Summary

利用 CRISPR-Cas9 系统高效生成和编辑人胰细胞无饲养干细胞

Published: November 08, 2017
doi:

Summary

本协议详细描述了在无饲养条件下从人类胰腺细胞中生成无足迹诱导多能干细胞 (干细胞), 其次是使用 CRISPR/Cas9 均一进行编辑和修饰单细胞克隆。

Abstract

胚胎和诱导多能干细胞可以自我和分化成多个细胞类型的身体。因此, 多能细胞在再生医学研究中备受青睐, 目前正处于眼部疾病、糖尿病、心脏病和其他疾病的临床试验中。分化成专门的细胞类型的潜能, 加上基因组编辑技术的最新进展, 包括 CRISPR/Cas 系统, 为不同应用的 iPSC 基因组的剪裁提供了更多的机会包括疾病建模, 基因治疗, 和偏微分的途径, 命名为少数。在可用的编辑技术中, 来自链球菌化脓的 CRISPR/Cas9 已成为 site-specific 编辑真核基因组的首选工具。CRISPRs 是易于访问, 低廉, 高效的工程目标编辑。该系统需要一个 Cas9 核酸和一个引导序列 (20) 特定的基因组目标邻接一个3核苷 “NGG” protospacer 相邻主题 (PAM) 的目标 Cas9 到期望的基因组所在地, 旁边的通用 Cas9 结合示踪 RNA (一起被称为单一指南 RNA 或 sgRNA)。在这里, 我们提出了一个 step-by-步骤协议, 有效地生成馈线无关和无足迹 iPSC 和描述方法的基因组编辑 iPSC 使用 Cas9 核糖 (RNP) 配合物。基因组编辑协议是有效的, 可以很容易地复用 pre-complexing sgRNAs 为多个目标与 Cas9 蛋白, 同时传递到细胞。最后, 我们描述了一个简化的方法, 以识别和表征干细胞与所需的编辑。两者结合在一起, 预计将简化 iPSC 的生成和编辑, 以用于多种应用。

Introduction

通过重编程因子的过度表达, 将人体细胞重新编程为多能状态, 使干细胞研究在疾病建模、再生医学和药物开发等领域有了革命性的改变。一些病毒重新编程的方法可以提供重新编程的因素和生成干细胞, 但该过程是劳动密集型, 而不是非常有效的1。病毒方法虽然很有效, 但却与集成和瘤234的问题有关。在这篇手稿中, 我们报告了使用胞质仙台病毒提供重新编程的因素和建立无足迹 iPSC 线, 没有任何病毒载体序列集成到他们的基因组5。仙台病毒是一种 RNA 病毒, 被稀释出来的细胞细胞质〜10通道感染后, 产生了丰富的重编程因素, 导致快速和有效的重新编程6,7。建立的干细胞可以很容易地转换为无饲养介质, 以避免使用小鼠胚胎成纤维细胞 (MEFs) 作为饲养细胞8

在本刊物中, 除了概述仙台病毒介导的重新编程, 我们还描述了一个改进的编辑干细胞的协议, 它有可能提供无限的人类细胞与期望的基因改造的研究。我们已经使用 CRISPR/Cas9 技术的修改干细胞, 这是现在被用于广泛的应用, 包括敲门和敲除, large-scale 基因组删除, 汇集图书馆筛选的基因发现, 基因工程许多模型有机体和基因疗法9,10,11。这项技术涉及形成的配合物的链球菌化脓衍生 Cas9 核酸和 20-滨海指南 rna, 实现目标识别通过基地配对与基因组目标序列相邻的 3 ‘ 核苷酸 protospacer 相邻主题 (PAM) 序列。Cas9 核酸诱发双链断裂〜3核苷酸从 PAM 网站, 这是随后修复主要由同源结束连接 (NHEJ) 通路导致插入或删除在开放阅读框架, 从而功能基因敲除12

我们改进的协议包括了人类胰腺细胞培养的细节, 对分裂灭活小鼠胚胎成纤维细胞 (MEFs) 的重新编程, 以达到更高的重编程效率, 随后适应无饲养的文化在基质, 定性为建立的干细胞, CRISPR 引导 RNA 设计和准备, 交付到干细胞作为 RNP 复合体, 单细胞排序生成克隆线编辑干细胞, 容易筛选和识别编辑, 并表征单细胞克隆。本研究通过引入 Cas9 蛋白和两个 CRISPR sgRNA RNP 配合物来诱导双链断裂 (DSBs) 并删除干预段, 从而有效地生成了基因组缺失。这种方法利用了两个指南, 在开放阅读框架中产生删除, 高效率的 NHEJ 导致低数量的克隆需要的特点, 并容易初步筛选克隆的自动毛细管电泳装置, 碎片分析仪。这些有效的基因组编辑方法, 以生成人类干细胞疾病模型将很快成为一个标准和常规的方法在任何干细胞实验室。最后, 精确的基因组编辑将使其超越干细胞疾病模型, 并有可能帮助催化细胞疗法。

Protocol

1. 重新编程协议 从主人类胰腺细胞中生成人类 iPSC 用1.5 毫克/毫升的冷胶原蛋白涂上6个板, 并允许它在37和 #176 上凝胶; C 为 1 h. 在 Prigrow III 培养基 (~ 1-1.5 和 #215; 10 5 细胞) 上, 在天6上的胶原涂层-2-井板上的人原发性胰腺细胞, 达到约2.5 和 #215; 10 5 单元格或至少在当天的每井 60% 70-100转导 (0 天)。在第一项研究中, 在0天, 至少需要 2-3 口井…

Representative Results

在本出版物中, 我们遵循了一个简单而有效的协议, 用于从人类胰腺细胞中利用集成或无足迹的仙台病毒载体生成 iPSC。图 1A显示了此重编程协议的示意图表示形式。人胰腺细胞的购买商业, 养殖在 Prigrow III 培养基和转与仙台病毒如上所述。转纺锤形的胰腺细胞没有显示任何形态学变化的〜5天后, 仙台病毒转导0天, 但随后成为圆形与更大的核和核仁。?…

Discussion

重组人体体细胞干细胞, 为基础生物学研究、个性化医学、疾病建模、药物开发和再生医学等领域提供了重要的推动力16。许多当前和广泛使用的人类 iPSC 世代的方法要求使用病毒与集成入宿主基因组或 episomal 载体的风险, 以低重编程效率。在这里, 我们提出了一种有效的方法, 产生无饲养干细胞的人胰腺细胞与仙台病毒, 这导致 “无足迹” 和有效的重新编程。由此产生的人类干细?…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

实验室的工作得到了博士后奖学金的资助, Dr. 安贾莉 Nandal, 以及马里兰州干细胞研究基金对 BT (TEDCO) 的探索性赠款。

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

Riferimenti

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Citazione di questo articolo
Nandal, A., Mallon, B., Telugu, B. P. Efficient Generation and Editing of Feeder-free IPSCs from Human Pancreatic Cells Using the CRISPR-Cas9 System. J. Vis. Exp. (129), e56260, doi:10.3791/56260 (2017).

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