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本稿では、CRISPR/Cas9システムと3つの表現型ベースのスクリーニング戦略を用いたセントロメア関連プロテインE(CENP-E)ノックアウト細胞の構築について報告します。私たちは、 CENP-Eノックアウト細胞株を利用して、CENP-E阻害剤の特異性と毒性を検証するための新しいアプローチを確立し、医薬品開発や生物学研究に有用です。
CRISPR(clustered regular interspaced short palindromic repeats)/Cas9システムは、さまざまな生物において正確かつ効率的な遺伝子編集のための強力なツールとして登場しました。セントロメア関連プロテインE(CENP-E)は、動原体微小管の捕捉、染色体アライメント、および紡錘体アセンブリチェックポイントに必要なプラス末端指向性キネシンです。CENP-Eタンパク質の細胞機能は十分に研究されていますが、CENP-Eアブレーションは通常、紡錘体アセンブリチェックポイントの活性化、細胞周期の停止、および細胞死につながるため、従来のプロトコルを使用してCENP-Eタンパク質の直接的な機能を研究することは困難でした。本研究では、ヒトHeLa細胞の CENP-E 遺伝子を完全にノックアウトし、CRISPR/Cas9システムを用いて CENP-E-/- HeLa細胞を作製することに成功しました。
細胞コロニースクリーニング、染色体アライメント表現型、CENP-Eタンパク質の蛍光強度など、3つの最適化された表現型ベースのスクリーニング戦略が確立され、 CENP-E ノックアウト細胞のスクリーニング効率と実験成功率を効果的に向上させました。重要なことに、 CENP-Eの 欠失は、染色体のミスアライメント、BUB1有糸分裂チェックポイントセリン/スレオニンキナーゼB(BubR1)タンパク質の異常な位置、および有糸分裂欠損をもたらします。さらに、 CENP-E ノックアウトHeLa細胞モデルを用いて、CENP-E特異的阻害剤の同定法を開発しました。
この研究では、CENP-E阻害剤の特異性と毒性を検証するための有用なアプローチが確立されました。さらに、この論文では、細胞分裂におけるCENP-Eのメカニズムを調査するための強力なツールとなる可能性のあるCRISPR/Cas9システムを使用した CENP-E 遺伝子編集のプロトコルを提示します。さらに、 CENP-Eノックアウト細胞株は、抗腫瘍薬の開発、細胞生物学における細胞分裂メカニズムの研究、および臨床応用に重要な意味を持つCENP-E阻害剤の発見と検証に貢献します。
遺伝子操作によるゲノム編集は、さまざまな細胞や生物の遺伝子の標的修飾を媒介します。真核生物では、標的DNAの相同組換えを刺激する配列特異的ヌクレアーゼの応用により、部位特異的な突然変異誘発を導入することができます1。近年、ジンクフィンガーヌクレアーゼ(ZFN)2,3、転写活性化因子様エフェクターヌクレアーゼ(TALEN)4,5、ホーミングメガヌクレアーゼ6,7など、いくつかのゲノム編集技術が特定の部位でゲノムを切断するように設計されていますが、これらのアプローチには複雑なタンパク質工学と冗長な実験手順が必要です。研究によると、II型原核生物クラスター化規則的インタースペース短回文反復(CRISPR)/Casシステムは、さまざまな細胞および種8,9,10,11においてRNA誘導部位特異的DNA切断を特異的に媒介する効率的な遺伝子編集技術であることが示されています8,9,10,11。CRISPR/Cas9遺伝子ノックアウト技術は、基礎生物学、バイオテクノロジー、医学の分野に革命をもたらしました12。
バクテリアとほとんどの古細菌は、CRISPRとCasタンパク質を使用してウイルスとプラスミドを識別して破壊するRNAベースの適応免疫システムを進化させました13。化膿連鎖球菌Cas9(SpCas9)エンドヌクレアーゼには、RuvC様Holliday junction resolvase(RuvC)およびHis-Asn-His(HNH)ドメインが含まれており、CRISPR RNA(crRNA)とトランス活性化crRNA(tracrRNA)を含む合成シングルガイドRNA(sgRNA)を提供することにより、配列特異的な二本鎖切断(DSB)を効率的に媒介することができます14,15,16。.DSBは、哺乳類細胞に挿入、欠失、または瘢痕のない一塩基置換を含む複数の変異を導入するインデル形成非相同末端結合(NHEJ)または相同性指向性修復(HDR)経路を介して修復することができます1,8。エラーが発生しやすいNHEJ経路と忠実度の高いHDR経路の両方を使用して、挿入または欠失を介して遺伝子ノックアウトを媒介することができ、フレームシフト変異および早期停止コドンを引き起こす可能性がある10。
キネシン-7 CENP-Eは、細胞分裂中の動原体-微小管の付着と染色体アライメントに必要です17,18,19。CENP-Eの抗体マイクロインジェクション20,21、siRNA枯渇22,23、化学的阻害24,25,26、および遺伝子欠失27,28,29は、染色体のミスアライメント、紡錘体アセンブリチェックポイントの活性化、および有糸分裂欠損を引き起こし、異数性および染色体不安定性をもたらす19,30.マウスでは、CENP-Eの欠失により、発生のごく初期段階で異常な発育と胚致死が生じます27,29,31。CENP-Eの遺伝子欠失は、通常、染色体のミスアライメントと細胞死26,27,29を引き起こし、CENP-Eタンパク質の機能とメカニズムを研究する上で障害となる。
最近の研究では、オーキシン誘導性CRISPR/Cas9遺伝子編集法32を用いて、比較的短時間でCENP-Eタンパク質の迅速な分解を可能にする条件付きCENP-Eノックアウト細胞株が確立されました33。しかし、今日まで、安定したCENP-Eノックアウト細胞株は確立されておらず、これはCENP-E生物学における未解決の技術的課題です。遺伝的頑健性34、遺伝的代償応答35、36、37、および複雑な細胞内環境を考慮すると、CENP-Eの完全な欠失の直接的な結果は複雑で予測不可能である可能性があるため、染色体アライメント、紡錘体アセンブリチェックポイント、および下流シグナル伝達経路のメカニズムを調査するためにCENP-Eノックアウト細胞株を確立することが重要です。
CENP-E阻害剤の発見と応用は、がん治療にとって重要です。現在までに、GSK923295とその誘導体24,25、PF-277138,39、イミダゾ[1,2-a]ピリジン足場誘導体40,41、化合物-A42,43、シンテリン44,45、UA6278446、ベンゾ[d]ピロロ[2,1-b]チアゾール誘導体47を含む7種類のCENP-E阻害剤が発見され、合成されている.これらの阻害剤の中で、GSK923295は、CENP−Eの運動ドメインに結合し、3.2±0.2nMのKiを有するCENP−E微小管刺激ATPアーゼ活性を阻害するアロステリックで効率的なCENP−E阻害剤である24,25。しかし、培養がん細胞に対するGSK923295の阻害効果と比較すると、臨床がん患者におけるGSK923295の治療効果は理想的ではなく48,49、CENP-EのGSK923295の特異性についても懸念が生じました。さらに、CENP-Eタンパク質に対する他のCENP-E阻害剤の特異性と副作用は、がん研究における重要な問題です。
本研究では、CRISPR/Cas9システムを用いてHeLa細胞の CENP-E 遺伝子を完全にノックアウトしました。CENP-E遺伝子編集のスクリーニング効率と成功率を向上させるために、細胞コロニースクリーニング、染色体アライメント表現型、CENP-Eタンパク質の蛍光強度など、3つの最適化された表現型ベースのスクリーニング戦略が確立されています。さらに、 CENP-E ノックアウト細胞株を使用して、CENP-Eの候補化合物の特異性を試験することができます。
1. CRISPR/Cas9遺伝子ノックアウトベクターの構築
2. CENP-E ノックアウトHeLa細胞のトランスフェクション、単離、スクリーニング
3. 免疫蛍光染色と高分解能共焦点顕微鏡
4. 染色体調製と核型解析
5. 細胞コロニー形成アッセイ
6. 細胞生存率アッセイ
CENP-E-/- HeLa細胞は、CRISPR/Cas9システムを用いて作製に成功しました(図1)。この分析法のタイムラインと重要な実験ステップを図 1 に示します。まず、CENP-E特異的sgRNAを設計・合成し、sgRNAをアニーリングしてpX458プラスミドにライゲーションし、プラスミドをHeLa細胞にトランスフェクションし、48時間培養しました。トランスフ?...
キネシン-7 CENP-Eは、細胞分裂中の染色体アライメントと紡錘体アセンブリチェックポイントにおける重要な調節因子です17,19,20。CENP-Eの遺伝子欠失は、通常、紡錘体アセンブリチェックポイントの活性化、細胞周期停止、および細胞死をもたらします27,29,51,52
著者には開示すべき利益相反はありません。
有益な議論をしてくれた福建医科大学細胞骨格研究所のすべてのメンバーに感謝します。福建医科大学公共技術サービスセンターのJun-Jin Lin氏、Zhi-Hong Huang氏、Ling Lin氏、Li-Li Pang氏、Lin-Ying Zhou氏、Xi Lin氏、Min-Xia Wu氏の技術支援に感謝します。福建医科大学基礎医学実験教育センターのSi-Yi Zheng氏、Ying Lin氏、Qi Ke氏のご支援に感謝します。本研究は、中国国家自然科学基金会(助成金番号82001608および82101678)、中国福建省自然科学基金会(助成金番号2019J05071)、中国福建省科学技術イノベーション共同基金(助成金番号2021Y9160)、福建医科大学ハイレベル人材科学研究立ち上げ資金プロジェクト(助成金番号XRCZX2017025)の支援を受けて行われました。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.25% Trypsin-EDTA | Gibco | 25200056 | |
1.5 mL centrifuge tube | Axygen | MCT-150-C | |
24-well plate | Corning | 3524 | |
4S Gelred, 10,000x in water | Sangon Biotech (Shanghai) | A616697 | |
50 mL centrifuge tube | Corning | 430828 | |
6 cm Petri dish | Corning | 430166 | |
95% ethanol | Sinopharm Chemical Reagent | 10009164 | |
96-well plate | Corning | 3599 | |
Acetic acid | Sinopharm Chemical Reagent | 10000218 | Dissolve in H2O to prepare a 10% working solution. |
Agarose | Sangon Biotech (Shanghai) | A620014 | |
Alexa Fluor 488-labeled Goat Anti-Mouse IgG(H+L) | Beyotime | A0428 | For immunofluorescence. Dissolve in 1% BSA/PBST. 1:500 dilution. |
Alexa Fluor 488-labeled Goat Anti-Rabbit IgG(H+L) | Beyotime | A0423 | For immunofluorescence. Dissolve in 1% BSA/PBST. 1:500 dilution. |
Alexa Fluor 555-labeled Donkey Anti-Mouse IgG(H+L) | Beyotime | A0460 | For immunofluorescence. Dissolve in 1% BSA/PBST. 1:500 dilution. |
Anhydrous ethanol | Sinopharm Chemical Reagent | 100092690 | |
Anti-BubR1 rabbit monoclonal antibody | Abcam | ab254326 | For immunofluorescence. Dissolve in 1% BSA/PBST. 1:100 dilution |
Anti-CENP-B mouse monoclonal antibody | Santa Cruz Biotechnology | sc-376392 | For immunofluorescence. Dissolve in 1% BSA/PBST. 1:50 dilution. |
Anti-CENP-E rabbit monoclonal antibody | Abcam | ab133583 | For immunofluorescence. Dissolve in 1% BSA/PBST. 1:100 dilution. |
Anti-fade mounting medium | Beyotime | P0131 | Slowing down the quenching of fluorescent signals. |
Anti-α-tubulin mouse monoclonal antibody | Abcam | ab7291 | For immunofluorescence. Dissolve in 1% BSA/PBST. 1:100 dilution. |
Biotek Epoch Microplate Spectrophotometer | Biotek Instruments | Biotek Epoch | |
Bovine Serum Albumin (BSA) | Sinopharm Chemical Reagent | 69003435 | |
BpiI (BbsI) | Thermo Fisher Scientific | ER1011 | |
CellTiter 96 aqueous one solution cell proliferation assay | Promega | G3580 | |
Centrifuge | Eppendorf | 5424BK745380 | |
Colchicine | Sinopharm Chemical Reagent | 61001563 | |
Confocal scanning microscope | Leica | Leica TCS SP8 | |
Coverslip | CITOTEST | 80344-1220 | |
DAPI | Beyotime | C1006 | |
DH5α competent cells | Sangon Biotech (Shanghai) | B528413 | |
DL2000 DNA marker | TaKaRa | 3427A | |
Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) | Gibco | C11995500BT | |
Endo-free plasmid mini kit ![]() | Omega | D6950 | |
Ezup Column Animal Genomic DNA Purification Kit | Sangon Biotech (Shanghai) | B518251 | |
Fetal bovine serum | Zhejiang Tianhang Biotechnology | 11011-8611 | |
Gentian violet | Sinopharm Chemical Reagent | 71019944 | Dissolve in PBS to prepare 0.1% gentian violet/PBS. |
Giemsa staining solution | Sinopharm Chemical Reagent | 71020260 | |
GraphPad Prism version 8.0 software | GraphPad | www.graphpad.com | Statistical analysis. |
GSK923295 | MedChemExpress | HY-10299 | |
HeLa cell line | ATCC | CCL-2 | |
Humidified incubator | Heal Force | HF90/HF240 | |
Image J software | National Institutes of Health | https://imagej.nih.gov/ij/ | Image processing and analysis. |
Inverted microscope | Nanjing Jiangnan Novel Optics | XD-202 | |
LB agar powder | Sangon Biotech (Shanghai) | A507003 | |
Lipo6000 transfection reagent | Beyotime | C0526 | |
Nikon Ti-S2 microscope | Nikon | Ti-S2 | |
Opti-MEM reduced serum medium | Gibco | 31985070 | |
Paraformaldehyde | Sinopharm Chemical Reagent | 80096618 | Dissolve in PBS to prepare 4% paraformaldehyde/PBS. |
Penicillin-streptomycin solution | HyClone | SV30010 | |
SanPrep column DNA gel extraction kit | Sangon Biotech (Shanghai) | B518131 | |
SanPrep column plasmid mini-preps kit | Sangon Biotech (Shanghai) | B518191 | |
T4 DNA ligase | TaKaRa | 2011A | |
T4 polynucleotide kinase | TaKaRa | 2021A | |
TaKaRa Ex Taq | TaKaRa | RR001A | |
Triton X-100 | Sinopharm Chemical Reagent | 30188928 | Dissolve in PBS to prepare 0.25% Triton X-100/PBS. |
Tween 20 | Sinopharm Chemical Reagent | 30189328 | Dissolve in PBS to prepare 0.1% Tween 20/PBS. |
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