利用CRISPR RNPs高通量平台研究人类T细胞中HIV病毒的作用功能研究

【背景】

将体外融合的CRISPR RNPs通过电穿孔的方法,对人体的CD4+ T细胞成功实现基因组编辑。为了了解细胞中HIV病毒和人类宿主细胞之间的相互作用,使用CRISPR RNPs高通量平台实现对宿主细胞中的候选基因高效有序的编辑。使用这种新的基因工具不仅可以成功实现CD4+ T细胞中的基因编辑,同时还可以实现高效的、成对的基因敲除。CRISPR RNPs高通量平台最大的优势是高效、大量、有序的筛选出与某些表型相关的候选基因,该技术能够促进药物靶标确认和细胞水平上HIV病毒感染的治疗。

【方法】

  1. 编辑人类T细胞中的HIV病毒的宿主因素
  2. 使用96孔板体外合成不同的Cas9 RNPs重组蛋白,并通过电穿孔的方法将其转入到人类CD4+细胞中可以在一个血液样本中快速的产生几百个不同的,转基因修饰池。
    实验流程:从人体血液中纯化出CD4+ T细胞,在抗CD3/CD28刺激下激活;使用电穿孔法将Cas9 RNPs转入,在DNA和蛋白水平上检测基因组编辑情况;这些被编辑过的细胞群体通过多种HIV病毒注射实验来检测功能(图1)。
    使用多重平台在人类CD+细胞中编辑HIV宿主因素的流程

  3. 确认在人类初级T细胞中的HIV候选依赖因素
  4. 敲除与HIV整合相关的LEDGF基因,设计,6个crRNA用于检测并确认LEDGF基因敲除对人类T细胞的影响。为了有更明显的效果,用另外一种感染方式使用效率最高的crRNA对人类初级T细胞进行感染(图2)。
    对人类初级T细胞进行病毒感染

【结论】

  1. 在DNA水平和蛋白水平证实了Cas9 RNPs成功的对细胞的基因组进行了修饰;
  2. 应用Cas9 RNPs高通量平台去高效准确的敲除CXCR4和CCR5基因;
  3. 6个crRNA对LEDGF基因敲除结果显示(图3和图4),其中两个crRNA可以使蛋白表达明显降低,使用其他感染方式对细胞进行感染后发现,3天后细胞内病毒的复制有2~7倍的降低;7天后,效果更加明显,细胞内病毒复制有6~12倍的降低;
  4. LEDGF基因蛋白表达量
    LEDGF基因蛋白表达量

  5. TNPO3基因和LEDGF基因敲除后,细胞可以避免病毒感染(图5)。由此可以证明TNPO3基因和LEDGF基因是HIV病毒的依赖因素;
  6. TNPO3基因和LEDGF基因表达量

  7. 单独使用Cas9 RNPs敲除CXCR4基因和CD4+基因与同时敲除两个基因,两者间基因编辑效率没有差别(图6);
  8. CXCR4基因与CD4+基因的基因编辑效率

  9. 同时使用Cas9 RNPs对CXCR4和LEDGF基因进行敲除,结果显示单独敲除CXCR4和LEDGF基因或者成对敲除两个基因之间的效率是相同的(图7)。由此说明,Cas9 RNPs多重编辑平台可以高效的一站式对成对的基因进行敲除,与单独敲除方法相比效率不变;
  10. CXCR4和LEDGF基因进行敲除效率

  11. 使用CRISPR-Cas9 RNPs高通量平台可以对人类T细胞系统进行筛选及高通量表型分析,因此对已发表的文献中提到的45个直接或者间接与HIV整合酶相关的基因进行筛选。针对45个基因设计了146个sgRNA,培养48 h时间后使用HIV病毒感染,2~6天后观察结果发现,CXCR4、CDK9、LEDGF、GEMIN2、KPNA1、KPNA5、KAT2A、FAM96B、UNC45A基因敲除后可以抑制HIV病毒的感染。而SMARCB1、XRCC6基因的敲除导致HIV病毒感染的增强;PLOD1、SUCLA2、HDGFRP2、EEEF1A1四个基因至少在一个个体中成为HIV病毒感染的潜在因素(图8)。
  12. 高通量平台对人类T细胞系统的进行筛选及表型分析结果

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参考文献

Hultquist, J.F., et al., A Cas9 Ribonucleoprotein Platform for Functional Genetic Studies of HIV-Host Interactions in Primary Human T Cells. Cell Rep, 2016.17(5): p. 1438-52.