• No results found

University of Groningen The consequences of aneuploidy and chromosome instability Schukken, Klaske Marijke

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "University of Groningen The consequences of aneuploidy and chromosome instability Schukken, Klaske Marijke"

Copied!
27
0
0

Bezig met laden.... (Bekijk nu de volledige tekst)

Hele tekst

(1)

The consequences of aneuploidy and chromosome instability

Schukken, Klaske Marijke

DOI:

10.33612/diss.135392967

IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.

Document Version

Publisher's PDF, also known as Version of record

Publication date: 2020

Link to publication in University of Groningen/UMCG research database

Citation for published version (APA):

Schukken, K. M. (2020). The consequences of aneuploidy and chromosome instability: Survival, cell death and cancer. University of Groningen. https://doi.org/10.33612/diss.135392967

Copyright

Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).

Take-down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.

Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.

(2)

5

(3)

Klaske M. Schukken1, Colin Pritchard2, Petra Bakker1, Alicia Borneman,

Ivo Huijbers2, and Floris Foijer1,

1European Research Institute for the Biology of Ageing (ERIBA), University

of Groningen, University Medical Center Groningen, 9713 AV, Groningen, the Netherlands

2 Mouse Clinic, National Cancer Institute (NKI), Antoni Van Leeuwenhoek

hospital, 1066 CX, Amsterdam, the Netherlands

Aneuploidy tracker- a novel mouse

model to track aneuploidy in live cells

Chapter 5

5

         

5

 

Aneuploidy tracker- a novel mouse model to track aneuploidy in live

cells

Klaske M. Schukken1, Colin Pritchard2, Petra Bakker1, Alicia Borneman, Ivo

Huijbers2, and Floris Foijer1,

1European Research Institute for the Biology of Ageing (ERIBA), University of

Groningen, University Medical Center Groningen, 9713 AV, Groningen, the Netherlands

2 Mouse Clinic, National Cancer Institute (NKI), Antoni Van Leeuwenhoek

hospital, 1066 CX, Amsterdam, the Netherlands

(4)

Abstract  Three out of four cancers are aneuploid, and Chromosomal Instability (CIN)  frequently enhances tumor progression. Many cancers select for specific  chromosomes that are beneficial to growth, but which chromosomes are  selected for depends greatly on the specific cancer type. Most of the  aneuploidy measuring techniques currently available to the field  (Immunofluorescence staining, karyotype spreads, CGH sequencing and  single cell sequencing) are endpoint experiments. Additionally, there are no  mouse models available that can be used to observe aneuploidy within  living tissue. Here, we test two techniques to monitor chromosome copy  number in living cells, fluorescent tetR with TRE and fluorescent dCas9 with  sgRNAs. We find that the tetR TRE approach is the more reliable of the two  strategies evaluated. We therefore engineered a beyond state of the art  mouse model in which the TRE repetitive binding site is integrated into the  mouse genome, flanked by PiggyBac transposon sites, allowing mobilization  of the element to other chromosomes in mouse ES cells. In the future, this  mouse model can be used to determine copy numbers of specific  chromosomes in vivo, and monitor copy number alterations during tumor  progression and aging, or in unperturbed tissues following the induction of  a CIN phenotype.   Keywords: Aneuploidy, mouse model, cancer, intravital imaging                  Introduction  Cells can mis‐segregate their DNA, a process called Chromosome Instability  (CIN), which leads to daughter cells with extra or missing chromosomes, a  state called aneuploidy. While aneuploidy is generally detrimental to cell  growth and survival2,42,75,77,86, cancers have found a way to select for specific  chromosome gains and losses that are beneficial for cancer cell 

proliferation7,9,17,27,187. Indeed, aneuploidy is a hallmark of cancer cells9, with 

about 3 out of 4 cancers being aneuploid7,8. Importantly, patients with  aneuploid cancers have a lower expected survival11–13,105–110.   While there is no singular cancer karyotype, cancers of the same types tend  to gain and loose the same chromosomes191, and cancers induced with the  same mutation have been shown to independently select for similar  chromosome gains and losses27.  Per cancer type, certain chromosome  gains or losses are known to strongly influence patient outcome 187 However, despite the frequency of aneuploidy in cancer, aneuploidy’s role  in cancer development is not yet fully understood.   While there is very little aneuploidy reported in healthy human tissues91 aneuploidy is a hallmark of aging103,182,192, and the frequency of aneuploid  cells has been shown to increase within a few of our tissues as we age117,118 Mosaic variegated aneuploidy (MVA), a condition in which patients develop  random aneuploidies due to defects in their chromosome segregation  machinery121,122leads to heterogeneous aneuploidy in the affected  individuals, and has also been shown to lead to enhanced aging  phenotypes119,120,124,125,127. Despite the increase of aneuploid cells as we age,  senescent and highly aneuploid cells have been shown to be eliminated by  natural killer cells in co‐culture experiments97.  However, how our bodies  deal with aneuploid cells and tissues in vivo, how many aneuploidies have  accumulated within our tissues, and how this changes over time, is not yet  known.  While there are many methods available to quantify aneuploidy44 these methods are all endpoint measurements, and therefore do not allow  one to monitor the fate of aneuploid cells over time. It is therefore also not  possible to evaluate the development of specific aneuploidies during tumor  development. Therefore, tools to determine aneuploidy over time in vivo  are a key step to better understand the effects of aneuploidy on cell  survival, tissue aging, and tumor development.   In this chapter we describe our attempts to create cell lines to monitor copy  numbers of individual chromosomes using time‐lapse imaging, and 

(5)

1

5

Abstract  Three out of four cancers are aneuploid, and Chromosomal Instability (CIN)  frequently enhances tumor progression. Many cancers select for specific  chromosomes that are beneficial to growth, but which chromosomes are  selected for depends greatly on the specific cancer type. Most of the  aneuploidy measuring techniques currently available to the field  (Immunofluorescence staining, karyotype spreads, CGH sequencing and  single cell sequencing) are endpoint experiments. Additionally, there are no  mouse models available that can be used to observe aneuploidy within  living tissue. Here, we test two techniques to monitor chromosome copy  number in living cells, fluorescent tetR with TRE and fluorescent dCas9 with  sgRNAs. We find that the tetR TRE approach is the more reliable of the two  strategies evaluated. We therefore engineered a beyond state of the art  mouse model in which the TRE repetitive binding site is integrated into the  mouse genome, flanked by PiggyBac transposon sites, allowing mobilization  of the element to other chromosomes in mouse ES cells. In the future, this  mouse model can be used to determine copy numbers of specific  chromosomes in vivo, and monitor copy number alterations during tumor  progression and aging, or in unperturbed tissues following the induction of  a CIN phenotype.   Keywords: Aneuploidy, mouse model, cancer, intravital imaging                  Introduction  Cells can mis‐segregate their DNA, a process called Chromosome Instability  (CIN), which leads to daughter cells with extra or missing chromosomes, a  state called aneuploidy. While aneuploidy is generally detrimental to cell  growth and survival2,42,75,77,86, cancers have found a way to select for specific  chromosome gains and losses that are beneficial for cancer cell 

proliferation7,9,17,27,187. Indeed, aneuploidy is a hallmark of cancer cells9, with 

about 3 out of 4 cancers being aneuploid7,8. Importantly, patients with  aneuploid cancers have a lower expected survival11–13,105–110.   While there is no singular cancer karyotype, cancers of the same types tend  to gain and loose the same chromosomes191, and cancers induced with the  same mutation have been shown to independently select for similar  chromosome gains and losses27.  Per cancer type, certain chromosome  gains or losses are known to strongly influence patient outcome 187 However, despite the frequency of aneuploidy in cancer, aneuploidy’s role  in cancer development is not yet fully understood.   While there is very little aneuploidy reported in healthy human tissues91 aneuploidy is a hallmark of aging103,182,192, and the frequency of aneuploid  cells has been shown to increase within a few of our tissues as we age117,118 Mosaic variegated aneuploidy (MVA), a condition in which patients develop  random aneuploidies due to defects in their chromosome segregation  machinery121,122leads to heterogeneous aneuploidy in the affected  individuals, and has also been shown to lead to enhanced aging  phenotypes119,120,124,125,127. Despite the increase of aneuploid cells as we age,  senescent and highly aneuploid cells have been shown to be eliminated by  natural killer cells in co‐culture experiments97.  However, how our bodies  deal with aneuploid cells and tissues in vivo, how many aneuploidies have  accumulated within our tissues, and how this changes over time, is not yet  known.  While there are many methods available to quantify aneuploidy44 these methods are all endpoint measurements, and therefore do not allow  one to monitor the fate of aneuploid cells over time. It is therefore also not  possible to evaluate the development of specific aneuploidies during tumor  development. Therefore, tools to determine aneuploidy over time in vivo  are a key step to better understand the effects of aneuploidy on cell  survival, tissue aging, and tumor development.   In this chapter we describe our attempts to create cell lines to monitor copy  numbers of individual chromosomes using time‐lapse imaging, and 

(6)

engineer an “aneuploidy tracker” mouse model that allows for monitoring  aneuploidy in live cells, and track cell/tissue fate over time. To quantify  aneuploidy, we fluorescently label a specific chromosome, a technique used  previously to observe DNA damage and chromosome movement35–37,193 allowing us to view chromosome copy number per cell in living cells.     Results  Testing tagging of individual chromosomes in living cells  In order to monitor aneuploidy in live cells, we wanted to fluorescently  label a specific chromosome in living cells (Figure 1A). While this method  would not detect all forms of aneuploidy, it would display chromosome  copy number variations for the labeled chromosome. Two previously  published methods for fluorescently labelling chromosomes were tested,  the tet‐TRE method35,193 and the dCas9‐sgRNA method36,37(see Materials 

and Methods).   For the first approach, we transduced previously‐described 3T3 NIH cells  containing a TRE tandem193 with a construct fluorescently labeling tetR, H2B  and alpha‐tubulin that localize to the TRE repeat, chromatin and tubulin,  respectively (vector 487, Supplementary Table 2). After adding 1 μg/ml  doxycycline to induce tetR binding to the TRE, we found that these cells  indeed had clear fluorescent foci (Figure 1B). Since strong dCas9 or tetR  protein binding to DNA during mitosis could cause problems for  chromosome segregation, we next studied the localization of these proteins  during mitosis using time‐lapse imaging. We found that the tetR fluorescent  protein is removed from the chromatin during mitosis (Figure 1B), but  returns several minutes after mitotic exit.   Next, we tested the dCas9 approach. For this, we transduced 3T3 NIH cells  with a fluorescently tagged non‐cleaving variant of Cas9 (Vector 552,  Supplementary Table 2). To test functionality, we first tested this approach  with previously‐published small guide RNAs (sgRNAs) targeting telomeres, a  known long repetitive region present on all chromosomes. Indeed, 3T3 cells  expressing telomere‐targeting sgRNAs and fluorescently‐tagged cCas9  showed multiple foci, corresponding to telomeres within the nucleus during  interphase (Figure 1C). Similar to the tetR model described above, dCas9  was removed from the chromatin during mitosis (Figure 1C); the   Figure 1: Overview of methods used to fluorescently label chromosomes.  A) Schematic of  method used to fluorescently label chromosomes. B) NIH 3T3 MEFs with a TRE repetitive  binding site, and a fluorescent marker expressing tetR‐YFP, H2B‐GFP and mTurquoise2‐ Tubulin. TetR loci is visible in interphase but nor in mitosis. C) 3T3 cells with dCas9‐mCherry  and telomere sgRNA in interphase where upon it forms foci in the nucleus, and in mitosis,  where Cas9 does not form foci and is evenly distributed throughout the dividing cell. D) RPE1  A) B) C) Fluorophore DNA binding protein Repetative DNA binding site 50+ repeats D) C hr .9 s gR N A dCas9 H2B Merge Mitosis 3T 3 + te lo m er e Interphase E) 0 30 60 90 120 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 X Y Chromosome R epeat C op y N umber Database TRD_Human BLAST Primary BLAST alternative 0 50 100 150 200 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 X Chromosome R epeat C op y N umbe r Database TRD_Mouse BLAST BLCK6 BLAST Mixed Mouse Human

tetR Tubulin H2B Merge

M ito si s In te rp ha se

(7)

1

5

engineer an “aneuploidy tracker” mouse model that allows for monitoring  aneuploidy in live cells, and track cell/tissue fate over time. To quantify  aneuploidy, we fluorescently label a specific chromosome, a technique used  previously to observe DNA damage and chromosome movement35–37,193 allowing us to view chromosome copy number per cell in living cells.     Results  Testing tagging of individual chromosomes in living cells  In order to monitor aneuploidy in live cells, we wanted to fluorescently  label a specific chromosome in living cells (Figure 1A). While this method  would not detect all forms of aneuploidy, it would display chromosome  copy number variations for the labeled chromosome. Two previously  published methods for fluorescently labelling chromosomes were tested,  the tet‐TRE method35,193 and the dCas9‐sgRNA method36,37(see Materials 

and Methods).   For the first approach, we transduced previously‐described 3T3 NIH cells  containing a TRE tandem193 with a construct fluorescently labeling tetR, H2B  and alpha‐tubulin that localize to the TRE repeat, chromatin and tubulin,  respectively (vector 487, Supplementary Table 2). After adding 1 μg/ml  doxycycline to induce tetR binding to the TRE, we found that these cells  indeed had clear fluorescent foci (Figure 1B). Since strong dCas9 or tetR  protein binding to DNA during mitosis could cause problems for  chromosome segregation, we next studied the localization of these proteins  during mitosis using time‐lapse imaging. We found that the tetR fluorescent  protein is removed from the chromatin during mitosis (Figure 1B), but  returns several minutes after mitotic exit.   Next, we tested the dCas9 approach. For this, we transduced 3T3 NIH cells  with a fluorescently tagged non‐cleaving variant of Cas9 (Vector 552,  Supplementary Table 2). To test functionality, we first tested this approach  with previously‐published small guide RNAs (sgRNAs) targeting telomeres, a  known long repetitive region present on all chromosomes. Indeed, 3T3 cells  expressing telomere‐targeting sgRNAs and fluorescently‐tagged cCas9  showed multiple foci, corresponding to telomeres within the nucleus during  interphase (Figure 1C). Similar to the tetR model described above, dCas9  was removed from the chromatin during mitosis (Figure 1C); the   Figure 1: Overview of methods used to fluorescently label chromosomes.  A) Schematic of  method used to fluorescently label chromosomes. B) NIH 3T3 MEFs with a TRE repetitive  binding site, and a fluorescent marker expressing tetR‐YFP, H2B‐GFP and mTurquoise2‐ Tubulin. TetR loci is visible in interphase but nor in mitosis. C) 3T3 cells with dCas9‐mCherry  and telomere sgRNA in interphase where upon it forms foci in the nucleus, and in mitosis,  where Cas9 does not form foci and is evenly distributed throughout the dividing cell. D) RPE1  A) B) C) Fluorophore DNA binding protein Repetative DNA binding site 50+ repeats D) C hr .9 s gR N A dCas9 H2B Merge Mitosis 3T 3 + te lo m er e Interphase E) 0 30 60 90 120 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 X Y Chromosome R epeat C op y N umber Database TRD_Human BLAST Primary BLAST alternative 0 50 100 150 200 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 X Chromosome R epeat C op y N umbe r Database TRD_Mouse BLAST BLCK6 BLAST Mixed Mouse Human

tetR Tubulin H2B Merge

M ito si s In te rp ha se

(8)

cells with dCas9‐mCherry and sgRNA for chromosome 9 with 2 visible loci. E) Bar graph of  largest number of repetitive elements Figure 1 continued: (pattern >22bp, %match>95,  containing sp dCas9 PAM site when possible) per chromosome in humans and mice. Number  of correct repeats in the Tandem Repeat Database, and number of repeats found in 2  separate genomes in BLAST.    fluorescent Cas9 does not form foci, and is even distributed throughout the  dividing cell. This suggests that dCas9 is also removed from chromatin  during mitosis. Next, we tested the same approach, but now in human RPE1  cells with previously published sgRNAs for chromosome 9 and chromosome  13 36. Both published sgRNAs tagging chromosome 9 and chromosome 13  showed clear fluorescent localization with 2 clear dots per cell, suggesting  that the respective chromosomes were indeed tagged by dCas9 (chrm.9:  Figure 1D, chrm.13: data not shown).   However, in both RPE1 and 3T3 MEF cells dCas9 expression in combination  with sgRNA presence was very toxic to the cells within a few weeks,  suggesting that dCas9 localization to chromatin is poorly tolerated.  Therefore, while cells may be able to deal with sgRNA and dCas9 co‐ expression for short periods of time, long term co‐expression was severely  toxic, making the dCas9 chromosome labeling model too toxic for mouse  models, at least for the published repeats on chromosome 9 and 13.   Testing new sgRNAs for dCas9 chromosome loci   Despite the toxicity of sgRNA and dCas9 co‐expression for chrs. 9 and 13,  we next investigated whether other loci might be more suitable to be  tagged with dCas9.   To identify possible repeat regions to tag (repeats are required as otherwise  the dCas9 signal might be too dim to be observed in vivo), we made use of  the Tandem Repeat Database that contains long repetitive sequences  present in the human and mouse genetic code. Repeats were selected  based on multiple minimum requirements, such as presence of the PAM  sequence required for dCas9 localization, a minimum of a 23 base pair  repeat size and a base pair match rate larger than or equal to 93% between  repeats. Repeats were manually curated to find the regions with the most  identical 23bp repeats ending with a PAM sequence. Using these  conditions, we identified the longest repeats per chromosome. These  sequences were compared to two separate genome sequences, to check  that they are unique to a single chromosome, and that these repeats are  present in multiple genome variants for the species (Figure 1E,     Figure 2: Making a TRE mouse model for chromosome labeling. A) Schematic of i) PiggyBac  enclosed TRE vector and ii) how the transgenic mice were made from the TRE vector. B)  Number of TRE integrations in genomic DNA per mouse, based on qPCR results set relative  to mouse 10. Ratio of MEF offspring with TRE integration listed below.  C) Primary MEF cell  with a single PiggyBac‐TRE integration transduced with tet‐YFP in interphase and mitosis. D)  Primary MEF cell from a mouse containing two TRE integrations, transduced with tet‐YFP.  mCherry channel used for background fluorescence. | White arrows point to TRE‐tet loci.  Dotted line represents nuclear outline.    A) B) C) i) Pr im ar y M EF In te rp ha se Pr im ar y M EF M ito si s

5’ PiggyBac TRE 96x Luciferase fragment 3’ PiggyBac

Inject into zygote Inject embryo into

foster mother Offspring

TRE vector i)

ii)

tetR tetR

tetR Background fluorescence Merge

D ou bl e TR E in te gr at io n D) ii) TRE+ MEF 6/8 7/8 4/11 --0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 20 13 6 14 10 17 21 8 Mouse ID R el ati ve TR E int egr ati on s qPCR 1 2 Piggybac trans-posase mRNA

(9)

1

5

cells with dCas9‐mCherry and sgRNA for chromosome 9 with 2 visible loci. E) Bar graph of  largest number of repetitive elements Figure 1 continued: (pattern >22bp, %match>95,  containing sp dCas9 PAM site when possible) per chromosome in humans and mice. Number  of correct repeats in the Tandem Repeat Database, and number of repeats found in 2  separate genomes in BLAST.    fluorescent Cas9 does not form foci, and is even distributed throughout the  dividing cell. This suggests that dCas9 is also removed from chromatin  during mitosis. Next, we tested the same approach, but now in human RPE1  cells with previously published sgRNAs for chromosome 9 and chromosome  13 36. Both published sgRNAs tagging chromosome 9 and chromosome 13  showed clear fluorescent localization with 2 clear dots per cell, suggesting  that the respective chromosomes were indeed tagged by dCas9 (chrm.9:  Figure 1D, chrm.13: data not shown).   However, in both RPE1 and 3T3 MEF cells dCas9 expression in combination  with sgRNA presence was very toxic to the cells within a few weeks,  suggesting that dCas9 localization to chromatin is poorly tolerated.  Therefore, while cells may be able to deal with sgRNA and dCas9 co‐ expression for short periods of time, long term co‐expression was severely  toxic, making the dCas9 chromosome labeling model too toxic for mouse  models, at least for the published repeats on chromosome 9 and 13.   Testing new sgRNAs for dCas9 chromosome loci   Despite the toxicity of sgRNA and dCas9 co‐expression for chrs. 9 and 13,  we next investigated whether other loci might be more suitable to be  tagged with dCas9.   To identify possible repeat regions to tag (repeats are required as otherwise  the dCas9 signal might be too dim to be observed in vivo), we made use of  the Tandem Repeat Database that contains long repetitive sequences  present in the human and mouse genetic code. Repeats were selected  based on multiple minimum requirements, such as presence of the PAM  sequence required for dCas9 localization, a minimum of a 23 base pair  repeat size and a base pair match rate larger than or equal to 93% between  repeats. Repeats were manually curated to find the regions with the most  identical 23bp repeats ending with a PAM sequence. Using these  conditions, we identified the longest repeats per chromosome. These  sequences were compared to two separate genome sequences, to check  that they are unique to a single chromosome, and that these repeats are  present in multiple genome variants for the species (Figure 1E,     Figure 2: Making a TRE mouse model for chromosome labeling. A) Schematic of i) PiggyBac  enclosed TRE vector and ii) how the transgenic mice were made from the TRE vector. B)  Number of TRE integrations in genomic DNA per mouse, based on qPCR results set relative  to mouse 10. Ratio of MEF offspring with TRE integration listed below.  C) Primary MEF cell  with a single PiggyBac‐TRE integration transduced with tet‐YFP in interphase and mitosis. D)  Primary MEF cell from a mouse containing two TRE integrations, transduced with tet‐YFP.  mCherry channel used for background fluorescence. | White arrows point to TRE‐tet loci.  Dotted line represents nuclear outline.    A) B) C) i) Pr im ar y M EF In te rp ha se Pr im ar y M EF M ito sis

5’ PiggyBac TRE 96x Luciferase fragment 3’ PiggyBac

Inject into zygote Inject embryo into

foster mother Offspring

TRE vector i)

ii)

tetR tetR

tetR Background fluorescence Merge

D ou bl e TR E in te gr at io n D) ii) TRE+ MEF 6/8 7/8 4/11 --0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 20 13 6 14 10 17 21 8 Mouse ID R el ati ve TR E int egr ati on s qPCR 1 2 Piggybac trans-posase mRNA

(10)

Supplementary Table 1). While human repeat copy numbers were fairly  consistent between genome sequence origin, mouse repeat copy numbers  dropped off dramatically in the mixed background genome (Figure 1E,  Supplementary Table 1A, B).   Next, we designed six sgRNAs targeting these sequences (Supplementary  Table 1 A), and tested in 3T3 cells expressing fluorescently‐labeled dCas9  and the respective sgRNAs (Supplementary Table 2). Unfortunately, none of  the cell lines showed fluorescent foci. We therefore selected another set of  repeats from the tandem repeat database using less stringent filters. We  designed another 15 repeat‐based sgRNAs (Supplementary Table 1 C, and  Supplementary Table 3). Again, none of additional 15 sgRNA resulted in  visible dCas9 foci (Supplementary Table 3). While our tests of sgRNAs for  repetitive regions targeting the mouse genome is far from exhaustive, the  high failure rate and excessive toxicity along with the variability of repeat  lengths between mouse genome sequences, make the dCas9 approach in  our opinion a poor choice for a mouse model for now.   Engineering Mouse models with a PiggyBac‐flanked TRE tandem   As described above, co‐expression of sgRNA and dCas9 was severely toxic  to cells within a few weeks, while tet‐TRE loci did not display this toxicity,  possibly because TetR localization relies on the presence of doxycycline and  is thus inducible or maybe because the Tet repeat is an exogenous DNA  element. We therefore decided to create a mouse model with the TRE  tandem integrated into the genome in order to visualize aneuploidy in vivo.  Additionally, in order to make a model which can be used to make several  mouse lines labeling different individual chromosomes, we engineered a  vector with PiggyBac transposon flanking the TRE repetitive element (Figure  2Ai, see Materials and Methods). This PiggyBac‐TRE vector was used to  engineer a mouse model (Figure 2Aii), which will henceforth be referred to  as the “AneuTracker” mouse. For this purpose, the targeting vector was  injected into mouse zygotes together with a vector expressing PiggyBac  transposase. This leads to random integration of the PiggyBac flanked TRE  cassette into the zygotes’ genomes. Because of this approach, the number  of TRE integrations per mouse was unknown. To determine if our founder  mice indeed harbored the PiggyBac‐TRE insert, genomic DNA was extracted  followed by genotyping, which revealed that seven of the twenty‐one  founder mice tested harbored the PiggyBac‐TRE cassette. To quantify the  number of integrations of the AneuTracker cassette, we performed  quantitative genomic PCRs (qgPCR) for each mouse (Figure 2B). In parallel,  we crossed three male TRE+ mice with C57/B6 mice to produce MEFs  containing the TRE tandem. MEFs were also genotyped for presence of the  transgene and the ratio of TRE+ MEFs produced from a heterozygous  crossing (i.e. with a wildtype female), in combination with qgPCR data was  used to estimate how many TRE integrations their parent contained (Table  1).   To test functionality of the transgene, the primary TRE+ MEFs were  transduced with tetR‐YFP and treated with 1 ug/ml doxycycline to localize  tetR to the Tet‐tandem. Time‐lapse imaging revealed that the TRE+ MEFs  displayed chromosome foci in interphase, but not mitosis (Figure 2C),  similar to what was observed in TRE+ 3T3 MEFs (Figure 1B). Some of the  MEFs tested contained two TRE integrations, resulting in two TRE foci  within the cell (Figure 2D).    Together, these analyses revealed that our founder mice harbor between 1  and 9 TRE integrations, and the TRE repeats are long enough to be  visualized with tetR‐YFP binding. While our AneuTracker mice do not yet  have a transgenic cassette to label the Tre tandem in vivo, engineering a Tet  reporter mouse will be the next step for this project as well as the  generation of a collection of ES cell lines with the AneuTracker cassette  present on specific chromosomes.   Table 1: Estimated TRE integrations per mouse. Mouse number, PCR of gDNA for  TRE integration, delta Cp for TRE vector integrations, ratio of TRE positive offspring  and estimated number of TRE inserts.  

Mouse #  gDNA TRE +  ΔCp 1* qPCR  ΔCp 2* qPCR  offspring TRE +  inserts # TRE 

9  +  1,54  1,31  NA  9  20  +  1,11  0,93  NA  6  13  +  0,60  0,45  NA  3  6  +  0,41  0,33  6 of 8  2  14  +  0,39  0,34  7 of 8  2  10  +  0,18  0,15  NA  1  17  +  0,14  0,14  4 of 11  1  21  ‐  0,00  0,00  NA  0  *qPCR data was used to get ΔCp for two luciferase primer pairs, and relative copy  number of TRE was estimated based qPCR and TRE + offspring ratio.  

(11)

1

5

Supplementary Table 1). While human repeat copy numbers were fairly  consistent between genome sequence origin, mouse repeat copy numbers  dropped off dramatically in the mixed background genome (Figure 1E,  Supplementary Table 1A, B).   Next, we designed six sgRNAs targeting these sequences (Supplementary  Table 1 A), and tested in 3T3 cells expressing fluorescently‐labeled dCas9  and the respective sgRNAs (Supplementary Table 2). Unfortunately, none of  the cell lines showed fluorescent foci. We therefore selected another set of  repeats from the tandem repeat database using less stringent filters. We  designed another 15 repeat‐based sgRNAs (Supplementary Table 1 C, and  Supplementary Table 3). Again, none of additional 15 sgRNA resulted in  visible dCas9 foci (Supplementary Table 3). While our tests of sgRNAs for  repetitive regions targeting the mouse genome is far from exhaustive, the  high failure rate and excessive toxicity along with the variability of repeat  lengths between mouse genome sequences, make the dCas9 approach in  our opinion a poor choice for a mouse model for now.   Engineering Mouse models with a PiggyBac‐flanked TRE tandem   As described above, co‐expression of sgRNA and dCas9 was severely toxic  to cells within a few weeks, while tet‐TRE loci did not display this toxicity,  possibly because TetR localization relies on the presence of doxycycline and  is thus inducible or maybe because the Tet repeat is an exogenous DNA  element. We therefore decided to create a mouse model with the TRE  tandem integrated into the genome in order to visualize aneuploidy in vivo.  Additionally, in order to make a model which can be used to make several  mouse lines labeling different individual chromosomes, we engineered a  vector with PiggyBac transposon flanking the TRE repetitive element (Figure  2Ai, see Materials and Methods). This PiggyBac‐TRE vector was used to  engineer a mouse model (Figure 2Aii), which will henceforth be referred to  as the “AneuTracker” mouse. For this purpose, the targeting vector was  injected into mouse zygotes together with a vector expressing PiggyBac  transposase. This leads to random integration of the PiggyBac flanked TRE  cassette into the zygotes’ genomes. Because of this approach, the number  of TRE integrations per mouse was unknown. To determine if our founder  mice indeed harbored the PiggyBac‐TRE insert, genomic DNA was extracted  followed by genotyping, which revealed that seven of the twenty‐one  founder mice tested harbored the PiggyBac‐TRE cassette. To quantify the  number of integrations of the AneuTracker cassette, we performed  quantitative genomic PCRs (qgPCR) for each mouse (Figure 2B). In parallel,  we crossed three male TRE+ mice with C57/B6 mice to produce MEFs  containing the TRE tandem. MEFs were also genotyped for presence of the  transgene and the ratio of TRE+ MEFs produced from a heterozygous  crossing (i.e. with a wildtype female), in combination with qgPCR data was  used to estimate how many TRE integrations their parent contained (Table  1).   To test functionality of the transgene, the primary TRE+ MEFs were  transduced with tetR‐YFP and treated with 1 ug/ml doxycycline to localize  tetR to the Tet‐tandem. Time‐lapse imaging revealed that the TRE+ MEFs  displayed chromosome foci in interphase, but not mitosis (Figure 2C),  similar to what was observed in TRE+ 3T3 MEFs (Figure 1B). Some of the  MEFs tested contained two TRE integrations, resulting in two TRE foci  within the cell (Figure 2D).    Together, these analyses revealed that our founder mice harbor between 1  and 9 TRE integrations, and the TRE repeats are long enough to be  visualized with tetR‐YFP binding. While our AneuTracker mice do not yet  have a transgenic cassette to label the Tre tandem in vivo, engineering a Tet  reporter mouse will be the next step for this project as well as the  generation of a collection of ES cell lines with the AneuTracker cassette  present on specific chromosomes.   Table 1: Estimated TRE integrations per mouse. Mouse number, PCR of gDNA for  TRE integration, delta Cp for TRE vector integrations, ratio of TRE positive offspring  and estimated number of TRE inserts.  

Mouse #  gDNA TRE +  ΔCp 1* qPCR  ΔCp 2* qPCR  offspring TRE +  inserts # TRE 

9  +  1,54  1,31  NA  9  20  +  1,11  0,93  NA  6  13  +  0,60  0,45  NA  3  6  +  0,41  0,33  6 of 8  2  14  +  0,39  0,34  7 of 8  2  10  +  0,18  0,15  NA  1  17  +  0,14  0,14  4 of 11  1  21  ‐  0,00  0,00  NA  0  *qPCR data was used to get ΔCp for two luciferase primer pairs, and relative copy  number of TRE was estimated based qPCR and TRE + offspring ratio.  

(12)

  Future directions and discussion  The aim of this study was to create a mouse model we call the AneuTracker,  which can be used to visualize aneuploidy in live cells and tissues. Such a  model would allow us to better quantify the extent of aneuploidy within  different tissues or tumors over time, and follow the fate of aneuploid cells  in vivo. Currently, in vivo aneuploidy measurements are largely endpoint  measurements44. Thus, creating the AneuTracker model would give us a  tool to better understand the extent and effects of aneuploidy within living  cells, tissues and tumors.   Fluorescent dCas9 localization  We were able to replicate previously published data showing fluorescent  dCas9 foci at telomeres in both human and mouse cells, and dCas9  targeting to chromosome 9 and 13 in human cells. However, we were not  able to create sgRNAs that led to dCas9 foci in mouse cells. This may be due  to the mouse repetitive sequence lengths being less consistent than human  repeats, indicating that a mouse’s strain may play a large role in whether or  not a repeat is long enough to be visualized via fluorescent dCas9, or due to  the limited number of sgRNAs tested. A third explanation is that repeats  would typically be part of the heterochromatin and therefore poorly  accessible to dCas9 binding. This could also explain the toxicity when  targeting did work: maybe in this setting heterochromatin that was  supposed to be closed is opened up leading to toxicity.  Another explanation for the toxicity might be that while dCas9 did not bind  to DNA during mitosis, it may be interfering with genome replication during  interphase. Since more than 50 dCas9 proteins bind to the same genomic  region, cCas9 binding may be causing repeated replication fork stalling and  subsequent replication errors194. These replications errors may lead to DNA  damage or chromosome mis‐segregation over time.   To prevent this from occurring in our TRE‐based model, we used a binding  protein (tet repressor rtTA) that only binds to the tandem repeat when  doxycycline is present. This allows for much more precise control of how  long the fluorescent binding proteins are bound to the chromatin, and may  help prevent the genetic combination of rtTA & TRE from being toxic to  cells.   Goal of the aneuploid tracker mouse  While the AneuTracker mice cannot yet be used for in vivo aneuploidy  imaging, the mice do contain TRE integrations, and can be used to harvest  tissues, MEFs, or derive organoids. The resulting cells can be transduced in  vitro with tetR fluorescent constructs to visualize TRE copy number per cell  and monitor the aneuploidy of these chromosome(s) in live cells.   In future experiments, new genetically modified mice with tetR  fluorescence expression will be engineered. As only fluorescent dots are not  sufficient to count copy numbers in individual cells (as the cell boundaries  are not visible), we will combine the AneuTracker detection cassette with  H2B to label the chromatin and nucleus, and Tubulin to label the mitotic  spindle and cytoplasm. The key advantage of our new mouse model is that  chromosome numbers can be tracked over time, albeit form one individual  chromosome. For this purpose, it is essential to derive mouse strains with  the AneuTracker cassette integrated in a single chromosome. These mice  will be crossed to homozygosity so that two dots will represent a euploid  cell for the AneuTracker chromosome. In these mice aneuploidy can be  tracked over time in living mice in tissues of choice, both in healthy tissue as  well as tumors or other conditions. By making a collection of ES cell lines  with the AneuTracker integrated on individual chromosomes available to  the research community, one can chose his/her favorite chromosome to  track in vivo in the near future.    TRE integration into specific chromosomes via the PiggyBac transposon  Zygote targeting of the AneuTracker construct yielded seven TRE+ mice,  some with multiple TRE integrations (Figure 2B). These TRE integrations  may all be located in different locations in the genome, up to 24 separate  locations. To detect the exact integration site, splinkerette PCRs are  currently being performed to map the chromosome location of all the  integrated AneuTracker cassettes.   In addition to having several mice with different TRE integrations, the TRE  binding site is flanked by 5’and 3’ PiggyBac transposon sequences. Using  PiggyBac transposase the PiggyBac flanked sequence can be mobilized  throughout the genome in ES cells to generate new mice which have the  TRE integrated at additional loci. This PiggyBac transposase method can be  used to generate a host of mouse ES cell lines, with the TRE integrated into 

(13)

1

5

  Future directions and discussion  The aim of this study was to create a mouse model we call the AneuTracker,  which can be used to visualize aneuploidy in live cells and tissues. Such a  model would allow us to better quantify the extent of aneuploidy within  different tissues or tumors over time, and follow the fate of aneuploid cells  in vivo. Currently, in vivo aneuploidy measurements are largely endpoint  measurements44. Thus, creating the AneuTracker model would give us a  tool to better understand the extent and effects of aneuploidy within living  cells, tissues and tumors.   Fluorescent dCas9 localization  We were able to replicate previously published data showing fluorescent  dCas9 foci at telomeres in both human and mouse cells, and dCas9  targeting to chromosome 9 and 13 in human cells. However, we were not  able to create sgRNAs that led to dCas9 foci in mouse cells. This may be due  to the mouse repetitive sequence lengths being less consistent than human  repeats, indicating that a mouse’s strain may play a large role in whether or  not a repeat is long enough to be visualized via fluorescent dCas9, or due to  the limited number of sgRNAs tested. A third explanation is that repeats  would typically be part of the heterochromatin and therefore poorly  accessible to dCas9 binding. This could also explain the toxicity when  targeting did work: maybe in this setting heterochromatin that was  supposed to be closed is opened up leading to toxicity.  Another explanation for the toxicity might be that while dCas9 did not bind  to DNA during mitosis, it may be interfering with genome replication during  interphase. Since more than 50 dCas9 proteins bind to the same genomic  region, cCas9 binding may be causing repeated replication fork stalling and  subsequent replication errors194. These replications errors may lead to DNA  damage or chromosome mis‐segregation over time.   To prevent this from occurring in our TRE‐based model, we used a binding  protein (tet repressor rtTA) that only binds to the tandem repeat when  doxycycline is present. This allows for much more precise control of how  long the fluorescent binding proteins are bound to the chromatin, and may  help prevent the genetic combination of rtTA & TRE from being toxic to  cells.   Goal of the aneuploid tracker mouse  While the AneuTracker mice cannot yet be used for in vivo aneuploidy  imaging, the mice do contain TRE integrations, and can be used to harvest  tissues, MEFs, or derive organoids. The resulting cells can be transduced in  vitro with tetR fluorescent constructs to visualize TRE copy number per cell  and monitor the aneuploidy of these chromosome(s) in live cells.   In future experiments, new genetically modified mice with tetR  fluorescence expression will be engineered. As only fluorescent dots are not  sufficient to count copy numbers in individual cells (as the cell boundaries  are not visible), we will combine the AneuTracker detection cassette with  H2B to label the chromatin and nucleus, and Tubulin to label the mitotic  spindle and cytoplasm. The key advantage of our new mouse model is that  chromosome numbers can be tracked over time, albeit form one individual  chromosome. For this purpose, it is essential to derive mouse strains with  the AneuTracker cassette integrated in a single chromosome. These mice  will be crossed to homozygosity so that two dots will represent a euploid  cell for the AneuTracker chromosome. In these mice aneuploidy can be  tracked over time in living mice in tissues of choice, both in healthy tissue as  well as tumors or other conditions. By making a collection of ES cell lines  with the AneuTracker integrated on individual chromosomes available to  the research community, one can chose his/her favorite chromosome to  track in vivo in the near future.    TRE integration into specific chromosomes via the PiggyBac transposon  Zygote targeting of the AneuTracker construct yielded seven TRE+ mice,  some with multiple TRE integrations (Figure 2B). These TRE integrations  may all be located in different locations in the genome, up to 24 separate  locations. To detect the exact integration site, splinkerette PCRs are  currently being performed to map the chromosome location of all the  integrated AneuTracker cassettes.   In addition to having several mice with different TRE integrations, the TRE  binding site is flanked by 5’and 3’ PiggyBac transposon sequences. Using  PiggyBac transposase the PiggyBac flanked sequence can be mobilized  throughout the genome in ES cells to generate new mice which have the  TRE integrated at additional loci. This PiggyBac transposase method can be  used to generate a host of mouse ES cell lines, with the TRE integrated into 

(14)

any specific chromosome of interest, from which new mouse strains can be  derived, all part of currently ongoing work.   In conclusion, while the aneuploid tracker mouse model is not complete, it  will ultimately allow researchers to monitor copy numbers of a specific  chromosome, and track the fate of the aneuploid cells and tissues over time  to better understand the consequences of aneuploidy in vivo.     Material and Methods    Cell culture  RPE1 (ATCC), 3T3 NIH MEFs (ATCC), and NIH 3T3 MEFs with LacZ & TRE (a  kind gift from Tom Misteli) were grown in DMEM (Gibco, ThermoFisher  Scientific) with 10% FBS, and 1% Pen/Strep (Ref 15140122, Gibco, Thermo  Scientific), at 37°C with 5% CO2 and 18% O2. Primary MEFs were grown in  MEF media at 37°C, in 5% CO2 and 5%O2. MEF media was made from  DMEM, with 10% FBS, 1% Pen/Strep, 1% MEM NEAA (Cat. Num. 11140050)  (Gibco, ThermoFisher Scientific), and 0.1% 5.5x10^‐2 β‐Mercapto‐Ethanol  (Cat. Num. 21985023, Gibco, Thermo Scientific).    Imaging  Cells were imaged on a Delta Vision microscope (Applied Precision Ltd.) at  37°C, with oxygen and carbon dioxide conditions identical to culture  conditions. Cells were plated in glass bottom imaging dishes, and imaged  with a 60x Olympus (Olympus co.) objectives, with an oil with a refractive  index of 1.518. 10 to 15 z‐stacks at 0.5μM spacing were taken per picture,  and a maximum projection was made.   Methods for fluorescently labeling chromosomes  Two genetic elements can be used to fluorescently label a chromosome in a  live cell: a fluorescent DNA binding element, and a repetitive unique  binding site for the protein. We looked into two methods of chromosome  labeling, the first being a fluorescently labeled, endonuclear dead Cas9  (dCas9) with sgRNAs targeting the fluorescent dCas9 to repetitive  sequences within the genome36,37. The second technique use fluorescently  labeled rtTA (tetR) which localizes to the Tetracycline binding site, 96 of  which are successively located on the Tetracycline Repetitive Element (TRE).  We also briefly looked into using TALENs, however since they would have  the same genomic binding sites as dCas9 while being more labor intensive  to clone, we decided not to pursue this technique.    In order to visualize fluorescent foci, multiple fluorescent proteins need to  be localized to the same region, thus a long repetitive piece of DNA serving  as multiple protein binding sites needs to be present. The TRE contains 96  copies of the tetracycline binding site, making it a robust sequence which  has previously already been used to visualize chromosome loci when  combined with a fluorescent tetR protein193. Alternatively, genomic DNA  itself naturally contains repetitive regions, many of which are unique to the  chromosome region it’s located on195. These gDNA repetitive regions can be  targeted by a fluorescent dCas9 to fluorescently label these regions36,37.    sgRNA primer design  Small guide RNA (sgRNA) primers were designed based on repetitive  regions from the tandem repeat database. Initially primers were designed  based on tandem repeats with more than or equal to 23 base pair repeats,  with more than 50 repeats, more than 98% match rate between repeats,  and containing a “GG” sequence. Since NGG is the PAM site sequence for sp  dCas9, the 20bp 5’of the NGG sequence was used. The number of times the  exact 20bp sequence 5’ of the NGG site occurred in the repeat region was  recorded. This sequence was run through BLAST196 to check that it only  occurred as a repetitive region on only a single chromosome, and that it  occurred in two different genome sequences.   Several more sgRNAs were made using a similar protocol, but with less  stringent initial screening: 14bp sequences with a minimum of 30 repeats,  and 85% match rate between repeats. Repeat numbers and sequences used  to design sgRNAs are listed in Supplementary Table 1A and 1C for mice, and  1B for humans.   sgRNA primers were designed based on the 11 to 20bp regions 5’ of the  PAM site. ACCG was added 5’of Fw primers, and AAAC was added 5’ of  reverse primers. These primers were annealed and cloned into the pLH s.  pyogenes shRNA2 vector backbone digested with BbsI. sgRNA primer  sequences are listed in Supplementary Table 3.   PiggyBac Transposon 

(15)

1

5

any specific chromosome of interest, from which new mouse strains can be  derived, all part of currently ongoing work.   In conclusion, while the aneuploid tracker mouse model is not complete, it  will ultimately allow researchers to monitor copy numbers of a specific  chromosome, and track the fate of the aneuploid cells and tissues over time  to better understand the consequences of aneuploidy in vivo.     Material and Methods    Cell culture  RPE1 (ATCC), 3T3 NIH MEFs (ATCC), and NIH 3T3 MEFs with LacZ & TRE (a  kind gift from Tom Misteli) were grown in DMEM (Gibco, ThermoFisher  Scientific) with 10% FBS, and 1% Pen/Strep (Ref 15140122, Gibco, Thermo  Scientific), at 37°C with 5% CO2 and 18% O2. Primary MEFs were grown in  MEF media at 37°C, in 5% CO2 and 5%O2. MEF media was made from  DMEM, with 10% FBS, 1% Pen/Strep, 1% MEM NEAA (Cat. Num. 11140050)  (Gibco, ThermoFisher Scientific), and 0.1% 5.5x10^‐2 β‐Mercapto‐Ethanol  (Cat. Num. 21985023, Gibco, Thermo Scientific).    Imaging  Cells were imaged on a Delta Vision microscope (Applied Precision Ltd.) at  37°C, with oxygen and carbon dioxide conditions identical to culture  conditions. Cells were plated in glass bottom imaging dishes, and imaged  with a 60x Olympus (Olympus co.) objectives, with an oil with a refractive  index of 1.518. 10 to 15 z‐stacks at 0.5μM spacing were taken per picture,  and a maximum projection was made.   Methods for fluorescently labeling chromosomes  Two genetic elements can be used to fluorescently label a chromosome in a  live cell: a fluorescent DNA binding element, and a repetitive unique  binding site for the protein. We looked into two methods of chromosome  labeling, the first being a fluorescently labeled, endonuclear dead Cas9  (dCas9) with sgRNAs targeting the fluorescent dCas9 to repetitive  sequences within the genome36,37. The second technique use fluorescently  labeled rtTA (tetR) which localizes to the Tetracycline binding site, 96 of  which are successively located on the Tetracycline Repetitive Element (TRE).  We also briefly looked into using TALENs, however since they would have  the same genomic binding sites as dCas9 while being more labor intensive  to clone, we decided not to pursue this technique.    In order to visualize fluorescent foci, multiple fluorescent proteins need to  be localized to the same region, thus a long repetitive piece of DNA serving  as multiple protein binding sites needs to be present. The TRE contains 96  copies of the tetracycline binding site, making it a robust sequence which  has previously already been used to visualize chromosome loci when  combined with a fluorescent tetR protein193. Alternatively, genomic DNA  itself naturally contains repetitive regions, many of which are unique to the  chromosome region it’s located on195. These gDNA repetitive regions can be  targeted by a fluorescent dCas9 to fluorescently label these regions36,37.    sgRNA primer design  Small guide RNA (sgRNA) primers were designed based on repetitive  regions from the tandem repeat database. Initially primers were designed  based on tandem repeats with more than or equal to 23 base pair repeats,  with more than 50 repeats, more than 98% match rate between repeats,  and containing a “GG” sequence. Since NGG is the PAM site sequence for sp  dCas9, the 20bp 5’of the NGG sequence was used. The number of times the  exact 20bp sequence 5’ of the NGG site occurred in the repeat region was  recorded. This sequence was run through BLAST196 to check that it only  occurred as a repetitive region on only a single chromosome, and that it  occurred in two different genome sequences.   Several more sgRNAs were made using a similar protocol, but with less  stringent initial screening: 14bp sequences with a minimum of 30 repeats,  and 85% match rate between repeats. Repeat numbers and sequences used  to design sgRNAs are listed in Supplementary Table 1A and 1C for mice, and  1B for humans.   sgRNA primers were designed based on the 11 to 20bp regions 5’ of the  PAM site. ACCG was added 5’of Fw primers, and AAAC was added 5’ of  reverse primers. These primers were annealed and cloned into the pLH s.  pyogenes shRNA2 vector backbone digested with BbsI. sgRNA primer  sequences are listed in Supplementary Table 3.   PiggyBac Transposon 

(16)

The TRE genetic element integrated into the mouse genome was flanked by  5’ and 3’ PiggyBac transposon sequences (vector 617, see Supplementary  Table 2). Thus, the TRE is integrated in a PiggyBac transposon, and can be  activated via PiggyBac Transposase, which would flip the element out of the  genome, and integrate it randomly into another region of the genome  without leaving genetic scars197. Isolating single cell clones from  transposase‐treated cells, or genotyping offspring from transposase treated  mice would generate a library of cells or mouse lines with the TRE  integrated into different chromosomes. A splinkerette PCR will be used to  sequence the area of the genome that the TRE has integrated into.   DNA cloning  The list of vectors cloned for this chapter are listed in Supplementary Table  2, and the primers for the sgRNA vectors clones are listed in Supplementary  Table 3. Tet vectors, dCas9 vectors and sgRNA vectors were cloned using  standard cloning techniques: PCR with Phusion polymerase (M0530S, NEB),  digest with NEB digestion enzymes, ligation (T4 DNA ligase, NEB),  transformation, miniprep (GeneJET plasmid miniprep kit, K0502, Thermo  Scientific) and transduction (Turbofect transfection reagent, R0531, Thermo  Scientific). New vectors were sequenced with sanger sequencing (GATC,  Eurofins Genomics) before being used.   The vector with 96x repeats of TRE was a kind gift from David Spector.  Vectors containing the TRE repeat were cloning using the Gibson assembly  kit. The TRE repeat was never digested out or PCRed due to its highly  repetitive sequence. Therefore, 5’ genetic inserts and 3’ inserts were cloned  into the TRE vector sequentially. Since the TRE repeat cannot be PCRed or  sequenced, TRE repeat retention was checked by digesting DNA and  checking TRE DNA size. Vectors containing the TRE insert were never  successfully transduced into cells due to the length and repetitive nature of  the vector.   The p3526 TRE tandem vector was a kind gift from Spector lab. All other  vectors are available upon request.   Engineering a new mouse model  The genetically modified mice were created using the method described in  Ivics et al. (2014)198. A few modifications were made to the protocol.  Instead of our genetic insert containing the Sleeping Beauty transposon, it  contained the PiggyBac transposon, therefore PiggyBac transposase (not  Sleepying Beauty transposase) mRNA was injected along with the vector  into the pronucleus of mouse zygotes. These zygotes were cultured to the  2‐cell stage and implanted into pseudo‐pregnant foster mice.   Mouse lines and harvesting MEFs  All animal experiments were performed in accordance with Dutch law and  approved by the University of Groningen Medical Center Committees on  Animal Care.  Male mice with the aneuploidy tracker genotype were setup  in a timed mating with female C57/B6 mice. Pregnant females were  terminated on day 13.5 of their pregnancies. E13.5 embryos were  harvested, and embryonic sac, internal organs and the head were removed  in a laminar flow cabinet. Tissue was homogenized with a scalpel, then  digested with Trypsin for 15 minutes. Cells were resuspended in MEF  media. Resulting MEF cell lines were genotypes for inheritance of the  desired genotype and negative MEFs were discarded.   Genotyping  Aneuploidy tracker mice were genotyped with three primer pairs targeting  the 5’PiggyBac sequence, the 3’ Luciferase and PiggyBac sequence, and the  TRE sequence, with expected sizes of 332bp, 1160bp, and 400bp with a  smear, respectively:   5’PiggyBac primers:   Fw 5’ TATATAGACGTCTTAACCCTAGAAAGATAGTCTGC   Rv 5’ TATATACTCGAGTGATATCTATAACAAGAAAATATATATATAATAAG  3’Luciferse PiggyBac primers:   Fw 5’ AAAGTGAAAGTCGTCGAGAATTCGTCCACGAACACAACACCAC   Rv 5’ CCTGAAAATCTCGCCAAGCTTAACCCTAGAAAGATAATCATATTG   TRE primers:   Fw 5’ CCTGCCGCTTAACCCTAGAAAGATAGTCTGC  Rv 5’ TATATACACTTTTCTCTATCACTGATAGGGAGTGG    qPCR  Two primer pairs corresponding to the luciferase fragment in the PiggyBac‐ TRE vector were used to quantify the number of PiggyBac‐TRE integrations  in the genomic DNA of the aneuploidy tracker mice. Two Mad2 primer pairs 

(17)

1

5

The TRE genetic element integrated into the mouse genome was flanked by  5’ and 3’ PiggyBac transposon sequences (vector 617, see Supplementary  Table 2). Thus, the TRE is integrated in a PiggyBac transposon, and can be  activated via PiggyBac Transposase, which would flip the element out of the  genome, and integrate it randomly into another region of the genome  without leaving genetic scars197. Isolating single cell clones from  transposase‐treated cells, or genotyping offspring from transposase treated  mice would generate a library of cells or mouse lines with the TRE  integrated into different chromosomes. A splinkerette PCR will be used to  sequence the area of the genome that the TRE has integrated into.   DNA cloning  The list of vectors cloned for this chapter are listed in Supplementary Table  2, and the primers for the sgRNA vectors clones are listed in Supplementary  Table 3. Tet vectors, dCas9 vectors and sgRNA vectors were cloned using  standard cloning techniques: PCR with Phusion polymerase (M0530S, NEB),  digest with NEB digestion enzymes, ligation (T4 DNA ligase, NEB),  transformation, miniprep (GeneJET plasmid miniprep kit, K0502, Thermo  Scientific) and transduction (Turbofect transfection reagent, R0531, Thermo  Scientific). New vectors were sequenced with sanger sequencing (GATC,  Eurofins Genomics) before being used.   The vector with 96x repeats of TRE was a kind gift from David Spector.  Vectors containing the TRE repeat were cloning using the Gibson assembly  kit. The TRE repeat was never digested out or PCRed due to its highly  repetitive sequence. Therefore, 5’ genetic inserts and 3’ inserts were cloned  into the TRE vector sequentially. Since the TRE repeat cannot be PCRed or  sequenced, TRE repeat retention was checked by digesting DNA and  checking TRE DNA size. Vectors containing the TRE insert were never  successfully transduced into cells due to the length and repetitive nature of  the vector.   The p3526 TRE tandem vector was a kind gift from Spector lab. All other  vectors are available upon request.   Engineering a new mouse model  The genetically modified mice were created using the method described in  Ivics et al. (2014)198. A few modifications were made to the protocol.  Instead of our genetic insert containing the Sleeping Beauty transposon, it  contained the PiggyBac transposon, therefore PiggyBac transposase (not  Sleepying Beauty transposase) mRNA was injected along with the vector  into the pronucleus of mouse zygotes. These zygotes were cultured to the  2‐cell stage and implanted into pseudo‐pregnant foster mice.   Mouse lines and harvesting MEFs  All animal experiments were performed in accordance with Dutch law and  approved by the University of Groningen Medical Center Committees on  Animal Care.  Male mice with the aneuploidy tracker genotype were setup  in a timed mating with female C57/B6 mice. Pregnant females were  terminated on day 13.5 of their pregnancies. E13.5 embryos were  harvested, and embryonic sac, internal organs and the head were removed  in a laminar flow cabinet. Tissue was homogenized with a scalpel, then  digested with Trypsin for 15 minutes. Cells were resuspended in MEF  media. Resulting MEF cell lines were genotypes for inheritance of the  desired genotype and negative MEFs were discarded.   Genotyping  Aneuploidy tracker mice were genotyped with three primer pairs targeting  the 5’PiggyBac sequence, the 3’ Luciferase and PiggyBac sequence, and the  TRE sequence, with expected sizes of 332bp, 1160bp, and 400bp with a  smear, respectively:   5’PiggyBac primers:   Fw 5’ TATATAGACGTCTTAACCCTAGAAAGATAGTCTGC   Rv 5’ TATATACTCGAGTGATATCTATAACAAGAAAATATATATATAATAAG  3’Luciferse PiggyBac primers:   Fw 5’ AAAGTGAAAGTCGTCGAGAATTCGTCCACGAACACAACACCAC   Rv 5’ CCTGAAAATCTCGCCAAGCTTAACCCTAGAAAGATAATCATATTG   TRE primers:   Fw 5’ CCTGCCGCTTAACCCTAGAAAGATAGTCTGC  Rv 5’ TATATACACTTTTCTCTATCACTGATAGGGAGTGG    qPCR  Two primer pairs corresponding to the luciferase fragment in the PiggyBac‐ TRE vector were used to quantify the number of PiggyBac‐TRE integrations  in the genomic DNA of the aneuploidy tracker mice. Two Mad2 primer pairs 

(18)

were used at the genomic control for each mouse gDNA. Mice that were  TRE positive and mice that were negative were tested.  The average Cp for  three replicates for genomic DNA control qPCR was subtracted from each  luciferase fragment qPCR Cp to get the delta‐Cp per primer pair. Two to the  power of the delta Cp per mouse per primer pair were listed and set  relative to the mouse with the lowest expression level (mouse 10) to get  the copy number of TRE.    Luciferase primer pair 1:   FW 5’ CAGCTTCTTGGCGGTTGTA  Rv 5’ AAAACCATGACCGAGAAGGA  Luciferase primer pair 2:   FW 5’ CAGTGTCTTACCGGTGTCCA  Rv 5’ CGCAGTAGGCAAGGTGGT  Mad2 primer pair 1:   FW 5’ TTAGGGAGGGATTCGGAGTT  Rv 5’ CAGGCGTAATGAGCCCTAAG  Mad2 primer pair 2:   FW 5’ TAGTGATGGCACAGCAGCTC  Rv 5’ CGCTCAGCACTCACAGAAAA          Supple mentar Ta bl 1A : Lo ngest  re peats  per  chromosomes  found  in  T RD B  pe r m ou se  chromosome,  once  filtered  for  several   specific  re quir ements.  Listed  are  the  ch romoso me  n um be r,  the  pat tern  si ze  in  basepair s,  the  co py  nu mber  o f re peats,  a nd  per cen t  match  re peats  have  to  the  m ea n,  sg RN A  nu mber  made  fr om  the  se quen ce,  n um be r o f i de nti cal  repeats  foun d,  a nd  n um be r o f  repeats  fo und  in  two  alternat ive  genome  se quen ces,  a nd  th e  repeat  pattern .          Ch ro m oso m Patter n Size   Copy   Nu m be Match %   sgRNA   Go od   repeat BLCK6   BLAS mix   bl as Pattern   chr1   42   66   95     58   37   18   TCACCAGCTCT AAC ATCCATG GATTCCCCCAT CTG TCTGTAG   chr2   37   59   97     32   37   7  AGGGGACAG AGCTGGGGTGG GGTATAGACAGA AGTGT   chr3   31   87   99   3.2   66   66   12   GGTGATGAGAGAAGGGGTTGGTACAGTGGAT   chr4   37   326   96   4.1   227   148   10   CAGGCAGGCAAAAGTGC ATTACATC ATAC AG GA CA GC   chr5   42   117   94     61   46   27   CT CA GG GC AG CC TG TG CA CT GA CT GC AG AT AG T GAGTGAGGG   chr6   50   51   99   6.1   49   104   0  CTCATCCACTG ATCCTGCAGGTAGACTCC ATGGC TA TC CT GC TC TC TG TA   chr7   37   82   99   7.3   81   80   7  AA GG TG CA TG CT GG AA GC TC TG TA TA AG GA GCC TCGG   chr8   51   108   98     108   110   14   AGCAGCTTTCTGTAGGTGTAGACGCATGCGCAC CTCCTGCCAAT CAATC AA   chr9   34   154   97     110   122   19   CAGTCAGGAG CATCCTGTGCACAGTGGGAGGAG A   

Referenties

GERELATEERDE DOCUMENTEN

Chapter 2 discusses a possible role of aneuploidy in normal brain development and neurodegeneration, and reviews the studies investigating the presence or absence of aneuploid

While methods that can quantify aneuploidy rates in interphase cells can be used to circumvent this bias, most of these methods cannot detect aneuploidies at the single cell

In addition to these well-known roles of aneuploidy, chromosome copy number changes have also been reported in some studies to occur in neurons in healthy human brain and

Results: In the current study we used a novel single-cell whole genome sequencing (scWGS) approach to assess aneuploidy in isolated neurons from the frontal cortex of normal control

 Single-cell sequencing allows analysis of rare cell types such as circulating tumor cells  Single-cell sequencing may provide future applications in the diagnosis,

Liver metastasis also had the lowest AS among all tumour regions (0.85) (Figure 2D, Supplementary Figure S2D). Altogether, our single cell CNA analyses revealed a marked variation

The development of single-cell sequencing techniques has opened up a new field of research. By sequencing the genomes of individual cells, information on the genetic diversity in

4) The CIN tracker mouse model can be used to assess and better understand the rates and types of chromosome mis-segregation taking place in vivo within living cells in