Мышь in vivo Плацентарная манипуляция CRISPR

Плацента является важным органом, участвующим в развитии плода. Основная роль плаценты заключается в обеспечении необходимых факторов и регулировании передачи питательных веществ и отходов плоду и от него. Плаценты млекопитающих состоят как из плодной, так и из материнской ткани, которые составляют интерфейс плода и матери, и, таким образом, генетика как матери, так и плода влияет на функцию¹. Генетические аномалии или нарушение функции плаценты могут резко изменить развитие плода. Предыдущая работа показала, что генетика и развитие плаценты связаны с измененным развитием определенных систем органов у плода. В частности, аномалии в плаценте связаны с изменениями в мозге, сердце и сосудистой системе плода 2,3,4,5.

Транспорт гормонов, факторов роста и других молекул от плаценты к плоду играет важную роль в развитии плода⁶. Было показано, что изменение плацентарной продукции определенных молекул может изменить развитие нервной системы. Воспаление матери может увеличить выработку серотонина за счет изменения экспрессии метаболического гена триптофана (TRP) в плаценте, что впоследствии создает накопление серотонина в мозге плода⁷. Другие исследования обнаружили аномалии плаценты наряду с пороками сердца. Считается, что аномалии в плаценте способствуют врожденным порокам сердца, наиболее распространенному врожденному дефекту у людей⁸. Недавнее исследование выявило несколько генов, которые имеют сходные клеточные пути как в плаценте, так и в сердце. Если эти пути нарушены, они могут вызвать дефекты в обоих органах⁹. Дефекты плаценты могут усугубить врожденные пороки сердца. Роль генетики и функции плаценты в развитии специфической системы органов плода является новой областью исследований.

У мышей есть гемохориальная плацента и другие особенности плаценты человека, что делает их очень полезными моделями для изучения заболеваний человека¹. Несмотря на важность плаценты, в настоящее время отсутствуют целенаправленные генетические манипуляции in vivo. Кроме того, в настоящее время существует больше вариантов нокаутов или нокдаунов, чем манипуляции с чрезмерной экспрессией или усилением функции в плаценте¹⁰. Существует несколько трансгенных линий, экспрессирующих Cre, для плацентарно-специфических манипуляций, каждая из которых находится в разных линиях трофобласта в разные моменты времени. К ним относятся Cyp19-Cre, Ada/Tpbpa-Cre, PDGFRα-CreER и Gcm1-Cre^11,12,13,14. Хотя эти трансгены Cre эффективны, они могут быть не способны манипулировать некоторыми генами в определенные моменты времени. Другим широко используемым методом нокаута или сверхэкспрессии экспрессии плацентарных генов является встраивание лентивирусных векторов в культуру бластоцисты, что вызывает специфическую для трофобласта генетическую манипуляцию^15,16. Этот метод позволяет добиться устойчивого изменения экспрессии плацентарных генов на ранних стадиях развития. Использование РНК-интерференции in vivo редко используется в плаценте. Вставка плазмид шРНК может быть выполнена аналогично методу CRIPSR, описанному в этой статье. Это было сделано на E13.5 для успешного снижения экспрессии PlGF в плаценте, что влияет на сосудистую сеть мозга^{потомства 17}.

В дополнение к методам, которые в основном используются для нокаута или нокдауна, индуцирование сверхэкспрессии обычно выполняется с помощью аденовирусов или введения экзогенного белка. Методы, используемые для сверхэкспрессии, имеют разную степень успеха и в основном выполняются на более поздних сроках беременности. Для изучения роли инсулиноподобного фактора роста 1 (ИФР-1) в функции плаценты был проведен аденовирально-опосредованный перенос плацентарного гена для индуцирования сверхэкспрессии гена IGF-1 ^18,19. Это было выполнено на поздних сроках беременности мыши на E18.5 с помощью прямой плацентарной инъекции. Чтобы предоставить дополнительные возможности и обойти возможные неудачи установленных плацентарных генетических манипуляций, таких как сбои комбинации Cre-Lox, возможная токсичность аденовирусов и нецелевые эффекты шРНК, можно использовать прямые манипуляции CRISPR с плацентой in vivo ^20,21,22. Эта модель была разработана для решения проблемы отсутствия моделей сверхэкспрессии и создания модели с гибкостью.

Этот метод основан на работе Lecuyer et al., в которой плазмиды shRNA и CRISPR были нацелены непосредственно in vivo на плаценты мыши для изменения экспрессии PlGF ¹⁷. Этот метод может быть использован для непосредственного изменения экспрессии плацентарных генов с использованием манипуляций CRISPR в несколько моментов времени; для этой работы был выбран Е12.5. Плацента к этому моменту созрела и достаточно велика, чтобы ею можно было манипулировать, что позволяет вставлять специфическую плазмиду CRISPR на E12.5, что может оказать значительное влияние на развитие плода от середины до конца беременности^23,24. В отличие от трансгенных подходов, но подобно вирусной индукции или РНК-интерференции, этот метод допускает сверхэкспрессию или нокаут в определенные моменты времени с использованием относительно продвинутого хирургического подхода, что позволяет избежать возможного нарушения плацентации или эмбриональной летальности из-за более ранних изменений. Поскольку только несколько плацент получают экспериментальную или контрольную плазмиду в помете, подход допускает два типа внутреннего контроля. Этими контрольными элементами являются те, которые вводят и электропорируют соответствующую контрольную плазмиду, и те, которые не подвергаются прямым манипуляциям. Этот метод был оптимизирован для создания сверхэкспрессии гена IGF-1 в плаценте мыши с помощью плазмиды CRISPR синергетического медиатора активации (SAM). Был выбран ген IGF-1, так как IGF-1 является важным гормоном роста, доставляемым плоду, который в основном вырабатывается в плаценте до рождения^25,26. Этот новый метод CRISPR, нацеленный на плаценту, позволит проводить прямые манипуляции, чтобы помочь определить связь между функцией плаценты и развитием плода.