Lo sviluppo precoce dipende dai prodotti ereditari materni e il ruolo di molti di questi prodotti è attualmente sconosciuto. Qui, abbiamo descritto un protocollo che utilizza CRISPR-Cas9 per identificare i fenotipi di effetti materni in una singola generazione.
Lo sviluppo precoce dipende da un pool di fattori materni incorporati nell’ovocita maturo durante l’oogenesi che svolgono tutte le funzioni cellulari necessarie per lo sviluppo fino all’attivazione del genoma zigotico. Tipicamente, il targeting genetico di questi fattori materni richiede una generazione aggiuntiva per identificare i fenotipi degli effetti materni, ostacolando la capacità di determinare il ruolo dei geni espressi per via materna durante lo sviluppo. La scoperta delle capacità di editing biallelico di CRISPR-Cas9 ha permesso lo screening dei fenotipi embrionali nei tessuti somatici di embrioni iniettati o “crispanti”, aumentando la comprensione del ruolo che i geni espressi zigoticamente svolgono nei programmi di sviluppo. In questo articolo viene descritto un protocollo che è un’estensione del metodo crispant. In questo metodo, l’editing biallelico delle cellule germinali consente l’isolamento di un fenotipo di effetto materno in una singola generazione, o “crispanti materni”. Il multiplexing degli RNA guida verso un singolo bersaglio promuove la produzione efficiente di crispanti materni, mentre l’analisi della sequenza degli aploidi dei crispanti materni fornisce un metodo semplice per corroborare le lesioni genetiche che producono un fenotipo di effetto materno. L’uso di crispanti materni supporta la rapida identificazione di geni essenziali espressi per la madre, facilitando così la comprensione dello sviluppo precoce.
Un pool di prodotti depositati per la madre (ad esempio, RNA, proteine e altre biomolecole) è necessario per tutti i processi cellulari precoci fino all’attivazione del genoma zigotico dell’embrione1. L’esaurimento prematuro di questi prodotti dall’ovocita è tipicamente letale embrionale. Nonostante l’importanza di questi geni nello sviluppo, il ruolo di molti geni espressi per via materna è attualmente sconosciuto. I progressi nella tecnologia di modifica genetica nei pesci zebra, come CRISPR-Cas9, consentono il targeting dei geni espressi per via materna 2,3,4. Tuttavia, l’identificazione di un fenotipo con effetto materno richiede una generazione in più rispetto a un fenotipo zigotico, richiedendo quindi più risorse. Recentemente, la capacità di editing biallelico di CRISPR-Cas9 è stata utilizzata per lo screening di fenotipi embrionali in tessuti somatici di embrioni iniettati (F0), noti come “crispants”5,6,7,8,9,10. La tecnica crispant consente uno screening efficiente in termini di risorse dei geni candidati nelle cellule somatiche, facilitando la comprensione di aspetti specifici nello sviluppo. Il protocollo descritto in questo documento consente l’identificazione di fenotipi di effetti materni, o “crispanti materni”, in una singola generazione11. Questo schema è ottenibile moltiplicando gli RNA guida in un singolo gene e promuovendo eventi di editing biallelico nella linea germinale. Questi embrioni materni crispanti possono essere identificati da fenotipi morfologici grossolani e sottoposti a caratterizzazione primaria, come l’etichettatura per i confini cellulari e il pattern del DNA11. L’analisi combinata del fenotipo osservabile e la caratterizzazione molecolare di base degli INDEL indotti consente di prevedere il ruolo del gene bersaglio nello sviluppo precoce.
Nel pesce zebra, durante le prime 24 ore dopo la fecondazione (hpf), un piccolo gruppo di cellule si sviluppa nelle cellule germinali primordiali, un precursore della linea germinale12,13,14,15. Nelle frizioni deposte dalle femmine F0, la proporzione di embrioni materni di crispant recuperati dipende da quante cellule germinali contengono un evento di editing biallelico nel gene bersaglio. In generale, prima si verifica l’evento di editing nell’embrione, maggiore è la probabilità che si osservino mutazioni CRISPR-Cas9 nella linea germinale. Nella maggior parte dei casi, i fenotipi degli embrioni materni crispanti derivano dalla perdita di funzione nei due alleli materni presenti nell’ovocita in via di sviluppo. Quando l’ovocita termina la meiosi, uno degli alleli materni viene estruso dall’embrione attraverso il corpo polare, mentre l’altro allele viene incorporato nel pronucleo materno. Il sequenziamento di aploidi crispanti materni multipli rappresenterà una miscela delle mutazioni (inserzioni e/o delezioni (INDEL)) presenti nella linea germinale che contribuiscono al fenotipo11.
Il seguente protocollo descrive i passi necessari per creare mutazioni CRISPR-Cas9 nei geni con effetto materno e identificare il fenotipo corrispondente utilizzando un approccio crispante materno (Figura 1). La prima sezione spiegherà come progettare e creare efficacemente RNA guida, mentre le sezioni due e tre contengono passaggi critici per la creazione di crispanti materni mediante microiniezione. Dopo aver iniettato la miscela CRISPR-Cas9, gli embrioni iniettati vengono sottoposti a screening per modifiche somatiche tramite PCR (sezione quattro). Una volta che gli embrioni F0 iniettati si sviluppano e raggiungono la maturità sessuale, le femmine F0 vengono incrociate con maschi wild-type e la loro prole viene sottoposta a screening per fenotipi di effetti materni (sezione cinque). La sesta sezione include istruzioni su come produrre aploidi crispanti materni che possono essere combinati con il sequenziamento Sanger per identificare gli INDEL indotti da CRISPR-Cas9. Inoltre, la discussione contiene modifiche che possono essere apportate al protocollo per aumentare la sensibilità e la potenza di questo metodo.
Il protocollo presentato in questo manoscritto consente l’identificazione e la caratterizzazione molecolare primaria di un fenotipo ad effetto materno in una singola generazione invece delle molteplici generazioni richieste per le tecniche genetiche sia dirette che inverse. Attualmente, il ruolo di molti geni espressi per via materna è sconosciuto. Questa mancanza di conoscenza è in parte dovuta alla generazione extra necessaria per visualizzare un fenotipo quando si identificano i geni dell’effetto materno. In passato…
The authors have nothing to disclose.
Ringraziamo i membri passati e attuali dello staff zootecnico del laboratorio Pelegri per la loro cura della struttura acquatica. Siamo anche grati per i commenti e le intuizioni sul manoscritto di Ryan Trevena e Diane Hanson. Il finanziamento è stato fornito dalla sovvenzione NIH a F.P. (GM065303)
1 M Tris-HCl (pH 8.4) | Invirogen | 15568025 | For PCR mix |
1.5 mL Eppendorf Tubes | Any Maker | ||
10 mM dNTPs | Thermo Fischer Scientific | 18427013 | Synthesis of gRNA |
100 BP ladder | Any Maker | For gel electrophoresis | |
100% RNAse free ethanol | Any Maker | ||
100% RNAse free ethanol | Any Maker | ||
100ml Beaker | Any Maker | For IVF | |
5 M Ammonium Accetate | Thermo Fischer Scientific | Found in the MEGAshortscript T7 Transcription Kit | Synthesis of gRNA |
70% Ethanol | Synthesis of gRNA (70 mL of ethanol + 30 mL of nuclease free water) | ||
Borosil 1.0 mm OD x 0.5 mm ID | FHC INC | 27-30-1 | for Microinjection |
Bulk Pharma Sodium Bicarbonate 35 pounds | Bulk Reef Supply | 255 | Fish supplies |
CaCl2 | MiliporeSigma | C7902 | |
Cas9 Protein with NLS | PNABio | CP01 | |
ChopChop | https://chopchop.cbu.uib.no/ | ||
Constant oligonucleotide | Integrated DNA Technologies (IDT) | AAAAGCACCGACTCGGTGCCAC TTTTTCAAGTTGATAACGGACTA GCCTTATTTTAACTTGCTATTTC TAGCTCTAAAAC |
|
Depression Glass Plate | Thermo Fischer Scientific | 13-748B | For IVF |
Dissecting Forceps | Dumont | SS | For IVF |
Dissecting Scissors | Fine Science Tools | 14091-09 | For IVF |
Dissecting Steroscope( with transmitted light source) | Any Maker | For IVF | |
DNA Clean & Concentrator -5 | Zymo Research | D4014 | Synthesis of gRNA |
DNA Gel Loading Dye (6x) | Any Maker | For gel electrophoresis | |
EconoTaq DNA Polymerase | Lucigen | 30032-1 | For PCR mix |
Electropheresis Power Supply | Any Maker | For gel electrophoresis | |
Ensemble | https://useast.ensembl.org/index.html | ||
Eppendorf Femtotips Microloader Tips for Femtojet Microinjector | Thermo Fischer Scientific | E5242956003 | for Microinjection |
Ethanol (200 proof, nuclease-free) | Any Maker | ||
FemtoJet 4i | Eppendorf | 5252000021 | for Microinjection |
Fish Net | Any Maker | Fish supplies | |
Frozen Brine Shrimp | Brine Shrimp Direct | Fish supplies | |
General All Purpose Agarose | Any Maker | For gel electrophoresis | |
Gene-Specific oligonucleotide | Integrated DNA Technologies (IDT) | TAATACGACTCACTATA- N20 -GTTTTAGAGCTAGAAATAGCAAG | |
Gloves | Any Maker | ||
Ice Bucket | Any Maker | ||
Instant Ocean salt | Any Maker | Fish supplies | |
Invitrogen UltraPure Ethidium Bromide, 10 mg/mL | Thermo Fischer Scientific | 15-585-011 | |
KCl | MiliporeSigma | P5405 | |
KH2PO4 | MiliporeSigma | 7778-77-0 | |
Kimwipes | Thermo Fischer Scientific | 06-666 | |
Male & Female zebrafish | |||
MEGAshortscript T7 Transcription Kit | Thermo Fischer Scientific | AM1354 | Synthesis of gRNA |
Methylene Blue | Thermo Fischer Scientific | AC414240250 | For E3 |
MgCl2 | MiliporeSigma | 7791-18-6 | For PCR mix |
MgSO2·7H2O | MiliporeSigma | M2773 | |
Microinjection plastic mold | World Precision Instruments | Z-Molds | for Microinjection |
Micromanipulator | Any Maker | for Microinjection | |
Micropipeters | Any Maker | ||
Micropipette Puller | Sutter | P-87 | for Microinjection |
Micropipetter tips with filters (all sizes) | Any Maker | ||
Micropippetter tips without filters ( all sizes) | Any Maker | ||
Microwave | Any Maker | ||
Mineral Oil | MiliporeSigma | m5904-5ml | for Microinjection |
MS-222 ( Tricaine-D) | Any Maker | FDA approved | |
Na2HPO4 | MiliporeSigma | S3264 | |
NaCl | MiliporeSigma | S5886 | |
NaHC03 | MiliporeSigma | S5761 | |
Nanodrop | Any Maker | ||
NaOH | MiliporeSigma | 567530 | |
Nonstick, RNase-free Microfuge Tubes, 1.5 mL | Ambion | AM12450 | Synthesis of gRNA |
nuclease-free water | Any Maker | ||
Paper Towel | Any Maker | ||
Pastro Pipettes | Any Maker | ||
PCR Strip Tubes | Any Maker | ||
Petri Plates 100 mm diameter | Any Maker | ||
Phenol Red solution | MiliporeSigma | P0290 | for Microinjection |
Plastic Pestals | VWR | 47747-358 | For IVF |
Plastic Spoon | Any Maker | For IVF | |
Premium Grade Brine Shrimp Eggs | Brine Shrimp Direct | Fine Mesh | |
RNA Gel Loading Dye | found in MEGAshortscript T7 Transcription Kit | For gel electrophoresis | |
RNAse AWAY | Thermo Fischer Scientific | 21-402-178 | |
Scale | Any Maker | ||
Sharpie | Any Maker | ||
Spatula | Any Maker | ||
Sterile H2O | Any Maker | For PCR mix | |
T4 DNA Polymerase | NEB | M0203 | Synthesis of gRNA |
Tape | Any Maker | ||
TBE (Tris-Borate-EDTA) 10x | Any Maker | For gel electrophoresis | |
Tea Stainer | Amazon | IMU-71133W | Fish supplies |
Thermo Scientific Owl 12-Tooth Comb, 1.0/1.5 mm Thick, Double Sided for B2 | Thermo Fischer Scientific | B2-12 | For gel electrophoresis |
Thermo Scientific Owl EasyCast B2 Mini Gel Electrophoresis Systems | Thermo Fischer Scientific | 09-528-110B | For gel electrophoresis |
Thermocycler | Any Maker | ||
Thermocycler | Any Maker | ||
Transilluminator | Any Maker | ||
UV lamp | UVP | Model XX-15 (Cat NO. UVP18006201) | For IVF |
UV safety glasses | Any Maker | For IVF | |
Wash Bottle | Thermo Fischer Scientific | S39015 | Fish supplies |
Zebrafish mating boxes | Aqua Schwarz | SpawningBox1 | Fish supplies |
1.5ml Eppendorf Tubes | Fisher Scientific | 05-402-11 | |
10 Molar dNTPs | Thermo Fischer Scientific | 18427013 | |
100 BP ladder | Thermo Fischer Scientific | 15628019 | |
100% RNAse free ethanol | any maker | ||
5m Ammonium Accetate | Thermo Fischer Scientific | ||
70% Ethanol | 70ml ethanol and 30 ml of nuclease free water | ||
Accessories for Horizontal Gel Box | Fisher Scientific | 0.625 mm | |
Agarose | any maker | ||
CaCl2 | Sigma | 10043-52-4 | |
CaCl2, dihydrate | Sigma | 10035-04-8 | E3 Medium |
Capillary Tubing | Cole-Parmer | UX-03010-68 | for injection needles |
Cas9 Protein | Thermo Fischer Scientific | A36496 | |
ChopChop | https://chopchop.cbu.uib.no/ | ||
Computer | any maker | ||
Dissecting Forcepts | any maker | ||
Dissecting Microscope | any maker | ||
Dissecting Scissors | any maker | ||
DNA Clean & Concentrator -5 | Zymo Research | D4014 | |
DNA Gel Loading Dye (6X) | Thermo Fischer Scientific | R0611 | |
EconoTaq DNA Polymerase | Lucigen | 30032-1 | |
Ensemble | https://useast.ensembl.org/index.html | ||
Eppendorf Microloader PipetteTips | Fischer Scientific | 10289651 | 20 microliters |
Ethanol (200 proof, nuclease-free) | any maker | ||
Ethidium Bromide | Thermo Fischer Scientific | 15585011 | |
Fish Net | any maker | fine mesh | |
Frozen Brine Shrimp | LiveAquaria | CD-12018 | fish food |
Gel Comb (0.625mm) | any maker | ||
Gel Electropheresis System | any maker | ||
Gene-Specific oligonucleotide | Integrated DNA Technologies (IDT) | ||
Glass Capilary Needle | Grainger | 21TZ99 | https://www.grainger.com/product/21TZ99?ef_id=Cj0KCQjw8Ia GBhCHARIsAGIRRYpqsyA3-LUXbpZVq7thnRbroBqQTbrZ_a88 VVcI964LtOC6SFLz4ZYaAhZzEAL w_wcB:G:s&s_kwcid=AL!2966!3! 264955916096!!!g!438976 780705!&gucid=N:N:PS:Paid :GGL:CSM-2295:4P7A1P:20501 231&gclid=Cj0KCQjw8IaGBh CHARIsAGIRRYpqsyA3-LUXbp ZVq7thnRbroBqQTbrZ_a88VVcI 964LtOC6SFLz4ZYaAhZzEALw _wcB&gclsrc=aw.ds |
Glass Dishes | any maker | ||
Gloves | any maker | ||
Hank's Final Working Solution | Combine 9.9 ml of Hank's Premix with 0.1 ml HS Stock #6 | ||
Hank's Premix | combine the following in order: (1) 10.0 ml HS #1, (2) 1.0 ml HS#2, (3) 1.0 ml HS#4, (4) 86 ml ddH2O, (5) 1.0 ml HS#5. Store all HS Solotions at 4C | ||
Hanks Solution | |||
Hank's Solution | https://www.jove.com/pdf-materials/51708/jove-materials-51708-production-of-haploid-zebrafish-embryos-by-in-vitro-fertilization | ||
Hank's Stock Solution #1 | 8.0 g NaCl, 0.4 g KCl in 100 ml ddH2O | ||
Hank's Stock Solution #2 | 0.358 g Na2HPO4 anhydrous; 0.60 g K2H2PO4 in 100 ml ddH2O | ||
Hank's Stock Solution #4 | 0.72 g CaCl2 in 50 ml ddH2O | ||
Hank's Stock Solution #5 | 1.23 g MgSO47H2O in 50 ml ddH20 | ||
Hank's Stock Solution #6 | 0.35g NaHCO3 in 10.0 ml ddH20; make fresh day of use | ||
HCl | Sigma | 7647-01-0 | |
Ice Bucket | any maker | ||
Instant Ocean salt | any maker | for fish water | |
In-Vitro Transcription Kit Mega Short Script | Thermo Fischer Scientific | AM1354 | |
Invitrogen™ UltraPure™ DNase/RNase-Free Distilled Water | Fisher Scientific | 10-977-023 | |
KCl | Sigma | 7447-40-7 | E3 Medium |
KH2PO4 | Sigma | 7778-77-0 | |
Kimwipes | Fisher Scientific | 06-666 | |
Male and Female zebrafish | |||
Mega Short Script T7 Transciption Kit | Thermo Fischer Scientific | AM1354 | |
methylene blue | Fisher Scientific | AC414240250 | E3 Medium |
MgSO2-7H2O | Sigma | M2773 | |
Microimicromanipulator | |||
Microinjection plastic mold | World Precision Instruments | Z-Molds | |
Microinjector | |||
Microneedle Slide | |||
Micropipeter (1-10) with tips | any maker | need filtered p10 tips | |
Micropipetter (20-200) with tips | any maker | ||
Micropippetter (100-1000) with tips | any maker | ||
Microplastic slide | |||
Microwave | any maker | ||
MiliQ Water | any maker | ||
mineral oil | sigma-aldrich | m5904-5ml | |
Na2HPO4 | Sigma | ||
NaCl | Sigma | S9888 | |
NaHC02 | Sigma | 223441 | |
Nanodrop | |||
NaOH | Sigma | 567530 | |
Narrow Spatula | any maker | ||
Needle Puller | Sutter | P-97 | |
Paper Towel | any maker | ||
Pastro Pipettes | Fisher Scientific | 13-678-20A | |
PCR primer flanking guide site | Integrated DNA Technologies (IDT) | ||
PCR primers flanking guide RNA cut site | Integrated DNA Technologies (IDT) | Standard desalted | |
PCR Strip Tubes | Thermo Fischer Scientific | AB0771W | |
Petri Dishes | Fisher Scientific | FB0875714 | 10 cm diameter 100mm x 15mm |
Phenol Red | Fisher Science | S25464 | https://www.fishersci.com/shop/products/phenol-red-indicator-solution-0-02-w-v-2/S25464 |
Pipette Tips | any maker | 10ul, 200ul and 1000ul tips | |
Plastic Pestals | Fisher Scientific | 12-141-364 | |
Plastic Spoon | any maker | ||
Primer Guide Site | Integrated DNA Technologies (IDT) | ||
Razor Blade | Uline | H-595B | |
RNA gel Loading Dye | in megashort script kit(in vitro transciption kit) | ||
RNAse away | Fisher | 21-402-178 | |
RNAse free polypropylene microcentrifuge tubes | Thermo Fischer Scientific | AM12400 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/AM12400#/AM12400 |
RNAse free water | Fisher Scientific | 10-977-023 | |
Scale | any maker | ||
Sharpie | any maker | ||
Sodium bicarbonate (cell culture tested) | Sigma | S5761 | fish water |
Sodium Bromide Solotion | Sigma | E1510 | |
Software for sanger sequencing Analysis | |||
Spectrophotometer | |||
Sterlie H2O | any brand | ||
T4 DNA Polymerase | NEB | M0203S | https://www.neb.com/products/m0203-t4-dna-polymerase#Product%20Information |
Tape | any brand | ||
TBE (Tris-Borate-EDTA) 10X | Thermo Fischer Scientific | B52 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/B52#/B52 |
Tea Stainer | amazon | IMU-71133W | avaible in most kitchen stores |
Thermocycler | |||
Transfer Pipette | Uline | S-24320 | |
Transilluminator | |||
Tricaine | fisher scientific | NC0872873 | |
Tris HCl 7.5 | Thermo Fischer Scientific | 15567027 | |
Universal Primer | Integrated DNA Technologies (IDT) | AAAAGCACCGACTCGGTGCCAC TTTTTCAAGTTGATAACGGACTAG CCTTATTTTAACTTGCTATTTCTA GCTCTAAAAC |
|
UV lamp | UVP | ||
UV safety glasses | any maker | ||
Wash Bottle | fisher scientific | S39015 | |
Zebrafish mating boxes | any maker | ||
PCR Buffer Recipe | Add 171.12mL sterile H20; 0.393 mL 1M MgCl2; 2.616mL 1M MgCl2; 2.618 mL 1M Tris-HCl (pH 8.4) 13.092mL 1M KCl; 0.262 mL 1% Gelatin. Autoclave for 20 minutes then chill the solotion on ice. Next add 3.468 mL 100mg/mL BSA; 0.262 mL dATP (100mM), 0.262mL dCTP (100mM); 0.262 mL dGTP (100mM); 0.262 mL dTTP (100mL). Alliquote into sterile eppendorf tubes |