Gerando CRISPR / Cas9 Mediated monoalélicos Eliminações para estudar a função Enhancer em células-tronco embrionárias de camundongos

Summary

Experimental validation of enhancer activity is best approached by loss-of-function analysis. Presented here is an efficient protocol that uses CRISPR/Cas9 mediated deletion to study allele-specific regulation of gene transcription in F1 ES cells which contain a hybrid genome (Mus musculus¹²⁹ x Mus castaneus).

Abstract

Enhancers control cell identity by regulating tissue-specific gene expression in a position and orientation independent manner. These enhancers are often located distally from the regulated gene in intergenic regions or even within the body of another gene. The position independent nature of enhancer activity makes it difficult to match enhancers with the genes they regulate. Deletion of an enhancer region provides direct evidence for enhancer activity and is the gold standard to reveal an enhancer’s role in endogenous gene transcription. Conventional homologous recombination based deletion methods have been surpassed by recent advances in genome editing technology which enable rapid and precisely located changes to the genomes of numerous model organisms. CRISPR/Cas9 mediated genome editing can be used to manipulate the genome in many cell types and organisms rapidly and cost effectively, due to the ease with which Cas9 can be targeted to the genome by a guide RNA from a bespoke expression plasmid. Homozygous deletion of essential gene regulatory elements might lead to lethality or alter cellular phenotype whereas monoallelic deletion of transcriptional enhancers allows for the study of cis-regulation of gene expression without this confounding issue. Presented here is a protocol for CRISPR/Cas9 mediated deletion in F1 mouse embryonic stem (ES) cells (Mus musculus¹²⁹ x Mus castaneus). Monoallelic deletion, screening and expression analysis is facilitated by single nucleotide polymorphisms (SNP) between the two alleles which occur on average every 125 bp in these cells.

Introduction

Elementos reguladores da transcrição são críticos para a sintonia fina espaço-temporais da expressão de genes durante o desenvolvimento e ^uma modificação destes elementos pode resultar em doença devido à expressão aberrante do gene ^2. Muitas regiões associados à doença identificadas por estudos de associação de genoma de largura estão em regiões não codificantes e têm características de potenciadores da transcrição ^3-4. Identificando potenciadores e combinando-os com os genes que regulam é complicado uma vez que são muitas vezes localizados vários quilobases de distância a partir dos genes que regulam e podem ser activados de um modo específico do tecido ^5-6. Previsões Enhancer são comumente baseado em marcas de modificação das histonas, complexos mediador-cohesin e ligação de transcrição específicos do tipo de célula fatores ^7-10. Validação dos intensificadores preditos é mais frequentemente feito por meio de um ensaio à base de vector em que o intensificador activa a expressão de um gene repórter ^11-12. Estes dados fornecem vinformações aluable sobre o potencial de regulamentação de sequências potenciadoras putativos mas não revelam a sua função no seu contexto genómico endógeno ou identificar os genes que eles regulam. edição genoma serve como uma ferramenta poderosa para o estudo da função dos elementos reguladores da transcrição no seu contexto endógeno por análise por perda de função.

Os avanços recentes na edição genoma, ou seja, a / Cas9 sistema de edição genoma CRISPR, facilitar a investigação da função genoma. O sistema / Cas9 CRISPR é fácil de usar e adaptável para muitos sistemas biológicos. A proteína Cas9 é direcionado para um site específico no genoma por um RNA guia (gRNA) ^13. O complexo SpCas9 / gRNA digitaliza o genoma para a sua sequência genómica alvo que deve ser 5 'para uma sequência adjacente protospacer motivo (PAM), NGG ^14-15. o emparelhamento de bases do gRNA ao seu alvo, a 20 nucleótidos (nt) sequência complementar ao gRNA, activa a actividade de nuclease SpCas9 resultando numa DOUBLpausa e Strand (DSB) 3 pb a montante da sequência PAM. Especificidade é conseguido através de emparelhamento de base completa na região da semente do gRNA, a 6-12 nt ao lado do PAM; Por outro lado, não corresponde 5 'da semente são geralmente tolerada ^16-17. O DSB introduzido podem ser reparados tanto por a extremidade não-homóloga de união (NHEJ) a reparação do ADN ou homologia reparação dirigida (HDR) mechanisms.NHEJ reparação do ADN, muitas vezes cria inserção / deleção (indels) de alguns pb no local alvo que pode perturbar a grelha de leitura aberta (ORF) de um gene. Para gerar delecções maiores no genoma dois gRNAs, que flanqueiam a região de interesse, podem ser usados ^​​18-19. Esta abordagem é particularmente útil para o estudo de potenciadores da transcrição aglomeradas em regiões de controlo local ou super-potenciadores, que são maiores do que melhoradores convencionais ^9,18,20-22.

Eliminações monoalélicos são um modelo valioso para estudar Regulamentação cis da transcrição. O chang observadoe no nível de transcrição após eliminação monoalélicos de um potenciador se correlaciona com o papel de que potenciador na regulação dos genes sem os efeitos de confusão que podem ocorrer quando a transcrição de ambos os alelos é afetado potencialmente influenciar a aptidão celular. Avaliando expressão reduzida é difícil no entanto, sem a capacidade de distinguir o excluído do alelo selvagem. Além disso, a genotipagem deleções em cada alelo sem a capacidade de distinguir os dois alelos é um desafio, em especial para grandes deleções de> 10 kb até 1 Mb ²³ em que é difícil para amplificar toda a região de tipo selvagem por PCR. A utilização de células ES F1 gerados pelo cruzamento de Mus musculus ¹²⁹ com Mus castaneus permite que os dois alelos de ser diferenciadas por PCR ^18,24 específico de alelo. O genoma híbrido nestas células facilita a eliminação específica alelo rastreio e análise de expressão. Em média, existe um SNP a cada 125 pb entre estes dois genomas, Proporcionando flexibilidade no desenho de primers para a expressão e genotipagem analisa. A presença de um SNP pode influenciar a temperatura de fusão do iniciador (T _m) e especificidade alvo em amplificação em tempo real quantitativa PCR (qPCR) permitindo a discriminação dos dois alelos ^25. Além disso, um desfasamento dentro da extremidade 3 'do iniciador influencia grandemente a capacidade de ADN-polimerase para estender a partir do iniciador de amplificação de prevenir o alvo alelo indesejada ^26. Descrito no seguinte protocolo é a utilização de células ES F1 para o alelo específico deleções potenciadoras de maior do que 1 kb e análise subsequente expressão que utilizam o sistema CRISPR / Cas9 edição genoma (Figura 1).

Figura 1. Enhancer eliminação utilizando CRISPR / Cas9 para estudar cis -reglação da expressão de genes (A) células F1 ES gerados por um cruzamento entre Mus musculus ¹²⁹ e Mus castaneus. são usadas para permitir a eliminação específica dos alelos. (B) Dois RNAs de guia (gRNA) são utilizados para induzir um grande deleção Cas9 mediada da região do potenciador. (C) Os conjuntos de iniciadores são utilizados para identificar grande mono- e bi-supressões alélicas. Os iniciadores de laranja são os primers dentro, os primers roxo são os iniciadores externos e os primers verdes são os iniciadores flanqueando gRNA. (D) As mudanças na expressão genética são monitorados através de qPCR alelo-específico. RFU denota unidades de fluorescência relativas. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Protocol

1. projetar e construir o gRNA Para eliminar regiões potenciador da transcrição usar dois gRNAs, um 5 'e um 3' da região de interesse. Use o mouse UCSC faixa navegador genoma gerado pelo laboratório Zhang para identificar sequências únicas gRNA (http://www.genome-engineering.org 15). Em seguida verifique estes gRNAs e sua PAM adjacente, para SNPs e indels usando ferramentas on-line fornecidos pelo Instituto Sanger (www.sanger.ac.uk/sanger/Mouse_SnpViewer/rel-1211) 27-28. P…

Representative Results

O protocolo aqui descrito utiliza células F1 ES para estudar -regulação cis da expressão do gene em células estimuladoras suprimido monoalélicos gerados usando CRISPR / edição Cas9 genoma (Figura 1). O gRNA e desenho de primers específicos de alelo para genotipagem e expressão do gene são os fatores-chave para esta abordagem. Cada conjunto de primers específicos de alelo devem ser validados por qPCR para confirmar a especificidade alelo. Iniciadores …

Discussion

CRISPR / Cas9 tecnologia de edição genoma mediada fornece um método simples, rápido e barato para a modificação do genoma. O método aqui descrito para gerar e analisar eliminação monoalélicos potenciador para potenciador caracterização funcional tira vantagem de SNPs em células de ratinho F1. As vantagens deste tipo de abordagem são os seguintes: 1) as supressões potenciadoras monoalélicos não produzem efeitos de confusão que ocorrem quando um intensificador crítica é suprimida de ambos os alelos, <e…

Materials

Phusion High-Fidelity DNA Polymerase	NEB	M0530S	high fidelity DNA polymerase used in gRNA assembly
Gibson Assembly Master Mix	NEB	E2611L
gRNA_Cloning Vector	Addgene	41824	A target sequence is cloned into this vector to create the gRNA plasmid
pCas9_GFP	Addgene	44719	Codon-optimized SpCas9 and EGFP co-expression plasmid
AflII	NEB	R0520S
EcoRI	NEB	R3101S
Neon Transfection System 100 µL Kit	Life Technologies	MPK10096	Microporator transfection technology
prepGEM	ZyGEM	PT10500	genomic DNA extraction reagent
Nucleo Spin Gel & PCR Clean-up	Macherey-Nagel	740609.5
High-Speed Plasmid Mini Kit	Geneaid	PD300
Maxi Plasmid Kit Endotoxin Free	Geneaid	PME25
SYBR select mix for CFX	Life Technologies	4472942	qPCR reagent
iScript cDNA synthesis kit	Bio-rad	170-8891	Reverse transcription reagent
0.25% Trypsin with EDTA	Life Technologies	25200072
PBS without Ca/Mg2+	Sigma	D8537
0.5M EDTA	Bioshop	EDT111.500
HBSS	Life Technologies	14175095
1M HEPES	Life Technologies	13630080
BSA fraction V (7.5%)	Life Technologies	15260037
Max Efficiency DH5α competent cells	Invitrogen	18258012
FBS	ES cell qualified		FBS is subjected to a prior testing in mouse ES cells for pluripotency
DMSO	Sigma	D2650
Glutamax	Invitrogen	35050
DMEM	Life Technologies	11960069
Pencillin/Streptomycin	Invitrogen	15140
Sodium pyruvate	Invitrogen	11360
Non-essential aminoacid	Invitrogen	11140
β-mercaptoethanol	Sigma	M7522
96-well plate	Sarstedt	83.3924
Sealing tape	Sarstedt	95.1994
CoolCell LX	Biocision	BCS-405	alcohol-free cell freezing container
CHIR99021	Biovision	1748-5	Inhibitor for F1 ES cell culture
PD0325901	Invivogen	inh-pd32	Inhibitor for F1 ES cell culture
LIF	Chemicon	ESG1107	Inhibitor for F1 ES cell culture