AAV载体来源的元件整合进入Cas9产生的双链断裂并干扰基因转录

AAV vector-derived elements integrate into Cas9-generated double-strand breaks and disrupt gene transcription

作者信息Hannah O Bazick, Hanqian Mao, Jesse K Niehaus, Justin M Wolter, Mark J Zylka
PMID39367606
期刊Mol Ther
发布时间2024-11-06
DOI10.1016/j.ymthe.2024.09.032

实验完整度

包含体外培养神经元、体内小鼠模型、报告基因实验等多层级验证,并结合AMP-seq分析明确AAV整合为最常见的编辑事件,以及多靶点优于单靶点。

主要模型

Ube3am+/patYFP小鼠原代皮层神经元培养 Ube3am+/patYFP新生小鼠侧脑室注射模型 HEK293T细胞系(用于报告基因实验)

重点核对

细胞培养实验中病毒添加量:6.6 × 10^4病毒颗粒/细胞(MOI),处理时间DIV3至DIV10 体内注射剂量:2.0 × 10^10(低剂量)、3.0 × 10^10或4.0 × 10^10(高剂量)病毒颗粒总量,P1小鼠双侧侧脑室注射 AAV整合检测方式:锚定多重PCR测序(AMP-seq)和qPCR检测AAV:基因组融合事件 NHEJ抑制处理:300 μM AZD7648处理3天(DIV3至DIV6)

摘要

我们先前开发了一种用于天使综合征的腺相关病毒(AAV)Cas9基因疗法,该疗法整合到基因组中并提前终止Ube3a-ATS。在此,我们评估了3种含有金黄色葡萄球菌Cas9的额外AAV载体在体外和体内的性能,以及25种含有脑膜炎奈瑟菌Cas9的载体在体外的性能,所有这些载体均靶向Ube3a-ATS内的单个位点。我们发现,这些单靶点gRNA载体在降低神经元中Ube3a-ATS表达方面均不如多靶点gRNA载体有效。我们还开发了一种锚定多重PCR测序方法和分析流程,以量化靶位点所有可能编辑事件的相对频率,包括AAV整合和未解决的双链断裂。我们发现,在三个不同的单靶位点,AAV整合是最常见的编辑事件(占所有编辑的67%–89%),超过了插入和缺失(indels)。最常见的indels在整合到Ube3a-ATS小基因报告基因中时均不能阻断转录,而两个载体来源的元件——poly(A)和反向启动子——将下游转录降低了高达50%。我们的发现表明,基因捕获AAV整合事件发生的概率受整合的载体来源元件以及靶位点数量的影响。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
本研究旨在评估单靶点AAV-Cas9载体是否能像多靶点载体一样有效破坏Ube3a-ATS并恢复父源UBE3A表达,并确定AAV整合在单靶位点的编辑事件中占比及哪些整合元件能阻断转录。
核心机制
机制上,AAV载体整合到Cas9产生的DSBs是主要编辑事件,其中整合的poly(A)或反向hSyn启动子通过提前终止或转录碰撞阻断Ube3a-ATS转录,而常见indels不能。
主要证据
证据包括:单靶点载体在体外神经元和体内皮层效率不如多靶点(RNA表达和免疫组化);AMP-seq显示AAV整合占编辑的67-89%;报告基因实验表明poly(A)和反向hSyn启动子显著降低下游dsRed表达,而indels无效。
研究意义
研究表明,多靶点AAV-Cas9载体比单靶点更有效,因为提供更多机会引入破坏性末端编辑事件,并提示AAV容器整合可用于“故意”捕获和终止长非编码RNA或蛋白编码基因转录,为设计更有效的基因治疗策略提供基础。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

单靶点载体评估

评估3种SaCas9单靶点gRNA载体和25种NmCas9单靶点载体能否有效降低Ube3a-ATS并恢复父源Ube3a。

将单靶点或非靶向对照AAV载体转导至Ube3am+/pYFP小鼠原代皮层神经元培养(DIV3至DIV10),收集RNA和gDNA,分别通过RT-qPCR检测Ube3a-ATS和Ube3a表达,PCR检测AAV整合。体内实验选用SaCas9-G3和jw33载体对P1小鼠进行脑室注射,P30收集皮层分析。

2

AAV整合和编辑事件频率定量(AMP-seq)

开发并应用修改的锚定多重PCR测序(AMP-seq)方法,定量不同编辑事件(如AAV整合、indels、DSBs)在单靶位点的频率。

对体外和体内的gDNA样本进行AMP-seq分析,通过连接适配器、嵌套PCR和测序检测未解决DSB、indels、AAV整合和转位事件,并比较不同gRNA(G3、g23、g25、g21)及AZD7648处理的影响。

3

NHEJ抑制验证DSB检测

验证修改的AMP-seq方法可检测未解决的DSB,并评估NHEJ抑制对编辑事件的影响。

对g23载体转导的神经元于DIV3用300 μM AZD7648处理3天,随后进行AMP-seq和RT-qPCR分析,检测适配器序列在靶位点的存在及基因表达变化。

4

编辑事件时间进程分析

评估编辑事件(特别是AAV整合)产生的时间动态,以及与Ube3a-ATS敲低和父源Ube3a去沉默的关联。

用NmCas9-g23载体转导神经元,分别在0、1、3、5、7天收集样本,进行RT-qPCR和AMP-seq分析,检测编辑事件随时间的增加。

5

报告基因实验验证基因破坏

确定AAV来源元件和常见indels是否影响基因转录,验证poly(A)和反向启动子的阻断效应。

构建Ube3a-ATS minigene dsRed:GFP报告质粒pGR-g23,将AAV元件(poly(A)、hSyn、ITR等)或常见indels插入g23位点,转染HEK293T细胞,通过RT-qPCR和荧光分析检测dsRed表达变化。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
杜氏改良Eagle培养基(DMEM)Gibco11995065
胎牛血清----
Neurobasal培养基Gibco12348017
B-27 Plus添加剂GibcoA3582801
GlutaMAX添加剂Gibco35050061
5'-氟-2'-脱氧尿苷SigmaF0503
AZD7648SelleckchemS8843
盐酸多柔比星SelleckchemS1208
FuGENE 6转染试剂PromegaE2691
pAd-DELTA F6辅助质粒----
TRIzol试剂Invitrogen15596026
SuperScript IV VILO逆转录酶Invitrogen11766050
SsoAdvanced Universal SYBR Green SupermixBio-Rad1725271
QuantStudio5实时荧光定量PCR仪Applied Biosystems--
DNeasy血液和组织试剂盒QIAGEN69504
Platinum Taq DNA聚合酶Invitrogen15966005
小鼠单克隆抗UBE3A抗体 (IgG2A)SigmaSAB1404508
豚鼠抗NeuN多克隆抗体SigmaABN90P
兔抗SaCas9抗体abcamab203933
兔抗NmCas9抗体abcamab202638
Alexa Fluor 488标记的驴抗小鼠IgG2A二抗InvitrogenA211311
Alexa Fluor 647标记的抗豚鼠二抗InvitrogenA21124
Alexa Fluor 647标记的驴抗豚鼠IgG二抗Jackson ImmunoResearch Labs706-605-148
Alexa Fluor 568标记的驴抗兔IgG二抗InvitrogenA10042
DAPI核酸染料InvitrogenD1306
Zeiss LSM 710共聚焦显微镜Zeiss--
GE IN Cell Analyzer 2200高内涵成像仪GE--
KAPA HyperPlus试剂盒RocheKK8514
AMPure XP磁珠Beckman CoulterA63881
KAPA HiFi HotStart ReadyMix预混液Roche7958927001
Illumina MiniSeq测序仪Illumina--
MiniSeq中输出试剂盒IlluminaFC-420-1002
Opti-MEM I低血清培养基Gibco31985062
质粒pHAGE-CMV-dsRed-UBC-GFP-WAddgene24526

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
神经元培养与病毒转导
模型为Ube3am+/pYFP小鼠原代皮层神经元;种子密度4.0×10^5细胞/24孔;DIV3转导,MOI 6.6×10^4病毒颗粒/细胞;DIV10收集。
阅读提示:Materials and methods: Mouse primary cortical neuron cultures; Figure legends 1A
体内注射
使用P1小鼠,侧脑室双侧注射AAV9病毒;剂量2.0×10^10(低)、3.0×10^10或4.0×10^10(高)病毒颗粒总量;P30收集皮层。
阅读提示:Materials and methods: Animal use and brain injections; Results 第一段
细胞培养与病毒生产
HEK293T细胞培养条件(DMEM+10%FBS),转染质粒比例(400 ng pAAV质粒、400 ng血清型质粒、800 ng辅助质粒),使用FuGENE 6。
阅读提示:Materials and methods: Viral production for in vitro experiments
AMP-seq分析
每个样本使用30 ng gDNA,酶切片段化(KAPA HyperPlus),按protocol进行两步PCR,测序参数(MiniSeq, 150bp PE)。
阅读提示:Materials and methods: Next-generation modified AMP-seq
NHEJ抑制实验
神经元在DIV3用300 μM AZD7648处理3天,溶剂为0.2% DMSO。
阅读提示:Materials and methods: Mouse primary cortical neuron cultures; Results NHEJ部分
报告基因实验
HEK293T细胞转染1,000 ng pGR-g23质粒,48小时后收集RNA进行RT-qPCR检测。
阅读提示:Materials and methods: Reporter plasmid assay