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在这里, 我们提出了一个详细的协议, 以确定同源重组事件发生在小鼠胚胎干细胞使用南方印迹和/或 pcr。利用传统的胚胎干细胞同源重组介导靶向技术生成的非肌肉肌球蛋白 ii 基因替代小鼠模型就是例证。
相对于非目标效应和在基因组编辑的设计师核酸酶应用中插入长 dna 片段的困难问题, 胚胎茎 (es) 细胞靶向技术并没有这些缺点, 而且广泛存在用于修改动物老鼠基因组, 从大的缺失插入到单核苷酸取代。值得注意的是, 确定获得所需的 es 克隆所需的同源重组 (hr) 事件相对较少, 是一个关键步骤, 需要准确和可靠的方法。南方印迹和/或常规 pcr 经常用于这一目的。在这里, 我们描述了使用这两种方法来识别发生在小鼠 es 细胞中的 hr 事件的详细过程, 在这些事件中, 内源性 myosin 基因的目的是被编码其他非肌肉肌球蛋白重链 i (nmhc iis) 的 cDNAs 所破坏和取代。南方印迹的整个过程包括靶向载体的构建、电穿孔、药物选择、es 细胞/克隆体的扩张和储存、基因组 dna (gdna) 的制备、消化和印迹、杂交和探头的清洗, 以及 x 射线胶片上自动成像的最后一步。pcr 可直接与制备的和稀释的 gdna 一起进行。为了获得理想的结果, 应仔细规划用于南方印迹的探针和限制性酶 (re) 切割位点和 pcr 引物。虽然执行南方印迹是耗时和劳动密集型的, pcr 结果有假阳性, 但南方印迹的正确识别和 pcr 的快速筛选允许这些方法的唯一或组合应用所描述的本文在 es 细胞和转基因动物基因型的鉴定中得到了大多数实验室的广泛应用和参考。
hr 在小鼠 es 细胞中的基因靶向技术为剖析特定基因突变 1,2的细胞后果提供了有力的工具。2007年诺贝尔生理学或医学奖 3、4 对这一技术的重要性和意义反映在它的认可上;同时, 它也代表了现代基因工程时代的到来.通过 hr 进行基因靶向的基因可以用来设计小鼠 es 细胞 6,7基因组中几乎任何改变, 从点突变到大染色体重排。众所周知, 在所谓的基因组编辑工具出现之前, 基因敲除小鼠的产生需要在 es细胞8、9、10中应用基因靶向技术。在过去20年中, 这种方法产生了 5, 000多头基因靶向小鼠, 用于人类疾病建模或研究基因功能 11。建立了全基因组淘汰赛的工作, 将基因靶向载体、针对 es 细胞克隆和活鼠分配给科学界2、12、13、14,15. 毫无疑问, 基于 es 细胞的 hrc 介导的基因靶向技术极大地促进了我们对在生理或病理背景下发挥的基因功能的了解。
由于 hr 在哺乳动物细胞16,17中是一个相对较少的事件, 重要的和下一步的基因靶向在小鼠 es 细胞是分析许多 es 菌落, 以确定几个克隆与突变产生的hr 与目标向量 18。识别人力资源事件的黄金方法包括南方印迹和 pcr19,20。这些方法的优点包括南方印迹可以正确识别有针对性的 es 克隆, 并允许研究人员分析基因目标事件的结构, 例如验证构造的单个副本插入, 而基于 pcr 的战略允许更迅速地筛选21世纪、22日的人力资源活动。尽管这些方法有缺点, 例如它们很耗时, 可能存在误报, 但它们的组合用法在识别 hr 事件 (特别是 es 细胞) 以生成转基因产品时被广泛接受和应用动物。
哺乳动物中的非肌肉肌球蛋白 ii (nm ii) 有三种异型, 每种都由两个相同的 nmhc i i 由三个不同的基因 (名为 myosin、myosin 和 myosin) 和两对光链编码, 称为 nm-ii-a、ii-b 和 ii-c23。先前的研究表明, 至少 nm ii-a 和 ii-b 的异形对小鼠的发育至关重要, 因为这些同态的体内消融会导致胚胎性 24,25, 26。为了规避这一问题, 并在小鼠发育的后期阶段对 nm ii-a 和 ii-b 的特定于于等结构的功能有新的见解, 采用了基于 es 细胞的 hr 介导基因靶向技术的基因替代策略。生成一系列鼠标模型27。在确定所需 es 克隆体的过程中, 采用了南方印迹和 pcr 方法, 证明了这些方法的有效性和可靠性。
本文旨在提供南方印迹和 pcr 的详细描述, 包括靶向载体、探针和引物的设计, 实验的执行, 以及通过识别 hr 事件对结果进行分析。发生在 es 细胞中, 用于创建基因替代 nm ii 小鼠模型和代表性数据。这里介绍的这两种方法的方案也可以用来识别转基因细胞或动物的基因型。
1. pcr 的目标结构、南球探针和引物的设计
2. 南方布洛靶向构造和探针的生成及 pcr 引物的制备
3. 靶向结构的制备、es 细胞的电穿孔和 es 克隆的放大
4. 基因组 dna 的制备和限制性酶的消化
5. 南方印迹和 pcr 鉴定
本文介绍了一种详细的南方印迹和 pcr 协议, 该协议利用基于 es 细胞的 hr 介导靶向技术, 用于识别小鼠 es 细胞中发生的 hr 事件, 用于生成 nm ii 基因替代小鼠模型。尽管南方印迹和 pcr 以及传统的基因靶向技术已经广泛使用了几十年, 但它们的成功应用需要仔细规划。至少需要考虑这些方面: 长臂和短臂的长度、探针的位置和长度、切割基因组 dna 的合适 res 以及 pcr 的引物, 如图 1所示, 这对后续分析。作为南方印迹的一个重要步骤, 制备和消化的基因组 dna 需要在 dna 凝胶上分离, 以便探针检测。由于基因组 dna 被切割成许多长度不同的片段, 因此它们在 dna 凝胶上显示出类似涂片的状态, 这表明基因组 dna 完全消化, 如图 2所示。作为南方印迹的最后一步, 在影片中显示了放射性标记的探针与目标 dna 片段杂交的信号, 这反映了 es 克隆中人力资源事件的发生, 从而表明 es 克隆是否为所需的。根据本研究的预先设计, 具有突变等位基因的 es 克隆有两个不同大小的带, 而野生类型 es 克隆只有一个带, 这表明所需的 es 克隆是杂合体 (图 3)。相对于南方印迹的手术和结果, pcr 的操作和结果是简单和直接的。在 pcr 反应后, 可以在 dna 凝胶上对 pcr 产物进行分析。如果 pcr 带是特异性的, 克隆 pcr 产品的测序证实存在部分目标载体序列, 如新抗性基因, 以及同源臂之外的基因组区域, 则可能会发生 hr 事件。(图 4)。
图 1: 定位构造.这是一个示意图, 演示了多个目标构造的生成。前面显示和描述了野生类型 (wt) myh9 基因等位基因、基因靶向载体、替换外源表达盒、由此产生的突变等位基因以及用于南叶和引物的探针 (lp, rp) (p1, p2)。27. 外显子2上的箭头表示平移起始站点。在 hr 成功出现后, 仅插入 5 ' 的启动 atg 密码子的替换表达盒和新霉素耐药基因 (neor)。因此, 内源性 myh9 等位基因被破坏, 敲入基因在突变细胞和小鼠中表达。请点击这里查看此图的较大版本.
图 2: 消化的基因组 dna 与 dra i.以用 ii-b 取代 nmhc ii-a 的结构为目标的 es 克隆的基因组 dna 被用 dra i 消化, 然后通过电泳在琼脂糖凝胶上分离。观察到类似涂片的消化 gdna。c1-c8 描绘了单个 es 克隆。gdna 的完全消化会产生大量长度不同的 dna 片段, 从而显示出类似涂片的图像。这一结果也反映了制备的 gDNAs 的良好质量和消化的完整性。请点击这里查看此图的较大版本.
图 3: 南方印迹的代表性结果.这些面板显示了一个南方印迹筛选的基因组 dna 从 es 克隆的目标, 结构取代 nmhc ii-a 与 ii-ab, 使用左和右探头。当使用左探针或右探针时, 突变的等位基因分别显示 12.1 kb 或 6 kb 波段, 而 wt 显示 9.7 kb 波段。m: 标记;pc1-pc5: 正克隆;nc: 负克隆。还指出了南方印迹带的大小。所有南方印迹的程序都是严格执行的, 探针的特异性足够好;不应该有预期的特定波段。请点击这里查看此图的较大版本.
图 4: pcr 的代表性结果.该面板展示了基于使用引物对 p1 + p2 将 nmhc-ii-a 替换为 ii-ba 的结构所针对的 es 克隆基因组 dna 的 pcr 识别。突变的等位基因产生 2.1 kb 的波段, 而 wt 等位基因产生没有带。m: 标记;pc1-pc3: 正克隆;nc: 负克隆。还指出了 pcr 带的大小。由于引物的设计只检测突变的等位基因, 因此单个预期带的出现反映了引物的特殊性和制备的 gDNAs 的高质量。请点击这里查看此图的较大版本.
目前, 用于基因组编辑的设计核酸酶由于其目标外效应和插入 dna 片段30、31的困难问题, 仍不能取代基于 es 细胞的基因靶向技术。作为识别发生在小鼠 es 细胞中的 hr 事件的黄金方法, 本报告为该领域提供了一个详细的南方印迹和 pcr 协议。我们通过分析一系列构造所针对的鼠标 es 细胞中的单个克隆来验证这些方法的可靠性。这些方法确定的所需 es 克隆已成功地用于生成相应的鼠标模型27。
虽然已经描述了其他技术, 筛选目标 es 克隆人 19,32, 南方印迹和 pcr 的方法不能完全取代那些建立在此后的 32, 因为这些初步技术具有较长的应用历史, 被科学社会广泛接受和确认, 由大多数生物实验室进行, 是其他技术的起源。重要的是, 南方印迹和 pcr 在识别人力资源事件方面的良好表现在以往的工作29中得到了很好的体现。南方印迹的结果表明了几个独特的特征: 在随机筛选的 es 克隆中, 90% 以上是理想的克隆体, 没有检测到非特异性带, 而 hr 优先发生在 myh9 基因的一个等位基因上。同时, pcr 的数据, 加上测序, 证实了人力资源事件的发生是针对具体地点的, 与南方印迹事件的发生很好地匹配。
根据我们的实践, 当使用南方印迹和 pcr 来识别 es 细胞中的 hr 事件时, 应该考虑几个因素, 从而获得良好的和预期的结果。第一个是同源武器的长度;一般情况下, 增加同源臂长度将提高 hr33的效率。然而, 情况并非总是如此。一方面, 更长的武器增加了操纵的难度;另一方面, 这里报告的同源臂 (左臂为 4kb, 右臂为 1.7 kb) 的长度导致了到目前为止在类似实验中获得的最高 hr 频率。此外, 合理长度的同源臂有助于通过 pcr 进行识别。二是利用同源 dna 制备同源性武器和南方印迹探针 34.这可以通过订购包含兴趣区域的 bac 克隆或使用打算被锁定的细胞的基因组 dna 来满足这一点。第三是选择合适的稀土元素来消化基因组 dna。一般情况下, 一个 re 或两个 re 的组合, 切割野生类型或突变等位基因只有一次或两次周围的目标区域是首选;此外, 所产生的较大的 dna 片段不应超过 15 kb, 不同 dna 片段之间的大小差异超过 2 kb。这些要求可以促进通过南方印迹来分离和识别预期波段。第四是探针的长度和与基因组中其他序列的最小相似性。通常情况下, 探头的长度为 500–1000 bp。ncbi blast 程序可以分析与基因组中其他序列的相似性。此外, 还介绍了一个用于设计南方印迹探头的软件.第五个要考虑的因素是使用常规方法制备基因组 dna 以提高产量。从48孔板的汇井中制备的基因组 dna 一般足以进行至少两轮南方印迹分析。至于 pcr 引物的设计, 最好的策略是在选择标记上使用一个引物与靶向臂外的引物一起使用。此外, pcr 产品的测序对于证明人力资源事件20、36也很重要。值得注意的是, 基于 pcr 的筛查不能完全取代通过南方印迹获得的信息, 而它可以有效减少要评估的克隆数量。
总之, 南方印迹和 pcr 是筛选 es 克隆体以识别 es 细胞中 hr 介导的基因靶向事件的良好方法。虽然这里描述的详细协议主要集中在筛选所需的 nm ii 基因替代 es 克隆, 它可以用于基因分型小鼠随后产生的积极 es 克隆。它可以很容易地适应其他细胞类型的 hr 事件的识别, 如 ips 细胞或体细胞。
作者没有什么可透露的。
这项工作得到了国家自然科学基金总计划 (31571432)、中国省人类自然科学基金会 (赠款号 2015jc3097) 和湖南省教育局研究基金会的支持。中国省 (批准号: 15k054)。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
BAC CLONE | BACPAC Resources Center (BPRC) | bMQ-330E21 | |
QIAGEN Large-Construct Kit | QIAGEN | 12462 | |
QIAquick Gel Extraction Kit | QIAGEN | 28704 | |
QIAquick PCR Purification Kit | QIAGEN | 28104 | |
QIAprep Spin Miniprep Kit | QIAGEN | 27104 | |
QIAGEN Plasmid Plus Maxi Kit | QIAGEN | 12963 | |
PfuUltra High-Fidelity DNA Polymerase | Agilent | 600382 | |
T-easy vector | Promega | A1360 | |
Nuclei Lysis Solution | Promega | A7941 | |
Protein Precipitation Solution | Promega | A7951 | |
DNA Denaturing Solution | VWR | 351-013-131 | |
DNA Neutralizing Solution | VWR | 351-014-131 | |
Ready-To-Go DNA Labeling Beads (-dCTP) | VWR | 27-9240-01 | |
UltraPure SSC, 20x | Thermo Fisher | 15557036 | |
UltraPur Phenol:Chloroform:Isoamyl Alcohol (25:24:1, v/v) | Thermo Fisher | 15593031 | |
G418 | Thermo Fisher | 10131035 | |
Salmon Sperm DNA Solution | Thermo Fisher | 15632011 | |
Platinu Taq DNA Polymerase High Fidelity | Thermo Fisher | 11304029 | |
Not I | Thermo Scientific | ER0592 | |
Dra I | Thermo Scientific | ER0221 | |
EcoR I | Thermo Scientific | ER0271 | |
Ganciclovir | Sigma | G2536 | |
Whatman TurboBlotter Transfer System, Large Kits | Fisher Scientific | 09-301-188 | |
[α32P]dCTP | PerkinElmer | NEG013H100UC | |
ProbeQuan G-50 Micro Columns | GE Healthcare | 28-9034-08 | |
Hybrisol I Hybridization Solution | Millipore | S4040 | |
Kodak X-Ray Film | Z&Z Medical | 844 5702 |
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