Геномная инженерия первичных клеток человека B с использованием CRISPR/Cas9
Summary
Здесь мы предоставляем подробный, шаг за шагом протокол для CRISPR / Cas9 основе генома инженерных первичных клеток человека B для гена нокаут (KO) и стук-в (KI) для изучения биологических функций генов в клетках В и развитие В-клеточной терапии.
Abstract
В-клетки являются лимфоцитами, полученными из гематопоэтических стволовых клеток и являются ключевым компонентом гуморальной руки адаптивной иммунной системы. Они делают привлекательных кандидатов для клеточной терапии из-за их легкости изоляции от периферической крови, их способность расширяться в пробирке, и их долговечность in vivo. Кроме того, их нормальная биологическая функция – производить большое количество антител – может быть использована для выражения очень большого количества терапевтического белка, такого как рекомбинантное антитело для борьбы с инфекцией, или фермент для лечения энзимопатий. Здесь мы предоставляем подробные методы для изоляции первичных клеток человека B от периферических моноядерных клеток крови (PBMCs) и активации / расширения изолированных В-клеток in vitro. Затем мы демонстрируем шаги, связанные с использованием системы CRISPR/Cas9 для конкретного участка KO эндогенных генов в клетках группы В. Этот метод позволяет эффективно кОК различных генов, которые могут быть использованы для изучения биологических функций генов, представляющих интерес. Затем мы демонстрируем шаги по использованию системы CRISPR/Cas9 вместе с рекомбинантным, адено-ассоциированным, вирусным (rAAV) вектором для эффективной интеграции трансгенной экспресс-кассеты в B-клетках. Вместе этот протокол обеспечивает пошаговую инженерную платформу, которая может быть использована в первичных клетках В человека для изучения биологических функций генов, а также для развития В-клеточной терапии.
Introduction
В-клетки являются подгруппой линии лимфоцитов, полученных из гематопоэтических стволовых клеток. Они выполняют важную роль в адаптивной гуморальной иммунной системе, производя большое количество антител в ответ на иммунные проблемы1. В-клетки также являются предшественниками клеток памяти В и неизлечимо дифференцированных, долгоиговых плазменных клеток, обеспечивая тем самым прочный гуморальныйиммунитет 2. Плазменные клетки, в частности, уникальны среди иммунных клеток в их способности производить большое количество конкретных антител, выживая в течение многих лет илидесятилетий 3. Кроме того, легкость изоляции от периферической крови делает линию B-клеток отличным кандидатом для новых клеточных методовлечения 4.
Ранее методы случайной интеграции, такие как использование лентивирусных векторов или транспосона Спящей Красавицы, использовались для разработки В-клеток для доставкии выражения трансгенов 5,6,7,8. Однако неспецифический характер этих подходов затрудняет изучение биологических функций конкретного гена в клетках группы В и несет в себе риск вставки мутагенеза и переменной трансгенной экспрессии и/или замалчивания в терапевтической обстановке.
Система CRISPR/Cas9 является мощным инструментом инженерии генома, который позволяет исследователям точно редактировать геном различных клеток различных видов. В последнее время две группы, в том числе наши собственные, успешно разработали методы расширения ex vivo и целенаправленной инженерии генома первичныхклеток человека B 9,10. Мы опишем процесс очистки первичных клеток человека B из образца лейкофореза. После этого мы опишем наш обновленный протокол расширения B-клеток и активации изолированных В-клеток. Затем мы опишем процесс выбивания кластера дифференциации 19 (CD19), специфического В-клеточного рецептора и отличительной чертой В-клеток, путем электропорации для введения CRISPR/Cas9 mRNA вместе с CD19 sgRNA в активированные B-клетки.
Cas9 мРНК переводится и связывается с CD19 sgRNA, чтобы сформировать CRISPR/Cas9-sgRNA рибонуклеопротеин комплекс (RNP). Впоследствии, sgRNA в комплексе приводит Cas9 к созданию двухцепочего разрыва (DSB) в целевой последовательности на exon 2 гена. Клетки будут ремонтировать DSB путем “не-гомологичный конец присоединения” путем введения или удаления нуклеотидов, что приводит к мутации кадров и вызывая ген будет выбит. Затем мы измерим потерю CD19 по цитометрии потока и проанализируем образование индрета путем отслеживания иделей путем анализа разложения (TIDE).
Затем мы опишем процесс использования CRISPR/Cas9 вместе с рекомбинантным вектором AAV6 (rAAV6, донорским шаблоном для гомологического ремонта (HDR)) для опоставки вставки расширенного зеленого флуоресцентного белка(EGFP) на адено-ассоциированном вирусе интеграционного сайта 1 (AAVS1). Ген AAVS1 является активным локусом без известных биологических функций и местом вирусной интеграции AAV в геноме человека; поэтому он считается «безопасной гаванью» для геномной инженерии. Здесь мы сообщаем, что расширение и активация В-клеток позволили до 44-кратного расширения в 7 дней культуры(рисунок 1). Электропорация В-клеток показала небольшое снижение общего здоровья клеток(рисунок 2A) при 24 ч после трансфекции. Рассеянный анализ участка маркера CD19(рисунок 2B) показал до 83% сокращения отредактированных ячеек(рисунок 2C).
Анализ TIDE хроматографов (рисунок3A) показал, что % indels был похож на % потери белка по цитометрии потока(рисунок 3B). Цитометрия потока анализа эксперимента KI показала, что клетки, получившие вектор AAV(рисунок 4),вместе с RNP, выразили до 64% EGFP-положительных клеток(рисунок 5A),а затем показали успешную интеграцию путем соединения полимеразной цепной реакции (PCR) (Рисунок 5B). Количество ячеек показало, что все образцы быстро восстанавливаются в течение 3 дней после инженерии(рисунок 5C).
Protocol
Representative Results
Discussion
Точная инженерия генома в первичных клетках человека B была сложной задачей донедавнего времени 9,10. Ранее мы публиковали протоколы с использованием CRISPR/Cas9 для инженера первичных клеток B человека9. Здесь мы наметим улучшенные протоколы для и…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа финансировалась Детским онкологическим исследовательским фондом (CCRF) и NIH R01 AI146009 до B.S.M.
Materials
| Alt-R S.p. Cas9 Nuclease V3 protein, 500 ug | IDT | 1081059 | smaller size is also available |
| Amaxa P3 primary cell 4D- Nucleofector X Kit S (32 RCT) | Lonza | V4XP-3032 | |
| Ammonium-chloride-potassium (ACK) lysing buffer | Quality Biological | 118-156-101 | |
| CleanCap chemically modified Cas9 mRNA | Trilink Biotechnology | L-7206-1000 | |
| CpG ODN 2006 (ODN 7909) 5 mg | Invivogen | TLRL-2006-5 | different sizes available |
| Cryostor CS10, 100 mL | STEMCELL Technology | 7930 | |
| CTS Immune Cell SR | Thermo Fisher Scientific | A2596101 | |
| EasySep human B cells isolation kit | STEMCELL Technology | 17954 | |
| eBioscience fixable viability dye eFlour 780 | eBiosciences | 65-0865-14 | |
| Excellerate B cell media, Xeno-free | R&D Systems | CCM031 | B-cell basal medium |
| Falcon 14 mL Polypropylene Round-bottom Tube | Corning | 352059 | |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | R&D Systems | S11550 | For thawing B cells only |
| Ficoll-Paque Plus | GE Healthcare | 17-1440-03 | |
| GeneMate SnapStrip® 8-Strip 0.2 mL PCR Tubes with Individual Attached Dome Caps | BioExpress | T-3035-1 / 490003-692 | |
| Hyclone 0.0067M PBS (No Ca, No Mg) or 1x PBS | GE lifesciences | SH30256.01 | |
| Lonza 4D Nucleofector core unit | Lonza | AAF-1002B | |
| Lonza 4D Nucleofector X unit | Lonza | AAF-1002X | |
| Mega CD40 Ligand | Enzo Life Sciences | ALX-522-110-C010 | |
| Mr. Frosty | Sigma-Aldrich | C1562-1EA | For freezing cells |
| Pen/Strep 100X | Sigma-Aldrich | TMS-AB2-C | |
| PerCP anti-human CD19 clone HIB19 | biolegend | 302228 | smaller size is also available |
| rAAV6 SA-GFP pakaging ( with our SA-GFP cassette see Figure 4.) | Vigene Biosciences | N/A | large scale packaging, 1e13 GC/mL, 500 mL |
| Recombinant human IL-10 protein 250 ug | R&D Systems | 217-IL-250 | different sizes available |
| Recombinant human IL-15 protein 25 ug | R&D Systems | 247-ILB-025 | different sizes available |
| The Big Easy EasySep Magnet | STEMCELL Technology | 18001 | different sizes available |
| Tris-EDTA (TE) buffer | Fisher Scientific | BP2476100 |
References
- LeBien, T. W., Thomas, T. F. B lymphocytes: how they develop and function. Blood. 112 (5), 1570-1580 (2008).
- Nutt, S. L., Hodgkin, P. D., Tarlinton, D. M., Corcoran, L. M. The generation of antibody-secreting plasma cells. Nature Reviews Immunology. 15, 160-171 (2015).
- Slifka, M. K., Antia, R., Whitmire, J. K., Ahmed, R. Humoral immunity due to long-lived plasma cells. Immunity. 8 (3), 363-372 (1998).
- Spriggs, M. K., et al. Recombinant human CD40 ligand stimulates B cell proliferation and immunoglobulin E secretion. Journal of Experimental Medicines. 176 (6), 1543-1550 (1992).
- Fusil, F., et al. A lentiviral vector allowing physiologically regulated membrane-anchored and secreted antibody expression depending on B-cell maturation status. Molecular Therapy. 23 (11), 1734-1747 (2015).
- Luo, X. M., et al. Engineering human hematopoietic stem/progenitor cells to produce a broadly neutralizing anti-HIV antibody after in vitro maturation to human B lymphocytes. Blood. 113 (7), 1422-1431 (2008).
- Mock, U., Thiele, R., Uhde, A., Fehse, B., Horn, S. Efficient lentiviral transduction and transgene expression in primary human B cells. Human Gene Therapy Methods. 23 (6), 408-415 (2012).
- Heltemes-Harris, L. M., et al. Sleeping Beauty transposon screen identifies signaling modules that cooperate with STAT5 activation to induce B-cell acute lymphoblastic leukemia. Oncogene. 35 (26), 3454-3464 (2016).
- Johnson, M. J., Laoharawee, K., Lahr, W. S., Webber, B. R., Moriarity, B. S. Engineering of primary human B cells with CRISPR/Cas9 targeted nuclease. Scientific Reports. 8, 12144 (2018).
- Hung, K. L., et al. Engineering protein-secreting plasma cells by homology-directed repair in primary human B cells. Molecular Therapy. 26 (2), 456-467 (2018).
- Cui, Y., Xu, J., Cheng, M., Liao, X., Peng, S. Review of CRISPR/Cas9 sgRNA design tools. Interdisciplinary Sciences. 10 (2), 455-465 (2018).
- Rees, H. A., Liu, D. R. Base editing: precision chemistry on the genome and transcriptome of living cells. Nature Reviews Genetics. 19 (12), 770-788 (2018).
- Spiegel, A., Bachmann, M., Jurado Jiménez, G., Sarov, M. CRISPR/Cas9-based knockout pipeline for reverse genetics in mammalian cell culture. Methods. 164-165, 49-58 (2019).
- Suzuki, T., Kazuki, Y., Oshimura, M., Hara, T. A novel system for simultaneous or sequential integration of multiple gene-loading vectors into a defined site of a human artificial chromosome. PLoS One. 9, 110404 (2014).
- Bak, R. O., Porteus, M. H. CRISPR-mediated integration of large gene cassettes using AAV donor vectors. Cell Reports. 20 (3), 750-756 (2017).
- Shirley, J. L., de Jong, Y. P., Terhorst, C., Herzog, R. W. Immune responses to viral gene therapy vectors. Molecular Therapy. 28 (3), 709-722 (2020).
- Martino, A. T., Markusic, D. M. Immune response mechanisms against AAV vectors in animal models. Molecular Therapy – Methods and Clinical Development. 17, 198-208 (2020).
