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Method Article
Este protocolo describe un flujo de trabajo de edición de genes de repeticiones palindrómicas cortas (CRISPR) agrupadas regularmente interespaciadas de alto rendimiento para el análisis de redes de clústeres de microARN que permite la generación rápida de un panel de líneas celulares modificadas genéticamente que llevan combinaciones únicas de eliminación de miembros de grupos de miRNA de hasta 35 kb dentro de un solo experimento.
Los microARN (miARN) han surgido como importantes reguladores celulares (supresores de tumores, factores pro-oncogénicos) del cáncer y la metástasis. La mayoría de los estudios publicados se centran en un solo miRNA al caracterizar el papel de los ARN pequeños en el cáncer. Sin embargo, ~ 30% de los genes de miARN humanos están organizados en unidades agrupadas que a menudo se coexpresan, lo que indica un sistema complejo y coordinado de regulación de ARN no codificante. Se requiere una subestimación más clara de cómo las redes agrupadas de miRNA funcionan cooperativamente para regular el crecimiento tumoral, la agresividad al cáncer y la resistencia a los medicamentos antes de traducir los ARN pequeños no codificantes a la clínica.
El uso de un procedimiento de edición de genes mediado por repeticiones palindrómicas cortas (CRISPR) agrupadas de alto rendimiento y regularmente interespaciadas se ha empleado para estudiar el papel oncogénico de un grupo genómico de siete genes miRNA ubicados dentro de un locus que abarca ~ 35,000 pb de longitud en el contexto del cáncer de próstata. Para este enfoque, las líneas celulares de cáncer humano se infectaron con un vector de lentivirus para la nucleasa Cas9 inducible por doxiciclina (DOX) cultivada en un medio que contiene DOX durante 48 h. Posteriormente, las células fueron co-transfectadas con ARN CRISPR (tracrRNA) transactivante sintético complejado con oligonucleótidos genómicos de ARN CRISPR específicos del sitio (crRNA) para permitir la rápida generación de líneas celulares de cáncer que transportan toda la deleción del grupo de miRNA y deleciones de grupos de genes miRNA individuales o combinadas dentro de un solo experimento.
Las ventajas de este sistema de edición de genes de alto rendimiento son la capacidad de evitar la subclonación de vectores de ADN que consume mucho tiempo, la flexibilidad en la transfección de células con combinaciones únicas de ARN guía en un formato de 24 pocillos y el genotipado de PCR de menor costo utilizando lisados celulares crudos. Los estudios que utilizan este enfoque simplificado prometen descubrir redundancias funcionales e interacciones sinérgicas / antagónicas entre los miembros del grupo de miRNA, lo que ayudará a caracterizar las pequeñas redes complejas de ARN no codificante involucradas en la enfermedad humana e informará mejor el diseño terapéutico futuro.
Se necesitan mejores herramientas de investigación para investigar la contribución de los ARN no codificantes en las enfermedades humanas. La desregulación del MiRNA se observa a menudo en trastornos humanos como el cáncer cuando se comparan los perfiles de expresión de estos pequeños ARN no codificantes en los tejidos y fluidos corporales (por ejemplo, sangre, orina) de pacientes con cáncer versus no cáncer, individuos sanos, empleando microarrays, PCR cuantitativa en tiempo real (qRT-PCR) y tecnologías de secuenciación profunda de próxima generación 1,2 . Trabajos recientes han caracterizado un gran subconjunto de estos miRNAs como factores supresores de tumores, oncogénicos y de metástasis que controlan la formación de tumores, la progresión de la enfermedad y la resistencia a los medicamentos. La sobreexpresión experimental y/o la regulación/pérdida a la baja de los miRNAs dan lugar a consecuencias funcionales y pleiotrópicas en la célula, lo que refleja la amplia gama de actividades asociadas al cáncer que estos ARN no codificantes coordinan: crecimiento, apoptosis, diferenciación, remodelación de la cromatina, angiogénesis, transiciones epitelial a mesenquimal (EMT) y MET, metabolismo y respuesta inmune3.
Los MiRNAs se codifican como genes individuales o residen en grupos genómicos, que se transcriben en el núcleo y se procesan ampliamente antes de generar las especies de miRNA de ~22 nucleótidos (nt) de ~22 nucleótidos (nt) biológicamente maduras localizadas en el citoplasma4. Estos pequeños ARN ejercen sus efectos post-transcripcionalmente y actúan como reguladores genéticos negativos que se unen a los objetivos de ARN mensajero (ARNm) de una manera específica de la secuencia para llevar el complejo de silenciamiento catalítico inducido por ARN (RISC) al sitio de ARNm, lo que resulta en la degradación de ARNm y / o un bloqueo en la traducción de proteínas. Los MiRNAs son una clase extremadamente abundante de ARN no codificantes en sistemas animales, y existen 2.654 miRNAs maduros en el genoma humano (miRBase release 22.1)5. Los MiRNAs suelen asociarse con una complementariedad incompleta con sus dianas deARNm 4. Por lo tanto, un solo miRNA puede regular decenas a cientos de objetivos distintos de ARNm e impactar funcionalmente en una amplia gama de vías biológicas. Para aumentar la complejidad de los mecanismos basados en miRNA, un solo ARNm puede ser regulado por múltiples miRNAs distintos. Por lo tanto, es un desafío investigar cómo la desregulación de miRNA interrumpe el equilibrio homeostático del cuerpo y conduce a la malignidad humana.
La mayoría de los estudios publicados se han centrado en un solo miRNA al caracterizar su papel en los eventos de la enfermedad. Sin embargo, ~ 30% de los genes de miARN humanos están organizados en unidades agrupadas (típicamente ~ 10 kilobases [kb]) que a menudo se transcriben en la misma orientación y se coexpresan, lo que indica un sistema coordinado y complejo de regulación de ARN no codificante6. El grupo de miARN humano policistrónico más grande es el grupo 14q32 que comprende 54 precursores de miARN. Una de las unidades de miARN agrupadas más estudiadas asociadas con los cánceres humanos es el grupo policistrónico miR-17-92 compuesto por miR-17, miR-18a, miR-19a, miR-20a, miR-19b-1 y miR-92-1 que residen dentro del intrón 3 del ARN no codificante, c13orf25. El grupo miR-17-92 se amplifica con frecuencia en neoplasias malignas hematopoyéticas y se sobreexpresa en tumores sólidos y ha establecido funciones oncogénicas en la promoción de la progresión del ciclo celular, la apoptosis y la angiogénesis7. Además, el grupo supresor de tumores miR-15a y miR-16-1 ubicado dentro del intrón del gen no codificante Leu2 a menudo se elimina en leucemias y se regula a la baja en una amplia gama de cánceres, funcionando para bloquear el crecimiento tumoral dirigiéndose al gen antiapoptótico BCL2 y genes adicionales de progresión del ciclo celular8. El grupo miR-888 está elevado en pacientes con cáncer de próstata de alto grado y consta de siete genes miRNA (miR-892c, -890, -888, -892a, -892b, -891b y -891a) localizados en el cromosoma humano Xq27.3 9,10.
El grupo miR-888 se mapea dentro del locus HPCX1 (Hereditary Prostate Cancer, X-linked 1) que abarca Xq27-2, que se identificó mediante el análisis de vinculación de pedigríes familiares de cáncer de próstata hereditario 11,12,13,14,15,29. La caracterización funcional de los miembros agrupados individuales de miR-888 utilizando herramientas convencionales de expresión errónea de miRNA (imitadores de miRNA e inhibidores antisentido) indicó que estos miRNAs desempeñan funciones superpuestas en la regulación del crecimiento y la invasión del tumor de próstata 9,10. Sin embargo, estos métodos experimentales no se prestan fácilmente para estudiar cómo múltiples miembros agrupados de miR-888 actúan sinérgica o antagónicamente en una red de ARN no codificante para controlar la homeostasis tisular y la progresión del cáncer. Este protocolo simplificado descrito utilizando la tecnología de edición de genes CRISPR de alto rendimiento se modifica para diseccionar molecularmente los grupos de miRNA asociados con cánceres humanos (por ejemplo, el grupo miR-888) para cerrar esta brecha de conocimiento.
Los genes crispr bacteriano y crispr asociado (cas) median la inmunidad adaptativa contra bacteriófagos16. El descubrimiento de este antiguo sistema de vigilancia procariota se adaptó rápidamente como una herramienta científica eficiente para atacar fácilmente cualquier locus genómico deseado y realizar alteraciones en la secuencia de ADN dentro de una amplia gama de sistemas animales y tipos de células, tanto in vitro como in vivo16,17. Esta técnica es muy prometedora como un método eficaz para interrogar las redes de miRNA en el contexto de la enfermedad humana. Con este fin, este protocolo de edición de genes CRISPR de alto rendimiento para estudiar el grupo miR-888 que abarca ~ 35 kb en el cromosoma X humano en líneas celulares de cáncer de próstata humano inmortalizadas (LNCaP, PC3-ML) se construye para interrogar cómo los miembros del grupo coordinan las vías de progresión del cáncer. Este enfoque se puede aplicar a la caracterización de cualquier grupo de miRNA y permite a los investigadores generar rápidamente líneas celulares humanas que transportan toda la deleción del grupo de miRNA y las deleciones de grupos de genes de miRNA individuales y combinadas dentro de un solo experimento.
En este procedimiento, se establecen líneas celulares estables que llevan un sistema de expresión lentiviral inducible por doxiciclina (DOX) que permite al investigador controlar la expresión del gen endonucleasa Asociada a Streptococcus pyogenes CRISPR Cas9 (csn1) a través del promotor constitutivo INDUCIBLE POR DOX TRE3G. El sistema bipartito Tet-On 3G implica un promotor constitutivo del factor de elongación humana 1 alfa (hEF1alpha) para impulsar la transcripción tanto del gen Tet-On 3G como del gen de resistencia a la blasticidina (BlastR) como una transcripción bicistrónica. La proteína transactivadora Tet-On 3G solo se une al promotor TRE3G en presencia de DOX, lo que resulta en una transcripción Robusta de Cas9. En ausencia de DOX, no hay o hay una expresión basal de Cas9 muy mínima. Por lo tanto, el investigador puede inducir una alta producción de proteína Cas9 en células cultivadas en medios suplementados con DOX durante los pasos de edición del gen CRISPR y controlar el aclaramiento rápido de la proteína CAS9 tras la retirada de DOX.
Este protocolo también describe el diseño de oligonucleótidos sintéticos de ARN CRISPR (arncr) dirigidos a regiones que flanquean todo el grupo de miARN, regiones individuales de horquilla de miARN (premiRNA) y / o subconjuntos de genes de miARN dentro del grupo. Cada CRRNA diseñado contiene una secuencia guía única de 5'-terminal de 20 nt (complementaria a la secuencia genómica de interés a dirigir), seguida de una secuencia de repetición invariante de 22 nt S. pyogenes (5'-XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX-GUUUUAGAGCUAUGCUGUUUUG-3') que permite el emparejamiento de bases con los oligonucleótidos universales de ARN CRISPR (tracrRNA)18. Juntos, el crRNA recocido y el tracrRNA (relación mixta 1:1) funcionan como el ARN guía para este protocolo (Figura 1A). En cada experimento, dos ARN guía sintéticos se transfectan en células inducidas por DOX para asociar y escoltar la proteína Cas9 bacteriana a los sitios de ADN genómico (5' y 3') que flanquean la región del grupo de miRNA objetivo de eliminación (Figura 1B).
Una secuencia de motivos adyacentes protoespaciadores (PAM) (5'-NGG-3' para el tipo salvaje S. pyogenes Cas9) debe estar presente en el genoma celular y ubicarse inmediatamente adyacente a la secuencia de ADN de 20 nt a la que se dirige el ARN guía17. La secuencia PAM sirve como una señal de unión y posiciona la región catalítica de la enzima endonucleasa Cas9 en el sitio de ADN genómico objetivo, lo que posteriormente conduce a una escisión de ADN dirigida de doble cadena (ds) ubicada ~ 3 nt aguas arriba de la PAM. La maquinaria de reparación del ADN de la célula repara los extremos del ADN escindido, lo que puede resultar en una ligadura perfecta, pero a menudo se produce una unión final no homóloga (NHEJ), causando pequeñas inserciones o deleciones (indels) en el sitio de reparación. Dado que los miRNAs son genes no codificantes que a menudo se encuentran dentro de regiones intergénicas e intrónicas, estos indels conllevan un bajo riesgo de crear mutaciones no deseadas sin sentido / sin sentido.
Al emplear oligonucleótidos de ARN sintéticos (ARNcr recocido y ARNtra, relación molar 1:1) que codifican para el complejo de ARN guía en estos experimentos, esta estrategia de eliminación de genes evita la subclonación de vectores de ADN que consume mucho tiempo y permite una gran flexibilidad para transfectar combinaciones únicas de ARN guía a las células en un formato de 24 pocillos. La preparación de lisados celulares crudos para la detección de genotipos de PCR también evita métodos de purificación de ADN costosos y lentos, al tiempo que permite la generación simplificada de líneas celulares de una sola colonia y el análisis fenotípico. De hecho, este protocolo de edición de genes CRISPR de alto rendimiento se ha utilizado con éxito para transfectar líneas celulares de cáncer de próstata cultivadas (LNCaP, PC3-ML) con 32 combinaciones únicas de ARN guía en un solo experimento y generar líneas eliminatorias que llevan deleciones para toda la región del grupo miR-888 de ~ 35 kb; combinaciones de deleción más pequeñas para los miembros del grupo miR-888 pertenecientes a las familias miR-743 y miR-891a; así como deleciones para miembros individuales de miRNA dentro del grupo miR-888. Estudios como estos proporcionarán una subestimación más clara de cómo los miRNAs agrupados funcionan cooperativamente para regular el crecimiento tumoral, la agresividad y la resistencia a los medicamentos antes de traducir los miRNAs a la clínica como herramientas terapéuticas y de diagnóstico.
1. Preparación para la edición de genes CRISPR y diseño de ARN guía para generar líneas celulares knockout de grupos de miRNA
2. Generación de líneas celulares lentivirales estables que llevan el casete de expresión Cas9 inducible por DOX
NOTA: Realice todo el trabajo de cultivo celular y virus en una campana de bioseguridad certificada utilizando procedimientos BSL2 y técnica aséptica.
3. Realización de reacciones CRISPR mediante inducción Cas9 y transfección de ARN guía sintética de células utilizando un formato de alto rendimiento
NOTA: En la figura 1 se muestra un diagrama de flujo de trabajo.
4. Genotipado por PCR de líneas celulares CRISPR utilizando lisados celulares crudos
Este protocolo de deleción CRISPR de alto rendimiento se empleó con éxito utilizando la transfección de líneas celulares de cáncer humano LNCaP e PC3-ML inducibles por Cas9 con ARN guía de oligonucleótidos sintéticos dirigidos al grupo miR-888, que se estudiaron en el contexto del cáncer de próstata. El grupo miR-888 se identificó inicialmente en una prueba de perfil de expresión como elevado en pacientes con cáncer de próstata con enfermedad de alto grado en comparación con pacientes de bajo grado y no
Este procedimiento de edición de genes CRISPR permite al investigador generar rápidamente un panel completo de líneas celulares que llevan combinaciones únicas de deleción de grupos de miRNA. La transfección de ARN guía sintéticos compuestos por ARNcr genómicos específicos del sitio 5' y 3' recocidos con arNN trazado sintético (relación molar 1:1) en este protocolo evita la subclonación vectorial de plásmidos que consume mucho tiempo y permite un diseño experimental más flexible y de alto rendimiento util...
Los autores no tienen conflictos de intereses que revelar.
Las líneas celulares PC3-ML fueron amablemente proporcionadas por Mark Stearn (Facultad de Medicina de la Universidad de Drexel). Justin Toxey ayudó en el genotipado de PCR. Este trabajo fue apoyado por una subvención de la Fundación Breedan Adams, un Fondo de Investigación Traslacional Ryan y una Subvención de la Junta de Investigación de Salud de la Commonwealth (CHRB-274-11-20) a AE-K.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.2 mL PCR tubes, flat cap | Fisher | 14-230-225 | Plasticware |
1.5 mL Microcentrifuge Tubes | Seal-Rite | 1615-5500 | Plasticware |
24-well tissue culture plate | Corning Costar | 09761146 | Plasticware |
5x Phusion HF Buffer | Thermo Scientific | F-518L | PCR reagent, genotyping |
6-well tissue culture plate | Fisher | FB012927 | Plasticware |
96-well tissue culture plate | Falcon | 08-772-2C | Plasticware |
Anti-CRISPR-Cas9 antibody [7A9-3A3], Mouse monoclonal | AbCam | ab191468 | Western blot reagent; 160 kDa; dilution 1:200 |
Antibiotic-Antimycotic (100x) | Gibco | 15240062 | Tisuue culture reagent |
BLAST nucleotide search engine | National Center for Biotechnology Information | NA | Freeware; website: blast.ncbi.nlm.nih.gov |
Blasticidin S, Hydrochloride, Streptomyces griseochromogenes | Calbiochem | CAS 589205 | CRISPR reagent; Chemical, Working stock = 1 mg/mL in water |
Countess 3 Automated Cell Counter | Invitrogen | A50298 | Equipment; Cell counter |
Cryogenic tubes | Thermo Scientific | 50001012 | Plasticware |
Dharmacon CRISPR Design Tool | Horizon Discovery Ltd. | NA | Freeware; website: horizondiscovery.com/en/ordering-and-calculation-tools/crispr-dna-region-designer |
DharmaFECT siRNA Transfection Reagent #2 | Dharmacon, Inc. | T-2002-02 | Transfection reagent; LNCaP and PC3-ML cell lines |
Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Fisher | BP231100 | Tisuue culture reagent |
DMEM Medium with L-Glutamine, 4.5g/L Glucose and Sodium Pyruvate | Corning | MT10013CV | Tisuue culture reagent; Media for PC3-ML cells |
Doxycycline Hydrochloride, Ready Made Solution | Sigma-Aldrich | D3072-1ML | CRISPR reagent; Chemical, Working stock = 1 mg/mL stock in water |
DPBS, no calcium, no magnesium | Gibco | 14190144 | Tisuue culture reagent |
Edit-R CRISPR-Cas9 Synthetic tracrRNA, 20 nmol, designed | Dharmacon, Inc. | U-002005-20 | CRISPR reagent; Universal tracrRNA oligonucleotides |
Edit-R Modified Synthetic crRNA, desalted/deprotected, 2 nmol | Dharmacon, Inc. | crRNA-460XXX | CRISPR reagent; Designed crRNA oligonucleotides |
EditR Inducible Lentiviral hEF1aBlastCas9 Nuclease Particles, 50 μL, 107 TU/mL | Dharmacon, Inc. | VCAS11227 | CRISPR reagent; Lenti-iCas9; Doxycycline-inducible lentiviral Streptococcus pyogenes Cas9 vector system |
Ensembl genomic viewer | Ensembl | NA | Freeware; website: [ensembl.org] Use: Genome browser to identify a nucleotide seuqnces containing the miRNA cluster and surrounding gene/regulatory sequences. |
GAPDH Antibody (FL-335), rabbit polyclonal | Santa Cruz Biotechnology | sc25778 | Western blot reagent; 37 kDa; dilution 1:500 |
Gel/PCR DNA Fragment Extraction Kit | IBI Scientific | IB47010 | Nucleic acid gel electrophoresis reagent |
Gibco Fetal Bovine Serum, certified | Gibco | 16000044 | Tisuue culture reagent |
Hexadimethrine bromide | MilliporeSigma | H9268 | CRISPR reagent; Chemical, Working stock = 0.8 mg/mL |
Immobilon-FL PVDF Membrane | MilliporeSigma | IPFL10100 | Western blot reagent; nitrocellulose |
Intercept (TBS) Blocking Buffer | LI-COR | 927-60001 | Western blot reagent |
IRDye 680RD Goat anti-Mouse IgG Secondary Antibody | LI-COR | 926-68070 | Western blot reagent |
IRDye 800CW Goat anti-Rabbit IgG Secondary Antibody | LI-COR | 926-32211 | Western blot reagent |
Microcentrifuge | Eppendorf | 5425 R | Plasticware |
miRBase microRNA viewer | miRBase | NA | Freeware; website: [mirbase.org] Use: Borowser lists all annotated miRNA hairpins, mature miRNA sequences and associated clustered miRNAs mapping within 10 kb. |
NuPAGE 4 to 12%, Bis-Tris, 1.0 mm, Mini Protein Gel, 10-well | Invitrogen | NP0321BOX | Western blot reagent |
Odyssey CLx Imaging System | LI-COR | CLx | Equipment; Western blot imaging |
Opti-MEM Reduced Serum Medium | Gibco | 31985062 | Transfection reagent |
Owl D2 Wide-Gel Electrophoresis System | Owl | D2-BP | Equipment; Nucleic acid gel electrophoresis system |
PCR Primers, designed (single-stranded DNA oligonucleotides) | Integrated DNA Technology | NA | PCR reagent, genotyping |
Phusion High-Fidelity DNA Polymerase (2 U/µL) | Thermo Scientific | F530S | PCR reagent, genotyping |
RIPA Lysis Buffer 10x | MilliporeSigma | 20-188 | Western blot reagent |
Proteinase K Solution (20 mg/mL), RNA grade | Invitrogen | 25530049 | PCR reagent, genotyping |
RNase A, DNase and protease-free (10 mg/mL) | Thermo Scientific | EN0531 | PCR reagent, genotyping |
RPMI 1640 Medium | Gibco | MT10041CV | Tisuue culture reagent; Media for LNCaP cells |
SnapGene Viewer | Snap Gene | NA | Freeware; website: [snapgene.com] Use: DNA sequence annotation software program to create a DNA file for gRNA design and which highlights the miRNA cluster locus (intergenic, intronic), each individual miRNA hairpin sequence belonging to the miRNA cluster, and other nearby coding and non-coding genes and/or regulatory features |
TrypLE Select Enzyme (1x), no phenol red | Gibco | 12563029 | Tisuue culture reagent; Recombinant trypsin |
UltraPure Agarose | Invitrogen | 16500100 | Nucleic acid gel electrophoresis reagent |
Veriti 96-Well Fast Thermal Cycler | ThermoFisher Scientific | 4375305 | Equipment |
XCell SureLock Mini-Cell Electrophoresis System | Invitrogen | EI0001 | Equipment; Protein gel electrophoresis system |
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