Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
В данной статье мы описываем методологию нокаутирования интересующего гена в иммунной системе с использованием технологий на основе кластеризованных регулярно чередующихся коротких палиндромных повторов (CRISPR)/CRISPR-ассоциированной эндонуклеазы (Cas9), а также оценку этих мышей в модели агонистического колита, индуцированного кластером дифференцировки 40 (CD40).
Иммунная система функционирует для защиты человека от чужеродных захватчиков, таких как бактерии и вирусы. Однако нарушения иммунной системы могут привести к аутоиммунным заболеваниям, воспалительным заболеваниям и раку. Воспалительные заболевания кишечника (ВЗК) – болезнь Крона (БК) и язвенный колит (ЯК) – это хронические заболевания, характеризующиеся рецидивирующим воспалением кишечника. Хотя ВЗК наиболее распространена в западных странах (1 на 1000), уровень заболеваемости растет во всем мире. Благодаря исследованиям ассоциаций ученые связали сотни генов с патологией ВЗК. Тем не менее, сложная патология, лежащая в основе ВЗК, и большое количество потенциальных генов создают значительные проблемы в поиске наилучших терапевтических мишеней. Кроме того, инструменты, необходимые для функциональной характеристики каждой генетической ассоциации, вводят множество ограничивающих скорость факторов, таких как генерация генетически модифицированных мышей для каждого гена. Для исследования терапевтического потенциала генов-мишеней была разработана модельная система с использованием кластеризованных регулярно чередующихся коротких палиндромных повторов (CRISPR)/CRISPR-ассоциированной эндонуклеазы (Cas9) и кластерного агонистического антитела дифференцировки 40 (CD40). Настоящее исследование показывает, что CRISPR/Cas9-опосредованное редактирование в иммунной системе может быть использовано для изучения влияния генов in vivo. Ограниченный кроветворным компартментом, этот подход надежно редактирует полученную восстановленную иммунную систему. Мыши, отредактированные с помощью CRISPR/Cas9, генерируются быстрее и стоят гораздо дешевле, чем традиционные генетически модифицированные мыши. Кроме того, редактирование мышей с помощью CRISPR/Cas9 имеет значительные научные преимущества по сравнению с генерированием и разведением генетически модифицированных мышей, такие как способность оценивать мишени, которые являются эмбрионально летальными. Используя CD40 в качестве модельной мишени в модели колита, индуцированного агонистическими антителами CD40, данное исследование демонстрирует осуществимость этого подхода.
Аутоиммунные заболевания относятся к состояниям, при которых иммунная система пациента атакует собственные клетки и органы, что приводит к хроническому воспалению и повреждению тканей. На сегодняшний день описано около 100 различных типов аутоиммунных заболеваний, поражающих 3-5% человеческой популяции1. Многие аутоиммунные заболевания, включая системную красную волчанку и ВЗК, не имеют эффективного лечения и представляют собой значительные неудовлетворенные медицинские потребности. В настоящее время ВЗК поражает около 1,5 миллиона человек только в США и является разрушительным заболеванием, характеризующимся прогрессирующим, стойким и рецидивирующим воспалением кишечника, которое не имеет доступного лечения. Разгадка основного патогенеза и патофизиологии необходима для разработки новых стратегий лечения и профилактики, которые требуются пациентам с ВЗК 2,3.
Более 230 различных локусов ВЗК были идентифицированы с помощью полногеномного ассоциативного анализа (GWAS)4. Несмотря на то, что эти ассоциации позволили выявить новые гены, которые потенциально играют важную роль в ключевых механизмах и путях ВЗК, было изучено лишь несколько генов из этих локусов. Некоторые гены были вовлечены в определенные пути. Например, чувствительный к микробам путь был связан с нуклеотид-связывающим белком 2, содержащим домен олигомеризации 2 (NOD2); путь аутофагии был связан с аутофагией, связанным с 16 как 1 (ATG16L1), иммунитет-ассоциированным семейством GTPase M (IRGM) и членом семейства 9 домена рекрутирования каспазы (CARD9); и провоспалительный путь был связан с интерлейкиновыми (IL)-23-управляемыми Т-клеточнымиответами 4. Различные мышиные модели in vivo были использованы для функциональной характеристики генов, идентифицированных с помощью GWAS 5,6.
Одной из ключевых моделей, используемых для изучения патогенеза 7,8 ВЗК, является CD40-модель колита, которая индуцирует врожденное иммунное воспаление кишечника после инъекции агонистического антитела CD40 иммунодефицитным (Т- и В-клеточным) мышам. В первую очередь используется для изучения вклада врожденного иммунитета в развитие ВЗК, в основном макрофагов и дендритных клеток9, поэтому неясно, может ли заболевание быть индуцировано у полностью иммунокомпетентных мышей дикого типа (WT). В дополнение к животным моделям, для функциональной характеристики гена также требуются геноспецифические инструменты, включая химические соединения и биологические препараты. Что еще более важно, генетически модифицированные животные играют важную роль в раскрытии функции конкретного гена. Тем не менее, стратегии, обычно используемые для инъекции и разведения генетически модифицированных эмбрионов мышей, часто занимают более года и влекут за собой значительные финансовые затраты. Этот процесс ограничения скорости представляет собой значительную проблему в стремлении выяснить функции генов, связанных с ВЗК, идентифицированных GWAS.
Представленный здесь протокол представляет собой жизнеспособную альтернативу разведению генетически модифицированных мышей. Во-первых, как показано на рисунке 1 , из костного мозга мышей с нокином Cas9 (KI), несущих специфический аллель (CD45.2), выделяют линейно-отрицательные, положительные на антиген стволовых клеток, положительные на рецептор тирозинкиназы Kit (lineage-Sca1+c-Kit+ или LSK) из костного мозга мышей с нокином Cas9 (KI), чтобы обеспечить отслеживание иммунных клеток донора. Затем эти клетки подвергаются воздействию лентивирусов, несущих различные направляющие РНК (гРНК) и флуоресцентный маркер, фиолетово-возбуждаемый зеленый флуоресцентный белок (VexGFP), чтобы можно было отслеживать трансдуцированные клетки. Через два дня клетки VexGFP+ сортируют и вводят облученным мышам-реципиентам Ly5.1 Pep Boy, которые представляют собой мышей C57Bl/6, несущих аллель CD45.1, позволяющий отслеживать иммунные клетки реципиента. Двенадцать недель спустя иммунная система полностью восстанавливается, и мышей можно регистрировать в моделях in vivo.
В дополнение к экономии средств и более быстрому производству по сравнению с генерированием и разведением генетически модифицированных животных, эта методология идеально подходит для мишеней, которые являются эмбрионально летальными, поскольку она специально нацелена на гемопоэтический компартмент. Кроме того, для мишеней, для которых нет доступных инструментов, таких как антитела, эта система обеспечивает осуществимый подход. Таким образом, для решения описанных до сих пор проблем была разработана платформа для редактирования генома in vivo на основе CRISPR/Cas9 для быстрого создания генетически модифицированных моделей животных 10,11,12,13,14. Это исследование демонстрирует, что воспаление кишечника у мышей WT C57Bl/6 может быть вызвано агонистическим антителом CD40. CD40 является ключевым регулятором заболевания в этой модели и поэтому был использован в качестве модельной мишени для валидации нокаута и потери функции гена на основе CRISPR/Cas9.
Все эксперименты на животных, проводимые в соответствии с этим протоколом, должны быть одобрены соответствующим Институциональным комитетом по уходу за животными и их использованию (IACUC). Все описанные здесь процедуры были одобрены IACUC компании AbbVie.
1. Получение необходимых лентивирусов и закупка животных-доноров и реципиентов
ПРИМЕЧАНИЕ: Таблица материалов содержит информацию об источнике и номере заказа для всех животных, инструментов и реагентов, используемых в этом протоколе.
2. Забор костного мозга и подготовка к сортировке клеток
3. Сортировка клеток для выделения клеток LSK для трансдукции
4. Трансдукция и культивирование LSK для получения контрольных и нокаутных клеток
5. Облучение животных для подготовки к приживлению донорских стволовых клеток
6. Подготовка клеток и инъекция облученным животным-реципиентам
7. Модель колита, индуцированного агонистическими антителами CD40, у мышей дикого типа
ПРИМЕЧАНИЕ: Ежедневно взвешивайте и оценивайте животных. При необходимости обеспечьте поддерживающую терапию: 1,0 мл подкожного раствора натрия хлорида при 10% потере веса или при обезвоживании. Положительным контролем для этой модели является введение анти-p40 внутрибрюшинно в дозе 25 мг/кг два раза в неделю, начиная с -1 дня.
Примечание: В этом исследовании экспериментальные группы включали наивный контроль, контрольную группу с носителем (отрицательный) и контрольную группу против p40 (положительную). Вместе эти группы контролируют нормальное поведение модели колита, индуцированного агонистическими антителами CD40. Группы Vector, SgNone и SgRNA: Векторный контроль для общего лентивирусного вектора, SgNone представляет собой зашифрованный нецелевой контроль, а группы SgРНК являются «лечебными» группами с пониженной экспрессией целевой гРНК.
После описанной выше процедуры были получены мыши, экспрессирующие CD40-таргетную гРНК. Ко 2-й неделе были привиты В-клетки, макрофаги CD11b+ и дендритные клетки (ДК) CD11c+ (рис. 2). Однако, как и ожидалось на основе предыдущей литературы
Показанные здесь результаты представляют собой новую платформу для редактирования генома на основе CRISPR/Cas9, способную исследовать функцию генов в этой модели колита, индуцированного агонистическими антителами CD40. Сортировка клеток обогатила пул генетически модифиц...
Разработка, проведение исследования и финансовая поддержка были предоставлены компанией AbbVie. Компания AbbVie принимала участие в интерпретации данных, рассмотрении и утверждении публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Благодарим Руоци Пэна, Донну Маккарти, Джейми Эриксона, Лиз О'Коннор, Роберта Дунстана, Сьюзан Уэстморленд и Тарика Гаюра за ваши усилия в поддержку этой работы. Благодарим лидеров фармакологии, включая Раджеша Каматха и других, за их лидерство в создании модели колита, индуцированного агонистическими антителами CD40, у мышей WT C57Bl/6. Кроме того, мы благодарим всех сотрудников Центра биоисследований AbbVie и Кембриджского исследовательского центра в Восточном отделе сравнительной медицины, которые поддерживают эксперименты in vivo.
Мы хотели бы поблагодарить лабораторию Чжана из Института Броуда и Институт исследований мозга Макговерна при Массачусетском технологическом институте за предоставленные реагенты CRISPR [мультиплексная геномная инженерия с использованием систем CRISPR/Cas. Конг, Л., Ран, Ф.А., Кокс, Д., Лин С., Барретто, Р., Хабиб Н., Сюй.Д., Ву С., Цзян В., Марраффини Л.А., Чжан Ф. Наука. 3 января 2013 года].
Name | Company | Catalog Number | Comments |
6-well tissue culture plates | Corning/Costar | #3506 | |
TransIT-LT1 | Mirus Bio | MIR 2300/5/6 | |
MACS Buffer (autoMACS Running Buffer) | Miltenyi Biotec | 130-091-221 | |
0.45 µm filter unit | Millipore | #SLHV013SL | |
0.6 mL microcentrifuge Tube | Axygen | MCT-060-C-S | |
1.5 mL Eppendorf Tube | Axygen | MCT-150-C-S | |
15mL Conical | VWR | 21008-918 | |
23 G Needle | VWR | #305145 | |
24 Well Non-TC Plates | Falcon | #351147 | |
24-Well TC Plates | Falcon | #353047 | |
50 mL Conical tube | VWR | 21008-951 | |
5 mL Syringe | BD Biosciences | #309647 | |
70 µm Filter | Miltenyi | #130-098-462 | |
96-Well Flat Bottom Plates | Corning | #3599 | |
96-Well U-Bottom Plates | Corning/Costar | #3365 | |
Anesthesia Machine | VetEquip - COMPAC5 | #901812 | |
Anti-CD40 Agonist monoclonal antibody | BioXcell | BE-0016 | |
Anti-p40 monoclonal antibody | BioXcell | BE-0051 | |
B220 PE Antibody | BioLegend | #103208 | |
Bovine serum albumin | Sigma Aldrich | A7906-100G | |
Cas9 Knock-in Mice | Jackson Labs | #026179 | C57Bl/6 background |
CD117+ Beads | Miltenyi | #130-091-224 | |
CD11b PE Antibody | BioLegend | #101208 | |
CD3 PE Antibody | BD Biosciences | #553240 | |
Centrifuge | Beckman Coulter | Allegra 6KR Centrifuge | |
Countertop Centrifuge | Eppendorf | Centrifuge 5424 | |
DPBS | ThermoFisher | #14190136 | |
Dulbecco’s Modified Eagle Medium | Mediatech | #10-013-CV | |
Ethylenediamine tetraacetic acid (EDTA) | Invitrogen | AM9260G | |
Endoscope | Karl Storz | N/A | Custom Coloview Tower |
Flow cytometer | BD Biosciences | FACS Aria II | |
Fms-related tyrosine kinase 3 ligand (Flt-L) | PeproTech | #250-31L | |
Gr-1 PE Antibody | BD Biosciences | #553128 | |
Hank's balanced salt solution (HBSS) | ThermoFisher | #14170120 | |
Heat-Inactivated Fetal Bovine Serum | HyClone | #SH30071.03 | |
IL-7 | PeproTech | #217-17 | |
Incubator | Binder | #9040-0116 | |
Isoflurane | HenrySchein | #6679401710 | |
LS Column | Miltenyi | #130-042-041 | |
Ly5.1 Pepboy Mice | Jackson Labs | #002014 | C57Bl/6 background |
mouse stem cell factor (mSCF) | PeproTech | #250-03 | |
Sodium chloride (NaCl) | Hospira | #00409488850 | |
OPTI-MEM serum-free media | Invitrogen | #31985-070 | |
Penicillin-streptomycin (PenStrep) | ThermoFisher | #15140-122 | |
Plate Shaker | ThermoFisher | #88880023 | |
pLentiPuro | Addgene | #52963 | |
Polybrene (10 µg/µL) | Sigma Aldrich | #TR-1003-G | |
Red Blood Cell Lysis Buffer | eBioscience | #00-4333 | |
Retronectin | Takarbio | #T100B | |
Sca-1 APC Antibody | BioLegend | #108112 | |
StemSpan | StemCell Technologies | #09600 | |
Ter119 PE Antibody | eBioscience | #12-5921 | |
Thrombopoietin (TPO) | PeproTech | #315-14 | |
X-ray Irradiator | Precision X-Ray | X-Rad 320 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены