Um novo kit de ferramentas para avaliar funções genéticas usando estabilização condicional cas9
Summary
Aqui, descrevemos uma ferramenta de edição de genomas baseada na estabilização temporal e condicional da re repetição palindômica curta interespaçada regularmente interespaçada ( CRISPR-) (Cas9) sob a pequena molécula, Shield-1. O método pode ser usado para células cultivadas e modelos animais.
Abstract
A tecnologia de retecção palindômica curta interespaçada (CRISPR-) (CRISPR-) se tornou uma ferramenta de laboratório predominante para introduzir modificações precisas e direcionadas no genoma. Sua enorme popularidade e rápida disseminação são atribuídas ao seu fácil uso e precisão em comparação com seus antecessores. No entanto, a ativação constitutiva do sistema tem aplicações limitadas. Neste artigo, descrevemos um novo método que permite o controle temporal da atividade CRISPR/Cas9 com base na estabilização condicional da proteína Cas9. Fundir um mutante projetado da proteína de ligação de rapamicina FKBP12 a Cas9 (DD-Cas9) permite a rápida degradação do Cas9 que, por sua vez, pode ser estabilizado pela presença de um ligante sintético FKBP12 (Shield-1). Ao contrário de outros métodos induíveis, este sistema pode ser adaptado facilmente para gerar sistemas bi-cistronic para co-expressar DD-Cas9 com outro gene de interesse, sem regulação condicional do segundo gene. Este método permite a geração de sistemas rastreáveis, bem como a manipulação paralela e independente de alelos visados pela nuclease Cas9. A plataforma deste método pode ser utilizada para a identificação sistemática e caracterização de genes essenciais e o interrogatório das interações funcionais de genes em ambientes in vitro e in vivo.
Introduction
CRISPR-Cas9 que significa “agrupada regularmente interespaçada proteína palindômica associada a repetições 9” foi descoberta pela primeira vez como parte de estudos sobre imunidade adaptativa bacteriana1,2. Hoje, o CRISPR/Cas9 tornou-se a ferramenta mais reconhecida para edição de genes programáveis e diferentes iterações do sistema foram desenvolvidas para permitir modulações transcricionais e epigenéticas3. Esta tecnologia permite a manipulação genética altamente precisa de quase qualquer sequência de DNA4.
Os componentes essenciais de qualquer edição de genes CRISPR são uma sequência de RNA guia personalizável e a nuclease Cas95. O guia RNA se liga à sequência alvo-complementar no DNA, direcionando a nuclease Cas9 para realizar uma quebra de dois fios em um ponto específico no genoma3,4. O local de decote resultante é então reparado por nhej (nhej) ou reparo direcionado por esmologia (HDR), com a consequente introdução de alterações na sequência de DNA direcionada5.
A edição de genes baseada em CRISPR/Cas9 é fácil de usar e relativamente barata em comparação com técnicas anteriores de edição de genes e tem sido comprovadamente eficiente e robusta em uma multiplicidade de sistemas2,4,5. No entanto, o sistema apresenta algumas limitações. A expressão constitutiva de Cas9 tem sido frequentemente demonstrada como resultado de um aumento do número de fora dos alvos e alta toxicidade celular4,6,7,8. Além disso, o direcionamento constitutivo de genes essenciais e de sobrevivência celular por Cas9 tira sua capacidade de realizar certos tipos de estudos funcionais, como estudos cinéticos de morte celular7.
Diferentes ferramentas CRISPR-Cas9 controladas condicionalmente ou controladas condicionalmente foram desenvolvidas para resolver essas questões6, como Tet-ON e Tet-Off9; recombinação específica do local10; proximidade quimicamente induzida11; emenda dependente da inteínia3; e 4-Receptor de Estrogênio baseado em Hidroxitamoxifen (ER) sistemas de localização nuclear12. Em geral, a maioria desses procedimentos (splicing de intein e sistemas de divisão de proximidade quimicamente induzidos) não oferecem controle reversível, apresentam uma resposta cinética muito lenta ao tratamento medicamentoso (sistema Tet-On/Off), ou não são favoráveis à manipulação de alta produtividade6.
Para lidar com essas limitações, desenvolvemos um novo kit de ferramentas que não só fornece edição de genes controlados temporais e rápidos, mas também garante rastreabilidade, sintonia e comodidade à manipulação de genes de alto throughput. Esta nova tecnologia pode ser usada em linhas celulares, organoides e modelos animais. Nosso sistema é baseado em um domínio projetado, quando fundido ao Cas9, induz sua rápida degradação. No entanto, pode ser rapidamente estabilizado com uma molécula pequena altamente seletiva, não tóxica e permeável celular. Mais especificamente, projetamos o mutante FKBP12 humano “domínio desestabilizador” (DD) para Cas9, marcando Cas9 para degradação rápida e constitutiva através do sistema ubiquitin-proteasome quando expresso em células mamíferas13. O ligante sintético DD, Shield-1 pode estabilizar a conformação DD, evitando assim a degradação de proteínas fundidas ao DD (como Cas9) de forma muito eficiente, e com uma resposta cinética rápida14,15. Note-se que o Shield-1 liga-se com três ordens de magnitude mais apertadas ao mutante FKBP12 do que à sua contraparte do tipo selvagem14.
O par DD-Cas9/Shield-1 pode ser usado para estudar a identificação sistemática e caracterização de genes essenciais em células cultivadas e modelos animais, como mostramos anteriormente mirando o gene CypD, que desempenha um papel importante no metabolismo das mitocôndrias; EGFR, um player-chave na transformação oncogênica; e Tp53, um gene central na resposta a danos de DNA. Além da edição de genes temporal e condicionalmente controlada, outra vantagem do método é que a estabilização do DD-Cas9 é independente de sua transcrição. Esse recurso permite a co-expressão, sob o mesmo promotor, de marcadores rastreáveis, bem como recombinases, como a recombinase dependente do receptor de estrogênio, CREER. Neste trabalho, mostramos como nosso método pode ser usado com sucesso in vitro, para atingir condicionalmente, por exemplo, o gene de replicação de DNA, RPA3.
Protocol
Representative Results
Discussion
A tecnologia CRISPR/Cas9 revolucionou a capacidade de interrogar funcionalmente genomas2. No entanto, a inativação de genes muitas vezes resulta em letalidade celular, déficits funcionais e defeitos de desenvolvimento, limitando a utilidade de tais abordagens para o estudo das funções genéticas7. Além disso, a expressão constitutiva do Cas9 pode resultar em toxicidade e na geração de efeitos fora do alvo6. Diferentes abordagens foram desenv…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos aos membros anteriores do nosso laboratório e cientista Serif Senturk pelo trabalho anterior. Agradecemos a Danilo Segovia pela leitura crítica deste manuscrito. Este estudo foi possível e apoiado pela Swim Across America e pelo programa National Cancer Institute Cancer Target Discovery and Development Center.
Materials
| 100mM DTT | Thermosfisher | ||
| 10X FastDigest buffer | Thermosfisher | B64 | |
| 10X T4 Ligation Buffer | NEB | M0202S | |
| colorimetric BCA kit | Pierce | 23225 | |
| DMEM, high glucose, glutaMax | Thermo Fisher | 10566024 | |
| FastAP | Thermosfisher | EF0654 | |
| FastDigest BsmBI | Thermosfisher | FD0454 | |
| Flag [M2] mouse mAb | Sigma | F1804-50UG | |
| Genomic DNA extraction kit | Macherey Nagel | 740952.1 | |
| lipofectamine 2000 | Invitrogen | 11668019 | |
| Phusion High-Fidelity DNA Polymerase | NEB | M0530S | |
| oligonucleotides | Sigma Aldrich | ||
| pMD2.G | Addgene | 12259 | |
| polybrene | Sigma Aldrich | TR-1003-G | |
| psPAX2 | Addgene | 12260 | |
| QIAquick PCR & Gel Cleanup Kit | Qiagen | 28506 | |
| secondary antibodies | LICOR | ||
| Shield-1 | Cheminpharma | ||
| Stbl3 competent bacterial cells | Thermofisher | C737303 | |
| SURVEYOR Mutation Detection Kit | Transgenomic/IDT | ||
| T4 PNK | NEB | M0201S | |
| Taq DNA Polymerase | NEB | M0273S | |
| α-tubulin [DM1A] mouse mAb | Millipore | CP06-100UG |
Riferimenti
- Jinek, M., et al. A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity. Science. 337, 816-821 (2012).
- Al-Attar, S., Westra, E. R., van der Oost, J., Brouns, S. J. Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPRs): the hallmark of an ingenious antiviral defense mechanism in prokaryotes. Biological Chemistry. 392, 277-289 (2011).
- Hsu, P. D., Lander, E. S., Zhang, F. Development and applications of CRISPR-Cas9 for genome engineering. Cell. 157, 1262-1278 (2014).
- Mali, P., et al. RNA-guided human genome engineering via Cas9. Science. 339, 823-826 (2013).
- Barrangou, R., et al. Advances in CRISPR-Cas9 genome engineering: lessons learned from RNA interference. Nucleic Acids Research. 43, 3407-3419 (2015).
- Zhang, J., Chen, L., Zhang, J., Wang, Y. Drug Inducible CRISPR/Cas Systems. Computational and Structural Biotechnology Journal. , (2019).
- Wade, M. High-Throughput Silencing Using the CRISPR-Cas9 System: A Review of the Benefits and Challenges. Journal of Biomolecular Screening. 20, 1027-1039 (2015).
- Egeler, E. L., Urner, L. M., Rakhit, R., Liu, C. W., Wandless, T. J. Ligand-switchable substrates for a ubiquitin-proteasome system. Journal of Biological Chemistry. 286, 31328-31336 (2011).
- Cao, J., et al. An easy and efficient inducible CRISPR/Cas9 platform with improved specificity for multiple gene targeting. Nucleic Acids Research. 44, 149 (2016).
- Oakes, B. L., et al. Profiling of engineering hotspots identifies an allosteric CRISPR-Cas9 switch. Nature Biotechnology. 34, 646-651 (2016).
- Kamiyama, D., et al. Versatile protein tagging in cells with split fluorescent protein. Nature Communications. 7, 11046 (2016).
- Roper, J., et al. In vivo genome editing and organoid transplantation models of colorectal cancer and metastasis. Nature Biotechnology. 35, 569 (2017).
- Chu, B. W., et al. Recent progress with FKBP-derived destabilizing domains. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 18 (22), 5941-5944 (2008).
- Banaszynski, L. A., Sellmyer, M. A., Contag, C. H., Wandless, T. J., Thorne, S. H. Chemical control of protein stability and function in living mice. Nature Medicine. 14, 1123-1127 (2008).
- Banaszynski, L. A., Chen, L. C., Maynard-Smith, L. A., Ooi, A. G., Wandless, T. J. A rapid, reversible, and tunable method to regulate protein function in living cells using synthetic small molecules. Cell. 126, 995-1004 (2006).
- Sentmanat, M. F., Peters, S. T., Florian, C. P., Connelly, J. P., Pruett-Miller, S. M. A Survey of Validation Strategies for CRISPR-Cas9 Editing. Scientific Reports. 8, 888 (2018).
- Hua, Y., Wang, C., Huang, J., Wang, K. A simple and efficient method for CRISPR/Cas9-induced mutant screening. Journal of Genetics and Genomics. 44 (4), 207-213 (2017).
- Guschin, D. Y., et al. A rapid and general assay for monitoring endogenous gene modification. Methods in Molecular Biology. 649, 247-256 (2010).
- Senturk, S., et al. Rapid and tunable method to temporally control gene editing based on conditional Cas9 stabilization. Nature Communications. 8, 14370 (2017).
- McJunkin, K., et al. Reversible suppression of an essential gene in adult mice using transgenic RNA interference. Proceedings of the National Academy of Sciences. 108, 7113 (2011).
- Davis, K. M., Pattanayak, V., Thompson, D. B., Zuris, J. A., Liu, D. R. Small molecule-triggered Cas9 protein with improved genome-editing specificity. Nature Chemical Biology. 11, 316-318 (2015).
- Dow, L., et al. Inducible in vivo genome editing with CRISPR-Cas9. Nature Biotechnology. 33, 390-394 (2015).
- Wright, A. V., et al. Rational design of a split-Cas9 enzyme complex. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112, 2984-2989 (2015).
- Albrecht, C., et al. Comparison of Lentiviral Packaging Mixes and Producer Cell Lines for RNAi Applications. Molecular Biotechnology. 57, 499-505 (2015).
- Froschauer, A., Kube, L., Kegler, A., Rieger, C., Gutzeit, H. O. Tunable Protein Stabilization In Vivo Mediated by Shield-1 in Transgenic Medaka. PLOS One. , (2015).
- Sellmyer, M. A., et al. Intracellular context affects levels of a chemically dependent destabilizing domain. PLOS One. 7 (9), 43297 (2012).
- Iwamoto, M., et al. A general chemical method to regulate protein stability in the mammalian central nervous system. Chemistry & Biology. 17 (9), 981-988 (2010).
- Tai, K., et al. Destabilizing domains mediate reversible transgene expression in the brain. PLOS One. 7 (9), 46269 (2012).
- Auffenberg, E., et al. Remote and reversible inhibition of neurons and circuits by small molecule induced potassium channel stabilization. Scientific Reports. 6, 19293 (2016).
