Vacciniavirus (VV) is op grote schaal gebruikt in biomedisch onderzoek en de verbetering van de volksgezondheid. Dit artikel beschrijft een eenvoudige, zeer efficiënte methode om de VV genoom bewerken met een CRISPR-Cas9 systeem.
The CRISPR-associated endonuclease Cas9 can edit particular genomic loci directed by a single guide RNA (gRNA). The CRISPR/Cas9 system has been successfully employed for editing genomes of various organisms. Here we describe a protocol for editing the vaccinia virus (VV) genome in the cytoplasm of VV-infected CV-1 cells using the RNA-guided Cas9. RNA-guided Cas9 induces double-stranded DNA breaks facilitating homologous recombination efficiently and specifically in the targeted site of VV and a transgene can be incorporated into these sites by homologous recombination. By using a site-specific homologous vector with transgene(s), a N1L gene-deleted VV with the red fluorescence protein (RFP) gene incorporated in this region was generated with a successful recombination efficiency 10 times greater than that obtained from the conventional homologous recombination method. This protocol demonstrates successful use of RNA-guided Cas9 system to generate mutant VVs with enhanced efficiency.
Vacciniavirus (VV) is een omhuld DNA-virus behoort tot het pokkenvirus familie en heeft een cruciale rol gespeeld in een van de grootste prestaties in de geneeskunde van de uitroeiing van pokken. In de periode na uitroeiing van pokken is VV ontwikkeld als een vector voor het afleveren van genen voor vaccins tegen HIV en andere infectieziekten 1-7 door het invoegen van genen van verschillende pathogenen in VV vectoren. VV is ook uitgebreid gebruikt als vector voor kankerimmunotherapie 8-14 vooral voor de ontwikkeling van tumor gerichte oncolytische replicerend vacciniavirus. Om een doeltreffend vaccin vector met verbeterde selectiviteit voor kankercellen te creëren, worden wijzigingen binnen het virale genoom vereist, zoals gendeleties of inbrengen van therapeutische genen.
Met de ontwikkeling van DNA-technologie en een beter inzicht in de moleculaire biologie en virologie, insertie van vreemd DNA in VV oorspronkelijk verwezenlijkend met behulp van homologe recombinatie (HR) in 1980 15. Deze methode is nog steeds veel gebruikt voor het construeren van VV vectoren. Introductie van de genetische modificatie wordt bereikt door een shuttlevector voor HR, waarvoor recombineert met VV genoom in pre-geïnfecteerde cellen. Echter, deze methode bewezen zeer inefficiënt (minder dan 1% homologe recombinatie efficiëntie 16) zijn en vaak resulteert in willekeurige insertie van de selectiemerker in ongerichte gebieden en / of verlies van de merker bij virus expansie.
De efficiëntie van DNA homologe recombinatie voor het inbrengen van exogeen DNA aan genomische loci kan drastisch worden verhoogd in de aanwezigheid van dubbelstrengs breuken (DSB's) 17. Daarom is de technologie die DSB's at target loci kan induceren heeft een groot potentieel voor genoom engineering van VV.
De recent ontwikkelde CRISPR-Cas9 systeem toont belofte voor het activeren van DSB's in elke VV-gen regio. CRISPR-Cas9 een RNA-begeleide nuclease betrokken bij adaptieve immuniteit tegen binnendringende fagen en ander vreemd genetisch materiaal 18-20. Er zijn drie CRISPR Cas-systemen in verschillende microbiële species 21. De type II-CRISPR Cas wordt veel gebruikt voor het bewerken van het genoom van eukaryotische cellen en grote virussen. Het bestaat uit de RNA-geleide Cas9 endonuclease (van Streptococcus pyogenes), een gids-RNA (sgRNA) en de trans-activerende crRNA (tracrRNA) 22-24. De Cas9 / sgRNA complex herkent de complementaire 20 nucleotiden genome sequentie voorafgaand aan een 5'-NGG-3 'Protospacer aangrenzende motief (PAM) sequentie in zoogdiercellen 22, 23. Het is met succes toegepast voor een effectieve vorming van genetisch gemodificeerde cellen, virussen en diermodellen 22-32.
De CRISPR-Cas9 systeem heeft zich bewezen als een efficiënt instrument voor het genoom te richten in combinatie met homologe recombinatie in het cytoplasma van VV zijn geïnfecteerd CV-1 cels mutante vacciniavirussen gegenereerd 33, 34. Om de mogelijke toepassing van deze werkwijze uit te breiden, gedetailleerde informatie over de methodologie van dit systeem stellen we. De beschreven protocol kan worden gebruikt om een mutant VV met een bepaald gen deletie maken en / of de arm mutant virus met een therapeutisch transgen.
Er zijn twee belangrijke doelen met betrekking tot wijziging van VV voor therapeutische doeleinden. Een daarvan is een bepaald gen te verwijderen, zoals de thymidine kinase (TK) gen van virus verzwakken voor anti-tumor therapeutische toepassing. De andere is het VV arm met een gewenst therapeutisch gen (zoals GM-CSF) of een markergen (zoals luciferasegen). Het bereiken van een van deze omvat het verwijderen van een doelgebied / gen. Een directe DNA ligatie werkwijze 35 en een in vitro verpakkingsmethode 36 zijn eerder gebruikt om mutante vacciniavirussen met TK-gen modificaties genereren. Echter, deze methoden beperkt strekking betreffende mutatie van andere gebieden in het genoom door gebrek van unieke restrictie-enzymplaatsen in het genoom. De huidige aanpak van het creëren van mutant VV impliceert transfectie van een shuttle (donor) vector met een selectie marker (RFP of GFP) in CV-1-cellen twee uur na infectie met VV tot een homologe recombinatie incorporati inducerenng de selectie marker in het doelgebied. Selectie van marker-positieve plaques wordt gevolgd door hun zuivering 24 uur na transfectie. De plaquette zuiveringsproces kan tot 10 rondes, de laatste 3-4 weken en leidt vaak tot ongewenste recombinante virussen met de selectie markers in off-target regio's geplaatst. DNA dubbelstrengige breuken effectief induceren van homologe recombinatie in zoogdiercellen 37, en door gebruik te maken van dit mechanisme kan het rendement van het genereren van mutante VV sterk worden verbeterd. Het gRNA geleide Cas9 systeem is succesvol toegepast in genoom bewerken en verhoogt de efficiëntie van homologe recombinatie in eukaryotische organismen 22, 25. Recent, in gastheercellen het genoom van adenovirus en type I herpes simplex virus werden bewerkt door het gRNA geleide Cas9 systeem 24. Het is onlangs aangetoond dat CRISPR Cas9 systeem is een krachtig hulpmiddel voor de VV genoom efficiënt bewerken en construeren van een vector voor het tot expressie VV eenbepaald gen.
Beide N1L gRNA-begeleide Cas9 en de traditionele methode homologe recombinatie (HR) resulteerde in een succesvolle HR gebeurtenissen in dezelfde doelgroep plaats van N1L. Interessant genoeg gRNA geleide Cas9 geïnduceerde HR bij veel hogere efficiëntie dan de traditionele methode HR. Zo is het gebruik van gRNA geleide Cas9 elimineert de noodzaak om zoveel plaques zuiveren mutant VVS verkrijgen. In dit werk, we aanzienlijk verbeterd de efficiëntie en het tijdschema voor het genereren van mutant VV met behulp van de gRNA-begeleide Cas9 systeem 33. Opmerkelijk is een belangrijke stap voor het verkrijgen van een hoge efficiëntie van homologe recombinatie om CV-1-cellen met plasmiden die Cas9 en gRNA gedurende 24 uur transfecteren alvorens de conventionele homologe recombinatie. De 24 uur interval maakt Cas9 en gRNA worden uitgedrukt op een redelijk niveau. Verder kan de sequentie gRNA gericht op een bepaald gen moeten worden geoptimaliseerd als we vonden dat de verschillende sequenties t gRNAargeting N1L gen variëren in hun efficiëntie 33, 34.
De beperking van de CRISPR / Cas9 in bewerken VV is de lage snelheid van de RFP-positieve plaques in de eerste ronde van recombinatie. Om voldoende RFP-positieve plaques die recombinant virus, meestal minstens tien 6-well platen nodig zijn, die eerste ronde maakt screening vervelend vinden. Daarom is er nog steeds behoefte aan het protocol om deze beperking te overwinnen optimaliseren.
De geringe omvang van RFP-positieve plaques is een potentieel probleem, dat wordt veroorzaakt door een grote hoeveelheid lysaat gebruikt om een 6-wells plaat infecteren. Om dit te ondervangen dient een kleiner volume lysaat gebruikt om een 6-well plaat geïnfecteerd met groter formaat RFP-positieve plaques verkregen. Met een kleiner volume lysaat ook mogelijk voor een betere scheiding van RFP-positieve plaques van de RFP-negatieve. Bijgevolg minder rondes van plaque zuivering moeten zuivere RFP-positieve plaques verkregen.
<pclass = "jove_content"> Off-target effecten zijn altijd een ongewenste kwestie gen bewerken. CRISPR-Cas9 heeft off-target effecten getoond. Echter, met een zorgvuldig ontwerp van gRNA, off-target effecten worden vermeden bij het bewerken van VV Genomes 33, 34. Dit is het bijzondere voordeel van het gRNA geleide Cas9 systeem voor het bewerken van het genoom van VV. Gezien de beloften van VV, met behulp van de CRISPR / Cas9 systeem zal versnellen van de ontwikkeling van de mutant VVS voor biomedisch onderzoek en in Translational Medicine. Bovendien zou een dergelijk systeem ook ontdekkingen in celbiologie, zoals dissectie van de signaalwegen die door VV voor zijn actine gebaseerde motiliteit versnellen.The authors have nothing to disclose.
This work was supported by The MRC DPFS grant (MR/M015696/1) and Ministry of Sciences and Technology of China (2013DFG32080).
Plasmid #41824 | 41824 | Addgene | gRNA cloning vector |
pST1374 | 13426 | Addgene | Cas9 cloning vector |
pGEMT easy | A1360 | promega | repair donor vector cloning |
One Shot TOP10 Chemically Competent E .Coli | C4040-10 | Invitrogen | transformation |
QIAprep Spin Miniprep Kit | 27106 | Qiagen | plasmid extraction |
Dulbecco’s Eagle’s Medium (DMEM) | 11965-092 | Life Technologies | cell culture medium |
fetal bovine serum (FBS) | SH30088.03HI | Hyclone | cell culture serum |
penicillin, streptomycin | 15070-063 | Thermo Scientific | antibiotics |
Effectene | 301425 | Qiagen | transfection |
Thermo Scientific Nalgene Cryogenic vial; 2.0 mL | W-06754-96 | Thermo Scientific | collect virus |
fluorescence microscope | Olympus BX51 Fluorescence | Olympus | find RFP-positive plque |
DNeasy Blood & Tissue Kit | 69506 | Qiagen | DNA extraction |
Extensor Long PCR ReddyMix Master Mix | AB-0794/B | Thermo Scientific | PCR reagent |
10cm culture dish | Z688819-6EA | sigma | cell culture |
6-well plate | Z707759 | sigma | cell culture |
cell scraper | C5981 | sigma | scrap cells |
1XTrypsin-EDTA solution | T4299 | sigma | trypsinize cells |
Virkon | 95015661 | Anachem Ltd | desinfectant |
Falcon tube | CLS430791-500EA | Sigma | hold cell suspension |
N1L forward 5’-TATCTAGCAATGGACCGT-3’ | Sigma | PCR primer | |
N1L reverse 5’-CCGAAGGTAGTAGCATGGA-3' | Sigma | PCR primer | |
A52R forward 5’-ATAGGATTGTGTGCATGC-3’ | Sigma | PCR primer | |
A52R reverse 5’-TTGCGGTATATGTATGAGGTG-3’ | Sigma | PCR primer | |
RFP forward 5’- GCTACCGGACTCAGATCCA-3’ | Sigma | PCR primer | |
RFP reverse 5’-CGCCTTAAGATACATTGATGAG-3’ | Sigma | PCR primer | |
Argarose | A7431 | Sigma | resolve PCR product |
G:BOX F3 | G:BOX F3 | Syngene | UV gel doc |