Summary

南しみが付くことおよびポリメラーゼの連鎖反応を使用してマウス胚性幹細胞での相同組換えイベントの識別

Published: November 20, 2018
doi:

Summary

南しみが付くことおよび/または PCR を用いたマウス胚性幹細胞に発生した相同組換えイベントを識別するための詳しいプロトコルを紹介します。このメソッドは、伝統的な胚性幹細胞を用いた相同組換えを介したターゲット技術を使用して非ミオシン II 遺伝子交換マウス モデルの生成によって例証されます。

Abstract

オフターゲット効果の問題やゲノムの編集、萌芽期の茎のデザイナーの核酸分解酵素のアプリケーションで長い DNA 断片を挿入することの難しさに相対パス (ES) 細胞を用いた遺伝子ターゲティング技術これらの欠点を持たないし、広く動物/マウスのゲノムに至る大規模な削除/挿入単一のヌクレオチドの置換を変更するために使用。特に、比較的少数の相同組換え (HR) イベントを取得する必要を識別する希望 ES クローンです重要なステップ、正確かつ信頼性の高い方法を要求します。南しみが付くことおよび/または従来の PCR がしばしばこの目的に用いられます。ここでは、内因性 Myh9 遺伝子が中断しその他非ミオシン重鎖 IIs (NMHC IIs) をコードする Cdna を置き換え、マウス ES 細胞に発生した HR イベントを識別するためにこれらの 2 つの方法を使用しての詳細な手順について述べる。南しみが付くことの全体の手順は、vector(s)、エレクトロポレーション、医薬品の選択、拡大および ES 細胞/クローン、準備、消化のストレージをターゲットとゲノム DNA (gDNA) 交配のしみが付くことの建設を含む、渦、および x 線フィルムの放射線写真法の最後のステップの洗浄。PCR は、準備および希薄化後 gDNA を直接実行できます。理想的な結果を得るためには、プローブと制限酵素 (再) 南にしみが付くことのための切断サイトと PCR のためのプライマーを慎重に計画した必要があります。南しみが付くことおよび PCR による迅速スクリーニングによって正確に識別が説明されているこれらの方法の単独または複合アプリケーションを許可する南にしみが付くことの実行は時間のかかり、労働集約的な PCR の結果が偽陽性を持つも、本稿で広く使用され、ES 細胞の遺伝子は遺伝子型同定のほとんどの演習で相談する動物を変更しました。

Introduction

人事によるマウス ES 細胞のターゲット遺伝子の技術は、特定の遺伝の突然変異の1,2の細胞の結果を解剖するための強力なツールを提供します。この技術の意義と重要性は生理学または薬3,4の 2007 年のノーベル賞の認識に反映されます。一方、遺伝子工学5のモダンな時代の到来を表します。Hr ターゲット遺伝子は、マウス ES 細胞67のゲノムの大規模な染色体再配列に点突然変異に至るあらゆる変化を設計する利用できます。よく知られている遺伝子ノックアウト マウスの世代は、いわゆるゲノム編集ツールの出現前に、ES 細胞8,9,10の遺伝子ターゲティング技術の応用も必要です。過去 20 年間、5,000 以上の遺伝子をターゲットとしたマウスはヒトの病気のモデル化や遺伝子機能11を勉強してこのアプローチによって生成されました。ゲノム ノックアウト努力標的遺伝子ベクトル、目標とされた ES 細胞クローン、および科学界2,12,13,14に生きたマウスを配布するために設立されました,15. 確かに、ES 細胞を用いた人事を介した標的遺伝子技術は大きく進歩遺伝子生理学的または病理学的コンテキストで再生の機能の私達の理解。

マウス ES 細胞のターゲット遺伝子起因の突然変異で、いくつかのクローンを識別するための多数の ES 植民地を分析することです時間は哺乳類で比較的頻度の低いイベント16,17、重要な細胞し、次の次のステップターゲット ベクトル18HR。南しみが付くことおよび PCR19,20金 HR イベントを識別する方法があります。アプローチのメリットは、南しみが付くこと正しく目標とされた ES のクローンを識別することができ、コンストラクトの単一コピー挿入の確認など、遺伝子をターゲットとしたイベントの構造を解析する研究者を許可しながら、PCR に基づく戦略人事イベント21,22のより迅速なスクリーニングを許可します。これらのメソッドが、欠点など、彼らは時間がかかると、ことができますが、それらの組合せの使用の偽陽性、幅広く受け入れられ HR イベントの識別のほとんどの演習で適用、特に ES 細胞で遺伝子の生成の変更動物。

哺乳類で、それぞれ 3 つの異なる遺伝子 (名前付き Myh9、Myh10、および Myh14) と軽鎖の 2 つのペアでエンコードされた 2 つの同一の NMHC IIs で構成される非ミオシン II (NM II) の 3 つのアイソ フォームは、NM II、II B、および II C23と呼ばれます。以前研究が少なくともそれを示されている NM II、II B のアイソ フォームは、これらのアイソ フォームの生体内でアブレーションの結果胚性致死24,25,26マウスの開発のために不可欠です。採用された戦略の ES 細胞を用いた人事を介した遺伝子ターゲット技術を使用してこの問題を回避し、マウス開発、遺伝子交換の後の段階で NM II、II B のアイソ フォームに固有の機能に新しい洞察力を得るマウス モデル27のシリーズを生成します。希望の ES クローンを識別する過程で南にしみが付くことおよび PCR 法が活かされてとこれらが効率的かつ信頼性の高い27,28をあることを証明しました。

本稿は、南しみが付くことおよび PCR、vector(s)、渦、プライマー、および HR イベントの識別に代表される結果の分析だけでなく、実験の実行をターゲットのデザインなどの詳細な説明を提供するためにしようとします。ES 細胞モデルと代表的なデータ、遺伝交換 NM II マウスを作成するために発生します。ここに示す 2 つのメソッドのプロトコルは、遺伝子組み換え細胞や動物の遺伝子型を識別するためも採用できます。

Protocol

1. ターゲットに Construct(s)、南しみ用プローブと PCR のためのプライマーの設計 ここでレポートを選択して混乱やノックアウト ・ ノックインのアプリケーションで挿入 Myh9 遺伝子の最初のコーディング エクソン (exon 2)。 5 kb 上流と 5 kb 下流 DNA シーケンスgenome.ucsc.eduのウェブサイトから Myh9 エクソン 2 の周囲を取得します。 南しみが付くことのためのゲノ?…

Representative Results

本稿では南しみが付くことおよび PCR の詳しいプロトコルは説明した、ES 細胞ベース人事を介したターゲット技術を使用して、NM II 遺伝子交換マウス モデルの世代のマウス ES 細胞に発生した HR イベントを識別するために利用されます。南しみが付くこと、PCR、伝統的な標的遺伝子技術は数十年間広く使用されている、しかしそれらの成功のアプリケーションは、慎?…

Discussion

現在、ゲノム編集デザイナー核酸は、オフターゲット効果の長い DNA フラグメント30,31を挿入の難しさの問題のため ES 細胞を用いた遺伝子ターゲティング技術をも置き換えることはできません。人事イベントが発生したマウス ES 細胞を識別するため黄金のメソッドとしては、このレポートは、フィールドの南にしみが付くことおよび PCR の詳細なプ…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この作業は、一般的なプログラム、研究財団の教育局の湖南省、人間地方自然科学基金、中国の (許可番号 2015JC3097)、国家自然科学基金、中国の (許可番号 31571432) からの支援を受けてください。中国、省 (許可第 15 号 054 K)

Materials

BAC CLONE BACPAC Resources Center (BPRC) bMQ-330E21
QIAGEN Large-Construct Kit QIAGEN 12462
QIAquick Gel Extraction Kit QIAGEN 28704
QIAquick PCR Purification Kit QIAGEN 28104
QIAprep Spin Miniprep Kit QIAGEN 27104
QIAGEN Plasmid Plus Maxi Kit QIAGEN 12963
PfuUltra High-Fidelity DNA Polymerase Agilent 600382
T-easy vector Promega A1360
Nuclei Lysis Solution Promega A7941
Protein Precipitation Solution Promega A7951
DNA Denaturing Solution VWR 351-013-131
DNA Neutralizing Solution VWR 351-014-131
Ready-To-Go DNA Labeling Beads (-dCTP) VWR 27-9240-01
UltraPure SSC, 20X Thermo Fisher 15557036
UltraPur Phenol:Chloroform:Isoamyl Alcohol (25:24:1, v/v) Thermo Fisher 15593031
G418 Thermo Fisher 10131035
Salmon Sperm DNA Solution Thermo Fisher 15632011
Platinu Taq DNA Polymerase High Fidelity Thermo Fisher 11304029
Not I Thermo Scientific ER0592
Dra I Thermo Scientific ER0221
EcoR I Thermo Scientific ER0271
Ganciclovir Sigma G2536
Whatman TurboBlotter Transfer System, Large Kits Fisher Scientific 09-301-188
32P]dCTP PerkinElmer NEG013H100UC
ProbeQuan G-50 Micro Columns GE Healthcare 28-9034-08
Hybrisol I Hybridization Solution Millipore S4040
Kodak X-Ray Film Z&Z Medical 844 5702

References

  1. Gao, G., McMahon, C., Chen, J., Rong, Y. A powerful method combining homologous recombination and site-specific recombination for targeted mutagenesis in Drosophila. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 105 (37), 13999-14004 (2008).
  2. Skarnes, W., et al. A conditional knockout resource for the genome-wide study of mouse gene function. Nature. 474 (7351), 337-342 (2011).
  3. Vogel, G. Nobel Prizes. A knockout award in medicine. Science. 318 (5848), 178-179 (2007).
  4. Salsman, J., Dellaire, G. Precision genome editing in the CRISPR era. Biochemistry. Cell Biology. 95 (2), 187-201 (2017).
  5. Capecchi, M. Gene targeting in mice: functional analysis of the mammalian genome for the twenty-first century. Nature Reviews Genetics. 6 (6), 507-512 (2005).
  6. Van, d. W. L., Adams, D. J., Bradley, A. Tools for targeted manipulation of the mouse genome. Physiological Genomics. 11 (3), 133-164 (2002).
  7. Glaser, S., Anastassiadis, K., Stewart, A. F. Current issues in mouse genome engineering. Nature Genetics. 37 (11), 1187 (2005).
  8. Bradley, A., Evans, M., Kaufman, M. H., Robertson, E. Formation of germ-line chimaeras from embryo-derived teratocarcinoma cell lines. Nature. 309 (5965), 255-256 (1984).
  9. Robertson, E., Bradley, A., Kuehn, M., Evans, M. Germ-line transmission of genes introduced into cultured pluripotential cells by retroviral vector. Nature. 323 (6087), 445-448 (1986).
  10. Thomas, K. R., Capecchi, M. R. Site-directed mutagenesis by gene targeting in mouse embryo-derived stem cells. Cell. 51 (3), 503-512 (1987).
  11. Skarnes, W. C., et al. A conditional knockout resource for the genome-wide study of mouse gene function. Nature. 474 (7351), 337 (2011).
  12. Collins, F. S., Rossant, J., Wurst, W. A mouse for all reasons. Cell. 128 (1), 9-13 (2007).
  13. Poueymirou, W. T., et al. F0 generation mice fully derived from gene-targeted embryonic stem cells allowing immediate phenotypic analyses. Nature Biotechnology. 25 (1), 91-99 (2007).
  14. Pettitt, S. J., et al. Agouti C57BL/6N embryonic stem cells for mouse genetic resources. Nature Methods. 6 (7), 493-495 (2009).
  15. Gertsenstein, M., et al. Efficient Generation of Germ Line Transmitting Chimeras from C57BL/6N ES Cells by Aggregation with Outbred Host Embryos. PLoS One. 5 (6), 11260 (2012).
  16. Smithies, O., Gregg, R. G., Boggs, S. S., Koralewski, M. A., Kucherlapati, R. S. Insertion of DNA sequences into the human chromosomal |[beta]|-globin locus by homologous recombination. Nature. 317 (6034), 230-234 (1985).
  17. Deng, C., Capecchi, M. R. Reexamination of gene targeting frequency as a function of the extent of homology between the targeting vector and the target locus. Molecular & Cellular Biology. 12 (8), 3365 (1992).
  18. Lay, J. M., Friishansen, L., Gillespie, P. J., Samuelson, L. C. Rapid confirmation of gene targeting in embryonic stem cells using two long-range PCR techniques. Transgenic Research. 7 (2), 135-140 (1998).
  19. Langerak, P., Nygren, A. O. H., Schouten, J. P., Jacobs, H. Rapid and quantitative detection of homologous and non-homologous recombination events using three oligonucleotide MLPA. Nucleic Acids Research. 33 (22), 188 (2005).
  20. Gómezrodríguez, J., et al. Advantages of q-PCR as a method of screening for gene targeting in mammalian cells using conventional and whole BAC-based constructs. Nucleic Acids Research. 36 (18), 117 (2008).
  21. Kim, H. S., Smithies, O. Recombinant fragment assay for gene targeting based on the polymerase chain reaction. Nucleic Acids Research. 16 (18), 8887-8903 (1988).
  22. Joyner, A. L., Skarnes, W. C., Rossant, J. Production of a mutation in mouse En-2 gene by homologous recombination in embryonic stem cells. Nature. 338 (6211), 153-156 (1989).
  23. Ma, X., Adelstein, R. S. The role of vertebrate nonmuscle Myosin II in development and human disease. Bioarchitecture. 4 (3), 88-102 (2014).
  24. Malonek, D. Relationships between the dynamics of cortical blood flow, oxygenation, and volume changes following sensory stimulation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 94, (1997).
  25. Takeda, K., Kishi, H., Ma, X., Yu, Z. X., Adelstein, R. S. Ablation and mutation of nonmuscle myosin heavy chain II-B results in a defect in cardiac myocyte cytokinesis. Circulation Research. 93 (4), 330-337 (2003).
  26. Conti, M. A., Evenram, S., Liu, C., Yamada, K. M., Adelstein, R. S. Defects in cell adhesion and the visceral endoderm following ablation of nonmuscle myosin heavy chain II-A in mice. Journal of Biological Chemistry. 279 (40), 41263-41266 (2004).
  27. Wang, A., et al. Nonmuscle myosin II isoform and domain specificity during early mouse development. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (33), 14645-14650 (2010).
  28. Zhang, Y., et al. Mouse models of MYH9-related disease: mutations in nonmuscle myosin II-A. Blood. 119 (1), 238 (2012).
  29. Liu, T., et al. Identification and characterization of MYH9 locus for high efficient gene knock-in and stable expression in mouse embryonic stem cells. PLoS One. 13 (2), 0192641 (2018).
  30. Saito, S., Adachi, N. Advances in the Development of Gene-Targeting Vectors to Increase the Efficiency of Genetic Modification. Biological & Pharmaceutical Bulletin. 39 (1), 25-32 (2016).
  31. Langerak, P., Nygren, A., Schouten, J., Jacobs, H. Rapid and quantitative detection of homologous and non-homologous recombination events using three oligonucleotide MLPA. Nucleic Acids Research. 33 (22), 188 (2005).
  32. Martin, S. L., et al. A single amino acid substitution in ORF1 dramatically decreases L1 retrotransposition and provides insight into nucleic acid chaperone activity. Nucleic Acids Research. 36 (18), 5845-5854 (2008).
  33. Kamisugi, Y., Cuming, A. C., Cove, D. J. Parameters determining the efficiency of gene targeting in the moss Physcomitrella patens. Nucleic Acids Research. 33 (19), 173 (2005).
  34. Luo, Y., Bolund, L., Sørensen, C. B. Pig gene knockout by rAAV-mediated homologous recombination: comparison of BRCA1 gene knockout efficiency in Yucatan and Göttingen fibroblasts with slightly different target sequences. Transgenic Research. 21 (3), 671-676 (2012).
  35. Croning, M. D., Fricker, D. G., Komiyama, N. H., Grant, S. G. Automated design of genomic Southern blot probes. BMC Genomics. 11 (1), 74 (2010).
  36. Zimmer, A., Gruss, P. Production of chimaeric mice containing embryonic stem (ES) cells carrying a homoeobox Hox 1.1 allele mutated by homologous recombination. Nature. 338 (6211), 150-153 (1989).

Play Video

Cite This Article
Zhou, D., Tan, L., Li, J., Liu, T., Hu, Y., Li, Y., Kawamoto, S., Liu, C., Guo, S., Wang, A. Identification of Homologous Recombination Events in Mouse Embryonic Stem Cells Using Southern Blotting and Polymerase Chain Reaction. J. Vis. Exp. (141), e58467, doi:10.3791/58467 (2018).

View Video