Aqui, descrevemos um método detalhado para edição de genes sem costura em células-tronco pluripotentes humanas usando um plasmídeo doador baseado em piggyBac e o mutante Cas9 nickase. Duas mutações pontuais foram introduzidas no éxon 8 do locus do fator nuclear 4 alfa do hepatócito (HNF4α) em células-tronco embrionárias humanas (hESCs).
Endonucleases personalizadas, como as Repetições Palindrômicas Curtas Regularmente Interespaçadas Agrupadas (CRISPR)-Cas9 guiadas por RNA, permitem a edição eficiente do genoma em células de mamíferos. Aqui descrevemos procedimentos detalhados para editar perfeitamente o genoma do locus do fator nuclear 4 alfa do hepatócito (HNF4α) como um exemplo em células-tronco pluripotentes humanas. Combinando um plasmídeo doador à base de piggyBac e o mutante CRISPR-Cas9 nickase em uma seleção genética de duas etapas, demonstramos o direcionamento correto e eficiente do locus HNF4α.
As células-tronco pluripotentes humanas (hPSCs) representam uma fonte ilimitada de células somáticas para a pesquisa ou para a clínica1. A segmentação de genes em hPSCs oferece um método poderoso para estudar a função gênica durante a especificação celular e entender os mecanismos da doença. Embora existam métodos eficientes de edição de genoma, modificar genes em hPSCs permanece tecnicamente desafiador. O direcionamento padrão de genes por recombinação homóloga em hPSCs ocorre em baixa frequência ou é mesmo indetectável em alguns genes 2, e o direcionamento de genes estimulado por quebra de fita dupla de DNA (DSB) (denominado edição de genes) é, portanto, necessário nessas células 2,3. Além disso, a transfecção de hPSCs e a subsequente clonagem unicelular não são muito eficientes, embora a apoptose associada a uma única célula possa ser reduzida com o uso do inibidor da proteína quinase associada ao Rho (ROCK)4. Finalmente, as potenciais mutações no alvo e fora do alvo no gene de interesse também podem ser problemáticas. Portanto, um protocolo confiável é essencial para fazer alterações genéticas personalizadas em hPSCs.
A tecnologia CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) guiada por RNA e a proteína 9 (Cas9) associada à CRISPR são agora uma ferramenta bem estabelecida na edição de genes. O RNA CRISPR transcrito (crRNA) e um RNA transativador (tracrRNA) formam o RNA guia único (sgRNA), que se complexa com a proteína Cas9 permitindo a clivagem específica do gene5. O sistema CRISPR/Cas9 é programável, alterando uma sequência de guia de 20 pb do sgRNA, o que significa que quase qualquer locus que atenda ao requisito de motivo adjacente ao protoespaçador (PAM) pode ser editado. No entanto, o tipo selvagem Cas9 pode tolerar algumas incompatibilidades entre sua sequência de guia e um alvo de DNA, o que pode causar efeitos indesejados fora do alvo. Para melhorar sua especificidade, um mutante nickase (Cas9n) foi desenvolvido. Um Cas9n contendo mutação D10A ou N863A possui apenas um domínio nuclease funcional e, como resultado, só pode cortar o DNA em uma fita. Um par de Cas9n adequadamente espaçado e orientado pode efetivamente induzir DNA DSB e os efeitos fora do alvo são drasticamente reduzidos6. Para garantir uma modificação eficiente do Cas9n, foi demonstrado que dois sgRNA Cas9n devem ser idealmente colocados com um deslocamento de -4 a 20 pb e sempre criar uma saliência de 5′6.
O DSB induzido por Cas9(n)-sgRNA pode ser utilizado para edição de genoma em hPSCs 7,8. Pode criar nocaute de genes através de reparo de junção final não homóloga, ou introduzir modificação genética através de reparo dirigido por homologia (HDR) se um molde de DNA do doador estiver presente. O protocolo aqui descrito utiliza um plasmídeo doador baseado em transposon piggyBac (ou vetor alvo) para HDR, no qual um marcador de resistência a medicamentos é flanqueado pelas repetições invertidas de transposon. A vantagem dessa abordagem inclui triagem eficiente e edição de genes sem costura, como demonstrado primeiramente por Yusa et al.9,10. O de seleção de fármacos permite o enriquecimento de células com o vetor integrado, que são posteriormente rastreadas por PCR de junção para identificar aquelas derivadas por HDR. Além disso, o de seleção de drogas pode ser posicionado para substituir as sequências-alvo para a clivagem Cas9(n), de modo que nenhuma outra quebra de DNA ocorra após o HDR, eliminando assim as mutações “on” do alvo resultantes da reclivagem Cas9(n). Além disso, ao explorar a excisão precisa catalisada pela transposase piggyBac, o marcador de seleção é então extirpado do genoma sem deixar uma cicatriz. Apenas a sequência endógena original de ATT para inserção de piggyBac permanece após a remoção do marcador de seleção de drogas9. Mesmo que os sítios TTAA tenham de ser criados através da introdução de substituições, as hipóteses de perturbação dos elementos regulamentares são reduzidas em comparação com outros métodos10.
Aqui descrevemos procedimentos detalhados para implementar a edição contínua do genoma em hPSCs. Combinando um plasmídeo doador à base de piggyBac e o mutante CRISPR-Cas9 nickase em uma seleção genética de duas etapas, introduzimos duas mutações pontuais predeterminadas no gene11 do fator nuclear de hepatócitos 4 alfa (HNF4α). Essa abordagem é confiável e eficiente, e tem permitido análises aprofundadas dos importantes papéis desempenhados pelo HNF4α na especificação de endodermes e hepatócitos a partir de células-tronco pluripotentes humanas11.
O protocolo aqui descrito pode ser usado para introduzir mutações pontuais predeterminadas em um locus endógeno em hPSCs. A combinação de um vetor alvo à base de piggyBac e plasmídeos de expressão CRISPR/Cas9n pareados mostrou-se confiável e eficiente11. Após a edição do gene HNF4α, 12 dos 43 clones analisados foram corretamente direcionados, conforme determinado pela triagem de PCR de junção. Especificamente, a eficiência de direcionamento bialélico foi de cerca de 21% (9/43) e a eficiência de direcionamento monoalélico foi de cerca de 7% (3/43).
Após os experimentos de segmentação, é crucial manter a seleção de puromicina para manter o locus alvo acessível à transposase piggyBac durante a primeira rodada de triagem. Isso minimizará o silenciamento do de seleção puro-deltaTK acionado pelo promotor PGK e reduzirá o fundo na segunda rodada de triagem10. Um relatório recente mostrou que o promotor CAG é mais resistente ao silenciamento do que o promotor PGK em hPSCs14. Mudar o promotor para o de seleção poderia, portanto, melhorar este sistema no futuro. Também é importante comparar o número de colônias resistentes de células transfectadas com HIPBase e GFP. Após a remoção bem-sucedida do transposon, deve haver mais colônias sobreviventes das células transfectadas com HIPBase do que GFP. Além da análise por PCR da excisão do transposon, o sequenciamento direto da região modificada é necessário para confirmar a fidelidade da excisão.
Com base na estratégia de vetores de segmentação baseada em transposon piggyBac da Yusa 9,10, os procedimentos detalhados acima se concentraram em melhorar a nucleofeção de hPSCs e a eficiência da clonagem de células únicas. A densidade de semeadura celular foi otimizada para reduzir a probabilidade de formação de colônias heterogêneas. Também empregamos cultura de 10 a 12 dias sob 10% de CO2 para aumentar a produção de colônias para triagem de genótipos. Em nossa experiência, cerca de 20 colônias puderam ser obtidas de cada placa de 96 poços. Embora essa etapa possa levar mais tempo do que outros métodos, ela é confiável e altamente eficiente.
Com base na necessidade, os vetores de segmentação podem ser projetados para introduzir ou corrigir mutações pontuais, para criar linhagens celulares repórteres, bem como a expressão gênica knockout. Em conclusão, a combinação do sistema CRISPR/Cas9(n) e um vetor alvo é uma maneira eficiente de fornecer diferentes tipos de hPSCs geneticamente modificadas.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos a Kosuke Yusa por compartilhar os plasmídeos pMCS-AAT_PB-PGKpuroTK e pCMV-hyPBase. Agradecemos a Jia-Yin Yang e Karamjit Singh-Dolt por discussões úteis sobre a edição do genoma. O laboratório D.C.H. é apoiado por um prêmio do Chief Scientist Office (TC/16/37) e da Plataforma de Medicina Regenerativa do Reino Unido (MR/L022974/1). Y.W. foi apoiado por uma bolsa de doutorado financiada pelo Conselho Chinês de Bolsas de Estudo e pela Universidade de Edimburgo.
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 |