Directe levering van voorgemonteerde Cas9/gids RNA RiboNucleoProteïne-complexen is een snel en efficiënt middel voor genoom bewerking in hematopoietische cellen. Hier gebruiken we deze aanpak om een RUNX1 intronic geluiddemper te verwijderen en de transcriptionele responsen in OCI-AML3 leukemische cellen te onderzoeken.
Het grootste deel van het menselijk genoom (~ 98%) bestaat uit niet-Codeer sequenties. CIS-regelgevende elementen (CREs) zijn niet-CODEER bare DNA-sequenties die bindende plaatsen bevatten voor transcriptionele regulatoren om genexpressie te moduleren. Veranderingen van CREs zijn betrokken bij verschillende ziekten, waaronder kanker. Terwijl promotors en versterkers de primaire CREs voor het bestuderen van genregulering zijn geweest, is er weinig bekend over de rol van geluiddemper, wat een ander type CRE is dat genonderdrukking bemiddelt. CRISPR/Cas9, oorspronkelijk geïdentificeerd als een adaptief immuniteitssysteem in prokaryoten, is uitgebuit als een krachtig hulpmiddel voor eukaryotische genoom bewerking. Hier presenteren we het gebruik van deze techniek om een intronic-demper in het menselijk RUNX1 gen te verwijderen en de effecten op genexpressie in OCI-AML3 leukemische cellen te onderzoeken. Onze aanpak is gebaseerd op elektroporation-gemedieerde levering van twee voorgemonteerde Cas9/gids RNA (grna) RiboNucleoProteïne (RNP) complexen om twee dubbele strand Breaks (dsb’s) te creëren die de geluiddemper flankeren. Verwijderingen kunnen gemakkelijk worden gescreend door fragment analyse. Expressie analyses van verschillende Mrna’s die zijn getranscribeerd door alternatieve organisatoren helpen de Promoter afhankelijke effecten te evalueren. Deze strategie kan worden gebruikt om andere CREs te bestuderen en is vooral geschikt voor hematopoietische cellen, die vaak moeilijk te transfect zijn met plasmide gebaseerde methoden. Het gebruik van een plasmide-en virusvrije strategie maakt eenvoudige en snelle evaluaties van genregulerende functies mogelijk.
CIS-regelgevende elementen (CREs) zijn niet-CODEER bare DNA-sequenties die bindende plaatsen bevatten voor transcriptionele regulatoren om genexpressie1,2tebeheersen. Deze elementen zijn meestal 100 tot 1.000 baseparen (BP) lang. Promotors en versterkers zijn de twee meest gekenmerkte types van CREs. Promotors zijn aanwezig in de nabijheid van de transcriptie start sites en vormen de basiseenheid van transcriptie. Veel genen hebben meer dan één promotor en hun alternatieve gebruik draagt bij aan transcriptome diversiteit en weefsel specificiteit3,4. Aan de andere kant, versterkers activeren transcriptie en kan worden gevestigd stroomopwaarts, downstream of binnen intron van de doel genen. Versterkers kunnen optreden van verre afstand (over een megabyte) en onafhankelijk van oriëntatie1,2. CREs zijn ook geluiddempers en isolatoren5,6. De eerste fungeert tegengesteld aan versterkers voor de remming van genexpressie door binding aan transcriptionele repressors, terwijl de laatste het genoom verdeelt in discrete topologisch domeinen om genen van andere CREs uit naburige domeinen te isoleren. Deze elementen handelen in overleg met elkaar door middel van korte-en/of lange-afstand chromatine interacties en zijn georganiseerd in regelgevende hubs om de juiste spatiotemporale genexpressie te richten. Recente ontwikkelingen op het gebied van sequentie technieken met hoge doorvoer hebben de identificatie en functionele aantekening van vele CREs versneld die ons begrip van de transcriptionele netwerken die het Lineage-specifieke gen dicteren, sterk hebben vergemakkelijkt expressie in verschillende cel-en weefsel typen7,8,9,10,11,12.
Gezien de fundamentele rollen van CREs bij het reguleren van transcriptie, kunnen hun veranderingen leiden tot afwijkende genexpressie. Het is aangetoond dat CREs vaak verstoord wordt door genetische en epigenetische veranderingen in verschillende soorten menselijke kankers, wat bijdraagt aan het initiëren van de tumor, progressie en agressiviteit13,14. Daarnaast worden CRE-bindende factoren vaak gemuleerd en/of misexpressed in verschillende soorten kanker, wat verder de betekenis van CRE-deregulering in oncogenese15benadrukt. CREs kan ook worden beïnvloed door structurele aberraties, zoals wordt geïllustreerd door frequente chromosomale herschikkingen van de immunoglobuline Heavy (IgH) gen Enhancer die resulteren in abnormale activatie van de naburige oncogenen in B-cell lymfoomen16. In acute myeloïde leukemie (AML), herpositionering van een enkele versterker door chromosoom 3Q herschikkingen veroorzaakt gelijktijdige GATA2 Downregulatie en EVI1 activatie, die potentieel kan worden getarget door bet remming van Enhancer functies 17. onlangs kenmerkten we een nieuwe chromosomale translocatie met perturbatie van een RUNX1 intronic-geluiddemper die zou kunnen bijdragen aan AML-progressie bij een pediatrische patiënt18. Zo biedt het ontcijferen van het niet-coderende kanker genoom vruchtbare wegen voor het ophelderende ziekte pathogenese, biomarker Discovery en therapeutische interventies, die uiteindelijk de resultaten van de patiënt verbeteren.
De crispr/Cas9 Nuclease pathway, oorspronkelijk geïdentificeerd als een adaptief immuunsysteem in prokaryote cellen, is gebruikt als een snelle en kosteneffectieve manier voor locatiespecifieke genomische bewerking in levende cellen en organismen19,20 ,21,22. Het CRISPR/Cas9 systeem omvat twee hoofdcomponenten: de door de gRNA en Streptococcus pyogenesafgeleide Cas9 Nuclease. De gRNA bevat een specifieke sequentie genaamd protospacer die de doelregio herkent en Cas9 leidt voor bewerking. De gRNA bestaat uit twee delen: CRISPR RNA (crRNA), meestal een 20-Mer nucleotide sequentie complementair aan het doel-DNA, en een trans-activerende crRNA (tracrRNA), die fungeert als een bindende steiger voor de Nuclease. Een protospacer aangrenzend motief (PAM) (5 ‘-NGG) direct grenzend aan de doellocatie is nodig voor Cas9 decolleté en de decolleté plaats bevindt zich 3 nucleotiden stroomopwaarts van de PAM. CRISPR/Cas9-gemedieerde genbewerking wordt gewoonlijk uitgevoerd door transfecterende cellen met een plasmide die Cas9 en de gekloonde gRNA23codeert. Echter, deze aanpak is uitdagend voor hematopoietische cellen, die zijn vaak moeilijk te transfect en vereisen langdurige virus-gebaseerde transductie methoden. Een alternatieve aanpak is directe cellulaire levering van voorgemonteerde Cas9/gRNA RNP-complexen24. Een veelgebruikte methode voor de RNP-levering is elektroporation, die tijdelijke poriën in het celmembraan genereert, waardoor de RNP-complexen in de cellen25,26kunnen worden ingevoerd. De voordelen van deze aanpak zijn gebruiksgemak, verminderde off-target effecten en stabiliteit van de RNP-complexen. Hier beschrijven we een protocol van het gebruik van de RNP-leveringsmethode om de transcriptionele rol van een RUNX1 intronic-geluidsdemper te onderzoeken in de OCI-AML3 leukemie Cell line18, die werd vastgesteld aan de hand van het perifere bloed van een AML-patiënt gediagnosticeerd met de Frans-Amerikaans-Britse M4 subtype27. Het protocol omvat het ontwerp van crRNA, de voorbereiding van RNP-complexen, elektroporation, alsmede de screening en de daaropvolgende karakterisering van de gewenste klonen.
Het crispr/Cas9 systeem is gebruikt in een breed scala aan genoom bewerkings toepassingen zoals Gene Knockout en knock-in studies35,36, transcriptionele regulatie37,38, genetische manipulatie van verschillende model organismen39,40,41,42,43,44 en gentherapie45,46. Hier demonstreren we het gebruik van CRISPR/Cas9 om de functionele gevolgen van het verwijderen van een intronic geluiddemper op het RUNX1 gen te onderzoeken. De levering van de CRISPR componenten in onze aanpak was niet afhankelijk van plasmide DNA, klonen van gRNA of virus maar elektroporation van voorgemonteerde Cas9/gRNA RNP-complexen. Het is aangetoond dat het gebruik van exogeen DNA kan worden geassocieerd met ongewenste integratie van vreemde vector sequenties in het ontvangende genoom, verhoogde toxiciteit en lage efficiëntie25,47,48, terwijl de methoden voor virus transductie zijn tijdrovend. Bovendien kan een langdurige expressie van Cas9 uit plasmide DNA de niet-doel effecten vergroten48. Integendeel, de directe RNP-gebaseerde levering aanpak is vastgesteld als de voorkeursmethode als het is snel en ongecompliceerd met verbeterde bewerkings efficiëntie, selectiviteit en levensvatbaarheid van de cel. Inderdaad, een verscheidenheid van methoden zoals lipofection49,50, electroporatie25,51, nanodeeltjes52, cel-penetrerende peptiden53, iTOP54 en triamf 55 zijn ontwikkeld voor efficiënte crispr/Cas9 levering in diverse celtypen, evenals dier-en plantensoorten24,25,26,56,57 , 58 , 59 , 60 , 61 , 62 , 63. aangezien niet-CODEER bare DNA-sequenties hotspots zijn van genetische variaties64, is het controleren van de aanwezigheid van gemeenschappelijke snp’s/indels in de target en naburige pam-reeksen bijzonder relevant bij het ontwerpen van grna die gericht is op regelgevings Elementen.
Een knelpunt bij het bewerken van CRISPR/Cas9 genoom omvat het screenen van de gewenste mutanten in een groot aantal monsters. We werkten fluorescerende PCR in combinatie met capillaire gel elektroforese voor de screening als de doel mutatie is een kleine genomische deletie van ongeveer 300 BP. Deze methode is snel en gevoelig en kan worden uitgevoerd op een manier met hoge doorvoer. Ook, deze methode maakt nauwkeurige schatting van de Mutant niveaus en verwijdering maten tegelijkertijd. Bovendien wordt multiplex analyse van PCR-fragmenten met verschillende fluorescerende kleurstoffen ondersteund. We hebben deze techniek routinematig gebruikt voor het genotype van kleine inserties/verwijderingen in myeloïde Neoplasmata65,66. In onze ervaring kunnen we consistent fragment grootten detecteren die verschillen van 4 BP met hoge precisie en Mutante last tot ~ 3%. Echter, opgemerkt moet worden dat deze methode heeft een fragment groottelimiet van 1.200 BP, en dus het is niet geschikt voor het screenen van grote verwijderingen. Bovendien kunnen basis vervangingen (resulterend in ongewijzigde fragment grootte) en potentiële gebeurtenissen buiten het doel in andere genomische regio’s niet worden gedetecteerd. Voor deze laatste is de kostbare gehele genoom volgorde vereist om globale ongewenste veranderingen in de doel klonen volledig te kunnen profiel. Om onze huidige aanpak voor onderzoek van grote non-coding regelgevings sequenties (> 1000 BP) aan te nemen, kan een gedetailleerde deletie-en mutagenese analyse van putatieve transcriptiefactor bindings locaties met behulp van in vitro reporter gene assays worden uitgevoerd vooraf om de minimale functionele regio voor CRISPR/Cas9 Editing18te afbakenen.
Aangezien veel genen meer dan één promotors3,4bevatten, is het belangrijk om op de hoogte te zijn van het bestaan van alternatieve promotors in de target Gene Locus, omdat het manipuleren van regelgevings elementen de organisatoren differentieel kan beïnvloeden. Zo moeten transcript varianten die zijn afgeleid van verschillende promotors afzonderlijk worden gemeten om elke Promoter-specifieke reactie te evalueren. Het gebruik van TaqMan probe-gebaseerde testen heeft de voorkeur boven SYBR Green vanwege een betere specificiteit en reproduceerbaarheid. Als het geavanceerdere digitale PCR-systeem beschikbaar is, kan transcriptie kwantificering nauwkeuriger worden uitgevoerd zonder dat standaard curve constructie nodig is.
Een belangrijke overweging bij het uitvoeren van crispr/Cas9 experimenten in kanker cellijnen is de ploïdie en doelwit gen kopie nummer in de cellen die worden gebruikt als vrijwel alle kanker cellijnen Harbor genetische veranderingen met inbegrip van structurele en kopie aantal variaties. In ons geval heeft OCI-AML3 een hyperdiploïde karyotype met 45 tot 50 chromosomen. Ook bleek de cellijn een normaal RUNX1 kopie nummer te dragen zoals blijkt uit de kanker cellijn encyclopedie67 en fluorescentie in situ hybridisatie studies18. Bij het targeten van een gen met afschriftnummer versterking moet de leveringsmethode mogelijk worden geoptimaliseerd om voldoende niveaus van de CRISPR-componenten voor de bewerking te bieden. Er kunnen ook meer klonen worden vertoond om de volledige Knockouts te identificeren. Belangrijk is dat er is aangetoond dat targeting op versterkte genomische regio’s, met name die veroorzaakt door structurele herschikkingen, genonafhankelijke antiproliferatieve reacties in kankercellen kan veroorzaken, wat leidt tot vals-positieve resultaten in genen functionele studies68,69,70. In dit verband moeten alternatieve benaderingen zoals RNA-interferentie (RNAi) knockdown en/of cDNA-overexpressie worden gebruikt om de CRISPR-bevindingen te controleren. Ook moeten meerdere cellijnen worden gebruikt om onjuiste interpretatie van cellijn-specifieke maar genonafhankelijke CRISPR-bewerkingseffecten te voorkomen.
Het CRISPR/Cas9-systeem heeft een revolutie teweeggebracht in fundamenteel en translationeel onderzoek door een eenvoudig en efficiënt middel te bieden aan genoom bewerking. Hier demonstreren we het gemak van het gebruik van CRISPR/Cas9 om een intronic-demper te verstoren voor transcriptionele studies in een kankercel lijn. Deze techniek maakt de studie van CREs op DNA-niveau mogelijk en biedt de mogelijkheid om CRE-functies in de endogene context te onderzoeken in plaats van de traditionele heterologeuze reporter genen. Onlangs is een op CRISPR gebaseerd RNA-bewerkingssysteem ook geïdentificeerd71 en kan het fungeren als een nieuw hulpmiddel om CREs te bestuderen door zich te RICHTEN op RNA die is getranscribeerd uit de regelgevende elementen. Door te combineren met de opnametechnieken van chromosoom conformatie, zal CRISPR/Cas9 zeker helpen de involepen van CREs te ontcijferen in veranderde genoom organisatie en genexpressie gekoppeld aan verschillende gezondheidsproblemen.
The authors have nothing to disclose.
De auteurs willen Prof. M.D. Minden (Princess Margaret Cancer Centre, University Health Network, Toronto, Canada) bedanken voor het verstrekken van de OCI-AML3 cellijn. Ook willen de auteurs de belangrijkste nutsvoorzieningen van kanker Genomics en Pathobiologie (de Chinese Universiteit van Hong Kong) bedanken voor het bieden van de faciliteiten en bijstand ter ondersteuning van dit onderzoek.
0.2 cm-gap electroporation cuvette | Bio-Rad | 1652086 | |
1×TE buffer, pH7.5 | Integrated DNA Technologies | 11-01-02-02 | |
10mM dNTP mix | Thermo Fisher Scientific | 18427013 | |
3500 Genetic Analyzer | Thermo Fisher Scientific | 4405673 | |
6-FAM-labeled fluorescent PCR forward primer | Thermo Fisher Scientific | None | |
7300 Real-Time PCR System | Thermo Fisher Scientific | None | |
7300 System SDS Software | Thermo Fisher Scientific | None | Version 1.3.1 |
Bio-Rad Gene Pulser Xcell system | Bio-Rad | 1652660 | |
ChargeSwitch Direct gDNA Purification Kit, 96-well | Thermo Fisher Scientific | CS11205 | |
crRNA-1 | Integrated DNA Technologies | Alt-R CRISPR-Cas9 crRNA | Components of the Cas9/gRNA complex |
crRNA-2 | Integrated DNA Technologies | Alt-R CRISPR-Cas9 crRNA | Components of the Cas9/gRNA complex |
Deionized formamide | Thermo Fisher Scientific | 4311320 | |
Electroporation Enhancer | Integrated DNA Technologies | 1075915 | |
fetal bovine serum | Thermo Fisher Scientific | 10270098 | |
Fluorometer | Thermo Fisher Scientific | Q32857 | |
GeneMapper Software 5 | Thermo Fisher Scientific | 4475073 | |
GeneScan 600 LIZ Size Standard | Thermo Fisher Scientific | 4408399 | |
GlutaMAX | Thermo Fisher Scientific | 35050061 | |
PBS, 10X Solution, pH7.4 | Affymetrix | 75889 | |
Penicillin and streptomycin | Thermo Fisher Scientific | 15140122 | |
Platinum Taq DNA Polymerase High Fidelity | Thermo Fisher Scientific | 11304029 | |
Qubit dsDNA HS Assay Kit | Thermo Fisher Scientific | Q32854 | |
Recombinant S. pyogenes Cas9 nuclease | Integrated DNA Technologies | 1081058 | Components of the Cas9/gRNA complex |
RPMI 1640 medium | Thermo Fisher Scientific | 31800-022 | |
RPMI 1640 medium without phenol red | Thermo Fisher Scientific | 11835030 | |
RUNX1a TaqMan gene expression assays | Thermo Fisher Scientific | 4331182 | Hs04186042_m1 |
RUNX1b/c TaqMan gene expression assays | Thermo Fisher Scientific | 4331182 | Hs00231079_m1 |
RUNX1c TaqMan gene expression assays | Thermo Fisher Scientific | 4331182 | Hs01021966_m1 |
SuperScript III First-Strand Synthesis System | Thermo Fisher Scientific | 18080051 | |
TaqMan Universal PCR Master Mix | Thermo Fisher Scientific | 4304437 | |
tracrRNA | Integrated DNA Technologies | 1072533 | Components of the Cas9/gRNA complex |
TRIzol Reagent | Thermo Fisher Scientific | 15596018 | |
Unlabeled PCR reverse primer | Thermo Fisher Scientific | None |