KR102264829B1 - Reporter System for Assessing Cleavage Activity of CRISPR/Cas9 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유전자 가위(CRISPR/Cas9)의 절단 효율을 평가할 수 있는 새로운 리포터 시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로, 제1 프로모터(promoter) - 유전자 가위 표적 서열(target sequence) - Lac 리프레서(repressor) - 폴리(poly)A - 제2 프로모터(promoter) - Lac 오퍼레이터(operator) - 리포터(reporter) 유전자 - 폴리(poly)A 가 순차적으로 작동가능하게 연결되어 구성된 것을 특징으로 하는 유전자 가위의 절단 효율 평가용 리포터 구조물 및 이를 이용한 유전자 가위의 절단 효율 평가 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 종래 유전자 가위의 효율을 평가하기 위한 리포터 시스템들은 단백질 코딩 부분에서 프레임시프트(frameshift)에 의존하기 때문에 3n의 염기 삽입 또는 결손이 일어나는 경우에 대한 유전자 가위의 활성을 측정하기 어려운 반면에, 본 발명은 프레임시프트에 상관없이 유전자가위 효율을 평가할 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 본 발명의 리포터 시스템을 이용하여 간단하게 고효율의 sgRNA를 선별하고, 이를 이용하여 효율적으로 세포와 동물 모델에서 유전자 편집을 할 수 있다.
The present invention relates to a novel reporter system capable of evaluating the cleavage efficiency of gene scissors (CRISPR / Cas9), and more specifically, a first promoter - a gene scissors target sequence - Lac repressor - Poly (poly) A - Second promoter (promoter) - Lac operator (operator) - Reporter (reporter) gene - Poly (poly) A is operably linked in sequence Evaluation of cleavage efficiency of the gene scissors, characterized in that configured A reporter construct and a method for evaluating the cleavage efficiency of gene scissors using the same.
According to the present invention, since the reporter systems for evaluating the efficiency of conventional gene editing depend on a frameshift in the protein coding region, it is difficult to measure the activity of the gene scissors when a 3n base insertion or deletion occurs. Thus, the present invention has the advantage of being able to evaluate the gene scissoring efficiency regardless of the frame shift. Therefore, using the reporter system of the present invention, sgRNA with high efficiency can be simply selected, and gene editing can be efficiently performed in cells and animal models using this.

Description

유전자 가위의 절단 효율을 평가할 수 있는 리포터 시스템 {Reporter System for Assessing Cleavage Activity of CRISPR/Cas9}Reporter system for evaluating the cleavage efficiency of gene scissors {Reporter System for Assessing Cleavage Activity of CRISPR/Cas9}

본 발명은 유전자 가위(CRISPR/Cas9)의 절단 효율을 평가할 수 있는 새로운 리포터 시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로, 제1 프로모터(promoter) - 유전자 가위 표적 서열(target sequence) - Lac 리프레서(repressor) - 폴리(poly)A - 제2 프로모터(promoter) - Lac 오퍼레이터(operator) - 리포터(reporter) 유전자 - 폴리(poly)A 가 순차적으로 작동가능하게 연결되어 구성된 것을 특징으로 하는 유전자 가위의 절단 효율 평가용 리포터 구조물 및 이를 이용한 유전자 가위의 절단 효율 평가 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a novel reporter system capable of evaluating the cleavage efficiency of gene scissors (CRISPR / Cas9), and more specifically, a first promoter - a gene scissors target sequence - Lac repressor - Poly (poly) A - Second promoter (promoter) - Lac operator (operator) - Reporter (reporter) gene - Poly (poly) A is operably linked in sequence Evaluation of cleavage efficiency of the gene scissors, characterized in that configured It relates to a reporter construct and a method for evaluating cleavage efficiency of gene scissors using the same.

유전자 가위(CRISPR/Cas9)는 원핵세포의 후천적 면역체계에서 유래되어 유전자 교정에 많이 이용되고 있다. 유전자 가위(CRISPR/Cas9) 시스템은 Cas9 뉴클리아제 (endonuclease) 와 single guide RNA (sgRNA)로 구성된다. sgRNA는 표적서열을 인식할 수 있는 20개의 서열을 가지는 CRISPR RNA (crRNA)와 구조를 형성하는 trans-activating CRISPR RNA (tracrRNA)가 결합된 형태이다. Cas9이 sgRNA에 의해 유전체의 특정 부위의 염기서열과 결합하게 되고, 표적서열에 있는 5'-NGG- 3' protospacer adjacent motif (PAM) 앞의 -3 base pair (bp)을 절단하게 된다. 표적 DNA 절단된 부분은 비상동말단연결(non-homologous end joining, NHEJ) 이나 상동재조합(Homology directed repair, HDR) 과정을 거쳐 복구가 일어나게 된다. 비상동말단연결(NHEJ)의 DNA 복구과정에서 절단 부위 사이에 염기서열의 무작위적인 삽입 (insertion) 또는 결실(deletion)이 일어나게 되며, 이를 통해서 유전자의 단백질 코딩 부분에 frameshifts과 premature mutation이 발생하고, 결국 유전자 knock out이 유발된다. 상동재조합(HDR) DNA 복구는 DNA 복구하기 위하여 DNA 주형(template)이 필요하며, exogenous하게 플라스미드나 ssODN (single-strand DNA oligonucleotides)를 제공하게 되면 HDR 복구과정에서 특정 염기서열을 정확하게 치환할 수 있다. 이러한 특성으로 인해 CRISPR/Cas9 시스템은 새로운 유전자 교정방법으로 이용되고 있다. Genetic scissors (CRISPR/Cas9) are derived from the acquired immune system of prokaryotic cells and are widely used for gene editing. The CRISPR/Cas9 system consists of a Cas9 endonuclease and a single guide RNA (sgRNA). sgRNA is a form in which CRISPR RNA (crRNA) having 20 sequences capable of recognizing a target sequence and trans-activating CRISPR RNA (tracrRNA) forming a structure are combined. Cas9 binds to a nucleotide sequence in a specific region of the genome by sgRNA and cleaves the -3 base pair (bp) in front of the 5'-NGG-3' protospacer adjacent motif (PAM) in the target sequence. The cut portion of the target DNA is repaired through non-homologous end joining (NHEJ) or homology directed repair (HDR) processes. In the process of DNA repair of non-homologous end joining (NHEJ), random insertion or deletion of nucleotide sequences occurs between cleavage sites, resulting in frameshifts and premature mutations in the protein coding portion of the gene. Eventually, gene knockout is induced. Homologous recombination (HDR) DNA repair requires a DNA template to repair DNA, and if plasmids or ssODN (single-strand DNA oligonucleotides) are provided exogenously, specific nucleotide sequences can be accurately substituted in the HDR repair process. . Due to these characteristics, the CRISPR/Cas9 system is being used as a new gene editing method.

CRISPR/Cas9 시스템을 이용한 유전자 교정 효율을 향상시키기 위해서는 표적 유전자 특이적이고 효율이 높은 20 bp의 guide 서열을 가지는 sgRNA를 선택하는 것이 중요하다―-―1. sgRNA를 선별하고 활성을 측정하기 위해 많은 연구가 보고 되었다. 예를 들어 in silico 이용 하는 방법---2-5, PCR6, Indel Detection by Amplicon Aanalysis (IDAA)7, surveyor assay8, T7E18, 차세대 염기서열 분석법 (next generation sequencing, NGS) 등의 다양한 방법이 있다. In silico sgRNA 디자인 기술은 많이 향상 되었지만, 세포내 환경의 복잡성 때문에 실험적인 검증이 필요하며, sanger sequencing, 차세대 염기서열 분석법 (next generation sequencing, NGS), heteroduplex의 mismatch 서열을 절단하는 surveyor nuclease assay와 T7E1 assay는 PCR의 특이성이나 polymorphism에 영향을 받을 수 있다. CRISPR/Cas9에 의한 표적 유전자의 유전변이 정도를 측정하고자 다양한 surrogate reporter system이 개발되었다. 유전자 가위에 의한 단백질 코딩 부분에서 frameshift 유전변이 발생률을 EGFP 또는 항생제 저항성 유전자의 발현정도를 측정하여 sgRNA의 활성을 측정하는 방법이 주로 사용되었다-9-13. 하지만 이러한 시스템들은 단백질 코딩 부분에서 frameshift에 의존하기 때문에 3n의 염기 삽입 또는 결손이 일어나는 경우에 대한 sgRNA의 활성을 측정하기 힘들다. 또 다른 surrogate reporter system은 CMV promoter에 의해 발현 EGFP 유전자가 유전자 가위에 의해 절단된 유전체의 유전자에 삽입 되었을 때 삽입된 유전자의 poly A를 이용하여 EGFP의 발현 정도를 FACS로 측정하여 guide RNA의 효율을 확인하였다9.In order to improve the gene editing efficiency using the CRISPR/Cas9 system, it is important to select a target gene-specific and highly efficient sgRNA with a 20 bp guide sequence--- 1 . Many studies have been reported to select sgRNA and measure its activity. For example, in silico method--- 2-5 , PCR 6 , Indel Detection by Amplicon Aanalysis (IDAA) 7 , surveyor assay 8 , T7E1 8 , various methods such as next generation sequencing (NGS) There is this. Although the in silico sgRNA design technology has improved a lot, experimental verification is required due to the complexity of the intracellular environment, sanger sequencing, next generation sequencing (NGS), surveyor nuclease assay that cuts heteroduplex mismatch sequences, and T7E1 Assays can be affected by PCR specificity or polymorphism. Various surrogate reporter systems have been developed to measure the degree of genetic variation of target genes by CRISPR/Cas9. The method of measuring the activity of sgRNA by measuring the expression level of EGFP or antibiotic resistance genes was mainly used to determine the incidence of frameshift genetic mutations in the protein coding region by gene scissors- 9-13 . However, since these systems depend on a frameshift in the protein coding region, it is difficult to measure the activity of sgRNA when 3n base insertion or deletion occurs. Another surrogate reporter system, when the EGFP gene expressed by the CMV promoter is inserted into the gene of the genome cut by gene scissors, measures the expression level of EGFP using poly A of the inserted gene by FACS to measure the efficiency of guide RNA. Confirmed 9 .

이에, 본 발명자들은 상기 종래기술들의 문제점들을 극복하기 위하여 예의 연구노력한 결과, 2개의 프로모터와 lac repressor를 이용한 리포터 발현 조절 시스템을 이용하는 경우 단백질 코딩 부분의 frameshift에 의존하지 않고 유전자 가위의 효율을 측정할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.Therefore, the present inventors have made intensive research efforts to overcome the problems of the prior art. As a result, when using a reporter expression control system using two promoters and a lac repressor, the efficiency of gene scissors can be measured without depending on the frameshift of the protein coding region. It was confirmed that it is possible, and the present invention was completed.

KR 1013804100000 BKR 1013804100000 B KR 1016575040000 BKR 1016575040000 B US2019032092 (A1)US2019032092 (A1)

따라서, 본 발명의 주된 목적은 단백질 코딩 부분의 frameshift에 의존하지 않고 유전자 가위의 효율을 평가할 수 있는 새로운 리포터 시스템을 제공하는 데 있다.Therefore, the main object of the present invention is to provide a novel reporter system that can evaluate the efficiency of gene editing without depending on the frameshift of the protein coding region.

본 발명의 다른 목적은 상기 리포터 시스템을 이용한 유전자 가위의 효율 평가 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for evaluating the efficiency of gene scissors using the reporter system.

본 명세서에서, "유전자 가위(CRISPR/Cas9)"란 Cas9 뉴클리아제 (endonuclease) 와 single guide RNA (sgRNA)로 구성된 표적 서열 절단 시스템을 의미한다. "리포터 유전자(reporter gene)"는 일상적인 분석에서 쉽게 측정되는 단백질 산물을 생산하는 임의의 서열을 의미한다. "리포터 구조체(reporter construct)"는 특정 조건에서 리포터 유전자가 기능하도록 설계된 다수의 염기서열 구성요소들이 연결되어 이루어진 핵산 구조체를 의미한다. As used herein, "gene scissors (CRISPR/Cas9)" refers to a target sequence cleavage system composed of a Cas9 endonuclease and a single guide RNA (sgRNA). "Reporter gene" means any sequence that produces a protein product that is readily measured in routine assays. "Reporter construct" refers to a nucleic acid construct in which a plurality of nucleotide sequence elements designed to function as a reporter gene under specific conditions are linked.

본 명세서에서, "작동 가능하게 연결된"은 2개 이상의 성분(서열 요소)들의 병치가 허용되고, 각 성분들은 그 기능이 정상적이고, 이때 성분들이 성분들 중 하나에서 발휘되는 기능을 성분 중 최소 하나가 조절할 가능성을 허용하는 상태로 배열되는 것을 의미한다 As used herein, "operably linked" permits the juxtaposition of two or more components (sequence elements), each component having a normal function, wherein the component exhibits a function exerted in one of the components at least one of the components. means that they are arranged in a state that allows the possibility of adjustment

본 발명의 한 양태에 따르면, 본 발명은 유전자가위(CRISPR/Cas9)의 절단 효율을 평가할 수 있는 리포터 구조물로서, 제1 프로모터(promoter) - 유전자 가위 표적 서열(target sequence) - Lac 리프레서(repressor) - 폴리(poly)A - 제2 프로모터(promoter) - Lac 오퍼레이터(operator) - 리포터(reporter) 유전자 - 폴리(poly)A 가 순차적으로 작동가능하게 연결되어 구성된 것을 특징으로 하는 유전자 가위의 절단 효율 평가용 리포터 구조물을 제공한다.According to one aspect of the present invention, the present invention is a reporter construct capable of evaluating the cleavage efficiency of gene scissors (CRISPR/Cas9), a first promoter - a gene scissors target sequence - Lac repressor ) - poly (poly) A - second promoter (promoter) - Lac operator (operator) - reporter (reporter) gene - poly (poly) A cleavage efficiency of the gene scissors, characterized in that the operably linked in sequence A reporter construct for evaluation is provided.

본 발명에서는, 2개를 프로모터를 이용하여 제1 프로모터 뒤에는 유전자 가위 표적 서열(target sequence) 및 Lac 리프레서(repressor)를 위치시키고 제2 프로모터 뒤에는 Lac 오퍼레이터(operator) 및 리포터(reporter) 유전자를 위치시킴으로써 유전자 가위의 절단이 리포터 유전자 발현을 조절하는 단백질(LacI)의 발현을 조절하여 유전자 가위의 활성을 측정할 수 있도록 하였다.In the present invention, two promoters are used to position the gene scissors target sequence and Lac repressor after the first promoter, and Lac operator and reporter genes are located after the second promoter. By doing this, the cleavage of the gene scissors regulates the expression of a protein ( LacI ) that regulates reporter gene expression so that the activity of the gene scissors can be measured.

본 발명에 있어서, 상기 제1 프로모터와 제2 프로모터는 세포에서 항시적(constitutive)으로 발현할 수 있는 어떤 프로모터도 가능하나, 바람직하게는 상기 제1 프로모터는 EF1 알파 프로모터이고 제2 프로모터는 CMV 프로모터인 것을 특징으로 하는 유전자 가위의 절단 효율 평가용 리포터 구조물을 제공한다.In the present invention, the first promoter and the second promoter may be any promoter that can be constitutively expressed in a cell. Preferably, the first promoter is the EF1 alpha promoter and the second promoter is the CMV promoter. It provides a reporter structure for evaluating the cleavage efficiency of the gene scissors, characterized in that.

본 발명에 있어서, 상기 유전자 가위 표적 서열은 유전자 가위(CRISPR/Cas9) 시스템이 인식할 수 있는 서열, 구체적으로 Cas9와 복합체를 형성하는 sgRNA가 특이적으로 인식할 수 있는 서열을 가지는 것을 특징으로 하는 유전자 가위의 절단 효율 평가용 리포터 구조물을 제공한다.In the present invention, the gene scissors target sequence has a sequence that can be recognized by a gene scissors (CRISPR/Cas9) system, specifically, a sequence that can be specifically recognized by sgRNA forming a complex with Cas9 A reporter construct for evaluating the cleavage efficiency of gene scissors is provided.

본 발명에 있어서, 상기 리포터 유전자는 형광 또는 발광 단백질을 발현하는 어떤 리포터 유전자도 가능하나, 바람직하게는 루시퍼라제(luciferase) 또는 EGFP (Enhanced Green Fluorescence Protein)를 발현하는 유전자인 것을 특징으로 하는 유전자 가위의 절단 효율 평가용 리포터 구조물을 제공한다.In the present invention, the reporter gene may be any reporter gene expressing a fluorescent or luminescent protein, but preferably a gene expressing luciferase or EGFP (Enhanced Green Fluorescence Protein). It provides a reporter construct for evaluating the cleavage efficiency of

본 발명에 있어서, 상기 리포터 구조물은 바람직하게는 도 1의 개열지도를 갖는 것을 특징으로 하는 유전자 가위의 절단 효율 평가용 리포터 구조물을 제공한다. 상기 도 1의 개열지도에서 Luciferase는 리포터(reporter) 유전자의 예시에 불과하다.In the present invention, the reporter construct preferably provides a reporter construct for evaluating cleavage efficiency of gene scissors, characterized in that it has the cleavage map of FIG. 1 . In the cleavage map of FIG. 1, Luciferase is only an example of a reporter gene.

본 발명에 있어서, 상기 리포터 유전자가 EGFP 일 경우 EGFP의 백그라운드(Background) 발현을 줄이기 위해 EGFP 뒤에 FKBP 서열을 집어 넣은 것을 특징으로 하는 유전자 가위의 절단 효율 평가용 리포터 구조물을 제공한다. 상기와 같이 FKBP 서열을 집어 넣음으로써 EGFP-FKBP을 발현시켜 EGFP 분해가 촉진된다. 상기 리포터 구조물의 개열지도는 도 5a에 도시되었다.In the present invention, when the reporter gene is EGFP, there is provided a reporter structure for evaluating cleavage efficiency of gene scissors, characterized in that the FKBP sequence is inserted after EGFP in order to reduce the background expression of EGFP. By inserting the FKBP sequence as described above, EGFP-FKBP is expressed to promote EGFP degradation. A cleavage map of the reporter construct is shown in Fig. 5a.

본 발명에 있어서, 표적의 순서 배열에 따른 유전자 가위의 활성 변화를 없애기 위하여 LacI 앞에 비특이적인 20 염기쌍의 M13 염기서열을 삽입한 것을 특징으로 하는 유전자 가위의 절단 효율 평가용 리포터 구조물을 제공한다. 상기 리포터 구조물의 개열지도는 도 4d에 도시되었다.In the present invention, there is provided a reporter structure for evaluating cleavage efficiency of gene scissors, characterized in that a non-specific M13 nucleotide sequence of 20 base pairs is inserted before LacI in order to eliminate changes in the activity of the gene scissors according to the sequence arrangement of the target. A cleavage map of the reporter construct is shown in Fig. 4d.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 유전자 가위의 절단 효율 평가용 리포터 구조물을 포함하는 재조합 벡터를 제공한다.According to another aspect of the present invention, the present invention provides a recombinant vector comprising a reporter construct for evaluating the cleavage efficiency of the gene scissors according to the present invention.

본 발명에 있어서, 상기 재조합 벡터는 바람직하게는 기탁번호 KCTC14041BP (EF1a-LacI-oo-CMV-LUC) 또는 기탁번호 KCTC14042BP (EF1a-LacI-oo-CMV-GFP)로 기탁되어 있는 것을 특징으로 하는 재조합 벡터를 제공한다. 상기 재조합 벡터들은 2019.11.21. 일자로 한국생명공학연구원 생물자원센터(KCTC: Korean Collection for Type Cultures)에 기탁되었다.In the present invention, the recombinant vector is preferably deposited under Accession No. KCTC14041BP (EF1a-LacI-oo-CMV-LUC) or Accession No. KCTC14042BP (EF1a-LacI-oo-CMV-GFP). provides a vector. The recombinant vectors were released on 2019.11.21. It was deposited at the Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology Biological Resources Center (KCTC: Korean Collection for Type Cultures) on the same date.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 재조합 벡터를 포함하는 숙주 세포를 제공한다.According to another aspect of the present invention, the present invention provides a host cell comprising the recombinant vector according to the present invention.

본 발명에 있어서, 상기 세포는 상기 재조합 벡터가 발현될 수 있는 어떤 세포(원핵세포 또는 진핵세포)도 가능하나, 바람직하게는 효모, 동물 세포, 인간 세포 등을 포함하는 진핵 세포인 것을 특징으로 하는 숙주 세포를 제공한다.In the present invention, the cell may be any cell (prokaryotic cell or eukaryotic cell) capable of expressing the recombinant vector, but is preferably a eukaryotic cell including yeast, animal cell, human cell, etc. host cells are provided.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 숙주 세포 내로 sgRNA의 전사와 Cas9의 단백질발현이 함께 일어날 수 있는 벡터를 도입하는 단계; sgRNA의 전사와 Cas9의 단백질이 발현되는 조건하에서 세포를 인큐베이션하는 단계; 및 세포에서 리포터 유전자 발현 수준을 측정하는 단계를 포함하며, 이때 리포터 유전자 발현의 증가된 수준은 표적 서열의 증가된 유전자가위-유도된 절단과 상호 관련되는 것을 특징으로 하는, 유전자 가위의 절단 효율의 평가 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, the present invention comprises the steps of introducing a vector capable of both transcription of sgRNA and protein expression of Cas9 into the host cell according to the present invention; incubating the cells under conditions in which sgRNA transcription and Cas9 protein are expressed; and measuring the level of reporter gene expression in the cell, wherein the increased level of reporter gene expression correlates with increased scissor-induced cleavage of the target sequence. It provides an evaluation method.

본 발명에 있어서, 바람직하게는 상기 리포터 유전자 발현 수준을 측정함으로써 고효율의 sgRNA를 선별하는 것을 특징으로 하는 유전자 가위의 절단 효율의 평가 방법을 제공한다.In the present invention, preferably by measuring the expression level of the reporter gene, there is provided a method for evaluating the cleavage efficiency of a gene scissors, characterized in that high-efficiency sgRNA is selected.

본 발명에 있어서, 바람직하게는 헬릭스-턴-헬릭스 모티프(Helix-turn-Helix motif)가 제거된 기능이 없는(non-functional) LacI를 생산하는 리포터 구조물을 대조군으로 사용하는 것을 특징으로 하는 유전자 가위의 절단 효율의 평가 방법을 제공한다.In the present invention, preferably a helix-turn-helix motif (Helix-turn-Helix motif) is removed (non-functional) a reporter construct that produces LacI is a gene scissors characterized in that it is used as a control. A method for evaluating the cutting efficiency of

본 발명에 있어서, 바람직하게는 표적 서열의 길이에 따라서 리포터 자체 백그라운드(background)가 증가되는 문제점을 극복하기 위하여 sgRNA의 효율을 유전자 가위로 절단하지 않은 대조군에 대한 상대적인 값으로 측정하여 평가하는 것을 특징으로 하는 유전자 가위의 절단 효율의 평가 방법을 제공한다.In the present invention, preferably, in order to overcome the problem of increasing the background of the reporter according to the length of the target sequence, the efficiency of sgRNA is measured and evaluated as a relative value to the control that is not cut with gene scissors. To provide a method for evaluating the cleavage efficiency of gene scissors.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

유전자 가위 (CRISPR/Cas9)는 sgRNA (single guide RNA)의 특이성에 따라서 유전체의 특정 부분인식하고 절단한다. 유전자 가위에 의한 유전자 편집 효율은sgRNA에 따라 다르며, 유전자 가위의 효율성을 확인하기 위해서 PCR, T7E1 assay, Surveyor nuclease assay, 차세대 염기서열 분석법 (next generation sequencing, NGS), surrogate reporter system을 포함한 다양한 방법이 있다. 본 발명에서는 간단하고 정확하게 많은 수의 sgRNA의 효율을 측정할 수 있는 유전자 가위 효율 측정 리포터 기술을 개발하였다. 리포터 시스템은 EF1α promoter에 의해 lac repressor (LacI) 단백질이 발현하고, CMV promoter의 뒤에 위치하고 있는 lac operator(LacO)에 결합하여 luciferase 또는 EGFP 리포터 발현을 억제한다. 유전자 가위가 EF1α promoter와 lacI 유전자 사이에 존재하는 sgRNA의 표적서열을 유전자 가위가 절단하면lac repressor의 발현이 억제되고, 리포터가 발현하게 된다. 유전자 가위의 절단에 의해 발현된 리포터의 활성을 측정함으로써 유전자 가위에 의한 DNA 절단 효율을 측정할 수 있다. 본 발명의 리포터 시스템은 기존의 유전자 가위 측정 효율 방법과 비교하여 간단하고 정확하게 유전자 가위의 활성을 측정할 수 있고, 이를 이용하여 유전자 가위를 유전자 편집에 활용할 수 있다. Genetic scissors (CRISPR/Cas9) recognize and cut a specific part of the genome according to the specificity of sgRNA (single guide RNA). The efficiency of gene editing by gene editing varies depending on sgRNA, and to check the efficiency of gene editing, various methods including PCR, T7E1 assay, Surveyor nuclease assay, next generation sequencing (NGS), and surrogate reporter system are used. have. In the present invention, a reporter technology for measuring the efficiency of gene scissors that can measure the efficiency of a large number of sgRNAs simply and accurately has been developed. The reporter system suppresses luciferase or EGFP reporter expression by binding to the lac repressor (LacI) protein by the EF1α promoter and binding to the lac operator (LacO) located behind the CMV promoter. When the gene scissors cut the sgRNA target sequence that exists between the EF1α promoter and the lacI gene, the expression of the lac repressor is suppressed and the reporter is expressed. The efficiency of DNA cleavage by the gene scissors can be measured by measuring the activity of the reporter expressed by the gene scissors cutting. The reporter system of the present invention can measure the activity of the gene scissors simply and accurately compared to the existing method of measuring the gene scissors efficiency, and using this, the gene scissors can be utilized for gene editing.

본 발명은 단백질 코딩 부분의 frameshift에 의존하지 않고 lac repressor를 이용한 리포터 발현 조절 시스템을 이용하였다.14,15 LacI는 EF1 α promoter에 의해 lac repressor 단백질이 발현되게 되고 이 단백질이 luciferase또는 EGFP앞에 존재하는 lac operator (LacO)에 결합함으로서 luciferase 또는 EGFP 리포터의 발현을 억제하게 된다. 하지만 본 발명에서는 EF1 α 프로모터와 LacI 사이에 삽입된 CRISPR-Cas9의 표적서열이 CRISPR-Cas9에 의해 절단되게 되면 EF1 α promoter에 의한 LacI가 발현하지 않고, luciferase 또는 EGFP가 발현하도록 하였다. 이러한 원리로 luciferase활성 또는 EGFP 리포터의 발현양을 측정함으로서 표적서열이 CRISPR-Cas9에 의해 잘리는 효율을 측정할 수 있다.The present invention used a reporter expression control system using a lac repressor without depending on the frameshift of the protein coding region. 14,15 LacI causes the expression of the lac repressor protein by the EF1 α promoter, and this protein binds to the lac operator (LacO) in front of luciferase or EGFP, thereby suppressing the expression of luciferase or EGFP reporter. However, in the present invention, when the target sequence of CRISPR-Cas9 inserted between the EF1 α promoter and LacI is cut by CRISPR-Cas9, LacI by the EF1 α promoter is not expressed, but luciferase or EGFP is expressed. In this way, by measuring the luciferase activity or the expression level of the EGFP reporter, the efficiency of cleavage of the target sequence by CRISPR-Cas9 can be measured.

본 발명에서 발명한 리포터는 표적 유전자에 효율이 다른 sgRNA를 디자인하여 효율을 측정하였고, 리포터에 의해 측정된 유전자 가위의 효율을 다른 실험방법들의 결과와 비교하였을 때 유사한 결과를 확인할 수 있었다. 따라서, 본 발명에서 발명한 리포터를 이용하여 간단하게 고효율의 sgRNA를 선별하고, 이를 이용하여 효율적으로 세포와 동물 모델에서 유전자 편집을 할 수 있을 것으로 생각된다. The reporter invented in the present invention measured the efficiency by designing sgRNA with different efficiencies for the target gene, and similar results were confirmed when the efficiency of the gene scissors measured by the reporter was compared with the results of other experimental methods. Therefore, it is considered that a highly efficient sgRNA can be simply selected using the reporter of the present invention, and gene editing can be efficiently performed in cells and animal models using this.

본 발명에 있어서, 유전자 가위의 효율성을 측정하기 위하여, LacI를 이용한 유전자 발현을 조절하는 기술을 이용하였다. 유전자 가위의 효율을 측정하는 리포터 플라스미드는 EF1 alpha promoter에 의해 LacI 유전자가 발현하게 되고, 이는 lac repressor 단백질을 생산하게 된다. lac repressor는 CMV promoter의 뒤에 위치하고 있는 Lac operator에 결합하여 luciferase 발현을 억제한다. 유전자 가위에 의해서 EF1 alpha promoter와 Lac I 유전자 사이에 있는 sgRNA 표적 염기서열이 절단되게 되면, lac repressor 단백질 발현은 억제되고, luciferase 발현은 활성화 된다. 유전자 가위의 절단 효율을 LacI- luciferase 리포터 활성을 측정하여 평가할수 있다 (도 1A).In the present invention, in order to measure the efficiency of gene editing , a technique for regulating gene expression using LacI was used. In the reporter plasmid measuring the efficiency of gene editing, the LacI gene is expressed by the EF1 alpha promoter, which produces the lac repressor protein. The lac repressor inhibits luciferase expression by binding to the Lac operator located behind the CMV promoter. When the sgRNA target sequence located between the EF1 alpha promoter and Lac I gene is cut by gene scissors, lac repressor protein expression is suppressed and luciferase expression is activated. The cleavage efficiency of the gene scissors can be evaluated by measuring the LacI -luciferase reporter activity (Fig. 1A).

lac repressor의 발현에 의해 luciferase의 발현이 조절되는 지를 확인하기 위하여 non-functional lacI를 제작하였다. Lac operator에 결합에 필요한 lac repressor의 Helix-turn-Helix (HTH), DNA binding domain을제거하여 non-functional LacI (NF-LacI) 을 발현하는 대조군 리포터를 생산하였다 (도 1B). lac repressor가 기능할 수 없을 때, luciferase의 활성은 100 배 정도 증가하는 것을 확인하였고, LacI의 발현에 정도에 따라서 luciferase의 발현이 조절되는 것을 알수 있었다 (도 1C). To check whether the expression of luciferase is regulated by the expression of lac repressor, non-functional lacI was prepared. Helix-turn-Helix (HTH) of the lac repressor required for binding to the Lac operator, and a control reporter expressing non-functional LacI (NF- LacI ) were produced by removing the DNA binding domain (FIG. 1B). When the lac repressor did not function, it was confirmed that the activity of luciferase increased by about 100 times, and it was found that the expression of luciferase was regulated according to the degree of LacI expression (FIG. 1C).

유전자 가위의 sgRNA 디자인에 관한 많은 보고가 있는데, 그 중에 3가지 보고된 연구에 기초하여 --3,5,16, PTEN유전자에 대한 다양한 범위의 효율을 가지는 guide RNA를 디자인 하고 본 발명에서 개발된 LacI- luciferase 리포터를 이용하여 유전자 가위의 효율을 측정하였다 (도1D). 12개의 sgRNA중에서 효율이 다른6개의 sgRNA를 선별하여 리포터의 발현이 유전자 가위에 의해 일어나는지 확인하고자 유전자 가위의 농도 (0~ 1800 ng)를 다르게 하였을 때, 유전자 가위의 농도에 따라 리포터 발현이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. (도1E)There are many reports on the design of sgRNA of gene scissors, among which, based on three reported studies, a guide RNA having a wide range of efficiencies for 3,5,16 , PTEN gene was designed and developed in the present invention. The efficiency of gene editing was measured using a LacI-luciferase reporter (Figure 1D). Among the 12 sgRNAs, when 6 sgRNAs with different efficiencies were selected and the concentration of the gene scissors (0 to 1800 ng) was changed to check whether the expression of the reporter occurs by the gene scissors, the reporter expression increases according to the concentration of the gene scissors. could confirm that (Figure 1E)

본 발명에서 유전자 가위 리포터의 효율 측정값이 다른 실험방법으로 측정한 결과와와 유사한지 확인하고자 PTEN 유전자에서 12개의 sgRNA를 디자인하였다. (도2A). 이중에서 6개의 sgRNA에 대하여 surveyor 분석을 수행하였다. (도 2B). 리포터와 surveyor 분석의 결과의 상관관계는 R=0.9702로 높았고(도 2C), 12개의 sgRNA에 대한 유전변이를 차세대 염기서열 분석법으로 분석하여 상관관계를 보았을 때 R=0.7529로 높았다. 다른 유전자에 대해서도 유사한 결과가 나오는지 확인하기 위하여 TP53유전자에서 12개의 sgRNA를 디자인하고 유전자 가위 리포터와 차세대 염기 서열 방법으로 유전자 가위의 효율을 측정한 결과의 상관관계는 R=0.8626로 높았다. In the present invention, 12 sgRNAs were designed in the PTEN gene to check whether the efficiency measurement value of the gene scissors reporter is similar to the result measured by other experimental methods. (Figure 2A). Among them, surveyor analysis was performed on 6 sgRNAs. (Fig. 2B). The correlation between the results of the reporter and surveyor analysis was high at R=0.9702 ( FIG. 2C ), and when the correlation was analyzed by analyzing the genetic variation for 12 sgRNAs by the next-generation sequencing method, the correlation was high at R=0.7529. In order to check whether similar results are obtained for other genes, 12 sgRNAs were designed from the TP53 gene and the correlation between the results of measuring the efficiency of gene editing using the scissors reporter and next-generation sequencing method was high, R=0.8626.

염색체가 히스톤에 의해 응축이 되어있으면 표적DNA가닥에 sgRNA와 Cas 뉴클리아제 복합체의 접근이 억제되어 표적의 절단 효율에 영향을 끼친다는 보고가 있다.20 히스톤에 의한 염색체의 응축된 정도는 DNA 분해효소의 민감성으로 측정할 수 있다. 염색체의 응축 정도를 DNase hypersensitivity로 측정하여 peak값이 0이면 heterochromatin, 1이면 euchromatin. Cpf1논문에서 사용한 DNase hypersensitivity peak값에 따라 분류한 시퀀스들 중 NGG PAM을 가지는 cas9 표적 시퀀스 20개를 무작위로 선별하였다-18. 본 발명에서는 DNA 분해효소의 민감성에 따라 heterochromatin(응축), euchromatin(풀림)으로 각각 10개씩 분류하여 무작위로 고른 총 20개의 표적서열을 한꺼번에 리포터에 클로닝한 다음, 각 표적에 대한 sgRNA의 효율을 리포터상에서와 실제 유전체상에서 측정하여 비교한 결과, 20개 표적에 대한 상관관계는 R=0.6143 이었지만 (도 3A) 이를 heterochromatin과 euchromatin 그룹으로 나누어 상관관계를 분석하였을 때는 각각 R=0.3622, R=0.8539로 차이가 났다 (도3B 와 도 3C). 이를 통해 유전체 내에서 CRISPR-Cas 시스템이 작동할 때 표적의 서열의 특성뿐만 아니라 절단 효율에 영향을 끼치는 요소가 존재한다는 것을 확인할 수 있었고, 본 리포터 시스템에서는 서열에 따른 sgRNA의 효율은 정확하게 측정해주지만 다른 유전적인 요소에 대한 영향은 대변해주지 못한다는 것을 알 수 있었다There is a report that if the chromosome is condensed by histone, the access of the sgRNA and Cas nuclease complex to the target DNA strand is inhibited, thereby affecting the cleavage efficiency of the target. 20 The degree of condensing of chromosomes by histones can be measured by the sensitivity of DNA degrading enzymes. The degree of chromosomal condensation is measured by DNase hypersensitivity. If the peak value is 0, it is heterochromatin, if it is 1, it is euchromatin. Among the sequences classified according to the DNase hypersensitivity peak value used in the Cpf1 paper, 20 cas9 target sequences with NGG PAM were randomly selected- 18 . In the present invention, a total of 20 target sequences randomly selected by classifying 10 each into heterochromatin (condensed) and euchromatin (unwrapped) according to the sensitivity of DNA degrading enzymes are cloned into a reporter at once, and then the efficiency of sgRNA for each target is measured as a reporter As a result of measuring and comparing the on-phase and actual genomes, the correlation for the 20 targets was R=0.6143 (FIG. 3A), but when the correlation was analyzed by dividing it into heterochromatin and euchromatin groups, the differences were R=0.3622 and R=0.8539, respectively. has occurred (Fig. 3B and Fig. 3C). Through this, it was confirmed that factors that affect the cleavage efficiency as well as the characteristics of the target sequence exist when the CRISPR-Cas system operates in the genome. In this reporter system, the efficiency of sgRNA according to the sequence is accurately measured, but It was found that the influence on other genetic factors was not representative.

본 리포터 시스템의 성능을 확인하기 위해 PTEN 유전자를 표적으로 하여 리포터 상에서 선별한 가장 높은 효율을 가지는 PTEN Doench_4 sgRNA를 이용하여 리포터에서 lac repressor의 발현에 영향을 줄 것이라고 예상되는 두가지 요인; 표적의 갯수, 표적의 위치에 따른 염기서열의 변화를 유발하여 리포터 활성을 측정해 보았다(도4A, 도 4D). 먼저 표적의 갯수에 따른 리포터의 성능을 확인한 결과, sgRNA 없이 리포터와 Cas9만 존재할 때 표적 수가 증가할수록 luciferase의 발현이 증가하였다 (도4B). 이는 표적의 수가 많아질수록 EF1α 프로모터와 LacI 사이의 거리가 멀어짐에 따라 LacI의 발현양이 달라져서 luciferase의 발현에 영향을 미치는 것이라 추정된다. 하지만, Doench_4 sgRNA의 효율을 유전자 가위로 절단하지 않은 control에 대한 상대적인 값으로 보정하였을 때는 표적의 갯수 따른 리포터 활성을 차이를 배제할 수 있었다(도4C). 따라서 표적의 개수에 따른 리포터 효율의차이는 없었다. 또한 같은 갯수의 표적을 가지지만 표적들의 배열이 다를 때 리포터의 활성이 변하는지 확인하였다 (도 4D). transcription이나 translation에 영향을 줄수 있는 표적 서열이 마지막에 위치하는 것을 방지하고자 LacI 바로 앞에 20 base pair의 공통적인 서열(M13 forward)을 집어넣었다. 먼저 표적의 위치 배열에 따른 리포터의 성능을 확인한 결과, sgRNA 없이 리포터와 Cas9만 존재할 때 변화가 없었고 (도4E), 배열에 상관없이 유전자 가위의 절단 효율을 측정할 수 있었다(도4F). 이러한 결과들을 바탕으로 본 리포터 시스템은 표적의 길이와 배열순서에 상관없이 정확한 효율을 측정해준다는 것을 알 수 있었다.To confirm the performance of this reporter system , using PTEN Doench_4 sgRNA with the highest efficiency selected on the reporter targeting the PTEN gene, two factors expected to affect the expression of the lac repressor in the reporter; The reporter activity was measured by inducing a change in the nucleotide sequence according to the number of targets and the position of the target (FIG. 4A, FIG. 4D). First, as a result of confirming the reporter performance according to the number of targets, the expression of luciferase increased as the number of targets increased when only the reporter and Cas9 were present without sgRNA (Fig. 4B). It is presumed that as the number of targets increases, the expression level of LacI changes as the distance between the EF1α promoter and LacI increases, thereby affecting the expression of luciferase. However, when the efficiency of Doench_4 sgRNA was corrected with a value relative to the control that was not cut with gene scissors, a difference in reporter activity according to the number of targets could be excluded (Fig. 4C). Therefore, there was no difference in reporter efficiency according to the number of targets. In addition, it was confirmed whether the activity of the reporter was changed when the target had the same number of targets but the arrangement of the targets was different (FIG. 4D). In order to prevent the target sequence that can affect transcription or translation from being positioned at the end, a common sequence of 20 base pairs (M13 forward) was inserted just before LacI. First, as a result of checking the performance of the reporter according to the positional arrangement of the target, there was no change when only the reporter and Cas9 were present without sgRNA (Fig. 4E), and the cleavage efficiency of the gene scissors could be measured regardless of the arrangement (Fig. 4F). Based on these results, it was found that this reporter system accurately measures the efficiency regardless of the target length and alignment order.

본 발명에서는 luciferase를 측정하는 방법뿐 아니라 EGFP의 발현을 통해서도 역시 sgRNA의 효율을 측정할 수 있는 리포터 시스템을 개발하고자 하였다 (도 5A). LacI- EGFP 리포터 시스템은 유전자 가위없이 리포터 단독에서 EGFP의 background 발현이 너무 강하였으며, EGFP뒤에 FKBP derived destabilizing domain을 추가하여 빨리 EGFP를 분해 되도록하여 EGFP background 제거할 수 있었다21. non-functional LacI (NF-LacI) 을 발현하는 리포터에서 EGFP의 발현은 30배 정도 증가하는 것을 확인하였다 (도 5B). 6개의 sgRNA의 효율을 리포터에서 측정하여 유전자 가위의 효율에 따라서 EGFP의 발현이 조절되는 것을 알수 있었다(도 5C). luciferase리포터와 LacI- EGFP 리포터를 이용하여 측정한 sgRNA 효율을 비교하였을 때 상관관계는 R=0.9218이었다(도 5D). 이를 통해 LacI-EGFP 리포터를 이용하여서도 LacI- luciferase 리포터와 같이 정확하게 sgRNA의 효율을 측정할수 있다는 것을 확인하였다. In the present invention, it was attempted to develop a reporter system capable of measuring the efficiency of sgRNA not only through a method of measuring luciferase but also through the expression of EGFP (FIG. 5A). In the LacI -EGFP reporter system, the background expression of EGFP was too strong in the reporter alone without gene editing, and the FKBP-derived destabilizing domain was added after EGFP to rapidly degrade EGFP, so that the EGFP background could be removed 21 . In the reporter expressing non-functional LacI (NF- LacI ), it was confirmed that the expression of EGFP was increased by about 30-fold (FIG. 5B). By measuring the efficiency of six sgRNAs in the reporter, it was found that the expression of EGFP was regulated according to the efficiency of gene scissors (FIG. 5C). When comparing the sgRNA efficiency measured using the luciferase reporter and the LacI -EGFP reporter, the correlation was R=0.9218 ( FIG. 5D ). Through this, it was confirmed that the efficiency of sgRNA can be measured exactly like the LacI -luciferase reporter even using the LacI-EGFP reporter.

Nutlin은 MDM2 억제제로서 TP53이 정상적으로 발현을 하는 세포는 Nutlin에 의해 모두 사멸하게 되고, TP53이 발현하지 못하는 세포에서는 Nutlin에 대한 반응이 없이 계속 생존하게 된다. 본 발명에서 개발한 리포터시스템에서 선별된 sgRNA가 세포내에서 유전자의 편집 연구에 적용가능한지를 확인하기 위해 TP53 유전자에 대해 sgRNA의 효율을 실제 인간 간 오가노이드에서 적용하였다. 리포터에서 측정한 총 12개의 sgRNA들 중 효율이 다른 6개의 sgRNA를 선별하여 인간 간 오가노이드에 전달한 후 Nutlin 40μM을 처리하였다(도6 A). 이를 ATP assay를 통해 Nutlin처리 후 인간 간 오가노이드의 생존율을 측정한 결과 리포터 상에서 측정한 sgRNA들의 효율에 따라 생존율의 차이를 보이는것을 알 수 있었다(도 6B, 도6C). 이러한 결과는 본 발명에서 개발된 리포터를 이용하여 효율성이 우수한 gRNA를 선별할 수 있고, 이를 세포내에서 유전자 편집에 활용할 수 있을것이라는 의미한다.Nutlin is an MDM2 inhibitor, and cells that normally express TP53 are all killed by Nutlin, and cells that do not express TP53 continue to survive without responding to Nutlin. In order to confirm whether the sgRNA selected in the reporter system developed in the present invention is applicable to the study of gene editing in cells, the efficiency of sgRNA for the TP53 gene was applied to actual human liver organoids. Among the total of 12 sgRNAs measured by the reporter, 6 sgRNAs with different efficiencies were selected and delivered to human liver organoids, followed by treatment with 40 μM Nutlin (Fig. 6A). As a result of measuring the survival rate of human liver organoids after Nutlin treatment through ATP assay, it was found that there was a difference in the survival rate according to the efficiency of the sgRNAs measured on the reporter (Fig. 6B, Fig. 6C). These results mean that gRNAs with excellent efficiency can be selected using the reporter developed in the present invention, and this will be utilized for gene editing in cells.

본 발명에 따르면, 종래 유전자 가위의 효율을 평가하기 위한 리포터 시스템들은 단백질 코딩 부분에서 프레임시프트(frameshift)에 의존하기 때문에 3n의 염기 삽입 또는 결손이 일어나는 경우에 대한 유전자 가위의 활성을 측정하기 어려운 반면에, 본 발명은 프레임시프트에 상관없이 유전자가위 효율을 평가할 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 본 발명의 리포터 시스템을 이용하여 간단하게 고효율의 sgRNA를 선별하고, 이를 이용하여 효율적으로 세포와 동물 모델에서 유전자 편집을 할 수 있다.According to the present invention, since the reporter systems for evaluating the efficiency of conventional gene editing depend on a frameshift in the protein coding region, it is difficult to measure the activity of the gene scissors when a 3n base insertion or deletion occurs. Thus, the present invention has the advantage of being able to evaluate the gene scissoring efficiency regardless of the frame shift. Therefore, using the reporter system of the present invention, it is possible to simply select highly efficient sgRNA and use it to efficiently perform gene editing in cells and animal models.

본 발명에 따라 제작된 리포터 시스템은 유전자 가위의 효율성을 확인하기 위해서 사용되고 있는 surveyor assay, next generation sequencing, surrogate reporter system 등의 기술을 대체하여 간단하면서도 정확하게 유전자 가위의 효율을 할 수 있다. 또한 여러 개의 guide RNA를 한꺼번에 테스트하여 효율이 높은 순으로 선별하고, 이를 세포 및 동물에서 유전자 발현 조절에 활용 할 수 있을 것으로 기대된다. The reporter system manufactured according to the present invention can perform the efficiency of gene editing simply and accurately by replacing techniques such as surveyor assay, next generation sequencing, and surrogate reporter system used to check the efficiency of gene editing. In addition, it is expected that multiple guide RNAs can be tested at once and selected in the order of highest efficiency, which can be used to regulate gene expression in cells and animals.

도1. LacI-luciferase 리포터의 작동원리 및 LacI-luciferase 리포터의 성능 확인
(A) LacI-luciferase 리포터 모식도. EF1α프로모터와 LacI서열 사이에 표적서열들을 삽입하면 CRISPR가 존재하지 않을 때는 EF1α프로모터에 의해 LacI 유전자가 발현하여 뒤에 존재하는 luciferase의 발현을 억제한다. CRISPR에 의해 표적서열부분에 절단이 일어나게 되면 LacI의 발현이 억제되고 luciferase가 발현되게 된다. pA: polyadenylation sequence, oo: double lac operator, CMV: cytomegalovirus
(B) Non-functional LacI 제작. LacI에 의한 리포터의 luciferase의 발현을 확인하기 위해 DNA binding domain인 Helix-turn-Helix (HTH) domain을 제거한 non-functional LacI (NF LacI)를 제작
(C) 293T 세포주에 Non-functional LacI-luciferase 리포터를 단독으로 전달한 다음 48시간 뒤 리포터의 luciferase 발현을 측정. 실험은 세번 반복하였다.( ***p<0.001.)
(D) 리포터를 이용하여 Human PTEN 유전자에 대한 12개의 sgRNA들의 효율을 측정. Doench, GeGKO, Low 그룹에서 각각 4개씩 선별한 human PTEN sgRNA의 12개의 표적서열을 리포터에 클로닝한 후 293T 세포주에서 각각의 sgRNA에 대한 리포터의 luciferase의 값을 측정함. Renilla에 대비 relative luciferase activity를 계산하여 리포터 단독으로의 relative luciferase 값에 대한 폴드값으로 치환하여 y axis에 나타냄. 실험은 세번 반복하였다.
(E) CRISPR의 농도에 따른 각 sgRNA들 간의 luciferase 값의 차이 변화. (D)의 결과 6개의 sgRNA를 선별하였고, CRISPR농도가 증가할수록 sgRNA들 간의 리포터상의 luciferase 값의 차이가 증가하였다. 2.5 x 105 cells 당 sgRNA의 농도는 X axis에 나타내었다.
도2. sgRNA들의 효율을 LacI-luciferase리포터를 이용하여 측정
(A) Human PTEN locus에서 선별한 12개의 sgRNA. (빨간 화살표는 Doench 그룹, 파란 화살표는 GeCKO 그룹, 검은 화살표는 Low 그룹에 속하는 sgRNA들의 위치와 방향을 나타낸다). 대표적인 차세대 염기서열 분석 데이터를 sgRNA의한 표적부위의 indels을 표현하였다.
(B) PTEN 유전자에서 6개의 sgRNA에 대한 대표적인 Surveyor assay결과. 그림1-(D)의 결과로 선별한 6개의 sgRNA들을 293T 세포주에 각각 전달한 다음 48시간 뒤 surveyor assay를 이용하여 유전변이를 분석하였다.
(C) Surveyor assay와 LacI-luciferase리포터에서 측정한 sgRNA 효율의 상관관계. 도1-(D)에서 LacI-luciferase 리포터로 측정한 human PTEN 유전자에 대한 6개의 sgRNA들의 효율을 surveyor assay방법으로 유전변이율을 측정하고 두실험 방법 사이의 상관관계를 비교하였다.
(D) LacI-luciferase리포터와 차세대 염기서열 분석법에 의한 sgRNA 효율의 상관관계. Human PTEN 유전자에 대한 12개의 sgRNA들의 리포터 활성과 NGS로 분석한 indels 발생비율을 분석하여 두 방법의 상관관계를 R 값으로 나타내었다.
(E) Human TP53 locus에서 선별한 12개의 sgRNA. 빨간 화살표는 Doench 그룹, 파란 화살표는 GeCKO 그룹, 검은 화살표는 Low 그룹에 속하는 sgRNA들의 위치와 방향을 나타낸다. 대표적인 차세대 염기서열 분석 데이터를 sgRNA의한 표적부위의 indel을 표현하였다.
(F) LacI-luciferase리포터와 차세대 염기서열 분석법에 의한 sgRNA 효율의 상관관계. Human TP53 유전자에 대한 12개의 sgRNA들의 리포터 활성과 NGS로 분석한 indels 발생비율을 분석하여 두 방법의 상관관계를 R 값으로 나타내었다.
도3. LacI-luciferase 리포터를 이용하여DNase hypersensitivity가 다른 부분을 표적하는 sgRNA의 효율 측정
(A) Euchromatin과 heterochromatin에 존재하는 각각 10개의 총 20개의 다른 부분을 표적하는sgRNA에 대한 LacI-luciferase리포터 측정값과 NGS로 분석한 indels ratio의 상관관계를 분석. 빨간 점은 euchromatin, 파란 점은 heterochromatin.
(B) Euchromatin를 표적하는 10개의 sgRNA에 대한 LacI-luciferase리포터 측정값과 NGS로 분석한 indels ratio의 상관관계를 분석.
(C) Heterochromatin를 표적하는10개의 sgRNA에 대한 LacI-luciferase리포터 측정값과 NGS로 분석한 indels ratio의 상관관계
도4. 표적의 길이와 배열 위치에 따른 LacI-luciferase리포터의 측정 효율
(A) EF1α 프로모터와 LacI 사이의 표적서열의 개수에 대한 모식도. Human PTEN 유전자에 대한 sgRNA들 중 리포터 상에서 가장 높은 효율을 나타낸 sgRNA 표적서열을 단독으로 넣었을 때(1개), 다른 표적서열들과 함께 넣었을 때(6개, 12개) 를 디자인하였다.
(B) 293T 세포주에서 리포터 단독에서 relative luciferase activity 를 측정한 결과 표적수가 증가할 수록 luciferase 발현이 증가하였다. ***p<0.001 모든 실험은 세번 반복하였다.
(C) 293T 세포주에서 표적길이가 서로 다른 리포터에서 리포터 단독일때에 대해서 sgRNA 있어서 유전자 가위가 리포터를 절단하였을때의 luciferase activity를 폴드값으로 계산하여 y axis에 나타냄. 표적 길이는 X axis에 나타냄. 표적 길이가 달라도 리포터상에서의 sgRNA의 효율은 비슷한 수치를 나타내었다. 모든 실험은 세번 반복하였다. (ns:not significant)
(D) EF1α 프로모터와 LacI 사이의 표적의 배열 위치에 대한 모식도. Human PTEN 유전자에 대한 sgRNA들 중 리포터 상에서 가장 높은 효율을 나타낸 sgRNA를 첫번째, 중간, 마지막에 배열했을 때를 디자인 하였다. 서열의 변화에 따른 LacI의 발현에 영향을 주지 않기 위해 LacI 앞에 비특이적인 20base pair의 M13 서열을 추가하였다.
(E) 293T 세포주에서 리포터 단독에서 relative luciferase activity 를 측정한 결과 표적의 배열 위치가 리포터의 luciferase 발현에 영향을 미치지 않는다. (ns:not significant, n=3)
(F) 293T 세포주에서 표적의 배열 위치가 다른 리포터에서의 리포터 단독일때에 대해서 sgRNA 있어서 유전자 가위가 리포터를 절단하였을때의 luciferase activity를 폴드값으로 계산하여 y axis에 나타냄. 표적의 위치는 X axis에 나타냄. 표적의 배열 위치가 달라도 리포터상에서의 sgRNA의 효율은 비슷한 수치를 나타내었다. 모든 실험은 세번 반복하였다.(ns: not significant, n=3)
도5. LacI-EGFP 리포터를 제작하여 성능을 확인
(A) LacI-EGFP 리포터의 모식도. 작동원리는 LacI-luciferase 리포터와 유사하며, 리포터의 EGFP Background 발현을 없애기 위해 degradation 될 수 있도록 EGFP뒤에 FKBP 서열을 집어 넣음.
(B) LacI에 의해 EGFP 발현이 조절되는지 확인하기 위해 NF LacI-EGFP 리포터를 제작하여 FACS 분석을 통해 EGFP발현을 MEAN 값을 측정하여 확인 (***p<0.001, n=3).
(C) Human PTEN 유전자에 대한 LacI-luciferase 리포터를 통해 선별한 6개의 sgRNA들의 효율을 EGFP 발현을 통해 측정함.
(D) LacI-Luciferase 리포터와 LacI-EGFP 리포터에서 sgRNA 효율 측정값의 상관관계 분석
도6. 리포터 상에서 측정한 Human TP53 유전자에 대한 sgRNA의 효율을 in vivo에서 검증
(A) 리포터에서 선별한 6개의 human TP53 sgRNA 들을 human liver organoid에 각각 전달한 다음 mdm2 inhibitor인 nutlin을 처리하여 TP53이 정상발현했을 때(control)를 대비하여 각 sgRNA들에서의 생존율을 비교하였다.
(B) (A)의 liver organoid를 ATP assay를 통해 cell viability를 측정하였다.
(C) 6개 sgRNA들의 리포터 상에서 측정한 효율과 ATP assay를 통해 측정한 cell viability 사이의 상관관계 분석.
Figure 1. LacI verify the performance of the works, and LacI -luciferase Reporter Reporter -luciferase
(A) Schematic diagram of the LacI-luciferase reporter. When the target sequences are inserted between the EF1α promoter and the LacI sequence, the LacI gene is expressed by the EF1α promoter when CRISPR is not present, thereby suppressing the expression of the luciferase present thereafter. When the target sequence is cleaved by CRISPR, LacI expression is suppressed and luciferase is expressed. pA: polyadenylation sequence, oo: double lac operator, CMV: cytomegalovirus
(B) Non-functional LacI fabrication. To confirm the expression of the reporter luciferase by LacI , a non-functional LacI (NF LacI ) in which the Helix-turn-Helix (HTH) domain, which is a DNA binding domain, was removed was prepared.
(C) Non-functional LacI -luciferase reporter alone was delivered to the 293T cell line, and then the luciferase expression of the reporter was measured 48 hours later. The experiment was repeated three times. ( ***p<0.001.)
(D) Measuring the efficiency of 12 sgRNAs for the human PTEN gene using a reporter. After cloning 12 target sequences of human PTEN sgRNA selected 4 each from the Doench, GeGKO, and Low groups into the reporter, the reporter luciferase value was measured for each sgRNA in the 293T cell line. Relative luciferase activity compared to Renilla was calculated, replaced with a fold value for the relative luciferase value of the reporter alone, and displayed on the y-axis. The experiment was repeated three times.
(E) Changes in luciferase values between sgRNAs according to the concentration of CRISPR. As a result of (D), six sgRNAs were selected, and as the CRISPR concentration increased, the difference in the luciferase value on the reporter between the sgRNAs increased. The concentration of sgRNA per 2.5 x 10 5 cells is shown on the X axis.
Figure 2. Efficiency of sgRNAs was measured using LacI-luciferase reporter
(A) Twelve sgRNAs selected from the Human PTEN locus. (The red arrow indicates the position and direction of the sgRNAs belonging to the Doench group, the blue arrow is the GeCKO group, and the black arrow is the Low group). Representative next-generation sequencing data was expressed as indels of the target site by sgRNA.
(B) Representative Surveyor assay results for 6 sgRNAs in the PTEN gene. Six sgRNAs selected as a result of Figure 1-(D) were delivered to each 293T cell line, and then, 48 hours later, genetic variation was analyzed using surveyor assay.
(C) Correlation of sgRNA efficiency measured by Surveyor assay and LacI-luciferase reporter. In Figure 1-(D), the efficiency of six sgRNAs for the human PTEN gene measured by the LacI- luciferase reporter was measured by a surveyor assay method, and the correlation between the two experimental methods was compared.
(D) Correlation between LacI- luciferase reporter and sgRNA efficiency by next-generation sequencing. By analyzing the reporter activity of 12 sgRNAs for the human PTEN gene and the indels occurrence rate analyzed by NGS, the correlation between the two methods was expressed as R value.
(E) Twelve sgRNAs selected from the Human TP53 locus. The red arrow indicates the position and direction of the sgRNAs belonging to the Doench group, the blue arrow to the GeCKO group, and the black arrow to the Low group. In the representative next-generation sequencing data, the indel of the target site by sgRNA was expressed.
(F) Correlation between LacI- luciferase reporter and sgRNA efficiency by next-generation sequencing method. By analyzing the reporter activity of 12 sgRNAs for the human TP53 gene and the indels generation rate analyzed by NGS, the correlation between the two methods was expressed as R value.
Figure 3. Measuring the efficiency of sgRNA targeting regions with different DNase hypersensitivity using a LacI-luciferase reporter
(A) Analysis of the correlation between LacI- luciferase reporter measurements and NGS-analyzed indels ratio for sgRNAs targeting a total of 20 different regions, each of which is present in euchromatin and heterochromatin. Red dots are euchromatin, blue dots are heterochromatin.
(B) Analysis of the correlation between LacI- luciferase reporter measurements and indels ratio analyzed by NGS for 10 sgRNAs targeting euchromatin.
(C) Correlation of indels ratio analyzed by NGS and LacI-luciferase reporter measurements for 10 sgRNAs targeting heterochromatin
Figure 4. Measurement efficiency of LacI- luciferase reporter according to target length and alignment position
(A) Schematic diagram of the number of target sequences between the EF1α promoter and LacI. Among the sgRNAs for the human PTEN gene, when the sgRNA target sequence showing the highest efficiency on the reporter was added alone (1) and when inserted with other target sequences (6, 12) were designed.
(B) As a result of measuring the relative luciferase activity of the reporter alone in the 293T cell line, the luciferase expression increased as the number of targets increased. ***p<0.001 All experiments were repeated three times.
(C) In the 293T cell line, the luciferase activity when the reporter cleaved the reporter in the presence of sgRNA was calculated as a fold value for reporters with different target lengths and the reporter was displayed on the y-axis. The target length is indicated on the X axis. Although the target length was different, the efficiency of sgRNA on the reporter was similar. All experiments were repeated three times. (ns:not significant)
(D) Schematic diagram of the alignment position of the target between the EF1α promoter and LacI. Among the sgRNAs for the human PTEN gene, the sgRNA showing the highest efficiency on the reporter was designed when the first, middle, and last sgRNAs were arranged. In order not to affect the expression of LacI according to the sequence change, a non-specific 20base pair of M13 sequence was added before LacI.
(E) As a result of measuring the relative luciferase activity of the reporter alone in the 293T cell line, the alignment position of the target does not affect the expression of the reporter luciferase. (ns:not significant, n=3)
(F) In the 293T cell line, the luciferase activity when the reporter cleaved the reporter in the presence of sgRNA was calculated as a fold value for the reporter alone in the reporter with a different target alignment position, and it is shown on the y axis. The position of the target is indicated on the X axis. Even if the target alignment position was different, the efficiency of sgRNA on the reporter was similar. All experiments were repeated three times (ns: not significant, n=3).
Figure 5. Verify performance by constructing a LacI-EGFP reporter
(A) Schematic diagram of the LacI-EGFP reporter. The principle of operation is similar to that of the LacI- luciferase reporter, and the FKBP sequence is inserted after EGFP so that it can be degraded to eliminate the EGFP background expression of the reporter.
(B) To confirm that EGFP expression is regulated by LacI , NF LacI- EGFP reporter was constructed and EGFP expression was confirmed by measuring MEAN values through FACS analysis (***p<0.001, n=3).
(C) Efficiency of six sgRNAs selected through a LacI- luciferase reporter for the human PTEN gene was measured through EGFP expression.
(D) Correlation analysis of sgRNA efficiency measurements in LacI- Luciferase reporter and LacI-EGFP reporter
Figure 6. In vivo verification of the efficiency of sgRNA for the human TP53 gene measured on the reporter
(A) Each of the six human TP53 sgRNAs selected from the reporter was delivered to the human liver organoid, and then treated with nutlin, an mdm2 inhibitor, to compare the viability of each sgRNA compared to the normal expression of TP53 (control).
(B) The liver organoid of (A) was measured for cell viability through ATP assay.
(C) Correlation analysis between the efficiency measured on the reporter of 6 sgRNAs and cell viability measured through ATP assay.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for illustrating the present invention, and therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited by these examples.

실시예 1: 유전자 가위의 효율을 평가할 수 있는 리포터 플라스미드 제작Example 1: Construction of a reporter plasmid capable of evaluating the efficiency of gene editing

LacI- luciferase 리포터 플라스미드 (EF1α -mutiple target sites-lacI-polyA-CMV-lac O-luciferase-polyA)는 Van Andel Research Institute에 있는 Dr. Peter W. Laird 로부터 제공받은 CMV-lacO-Luciferase 와 EF1α-LacI플라스미드를 이용하여 제작하였다15. EF1α-multiple target sites (EcoRI, BlpI)-LacI-poly A는 EF1α-multiple target sites, LacI그리고 poly A를 PCR 증폭 한 후 In-Fusion HD cloning을 이용하여 CMV-lacO-Luciferase의 NotI 절단 부위에 삽입되었다. 상기 제작된 LacI- luciferase 리포터 플라스미드 (EF1α -mutiple target sites-lacI-polyA-CMV-lac O-luciferase-polyA)는 한국생명공학연구원 생물자원센터(Korean Collection for Type Cultures)에 기탁번호 KCTC14041BP (EF1a-LacI-oo-CMV-LUC)로 기탁되었다. LacI -luciferase Reporter plasmid (EF1α -mutiple target sites- lacI -polyA- CMV- lac O -luciferase-polyA) is in Dr. Van Andel Research Institute It was constructed using CMV-lacO- Luciferase and EF1α- LacI plasmids provided by Peter W. Laird 15 . EF1α-multiple target sites (EcoRI, BlpI) - LacI -poly A was EF1α-multiple target sites, LacI, and then the poly A PCR amplification using the In-Fusion cloning HD inserted into the NotI cleavage site of the CMV- lacO -Luciferase became LacI -luciferase prepared above The reporter plasmid (EF1α -mutiple target sites- lacI -polyA-CMV- lac O -luciferase-polyA) was deposited with the Korean Collection for Type Cultures with accession number KCTC14041BP (EF1a-LacI-oo-CMV-). LUC).

LacI- EGFP 리포터 플라스미드는 (EF1α -mutiple target sites-LacI-polyA-CMV-lacO-EGFP-FKBP-polyA) 는 LacI- luciferase 리포터 플라스미드를 HindШ/XbaI으로 절단하여 luciferase를 제거하고 PCR증폭된 EGFP를 삽입하여 제작하였다. LacI의 DNA binding domain인 HTH (helix-turn-helix) 부분을 제거한 Non-functional LacI (NF-LacI)를 PCR 증폭한 후에 luciferase 또는 LacI- EGFP 리포터에 BlpI/NheI으로 절단하여 삽입하였다. EGFP의 background발현을 억제하기 위해 스스로 분해되는 FKBP12 derived destabilizing domain (FKBP)서열을 PCR 증폭한 후에 BsrgI과 PacI 부위에 삽입하여 EGFP-FKBP fusion 단백질을 발현하는 리포터를 제작하였다. 상기 제작된 LacI- EGFP 리포터 플라스미드 (EF1α -mutiple target sites-LacI-polyA-CMV-lacO-EGFP-FKBP-polyA)는 한국생명공학연구원 생물자원센터(Korean Collection for Type Cultures)에 기탁번호 KCTC14042BP (EF1a-LacI-oo-CMV-GFP)로 기탁되었다. LacI - EGFP reporter plasmid (EF1α -mutiple target sites- LacI -polyA- CMV- lacO -EGFP-FKBP-polyA) is LacI - removing by cutting a luciferase reporter plasmid with luciferase HindШ / XbaI, and inserted into the PCR-amplified EGFP was produced. After PCR amplification of non-functional LacI (NF- LacI ) in which the HTH (helix-turn-helix) portion, which is the DNA binding domain of LacI , was removed, luciferase or LacI -EGFP reporter was cut and inserted with BlpI/NheI. To suppress the background expression of EGFP, the self-degrading FKBP12 derived destabilizing domain (FKBP) sequence was PCR amplified and then inserted into the BsrgI and PacI sites to prepare a reporter expressing the EGFP-FKBP fusion protein. The production cost LacI - EGFP reporter plasmid (EF1α -mutiple target sites- LacI -polyA- CMV- lacO -EGFP-FKBP-polyA) is deposited on the Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology Biological Resource Center (Korean Collection for Type Cultures) Number KCTC14042BP (EF1a -LacI-oo-CMV-GFP).

표 1에서 본 발명의 리포터 제작에 사용된 프라이머를 명시하였다. In Table 1, the primers used to construct the reporter of the present invention are specified.

이름name 방향direction 서열order EF1a-multiple target sitesEF1a-multiple target sites ForwardForward 서열번호 1SEQ ID NO: 1 EF1a-multiple target sitesEF1a-multiple target sites ReverseReverse 서열번호 2 SEQ ID NO: 2 LacIGYLacIGY ForwardForward 서열번호 3SEQ ID NO: 3 LacIGYLacIGY ReverseReverse 서열번호 4SEQ ID NO: 4 poly Apoly A ForwardForward 서열번호 5SEQ ID NO: 5 poly Apoly A ReverseReverse 서열번호 6SEQ ID NO: 6 LacIGY GFPLacIGY GFP ForwardForward 서열번호 7SEQ ID NO: 7 LacIGY GFPLacIGY GFP ReverseReverse 서열번호 8SEQ ID NO: 8 NF LacIGYNF LacIGY ForwardForward 서열번호 9SEQ ID NO: 9 NF LacIGYNF LacIGY ReverseReverse 서열번호 10SEQ ID NO: 10

실시예 2: sgRNA 디자인 Example 2: sgRNA design

sgRNA의 효율을 측정해주는 리포터로서의 기능을 확인하기 위해 효율이 다양한 sgRNA들을 고르기 위해 PTEN 또는 TP53유전자를 표적으로하여 효율이 높을 것으로 예상되는 sgRNA들을 in silico (CRISPRko; https://portals.broadinstitute.org/gpp/public/analysis-tools/sgrna-design, Doench라고 명명함) 3 와 genome-scale CRISPR library screening(GeCKO)에 사용된 sgRNA서열 (GeCKO라고 명명함) -16을 참고하여 각각 상위 4개씩 선별하였고, 20 base pair의 표적서열의 GC 비율이 25% 미만으로 하여 효율이 가장 낮을 것으로 예상되는 sgRNA를 바탕으로 4개를 직접 디자인하여 (Low라고 명명함)-5. In silico (CRISPRko; https://portals.broadinstitute.org ), sgRNAs expected to have high efficiency by targeting the PTEN or TP53 gene to select sgRNAs with various efficiencies to confirm the function as a reporter measuring the efficiency of sgRNA /gpp/public/analysis-tools/sgrna-design , named Doench) 3 and the sgRNA sequence used for genome-scale CRISPR library screening (GeCKO) - 16 The GC ratio of the target sequence of 20 base pairs was less than 25%, so 4 were directly designed based on the sgRNA, which is expected to have the lowest efficiency (named Low) - 5 .

이렇게 디자인된 sgRNA에 대한 표적 서열을 리포터에 삽입하고자, LacI- luciferase 리포터 또는 LacI- EGFP 리포터의 EF1α 프로모터와 LacI 사이에 디자인한 23 base pair 가지는 하나 또는 일렬로 연결된 여러개의 표적서열을 primer annealing 또는 PCR을 통해 합성한 다음, EcoRI/ Blp1으로 절단된 리포터 플라스미드에 삽입하였다. sgRNA의 전사와 Cas9의 단백질발현이 함께 일어날 수 있는 벡터(px459, addgene) 17 에 제한효소(bbs1)을 이용하여 guide RNA를 삽입 하였다.In order to insert the target sequence for the designed sgRNA into the reporter, primer annealing or PCR with one or several target sequences linked in series with the 23 base pair designed between the EF1α promoter and LacI of the LacI -luciferase reporter or LacI-EGFP reporter was synthesized through, and then inserted into a reporter plasmid digested with EcoRI/Blp1. A guide RNA was inserted into the vector (px459, addgene) 17 in which sgRNA transcription and Cas9 protein expression can occur together using restriction enzyme (bbs1).

실험예 1: 유전자 가위의 활성을 Experimental Example 1: The activity of gene scissors LacILacI - luciferase 리포터로 측정- Measured with luciferase reporter

2.5 x 105의 HEK293T 세포주에 Lipofectamine 3000을 이용하여 luciferase 리포터 플라스미드 (200ng), renilla (100 ng), px459 (sgRNA+Cas9) 플라스미드 (1800ng)을 전달한 후 48시간 뒤에 luminocensce (610nm)를 통해 firefly luciferase와 renilla luciferase의 활성을 측정하여 renilla에 대한 firefly luciferase의 상대적인 활성을 계산하여 각 sgRNA 들의 효율을 측정하였다. , px459 control (sgRNA가 없는 Cas9) 플라스미드와 lacI-luciferase리포터만 존재할 때의 luciferase 값에 대비한 배수 값을 계산하여 sgRNA 후보들 간의 절단 효율을 비교하였다. 리포터 시스템에서의 최적의 sgRNA와 Cas9 농도를 찾기 위해서는 px459 (sgRNA+Cas9) 플라스미드 (0 ng~ 1800ng)을 테스트하여 1800ng이 적당하다는 것을 확인하였다. After delivering luciferase reporter plasmid (200ng), renilla (100 ng), and px459 (sgRNA+Cas9) plasmid (1800ng) to 2.5 x 10 5 HEK293T cell line using Lipofectamine 3000, firefly luciferase through luminocensce (610nm) 48 hours later and renilla luciferase activity were measured, and the relative activity of firefly luciferase to renilla was calculated to measure the efficiency of each sgRNA. , The cleavage efficiency between the sgRNA candidates was compared by calculating the fold value compared to the luciferase value when only the px459 control (Cas9 without sgRNA) plasmid and the lacI-luciferase reporter were present. In order to find the optimal concentration of sgRNA and Cas9 in the reporter system, the px459 (sgRNA+Cas9) plasmid (0 ng to 1800 ng) was tested and it was confirmed that 1800 ng was appropriate.

실험예 2: Surveryor 분석Experimental Example 2: Surveryor analysis

PTEN 유전자를 표적으로 하는 6개의 g RNA (Doench_3, Doench_4, GeCKO_3, GeCKO_4, Low_1, Low_4)에 대한 표적 서열을 가지는 리포터와 px459 (sgRNA+Cas9) 플라스미드를 2.5 x 105 의 HEK293T 세포에 Lipofectamine3000을 이용하여 2000ng씩 전달한 다음, 48시간 뒤에 세포를 모두 걷어 Wizard® Genomic DNA Purification Kit(Promega)를 이용하여 genomic DNA 를 추출하였다. 추출한 genomicDNA 100ng씩을 각 표적서열이 포함되도록 디자인한 primer들을 이용하여 PCR한 다음, Surveyor® Mutation Detection Kit(idt)의 사용법에 따라 surveyor nuclease를 처리한 뒤 전기영동을 한 후, nuclease에 의해 잘려지는 가닥들의 상대적인 양을 imageJ를 이용하여 정량하였다. A reporter having a target sequence for 6 g RNAs (Doench_3, Doench_4, GeCKO_3, GeCKO_4, Low_1, Low_4) targeting the PTEN gene and px459 (sgRNA+Cas9) plasmids were applied to 2.5 x 10 5 HEK293T cells using Lipofectamine3000. Then, 2000ng each was delivered, and 48 hours later, all cells were rolled up and genomic DNA was extracted using the Wizard® Genomic DNA Purification Kit (Promega). Each 100ng of the extracted genomicDNA was subjected to PCR using primers designed to include each target sequence, and then treated with surveyor nuclease according to the usage of the Surveyor® Mutation Detection Kit (idt), followed by electrophoresis, and then the strand cut by nuclease. The relative amounts of these were quantified using imageJ.

실험예 3 : NGS 분석 (targeted deep sequencing)Experimental Example 3: NGS analysis (targeted deep sequencing)

PTEN을 표적으로 하는 sgRNA발현 플라스미드(px459) 들을 HEK293T 세포에 Lipofectamine3000을 이용해 전달한 다음, 48시간 후 Wizard® Genomic DNA Purification Kit(Promega)를 이용하여 genomic DNA 를 추출하였다. 그런 다음, 100ng의 genomic DNA를 이용하여 표적서열이 Cas9에 의해 전달되는 부위의 앞뒤로 80bp씩 총 160bp 만큼을 PCR을 통해 증폭시켰다. 증폭된 DNA산물을 QIAquick® Gel Extraction Kit(Qiagen)을 이용하여 정제한 다음 이 중 20ng의 산물에 PCR을 통해 DNA 양쪽 가닥에 Illumina adaptor를 붙였다. 이를 QIAquick® Gel Extraction Kit(Qiagen)를 이용하여 한번 더 정제한 다음, Hiseq을 이용하여 차세대염기서열분석을 수행하였다. 분석데이터는 Cas-Analyzer를 이용하여 알맞은 조건(comparison range=50, minimum frequency=1, WT marker=5)으로 1차 데이터를 분리한 다음, 2차 조건(read counts cut off=1/1000 of total read counts)으로 한번 더 분리된 데이터들을 정상서열과 비교하여 실제 Cas9에 의해 절단된 비율을 분석하였다. The sgRNA expression plasmid (px459) targeting PTEN was transferred to HEK293T cells using Lipofectamine3000, and after 48 hours, genomic DNA was extracted using the Wizard® Genomic DNA Purification Kit (Promega). Then, using 100 ng of genomic DNA, a total of 160 bp was amplified by PCR by 80 bp before and after the site where the target sequence was delivered by Cas9. The amplified DNA product was purified using the QIAquick® Gel Extraction Kit (Qiagen), and the Illumina adapter was attached to both strands of the DNA through PCR on 20 ng of the product. This was purified once more using QIAquick® Gel Extraction Kit (Qiagen), and then next-generation sequencing was performed using Hiseq. For analysis data, the primary data is separated under suitable conditions (comparison range=50, minimum frequency=1, WT marker=5) using Cas-Analyzer, and then the secondary condition (read counts cut off=1/1000 of total) Read counts), the data separated once more were compared with the normal sequence to analyze the ratio of actual Cas9 cleavage.

실험예 4 : Euchromatin 과 Heterochromatin ( DNase sensitive site) 선별 Experimental Example 4: Euchromatin and Heterochromatin (DNase sensitive site) selection

히스톤에 의한 염색체의 응축 정도를 DNA 분해효소의 민감성으로 측정할 수 있으며, 특정 서열부위에 대해 Encyclopedia of DNA Elements(ENCODE)에 제시되어있는 HEK293T 세포주에서의 DNA 분해효소에 대한 민감성을 DNase-sequencing을 통해 분석하여 peak으로 나타낸 데이터를 활용하여 특정 서열과 peak이 포함된 서열의 일치함에 따라 DNA 분해효소에 대한 민감도를 0 또는 1로 분류하였다-18. 이 데이터에서 NGG PAM을 가지는 Cas9 에 대한 표적서열들이 포함된 부분들 중 DNA 분해효소에 대한 민감성에 따라 heterochromatin(응축), euchromatin(풀림)으로 각각 10개씩 분류하여 무작위로 선별한 총 20개의 표적서열을 LacI- luciferase 리포터 플라스미드에 삽입하였고 각 표적에 대한 sgRNA의 효율을 luciferase의 활성을 통해 리포터상에서 측정하고, targeted deep sequencing(NGS)를 통해 실제 유전체상에서 측정하여 비교하였다.The degree of condensing of chromosomes by histones can be measured by the sensitivity of DNA-degrading enzymes, and DNase-sequencing of the sensitivity to DNA-degrading enzymes in the HEK293T cell line presented in the Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE) for specific sequence sites was performed. Sensitivity to DNA degrading enzyme was classified as 0 or 1 according to the match between the specific sequence and the sequence containing the peak using the data indicated by the peak after analysis through 18- 18 . In this data, a total of 20 target sequences randomly selected by classifying 10 each into heterochromatin (condensed) and euchromatin (unwrapped) according to the sensitivity to DNA degrading enzyme among the parts containing the target sequences for Cas9 with NGG PAM. was inserted into a LacI -luciferase reporter plasmid, and the efficiency of sgRNA for each target was measured on the reporter through the activity of luciferase, and measured on the actual genome through targeted deep sequencing (NGS) and compared.

실험예 5 : FACS 분석Experimental Example 5: FACS analysis

EGFP리포터에서 EGFP의 background발현을 억제하기 위해 EGFP서열 뒤를 Bsrg1과 Pac1으로 절단한 다음, 스스로 분해되게 하는 FKBP서열을 PCR을 통해 삽입하였고, luciferase리포터에서 선별한 PTEN을 표적으로 하는 6개의 표적서열을 한꺼번에 PCR을 통해 EF1α 프로모터와 LacI 사이에 LacI- luciferase 리포터와 같은 방법으로 삽입하였다. 그런 다음 HEK293T 세포주에 lipofectamine3000을 이용하여 각 표적서열을 표적으로 하는 sgRNA플라스미드(px459)와 함께 전달한 다음 48시간 뒤에 FACS 분석을 통해 리포터 단독에서의 EGFP 발현에 대비해 CRISPR가 존재할 때 증가한 EGFP 발현의 차이를 MEAN 값의 변화를 측정함으로서 분석하였다.In order to suppress the background expression of EGFP in the EGFP reporter, the back of the EGFP sequence was cut with Bsrg1 and Pac1, and then the FKBP sequence that made itself degraded was inserted through PCR. Six target sequences targeting PTEN selected by the luciferase reporter were generated. At one time, it was inserted between the EF1α promoter and LacI through PCR in the same way as the LacI-luciferase reporter. Then, the HEK293T cell line was transferred together with the sgRNA plasmid (px459) targeting each target sequence using lipofectamine3000, and 48 hours later, FACS analysis was performed to determine the difference in the increased EGFP expression in the presence of CRISPR compared to the EGFP expression in the reporter alone. It was analyzed by measuring the change in the MEAN value.

실험예 6: 오가노이드 배양 및 Nutlin-3 선별Experimental Example 6: Organoid culture and Nutlin-3 selection

인간 간 오가노이드를 간 오가노이드 배양배지{ADF-12(+1% penicillin/streptomycin, 1% GlutaMAX, 10Mm HEPES, 10% Rspondin1, 25ng/ml hHGF, 100ng/ml hFGF10, 1X B27 supplement, 1mM N-cetylcysteine, 10nM gastrin, 10mM nicotinamide, 1X N2 supplement, 50ng/ml hEGF, 10μM Forkskolin, 5μM A83-01) 에 배양을 하여 24well(80% confluency of 50μl BME metrix) 에서 LacI- luciferase 리포터를 통해 선별한 TP53를 표적으로 하는 6개의 sgRNA(Doench_2, Doench_3, GeCKO_3, GeCKO_4, Low_1, Low_3) 를 발현하는 플라스미드(px459) 를 각각 Lipofectamine3000을 이용해 전달한 다음19, 24시간 뒤 Nutlin 40μM 을 처리하고, 6일동안 organoid의 생존율을 관찰하였다. 인간 간 오가노이드의 생존율은 ATP의 양을 측정하는 CellTiter-Glo luminescent assay(Promega)를 이용하였다. 간단히 오가노이드 배양 플레이트는 실온에서 equilibrate 되고, 세포 배양액이 제거하고 CellTiter-Glo reagent 를 PBS와 (1:1)로 섞어서 첨가한 후에 SpectraMaxParadigm(Molecular Devices)를 이용하여 측정하였다. Human liver organoid culture medium {ADF-12 (+1% penicillin/streptomycin, 1% GlutaMAX, 10Mm HEPES, 10% Rspondin1, 25ng/ml hHGF, 100ng/ml hFGF10, 1X B27 supplement, 1mM N- Cetylcysteine, 10nM gastrin, 10mM nicotinamide, 1X N2 supplement, 50ng/ml hEGF, 10μM Forkskolin, 5μM A83-01) were cultured in 24 wells (80% confluency of 50μl BME metrix) and TP53 TP53 selected through LacI -luciferase reporter Plasmids (px459) expressing six target sgRNAs (Doench_2, Doench_3, GeCKO_3, GeCKO_4, Low_1, Low_3) were respectively transferred using Lipofectamine3000, then treated with 40 μM Nutlin 19 and 24 hours later, and organoid viability for 6 days. was observed. For the survival rate of human liver organoids, CellTiter-Glo luminescent assay (Promega) was used to measure the amount of ATP. Briefly, the organoid culture plate was equilibrated at room temperature, the cell culture medium was removed, and CellTiter-Glo reagent was mixed with PBS (1:1) and added, followed by measurement using SpectraMax ⓡ Paradigm (Molecular Devices).

본 발명에 대해 상기 실시예를 참조하고 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명에 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허 청구 범위의 기술적 사항에 의해 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the above embodiments, it will be understood that these are merely exemplary, and that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom by those skilled in the art to which the present invention pertains. . Therefore, the true technical protection scope of the present invention will have to be determined by the technical matters of the appended claims.

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한국생명공학연구원Korea Institute of Bioscience and Biotechnology KCTC14041BPKCTC14041BP 2019112120191121 한국생명공학연구원Korea Institute of Bioscience and Biotechnology KCTC14042BPKCTC14042BP 2019112120191121

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Claims (15)

Cas9 뉴클리아제 (endonuclease) 와 sgRNA (single guide RNA)로 구성된 유전자 가위의 절단 효율을 평가할 수 있는 리포터 구조물로서, 제1 프로모터(promoter) - 복수개의 유전자 가위 표적 서열(multiple target sequences) - Lac 리프레서(repressor) - 폴리(poly)A - 제2 프로모터(promoter) - Lac 오퍼레이터(operator) - 리포터(reporter) 유전자 - 폴리(poly)A 가 순차적으로 작동가능하게 연결되어 구성된 것을 특징으로 하는 리포터 구조물을 포함하는 유전자 가위의 절단 효율 평가용 조성물.As a reporter construct capable of evaluating the cleavage efficiency of the gene scissors composed of Cas9 nuclease (endonuclease) and sgRNA (single guide RNA), a first promoter - multiple target sequences - Lac repress Repressor - poly (poly) A - second promoter (promoter) - Lac operator (operator) - reporter (reporter) gene - poly (poly) A reporter construct, characterized in that it is operably linked in sequence A composition for evaluating the cutting efficiency of gene scissors comprising a. 제 1항에 있어서, 상기 제1 프로모터는 EF1 알파 프로모터이고 제2 프로모터는 CMV 프로모터인 것을 특징으로 하는 유전자 가위의 절단 효율 평가용 조성물.The composition of claim 1, wherein the first promoter is an EF1 alpha promoter and the second promoter is a CMV promoter. 제 1항에 있어서, 상기 유전자 가위 표적 서열은 Cas9와 복합체를 형성하는 sgRNA가 특이적으로 인식할 수 있는 서열을 가지는 것을 특징으로 하는 유전자 가위의 절단 효율 평가용 조성물.The composition for evaluating the cutting efficiency of the gene scissors according to claim 1, wherein the gene scissors target sequence has a sequence that can be specifically recognized by sgRNA forming a complex with Cas9. 제 1항에 있어서, 상기 리포터 유전자는 루시퍼라제(luciferase) 또는 EGFP (Enhanced Green Fluorescence Protein)를 발현하는 유전자인 것을 특징으로 하는 유전자 가위의 절단 효율 평가용 조성물.The composition of claim 1, wherein the reporter gene is a gene expressing luciferase or EGFP (Enhanced Green Fluorescence Protein). 제 1항에 있어서, 상기 리포터 구조물은 도 1의 개열지도를 갖는 것을 특징으로 하는 유전자 가위의 절단 효율 평가용 조성물.The composition for evaluating cleavage efficiency of gene scissors according to claim 1, wherein the reporter structure has the cleavage map of FIG. 제 1항에 있어서, 상기 리포터 유전자가 EGFP (Enhanced Green Fluorescence Protein)일 경우 EGFP의 백그라운드(Background) 발현을 줄이기 위해 EGFP 뒤에 FKBP 서열을 집어 넣은 것을 특징으로 하는 유전자 가위의 절단 효율 평가용 조성물.According to claim 1, wherein when the reporter gene is EGFP (Enhanced Green Fluorescence Protein), in order to reduce the background expression of EGFP, the FKBP sequence is inserted after EGFP. The composition for evaluating the cutting efficiency of gene scissors. 제 1항에 있어서, 표적의 순서 배열에 따른 유전자 가위의 활성 변화를 없애기 위하여 Lac 리프레서(repressor, LacI)앞에 비특이적인 20 염기쌍의 M13 염기서열을 삽입한 것을 특징으로 하는 유전자 가위의 절단 효율 평가용 조성물.According to claim 1, wherein in order to eliminate the change in the activity of the gene scissors according to the sequence arrangement of the target Lac repressor (repressor, LacI ) in front of the non-specific M13 nucleotide sequence of 20 base pairs is inserted characterized in that the cutting efficiency evaluation of the gene scissors for composition. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 유전자 가위의 절단 효율 평가용 조성물에 포함된 리포터 구조물을 포함하는 재조합 벡터.A recombinant vector comprising a reporter construct included in the composition for evaluating the cleavage efficiency of gene scissors according to any one of claims 1 to 7. 제 8항에 있어서, 상기 재조합 벡터는 기탁번호 KCTC14041BP (EF1a-LacI-oo-CMV-LUC) 또는 기탁번호 KCTC14042BP (EF1a-LacI-oo-CMV-GFP)로 기탁되어 있는 것을 특징으로 하는 재조합 벡터.The recombinant vector according to claim 8, wherein the recombinant vector is deposited under Accession No. KCTC14041BP (EF1a-LacI-oo-CMV-LUC) or Accession No. KCTC14042BP (EF1a-LacI-oo-CMV-GFP). 제 8항 또는 제 9항에 따른 재조합 벡터를 포함하는 숙주 세포.10. A host cell comprising the recombinant vector according to claim 8 or 9. 제 10항에 있어서, 상기 세포는 진핵 세포인 것을 특징으로 하는 숙주 세포.11. The host cell of claim 10, wherein the cell is a eukaryotic cell. 제 10항 또는 제 11항에 따른 숙주 세포 내로 sgRNA의 전사와 Cas9의 단백질발현이 함께 일어날 수 있는 벡터를 도입하는 단계;
sgRNA의 전사와 Cas9의 단백질이 발현되는 조건하에서 세포를 인큐베이션하는 단계; 및
세포에서 리포터 유전자 발현 수준을 측정하는 단계를 포함하며,
이때 리포터 유전자 발현의 증가된 수준은 표적 서열의 증가된 유전자가위-유도된 절단과 상호 관련되는 것을 특징으로 하는, 유전자 가위의 절단 효율의 평가 방법.
12. A method comprising: introducing a vector capable of sgRNA transcription and Cas9 protein expression into the host cell according to claim 10 or 11;
incubating the cells under conditions in which sgRNA transcription and Cas9 protein are expressed; and
measuring the level of reporter gene expression in the cell;
wherein the increased level of reporter gene expression is correlated with increased scissor-induced cleavage of the target sequence.
제 12항에 있어서, 상기 리포터 유전자 발현 수준을 측정함으로써 고효율의 sgRNA를 선별하는 것을 특징으로 하는 유전자 가위의 절단 효율의 평가 방법.The method according to claim 12, wherein the high-efficiency sgRNA is selected by measuring the expression level of the reporter gene. 제 12항에 있어서, 헬릭스-턴-헬릭스 모티프(Helix-turn-Helix motif)가 제거된 기능이 없는(non-functional) LacI를 생산하는 리포터 구조물을 대조군으로 사용하는 것을 특징으로 하는 유전자 가위의 절단 효율의 평가 방법.13. The cleavage of the gene scissors according to claim 12, wherein a reporter construct that produces non-functional LacI from which a helix-turn-Helix motif has been removed is used as a control. Efficiency evaluation method. 제 12항에 있어서, 표적 서열의 길이에 따라서 리포터 자체 백그라운드(background)가 증가되는 문제점을 극복하기 위하여 sgRNA의 효율을 유전자 가위로 절단하지 않은 대조군에 대한 상대적인 값으로 측정하여 평가하는 것을 특징으로 하는 유전자 가위의 절단 효율의 평가 방법.
The method according to claim 12, wherein the efficiency of sgRNA is measured and evaluated as a relative value to a control that is not cut with gene scissors in order to overcome the problem that the background of the reporter itself increases according to the length of the target sequence. A method for evaluating the cutting efficiency of gene scissors.
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WO2023249475A1 (en) * 2022-06-24 2023-12-28 연세대학교 산학협력단 Pharmaceutical composition for treating retinal diseases comprising as active ingredient crispr/cas complex that operates specifically on retinal pigment epithelium

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