CRISPR/Cas9 is a robust system to produce disruption of genes and genetic elements. Here we describe a protocol for the efficient creation of genomic deletions in mammalian cell lines using CRISPR/Cas9.
The prokaryotic clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/CRISPR-associated (Cas) 9 system may be re-purposed for site-specific eukaryotic genome engineering. CRISPR/Cas9 is an inexpensive, facile, and efficient genome editing tool that allows genetic perturbation of genes and genetic elements. Here we present a simple methodology for CRISPR design, cloning, and delivery for the production of genomic deletions. In addition, we describe techniques for deletion, identification, and characterization. This strategy relies on cellular delivery of a pair of chimeric single guide RNAs (sgRNAs) to create two double strand breaks (DSBs) at a locus in order to delete the intervening DNA segment by non-homologous end joining (NHEJ) repair. Deletions have potential advantages as compared to single-site small indels given the efficiency of biallelic modification, ease of rapid identification by PCR, predictability of loss-of-function, and utility for the study of non-coding elements. This approach can be used for efficient loss-of-function studies of genes and genetic elements in mammalian cell lines.
Recent advances in genome engineering technology have allowed for unprecedented opportunities for site-specific modification of the genome. This technology may be utilized to investigate the function of genes and regulatory elements via prospective genetic perturbation. Zinc finger nucleases (ZFNs), transcription-activator like (TAL) effector nucleases (TALENs), and CRISPR/Cas9 RNA-guided nucleases each leverage customizable DNA specificity to localize a nuclease for the introduction of DSBs1–3. The resulting DSBs can be repaired by indel-forming NHEJ or by homology-directed repair (HDR) using a donor template4.
The CRISPR/Cas9 nuclease pathway, an adaptive immune system in prokaryotic cells5, has been recently adapted for mammalian genome engineering2,3. This tool has been demonstrated to be an inexpensive, efficient, and reliable genome engineering technique6. Briefly, a complex of Streptococcus pyogenes-derived Cas9 nuclease and a sgRNA achieve target recognition via Watson-Crick base-pairing with cognate genomic DNA sequences. sgRNAs include 20-mer sequences complementary to genomic sequences adjacent to an obligate protospacer adjacent motif (PAM) NGG. Cas9 induces a DSB at a predictable position within the target site. Additionally, variants of Cas9 with single-strand cleavage capacity or catalytic inactivity may be used to facilitate “nicking” or transcriptional regulation respectively7–9. CRISPR/Cas9 has been used for a wide range of applications including both knock-in and knockout10,11, large-scale genomic deletions12–14, pooled library screening for gene discovery15,16, genetic engineering of numerous model organisms10,11,17–21, as well as gene therapy22,23.
Here we describe a protocol for efficient deletion of desired genomic regions. The protocol includes CRISPR design, cloning, and delivery, as well as deletion, identification, and characterization. Genomic deletions can be generated by the introduction of two CRISPR sgRNAs with Cas9 to induce repair of the resultant two DSBs by NHEJ with deletion of the intervening segment. This strategy has been used to create deletions ranging from one kilobase to over one megabase12. Deletions can be informative for the study of genes and other genetic elements, either in isolation or in combination. There are several potential advantages of genomic deletions as compared to HDR or single-site small indel production. First, this method capitalizes on the high efficiency of NHEJ in many cellular contexts7. The high frequency of deletion limits the number of clones needed to be screened to identify informative clones. Deletion frequency is inversely related to deletion size. Biallelic deletion clones may be retrieved at frequencies at least as great as of probabilistic expectation12. Second, both monoallelic and biallelic deletions may be easily identified and distinguished by conventional PCR, simplifying the screening process. Strategies relying on small indels or point mutations may require RFLP, allele-specific PCR, T7EN1 cleavage assay, Sanger sequencing, RT-qPCR, or immunoblotting, which may be more laborious. Third, by removing a substantial portion of a gene or element of interest, a reliable loss-of-function allele may be obtained. In contrast, frameshift mutations in protein-coding sequences may not always induce nonsense-mediated decay, may produce a hypomorphic or neomorphic allele, or target an exon excluded from an alternate isoform24. Finally, deletions may be particularly revealing for the study of non-coding DNA such as regulatory elements since frameshift mutations as produced by single-site indels would not be relevant25.
CRISPR / מערכת Cas9 ניתן להשתמש כדי ליצור מחיקות הגנומי של מגוון רחב של גדלים. למרות שראינו כי שכיחותה של מחיקה משתנה ביחס הפוך ביחס לגודל מחיקה נועד, הצלחנו להתאושש מחיקות של עד 1 מגה, ומחיקות של עד 100 kb להניב באופן שגרתי שיבוטים biallelic נמחק מרובים. יש לנו לא הבחנתי בהפסד ביעילות של מחיקות ברצף מציגים לקו תא. אסטרטגיה זו יכולה לשמש ליצירת מחיקה קומבינטורית של גנים רבים ואלמנטים. תהליך קבלת שיבוטים מחיקת biallelic יכול להיות מזורז על ידי הערכת המספר המינימאלי של שיבוטים שצריכים לסרוק על בסיס גודל מחיקה כדי לקבל את המספר הרצוי של שיבוטים עם מחיקת biallelic 12.
היכולת להשיג מחיקת monoallelic עם היעדר מחיקת biallelic בהפצה הסתברותי יכולה להצביע קטלני תא הקשורים לאובדן תפקוד מלא. fr הנמוך equency או השמטות נעדרו יכול לשקף מספר התרחישים כוללים transfection העני, sgRNAs לא יעיל או לא יעילים פריימרים PCR הקרנה (בשל חוסר שליטה חיובית כדי לאמת פריימרים PCR למסך למחיקה). תאי GFP + יכולים לשמש כתחליף ליעילות transfection (ראה שלב 5.2), כך לירידה בGFP + תאים סביר משקפת transfection העני ותוצאה כך ירדו יעילות מחיקה. שימוש בשני זוגות sgRNA שונים עם פריימרים הקרנה עצמאיים יכול לעזור שליטה לsgRNA לא יעיל והקרנת פריימרים PCR ומקסם את סיכויי קבלת שיבוטים מחיקת biallelic. מיון התא לGFP + תאים מעשיר לאללים מחיקה. בעוד שניתן להשמיט את הצעד הזה, השמטה צפויה מחייבת הקרנה יותר שיבוטים לזהות אלו עם מחיקות monoallelic או biallelic. במידה שיעילות transfection עשויה להיות מותאמת, היינו מצפה יעילות עריכת הגנום להיות משופרת.
<p c= "Jove_content" ילדה> אירועי NHEJ העומדים בבסיס מחיקות ותוצאת תיקון מקומי בסדרה של אללים עם מגוון רחב של indels באתרי היעד. התוצאה העיקרית היא ~ 1 קטנה – 10 הוספות נ"ב או יותר נפוצה מחיקות באתר של מחשוף מכוון sgRNA (איור 2). לעתים קרובות אללים אלה מופיעים להיות התוצאה של 34,35 תיקון מבוסס microhomology. יש לציין כי אסטרטגית זיהוי מבוססת PCR אנו מתארים לא תזהה את הוספות גדולות יותר או מורכבות יותר, מחיקות, תנוחות הפוכות, או ארגון מחדש. למרות שהאירועים אלה הם פחות נפוצים, שראינו בו לא שיבוטים מחיקה ולא amplicons הלא המחיקה ניתן הייתה לזהות, ועל חקירה נוספת משקפים תוצאות אלה מורכבות יותר.אנו צפינו בCRISPR הנרחב / התיווך Cas9 "צלקות" של אללים שאינם מחיקה משיבוטי monoallelic ולא מחיקה (ראה איור 2). "צלקות" אלה כוללותindels הקטן המיוצר באתר מחשוף sgRNA ללא מחיקה המיועדת (כלומר, מחיקה של המגזר להתערב בין sgRNAs A ו- B). צלקות אלה לעתים קרובות להפריע הכרת מטרה על ידי sgRNA. לכן היינו ממליץ על זהירות בretargeting אללים בתאים שנחשפו בעבר לsgRNAs תוך שימוש באותה sgRNAs. אסטרטגית מיקוד מחדש מוצלחת יותר היה לנצל sgRNA ייחודי רצפים שונים מהעבר "מצולק" אתרי הכרה. במקרים שבם זוג sgRNAs מכיר רצפי exonic (איור 1, למטה), אללים frameshift עשוי להיות מיוצר גם בהיעדרו של מחיקה. לכן, יכולים להיות מועשרים שיבוטים מחיקת monoallelic לאובדן של פונקציה בשל התדירות הגבוהה של מוטציות frameshift על שאינם נמחק אלל 12.
דאגה אחת עם CRISPR / מערכת Cas9 היא השפעות חוץ-היעד, כלומר, שינוי הגנומי באתרים לא רצויים 36-38. Rדיווחי ecent הציעו כי RNAs מדריך קצר עם 17-19 נוקלאוטידים יכול להפחית את התדירות של CRISPR / Cas9 מבוסס השפעות חוץ-יעד 39. בנוסף, אסטרטגיה כפול nicking באמצעות שני מדריכים לכל אתר יעד עם nickase יכולה לשמש כדי ליצור DSBs תוך מזעור השפעות חוץ-יעד 7. לחלופין, מקביל לאסטרטגיות המשמשות לRNAi, אנו מציעים שזוגות שונים של sgRNAs עם רצפי protospacer שאינו חופפים לשמש כדי להוכיח כי הפנוטיפ שנצפה היא התוצאה של CRISPR / השינוי Cas9 על-היעד בניגוד לפוטנציאל מחוץ היעד אפקט. גישה נוחה תהיה לתכנן לפחות שני זוגות sgRNA סמוכים אך אינם חופף, כך שקבוצה אחת של פריימרים הקרנה (ראה שלב 2) יכולה לשמש לזוגות רבים sgRNA (איור 1 א). יתר על כן, משלים קו תא מחיקה על ידי reintroducing הרצף החסר ו / או גן שיבש יכול לבסס קשר סיבתי ביןמחיקה נתון הגנומי ופנוטיפ.
לביולוגים עבודה עם מערכות מודל סלולארי, RNAi ייצג כלי רב עוצמה לגנומיקה פונקציונלית. עם זאת, מגבלות של גישה זו כללו הפחתה חלקית ברמות תעתיק mRNA היעד, ההטרוגניות של השפעה של חומרים כימיים עצמאיים מיקוד אותו הגן, וידועות השפעות חוץ-היעד כוללים אפקטים מבוססי זרע ולא זרע 40-42. אסטרטגיות עריכת הגנום מבטיחות לטפל ברבים מחששות אלה ומייצגים גישה מרגשת, משלימה להפרעות גנטיות פוטנציאליים 8,36,37. יתר על כן, עריכת הגנום מאפשרת לחקר ללא קידוד אלמנטים גנטיים בדרך לא ניתן על ידי RNAi ומאתגרת על ידי מיקוד קונבנציונלי גישות 25. אנו מעודדים את הדור של מחיקות הגנומי ידי CRISPR / Cas9 כשיטת חזקה וספציפית כדי לייצר ולאפיין אללים פסד של פונקציה.
The authors have nothing to disclose.
Thanks to Jason Wright for suggesting the Golden Gate Assembly cloning strategy and Katherine Helming and members of Orkin lab, particularly Jian Xu, Guoji Guo, Elenoe Smith, and Partha Das for helpful discussions. This work was supported by NIH R01HL032259 and P30DK049216 (Center of Excellence in Molecular Hematology) to S.H.O. and NIDDK K08DK093705 to D.E.B.
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
T4 Polynucleotide Kinase | New England Biolabs | M0201S | |
T4 DNA Ligase (with associated ligation buffer) | New England Biolabs | M0202T | |
Adenosine 5'-Triphosphate (ATP) | New England Biolabs | P0756S | |
BSA, Molecular Biology Grade | New England Biolabs | B9000S | |
BbsI Restriction Enzyme (with associated NEB Buffer 2.1) | New England Biolabs | R0539S | |
pSpCas9(BB) (pX330) | Addgene | 42230 | |
S.O.C. Medium | Life Technologies | 15544-034 | |
BTX ECM 830 | Harvard Apparatus | 45-0052 | |
BTX Solution and 2mm Cuvettes | Harvard Apparatus | 45-0803 | |
pmaxGFP Plasmid | Lonza | VPA-1003 | |
QuickExtract DNA Extraction Solution | Epicentre | QE09050 | |
HotStarTaq PCR Master Mix Kit | Qiagen | 203443 | |
Zero Blunt PCR Cloning Kit | Life Technologies | K2700-20 |