Ici, nous décrivons une méthode détaillée d’édition de gènes transparente dans des cellules souches pluripotentes humaines en utilisant un plasmide donneur à base de piggyBac et le mutant Cas9 nickase. Deux mutations ponctuelles ont été introduites dans l’exon 8 du locus du facteur nucléaire 4 alpha des hépatocytes (HNF4α) dans les cellules souches embryonnaires humaines (CSEh).
Les endonucléases conçues sur mesure, telles que CRISPR (Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats)-Cas9 guidées par ARN, permettent une édition efficace du génome dans les cellules de mammifères. Nous décrivons ici des procédures détaillées pour modifier de manière transparente le locus du facteur nucléaire 4 alpha (HNF4α) des hépatocytes à titre d’exemple dans les cellules souches pluripotentes humaines. En combinant un plasmide donneur à base de piggyBac et le mutant nickase CRISPR-Cas9 dans une sélection génétique en deux étapes, nous démontrons un ciblage correct et efficace du locus HNF4α.
Les cellules souches pluripotentes humaines (CSPh) représentent une source illimitée de cellules somatiques pour la recherche ou la clinique1. Le ciblage génique dans les CSPh offre une méthode puissante pour étudier la fonction des gènes lors de la spécification cellulaire et pour comprendre les mécanismes de la maladie. Bien qu’il existe des méthodes efficaces d’édition du génome, la modification des gènes dans les CSPh reste techniquement difficile. Le ciblage génique standard par recombinaison homologue dans les CSPh se produit à basse fréquence voire est indétectable au niveau de certains gènes 2, et le ciblage génique stimulé par la cassure double brin de l’ADN (DSB) (appelé édition génique) est donc nécessaire dans ces cellules 2,3. De plus, la transfection des CSPh et le clonage ultérieur d’une seule cellule ne sont pas très efficaces, même si l’apoptose associée à une seule cellule peut être réduite grâce à l’utilisation de l’inhibiteur de la protéine kinase associée à Rho (ROCK)4. Enfin, les mutations potentielles sur cible et hors cible au gène d’intérêt peuvent également être problématiques. Par conséquent, un protocole fiable est essentiel pour apporter des changements génétiques adaptés aux CSPh.
La technologie CRISPR (Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats) guidée par ARN et la protéine 9 associée à CRISPR (Cas9) est maintenant un outil bien établi dans l’édition de gènes. L’ARN CRISPR transcrit (ARNcr) et un ARN trans-activateur (ARNtracr) forment l’ARN guide unique (ARNsg), qui se complexe avec la protéine Cas9 permettant un clivage spécifiquedu gène 5. Le système CRISPR / Cas9 est programmable, en changeant une séquence guide de 20 pb de l’ARNg, ce qui signifie que presque tous les locus qui remplissent l’exigence de motif adjacent protospacer (PAM) peuvent être modifiés. Cependant, le type sauvage Cas9 peut tolérer certaines incompatibilités entre sa séquence guide et une cible ADN, ce qui pourrait provoquer des effets indésirables hors cible. Pour améliorer sa spécificité, un mutant nickase (Cas9n) a été développé. Un Cas9n contenant une mutation D10A ou N863A ne possède qu’un seul domaine nucléase fonctionnel et, par conséquent, ne peut entailler l’ADN que sur un seul brin. Une paire de Cas9n correctement espacée et orientée peut induire efficacement l’ADN DSB et les effets hors cible sont considérablement réduits6. Pour assurer une modification efficace de Cas9n, il a été démontré que deux Cas9n-sgRNA devraient idéalement être placés avec un décalage de -4 à 20 pb et toujours créer un surplomb de 5′6.
Le DSB induit par Cas9(n)-sgRNA peut être utilisé pour l’édition du génome dans les CSPh 7,8. Il peut créer un knockout de gène via une réparation non homologue de jointure d’extrémité, ou introduire une modification génétique par réparation dirigée par homologie (HDR) si un modèle d’ADN de donneur est présent. Le protocole décrit ici utilise un plasmide donneur (ou vecteur de ciblage) basé sur le transposon piggyBac pour HDR, dans lequel un marqueur de résistance aux médicaments est flanqué des répétitions inversées du transposon. L’avantage de cette approche comprend un criblage efficace et une édition transparente des gènes, comme l’ont démontré pour la première fois Yusa et al.9,10. La cassette de sélection de médicaments permet d’enrichir les cellules avec le vecteur intégré, qui sont ensuite criblées par PCR à jonction pour identifier celles dérivées par HDR. En outre, la cassette de sélection de médicaments peut être positionnée pour remplacer les séquences cibles pour le clivage Cas9 (n), de sorte qu’aucune autre rupture de l’ADN ne se produit après HDR, éliminant ainsi les mutations « sur » de la cible résultant du reclivage de Cas9 (n). De plus, en exploitant l’excision précise catalysée par la transposase piggyBac, le marqueur de sélection est ensuite excisé du génome sans laisser de cicatrice. Seule la séquence endogène originale de TTAA pour l’insertion de piggyBac reste après le retrait du marqueur de sélection du médicament9. Même si les sites TTAA doivent être créés en introduisant des substitutions, les risques de perturber les éléments réglementaires sont réduits par rapport à d’autres méthodes10.
Nous décrivons ici des procédures détaillées pour la mise en œuvre de l’édition transparente du génome dans les CSPh. En combinant un plasmide donneur à base de piggyBac et le mutant nickase CRISPR-Cas9 dans une sélection génétique en deux étapes, nous avons introduit deux mutations ponctuelles prédéterminées dans le gène11 du facteur nucléaire 4 alpha (HNF4α) des hépatocytes. Cette approche est fiable et efficace, et a permis des analyses approfondies des rôles importants joués par HNF4α dans la spécification de l’endoderme et des hépatocytes à partir de cellules souches pluripotentes humaines11.
Le protocole décrit ici peut être utilisé pour introduire des mutations ponctuelles prédéterminées dans un locus endogène dans les CSPh. La combinaison d’un vecteur de ciblage basé sur piggyBac et de plasmides d’expression appariés CRISPR/Cas9n s’est avérée fiable et efficace11. Après l’édition du gène HNF4α, 12 des 43 clones analysés ont été correctement ciblés, comme déterminé par le criblage par PCR par jonction. Plus précisément, l’efficacité du ciblage biallélique était d’environ 21% (9/43) et l’efficacité du ciblage monoallélique était d’environ 7% (3/43).
Après les expériences de ciblage, il est crucial de maintenir la sélection de la puromycine pour garder le locus ciblé accessible à la transsaxe piggyBac lors du premier cycle de dépistage. Cela réduira au minimum le silence de la cassette de sélection puro-deltaTK pilotée par le promoteur PGK et réduira le bruit de fond lors de la deuxième ronde de sélection10. Un rapport récent a montré que le promoteur CAG est plus résistant au silençage que le promoteur PGK dans lesCSPh 14. Le changement de promoteur pour la cassette de sélection pourrait donc améliorer ce système à l’avenir. Il est également important de comparer le nombre de colonies résistantes de cellules transfectées par hyPBase et GFP. Après le retrait réussi du transposon, il devrait y avoir plus de colonies survivantes des cellules transfectées par la hyPBase que par GFP. En plus de l’analyse PCR de l’excision par transposons, le séquençage direct de la région modifiée est nécessaire pour confirmer la fidélité de l’excision.
Basées sur la stratégie de vecteurs de ciblage 9,10 basée sur le transposon piggyBac de Yusa, les procédures détaillées ci-dessus se sont concentrées sur l’amélioration de la nucléofection des CSPh et de l’efficacité du clonage de cellules uniques. La densité d’ensemencement cellulaire a été optimisée pour réduire la probabilité de formation de colonies hétérogènes. Nous avons également utilisé une culture de 10 à 12 jours contenant moins de 10 % de CO2 pour améliorer la production des colonies pour le dépistage du génotype. D’après notre expérience, environ 20 colonies ont pu être obtenues à partir de chaque plaque de 96 puits. Bien que cette étape puisse prendre plus de temps que d’autres méthodes, elle est fiable et très efficace.
En fonction des besoins, les vecteurs de ciblage peuvent être conçus pour introduire ou corriger des mutations ponctuelles, pour créer des lignées cellulaires rapporteures, ainsi que pour l’expression génique knockout. En conclusion, la combinaison du système CRISPR/Cas9(n) et d’un vecteur de ciblage est un moyen efficace de délivrer différents types de CSPh génétiquement modifiées.
The authors have nothing to disclose.
Nous remercions Kosuke Yusa d’avoir partagé les plasmides pMCS-AAT_PB-PGKpuroTK et pCMV-hyPBase. Nous remercions Jia-Yin Yang et Karamjit Singh-Dolt pour leurs discussions utiles sur l’édition du génome. Le laboratoire D.C.H. est soutenu par un prix du Chief Scientist Office (TC/16/37) et de la UK Regenerative Medicine Platform (MR/L022974/1). Y.W. a été soutenu par une bourse de doctorat financée par le Chinese Scholarship Council et l’Université d’Édimbourg.
Anti-Human SSEA4 PE | eBioscience | 12-8843-42 | |
Anti-Human TRA-1-60 PE | eBioscience | 11-0159-42 | |
DPBS | Thermo Fisher Scientific | 14190144 | |
DPBS with calcium and magnesium | Thermo Fisher Scientific | 14040133 | |
FIAU | Moravek | M251 | |
Gentle cell dissociation reagent | Stem Cell Technologies | 07174 | |
H9 human embryonic stem cells | WiCell | WA09 | |
Human NANOG antibody | R&D systems | AF1997 | |
Human OCT4 antibody | Abcam | AB19857 | |
Human stem cell Nucleofector kit 1 | Lonza | VPH-5012 | |
Mouse IgG3 isotype control PE | eBioscience | 12-4742-41 | |
mTeSR1 medium | Stem Cell Technologies | 85850 | |
Nucleofector 2b device | Lonza | AAB-1001 | |
pCMV-hyPBase | Wellcome Trust Sanger Institute | N/A | |
pMCS-AAT_PBPGKpuroTK | Wellcome Trust Sanger Institute | N/A | |
pSpCas9n(BB)-2A-Puro (PX462) | Addgene | PX462 | |
Puromycin dihydrochloride | Thermo Fisher Scientific | A11138-03 | |
QIAprep spin maxiprep kit | Qiagen | 12162 | |
QIAprep spin miniprep kit | Qiagen | 27106 | |
Recombinant laminin 521 | BioLamina | LN521 | |
Trypan blue solution, 0.4% | Thermo Fisher Scientific | 15250061 | |
Y-27632(Dihydrochloride) | Millipore | SCM075 |