A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
تشير هذه المقالة إلى بناء خلايا خروج المغلوب المرتبطة بالبروتين E (CENP-E) باستخدام نظام CRISPR / Cas9 وثلاث استراتيجيات فحص قائمة على النمط الظاهري. لقد استخدمنا خط الخلايا الضربة القاضية CENP-E لإنشاء نهج جديد للتحقق من خصوصية وسمية مثبطات CENP-E ، وهو أمر مفيد لتطوير الأدوية والبحوث البيولوجية.
برز نظام كريسبر (التكرارات العنقودية القصيرة المتباعدة بانتظام) / Cas9 كأداة قوية لتحرير الجينات بدقة وكفاءة في مجموعة متنوعة من الكائنات الحية. البروتين E المرتبط بالسنترومير (CENP-E) هو كينيسين موجه بنهاية زائد مطلوب لالتقاط الأنابيب الدقيقة الحركية ، ومحاذاة الكروموسوم ، ونقطة تفتيش تجميع المغزل. على الرغم من أن الوظائف الخلوية لبروتينات CENP-E قد تمت دراستها جيدا ، فقد كان من الصعب دراسة الوظائف المباشرة لبروتينات CENP-E باستخدام البروتوكولات التقليدية لأن استئصال CENP-E يؤدي عادة إلى تنشيط نقطة تفتيش تجميع المغزل ، وتوقف دورة الخلية ، وموت الخلايا. في هذه الدراسة ، قمنا بإخراج جين CENP-E تماما في خلايا HeLa البشرية ونجحنا في إنشاء خلايا CENP-E-/- HeLa باستخدام نظام CRISPR / Cas9.
تم إنشاء ثلاث استراتيجيات فحص محسنة قائمة على النمط الظاهري ، بما في ذلك فحص مستعمرة الخلايا ، والأنماط الظاهرية لمحاذاة الكروموسومات ، وشدة الفلورسنت لبروتينات CENP-E ، والتي تعمل بشكل فعال على تحسين كفاءة الفحص ومعدل النجاح التجريبي لخلايا CENP-E بالضربة القاضية. الأهم من ذلك ، أن حذف CENP-E يؤدي إلى اختلال الكروموسوم ، والموقع غير الطبيعي لبروتينات نقطة التفتيش الانقسامية BUB1 سيرين / ثريونين كيناز B (BubR1) ، والعيوب الانقسامية. علاوة على ذلك ، استخدمنا نموذج خلية HeLa بالضربة القاضية CENP-E لتطوير طريقة تحديد مثبطات CENP-E المحددة.
في هذه الدراسة ، تم وضع نهج مفيد للتحقق من خصوصية وسمية مثبطات CENP-E. علاوة على ذلك ، تقدم هذه الورقة بروتوكولات تحرير الجينات CENP-E باستخدام نظام CRISPR / Cas9 ، والذي يمكن أن يكون أداة قوية للتحقيق في آليات CENP-E في انقسام الخلايا. علاوة على ذلك ، سيساهم خط الخلايا الضربة القاضية CENP-E في اكتشاف مثبطات CENP-E والتحقق من صحتها ، والتي لها آثار مهمة على تطوير الأدوية المضادة للأورام ، ودراسات آليات انقسام الخلايا في بيولوجيا الخلية ، والتطبيقات السريرية.
يتوسط تحرير الجينوم الهندسي التعديلات المستهدفة للجينات في مجموعة متنوعة من الخلايا والكائنات الحية. في حقيقيات النوى ، يمكن إدخال طفرات خاصة بالموقع من خلال تطبيقات النيوكليازات الخاصة بالتسلسل التي تحفز إعادة التركيب المتماثل للحمض النوويالمستهدف 1. في السنوات الأخيرة ، تم تصميم العديد من تقنيات تحرير الجينوم ، بما في ذلك نوكلياز إصبع الزنك (ZFNs) 2,3 ، والنوكليازات المستجيبة الشبيهة بمنشط النسخ (TALENs) 4,5 ، و meganucleases 6,7 ، لشق الجينومات في مواقع محددة ، ولكن هذه الأساليب تتطلب هندسة بروتين معقدة وإجراءات تجريبية زائدة عن الحاجة. أظهرت الدراسات أن النوع الثاني من بدائية النواة العنقودية المتجمعة بانتظام بين التكرارات القصيرة المتباعدة (CRISPR) / Cas هي تقنية فعالة لتحرير الجينات ، والتي تتوسط على وجه التحديد انقسام الحمض النووي الموجه بالحمض النووي الريبي والموقع في مجموعة واسعة من الخلايا والأنواع8،9،10،11. أحدثت تقنية الضربة القاضية الجينية CRISPR / Cas9 ثورة في مجالات البيولوجيا الأساسية والتكنولوجيا الحيوية والطب12.
طورت البكتيريا ومعظم العتائق نظاما مناعيا تكيفيا قائما على الحمض النووي الريبي يستخدم بروتينات كريسبر وكاس لتحديد وتدمير الفيروسات والبلازميدات13. العقدية المقيحة يحتوي Cas9 (SpCas9) endonuclease على محلول تقاطع هوليداي الشبيه ب RuvC (RuvC) ومجال His-Asn-His (HNH) ، والذي يمكنه التوسط بكفاءة في الفواصل ذات التسلسل المزدوج (DSBs) من خلال توفير الحمض النووي الريبي أحادي التوجيه الاصطناعي (sgRNA) الذي يحتوي على CRISPR RNAs (crRNA) و crRNA المنشط (tracrRNA) 14،15،16. يمكن إصلاح DSBs من خلال مسار الانضمام النهائي غير المتماثل (NHEJ) أو مسار الإصلاح الموجه بالتماثل (HDR) ، والذي يقدم طفرات متعددة ، بما في ذلك عمليات الإدراج أو الحذف أو بدائل النوكليوتيدات المفردة الخالية من الندبات ، في خلايا الثدييات 1,8. يمكن استخدام كل من NHEJ المعرض للخطأ ومسار HDR عالي الدقة للتوسط في خروج المغلوب الجيني من خلال عمليات الإدراج أو الحذف ، والتي يمكن أن تسبب طفرات إزاحة الإطار وكودونات التوقف المبكرة10.
مطلوب Kinesin-7 CENP-E لربط الأنابيب الدقيقة الحركية ومحاذاة الكروموسوم أثناء انقسام الخلايا17،18،19. الحقن المجهري للأجسام المضادة20،21 ، استنفاد siRNA22،23 ، التثبيط الكيميائي24،25،26 ، والحذف الجيني27،28،29 من CENP-E يؤدي إلى اختلال الكروموسوم ، وتنشيط نقطة تفتيش تجميع المغزل والعيوب الانقسامية ، مما يؤدي إلى اختلال الصيغة الصبغية وعدم استقرار الكروموسومات19,30. في الفئران ، يؤدي حذف CENP-E إلى نمو غير طبيعي وفتك جنيني في المراحل المبكرة جدا من التطور27،29،31. عادة ما يؤدي الحذف الجيني ل CENP-E إلى اختلال الكروموسوم وموت الخلايا26،27،29 ، وهو ما يمثل عقبة في دراسة وظائف وآليات بروتينات CENP-E.
أنشأت دراسة حديثة خط خلية خروج المغلوب CENP-E مشروطا باستخدام طريقة تحرير الجينات CRISPR / Cas9 القابلة للحث على الأوكسين32 ، والتي تتيح التدهور السريع لبروتينات CENP-E في وقت قصير نسبيا33. ومع ذلك ، حتى الآن ، لم يتم إنشاء خطوط خلايا خروج المغلوب CENP-E مستقرة ، وهو تحد تقني لم يتم حله في بيولوجيا CENP-E. بالنظر إلى المتانة الجينية34 ، واستجابات التعويض الجيني35،36،37 ، والبيئات المعقدة داخل الخلايا ، حيث أن العواقب المباشرة للحذف الكامل ل CENP-E قد تكون معقدة ولا يمكن التنبؤ بها ، فمن المهم إنشاء خطوط خلايا CENP-E للتحقيق في آليات محاذاة الكروموسوم ، ونقطة تفتيش تجميع المغزل ، ومسارات إشارات المصب.
يعد اكتشاف مثبطات CENP-E وتطبيقاتها أمرا مهما لعلاج السرطان. حتى الآن ، تم العثور على سبعة أنواع من مثبطات CENP-E وتوليفها ، بما في ذلك GSK923295 ومشتقاته24,25 ، PF-2771 38,39 ، مشتقات سقالة إيميدازو [1,2-a]بيريدين 40,41 ، مركب-A42,43 ، سينتيلين44,45 ، UA6278446 ، ومشتقات بنزو بيرولو [2,1-ب] ثيازول47. من بين هذه المثبطات ، GSK923295 هو مثبط CENP-E الخيفي والفعال الذي يرتبط بالمجال الحركي ل CENP-E ويثبط نشاط ATPase المحفز بالأنابيب الدقيقة CENP-E مع Ki من 3.2 ± 0.2 نانومتر24,25. ومع ذلك ، بالمقارنة مع الآثار المثبطة ل GSK923295 على الخلايا السرطانية المستزرعة ، فإن الآثار العلاجية ل GSK923295 في مرضى السرطان السريري ليست مثالية48,49 ، مما أثار أيضا مخاوف بشأن خصوصية GSK923295 ل CENP-E. علاوة على ذلك ، فإن الخصوصية والآثار الجانبية لمثبطات CENP-E الأخرى على بروتينات CENP-E هي قضايا رئيسية في أبحاث السرطان.
في هذه الدراسة ، قمنا بإخراج جين CENP-E تماما في خلايا HeLa باستخدام نظام CRISPR / Cas9. تم إنشاء ثلاث استراتيجيات فحص محسنة قائمة على النمط الظاهري ، بما في ذلك فحص مستعمرة الخلايا ، والأنماط الظاهرية لمحاذاة الكروموسومات ، وكثافة الفلورسنت لبروتينات CENP-E ، لتحسين كفاءة الفحص ومعدل نجاح تحرير الجينات CENP-E. علاوة على ذلك ، يمكن استخدام خطوط خلايا CENP-E لاختبار خصوصية المركبات المرشحة ل CENP-E.
1. بناء ناقلات الضربة القاضية الجينية CRISPR / Cas9
2. نقل وعزل وفحص خلايا هيلا بالضربة القاضية CENP-E
3. تلطيخ المناعي والفحص المجهري متحد البؤر عالي الدقة
4. إعداد كروموسوم وتحليل النمط النووي
5. مقايسة تشكيل مستعمرة الخلية
6. فحص صلاحية الخلية
تم إنشاء خلايا CENP-E-/- HeLa بنجاح باستخدام نظام CRISPR / Cas9 (الشكل 1). يوضح الشكل 1 الجدول الزمني والخطوات التجريبية الحرجة لهذه الطريقة. أولا ، قمنا بتصميم وتوليف sgRNAs الخاصة ب CENP-E ، وقمنا بتلدين وربط sgRNAs في بلازميد pX458 ، ونقل البلازميد إلى خلايا HeLa ، و?...
Kinesin-7 CENP-E هو منظم رئيسي في محاذاة الكروموسوم ونقطة تفتيش تجميع المغزل أثناء انقسام الخلايا17،19،20. عادة ما يؤدي الحذف الجيني ل CENP-E إلى تنشيط نقطة تفتيش تجميع المغزل ، وإيقاف دورة الخلية ، وموت الخلايا27،29،...
ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للكشف عنه.
نشكر جميع أعضاء مختبر الهيكل الخلوي في جامعة فوجيان الطبية على المناقشات المفيدة. نشكر جون جين لين ، وتشي هونغ هوانغ ، ولينغ لين ، ولي لي بانغ ، ولين يينغ تشو ، وشي لين ، ومين شيا وو في مركز خدمات التكنولوجيا العامة ، جامعة فوجيان الطبية على مساعدتهم الفنية. نشكر Si-Yi Zheng و Ying Lin و Qi Ke في مركز التدريس التجريبي للعلوم الطبية الأساسية في جامعة فوجيان الطبية على دعمهم. تم دعم هذه الدراسة من خلال المنح التالية: المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (رقم المنحة 82001608 و 82101678) ، ومؤسسة العلوم الطبيعية بمقاطعة فوجيان ، الصين (رقم المنحة 2019J05071) ، والصناديق المشتركة لابتكار العلوم والتكنولوجيا ، مقاطعة فوجيان ، الصين (رقم المنحة 2021Y9160) ، ومشروع تمويل بدء البحث العلمي للمواهب عالية المستوى بجامعة فوجيان الطبية (رقم المنحة XRCZX2017025).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.25% Trypsin-EDTA | Gibco | 25200056 | |
1.5 mL centrifuge tube | Axygen | MCT-150-C | |
24-well plate | Corning | 3524 | |
4S Gelred, 10,000x in water | Sangon Biotech (Shanghai) | A616697 | |
50 mL centrifuge tube | Corning | 430828 | |
6 cm Petri dish | Corning | 430166 | |
95% ethanol | Sinopharm Chemical Reagent | 10009164 | |
96-well plate | Corning | 3599 | |
Acetic acid | Sinopharm Chemical Reagent | 10000218 | Dissolve in H2O to prepare a 10% working solution. |
Agarose | Sangon Biotech (Shanghai) | A620014 | |
Alexa Fluor 488-labeled Goat Anti-Mouse IgG(H+L) | Beyotime | A0428 | For immunofluorescence. Dissolve in 1% BSA/PBST. 1:500 dilution. |
Alexa Fluor 488-labeled Goat Anti-Rabbit IgG(H+L) | Beyotime | A0423 | For immunofluorescence. Dissolve in 1% BSA/PBST. 1:500 dilution. |
Alexa Fluor 555-labeled Donkey Anti-Mouse IgG(H+L) | Beyotime | A0460 | For immunofluorescence. Dissolve in 1% BSA/PBST. 1:500 dilution. |
Anhydrous ethanol | Sinopharm Chemical Reagent | 100092690 | |
Anti-BubR1 rabbit monoclonal antibody | Abcam | ab254326 | For immunofluorescence. Dissolve in 1% BSA/PBST. 1:100 dilution |
Anti-CENP-B mouse monoclonal antibody | Santa Cruz Biotechnology | sc-376392 | For immunofluorescence. Dissolve in 1% BSA/PBST. 1:50 dilution. |
Anti-CENP-E rabbit monoclonal antibody | Abcam | ab133583 | For immunofluorescence. Dissolve in 1% BSA/PBST. 1:100 dilution. |
Anti-fade mounting medium | Beyotime | P0131 | Slowing down the quenching of fluorescent signals. |
Anti-α-tubulin mouse monoclonal antibody | Abcam | ab7291 | For immunofluorescence. Dissolve in 1% BSA/PBST. 1:100 dilution. |
Biotek Epoch Microplate Spectrophotometer | Biotek Instruments | Biotek Epoch | |
Bovine Serum Albumin (BSA) | Sinopharm Chemical Reagent | 69003435 | |
BpiI (BbsI) | Thermo Fisher Scientific | ER1011 | |
CellTiter 96 aqueous one solution cell proliferation assay | Promega | G3580 | |
Centrifuge | Eppendorf | 5424BK745380 | |
Colchicine | Sinopharm Chemical Reagent | 61001563 | |
Confocal scanning microscope | Leica | Leica TCS SP8 | |
Coverslip | CITOTEST | 80344-1220 | |
DAPI | Beyotime | C1006 | |
DH5α competent cells | Sangon Biotech (Shanghai) | B528413 | |
DL2000 DNA marker | TaKaRa | 3427A | |
Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) | Gibco | C11995500BT | |
Endo-free plasmid mini kit ![]() | Omega | D6950 | |
Ezup Column Animal Genomic DNA Purification Kit | Sangon Biotech (Shanghai) | B518251 | |
Fetal bovine serum | Zhejiang Tianhang Biotechnology | 11011-8611 | |
Gentian violet | Sinopharm Chemical Reagent | 71019944 | Dissolve in PBS to prepare 0.1% gentian violet/PBS. |
Giemsa staining solution | Sinopharm Chemical Reagent | 71020260 | |
GraphPad Prism version 8.0 software | GraphPad | www.graphpad.com | Statistical analysis. |
GSK923295 | MedChemExpress | HY-10299 | |
HeLa cell line | ATCC | CCL-2 | |
Humidified incubator | Heal Force | HF90/HF240 | |
Image J software | National Institutes of Health | https://imagej.nih.gov/ij/ | Image processing and analysis. |
Inverted microscope | Nanjing Jiangnan Novel Optics | XD-202 | |
LB agar powder | Sangon Biotech (Shanghai) | A507003 | |
Lipo6000 transfection reagent | Beyotime | C0526 | |
Nikon Ti-S2 microscope | Nikon | Ti-S2 | |
Opti-MEM reduced serum medium | Gibco | 31985070 | |
Paraformaldehyde | Sinopharm Chemical Reagent | 80096618 | Dissolve in PBS to prepare 4% paraformaldehyde/PBS. |
Penicillin-streptomycin solution | HyClone | SV30010 | |
SanPrep column DNA gel extraction kit | Sangon Biotech (Shanghai) | B518131 | |
SanPrep column plasmid mini-preps kit | Sangon Biotech (Shanghai) | B518191 | |
T4 DNA ligase | TaKaRa | 2011A | |
T4 polynucleotide kinase | TaKaRa | 2021A | |
TaKaRa Ex Taq | TaKaRa | RR001A | |
Triton X-100 | Sinopharm Chemical Reagent | 30188928 | Dissolve in PBS to prepare 0.25% Triton X-100/PBS. |
Tween 20 | Sinopharm Chemical Reagent | 30189328 | Dissolve in PBS to prepare 0.1% Tween 20/PBS. |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved