cycler | Applied biosystems | 4359659 | |
10G competent E. coli bacteria | Cambridge Bioscience | 60108-1 | |
Plasmid mini kit | Qiagen | 12125 | |
Table top microcentrifuge | Eppendorf | UY-02580-01 | |
Inoculating loops | Microspec | PLS5 | |
Bacteria incubator | Sanyo | MIR-262 | |
Luria-Bertani broth (LB) | Sigma-Aldrich | L3522 | |
Agarose | Sigma-Aldrich | A4718 | |
Agarose gel electrophoresis apparatus | Bioneer | A-7020 | |
Advanced DMEM/F12(cell culture medium) | Invitrogen | 12634-034 | |
Glutamax (L-Glutamine) 100x | Invitrogen | 35050-068 | |
HEPES 1 M (buffering agent) | Invitrogen | 15630-056 | |
Penicillin-streptomycin 100x | Invitrogen | 15140-122 | |
B27 supplement (Neuronal cell serum-free supplement) 50x | Invitrogen | 17504-044 | |
N2 supplement (Neuronal cell serum-free supplement) 100x | Invitrogen | 17502-048 | |
n-Acetylcysteine 500 mM | Sigma-Aldrich | A9165-5G | |
Mouse EGF 500 µg/mL | Invitrogen Biosource | PMG8043 | |
Mouse Noggin 100 µg/mL | Peprotech | 250-38 | |
Nicotinamide 1 M | Sigma | N0636 | |
R-Spondin conditioned medium | n.a. | n.a. | Produced in house from HEK293 cells, for details see Sato and Clevers 2013 |
Wnt conditioned medium | n.a. | n.a. | Produced in house from HEK293 cells, for details see Sato and Clevers 2013 |
Y-27632 10 µM | Sigma-Aldrich | Y0503-1MG | |
Standard BD Matrigel matrix | BD Biosciences | 356231 | |
48-well Plate | Greiner Bio One | 677980 | |
CHIR99021 | Sigma-Aldrich | A3734-1MG | |
IWP-2 | Cell Guidance Systems | SM39-10 | |
TrypLE (recombinant protease) | Invitrogen | 12605-010 | |
Opti-MEM (reduced serum medium ) | Life technologies | 51985-034 | |
Electroporation Cuvettes 2mm gap | NepaGene | EC-002S | |
Low binding 15 mL tubes | Sigma-Aldrich | CLS430791 | |
Bürker’s chamber | Sigma-Aldrich | BR719520-1EA | |
NEPA21 Super Electroporator | NepaGene | contact supplier | |
Protein LoBind tubes low binding | Thermo Fisher | 10708704 | |
BTXpress electroporation buffer | Harvard Apparatus | 45-0805 | |
DMSO (Dimethyl sulfoxide) | AppliChem | A3672 |