李聰聰 張永輝 趙婉霞 吳姣 韓浩園 李夢云牛暉 宋素芳 李婉濤
(1. 河南牧業(yè)經(jīng)濟學院動物科技學院,鄭州 450046;2. 河南省畜禽遺傳資源保護工程技術(shù)研究中心,鄭州 450046;3. 鄭州市動物生殖分子調(diào)控重點實驗室,鄭州 450046)
CRISPR/Cas系統(tǒng)是由RNA介導的對DNA修飾的基因編輯工具,該技術(shù)可以對基因組特定位點進行缺失、插入、修復等靶向編輯,是目前基因組編輯領(lǐng)域最受歡迎的新技術(shù)。CRISPR/Cas系統(tǒng)是人們在古細菌和細菌中發(fā)現(xiàn)的一種獲得性免疫機制。該系統(tǒng)有 3種類型:TypeⅠ、TypeⅡ和TypeⅢ[1],TypeⅠ和TypeⅢCRISPR/Cas系統(tǒng)需要多個Cas蛋白形成復合體切割DNA雙鏈,其中僅存在于細菌的TypeⅡ系統(tǒng)只需要一個Cas9蛋白來切割DNA雙鏈,而且體外實驗已經(jīng)證明Cas9基因是參與CRISPR免疫系統(tǒng)唯一的必須基因[2-3],由于其簡易性和可操作性,TypeⅡ系統(tǒng)已被改造為最成功的人工核酸酶[4],最有力的基因編輯工具,成為基因編輯領(lǐng)域最炙手可熱的技術(shù)。Cas9是一種內(nèi)切酶,具有RuvC-like結(jié)構(gòu)域和HNH核酸酶結(jié)構(gòu)域兩個內(nèi)切酶活性中心。Jinek等[5]發(fā)現(xiàn)Cas9對雙鏈DNA的切割作用,需要crRNA(CRISPR-derived RNA)和tracrRNA(trans-activating RNA)的介導。具體來說:crRNA和tracrRNA通過堿基互補配對原則結(jié)合形成一個嵌合RNA分子,被稱為向?qū)NA(single guide RNA,sgRNA)。這個sgRNA與Cas9相互結(jié)合形成蛋白-RNA復合體,該復合體中的Cas9蛋白在crRNA引導序列靶位點剪切雙鏈DNA,其中HNH核酸酶結(jié)構(gòu)域切斷與crRNA互補的一條鏈,RuvC-like結(jié)構(gòu)域切斷非互補鏈,形成DSB(DNA doublestrand breaks)[4],引起細胞的 NHEJ修復機制。該過程即是CRISPR/Cas9系統(tǒng)介導的基因組編輯分子基礎(chǔ)。
miR-155促進機體免疫細胞分化,調(diào)控機體炎癥反應和免疫應答,在機體抵抗感染中發(fā)揮重要作用。miR-155基因是重要的抗病候選基因。大量研究表明,miR-155在機體造血細胞分化、炎癥反應以及免疫應答等生物過程中發(fā)揮重要作用[6]。miR-155是對免疫細胞的活化及炎癥因子的表達具有調(diào)控作用的內(nèi)源性非編碼小分子RNA。Rodriguez等[7]通過miR-155敲除小鼠模型研究發(fā)現(xiàn),miR-155是機體維持正常免疫活動所必須的。MiR-155通過在活化的B細胞和T細胞中上調(diào)表達來調(diào)節(jié)機體獲得性免疫反應。在B細胞成熟過程中,miR-155靶向調(diào)控c-Maf、PU.1和AID等基因,促進記憶性B細胞的形成[8]。MiR-155通過靶向 SOCS1和 c-Maf,調(diào)控Th1/Th2分化平衡的機制[9]。MiR-155參與調(diào)控Th17和Th1細胞亞群的分化[10-11],而且在慢性移植排斥反應中,miR-155調(diào)控Th1/Th17相關(guān)的免疫反應[12]。MiR-155參與CD8+T細胞反應,miR-155缺失可抑制CD8+T細胞應答,miR-155超表達可增強CD8+T細胞應答[13]。MiR-155通過TLR信號通路途徑可被細菌(LPS)和病毒(Poly I:C)的復合物誘導表達,也可被TNFα和干擾素(IFN-β,IFN-γ)誘導表達[14-17]。一些參與TLR誘導的信號級聯(lián)放大的基因 FADD、IKKε、Ripk1、TAB2、SOCS1都是 miR-155 的靶基因[7,18-20]。這些研究表明 miR-155在機體先天性免疫中發(fā)揮重要作用,即miR-155調(diào)控機體炎癥。大量研究表明miR-155的表達水平與炎癥因子的表達水平相關(guān)聯(lián),是個親炎癥(Proinflammtory)分子。本課題組用LPS、Poly(I∶C)分別刺激PK15細胞,發(fā)現(xiàn)miR-155對TLR3/4發(fā)揮正調(diào)控作用[21]。另有研究用土拉弗朗西斯菌(Francisella tularensis)感染人單核細胞,檢測到miR-155表達顯著增加,并且上調(diào)表達的miR-155對促炎因子TNFα、IL1β、IL6的生成發(fā)揮正調(diào)控作用[22]。在類風濕性關(guān)節(jié)炎患者的外周血中,miR-155的表達水平與炎癥因子TNF-α、IL1β的釋放存在正相關(guān)[23]。前人及我們的研究發(fā)現(xiàn)miR-155不但調(diào)控多種免疫細胞成熟、分化,而且當機體受細菌或病毒侵染時,miR-155迅速上調(diào)以激活機體炎癥反應,清除病原。Wang等[24]用RNA病毒感染小鼠巨噬細胞發(fā)現(xiàn),miR-155上調(diào)表達,并靶向抑制SOCS1表達,進而增強I型干擾素信號通路,達到減弱病毒復制的目的。在研究人類艾滋病中,Poly(I∶C)刺激單核細胞來源的巨噬細胞時,高表達的miR-155能夠抑制HIV-1的感染,也即miR-155在機體對抗病毒過程中發(fā)揮積極作用[25]。以上研究表明miR-155是重要的抗病候選基因。
存在機體組織微環(huán)境中的巨噬細胞是重要的免疫細胞,具有吞噬、抗原加工與遞呈、免疫調(diào)節(jié)等生理功能,在機體先天性免疫和獲得性免疫中發(fā)揮重要作用。豬體受到細菌(豬沙門氏菌、副豬嗜血桿菌)或病毒(豬藍耳?。└腥竞螅3J桩斊錄_受到影響的是巨噬細胞,如肺泡巨噬細胞。大量研究數(shù)據(jù)表明細菌(如副豬嗜血桿菌)感染削弱巨噬細胞的免疫力導致豬對細菌易感[26],病毒(豬藍耳?。└腥疽种凭奘杉毎墓δ苄纬蓢乐孛庖咭种茖е仑i體對其它病毒性疾病和細菌性疾病易感性明顯增加[27]。本研究選定重要的抗病候選基因miR-155,采用改良的CRISPR/Cas9系統(tǒng)構(gòu)建miR-155敲除的豬肺泡巨噬細胞系,為探討miR-155在巨噬細胞發(fā)揮的調(diào)控功能研究提供細胞模型。
pGL3-U6-sgRNA-PGK-puromycin(Addgene:#51133)和pEGFP-C1-cas9為華中農(nóng)業(yè)大學謝勝松副教授課題組饋贈,3D4/21豬肺泡巨噬細胞由華中農(nóng)業(yè)大學趙書紅教授課題組饋贈。引物合成和測序均由生工生物工程(上海)股份有限公司完成。
1.2.1 sgRNA設(shè)計及表達載體構(gòu)建 利用sgRNAcas9軟件在ssc-miR-155前體區(qū)域設(shè)計4條特異性的sgRNA引物,引物名稱分別為sgRNA39F/R、sgRNA42F/R、sgRNA51F/R、sgRNA52F/R( 表 1),以 pGL3-U6-sgRNA-PGK-puromycin(Addgene:#51133,簡寫pGL3-U6-sgRNA)載體為骨架構(gòu)建表達載體。提取包含4條sgRNA靶位點及ssc-miR-155前體序列在內(nèi)的696 bp基因組序列,用Premier5.0軟件設(shè)計最佳的PCR擴增引物對ssc-miR-155F/R(表1),引物合成由生工生物工程(上海)股份有限公司完成。sgRNA表達載體構(gòu)建步驟為:取濃度為10 μmol/L的前向與反向引物各5 μL在PCR儀上用 95℃,10 min;65℃,1 h;pGL3-U6-gRNA質(zhì) 粒用BsaI酶(NEB北京)進行酶切,酶切回收備用,連接退火后的sgRNA;將退火后的sgRNA稀釋100倍,取1 μL與酶切的pGL3-U6-gRNA質(zhì)粒,使用T4 DNA連接酶(寶生物工程(大連)有限公司)16℃連接1 h;取2 μL連接產(chǎn)物,轉(zhuǎn)化到DH5α感受態(tài)細胞(寶生物工程(大連)有限公司)中,涂布到加了氨芐的LB固體培養(yǎng)基上,挑選用PCR擴增(此時用U6左引物和sgRNA右引物鑒定陽性克?。╄b定成功的單克隆菌液,送生工生物工程(上海)股份有限公司用“U6seqF”引物測序鑒定,將靶向ssc-miR-155前體的不同位置sgRNA表達載體分別命名為:sgRNA51、sgRNA52、sgRNA42和 sgRNA39。測序正確的陽性菌擴大培養(yǎng),用無內(nèi)毒素質(zhì)粒提取試劑盒(Endo-free Plasmid DNA Mini Kit Ⅱ,Omega Bio-Tek)抽提表達質(zhì)粒,測定濃度后備用。
1.2.2 細胞培養(yǎng),質(zhì)粒轉(zhuǎn)染及流式分選 3D4/21細胞培養(yǎng),用含10%胎牛血清的1640(Gibco)培養(yǎng)基,在CO2濃度為5%,溫度為37℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。轉(zhuǎn)染前接種一個6孔板,每孔接種細胞量為1.2×105個,待細胞處于對數(shù)生長期且密度接近80%左右時,按照Lipofectamine?2000轉(zhuǎn)染試劑說明書分組轉(zhuǎn)染(對照組:pGL3-U6-sgRNA空載+ pEGFP-C1-cas9;實驗組:pGL3-U6-sgRNA39/42/51/52+ pEGFPC1-cas9;第三組:pEGFP-C1-cas9),于轉(zhuǎn)染48 h后收集所有細胞。若進行流式分選GFP陽性細胞,于轉(zhuǎn)染24 h后收集所有細胞,轉(zhuǎn)入流式細胞儀(BD FACSJazz,美國)進行分選,分選后的細胞添加含有1%雙抗的完全培養(yǎng)基繼續(xù)培養(yǎng)48 h收集所有細胞。利用基因組DNA小量抽提試劑盒(天根生化科技(北京)有限公司),抽提不同實驗組的細胞基因組DNA。
1.2.3 PCR擴增與T7EI酶酶切鑒定、測序分析 以上述抽提的細胞DNA為模板,利用表1中的引物ssc-miR-155F/R,在Q5超保真 DNA 聚合酶(NEB,北京)作用下進行PCR擴增,PCR反應條件為:98℃預變性30 s,98℃變性10 s,64℃退火復性30 s,72℃延伸30 s,擴增30個循環(huán)。PCR產(chǎn)物用1.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測。利用PCR純化試劑盒(天根生化科技(北京)有限公司)純化PCR擴增產(chǎn)物,接下來嚴格按照T7EI核酸酶(NEB,北京)的說明書進行操作:取200 ng純化之后的PCR產(chǎn)物,加入2 μL NEBuffer 2,補充無核酸酶水至19μL,在PCR儀上進行梯度退火雜交,程序為:95℃變性5 min;95-85℃,每秒降低2℃(-2℃/s);85-25℃,每秒降低 0.1℃(-0.1℃/s);取 1 μLT7EI核酸酶,在PCR儀上37℃切割雜交的PCR產(chǎn)物15 min,然后在2%瓊脂糖凝膠上電泳檢測,基因組突變的泳道將會出現(xiàn)小分子量條帶。進一步,取純化后的PCR擴增產(chǎn)物,進行加A反應(天根生化科技(北京)有限公司),而后取加A后產(chǎn)物與pMD-19T載體(寶生物工程(大連)有限公司)進行TA克隆,DH5α感受態(tài)細胞(寶生物工程(大連)有限公司)轉(zhuǎn)化,涂平板,挑選單克隆在LB培養(yǎng)基中擴大培養(yǎng),菌液PCR鑒定為陽性克隆后送工生物工程(上海)股份有限公司進行測序驗證。
1.2.4 細胞RNA提取及qRT-PCR 取1.2.2收集的 細 胞, 加 入 TRIzol(Invitrogen,Thermo Fisher Scientific,USA),按照RNA提取步驟提取每個樣品的總RNA,測定濃度后備用。用DNAseⅠ(Invitrogen,Thermo Fisher Scientific,USA)對提取的總RNA去 除 基因組 DNA,反應體 系:1 μg總 RNA,1μL10×Reaction Buffer,1 μL(1U)DNase Ⅰ(RNasefree),補DEPC水至總體積10 μL,37℃反應30min。加 入 1 μL 50 mmol/L EDTA, 在 PCR 儀 上 65℃ 孵育10 min,終止反應。按照反轉(zhuǎn)錄試劑盒K1622(Invitrogen,Thermo Fisher Scientific,USA)的操作步驟進行反轉(zhuǎn)錄,cDNA合成步驟:1 μg去除基因組DNA后的總RNA,1 μL莖環(huán)引物(RT-ssc-miR-155-5p/ RT-ssc-miR-155-3p),補 Nuclease-Free Water 至12 μL 構(gòu)成mix1,65℃孵育5 min,而后立即置于冰上 2 min ;4 μL 5×Reaction Buffer,1μL RiboLockTM RNase inhibitor,2 μL 10 mmol/L dNTP mix,1 μL RevertAidTM M-MuLV Reverse Transcriptase,將mix1和mix2混勻離心,設(shè)置反應程序:42℃,60 min;70℃,5 min;15℃,2 min。 反 應 結(jié) 束,-20℃ 保存。以反轉(zhuǎn)錄所得cDNA為模板,對ssc-miR-155-5p,ssc-miR-155-3p表達量進行檢測分析,各基因檢測引物見表1。qPCR 反應體系 :7.5 μL 2×SYBR?Green Real-time PCR Master Mix(Toyobo, 上 海 ),50 pmol引 物,75 ng模 板 cDNA, 補 水 至 15 μL。ABI7500 Fast 系統(tǒng)進行實時熒光定量PCR檢測。擴增程序 :95℃,5 min(Holding stage);95℃,15 s;60℃,34 s;72℃,15 s(Cycling stage,40 cycles);95℃,30 s;58℃,34 s;95℃,15 s;60℃,15 s(Melt Curve Stage)。
1.2.5 Western blotting 取1.2.2所收集細胞,加RIPA裂解液(強)+1mmol/L PMSF(Phenylmethanesulfonyl fluoride,苯甲基磺酰氟)(碧云天,上海)裂解細胞。選用8%SDS-PAGE膠,上樣量為30μg。本實驗所用一抗有SHIP1(bs-3567R,博奧森Bioss),抗體稀釋比 1∶500;beta-Actin(bsm-33036M,博奧森 Bioss),抗體稀釋比1∶1000;熒光二抗StarBrightTMBlue 700 Goat Anti-Rabbit IgG(#12004162,伯樂),抗體稀釋比為1∶10000;DyLight 800 Goat Anti-Mouse IgG(#STAR117D800GA,伯樂),抗體稀釋比為1∶5000。最后在Bio-Rad ChemiDoc MP全能型成像系統(tǒng)中顯色。采用Bio-Rad Image Lab software進行圖像分析。
1.2.6 數(shù)據(jù)分析 qPCR數(shù)據(jù)由相對定量2-△△Ct法進行分析[28],U6作為內(nèi)參基因?qū)Ω骰虮磉_水平進行校正。用非配對的t檢驗分析數(shù)據(jù)差異顯著性,結(jié)果以平均值±標準差表示。
根據(jù)在線CRISPR設(shè)計結(jié)果,合成評分較高的sgRNA引物序列(表1),pGL3-U6-sgRNA重組載體信息(圖1),成功構(gòu)建靶向ssc-miR155的pGL3-U6-sgRNA載體。
正常培養(yǎng)3D4/21細胞至密度為80%左右,用Lipofectamine?2000轉(zhuǎn)染試劑進行分組轉(zhuǎn)染,pGL3-U6-sgRNA39/42/51/52+pEGFP-C1-cas9為實驗組;pGL3-U6-sgRNA空載+ pEGFP-C1-cas9為對照(Control)組;只轉(zhuǎn)染pEGFP-C1-cas9質(zhì)粒通過綠色熒光GFP的表達來檢驗轉(zhuǎn)染是否成功。在熒光顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)染組的3D4/21細胞多數(shù)表達綠色熒光,表明質(zhì)粒轉(zhuǎn)染3D4/21細胞成功(圖2)。
收集轉(zhuǎn)染后的3D4/21細胞提取基因組DNA后,以其作為模板進行PCR擴增,擴增包含miR155前體序列的696 bp的片段,PCR產(chǎn)物純化試劑盒純化以后,按照T7EⅠ核酸酶的說明書進行操作,用2%瓊脂糖凝膠進行分析。隨后用ImageJ定量軟件計算切割效率,發(fā)現(xiàn)sgRNA51、sgRNA52、sgRNA42和sgRNA39均靶向敲除成功,流式分選前的sgRNA39、sgRNA42、sgRNA51、sgRNA52切割效率分別27%、32%、29%和28%,流式分選后分別為42%、41%、38%、36%(圖3)。
表1 構(gòu)建sgRNA表達載體引物、基因組擴增引物及熒光定量PCR引物信息
提取sgRNA39、sgRNA42、sgRNA51、sgRNA52實驗組細胞的基因組DNA,經(jīng)PCR擴增后連接19T載體,轉(zhuǎn)化后挑單克隆送上海生工公司進行Sanger測序。分析測序結(jié)果發(fā)現(xiàn),sgRNA39介導的Cas9核酸酶在靶點位置造成了31 bp、18 bp的缺失,sgRNA42介導的Cas9核酸酶在靶點位置造成了21 bp、11 bp的缺失,sgRNA51介導的Cas9核酸酶在靶點位置造成了24 bp、9 bp的缺失,sgRNA52介導的Cas9核酸酶在靶點位置造成了2 bp的缺失和插入 1 bp(圖 4)。
為檢測CRISPR/Cas9系統(tǒng)對3D4/21細胞內(nèi)源miR-155的表達水平的影響,將轉(zhuǎn)染pGL3-U6-sgRNA和pEGFP-C1-cas9質(zhì)粒的細胞收集之后提RNA進行qPCR檢測。qPCR結(jié)果顯示,不管是miR-155-3p還是miR-155-5p,對照組都呈現(xiàn)高表達(對照組的表達量已標準化為1,圖5)。與對照組相比,sgRNA39和sgRNA42實驗組的miR-155-3p的表達量呈現(xiàn)極顯著下調(diào)(P<0.01),sgRNA51的miR-155-3p的表達量呈現(xiàn)顯著下調(diào)(P<0.05),sgRNA52的miR-155-3p的表達量沒有下調(diào),反而有少許增加;sgRNA39、sgRNA42、sgRNA51和 sgRNA52實驗組的miR-155-5p的表達量均表現(xiàn)為顯著下調(diào)(P<0.05)。不管是miR-155-3p還是miR-155-5p,sgRNA39實驗組的表達量都是顯著下調(diào)最明顯的,暗示sgRNA39的敲除效率最高。
圖1 構(gòu)建靶向ssc-miR155的pGL3-U6-sgRNA載體
為了檢測敲除miR-155的3D4/21細胞中,已驗證的靶基因SHIP1的蛋白表達量,進一步驗證miR-155的敲除效率,將轉(zhuǎn)染pGL3-U6-sgRNA和pEGFPC1-cas9質(zhì)粒的表達綠色熒光蛋白GFP的3D4/21細胞進行流式分選,富集表達GFP的細胞后提取蛋白樣品,采用western blot方法進行miR-155靶基因SHIP1蛋白表達量的檢測。結(jié)果(圖6)顯示,敲除miR-155的3D4/21細胞中,miR-155基因已驗證的靶基因SHIP1呈現(xiàn)高表達,特別是敲除效率比較高的sgRNA39,實驗組SHIP1表達量與對照組相比呈現(xiàn)明顯上調(diào)表達(P<0.01)。
圖2 pGL3-U6-sgRNA與pEGFP-C1-cas9載體共轉(zhuǎn)染3D4/21細胞系(10×)
圖3 T7EⅠ酶酶切檢測sgRNA的切割效率
圖4 Sanger測序結(jié)果
采用CRISPR/Cas9系統(tǒng)進行基因編輯,sgRNA的設(shè)計非常重要。Jing等[29]采用pLentiCRISPR系列慢病毒載體針對小鼠mmu-miR-155種子序列設(shè)計sgRNA構(gòu)建表達載體,感染RAW264.7細胞后,建立單克隆細胞系,DNA測序結(jié)果顯示 mmu-miR-155最多被敲除6 bp,qPCR結(jié)果顯示mmu-miR-155的mRNA表達水平降低一半,正常培養(yǎng)條件下,靶蛋白SHIP1的表達量有少許上調(diào),敲除效率不及本實驗。最主要的原因可能是sgRNA引物的設(shè)計。本實驗sgRNA是針對ssc-miR-155-3p序列設(shè)計的,所選4個sgRNA引物序列是評分較高的,其中sgRNA39評分最高,特別高于針對ssc-miR-155-5p序列設(shè)計的sgRNA;DNA測序顯示sgRNA39敲除31 bp,qPCR結(jié)果顯示sgRNA39敲除細胞中ssc-miR-155-3p表達量下調(diào)8倍多,ssc-miR-155-5p表達量下調(diào)10倍多;靶蛋白SHIP1的表達量上調(diào)8倍。
本實驗中qPCR結(jié)果顯示sgRNA52敲除細胞中ssc-miR-155-3p的表達量沒有降低反而有少許上升,此反?,F(xiàn)象可能的原因有:sgRNA52敲除效率是其中最低的,DNA測序結(jié)果顯示有2 bp的敲除,或者是1 bp的插入。miR-155-3p/5p均參與真核基因表達調(diào)控,并且miR-155-3p/5p可通過兩者表達量比值的改變來發(fā)揮調(diào)節(jié)功能[30]。本實驗中sgRNA52敲除效率最低,而且測序結(jié)果顯示有堿基插入或與參考序列一致,造成mRNA表達水平異常。
基因組編輯技術(shù)是研究基因功能的一個新型的重要工具。在CRISPR/Cas9技術(shù)出現(xiàn)之前,在細胞水平進行基因的功能研究主要采用RNAi技術(shù)。但RNAi屬于瞬時轉(zhuǎn)染,具有不徹底性,可能對基因功能的正確判斷有影響,CRISPR/Cas9技術(shù)可以在基因組水平敲除目的基因,更適用于基因功能的研究[31]。本研究利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)成功構(gòu)建了miR-155敲除的3D4/21細胞株,解決了RNAi技術(shù)的瞬時性和不徹底性對基因功能研究的影響,在細胞水平上為更進一步深入研究miR-155的功能提供了更為有效的工具。
圖5 qPCR檢測miR155-3p和miR155-5p在不同敲除細胞中的表達水平
圖6 Western blot驗證miR-155靶基因SHIP1蛋白在敲除細胞中的表達量
本研究采用帶有GFP標記基因的CRISPR/Cas9系統(tǒng),成功構(gòu)建sgRNA表達載體,共轉(zhuǎn)染3D4/21細胞,采用流式分選并富集表達GFP的細胞,收集細胞后分別在DNA、RNA和蛋白質(zhì)水平檢測敲除效率,結(jié)果顯示T7EI酶酶切檢測有小分子片段,Sanger測序顯示在sgRNA附近位點有堿基敲除,qPCR檢測miR-155-5p/3p表達量均有下降,western blot結(jié)果表明miR-155靶基因SHIP1的蛋白表達量升高。即成功構(gòu)建miR-155敲除的3D4/21細胞系,為進一步探討miR-155在巨噬細胞發(fā)揮的調(diào)控功能研究提供細胞模型。