CRISPR/Cas9系統(tǒng)介導(dǎo)小鼠MSTN基因定點(diǎn)修飾研究

任紅艷 畢延震 李莉 等

摘要：利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)突變小鼠Myostatin基因，為制備MSTN基因修飾豬奠定了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。結(jié)果表明，成功構(gòu)建了CRISPR/Cas9定點(diǎn)敲除技術(shù)平臺(tái)，并獲得MSTN基因發(fā)生缺失突變的小鼠模型。

關(guān)鍵詞：CRISPR/Cas9系統(tǒng)；Myostain基因；定點(diǎn)修飾

中圖分類(lèi)號(hào)：Q78 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）20-5155-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.20.058

Production of MSTN Gene Mutant Mice Using CRISPR/Cas9 System

REN Hong-yan，BI Yan-zhen， LI Li， ZHENG Xin-min

（Institute of Animal Husbandry and Veterinary， Hubei Academy of Agricultural Sciences， Wuhan 430064， China）

Abstract： In this paper， Myostatin gene mutant mice were generated using CRISPR/Cas9 system， which can be further applied to preparation of transgenic pigs. The results showed that CRISPR/Cas9 platform was established and MSTN gene mutant mice were generated successfully.

Key words：CRISPR/Cas9 system； Myostatin gene； site-directed mutation

基因敲除動(dòng)物模型是開(kāi)展基因功能研究、尋找合適藥物作用靶點(diǎn)的重要工具。傳統(tǒng)的基因敲除方法需要通過(guò)復(fù)雜的打靶載體構(gòu)建、ES細(xì)胞篩選、嵌合體選育等步驟，不僅流程繁瑣，對(duì)技術(shù)的要求很高，而且費(fèi)用大、耗時(shí)較長(zhǎng)、成功率也較低。即使對(duì)于技術(shù)比較成熟的實(shí)驗(yàn)室，利用傳統(tǒng)技術(shù)構(gòu)建基因敲除大、小鼠一般也需要一年以上時(shí)間，因此其應(yīng)用受到限制。新一代人工核酸內(nèi)切酶（Engineered endonuclease，EEN）的出現(xiàn)，使這一現(xiàn)狀徹底改觀，鋅指核酸內(nèi)切酶（Zinc Finger Endonuclease，ZFN）是第一代人工核酸內(nèi)切酶，其可以在各種復(fù)雜基因組的特定位置制造DNA的雙鏈切口[1]。截至目前，ZFN已經(jīng)成功應(yīng)用于黑長(zhǎng)尾猴、大鼠、小鼠、中國(guó)倉(cāng)鼠、斑馬魚(yú)、果蠅、海膽、家蠶、擬南芥、煙草、玉米、豬、牛、人類(lèi)iPS細(xì)胞中[2]。第二代人工核酸酶是一類(lèi)轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物核酸酶（Transcription activator-like effector nuclease，TALEN），可以和ZFN一樣對(duì)復(fù)雜的基因組進(jìn)行精細(xì)的修飾，同時(shí)其構(gòu)建較為簡(jiǎn)單，特異性更高，因此受到了科研工作者的青睞，在植物、人類(lèi)細(xì)胞、小鼠、斑馬魚(yú)、豬、牛中迅速得以應(yīng)用[3-5]。

2013年，《Cell》雜志報(bào)道稱(chēng)加州大學(xué)舊金山分校的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種效率更高、修飾更為精確的敲除基因的方法，稱(chēng)為CRISPR/Cas9系統(tǒng)[6]，該系統(tǒng)因其操作簡(jiǎn)單、成本低、效率高等特點(diǎn)受到國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。CRISPR/Cas9是細(xì)菌和古細(xì)菌在長(zhǎng)期演化過(guò)程中形成的一種適應(yīng)性免疫防御，可用來(lái)對(duì)抗入侵的病毒及外源DNA[7]。CRISPR/Cas9系統(tǒng)通過(guò)將入侵噬菌體和質(zhì)粒DNA的片段整合到CRISPR中，并利用相應(yīng)的CRISPR RNAs（crRNAs）來(lái)指導(dǎo)同源序列的降解，從而提供免疫性[8]。該系統(tǒng)的工作原理是crRNA（CRISPR-derived RNA）通過(guò)堿基配對(duì)與tracrRNA（trans-activating RNA）結(jié)合形成 tracrRNA/crRNA 復(fù)合物，此復(fù)合物引導(dǎo)核酸酶Cas9蛋白質(zhì)在與crRNA配對(duì)的序列靶位點(diǎn)剪切雙鏈DNA。而通過(guò)人工設(shè)計(jì)的這兩種RNA，可以改造形成具有引導(dǎo)作用的sgRNA（short guide RNA），從而引導(dǎo)Cas9對(duì)DNA的定點(diǎn)修飾。2013年，美國(guó)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了基于CRISPR/Cas9系統(tǒng)在細(xì)胞系中進(jìn)行基因敲除的新方法，利用靶點(diǎn)特異性的RNA將Cas9核酸酶帶到基因組上的具體靶點(diǎn)，從而對(duì)特定基因位點(diǎn)進(jìn)行切割導(dǎo)致突變，并迅速將該技術(shù)應(yīng)用于基因敲除小鼠和大鼠的制備中[8，9]。Jaenisch等利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)在3～4周時(shí)間內(nèi)構(gòu)建出攜帶5種突變的小鼠，而用傳統(tǒng)的方法則需要3～4年的時(shí)間[10]。CRISPR/Cas9技術(shù)成為繼鋅指核酸酶（ZFN）、ES 細(xì)胞打靶和 TALEN 等技術(shù)后可構(gòu)建基因敲除動(dòng)物的第四種方法，且有效率高、速度快、生殖系轉(zhuǎn)移能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在動(dòng)物模型的構(gòu)建中應(yīng)用前景非常廣闊。

肌肉生長(zhǎng)抑制素（Myostatin，MSTN），又稱(chēng)生長(zhǎng)分化因子-8，屬于轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β超家族，是骨骼肌發(fā)育的主要負(fù)調(diào)控因子。MSTN基因通過(guò)抑制肌源性調(diào)控因子如MyoD等降低成肌細(xì)胞的增殖率，并抑制肌細(xì)胞分化，MSTN基因缺失的動(dòng)物表現(xiàn)明顯的雙肌表型[11]。因此，敲除MSTN基因成為提高動(dòng)物瘦肉率的重要手段。本研究建立了CRISPR/Cas9系統(tǒng)介導(dǎo)的基因定點(diǎn)修飾技術(shù)平臺(tái)，并應(yīng)用該技術(shù)制備了MSTN基因突變的小鼠，為后期制備轉(zhuǎn)基因豬奠定了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 細(xì)菌與質(zhì)粒

限制性?xún)?nèi)切酶、dNTP Mix、高保真酶rTaq、pMD-18T載體和T4 DNA連接酶，購(gòu)自寶生物工程（大連）有限公司；質(zhì)粒DNA小量提取試劑盒，瓊脂糖凝膠DNA回收試劑盒購(gòu)自天根生化科技（北京）有限公司；大腸桿菌DH5α為湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所生物技術(shù)室存留；MLM3613和pDR274載體購(gòu)自美國(guó)Addgene公司；體外轉(zhuǎn)錄試劑盒mMessagemMachine T7購(gòu)自Ambion公司，SURVEYOR突變檢測(cè)試劑盒購(gòu)自Transgenomic公司。

1.2 靶位點(diǎn)設(shè)計(jì)

從NCBI（http：//archive-dtd.ncbi.nlm.nih.gov/）獲得小鼠MSTN基因組序列，利用ZiFit軟件預(yù)測(cè)靶位點(diǎn)，選取其中的3個(gè)位點(diǎn)。

1.3 Cas9 mRNA的體外轉(zhuǎn)錄和加尾

1.3.1 Cas9表達(dá)載體線性化 Cas9表達(dá)載體MLM3613提純后用PmeⅠ酶切線性化。利用PCR產(chǎn)物純化試劑盒回收線性化片段；向回收產(chǎn)物中加入2倍體積無(wú)水乙醇和1/10體積NaAc，-20 ℃放置過(guò)夜后高速離心回收產(chǎn)物，無(wú)RNA酶水溶解產(chǎn)物濃度至500～1 000 ng/μL，-20 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 體外轉(zhuǎn)錄 利用Ambion公司mMessagemMachine T7 試劑盒進(jìn)行Cas9 mRNA的體外轉(zhuǎn)錄和polyA加尾。20 μL體外轉(zhuǎn)錄體系為：2 μL線性化質(zhì)粒DNA（1 μg），10 μL 2×NTP/CAP， 2 μL 10×Reaction Buffer，2 μL Enzyme mix，4 μL ddH2O，混勻后37 ℃反應(yīng)2 h。80 μL polyA加尾體系為：20 μL 5×EPAP Buffer，10 μL MgCl2（25 mmol/L），10 μL ATP（10 mmol/L），4 μL E-PAP，36 μL ddH2O，混勻后37 ℃反應(yīng)30 min。以1%瓊脂糖凝膠檢測(cè)RNA轉(zhuǎn)錄和加尾情況。

1.4 gRNA編碼載體構(gòu)建及體外轉(zhuǎn)錄

根據(jù)軟件預(yù)測(cè)的3個(gè)靶序列分別合成序列互補(bǔ)的正、反向引物，在正向引物5端合成TAGG接頭，在反向引物5端合成CAAA接頭，設(shè)計(jì)模式如圖1所示，合成3個(gè)靶序列引物如表1所示。

gRNA體外轉(zhuǎn)錄載體pDR274載體購(gòu)自Addgene公司（Addgene No. 42250），將該載體用Bsa Ⅰ酶切線性化后回收，與上面得到的雙鏈產(chǎn)物進(jìn)行連接，連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5α后提取質(zhì)粒進(jìn)行鑒定。將陽(yáng)性質(zhì)粒大量提取后用Dra Ⅰ內(nèi)切酶線性化并回收線性化產(chǎn)物，濃縮濃度至500～1 000 ng/μL，-20 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.5 小鼠胚胎注射

選取4～5周齡母鼠作為受精卵供體，腹腔注射PMSG和hCG進(jìn)行超數(shù)排卵，交配后取細(xì)胞期胚胎進(jìn)行顯微注射。將Cas9 mRNA（100 ng/μL）和sgRNA（100 ng/μL）混合均勻，注射到細(xì)胞期胚胎的胞質(zhì)內(nèi)，注射后的胚胎移植到假孕母鼠的輸卵管內(nèi)。

1.6 敲除小鼠檢測(cè)

待移植后的胚胎發(fā)育到13 d時(shí)，取出胚胎提取基因組DNA進(jìn)行錯(cuò)配內(nèi)切酶鑒定。具體步驟為：提取基因組DNA，設(shè)計(jì)引物擴(kuò)增出靶序列兩側(cè)共350 bp片段，純化PCR產(chǎn)物；將純化的PCR產(chǎn)物在95 ℃變性10 min，之后緩慢降溫至室溫使片段重新退火，降溫程序?yàn)?5℃→85 ℃（每秒降溫2 ℃），85 ℃→25 ℃（每秒降溫0.5 ℃）；重新退火的PCR產(chǎn)物用2 U的T7EI在37 ℃酶切3 h，然后1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cas9表達(dá)載體構(gòu)建與線性化

Cas9表達(dá)載體MLM3613質(zhì)粒經(jīng)PmeⅠ酶切得到7.5 kb線性化片段（圖2），乙醇沉淀濃度達(dá)到1 000 ng/μL，純度高，可以用于下一步體外轉(zhuǎn)錄試驗(yàn)。

2.2 Cas9 mRNA體外轉(zhuǎn)錄結(jié)果

Cas9表達(dá)載體經(jīng)酶切線性化后，通過(guò)ABI公司的體外轉(zhuǎn)錄試劑盒進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，得到了帶有帽子結(jié)構(gòu)的Cas9 mRNA，并通過(guò)酚仿抽提得到純化的mRNA。結(jié)果（圖3）表明，轉(zhuǎn)錄的mRNA呈現(xiàn)明顯的兩條帶，為RNA的不同結(jié)構(gòu)，純度較高，可用于下一步加尾試驗(yàn)。

2.3 加polyA尾后得到全長(zhǎng)mRNA序列

將體外轉(zhuǎn)錄出的mRNA通過(guò)polyA Tailing Kit試劑盒進(jìn)行加尾，加上長(zhǎng)度約150 bp的polyA尾巴，使之成為完整的有功能的mRNA。結(jié)果（圖4）表明，加尾后的mRNA在電泳時(shí)出現(xiàn)了適當(dāng)?shù)臏?，polyA加尾成功。

2.4 敲除小鼠檢測(cè)

待孕母鼠懷孕13 d時(shí)取出30只胚胎，提取其基因組DNA。用Transgenomic公司的SURVEYOR突變檢測(cè)試劑盒進(jìn)行突變檢測(cè)。結(jié)果表明，PCR擴(kuò)增出T1靶位點(diǎn)兩側(cè)473 bp序列，靶序列兩側(cè)序列分別為322 bp和151 bp。當(dāng)序列內(nèi)部存在堿基突變時(shí)，退火后形成的雜合雙鏈能夠被酶切開(kāi)，形成3條帶（圖5樣品10）；當(dāng)不存在堿基突變時(shí)，退火形成的雙鏈不存在堿基錯(cuò)配，不能被酶切開(kāi)，30個(gè)樣品中共檢測(cè)出2只為突變陽(yáng)性。

3 小結(jié)與討論

本研究獲得的Cas9和gRNA表達(dá)載體，為下一步進(jìn)行相關(guān)研究提供了試驗(yàn)材料；建立了CRISPR/Cas9基因定點(diǎn)修飾技術(shù)平臺(tái)，為轉(zhuǎn)基因小鼠和轉(zhuǎn)基因豬的制備奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，通過(guò)CRISPR/Cas9系統(tǒng)獲得了MSTN基因敲除小鼠。

基因敲除動(dòng)物模型一直是在活體動(dòng)物上開(kāi)展基因功能研究、尋找合適藥物作用靶標(biāo)的重要工具。但是傳統(tǒng)的基因敲除方法需要通過(guò)復(fù)雜的打靶載體構(gòu)建、ES細(xì)胞篩選、嵌合體小鼠選育等一系列步驟，不僅流程繁瑣、技術(shù)要求高，而且費(fèi)用大、耗時(shí)較長(zhǎng)，成功率受到多方面因素的限制。即使對(duì)于技術(shù)比較成熟的實(shí)驗(yàn)室，利用傳統(tǒng)技術(shù)構(gòu)建基因敲除大、小鼠一般也需要一年以上時(shí)間。本研究通過(guò)體外轉(zhuǎn)錄和顯微注射等方法在較短時(shí)間內(nèi)獲得了MSTN基因敲除的小鼠，從時(shí)間、成本等方面節(jié)約了大量資源，也為下一步進(jìn)行大動(dòng)物轉(zhuǎn)基因研究奠定了基礎(chǔ)。但是從檢測(cè)的結(jié)果來(lái)看，效率并不高，30只小鼠中只檢測(cè)到2只陽(yáng)性。分析原因可能是：①RNA顯微注射過(guò)程中RNA降解問(wèn)題。RNA很不穩(wěn)定，容易受到外界環(huán)境中RNA酶的降解而失效，在進(jìn)行中RNA裸露在環(huán)境中的時(shí)間較長(zhǎng)，且溫度無(wú)法控制到很低，導(dǎo)致RNA降解嚴(yán)重；②檢測(cè)方法靈敏度較低。本研究應(yīng)用的是SURVEYOR檢測(cè)方法，該方法對(duì)試驗(yàn)條件要求特別嚴(yán)格，酶添加量及酶切時(shí)間長(zhǎng)短都會(huì)嚴(yán)重影響試驗(yàn)結(jié)果，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不穩(wěn)定，重復(fù)性差，只能通過(guò)大量克隆測(cè)序來(lái)解決。

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