Este protocolo describe procedimientos de microinyección para embriones de Culex quinquefasciatus que están optimizados para trabajar con herramientas de edición de genes CRISPR/Cas9. Esta técnica puede generar de manera eficiente mutaciones de la línea germinal heredables y específicas del sitio que se pueden usar para construir tecnologías genéticas en este vector de enfermedad poco estudiado.
Culex quinquefasciatus es un vector de una amplia gama de enfermedades transmitidas por vectores como la malaria aviar, el virus del Nilo Occidental (WNV), la encefalitis japonesa, la encefalitis equina oriental, la filariasis linfática y la encefalitis de Saint Louis. En particular, la malaria aviar ha desempeñado un papel importante en la extinción de numerosas especies endémicas de aves insulares, mientras que el VNO se ha convertido en una importante enfermedad transmitida por vectores en los Estados Unidos. Para obtener más información sobre la biología de C. quinquefasciatus y ampliar su caja de herramientas de control genético, necesitamos desarrollar métodos más eficientes y asequibles para la ingeniería del genoma en esta especie. Sin embargo, algunos rasgos biológicos exclusivos de los mosquitos Culex, particularmente sus balsas de huevos, han dificultado la realización de procedimientos de microinyección necesarios para la ingeniería del genoma. Para abordar estos desafíos, hemos desarrollado un protocolo optimizado de microinyección embrionaria que se centra en mitigar los obstáculos técnicos asociados con las características únicas de los mosquitos Culex. Estos procedimientos demuestran métodos optimizados para la recolección de huevos, la separación de balsas de huevos y otros procedimientos de manejo esenciales para una microinyección exitosa en C. quinquefasciatus. Cuando se combinan con la tecnología de edición del genoma CRISPR / Cas9, estos procedimientos nos permiten lograr mutaciones de la línea germinal específicas del sitio, eficientes y heredables, que se requieren para realizar una ingeniería genómica avanzada y desarrollar tecnologías de control genético en este importante, pero actualmente poco estudiado, vector de la enfermedad.
C. quinquefasciatus,comúnmente conocido como el mosquito doméstico del sur, es un vector competente de numerosos patógenos, incluido el virus del Nilo Occidental (WNV), la encefalitis japonesa, la encefalitis de San Luis y la encefalitis equina oriental. En particular, desde que se detectó por primera vez en Nueva York en 1999, el VNO se ha convertido en una importante enfermedad transmitida por vectores en todo el territorio continental de los Estados Unidos (EE. UU.) con más de 50,000 casos humanos reportados que resultaron en alrededor de 2,300 muertes entre 1999 y 20181, así como más de 4,500 casos equinos reportados entre 2008-20192. Además, al menos 23 especies de aves encontradas en América del Norte se han visto afectadas por infecciones por WNV con al menos 12 especies clasificadas como irrecuperables como resultado de WNV3. El impacto del WNV en las poblaciones humanas, equinas y aviares se debe al comportamiento oportunista de alimentación de sus vectores. Por lo general, las aves son los principales huéspedes del VNO, y los humanos y los caballos son huéspedes incidentales o sin salida. Algunos patógenos vectorados por C. quinquefasciatus solo infectan a aves como el parásito de la malaria aviar, Plasmodium relictum. En Hawái, C. quinquefasciatus es un vector principal de la malaria aviar y ha causado la extinción de muchas especies de aves nativas4,5.
Para controlar las enfermedades transmitidas por C. quinquefasciatus,los investigadores y las agencias de control de vectores han utilizado herramientas de control de la población de mosquitos comúnmente establecidas, como la aplicaciónde insecticidas 6,sin embargo, estos métodos son costosos, no específicos de la especie, y tienen una efectividad limitada ya que la resistencia a los insecticidas es alta en muchas poblaciones de C. quinquefasciatus 6,7,8,9. Otras técnicas de control, como las estrategias de control poblacional basadas en Wolbachiase han desarrollado en los últimos años10,11,pero los costos de aptitud asociados con la infección por Wolbachia limitan la viabilidad de este enfoque para este vector12. También hay métodos de control de base genética que se han desarrollado en otras especies de mosquitos como Aedes aegypti13,14, Anopheles gambiae15 y Anopheles stephensi16, incluido el desarrollo de mosquitos resistentes a patógenos17,18,19, que también podrían desarrollarse para C. quinquefasciatus si las herramientas de ingeniería del genoma requeridas son desarrollado para esta especie. Sin embargo, la biología de C. quinquefasciatus difiere mucho de otros mosquitos vectores de Aedes y Anopheles, lo que ha dificultado el desarrollo de tecnologías genéticas similares en este vector. Con el advenimiento de las tecnologías de ingeniería genómica basadas en CRISPR, la ingeniería genómica precisa se ha vuelto cada vez más trivial, asequible y adaptable y, en consecuencia, ha llevado al desarrollo de nuevas herramientas genéticas en una amplia variedad de especies.
Para generar mutaciones con tecnologías basadas en CRISPR, una mezcla de proteína Cas9 y ARN guía sintético (sgRNA), complementaria a los loci deseados, se microinyecta en embriones en etapa pre-blastodermo. Dado que las hembras de C. quinquefasciatus ponen sus huevos en grupos unidos en una estructura de balsa flotante(Figura 1),a diferencia de la oviposición de huevos individuales, un rasgo de los mosquitos Aedes y Anopheles, las microinyecciones embrionarias son cada vez más complicadas en esta especie. Las larvas de Culex también emergen del lado anterior de cada huevo, que está en contacto con la superficie del agua(Figura 1),por lo que la orientación del huevo después de la manipulación es importante en esta especie. Aquí describimos un protocolo detallado diseñado para la microinyección de la proteína Cas9 y sgRNA en embriones de C. quinquefasciatus. Este protocolo ha sido diseñado para acomodar rasgos exclusivos de la biología de Culex con el fin de mejorar la supervivencia embrionaria y las tasas de mutación del genoma a través de ciertos pasos que son clave para la recolección oportuna de óvulos y la supervivencia de los óvulos.
Con los esfuerzos recientes para generar herramientas de ingeniería genética para el control de mosquitos vectores, existe la necesidad de desarrollar y optimizar los protocolos de microinyección embrionaria para los vectores comunes de enfermedades de mosquitos. Aunque se han desarrollado métodos para los mosquitos Aedes y Anopheles, se ha explorado mínimamente un protocolo diseñado específicamente para Culex. En general, los protocolos de inyección de embriones de mosquitos se pueden dividir en 3 pasos generales: 1) recolección y preparación de embriones, 2) inyección de embriones y 3) recuperación posterior a la inyección. Para generar mutantes con éxito, los tres pasos deben optimizarse para la especie objetivo. Este protocolo modificado para la microinyección embrionaria es específico para la ingeniería genómica exitosa de mosquitos Culex.
Maximizar la recolección de embriones es un cuello de botella común en los protocolos de microinyección embrionaria. Para aumentar el número de huevos recolectados en un corto período de tiempo, los mosquitos fueron restringidos de un sustrato de oviposición durante 2-3 días después de la comida de sangre. Es importante tener en cuenta que C. quinquefasciatus tiende a preferir las fuentes de sangre aviar en lugar de las fuentes de mamíferos o la alimentación por membrana con sangre de mamíferos. Sin embargo, muchos investigadores tienen dificultades para adquirir una fuente confiable de aves vivas o sangre aviar para la alimentación sanguínea, por lo que las existencias de laboratorio se pueden adaptar para alimentarse de fuentes de sangre más accesibles. También es crucial utilizar agua rica en nutrientes para el sustrato de oviposición, ya que proporciona señales de oviposición para C. quinquefasciatus y la mayoría de los otros vectores de Culex. Hay muchos métodos para generar agua rica en nutrientes, que puede necesitar ser optimizada entre laboratorios para garantizar que haya un número adecuado de óvulos disponibles para la microinyección. Por ejemplo, mientras que este método fue el más exitoso con heces de conejo fermentadas en agua desionizada durante 5 o más días, otros investigadores tienen más éxito con la hierba o los alimentos para peces como fuente de nutrientes y algunos incluso con agua destilada21.
Dado que los mosquitos Culex ponen grupos de huevos en balsas, recolectar huevos es bastante simple. Los huevos simplemente se pueden recolectar recogiendo toda la balsa con un pincel. La separación de óvulos es más complicada, pero esencial para una inyección exitosa. Los huevos se pueden separar cuidadosamente de la balsa aplicando una suave presión hacia abajo entre los huevos con pincel o pinzas. Con un poco de práctica, múltiples usuarios pudieron separar de manera confiable los huevos individuales de las balsas de huevos. Después de separar cada huevo, los huevos se alinean en la misma orientación en cinta adhesiva de doble cara, que estabiliza los huevos durante la microinyección. Los huevos se inyectan en el extremo posterior cónico y la adición de aceite de halocarbono mantiene los huevos húmedos durante la manipulación.
Para limitar el daño embrionario durante la microinyección, las agujas de inyección deben tener la fuerza adecuada y estar biseladas en un ángulo apropiado. Las agujas de aluminosilicato biseladas durante 10 segundos en un ángulo de 50 ° tuvieron los mejores resultados, pero las agujas de borosilicato y cuarzo también pueden funcionar, a pesar de que pueden ser menos duraderas y más costosas. Además, el biselado adecuado de la aguja facilita un mejor flujo de las mezclas Cas9 y sgRNA y crea un punto más afilado para facilitar la penetración en el embrión. En muchos casos, el biselado también es una forma eficiente de reparar rápidamente las agujas obstruidas en lugar de dedicar el tiempo y el esfuerzo para reemplazar las agujas obstruidas.
Después de la inyección, los huevos deben permanecer intactos durante al menos 5 minutos con el aceite de halocarbono que se elimina inmediatamente después cepillándolo suavemente con un pincel limpio. Después de la eliminación del aceite de halocarbono, los huevos inyectados se pueden colocar en agua para eclosionar, lo que generalmente ocurre dentro de los 3 días posteriores a la inyección. Con práctica y un número suficiente de huevos, este protocolo puede lograr mutaciones somáticas y germinales consistentes en C. quinquefasciatus y es lo suficientemente versátil como para ser fácilmente adaptable a otros mosquitos Culex.
The authors have nothing to disclose.
Este trabajo fue apoyado en parte por los fondos de inicio de UCSD dirigidos 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 |