Development of an Efficient Genome Editing Method by CRISPR/Cas9 in a Fish Cell Line

This project was carried out during CD’s BBSRC Eastbio PIPS placement at Marine Scotland. The authors are grateful to Dr Milena Monte (University of Aberdeen) for help with the FACS analysis. The authors wish to thank Dr Filippo Del Bene (Neuronal Circuit Development, Institut Curie) and Dr Wenbiao Chen (School of Medicine, Vanderbilt University) for the Addgene plasmids, #61051 and #47929, respectively, and Prof. Nancy C. Reich Marshall (Department of Molecular Genetics and Microbiology, Stony Brooks University) for the plasmid pmEGFP-N1.

Development of an Efficient Genome Editing Method by CRISPR/Cas9 in a Fish Cell Line

This project was carried out during CD’s BBSRC Eastbio PIPS placement at Marine Scotland. The authors are grateful to Dr Milena Monte (University of Aberdeen) for help with the FACS analysis. The authors wish to thank Dr Filippo Del Bene (Neuronal Circuit Development, Institut Curie) and Dr Wenbiao Chen (School of Medicine, Vanderbilt University) for the Addgene plasmids, #61051 and #47929, respectively, and Prof. Nancy C. Reich Marshall (Department of Molecular Genetics and Microbiology, Stony Brooks University) for the plasmid pmEGFP-N1.

Kinome-wide CRISPR-Cas9 screen to identify kinases involved in Taxol resistance in breast cancer

Breast cancer is the most frequently diagnosed cancer in women, accounting for over 25% of cancer diagnoses and 13% of cancer-related deaths in Canadian women. There are many types of therapies for treatment or management of breast cancer, with chemotherapy being one of the most widely used. Taxol (paclitaxel) is one of the most extensively used chemotherapeutic agents for treating cancers of the breast and numerous other sites. Taxol stabilizes microtubules during mitosis, causing the cell cycle to arrest until eventually the cell undergoes apoptosis. Although Taxol has had significant benefits in many patients, response rates range from only 25-69%, and over half of Taxol-treated patients eventually acquire resistance to the drug. Drug resistance remains one of the greatest barriers to effective cancer treatment, yet little has been discerned regarding resistance to Taxol, despite its widespread clinical use. Kinases are known to be heavily involved in cancer development and progression, and several kinases have been linked to resistance of Taxol and other chemotherapeutic agents. However, a systematic screen for kinases regulating Taxol resistance is lacking. Thus, in this study, a set of kinome-wide screens was conducted to interrogate the involvement of kinases in the Taxol response. Positive-selection and negative-selection CRISPR-Cas9 screens were conducted, whereby a pooled library of 5070 sgRNAs targeted 507 kinase-encoding genes in MCF-7 breast cancer cells that were Taxol-sensitive (WT) or Taxol-resistant (TxR) which were then treated with Taxol. Next generation sequencing (NGS) was performed on cells that survived Taxol treatment, allowing identification and quantitation of sgRNAs. STK38, Blk, FASTK and Nek3 stand out as potentially critical kinases for Taxol-induced apoptosis to occur. Furthermore, kinases CDKL1 and FRK may have a role in Taxol resistance. Further validation of these candidate kinases will provide novel pre-clinical data about potential predictive biomarkers or therapeutic targets for breast cancer patients in the future.

CRISPR/Cas9-Mediated Gene Editing of ARG1 in Cell Lines and Primary Cells

Arginase 1 deficiency, a urea cycle disorder resulting from an inability of the body to convert arginine into urea, results in hyperargininemia and sporadic episodes of hyperammonemia. Arginase 1 deficiency can lead to a range of developmental disorders and progressive spastic diplegia in children, and current therapeutic options are limited. Clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR) /CRISPR associated protein (Cas) 9 gene editing systems serve as a novel means of treating genetic disorders such as Arginase 1 (ARG1) deficiency, and must be thoroughly examined to determine their curative capabilities. In these experiments numerous guide RNAs and CRISPR/Cas9 systems targeting the ARG1 gene were designed and observed by heteroduplex assay for their targeting capabilities and cleavage efficiencies in multiple cell lines. The CRISPR/Cas9 system utilized in these experiments, along with a panel of guide RNAs targeting various locations in the arginase 1 gene, successfully produced targeted cleavage in HEK293, MCF7, A549, K562, HeLa, and HepG2 cells; however, targeted cleavage in human dermal fibroblasts, blood outgrowth endothelial cells, and induced pluripotent stem cells was not observed. Additionally, a CRISPR/Cas system involving partially inactivated Cas9 was capable of producing targeted DNA cleavage in intron 1 of ARG1, while a Cas protein termed Cpf1 was incapable of producing targeted cleavage. These results indicate a complex set of variables determining the CRISPR/Cas9 systems’ capabilities in the cell lines and primary cells tested. By examining epigenetic factors and alternative CRISPR/Cas9 gene targeting systems, the CRISPR/Cas9 system can be more thoroughly considered in its ability to act as a means towards editing the genome of arginase 1-deficient individuals.

Targeted gene modification in Fragaria vesca mediated by CRISPR/Cas9 system

Genome editing is becoming an important biotechnological tool for gene function analysis and crop improvement, being the CRISPR-Cas9 (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat-CRISPR associated protein 9) system the most widely used. The natural CRISPR/Cas9 system has been reduced to two components: a single-guide RNA (sgRNA) for target recognition via RNA-DNA base pairing, which is commonly expressed using a promoter for small-RNAs (U6 promoter), and the Cas9 endonuclease for DNA cleavage (1). To validate the CRISPR/Cas9 system in strawberry plants, we designed two sgRNAs directed against the floral homeotic gene APETALA3 (sgRNA-AP3#1 and sgRNA-AP3#2). This gene was selected because ap3 mutations induce clear developmental phenotypes in which petals and stamens are missing or partially converted to sepals and carpels respectively (2). In this work, we used two different U6 promoters to drive the sgRNA-AP3s expression: AtU6-26 from Arabidopsis (4), and a U6 promoter from Fragaria vesca (FvU6) (this work). We also tested two different coding sequences of Cas9: a human- (hSpCas9) (3) and a plant-codon optimized (pSpCas9) (this work). Transient expression experiments using both CRISPR/Cas9 systems (AtU6-26:sgRNA-AP3#1_35S:hSpCas9_AtU6-26:sgRNA-AP3#2 and FvU6:sgRNA-AP3#1_35S:pSpCas9_FvU6:sgRNA-AP3#2) were performed infiltrating Agrobacterium tumefaciens into F. vesca fruits. PCR amplification and sequencing analyses across the target sites showed a deletion of 188-189 bp corresponding to the region comprised between the two cutting sites of Cas9, confirming that the CRISPR/Cas9 system is functional in F. vesca. Remarkably, the two systems showed different mutagenic efficiency that could be related to differences in expression of the U6 promoters as well as differences in the Cas9 transcripts stability and translation. Stable transformants for both F. vesca (2n) and Fragaria X anannassa (8n) are currently being established to test whether is possible to obtain heritable homozygous mutants derived from CRISPR/Cas9 strategies in strawberry. Thus, our work offers a promising tool for genome editing and gene functional analysis in strawberry. This tool might represent a more efficient alternative to the sometimes inefficient RNAi silencing methods commonly used in this species.

Towards modification of Medicago truncatula epigenome: genome editing with engineered nucleases

Periodic drought is the primary limitation of plant growth and crop yield. The rise of water demand caused by the increase in world population and climate change, leads to one of the biggest challenges of modern agriculture: to increase food and feed production. De novo DNA methylation is a process regulated by small interfering RNA (siRNAs), which play a role in plant response and adaptation to abiotic stress. In the particular case of water deficit, growing evidences suggest a link between the siRNA pathways and drought response in the model legume Medicago truncatula. As a first step to understand the role of DNA methylation under water stress, we have set up several bioinformatics and molecular methodologies allowing the design of Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/Cas9 systems and the assembly of TALENs (transcription activator-like effector nucleases), to target both dicer-like 3 (MtDCL3) and RNA-Dependent RNA polymerase (MtRDR2), enzymes of the RNA-directed DNA methylation pathway. TALENs efficiency was evaluated prior to plant transformation by a yeast-based assay using two different strategies to test TALENs activity: Polyacrylamide gel electrophoresis (PAGE) and Single strand conformation polymorphisms (SSCP). In this assay, yeast cells triple transformation emerged as good and rapid alternative to laborious yeast mating strategies. PAGE analysis might be a valuable tool to test TALENs efficacy in vivo if we could increase TALENs activity. SSCP-based approach proved to be ineffective due to the generation of several false positives. TALENs and CRISPR/Cas9 system constructed and designed in this work will in the future certainly enable the successful disruption of DCL3 and RDR2 genes and shed the light on the relationship between plant stress resistance and epigenetic regulation mediated by siRNAs in M.truncatula.

Whole genome sequence of Klebsiella pneumoniae U25, a hypermucoviscous, multidrug resistant, biofilm producing isolate from India

Klebsiella pneumoniae U25 is a multidrug resistant strain isolated from a tertiary care hospital in Chennai, India. Here, we report the complete annotated genome sequence of strain U25 obtained using PacBio RSII. This is the first report of the whole genome of K. pneumoniaespecies from Chennai. It consists of a single circular chromosome of size 5,491,870-bp and two plasmids of size 211,813 and 172,619-bp. The genes associated with multidrug resistance were identified. The chromosome of U25 was found to have eight antibiotic resistant genes [blaOXA-1,blaSHV-28, aac(6’)1b-cr,catB3, oqxAB, dfrA1]. The plasmid pMGRU25-001 was found to have only one resistant gene (catA1) while plasmid pMGRU25-002 had 20 resistant genes [strAB, aadA1,aac(6’)-Ib, aac(3)-IId,sul1,2, blaTEM-1A,1B,blaOXA-9, blaCTX-M-15,blaSHV-11, cmlA1, erm(B),mph(A)]. A mutation in the porin OmpK36 was identified which is likely to be associated with the intermediate resistance to carbapenems in the absence of carbapenemase genes. U25 is one of the few K. pneumoniaestrains to harbour clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR) systems. Two CRISPR arrays corresponding to Cas3 family helicase were identified in the genome. When compared to K. pneumoniaeNTUHK2044, a transposase gene InsH of IS5-13 was found inserted.

BRF1 mutations alter RNA polymerase III-dependent transcription and cause neurodevelopmental anomalies.

RNA polymerase III (Pol III) synthesizes tRNAs and other small noncoding RNAs to regulate protein synthesis. Dysregulation of Pol III transcription has been linked to cancer, and germline mutations in genes encoding Pol III subunits or tRNA processing factors cause neurogenetic disorders in humans, such as hypomyelinating leukodystrophies and pontocerebellar hypoplasia. Here we describe an autosomal recessive disorder characterized by cerebellar hypoplasia and intellectual disability, as well as facial dysmorphic features, short stature, microcephaly, and dental anomalies. Whole-exome sequencing revealed biallelic missense alterations of BRF1 in three families. In support of the pathogenic potential of the discovered alleles, suppression or CRISPR-mediated deletion of brf1 in zebrafish embryos recapitulated key neurodevelopmental phenotypes; in vivo complementation showed all four candidate mutations to be pathogenic in an apparent isoform-specific context. BRF1 associates with BDP1 and TBP to form the transcription factor IIIB (TFIIIB), which recruits Pol III to target genes. We show that disease-causing mutations reduce Brf1 occupancy at tRNA target genes in Saccharomyces cerevisiae and impair cell growth. Moreover, BRF1 mutations reduce Pol III-related transcription activity in vitro. Taken together, our data show that BRF1 mutations that reduce protein activity cause neurodevelopmental anomalies, suggesting that BRF1-mediated Pol III transcription is required for normal cerebellar and cognitive development.

Novel Genome-Editing Tools to Model and Correct Primary Immunodeficiencies.

Severe combined immunodeficiency (SCID) and other severe non-SCID primary immunodeficiencies (non-SCID PID) can be treated by allogeneic hematopoietic stem cell (HSC) transplantation, but when histocompatibility leukocyte antigen-matched donors are lacking, this can be a high-risk procedure. Correcting the patient's own HSCs with gene therapy offers an attractive alternative. Gene therapies currently being used in clinical settings insert a functional copy of the entire gene by means of a viral vector. With this treatment, severe complications may result due to integration within oncogenes. A promising alternative is the use of endonucleases such as ZFNs, TALENs, and CRISPR/Cas9 to introduce a double-stranded break in the DNA and thus induce homology-directed repair. With these genome-editing tools a correct copy can be inserted in a precisely targeted "safe harbor." They can also be used to correct pathogenic mutations in situ and to develop cellular or animal models needed to study the pathogenic effects of specific genetic defects found in immunodeficient patients. This review discusses the advantages and disadvantages of these endonucleases in gene correction and modeling with an emphasis on CRISPR/Cas9, which offers the most promise due to its efficacy and versatility.

ESCCAR international congress on Rickettsia and other intracellular bacteria.

The European Society for the study of Chlamydia, Coxiella, Anaplasma and Rickettsia (ESCCAR) held his triennial international meeting in Lausanne. This meeting gathered 165 scientists from 28 countries and all 5 continents, allowing efficient networking and major scientific exchanges. Topics covered include molecular and cellular microbiology, genomics, as well as epidemiology, veterinary and human medicine. Several breakthroughs have been revealed at the meeting, such as (i) the presence of CRISPR (the "prokaryotic immune system") in chlamydiae, (ii) an Anaplasma effector involved in host chromatin remodelling, (iii) the polarity of the type III secretion system of chlamydiae during the entry process revealed by cryo-electron tomography. Moreover, the ESCCAR meeting was a unique opportunity to be exposed to cutting-edge science and to listen to comprehensive talks on current hot topics.

E PLURIBUS UNUM. Scripta in honorem Eerik Lagerspetz sexagesimum annum complentis

Tämä teos on kollektiivinen onnittelu professori Eerik Lagerspetzille hänen 60-vuotissyntymäpäivänään 5.3.2016. Kirja koostuu näistä alkusanoista ja kahdestakymmenestä artikkelista. Kirjoittajina toimii Eerikin väitöskirjan ohjaaja, kollegoita, nykyisiä ja entisiä oppilaita, ystäviä sekä lähisukulainen. Onpa mukana yksi tuntematonkin. Kirjoitusten aiheet vaihtelevat suuresti: käytännöllisestä järjestä uuden CRISPR-Cas9-geenitekniikan käytön hyväksyttävyyteen, Kantista Sartreen, puolueettomuudesta häpeään, sopimusten tulkinnasta sattuman rooliin demokraattisessa päätöksenteossa, abortin oikeutuksesta kansanedustajien käyttäytymisen mallintamiseen – vain joitakin mainitakseni. Kirjoitusten kielinä ovat suomi ja englanti, vaikkakin kirjan nimi on latinaksi.

Étude de la résistance aux antibiotiques des entérocoques d'origine animale du Québec

Les entérocoques font partie de la flore normale intestinale des animaux et des humains. Plusieurs études ont démontré que les entérocoques d’origine animale pouvaient représenter un réservoir de gènes de résistance aux antibiotiques pour la communauté humaine et animale. Les espèces Enterococcus faecalis et Enterococcus faecium sont importantes en santé publique; elles sont responsables d’environ 12% de toutes les infections nosocomiales aux États-Unis. Au Canada, les cas de colonisation et/ou d’infections à entérocoques résistants à la vancomycine ont plus que triplé de 2005 à 2009. Un total de 387 isolats E. faecalis et E. faecium aviaires, et 124 isolats E. faecalis porcins ont été identifiés et analysés pour leur susceptibilité aux antibiotiques. De hauts pourcentages de résistance envers les macrolides et les tétracyclines ont été observés tant chez les isolats aviaires que porcins. Deux profils phénotypiques prédominants ont été déterminés et analysés par PCR et séquençage pour la présence de gènes de résistance aux antibiotiques. Différentes combinaisons de gènes de résistance ont été identifiées dont erm(B) et tet(M) étant les plus prévalents. Des extractions plasmidiques et des analyses par hybridation ont permis de déterminer, pour la première fois, la colocalisation des gènes erm(B) et tet(M) sur un plasmide d’environ 9 kb chez des isolats E. faecalis porcins, et des gènes erm(B) et tet(O) sur un plasmide de faible poids moléculaire d’environ 11 kb chez des isolats E. faecalis aviaires. De plus, nous avons démontré, grâce à des essais conjugatifs, que ces plasmides pouvaient être transférés. Les résultats ont révélé que les entérocoques intestinaux aviaires et porcins, lesquels peuvent contaminer la viande à l’abattoir, pouvaient représenter un réservoir de gènes de résistance envers la quinupristine-dalfopristine, la bacitracine, la tétracycline et les macrolides. Afin d’évaluer l’utilisation d’un antisérum polyclonal SA dans l’interférence de la résistance à de fortes concentrations de bacitracine (gènes bcrRAB), lors d’un transfert conjugatif répondant aux phéromones, un isolat multirésistant E. faecalis aviaire a été sélectionné. Après induction avec des phéromones produites par la souche réceptrice E. faecalis JH2-2, l’agrégation de la souche donatrice E. faecalis 543 a été observée ainsi que des fréquences de transfert élevées en bouillon lors d’une courte période de conjugaison. Le transfert conjugatif des gènes asa1, traB et bcrRAB ainsi que leur colocalisation a été démontré chez le donneur et un transconjugant T543-1 sur un plasmide de 115 kb par électrophorèse à champs pulsé (PFGE) et hybridation. Une CMI de > 2 048 µg/ml envers la bacitracine a été obtenue tant chez le donneur que le transconjuguant tandis que la souche réceptrice JH2-2 démontrait une CMI de 32 µg/ml. Le séquençage des gènes asa1, codant pour la substance agrégative, et traB, une protéine régulant négativement la réponse aux phéromones, a révélé une association de cet élément génétique avec le plasmide pJM01. De plus, cette étude présente qu’un antisérum polyclonal SA peut interférer significativement dans le transfert horizontal d’un plasmide répondant aux phéromones codant pour de la résistance à de fortes doses de bacitracine d’une souche E. faecalis aviaire multirésistante. Des isolats cliniques E. faecium d’origine humaine et canine ont été analysés et comparés. Cette étude rapporte, pour la première fois, la caractérisation d’isolats cliniques E. faecium résistants à l’ampicilline (EFRA) d’origine canine associés à CC17 (ST17) au Canada. Ces isolats étaient résistants à la ciprofloxacine et à la lincomycine. Leur résistance envers la ciprofloxacine a été confirmée par la présence de substitutions dans la séquence en acides aminés des gènes de l’ADN gyrase (gyrA/gyrB) et de la topoisomérase IV (parC/parE). Des résistances élevées envers la gentamicine, la kanamycine et la streptomycine, et de la résistance envers les macrolides et les lincosamides a également été observées. La fréquence de résistance envers la tétracycline était élevée tandis que celle envers la vancomycine n’a pas été détectée. De plus, aucune résistance n’a été observée envers le linézolide et la quinupristine-dalfopristine. Les données ont démontré une absence complète des gènes esp (protéine de surface des entérocoques) et hyl (hyaluronidase) chez les isolats canins EFRA testés tandis qu’ils possédaient tous le gène acm (adhésine de liaison au collagène d’E. faecium). Aucune activité reliée à la formation de biofilm ou la présence d’éléments CRISPR (loci de courtes répétitions palindromiques à interespaces réguliers) n’a été identifiée chez les isolats canins EFRA. Les familles de plasmide rep6 and rep11 ont significativement été associées aux isolats d’origine canine. Les profils PFGE des isolats d’origine humaine et canine n'ont révélé aucune relation (≤ 80%). Ces résultats illustrent l'importance d'une utilisation judicieuse des antibiotiques en médecine vétérinaire afin d’éviter la dissémination zoonotique des isolats EFRA canins. Nous pensons que ces résultats contribueront à une meilleure compréhension des mécanismes de résistance aux antibiotiques et de leurs éléments mobiles ainsi qu’à de nouvelles stratégies afin de réduire le transfert horizontal de la résistance aux antibiotiques et des facteurs de virulence.

Adaptations de la méthode de purification d’ARN par affinité avec l’étiquette ARiBo

Dans les dernières années, une explosion de la recherche sur les ARN a eu lieue à cause de nombreuses découvertes démontrant l’importance de l’ARN dans plusieurs processus biologiques. Ainsi, de grandes quantités d’ARN sont devenues indispensables au bon déroulement de plusieurs études, notamment pour la biologie structurale et la caractérisation fonctionnelle. Cependant, il existe encore peu de méthodes de purification simples, efficaces, fiables et produisant un ARN sous forme native. Dans les dernières années, le laboratoire Legault a mis au point une méthode de purification par affinité utilisant une étiquette ARiBo pour la purification d’ARN transcrits in vitro par la polymérase à ARN du phage T7. Cette méthode de purification d’ARN a été spécifiquement développée pour maximiser la pureté et le rendement. De plus, elle est très rapide et fonctionne avec plusieurs types d’ARN. Cependant, comme plusieurs autres méthodes de purification, cette méthode produit des ARN avec des extrémités 5′ hétérogènes. Dans ce mémoire, des solutions sont proposées pour remédier au problème d’hétérogénéité en 5ʹ′ des ARN transcrits avec la polymérase à ARN du phage T7 et purifiés par la méthode ARiBo. La première solution consiste à choisir la séquence en 5′ parmi celles des 32 séquences testées qui ne présentent pas d’hétérogénéité en 5ʹ′. La seconde solution est d’utiliser une étiquette clivable en 5ʹ′ de l’ARN d’intérêt, tel que le ribozyme hammerhead, déjà utilisée pour ce genre d’application, ou le système CRISPR/Cse3 que nous proposons dans l’article présenté dans ce mémoire. De plus, nous avons adapté la méthode ARiBo pour rendre possible la purification d’un long ARN de 614 nt, le polycistron miR-106b-25. Nous avons également démontré la possibilité d’utiliser la méthode ARiBo pour l’isolation de protéines qui se lient à un ARN donné, le précurseur de miRNA pre-miR-153-2. En conclusion, ce mémoire démontre la possibilité d’adapter la méthode ARiBo à plusieurs applications.

Mécanismes d'action des cellules stromales mésenchymateuses dans le traitement de la réaction du greffon contre l'hôte

La maladie du greffon contre l’hôte (GvHD) est un effet secondaire sérieux de la transplantation de cellules souches hématopoïétiques (HSCT). Cette maladie entraine une haute mortalité et ses symptômes sont dévastateurs. Les traitements actuels de la GvHD comportent plusieurs produits, tels les corticostéroïdes, mais ces derniers sont immunosuppresseurs et leurs effets secondaires sont aussi très dommageables pour les patients et leur guérison. Les cellules stromales mésenchymateuses (MSC) représentent une alternative ou une addition potentielle de traitement pour la GvHD et ces cellules ne semblent pas posséder les effets secondaires des traitements classiques. Un nombre important d’études cliniques faisant l’objet des MSC ont été enregistrées. Malgré cet engouement, le mécanisme de leur immunomodulation reste encore à élucider. Notre objectif est donc de mieux définir ce mécanisme. Nous avons utilisé un modèle simplifié pour simuler la GvHD in vitro. Ce modèle se base sur la stimulation de lymphocytes CD4+ par des cellules dendritiques allogéniques. La mesure de la prolifération de ces cellules stimulées sert d’indicateur de leur réactivité. Selon les résultats obtenus par la technologie CRISPR de génie génétique, les MSC exerceraient leur immunosuppression sur les cellules T CD4+ principalement par la sécrétion de l’enzyme IDO1. Les MSC seraient également capables d’induire certaines cellules CD4+ en cellules régulatrices, un processus indépendant de la sécrétion d’IDO1. Toutefois, ces cellules ne semblent pas correspondre aux cellules Treg conventionnelles.