CN108118057B - 一种基因编辑系统及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基因编辑系统及其制备方法和应用,所述gRNA包括靶向凝血因子VIII基因22号内含子的核酸序列。本发明的基因编辑系统利用gRNA和Cas9蛋白靶向切割凝血因子VIII基因22号内含子,并定点定向地插入一段含有凝血因子VIII基因23‑26号外显子的人工合成序列,达到了修复凝血因子VIII基因22号内含子倒位的目的。

Description

一种基因编辑系统及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于基因编辑技术领域,涉及一种基因编辑系统及其制备方法和应用,尤其涉及一种修复凝血因子VIII基因22号内含子倒位的基因编辑系统及其制备方法和应用。
背景技术
A型血友病亦称作甲型血友病,是临床上最常见的血友病类型,约占血友病总数的80%-85%,在某些高发地区其比例甚至更高。A型血友病主要是由凝血因子VIII(humanfactor VIII)的缺失引起的,而凝血因子VIII基因的点突变或22号内含子倒位(Intron-22-inversion)造成了凝血因子VIII的缺失。
根据凝血因子VIII的缼失程度,A型血友病可以分为轻度血友病(5-30%凝血因子VIII)、中度血友病(2-5%凝血因子VIII)和重度血友病(<1%凝血因子VIII),发病率分别为50%、10%和40%。其中,至少50%的重度A型血友病是由22号内含子倒位造成的凝血因子VIII缺失而引起的,因此,凝血因子VIII基因的22号内含子倒位是造成血友病的最常见的突变。
目前,临床上主要通过注射重组的凝血因子VIII治疗A型血友病,然而该治疗方案费用昂贵,仅能减缓症状,对A型血友病不具有治愈作用,而且患者容易产生抗重组的凝血因子VIII的抗体,显著影响重组的凝血因子VIII的治疗效果。
基因治疗方法尚未应用于临床,但于2016年提出的利用腺相关病毒载体(AAV)在体内表达缩小的凝血因子VIII的方法(McIntosh J,Lenting PJ,Rosales C,etal.Therapeutic levels of FVIII following a single peripheral veinadministration of rAAV vector encoding a novel human factor VIIIvariant.Blood,2013,121:3335-3344.)已开展临床试验,该方法是将凝血因子VIII基因由7kb减小至5.2kb,装入腺相关病毒载体(AAV),通过静脉血管注射到患者体内。该方法可长久性地在患者体内表达缩小的凝血因子VIII,但不具有永久性,并且不能表达全长的凝血因子VIII,患者容易产生抗缩小的凝血因子VIII的抗体,影响凝血功能。
因此,提供一种修复凝血因子VIII基因的22号内含子倒位的产品和方法,从根本上修复凝血因子VIII基因22号内含子倒位,具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种基因编辑系统及其制备方法和应用,所述基因编辑系统利用gRNA和Cas9蛋白靶向切割凝血因子VIII基因22号内含子,并定点定向地插入一段含有凝血因子VIII基因23-26号外显子的人工合成序列,达到修复凝血因子VIII基因22号内含子倒位的目的。
为达此目的,本发明采用以下技术方案:
第一方面,本发明提供了一种gRNA,所述gRNA包括靶向凝血因子VIII基因22号内含子的核酸序列。
本发明中,所述gRNA具有特异性靶向凝血因子VIII基因22号内含子的作用,可以介导Cas9蛋白对凝血因子VIII基因22号内含子进行切割。
优选地,所述gRNA的核酸序列如SEQ ID NO.1-2所示,所述SEQ ID NO.1-2所示的核酸序列如下:
SEQ ID NO.1:5’-TGTGGCAACAGCGGTATAAATGG-3’;
SEQ ID NO.2:5’-GGTGAGCTCAAGACCCTTAAAGG-3’.
本发明中,所述SEQ ID NO.1所示的序列靶向凝血因子VIII基因22号内含子的反义链,所述SEQ ID NO.2所示的序列靶向凝血因子VIII基因22号内含子的正义链,下划线标注的TGG和AGG为原间隔序列临近基序(protospacer adjacent motif,PAM),用于协助gRNA/Cas9复合物定位于切割位点。
第二方面,本发明提供一种基因供体,所述基因供体按照5’-3’方向顺次包括:gRNA识别序列、剪接受体序列、凝血因子VIII基因23-26号外显子序列、转录终止信号序列和gRNA识别序列。
优选地,所述gRNA识别序列为第一方面所述的gRNA。
本发明中,基因供体按照5’-3’为23号外显子-26号外显子的方向插入到凝血因子VIII基因被切割的22号内含子中,连接于22号外显子后;如果基因供体按照5’-3’为26号外显子-23号外显子的方向插入到凝血因子VIII基因被切割的22号内含子中,则接入的基因供体将会与凝血因子VIII基因形成gRNA序列,介导Cas9蛋白进行二次切割。本发明的gRNA识别序列准确限定了基因供体的插入位置和插入方向,避免了基因供体以相反的方向插入凝血因子VIII基因,实现了对凝血因子VIII基因22号内含子倒位的修复。
优选地,所述gRNA识别序列如SEQ ID NO.3-4所示,所述SEQ ID NO.3-4所示的核酸序列如下:
SEQ ID NO.3:5’-TGTGGCAACAGCGGTATAAATGG-3’;
SEQ ID NO.4:5’-GGTGAGCTCAAGACCCTTAAAGG-3’.
第三方面,本发明提供了一种基因编辑系统,所述基因编辑系统包括如第一方面所述的gRNA和Cas9蛋白表达载体。
优选地,所述基因编辑系统还包括如第二方面所述的基因供体。
本发明中,gRNA靶向介导Cas9蛋白切割凝血因子VIII基因22号内含子,基因供体由于具有与gRNA相同的序列,介导Cas9蛋白切割基因供体的gRNA识别序列;随后,切割后的基因供体按照5’-3’为23号外显子-26号外显子的方向插入到凝血因子VIII基因被切割的22号内含子中,将23-26号外显子连接于22号外显子后,实现了凝血因子VIII基因22号内含子倒位的修复;如果基因供体按照5’-3’为26号外显子-23号外显子的方向,插入到凝血因子VIII基因22号内含子中,则接入的基因供体将会与凝血因子VIII基因形成gRNA序列,介导Cas9蛋白进行二次切割。
第四方面,本发明提供了一种制备如第三方面所述的基因编辑系统的方法,包括以下步骤:
(1)设计gRNA的引物,变性后冷却至室温,得到所述gRNA;
(2)将gRNA克隆到表达载体上,得到表达gRNA的载体;
(3)将基因供体克隆到表达载体上,得到所述基因编辑系统。
本发明中,所述基因供体可以克隆到表达有gRNA和Cas9蛋白的载体上,也可以克隆到其他载体上,优选为克隆到表达有gRNA和Cas9蛋白的载体上。
优选地,步骤(1)所述gRNA的引物如SEQ ID NO.5-8所示,所述SEQ ID NO.5-8所示的核酸序列如下:;
SEQ ID NO.5:5’-caccTGTGGCAACAGCGGTATAAA-3’;
SEQ ID NO.6:5’-aaacTTTATACCGCTGTTGCCACA-3’;
SEQ ID NO.7:5’-caccGGTGAGCTCAAGACCCTTAA-3’;
SEQ ID NO.8:5’-aaacTTAAGGGTCTTGAGCTCACC-3’.
本发明中,SEQ ID NO.5和SEQ ID NO.6用于合成SEQ ID NO.1,SEQ ID NO.7和SEQID NO.8用于合成SEQ ID NO.2。
优选地,步骤(1)所述变性的温度为95-98℃,例如可以是95℃、96℃、97℃或98℃,优选为98℃。
优选地,步骤(2)所述表达载体为pSpCas9BB-2A-GFP质粒。
作为优选技术方案,本发明提供了一种制备如第三方面所述的基因编辑系统的方法,包括以下步骤:
(1)设计gRNA的引物,在95-98℃变性后冷却至室温,得到所述gRNA;
(2)将gRNA克隆到pSpCas9BB-2A-GFP质粒上,得到表达gRNA的载体;
(3)将基因供体克隆到表达载体上,得到所述基因编辑系统。
第五方面,本发明提供了一种药物组合物,所述药物组合物包括如第三方面所述的基因编辑系统。
优选地,所述药物组合物还包括药学上可接受的载体、赋形剂或稀释剂中的任意一种或至少两种的组合。
第六方面,本发明提供了一种如第三方面所述的基因编辑系统和/或如第五方面所述的药物组合物用于制备修复凝血因子VIII基因22号内含子倒位和/或血友病的药物或试剂。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
(1)本发明的基因编辑系统利用gRNA和Cas9蛋白实现了对凝血因子VIII基因22号内含子的有效切割;
(2)本发明的基因供体中gRNA识别序列准确限定了基因供体的插入位置和插入方向,基因供体需要按照5’-3’为23号外显子-26号外显子的方向插入到凝血因子VIII基因被切割的22号内含子中,连接于22号外显子后,才能形成稳定的结构,如果基因供体以相反的方向插入,则会与凝血因子VIII基因形成gRNA序列,介导Cas9蛋白进行二次切割;
(3)本发明的基因编辑系统和/或包含基因编辑系统的药物组合物可以用于制备修复凝血因子VIII基因22号内含子倒位和/或的药物和/或试剂。
附图说明
图1为表达gRNA的Cas9载体pSpCas9-gRNA示意图,其中,gRNA ExpressionVectors-gRNA表达载体。
图2为验证gRNA1和gRNA2具有介导Cas9切割靶标DNA性能的电泳图,其中,DNAMarker-DNA标准分子量。
图3为表达gRNA1和Cas9、携带基因供体的载体pSpCas9-edit示意图。
图4为验证pSpCas9-edit具有修复凝血因子VIII基因22号内含子倒位作用的电泳图,其中,DNA Marker-DNA标准分子量。
图5为正常凝血因子VIII基因的转录和翻译示意图。
图6为22号内含子倒位的凝血因子VIII基因的转录和翻译示意图。
图7为pSpCas9-edit修复凝血因子VIII基因22号内含子倒位的原理图。
图8为修复后的凝血因子VIII基因的转录和翻译示意图。
具体实施方式
为进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果,以下结合实施例和附图对本发明作进一步地说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施方式仅仅用于解释本发明,而非对本发明的限定。
实施例中未注明具体技术或条件者,按照本领域内的文献所描述的技术或条件,或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可通过正规渠道商购获得的常规产品。
实施例1gRNA的设计
根据凝血因子VIII基因22号内含子前800bp的DNA序列,采用gRNA设计软件(CCTop:https://crispr.cos.uni-heidelberg.de/)设计出一系列gRNA,考虑gRNA的特异性及可能脱靶的位置,选择gRNA1和gRNA2进行实验,其中,gRNA1靶向凝血因子VIII基因22号内含子的反义链,gRNA2靶向凝血因子VIII基因22号内含子的正义链。
gRNA1(SEQ ID NO.1):5’-TGTGGCAACAGCGGTATAAATGG-3’;
gRNA2(SEQ ID NO.2):5’-GGTGAGCTCAAGACCCTTAAAGG-3’.
实施例2gRNA的合成
分别合成gRNA1和gRNA2的引物对,配置为10pM的溶液,在95-98℃变性后自然冷却至室温,得到gRNA的DNA序列,其中,gRNA1-F和gRNA1-R用于合成gRNA1,gRNA2-F和gRNA2-R用于合成gRNA2。
gRNA1-F(SEQ ID NO.5):caccTGTGGCAACAGCGGTATAAA;
gRNA1-R(SEQ ID NO.6):aaacTTTATACCGCTGTTGCCACA;
gRNA2-F(SEQ ID NO.7):caccGGTGAGCTCAAGACCCTTAA;
gRNA2-R(SEQ ID NO.8):aaacTTAAGGGTCTTGAGCTCACC.
反应体系如表1-1和表1-2所示。
表1-1gRNA1的合成体系
Figure BDA0001529919910000071
Figure BDA0001529919910000081
表1-2gRNA2的合成体系
名称 体积
gRNA2-F(SEQ ID NO.7) 10μL
gRNA2-R(SEQ ID NO.8) 10μL
10×SmartCut缓冲液 5μL
双蒸水 25μL
实施例3构建表达gRNA的载体
将gRNA克隆至Cas9蛋白表达载体pSpCas9BB-2A-GFP中,所述载体如图1所示,具体步骤为:
(1)将pSpCas9BB-2A-GFP在37℃下酶切过夜,用琼脂糖电泳分离酶切后的载体片段,pSpCas9BB-2A-GFP的酶切体系如表2所示;
(2)将酶切后的pSpCas9BB-2A-GFP与gRNA在16℃连接过夜,连接反应体系分别如表3-1和表3-2所示;
(3)连接产物转化到细菌中,采用PCR和测序技术筛选出阳性克隆,将表达gRNA1和gRNA2的载体分别命各为pSpCas9-gRNA1和pSpCas9-gRNA2,PCR技术筛选出阳性克隆的引物序列如表4所示。
表2pSpCas9BB-2A-GFP的酶切反应体系
Figure BDA0001529919910000082
Figure BDA0001529919910000091
表3-1gRNA1的连接反应体系
名称 体积
gRNA1的DNA序列 5μL
10×T4DNA连接酶缓冲液 1μL
10×T4DNA连接酶 1μL
双蒸水 3μL
表3-2gRNA2的连接反应体系
名称 体积
gRNA2的DNA序列 5μL
10×T4DNA连接酶缓冲液 1μL
10×T4DNA连接酶 1μL
双蒸水 3μL
表4PCR引物
名称 序列
正向引物(SEQ ID NO.9) 5’-gcatatacgatacaaggctgttagag-3’
反向引物 gRNA1-R或gRNA2-R
实施例4gRNA1和gRNA2介导Cas9切割靶标DNA
采用Lipofectamine 3000转染试剂将pSpCas9-gRNA1和pSpCas9-gRNA2共转染到293细胞中,对照组的293细胞转染pSpCas9BB-2A-GFP。72小时后提取细胞的染色体DNA作为模板,PCR分析染色体DNA是否被切割。
PCR引物:正向引物(SEQ ID NO.10)5’-GGGCAAAACCATGGATGGAG-3’,反向引物(SEQID NO.11)5’-TCGGAGAACAGATTAGAAAC-3’。
PCR扩增反应条件:95℃预变性2min,(95℃变性30s,50℃退火30s,72℃延伸1min),共35循环,72℃延伸7min。
结果如图2所示,对照组仅扩增出长度为330bp的凝血因子VIII基因的DNA片段,实验组扩增出长度分别为330bp和210bp的DNA片段,其中,210bp的片段是被切割后的凝血因子VIII基因片段。由此说明,gRNA1和gRNA2具有介导Cas9切割凝血因子VIII基因的作用。
实施例5构建表达gRNA1和Cas9、携带基因供体的载体
化学合成包括凝血因子VIII基因23-26号外显子序列的基因供体,克隆至pSpCas9-gRNA1的Sbf1位点,新载体命名为pSpCas9-edit,所述载体如图3所示。具体步骤为:
(1)将pSpCas9-gRNA1在37℃下采用Sbf1内切酶酶切过夜,用琼脂糖电泳分离酶切后的载体片段,pSpCas9-gRNA1的酶切体系如表5-1所示;
(2)将基因供体在37℃下采用Sbf1内切酶酶切过夜,用琼脂糖电泳分离酶切后的载体片段,基因供体的酶切体系如表5-2所示;
(3)将酶切后的pSpCas9-gRNA1和基因供体在16℃下酶切过夜,连接产物转化到细菌中,采用PCR和测序技术筛选出阳性克隆,得到pSpCas9-edit,连接反应体系如表5-3所示。
表5-1pSpCas9-gRNA1的酶切体系
Figure BDA0001529919910000101
Figure BDA0001529919910000111
表5-2基因供体的酶切体系
名称 体积
10×CutSmart缓冲液 5μL
基因供体(0.5μg/μL) 5μL
SBf1限制性内切酶(10U/μL) 2μL
双蒸水 38μL
表5-3pSpCas9-gRNA1和基因供体的连接反应体系
名称 体积
酶切纯化后的pSpCas9-gRNA1(0.1μg/μL) 2μL
酶切纯化后的基因供体(0.5μg/μL) 2μL
10×T4DNA连接酶缓冲液 1μL
10×T4DNA连接酶 1μL
双蒸水 4μL
实施例6pSpCas9-edit修复凝血因子VIII基因22号内含子倒位
采用Lipofectamine 3000转染试剂将pSpCas9-edit转染到293细胞中,对照组的293细胞转染pSpCas9-gRNA1。72小时后采用流式细胞分选仪(FACS)分选表达GFP的细胞,提取细胞的染色体DNA作为模板,PCR分析基因供体是否定点、定向地插入凝血因子VIII基因22号内含子中。
PCR引物:正向引物(SEQ ID NO.12)5’-GGGCAAAACCATGGATGGAG-3’,反向引物(SEQID NO.13)5’-CGAAGAGTTTGTCCTCAACCGCGAG-3’,其中,正向引物位于gRNA1结合位点的上游,反向引物位于基因供体的剪接受体序列中。
PCR扩增反应条件:95℃预变性2min,(95℃变性30s,50℃退火30s,72℃延伸30s),共35循环,72℃延伸7min。
结果如图4所示,对照组未扩增出DNA片段,实验组扩增出长度约为300bp的DNA片段,说明基因供体成功插入凝血因子VIII基因的22号内含子中,该300bp的DNA片段即为基因供体。
如图5所示,正常的凝血因子VIII基因长度为186kb,具有26个外显子,转录的mRNA的长度为9kb,翻译得到包含2332个氨基酸的凝血因子VIII;如图6所示,当凝血因子VIII基因发生22号内含子倒位,转录得到长度小于9kb的缺失的mRNA,翻译得到的凝血因子VIII不具有凝血功能。
pSpCas9-edit修复凝血因子VIII基因22号内含子倒位的原理如图7所示:gRNA靶向介导Cas9蛋白切割凝血因子VIII基因22号内含子,切割位点如图5箭头所指,基因供体由于具有与gRNA相同的序列,介导Cas9蛋白切割基因供体的gRNA识别序列;随后切割后的基因供体按照5’-3’为23号外显子-26号外显子的方向插入到凝血因子VIII基因被切割的22号内含子中,将23-26号外显子连接于22号外显子后,实现了凝血因子VIII基因22号内含子倒位的修复;如果基因供体按照5’-3’为26号外显子-23号外显子的方向插入到凝血因子VIII基因被切割的22号内含子中,则接入的基因供体将会与凝血因子VIII基因形成gRNA序列,介导Cas9蛋白进行二次切割。
如图8所示,本发明的gRNA识别序列准确限定了基因供体的插入位置和插入方向,将23-26号外显子连接于22号外显子之后,避免了基因供体以相反的方向插入凝血因子VIII基因,实现了对凝血因子VIII基因22号内含子倒位的修复,得到了完整的凝血因子VIII。
综上所述,本发明的基因编辑系统首先利用gRNA和Cas9蛋白实现了对凝血因子VIII基因22号内含子的切割,进而将携带有凝血因子VIII基因23-26号外显子序列的基因供体定点、定向地插入切割位点中,将23-26号外显子连接于22号外显子之后,避免了基因供体以相反的方向插入凝血因子VIII基因,实现了对凝血因子VIII基因22号内含子倒位的修复,得到了完整的凝血因子VIII。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法,但本发明并不局限于上述详细方法,即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Figure IDA0001551979860000011
Figure IDA0001551979860000021
Figure IDA0001551979860000031

Claims (11)

1.一种基因供体,其特征在于,所述基因供体按照5’-3’方向顺次包括:gRNA识别序列、剪接受体序列、凝血因子VIII基因23-26号外显子序列、转录终止信号序列和gRNA识别序列;
所述gRNA识别序列与靶标DNA序列反向互补。
2.根据权利要求1所述的基因供体,其特征在于,所述gRNA识别序列如SEQ ID NO.3-4所示。
3.一种基因编辑系统,其特征在于,所述基因编辑系统包括gRNA和Cas9蛋白表达载体;
所述gRNA的核酸序列如SEQ ID NO.1-2所示;
所述基因编辑系统还包括如权利要求1或2所述的基因供体。
4.一种制备如权利要求3所述的基因编辑系统的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)设计gRNA的引物,变性后冷却至室温,得到所述gRNA;
(2)将gRNA克隆到表达载体上,得到表达gRNA的载体;
(3)将基因供体克隆到表达载体上,得到所述基因编辑系统。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,步骤(1)所述gRNA的引物如SEQ ID NO.5-8所示。
6.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,步骤(1)所述变性的温度为95-98℃。
7.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,步骤(2)所述表达载体为pSpCas9 BB-2A-GFP质粒。
8.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)设计gRNA的引物,在95-98℃变性后冷却至室温,得到所述gRNA;
(2)将gRNA克隆到pSpCas9 BB-2A-GFP质粒上,得到表达gRNA的载体;
(3)将基因供体克隆到表达载体上,得到所述基因编辑系统。
9.一种药物组合物,其特征在于,所述药物组合物包括如权利要求3所述的基因编辑系统。
10.根据权利要求9所述的药物组合物,其特征在于,所述药物组合物还包括药学上可接受的载体、赋形剂或稀释剂中的任意一种或至少两种的组合。
11.一种如权利要求3所述的基因编辑系统和/或如权利要求9或10所述的药物组合物在制备修复凝血因子VIII基因22号内含子倒位和/或血友病的药物或试剂中的应用。
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