Method Article
שיטות ליצירת ספריות gRNA בקנה מידה גדול צריך להיות פשוט, יעיל וחסכוני. אנו מתארים פרוטוקול לייצור של ספריות gRNA מבוסס על עיכול אנזימטי של יעד ה-DNA. שיטה זו, CORALINA (ספריית gRNA מקיף הדור באמצעות פעילות נוקלאז מבוקר) מציג אלטרנטיבה סינתזה יקר oligonucleotide מותאם אישית.
הפופולריות של המערכת CRISPR/Cas9 הגנום והנדסה epigenome נובעת וסתגלתנות, הפשטות שלה. אפקטור (של נוקלאז Cas9 או חלבון פיוז'ן נוקלאז-מת dCas9) לאוכלוסייה אתר מסוים הגנום על ידי RNA מלאכותי קטן המכונה RNA מדריך, או gRNA. הטבע דו-צדדי של מערכת CRISPR מאפשרת להשתמש בו הקרנת גישות מאז פלסמיד ספריות קלטות ביטוי המכיל אלפי gRNAs בודדים יכול לשמש כדי לחקור אתרים שונים רבים בניסוי יחיד.
עד כה, רצפים gRNA להקמת ספריות נוצרו באופן כמעט בלעדי על ידי סינתזה oligonucleotide, אשר מגביל את המורכבות השגה של רצפי בספריה היא יחסית עלות עתירי. כאן, פרוטוקול מפורט עבור CORALINA (gRNA מקיף ספריית הדור באמצעות פעילות נוקלאז מבוקרת), פשוטה, שיטה חסכונית לדור של ספריות gRNA מורכב המבוסס על עיכול אנזימטי של קלט ה-DNA, המתוארים. מאז CORALINA ספריות יכול להיווצר מכל מקור ה-DNA, שפע של אפשרויות התאמה אישית קיים, מאפשר מגוון גדול של המסכים CRISPR מבוסס.
ההסתגלות של מערכת CRISPR/Cas9 חיידקי ככלי מיקוד מולקולרית גרם המהפכה האחרונה בביולוגיה מולקולרית. מעולם זה היה כל כך קל לתמרן כרומטין במיקומים מוגדרים גנומית. יישומים נפוצים של CRISPR כוללים גנים יישוב מוטציות1, הגנום הנדסה2, epigenome עריכה3, הפעלת גנים ברמת השעתוק ו ג'ין להשתיק4. יתרון מסוים אחד של המערכת CRISPR היא וביישומיה אינם מוגבלים לאתרי המועמד למד היטב, כפי gRNA ספריות מאפשרים פחות משוחד מסכי. אלה להקל על גילוי לוקוסים תפקודי הגנום ללא כל ידע ניסיוני מוקדמת. עם זאת, בניית ספריה gRNA מבוסס כיום בעיקר על סינתזה oligo-נוקלאוטיד, ישנן אפשרויות מוגבלות לרכוש ספריות gRNA שאינן של האדם או אזורים המוצא או היעד העכבר מחוץ לפתוח קריאה מסגרות. לפיכך, למרות CRISPR המסכים כבר הוכיחו חזק מאוד5,6,7,8, את מלוא הפוטנציאל שלהם לא טרם נוצלה.
כדי להתגבר על המגבלה של gRNA קלאסית דור שיטות שתי אסטרטגיות לאחרונה פותחו. שניהם מבוססים על עיכול אנזימטי מבוקרת של DNA היעד במקום להסתמך על סינתזה oligonucleotide מותאם אישית. בעוד CORALINA9 מעסיקה נוקלאז micrococcal, שיטת חלופי זמין רק כעת, אוכלי CRISPR10, עושה שימוש אנזימי הגבלה (HpaII, ScrFאני, Bfaאני, גברתאני). חשוב לציין, בשתי הטכניקות ניתן ליישם דנ קלט, אשר משמש כמקור של רצפים protospacer gRNA. בעוד השיטה אוכלי CRISPR מעסיקה אסטרטגיה כדי להקטין את מספר משובטים gRNAs אשר אתרי מיקוד, לא מלוות את פאם S.pyogenes הנדרשים (מניע סמוכים protospacer), שהיא מייצרת רק חלק קטן של כל gRNAs תפקודית אפשרית עבור אזור נתון. CORALINA, מצד שני, הוא מסוגל לייצר כל פוטנציאל gRNAs את הרצף מקור, אך משלבת גם חלק גבוה יותר של מדריכים שאינם פונקציונליים. gRNA דור הספרייה באמצעות פעילות נוקלאז מבוקרת מאפשר הייצור של הספריות gRNA מקיפים של מין, כל מערכת Cas9-חלבון או - אפקטור בצורה פשוטה וחסכונית. יתר על כן, CORALINA ניתנת להתאמה התאמה אישית, כפי המתאימה אפשרויות קלט, וקטור מגדיר את ספריית סוג וגודל תוכן. . הנה, פרוטוקול מפורט מוצג זה יכול לשמש עבור הדור של הספריות gRNA מקיפים ממקורות מגוונים של דנ א (איור 1), כולל חיידקי מלאכותי כרומוזומים (BACs) או דנ א גנומי9. התוצאות נציג המלווה פרוטוקול זה נשאבו על ידי החלת פרוטוקול CORALINA BAC ה-DNA.
1. מערכת העיכול של DNA עם נוקלאז Micrococcal
2. הפרדה של ה-DNA קטעים באמצעות אלקטרופורזה בג'ל לזיהוי (עמוד)
3. בידוד של דנ א שברים דף-ג'לים באמצעות למחוץ שיטת הטבילה
הערה: שלב זה כבר אומץ מ. Sambrook et al. 11
4. סוף תיקון שברי MNase-מעוכלים, מטוהרים-ג'ל
5. מקשר דור
הערה: Linkers צריך להיות מוגבר במקביל בסעיף 3 יוכלו להמשיך מיד עם מקשר מצדו. רצפים פריימר להשתמש מתחת חייב להיות מתאים וקטור ביטוי gRNA שבחרת. אלה המובאים כאן עוצבו עבור וקטור pgRNA-pLKO.1. 9 עבור הגברה של מקשר 5' של pgRNA-pLKO.1, השתמש פריימר רצפים 5'-מקשר (linker)-F (TTGGAATCACACGACCTGGA) ו- 5'-מקשר-R (CGGTGTTTCGTCCTTTCCAC), מניב אמפליקון bp 689. עבור הגברה של מקשר 3' של pgRNA-pLKO.1, השתמש תחל 3'-מקשר-f: (GTTTTAGAGCTAGAAATAGCAAGTTAAAATA) 3'-מקשר-r: (ACTCGGTCATGGTAAGCTCC), אשר תשואה של אמפליקון bp 848.
6. מקשר מצדו, הגברה של מוסיף
7. בחירת גודל
הערה: שלב זה מפריד MNase-קטעים עם מחובר כראוי את 5' ו 3' מקשר בין שברי עם שני 5" או שני 3' linkers בהתאם לגודל.
8. שיבוט של קטעים מוגבר-PCR לתוך gRNA הביטוי וקטור על ידי העצרת גיבסון
9. הכנת התאים e. coli TG1 אלקטרו-כשיר
10. אלקטרופורציה התאים e. coli Electrocompetent TG1
הערה: אלקטרופורציה היא לאחד צווארי בקבוק בדור ספרייה מקיפה. כדי לשמר את הייצוג ספריה, מומלץ לערוך תגובות אלקטרופורציה בודדים רבים כמו הצורך/מעשית, כדי לבצע את השלבים בקרת איכות המתוארים להלן (10.6. ואת 10.8.).
11. החילוץ של פלסמיד דנ א
באמצעות הפרוטוקול בהישג יד, CORALINA gRNA ספריות נוצרו האדם ואת העכבר דנ א גנומי9 BAC דנ א (איור 1). כדי לייצר שברי DNA קלט מתאים שיבוט לתוך gRNA ביטוי וקטורים, תנאים אופטימליים לעיכול נוקלאז מבוקרת צריך להיקבע. תוצאה אופיינית עבור אופטימיזציה של נוקלאז micrococcal עיכול מתוארת באיור2 א. כמות מספקת של נוקלאז (0.1, 2, 3, 4, 4.5 או 5 יחידות) מייצרת מוצרים מורגש בטווח גודל הנדרש (10-100 bp) ויחידות 5.5-7.5 עדיין מיוצר שברי כי הם בממוצע יותר מדי זמן. כמויות גדולות יותר של אנזים (50 יחידות) להוביל השפלה מוגזמת של קלט דנ א לאחר 10 דקות. כתוצאה מכך, סכום ביניים נבחר (10 יחידות). התקציר היה יורה כדי לייצר מספיק מתעכל רסיסים עוקבות וטיהור שיבוט (איור 2B). בזמן זה מומלץ כדי לבחור בצורה עיוורת שברי DNA לפי גודל להסתמך רק על הסולם DNA לאוריינטציה למזער את החשיפה של קטעי DNA אור UV, ג'לים יכול להיות מוכתם לאחר מכן לבקרת איכות של חיתוך והעיכול. איור 2B מראה דוגמה מייצגת של ג'ל דף מ- DNA אשר יש כבר חתכתם קטעים בין 20 ל 30 bp. ג'ל טהור MNase קטעים היו מועמסים על 20% ג'ל דף כדי לבדוק את גודל מוצלחת הבחירה וטיהור של קטעים MNase-מעוכלים (איור 2C). פרוטוקול בהישג יד הוא תואם השימוש רצפים מקשר מותאם אישית, המאפשר לשבט את השברים מתעכל MNase לתוך gRNA ביטוי וקטורים של הבחירה. . הנה, gRNA-PLKO9 שימש את עמוד השדרה. Linkers הם מוגבר של הווקטור ביטוי gRNA באמצעות תקן ה-PCR. איור דו-ממדי מתארת דוגמה ייצוגית של רצפי מקשר מוגבר נטול נוספים, שגוי או לא amplicons תבנית. בשלב הבא, amplicons מקשר מתעכלים עם אנזימי הגבלה על מנת להבטיח linkers מאתרים על גבי שברי מתעכל MNase לכיוון הנכון. איור דו-ממדי מראה agarose ג'לים של 5' ו 3' linkers לפני ואחרי עיכול הינדהשלישי, שקהשני בהתאמה, המציין עיכול להשלים linkers 637 החזוי, 295 bp. החלק הימני של התמונה ג'ל מסמכים הכריתה של השברים מקשר מעוכל. להלן ג'ל החילוץ של linkers מעוכל, השלב הבא בפרוטוקול מצדו של linkers כדי שברי תוקן קצה MNase-מעוכלים. כי מקשר רצפים מופקים על ידי ה-PCR באמצעות תחל unphosphorylated, מצדו עצמית של linkers לא צריך לקרות. רק שברי DNA MNase-מעוכלים תוקן קצה לספק את קבוצות פוספט הדרושות מצדו. בעקבות תרגום ניק, המוצר מצדו מוגבר על-ידי ה-PCR. כדי למנוע הטיה הגברה PCR מופרז יכול להטות את הייצוג של רצפים gRNA בספריה, הגברה מוגבל פחות מ- 20 מחזורים בסך הכל. בעקבות PCR, המוצרים הגברה הם קשה לדמיין על agarose ג'לים. שליטה נפרדת מותני עם מחזורים 32 ולכן יש לבצע כדי לזהות את המוצרים (אך לא משמשים להכנת ספריה). תוצאות של פקד זה PCR מוצגים באיור 2E. פעולה זו מאפשרת לייעל את תגובות מצדו, כדי להבטיח תגובות נטולי PCR חפצי אמנות, אשר מתרחשים לפעמים "אין פקדים שברי" (NFC). איור 2E מציגה את אמפליקון הרצוי (5' מקשר + קטע DNA + 3' לינקר, אורך: 869 bp) בעקבות הגברה של שימוש equimolar (1:1) היחס בין שברי מקשר רצפי תגובות מצדו.
איור 1 : הציע ציר הזמן עבור הכנת ספריה gRNA. CORALINA מציע אסטרטגיה פשוטה וחסכונית עבור הדור של הספריות gRNA מקיפים מתוך שפע של מקורות שונים DNA מכל יצור. פרוטוקול בהישג יד ניתן להביא לסיום במהלך שבוע עבודה אחד. דור מקשר יכולה להתבצע במקביל סוף ה-DNA לתקן. הכנה של חיידקים electrocompetent לוקח יומיים כולל שלב הצמיחה לילה, ולכן אמורה להתחיל לפני הרכבה תגובות מוגדרים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 2 : שלבים קריטיים במהלך הפרוטוקול. עיכול (A) מבוקר BAC DNA מאפשר יצירה של שברי בגדלים שונים. המוצגת כאן היא אופטימיזציה של מערכת העיכול MNase. DNA BAC מטוהרים טופלה עם כמויות שונות של MNase במשך 10 דקות 10 U של MNase להפיק DNA שברי לאורך הרצוי (20-30 bp). (B) גודל מבחר קטעים בין 20 ל 30 bp באמצעות כריתה של ג'לים לזיהוי. DNA BAC מטוהרים טופלה עם 10 U של MNase 10 דקות. התמונה הוקלט בעקבות כריתה. (ג) בקרת איכות של קטעים ג'ל טהור. לאחר ג'ל-טיהור, 1/ו' של MNase מטוהרים שברי נטען על גבי 20% ג'ל דף כדי לבדוק את גודל מוצלחת הבחירה וטיהור. (ד) הגברה של רצפי מקשר לעיכול הרכבה, אנזים הגבלה של linkers כדי להבטיח שיבוט כיוונית. linkers 5' ו 3' היו מוגבר, לחתוך עם HindIII ו- SacII, בהתאמה. לא-התבנית פקדים (NTC) נכללו לפקד עבור חפצים PCR וזיהום ה-DNA. משמאל: יישום מדגם אנליטי; נכון: מפוח מדגם היישום. התמונה נרשם לאחר כריתה ג'ל. (E) מצדו מוצלחת של linkers כדי שברי DNA ניתן לנתח באמצעות PCR עם עלייה במספר מחזורים PCR (32), נשלט על-ידי ביצוע אין פקדים בתבנית עם H2O (NTC) או באמצעות המעבר הלאומית מן השלב הקודם של תרגום ניק קלט (NTC NT)). חשוב לכלול אין שבר פקד (NFC), אשר הוא הגברה מצדו, ניק תרגום התגובה שממנו הושמטו השברים MNase. רק דוגמאות ב MNase אילו קטעים כבר בשילוב עם מקשר DNA לייצר את אמפליקון הצפוי (869 bp). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
CORALINA יכול לשמש כדי ליצור ספריות gRNA בקנה מידה גדול על ידי עיכול נוקלאז מבוקרת של יעד ה-DNA פרירים שיבוט של קטעים נטושים כפול וכתוצאה מכך. הסקה סטטיסטית מציין כי רבים יותר מ- 107 רצפים בודדים gRNA כבר בהצלחה שיבוט באמצעות הפרוטוקול יד9. יכול להיות מותאם אישית CORALINA במספר דרכים שונות. הבחירה של תבנית ה-DNA מגדירה את אזור היעד ואת המורכבות מקסימלי של הספרייה שנוצר. באמצעות פרוטוקול זה, ספריות CORALINA בעבר נוצרו מן האדם ועכבר הדנ א9. נציג התוצאות המובאות כאן מתארים את הדור של ספרייה CORALINA מ- DNA BAC מטוהרים. התאמה אישית נוספת יכולה להיות מושגת על ידי הבחירה של רצפים וקטוריים וגם מקשר של ביטוי gRNA. קודם לכן בדקנו שלושה זוגות שונים באורכים מקשר להרכבה גיבסון עם וריאציות קטן יעילות9.
בשל מוצאם מ- DNA בצובר מתעכל, protospacer של CORALINA gRNAs הם בדרך כלל לא בדיוק 20 bp אורך, אך הצג התפלגות אורך עם ממוצע זה תלוי שניהם את הפרמטרים של עיכול MNase, כמו גם את הגודל של הכריתה עשוי הג'ל דף ס נציג בדוגמה המוצגת באיור 2B ו- C, מתאר קטעים באורך החציוני בין bp 19, 27. מניסיוננו, האורך של השברים נשמר בנאמנות על ידי שנוצר gRNA protospacer9. כל עוד קטעים קצרים יותר מאשר 20 bp להמנע בשל שיעור גבוה יותר את המטרה של gRNAs וכתוצאה מכך, קטעים ארוכים יותר סביר הרבה פחות בעיה עבור יישומים במורד הזרם, מאז עברו הפגינו את gRNAs עם protospacers ארוך כמו 45 bp נמצאים עדיין פונקציונלי9.
שני השלבים הקריטיים ביותר בפרוטוקול CORALINA הן גודל מבחר קטעים MNase-מעוכלים והשלבים שיבוט. דור של שברי כי קצרות מדי (למשל ממוצע מתחת 18 bp) או התאגדות של וקטורים ביטוי gRNA ריק מדי יעבד את ספריית חסר תועלת. לכן, חשוב למטב את הצעד עיכול MNase (איור 2 א), כדי לנטר כריתה (איור 2B, C), לבדוק לעיכול מלאה של עמוד השדרה וקטור gRNA, כולל פקדי מקטע אין לאורך כל הפרוטוקול. טיפול מיוחד יש גם לשמר את הייצוג של ספריית gRNA. באופן כללי, אחד משותף צוואר בקבוק של ספריית הדור הוא העברה יעילה של פלסמידים לתוך החיידקים עבור הגברה. לפיכך, כמויות גדולות של חיידקים עם כשירות מעולה ומספר רב של אירועים בודדים אלקטרופורציה נחוצים להשיג מספר גבוה של שיבוטים gRNA.
אסטרטגיות חדשות לייצור ספריה gRNA יהיה צורך לאסוף את מלוא הפוטנציאל של סינון שמבוסס CRISPR גישות במשך העשורים הבאים. יש ביקוש משמעותי עבור שיטות חסכוני וקל להתאמה אישית ליצור ספריות בקנה מידה גדול, מהווה דרישה מוקדמת כדי להפוך ההקרנה לבצע מספר גדול יותר של גישות שונות מבוססות-CRISPR הנדסה ומערכות מודל. CORALINA מספקת צעד ראשון לקראת זה. השימושים הפוטנציאליים הן מגוונות, במיוחד כדי לייצר ספריות מקיף של הגנום, cDNA נגזר ספריות של מערכות מודל נפוץ פחות, ספריות מאוד ממוקד ו- set-ups ניסיוני ב אילו חלבונים CRISPR שונים (עם פאם שונות דרישות) משמשים בשילוב.
בניגוד לשיטות אחרות, CORALINA יוצר כל gRNAs אפשרי של הקלט הדנ א. אולם, חסרון אחד של השיטה היא כי gRNAs חסר את רצף פאם הנדרשת נכללים גם בספריה, תכונה היא חולקת עם שיטה אנזימטי השני לדור ספריית gRNA, אוכלי CRISPR (טבלה 1). הבחירה של השיטה האידיאלית עבור הדור ספריית gRNA תלוי על המפרט של ההקרנה המתוכנן ניסוי, במיוחד את הטבע (genic, רגולציה, intergenic) והגודל של אזור היעד (לוקוס בודד, מרובות אזורים, הגנום כולו). אנו רואים יתרון מיוחד באמצעות CORALINA כאשר מספר גדול של לא קידוד או אזורים רגולטוריות נועדו להיות מנותח, אם קיים מידע רצף שלם או לא אמין (מערכות מודל אקזוטיים, תערובות של מינים (למשל microbiomes) או להשיג השפעול קלט), אם endonucleases CRISPR שונים משולבים או אם קולח ניתוח מתבצע על לוקוס קצר ומוגדר (למשל המיוצג על-ידי BACs).
המחברים אין לחשוף.
המחברים רוצה תודה פרופ ' ד ר סטפן בק ו פרופסור ד ר מגדלנה גץ לקבל את התשומה שלהם, לעזור ולתמוך בפיתוח השיטה CORALINA, מקסימיליאן Wiessbeck ולנטין באומן להערות מועיל. העבודה היא נתמכה על ידי DFG (STR 1385/1-1).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
500 mM EGTA | Sigma Aldrich | 03777-10G | 1.4., Inactivation of Mnase |
Novex Hi-Density TBE Sample Buffer | Thermo Fisher Scientific | LC6678 | 2.1. |
Novex® TBE Gels, 20%, 10 well | Thermo Fisher Scientific | EC6315BOX | 2.1., pre-made 20 % PAGE gel |
O'RangeRuler 5 bp DNA Ladder, | Thermo Fisher Scientific | SM1303 | 2.1. |
Novex® TBE Running Buffer | Thermo Fisher Scientific | LC6675 | 2.1., PAGE gel running buffer |
Disposable scalpel, sterile | VWR | 233-5363 | 2.3., other equivalent reagents may be used |
SYBR Green I nucleic acid stain (1000x concentrate in DMSO) | Sigma Aldrich | S9430 | 2.3. +2.5., also available from Thermo Fisher Scientific (S7563) |
UltraPure Phenol:Chloroform:Isoamyl Alcohol (25:24:1) | Thermo Fisher Scientific | 15593-031 | 3.6.1. + 4.3., other equivalent reagents may be used |
Glycogen | Sigma | 10901393001 | 3.6.4., other equivalent reagents may be used |
3M Sodium acetate , pH5.2 | Thermo Fisher Scientific | R1181 | 3.6.4., other equivalent reagents may be used |
Ethanol | 3.6.4. + 9.1.8., molecular biology grade | ||
Quick blunting kit | New England Biolabs | E1201 | 4.1. |
ammomium acetate | Sigma | A1542 | 3.1., other equivalent reagents may be used |
magnesium acetate | Sigma | M5661 | 3.1., other equivalent reagents may be used |
0.5 M EDTA (pH 8.0) | VWR | MOLEM37465520 (or Promega V4231) | 2.2. + 3.1., other equivalent reagents may be used |
Agencourt AMPure XP beads | Beckman coulter | A63881 | 5.3. + 6.5. |
Gel extraction kit | QIAGEN | 28704 | 5.7.+ 7.1. +8.4., other equivalent reagents may be used |
concentrated T4 DNA ligase | New England Biolabs | M0202T | 6.1.+ 8.1.2. |
Long Amp Taq 2X Master Mix | New England Biolabs | M0287S | 6.3. |
Phusion High-Fidelity PCR Master Mix with HF Buffer | New England Biolabs | M0531S | 5.1. + 6.6., other equivalent reagents may be used |
HindIII | New England Biolabs | R0104S | 5.4.1. |
SacII | New England Biolabs | R0157S | 5.4.2. |
AgeI | New England Biolabs | R0552S | 8.2.1. |
Tris base | Sigma | 93362 | 8.1.1. |
2M MgCl | Sigma | 93362 | 8.1.1. |
dGTP,dATP, dCTP, dTTP | New England Biolabs | N0446S | 8.1.1. |
DTT | Sigam | DTT-RO | 8.1.1. |
PEG-8000 | Sigma | P5413 | 8.1.1. |
NAD | Sigma | N6522 | 8.1.1. |
T5 exonuclease | New England Biolabs | M0363S | 8.1.2. |
Phusion DNA polymerase | New England Biolabs | M0530S | 8.1.2. |
Taq DNA ligase | New England Biolabs | M0208L | 8.1.2. |
rSAP | New England Biolabs | M0371S | 8.3.1. |
TG1 competent cells | Lucigen | 60502-1 | 9.1. |
1mm gap electroporation cuvettes | VWR | 732-2267 | 10.2. |
Bio-Assay Dish (Polystyrene, 245 mm x 245 mm x 25 mm) | Fisher Scientific | DIS-988-010M | 9.4. |
NaCl | Sigma | S7653 | 9.3. |
Bacto-tryptone | BD | 211705 | 9.3. |
Yeast extract | BD | 212750 | 9.3. |
Agar | Sigma | A1296 | 9.4. |
Glycerol | Sigma | G5516 | 9.17. |
MNAse | New England Biolabs | M0247S | 1.1. |
Nanodrop | Thermo Fisher Scientific | ND-2000 | throughout |
Micropulser | Biorad | 165-2100 | 10.2. |
Electroporation cuvettes | Biorad | 732-2267 | 10.2. |
250 ml centrifuge tubes | Corning | 430776 | 9.1-9.9. |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved