Development of murine stem cells with conditional knockout of humanized Snca gene

封面

如何引用文章

详细

α-synuclein is one of the key molecular links in the pathogenesis of Parkinson’s disease. The accumulated data indicate that pathogenic mutations in the Snca gene are associated with the development of neurodegenerative brain damage, indicating the relevance of studying the synuclein neurobiological role.

The aim of the study was to create a genetically modified clone of mouse stem cells with a conditional knockout of humanized α-synuclein, which can be used for the reinjection into mouse blastocysts, as well as for basic and applied in vitro research in the field of pathophysiology and neuropharmacology.

Materials and methods. To create mouse stem cells with a conditional knockout of the humanized Snca gene, a previously obtained clone with the first Snca exon flanked by LoxP sites, was used. The CRISPR/Cas9-mediated homologous recombination system with donor DNA oligonucleotides of the human sites of the corresponding gene sites was used to humanize the fourth and fifth exons. Cas9 nuclease, single guide RNA, and donor DNA were transfected into mouse cells.

Results. An approach to obtaining clones of mouse genetically modified stem cells expressing pathological humanized α-synuclein, has been proposed and implemented. The resulting clones were plated on Petri dishes for propagation and a further genetic analysis. Clone 126-2F4 was found out carrying the necessary genetic modifications. The results obtained are fundamentally important not only for understanding the development of the pathological process in α-synucleinopathies, but which is more important, for the development of new therapeutic approaches that will stop the extension of the human α-synuclein aggregation pathology throughout the nervous system, and the validation of these approaches in preclinical trials.

Conclusion. As a result of the study, a strategy for CRISPR/Cas9-assisted homologous recombination in the genome of mouse embryonic stem cells has been developed to create a fully humanized Snca gene encoding α-synuclein, and the clone genome of mouse embryonic stem cells has been edited using a CRISPR technology. The RNA and DNA oligonucleotides necessary for the creation of RNP complexes that carry out a directed homologous recombination in the Snca locus of the mouse genome have been synthesized. The developed cell clone can serve to create a line of genetically modified mice that serve as a test system for pathophysiological and neuropharmacological studies associated with synucleinopathies. Herewith, before the induction of the Cre-dependent recombination, this line is a representative model for studying a biological role of mutant Snca. At the same time, after a Cre-dependent knockout activation, it is possible to imitate the pharmacological inhibition of α-synuclein, which is of particular interest for applied research in neuropharmacology.

作者简介

Evgeniy Patrakhanov

Belgorod State National Research University

Email: pateval7@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8415-4562

Assistant of the Department of Pharmacology and Clinical Pharmacology

俄罗斯联邦, 85, Pobedy Str., Belgorod, 308015

Vladimir Pokrovsky

Belgorod State National Research University

Email: vmpokrovsky08@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-3138-2075

Assistant of the Department of Pharmacology and Clinical Pharmacology

俄罗斯联邦, 85, Pobedy Str., Belgorod, 308015

Anastasia Karagodina

Belgorod State National Research University

Email: karagodina75@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-9440-5866

Assistant of the Department of Pharmacology and Clinical Pharmacology

俄罗斯联邦, 85, Pobedy Str., Belgorod, 308015

Anastasia Krayushkina

Belgorod State National Research University

Email: annkrayushkina98@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6830-3820

Assistant of the Department of Pharmacology and Clinical Pharmacology

俄罗斯联邦, 85, Pobedy Str., Belgorod, 308015

Nikita Zhunusov

Belgorod State National Research University

Email: nzhunu@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1969-3615

Assistant of the Department of Pharmacology and Clinical Pharmacology

俄罗斯联邦, 85, Pobedy Str., Belgorod, 308015

Alexey Deykin

Belgorod State National Research University

Email: deykin@bsu.edu.ru
ORCID iD: 0000-0001-9960-0863

Candidate of Sciences (Biology), Associate Professor of the Department of Pharmacology and Clinical Pharmacology

俄罗斯联邦, 85, Pobedy Str., Belgorod, 308015

Mikhail Korokin

Belgorod State National Research University

编辑信件的主要联系方式.
Email: mkorokin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5402-0697

Doctor of Sciences (Medicine), Associate Professor, Professor of the Department of Pharmacology and Clinical Pharmacology

俄罗斯联邦, 85, Pobedy Str., Belgorod, 308015

Mikhail Pokrovsky

Belgorod State National Research University

Email: mpokrovsky@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-4478-1091

Doctor of Sciences (Medicine), Professor of the Department of Pharmacology and Clinical Pharmacology, Head of the Research Institute of Pharmacology of Living Systems

俄罗斯联邦, 85, Pobedy Str., Belgorod, 308015

Оxana Altukhova

Belgorod State National Research University

Email: altuhova_o@bsu.edu.ru
ORCID iD: 0000-0003-4674-8797

Doctor of Sciences (Medicine), Associate Professor, Head of the Department of Obstetrics and Gynecology of the Medical Institute

俄罗斯联邦, 85, Pobedy Str., Belgorod, 308015

参考

  1. Checkoway H, Lundin JI, Kelada SN. Neurodegenerative diseases. IARC Sci Publ. 2011;(163):407–19.
  2. Bougea A. Synuclein in neurodegeneration. Adv Clin Chem. 2021;103:97–134. doi: 10.1016/bs.acc.2020.08.007
  3. Ozansoy M, Başak AN. The central theme of Parkinson’s disease: α-synuclein. Mol Neurobiol. 2013 Apr;47(2): 460–5. doi: 10.1007/s12035-012-8369-3
  4. George JM. The synucleins. Genome Biol. 2002;3(1):REVIEWS3002. doi: 10.1186/gb-2001-3-1-reviews3002
  5. Breydo L, Wu JW, Uversky VN. Α-synuclein misfolding and Parkinson’s disease. Biochim Biophys Acta. 2012 Feb;1822(2):261–85. doi: 10.1016/j.bbadis.2011.10.002
  6. Iwai A, Masliah E, Yoshimoto M, Ge N, Flanagan L, de Silva HA, Kittel A, Saitoh T. The precursor protein of non-A beta component of Alzheimer’s disease amyloid is a presynaptic protein of the central nervous system. Neuron. 1995 Feb;14(2):467–75. doi: 10.1016/0896-6273(95)90302-x
  7. Lee SJ, Jeon H, Kandror KV. Alpha-synuclein is localized in a subpopulation of rat brain synaptic vesicles. Acta Neurobiol Exp (Wars). 2008;68(4):509–15.
  8. Lashuel HA, Overk CR, Oueslati A, Masliah E. The many faces of α-synuclein: from structure and toxicity to therapeutic target. Nat Rev Neurosci. 2013 Jan;14(1): 38–48. doi: 10.1038/nrn3406
  9. Dalfó E, Ferrer I. Alpha-synuclein binding to rab3a in multiple system atrophy. Neurosci Lett. 2005 May 20-27;380(1-2):170–5. doi: 10.1016/j.neulet.2005.01.034
  10. Burré J, Sharma M, Tsetsenis T, Buchman V, Etherton MR, Südhof TC. Alpha-synuclein promotes SNARE-complex assembly in vivo and in vitro. Science. 2010 Sep 24;329(5999):1663–7. doi: 10.1126/science.1195227
  11. Ninkina N, Connor-Robson N, Ustyugov AA, Tarasova TV, Shelkovnikova TA, Buchman VL. A novel resource for studying function and dysfunction of α-synuclein: mouse lines for modulation of endogenous Snca gene expression. Sci Rep. 2015 Nov 13;5:16615. doi: 10.1038/srep16615
  12. Roman AY, Limorenko G, Ustyugov AA, Tarasova TV, Lysikova EA, Buchman VL, Ninkina N. Generation of mouse lines with conditionally or constitutively inactivated Snca gene and Rosa26-stop-lacZ reporter located in cis on the mouse chromosome 6. Transgenic Res. 2017 Apr;26(2):301–7. doi: 10.1007/s11248-016-9995-8
  13. Chaprov KD, Lysikova EA, Teterina EV, Buchman VL. Kinetics of alpha-synuclein depletion in three brain regions following conditional pan-neuronal inactivation of the encoding gene (Snca) by tamoxifen-induced Cre-recombination in adult mice. Transgenic Res. 2021 Dec;30(6):867–73. doi: 10.1007/s11248-021-00286-3
  14. Krüger R, Kuhn W, Müller T, Woitalla D, Graeber M, Kösel S, Przuntek H, Epplen JT, Schöls L, Riess O. Ala30Pro mutation in the gene encoding alpha-synuclein in Parkinson’s disease. Nat Genet. 1998 Feb;18(2):106–8. doi: 10.1038/ng0298-106
  15. Polymeropoulos MH, Lavedan C, Leroy E, Ide SE, Dehejia A, Dutra A, Pike B, Root H, Rubenstein J, Boyer R, Stenroos ES, Chandrasekharappa S, Athanassiadou A, Papapetropoulos T, Johnson WG, Lazzarini AM, Duvoisin RC, Di Iorio G, Golbe LI, Nussbaum RL. Mutation in the alpha-synuclein gene identified in families with Parkinson’s disease. Science. 1997 Jun 27;276(5321):2045–7. doi: 10.1126/science.276.5321.2045
  16. Angelova PR, Choi ML, Berezhnov AV, Horrocks MH, Hughes CD, De S, Rodrigues M, Yapom R, Little D, Dolt KS, Kunath T, Devine MJ, Gissen P, Shchepinov MS, Sylantyev S, Pavlov EV, Klenerman D, Abramov AY, Gandhi S. Alpha synuclein aggregation drives ferroptosis: an interplay of iron, calcium and lipid peroxidation. Cell Death Differ. 2020 Oct;27(10):2781–96. doi: 10.1038/s41418-020-0542-z
  17. Angelova PR, Horrocks MH, Klenerman D, Gandhi S, Abramov AY, Shchepinov MS. Lipid peroxidation is essential for α-synuclein-induced cell death. J Neurochem. 2015 May;133(4):582–9. doi: 10.1111/jnc.13024
  18. Choi ML, Chappard A, Singh BP, Maclachlan C, Rodrigues M, Fedotova EI, Berezhnov AV, De S, Peddie CJ, Athauda D, Virdi GS, Zhang W, Evans JR, Wernick AI, Zanjani ZS, Angelova PR, Esteras N, Vinokurov AY, Morris K, Jeacock K, Tosatto L, Little D, Gissen P, Clarke DJ, Kunath T, Collinson L, Klenerman D, Abramov AY, Horrocks MH, Gandhi S. Pathological structural conversion of α-synuclein at the mitochondria induces neuronal toxicity. Nat Neurosci. 2022 Sep;25(9):1134–48. doi: 10.1038/s41593-022-01140-3. Epub 2022 Aug 30. Erratum in: Nat Neurosci. 2022 Nov;25(11):1582.
  19. Choi ML, Gandhi S. Crucial role of protein oligomerization in the pathogenesis of Alzheimer’s and Parkinson’s diseases. FEBS J. 2018 Oct;285(19):3631–44. doi: 10.1111/febs.14587
  20. Srinivasan E, Chandrasekhar G, Chandrasekar P, Anbarasu K, Vickram AS, Karunakaran R, Rajasekaran R, Srikumar PS. Alpha-Synuclein Aggregation in Parkinson’s Disease. Front Med (Lausanne). 2021 Oct 18;8:736978. doi: 10.3389/fmed.2021.736978
  21. Chaprov KD, Goloborshcheva VV, Tarasova TV, Teterina EV, Korokin MV, Soldatov VO, Pokrovskiy MV, Kucheryanu VG, Morozov SG, Ovchinnikov RK. Increased Expression of the Multimerin-1 Gene in α-Synuclein Knokout Mice. Dokl Biol Sci. 2020 Sep;494(1):260–3. doi: 10.1134/S0012496620050014
  22. Soldatov VO, Kubekina MV, Silaeva YuYu, Bruter AV, Deykin AV. On the way from SARS-CoV-sensitive mice to murine COVID-19 model. Research Results in Pharmacology. 2020;6(2):1–7. doi: 10.3897/rrpharmacology.6.53633
  23. Bruter AV, Korshunova DS, Kubekina MV, Sergiev PV, Kalinina AA, Ilchuk LA, Silaeva YY, Korshunov EN, Soldatov VO, Deykin AV. Novel transgenic mice with Cre-dependent co-expression of GFP and human ACE2: a safe tool for study of COVID-19 pathogenesis. Transgenic Res. 2021 Apr 14;30(3):289–301. doi: 10.1007/s11248-021-00249-8. Epub ahead of print.
  24. Kuzubova E.V., Radchenko A.I., Pokrovsky VM, Patrakhanov EA, Novikova AA, Stepenko YuV, Deikin AV. Pathological conditions associated with tau protein: mechanisms of development and possible biological targets for pharmacological correction of tau proteinopathy (review). Research Results in Biomedicine. 2022;8(4):474–94. doi: 10.18413/2658-6533-2022-8-4-0-6. Russian
  25. Dolskiy AA, Gudymo AS, Taranov OS, Grishchenko IV, Shitik EM, Prokopov DY, Soldatov VO, Sobolevskaya EV, Bodnev SA, Danilchenko NV, Moiseeva AA, Torzhkova PY, Bulanovich YA, Onhonova GS, Ivleva EK, Kubekina MV, Belykh AE, Tregubchak TV, Ryzhikov AB, Gavrilova EV, Maksyutov RA, Deykin AV, Yudkin DV. The Tissue Distribution of SARS-CoV-2 in Transgenic Mice With Inducible Ubiquitous Expression of hACE2. Front Mol Biosci. 2022 Jan 18;8:821506. doi: 10.3389/fmolb.2021.821506

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
2. Figure 1 – CRISPR/Cas9-assisted homologous recombination strategy in mouse embryonic stem cell genome to generate fully humanized Snca gene

下载 (891KB)
3. Figure 2 – DNA amplification analysis of PCR products of analyzed clones after cells nucleofection of clone 126 of mouse embryonic stem cells with RNP complexes

下载 (53KB)
4. Figure 3 – Analysis of two clones in which homologous recombination was detected in exon V of Snca gene during primary screening by treating a 269-nucleotide PCR amplification product with restriction endonuclease ApaI

下载 (50KB)
5. Figure 4 – Analysis of exon IV humanization in genome of clone 126-2-F4 cells. DNA of maternal clone 126, clone 126-2-F4

下载 (49KB)
6. Figure 5 – Strategy for creating clone of mouse embryonic stem cells with conditional knockout of humanized Snca gene

下载 (182KB)

版权所有 © Patrakhanov E., Pokrovsky V., Karagodina A., Krayushkina A., Zhunusov N., Deykin A., Korokin M., Pokrovsky M., Altukhova О., 2023

Creative Commons License
此作品已接受知识共享署名 4.0国际许可协议的许可
 

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».