Gerichte genoom bewerken in het modelsysteem Danio rerio (zebravis) is sterk bevorderd door de opkomst van de CRISPR gebaseerde benaderingen. Hierin beschrijven we een gestroomlijnde, robuust protocol voor generatie en van onzin CRISPR afkomstige allelen waarin de heteroduplex mobility assay en identificatie van mutaties met behulp van de volgende generatie sequencing.
Karakterisering van de geclusterde, regelmatig interspaced, korte, palindromische herhalen (CRISPR) systeem van Streptococcus pyogenes heeft de ontwikkeling van een aanpasbaar platform om snel genereren gene wijzigingen in een breed scala van organismen, met inbegrip van de zebravis. CRISPR gebaseerde genoom bewerken maakt gebruik van een enkele gids RNA (sgRNA) te richten op een CRISPR-geassocieerde (Cas) endonuclease aan een genomic DNA (gDNA) doel van belang, waar de Cas endonuclease genereert een dubbel-strand break (DSB). Reparatie van DSBs door foutgevoelige mechanismen tot invoegingen of verwijderingen (microdeleties). Hierdoor kan frameshift mutaties die vaak leiden tot een voortijdige stop codon binnen de codering volgorde, waardoor een eiwit-null-allel. CRISPR gebaseerde genoom engineering vereist alleen een paar onderdelen van de moleculaire en zebrafish embryo’s gemakkelijk door microinjection is binnengebracht. Dit protocol beschrijft de methoden die worden gebruikt voor het genereren van CRISPR reagentia voor zebrafish microinjection en vis exposeren germline transmissie van CRISPR gemodificeerde genen te identificeren. Deze methoden omvatten in vitro transcriptie van sgRNAs, microinjection van CRISPR reagentia, identificatie van microdeleties veroorzaakte op de doelsite met behulp van een PCR-gebaseerde methode met de naam van een heteroduplex mobility assay (HMA) en karakterisering van de microdeleties met behulp van zowel een lage doorvoersnelheid en een krachtige volgende generatie sequencing (NGS)-gebaseerde aanpak die meerdere PCR producten verzameld uit heterozygoot vis analyseren kan. Dit protocol wordt gestroomlijnd om te minimaliseren van het aantal vissen nodig én de soorten apparatuur die nodig is voor het uitvoeren van de analyses. Bovendien, dit protocol is ontworpen om te worden vatbaar voor gebruik door laboratorium persoonlijke van alle niveaus van ervaring met inbegrip van studenten, waardoor dit krachtige hulpmiddel kunnen economisch worden ingezet door alle geïnteresseerd in het uitvoeren van de CRISPR gebaseerde onderzoeksgroep genomic wijziging in zebrafish.
De instandhouding van de moleculaire machines in eukaryoten ten grondslag ligt aan de kracht van het gebruik van modelorganismen voor onderzoek. Veel van deze modelsystemen vergemakkelijken het gebruik van omgekeerde-genetische benaderingen zoals gerichte gene uitsparingen te karakteriseren van de bijdrage van een gen-product met een biologische of ziekte proces van belang. Gene verstoring technieken in organismen zoals zebrafish hebben historisch vertrouwd op gerichte invoering van frameshift mutaties die uit de onnauwkeurige reparatie van DSBs1,2 voortvloeien. Wanneer een DSB is ingevoerd in het genoom, de DNA-laesie is gerepareerd door een van de twee trajecten die universeel aanwezig in bijna alle soorten cellen en organismen zijn: niet-homologe einde deelname aan (NHEJ) en homologie geleide reparatie (HDR)3,4 . De onnauwkeurige aard van de NHEJ machine produceert vaak microdeleties van verschillende lengtes5,6,7,8,9. Invoering van frameshift mutaties in de codering sequentie van een gen kan produceren een voortijdige stop codon, waardoor vaak de gene achterblijven.
Vroege genoom engineering strategieën in zebrafish ter bevordering van microdeleties opgenomen meganucleases, zink-vinger nucleasen en transcriptie activator-achtige effector nucleasen, die allemaal DNA-eiwit interactie gebruikt te richten op een nuclease aan een specifieke genomic doel waar het een DSB10,11,12,13,14,15ingevoerd. Deze technologieën zijn echter vaak moeilijk toe te passen als gevolg van de moeizame en ingewikkelde techniek nodig om te genereren een nuclease die zich richt op de opeenvolging van DNA van belang. In tegenstelling tot eerdere strategieën afhankelijk gene CRISPR gebaseerde bewerken niet is van eiwit-DNA interacties voor targeting. In plaats daarvan is de CRISPR-geassocieerde (Cas) endonuclease gericht via een RNA-gids die gebruikmaakt van de nucleotide base paren interacties te richten een genomic site van belang16,17,18,19 2120, ,. Als gevolg van de eenvoud van het ontwerpen van een RNA is gids met de gewenste base interacties voor targeting het in paren rangschikken relatief eenvoudig om de Cas endonuclease naar de gewenste plaats. Het type II CRISPR systeem is in het bijzonder sterk ontwikkeld voor genoom uitgeven toepassingen als gevolg van verschillende voordelige eigenschappen met inbegrip van gebruik van een enkele met meerdere domeinen Cas nuclease (Cas9) die interactie met DNA te stimuleren endonuclease activiteit vereist en gebruik van een enkele gids RNA (sgRNA) om te richten het op de DNA sequentie van cognaat18. De reeks eisen die noodzakelijk zijn voor het targeten van de cognaat sgRNA zijn goed begrepen19, en de gewenste sgRNA gemakkelijk door in vitro transcriptie wordt gegenereerd. De eenvoud en robuustheid van de CRISPR/Cas9-aanpak vergemakkelijkt sterk gerichte genetische modificatie in de zebravis en een grote verscheidenheid van andere organismen.
De verbeterde mogelijkheid ertoe gerichte genoom bewerken in de zebravis als gevolg van de ontwikkeling van de CRISPR gebaseerde reagentia aanzienlijk heeft verhoogd de kans om processen karakteristieke van gewervelde organismen zoals ontwikkeling van het centrale zenuwstelsel te bestuderen systeem. De zebravis genoom van Sinorhizobium orthologs van 70% van de eiwit-codeert genen gevonden in het menselijk genoom alsmede 84% van de genen die ziekten bij de mens22is gekoppeld. Zebravis ontwikkeling vertoont enkele key kwaliteiten die het gebruik ervan in omgekeerde genetische studies verbeteren: de embryo’s worden gelegd in grote klauwen, extern te ontwikkelen van de moeder, waardoor ze zich lenen voor genetische manipulatie door microinjection, en volwassen zebravis seksueel volwassen door 3 maanden oud, waardoor snelle teeltmateriaal voor gewenste lijnen23.
Er zijn talrijke protocollen beschikbaar die beschrijven een aantal verschillende benaderingen te genereren en te identificeren CRISPR afkomstige microdeleties in zebrafish24,25,26,27,28,29 ,30,31. Veel van deze procedures zijn echter tijd intensief, toegang tot dure apparatuur nodig, en kunnen lastig zijn voor labs met beperkte expertise. De hierin beschreven stappen bieden een eenvoudige, robuuste en economische CRISPR/Cas9-strategie voor de ingenieur zebrafish knock-out lijnen. Dit protocol beschrijft het gebruik van een zeer efficiënte kit voor het synthetiseren van sgRNAs met behulp van DNA oligonucleotides (oligos), vergelijkbaar met andere benaderingen die al eerder beschreven32. Het beschreven protocol omvat twee stappen in het bijzonder die sterk analyse van CRISPR-gemuteerd lijnen vereenvoudigen: stapsgewijze gebruik van de PCR-gebaseerde HMA33 gemakkelijk bepalen de aanwezigheid van genoom wijzigingen en sequencing analyse van heterozygoot zebrafish snel en gemakkelijk bepalen de aard van meerdere microdeleties op een economische manier. Daarnaast zijn stapsgewijze instructies opgenomen voor selectie van de robuuste, betrouwbare productie en injectie van gids RNAs. De stappen hier illustreren een robuust, relatief goedkope protocol waarmee laboratoriumpersoneel met een scala aan expertise bij te dragen aan de identificatie van het gen uitsparingen in zebrafish.
Dit protocol beschrijft de productie van gene uitsparingen in de zebravis gewervelde modelsysteem met behulp van CRISPR-Cas9-technologie. Een aantal protocollen zijn eerder beschreven om uit te voeren CRISPR-gemedieerde genoom engineering in zebrafish15,25,,26,50,51,,52. Dit protocol bouwt voort op eerdere pogingen door het combineren van een aantal eenvoudige maar reproducibly consistent experimentele technieken, met name HMA en NGS van meerdere heterozygoot vis, maken van een eenvoudig, economisch, en experimenteel robuust protocol voor CRISPR-gemedieerde mutagenese in zebrafish die geschikt is voor labs bemand met personeel met een bereik van opleiding en ervaring, evenals het onderwijzen van de labs.
Aanbevelingen voor ontwerp en de synthese van gids die RNAS zijn opgenomen in dit protocol. Een belangrijke overweging in handleiding RNA ontwerp is de minimalisering van off-target effecten. Verschillende voorspelling algoritmen hebben ontwikkeld waarmee CRISPR-gebruikers toegang hebben tot berekening tools met gebruiksvriendelijke grafische interfaces die de activiteit van de gids op doelsoort zijn zowel de kans op uit-target effecten34, voorspellen 35,,36. Een specifieke voordeel van de zebravis systeem is verlaagde tarieven van off-target effecten, omdat de Cas9 wordt ingespoten in de embryo’s en daarom expressie voorbijgaande aard is, dat is aangetoond in muizen leiden tot verminderde af-target effecten53. Af-target effecten zijn echter aangetoond optreden in zebrafish54. Een manier om controle voor off-target effecten is naar fenotype oprichter zebrafish die zijn gegenereerd door twee onafhankelijke gids RNAs die gericht zijn op het zelfde gen, aangezien deze gidsen zou zeer waarschijnlijk van invloed zijn op verschillende uit-target sites. Een alternatieve methode om te minimaliseren off-target effecten die niet wordt beschreven in dit protocol is het gebruik van een gemuteerde Cas9 die enkele streng einden op doelDNA, die gerepareerd worden met een hoog rendement genereert. Koppeling van DNA nicks in nabijheid van elkaar dat zijn een aanvulling op het tegenovergestelde strengen resulteert in effectieve indel vorming op de gewenste locus en af-target effecten55,56minimaliseert.
Naast het hebben van verschillende tarieven van off-target effecten, kan verschillende sgRNAs hebben verschillende tarieven voor de mutagenese van de gewenste doelgroep57,58,59. Dit protocol maakt gebruik van HMA voor het analyseren van de efficiëntie van de mutagenese van een bepaalde sgRNA met heteroduplex band vorming33,40. Heteroduplex banden zijn gemaakt door kruising van PCR gegenereerde DNA-strengen die incongruenties bevatten, en kan gemakkelijk worden opgelost met behulp van de Elektroforese van het gel. In tegenstelling tot andere methoden die gewoonlijk worden gebruikt voor het meten van indel vorming, zoals de T7 endonuclease assay of hoge resolutie smelten analyse25,26, HMA hoeft niet een dure enzym te snijden niet-overeenkomende DNA, en vereist geen ingewikkelde analyse van PCR smelten curven. Nog belangrijker is, controleren van de hoge tarieven van indel vorming in de ingespoten bevolking met HMA maakt het ook mogelijk de onderzoeker om te minimaliseren van de hoeveelheid vis die nodig zijn voor de productie van knock-out lijnen, waardoor de kosten van de identificatie van een mutatie met de gewenste kenmerken.
Het relatieve gemak van het genereren van de CRISPR gebaseerde microdeleties kunt creëren van multiple allelen van meerdere genen tegelijk. Web-gebaseerde software is beschikbaar voor analyse van enkele mutaties van heterozygoot vis met behulp van Sanger rangschikken van PCR producten49. In het geval waar drie of meer CRISPR-gemuteerd allelen worden geanalyseerd, is NGS te karakteriseren van de aard van de indel waarschijnlijk mogelijk te zijn rendabeler te karakteriseren van de aard van de indel als deze aanpak maakt een pool van maximaal 50 verschillende allelen te worden gekenmerkt op o nvu (Zie Tabel van materialen)60,61,62. Dergelijke schaalvoordelen zou waarschijnlijk vooral handig in een omgeving van undergraduate laboratorium.
Kortom, dit protocol biedt stapsgewijze aanwijzingen voor het reproducibly het genereren van hoge kwaliteit CRISPR-reagentia (in met name sgRNA) zodanig dat minder volwassen vis moeten worden gemaakt en geanalyseerd om te achterhalen met succes de mutant allelen van belang, die ook vermindert de tijd en de kosten van het genereren van de gewenste lijnen. Nog belangrijker is, is dit protocol zodanig is ontworpen dat het kan worden toegepast door laboratoria met beperkte middelen te produceren van mutant zebravis op een betaalbare manier. Bovendien, we hebben gevonden dat deze aanpak geschikt voor studenten is en dus de mogelijkheden voor onderwijs en opleiding van studenten geïnteresseerd in hands-on ervaring in het genoom van de CRISPR gebaseerde bewerken breidt.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd gesteund door de National Institutes of Health (R21CA182197 naar J.O.), de Ralph W. en Grace M. Showalter Research Trust, en door de Purdue landbouwkunde en de uitbreiding voor de economischeontwikkeling (AgSEED) programma. Sanger sequencing gegevens werden verworven door de faciliteit van de Purdue Genomics Core ondersteund door P30 CA023168. Mary Witucki werd gesteund door de Purdue University Center for Cancer Research zomer Undergraduate Research Program ondersteund door de Carroll County kanker vereniging. De financiers had geen rol in de studie ontwerp, gegevensverzameling en analyse, besloten tot bekendmaking of voorbereiding van het manuscript. Wij danken Benjamin Carter, Ellen Denning en Taylor Sabato voor kritische terugkoppeling geven over het manuscript. Wij danken het departement van biochemie voor ondersteuning van dit werk, en het Center for Zebrafish Research bij Purdue University voor hun inzet in de zorg en het welzijn van onze zebrafish kolonie. Tot slot, wij danken de Purdue faciliteit voor de kern van de genomica, en bijdragen van Phillip San Miguel met betrekking tot de diensten van het NGS.
CRISPOR | sgRNA analysis software. http://crispor.tefor.net/ | ||
Breaking-Cas | sgRNA analysis software. https://omictools.com/breaking-cas-tool | ||
ChopChop | sgRNA analysis software. https://chopchop.rc.fas.harvard.edu/ | ||
Primer 3 | PCR primer design. http://bioinfo.ut.ee/primer3-0.4.0/ | ||
Rnase free technique | http://genomics.no/oslo/uploads/PDFs/workingwithrna.pdf | ||
RNase-free water | Any brand | Synthesis of guide RNAs. Thermo Fisher and Qiagen both carry suitable water. | |
Rnase-free ethanol | Any brand | Molecular biology grade ethanol is Rnase free. Fischer, VWR sell suitable ethanol. | |
Cas9 Protein | PNA Bio | CP01 | Cas9 protein with nuclear localization signal. |
Target specific oligos | Integrated DNA Technologies (IDT) | Synthesize guide RNAs. | |
PCR primers flanking guide RNA cut site | Integrated DNA Technologies (IDT) | Use for heteroduplex analysis, 100-300 bp product. | |
PCR primers flanking guide RNA cut site | Integrated DNA Technologies (IDT) | Use for sequencing CRISPR-alleles,300-600 bp product recommended. | |
EnGen sgRNA Synthesis Kit | New England BioLabs | E3322 | In vitro transccribe guide RNAs. |
10X TBE | Thermo Fisher | B52 | RNase-free buffer for electrophoresis of nucleic acids. |
6X Load Dye | New England BioLabs | B7025S | Loading DNA for electropheresis. |
5M Ammonium acetate | Thermo Fisher | AM9071 | Clean up reagent for purification of guide RNAs. |
Ethanol (200 proof, nuclease-free) | Any brand | Clean up reagent for purification of guide RNAs. Molecular grade materials are RNase free. | |
Nuclease-free Water | Any brand | For synthesis and purification of guide RNAs. | |
RNase away | Thermo Fisher | 10328011 | Eliminates RNase contamination from surfaces, equipment, glassware. |
DNA Ladder, 100 bp | New England BioLabs | N0467S | Molecular weight standards for gel electrophoresis of DNA. |
DNA Ladder, 1 kb | New England BioLabs | N0552S | Molecular weight standards for gel electrophoresis of DNA. |
RNA Ladder | New England BioLabs | N0364S | Single strand RNA marker to verify that full length sgRNA has been synthesized |
TEMED | Thermo Fisher | 17919 | Casting polyacrylamide gel. |
Ammonium persulfate (APS) | Sigma-Aldrich | A3678 | Casting polyacrylamide gel. |
40% Polyacrylamide (19:1) | BioRad | 161-0154 | Casting denaturing polyacrylamide gel. |
Urea | Sigma-Aldrich | U5378-100G | Casting denaturing polyacrylamide gel. |
RNA Gel Loading Dye (2x) | Thermo Fisher | R0641 | Loading guide RNA onto denaturing gel for electrophoresis. |
Ethidium bromide | Sigma-Aldrich | E1510-10ML | Visualization of nucleic acids. |
SYBER Green | Thermo Fisher | S7563 | Alternate method to ethidium bromide for detection of dsDNA in agarose or polyacrylamide gels. |
Microcentrifuge | Eppendorf | 5424 | RNA clean up, PCR purification. |
MyTaq Polymerase | Bioline | BIO-21105 | For amplification of DNA using PCR. |
Thermocycler | Any brand | PCR amplification. | |
Spectrophotometer | Any brand | NanoDrop or related product to quantify the amout of DNA/RNA. | |
E3 embryo media | Made in house | Media for raising embryos and making injeciton plate. Recipe: http://cshprotocols.cshlp.org/content/2011/10/pdb.rec66449 | |
Methylene Blue | Sigma-Aldrich | M9140 | Added to 1x E3 media to prevent fungal growth on embryos. |
Petri dish | Thermo Fisher | FB0875711Z | Store embryos, cast injection plate. |
Agarose | Denville | CA3510-8 | Casting injection plate, agarose gels. |
Microinection mold | Adaptive Science Tools | TU-1 | To create wells to hold embryos during injection. |
Phenol Red | Sigma-Aldrich | P0290 | Dye for visualization of injection. |
Mineral Oil | Sigma-Aldrich | M5904-5ML | To calibrate needle injection volume. |
Transfer pipettes | Any brand | Moving embryos. | |
Razor blade | Thermo Fisher | 11295-10 | Cutting injection needle, tail clipping adult fish. |
Incubator | Any brand | Maintaining embryos at 28.5 oC. | |
Verticle pipette puller | David Kopf Instruments | 700C | Geneate needles for injection. Additional needle pulling instructions: http://cshprotocols.cshlp.org/content/2006/7/pdb.prot4651.long |
Capillary tubes | Sutter Instruments | BF100-58-10 | Geneate needles for injection. |
Microloader tips | Eppendorf | 930001007 | Load solution into injection needles. |
Microinjector | World Precision Instruments | PV 820 | Injecting embryos. |
Disecting microscope | Leica | Injecting embryos. | |
30% Polyacylamide (29:1) | BioRad | 161-0156 | Heteroduplex gel casting. |
MS-222 (Tricaine) | Sigma-Aldrich | A-5040 | Anesthetize zebrafish for tail clipping and gDNA extraction from embryos. Recipe: https://wiki.zfin.org/display/prot/TRICAINE |
Microwave | Any brand | Casting injection plate, agarose gels. | |
Scale | Any brand | Casting injection plate, agarose gels. | |
Gloves | Any brand | For all aspects of the protocol. | |
N2 | Any brand | To expell liquid from the capillary for embryo injection. | |
1,000 µL tips | Any brand | For all aspects of the protocol. | |
200 µL tips | Any brand | For all aspects of the protocol. | |
10 µL tips | Any brand | For all aspects of the protocol. | |
PCR strip tubes | Any brand | For all aspects of the protocol. | |
Micropipettes | Any brand | For all aspects of the protocol. | |
NGS Sequencing platform: Wideseq | If your institution does not offer this servicce visit: https://www.purdue.edu/hla/sites/genomics/wideseq-2/ (External cost: $35). | ||
Software for sequence analysis | For Sanger sequencing of heterozygous fish. Visit: http://yosttools.genetics.utah.edu/PolyPeakParser/ | ||
Software for sequence analysis | SnapGene Viewer, Sequence Scanner for analysis of NGS sequencing. |