Methoden voor het opwekken van grootschalige gRNA bibliotheken moet eenvoudig, efficiënt en kosteneffectief zijn. Beschrijven we een protocol voor de productie van gRNA bibliotheken gebaseerd op enzymatische spijsvertering van DNA van het doel. Deze methode, CORALINA (uitgebreide gRNA bibliotheek generatie via gecontroleerde nuclease activiteit) presenteert een alternatief voor dure aangepaste oligonucleotide synthese.
De populariteit van het systeem van de CRISPR/Cas9 voor zowel de genoom en de epigenome techniek komt voort uit haar eenvoud en aanpassingsvermogen. Een effector (de nuclease Cas9 of een fusieproteïne nuclease-dode dCas9) is gericht op een specifieke site in het genoom door een kleine synthetische RNA Absorbtion gids RNA, gRNA. De bipartiete aard van het CRISPR-systeem kan het gebruik ervan bij bevolkingsonderzoek benaderingen sinds plasmide bibliotheken met expressie cassettes van duizenden afzonderlijke gRNAs kunnen worden gebruikt om vele verschillende plaatsen in een enkele experiment ondervragen.
Tot op heden zijn gRNA sequenties voor de bouw van bibliotheken bijna uitsluitend gegenereerd door oligonucleotide synthese, die de grenzen van het haalbare complexiteit van sequenties in de bibliotheek en is relatief kostenintensieve. Hier zijn een gedetailleerd protocol voor CORALINA (uitgebreide gRNA bibliotheek generatie via gecontroleerde nuclease activiteit), een eenvoudige en kosteneffectieve methode voor het genereren van zeer complexe gRNA bibliotheken gebaseerd op enzymatische spijsvertering van DNA input, is beschreven. Aangezien CORALINA bibliotheken kunnen worden gegenereerd vanaf een willekeurige bron van DNA, bestaat overvloed van opties voor aanpassingen, waardoor een grote verscheidenheid aan CRISPR gebaseerde schermen.
De aanpassing van het bacteriële CRISPR/Cas9-systeem als een moleculaire targeting instrument veroorzaakt de meest recente revolutie in moleculaire biologie. Nooit eerder is het zo gemakkelijk te manipuleren van de chromatine op gedefinieerde genomic locaties geweest. Gemeenschappelijke toepassingen van CRISPR omvatten gerichte gen mutaties1, genoom engineering2, epigenome3, transcriptionele activering en gene silencing4bewerken. Een bijzonder voordeel van het CRISPR-systeem is dat de toepassingen niet beperkt tot goed bestudeerde kandidaat-sites zijn, zoals gRNA bibliotheken een minder vooringenomen schermen mogelijk maken. Dit vergemakkelijkt de ontdekking van functionele loci in het genoom zonder enige voorkennis van de experimentele. Echter gRNA bibliotheek bouw is momenteel grotendeels gebaseerd op oligo-nucleotide synthese, en er zijn beperkte opties voor de aankoop van gRNA Bibliotheken, die niet van de mens of muis oorsprong of doel gebieden buiten open lezen van frames. Dus, hoewel CRISPR schermen hebben bewezen ongelooflijk krachtig5,6,7,8, hun volledige potentieel heeft nog niet is geëxploiteerd.
Om te overwinnen de beperking van de klassieke gRNA generatie methoden twee strategieën zijn onlangs ontwikkeld. Beide zijn gebaseerd op de gecontroleerde enzymatische spijsvertering van DNA van het doel in plaats van te vertrouwen op aangepaste oligonucleotide synthese. Terwijl CORALINA9 werkzaam micrococcal nuclease, de enige momenteel beschikbare alternatieve methode, CRISPR-eten10, maakt gebruik van beperkingsenzymen (HpaII, ScrFI, Bfaik en Mmeik). Nog belangrijker is, kunnen beide technieken worden toegepast op elke input DNA, die als de bron van de opeenvolgingen van de protospacer van de gRNA fungeert. Terwijl de CRISPR-EATING methode maakt gebruik van een strategie om het aantal gekloonde gRNAs waarvan de targeting sites niet worden gevolgd door de vereiste S.pyogenes-PAM (protospacer aangrenzende motief) te verlagen, het slechts een klein deel van alle mogelijke functionele gRNAs voor genereert een bepaald gebied. CORALINA, aan de andere kant, kan voor het genereren van alle potentiële gRNAs voor de reeks van de bron, maar bevat ook een hogere Fractie van niet-functionele gidsen. gRNA bibliotheek generatie via gecontroleerde nuclease activiteit mogelijk maakt de productie van uitgebreide gRNA bibliotheken voor elke soort, elk Cas9-eiwit of -effector systeem op een eenvoudige en kosteneffectieve manier. CORALINA is bovendien aangepast aan aanpassen, zoals de juiste keuzes voor invoer- en vector definiëren de soort bibliotheek, de grootte en de inhoud. Hier, een gedetailleerd protocol wordt gepresenteerd dat kan worden gebruikt voor de generatie van uitgebreide gRNA bibliotheken uit verschillende bronnen van DNA (Figuur 1), met inbegrip van bacteriële kunstmatige chromosomen (BACs) of genomic DNA9. De representatieve resultaten bij dit protocol zijn afgeleid door de toepassing van het protocol van CORALINA tot DNA dat BAC.
CORALINA kan worden gebruikt voor het genereren van grootschalige gRNA bibliotheken door gecontroleerde nuclease spijsvertering van DNA van het doel en bulk klonen van resulterende dubbele gestrande fragmenten. Statistische inferentie geeft aan dat veel meer dan 107 individuele gRNA sequenties hebben al met succes gekloond met behulp van het protocol op9van de hand. CORALINA kan op meerdere manieren worden aangepast. De keuze van de sjabloon DNA definieert de doel-regio en de maximale complexiteit van de gegenereerde bibliotheek. Met behulp van dit protocol, CORALINA bibliotheken zijn eerder gegenereerd van mens en muis genomic DNA9. Representatieve resultaten die hier gepresenteerd verbeelden de generatie van de bibliotheek van een CORALINA uit gezuiverde BAC DNA. Verdere aanpassingen kan worden bereikt door de keuze van vector- en linker opeenvolgingen van gRNA expressie. Wij hebben drie verschillende paren van linker lengtes voor Gibson montage met kleine variaties in efficiëntie9eerder beproefd.
Als gevolg van hun oorsprong uit bulk verteerd DNA, protospacer van CORALINA gRNAs zijn meestal niet precies 20 bp in lengte, maar de show een lengte-verdeling met een gemiddelde dat beide hangt af van de parameters van de MNase spijsvertering en de grootte van de besnijdenis gemaakt van de pagina gel s. de representatief voorbeeld weergegeven in figuur 2B en C, toont fragmenten met een gemiddelde lengte tussen 19 en 27 bp. In onze ervaring, is de lengte van de fragmenten getrouw bewaard door de gegenereerde gRNA protospacer9. Terwijl fragmenten korter dan 20 bp dient vermeden te worden als gevolg van hogere af-streefpercentage van resulterende gRNAs, langere fragmenten zijn waarschijnlijk veel minder een probleem voor downstream toepassingen, sinds het aangetoond dat gRNAs met protospacers, zolang 45 bp zijn nog steeds functionele9.
De twee belangrijkste stappen in het CORALINA-protocol zijn de selectie van de grootte van fragmenten MNase-verteerd en klonen stappen. Generatie van fragmenten die te kort zijn (bijvoorbeeld de gemiddelde onder 18 bp) of opneming van teveel lege gRNA expressievectoren zal de bibliotheek maken nutteloos. Het is dus belangrijk om te optimaliseren de MNase spijsvertering stap (figuur 2A), volgen van excisie (figuur 2B, C), controleren voor volledige spijsvertering van de ruggengraat van de vector gRNA en inclusief geen fragment besturingselementen in het gehele protocol. Speciale zorg moet ook worden gehouden voor het behoud van de vertegenwoordiging van de gRNA-bibliotheek. Één gemeenschappelijke knelpunt van bibliotheek generatie is in het algemeen de efficiënte omzetting van plasmiden in bacteriën voor versterking. Dus zijn grote hoeveelheden bacteriën met uitstekende bekwaamheid en een groot aantal individuele electroporation gebeurtenissen noodzakelijk voor het bereiken van een groot aantal gRNA klonen.
Nieuwe strategieën voor de productie van de bibliotheek van de gRNA zal men moeten oogsten van het volledige potentieel van screening CRISPR gebaseerde benaderingen in de komende decennia. Er is een significante vraag naar aanpasbare, kosteneffectieve en eenvoudige methoden voor het genereren van grote bibliotheken, een eerste vereiste om screening vatbaar voor een groter aantal modelsystemen en verschillende CRISPR gebaseerde engineering benaderingen. CORALINA is het verstrekken van een eerste stap naar dit. De mogelijke toepassingen zijn divers, met name voor de productie van uitgebreide bibliotheken van genomen, cDNA bibliotheken van minder voorkomende modelsystemen, zeer gerichte bibliotheken en experimentele opstellingen in welke verschillende eiwitten van de CRISPR (met verschillende PAM afgeleid Requirements) worden gebruikt in combinatie.
In tegenstelling tot andere methoden, CORALINA genereert alle mogelijke gRNAs van de ingang DNA. Een nadeel van de methode is echter dat gRNAs ontbreekt de vereiste volgorde van de PAM zijn ook opgenomen in de bibliotheek, een functie die hij met een tweede enzymatische methode voor gRNA bibliotheek generatie, CRISPR-eten (tabel 1 deelt). De keuze van de ideale methode voor gRNA bibliotheek generatie is afhankelijk van de specificaties van de geplande screening experimenteren, met name de aard (genenreservoir, regelgevende, intergenic) en de grootte van de doel-regio (single locus, meerdere regio’s, genoom-brede). We zien een speciale kop in met behulp van CORALINA wanneer een groot aantal niet-coderende of regelgevende regio’s moeten worden geanalyseerd, als er onvolledig of onbetrouwbaar opeenvolgingsinformatie is (exotische modelsystemen, zaadmengsels van soorten (bijvoorbeeld microbiomes) of experimenteel verkregen input), verschillende CRISPR enzym worden gecombineerd of verzadigen van de analyse wordt uitgevoerd op een korte en gedefinieerde locus (bijvoorbeeld vertegenwoordigd door BACs).
The authors have nothing to disclose.
De auteurs zou willen van Prof. Dr. Stephan Beck en Prof. Dr. Magdalena Goetz bedanken voor hun inbreng, te helpen en te ondersteunen bij de ontwikkeling van de CORALINA-methode, Maximilian Wiessbeck en Valentin Baumann voor nuttige opmerkingen. Het werk werd ondersteund door DFG (STR 1385/1-1).
500 mM EGTA | Sigma Aldrich | 03777-10G | 1.4., Inactivation of Mnase |
Novex Hi-Density TBE Sample Buffer | Thermo Fisher Scientific | LC6678 | 2.1. |
Novex® TBE Gels, 20%, 10 well | Thermo Fisher Scientific | EC6315BOX | 2.1., pre-made 20 % PAGE gel |
O'RangeRuler 5 bp DNA Ladder, | Thermo Fisher Scientific | SM1303 | 2.1. |
Novex® TBE Running Buffer | Thermo Fisher Scientific | LC6675 | 2.1., PAGE gel running buffer |
Disposable scalpel, sterile | VWR | 233-5363 | 2.3., other equivalent reagents may be used |
SYBR Green I nucleic acid stain (1000x concentrate in DMSO) | Sigma Aldrich | S9430 |
2.3. +2.5., also available from Thermo Fisher Scientific (S7563) |
UltraPure Phenol:Chloroform:Isoamyl Alcohol (25:24:1) | Thermo Fisher Scientific | 15593-031 | 3.6.1. + 4.3., other equivalent reagents may be used |
Glycogen | Sigma | 10901393001 | 3.6.4., other equivalent reagents may be used |
3M Sodium acetate , pH5.2 | Thermo Fisher Scientific | R1181 | 3.6.4., other equivalent reagents may be used |
Ethanol | 3.6.4. + 9.1.8., molecular biology grade | ||
Quick blunting kit | New England Biolabs | E1201 | 4.1. |
ammomium acetate | Sigma | A1542 |
3.1., other equivalent reagents may be used |
magnesium acetate | Sigma | M5661 |
3.1., other equivalent reagents may be used |
0.5 M EDTA (pH 8.0) | VWR | MOLEM37465520 (or Promega V4231) | 2.2. + 3.1., other equivalent reagents may be used |
Agencourt AMPure XP beads | Beckman coulter | A63881 | 5.3. + 6.5. |
Gel extraction kit | QIAGEN | 28704 | 5.7.+ 7.1. +8.4., other equivalent reagents may be used |
concentrated T4 DNA ligase | New England Biolabs | M0202T | 6.1.+ 8.1.2. |
Long Amp Taq 2X Master Mix | New England Biolabs | M0287S | 6.3. |
Phusion High-Fidelity PCR Master Mix with HF Buffer | New England Biolabs | M0531S | 5.1. + 6.6., other equivalent reagents may be used |
HindIII | New England Biolabs | R0104S | 5.4.1. |
SacII | New England Biolabs | R0157S | 5.4.2. |
AgeI | New England Biolabs | R0552S | 8.2.1. |
Tris base | Sigma | 93362 | 8.1.1. |
2M MgCl | Sigma | 93362 | 8.1.1. |
dGTP,dATP, dCTP, dTTP | New England Biolabs | N0446S | 8.1.1. |
DTT | Sigam | DTT-RO |
8.1.1. |
PEG-8000 | Sigma | P5413 |
8.1.1. |
NAD | Sigma | N6522 |
8.1.1. |
T5 exonuclease | New England Biolabs | M0363S | 8.1.2. |
Phusion DNA polymerase | New England Biolabs | M0530S | 8.1.2. |
Taq DNA ligase | New England Biolabs | M0208L | 8.1.2. |
rSAP | New England Biolabs | M0371S | 8.3.1. |
TG1 competent cells | Lucigen | 60502-1 | 9.1. |
1mm gap electroporation cuvettes | VWR | 732-2267 | 10.2. |
Bio-Assay Dish (Polystyrene, 245 mm x 245 mm x 25 mm) | Fisher Scientific | DIS-988-010M | 9.4. |
NaCl | Sigma | S7653 | 9.3. |
Bacto-tryptone | BD | 211705 | 9.3. |
Yeast extract | BD | 212750 | 9.3. |
Agar | Sigma | A1296 |
9.4. |
Glycerol | Sigma | G5516 |
9.17. |
MNAse | New England Biolabs | M0247S | 1.1. |
Nanodrop | Thermo Fisher Scientific | ND-2000 | throughout |
Micropulser | Biorad | 165-2100 | 10.2. |
Electroporation cuvettes | Biorad | 732-2267 | 10.2. |
250 ml centrifuge tubes | Corning | 430776 | 9.1-9.9. |