A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
تصف الطريقة المقدمة توليد ضربة قاضية جينية بوساطة كريسبر في خط الخلايا الجذعية الجنينية البشرية (hESC) H9 ، والذي يعبر بثبات عن sgRNAs التي تستهدف جين L2HGDH باستخدام نظام توصيل الجينات بوساطة الفيروسية عالية الكفاءة.
أحدث نظام CRISPR-Cas9 لتحرير الجينوم ثورة في دراسات وظائف الجينات في خلايا الثدييات ، بما في ذلك الخلايا الجذعية. ومع ذلك ، فإن التطبيق العملي لهذه التقنية ، لا سيما في الخلايا الجذعية متعددة القدرات ، يمثل تحديات معينة ، مثل كونها كثيفة الوقت والعمالة وكفاءة التحرير المنخفضة. هنا ، نصف توليد ضربة قاضية جينية بوساطة كريسبر في خط الخلايا الجذعية الجنينية البشرية (hESC) الذي يعبر بثبات عن sgRNAs لجين L2HGDH ، باستخدام نظام توصيل جيني بوساطة فيروسات عدسية عالية الكفاءة ومستقرة. تم تصنيع sgRNAs التي تستهدف exon 1 من جين L2HGDH كيميائيا واستنساخها في ناقل lentiCRISPR v2-puro ، والذي يجمع بين التعبير التأسيسي ل sgRNAs مع Cas9 في نظام ناقل أحادي عالي الكفاءة لتحقيق عيار أعلى للفيروسات العدسية لعدوى hESC والاختيار المستقر باستخدام بورومايسين. تم توسيع الخلايا المختارة من بورومايسين بشكل أكبر ، وتم الحصول على استنساخ أحادي الخلية باستخدام طريقة التخفيف المحدود. تم توسيع المستنسخة المفردة ، وتم الحصول على العديد من المستنسخة بالضربة القاضية متماثلة اللواقح لجين L2HGDH ، كما تم تأكيده من خلال انخفاض بنسبة 100٪ في تعبير L2HGDH باستخدام تحليل اللطخة الغربية. علاوة على ذلك ، باستخدام MSBSP-PCR ، تم تعيين موقع طفرة CRISPR في المنبع من تسلسل التعرف على PAM ل Cas9 في المستنسخة متماثلة اللواقح المختارة. تم إجراء تسلسل Sanger لتحليل عمليات الإدراج / الحذف الدقيقة ، وتم إجراء التوصيف الوظيفي للنسخ. أنتجت هذه الطريقة نسبة أعلى بكثير من عمليات الحذف متماثلة اللواقح مقارنة بطرق توصيل الجينات غير الفيروسية التي تم الإبلاغ عنها سابقا. على الرغم من أن هذا التقرير يركز على جين L2HGDH ، إلا أنه يمكن استخدام هذا النهج القوي والفعال من حيث التكلفة لإنشاء ضربة قاضية متماثلة اللواقح للجينات الأخرى في الخلايا الجذعية متعددة القدرات لدراسات وظائف الجينات.
الخلايا الجذعية الجنينية البشرية (hESCs) والخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات (iPSCs) هي خلايا جذعية لديها القدرة على التمايز إلى جميع أنواع الخلايا في الجسم. تعمل هذه الخلايا كأدوات قيمة لدراسة التنمية البشرية ، وكذلك لفهم الآليات الأساسية للأمراض المختلفة ، مما يوفر وعدا هائلا للطب التجديدي ونمذجة الأمراض واكتشاف الأدوية. تتضمن هذه الدراسات التحقيق في كيفية مساهمة جينات معينة في تطوير الكائنات الحية وعملها وتنظيمها1،2.
يتم استخدام تقنيات وأساليب مختلفة لفك تشفير وظيفة الجينات ، بما في ذلك التلاعب الجيني ، مثل الضربة القاضية للجينات أو الإفراط في التعبير ، وتحرير الجينوم. من بين هؤلاء ، برزت تقنية CRISPR-Cas9 كأكثر الطرق فعالية لدراسات خروج المغلوب الجيني وتحرير الجينات1،2،3. يعمل نظام CRISPR-Cas9 من خلال استخدام جزيء RNA واحد (sgRNA) مصمم خصيصا لتحديد تسلسل DNA معين ذي أهمية والارتباط به. يعمل sgRNA كدليل جزيئي ، ويوجه إنزيم Cas9 إلى الموقع الدقيق في الجينوم الذي يتطلب التعديل. بمجرد ربطه ، يبدأ Cas9 في كسر مزدوج الشريطة في الحمض النووي في الموقع المحدد. بعد انقسام الحمض النووي ، يتم تنشيط آليات الإصلاح المتأصلة في الخلية. وتشمل هذه مسارين رئيسيين للإصلاح: الانضمام النهائي غير المتماثل (NHEJ) والإصلاح الموجه بالتماثل (HDR). غالبا ما يؤدي NHEJ إلى عمليات إدخال أو حذف (indels) في موقع الكسر ، مما يؤدي إلى تعطيل الجينات أو تعطيلها. على العكس من ذلك ، يتيح HDR إدخال تسلسلات DNA جديدة في موقع الكسر ، مما يسهل إدخال التعديلات الجينيةالمستهدفة 4.
نظرا لأهمية حذف الجينات في الخلايا الجذعية متعددة القدرات ، تم نشر العديد من البروتوكولات على الضربة القاضية الجينية بوساطة CRISPR-Cas9 في hESCs / iPSCs. ومع ذلك ، تواجه العديد من هذه البروتوكولات قيودا كبيرة ، مثل كونها تستغرق وقتا طويلا للغاية ، وكثيفة العمالة ، وذات كفاءة منخفضة بسبب استخدام طرق توصيل الجينات غير الفيروسية5. هذه التحديات أكثر وضوحا في hESCs / iPSCs ، حيث من المعروف أن هذه الخلايا تتمتع بكفاءة تحرير أقل مقارنة بأنواع الخلايا الأخرى5. يمكن معالجة بعض هذه القيود عن طريق زيادة كفاءة توصيل البلازميد الذي يحتوي على Cas9 و sgRNAs. يمكن تحقيق ذلك بنجاح باستخدام نظام ناقل الفيروسات ، والذي يمكن أن يحسن بشكل كبير نتائج تحرير الجينات. بروتوكولات تغليف الفيروسات العدسية راسخة ومباشرة ، مما يسمح باعتمادها السهل في المختبرات ، حتى من قبل الباحثين ذوي الخبرة المحدودة. تظهر فيروسات العدسات كفاءة عدوى عالية عبر أنواع مختلفة من الخلايا ، بما في ذلك hESCs و iPSCs. لذلك ، يعد استخدام نظام العدسي الفيروسي لتعبير Cas9-sgRNA مثاليا لتجارب التحرير الجيني الروتينية في hESCs / iPSCs لدراسات وظائف الجينات.
هنا ، نقدم طريقة بسيطة ومباشرة لعمليات حذف الجينات المستندة إلى CRISPR-Cas9 عالية الكفاءة في hESCs في فترة زمنية أقصر نسبيا من البروتوكولات التقليدية (الشكل 1). على الرغم من استخدام ناقل فيروسي عدسي مع تعبير تأسيسي ل Cas9 و sgRNA ، إلا أنه يمكن استبداله بسهولة بتعبير Cas9 المحفز عن الدواء لتعبير Cas9 الذي يمكن التحكم فيه.
يتم سرد تفاصيل التسلسلات الجينية والكواشف والمعدات المستخدمة في هذه الدراسة في جدول المواد.
1. تصميم الحمض النووي الريبي الفردي (sgRNA) والاستنساخ وإنتاج نواقل الفيروسات العدسية
ملاحظة: يتم استخدام تسلسلين مختلفين من sgRNA يستهدفان exon 1 من L2HGDH الجين ، وكلاهما مقتبس من Qiu et al.6مع مواقع PAM ل AGG و TGG للتسلسلين 1 و 2 ، على التوالي. كان طول كل من sgRNAs 20 نقطة أساس ، وتم تعديل النهايات لإضافة تسلسلات رابط لإنزيم التقييد Bsmb1 ليتم استنساخه في المتجه المستهدف (LentiCRISPRv2) كما هو موضح في التقرير السابق6. تمت إضافة تسلسلات الرابط أثناء تصميم sgRNAs لأغراض الاستنساخ.
2. الالتهابات الفيروسية وانتشار نسيلة خلية واحدة
3. استخراج gDNA ، MS-BSP PCR ، وتسلسل Sanger
4. مقايسة تكوين hESC وتكوين الجسم الجنيني (EB)
5. تحليل اللطخة الغربية
6. تلغيم المناعة
استنساخ L2HGDH sgRNAs في lentiCRISPRv2 puro
تم الحصول على ناقل lentiCRISPRv2 puro تجاريا (انظر جدول المواد) وهضمه باستخدام BsmB1 ، مما أدى إلى إطلاق جزء حشو 1.8 كيلو بايت. كما هو موضح في الشكل 2 أ ، لوحظ هضم كامل للناقل. لكل بناء ، تم فحص ستة نسخ لوجود أو عدم وجود إدر...
قامت هذه الدراسة بتوحيد طريقة تتيح حذف الجينات عالية الكفاءة والفعالية من حيث التكلفة في hESCs من خلال تقنية CRISPR-Cas9. نجحت هذه الطريقة في الحذف المتماثل اللواقح لجين L2HGDH في hESCs في غضون 3-4 أسابيع ، بدءا من عدوى hESC إلى الانتقاء النسيلي أحادي الخلية وانتشاره (الجدول 1). ع...
ويعلن أصحاب البلاغ أنه لا يوجد تضارب في المصالح.
وقد تم دعم هذا العمل من خلال منح بحثية من جامعة الإمارات العربية المتحدة - #12M105 المنح ومنح #12R167 (مركز زايد للعلوم الصحية) و21R105 (مؤسسة زايد بن سلطان للأعمال الخيرية والإنسانية) و"أسباير"، وهي ركيزة إدارة البرامج التكنولوجية في مجلس أبحاث التكنولوجيا المتقدمة في أبوظبي، من خلال منحة الجائزة رقم VRI-20-10 من معهد أسباير لأبحاث الطب الدقيق في أبوظبي.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2-MERCAPTOETHANOL | Invitrogen | 31350010 | |
38.5 mL, Sterile + Certified Free Open-Top Thinwall Ultra-Clear Tubes | Beckman Coulter | C14292 | |
Accutase | Stem cell technologies | 7920 | |
bFGF Recombinant human | Invitrogen | PHG0261 | |
Brachyury Rabbit mAb | Abclonal | A5078 | |
BsmBI-v2 | NEB | R0739S | |
chir99021 | Tocris | 4423/10 | |
Corning Matrigel Basement Membrane Matrix, LDEV-free | Corning | 354234 | |
Cyclopamine | Stem cell technologies | 72074 | |
DMEM media | Invitrogen | 11995073 | |
DMEM NUTRIENT MIX F12 | Invitrogen | 11320033 | |
DPBS w/o: Ca and Mg | PAN Biotech | P04-36500 | |
Fetal bovie serum | Invitrogen | 10270106 | |
FoxA2/HNF3β | CST | 8186 | |
GAPDH (14C10) Rabbit mAb Antibody | CST | 2118S | |
Gentle Cell Dissociation Reagent | Stem cell technologies | 7174 | |
HyClone Non Essential Amino Acids (NEAA) 100x Solution | GE healthcare | SH30238.01 | |
Ki-67 (D3B5) Rabbit mAb | CST | 9129 | |
KnockOut Serum Replacement | Invitrogen | 10828028 | |
L GLUTAMINE, 100x | Invitrogen | 2924190090 | |
L2H-BMSBSP-F1 | Macrogen | CGTGCGGGTTCGCGTCTGGG | |
L2HGDH Polyclonal antibody | Proteintech | 15707-1-AP | |
L2HGDH-SgRNA1-F | Macrogen | CACCGCGTGCGG GTTCGCGTCTGGG | |
L2HGDH-SgRNA1-R | Macrogen | AAACCCCAGACGC GAACCCGCACGC | |
L2HGDH-SgRNA2-F | Macrogen | CACCGCCCGCGG GCTTTTCGCCGG | |
L2HGDH-SgRNA2-R | Macrogen | AAACCCGGCGAA AAGCCCGCGGGC | |
L2H-SeqF1 | Macrogen | GCTAAAGAGCGC GGGTCCTCGG | |
L2H-SeqR1 | Macrogen | GTGGACGGGTTG TTCAAAGCCAGAG | |
L2H-UMSBSP-R1 | Macrogen | GTGGACGGGTTG TTCAAAGCCAGAG | |
LentiCRISPRv2 | Addgene | 52961 | |
mTesR1 complete media | Stem cell technologies | 85850 | |
Nanog Antibody | CST | 3580 | |
NEUROBASAL MEDIUM 1x CTS | Invitrogen | A1371201 | |
Neuropan 2 Supplement 100x | PAN Biotech | P07-11050 | |
Neuropan 27 Supplement 50x | PAN Biotech | P07-07200 | |
Oct-4 Antibody | CST | 2750 | |
Pax6 (D3A9V) XP Rabbit mAb | CST | 60433 | |
PENICILLIN STREPTOMYCIN SOL | Invitrogen | 15140122 | |
pMD2.G | Addgene | 12259 | |
Polybrene infection reagent | Sigma | TR1003- G | |
Polyethylenimine, branched | Sigma | 408727 | |
psPAX2.0 | Addgene | 12260 | |
Puromycin | Invitrogen | A1113802 | |
qPCR Lentivirus Titer Kit | Abm | LV900 | |
Rock inhibitor Y-27632 dihydrochloride | Tocris | 1254 | |
SB 431542 | Tocris | 1614/10 | |
Sox2 Antibody | CST | 2748 | |
Sucrose | Sigma | 57-50-1 | |
TRYPSIN .05% EDTA | Invitrogen | 25300062 | |
U6-459F | Macrogen | GAGGGCCTATT TCCCATGATTC | |
Wizard Genomic DNA Purification Kit | Promega | A1120 | |
XAV 939 | Tocris | 3748/10 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionExplore More Articles
This article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved