Edición de base eficiente sin PAM para el modelado de peces cebra de enfermedades genéticas humanas con zSpRY-ABE8e
Summary
Este protocolo describe cómo realizar una edición eficiente de la base de adenina sin limitación de PAM para construir un modelo preciso de la enfermedad del pez cebra utilizando zSpRY-ABE8e.
Abstract
La tecnología CRISPR / Cas9 ha aumentado el valor del pez cebra para modelar enfermedades genéticas humanas, estudiar la patogénesis de enfermedades y la detección de fármacos, pero las limitaciones del motivo adyacente del protoespaciador (PAM) son un obstáculo importante para crear modelos animales precisos de trastornos genéticos humanos causados por variantes de un solo nucleótido (SNV). Hasta ahora, algunas variantes de SpCas9 con amplia compatibilidad con PAM han demostrado eficiencia en el pez cebra. La aplicación del editor de base de adenina (ABE) mediado por SpRY optimizado, zSpRY-ABE8e y el ARNg modificado sintéticamente en el pez cebra ha permitido una conversión eficiente de la base de adenina-guanina sin restricción de PAM. Aquí se describe un protocolo para la edición eficiente de la base de adenina sin limitación de PAM en peces cebra que usan zSpRY-ABE8e. Al inyectar una mezcla de ARNm de zSpRY-ABE8e y ARNg modificado sintéticamente en embriones de pez cebra, se construyó un modelo de enfermedad del pez cebra con una mutación precisa que simulaba un sitio patogénico del factor de maduración del ribosoma TSR2 (tsr2). Este método proporciona una herramienta valiosa para el establecimiento de modelos de enfermedad precisos para estudiar los mecanismos y tratamientos de la enfermedad.
Introduction
Las variantes de un solo nucleótido (SNV) que causan mutaciones sin sentido o sin sentido son la fuente más común de mutaciones en el genoma humano1. Para determinar si un SNV en particular es patógeno y para arrojar luz sobre su patogénesis, se requieren modelos animales precisos2. El pez cebra son buenos modelos de enfermedades humanas, exhibiendo un alto grado de homología fisiológica y genética con los humanos, un ciclo de desarrollo corto y una fuerte capacidad reproductiva, lo que es ventajoso para la investigación de características y mecanismos patogénicos, así como para el cribado de drogas3.
El sistema de repeticiones palindrómicas cortas agrupadas regularmente interespaciadas (CRISPR) / Cas9 se ha aplicado ampliamente en la edición del genoma de varias especies, incluido el pez cebra4. Con la guía de ARNg, el sistema CRISPR / Cas9 puede generar roturas de doble cadena de ADN (DSB) en el sitio objetivo, lo que luego permite la sustitución de base única a través de la recombinación del sitio objetivo con plantillas de ADN del donante a través de la vía de reparación dirigida por homología (HDR). Sin embargo, la eficiencia de este método de reemplazo de bases es bastante baja, ya que el proceso de reparación del ADN celular se lleva a cabo principalmente por la vía de unión final no homóloga (NHEJ), que generalmente se acompaña de mutaciones de inserción y deleción (indel)5. Afortunadamente, la tecnología de edición de base única basada en CRISPR / Cas9 alivia significativamente este problema mediante el uso de editores de base, que permiten una edición de base única más eficiente sin inducir DSB. Se han desarrollado dos clases principales de editores de base, los editores de base de adenina (ABE) y los editores de base de citosina (CBE), para implementar la edición de sustitución de bases para A· T a G· C y C·G a T· A, respectivamente 6,7,8,9,10,11. Estos cuatro tipos de sustituciones de bases cubren el 30% de las variantes patogénicas humanas12. Se ha informado que ambas clases de editores base, incluidos PmCDA1, BE system, CBE4max, ABE7.10 y ABE8e, funcionan en peces cebra, con BE4max y ABE8e especialmente reportados para lograr una alta actividad de edición 13,14,15,16,17,18,19.
Las proteínas Cas9 de diferentes especies, incluyendo Staphylococcus aureus, Streptococcus pyogenes y S. canis, se han implementado en la edición de genes de pez cebra, con el Streptococcus pyogenes Cas9 (SpCas9) siendo el más ampliamente utilizado20,21,22,23. Sin embargo, SpCas9 sólo puede reconocer sitios objetivo con un motivo adyacente al protoespaciador NGG (PAM), lo que limita su rango editable y puede resultar en que no se encuentre una secuencia adecuada cerca del sitio patógeno de interés24. Para ampliar el rango objetivo, se han diseñado una variedad de variantes de SpCas9 para reconocer diferentes PAM a través de la evolución dirigida y el diseño guiado por la estructura. Sin embargo, pocas variantes son efectivas en animales, especialmente en el pez cebra, lo que limita la aplicación del pez cebra en la investigación de enfermedades relacionadas con SNV25,26,27,28. Recientemente, se ha informado que dos variantes de SpCas9, SpG y SpRY, con restricciones de PAM menos estrictas (NGN para SpG y NNN para SpRY con una mayor preferencia por NRN que NYN) exhiben una alta actividad de edición en células y plantas humanas 29,30,31,32. Posteriormente, también se ha informado que SpG y SpRY, así como varios de sus editores de base mediados, como los CBE mediados por SpRY y los ABE mediados por SpRY, trabajan en peces cebra, lo que mejorará la aplicación de modelos de pez cebra en el estudio mecanicista y la detección farmacológica de enfermedades relacionadas con SNV 18,33,34,35. Además, i-Silence se propuso como una estrategia efectiva y precisa de eliminación de genes a través de la conversión de codones de inicio mediada por ABE de ATG a GTG o ACG36. La combinación de la estrategia i-Silence y el editor base mediado por SpRY zSpRY-ABE8e proporciona un nuevo método para el modelado de enfermedades18. Este protocolo demuestra cómo realizar la edición de genes usando zSpRY-ABE8e en pez cebra para construir un modelo tsr2 (M1V) utilizando la estrategia i-Silence. Se evaluó y analizó la eficiencia de edición y los fenotipos que aparecen en los modelos de pez cebra.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este protocolo describe la construcción de un modelo de enfermedad del pez cebra utilizando el editor base zSpRY-ABE8e. En comparación con la vía HDR tradicional para la sustitución de bases, este protocolo puede lograr una edición de base más eficiente y reducir la aparición de indeles. Al mismo tiempo, este protocolo implica la implementación de la estrategia de eliminación de genes i-Silence recientemente propuesta en el pez cebra. En conjunto, zSpRY-ABE8e mejorará la aplicación de modelos de pez cebra en l…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos a Barbara Garbers, PhD, de Liwen Bianji (Edanz) por editar el texto en inglés de un borrador de este manuscrito. Este trabajo fue apoyado por el Programa de Investigación y Desarrollo del Área Clave de la Provincia de Guangdong (2019B030335001), el Programa Nacional de Investigación y Desarrollo Clave de China (2019YFE0106700), la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (32070819, 31970782) y el Programa del Fondo de Investigación del Laboratorio Provincial Clave de Biología Patogénica y Epidemiología para Animales Acuáticos Económicos de Guangdong (PBEA2020YB05).
Materials
| Agarose | Sigma-Aldrich | A9539 | 1.5% Agarose used to make an injection plate |
| Borosilicate Glass Capillaries | Harvard Apparatus | BS4 30-0016 | |
| Cell culture dishes | Falcon | 351029 | |
| ClonExpress Ultra One Step Cloning Kit | Vazyme | C115 | Kit for Infusion clone |
| Codon optimization service | Sangon Biotech | ||
| Drummond Microcaps | Drummond Microcaps | P1299-1PAK | Length:32 mm, capacity:0.5 μL |
| EasyEdit gRNA service | GenScript | ||
| Fine Forceps | Fine Scientific Instrument | 11254-20 | Used to break meedle |
| Flaming/Brown Micropipette Puller | Stutter Instrument | P-97 | Used to pull the glass capillaries |
| HotStart Taq PCR StarMix | Genstar | A033-101 | Used for PCR reaction |
| Intelligent artificial climate box | TENLIN | PRX-1000A | Used to culture zebrafish embryos |
| Methylcellulose | Sigma-Aldrich | M0512 | Used to fix zebrafish when photographing |
| Microloader pipette tips | Eppendorf | 5242956003 | |
| mMACHINE kit | |||
| Mut Express II Fast Mutagenesis Kit V2 | Vazyme | C214-01 | Kit for site-directed mutagenesis |
| Pneumatic Microinjector | ZGene Biotech | ZGPCP-1500 PLUS | |
| pT3TS-zSpCas9 | Addgene | 46757 | |
| RNeasy FFPE kit | Qiagen | 73504 | Kit for RNA purification |
| Sanger Sequencing service | Sangon Biotech | ||
| Sodium hydroxide, granular | Sangon | A100173-0500 | NaOH used for genome extraction |
| Stereo Microscope | Olympus | SZX10 | Used for photograph of phenotype |
| SZ Series Zoom Stereo Microscope | CNOPTEC | SZ650 | |
| T3 mMESSAGE | Ambion | AM1348 | Kit for in vitro transcription |
| TIANprep Mini Plasmid Kit | TIANGEN | DP103-03 | Kit for plasmid extraction kit |
| TIANquick Mini Purification Kit | TIANGEN | DP203-02 | Kit for purification for linearized plasmid |
| Tricaine | Sigma-Aldrich | E10521 | Used to anesthetize zebrafish |
| Tris (hydroxymethyl) aminomethane | Sangon | A600194-0500 | Component of Tris·HCl used for genome extraction |
| XbaI | New England Biolabs | R0145S | Restriction endonuclease used for plasmid linearization |
Referências
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