大規模な gRNA ライブラリを生成するためのメソッドは、シンプルで効率的かつコスト効果の高いはずです。ターゲット DNA の酵素の消化力に基づく gRNA ライブラリの生産のためのプロトコルについて述べる。このメソッド CORALINA (制御のヌクレアーゼ活性を通じて包括的な gRNA ライブラリを生成) は高価なカスタム オリゴヌクレオチド合成に代わるものを提示します。
ゲノム、エピゲノム工学 CRISPR/Cas9 システムの人気は、そのシンプルさと適応性から生じています。エフェクター (Cas9 ヌクレアーゼやヌクレアーゼ死者 dCas9 融合タンパク質) がガイド RNA、または gRNA として知られている小さい合成 RNA ゲノムの特定のサイトを対象と。CRISPR システムの二部の性質は、個々 の gRNAs の何千もの格納式カセットは単一の実験で多数の異なるサイトを調査する使用ことができますプラスミド ライブラリからスクリーニングのアプローチでの使用できます。
日には、ライブラリの構築のための gRNA シーケンスをライブラリ内のシーケンスの達成可能な複雑さを制限、比較的コストのかかるオリゴヌクレオチド合成によってほとんど専ら生成されています。ここで詳細なプロトコル CORALINA (制御のヌクレアーゼ活性を通じて包括的な gRNA ライブラリを生成)、単純な非常に複雑な gRNA ライブラリの生成コスト法に基づいて入力 DNA の酵素消化、記載されています。カスタマイズ オプションの多くが存在する DNA の任意のソースから、CORALINA ライブラリを生成できますので、多種多様な CRISPR ベースの画面を有効にします。
分子ターゲット ツールとして細菌の CRISPR/Cas9 システムの適応は、分子生物学の最も最近の革命を引き起こされます。決して前に、それがそう定義されたゲノム場所でクロマチンを操作する簡単です。CRISPR の一般的なアプリケーションは、対象となる遺伝子の突然変異は1、ゲノム工学2、エピゲノム編集3、転写活性化遺伝子サイレンシング4。CRISPR システムの 1 つの特定の利点は、そのアプリケーションはよく研究の候補地に限定されない gRNA ライブラリより少なく偏りのある画面を可能にします。これらは前の実験的知識なしのゲノムの機能遺伝子座の検出を促進します。ただし、gRNA 図書館の建設は現在主 oligo ヌクレオチドの合成に基づいて人間は gRNA ライブラリを購入する限られたオプションがあります、またはマウスの起源またはターゲット地域外開いたリーディング ・ フレーム。したがって、CRISPR 画面が信じられないほど強力な5,6,7、8を既に証明しているが彼らの完全な可能性がまだ開発されていません。
克服するために古典的な gRNA 生成メソッドの 2 つの方法の制限を最近開発されています。両方はカスタム オリゴヌクレオチド合成に頼るのではなく、ターゲット DNA の酵素消化力制御に基づいています。制限酵素を使用して CORALINA9ミクロコッカスヌクレアーゼ、のみ現在利用可能な代替法 CRISPR 食べて10を採用している間 (HpaII、超 Bfaは私とMme私)。重要なは、両方の方法は、gRNA protospacer シーケンスのソースとして任意の入力の DNA に適用できます。CRISPR 食べる方法は、必要な S.pyogenes PAM (protospacer 隣接する動機) がターゲット サイトに従わない複製された gRNAs の数を減らすための戦略を採用し、それのためのすべての可能な機能 gRNAs の小さい一部分だけが生成されます、指定された領域。CORALINA、一方でソース シーケンスのすべての潜在的な gRNAs を生成することができるがまた非機能的なガイドの高い割合が組み込まれています。任意の種の包括的な gRNA ライブラリの製造を可能に gRNA ライブラリを生成制御のヌクレアーゼ活性をシンプルかつコスト効果の高い方法で任意の Cas9 蛋白質またはエフェクター システム。さらに、CORALINA は、適切な入力とベクトルの選択肢を定義するライブラリの種類、サイズ、コンテンツのカスタマイズに適応されます。ここでは、詳細なプロトコルが表示細菌人工染色体 (BACs) またはゲノム DNA9を含む DNA (図 1) のさまざまなソースから包括的な gRNA ライブラリの生成に使用することができます。このプロトコルを伴う代表的な結果は、BAC DNA に CORALINA プロトコルを適用することによって得られました。
CORALINA は、ターゲット DNA の制御ヌクレアーゼ消化、大規模な gRNA ライブラリを生成し、結果の二重鎖断片のクローニングを一括使用ことができます。統計的推論は、以上 107個々 の gRNA シーケンスの多く既に正常にクローンされた手9でプロトコルを使用してを示します。CORALINA は、複数の方法でカスタマイズできます。DNA のテンプレートの選択は、ターゲット領域と生成されたライブラリの最大の複雑さを定義します。このプロトコルを使用すると、CORALINA ライブラリ以前は人間から生成され、マウスのゲノム DNA9。ここで示した代表的な結果には、精製の BAC DNA から CORALINA ライブラリの生成が描かれています。GRNA 式ベクトルとリンカー シーケンスの選択によっては、さらにカスタマイズを実現できます。我々 は以前効率9で少しバリエーションを持つギブソン アセンブリ リンカー長の 3 つの異なるペアをテストします。
一括消化 DNA から、その起源のため CORALINA gRNAs の protospacer は通常正確 20 長さ、しかしショー両方が依存する平均の長さ分布の bp MNase 消化のパラメーターおよび切除のサイズから作られたページのゲルs.図 2 bとC、、代表的な例は、19 と 27 bp 間の平均距離が断片を示しています。私たちの経験ではフラグメントの長さは生成された gRNA protospacer9で忠実に保持されます。一方、20 より小さいフラグメント結果 gRNAs のオフのターゲット速度が高いため避けるべきである bp、長いフラグメントははるかに少ないそれ以来下流のアプリケーションで問題を示した限り 45、protospacers と、gRNAs 可能性が高い bp はまだ機能9。
CORALINA プロトコルの 2 つの最も重要なステップは、MNase 消化断片のクローニング ステップ サイズの選択です。あまりにも短いフラグメントの生成 (例えば平均 18 歳以下 bp) またはあまりにも多くの空の gRNA 発現ベクターの取り込みはライブラリの無駄をレンダリングします。したがって、切除 (図 2 b, C) を監視する gRNA ベクター バックボーンの完全な消化力を確認し、プロトコル全体のフラグメント コントロールを含む、MNase 消化手順 (図 2 a) を最適化することが重要です。特別なケアは、gRNA ライブラリの表現を保持するためにも。ライブラリ生成の 1 つの一般的なボトルネックは、一般的に増幅の細菌にプラスミドの効率的な転送です。したがって、優れた能力を持つ細菌の大量と多数の個々 のエレクトロポレーション イベントは、高 gRNA クローン数を達成するために必要です。
GRNA ライブラリ用の新しい戦略は次の十年にわたって CRISPR ベースのスクリーニングのアプローチの完全な可能性を収穫する必要があります。モデル システムと異なる CRISPR ベース工学的アプローチの大きい数に従うのスクリーニングを行う前提の大規模なライブラリを生成するコスト効果の高い、シンプルでカスタマイズ可能なメソッドの重要な要求があります。CORALINA は、この第一歩を提供しています。潜在的な用途は多様、特にゲノムの包括的なライブラリを生成する、cDNA 由来のより少なく共通のモデル システム ライブラリ、高度に集中ライブラリおよび (異なる PAM とどの異なる CRISPR 蛋白質の実験のセットアップ要件) は、組み合わせで使用されます。
他のメソッドとは異なり、CORALINA は入力 DNA からすべての可能な gRNAs を生成します。ただし、メソッドの 1 つの欠点は、必要な PAM シーケンスを欠けている gRNAs、ライブラリ、gRNA ライブラリを生成、CRISPR を食べる (表 1) の 2 つ目の酵素法と共有している機能にも含まれていることです。最適な方法の選択の計画されたスクリーニングの仕様に依存する gRNA ライブラリを生成実験、(、規制、遺伝子) 特に気と対象地域 (単一の軌跡、複数の地域、ゲノム) のサイズ。我々 は CORALINA と多数の非コーディングを使用して特別な利点を参照してくださいまたは規定する領域が分析され、不完全なまたは信頼性の低い順序の情報がある場合 (エキゾチックなモデル システム、種 (内細菌叢解析など) の混合物または実験的に求めた入力)、異なる CRISPR 酵素を組み合わせた場合、または分析を飽和は短い、定義の軌跡 (例えばBACs によって表される) に対して実行されます。
The authors have nothing to disclose.
作者は彼らの入力について教授ステファン ・ ベックと教授博士マグダレナ ゲッツに感謝を助ける、CORALINA 法、マクシミリアン Wiessbeck とバレンティン ・ バウマンの有用なコメントのための開発のサポートと思います。仕事は、DFG (STR 1385/1-1) でサポートされています。
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. |