يقدم هنا بروتوكول لاستخدام نظام CRISPR-Cas9 للحد من إنتاج البروتين في الدماغ نحل العسل الكبار لاختبار خصوصية الأجسام المضادة.
الكتلة بانتظام Interspaced يكرر Palindromic قصيرة (CRISPR)/CRISPR المرتبطة البروتين 9 (Cas9) هو أسلوب تحرير الجينات المستخدمة على نطاق واسع في دراسات وظيفة الجينات. نحن نستخدم هذه الطريقة في هذه الدراسة للتحقق من خصوصية الأجسام المضادة التي وضعت ضد الحشرة GABAA مستقبلات مقاومة subldrin (RDL) ومستقبلات الغلوتامات ميتابوتروبيك mGlutR1 (mGluRA). تم إنشاء الأجسام المضادة في الأرانب ضد الببتيدات المترافقة المحددة لذباب الفاكهة(Drosophila melanogaster)وكذلك لنحل العسل(أبيس mellifera). استخدمنا هذه الأجسام المضادة في أقسام الدماغ نحل العسل لدراسة توزيع المستقبلات في أدمغة نحل العسل. تم تنقية الأجسام المضادة ضد الببتيد واختبارها مع النبلة المناعية والطريقة الكلاسيكية للببتيد مع مترافقات الببتيد لإظهار أن الأجسام المضادة محددة لاقتران الببتيد المقابلة التي أثيرت ضدها. هنا قمنا بتطوير تقنية CRISPR-Cas9 لاختبار للحد من أهداف البروتين في الدماغ 48 ساعة بعد حقن CRISPR-Cas9 مع دليل الحمض النووي المصممة للمستقبلات المقابلة. يمكن أيضًا استخدام طريقة CRISPR-Cas9 في التحليلات السلوكية في النحل البالغ عندما تحتاج جينة واحدة أو عدة جينات إلى تعديل.
نظام CRISPR/Cas9 الذي تم اكتشافه مؤخرًا هو أداة قوية تم استخدامها لتغيير الحمض النووي الجينومي في أنظمة النماذج والكائنات الحية المختلفة. وقد عجلت البحوث الطبية الحيوية والاختراقات التكنولوجية الكبرى من خلال جعل تعديل الجينوم أكثر كفاءة وقوة من الأساليب السابقة1. الأصلي إلى S. pyogenes البكتيريا، ونظام يعتمد على Endonuclease Cas9، الذي يؤدي النشاط إلى فواصل تقطعت بهم السبل مزدوجة (DSBs) في الحمض النووي، ورنا دليل (gRNA) الذي يوجه البروتين Cas9 إلى موقع محدد، تعتمد على تسلسل2. يمكن إصلاح الفواصل المزدوجة التي تم إنشاؤها بواسطة CRISPR/Cas9 عن طريق الانضمام النهائي غير المتماثل (NHEJ) ، وهي عملية عرضة للخطأ يمكن أن تؤدي إلى تحولات إطارية ، أو إصلاح مباشر للهومولوجيا عند وجود قالب متبرع. وgRNA نفسها تتكون من مجموعة محددة الهدف CRISPR RNA (crRNA) وإعادة تنشيط شامل (tracrRNA) والتي يمكن توليفها كيميائيا وتسليمها مع تنقية Cas9 nuclease كمركب ribonucleoprotein (RNP)2،3. يمكن وضع العلامات الفلورية من gRNA أو Cas9 nuclease تسمح للكشف والتصور داخل الخلايا من المكونات الجزيئية عن طريق المجهر الفلوري4.
في عملنا الحالي، نستفيد من نظام CRISPR-Cas9 لتقليل مستويات البروتين في أدمغة نحل العسل البالغين. درسنا مستقبلات الغلوتامات الميتاتروبيك (mGluR) ومكافحة mGlutR1 مستقبلات الأجسام المضادة وGABAA مستقبلات الفرعية RDL والأجسام المضادة RDL. طورنا طريقة بسيطة لتقليل كمية البروتين في دماغ نحل العسل البالغ واستخدمناه لدفع اختبارات إضافية للأجسام المضادة التي تم تطويرها ضد البروتينات المقابلة. رصد مضان كريسبر-كاس9 سمح لنا بتقدير المناطق والخلايا المشاركة في الحد من البروتين.
باستخدام هذه الطريقة ، قمنا أيضًا بتوصيف الأجسام المضادة لـ mGlutR1 التي تم صنعها في الأرانب ضد الببتيد المترافق. الجينوم نحل العسل ترميز AmGlura حفظ عالية (اسمه mGlutR1 وفقا لتسمية NCBI) مستقبلات الغلوتامات المستقلب5. يحتوي جين نحل العسل mGlutR1 على أربعة متغيرات توقع لصق وفقا لقاعدة بيانات NCBI. وقد أفيد أنه يتم التعبير عنها في الجهاز العصبي المركزي (CNS) من كل من مراحل النحل pupal والكبار وتشارك في تكوين الذاكرة على المدى الطويل5. الأجسام المضادة التي وضعت ضد mGlutR1 يمكن أن تكون أداة أساسية لدراسة نظام الجلوتامات في عملية التعلم والذاكرة في نحل العسل.
في دراساتنا، كما تميزنا الأجسام المضادة RDL المتقدمة في الأرانب المحصنة مع الببتيدات مترافقة من apis mellifera RDL مستقبلات الوحدة الفرعية. جين نحل العسل Rdl، AmRdl (XM_006565102.3، قاعدة بيانات NCBI)، وقد 14 المتغيرات لصق المتوقعة. تم الإبلاغ عن جزء مستنسخ جزئيًا في قاعدة بيانات NCBI AF094822.1. تتم دراسة وظيفة مستقبلات RDL وعلم وظائف الأعضاء بشكل جيد في الحشرات6،7،8، بما في ذلك نحل العسل9،10،11. يمكن أن تكون الأجسام المضادة التي تم تطويرها ضد مضادات RDL أداة أساسية لدراسة نظام GABAergic في عملية التعلم والذاكرة في نحل العسل.
دراسة سابقة عن دور أوكتوبامين ومستقبلات الثيامين المستخدمة RNAi حقنها في الدماغ مع اختبار لاحق لكمية البروتين من قبل لطخة الغربية12,13. ومع ذلك ، RNAi لديها بعض القيود الهامة. هناك فقط فترة زمنية قصيرة بعد حقن RNAi التي يحدث فيها انخفاض البروتين13. تم استخدام CRISPR-Cas9 مؤخرًا في أجنة نحل العسل لحذف أو تعديل الجينات في الحيوان بأكمله14،15،16. أبلغنا عن استخدام CRISPR-Cas9 لتقليل كمية البروتين في نحل العسل البالغ. طورنا هذا النهج لنحل العسل بسبب القدرة على الزوجان من الدراسات السلوكية للتعلم والذاكرة في ظل ظروف المختبر الخاضعة للرقابة17.
في العمل الحالي ، قمنا بتطوير أجسام مضادة ضد اثنين من المستقبلات واختبرناها على أقسام الدماغ نحل العسل الكبار بعد أن تم تخفيض البروتين عن طريق حقن CRISPR-Cas9. وفي الوقت نفسه، أنشأنا تصميمًا تجريبيًا يسمح باستخدام الطريقة للتجارب السلوكية.
توصيف مكافحة RDL ومكافحة mGlutR1
أولا، نحن تتميز المضادة لمكافحة RDL ومكافحة mGlutR1 بواسطة المناعة والامتزاز قبل على شرائح من أدمغة نحل العسل الثابتة. تم إجراء كل جسم مضاد للتعرف على جميع أشكال النظائر المعروفة ، ويظهر التحليل الغربي أنهم يعترفون بالعصابات التي تتوافق مع أوزانهم الجزيئية المتوقعة. بعد ذلك ، تم حظر كلا الأجسام المضادة من قبل الببتيد المترافق الذي تم إنتاجهما على أقسام الدماغ نحل العسل.
كان أحد الأهداف الأولى في دراستنا هو إثبات أن الأجسام المضادة المنتجة ضد الببتيد المترافق محددة خاصة ببروتينها في أنسجة الدماغ الثابتة. ولهذا الغرض، استفدنا من نظام كريسبر – كاس9. قمنا بتصميم أدلة محددة لـ HONEYbee RDL و mGlutR1 واستخدمنا كل واحد منهم لصنع CRISPR-Cas9 المسمى مع مسبار الفلورسنت ATTO550. لكل مستقبلات، ونحن حقن خليط من ثلاثة مختلفة CRISPR-Cas9 ribonucleoproteins في ocelli للحد من كمية البروتين المستهدف في الدماغ نحل العسل الكبار عن طريق القضاء على الجين المقابلة في الخلايا التي اتخذت لدينا تصميم نظام Cas9. في دراستنا، أنجزنا هذه الخطوة.
واحدة من الخطوات الحاسمة الأولى لنجاح هذه التجارب هو تصميم دليل مناسب RNAs. نوصي بتصميم ما يصل إلى خمسة أدلة RNAs ، وتقع في البداية والوسط ونهاية التسلسل الجيني. في عملنا الأولي، اختبرناها في مجموعات مختلفة على ثلاثة إلى خمسة نحل. حاولنا أيضا تركيزات مختلفة من الحقن، فضلا عن مرات بعد الحقن، وخلائط مختلفة من RNP في الحقن. قمنا بتشريح الأدمغة ومعالجتها باستخدام الأجسام المضادة المضادة لـ RDL ومكافحة mGlutR1. في هذه الاختبارات الأولية، أنشأنا المزيج المناسب، وقت ما بعد الحقن، فضلا عن تركيز وكمية CRISPR-Cas9 للحقن. وكانت هذه الاختبارات الأولية هي الأساس لإعداد التجارب التي وصفناها بالتفصيل هنا.
كان الهدف مزدوجًا: 1) أن نثبت في النحلة أن تلطيخ الأجسام المضادة لدينا قد انخفض بعد العلاج باستخدام CRISPR-Cas9 و 2) للعمل من خلال أفضل الظروف التجريبية للدراسات السلوكية. وهكذا، ونحن نظهر أنه إذا كان العديد من نواة الخلية تحتوي على CRISPR-Cas9 48 ساعة بعد الحقن، والحد من المضادة لRDL والمضادة لmGlutR1 تلطيخ كبير. بالإضافة إلى ذلك، أن يدل على أن الأجسام المضادة اختبارها تعترف على وجه التحديد بروتين mGlut1 وRDL في إعداد الدماغ نحل العسل وأنه يمكن استخدامها لدراسات التعريب في الدماغ نحل العسل.
الإعداد التجريبي CRISPR-Cas9 للدراسة السلوكية
بعد ذلك ، قمنا بإعداد التجارب بحيث يمكن استخدام CRISPR-Cas9 في الدراسات السلوكية. تم جمع ثمانية أو تسعة نحل عسل للتحكم والعلاجات التجريبية. تم اختبارها سلوكيا قبل وبعد الحقن، ومن ثم تم تجهيز أدمغتهم لATTO550 و / أو الكيمياء المناعية لتحديد مناطق الدماغ التي أظهرت انخفاضا في البروتين المستهدف. هنا من الضروري أن نلاحظ أن عدد النحل المأخوذ لمجموعة واحدة من التجارب كان يقتصر على ما لا يزيد عن 8-9 النحل للسيطرة والظروف التجريبية. وبهذه الطريقة يمكن اختبار كلا الشرطين في نفس اليوم. أيضا، مرة واحدة ونحن إعداد مخاليط CRISPR-Cas9 للحقن، ونحن أبدا تجميدها. لم يتغير خليط CRISPR-Cas9 في الفعالية عند استخدامه لمدة 3 أيام متتالية وأبقى عند 4-8 درجة مئوية. ومع ذلك، لم نختبره بعد 3 أيام.
كما وصفنا في قسم النتائج لكلا المجموعتين من الحقن التجريبية ولكل من الأجسام المضادة، وأظهرت ثلاثة فقط من النحل من 16 اختبار توزيع كبير ATTO550 في الجسم الفطر، بروتوسيدبروم، وفصوص الهوائي. في جميع النحل الأخرى ، كان توزيع CRISPR-Cas9 يقتصر على جسم الفطر ، والمجمع المركزي ، و / أو البروتوسيدبرومي الخلفي. من الضروري أن نفهم لأي دراسات سلوكية أن استخدام طريقة الحقن هذه سيتم تقييد الحد من البروتين المستهدف فقط إلى جسم الفطر في معظم النحل. لن يمتد إلى الفص الهوائي أو العقدة تحت المريء. وبالتالي ، فإن تقنية الحقن التي نستخدمها مناسبة لدراسة تأثير الحد من المستقبلات في جسم الفطر والمجمع المركزي في التجارب السلوكية ، في حين أن طريقة مختلفة لإدخال CRISPR-Cas9 ستكون أكثر ملاءمة لدراسة مناطق الدماغ الأخرى.
في الختام، أظهرت دراستنا التطبيق الناجح لCRISPR-Cas9 كتحكم لتلطيخ الأجسام المضادة في الدماغ. لكل من الأجسام المضادة (المضادة RDL ومكافحة mGlutR1) ، عندما كان من شأن الاستفادة من mGlutR1 – CRISPR – Cas9 أو RDL – CRISPR – Cas9 ناجحة ، كما انخفض مستوى تلطيخ الأجسام المضادة المقابلة بشكل كبير. أيضا، من الضروري أن نلاحظ أن الحقن في أوتشيلي أدى إلى توزيع CRISPR-Cas9 في الدماغ التي لم تكن متجانسة. تفاوت التوزيع من منطقة صغيرة تحيط بجسم أوتشيلي والفطر إلى العديد من الخلايا في الدماغ كله. كان من المرجح أن يكون اختلاف mGlutR1-أو RDL-CRISPR-Cas9 من قبل الخلايا بسبب الاختلاف في الحقن. تظهر بياناتنا أن نظام CRISPR-Cas9 يعمل في نحل العسل ، ولكن طريقة الحقن تحتاج إلى تحسين للحد من تباين تناول CRISPR-Cas9 عبر أدمغة النحل الفردية. ضمن هذه القيود ، أصبح من الممكن الآن استخدام هذه التقنية للتلاعب بالجينات في النحل البالغ للتجارب السلوكية.
The authors have nothing to disclose.
وقد دعم هذا العمل الجوائز التالية التي منحت هاوووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووو المعاهد الوطنية للصحة (R01 GM113967)؛ مختبر أفكار NSF (1556337). تم تصميم الببتيد والأجسام المضادة لDmGlura في المختبر الدكتور سيرج بيرمان (مرسيليا، لوميني، فرنسا) عندما تم دعم IS من قبل برنامج d’Urgence FRM/Postdocs UFP20060306548 من مؤسسة من أجل لا Recherche Medicale. نحن ممتنون لدانييلا Junqueira Marosi وأليكس هاانتر من تكنولوجيا الحمض النووي المتكاملة (IDT) للمساعدة في تصميم أدلة RDL واختبارات الإنزال qPCR.
Acetic Acid | Sigma-Aldrich | A6283_100 mL | western blotting |
Acrylamide-bis Acrylamide | Bio-Rad | 500 mL 1610156 | western blotting |
Agarose | Sigma-Aldrich | A0169-250g | used with distilled water to fix honey bee brain in blocks |
Alexa Fluor 488 AffiniPure F(ab')2 Fragment Donkey Anti-Rabbit IgG (H+L) | Jackson Research Laboratories | 711-546-152 | secondary antibody to reveal the primary antibodies from rabbit |
Alt-R CRISPR-cas9 tracrRNA-5'ATTO | IDT | 1075934 | with desinged guide RNA, it creates gRNA |
Alt-R S.p. Cas9 nuclease V3 | IDT | 1081058 | enzyme used to make ribonucleoprotein for CRISPR system |
Ammonium Persulfate | Bio-RAD | 10 g 1610700 | western blotting |
Anti-mGlutR1 antibodies | Covalab (FRANCE)/21st Century Biochemical | characterized by authors in present paper | Used for primary incubation of mGlut 1 in honey bees |
Anti-RDL antibodies | 21st Century Biochemical | characterized by authors in present paper | Used for primary incubation of RDL in honey bees |
Aprotinin | Sigma-Aldrich | Y0001154 | protease inhibitor |
Barraquer Iris Scissors 7mm Blade Sharp point | World Precision Instruments | 14128-G | used for dissection honey bee brain |
Benzamidine | Sigma-Aldrich | 12072 | protease inhibitor |
Blade (breakable) for blade holder | Fine Science Tool | 10050-00 | dissection for western blotting |
Blade holder and breaker | Fine Science Tool | 15309 | dissection for western blotting |
Borosilicate glass capillaries | World Precision Instruments | 1B100 F | for injection procedure |
Chemiluminescent western blot detection substrate | Bio-Rad | 1705062 | western blotting |
Chloroform | Sigma-Aldrich | 472476-50mL | RNA isolation |
Dithiothreitol | Bio-Rad | 1610611 | western blotting |
DNA easy kit | QIAGEN | 69504 | DNA extractionuj |
DNA-free kit | INVITROGEN | AM1907 | Used to remove DNA |
Eppendorf Research plus pipette, 3-pack | Sigma-Aldrich | Z683884 | |
Falcon 24 Well Polystyrene Multiwell | Falcon | 351147 | Multiwell |
Flat Bottom Embedding Capsules, Polyethylene | Electron Microscopy Science | 70021 | basket for brain sections |
Forceps Dumont #5 (pair) | Fine Science Tool | 11254-20 | for dissection of honey bee brain from the head |
Forceps Dumont #5S (pair) | Fine Science Tool | 11252-00 | to clean up the brain from trachea befor dissection |
Gene Expression Master Mix | Integrated DNA Technologies | 1055770 | qPCR drop off assay |
Glutaraldehyde | EMS | 16220 | used for preparation of peptide conjugates for control peabsorption |
Glycerol | Sigma-Aldrich | G5516-500 mL | western blotting, embedding media |
Glycine | Bio-Rad | 1610718 | western blotting |
Hydrophobic filtered nylonmesh | Spectrum Labs | 145910 | for bottom of basket for brain sections |
Isopropyl alcohol | Sigma-Aldrich | I9030-50mL | RNA isolation |
Keyhole limpet hemocyanin | Sigma-Aldrich | H7017 | used for preparation of conjugates for control |
LSM800 cofocal microscope | Zeiss | ||
mGlu_Guide 1 | IDT | designed guide RNA for CRISPR-Cas 9. Target mGlutR1 genome sequences | |
mGlu_Guide 2 | IDT | designed guide RNA for CRISPR-Cas 9. Target mGlutR1 genome sequences | |
mGlu_Guide 3 | IDT | designed guide RNA for CRISPR. Target mGlutR1 genome sequences | |
methanol | Sigma-Aldrich | 34860 | western blotting |
96-well PCR microplate | Applied biosystem | 4346907 | qPCR drop off assay and qRT-PCR |
384-well PCR microplate | Sigma-Aldrich | Z374911 | qRT-PCR |
Mineral oil | Sigma-Aldrich | M5904_500mL | for injection procedure |
Model p87 Flaming Brown Micropipette Puller | Sutter Instrument Co. | Capillary Preparation | |
Mowiol 4-88 | Sigma-Aldrich | 81381 | for embedding solution |
Nanoliter 2000 | World Precision Instruments Nanoliter | Injection Apparatus | |
Normal Donkey Serum | Jackson Research Laboratories | AB_2337258 | blocking agent for immunocytochemistry |
Non-immune Goat Serum | Invitrogen | 50-062Z 100 mL | blocking agent for immunoblotting |
Nuclease-free buffer | IDT | 1072570 | Nuclease-free buffer that is used in the preparation of CRISPR-Cas9 injection |
Nuclease-free water | IDT | AM9337 | nuclease -free water that is used in preparation of CRISPR-Cas 9 system |
OrbitalShaker Mp4 | Genemate | ||
Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich | 158127-500 g | used with PBS to make fixative for bee brains |
Phenylmethylsulphonyl fluoride (PMSF) | Sigma-Aldrich | P7626-250 mg | protease inhibitor |
Phosphate Buffer Saline | Sigma-Aldrich | P4417-100TAB | Used with Paraformaldehyde as fixative; buffer for antibodies |