Adeno-associato Virus-mediate consegna di CRISPR per Gene cardiaco nei topi di Editing
Summary
Qui forniamo un protocollo dettagliato per effettuare in vivo gene cardiaco editing nei topi utilizzando Virus ricombinante Adeno-Associated (rAAV)-mediate consegna di CRISPR. Questo protocollo offre una strategia terapeutica di promessa per il trattamento di cardiomiopatia distrofica nella distrofia muscolare di Duchenne e può essere utilizzato per generare specifico knockout in topi postnatali.
Abstract
Il sistema cluster, regolarmente intercapedine, breve, palindromico di ripetere (CRISPR) ha notevolmente facilitato ingegneria genoma in cellule coltivate e gli organismi viventi da una grande varietà di specie. La tecnologia CRISPR è stata esplorata anche come approcci terapeutici per un certo numero di malattie umane. Dati di prova sono molto incoraggianti, come esemplificato da studi recenti che dimostrano la fattibilità e l’efficacia di gene editing basato su approccio terapeutico per la distrofia muscolare di Duchenne (DMD) utilizzando un modello murino. In particolare, iniezione endovenosa ed intraperitoneale del rh.74 di sierotipo del virus adeno-associato ricombinante (rAAV) (rAAVrh.74) ha permesso la consegna efficiente cardiaca di Staphylococcus aureus CRISPR-collegata della proteina 9 (SaCas9) e due Guida RNAs (gRNA) per eliminare una regione genomica con un codone mutante nell’esone 23 del gene Dmd del mouse. Questo stesso approccio è utilizzabile anche per battere il gene di interesse e studiare la loro funzione cardiaca nei topi postnatali quando il gRNA è progettato per la regione di codificazione del gene. In questo protocollo, vi mostriamo nel dettaglio come ingegnere vector rAAVrh.74-CRISPR e come raggiungere altamente efficiente consegna cardiaca in topi neonatali.
Introduction
Il cluster, regolarmente intercapedine, breve palindromi ripetere (CRISPR) tecnologia rappresenta il più recente avanzamento in ingegneria del genoma e ha rivoluzionato la pratica corrente della genetica in cellule e degli organismi. Editing basato su CRISPR genomico utilizza una sola guida RNA (gRNA) per dirigere un’endonucleasi associata CRISPR come CRISPR-associated protein 9 (Cas9) e Cpf1 ad un target di DNA genomico che è complementare in sequenza la protospacer codificati da gRNA con un protospacer specifici motivi adiacenti (PAM)1,2. Il PAM varia a seconda della specie batterica del gene Cas9 o Cpf1. Il più comunemente usata nucleasi Cas9 derivata da Streptococcus pyogenes (SpCas9) riconosce una sequenza di PAM di NGG che si trova direttamente a valle della sequenza dell’obiettivo nel DNA genomico, sul filo del non-bersaglio. Presso il sito di destinazione, le proteine Cas9 e Cpf1 generano una rotture a doppio filamento (DSB), che sono poi ripristinata via intrinseci meccanismi di riparazione del DNA cellulari tra cui unirsi non-omologo fine (NHEJ) e riparazione omologia-diretto (HDR) vie3, 4. In assenza di un modello di DNA per ricombinazione omologa, il DSB è principalmente riparato da pathway NHEJ errori, che possono provocare gli inserimenti o eliminazioni (indels) di nucleotidi causando mutazioni frameshift, se l’organo di conciliazione sono stato creato nella codificazione regione di un gene5,6. Così, il sistema CRISPR è stato ampiamente utilizzato per progettare le mutazioni di perdita-de-funzione in vari modelli cellulari e interi organismi, al fine di studiare la funzione di un gene. Inoltre, il cataliticamente inattivo Cas9 e Cpf1 sono stati sviluppati per trascrizionalmente ed epigeneticamente modulare l’espressione di geni bersaglio7,8.
Più recentemente, sia SpCas9 e SaCas9 (derivato da Staphylococcus aureus) sono stati imballati in vettori ricombinanti virus adeno-associato (rAAV) per la correzione genica postnatale nel modello animale di malattie umane, in particolare, Duchenne distrofia muscolare (DMD)9,10,11,12,13,14,15. DMD è una malattia recessiva legata al X fatale causata da mutazioni nel gene DMD , che codifica per la proteina distrofina16,17, che interessa circa uno in 3500 nati maschi secondo screening neonatale18 , 19. è caratterizzata da debolezza muscolare progressiva e lo spreco. I pazienti DMD di solito perdono la capacità di camminare tra i 10 e i 12 anni di età e morire di insufficienza respiratoria e/o cardiaco all’età di 20-30 anni20. In particolare, la cardiomiopatia si sviluppa in > 90% dei pazienti DMD e rappresenta la principale causa di morte in pazienti DMD21,22. Anche se Deflazacort (un farmaco anti-infiammatorio) ed Eteplirsen (un esone che salta medicina per saltare essone 51) recentemente sono stati approvati per la DMD da Food and Drug Administration (FDA)23,24, nessuno di questi trattamenti correggere il difetto genetico a livello di DNA genomico. Il topo mdx, che trasporta una mutazione di punto all’esone 23 del gene della distrofina, è stato ampiamente usato come un DMD modello25. Inoltre, abbiamo in precedenza dimostrato che l’espressione di distrofina funzionale è stato restaurato da omissione in-struttura del DNA genomic che coprono gli essoni 21, 22 e 23 nella muscolatura scheletrica di topi mdx utilizzando intramuscolare annuncio-SpCas9/gRNA consegna9 e nei muscoli del cuore di topi mdx/utrofina+ /- mediante consegna di rAAVrh.74-SaCas9/gRNA endovenosa ed intraperitoneale26.
In questo protocollo, descriviamo in dettaglio ogni passo nel gene cardiaco postnatale di editing per ripristinare la distrofina in topi mdx/utrofina+ /- utilizzando rAAVrh.74-SaCas9/gRNA vettori, dalla progettazione di gRNA alla distrofina analisi nelle sezioni del muscolo di cuore.
Protocol
Representative Results
Discussion
In questo protocollo, abbiamo dettaglio tutti i passi necessari per raggiungere in vivo gene cardiaco modifica in topi postnatali utilizza il recapito rAAVrh.74-mediata di SaCas9 e due gRNAs. Come precedentemente osservato, questo approccio può essere utilizzato per ripristinare l’espressione di distrofina in topi distrofici come descritto nel nostro lavoro27, ma potrebbero anche permettere gli studi di genetica inversa rapida dei geni legati al cardiaco in topi senza il lungo processo d…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
U.R. è supportato dagli Stati Uniti istituti nazionali di sovvenzioni di salute (R01HL116546 e AR064241 R01).
Materials
| Alexa Fluor 555 goat anti-rabbit IgG | Thermo Fisher Scientific | A-21428 | |
| Benzonase Nuclease | Sigma-Aldrich | E1014 | |
| Bio Safety Cabinets | Thermo Fisher Scientific | 1347 | 1300 Series A2 Class II, Type A2 |
| BsaI | New England BioLabs Inc | RO535S | |
| Competent cells | Agilent Technologies | 200314 | |
| Cell culture dishes, 150mm | Nest Scientific USA | 715001 | |
| Cryostat | Leica Biosystems | Leica CM3050S | |
| DMEM | Thermo Fisher Scientific | MT10017CV | Corning cellgro |
| Dystrophin antibody | Spring Bioscience | E2660 | |
| Fast-Ion Midi Plasmdi Kits | IBI Scientific | IB47111 | |
| FBS | Thermo Fisher Scientific | 26-140-079 | |
| Filter Unit, 0.45μm | Thermo Fisher Scientific | 166-0045 | |
| GoTaq Master Mixes | Promega | M7122 | |
| High-speed plasmid mini kit | IBI Scientific | IB47102 | |
| Horse serum | Abcam | ab139501 | |
| Isotemp 2239 Water Bath | Thermo Fisher Scientific | 15-460-11Q | |
| Isotemp Heat Block | Thermo Fisher Scientific | 11-718 | |
| Inverted confocal microscope | Carl Zeiss Microscopy, LLC | LSM 780 | |
| LightCycler 480 instrument | Roche | 5015243001 | LightCycler 480 Instrument II |
| Large Capacity Centrifuge | Thermo Fisher Scientific | 46-910 | Thermo Scientific Sorvall RC 6 Plus |
| Microcentrifuge | Thermo Fisher Scientific | 75002445 | Sorvall Legend Micro 21R |
| Nanodrop spectrophotometers | Thermo Scientific | ND2000CLAPTOP | NanoDrop™ 2000/2000c |
| Oligos for i20-F | Integrated DNA Technologies | CACCgGGCGTTGAAATTCTCATTAC | |
| Oligos for i20-R | Integrated DNA Technologies | AAAC GTAATGAGAATTTCAACGCCc; | |
| Oligos for i23-F | Integrated DNA Technologies | CACCgCACCGATGAGAGGGAAAGGTC | |
| Oligos for i23-R | Integrated DNA Technologies | GACCTTTCCCTCTCATCGGTGc | |
| Oligos | Integrated DNA Technologies | ||
| OptiPrep Density Gradient Medium | Sigma-Aldrich | D1556-250ML | |
| OptiMEM | Thermo Fisher Scientific | 31985070 | |
| PEG8000 | Sigma-Aldrich | 89510-1kg-F | |
| Polyethylenimine | Polysciences | 23966 | |
| Proteinase K | Sigma-Aldrich | P2308 | |
| Quick-Seal centrifuge tube | Beckman Coulter Inc | 342414 | |
| QIAquick Gel Extraction kit | Qiagen | 28704 | |
| Radiant SYBR Green Hi-ROX qPCR Kits | Alkali Scientific | QS2005 | |
| RevertAid RT Reverse Transcription Kit | Thermo Fisher Scientific | K1691 | |
| Rotor | Beckman Coulter Inc | 337922 | Type 70Ti |
| T4 DNA ligase | New England BioLabs Inc | M0202S | |
| Thermal Cycler | Bio-rad | 1861096 | |
| TRIzol Reagent | Thermo Fisher Scientific | 15596026 | |
| Ultracentrifuge | Beckman Coulter Inc | 8043-30-1192 | Optima le-80k |
| Ultra centrifugal filter unit | MilliporeSigma | UFC510096 | |
| VECTASHIELD Mounting Medium with DAPI | Vector Laboratories, Inc | H-1200 |
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