Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/34934
Type: Tese
Title: Edição de genoma em Trypanosoma utilizando nucleases dedo de zinco e o sistema CRISPR/Cas9
Authors: Gabriela de Assis Burle Caldas
First Advisor: Santuza Maria Ribeiro Teixeira
First Co-advisor: Wanderson Duarte da Rocha
metadata.dc.contributor.advisor-co2: Isabel Roditi
Abstract: A manipulação genética em tripanosomatídeos é uma ferramenta essencial para estudo desses organismos, muitos deles, agentes causadores de importantes doenças humanas e veterinárias. A introdução de DNA exógeno no genoma das células ou o nocaute de um gene requer um evento de quebra na dupla fita (do inglês, double strand break, ou DSB) e reparo dessa DSB por recombinação homóloga (HR) ou por outros mecanismos. Duas metodologias descritas recentemente em outros organismos foram testadas com objetivo de aumentar a eficiência de manipulação genética em T. cruzi e em T. brucei: a expressão de nucleases dedo de zinco (ZFNs) e o sistema CRISPR/Cas9 (clustered regularly interspaced short palindromic repeats Cas9 associated). ZFNs são proteínas sintéticas que possuem a capacidade de se ligar de forma específica a uma sequência de DNA e causar DSB em uma região pré-definida no genoma. CRISPR/Cas9 faz parte do sistema de defesa de bactérias e archae contra invasão por vírus e plasmídeos envolvendo uma nuclease (Cas9) capaz de clivar uma sequência específica na presença de um pequeno RNA (do inglês, single guide RNA, ou sgRNA) que reconhece a sequência alvo por complementaridade. Nesse trabalho foi também testado o sistema de transfecção denominado nucleofection que resultou em uma eficiência 20 vezes maior em comparação com o protocolo de eletroporação convencional. Para testar a utilização de ZFNs, formas epimastigotas de T. cruzi e formas sanguíneas de T. brucei expressando enhanced GFP (eGFP) foram transfectadas com plasmídeos codificando o par de ZFNs desenvolvidas para reconhecer e clivar uma sequencia de egfp. Como não foi observada a perda da fluorescência verde nos parasitos e como também não foi possível detectar a expressão das ZFNs por western blot ou northern blot, concluímos que a expressão constitutiva dessas ZFNs direcionadas para sequências de egfp poderia ser tóxica para os parasitos. A expressão de ZFNs sob o controle da tetraciclina em T. brucei confirmou que essa proteína, apesar de afetar o crescimento, foi capaz de aumentar a eficiência de transfecção em até 15 vezes. Como para o T. cruzi não há um sistema adequado de expressão regulada por tetraciclina, foram geradas linhagens expressando a T7 RNA polimerase e o repressor da tetraciclina, as quais foram testadas após transfecção com um plasmídeo contendo o gene repórter de luciferase de renilla (Rluc) sob o controle do operador da tetraciclina. Entretanto, devido aos baixos níveis de expressão do repressor da tetraciclina, níveis elevados de Rluc foram obtidos mesmo antes da adição de tetraciclina. Ainda com o objetivo de testar as ZFNs, foi selecionado o gene de gp72 como alvo de um segundo par de ZFNs, pois o nocaute desse gene resulta em um fenótipo facilmente detectável de descolamento do flagelo do corpo do parasito. Diferente das ZFNs que tem egfp como alvo, a transfecção de parasitos expressando constitutivamente ZFNs direcionadas para gp72 com uma sequência contendo o gene de resistência a neomicina flanqueada por sequências de gp72, resultou em uma população resistente a G418 na qual 90% das células apresentaram o fenótipo de nocaute de gp72. Análises de PCR mostraram a inserção do gene de resistência no locus de gp72. Resultados similares foram obtidos com a transfecção de formas epimastigotas expressando constitutivamente Cas9 nuclease. Para testar o nocaute do gene de gp72 utilizando o sistema de CRISPR/Cas9, essa linhagem foi transfectada com um plasmídeo contendo sequências do sgRNA complementares a gp72 e transcritas pelo promotor de rRNA do T. cruzi. A análise dos parasitos após transfecção transiente com o plasmideo contendo o sgRNA resultou em uma população na qual aprox. 1% das células apresentaram o fenótipo nocaute de gp72. Em conjunto, nossos resultados mostraram que a utilização de ambos os tipos de nucleases resulta em um aumento expressivo na eficiência dos protocolos para nocaute gênico em T. cruzi, o que representa um enorme avanço para os estudos sobre esse parasito.
Abstract: Genetic manipulation in trypanosomatids is an essential tool to study these organisms, many of them are agents of important human and veterinary diseases. The introduction of exogenous DNA into the genome in any cell or the generation of a gene knockout requires a double strand break event (or DSB) and the repair of this DSB by homologous recombination (HR) or by other mechanisms. Two methods recently described in other organisms were tested in order to increase the efficiency of genetic manipulation in T. cruzi and T. brucei: the expression of zinc finger nucleases (ZFNs) and the CRISPR/Cas9 system. ZFNs are synthetic proteins having the ability to bind specifically to a DNA sequence and cause a DSB in a pre-defined region in the genome. CRISPR/Cas9 is part of the bacterial and archaea defense system against invasion by viruses and plasmids and requires a nuclease (Cas9) capable of cleaving a specific sequence in the presence of a small RNA (single guide RNA, or sgRNA) that recognizes the sequence targeted by complementarity. In this work we also tested the transfection system called nucleofection, which resulted in a 20 fold higher transfection efficiency compared with the electroporation protocol. To test a pair of ZFNs, epimastigotes of T. cruzi and T. brucei bloodstream forms expressing enhanced GFP (eGFP) were transfected with a plasmid encoding ZFNs designed to recognize and cleave the sequence of egfp. Because no loss in fluorescence and no detectable expression of ZFNs were observed by western or northern blots, we concluded that the constitutive expression of ZFNs directed to egfp could be toxic for these parasites. Expression of ZFNs under the control of tetracycline operator in T. brucei confirmed that the transient expression of this nuclease protein, although affecting parasites growth, resulted in increased transfection efficiency by up to 15 times. Since an appropriate system for etracycline-regulated expression was not available for T. cruzi, we generated a cell line expressing T7 RNA polymerase, and the tetracycline repressor, which was tested after transfection with a plasmid containing the renilla luciferase (Rluc) gene under the control of the tetracycline operator. However due to low levels of expression of the tetracycline repressor, high levels of Rluc expression were obtained before the addition of tetracycline. Aimed at testing a second pair of ZFNs, we expressed ZFNs that targets the gp72 gene, which was chosen because it’s knockout results in readily detectable phenotype with the flagellum detached from the parasite's body. Different from the result with ZFNs that targets egfp, transfection of epimastigotes constitutively expressing ZFNs that targets gp72 with a sequence containing the neomycin resistance gene flanked by gp72 sequences, resulted in G418 resistant population with 90% of cells with the gp72 knockout. PCR analyses showed that the neomycin resistance gene integrated into the gp72 locus. Similar results were obtained with the transfection of epimastigotes constitutively expressing Cas9 nuclease. To test the gp72 gene knockout using the CRISPR/Cas9 system this strain was transiently transfected with a circular plasmid containing gp72 and sgRNA scaffold sequence transcribed by the T. cruzi rRNA promoter. Following transient transfection with a plasmid containing the sgRNA sequence, a population in which approx. 1% of the cells showed the knockout phenotype of gp72 was obtained. Taken together, our results showed that the use of both nuclease resulted in a significant increase in the efficiency of gene knockout protocols for T. cruzi, thus constituting a valuable new tool for studies with this parasite.
Subject: Genoma
Trypanosoma
Dedos de zinco
Sistemas CRISPR-Cas
Trypanosoma cruzi
Trypanosoma brucei brucei
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ICB - DEPARTAMENTO DE BIOQUÍMICA E IMUNOLOGIA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Bioquímica e Imunologia
Rights: Acesso Aberto
metadata.dc.rights.uri: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/
URI: http://hdl.handle.net/1843/34934
Issue Date: 23-Mar-2016
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