Germline Transformation of Ticks
蜱的种系转化
基本信息
- 批准号:10737473
- 负责人:
- 金额:$ 68.63万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2023
- 资助国家:美国
- 起止时间:2023-05-11 至 2028-04-30
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:AgricultureAnteriorArthropod VectorsArthropodsBiologyBlack-legged TickBody WeightCRISPR/Cas technologyCattleCell LineCell NucleusCell ProliferationCellsChimeric ProteinsComplementary RNACulicidaeDNADNA LigationDNA RepairDataDevelopmentDiseaseDisease VectorsDockingDouble Strand Break RepairDrosophila genusEconomicsEmbryoEmbryonic DevelopmentEventExcisionExposure toFrequenciesFutureGene ExpressionGenerationsGenesGeneticGenetic TransformationGenomeGenome engineeringGermGerm CellsGerm-Line MutationGoalsGrantGuide RNAHeritabilityIncidenceInjectionsInsectaKnock-inKnock-outKnowledgeLocationLyme DiseaseMammalian CellMediatingMethodsModificationMolecularMolecular BiologyMutationNonhomologous DNA End JoiningNucleotidesOrganismOutcomePathway interactionsPhenotypePlayPopulationProtocols documentationPublic HealthRNA interference screenResearchSchemeSiteSomatic CellStructure of primordial sex cellSystemTechniquesTestingTick ControlTick-Borne DiseasesTicksTimeTransgenesTransgenic OrganismsTreatment CostUnited StatesVertebratesWorkcostdisorder controleggendonucleaseexperimental studyfunctional genomicsgene functiongenetic informationgenome editingimprovedinterestknockout genemigrationmilk productionmodel organismnanonew therapeutic targetnovel strategiesnovel vaccinespathogenprecise genome editingpreventpromoterrepairedsingle-cell RNA sequencingtooltransmission processvector
项目摘要
PROJECT SUMMARY
Ticks and the pathogens they transmit incur significant costs to public health and agriculture worldwide.
For instance, Ixodes scapularis, the primary vector of Lyme disease (LD) in the United States, is responsible
for over 300,000 LD cases annually. The economic losses due to Rhiphicephalus (Boophilus) microplus are
two-fold: reduced body weight and milk production in cattle and the treatment cost employed to prevent
disease and control ticks. Increased incidence and distribution of ticks and tick-borne diseases necessitates a
better understanding of vector biology to develop new approaches for tick control. Recent advances in genetic
transformation techniques, esp. CRISPR/Cas9 system has immensely facilitated functional genomics studies.
These advances now allow the elucidation of gene functions in non-model organisms such as ticks. However,
because of the unique biology of ticks, several technical hurdles have prevented gene-editing from being
applied to study tick molecular biology, most notably lack of an embryo injection protocol and understanding of
the early embryonic events. We overcame significant impediments through our R21 grant by developing
embryo injection protocols and the first proof-of-principle tick gene knockout. However, no heritable insertions
have been observed in ticks yet. It is essential to inject eggs at the right time so that introduced material can
access the nuclei of the future germ cells (before cellularization) and create stable germline transformants.
CRISPR/Cas9 uses a guide RNA complementary to the target DNA and directs DNA cleavage by the
Cas9 endonuclease. Modification of the genome sequence occurs during double-stranded break (DSB) repair,
and the molecular pathways that come into play determine the type of sequence change. Canonical
nonhomologous end-joining (cNHEJ) and alternative end-joining pathways such as micro-homology-mediated
end-joining (MMEJ) proceed by ligation of DNA ends and result in targeted but imprecise edits (generally small
insertions or deletions) resulting in gene knockout. However, microhomologies of two or more nucleotides
exposed after DNA cleavage through resection could be used for precise editing during repair by MMEJ.
Homology-directed repair (HDR) uses an exogenous DNA repair template that supports precise genome editing.
Our previous work suggests that ticks frequently use MMEJ pathways for DSB repair. In this proposal, we will fill
our knowledge gaps by first understanding the timing and site of primordial germ cell formation using known
markers as well as utilizing the single-cell RNAseq technique to better understand the gene expression during
early embryonic development (Aim 1). We will then leverage our previous findings to generate germline-edited
ticks by developing Vasa-Cas9 lines for efficient and accessible knockout studies. We will compare the
efficiencies of MMEJ and HDR for knock-in experiments to integrate transgenes (Aim 2). The expected outcomes
of our work will provide new tools to determine the genetic basis of many tick phenotypes, including those
involved in pathogen transmission.
项目概要
蜱虫及其传播的病原体给全世界的公共卫生和农业带来了巨大的损失。
例如,肩胛硬蜱(Ixodes scapularis)是美国莱姆病(LD)的主要传播媒介。
每年处理超过 300,000 起 LD 病例。微扇头蜱造成的经济损失为
双重作用:减少牛的体重和产奶量以及用于预防的治疗成本
疾病和控制蜱。蜱虫和蜱传疾病的发病率和分布增加需要采取
更好地了解媒介生物学,以开发蜱虫控制的新方法。遗传学的最新进展
转化技术,特别是。 CRISPR/Cas9系统极大地促进了功能基因组学研究。
这些进展现在可以阐明蜱等非模式生物中的基因功能。然而,
由于蜱虫独特的生物学特性,一些技术障碍阻碍了基因编辑的实现。
应用于研究蜱分子生物学,最明显的是缺乏胚胎注射方案和对
早期胚胎事件。我们通过 R21 拨款克服了重大障碍,开发了
胚胎注射方案和第一个原理验证蜱基因敲除。然而,没有可遗传的插入
尚未在蜱中观察到。必须在正确的时间注射卵子,以便引入的材料可以
进入未来生殖细胞的细胞核(在细胞化之前)并创建稳定的生殖系转化体。
CRISPR/Cas9 使用与目标 DNA 互补的引导 RNA,并通过
Cas9核酸内切酶。基因组序列的修饰发生在双链断裂 (DSB) 修复过程中,
发挥作用的分子途径决定了序列变化的类型。典范
非同源末端连接(cNHEJ)和替代末端连接途径,例如微同源介导
末端连接(MMEJ)通过连接 DNA 末端进行,并导致有针对性但不精确的编辑(通常很小)
插入或缺失)导致基因敲除。然而,两个或多个核苷酸的微观同源性
通过切除进行DNA切割后暴露的DNA可用于MMEJ修复过程中的精确编辑。
同源定向修复 (HDR) 使用支持精确基因组编辑的外源 DNA 修复模板。
我们之前的工作表明蜱经常使用 MMEJ 途径进行 DSB 修复。在这个提案中,我们将填写
通过首先使用已知的方法了解原始生殖细胞形成的时间和部位,我们的知识差距
标记以及利用单细胞 RNAseq 技术更好地了解过程中的基因表达
早期胚胎发育(目标 1)。然后,我们将利用我们之前的发现来生成种系编辑的
通过开发 Vasa-Cas9 细胞系来进行有效且可访问的敲除研究。我们将比较
MMEJ 和 HDR 在整合转基因的敲入实验中的效率(目标 2)。预期成果
我们的工作将提供新的工具来确定许多蜱表型的遗传基础,包括那些
参与病原体传播。
项目成果
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