La transfección, selección y Colonia-cosecha de células madre humanas pluripotentes inducidas TALEN dirigidos con un gen GFP en el puerto seguro AAVS1

Summary

TALEN-mediated gene editing at the safe harbor AAVS1 locus enables high-efficiency transgene addition in human iPSCs. This protocol describes the procedures for preparing iPSCs for TALEN and donor vector delivery, transfecting iPSCs, and selecting and isolating iPSC clones to achieve targeted integration of a GFP gene to generate reporter lines.

Abstract

Targeted transgene addition can provide persistent gene expression while circumventing the gene silencing and insertional mutagenesis caused by viral vector mediated random integration. This protocol describes a universal and efficient transgene targeted addition platform in human iPSCs based on utilization of validated open-source TALENs and a gene-trap-like donor to deliver transgenes into a safe harbor locus. Importantly, effective gene editing is rate-limited by the delivery efficiency of gene editing vectors. Therefore, this protocol first focuses on preparation of iPSCs for transfection to achieve high nuclear delivery efficiency. When iPSCs are dissociated into single cells using a gentle-cell dissociation reagent and transfected using an optimized program, >50% cells can be induced to take up the large gene editing vectors. Because the AAVS1 locus is located in the intron of an active gene (PPP1R12C), a splicing acceptor (SA)-linked puromycin resistant gene (PAC) was used to select targeted iPSCs while excluding random integration-only and untransfected cells. This strategy greatly increases the chance of obtaining targeted clones, and can be used in other active gene targeting experiments as well. Two weeks after puromycin selection at the dose adjusted for the specific iPSC line, clones are ready to be picked by manual dissection of large, isolated colonies into smaller pieces that are transferred to fresh medium in a smaller well for further expansion and genetic and functional screening. One can follow this protocol to readily obtain multiple GFP reporter iPSC lines that are useful for in vivo and in vitro imaging and cell isolation.

Introduction

La capacidad de reprogramar células somáticas humanas en células madre pluripotentes inducidas similares a células madre embrionarias (células iPS) fue descubierto por primera vez por Takahashi et al. En 2007 ^1. Fibroblastos dérmicos humanos transducidas con retrovirus que expresa cuatro factores de transcripción (El Yamanaka así apodado-Factores Oct3 / 4, Sox2, se muestra c-Myc, y Klf4) para ser muy similares a las células madre embrionarias humanas (hESCs) basándose en la morfología, proliferación, expresión génica, y el estado epigenética; crucialmente, iPSCs también son capaces de diferenciarse en células de las tres capas germinales ^1. La capacidad potencial y la diferenciación de proliferación de células iPS los hace herramientas muy atractivos; mediante la reprogramación de células de pacientes que sufren de enfermedades específicas, iPSCs se pueden utilizar tanto como sistemas modelo in vitro de la enfermedad y como agentes terapéuticos potenciales.

Para este último propósito, varios asuntos deben ser abordados antes de que el pleno potencial de iPSCsen un entorno clínico puede realizarse; el potencial tumorigénico de hESCs cultivadas in vitro y CMPI, el uso de derivados xenogénicos durante la reprogramación celular y el mantenimiento, y la necesidad de realizar un seguimiento de las células trasplantadas in vivo son todos los obstáculos cruciales para la aplicación clínica de células madre pluripotentes (Revisado por Hentze et al. ^2). Una solución ideal a la necesidad para el seguimiento de las células diferenciadas post-trasplante implicaría un marcador visualmente detectable que se resiste a silenciar y variegación independientemente de la aplicación. Expresión robusta y sostenida de transgenes integrados es más fácilmente alcanzable cuando se introduce ADN exógeno en loci puerto seguro; es decir, sitios genómicos que permiten la transcripción suficiente de un vector integrado, mientras que al mismo tiempo mitigar perturbaciones de expresión en genes vecinos ^3. Uno de esos sitios que ha sido muy bien caracterizado desde su descubrimiento es la integr virus adeno-asociadoEl sitio ación 1 (AAVS1), en el primer intrón de la 1 12C subunidad reguladora de genes (PPP1R12C) la proteína fosfatasa. Este locus ha sido demostrado no sólo para permitir la expresión robusta de transgenes integrados a través del tiempo extendido en la cultura y en la diferenciación in vitro sostenido y ^3, sino también para proteger rodea genes de perturbación transcripcional ^4; ambas características se cree que es debido a la presencia de elementos aislantes de la cromatina endógenos que flanquean el sitio AAVS1 ^5.

Los avances en las herramientas de ingeniería del genoma más sólo la última década han facilitado en gran medida la facilidad y eficiencia con que las manipulaciones genéticas en cualquier tipo de célula se puede lograr. Mientras que los experimentos exitosos primeros basaron en extremadamente bajos niveles de recombinación homóloga endógena (HR) con un donante introducido para lograr la orientación de genes en los CES ^6,7, el uso de nucleasas específicas de sitio, tales como nucleasas de dedos de zinc (ZFNs), que signinificativamente inducir la recombinación homóloga a través de la generación de una rotura del DNA de doble cadena ha aumentado en gran medida la eficiencia de tales experimentos ^8,9. La reutilización de ambos tipo activador de transcripción efectores (cuentos) de planta patógeno Xanthomonas géneros y los agrupados interspaced regularmente repeticiones palindrómicas cortas procariotas (CRISPR) / sistema Cas9 en nucleasas de diseño específicos del sitio eficientes ha hecho la orientación de genes en células madre pluripotentes un accesible y metodología practicable ^10-13.

Un reciente documento describe un método eficaz para la integración estable de un reportero de cassette verde fluorescente en el AAVS1 locus puerto seguro en iPS humanas utilizando nucleasas TALE (Talens) ^14. Estos iPSCs dirigidos mantuvieron su fluorescencia incluso después de la diferenciación dirigida a cardiomiocitos y trasplante en un modelo de ratón de infarto de miocardio (MI), proporcionando una fuerte evidencia de la utilidad de talesestablemente células madre pluripotentes fluorescente ^14. Para obtener colonias específicas, se utilizó un método para atrapar genes en el que un corte y empalme-aceptor (SA), secuencia de péptido autoescindible 2A coloca el puromicina N-acetil-transferasa gen (PAC) bajo el control del promotor endógeno PPP1R12C; Por lo tanto, sólo iPSCs que han incorporado el donante de ADN en el locus AAVS1 expresan PAC, haciéndolos seleccionable basado en puromicina-resistencia; (Figura 1, ^15). Este protocolo detalla los procedimientos de generación de AAVS1-GFP iPSCs informó en el documento reciente ^14, incluido el proceso de transfección de células iPS con Talens y un donante de 9,8 kb para integrar un fragmento de ADN de 4,2 kb en el locus AAVS1 puerto seguro, la selección de iPSCs basados ​​en puromicina-resistencia, y las colonias de la cosecha por la expansión clonal. Las técnicas descritas en el presente documento pueden aplicarse a muchos experimentos de ingeniería del genoma.

Protocol

1. Preparación del Sótano matriz de la membrana y de revestimiento de Material de plástico Coloque la matriz de la membrana basal madre congelada de -20 ° C en hielo y descongelar la noche a 4 ° C. Después de la descongelación, la pipeta 2 mg alícuotas de matriz de membrana basal en tubos Eppendorf pre-refrigerados. Almacenar estos en -20 ° C hasta que se necesite. Para preparar las placas de matriz recubierto de la membrana basal, descongelar una alícuota sobre hielo hasta el ú…

Representative Results

Una visualización del protocolo se proporciona en la Figura 2, con períodos durante los cuales iPSCs se cultivan en medio diferente puesto de manifiesto por cualquiera de verde para E8 o azul para NutriStem. Es importante para transfectar sólo iPSCs de alta calidad; examinar placas de cultivo de todo el mantenimiento de rutina y verificar que las culturas IPSC contienen colonias principalmente distintas que llevan una morfología de adoquines como (Figura 3A); células diferenciadas …

Discussion

The most critical steps for the successful generation of AAVS1 safe-harbor targeted human iPSCs are: (1) efficiently delivering TALEN and donor plasmids into iPSCs by transfection; (2) optimizing dissociation of iPSCs into single cells before transfection and plating density after transfection; (3) optimizing dose and time of drug-selection based on the growth of iPSC line; (4) carefully dissecting and picking targeted colonies and transferring to new plate/well. Compared to similar methods used in Hockemeyer’s pap…

Materials

NAME OF MATERIAL/EQUIPMENT	COMPANY	CATALOG #	COMMENTS/DESCRIPTION
Matrigel Growth Factor Reduced (GFR) Basement Membrane Matrix, *LDEV-Free, 10mL	Corning	354230	Store at -20°C.
DMEM/F-12	Life Technologies	11320-033	Store at 4°C.
Costar 6 Well Clear TC-Treated Multiple Well Plates	Corning	3506
Essential 8 Medium	Life Technologies	A1517001	Store basal medium at 4°C. Store supplement at -20°C.
Y-27632 dihydrochloride	Tocris	1254	Store at room temp. Once dissolved in H2O, store at -20°C.
Sodium Chloride	Sigma	S5886-500G
UltraPure 0.5M EDTA, pH 8.0	Life Technologies	15575-020
DPBS, no calcium, no magnesium	Life Technologies	14190-250
100mm TC-Treated Culture Dish	Corning	430167
DR4 MEF 2M IRR – Academic	GlobalStem	GSC-6204G	Store in liquid Nitrogen.
DMEM, high glucose, pyruvate	Life Technologies	11995-040	Store at 4°C.
Defined Fetal Bovine Serum, US Origin	HyClone	SH30070.03	Store at -20°C. Thaw at 4°C overnight and aliquot. Store aliquots at -20°C until needed.
MEM Non-Essential Amino Acids Solution (100X)	Life Technologies	11140-050	Store at 4°C.
4D-Nucleofector Core unit	Lonza	AAF-1001B	part of the electroporation system
4D-Nucleofector X unit	Lonza	AAF-1001X	part of the electroporation system
P3 Primary Cell 4D-Nucleofector X Kit L (24 RCT)	Lonza	V4XP-3024	Upon arrival, remove Primary Cell Solution and supplement and store at 4°C.
StemPro Accutase Cell Dissociation Reagent	Life Technologies	A1110501	Store at -20°C. Thaw overnight at 4°C and warm an aliquot in a 37°C water bath before use.
NutriStem XF/FF Culture Medium	Stemgent	01-0005	Store at -20°C. Thaw overnight at 4°C
AAVS1 TALENs (pZT-AAVS1-L1 and pZT-AAVS1-R1)	Addgene	52637 and 52638
AAVS1-CAG-EGFP Homologous Recombination donor	Addgene	22212
Puromycin Dihydrochloride	Life Technologies	A11138-03	Store at -20°C. Prepare working aliquots of 1 mg/mL in ddH2O.
Disposable Borosilicate Glass Pasteur Pipets	Fisher Scientific	13-678-20A
Sorvall Legend XTR (Refrigerated), 120V 60Hz	Thermo Scientific	75-004-521
TX-750 4 × 750mL Swinging Bucket Rotor	Thermo Scientific	75003607
Trypan Blue Solution, 0.4%	Life Technologies	15250-061