Der CRISPR / Cas9 System bietet das Potenzial, um gezielte Genom Bearbeitung zugänglich und erschwinglich für die wissenschaftliche Gemeinschaft. Dieses Protokoll soll zeigen, wie Viren zu schaffen, die ein Gen von Interesse unter Verwendung des CRISPR / Cas9 System Knockout wird, und sie dann stereotaxically in die erwachsenen Maus Gehirn zu injizieren.
Replication defective lentiviruses or retroviruses are capable of stably integrating transgenes into the genome of an infected host cell. This technique has been widely used to encode fluorescent proteins, opto- or chemo-genetic controllers of cell activity, or heterologous expression of human genes in model organisms. These viruses have also successfully been used to deliver recombinases to relevant target sites in transgenic animals, or even deliver small hairpin or micro RNAs in order to manipulate gene expression. While these techniques have been fruitful, they rely on transgenic animals (recombinases) or frequently lack high efficacy and specificity (shRNA/miRNA). In contrast, the CRISPR/Cas system uses an exogenous Cas nuclease which targets specific sites in an organism’s genome via an exogenous guide RNA in order to induce double stranded breaks in DNA. These breaks are then repaired by non-homologous end joining (NHEJ), producing insertion and deletion (indel) mutations that can result in deleterious missense or nonsense mutations. This manuscript provides detailed methods for the design, production, injection, and validation of single lenti/retro virus particles that can stably transduce neurons to express a fluorescent reporter, Cas9, and sgRNAs to knockout genes in a model organism.
Auf der Grundlage einer normalen Physiologie und Krankheitspathologie untersuchen, besteht ein Bedarf an genau Genexpression in Modellorganismen manipulieren. Für Säugetiermodellorganismen, wird dies auf die Schaffung und Entwicklung von transgenen Mäusen weitgehend zentriert, wobei ein genetisches Element von Interesse von Websites durch eine Rekombinase erkannt flankiert wird. Dies kann in einer ortsspezifischen Manipulation dieser Gene flankiert führen. Zwar ist dies eine erfolgreiche Strategie gewesen ist, ist es an der Zeit und ressourcenintensiv; beispielsweise eine dreifache transgenes Tier zu schaffen, die eine floxed Gen, Cre-Rekombinase, und ein Cre-Reportergens erfordert mehrere Paarungen und Validierung ausdrücken würde. Im Gegensatz dazu , codierend die stereotaxische Injektion von replikationsdefekte virale Partikel ein fluoreszierendes Protein und das Rekombinase – Gen in ein floxed Tier erfordert keine komplexe Genotypisierung oder Zuchtstrategien 1. Wenn ein fluoreszierendes Protein und Cre exprimierenden Virus weiter ist mit einem zweiten Virus enco coinjiziertding ein anderes fluoreszierendes Protein, dann stellt dies eine Kontrolle im Gewebe für die gezielte genetische Manipulation. Während diese Strategie immer noch die Verwendung von Knock-in Tieren erfordert, viral vermittelter RNA basierte Strategien umgehen die Notwendigkeit für transgene Tiere. Zum Beispiel können stereotaktische Injektion von replikationsdefizienten Viren, die ein fluoreszierendes Protein und eine kurze haarnadel RNA (shRNA) kodieren verwenden die endogenen RNAi-Maschinerie der Zelle in einem starken Reduktion des Transkripts eines Gens von Interesse zu führen. Allerdings produzieren shRNA Strategien subtile Gen knock-downs oft zu bescheiden zellulären Phänotypen 2. Während ein knock-down physiologisch für heterozygote Gen Dysfunktion relevant mehr sein kann, die im Vergleich verringerte Robustheit zu einem Knock-out ist für phänotypische Entdeckung neuer Gene nicht ideal.
Eine dritte Technik, die vor kurzem entstanden ist, die CRISPR (Clustered regelmäßig auf Abstand Short Palindromic Repeat) / Cas9 (CRISPR-assoziiertenProtein 9) System beruht auf der Expression von sowohl einer kleinen exogene RNA und DNA Schneid Enzyms. Das CRISPR / Cas9 System wurde aus dem prokaryotischen Immunsystem angepasst , die ein Verfahren zur Identifizierung von Fremd entwickelt, eindringende DNA von Viren und zum Abbau über die Cas9 Enzyms 3,4 – Targeting. Diese leistungsstarke Genom Schnitttechnik kann zur Erstellung von gezielten Deletionen, Insertionen und Mutationen verwendet werden; und das folgende Protokoll wird darlegen , wie Deletionen in einem Gen von Interesse zu machen , um seine Expression in vivo KO. Das Cas9 Enzym muss mit einer Führung RNA homolog zu der Region von Interesse und angrenzend an ein Gerüst RNA exprimiert werden. Knockout eines Gens unter Verwendung dieser Technik erfordert bei einer Stelle von Interesse Cas9 auf eine bestimmte Region im Genom unter Verwendung von synthetischen Führungs RNAs (sgRNA) und induziert Doppelstrangbrüche (DSBs) Targeting. Diese DSBs werden dann durch die endogene Zellreparaturmaschinerie über nicht-homologous end-joining (NHEJ), die le repariertAnzeige an indels , dass Mutationen Missense oder Unsinn erzeugen kann und somit einen Verlust von funktionellen Proteinexpression 5 erstellen. Da dieses System genomische Veränderungen produziert, es erfordert nur die transiente Expression des Cas9 und sgRNA. Jedoch ist es wünschenswert, eine stabile Fluoreszenzindikatorzellen und deren Nachkommen in dieser Weise manipuliert zu identifizieren.
Lenti- und Retroviren haben den Vorteil der DNA von Interesse in die Wirtszellen stabil zu integrieren, die langfristigen Ausdruck erhalten und sind bis auf die Tochterzellen während der Mitose übergeben. Dieses Protokoll beschreibt die Konstruktion und Herstellung von zwei Arten von replikationsdefekten, hohe Titer-Retroviren: das menschliche Immunschwäche-Virus abgeleitet lentivirale Partikel (Lentivirus) sowie auf Basis von murinen Maloney-Leukämie-Virus (Retrovirus). Während diese beiden Viren stabile Lage sind, unterstützen großer Transgene exprimieren, können die retroviralen Partikel nur in das Genom integrieren duRing Zellteilung mit dem Abbau der Kernhülle und kann daher als Werkzeug Zellen zu markieren und Geburtstermin 6 verwendet werden. Während Lentiviren für einen Ruf haben relativ niedrige Titer 7 ist, diese Methode, einschließlich der Verwendung von Coffein 8 während der viralen Sammlung produziert routinemßig Titern von 10 9 und 10 10 Partikel / ml. Ein weiterer Vorteil der lenti- und Retroviren ist die Toleranz für sehr große Einsätze. Die folgende Sammlung von Protokollen beschreibt das Verfahren für die lenti oder Retrovirus Gestaltung kodieren ein fluoreszierendes Reporter, sgRNAs und Cas9 das CRISPR / Cas9 System zu verwenden, DNA sowie exprimieren ein fluoreszierendes Protein zu modifizieren.
Maus stereotaxische Neurochirurgie ist ein wertvolles Verfahren für Viren in vivo zu studieren Morphologie, Funktion und Konnektivität von infizierten Neuronen einzuspritzen. Virusinfektion in Neuronen können verwendet werden, um Expressionsspiegel über einen längeren Zeitraum von tim manipulierene, wie beispielsweise während der Entwicklung, und die Expression kann präzise durch die Verwendung von verschiedenen Arzneimittel induzierbare Systeme und spezifische Cre-Expression angetrieben gesteuert werden. Diese besondere Protokoll beschreibt, wie ein Virus zu injizieren eine sgRNA und Cas9 exprimieren im Gehirn eines erwachsenen Maus ein Gen von Interesse KO. Mäuse erholen sich sehr schnell von diesem Verfahren und die Expression des viralen Transgen kann innerhalb von 48 Stunden nach der Injektion zu sehen. Jedoch Fluorophor Ausdruck erscheint im Laufe von Wochen zu erhöhen, in einer nahezu maximalen Niveaus von 3 Wochen nach der Infektion resultiert. Mäuse, die virale stereotaktische Injektion unterziehen kann Verhalten, Elektrophysiologie oder morphologischen Untersuchungen verwendet werden. Insgesamt ist der Zweck dieser Verfahren zu demonstrieren, wie im erwachsenen Gehirn der Maus mit stereotaktischen Operation und ein Virus die Expression eines bestimmten sgRNA und Cas9 ein Gen Knockout.
Es gibt einige wichtige Schritte, die wichtig für eine erfolgreiche virale Verpackungs sind. Zellgesundheit ist entscheidend vor und während der Transfektion, als ungesund Zellen wird die Menge des Virus produziert erheblich reduzieren. Wenn die Transfektionseffizienz und Verpackungs erfolgreich sind, dann werden 100% der Zellen sollte das Fluorophor exprimieren und die Zellen sollten eine funktionelle Syncytium bilden. In Schritt 3.2.4 wird das Rohr Klopfen notwendig hochtitrige Transfektion effizient, und der pH-Wert der HEPES-gepufferter Kochsalzlösung muß exakt sein. Die Maxi-Preps, die die Plasmide, die für die virale Verpackung produzieren muss extrem rein sein. Bis zu diesem Punkt ist es hilfreich, die endgültige DNA Elution zu Ethanol ausfällen und in Tris-EDTA-Puffer erneut suspendieren. Es ist auch sehr wichtig, die Menge an Serum zu 2% oder weniger in den Medien zu verringern, dass das Coffein an Tag 6 zugegeben wird (Schritt 3.4) vor viral Sammlung. Wenn das Serum nicht reduziert wird, dann ist die endgültige gereinigte Virus wird eine unerwünschte Menge an Serum enthalten protein. Die Verwendung von Polyethylenglykol 6000, wenn die viralen Partikel Ausfällen schließt die Notwendigkeit Ultrazentrifugation. Es ist auch wichtig zu beachten, dass die Cas9 CRISPR Viren enthalten typischerweise einen Titer etwa 10-fach weniger als Viren nur ein Fluorophor enthält.
Für die Operation stereotaxische ermöglicht die Verwendung von inhalativen Anästhesie eine schnelle und präzise Kontrolle oder das Bewusstsein des Tieres im Vergleich zu injizierbaren Anästhetika und ermöglicht Anästhesie über einen größeren Altersbereich. Es ist sehr wichtig, dass die chirurgischen Instrumente sauber und steril zu halten und reproduzierbare Ausrichtung erfordert eine genaue Positionierung des Kopfes. Stellen Sie sicher, dass kein Nicken oder Rollen des Kopfes in der stereotaktischen Instrument ist und dass der Schädel fühlt sich fest an seinem Platz. Es kann sinnvoll sein, den Schädel zu ermöglichen, zu trocknen, um die Nähte zu finden, die Koordinaten stereotaxische zu bestimmen. Auch sollte die Rate und das Volumen für jeden werden stereotaktischen Koordinaten empirisch ermittelt.
Diese Technik ist die Begrenzung, dass die Ausbreitung eines Retrovirus lenti- oder eingeschränkt ist, insbesondere im Vergleich zu den adeno-assoziierten Viren (AAV) .Daher Diese Viren sind wertvoll, wenn ein diskretes Hirnregion Infizieren, aber nicht für die Gesamt Infektion mit AAV für Verhaltensanalyse bei Tieren angewandt werden. Die Verwendung von Coffein in diesem Protokoll erhöht die Titer dieser Viren, aber sie sind immer noch nicht so hoch wie die in AAV Verpackung erreicht Titer. Auch die stabile Integration ist nur ein Vorteil von Fluorophor Ausdruck, als CRISPR / Cas9 stabile genomische Bearbeitungen sogar bildet, wenn transient und es ist möglich, dass die laufende Ausdruck des Cas9 und sgRNA kann schließlich Zielwirkungen ab. Die transiente Expression der CRISPR / Cas9 System mit AAV ausreichend genomische Veränderungen zu erzeugen, die im gesamten Zellteilungen propagiert werden, jedoch Fluorophore Ausdruck wird nicht aufrechterhalten werden.
Erstellung von lenTi- und Retroviren die CRISPR / Cas9 System verwendet wird verleihen die Fähigkeit, jede neue Gen in einer Vielzahl von Organismen zu zielen. Die Effizienz des Gen-Bearbeitung wird in der Folge der Führungs RNA Targeting des Cas9 Spaltung abhängt. Es hat sich gezeigt, dass indels enthalten zwischen 10% und 80% der Klone empirisch bestimmt nach der Sequenzierung Neuro2A Zellen infiziert. Es ist derzeit nicht bekannt, ob indel Frequenzen berechnet in Neuro2A Zellen reflektiven von denen sind in Neuronen. Anleiten RNA-Design-Software wie Benchling umfassen nun einen "on-target" Punktzahl in der Lage sein kann, den Wirkungsgrad eines gegebenen Zielsequenz vorherzusagen. Inwieweit solche "On-Target" Scores sind zuverlässige Bedürfnisse empirisch in Neuronen und anderen Zelltypen als CRISPR-Cas9 System bestimmt werden wird breiter umgesetzt.
Lentivirus-basierte transgenen Tierproduktion wurde mit Berichten variabel erfolgreich, dass die Lentivirus geliefert Transgene si gewordenlenced 11. CRISPR vermittelte Gen Bearbeitung von DNA kann durch die Keimbahn weitergegeben werden, um ganze Tiermodelle erzeugen. Somit können stabile genomische Bearbeitung trotz des Silencing von viralen Auslieferungs Fluorophore und Cas9 Transgene erreichbar sein. Dies kann eine effiziente Plattform für die gezielte genomische Veränderungen bieten. Die virale Lieferung des CRISPR / Cas9-System, während nicht transgenen Organismen erfordern, ist komplementär zu diesen Techniken. Zum Beispiel die Injektion solcher viralen Partikel in eine Verbindung transgenen Tier, das Cre und Cre induzierbar Transgene abhängige Opto- oder chemo genetischen Ausdruck sollten komplexe Studien über den Zusammenhang zwischen genetischen Manipulationen und neuronale Aktivität erleichtern. Ein zweites Beispiel ist diese Cas9 / sgRNA viralen Teilchen in eine bedingte knockout in einem Versuch, zu liefern, für die Gen-Gen-Interaktionen zu screenen. Schließlich ist eine weitere spannende Route dieser Forschung das Screening von Phänotypen und therapeutischen Verbindungen in Patienten gewonnenen Zellen, denenwerden verwendet, um genetische Netzwerke zu validieren und zu entdecken, die bei verschiedenen Erkrankungen gestört werden.
The authors have nothing to disclose.
Diese Arbeit wurde von der NINH unterstützt gewähren R01MH097949 und die Autism Speaks Pilot Grants 7359 zu BWL und der Norris Cotton Cancer Center Optical Imaging Geteilt Instrumentation Grants P30CA023108.
List of Cell Culture Reagents | |||
293FT cell line | Life Technologies | R700-07 | For Lentivirus |
293GP cell line | Clontech | 631458 | For Retrovirus |
Iscove's Modification of DMEM (IMDM) | Corning | 10-016-CV | Complete IMDM with 10% FBS, 1% NEAA, 1% L-Gln, and 1% P/S |
Fetal Bovine Serum (FBS) | Corning | 35-011-CV | |
MEM Nonessential Amino Acids (NEAA) | Corning | 25-025-CI | |
L-Glutamine solution, 100X (L-Gln) | Corning | 25-005-CI | |
Pennicillin/Streptomycin solution, 100X (P/S) | Corning | 30-002-CI | |
Polystyrene 10cm plate | USA Scientific | CC7682-3394 | |
Trypsin EDTA 1X | Corning | 25-053-CI |
|
Reagent | Company | Catalog Number | Notes |
List of Transfection Reagents | |||
5ml polystyrene tubes | Fisher Scientific | 352054 | |
Calcium Chloride Dihydrate (CaCl2) | Fisher Scientific | C69-500 | Make a 2.5 M solution in ddH2O |
Sodium Chloride (NaCl) | Fisher Scientific | S271-3 | |
HEPES | Fisher Scientific | BP2939-100 | |
Sodium phosphate dibasic | Fisher Scientific | S369-500 | |
(Na2HPO4) | |||
2X HEPES Buffered Saline (HBS) | 500ml: 8.2g NaCl, 5.95g HEPES, 0.106g Na2HPO4, pH 7.01 (exact!) | ||
filter and store at 4°C | |||
Caffeine | Sigma-Aldrich | C0750-5G | |
0.22 µM syringe filter unit | EMD Millipore | SLGV033RS | |
0.45 µM syringe filter unit | EMD Millipore | SLHP033RS | |
60CC L/L Syringe | Med-Vet International | MV60CCLL | |
50 ml Conical Tube | Corning | 352098 | |
polyethylene glycol 6000 (PEG 6000) | Millipore | 528877 | |
(10X) Phosphate Buffered Saline (PBS) | National Diagnostics | CL-253 | |
0.5 ml microcentrifuge tubes | USA Scientific | 1605-0000 | |
Matrigel | Fisher Scientific | CB-40230A | |
6-well plate | Fisher Scientific | 353046 | |
Paraformaldehyde | Fisher Scientific | AC41678-5000 | |
Donor Horse Serum | Cellgro | 35-030-CV | |
TritonX-100 | Sigma-Aldrich | X100-500ML | |
10ml serological pipette | Fisher Scientific | 357551 | |
anti-GFP, rabbit, 488 conjugate | Invitrogen | A21311 | |
Reagent | Company | Catalog Number | Notes |
Stereotaxic Surgery Reagents | |||
Vet-Syringe vet use T.B. Syringe only 1cc luer slip T.B. 100/bx | Med-Vet International | 1CCVLS | |
Isoflurane | |||
Stainless Steel Scalpel Blades, #10, 100-pk | Med-Vet International | JOR580S | |
artificial tear ointment | Med-Vet International | RXPARALUBE-O | |
PVP PrepSolution | Med-Vet International | HPIV108208H | |
normal saline | Med-Vet International | DYND500MLSH | |
cotton tipped applicators | Med-Vet International | CTA6 | |
Triple antibiotic ointment | Med-Vet International | RXTRIP-OI15 | |
MONOJECT® Needles Soft Pack 25g x 5/8" | Med-Vet International | 25058 | |
6-0 silk sutures | Med-Vet International | MV-711 |