Microinjeção para Transgénese e Genoma Edição na Threespine Sticklebacks

Um componente fundamental de compreensão de como a biodiversidade surge é a determinação das bases genéticas e de desenvolvimento de alterações fenotípicas evoluíram na natureza. O peixe Gasterosteus aculeatus, Gasterosteus aculeatus, emergiu como um excelente modelo para o estudo da base genética da evolução. Sticklebacks sofreram muitas mudanças evolutivas adaptativas como peixes marinhos colonizaram ambientes de água doce incontáveis ​​em todo o hemisfério norte, resultando em morfológica dramática, fisiológicas e alterações comportamentais ^1. Os genomas de indivíduos a partir de vinte e um populações stickleback foram sequenciados e montados, e um mapa de ligação de alta densidade foi gerado para melhorar ainda mais a montagem de ^2,3. Experiências de mapeamento genético identificaram regiões genómicas subjacente fenótipos evoluídos ^4-6, e em alguns casos, os papéis funcionais de genes candidatos específicos foram testados ^7,8. Um número de regiões genômicas subjacentes alterações morfológicas foram identificados com genes candidatos promissores, mas estes candidatos ainda não foram testados funcionalmente ^9-12. Além disso, sticklebacks são modelos comuns para estudos de genética populacional / genômica ^13,14, especiação ^15, o comportamento ^1, endocrinologia ^16, ecotoxicologia ^17, imunologia e parasitologia ^{18 19.} Estudos futuros em cada um desses campos serão beneficiados com a capacidade de executar manipulações genéticas funcionais em sticklebacks. Além manipulando as suas sequências de codificação, os papéis dos genes candidatos pode ser avaliada através do estudo as suas sequências -regulatory cis e por funcionalmente aumentando, diminuindo ou eliminando a expressão do gene candidato. Métodos de microinjeção e transgenia em sticklebacks estão bem estabelecidos ^7,8,20 e foram inicialmente desenvolvido utilizando uma mediada por meganucleasemétodo ²¹ descrito pela primeira vez em medaka ^22. O método de microinjeção modificado aqui apresentado foi otimizado para ambos transgênese Tol2 mediada e, recentemente, desenvolveu reagentes edição do genoma incluindo TALENS e CRISPR.

Mudanças a cis -regulatory elementos são pensados ​​para ser crítico para a evolução morfológica, como cis -regulatory mudanças podem evitar as consequências negativas pleiotrópicos de codificação de mutações ^23. Portanto, testando e comparando seqüências -regulatory cis putativos tornou-se um objetivo central de um número crescente de estudos evolutivos. Além disso, a maioria das variantes de doenças humanas são variantes reguladoras ^24,25, e sistemas modelo de vertebrados são extremamente necessários para estudar a função elemento -regulatory cis e da lógica. Os peixes que fertilize seus embriões externamente em grandes números oferecem sistemas de vertebrados poderosas para estudar Regulamentação cis. O sistema de transposão Tol2, em que FOREIDNA gn para ser integrado no genoma é ladeado por sites e vinculativo Tol2 transposase co-injectados com mRNA transposase Tol2, trabalha com alta eficiência para integrar com sucesso plasmídeo constrói-se em genomas de peixes ^{26 – 28.} Tipicamente, um intensificador de potencial é clonada a montante de um promotor basal (tais como hsp70l ²⁹⁾ e o gene repórter fluorescentes tais como a EGFP (proteína fluorescente verde melhorada) ou mCherry em uma espinha dorsal Tol2 e injectados com ARNm da transposase ^26. Observação de expressão do repórter fluorescente, quer em embriões ou crias com transgenes integrados estavelmente injectados, fornece informação sobre a regulação espaço-temporais da expressão do gene dirigido pelo potenciador putativo. Em experiências adicionais, os potenciadores validados pode ser utilizado para dirigir a sobre-expressão específica de tecido dos genes de interesse.

Para a análise das regiões -regulatory cis maiores, de alta qualidade em grande inserção genombibliotecas de IC utilizando cromossomos artificiais bacterianos (BACs) foram construídos para ambas as marinhas e de água doce sticklebacks ^30. Estes BACs pode ser recombineered para substituir um gene com um gene repórter fluorescente, no contexto de uma grande (150-200 kb) região genómica ^31. O repórter fluorescente é então expresso num padrão espaço-temporal, tal como determinado por sequências reguladoras dentro do BAC. Para os estudos em peixes, locais Tol2 pode ser adicionado ao CCB para facilitar a integração genómica ^32,33. Nas fases posteriores de desenvolvimento quando a hibridação in situ é tecnicamente difícil, a leitura de fluorescência do BAC pode ser usado para estudar os padrões de expressão de genes, como tem sido demonstrado para stickleback osso proteína morfogenética 6 (BMP6) ^20. Além disso, os padrões de expressão fluorescentes em um indivíduo pode ser rastreados ao longo do tempo, o que não pode ser conseguido com a hibridização in situ. BACs pode também ser usado para adicionar uma additional cópia de uma região genómica de aumentar a dosagem de um gene de interesse.

Para o estudo da função do gene, genoma de edição é um campo explosivamente expansão que pode ser utilizado para produzir alterações específicas para sequências genómicas em uma ampla variedade de organismos ^34. Transcrição nucleases efetoras ativador-like (TALENS) são nucleases modulares, específicos de sequência originalmente isoladas de patógenos de plantas que podem ser precisamente projetados para ligar directamente a uma sequência genômica de escolha e gerar uma cadeia dupla quebrar ^35,36. Agrupamentos regularmente interespaçadas palindr�icas repetições curtas (CRISPR) / CAS sistemas foram originalmente encontrada em bactérias e utilizar um guia de RNA e da proteína Cas9 para gerar um intervalo de uma sequência de ADN alvo complementar para o guia ^37. A reparação posterior da quebra de cadeia dupla criada por ambos os TALENS e CRISPR muitas vezes deixa para trás uma pequena inserção ou deleção, o que pode prejudicar a função da sequência alvo35-37. Em sticklebacks, TALENS têm sido utilizados para interromper a expressão do gene por direccionamento um intensificador de ^20, e ambos TALENS CRISPR e ter sucesso na produção de mutações em sequências de codificação (dados não publicados). Um protocolo detalhado para a geração de CRISPR para uso em peixes-zebra pode ser utilizada como orientação para desenvolver CRISPR para sticklebacks ^38.

Transgênicas e genoma experimentos de edição requerem introdução de ácidos nucleicos em um embrião de uma célula recém-fertilizado. Ao introduzir a ferramenta transgene ou genoma de edição no início do desenvolvimento, o número de células filhas geneticamente manipuladas no embrião é maximizada. embriões injectados são então visualmente pesquisadas quanto a fluorescência ou molecularmente rastreados para modificações do genoma. Se as células que contribuem para a linha germinal são orientados com sucesso, o transgene ou a mutação pode ser passada para um subconjunto de prole, mesmo quando letalidade pós-injecção é alta. Os peixes de mosaico pode ser outcrossed ouentrecruzadas e os seus descendentes selecionados para recuperar os alelos mutantes ou um transgene integrado de forma estável de interesse. Este protocolo descreve métodos para a introdução de transgenes e edição de reagentes genoma em embriões stickleback unicelulares e monitoramento para modificações genômicas de sucesso.