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本协议描述了CRISPR-Cas9和供体DNA的受精卵显微注射,以有效地产生基因盒敲入和絮凝小鼠。
CRISPR-Cas技术使转基因小鼠的快速、毫不费力地产生成为可能。具体来说,小鼠和点突变小鼠很容易通过将CRISPR因子(和单链寡核苷酸DNA供体)电穿孔到受精卵中产生。相比之下,基因盒(>1kb)敲入和絮凝小鼠主要是通过将CRISPR因子和双链DNA供体显微注射到受精卵中产生的。基因组编辑技术也增加了转基因小鼠生产的灵活性。现在可以在许多有益的近交小鼠品系中在靶基因组区域中引入预期的突变。我们的团队应包括日本在内的多个国家的要求,通过受精卵显微注射CRISPR-Cas9生产了200多个基因盒敲入小鼠系,以及110多个絮凝小鼠系。其中一些基因组编辑使用BALB / c,C3H / HeJ和C57BL / 6N近交菌株,但大多数使用C57BL / 6J。与电穿孔方法不同,在各种近交系小鼠中通过受精卵显微注射进行基因组编辑并不容易。然而,单近交遗传背景上的基因盒敲入和絮凝小鼠与遗传人源化、荧光报告基因和条件基因敲除小鼠模型一样重要。因此,本文提出了在C57BL / 6J小鼠中受精卵显微注射CRISPR因子和双链DNA供体以产生基因盒敲入和絮状小鼠的方案。本文专门关注核注射而不是细胞质注射。除了受精卵显微注射外,我们还概述了生产过程和外围技术的时间表,例如诱导超排卵和胚胎移植。
敲入小鼠,其中预期的外源基因被引入靶位点,在许多体内研究中被广泛使用,如基因人源化小鼠,荧光报告小鼠和Cre驱动小鼠1,2。当小鼠受精卵中的基因组编辑诱导敲入突变时,单链DNA(单链寡核苷酸DNA供体,ssODN)或双链DNA(dsDNA)被用作供体DNA2,3。ssODN主要用于敲入小于200 bp4的相对较短的基因片段。使用长 ssODN (lsODN)5,6 敲入长度超过 1 kb DNA 的片段是可能的,但它们的制备非常耗时。当使用dsDNA供体时,无需费力的供体DNA制备即可生成基因盒(>1kb)敲入小鼠7。
使用ssODN的主要优点是电穿孔8可以产生敲入小鼠。然而,dsDNA供体必须通过受精卵显微注射直接引入细胞核。需要在两个位点同时敲入以产生絮状小鼠,其中每个loxP序列在靶基因的上游和下游被敲入。有两种方法可以通过小鼠受精卵中的基因组编辑来产生絮状小鼠 - 使用两个独立的ssODN,每个ssODN携带单个loxP位点,或使用具有絮状序列的单个dsDNA(或lsDNA);前者效率非常低9,10,11。如果环境有利于受精卵显微注射,则使用dsDNA供体进行基因组编辑是产生基因盒敲入和絮凝小鼠的最简单方法。
最初,Cas9 mRNA和sgRNA的混合物或编码sgRNA和Cas9的DNA载体用于小鼠受精卵12,13的基因组编辑。由于高质量和稳定的Cas9蛋白现在以低成本获得,因此将crRNA-tracrRNA-Cas9核糖核蛋白(RNP)引入小鼠受精卵14 变得流行。最近,通过在最有可能发生敲入的细胞周期阶段将crRNA-tracrRNA-Cas9 RNP和供体DNA引入小鼠受精卵的两个原核中,已经高效地产生了敲入小鼠15。因此,本协议描述了通过该方法生产各种类型的敲入小鼠的技术。
有许多有用的实验室小鼠近交品系16。近交背景中的遗传修饰可以忽略遗传背景对表型的影响。本文描述了一种在最常用的近交系小鼠C57BL / 6J17的受精卵中诱导基因盒敲入和絮状突变的方法。此外,还讨论了转基因小鼠的产生时间表和使用的外围技术,包括诱导超排卵和胚胎移植。
根据筑波大学动物实验条例和教育部管辖的学术研究机构正确进行动物实验和相关活动的基本准则,所有动物实验均经筑波大学机构动物实验委员会批准进行, 日本的文化、体育、科学和技术。使用10-25周龄的两性C57BL / 6J小鼠作为受精卵供体。ICR小鼠(超过10周)用作受体小鼠。小鼠是从商业来源获得的(见 材料表)。
1. 确认无细胞系统中crRNA切割活性
2.用于受精卵显微注射的crRNA、tracrRNA、Cas9蛋白和供体DNA混合物的制备
3.通过自然交配获得小鼠受精卵
4.显微注射针的制备
5.受精卵显微注射
6. 胚胎移植到输卵管中
7. 动物恢复
使用该协议的基因盒敲入和絮状小鼠的产生结果如表 1 和 表2所示。没有说明目标基因,因为每个基因组编辑的小鼠系目前正在一个独立的,未发表的项目中使用。相反,描述了目标染色体区域。
使用先前报道的方法18进行基因分型分析。在这种基因分型方法中,将供体DNA插入意外染色体位点的小鼠不被视为阳性个体,即使诱导了所需的基因组编辑。因此,显示了真正对实际目的有用的创始小鼠的生产效率,而不是基因组编辑本身的效率。
13只独立基因盒敲入小鼠的中位生产效率为20.8%,最高为39.5%,最低为7.9%(表1)。这种效率被认为足够实用。在基因盒敲入期间,任何致命的胚胎基因都没有被靶向。在这种非致命基因靶向条件下,中位出生率为34.0%(最高43.3%,最低15.9%)。由于这与没有遗传操作的胚胎移植的出生率相当,我们认为引入的基因组编辑元件的毒性和受精卵显微注射的物理损伤不太可能影响胚胎发育。
10只独立絮凝小鼠的中位生产效率为7.7%,最高为20.7%,最低为2.1%(表2)。虽然几个靶基因的功能尚不清楚,但中位出生率为30.2%,最高为43.8%,最低为17.3%。该速率与基因盒敲入小鼠相当,表明显微注射操作对絮凝小鼠的胚胎发育的影响可以忽略不计。
图1:受精卵显微注射的时间线。 白色和深色分别显示明暗循环。将小鼠维持在14小时光照/ 10小时黑暗循环下。PMSG:妊娠母马血清促性腺激素;hCG:人绒毛膜促性腺激素 请点击此处查看此图的大图。
图2:培养皿的制备 。 (A)注射前用于受精卵的培养皿。将两滴 M16 培养基(每滴 20-25 μL)放入 35 mm 塑料培养皿中。(B)注射后用于受精卵的培养皿。将 10 滴(每滴 10-20 μL)M16 放入 35 mm 塑料培养皿中。滴剂用矿物油(3毫升)覆盖。 请点击此处查看此图的大图。
靶向染色体区域 | 数量 | 敲入插入长度 (kb) | 同源臂长 (kb) | ||||||
胚胎 | 新生儿 | 检查(断奶) | 敲入式无 rTG | rTGc | |||||
注入 | 转移 | 5' 臂 | 3' 臂 | ||||||
2qE2 | 349 | 331 | 114 (34.4%)a | 114 | 9 (7.9%)b | 5 (4.4%)d | 1.0 | 1.0 | 1.0 |
2qE2 | 231 | 215 | 78 (36.3%)a | 74 | 15 (20.3%)b | 23 (31.1%)d | 2.2 | 1.0 | 1.1 |
5qG2 | 288 | 262 | 90 (34.4%)a | 81 | 19 (23.5%)b | 18 (22.2%)d | 1.6 | 2.0 | 2.0 |
6qB1 | 278 | 259 | 58 (22.4%)a | 46 | 11 (23.9%)b | 11 (23.9%)d | 4.2 | 1.2 | 1.0 |
6qE3 [ROSA26] | 295 | 277 | 97 (35.0%)a | 23 | 2 (8.7%)b | 4 (17.4%)d | 6.5 | 1.1 | 3.0 |
6qE3 [ROSA26] | 246 | 219 | 87 (39.7%)a | 83 | 22 (26.5%)b | 18 (21.7%)d | 5.8 | 1.1 | 3.0 |
7qF5 | 279 | 268 | 116 (43.3%)a | 114 | 45 (39.5%)b | 44 (38.6%)d | 1.4 | 3.1 | 1.0 |
11qB4 | 405 | 353 | 56 (15.9%)a | 47 | 8 (17.0%)b | 12 (25.5%)d | 1.7 | 1.0 | 0.8 |
11qD | 310 | 294 | 100 (34.4%)a | 98 | 15 (15.3%)b | 76 (77.6%)d | 1.0 | 1.8 | 2.4 |
12qE | 368 | 320 | 86 (26.9%)a | 84 | 12 (14.3%)b | 19 (22.6%)d | 3.4 | 1.1 | 1.3 |
12qF1 | 315 | 265 | 76 (28.7%)a | 72 | 17 (23.6%)b | 28 (38.9%)d | 1.0 | 1.1 | 1.1 |
14qE5 | 256 | 215 | 48 (22.3%)a | 48 | 11 (22.9%)b | 21 (43.8%)d | 3.1 | 1.0 | 0.9 |
14qE5 | 287 | 285 | 85 (29.8%)a | 72 | 15 (20.8%)b | 19 (26.4%)d | 2.6 | 1.0 | 0.9 |
表1:通过显微注射产生敲入小鼠。 该表显示了在没有供体DNA的(W / O)随机整合(rTG)的情况下携带预期敲入等位基因的小鼠的出生率和效率。在所有项目中都可以获得具有预期敲入等位基因的小鼠。a:新生儿数量/移植胚胎数量;b:携带敲入等位基因的小鼠数量/检查小鼠的数量;C:不确定是否存在预期的等位基因;d:携带rTG等位基因的小鼠数量/检查小鼠的数量;rTG:供体载体的随机积分。W/O:没有。
靶向染色体区域 | 数量 | 絮凝长度 (KB) | 同源臂长 (kb) | |||||
胚胎 | 新生儿 | 检查(断奶) | 絮凝 W/O rTG | |||||
注入 | 转移 | 5' 臂 | 3' 臂 | |||||
3qC | 325 | 313 | 93 (29.7%)a | 87 | 9 (10.3%)b | 1.3 | 1.2 | 1.1 |
4qB1 | 210 | 200 | 36 (18.0%)a | 29 | 6 (20.7%)b | 1.6 | 1.2 | 0.9 |
4qC4 | 272 | 256 | 112 (43.8%)a | 100 | 5 (5.0%)b | 2.4 | 1.0 | 1.4 |
5qF | 143 | 137 | 40 (29.2%)a | 40 | 6 (15.0%)b | 1.8 | 1.0 | 1.1 |
5qF | 255 | 227 | 80 (35.2%)a | 76 | 2 (2.6%)b | 1.3 | 1.1 | 0.9 |
9qE3.1 | 289 | 261 | 80 (30.7%)a | 77 | 9 (11.7%)b | 1.2 | 1.2 | 1.2 |
10qB3 | 284 | 269 | 88 (32.7%)a | 78 | 3 (3.8%)b | 1.3 | 1.1 | 0.9 |
10qC1 | 243 | 231 | 40 (17.3%)a | 38 | 4 (10.5%)b | 2.1 | 1.0 | 1.3 |
14qE5 | 390 | 372 | 139 (37.4%)a | 135 | 5 (3.7%)b | 1.1 | 0.8 | 0.9 |
17qA3.3 | 383 | 374 | 99 (26.5%)a | 95 | 2 (2.1%)b | 2.1 | 0.6 | 0.8 |
表2:通过微注射产生絮状小鼠。 该表显示了在没有供体DNA的(W / O)随机整合(rTG)的情况下携带预期絮状等位基因的小鼠的出生率和效率。在所有项目中都可以获得具有预期絮凝等位基因的小鼠。a:新生儿数量/移植胚胎数量;B:携带的Flox等位基因小鼠数量/检查小鼠数量。rTG:随机积分或供体载体;W/O:没有。
在本研究中,从自然交配中获得的新鲜(未冻融)C57BL / 6J小鼠受精卵用于基因组编辑小鼠生产。通过在最有可能发生敲入的细胞周期阶段将crRNA-tracrRNA-Cas9和供体DNA(RNPD)注射到这些受精卵的两个原核中,产生了具有高出生率和足够的基因组编辑效率的基因盒敲入和絮状小鼠。目前的研究加强了SPRINT-CRISPR方法15的可扩展性,即使在C57BL / 6J遗传背景中,它也确保了足够的敲入效率,并且可以应用于絮状小鼠的生产。
电穿孔是一种高度通用的产生基因组编辑小鼠的方法,因为实验装置成本低且易于学习该技术8。此外,i-GONAD方法19不需要受体小鼠,其中基因组编辑是用输卵管中存在的植入前胚胎完成的。与这些方法相比,本文介绍的方法在硬件和软件方面准备和维护实验环境时既昂贵又耗时。然而,一旦实验设施建立起来,就可以仅使用市售的CRISPR元件(crRNA,tracrRNA和Cas9蛋白)和简单的少量环状质粒载体作为供体DNA生产复杂的基因盒敲入和絮凝小鼠。这意味着可以生产许多复杂的基因组编辑小鼠系,而无需耗时(或相对昂贵)的lsODN5,6 或腺相关病毒载体20 来制备。
与最初的SPRINT-CRISPR方法15不同,使用新鲜(冷冻解冻)受精卵。当通过自然交配获得新鲜受精卵时,可以忽略体 外 受精或冻融过程中可能发生的技术错误。此外,按照目前的方法,胚胎操作过程可以在大约半天内完成(图1)。另一方面,本方法的一些局限性包括需要许多雄性小鼠,对受精时间的控制松散,以及完全预测显微注射受精卵数量的能力有限。与原始的SPRINT-CRISPR方法相比,该方法可能具有更高的出生率(表1)。尽管如此,由于实验导体、靶基因、遗传背景和胚胎确认时间的差异,不能得出本方法在出生率方面更好的结论。
如 表1所示,大多数基因盒敲入项目中的大量小鼠具有随机整合等位基因。必须消除随机整合,因为它可能导致内源性基因的意外破坏和转基因的异位表达。未来的挑战是找到实验条件,以减少随机积分事件的数量,同时保持足够的敲入效率。
几乎所有使用基因组编辑效应子进行导致DNA双链断裂的小鼠受精卵基因组编辑都可能在靶位点诱导意外突变9,21。这里不描述这些意外的靶向突变的结果,因为我们没有处于可以管理下一代小鼠以提供明确证据的情况。排除由意外靶向诱变引起的混淆的担忧的最佳方法是通过将创始人与野生型小鼠交配而不是杂交创始人来获得下一代小鼠。原则上,由这种杂交产生的N1小鼠在等位基因的一侧是野生型(WT),因此如果检测到预期的敲入(KI)等位基因,它们是WT / KI杂合子。因此,靶向诱变在实验室小鼠中并不是一个关键问题,实验室小鼠的生命周期相对较快,是一种多产的动物。然而,当这项技术应用于相对较大的哺乳动物时,将需要进一步的改进。
已经证实,该技术可以在C57BL/6J以外的近交系中生产基因盒敲入小鼠,但项目数量不足,数据变化很大。因此,本研究报告不包括这一信息。据信,有必要对这一主题进行进一步研究,以推进小鼠遗传学和疾病模型研究。
提交人宣布没有相互竞争的利益。
这项工作得到了文部科学省科学研究(B)(19H03142:至SM)、科学研究(A)(20H00444:至FS)、科学研究(A)(21H04838:至SM)和创新领域科学研究"先进动物模型支持平台"(16H06276:至ST)的支持。资助者在研究设计、数据收集和分析、发表决定或手稿准备方面没有任何作用。我们感谢Ryoichi Mori关于基因组编辑设计的有益讨论。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Atipamezole Hydrochloride | ZENOAQ | - | |
Autoclip Wound Clip | BD | 427631 | |
Autoclip Wound Clip Applier | BD | 427630 | |
Butorphanol | Meiji Seika Pharma | - | |
C57BL/6J mice | Jackson Laboratory Japan | - | older than 10 weeks old |
Calibrated Pipet, 100ul | Drummond Scientific Company | 2-000-100 | for collecting zygote and embryo transfer |
Cas9 | Thermo Fisher Scientific | A36499 | |
Cas9 Nuclease Reaction Buffer | NEB | B7203 | |
CellTram 4r oil | Eppendorf | 5196000030 | |
CRISPOR | http://crispor.tefor.net/ | web tool for genome editing experiments with the CRISPR-Cas9 system | |
crRNA | IDT | - | |
Gel/PCR Extraction Kit | FastGene | FG-91302 | |
hCG | ASKA Animal Health | - | |
Hyaluronidase | Merck Sigma-Aldrich | H3884 | |
ICR mice | Jackson Laboratory Japan | - | older than 10 weeks old, weight 28 G or more |
Inverted microscope | Leica | ||
KOnezumi | https://www.md.tsukuba.ac.jp/LabAnimalResCNT/KOanimals/konezumi.html | a web application for automating gene disruption strategies to generate knockout mice | |
M16 medium | Merck Sigma-Aldrich | M7292 | |
M2 medium | Merck Sigma-Aldrich | M7167 | |
Medetomidine | ZENOAQ | - | |
Micro shears | Natsume Seisakusho | MB-54-1 | |
Microforge | Narishige | MF-900 | for fire polishing of holding pipette and bending the microinjection needle |
Micromanipulator units | Narishige | ||
Micropipette puller | Sutter Instrument | P-1000 | programmable pipette puller |
Midazolam | Maruishi Pharmaceutical | - | |
MILLEX-GV 0.22 µm filter | Merck Millipore | SLGV033R | |
Mineral oil | Nacalai | 26114-75 | for zygote culture and injection chamber |
Petri dish (35mm, untreated) | Iwaki | 1000-035 | for zygote culture |
PIEZO micromanipulator | PRIME TECH | PMM-150 | |
Plasmid Mini Kit | FastGene | FG-90502 | mini prep spin column kit |
PMM Operation Liquid | PRIME TECH | KIT-A | operation liquid for microinjection |
PMSG | ASKA Animal Health | - | |
Polyvinylpyrrolidone | Merck Sigma-Aldrich | P5288 | |
RNase | QIAGEN | 19101 | |
RNase Free Water | IDT | - | tracrRNA Accessory Reagents |
Serrefine clamp | Natsume Seisakusho | C-18 | |
Sodium dodecyl sulfate | SIGMA | 151-21-3 | |
Suture needle with thread | Natsume Seisakusho | C11-60B2 | |
Thin wall borosilicate glass without filament | Sutter Instrument | B100-75-10 | for microinjection needle and holding pipette |
tracrRNA | IDT | - |
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