Eficiente generación y edición de IPSCs alimentador-libre de las células pancreáticas humanas utilizando el sistema CRISPR Cas9
Summary
Este protocolo se describe en detalle la generación de células libres de huella pluripotentes inducidas (iPSCs) de las células pancreáticas humanas en condiciones libres de alimentador, seguido de edición utilizando ribonucleoproteínas CRISPR/Cas9 y caracterización de la modificación sola célula clones.
Abstract
Células madre pluripotentes embrionarias e inducidas pueden uno mismo-renovar y diferenciarse en múltiples tipos de células del cuerpo. Las células pluripotentes así son codiciadas para la investigación en medicina regenerativa y actualmente en ensayos clínicos para enfermedades oculares, diabetes, enfermedades cardíacas y otros trastornos. El potencial de diferenciarse en tipos celulares especializados juntados con los recientes avances en tecnologías, incluyendo el sistema CRISPR/Cas de edición genómica han proporcionado oportunidades adicionales para adaptar el genoma de iPSC para variadas aplicaciones incluyendo las enfermedades al modelado, terapia génica y sesgar las vías de diferenciación, para nombrar unos pocos. Entre las tecnologías disponibles de la edición, el CRISPR/Cas9 de Streptococcus pyogenes ha surgido como una herramienta de elección para la edición específica del genoma eucariótico. Los CRISPRs son fácilmente accesible, barato y muy eficiente en ediciones específicas de la ingeniería. El sistema requiere una nucleasa Cas9 y una secuencia de guía (20-mer) específica para el objetivo genómico contigua a un 3-nucleotide “NGG” protospacer-adyacente-motivo (PAM) para apuntar Cas9 para el locus genómico deseado, junto con un trazador de enlace Cas9 universal (RNA juntos llamados ARN guía individual o sgRNA). Aquí presentamos un paso a paso el protocolo para la generación eficiente de iPSC alimentador independiente y libre de huella y describir metodologías para la edición del genoma de iPSC usando los complejos de Cas9 ribonucleoproteína (RNP). El genoma edición protocolo es eficaz y puede ser fácilmente multiplexado por sgRNAs pre-secuestrantes para más de un objetivo con la proteína Cas9 y entregar simultáneamente en las células. Por último, se describe un enfoque simplificado para la identificación y caracterización de iPSCs con ediciones deseadas. Tomados en conjunto, las estrategias se deben optimizar la generación y edición de iPSC para múltiples aplicaciones.
Introduction
La reprogramación de células somáticas humanas para el estado de pluripotencialidad por la sobreexpresión de factores de reprogramación ha revolucionado la investigación con células madre con aplicaciones en modelado de enfermedad, medicina regenerativa y desarrollo de medicamentos. Varios métodos de reprogramación no están disponibles para la entrega de factores de reprogramación y generar iPSCs, pero el proceso es mano de obra intensiva y no muy eficiente1. Los métodos virales, aunque eficiente, están asociados con problemas de integración de virus y tumorigenicidad2,3,4. En este manuscrito, Divulgamos el uso de virus Sendai citoplásmico entrega factores y establecer líneas de huella libre iPSC que carecen de integración de cualquier secuencia de vectores virales en sus genomas5. El virus Sendai es un virus ARN que se diluye de pasajes de la célula citoplasma ~ 10 después de la infección y produce factores de reprogramación en abundancia, llevando a la rápida y eficaz reprogramación6,7. IPSCs establecido puede ser transición fácilmente al medio sin alimentador para evitar el uso de fibroblastos embrionarios de ratón (MEFs) como células de alimentador8.
En esta publicación, además de que el virus de Sendai mediada por reprogramación, también Describimos un protocolo mejorado para la edición de iPSCs, que tiene el potencial para suministrar células humanas ilimitadas con modificaciones genéticas deseadas para la investigación. Hemos utilizado tecnología CRISPR/Cas9 para la modificación de iPSCs, que ahora está siendo usada para una amplia gama de aplicaciones incluyendo knock-ins y nocauts, deleciones genómicas a gran escala, combinado biblioteca de descubrimiento de genes, ingeniería genética de numerosos organismos modelo y gene terapia9,10,11. Esta técnica consiste en la formación de complejos de Streptococcus pyogenes-derivadas Cas9 nucleasa y 20-mer guía RNAs que logran el reconocimiento de destino a través de bases con secuencia de genomic destino junto a 3′ nucleótido protospacer adyacente secuencia de adorno (PAM). La nucleasa Cas9 induce un nucleótidos rotura trenzado doble ~ 3 desde el sitio de PAM, que es posteriormente reparado predominante por no homóloga se terminan uniendo vía (NHEJ) a inserciones o deleciones en el marco de lectura abierto y lo funcional Knockout de genes12.
Nuestro protocolo mejorado incluye los detalles para el cultivo de las células pancreáticas humanas, su reprogramación en mitotically inactivado fibroblastos embrionarios de ratón (MEFs) para lograr una mayor eficiencia de reprogramación, la posterior adaptación a la cultura libre de alimentador sobre Matrigel, caracterización de iPSCs establecida, guiada por CRISPR RNA diseño y preparación, entrega en iPSCs como complejos de RNP, única célula clasificación para generar líneas clonales de iPSCs editado, fácil detección e identificación de ediciones y caracterización de clones de la célula. Deleciones genómicas eficientemente se obtuvieron en este estudio por la introducción de la proteína Cas9 y dos complejos CRISPR sgRNA RNP para inducir roturas trenzados doble (distritales) y supresión de la intervención del segmento. Este método capitaliza el uso de dos guías para generar deleciones en el marco de lectura abierto, alta eficiencia de NHEJ a bajo número de clones necesidad de ser caracterizado y fácil proyección preliminar de clones por el capilar automatizado unidad de electroforesis, analizador de fragmento. Estos genoma eficaz edición de métodos para generar modelos de enfermedades humanas basadas en células madre se convertirá pronto en un enfoque estándar y de rutina en cualquier laboratorio de células madre. Finalmente, la edición del genoma exacto hará posible ir más allá de los modelos de enfermedad de célula de vástago y potencialmente podría ayudar a catalizar las terapias basadas en células.
Protocol
Representative Results
Discussion
Reprogramación de células somáticas humanas iPSCs ha proporcionado un gran impulso a los campos de investigación de la biología básica, medicina personalizada, enfermedades modelado, desarrollo de medicamentos y medicina regenerativa16. Muchos métodos actuales y ampliamente utilizados de generación de iPSC humano requieren el uso de virus con el riesgo de la integración en el genoma del anfitrión o episomal vectores con baja eficiencia de reprogramación. Aquí, presentamos un método ef…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Trabajo en el laboratorio fue apoyado por beca de postdoctorado para Dr. Anjali Nandal y concesión exploración del fondo de investigación de la célula de vástago de Maryland a BT (TEDCO).
Materials
| Sendai viral vectors – CytoTune-iPS 2.0 Kit | Invitrogen | A16517 | Thaw on ice; S No: 1 |
| Trypsin EDTA | Gibco Life Tech | 25300-054 | 0.05%, 100 ml; S No: 2 |
| Rock inhibitor (Y-27632) | Milipore | SCM075 | Use 10 μM; S No: 3 |
| DMEM/F-12 medium | Invitrogen | 11330-032 | S No: 4 |
| Serum replacement (KSR) | Gibco | 10828028 | S No: 5 |
| DMEM | Invitrogen | 11960069 | 1X; S No: 6 |
| Fetal bovine serum | Thermo Scientific | SH30071.03 | Aliquot; S No: 7 |
| L-glutamine (Glutamax, 100X), liquid | Thermo Scientific | 35050061 | 1/100; S No: 8 |
| Non-Essential Amino Acids | Gibco | 11140-050 | 1/100; S No: 9 |
| 2-Mercaptoethanol | Gibco | 21985023 | 55 mM, 1/1,000; S No: 10 |
| Hausser Hemacytometers | Hausser Scientific | 02-671-54 | S No: 11 |
| 0.1% Gelatin Solution | STEMCELL Technologies | 7903 | Incubate at 37º C for 1 hour; S No: 12 |
| SSEA-4 antibody | Santacruz | sc-21704 | 1/100; S No: 13 |
| TRA-1-81 antibody | Cell Signaling | 4745S | 1/200; S No: 14 |
| OCT4 antibody | Santa Cruz | sc-5279 | 1/1,000; S No: 15 |
| Collagen I, Rat Tail | Life Technologies | A10483-01 | Keep cold; S No: 16 |
| Alexa Fluor fluorescent 488/ 568 (secondary antibodies) | Invitrogen | A21202/A10042 | 1/2,000; S No: 17 |
| DPBS | Hyclone | SH30028LS | 1X; S No: 18 |
| 100-mm tissue culture dish | Falcon | 353003 | S No: 20 |
| 96-well tissue culture plate | Falcon | 353078 | S No: 21 |
| 6-well tissue culture plate | Falcon | 353046 | S No: 22 |
| Dissecting scope | Nikon | SMZ745 | S No: 23 |
| Picking hood | NuAire | NU-301 | S No: 24 |
| 15 ml Centrifuge Tube | Greiner Bio-One | 188271 | S No: 25 |
| 50 ml Centrifuge Tube | Greiner Bio-One | 227261 | S No: 26 |
| Sodium pyruvate | Invitrogen | 11360 | S No: 28 |
| β-mercaptoethanol | Sigma | M7522 | S No: 29 |
| Prigrow III medium | ABM | TM003 | S No: 31 |
| Countess™ Cell Counter | Invitrogen | C10227 | S No: 32 |
| Faxitron X-ray system | Faxitron | CellRad | S No: 33 |
| Accutase | Innovative cell Technologies | AT-104 | S No: 34 |
| Collagenase | Life Technologies | 17104019 | 1mg/ml stock; S No: 35 |
| Dispase | STEMCELL Technologies | 7923 | S No: 36 |
| hESC qualified matrigel | BD Biosciences | 354277 | To dilute, use cold DMEM/F-12; S No: 37 |
| bFGF | R & D | 233-FB | Stock 10 ug/ml; S No: 38 |
| Paraformaldehyde | EMS | 15710 | 4% stock in PBS; S No: 39 |
| TRA-1-60 | Santa Cruz | sc-21705 | 1/100; S No: 40 |
| NANOG | ReproCELL | RCAB0004P-F | 1/100; S No: 41 |
| Tween 20 | Sigma | P9416-100ML | S No: 42 |
| Alkaline Phosphatase kit | Stemgent | 00-0055 | S No: 43 |
| Cas9 protein | PNA Bio | CP01-50 | Thaw and aliquot; S No: 44 |
| Goat or donkey serum | Sigma | D9663/G9023 | S No: 45 |
| Triton X-100 | Sigma | X100-100ML | S No: 46 |
| DAPI | Thermo Scientific | D1306 | S No: 47 |
| Tris | Sigma | 9285-100ML | S No: 48 |
| NaCL | Sigma | S7653-250G | S No: 49 |
| EDTA | Sigma | BP2482-500 | S No: 50 |
| T4 DNA ligase | NEB | M0202T | S No: 51 |
| Mega Shortscript T7 kit | Thermo Scientific | AM1354 | S No: 52 |
| Mega Clear kit | Thermo Scientific | AM1908 | S No: 53 |
| SMC4 | BD Biosciences | 354357 | S No: 54 |
| Fibronectin | STEMCELL Technologies | 7159 | S No: 55 |
| CloneJET cloning kit | Thermo Scientific | K1232 | S No: 56 |
| Fragment analyzerTM | Advanced Analytical | S No: 57 | |
| mTeSR1 medium kit | STEMCELL Technologies | 5850 | Warm to room temperature; S No: 58 |
| Freezing medium mFreSR™ | STEMCELL Technologies | 5855 | S No: 59 |
| Freezing medium CryoStor® | STEMCELL Technologies | 7930 | S No: 60 |
| MEFs | Globalstem | GSC-6301G | S No: 61 |
| L-glutamine | Invitrogen | 25030081 | S No: 62 |
| Human pancreatic cells | ABM | T0159 | S No: 63 |
| STEMdiff™ Neural Induction Medium | Stemcell Technologies | 5835 | S No: 64 |
| RPMI | Thermofisher | 11875-093 | S No: 65 |
| 2% B27-insulin | Thermofisher | A1895601 | S No: 66 |
| CHIR99021 | Stemcell Technologies | 72052 | S No: 67 |
| IWP4 | Stemcell Technologies | 72552 | S No: 68 |
| 2% B27 | Thermofisher | 17504044 | S No: 69 |
| MCDB 131 | Life Technologies | 10372019 | S No: 70 |
| Sodium bicarbonate | Sigma-Aldrich | S8761-100ML | S No: 71 |
| Glucose | Sigma-Aldrich | G8270-100G | S No: 72 |
| BSA | Proliant | 68700 | S No: 73 |
| GDF8 | Pepro-Tech | 120-00 | S No: 74 |
| TUJ1 antibody | EMD Milipore | AB9354 | S No: 75 |
| NKX2-5 antibody | Santa Cruz | Sc-14033 | S No: 76 |
| SOX17 antibody | R & D systems | AF1924 | S No: 77 |
| Propidium iodide | Thermo Scientific | P3566 | S No: 78 |
| Amaxa 4D-nucleofector™ | Lonza | AAF-1002 | S No: 79 |
| FACSAria II (cell sorter) | BD biosciences | SORP UV | S No: 80 |
References
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