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Method Article
O kit de ferramentas genômicas funcionais para os nematoides parasitéticos Strongyloides stercoralis e Strongyloides ratti inclui transgênese, mutagênese mediada por CRISPR/Cas9 e RNAi. Este protocolo demonstrará como usar a microinjeção intragonadal para introduzir componentes transgenes e CRISPR em S. stercoralis e S. ratti.
O gênero Strongyloides consiste em várias espécies de nematoides penetrantes na pele com diferentes faixas hospedeiras, incluindo Strongyloides stercoralis e Strongyloides ratti. S. stercoralis é um nematode parasitário humano-parasitico e penetrante na pele que infecta aproximadamente 610 milhões de pessoas, enquanto o parasita de rato S. ratti está intimamente relacionado com S. stercoralis e é frequentemente usado como modelo de laboratório para S. stercoralis. Tanto S. stercoralis quanto S. ratti são facilmente favoráveis à geração de transgênicos e nocautes através da técnica de entrega de ácido nucleico exógeno da microinjeção intragonadal, e como tal, surgiram como sistemas de modelo para outros helmintos parasitas que ainda não são favoráveis a esta técnica.
Os adultos parasitéticos Strongyloides habitam o intestino delgado de seu hospedeiro e liberam descendentes no ambiente através das fezes. Uma vez no ambiente, as larvas se desenvolvem em adultos livres, que vivem em fezes e produzem descendentes que devem encontrar e invadir um novo hospedeiro. Esta geração ambiental é única para as espécies Strongyloides e semelhante o suficiente em morfologia ao modelo nematode de vida livre Caenorhabditis elegans que técnicas desenvolvidas para C. elegans podem ser adaptadas para uso com esses nematoides parasitas, incluindo microinjeção intragonadal. Usando microinjeção intragonadal, uma grande variedade de transgenes pode ser introduzida em Strongyloides. Os componentes CRISPR/Cas9 também podem ser microinjetados para criar larvas mutantes strongyloides . Aqui, descreve-se a técnica de microinjeção intragonadal em Strongyloides, incluindo a preparação de adultos livres, o procedimento de injeção e a seleção de progêneria transgênica. Imagens de larvas transgênicas strongyloides criadas usando mutagênese CRISPR/Cas9 estão incluídas. O objetivo deste artigo é permitir que outros pesquisadores usem a microinjeção para criar strongyloides transgênicos e mutantes.
Strongyloides stercoralis tem sido negligenciado por muito tempo como um importante patógeno humano comparado com as minhocas mais reconhecidas e a lombriga Ascaris lumbricoides1. Estudos anteriores de carga de vermes muitas vezes subestimaram severamente a prevalência de S. stercoralis devido à baixa sensibilidade dos métodos diagnósticos comuns para S. stercoralis2. Nos últimos anos, estudos epidemiológicos baseados em ferramentas de diagnóstico aprimoradas estimaram que a verdadeira prevalência de infecções por S. stercoralis é muito maior do que o relatado anteriormente, aproximadamente 610 milhões de pessoas em todo o mundo2.
Tanto S. stercoralis quanto outras espécies strongyloides, incluindo o parasita de rato intimamente relacionado e o modelo de laboratório comum S. ratti, têm um ciclo de vida incomum que é vantajoso para estudos genômicos experimentais porque consiste tanto das gerações parasitárias quanto de vida livre (ambiental)3 (Figura 1). Especificamente, tanto S. stercoralis quanto S. ratti podem percorrer uma única geração de vida livre. A geração de vida livre consiste em larvas pós-parasitárias que se desenvolvem em machos e fêmeas adultos vivos livres; toda a descendência dos adultos livres se desenvolve em larvas infecciosas, que devem infectar um hospedeiro para continuar o ciclo de vida. Além disso, essa geração ambiental ou de vida livre pode ser manipulada experimentalmente em laboratório. Como adultos strongyloides de vida livre e adultos C. elegans compartilham morfologia semelhante, técnicas como microinjeção intragonadal que foram originalmente desenvolvidas para C. elegans podem ser adaptadas para uso com strongyloidesadultos de vida livre 4,5. Enquanto o DNA é geralmente introduzido em fêmeas adultas de vida livre, tanto machos quanto fêmeas de Strongyloides podem ser microinjetados6. Assim, ferramentas genômicas funcionais estão disponíveis para interrogar muitos aspectos da biologia de Strongyloides. Outros nematoides parasitas não possuem uma geração livre e, como resultado, não são tão facilmente favoráveis às técnicas genômicas funcionais3.
Figura 1: O ciclo de vida Strongyloides stercoralis. As fêmeas parasitárias S. stercoralis habitam o intestino delgado de seus hospedeiros mamíferos (humanos, primatas não humanos, cães). As fêmeas parasitas se reproduzem por partenogênese e colocam ovos dentro do intestino delgado. Os ovos eclodem enquanto ainda estão dentro do hospedeiro em larvas pós-parasitárias, que são então passadas para o ambiente com fezes. Se as larvas pós-parasitárias são machos, elas se desenvolvem em machos adultos vivos livres. Se as larvas pós-parasitárias forem fêmeas, elas podem se desenvolver em fêmeas adultas de vida livre (desenvolvimento indireto) ou larvas infecciosas de terceiro estágio (iL3s; desenvolvimento direto). Os machos e fêmeas que vivem livremente se reproduzem sexualmente para criar descendentes que são constrangidos a se tornarem iL3s. Sob certas condições, S. stercoralis também pode sofrer autoinfecção, na qual algumas das larvas pós-parasitárias permanecem dentro do intestino hospedeiro em vez de passar para o ambiente em fezes. Essas larvas podem evoluir para larvas autoinfetivas (L3a) dentro do hospedeiro, penetrar através da parede intestinal, migrar através do corpo e, eventualmente, retornar ao intestino para se tornarem adultos reprodutivos. O ciclo de vida de S. ratti é semelhante, exceto que S. ratti infecta ratos e não tem um ciclo autoinfetivo. A geração ambiental é fundamental para o uso de espécies Strongyloides para estudos genéticos. As fêmeas adultas de vida livre (P0) podem ser microinjetadas; sua descendência, que todos se tornarão iL3s, são os transgênicos F1 potenciais. Este valor foi modificado de Castelletto et al. 3. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
S. stercoralis compartilha muitos aspectos de sua biologia com outros nematoides gastrointestinais humanos-parasitas, incluindo invasão de hospedeiro e modulação imunológica hospedeira. Por exemplo, as minhocas parasitárias humanas nos gêneros Necator e Ancylostoma também infectam pela penetração da pele, navegam de forma semelhante através do corpo e, em última análise, residem como adultos parasitas no intestino delgado7. Assim, muitos nematoides gastrointestinais provavelmente usam comportamentos sensoriais comuns e técnicas de evasão imunológica. Como resultado, o conhecimento obtido de Strongyloides complementará os achados em outros nematoides menos geneticamente tratáveis e levará a uma compreensão mais completa desses parasitas complexos e importantes.
Este protocolo de microinjeção descreve o método para introduzir DNA em fêmeas adultas de vida livre strongyloides para fazer prole transgênico e mutante. Os requisitos de manutenção da cepa, incluindo o tempo de desenvolvimento de vermes adultos para microinjeções e a coleta de progêneria transgênica, são descritos. Protocolos e uma demonstração da técnica completa de microinjeção, juntamente com protocolos para cultivo e triagem de progêneria transgênica, estão incluídos, juntamente com uma lista de todos os equipamentos e consumíveis necessários.
NOTA: Gerbils foram usados para passagem de S. stercoralis, e ratos foram usados para passagem de S. ratti. Todos os procedimentos foram aprovados pelo Escritório de Supervisão de Pesquisa Animal da UCLA (Protocolo nº 2011-060-21A), que adere às normas AAALAC e ao Guia de Cuidado e Uso de Animais de Laboratório. As seguintes tarefas devem ser concluídas pelo menos um dia antes da microinjeção: cultivo de vermes, preparação de almofadas de microinjeção, criação de construções para a mistura de microinjeção e disseminação de bactérias (E. coli HB101)em placas de 6 cm Nematode Growth Media (NGM). As fêmeas livres requerem uma coleta mínima de 24h pós-fecal a 25 °C para se desenvolverem em adultos jovens antes de serem microinjetadas. As almofadas de microinjeção devem estar completamente secas. As placas bacterianas devem secar e estabelecer um pequeno gramado.
1. Preparação de slides de microinjeção: pelo menos um dia antes de injetar
NOTA: Os vermes são montados em tampas de microinjeção com almofadas de ágar seco para injeção.
2. Culturing Strongyloides para obter vermes para microinjeção: 1 - 2 dias antes da injeção
NOTA: Um protocolo de manutenção de cepas pode ser encontrado no Material Suplementar, que inclui uma descrição detalhada de como infectar gerbils e ratos com nematoides e colher nematoides das fezes de animais infectados.
3. Fazer a mistura de microinjeção: antes ou no dia da injeção
NOTA: A mistura de microinjeção consiste nos plasmídeos de interesse diluídos à concentração desejada em soro fisiológico tamponado por verme (BU) (50 mM Na2HPO4, 22 mM KH2PO4, 70 mM NaCl)11.
Mistura de microinjeção: construção de repórter | |||
Componente | Concentração de Estoque | Quantidade | Concentração Final |
pMLC30 gpa-3:::gfp | 300 ng/μL | 1,7 μL | 50 ng/μL |
Bu | na | 8,3 μL | na |
total | 10 μL | 50 ng/μL | |
Mistura de microinjeção: MUTAGÊNESE CRISPR/Cas9 | |||
Componente | Concentração de Estoque | Quantidade | Concentração Final |
pMLC47 imposto-4 sgRNA | 300 ng/μL | 2,7 μL | 80 ng/μL |
pEY11 Ss-tax-4 HDR plasmid | 400 ng/μL | 2,0 μL | 80 ng/μL |
pPV540 strCas9 plasmid | 350 ng/μL | 1,1 μL | 40 ng/μL |
Bu | na | 4,2 μL | na |
total | 10 μL | 200 ng/μL | |
Mistura de microinjeção: integração cofrinhoBac | |||
Componente | Concentração de Estoque | Quantidade | Concentração Final |
pMLC30 gpa3::gfp | 300 ng/μL | 2,0 μL | 60 ng/μL |
pPV402 transposase plasmid | 450 ng/μL | 0,9 μL | 40 ng/μL |
Bu | na | 7,1 μL | na |
total | 10 μL | 100 ng/μL |
Tabela 1: Exemplos de misturas de microinjeção. Os plasmídeos e concentrações para três misturas de microinjeção de exemplo: uma para um gpa-3::GFP repórter construção10, uma para crispr/cas9-mediada interrupção do lócus Ss-tax-4 14,15, e uma para a integração mediada por PiggyBac de um Ss-gpa-3::GFP construto 13,17,18. strCas9 denota o gene Cas9 otimizado para codon strongyloides. As concentrações finais listadas são comumente usadas em misturas de microinjeção Strongyloides.
4. Colete strongyloides para microinjeção: manhã do dia da injeção
Figura 2: O aparelho Baermann costumava coletar vermes parasitas das culturas10. O conteúdo de uma placa fecal-carvão é colocado no topo de uma coluna de água morna. Os vermes migram para a água e coletam no fundo do funil. (A) Para configurar o aparelho Baermann, a posição do funil Baermann é presa ao banco com um grampo C. Um tubo de borracha preso à extremidade do funil é fechado com grampos de beliscão, e um balde de captura é colocado sob o tubo para gotejamentos. Água morna é adicionada ao funil de vidro. (B) O suporte do anel plástico para a mistura fecal-carvão é então forrado com 3 pedaços de tecidos de laboratório (esquerda). Uma vara de madeira ou depressor de língua (meio) é usado para transferir o conteúdo de uma placa fecal-carvão (à direita) para o suporte do anel de plástico. (C) Um close-up da parte inferior do suporte do anel plástico para a mistura fecal-carvão, mostrando a camada dupla de tule de nylon forrando a parte inferior do suporte. (D) O suporte de carvão fecal é então colocado na parte superior do funil de vidro. (E) O tecido de laboratório é umedecido com água e fechado sobre a mistura fecal-carvão. Mais água morna é adicionada para submergir principalmente o carvão fecal. (F) A configuração completa de Baermann, com a cultura fecal-carvão submerso sob água morna. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
5. Puxar e carregar agulhas de microinjeção: pouco antes da injeção
Figura 3: Agulhas de microinjeção e uma fêmea adulta Strongyloides stercoralis com locais ideais para microinjeção identificadas. (A-F) Imagens de agulhas de microinjeção. (A-B) O eixo (A) e a ponta (B) de uma agulha que é corretamente moldada para microinjeção. A ponta é afiada o suficiente para perfurar a cutícula e estreita o suficiente para não causar danos excessivos. (C-D) O afunilador do eixo (C) e a ponta (D) de uma agulha de microinjeção que é incorretamente moldada para microinjeção. A ponta é muito contundente e larga, e causará danos excessivos ao verme. (E-F) O eixo (E) e a ponta (F) de uma agulha que provavelmente será muito longa e esbelta para trabalhar para microinjeção. A dica em F é muito semelhante à ponta em D. No entanto, o eixo é mais estreito e flexível demais para perfurar efetivamente a cutícula. Além disso, agulhas muito esbeltas entupem facilmente. (G) Uma imagem de todo o verme corretamente posicionada para microinjeção, assumindo que a agulha está vindo da direita. Anterior é para baixo e para a esquerda; a vulva é indicada pela ponta da flecha. A gônda é visível ao longo do lado direito da fêmea. Esta fêmea tem apenas um óvulo no útero (indicado pelo asterisco). (H, I) Vistas ampliadas dos locais de microinjeção. O ângulo da seta aproxima o ângulo da agulha de injeção. A vulva pode ser usada como um marco; está no lado oposto do verme dos braços da gônus. Os braços da gônnad curva ao redor do intestino, e as extremidades com os núcleos divisórias são opostos à vulva. (H) O braço posterior da gônada; (I) o braço anterior. Ou ambos os braços podem ser injetados. Para H, eu, convenções são como em G. Barras de escala = 50 μm (B, D, F, H, I); 100 μm (A, C, E, G). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
6. Preparar o microscópio e quebrar a agulha
NOTA: A microinjeção utiliza um microscópio invertido com objetivos de 5x e 40x equipados com uma configuração de microinjetor para controlar o movimento da agulha. O microscópio invertido deve ser colocado sobre uma mesa pesada ou mesa de ar anti-vibração para reduzir o ruído vibracional. O suporte de agulha microinjetor está conectado ao gás nitrogênio que aplica a pressão necessária para entregar a mistura de microinjeção. Um microscópio de dissecação menor nas proximidades é usado para transferir os vermes.
7. Microinjeção strongyloides
8. Recuperação e cultivo de Strongyloides injetados
9. Coleta e triagem de larvas F 1 para recuperar transgênicos/nocautes
Se o experimento foi bem sucedido, as larvas F1 expressarão o fenótipo de interesse transgênico e/ou mutante (Figura 4). No entanto, as taxas de transformação são altamente variáveis e dependem dos construtos, da saúde dos vermes, das condições de cultivo pós-injeção e da habilidade do experimentador. Em geral, um experimento bem sucedido produzirá > 15 larvas F1 por fêmea injetada e uma taxa de transformação de >3% para marcadores fluorescentes. Se o n...
Este protocolo de microinjeção detalha os métodos para a introdução de construções para transgênese e mutagênese mediada por CRISPR/Cas9 em S. stercoralis e S. ratti. Tanto para S. stercoralis quanto para S. ratti, a sobrevida pós-injeção e a taxa de transgênese ou mutagênese estão sujeitas a várias variáveis que podem ser ajustadas.
A primeira consideração crítica para a transgênese bem sucedida é como transgenes plasmídeos são cons...
Os autores não declaram conflitos de interesse.
pPV540 e pPV402 foram presentes gentis do Dr. James Lok na Universidade da Pensilvânia. Agradecemos a Astra Bryant por comentários úteis sobre o manuscrito. Este trabalho foi financiado por um Burroughs-Wellcome Fund Investigators no Prêmio Patogênese da Doença, um Howard Hughes Medical Institute Faculty Scholar Award, e National Institutes of Health R01 DC017959 (E.A.H.).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
(−)-Nicotine, ≥99% (GC), liquid | Sigma-Aldrich | N3876-5ML | nicotine for paralyzing worms |
3" iron C-clamp, 3" x 2" (capacity x depth) | VWR | 470121-790 | C-clamp to secure setup to bench top |
Agarose LE | Phenix | RBA-500 | agarose for slides |
Bone char, 4 lb pail, 10 x 28 mesh | Ebonex | n/a | charcoal for fecal-charcoal cultures |
Bone char, granules, 10 x 28 mesh | Reade | bonechar10x28 | charcoal for fecal-cultures (alternative to the above) |
Coarse micromanipulator | Narishige | MMN-1 | coarse micromanipulator |
Corning Costar Spin-X centrifuge tube filters | Fisher | 07-200-385 | microfilter column |
Cover glass, 48 x 60 mm, No. 1 thickness | Brain Research Lab | 4860-1 | coverslips (48 x 60 mm) |
Deep Petri dishes, heavy version with 6 vents, 100 mm diameter | VWR | 82050-918 | 10 cm Petri dishes (for fecal-charcoal cultures) |
Eisco retort base w/ rod | Fisher | 12-000-101 | stand for Baermann apparatus |
Eppendorf FemtoJet microinjector microloader tips | VWR | 89009-310 | for filling microinjection needles |
Fisherbrand absorbent underpads | Fisher | 14-206-62 | bench paper (for prepping) |
Fisherbrand Cast-Iron Rings | Fisher | 14-050CQ | Baermann o-ring |
Fisherbrand tri-cornered polypropylene beakers | Fisher | 14-955-111F | Plastic beaker (for mixing) |
Fisherbrand tri-cornered polypropylene beakers | Fisher | 14-955-111F | Plastic beaker (for catch bucket/water bucket) |
Fisherbrand tri-cornered polypropylene beakers | Fisher | 14-955-111F | Plastic beaker (x2) (to make holder) |
Gorilla epoxie in syringe | McMaster-Carr | 7541A51 | glue (to attach tubing) |
Halocarbon oil 700 | Sigma-Aldrich | H8898-50ML | halocarbon oil |
High-temperature silicone rubber tubing for food and beverage, 1/2" ID, 5/8" OD | McMaster-Carr | 3038K24 | tubing (for funnel) |
KIMAX funnels, long stem, 60° Angle, Kimble Chase | VWR | 89001-414 | Baermann funnel |
Kimberly-Clark Professional Kimtech Science benchtop protectors | Fisher | 15-235-101 | bench paper (for prepping) |
Leica stereomicroscope with fluorescence | Leica | M165 FC | GFP stereomicroscope for identifying and sorting transgenic worms |
microINJECTOR brass straight arm needle-holder | Tritech | MINJ-4 | microinjection needle holder |
microINJECTOR system | Tritech | MINJ-1 | microinjection system |
Mongolian Gerbils | Charles River Laboratories | 213-Mongolian Gerbil | gerbils for maintenance of S. stercoralis, male 4-6 weeks |
Nasco Whirl-Pak easy-to-close bags, 18 oz | VWR | 11216-776 | Whirl-Pak sample bags |
Nylon tulle (mesh) | Jo-Ann Fabrics | zprd_14061949a | nylon mesh for Baermann holder |
Platinum wire, 36 Gauge, per inch | Thomas Scientific | 1233S72 | platinum/iridium wire for worm picks |
Puritan tongue depressors, 152 mm (L) x 17.5 mm (W) | VWR | 62505-007 | wood sticks (for mixing samples) |
QIAprep Spin Miniprep Kit (250) | QIAGEN | 27106 | QIAGEN miniprep kit |
Rats-Long Evans | Envigo | 140 HsdBlu:LE Long Evans | rats for maintenance of S. ratti, female 4-6 weeks |
Rats-Sprague Dawley | Envigo | 002 Hsd:Sprague Dawley SD | rats for maintenance of S. ratti, female 4-6 weeks |
Really Useful Boxes translucent storage boxes with lids, 1.6 L capacity, 7-5/8" x 5-5/16" x 4-5/16" | Office Depot | 452369 | plastic boxes for humidified chamber |
Shepherd techboard, 8 x 16.5 inches | Newco | 999589 | techboard |
Stainless steel raised wire floor | Ancare | R20SSRWF | wire cage bottoms |
StalkMarket compostable cutlery spoons, 6", white, pack of 1,000 | Office Depot | 9587303 | spoons |
Stender dish, stacking type, 37 x 25 mm | Carolina (Science) | 741012 | watch glasses (small, round) |
Stereomicroscope | Motic | K-400 LED | dissecting prep scope |
Storage tote, color clear/white, outside height 4-7/8 in, outside length 13-5/8 in, Sterilite | Grainger | 53GN16 | plastic boxes for humidified chamber |
Sutter P-30 micropipette puller | Sutter | P-30/P | needle puller with platinum/iridium filament |
Syracuse watch glasses | Fisher | S34826 | watch glasses (large, round) |
Thermo Scientific Castaloy fixed-angle clamps | Fisher | 05-769-2Q | funnel clamps (2x) |
Three-axis hanging joystick oil hydrolic micromanipulator | Narishige | MM0-4 | fine micromanipulator |
United Mohr pinchcock clamps | Fisher | S99422 | Pinch clamps (2x) |
Vented, sharp-edge Petri dishes (60 mm diameter) | Tritech Research | T3308P | 6 cm Petri dishes (for small-scale fecal-charcoal cultures) |
VWR light-duty tissue wipers | VWR | 82003-820 | lining for Baermann holder |
watch glass, square, 1-5/8 in | Carolina (Science) | 742300 | watch glasses (small, square) |
Whatman qualitative grade plain circles, grade 1, 5.5 cm diameter | Fisher | 09-805B | filter paper (for 6 cm Petri dishes) |
Whatman qualitative grade plain circles, grade 1, 9 cm diameter | Fisher | 09-805D | filter paper (for 10 cm Petri dishes) |
World Precision Instrument borosilicate glass capillary, 1.2 mm x 4 in | Fisher | 50-821-813 | glass capillaries for microinjection needles |
X-Acto Knives, No. 1 Knife With No. 11 Blade | Office Depot | 238816 | X-Acto knives without blades to hold worm picks |
Zeiss AxioObserver A1 | Zeiss | n/a | inverted microscope |
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