Aquí, describimos un método detallado para la edición de genes sin fisuras en células madre pluripotentes humanas utilizando un plásmido donante basado en piggyBac y el mutante de nickasa Cas9. Se introdujeron dos mutaciones puntuales en el exón 8 del locus alfa del factor nuclear 4 de hepatocitos (HNF4α) en células madre embrionarias humanas (hESCs).
Las endonucleasas diseñadas a medida, como las repeticiones palindrómicas cortas agrupadas regularmente interespaciadas (CRISPR)-Cas9 guiadas por ARN, permiten una edición eficiente del genoma en células de mamíferos. Aquí describimos procedimientos detallados para editar sin problemas el genoma del locus del factor nuclear de hepatocitos 4 alfa (HNF4α) como ejemplo en células madre pluripotentes humanas. Combinando un plásmido donante basado en piggybac y el mutante de nickasa CRISPR-Cas9 en una selección genética de dos pasos, demostramos una orientación correcta y eficiente del locus HNF4α.
Las células madre pluripotentes humanas (hPSCs) representan una fuente ilimitada de células somáticas para la investigación o la clínica1. La orientación génica en las hPSC ofrece un método poderoso para estudiar la función de los genes durante la especificación celular y para comprender los mecanismos de la enfermedad. Aunque existen métodos eficientes de edición del genoma, la modificación de genes en hPSCs sigue siendo técnicamente un desafío. La focalización génica estándar por recombinación homóloga en hPSCs ocurre con baja frecuencia o incluso es indetectable en algunos genes 2, por lo que la segmentación génica estimulada por la ruptura de doble cadena del ADN (DSB) (denominada edición génica) es necesaria en estas células 2,3. Además, la transfección de hPSCs y la posterior clonación unicelular no es muy eficiente, aunque la apoptosis asociada a una sola célula puede reducirse mediante el uso del inhibidor de la proteína quinasa asociada a Rho (ROCK)4. Finalmente, las posibles mutaciones en el objetivo y fuera del objetivo en el gen de interés también pueden ser problemáticas. Por lo tanto, un protocolo confiable es esencial para realizar cambios genéticos personalizados en las hPSC.
La tecnología CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) y la proteína 9 asociada a CRISPR (Cas9) guiadas por ARN son ahora una herramienta bien establecida en la edición de genes. El ARN CRISPR transcrito (crRNA) y un ARN transactivador (tracrRNA) forman el ARN guía único (sgRNA), que se integra con la proteína Cas9 permitiendo la escisión específica del gen5. El sistema CRISPR/Cas9 es programable, cambiando una secuencia guía de 20 pb del sgRNA, lo que significa que se puede editar casi cualquier locus que cumpla con el requisito del motivo adyacente al protoespaciador (PAM). Sin embargo, el tipo salvaje Cas9 puede tolerar algunos desajustes entre su secuencia guía y un objetivo de ADN, lo que podría causar efectos no deseados fuera del objetivo. Para mejorar su especificidad, se ha desarrollado un mutante de nickasa (Cas9n). Una mutación Cas9n que contiene D10A o N863A solo posee un dominio nucleasa funcional y, como resultado, solo puede cortar ADN en una hebra. Un par de Cas9n adecuadamente espaciados y orientados pueden inducir efectivamente ADN DSB y los efectos fuera del objetivo se reducen drásticamente6. Para garantizar una modificación eficiente de Cas9n, se ha demostrado que dos Cas9n-sgRNA idealmente deben colocarse con un desplazamiento de -4 a 20 pb y siempre crear un voladizo de 5′6.
El DSB inducido por Cas9(n)-sgRNA puede utilizarse para la edición del genoma en hPSCs 7,8. Puede crear un knockout de genes a través de la reparación de unión de extremos no homólogos, o introducir la modificación de genes a través de la reparación dirigida por homología (HDR) si hay una plantilla de ADN de donante. El protocolo descrito aquí utiliza un plásmido donante basado en transposón piggyBac (o vector objetivo) para HDR, en el que un marcador de resistencia a los medicamentos está flanqueado por las repeticiones invertidas del transposón. La ventaja de este enfoque incluye un cribado eficiente y una edición de genes sin fisuras, como lo demostraron por primera vez Yusa et al.9,10. El casete de selección de fármacos permite el enriquecimiento de las células con el vector integrado, que posteriormente son tamizadas por PCR de unión para identificar las derivadas por HDR. Además, el casete de selección de fármacos se puede colocar para reemplazar las secuencias objetivo para la escisión de Cas9 (n), de modo que no se produzca más rotura del ADN después de HDR, eliminando así las mutaciones objetivo “en” resultantes de la re-escisión de Cas9 (n). Además, al explotar la escisión precisa catalizada por la transposasa piggyBac, el marcador de selección se extirpa del genoma sin dejar cicatriz. Sólo queda la secuencia endógena original de TTAA para la inserción de piggyBac después de la eliminación del marcador de selección de fármacos9. Incluso si los sitios TTAA tienen que ser creados mediante la introducción de sustituciones, las posibilidades de perturbar los elementos regulatorios se reducen en comparación con otros métodos10.
Aquí describimos procedimientos detallados para implementar la edición perfecta del genoma en hPSC. Combinando un plásmido donante basado en piggyBac y el mutante de nickasa CRISPR-Cas9 en una selección genética de dos pasos, introdujimos dos mutaciones puntuales predeterminadas en el gen11 del factor nuclear de hepatocitos 4 alfa (HNF4α). Este enfoque es confiable y eficiente, y ha permitido analizar en profundidad el importante papel desempeñado por HNF4α en la especificación del endodermo y hepatocitos a partir de células madre pluripotentes humanas11.
El protocolo descrito en este documento se puede utilizar para introducir mutaciones puntuales predeterminadas en un locus endógeno en hPSCs. La combinación de un vector de focalización basado en piggyBac y plásmidos de expresión CRISPR/Cas9n pareados demostró ser fiable y eficiente11. Después de la edición del gen HNF4α, 12 de los 43 clones analizados se dirigieron correctamente según lo determinado por la detección de PCR de unión. Específicamente, la eficiencia de la focalización bialélica fue de aproximadamente el 21% (9/43) y la eficiencia de la focalización monoalélica fue de alrededor del 7% (3/43).
Después de los experimentos de focalización, es crucial mantener la selección de puromicina para mantener el locus objetivo accesible a la transposasa piggyBac durante la primera ronda de detección. Esto minimizará el silenciamiento del casete de selección puro-deltaTK impulsado por el promotor PGK y reducirá el fondo en la segunda ronda de selección10. Un informe reciente mostró que el promotor CAG es más resistente al silenciamiento que el promotor PGK en hPSCs14. Por lo tanto, cambiar el promotor para el casete de selección podría mejorar este sistema en el futuro. También es importante comparar el número de colonias resistentes de células transfectadas con hyPBasa y GFP. Tras la eliminación exitosa del transposón, debería haber más colonias sobrevivientes de las células transfectadas con hyPBasa que GFP. Además del análisis por PCR de la escisión de transposones, se requiere la secuenciación directa de la región modificada para confirmar la fidelidad de la escisión.
Basado enla estrategia de vector de focalización basada en transposones piggyBac de Yusa 9,10, los procedimientos detallados anteriormente se centraron en mejorar la nucleofección de hPSCs y la eficiencia de clonación de células individuales. La densidad de siembra celular se optimizó para reducir la probabilidad de formación de colonias heterogéneas. También empleamos un cultivo de 10-12 días por debajo del 10% deCO2 para mejorar la producción de colonias para el cribado de genotipos. En nuestra experiencia, se podrían obtener alrededor de 20 colonias de cada placa de 96 pocillos. Aunque este paso puede llevar más tiempo que otros métodos, es confiable y altamente eficiente.
Según la necesidad, los vectores dirigidos pueden diseñarse para introducir o corregir mutaciones puntuales, para crear líneas celulares reporteras, así como para la expresión génica knockout. En conclusión, la combinación del sistema CRISPR/Cas9(n) y un vector objetivo es una forma eficiente de administrar diferentes tipos de hPSC modificadas genéticamente.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos a Kosuke Yusa por compartir los plásmidos pMCS-AAT_PB-PGKpuroTK y pCMV-hyPBasa. Agradecemos a Jia-Yin Yang y Karamjit Singh-Dolt por sus útiles discusiones sobre la edición del genoma. El laboratorio D.C.H. está respaldado por un premio de la Oficina Científica Jefe (TC / 16/37) y la Plataforma de Medicina Regenerativa del Reino Unido (MR / L022974 / 1). Y.W. fue apoyado por una beca de doctorado financiada por el Consejo de Becas de China y la Universidad 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 |