Questo protocollo descrive le procedure di microiniezione per gli embrioni di Culex quinquefasciatus ottimizzate per funzionare con gli strumenti di editing genetico CRISPR/Cas9. Questa tecnica può generare in modo efficiente mutazioni germinali site-specific, ereditabili, che possono essere utilizzate per costruire tecnologie genetiche in questo vettore di malattia poco studiato.
Culex quinquefasciatus è un vettore di una vasta gamma di malattie trasmesse da vettori come la malaria aviaria, il virus del Nilo occidentale (WNV), l’encefalite giapponese, l’encefalite equina orientale, la filariosi linfatica e l’encefalite di Saint Louis. In particolare, la malaria aviaria ha svolto un ruolo importante nell’estinzione di numerose specie endemiche di uccelli insulari, mentre il WNV è diventato un’importante malattia trasmessa da vettori negli Stati Uniti. Per ottenere ulteriori informazioni sulla biologia di C. quinquefasciatus ed espandere la loro cassetta degli attrezzi per il controllo genetico, dobbiamo sviluppare metodi più efficienti e convenienti per l’ingegneria del genoma in questa specie. Tuttavia, alcuni tratti biologici unici delle zanzare Culex, in particolare le loro zattere di uova, hanno reso difficile eseguire le procedure di microiniezione necessarie per l’ingegneria del genoma. Per affrontare queste sfide, abbiamo sviluppato un protocollo di microiniezione embrionale ottimizzato che si concentra sulla mitigazione degli ostacoli tecnici associati alle caratteristiche uniche delle zanzare Culex. Queste procedure dimostrano metodi ottimizzati per la raccolta delle uova, la separazione della zattera d’uovo e altre procedure di manipolazione essenziali per il successo della microiniezione in C. quinquefasciatus. Se abbinate alla tecnologia di editing del genoma CRISPR / Cas9, queste procedure ci consentono di ottenere mutazioni germinali site-specific, efficienti ed ereditabili, che sono necessarie per eseguire l’ingegneria avanzata del genoma e sviluppare tecnologie di controllo genetico in questo importante, ma attualmente poco studiato, vettore di malattia.
C. quinquefasciatus, comunemente nota come zanzara della casa meridionale, è un vettore competente di numerosi agenti patogeni tra cui il virus del Nilo occidentale (WNV), l’encefalite giapponese, l’encefalite di Saint Louis e l’encefalite equina orientale. In particolare, da quando è stato rilevato per la prima volta a New York nel 1999, il WNV è diventato una delle principali malattie trasmesse da vettori in tutti gli Stati Uniti continentali (USA) con oltre 50.000 casi umani segnalati con circa 2.300 morti tra il 1999 e il2018 1 e oltre 4.500 casi equini segnalati tra il 2008-20192. Inoltre, almeno 23 specie di uccelli trovate in Nord America sono state colpite da infezioni da WNV con almeno 12 specie classificate come irrecuperabili a seguito di WNV3. L’impatto del WNV sulle popolazioni umane, equine e aviarie è dovuto al comportamento opportunistico di alimentazione dei suoi vettori. In genere, gli uccelli sono gli ospiti principali per WNV e gli esseri umani e i cavalli sono ospiti incidentali o senza uscita. Alcuni agenti patogeni vettorizzati da C. quinquefasciatus infettano solo uccelli come il parassita della malaria aviaria, Plasmodium relictum. Nelle Hawaii, C. quinquefasciatus è un vettore principale della malaria aviaria e ha causato l’estinzione di molte specie di uccelli nativi4,5.
Per controllare le malattie trasmesse da C. quinquefasciatus, ricercatori e agenzie di controllo dei vettori hanno usato strumenti di controllo della popolazione di zanzare comunemente stabiliti come l’applicazione di insetticidi6, tuttavia, questi metodi sono costosi, non specie-specifici, e hanno un’efficacia limitata in quanto la resistenza agli insetticidi è elevata in molte popolazioni di C. quinquefasciatus 6,7,8,9. Altre tecniche di controllo, come le strategie di controllo della popolazione basate su Wolbachiasono state sviluppate negli ultimi anni10,11, ma i costi di fitness associati all’infezione da Wolbachia limitano la fattibilità di questo approccio per questo vettore12. Esistono anche metodi di controllo basati sulla genetica che sono stati sviluppati in altre specie di zanzare come Aedes aegypti13,14, Anopheles gambiae15 e Anopheles stephensi16, incluso lo sviluppo di zanzare resistenti ai patogeni17,18,19, che potrebbero anche essere sviluppati per C. quinquefasciatus se gli strumenti di ingegneria del genoma richiesti sono sviluppato per questa specie. Tuttavia, la biologia di C. quinquefasciatus differisce notevolmente da altri vettori di zanzare Aedes e Anopheles, il che ha reso difficile lo sviluppo di tecnologie genetiche simili in questo vettore. Con l’avvento delle tecnologie di ingegneria del genoma basate su CRISPR, l’ingegneria del genoma preciso è diventata sempre più banale, economica e adattabile e di conseguenza ha portato allo sviluppo di nuovi strumenti genetici in un’ampia varietà di specie.
Per generare mutazioni con tecnologie basate su CRISPR, una miscela di proteina Cas9 e RNA guida sintetico (sgRNA), complementare ai loci desiderati, viene microiniettata in embrioni in stadio pre-blastoderma. Poiché le femmine di C. quinquefasciatus depongono le uova in gruppi attaccati in una struttura a zattera galleggiante (Figura 1), al contrario di ovopositare singole uova, un tratto delle zanzare Aedes e Anopheles, le microiniezioni embrionali sono sempre più complicate in questa specie. Le larve di Culex emergono anche dal lato anteriore di ciascun uovo, che è in contatto con la superficie dell’acqua (Figura 1), quindi l’orientamento dell’uovo dopo la manipolazione è importante in questa specie. Qui descriviamo un protocollo dettagliato progettato per la microiniezione della proteina Cas9 e sgRNA negli embrioni di C. quinquefasciatus. Questo protocollo è stato progettato per accogliere tratti unici della biologia Culex al fine di migliorare la sopravvivenza degli embrioni e i tassi di mutazione del genoma attraverso alcuni passaggi che sono fondamentali per la raccolta tempestiva degli ovuli e la sopravvivenza degli ovociti.
Con i recenti sforzi per generare strumenti geneticamente modificati per il controllo dei vettori di zanzare, è necessario sviluppare e ottimizzare i protocolli di microiniezione degli embrioni per i comuni vettori di malattie delle zanzare. Sebbene siano stati sviluppati metodi per le zanzare Aedes e Anopheles, un protocollo progettato specificamente per Culex è stato minimamente esplorato. In generale, i protocolli di iniezione di embrioni di zanzara possono essere suddivisi in 3 fasi generali: 1) raccolta e preparazione degli embrioni, 2) iniezione di embrioni e 3) recupero post-iniezione. Per generare con successo mutanti, tutti e tre i passaggi devono essere ottimizzati per le specie bersaglio. Questo protocollo modificato per la microiniezione di embrioni è specifico per il successo dell’ingegneria del genoma delle zanzare Culex.
Massimizzare la raccolta degli embrioni è un collo di bottiglia comune nei protocolli di microiniezione degli embrioni. Al fine di aumentare il numero di uova raccolte in un breve periodo di tempo, le zanzare sono state limitate da un substrato di ovodeposizione per 2-3 giorni dopo la farina di sangue. È importante notare che C. quinquefasciatus tende a preferire le fonti di sangue aviario rispetto alle fonti di mammiferi o all’alimentazione di membrana con sangue di mammifero. Tuttavia, molti ricercatori hanno difficoltà ad acquisire una fonte affidabile di avi vivi o sangue aviario per l’alimentazione del sangue, quindi le scorte di laboratorio possono essere adattate per nutrirsi di fonti di sangue più accessibili. È anche fondamentale utilizzare acqua ricca di nutrienti per il substrato di ovodeposizione in quanto fornisce segnali di ovodeposizione per C. quinquefasciatus e la maggior parte degli altri vettori Culex. Esistono molti metodi per generare acqua ricca di sostanze nutritive, che potrebbe essere necessario ottimizzare tra i laboratori per garantire che un numero appropriato di uova sia disponibile per la microiniezione. Ad esempio, mentre questo metodo ha avuto il maggior successo con le feci di coniglio fermentate in acqua deionizzata per 5 o più giorni, altri ricercatori hanno più successo con erba o cibo per pesci come fonte di nutrienti e alcuni anche con acqua distillata21.
Poiché le zanzare Culex depongono gruppi di uova in zattere, la raccolta delle uova è abbastanza semplice. Le uova possono essere semplicemente raccolte raccogliendo l’intera zattera con un pennello. La separazione degli ovuli è più complicata, ma essenziale per un’iniezione di successo. Le uova possono essere accuratamente separate dalla zattera applicando una leggera pressione verso il basso tra le uova con pennello o pinna. Con un po ‘di pratica, più utenti sono stati in grado di separare in modo affidabile le uova singole dalle zattere di uova. Dopo aver separato ogni uovo, le uova vengono allineate nello stesso orientamento su nastro adesivo a doppia faccia, che stabilizza le uova durante la microiniezione. Le uova vengono iniettate nell’estremità posteriore affusolata e l’aggiunta di olio alocarbonico mantiene le uova umide durante la manipolazione.
Per limitare il danno embrionale durante la microiniezione, gli aghi per iniezione devono essere di forza appropriata e smussati ad un angolo appropriato. Gli aghi in alluminosilicato smussati per 10 secondi con un angolo di 50° hanno avuto i migliori risultati, ma anche gli aghi in borosilicato e quarzo possono funzionare, anche se possono essere meno durevoli e più costosi. Inoltre, una corretta smussatura dell’ago facilita un migliore flusso delle miscele Cas9 e sgRNA e crea un punto più nitido per una più facile penetrazione nell’embrione. In molti casi, la smussatura è anche un modo efficace per riparare rapidamente gli aghi intasati invece di spendere tempo e sforzi per sostituire gli aghi intasati.
Dopo l’iniezione, le uova devono rimanere indisturbate per almeno 5 minuti con l’olio di alocarbonio rimosso immediatamente dopo spazzolandolo delicatamente con un pennello pulito. Dopo la rimozione dell’olio di alocarburi, le uova iniettate possono essere poste in acqua per schiudersi, che in genere si verifica entro 3 giorni dall’iniezione. Con la pratica e un numero sufficiente di uova, questo protocollo può ottenere mutazioni somatiche e germinali coerenti in C. quinquefasciatus ed è abbastanza versatile da essere facilmente adattabile ad altre zanzare Culex.
The authors have nothing to disclose.
Questo lavoro è stato supportato in parte da fondi di avvio UCSD diretti a O.S.A.
9 oz clear plastic pet cup | Karat | C-KC9 | Insect Rearing and Egg Collection |
Aluminosilicate glass capillary tubing 1mm(outside diameter) X 0.58mm (inner diameter) | Sutter Instruments | BF100-58-10 | Microinjection, borosilicate and quartz needles could also be used but we prefered aluminosilicate |
Blood | Colorado Serum Company | 31025 | The colony took multiple generations to adapt to this blood source. Other blood sources are likely just as appropriate. See protocol notes on blood source selection. |
Bugdorm | Bugdorm | 4F2222 | Insect Rearing Cage |
Cas9 Protein with NLS | PNABio | CP01 | Microinjection |
Compound Microscope | Olympus BX41 | Microinjection, for embryo injection | |
Diamond abrasive plate (0.7u to 2.0u tip sizes) | Sutter Instruments | 104E | Microinjection, to be used with beveler |
DNase/RNase-Free distilled Water | Invitrogen | 10977-015 | Microinjection |
Double-sided Tape | Scotch | B084NVQGXD | Microinjection, embryo alignment |
Femtojet 4x or 4i programmable microinjector | Eppendorf | Microinjection | |
Femtotips Microloader tips | Fisher Scientific | E5242956003 | Microinjection |
Filter Paper | Whatman | 1001-090 | Microinjection, embryo collection |
Fine-tip paintbrush | ZEM | 2595 | Microinjection, embryo alignment |
Halocarbon oil 27 | Sigma-Aldrich | H8773 | Microinjection, embryo alignment |
Halocarbon oil 700 | Sigma-Aldrich | H8898 | Microinjection, embryo alignment |
Hemotek | Hemotek | PS5 | Line Maintenance |
Microelectrode Beveler | Sutter Instruments | BV10 | Microinjection, needle beveling |
Micropipette Puller | Sutter Instruments | P-1000 or P-2000 | Microinjection, needle pulling |
Microscope Slides | Fisherbrand | 12-550-A3 | Microinjection, embryo alignment |
Non-Drying Modeling Clay | Jovi | B0025Z71IM | Microinjection, needle storage |
Stereo Microscope | Olympus | SZ51 | Microinjection, for embryo alignment |
Sugar | Domino | 20% sugar solution for adult sugar source. | |
T7 Endonuclease I | NEB | M0302 | Preparation of microinjection materials |
TOPO TA Cloning Kit | ThermoFischer Scientific | K451020 | Preparation of microinjection materials |
Ultra-fine tip forceps | Fisher Scientific | 16-100-121 | Microinjection, embryo alignment |