Summary

CRISPR 介导的小脑颗粒细胞在宫内电穿孔基因转移中的功能分析损失

Published: June 09, 2018
doi:

Summary

传统的功能丧失基因的研究使用挖空动物往往是昂贵和耗时。基于电穿孔的 CRISPR 介导体细胞诱变是了解体内基因功能的有力工具。在这里, 我们报告了一个方法来分析的淘汰赛表型的小脑增殖细胞。

Abstract

大脑畸形通常是由基因突变引起的。破译患者衍生组织中的突变, 确定了疾病的潜在致病因素。为了验证突变基因功能失调对疾病发展的贡献, 携带突变的动物模型的生成是一个明显的方法。虽然生殖基因工程小鼠模型 (GEMMs) 是流行的生物工具和展示重现性的结果, 它受到时间和成本的限制。同时, 非生殖 GEMMs 往往能更可行地探索基因功能。由于某些脑部疾病 (脑肿瘤) 似乎是由躯体而不是生殖突变引起的, 非生殖嵌合体小鼠模型, 正常和异常细胞共存, 可能有助于疾病相关的分析。本研究报告了一种诱导小脑 CRISPR 介导的躯体突变的方法。具体地说, 我们利用条件敲鼠, 其中Cas9GFP是长期激活的CAG (CMV 增强/鸡ß肌动蛋白) 启动后的基因组重组。自行设计的单导 rna (sgRNAs) 和 recombinase 序列, 都编码在一个单一质粒结构, 被交付到小脑茎/祖细胞在胚胎阶段使用的子宫电穿孔。因此, 转染细胞及其子细胞被标记为绿色荧光蛋白 (GFP), 从而促进进一步的表型分析。因此, 该方法不仅显示了以电穿孔为基础的基因传递到胚胎小脑细胞, 而且还提出了一种新的定量方法来评估 CRISPR 介导的丧失功能表型。

Introduction

脑部疾病是最可怕的致命疾病之一。它们通常是由基因突变和随后的失调引起的。为了了解脑部疾病的分子机制, 不断努力破译人类的基因组, 发现了一些潜在的致病基因。到目前为止, 生殖基因工程动物模型已被用于体内增益功能 (GOF) 和丧失功能 (LOF) 分析这些候选基因。由于功能验证研究的加速发展, 一种更可行、更灵活的体内基因检测系统对基因功能的研究是可取的。

应用体内电穿孔基因转移系统对小鼠脑发育有较好的作用。事实上, 在子宫电穿孔使用的几项研究显示了它们在发育中的大脑123进行功能分析的潜力。实际上, 老鼠大脑的几个区域, 如大脑皮层4, 视网膜5, 间脑6, 后脑7, 小脑8, 脊髓9已被体细胞基因交付的目标方法, 到目前为止。

事实上, 胚胎小鼠脑电穿孔的瞬态基因表达长期以来一直被用于 GOF 分析。最近基于座子的基因组集成技术进一步启用了1011感兴趣基因的长期和/或有条件表达, 这有利于在空间和时间上解剖基因功能, 在发展。与 GOF 分析相比, LOF 分析更具挑战性。在对 siRNAs 和 shRNA 质粒进行瞬态转染的同时, 由于外部引入的核酸 (如质粒和 dsRNAs) 的最终降解, 不能保证基因 LOF 的长期影响。然而, CRISPR/Cas 技术在 LOF 分析中提供了突破。基因编码的荧光蛋白 (GFP) 或生物发光蛋白 (萤火虫荧光素酶) 已与 CRISPR-Cas9 和 sgRNAs, 以标签的细胞暴露在 CRISPR-Cas9-mediated 体细胞突变。然而, 这种方法在增殖细胞的功能研究中可能有局限性, 因为外源标记基因在长期增殖后会被稀释和降解。当转染细胞及其子细胞在基因组中经历 CRISPR 诱导的突变时, 它们的脚印可能会随着时间而消失。因此, 基因标记方法适合于解决这一问题。

我们最近开发了一种基于 CRISPR 的 LOF 方法在小脑颗粒细胞中经历长期增殖在他们的分化12。为了对转染细胞进行基因标记, 我们构建了一种携带 sgRNA 的质粒, 并将质粒引入 Rosa26-CAG-LSL-Cas9-P2A-EGFP 小鼠13 在宫内电穿孔中的小脑。与常规质粒载体编码 EGFP 不同, 这种方法成功地标记了转染的颗粒神经元前体 (大亚湾) 及其子细胞。该方法在正常脑发育和肿瘤易发背景下对增殖细胞感兴趣基因的体内功能有很大的支持作用。

Protocol

所有动物实验都是按照动物福利条例进行的, 并经主管当局批准 (Regierungspräsidium 卡尔斯鲁厄, 批准号: G90/13, G176/13, G32/14, G48/14 和 G133/14)。 1. 生成 pU6-sgRNA-Cbh-Cre 质粒 根据先前发布的协议14, 设计 sgRNA 目标为一个感兴趣的基因。注: 在本实验中, 两个 sgRNAs 被设计为靶向小鼠Top2b基因和非靶向控制 sgRNA (表 1)。对于使用 CRISPR 技术的?…

Representative Results

在体内功能分析中, 发现外源基因的细胞被引入是至关重要的。当一个标记的表达, 如 GFP 在非增殖细胞可以长期随访时, 信号在增殖细胞中依次消失。图 1显示了这种效果的说明。为了规避在 LOF 分析中丢失转染细胞的足迹, 我们开发了一种新的方法, 将电穿孔基因的传递与 CRISPR/Cas9 技术相结合。 有…

Discussion

使用外子宫内电穿孔, 我们以前报告 siRNA在体内功能分析的 Atoh1 在早期的小脑颗粒细胞分化8。由于 siRNA 稀释/降解和子宫壁外的胚胎暴露, 转颗粒细胞的表型分析仅限于胚胎阶段。然而, 目前的方法能够分析产后动物的表型。

我们以前的研究表明,在宫内电穿孔中抑癌Ptch1的 Cas9-mediated 敲除成功诱导髓母细胞2。相比…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

我们感谢劳拉 Sieber, 安娜 Neuerburg, 亚辛哈琳, 和佩特拉 Schroeter 的技术援助。我们还感谢 Drs. k. Reifenberg、k. 戴尔和 Prückl 为 DKFZ 动物实验提供帮助;成像核心设施的 DKFZ 和卡尔蔡司成像中心在 DKFZ 的共焦显微成像。这项工作得到德意志 Forschungsgemeinschaft, KA 4472/1-1 (交流) 的支持。

Materials

Alexa 488 Goat anti-Chicken ThermoFisher A11039 1:400 dilution
Alexa 568 Donkey anti-Mouse Life Technologies A-10037 1:400 dilution
Alexa 594 Donkey anti-Rabbit ThermoFisher A21207 1:400 dilution
Alexa 647 Donkey anti-Rabbit Life Technologies A31573 1:400 dilution
Alkaline Phosphatase (FastAP) ThermoFisher EF0654
Autoclave band Kisker Biotech 150262
BamHI (HF) NEB R3136S
BbsI (FastDigest) ThermoFisher FD1014
Cellulose Filter Paper (Whatman) Sigma-Aldrich WHA10347525
Cloth Tork 530378
Confocal laser scanning microscope Zeiss LSM800
D-Luciferin biovision 7903-1
DAPI Sigma-Aldrich D9542 1:1000 dilution
Disposable plastic molds (Tissue-Tek Cyromold) VWR 4566
DMEM Glutamax ThermoFisher 31966047
Donkey serum Sigma-Aldrich D9663
EcoRI (HF) NEB R3101S
Electro Square Porator BTX ECM830
Endofree Maxi Kit Qiagen 12362
Ethanol Merck 107017
Eye ointment (Bepanthen) Bayer 81552983
Fast Green Merck 104022
FBS ThermoFisher 10270-016
Filter (0.22 µm) Merck F8148
Fluorescent cell imager (ZOE) Biorad 1450031
Forceps straight Fine Science Tools 91150-20
Gauze (X100 ES-pads 8f 10 x 10 cm) Fisher Scientific 15387311
GFP antibody Abcam ab13970 1:1000 dilution
Gibson Assembly Master Mix NEB E2611S
Glass Capillary with Filament Narishige GD1-2
Heating Pad ThermoLux 463265 / -67
Image Processing software (ImageJ and Fiji) NIH
Insulin syringe (B. Braun OMNICAN U-100) Carl Roth AKP0.1
Isoflurane Zoetis TU061219
IVIS Lumina LT Series III Caliper Perkin Elmer CLS136331
Kalt Suture Needles Fine Science Tools 12050-02
KAPA HIFI HOTSTART READY mix Kapa Biosystems KK2601
Ki67 antibody Abcam ab15580 1:500 dilution
Light Pointer Photonic PL3000
Liquid blocker pen Kisker Biotech MKP-1
Metamizol WDT
Microgrinder Narishige EG-45
Microinjector Narishige IM300
Micropipette Puller Sutter Instrument Co. P-97
Microscope software ZEN Zeiss
Non-sterile Silk Suture Thread (0.12 mm) Fine Science Tools 18020-50
O.C.T. Compound (Tissue-Tek) VWR 4583
p27 antibody BD bioscience 610241 1:200 dilution
Paraformaldehyde Roth 335.3
PBS (1x) Life Technologies 14190169
pCAG-EGxxFP Addgene 50716
Polyethylenimine Sigma-Aldrich 408727
pX330 plasmid Addgene 42230
QIAprep Spin Miniprep Kit Qiagen 27104
QIAquick Gel Extraction Kit Qiagen 28704
Quick Ligation Kit NEB M2200S
Ring Forceps Fine Science Tools 11103-09
Slides (SuperFrost) ThermoFisher 10417002
Software for biostatistics (Prism 7) GraphPad Software, Inc
Spitacid EcoLab 3003840
Stereomicroscope Nikon C-PS
Sucrose Sigma-Aldrich S5016
Surgical scissors Fine Science Tools 91460-11
Surgical scissors with blunt tip Fine Science Tools 14072-10
Suture (Supramid schwarz DS 16, 1.5 (4/0)) SMI 220340
T4 DNA Ligation Buffer NEB B0202S
T4 PNK NEB M0201S
Tissue scissors Blunt (11.5 cm) Fine Science Tools 14072-10
TOP2B antibody Santa Cruz sc13059 1:200 dilution
Trypsin (2.5 %) ThermoFisher 15090046
Tweezers w/5mm Ø disk electrodes Platinum Xceltis GmbH CUY650P5
Vaporizer Drägerwerk AG GS186

References

  1. Mikuni, T., Nishiyama, J., Sun, Y., Kamasawa, N., Yasuda, R. High-Throughput, High-Resolution Mapping of Protein Localization in Mammalian Brain by In Vivo Genome Editing. Cell. 165 (7), 1803-1817 (2016).
  2. Zuckermann, M., Hovestadt, V., Knobbe-Thomsen, C. B., Zapatka, M., Northcott, P. A., Schramm, K., et al. Somatic CRISPR/Cas9-mediated tumour suppressor disruption enables versatile brain tumour modelling. Nat Commun. 6, 7391 (2015).
  3. Chen, F., Rosiene, J., Che, A., Becker, A., LoTurco, J. Tracking and transforming neocortical progenitors by CRISPR/Cas9 gene targeting and piggyBac transposase lineage labeling. Development. 142 (20), 3601-3611 (2015).
  4. Saito, T., Nakatsuji, N. Efficient gene transfer into the embryonic mouse brain using in vivo electroporation. Developmental biology. 240 (1), 237-246 (2001).
  5. Matsuda, T., Cepko, C. L. Electroporation and RNA interference in the rodent retina in vivo and in vitro. Proc Natl Acad Sci U S A. 101 (1), 16-22 (2004).
  6. Matsui, A., Yoshida, A. C., Kubota, M., Ogawa, M., Shimogori, T. Mouse in utero electroporation: controlled spatiotemporal gene transfection. J Vis Exp. (54), (2011).
  7. Kawauchi, D., Taniguchi, H., Watanabe, H., Saito, T., Murakami, F. Direct visualization of nucleogenesis by precerebellar neurons: involvement of ventricle-directed, radial fibre-associated migration. Development. 133 (6), 1113-1123 (2006).
  8. Kawauchi, D., Saito, T. Transcriptional cascade from Math1 to Mbh1 and Mbh2 is required for cerebellar granule cell differentiation. Developmental biology. 322 (2), 345-354 (2008).
  9. Saba, R., Nakatsuji, N., Saito, T. Mammalian BarH1 confers commissural neuron identity on dorsal cells in the spinal cord. Journal of Neuroscience. 23 (6), 1987-1991 (2003).
  10. Sato, T., Muroyama, Y., Saito, T. Inducible gene expression in postmitotic neurons by an in vivo electroporation-based tetracycline system. J Neurosci Methods. 214 (2), 170-176 (2013).
  11. Kawauchi, D., Ogg, R. J., Liu, L., Shih, D. J. H., Finkelstein, D., Murphy, B. L., et al. Novel MYC-driven medulloblastoma models from multiple embryonic cerebellar cells. Oncogene. , (2017).
  12. Feng, W., Kawauchi, D., Korkel-Qu, H., Deng, H., Serger, E., Sieber, L., et al. Chd7 is indispensable for mammalian brain development through activation of a neuronal differentiation programme. Nat Commun. 8, 14758 (2017).
  13. Platt, R. J., Chen, S., Zhou, Y., Yim, M. J., Swiech, L., Kempton, H. R., et al. CRISPR-Cas9 knockin mice for genome editing and cancer modeling. Cell. 159 (2), 440-455 (2014).
  14. Ran, F. A., Hsu, P. D., Wright, J., Agarwala, V., Scott, D. A., Zhang, F. Genome engineering using the CRISPR-Cas9 system. Nat Protoc. 8 (11), 2281-2308 (2013).
  15. Joung, J., Konermann, S., Gootenberg, J. S., Abudayyeh, O. O., Platt, R. J., Brigham, M. D., et al. Genome-scale CRISPR-Cas9 knockout and transcriptional activation screening. Nat Protocols. 12 (4), 828-863 (2017).
  16. Cong, L., Ran, F. A., Cox, D., Lin, S., Barretto, R., Habib, N., et al. Multiplex genome engineering using CRISPR/Cas systems. Science. 339 (6121), 819-823 (2013).
  17. Mashiko, D., Fujihara, Y., Satouh, Y., Miyata, H., Isotani, A., Ikawa, M. Generation of mutant mice by pronuclear injection of circular plasmid expressing Cas9 and single guided RNA. Scientific Reports. 3, 3355 (2013).
  18. Gibson, D. G., Smith, H. O., Hutchison, C. A., Venter, J. C., Merryman, C. Chemical synthesis of the mouse mitochondrial genome. Nature. 7 (11), 901-903 (2010).
  19. Baumgart, J., Baumgart, N. Cortex-, Hippocampus-, Thalamus-, Hypothalamus-, Lateral Septal Nucleus- and Striatum-specific In Utero Electroporation in the C57BL/6 Mouse. J Vis Exp. (107), e53303 (2016).
  20. Martinez, S., Andreu, A., Mecklenburg, N., Echevarria, D. Cellular and molecular basis of cerebellar development. Frontiers in Neuroanatomy. 7, 18 (2013).
check_url/kr/57311?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Feng, W., Herbst, L., Lichter, P., Pfister, S. M., Liu, H., Kawauchi, D. CRISPR-mediated Loss of Function Analysis in Cerebellar Granule Cells Using In Utero Electroporation-based Gene Transfer. J. Vis. Exp. (136), e57311, doi:10.3791/57311 (2018).

View Video