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Method Article
THP-1 细胞系被广泛用作研究人类单核细胞/巨噬细胞在各种生物学相关研究领域功能的模型。本文介绍了一种基于 CRISPR-Cas9 的高效工程和单细胞克隆分离方案,能够产生可靠且可重复的表型数据。
人急性单核细胞白血病 (AML) THP-1 细胞系被广泛用作研究人单核细胞衍生巨噬细胞功能的模型,包括它们与人类免疫缺陷病毒 (HIV) 等重要人类病原体的相互作用。与其他来源于骨髓的永生化细胞系相比,THP-1 细胞保留了许多完整的炎症信号通路,并显示出更接近原代单核细胞的表型特征,包括在用佛波醇-12-肉豆蔻酸酯 13-乙酸酯 (PMA) 处理时分化为巨噬细胞的能力。使用 CRISPR-Cas9 技术通过靶向基因敲除 (KO) 来改造 THP-1 细胞,为更好地表征免疫相关机制(包括病毒与宿主相互作用)提供了一种强大的方法。本文介绍了一种基于高效 CRISPR-Cas9 的工程方案,使用电穿孔将预组装的 Cas9:sgRNA 核糖核蛋白递送到细胞核中。如T7核酸内切酶I测定所评估的那样,使用多个sgRNA靶向略有不同位置的同一位点会导致大DNA片段的缺失,从而提高编辑效率。通过 Sanger 测序验证了 CRISPR-Cas9 介导的基因水平编辑,然后进行了 CRISPR 编辑推断 (ICE) 分析。通过免疫印迹结合功能测定来确认蛋白质耗竭。使用该方案,在目标基因座中实现了高达 100% 的插入缺失和超过 95% 的蛋白质表达降低。高编辑效率使得通过限制稀释来方便地分离单细胞克隆。
THP-1 是从急性白血病 (AML) 患者中分离的人单核细胞衍生细胞系,其表型特征与原代单核细胞非常相似1。与原代单核细胞衍生的巨噬细胞相比,原代单核细胞衍生的巨噬细胞不会分裂,并且表现出有限的寿命和供体间/供体内表型的变异性,THP-1 细胞几乎可以永久培养,并且具有更均匀的行为,有利于结果的可重复性 2,3,4,5,6.值得注意的是,THP-1 细胞可以通过佛波醇-12-肉豆蔻酸酯 13-乙酸酯 (PMA) 分化为巨噬细胞样表型,使其成为一种广泛使用的体外模型,用于研究单核细胞/巨噬细胞对炎症信号的反应 7,8,9,10,11,12,13 或临床相关人类病原体(包括 HIV14)感染 14,15,16。对 THP-1 细胞进行基因工程改造的可能性在许多生物学相关研究领域都引起了人们的兴趣。
成簇的规则间隔短回文重复序列-CRISPR 相关蛋白 9 (CRISPR-Cas9) 是一种原核适应性免疫系统,在 RNA 引导的核酸酶上传递以降解入侵的病毒基因组,该基因组已被重新编程为基因工程工具17。基因组编辑的过程分三个步骤进行:识别、切割和修复。单向导 RNA (sgRNA) 通过与 20 bp 向导序列的碱基配对,将 Cas9 核酸酶募集到特定的基因组位点。20 bp 基因组靶序列的 3' 直接存在原始间隔区相邻基序 (PAM) 序列会触发 Cas9 介导的 17 和 18 位之间两条 DNA 链(PAM 的 3 bp 5')的解旋和切割。由此产生的双链断裂 (DSB) 由两条主要修复途径处理。在没有与受损基因座具有同源性的修复模板的情况下,易出错的非同源末端连接 (NHEJ) 通路将引入随机核苷酸插入和/或缺失 (插入缺失),可能导致移码突变和/或引入过早终止密码子 (PTC)。反过来,含 PTC 的 mRNA 通过无义介导的 mRNA 衰变 (NMD) 途径降解成为靶标,最终破坏蛋白质表达/功能 18,19,20。或者,模板依赖性同源定向修复 (HDR) 通路可以作并忠实修复 DSB。这种机制已被用于实现精确的基因编辑,包括敲入和碱基替换。值得注意的是,细胞周期状态是影响 DSB 修复途径选择的重要因素。事实上,NHEJ 在细胞周期的所有阶段都具有活性,而 HDR 主要局限于 S/G2 期21。
THP-1 细胞在悬浮液中生长,众所周知,很难用质粒 DNA 转染,这一过程也可能改变其活力和/或分化能力22,23。使用编码 Cas9 和 sgRNA 的基于 HIV-1 的慢病毒载体进行转导通常用于敲除 (KO) 目标基因24。将 Cas9/sgRNA 盒整合到细胞基因组中可确保延长表达和高效 KO,但也是脱靶效应的持续来源25。或者,预组装的 Cas9:sgRNA 核糖核蛋白 (RNP) 通过电穿孔递送,该方法涉及在施加电脉冲时在质膜和核膜中临时形成孔。在采用这种方法时,保持细胞活力是一个重要的挑战。
在这里,生产了稳定表达 GFP (THP-1_GFP) 的 THP-1 细胞系,作为建立实现基于 CRISPR-Cas9 的高效编辑方案的工具。在设计了同时使用三个 sgRNA 灭活 EGFP 基因的策略(多向导方法)后,使用 GFP 表达作为读数确定了几种电穿孔条件下的 KO 效率。同时监测细胞增殖。通过 T7 核酸内切酶 I (T7EI) 测定和 Sanger 测序确认基因编辑,然后使用 CRISPR 编辑推断 (ICE) 算法进行分析26。随着 THP-1 细胞在电穿孔后恢复正常生长速率,导致高达 95% GFP 表达降低的参数被成功用于灭活内源基因 (SAMHD1) 并产生单细胞 THP-1 克隆。
本研究中使用的试剂和设备的详细信息列在 材料表中。
1. 使用 CRISPOR 进行指导设计(图 1.1)
注:SnapGene Viewer 软件可用于步骤 4、7 和 10 中,以注释编辑靶位点和目标基因内 PCR 引物杂交的位置。
2. 用于电穿孔的试剂和细胞制备(图 1.2)
3. 电穿孔系统设置和成核转染(图 1.3)
4. THP-1 回收率电穿孔后 72 小时(图 1.4)
5. 通过 T7EI 错配测定进行基因编辑验证(图 1.5)
注意:鉴于 T7EI 识别大于 1 bp 的错配,该测定可能低估了编辑效率。因此,除非经过适当修饰,否则 T7EI 测定对于筛选纯合细胞群(即单细胞克隆)没有用(步骤 5.7)。
6. 通过 Sanger 测序分析进行基因编辑验证(图 1.6)
7. 通过有限稀释分离单细胞克隆(图 1.7)
注:单细胞克隆的分离不是强制性的。然而,如果选择这样做,则重要的是表征多个克隆并将其表型与原始多克隆群体进行比较。
8. 通过 HIV-1 限制性试验对 THP-1 KO SAMHD1 细胞进行功能表征
稳定产生表达 GFP 报告蛋白 (THP-1_GFP) 的 THP-1 细胞系 (图 2A),并用作建立高效 CRISPR-Cas9 介导基因编辑方案的工具。为此,使用 CRISPOR 网络工具29 设计了靶向 EGFP 基因的 3 个 sgRNA(图 2B),它们以 9:1 的摩尔比同时与 Cas9 复合形成 RNP,然后使用不同的设置通过电穿孔递送到细胞中。接下来,细胞在...
这里描述了一种方案,以获得成功的 THP-1 细胞系的 CRISPR 介导的编辑。该方法依赖于通过电穿孔/成核转染转移预组装的 sgRNA/Cas9 RNP。选择该策略是为了限制慢病毒介导的 sgRNA/Cas9 盒整合时可能出现的脱靶效应,从而产生核酸酶的持续表达。选择靶向目标基因的多个 sgRNA 以实现可靠和高效的编辑,这增加了产生基因组插入缺失的可能性,从而导致蛋白质表达和功能 KO
所有作者都没有利益冲突。
我们感谢 JP Concordet(MNHN,U1154/UMR7196,巴黎)、G. Bossis(IGMM,蒙彼利埃)和 D. Schlüter(德国汉诺威医学院)分享方案和讨论。该项目已获得欧盟 Horizon 2020 研究和创新计划(AZ 的赠款协议第 101017572 号)和 ANRS(AZ 的赠款ECTZ162721)的资助。传染病模型和创新疗法 (IDMIT) 研究基础设施由参考 ANR_11_INSB_0008下的“未来计划投资 (PIA)”提供支持。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.2 µm syringe filter | ClearLine | 146560 | _ |
0.4 % trypan blue | Beckman Coulter | 383200 | _ |
1.5 mL tube | Eppendorf | 3810X | _ |
24-well plate | Corning | 353047 | _ |
6x TriTrack DNA Loading Dye | Thermo scientific | R1161 | _ |
75 cm² Culture Flask Vented Cap | Corning | 353136 | _ |
8-Strip PCR Tubes with Caps | Life technologies | AM12230 | _ |
96-well plates Flat bottom | Corning | 353072 | _ |
96-well plates Round bottom | Corning | 353077 | _ |
Agarose | Euromedex | D5 | _ |
ATGpr | _ | _ | https://atgpr.dbcls.jp/ |
ChemiDoc Imaging System | BIO-RAD | 12003153 | _ |
Counting slide | NanoEntek | DHC-N04 | _ |
CRISPOR | _ | _ | http://crispor.gi.ucsc.edu/ |
DPBS | Gibco | 14190094 | _ |
Ensembl | EMBL-EBI | _ | https://www.ensembl.org/index.html |
Fetal Bovine Serum | Sigma-Aldrich | F7524 | _ |
FlowJo | BD Life Sciences | v10.10 | _ |
GeneRuler 100 bp Plus DNA Ladder | Thermo scientific | SM0323 | _ |
Genome Data Viewer | NCBI | _ | https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gdv/ |
GraphPad Prism | Dotmatics | _ | Version 9.3.1 |
Herculase II Fusion DNA Polymerases | Agilent | 600679 | _ |
ICE CRISPR Analysis Tool | Synthego | _ | https://www.synthego.com/products/bioinformatics/crispr-analysis |
Image Lab Touch | BIO-RAD | _ | Version 2.4.0.03 |
NEBuffer 2 | New England Biolabs | B7002S | Included with T7EI M0302S |
Neon Kit, 10 µL | Invitrogen | MPK1025K | Electroporation kit containing tips, tubes, buffer R and E |
Neon Transfection System | Invitrogen | MPK5000 | _ |
NetStart 1.0 | _ | _ | https://services.healthtech.dtu.dk/services/NetStart-1.0/ |
Nuclease-free Water | Synthego | _ | _ |
PCR primer (EGFP) | Eurofins | _ | Fw : GGAATGCAAGGTCTGTTGAATG ; Rev : CACCTTGATGCCGTTCTTCT |
PCR primer (SAMHD1) | Eurofins | _ | Fw : CGGGATTGATTTGAGGACGA ; Rev : GGGTGGCAAGTTAGTGAAGA |
Penicillin-streptomycin (10,000 U/mL) | Gibco | 15140122 | _ |
PFA | Electron Microscopy Sciences | 15714 | _ |
PMA | Sigma-Aldrich | P8139 | _ |
PrimerQuest | IDT | _ | https://eu.idtdna.com/pages/tools/primerquest |
QIAquick PCR Purification Kit | Qiagen | 28104 | _ |
QuickExtract DNA Extraction Solution | Biosearch Technologies | QE09050 | _ |
RPMI 1640, GlutaMAX | Gibco | 61870010 | _ |
SnapGene Viewer | Dotmatics | _ | Version 7 |
SpCas9 2NLS Nuclease | Synthego | _ | _ |
SYBR Safe DNA Gel Stain | Invitrogen | S33102 | _ |
Synthetic sgRNA (EGFP) | Synthego | _ | #1 : CGCGCCGAGGUGAAGUUCGA ; #2 : UUCAAGUCCGCCAUGCCCGA ; #3 : CAACUACAAGACCCGCGCCG |
Synthetic sgRNA (SAMHD1) | Synthego | _ | #1 : AUCGCAACGGGGACGCUUGG ; #2 : GCAGUCAAGAACCUCGGCGC ; #3 : CCAUCCCGACUACAAGACAU |
Syringe Plastipak Luer Lock | BD | 301229 | _ |
T100 Thermal Cycler | BIO-RAD | 1861096 | _ |
T7 endonuclease I | New England Biolabs | M0302S | _ |
TAE buffer UltraPure, 10x | Invitrogen | 15558026 | 400 mM Tris-Acetate, 10 mM EDTA |
THP-1 cells | ATCC | TIB-202 | _ |
Trypsin-EDTA (0,05 %) | Gibco | 25300054 | _ |
ZE5 Cell Analyzer | BIO-RAD | 12014135 | _ |
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