電轉(zhuǎn)化儀高效轉(zhuǎn)染mRNA進(jìn)入小鼠受精卵形成穩(wěn)定突變體
瀏覽次數(shù):5766 發(fā)布日期:2015-7-29
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摘要
隨著小鼠基因組序列測序完成,許多研究都圍繞著功能基因參與的生物學(xué)過程,特別是發(fā)育和疾病研究領(lǐng)域。那么穩(wěn)定遺傳修飾的模型動物對于闡明基因的作用十分重要,然而,傳統(tǒng)的方法,包括在胚胎干細(xì)胞中的同源重組或是構(gòu)建小鼠嵌合體,既耗時又耗力。然而新的基因組編輯方法明顯的優(yōu)化這個過程。在有效的基因組編輯方法中CRISPR/Cas 9系統(tǒng)是構(gòu)建攜帶修飾基因組最簡單的方法。
雖然,CRISPR/Cas9系統(tǒng)簡化了形成突變體的過程,但是將DNAs/RNAs微注射入受精卵需要特殊的技術(shù),得到大量的突變體也十分耗時間(注射數(shù)以百計的受精卵)。那么,為了簡化這個過程,我們嘗試用電轉(zhuǎn)化儀將RNA導(dǎo)入受精卵。
電轉(zhuǎn)也被用于過小鼠受精卵,但是過程涉及去除卵透明帶,或是用酸臺氏液薄化處理,這些對細(xì)胞是非常有毒性的,而且只有短小的RNAs(短于1kb)可以被導(dǎo)入。
近期,一只大鼠突變體成功構(gòu)建,借助于在保持卵透明帶完好的前提下轉(zhuǎn)染Cas9mRNA和gRNA入大鼠受精卵。然而基因組編輯的效率很低(低于9%),而且需要大量的Cas9(1000-2000ng/ul)。
方法與結(jié)果
為了優(yōu)化電轉(zhuǎn)條件,我們使用BEX CUY21 EDIT II電轉(zhuǎn)化儀,以及鉑金塊電極,1mm間隔(圖1abc)。放在體視顯微鏡下,并連接電轉(zhuǎn)化儀。每次加入5ulRNA,可以電轉(zhuǎn)40-50個胚胎。
為了提高基因組編輯效率,分別借助mCherry mRNA和無肢基因Fgf10,優(yōu)化參數(shù),得到電轉(zhuǎn)受精卵存活并發(fā)育成兩細(xì)胞階段的比率是94-95%,比微注射方法34-35%要高很多。
當(dāng)我們使用400ng/ul的Cas9 mRNA和200ng/ul gRNA進(jìn)行轉(zhuǎn)染,87%的胚胎表現(xiàn)出缺失前、后腿,是圖2c(type I);10%的突變體是肢體殘缺(type II);只有3%的胚胎表現(xiàn)為正常(type III)。對I型突變體進(jìn)行測序,發(fā)現(xiàn)Fgf10基因等位基因全部被打斷。
隨后,我們檢測了不同濃度的Cas9mRNA和gRNA對于基因編輯的效率。200ng/ul Cas9 mRNA和50ng/ul的gRNA,73%的胚胎無肢;100ng/ul Cas9 mRNA和50ng/ul的gRNA,32%展示肢體殘缺(圖2bc);50ng/ul Cas9 mRNA 和25ng/ul的gRNA,胚胎大多正常。
Figure 1. Optimal conditions for the electroporation used to deliver mRNA into fertilized eggs.(a) Electroporation set-up used in this study. The right box is the electroporator CUY21 EDIT II (BEX Co.Ltd),which generates electric pulsed, and the left is a stereoscopic microscope for embryo manipulation. Two electrodes were placed on the microscope stage and connected to the electroporator.
Figure 2. CRISPR/Cas9mediated genome editing by electroporation. (b)Examples of embryos from the three classes that exhibited different limb phenotypes: no limbs (type I), limb defects (type II, left hind limb deficiency, right: truncated fore-and hind-limb) , and normal (type III).(c)Graph summarizing the effects of Cas9 and gRNA electro-poration on limb development. The concentrations of RNAs used in each experiment are shown at left. The numbers in each column are the number of embryos exhibiting the phe-notype in each category.
Figure 3. The single-stranded oligodeoxynucleotide(ssODN)-induced generation of HDR-mediated instertions.(b) Representative embryo electroporated with Cas9 mRNA, gRNA, and ssODN.The mCherry florescene completely disappeared in the electroporated embryos, while control (no electroporation) embryos displayed florescent signals.
為了確定基因組編輯的高效,轉(zhuǎn)染mCherry入11只小鼠中,發(fā)現(xiàn)所有11個小鼠都沒有紅色熒光(圖3b)。這一結(jié)果說明電轉(zhuǎn)染的方法還可以用于高效產(chǎn)生HDR介導(dǎo)的基因敲除小鼠。
接下來,我們揭示了這種突變是否會在下一代中遺傳下來。電轉(zhuǎn)200ng/ul Cas9 mRNA和100ng/ul的gRNA入卵細(xì)胞,靶向mCherry基因。觀察25只F0代小鼠,均無紅色熒光表達(dá)。而且所有的F1代小鼠同樣沒有紅色熒光,而且mCherry基因被打斷。說明基因編輯突變體可以穩(wěn)定遺傳。
討論
綜上所述,我們確立了一個電轉(zhuǎn)條件,保證基于CRISPR/Cas9的基因組編輯的高效和高存活率。因為電轉(zhuǎn)染不需要微注射技術(shù),而且可以同時對40-50個胚胎進(jìn)行處理,這種方法較之以前的方法能更快更簡單的得到大量的穩(wěn)定遺傳突變體小鼠。應(yīng)用這個方法,可以為分析F0表型進(jìn)而篩選發(fā)育相關(guān)重要基因奠定基礎(chǔ)。