Her beskriver vi en tidsspecifik metode til effektivt at manipulere kritiske udviklingsveje i musemoderkagen in vivo. Dette udføres ved injektion og elektroporation af CRISPR-plasmider i moderkagen hos gravide mødre på embryonal dag 12.5.
Placenta er et vigtigt organ, der regulerer og opretholder pattedyrs udvikling i livmoderen. Placenta er ansvarlig for overførsel af næringsstoffer og affald mellem moderen og fosteret og produktion og levering af vækstfaktorer og hormoner. Placentagenetiske manipulationer hos mus er afgørende for at forstå moderkagens specifikke rolle i prænatal udvikling. Placenta-specifikke Cre-ekspressive transgene mus har varierende effektivitet, og andre metoder til placenta genmanipulation kan være nyttige alternativer. Dette papir beskriver en teknik til direkte at ændre placenta genekspression ved hjælp af CRISPR-genmanipulation, som kan bruges til at ændre ekspressionen af målrettede gener. Ved hjælp af en relativt avanceret kirurgisk tilgang gennemgår gravide mødre en laparotomi på embryonal dag 12.5 (E12.5), og et CRISPR-plasmid leveres af en glasmikropipette ind i de enkelte moderkager. Plasmidet elektroporeres straks efter hver injektion. Efter dæmningsgenopretning kan moderkagerne og embryonerne fortsætte udviklingen indtil vurdering på et senere tidspunkt. Evalueringen af moderkagen og afkom efter brug af denne teknik kan bestemme rollen som tidsspecifik placenta funktion i udvikling. Denne type manipulation vil give mulighed for en bedre forståelse af, hvordan placenta genetik og funktion påvirker fostrets vækst og udvikling i flere sygdomssammenhænge.
Placenta er et vigtigt organ involveret i fostrets udvikling. Placentas hovedrolle er at tilvejebringe væsentlige faktorer og regulere overførslen af næringsstoffer og affald til og fra fosteret. Pattedyrs placentas består af både føtal og modervæv, som udgør foster-moderens grænseflade, og dermed genetikken hos både moderen og fosteret påvirker funktion1. Genetiske anomalier eller nedsat funktion af moderkagen kan drastisk ændre fostrets udvikling. Tidligere arbejde har vist, at placenta genetik og udvikling er forbundet med den ændrede udvikling af specifikke organsystemer hos fosteret. Især er abnormiteter i moderkagen forbundet med ændringer i fostrets hjerne, hjerte og vaskulære system 2,3,4,5.
Transporten af hormoner, vækstfaktorer og andre molekyler fra moderkagen til fosteret spiller en stor rolle i fostrets udvikling6. Det har vist sig, at ændring af placentaproduktionen af specifikke molekyler kan ændre neuroudvikling. Moderens inflammation kan øge produktionen af serotonin ved at ændre tryptophan (TRP) metabolisk genekspression i moderkagen, hvilket efterfølgende skaber en ophobning af serotonin i fostrets hjerne7. Andre undersøgelser har fundet placentaabnormiteter sammen med hjertefejl. Abnormiteter i moderkagen menes at bidrage til medfødte hjertefejl, den mest almindelige fødselsdefekt hos mennesker8. En nylig undersøgelse har identificeret flere gener, der har lignende cellulære veje i både moderkagen og hjertet. Hvis de forstyrres, kan disse veje forårsage defekter i begge organer9. Defekterne i moderkagen kan forværre medfødte hjertefejl. Placentagenetikkens og funktionens rolle på udviklingen af det specifikke føtale organsystem er et voksende fagområde.
Mus har hæmokorial placentas og andre træk ved menneskelige placentas, hvilket gør dem meget nyttige modeller til undersøgelse af menneskelig sygdom1. På trods af moderkagens betydning mangler der i øjeblikket målrettede in vivo-genetiske manipulationer. Desuden er der i øjeblikket flere muligheder for knockouts eller knockdowns end overekspression eller gain-of-function manipulationer i moderkagen10. Der er flere transgene Cre-ekspressive linjer til placenta-specifik manipulation, hver i forskellige trofoblastlinjer på forskellige tidspunkter. Disse omfatter Cyp19-Cre, Ada / Tpbpa-Cre, PDGFRα-CreER og Gcm1-Cre 11,12,13,14. Mens disse Cre-transgener er effektive, er de muligvis ikke i stand til at manipulere nogle gener på bestemte tidspunkter. En anden almindeligt anvendt metode til enten knockout eller overexpress placenta-genekspression er indsættelse af lentivirale vektorer i blastocystkultur, hvilket forårsager en trofoblastspecifik genetisk manipulation15,16. Denne teknik giver mulighed for en robust ændring i placentagenekspressionen tidligt i udviklingen. Anvendelsen af RNA-interferens in vivo er blevet sparsomt udnyttet i moderkagen. Indsættelsen af shRNA-plasmider kan udføres på samme måde som CRIPSR-teknikken beskrevet i dette papir. Dette er blevet gjort ved E13.5 for med succes at reducere PlGF-ekspression i moderkagen, med indvirkning på afkom hjernevaskulatur17.
Ud over teknikker, der primært anvendes til knockout eller knockdown, udføres inducerende overekspression almindeligvis med adenovirus eller indsættelse af et eksogent protein. De teknikker, der anvendes til overekspression, har varierende succesrater og er for det meste blevet udført senere i drægtigheden. For at undersøge rollen som insulinlignende vækstfaktor 1 (IGF-1) i placentafunktionen blev der udført en adenoviralmedieret placentagenoverførsel for at inducere overekspression af IGF-1-genet 18,19. Dette blev udført sent i musedrægtigheden på E18.5 via direkte placentainjektion. For at give yderligere muligheder og omgå mulige fejl i etablerede placentagenetiske manipulationer, såsom Cre-Lox-kombinationsfejl, adenovirusets mulige toksicitet og shRNA’s off-target-virkninger, kan in vivo direkte CRISPR-manipulation af moderkagen anvendes20,21,22. Denne model blev udviklet for at afhjælpe manglen på overekspressionsmodeller og for at skabe en model med fleksibilitet.
Denne teknik er baseret på Lecuyer et al.’s arbejde, hvor shRNA- og CRISPR-plasmider blev målrettet direkte in vivo til museplacentas for at ændre PlGF-ekspression 17. Denne teknik kan bruges til direkte at ændre placentagenekspression ved hjælp af CRISPR-manipulation på flere tidspunkter; til dette arbejde blev E12.5 valgt. Placenta er modnet på dette tidspunkt og er stor nok til at manipulere, hvilket muliggør indsættelse af et specifikt CRISPR-plasmid på E12.5, hvilket kan have en betydelig indvirkning på fostrets udvikling fra midten til sen graviditet23,24. I modsætning til transgene tilgange, men ligner virale induktioner eller RNA-interferens, tillader denne teknik overekspression eller knockout på bestemte tidspunkter ved hjælp af en relativt avanceret kirurgisk tilgang, hvorved mulig nedsat placentation eller embryonal dødelighed fra tidligere ændringer undgås. Da kun få placentas modtager eksperimentel eller kontrolplasmidet i et kuld, giver tilgangen mulighed for to typer interne kontroller. Disse kontroller er dem, der injiceres og elektroporeres med det passende kontrolplasmid, og dem, der ikke modtager nogen direkte manipulation. Denne teknik blev optimeret til at skabe en overekspression af IGF-1 genet i museplacenta via en synergistisk aktiveringsmediator (SAM) CRISPR plasmid. IGF-1 genet blev valgt, da IGF-1 er et essentielt væksthormon leveret til fosteret, der primært produceres i moderkagen før fødslen25,26. Denne nye placenta-målrettede CRISPR-teknik giver mulighed for direkte manipulation for at hjælpe med at definere forbindelsen mellem placenta funktion og fosterudvikling.
Placenta er en primær regulator af fostrets vækst, og som tidligere nævnt kan ændringer i placenta genekspression eller funktion påvirke fostrets udviklingbetydeligt 6. Den her skitserede protokol kan bruges til at udføre en målrettet in vivo CRISPR-manipulation af musemoderkagen ved hjælp af en relativt avanceret kirurgisk tilgang. Denne teknik giver mulighed for et betydeligt udbytte af levedygtige embryoner og deres tilsvarende placentas, der kan bruges til yderligere undersøg…
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne anerkender følgende finansieringskilder: R01 MH122435, NIH T32GM008629 og NIH T32GM145441. Forfatterne takker Dr. Val Sheffield og Dr. Calvin Carters laboratorier ved University of Iowa for brugen af deres operationsrum og udstyr samt Dr. Eric Van Otterloo, Dr. Nandakumar Narayanan og Dr. Matthew Weber for deres hjælp med mikroskopi. Forfatterne takker også Dr. Sara Maurer, Maya Evans og Sreelekha Kundu for deres hjælp med pilotoperationerne.
1.5 ml Tubes | USA Scientific Inc | 1615-5500 | |
4% Paraformeldhyde (PFA) in PBS | Thermo Fisher Scientific | J61899.AP | |
96 Well plate | Cornings | 3598 | For BCA kit |
Absorbent Underpads | Fisher Scientific | 14-206-62 | |
Activation Control Plasmid | Santa Cruz Biotechnology | sc-437275 | Dnase-free water provided for dilution |
AMV Reverse Transcriptase | New England Biolabs | M0277L | Use for cDNA synthesis |
Anesthetic Gas Vaporizor | Vetamac | VAD-601TT | VAD-compact vaporizer |
Artifical Tear Gel | Akorn | NDC 59399-162-35 | |
BCA Protein Assay Kit | Thermo Fisher Scientific | 23227 | Protein quantification |
Biovortexer | Bellco Glass, Inc. | 198050000 | Hand-held tissue homogenizer |
CellSens Software | Olympus | V4.1.1 | Image processing to FISH images. |
Centrifuge 5810 | Eppendorf | EP022628168 | Plate centrifuge |
Chloroform | Thermo Fisher Scientific | J67241-AP | RNA isolation |
Cotton Tipped Applicators | ProAdvantage | 77100 | Sterilize before use |
CRISPR/Cas9 Control Plasmid | Santa Cruz Biotechnology | sc-418922 | Dnase-free water provided for dilution |
CryoStat | Leica | CM1950 | |
Dissection Microscope | Leica | M125 C | Used for post-necroscopy imaging |
Dissolvable Sutures | Med Vet International | J385H | |
Distilled Water | Gibco | 15230162 | |
Dulbecco's Phosphate Buffered Saline (DPBS) | Thermo fisher Scientific | 14190144 | (-) Calcium; (-) Magnesium |
ECM 830 Electro Electroporator (Electroporation Machine) | BTX Harvard Apparatus | 45-0662 | Generator only |
Electric Razor | Wahl | CL9990 | Kent Scientific |
Electroporation paddles/Tweezertrodes | BTX Harvard Apparatus | 45-0487 | 3 mm diameter paddles; wires included |
Embedding Cassette: 250 PK | Grainger | 21RK94 | Placenta embedding cassettes |
Ethanol | Thermo Fisher Scientific | 268280010 | |
F-Air Canisters | Penn Veterinary Supply Inc | BIC80120 | Excess isoflurane filter |
Fast Green Dye FCF | Sigma | F7252-5G | Dissolve to 1 μg/ml and filter; protect from light |
Filter-based microplate photometer (plate reader) | Fisher Scientific | 14377576 | Can be used for BCA and ELISA |
Forceps | VWR | 82027-386 | Fine tips, straight, serrated |
Formalin solution, neutral buffered, 10% | Sigma Aldrich | HT501128 | |
Glass Capillaries – Borosilicate Glass (Micropipette) | Sutter Instrument | B150-86-10 | O.D.: 1.5 mm, I.D.: 0.86 mm, 10 cm length |
Halt Protease and Phosphotase inhibitor cocktail (100x) | Thermo Scientific | 1861281 | Protein homogenization buffer |
Heating Pad | Thermotech | S766D | Digitial Moist Heating Pad |
Hemostats | VWR | 10806-188 | Fully surrated jaw; curved |
Hot Water Bath | Fisher Scientific | 20253 | Isotemp 205 |
Igf-1 SAM Plasmid (m1) | Santa Cruz Biotechnology | sc-421056-ACT | Dnase-free water provided for dilution |
Induction Chamber | Vetamac | 941443 | No specific liter size required |
Isoflurane | Piramal Pharma Limited | NDC 66794-013-25 | |
Isoproponal/2-Proponal | Fisher Scientific | A451-4 | RNA isolation |
Ketamine HCl 100mg/ml | Akorn | NDC 59399-114-10 | |
MgCl2/Magneisum Chloride | Sigma Aldrich | 63069-100ML | 1M. Protein homogenization buffer |
MicroAmp™ Optical 384-Well Reaction Plate with Barcode | Fisher Scientific | 4309849 | Barcoded plates not required |
Microcapillary Tip | Eppendorf | 5196082001 | Attached to BTX Microinjector |
Microinjector | BTX Harvard Apparatus | 45-0766 | Stainless Steel Pipette Holder, 130 mm Length, for 1 to 1.5 mm Pipettes |
Microject 1000A (Injection Machine) | BTX Harvard Apparatus | 45-0751 | MicroJect 1000A Plus System |
Micropipette Puller Model P-97 | Sutter Instrument | P-97 | Flaming/Brown type micropipette puller |
Microplate Mixer (Plate Shaker) | scilogex | 822000049999 | |
Mouse/Rat IGF-I/IGF-1 Quantikine ELISA Kit | R & D Systems | MG100 | |
Needles | BD – Becton, Dickson, and Company | 305106 | 30 Gx 1/2 (0.3 mm x 13 mm) |
Nitrogen Tank | Linde | 7727-37-9 | Any innert gas |
Non-Steroidal Anti-Inflammatory Drug (NSAID) | Norbrook Laboratories Limited | NDC 55529-040-10 | Analesgic such as Meloxicam |
Nose Cone | Vetamac | 921609 | 9-14 mm |
Opal 620 detection dye | Akoya Biosciences | SKU FP1495001KT | Used for FISH |
Optimal Cutting Temperature (O.C.T) Compound | Sakura | 4583 | |
Oxygen Tank | Linde | 7782 – 44 – 7 | Medical grade oxygen |
Pestles | USA Scientific Inc | 14155390 | |
Povidone-Iodine Solution, 5% | Avrio Health L.P. | NDC 67618-155-16 | |
Power SYBR™ Green PCR Master Mix | Thermo Fisher Scientific | 4367659 | Use for qPCR |
Random Hexamers (Random Primers) | New England Biolabs | S1330S | Use for cDNA synthesis |
Razor Blade | Grainger | 26X080 | |
RNA Cleanup Kit & Concentrator | Zymo Research | R1013 | |
RNALater | Thermo Fisher Scientific | AM7021 | |
RNAscope kit v.2.5 | Advanced Cells Diagnostics | 323100 | Contains all reagents required for fluorescent in situ hybridization. Probes sold separately. |
RNAscope™ Probe- Mm-Prl8a8-C2 | Advanced Cells Diagnostics | 528641-C2 | |
RNAscope™ Probe- Vector-dCas9-3xNLS-VP64 | Advanced Cells Diagnostics | 527421 | |
Roto-Therm Mini | Benchmark | R2020 | Dry oven for in situ hybridization |
Scissors | VWR | 82027-578 | Dissecting Scissors, Sharp Tip, 4¹/₂ |
Sodium Chloride (Saline) | Hospra | NDC 0409-4888-03 | Sterile, 0.9% |
Sodium Citrate, Trisodium Salt, Dihydrate, [Citric Acid, Trisodium Dihydrate] | Research Product International | 03-04-6132 | |
Sodium Hydroxide 1N Concentrate, Fisher Chemical | Fisher Scientific | SS277 | Protein homogenization buffer |
Steamer | Bella | B00DPX8UBA | |
Sterile Surgical Drape | Busse | 696 | Sterilize before use |
Superfrost Plus Microscope Slides | Fisher Scientific | 12-550-15 | |
Surgipath Cover Glass 24×60 | Leica | 3800160 | |
Syringes | BD – Becton, Dickson, and Company | 309659 | BD Luer Slip Tip Syringe sterile, single use, 1 mL |
Thermo Scientific™ Invitrogen™ Nanodrop™ One Spectrophotometer with WiFi and Qubit™ 4 Fluorometer | Fisher Scientific | 13-400-525 | This configuration comes with Qubit 4 fluorometer. Qubit quantification not required. |
Tissue Adhesive | 3M | 1469SB | VetBond |
Tris HCl | Thermo Fisher Scientific | 15568025 | 1M. Protein homogenization buffer |
TRIzol™ Reagent | Thermo Fisher Scientific | 15596018 | RNA isolation |
TSA Buffer Pack | Advanced Cells Diagnostics | 322810 | Used to dilute Opal 620 detection dye |
Universal F-Circuit | Vetamac | 40200 | Attached to vaporizer and vaporizer accessories |
Upright Compound Fluorescence Microscope | Olympus | BX61VS | Used for FISH imaging |
Vectorshield with DAPI | Vector Laboratories | H-1200 | Coverslip mounting media |
ViiA™ 7 Real-Time PCR System with 384-Well Block | Thermo Fisher Scientific | 4453536 | This is for SYBR 384-well block detection. TaqMan and/or smaller blocks available |
Wet n Wild Nail Polish Wild Shine, Clear Nail Protector, Nail Color | Amazon | C450B | |
Xylazine 20mg/ml | Anased | 343730_RX |