Méthodes pour générer des bibliothèques gRNA à grande échelle devraient être simple, efficace et rentable. Les auteurs décrivent un protocole pour la production de bibliothèques gRNA issu de la digestion enzymatique de l’ADN cible. Cette méthode, CORALINA (génération de bibliothèque gRNA globale par activité nucléasique contrôlé) présente une alternative à la synthèse d’oligonucléotides personnalisée coûteux.
La popularité du système CRISPR/Cas9 pour génome et génie de l’épigénome découle de sa simplicité et son adaptabilité. Un effecteur (la nucléase Cas9 ou une protéine de fusion dCas9 nucléase-morts) est destiné à un site spécifique dans le génome par un petit ARN synthétique appelé le guide RNA ou gRNA. Le caractère biparti du système CRISPR permet son utilisation dans le dépistage des approches depuis les bibliothèques de plasmide des cassettes d’expression contenant des milliers de gRNAs individuel peuvent être utilisés pour interroger de nombreux sites différents dans une seule expérience.
A ce jour, gRNA séquences pour la construction de bibliothèques ont été presque exclusivement générés par la synthèse d’oligonucléotides, qui limite la complexité réalisable de séquences dans la bibliothèque et est relativement coûteux. Ici, un détail le protocole pour CORALINA (génération de bibliothèque gRNA globale par activité nucléasique contrôlé), un simple et méthode rentable pour la génération de bibliothèques gRNA hautement complexe issu de la digestion enzymatique de l’entrée de l’ADN, est décrite. Étant donné que les bibliothèques CORALINA peuvent provenir de n’importe quelle source d’ADN, beaucoup d’options pour la personnalisation existent, permettant une grande variété d’écrans CRISPR-basé.
L’adaptation du système CRISPR/Cas9 bactérienne comme un outil de ciblage moléculaire causé la révolution plus récente en biologie moléculaire. Jamais auparavant il n’a été aussi facile de manipuler la chromatine aux emplacements définis de génomiques. Applications communes de CRISPR incluent des mutations de gènes ciblés1, ingénierie du génome2, épigénome édition3, activation de la transcription et4de silençage génique. Un avantage particulier du système CRISPR est que ses applications ne se limitent pas aux sites de candidats bien étudiés, comme gRNA bibliothèques permettent moins biaisées écrans. Ces amendements facilitent la découverte des loci fonctionnelles du génome sans aucune connaissance préalable expérimentale. Cependant, construction de bibliothèque gRNA repose actuellement principalement sur la synthèse des oligo-nucléotides et il y a des options limitées pour acheter gRNA bibliothèques qui ne sont pas des humains ou régions origine ou cible de souris en dehors des cadres de lecture ouverts. Ainsi, bien que CRISPR écrans sont déjà avérées incroyablement puissants5,6,7,8, leur plein potentiel n’a pas encore été exploitée.
Pour surmonter la limitation des stratégies de deux méthodes gRNA classique de production ont récemment été mis au point. Deux sont basés sur contrôlé digestion enzymatique de l’ADN cible plutôt que de compter sur la synthèse d’oligonucléotides personnalisée. Tandis que CORALINA9 emploie une nucléase micrococcique, la méthode alternative actuellement disponible uniquement, mangeur de CRISPR10, fait appel à des enzymes de restriction (HpaII, ScrFje, BfaI et Mmej’ai). Ce qui est important, les deux techniques peuvent être appliquées à n’importe quel ADN d’entrée, qui sert de source de gRNA protospacer séquences. Alors que la méthode CRISPR-manger emploie une stratégie visant à diminuer le nombre de gRNAs clonés dont ciblant les sites ne sont pas respectées par le PAM de S.pyogenes requis (motif adjacent de protospacer), il génère seulement une petite fraction de tous les possibles gRNAs fonctionnels pour une région donnée. CORALINA, en revanche, est capable de générer tous les gRNAs potentiels pour la séquence source, mais intègre également une fraction plus élevée des guides non fonctionnel. génération de bibliothèque gRNA par activité nucléasique contrôlé permet de produire des bibliothèques gRNA complet pour toute espèce, n’importe quel système Cas9-protéine ou – effecteur de manière simple et rentable. En outre, CORALINA est adaptable à la personnalisation, choix d’entrée et vecteurs appropriés définissent le type de bibliothèque, la taille et le contenu. Ici, un protocole détaillé est présenté qui peut être utilisé pour la génération de bibliothèques complètes gRNA provenant de diverses sources de l’ADN (Figure 1), y compris les chromosomes artificiels bactériens (bac) ou l’ADN génomique9. Les résultats représentatifs qui accompagne ce protocole ont été obtenues en appliquant le protocole CORALINA à ADN.
CORALINA peut servir à générer des bibliothèques gRNA à grande échelle par la digestion nucléasique contrôlé d’ADN cible et en vrac clonage de fragments bicaténaire qui en résulte. Inférence statistique indique que beaucoup plus de 10 séquences gRNA individuels de7 ont déjà été clonés avec succès en utilisant le protocole à main9. CORALINA peut être personnalisé de plusieurs façons. Le choix du modèle ADN définit la région cible et la complexité maximale de la bibliothèque générée. Utilisant ce protocole, CORALINA bibliothèques ont été générées précédemment à partir de l’homme et l’ADN génomique de souris9. Résultats représentatifs présentés ici représentent la génération d’une bibliothèque CORALINA d’ADN purifié. Personnalisation supplémentaire est possible par le choix de séquences de gRNA expression vector et éditeur de liens. Nous avons déjà testé trois paires différentes de longueurs de l’éditeur de liens pour l’assemblage de Gibson avec petites variations en efficacité9.
En raison de leur origine de l’ADN bulk digéré, protospacer de CORALINA gRNAs ne sont généralement pas exactement 20 bp en longueur, mais montrent une distribution de longueur avec une moyenne qui dépend à la fois sur les paramètres de la digestion MNase ainsi que la taille de l’excision fait du gel de la PAGE s. l’exemple représentatif indiqué sur la Figure 2 b et C, représente des fragments d’une longueur médiane entre 19 et 27 ans bp. Dans notre expérience, la longueur des fragments est fidèlement préservée par le gRNA généré protospacer9. Alors que des fragments plus courts que 20 bp doit être évitée en raison de taux hors cible plus gRNAs qui en résulte, plus longs fragments risquent beaucoup moins de problème pour les applications en aval, puisqu’il a été démontré que gRNAs avec protospacers tant que 45 bp sont toujours fonctionnelle de9.
Les deux étapes les plus critiques dans le protocole CORALINA sont la sélection de la taille des fragments digérés MNase et étapes de clonage. Génération de fragments qui sont trop courte (p. ex. moyenne moins de 18 ans bp) ou intégration des vecteurs d’expression trop vide gRNA rendra la bibliothèque inutile. Ainsi, il est important optimiser l’étape de digestion MNase (Figure 2 a), pour surveiller l’excision (Figure 2 b, C), vérifiez pour la digestion complète du squelette gRNA vector et y compris aucun fragment des contrôles tout au long du protocole. Une attention particulière doit également être prises pour préserver la représentation de la bibliothèque gRNA. Un goulot d’étranglement courant de génération de la bibliothèque est en général le transfert efficace des plasmides dans les bactéries pour l’amplification. Ainsi, de grandes quantités de bactéries possédant des compétences excellent et un grand nombre d’événements de l’électroporation individuels sont nécessaires pour réaliser un grand nombre de clones gRNA.
Nouvelles stratégies pour la production de bibliothèque gRNA sera nécessaires pour récolter tout le potentiel des approches de dépistage basé sur CRISPR dans les prochaines décennies. Il y a une forte demande pour des méthodes efficaces, simples et personnalisables générer des bibliothèques à grande échelle, une condition sine qua non pour faire le dépistage se prêtent à un plus grand nombre de systèmes modèles et approches ingénieries CRISPR différents. CORALINA fournit un premier pas vers cela. Les utilisations potentielles sont multiples, notamment pour produire des bibliothèques complètes de génomes, ADNc provenant des bibliothèques de systèmes de modèles moins courants, des bibliothèques très ciblés et des montages expérimentaux dans lequel différentes protéines CRISPR (avec PAM différente exigences) sont utilisés en combinaison.
Contrairement aux autres méthodes, CORALINA génère toutes gRNAs possibles de l’entrée de l’ADN. Cependant, un inconvénient de la méthode est que gRNAs manque la séquence nécessaire de PAM sont également inclus dans la bibliothèque, une caractéristique qu’elle partage avec une deuxième méthode enzymatique pour la génération de bibliothèque gRNA, mangeur de CRISPR (tableau 1). Le choix de la méthode idéale pour génération de bibliothèque gRNA dépend les spécifications de la projection prévue expérimenter, en particulier la nature (génique, réglementation, intergénique) et la taille de la région cible (locus unique, plusieurs régions, Génome-large). Nous voyons une tête spéciale en utilisant CORALINA lorsqu’un grand nombre de non codantes ou régions régulatrices doivent être analysés, s’il existe des informations sur les séquences incomplètes ou peu fiables (systèmes modèles exotiques, mélanges d’espèces (p. ex. microbiomes) ou “obtenus expérimentalement entrée), si différentes endonucléases CRISPR sont combinés ou saturer l’analyse est effectuée sur un locus court et défini (par exemple représenté par BACs).
The authors have nothing to disclose.
Les auteurs tiennent à remercier Prof. Dr. Stephan Beck et Prof. Dr. Magdalena Goetz pour leur contribution, d’aide et de support dans l’élaboration de la méthode CORALINA, Maximilian Wiessbeck et Valentin Baumann des commentaires utiles. Le travail a été soutenu par la 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. |