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Method Article
本方案描述了针对代表性心脏基因的设计、制备和显微注射翻译阻断吗啉;心脏和神经嵴衍生物表达2 (hand2) 到新受精的斑马鱼胚胎的卵黄中,以敲低基因功能。它还显示了通过共注射编码该基因产物的 mRNA 对这些“形态体”的瞬时拯救。
基于吗啉代寡聚体的敲低系统已用于通过表达缺失或表达减少来识别各种基因产物的功能。 吗啉代 (MOs) 在生物稳定性方面优于 DNA 寡核苷酸,因为它们不易被酶促降解。 为了获得最佳效果,将 MO 注射到 1-4 个细胞期的胚胎中。 敲低的时间功效是可变的,但 MO 被认为最终会因稀释而失去其作用。应严格控制吗啉代稀释和注射量,以尽量减少脱靶效应的发生,同时保持靶向疗效。应针对目标靶基因进行其他补充工具,例如 CRISPR/Cas9,以生成突变系并确认这些系的形态表型。本文将演示如何设计、制备针对 hand2 的翻译阻断吗啉糖,并将其显微注射到 1-4 细胞期斑马鱼胚胎的卵黄中,以敲除 hand2 功能,并通过共注射编码相应 cDNA 的 mRNA 来拯救这些“形态”。随后,通过首先验证蛋黄中吗啉代的存在(与酚红共注射),然后通过表型分析来评估吗啉代显微注射的功效。此外,将讨论用于测试敲除效果的心脏功能分析。最后,将解释通过蛋白质印迹评估吗啉代诱导的基因翻译阻断的影响。
与传统的体内模型相比,利用斑马鱼作为研究心血管发育和疾病的模型具有多种优势,包括基因功能高度保守、光学透明性、心血管发育快速和成本更低1。吗啉代寡核苷酸 (MOs) 是斑马鱼模型中最常用的反义基因敲低工具。MO 经常用于确定表型或探测基因功能。James Summerton 博士最初开发了用于体内抑制 mRNA 翻译的吗啉代递送系统,以尝试开发治疗人类发育缺陷的治疗方法 2,3。MO 已用于体外和体内模式生物,以敲低基因并研究这种敲低对表型的影响。这是通过观察特定器官(例如心脏)发育的变化来完成的。WT 斑马鱼胚胎中心脏特异性基因的敲除导致正常心跳失败,证明了这些基因对心脏发育不可或缺的功能 4,5。这些表型通过共同注射特定基因的 mRNA 来挽救。一项涉及心肌肌钙蛋白 T (Tnnt2) 的研究表明,全长 tnnt2 mRNA 的表达可以挽救吗啉酮敲低引起的肉节表型6。另一项研究表明,在 cmcl2 形态体中过表达调节性肌球蛋白轻链直系同源物 (cmlc2) mRNA 可以恢复 A 带和 Z 盘的完整性7。
MO 通常用于通过靶向前体 mRNA 剪接或阻断翻译来敲低基因表达。剪接阻断 MO 通过抑制剪接体来结合和抑制前体 mRNA。当 MO 与互补 mRNA 的 5'-非翻译区结合以阻碍核糖体组装时,就会发生翻译阻断。MO 是 体内模型中使用 最广泛的基因特异性敲低基因表达方法;它们也是细胞培养中使用的最有效的 mRNA 封闭剂。吗啉亚基本身通常由短链(约 25 个)吗啉亚基碱基组成。每个 MO 亚基包括一个核酸碱基、一个吗啉环和一个非离子型二酰胺磷酸酯。两种 MO 的作用机制不同,需要不同的测试来验证敲低的功效。对于翻译阻断 MO,western blot 分析是最可靠的疗效测试,因为由于 ATG 翻译起始位点受阻,不应产生目标蛋白。MO 不会直接降解其靶标 mRNA;相反,它们与特定区域结合并抑制表达,直到自然降解。然而,剪接阻断 MO 通过诱导剪接修饰来修饰前体 mRNA,这可以通过逆转录酶聚合酶链反应 (RT-PCR) 和凝胶电泳进行检测。
MOs 筛选过程的三个关键部分必须标准化:(i) 必须调整 MO 剂量曲线以进行表型识别。剂量曲线还显示了每个 MO 的致死剂量 50(LD50:50% 的注射胚胎死亡的剂量),以提高优化表型“信号”与脱靶“噪音”的能力3。(ii) 采用的表型命名法应有据可查;精确且易于理解的表型描述对于根据现有文献和研究者经验提供广泛的解释至关重要,以促进未直接检查胚胎的人之间的信息共享。(iii) 拥有定义明确的语言可以很容易地从 Morpholino 数据库8 集中收集数据。
在心脏基因的 MO 敲低研究中,必须监测动物的心脏活动和血流动力学,以确定 MO 敲低实验对心血管系统功能的影响。此类分析需要以高分辨率实时可视化心血管系统。斑马鱼的皮肤在发育的第一周是透明的,可以通过显微镜观察心脏和血液循环。对于心脏功能的评估,计算最多的生理参数是心率和心输出量以及缩短分数、面积变化分数和射血分数。可以通过跟踪移动的红细胞来测量血流速度,这些测量值用于确定剪切应力水平,这是内皮细胞的关键机械生物学因素。这种评估需要通过配备高速摄像机的倒置显微镜或立体显微镜记录跳动的心脏和流动的血液的延时电影。
本文展示了如何设计、制备针对目标基因的翻译阻断吗啉糖并将其显微注射到新鲜受精的斑马鱼胚胎的卵黄中,以敲低基因功能。它还将显示通过共注射编码该基因的 mRNA 来拯救这些 “morphants”。然后,我们将通过表型特征以及心脏结构和功能分析来分析吗啉代显微注射的疗效。这种方法将在广泛研究的心脏基因 hand2 上进行演示。
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所有实验均按照 QU 的 IACUC 监管下公认的人道动物护理标准进行;动物被关押在卡塔尔大学生物医学研究中心 (QU-BRC) 下的斑马鱼设施中。这些实验研究中使用的所有动物都在受精后 3 天 (dpf) 内。
注意:对于每个实验组,为了统计的严谨性,建议至少使用 30 个胚胎。实验组如下:
控制组: 该组包括在鸡蛋水中培养且未进行任何注射的胚胎。此处的结果将构成控制基线。
阴性对照组: 该组包括在注射加扰 MO 的鸡蛋水中培养的胚胎。
注射组: 该组包括单独注射 hand2 MO 的胚胎和注射 hand2 mRNA 的 hand2 MO 以挽救表型。此处的结果将证实观察到的表型是由于注射 MO 而出现的。实验组的比较将有助于精确评估 hand2 的抑制和挽救对心脏功能的影响。
1. 手的 Morpholino 设计 2.
注意:MO 序列可以改编自文献 9,10,11。或者,这些寡核苷酸可以通过 Gene-tools 在线设计。Gene-tools 提供免费且快速的在线设计服务,可以通过他们的网站12 访问。通过提供有关目标基因的信息(例如序列信息或登录号),可以很容易地设计自定义 MO。以下具体步骤总结了如何在 zebrafish 中针对 hand2 设计 MO:
2.吗啉代注射液的制备
3. 将 MO 和 mRNA 溶液注射到蛋黄中
4. Western blot 验证吗啉代敲低成功
5. 心脏结构和功能评估:
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图 6 中的图表说明了 HAND2 特异性 MO 和对照加扰 MO 注射胚胎在 24、48 和 72 hpf 下存活的胚胎的平均百分比。与对照加扰 MO 注射胚胎相比,1 mM (8 ng/μL) 和 0.8 mM (6.4 ng/μL) MO 注射的胚胎的存活率显著降低。在观察到致死性或畸形的每个测量时间点中都观察到了这一点。结果表明,由于 MO 的脱靶效应和毒性,高浓度 HAND2MO 的存活率显着降低。而 0.4 ...
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吗啉代 (MO) 技术已广泛用于斑马鱼、非洲爪蟾、海胆,最近还用于细胞培养模型系统。对于大多数方法,除了好处外,实验者也应该注意一些陷阱。MO 技术的主要缺陷之一包括担心 MO 介导的基因敲低方法观察到的表型效应不是由于与原代基因产物相关的功能丧失,而是由于一些其他基因与原代基因一起或独立于已靶向的原代基因,因此这种所谓的“脱靶”效应是“观?...
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作者声明经济利益或其他利益冲突。
本文的发布得到了 BARZAN HOLDINGS 的慷慨支持。RR 部分由儿科和儿童医院的 R61HL154254 和资金支持。
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
Acrylamide 40% | Sigma | Sigma, cat. no. C977M88 | |
Agarose | Sigma-Aldrich | Sigma-Aldrich cat. no A9539-250G | |
All Prep DNA/RNA Mini Kit | Qiagen | Qiagen cat. no. 80204. | |
alpha Tubulin | Abcam | Abcam- ab4074 | Rabbit polyclonal to alpha Tubulin lot GR3 180877-1 (50 kDa) |
Ammonium persulfate molecular grade | Sigma | Sigma, cat. no C991U65 | |
BV10 capillary beveller | Sutter Instruments Product | Sutter Instruments Product Catalog # BV10 | |
Chemiluminescence Imaging Gene Gnome | SYNGENE | SYNGENE | |
Cleaver Scientific Blotting | CVS10D_OmniPAGEMini | CVS10D_OmniPAGEMini | |
Coomassie | Thermo Fisher | Thermo Fisher cat. no C861C44 | |
Electrochemiluminescence (ECL) kit | Abcam Biochemicals | Abcam Biochemicals cat. no ab65623 | |
Glycine | Sigma | Sigma, cat. no C988U91 | |
Goat anti Rabbit | Abcam | Abcam- ab6721 | Goat Anti-Rabbit IgG H&L (HRP) 2nd antibodies lot GR3179871-1 |
HAND2 | Gene tools | Custom made for HAND2 (NM_021973) | 5'-CCTCCAACTAAACTCATGGCGAC AG-3' |
Hand2 | Abcam | Abcam- ab10131 | Rabbit polyclonal Anti-HAND2 antibody lot GR143200-9 (24- 26 kDa) |
HAND2 (NM_021973) Human Tagged ORF Clone | OriGene Technologies, Inc | RC224436L3 | Vector: pLenti-C-Myc-DDK-P2A-Puro (PS100092) |
IBI DNA/RNA/Protein Extraction Kit | IBI Scientific | IBI Scientific cat. no -r IB47702 | |
Imaging System | iBright | iBright CL1000 Imaging System | |
Isopropanol | Sigma-Aldrich | Sigma-Aldrich cat. no 278475-2L | |
Laemmli sample loading buffer (4x) | Sigma-Aldrich | Sigma-Aldrich cat. no 70607 | |
Mercaptoethanol | Sigma | Sigma, cat. no M6250-1L | |
Microplate Spectrophotometer with the Gen5 Data Analysis software interface | Epoch | Epoch | |
Microscope | Ziess SteREO Lumar V12 Flourescence Microscope | Ziess SteREO Lumar V12 Flourescence Microscope | |
Mineral oil | Fisher Scientific | Fisher Scientific cat. no 0121-1 | |
mMESSAGE mMACHINE T7/T3/SP6 Transcription Kit | Thermo Fisher | Thermo Fisher cat. no.AM1340 | for mRNA generation |
Nuclease-free water | New England Biolabs | New England Biolabs cat. no B1500L | |
PC-100 Micropipette Puller | NARISHIGE GROUP Product | NARISHIGE GROUP Product Catalog # PC-100 | |
Phenol red | Sigma | Sigma, cat. no. P-0290 | |
Picolitre Injector | Harvard Apparatus | Harvard Apparatus cataloge # PLI-90A | |
Pierce Bicinchoninic acid assay (BCA) Protein Assay kit | Thermo Fisher | Thermo Fisher cat. no 23227 | |
PMSF, Protease inhibitor as protease inhibitors | Thermo Fisher | Thermo Fisher cat. no 36978 | |
Ponceau S | Sigma-Aldrich | Sigma-Aldrich cat. no 10165921001 | |
Protease Inhibitor Cocktail | Thermo Fisher | Thermo Fisher cat. no 88668 | |
Protein ladder | SMOBiO | SMOBiO cat. no PM2500 | |
Radioimmunoprecipitation Assay (RIPA) | Thermo Fisher | Thermo Fisher cat. no 89900 | |
Ringer’s solution | Thermofisher | Catalog No.S25513 | |
SDS | Sigma | Sigma, cat. no 436143 | |
Standard Control | Gene tools | SKU: PCO-StandardControl-100 | 5'-CCTCTTACCTCAGTTACAATTTAT A-3'- that targets a human beta-globin intron mutation |
Stripping buffer | Sigma-Aldrich | Sigma-Aldrich cat. 21059 | |
Temed | IBI scientific | IBI scientific cat. no C000A52 | |
Tris Base | Thermo Fisher | Thermo Fisher cat. no BP-152-500 | |
Tween | sigma life science | sigma life science cat. no P2287 | |
Zebra Box Revolution-Danio Track system chamber with the EthoVision XT 11.5 software | Noldus Information Technology, NL | Noldus Information Technology, NL | |
Zeiss Axiocam ERc 5s | Zeiss | Stemi 508 Zeiss | |
Zeiss Stemi 2000-C | Zeiss | Stemi 2000-C |
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