Summary

Microinjeção para Transgénese e Genoma Edição na Threespine Sticklebacks

Published: May 13, 2016
doi:

Summary

Manipulações transgénicas e edição genoma são críticos para testar funcionalmente o papel dos genes e elementos -regulatory cis. Aqui, um protocolo detalhado para microinjecção a geração de modificações genómicas (incluindo construções Tol2 mediadas repórter fluorescentes transgene, TALENS, e CRISPR) é apresentada para o peixe modelo emergente, a Gasterosteus aculeatus.

Abstract

O peixe Gasterosteus aculeatus emergiu como um poderoso sistema para o estudo da base genética de uma larga variedade de características morfológicas, fisiológicas e comportamentais fenótipos. Os notavelmente diferentes fenótipos que evoluíram como populações marinhas se adaptar a ambientes de água doce incontáveis, combinados com a capacidade de atravessar formas marinhas e de água doce, fornecer um sistema de vertebrados rara em que a genética pode ser usada para mapear as regiões genômicas controlar evoluiu características. Excelentes recursos genômicos estão agora disponíveis, facilitando a análise genética molecular das alterações evoluídos. Enquanto experimentos de mapeamento gerar listas de genes candidatos interessantes, manipulações genéticas funcionais são necessários para testar o papel destes genes. regulação do gene pode ser estudada com plasmídeos repórter transgénicos e BACs integrado no genoma usando o sistema de transposase Tol2. Funções de genes candidatos específicos e elementos cis -regulatory pode ser avaliada através da indução de alvomutações com reagentes de edição genoma TALEN CRISPR e / Cas9. Todos os métodos requerem a introdução de ácidos nucleicos em embriões stickleback uma célula fertilizada, uma tarefa feita desafiador pelo córion espessura de embriões stickleback eo relativamente pequeno e fino blastomere. Aqui, um protocolo detalhado para microinjecção de ácidos nucleicos em embriões stickleback é descrita para aplicações transgénicos e de edição de genoma para estudar a expressão e função do gene, bem como técnicas para avaliar o sucesso de transgénese e recuperar linhas estáveis.

Introduction

Um componente fundamental de compreensão de como a biodiversidade surge é a determinação das bases genéticas e de desenvolvimento de alterações fenotípicas evoluíram na natureza. O peixe Gasterosteus aculeatus, Gasterosteus aculeatus, emergiu como um excelente modelo para o estudo da base genética da evolução. Sticklebacks sofreram muitas mudanças evolutivas adaptativas como peixes marinhos colonizaram ambientes de água doce incontáveis ​​em todo o hemisfério norte, resultando em morfológica dramática, fisiológicas e alterações comportamentais 1. Os genomas de indivíduos a partir de vinte e um populações stickleback foram sequenciados e montados, e um mapa de ligação de alta densidade foi gerado para melhorar ainda mais a montagem de 2,3. Experiências de mapeamento genético identificaram regiões genómicas subjacente fenótipos evoluídos 4-6, e em alguns casos, os papéis funcionais de genes candidatos específicos foram testados 7,8. Um número de regiões genômicas subjacentes alterações morfológicas foram identificados com genes candidatos promissores, mas estes candidatos ainda não foram testados funcionalmente 9-12. Além disso, sticklebacks são modelos comuns para estudos de genética populacional / genômica 13,14, especiação 15, o comportamento 1, endocrinologia 16, ecotoxicologia 17, imunologia e parasitologia 18 19. Estudos futuros em cada um desses campos serão beneficiados com a capacidade de executar manipulações genéticas funcionais em sticklebacks. Além manipulando as suas sequências de codificação, os papéis dos genes candidatos pode ser avaliada através do estudo as suas sequências -regulatory cis e por funcionalmente aumentando, diminuindo ou eliminando a expressão do gene candidato. Métodos de microinjeção e transgenia em sticklebacks estão bem estabelecidos 7,8,20 e foram inicialmente desenvolvido utilizando uma mediada por meganucleasemétodo 21 descrito pela primeira vez em medaka 22. O método de microinjeção modificado aqui apresentado foi otimizado para ambos transgênese Tol2 mediada e, recentemente, desenvolveu reagentes edição do genoma incluindo TALENS e CRISPR.

Mudanças a cis -regulatory elementos são pensados ​​para ser crítico para a evolução morfológica, como cis -regulatory mudanças podem evitar as consequências negativas pleiotrópicos de codificação de mutações 23. Portanto, testando e comparando seqüências -regulatory cis putativos tornou-se um objetivo central de um número crescente de estudos evolutivos. Além disso, a maioria das variantes de doenças humanas são variantes reguladoras 24,25, e sistemas modelo de vertebrados são extremamente necessários para estudar a função elemento -regulatory cis e da lógica. Os peixes que fertilize seus embriões externamente em grandes números oferecem sistemas de vertebrados poderosas para estudar Regulamentação cis. O sistema de transposão Tol2, em que FOREIDNA gn para ser integrado no genoma é ladeado por sites e vinculativo Tol2 transposase co-injectados com mRNA transposase Tol2, trabalha com alta eficiência para integrar com sucesso plasmídeo constrói-se em genomas de peixes 26 28. Tipicamente, um intensificador de potencial é clonada a montante de um promotor basal (tais como hsp70l 29) e o gene repórter fluorescentes tais como a EGFP (proteína fluorescente verde melhorada) ou mCherry em uma espinha dorsal Tol2 e injectados com ARNm da transposase 26. Observação de expressão do repórter fluorescente, quer em embriões ou crias com transgenes integrados estavelmente injectados, fornece informação sobre a regulação espaço-temporais da expressão do gene dirigido pelo potenciador putativo. Em experiências adicionais, os potenciadores validados pode ser utilizado para dirigir a sobre-expressão específica de tecido dos genes de interesse.

Para a análise das regiões -regulatory cis maiores, de alta qualidade em grande inserção genombibliotecas de IC utilizando cromossomos artificiais bacterianos (BACs) foram construídos para ambas as marinhas e de água doce sticklebacks 30. Estes BACs pode ser recombineered para substituir um gene com um gene repórter fluorescente, no contexto de uma grande (150-200 kb) região genómica 31. O repórter fluorescente é então expresso num padrão espaço-temporal, tal como determinado por sequências reguladoras dentro do BAC. Para os estudos em peixes, locais Tol2 pode ser adicionado ao CCB para facilitar a integração genómica 32,33. Nas fases posteriores de desenvolvimento quando a hibridação in situ é tecnicamente difícil, a leitura de fluorescência do BAC pode ser usado para estudar os padrões de expressão de genes, como tem sido demonstrado para stickleback osso proteína morfogenética 6 (BMP6) 20. Além disso, os padrões de expressão fluorescentes em um indivíduo pode ser rastreados ao longo do tempo, o que não pode ser conseguido com a hibridização in situ. BACs pode também ser usado para adicionar uma additional cópia de uma região genómica de aumentar a dosagem de um gene de interesse.

Para o estudo da função do gene, genoma de edição é um campo explosivamente expansão que pode ser utilizado para produzir alterações específicas para sequências genómicas em uma ampla variedade de organismos 34. Transcrição nucleases efetoras ativador-like (TALENS) são nucleases modulares, específicos de sequência originalmente isoladas de patógenos de plantas que podem ser precisamente projetados para ligar directamente a uma sequência genômica de escolha e gerar uma cadeia dupla quebrar 35,36. Agrupamentos regularmente interespaçadas palindr�icas repetições curtas (CRISPR) / CAS sistemas foram originalmente encontrada em bactérias e utilizar um guia de RNA e da proteína Cas9 para gerar um intervalo de uma sequência de ADN alvo complementar para o guia 37. A reparação posterior da quebra de cadeia dupla criada por ambos os TALENS e CRISPR muitas vezes deixa para trás uma pequena inserção ou deleção, o que pode prejudicar a função da sequência alvo35-37. Em sticklebacks, TALENS têm sido utilizados para interromper a expressão do gene por direccionamento um intensificador de 20, e ambos TALENS CRISPR e ter sucesso na produção de mutações em sequências de codificação (dados não publicados). Um protocolo detalhado para a geração de CRISPR para uso em peixes-zebra pode ser utilizada como orientação para desenvolver CRISPR para sticklebacks 38.

Transgênicas e genoma experimentos de edição requerem introdução de ácidos nucleicos em um embrião de uma célula recém-fertilizado. Ao introduzir a ferramenta transgene ou genoma de edição no início do desenvolvimento, o número de células filhas geneticamente manipuladas no embrião é maximizada. embriões injectados são então visualmente pesquisadas quanto a fluorescência ou molecularmente rastreados para modificações do genoma. Se as células que contribuem para a linha germinal são orientados com sucesso, o transgene ou a mutação pode ser passada para um subconjunto de prole, mesmo quando letalidade pós-injecção é alta. Os peixes de mosaico pode ser outcrossed ouentrecruzadas e os seus descendentes selecionados para recuperar os alelos mutantes ou um transgene integrado de forma estável de interesse. Este protocolo descreve métodos para a introdução de transgenes e edição de reagentes genoma em embriões stickleback unicelulares e monitoramento para modificações genômicas de sucesso.

Protocol

Todo o trabalho de peixe foi aprovado pelo Comitê Institucional de Animal Care and Use da Universidade da Califórnia-Berkeley (número de protocolo R330). 1. Prepare Nucleic Acids para Injecção Tol2 plasmídeo Transgénese (Adaptado de Fisher 26). Corte de 10 ug de plasmídeo de transposase (PCS-TP) 39 com 10 U de NotI em tampão fornecido durante 1 h a 37 ° C para linearizar. Nota: Os acordos de transferência de material pode ser necessária para obter plas…

Representative Results

Para transgenes de gene repórter que têm actividade potenciadora, injecção bem sucedido resultará na expressão específica, celular do transgene (Figura 4A, 4C). Peixes podem então ser injectados outcrossed para produzir linhas estáveis ​​(exemplo de uma linha estável BAC mostrado na Figura 4B). ADN em embriões stickleback injectando tipicamente resulta em letalidade muito mais elevado do que o RNA sozinho. É típico para …

Discussion

Injectáveis ​​embriões stickleback unicelulares para transgenia ou edição genoma apresenta três desafios principais. Em primeiro lugar, em relação aos embriões de peixe-zebra, o stickleback embrionária córion é difícil e muitas vezes vai quebrar agulhas. Este problema pode ser parcialmente ultrapassada pela utilização de micropipetas de vidro grosso e mais forte e injectando perpendicular ao córion (ver protocolo, a Figura 2). Assegurar que o mínimo possível de água é adicionada a…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabalho foi financiado em parte pelo NIH R01 # DE021475 (CTM), um NIH Predoctoral Training Grant 5T32GM007127 (PAE), e um NSF Graduate Research Fellowship (NAE). Agradecemos a Kevin Schwalbach para a realização de recombineering BAC e injeções, Nick Donde para gerar dados de sequenciamento Sanger CRISPR, e Katherine Lipari para feedback útil sobre o protocolo de injeção.

Materials

Stereomicroscope with transillumination Leica S6e/ KL300 LED
Manual micromanipulator Applied Scientific Instrumentation MM33 Marzhauser M33 Micromanipulator
Pressure Injecion system Applied Scientific Instrumentation MPPI-3
Back pressure unit Applied Scientific Instrumentation BPU
Micropipette holder kit Applied Scientific Instrumentation MPIP
Magnetic base holder Applied Scientific Instrumentation Magnetic base
Foot switch Applied Scientific Instrumentation FSW
Iron plate (magnetic base) Narishige IP
Flaming/Brown Micropipette Puller Sutter Instrument P-97
Disposable transfer pipettes Fisher 13-711-7M
0.5% phenol red in DPBS Sigma  P0290 injection tracer
#5 forceps, biologie dumoxel  Fine Science Tools 11252-30 for needle breaking
Micropipette Storage Jar World Precision Instruments E210 holds needles
6", 6 teeth per inch plaster drywall saw Lenox 20571 (S636RP) hold eggs for injection
13 cm x 13 cm glass plate any hardware store
Borosilicate glass capillaries, 1.0 mm OD/0.58 mm ID  World Precision Instruments 1B100-F4 *harder glass than zebrafish injection capillaries
150 x 15mm petri dish Fisher FB0875714 raise stickleback embryos
35 x 10mm petri dish Fisher 08-757-100A store eggs pre-injection
Instant Ocean Salt Instant Ocean SS15-10
Sodium Bicarbonate Sigma S5761-500G
Tricaine methanesulfonate/MS-222 Western Chemical Inc MS222 fish anaesthesia/euthanasia
Sp6 transcription kit Ambion AM1340 For transcription of TALENs and transposase mRNA
RNeasy cleanup kit Qiagen 74104 purify transposase or TALEN RNA
QiaQuick PCR cleanup kit Qiagen 28104 clean up plasmids for injection
Proteinase K 20 mg/ml Ambion AM2546 for DNA preparation
Nucleobond BAC 100 kit Clontech 740579 for BAC DNA preparation
NotI NEB R0189L
Phusion polymerase Fisher F-530L
Qiagen PlasmidPlus Midi kit Qiagen 12943 contains endotoxin rinse buffer
QIAQuick Gel Extraction Qiagen 28704  for sequencing induced mutations
Phenol:chloroform:Isoamyl alcohol Sigma P2069-100ML
Sodium acetate Sigma S2889-250G
Ethanol (molecular biology grade) Sigma E7023-500ML
Agarose Sigma A9539
50X Tris-acetate-EDTA buffer ThermoFisher B49
0.5-10KbRNA ladder ThermoFisher 15623-200
Nanodrop  Spectrophotometer Thermo Scientific Nanodrop 2000
Paraformaldehyde Sigma 158127-500G
10X PBS ThermoFisher 70011-044
1kb Plus DNA Ladder ThermoFisher 10787-018
Potassium Chloride Sigma P9541-500G
Magnesium Chloride Sigma M8266-100G
NP-40 ThermoFisher 28324
Tween 20 Sigma P1379-500ML
Tris pH 8.3 Teknova T1083
12-strip PCR tube Thermo Scientific AB-1113

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Erickson, P. A., Ellis, N. A., Miller, C. T. Microinjection for Transgenesis and Genome Editing in Threespine Sticklebacks. J. Vis. Exp. (111), e54055, doi:10.3791/54055 (2016).

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