DE102015014252A1 - Methods and constructs for targeted nucleic acid editing in plants - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Konstrukte zur gezielten Veränderung einer Nukleinsäure-Zielregion in einer pflanzlichen Zielstruktur. Speziell betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren und Konstrukte zur direkten Gewinnung einer Pflanze oder von Pflanzenmaterial, welche eine zuvor gezielt in eine meristematische Zelle eingebrachte Editierung einer Nukleinsäure, jedoch nicht die hierfür zur Erzeugung der gezielten Veränderung der Nukleinsäure-Zielregion zuvor eingebrachten rekombinanten Konstrukte, umfasst. Hierfür werden neue pflanzenoptimierte Einbringungsstrategien offenbart. Weiterhin umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Durchführung eines in vitro Screening Assays, um geeignete gRNA Kandidaten vorab in vitro auf ihre Effizienz hin zu überprüfen.The present invention relates to methods and constructs for the targeted modification of a nucleic acid target region in a plant target structure. Specifically, the present invention relates to methods and constructs for direct recovery of a plant or plant material comprising a previously deliberately engineered into a meristematic cell editing of a nucleic acid, but not for this purpose to produce the targeted alteration of the nucleic acid target region previously introduced recombinant constructs. For this purpose, new plant-optimized introduction strategies are revealed. Furthermore, the present invention encompasses a method for carrying out an in vitro screening assay in order to check the efficiency of suitable gRNA candidates in vitro in advance.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Verfahren zur Herstellung einer Pflanze, eines Pflanzenmaterials oder einer pflanzlichen Zelle umfassend die Bereitstellung und Einbringung mindestens einer gRNA sowie einer Cas-Nuklease oder eines katalytisch aktiven Fragments davon und/oder einer Effektor-Domäne oder mindestens eines rekombinanten Konstruktes, umfassend eine gRNA sowie eine Cas-Nuklease oder ein katalytisch aktives Fragment davon und/oder eine Effektor-Domäne, oder die dafür kodierenden Sequenzen, sowie mindestens eine regulatorische Sequenz und/oder eine Lokalisationssequenz, in eine pflanzliche Zielstruktur, umfassend mindestens eine meristematische Zeile, wodurch direkt eine Pflanze, ein Pflanzenmaterial oder eine pflanzliche Zelle gewonnen werden kann, wobei das mindestens eine rekombinante Konstrukt vorzugsweise nicht chromosomal oder extrachromosomal integriert wird. Zudem werden geeignete rekombinante Konstrukte und Vektoren sowie Verfahren zur Einbringung dieser Konstrukte und Vektoren in eine pflanzliche Zielstruktur von Interesse offenbart. Schließlich wird die Verwendung eines rekombinanten Konstrukts zur gezielten Veränderung einer Nukleinsäure-Zielregion in einer pflanzlichen Zeile offenbart, sowie Pflanzen, Pflanzenmaterial oder eine pflanzliche Zelle, die durch die erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich oder erhalten sind. Ferner wird ein in vitro Screening Verfahren offenbart, um als Vorabtest die Funktionalität einer gRNA oder einer für eine gRNA kodierende Sequenz bezüglich der gezielten Modifikation einer spezifischen Nukleinsäure-Zielregion in einer pflanzlichen Zelle zusammen mit einer Cas-Nuklease oder einem katalytisch aktiven Fragment davon im hohen Durchsatz leicht bestimmen zu können.More particularly, the present invention relates to methods for producing a plant, plant material or plant cell comprising providing and introducing at least one gRNA and a Cas nuclease or a catalytically active fragment thereof and / or an effector domain or at least one recombinant construct a gRNA and a Cas nuclease or a catalytically active fragment thereof and / or an effector domain, or the sequences coding therefor, and at least one regulatory sequence and / or a localization sequence, into a plant target structure comprising at least one meristematic line, whereby directly a plant, a plant material or a plant cell can be obtained, wherein the at least one recombinant construct is preferably integrated non-chromosomally or extrachromosomally. In addition, suitable recombinant constructs and vectors as well as methods for introducing these constructs and vectors into a plant targeting target of interest are disclosed. Finally, the use of a recombinant construct for targeting a target nucleic acid region in a plant line, as well as plants, plant material or a plant cell, obtainable or obtained by the methods of the invention is disclosed. Further, an in vitro screening method is disclosed to preliminarily test the functionality of a gRNA or a sequence encoding a gRNA for the targeted modification of a specific nucleic acid target region in a plant cell together with a Cas nuclease or a catalytically active fragment thereof in the high Easily determine throughput.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Genom Editierung stellt ein molekularbiologisches Verfahren dar, durch welches gezielte Modifikationen wie Insertionen, Deletionen oder Punktmutationen oder Kombinationen davon in das Genom eines lebenden Organismus eingebracht werden können. Hierfür werden gezielte molekulare Instrumente benötigt, welche zum einen Nukleaseaktivität besitzen, darüber hinaus aber auch mit ausreichender Spezifität zu der zu verändernden Zielsequenz geleitet werden können, um eine gezielte und ortsgerichtete Mutagenese planen und durchführen zu können. In der Pflanzenbiotechnologie hat sich die gezielte Genome Editierung in den letzten Jahren zu einer Alternative im Vergleich zur klassischen Züchtung und zu transgenen Ansätzen entwickelt. Die bisher verfügbaren Tools wie Zink-Finger Nukleasen (ZFNs) oder „transcription activator-like effector nucleases” (TALENs) sind im Bereich der Pflanzenbiotechnologie allerdings nur begrenzt eingesetzt worden, was an der teilweise niedrigen Effizienz, aber auch an schwierigem und aufwendigem Design der Konstrukte liegt.Genome editing is a molecular biology method by which targeted modifications such as insertions, deletions or point mutations or combinations thereof can be introduced into the genome of a living organism. For this purpose, targeted molecular instruments are needed which, on the one hand, have nuclease activity, but can also be conducted with sufficient specificity to the target sequence to be modified, in order to be able to plan and carry out targeted and site-directed mutagenesis. In plant biotechnology, targeted genome editing has become an alternative over the past few years to classical breeding and transgenic approaches. The tools available to date, such as zinc finger nucleases (ZFNs) or transcription activator-like effector nucleases (TALENs), have only been used to a limited extent in the field of plant biotechnology, due in part to the low efficiency, but also to the difficult and complex design of the Constructs lies.
Ein weiteres molekulares Werkzeug, welches in den letzten Jahren gehäuft zur präzisen und ortsgerichteten Genommodifikation eingesetzt wurde, sind Cas-Nuklease-basierte Systeme. Diese Nukleasen sind Teil des nunmehr in der Literatur als „CRISPR/Cas” bezeichneten Systems (Clustered regularly interspaced short palindromic repeat/CRISPR-assoziierte Gene). Dieses System wurde ursprünglich 1987 bei Analyse des Kap Gens von E. coli identifiziert, wobei natürlich vorkommende Wiederholungssequenzen im bakteriellen Genom identifiziert wurden. Später wurde herausgefunden, dass diese palindromischen DNA-Widerholungssequenzen von 20 bis 50 Nukleotiden einem Muster folgen. Hierauf wurde das Akronym CRISPR geprägt (
Durch die funktionelle Charakterisierung erfolgte auch die schrittweise Nutzung des Systems als universelles Werkzeug zur Genommodifikation höherer Organismen. Zwischenzeitlich ist eine Vielzahl von CRISPR/Cas Systemen, einschließlich eines Typ-II Systems, beschrieben (siehe etwa
Durch die Entdeckung und Nutzbarmachung des bakteriellen Typ-II CRISPR Systems steht ein weiteres „Genome Editing” System mit großem Potential zur Verfügung.The discovery and utilization of the bacterial Type-II CRISPR System provides another "genome editing" system with great potential.
Das CRISPR/Cas System erlaubt es, durch eine kleine individuell anpassbare nicht kodierende RNA (guide RNA bzw. gRNA) in Kombination mit einer Cas-Nuklease einen gezielten DNA Doppelstrangbruch zu erzeugen. Die in natürlichen Systemen durch CRISPR/Cas vermittelte Immunantwort benötigt CRISPR-RNA (crRNA), wobei die Maturierung dieser Leit-RNA, welche die gezielte Aktivierung der Cas-Nuklease steuert, zwischen den unterschiedlichen derzeit charakterisierten CRISPR Systemen deutlich variiert. Zunächst wird die invadierende DNA, welche auch „Spacer” genannt wird, zwischen zwei aneinander liegenden Repeat-Regionen am proximalen Ende des CRISPR Lokus integriert. Typ-II CRISPR Systeme kodieren als Schlüsselenzym für den Interferenzschritt eine Cas9-Nuklease, welche sowohl eine crRNA als auch eine trans-aktivierende RNA (tracrRNA) als Leitmotiv benötigt. Diese hybridisieren und bilden doppelsträngige (ds) RNA Regionen, welche von RNAseIII erkannt und gespalten werden können, um reife crRNAs zu bilden. Diese wiederum assoziieren dann mit dem Cas-Molekül, um die Nuklease gerichtet zur Nukleinsäure-Zielregion zu führen. Rekombinante gRNA Moleküle können sowohl die variable DNA-Erkennungs- als auch die Cas-Interaktionsregion umfassen und somit abhängig von der konkreten Ziel-Nukleinsäure und der gewünschten Cas-Nuklease gezielt entworfen werden. Als weiterer Sicherheitsmechanismus müssen in der Nukleinsäure-Zielregion zudem PAMs (protospacer adjacent motifs), DNA-Sequenzen, welche direkt vom Cas9/RNA-Komplex erkannter DNA folgen, vorhanden sein. So lautet die PAM-Sequenz für die Cas9 aus Streptococcus pyogenes etwa „NGG” oder „NAG” (Standard IUPAC Nukleotid-Code) (
Durch den natürlichen Reparaturmechanismus der Pflanzenzelle wird der DNA Doppelstrangbruch entweder durch „non-homologous end joining” (NHEJ) oder „homology-directed repair” (HDR) bzw. homologe Rekombination (HR) repariert. Darüber hinaus wurden in Pflanzen auch sogenannte Alternative end-joining Wege (AEJ) beschrieben (
Anders als die genetische Veränderung bakterieller Genome stellt die Modifikation von komplexen eukaryontischen Genomen eine größere Herausforderung dar, da auf Grund der Komplexität dieser Genome molekulare Werkzeuge bereitgestellt werden müssen, welche eine zielgenaue Genommodifikation ohne unerwünschte Off-Target-Effekte, d. h. unerwünschte Mutationen oder Modifikationen innerhalb des Genoms oder der nicht genomischen DNA der Zielzelle, bewirken.Unlike the genetic modification of bacterial genomes, modification of complex eukaryotic genomes poses a greater challenge, because of the complexity of these genomes, molecular tools need to be provided which allow for targeted genome modification without undesired off-target effects, i.e., inefficiencies. H. cause undesired mutations or modifications within the genome or non-genomic DNA of the target cell.
Aus
Eine Übersicht zum aktuellen Status der Entwicklung des Einsatzes der CRISPR/Cas Technologie zur Genom Editierung von Pflanzengenomen findet sich in
Weiterhin beschreibt Guilinger et al. Fokl-Nukleasen, welche wie Nickasen verwendet werden, und damit eine höhere Spezifität erzeugen (
Mali et al 2013 bezieht sich auf die Verwendung des CRISPR/Cas Systems in humanen Zellen, wobei hier Nuklease-Null Varianten von Cas9 oder Aptamer-gekoppelte gRNAs zum Einsatz kommen, welche an transkriptionelle Aktivatordomänen fusioniert sein können (
Zusammenfassend sind viele der heute verwendeten Ansätze im pflanzlichen Bereich nur temporär und/oder räumlich begrenzt (transient) dahingehend, dass Mutationen in bereits ausdifferenzierten Zellen, z. B. in Blättern, bewirkt werden, diese Mutationen jedoch nicht über die Keimbahn weitervererbt werden. Des Weiteren gibt es Ansätze, die eine stabile Integration der kodierenden Sequenzen inklusive der hierfür erforderlichen regulatorischen Sequenzen wie Promotoren und Terminatoren ins Genom voraussetzen, über diese dann eine stabile Mutation erzeugt werden kann, die von Generation zu Generation vererbt wird. Hierbei sind jedoch die CRISPR/Cas Werkzeuge nach wie vor im Genom der Pflanze und dadurch auch potentieller Pflanzenprodukte wie Früchte und Samen enthalten, was bezüglich der Risikobewertung der entsprechenden Produkte unerwünscht ist.In summary, many of the plant-based approaches used today are only temporary and / or spatially limited (transient) in that mutations in already differentiated cells, e.g. In leaves, but these mutations are not transmitted through the germ line. Furthermore, there are approaches that require a stable integration of the coding sequences, including the required regulatory sequences such as promoters and terminators into the genome, over which then a stable mutation can be generated, which is inherited from generation to generation. However, the CRISPR / Cas tools are still included in the genome of the plant and thereby also potential plant products such as fruits and seeds, which is undesirable in the risk assessment of the corresponding products.
Demnach ist der CRISPR/Cas Ansatz in der Pflanzenbiotechnologie nach wie vor von einer niedrigen Effizienz, aber auch einem schwierigen und aufwendigen Design der Konstrukte gekennzeichnet, sowie dem häufigen Auftreten von Off-Target Effekten. Zudem basieren viele der derzeitigen Ansätze darauf, die CRISPR/Cas Werkzeuge entweder stabil in das Genom einer Pflanzenzelle zu integrieren oder in Zellen eines ausdifferenzierten Gewebes, etwa in Blätter, einzuführen. Folglich werden bei dem stabilen Ansatz zum einen auch die einzelnen Werkzeuge wie beispielsweise die Cas9, und nicht nur die von ihnen bewirkten gezielten DNA-Veränderungen, an die Nachkommen vererbt. Bei der Transformation in ausdifferenzierte Zellen und Gewebe wird die durch die CRISPR/Cas Werkzeuge eingeführte Mutation nur in den jeweiligen Zellen wirksam, kann jedoch nicht über die Keimbahn weitervererbt werden.Therefore, the CRISPR / Cas approach in plant biotechnology is still characterized by low efficiency, but also a difficult and expensive design of the constructs, as well as the frequent occurrence of off-target effects. In addition, many of the current approaches are based on either integrating the CRISPR / Cas tools stably into the genome of a plant cell or introducing them into cells of a differentiated tissue, such as leaves. Consequently, in the stable approach, on the one hand, the individual tools, such as the Cas9, and not only the targeted DNA changes they cause, are inherited to the offspring. When transformed into differentiated cells and tissues, the mutation introduced by the CRISPR / Cas tools will only be effective in the respective cells, but can not be inherited via the germline.
Im Hinblick auf die Auswahl geeigneter gRNAs existieren zwar bereits erste in silico Werkzeuge, welche es erlauben, geeignete gRNAs zu identifizieren und danach herzustellen (siehe etwa:
Es besteht somit ein anhaltendes Bedürfnis nach der Etablierung von transienten und zudem optional induzierbaren Verfahren und Konstrukten, basierend u. a. auf gRNAs und Cas-Nukleasen oder gRNAs und anderen Effektor-Domänen, zur Erwirkung einer gewünschten Veränderung einer Zielsequenz in einer pflanzlichen Zielzelle, wobei nur die Veränderung der Zielsequenz, jedoch nicht die Konstrukte an die Nachkommen weitergegeben werden. Zudem besteht ein großes Bedürfnis danach, ein CRISPR/Cas basiertes Verfahren bereitzustellen, das die Möglichkeit eröffnet, direkt eine Keimbahnveränderung in einer pflanzlichen Zelle oder einem pflanzlichen Gewebe durchzuführen, sodass die Veränderung vererbbar ist und an der Pflanze, die aus der veränderten Pflanzenzelle oder dem Gewebe resultiert, unmittelbar Saatgut geerntet werden kann, welches die gezielte Genommodifikation enthält, ohne aufwendige und kostspielige Zwischenschritte beschreiten zu müssen. Schließlich besteht ein Bedürfnis, das RNA-dirigierte DNA-Modifikationssystem, welches durch die CRISPR/Cas Werkzeuge bereitgestellt wird, gezielt zu erweitern, indem nicht nur genomische Zielstrukturen, sondern jegliche Nukleinsäure als Zielstruktur, nicht nur im Genom einer Zelle, sondern etwa auch im Zytosol oder in Plastiden, kontrolliert modifiziert werden kann. Hierzu existiert derzeit zudem ein Bedürfnis, geeignete Einbringungssysteme bereitzustellen, welche die gezielte Einbringung der CRISPR/Cas Werkzeuge und dadurch die gezielte Modifikation einer Zielregion innerhalb einer pflanzlichen Zielstruktur erlauben.Thus, there is a continuing need to establish transient and also optionally inducible methods and constructs based, inter alia, on gRNAs and Cas nucleases or gRNAs and other effector domains to obtain a desired alteration of a target sequence in a plant target cell, with only the Change in the target sequence, but not the constructs are passed on to the offspring. In addition, there is a great need to provide a CRISPR / Cas based method that provides the ability to directly make a germline change in a plant cell or plant tissue so that the mutation is inheritable and on the plant derived from the altered plant cell or plant Tissue results, directly seed can be harvested, which contains the targeted genommodification, without having to go through expensive and costly intermediate steps. Finally, there is a need to selectively extend the RNA-directed DNA modification system provided by the CRISPR / Cas tools, by targeting not only genomic target structures but any nucleic acid targeting not only the genome of a cell but also the cell Cytosol or in plastids, can be modified in a controlled manner. For this purpose, there is currently a need, appropriate To provide delivery systems that allow the targeted introduction of the CRISPR / Cas tools and thereby the targeted modification of a target region within a plant target structure.
Weiterhin besteht ein Bedürfnis nach effizienten in vitro Screening Verfahren, welche es ermöglichen, die Effektivität einer gRNA innerhalb einer pflanzlichen Zelle in einem in vitro Assay im hohen Durchsatz zu überprüfen und verlässlich vorherzusagen, um dadurch kostspielige und langwierige Ansätze mit pflanzlichem Material zu vermeiden.Furthermore, there is a need for efficient in vitro screening methods which make it possible to check and reliably predict the effectiveness of a gRNA within a plant cell in an in vitro assay, thereby avoiding costly and lengthy plant material approaches.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, Verfahren und molekulare Werkzeuge bereitzustellen, welche die transiente Transformation von pflanzlichem Gewebe oder von pflanzlichen Zellen, speziell von meristematischen Zellen, und dadurch die kontrollierte Veränderung einer beliebigen Nukleinsäure-Zielregion in einem beliebigen pflanzlichen zellulären Kompartiment zu erlauben. Ebenso war es eine Aufgabe, geeignete Einbringungsverfahren für die molekularen Werkzeuge gemäß der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Zudem sollten geeignete in vitro Screening Assays bzw. Tests bereitgestellt werden, sodass geeignete funktionale gRNAs vorab bereits in vitro identifiziert werden können, um den anschließenden Aufwand in planta oder in vitro in pflanzlichem Gewebe effizient reduzieren zu können.It is therefore an object of the present invention to provide methods and molecular tools which allow the transient transformation of plant tissue or cells, especially meristematic cells, and thereby the controlled alteration of any target nucleic acid region in any plant cellular compartment allow. It was also an object to provide suitable delivery methods for the molecular tools of the present disclosure. In addition, suitable in vitro screening assays or tests should be provided, so that suitable functional gRNAs can be identified in advance in vitro in order to efficiently reduce the subsequent effort in planta or in vitro in plant tissue.
Es war Ziel, die oben genannten Vorteile in einem System, welches breit in der Pflanzenbiotechnologie anwendbar ist, zu vereinigen.The aim was to combine the above advantages in a system that is broadly applicable in plant biotechnology.
Diese Aufgabe wird durch die hierin bereitgestellten Verfahren und Konstrukte gemäß dem Gegenstand der beigefügten Ansprüche und ferner wie hierin in der Beschreibung, den Figuren und dem beigefügten Sequenzprotokoll detailliert dargelegt, gelöst. Die Aufgabe wird speziell durch die Bereitstellung eines Verfahrens umfassend die Transformation oder Transfektion von mindestens einer meristematischen Zelle gelöst. Darüber hinaus wird die Aufgabe durch die Bereitstellung von rekombinanten Konstrukten gelöst, welche gezielt modifizierte CRISPR/Cas-Werkzeuge und/oder weitere Effektor-Domänen umfassen. Schließlich wird die Aufgabe durch die Bereitstellung von geeigneten regulatorischen Sequenzen und Lokalisationssequenzen gelöst, welche es erlauben, das rekombinante Konstrukt von Interesse kontrolliert in ein beliebig ansteuerbares Kompartiment einer pflanzlichen Zielstruktur von Interesse zu dirigieren.This object is achieved by the methods and constructs provided herein according to the subject-matter of the appended claims and further as set forth in detail herein in the specification, figures and attached sequence listing. The object is specifically achieved by providing a method comprising the transformation or transfection of at least one meristematic cell. In addition, the object is achieved by the provision of recombinant constructs comprising specifically modified CRISPR / Cas tools and / or other effector domains. Finally, the object is achieved by the provision of suitable regulatory sequences and localization sequences which allow the recombinant construct of interest to be directed into an arbitrarily controllable compartment of a plant target of interest.
Hierdurch kann mindestens eine gezielte Veränderung in jeglicher Nukleinsäure-Zielregion in einem beliebigen Kompartiment einer pflanzlichen Zelle, insbesondere einer meristematischen pflanzlichen Zelle, erzielt werden. Da die so veränderte mindestens eine meristematische Zelle die gezielte Veränderung in der Nukleinsäure-Zielregion durch die anschließende Zellteilung und Differenzierung unmittelbar und direkt an ihre Nachkommen weitergeben kann und/oder sie das Potential besitzt, dass aus der meristematischen Zelle ein ganzer veränderter pflanzlicher Organismus heranreift, kann so die Bereitstellung einer Pflanze oder von Pflanzenmaterial oder einer pflanzlichen Zelle erreicht werden, ohne komplexe weitere Kultivierungs- oder Kreuzungs- und Selektionsschritte (vor allem komplexe Rückkreuzungsregime) einschlagen zu müssen. Vielmehr kann aus der mindestens einen so veränderten meristematischen Zielzelle unmittelbar und direkt eine Pflanze, Pflanzenmaterial oder eine pflanzliche Zelle gewonnen werden. Hierdurch ist es möglich, gRNA(s) und/oder Cas-Nuklease(n) oder ein oder mehrere katalytisch aktive(s) Fragment(e) davon und/oder weitere Effektor-Domänen) nur transient in den Meristemen zu produzieren bzw. bereitzustellen bzw. aktivieren, wobei diese rekombinanten Makromoleküle vorzugsweise anschließend, d. h. nachdem gRNA(s) und/oder Cas-Nuklease(n) oder ein oder mehrere katalytisch aktive(s) Fragment(e) davon und/oder weitere Effektor-Domäne(n) die gewünschte Wirkung erfüllt haben, degradiert werden, da keine Integration davon ins Genom oder endogene extrachromosomale DNA stattfindet, was auf Grund regulatorischer Aspekte und der Risikobewertung des Pflanzenprodukts vorteilhaft sein kann. Die hierin verwendeten Cas-Nukleasenoder katalytisch aktiven Fragmente davon können auch eine oder mehrere Mutation(en) in der katalytischen Domäne, welche für die DNA-(Doppel- bzw. Einzelstrang)spaltung verantwortlich ist, enthalten. Dies resultiert in einem breiten Anwendungsspektrum der Cas-Nuklease oder des katalytisch aktiven Fragments davon und, etwa im Fall von Cas-basierten Nickasen, auf einer höheren Spezifität der Bindung, da zwei CRISPR/Cas Konstrukte zum Einsatz kommen, um beide Einzelstränge des DNA-Doppelstrangs an der gewünschten Stelle zu spalten. Auch Cas-null Varianten werden hierin vorgeschlagen sowie deren kombinierter Einsatz mit weiteren Effektor-Domänen zur Optimierung einer gezielten Nukleinsäure-Editierung.In this way, at least one targeted change in any nucleic acid target region in any compartment of a plant cell, in particular a meristematic plant cell can be achieved. Since the thus altered at least one meristematic cell can directly and directly pass on the targeted change in the nucleic acid target region to its offspring through the subsequent cell division and differentiation and / or if it has the potential for a whole altered plant organism to mature from the meristematic cell, Thus, the provision of a plant or plant material or a plant cell can be achieved without complex further cultivation or crossing and selection steps (especially complex backcrossing regimes) must take. Rather, a plant, plant material or a plant cell can be obtained directly and directly from the at least one so-modified meristematic target cell. This makes it possible to produce or provide gRNA (s) and / or Cas nuclease (s) or one or more catalytically active fragment (s) thereof and / or further effector domains only transiently in the meristems or activate, these recombinant macromolecules preferably then, d. H. after gRNA (s) and / or Cas nuclease (s) or one or more catalytically active fragment (s) thereof and / or further effector domain (s) have fulfilled the desired effect, are degraded because no integration of which into the genome or endogenous extrachromosomal DNA takes place, which may be advantageous on the basis of regulatory aspects and the risk assessment of the plant product. The Cas nucleases or catalytically active fragments thereof used herein may also contain one or more mutations in the catalytic domain responsible for DNA (single strand) cleavage. This results in a broad spectrum of applications of the Cas nuclease or the catalytically active fragment thereof and, as in the case of Cas-based nickases, a higher specificity of binding, since two CRISPR / Cas constructs are used to separate both single strands of DNA Double strand to split at the desired location. Cas-null variants are also proposed herein, as well as their combined use with other effector domains to optimize targeted nucleic acid editing.
Darüber hinaus wurde gefunden, dass durch die Ausnutzung des Wirkmechanismus der CRISPR/Cas-Werkzeuge auch weitere Effektor-Domänen wie DNA- bzw. RNA- bzw. Histon-modifizierende oder DNA- bzw. RNA- bzw. Histon-bindende Polypeptide oder Nukleinsäuren, umfassend zum Beispiel alle Arten von monomeren, dimeren oder multimeren Nukleasen, umfassend Nickasen, Aktivatoren und Repressoren der Transkription, Phosphatasen, Glykosylasen, oder Enzyme, welche epigenetische Veränderungen bewirken können, wie Methylasen, Acetylasen, Methyltransferasen oder Histon-Deacetylasen, Aptamere, umfassend einzelsträngige DNA- oder RNA-Sequenzen sowie Peptide, fluoreszierende Proteine, Proteine zur Biolumineszenz, Markernukleinsäure- oder Markeraminosäuresequenzen, und dergleichen, und Kombinationen davon gemäß den hierin bereitgestellten Verfahren eingesetzt werden können, wodurch sich das Spektrum der bekannten gezielten Genom-Editierung hin zu einer allgemeinen Nukleinsäure-Editierung, die nicht auf genomische DNA per se beschränkt ist, verbreitern lässt.In addition, it has been found that by exploiting the mechanism of action of the CRISPR / Cas tools also other effector domains such as DNA or RNA or histone-modifying or DNA or RNA or histone-binding polypeptides or nucleic acids, comprising for example all types of monomeric, dimeric or multimeric nucleases, comprising nickases, activators and repressors of transcription, phosphatases, glycosylases, or enzymes capable of causing epigenetic alterations, such as methylases, acetylases, methyltransferases or histone deacetylases, aptamers comprising single-stranded DNA or RNA sequences and peptides, fluorescent proteins, bioluminescence proteins, marker nucleic acid or marker amino acid sequences, and the like, and combinations thereof can be employed according to the methods provided herein, thereby changing the spectrum of known targeted genome editing towards general nucleic acid editing that is not is restricted to genomic DNA per se.
Die vorliegende Offenbarung bietet somit die Möglichkeit, den CRISPR/Cas-Mechanismus dahingehend auszuweiten, dass nicht nur die nukleolytische Spaltung von DNA, sondern auch eine beliebige Modifikation von genomischer DNA, z. B. die epigenetische Veränderung, sowie von RNA in pflanzlichen Zellen (wie beispielsweise mRNA) ermöglicht wird.The present disclosure thus offers the opportunity to extend the CRISPR / Cas mechanism to include not only nucleolytic cleavage of DNA, but also any modification of genomic DNA, e.g. As the epigenetic change, as well as RNA in plant cells (such as mRNA) is made possible.
Durch den Einsatz weiterer regulatorischer Sequenzen, umfassend Promotoren, Teminatoren, Transkriptionsfaktorbindestellen oder Introns, und/oder von Lokalisationssequenzen, umfassend Kern-, Mitochondrien- und Plastidenlokalisationssequenzen, stellt die vorliegende Offenbarung zudem die Möglichkeit bereit, jegliche Nukleinsäure-Zielregion einer pflanzlichen Zielstruktur gezielt zu modifizieren, wodurch zum Beispiel auch mitochondriale und Plastiden-DNA als Ziel der Editierung fungieren kann. Darüber hinaus eröffnet sich auch die Möglichkeit der gezielten Veränderung von RNA, z. B. von mRNA, wobei auch hier die gRNA-dirigierte Sequenzerkennung, welche dem CRISPR/Cas-System zu Grunde liegt, ausgenutzt und gemäß der vorliegenden Offenbarung „umprogrammiert” wird, um den Anwendungsbereich der CRISPR/Cas-Technologie zu erweitern.In addition, by employing additional regulatory sequences including promoters, terminators, transcription factor binding sites or introns, and / or localization sequences comprising nuclear, mitochondrial and plastid localization sequences, the present disclosure provides the ability to purposely modify any target nucleic acid region of a plant targeting structure which, for example, also allows mitochondrial and plastid DNA to act as the target of editing. In addition, the possibility of targeted modification of RNA, z. MRNA, again exploiting gRNA-directed sequence recognition underlying the CRISPR / Cas system and "reprogramming" it in accordance with the present disclosure to extend the scope of CRISPR / Cas technology.
Hierin werden auch Verfahren und Konstrukte bereitgestellt, bei welchen gRNA und/oder Cas-Nuklease oder das katalytisch aktive Fragment davon bereits verknüpft mit einer weiteren Effektor-Domäne auf einem rekombinanten Konstrukt bereitgestellt werden.Also provided herein are methods and constructs wherein gRNA and / or Cas nuclease or the catalytically active fragment thereof are already provided linked to another effector domain on a recombinant construct.
Weiterhin wird ein Verfahren bereitgestellt, bei welchem die mindestens eine gRNA sowie die mindestens eine Cas-Nuklease oder das katalytisch aktive Fragment davon und/oder die mindestens eine weitere Effektor-Domäne separat auf unterschiedlichen rekombinanten Konstrukten bereitgestellt werden. Gemäß dieses Verfahrens kann die gRNA-Komponente als DNA oder RNA bereitgestellt werden, die Cas-Nuklease oder Variante davon oder das katalytisch aktive Fragment davon kann als DNA oder RNA oder als Polypeptidsequenz bereitgestellt werden und die Effektor-Domäne kann als DNA oder RNA oder als Polypeptidsequenz bereitgestellt werden.Furthermore, a method is provided in which the at least one gRNA and the at least one Cas nuclease or the catalytically active fragment thereof and / or the at least one further effector domain are provided separately on different recombinant constructs. According to this method, the gRNA component can be provided as DNA or RNA, the Cas nuclease or variant thereof or the catalytically active fragment thereof can be provided as DNA or RNA or as polypeptide sequence and the effector domain can be expressed as DNA or RNA or as Polypeptidsequenz be provided.
Zudem war es eine Aufgabe, durch die Etablierung pflanzenspezifischer Konstrukte und Verfahren die Möglichkeit bereitzustellen, die Konstrukte gezielt, etwa induzierbar oder gewebe- oder organellspezifisch, bereitzustellen und unerwünschte Off-Target Effekte zu minimieren. Schließlich stellte es eine Aufgabe dar, Verfahren und Konstrukte zu entwerfen, die nicht nur die Möglichkeit effizienter Gen-Knock-Ins, sondern beispielweise auch gerade die Möglichkeit spezifischer Gen-Knock-Outs, von Insertionen von genetischen Fragmenten, spezifischer epigenetischer Modifikationen, der Einführung von Punktmutationen, Acetylierungen, Methylierungen, Phosphorylierung, Glykosylierungen, Markierungen durch Resistenzmarker oder fluoreszierende Proteine, Aktivierung oder Reprimierung der Transkription, gezielter Spaltung von doppelsträngiger oder einzelsträngiger Nukleinsäuren, der Bindung von Nukleinsäuren und dergleichen bieten, sodass ein breiter Einsatzbereich in der Pflanzenzüchtung eröffnet wird. Aus züchterischer wie regulatorischer Sicht ist es wünschenswert, sowohl eine stabile Vererbbarkeit eines durch die Modifikation bewirkten Merkmals über mindestens eine Generation hinweg bei gleichzeitiger Abwesenheit der hierfür erforderlichen Konstrukte des CRISPR/Cas-Systems in der resultierenden Pflanze oder den resultierenden pflanzlichen Zellen zu ermöglichen.In addition, it was an object, by establishing plant-specific constructs and methods, to provide the possibility of providing the constructs in a targeted manner, such as inducible or tissue or organelle-specific, and to minimize undesired off-target effects. Finally, it was an object to design procedures and constructs that not only allow the possibility of efficient gene knock-ins, but also, for example, the very possibility of specific gene knock-outs, of insertions of genetic fragments, of specific epigenetic modifications, of introduction Of point mutations, acetylations, methylations, phosphorylation, glycosylations, markers by resistance markers or fluorescent proteins, activation or repression of transcription, targeted cleavage of double-stranded or single-stranded nucleic acids, the binding of nucleic acids and the like offer, so that a broad field of application in plant breeding is opened. From a breeding as well as a regulatory point of view, it is desirable to enable stable inheritance of a feature caused by the modification for at least one generation in the simultaneous absence of the necessary constructs of the CRISPR / Cas system in the resulting plant or the resulting plant cells.
Schließlich war es eine Aufgabe, ein in vitro Screening Verfahren zur Identifizierung einer gRNA oder einer für eine gRNA kodierende Sequenz in einem in vitro Assay, zur Identifizierung einer gRNA oder einer für eine gRNA kodierende Sequenz, die geeignet ist, zusammen mit einer Cas-Nuklease oder einem katalytisch aktiven Fragment davon eine Nukleinsäure-Zielregion in einer pflanzlichen Zelle gezielt zu modifizieren.Finally, it was an object to provide an in vitro screening method for identifying a gRNA or a sequence encoding a gRNA in an in vitro assay for identifying a gRNA or a sequence encoding a gRNA that is suitable, together with a Cas nuclease or a catalytically active fragment thereof, to selectively modify a nucleic acid target region in a plant cell.
Konkrete Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den Beispielen, den Figuren, dem Sequenzprotokoll sowie insbesondere den beigefügten Patentansprüchen.Concrete aspects and embodiments of the present invention will become apparent from the following detailed description and examples, the drawings, the sequence listing, and more particularly the appended claims.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Ausführliche BeschreibungDetailed description
Definitionendefinitions
Der Begriff Pflanze oder pflanzliche Zelle, wie hierin verwendet, bezieht sich auf pflanzliche Organismen, Pflanzenorgane, differenzierte und undifferenzierte Pflanzengewebe, Pflanzenzellen, Samen und deren Abkömmlinge oder Nachkommen. Pflanzliche Zellen umfassen z. B. Zellen von Samen, reifen und unreifen Embryonen, meristematischen Geweben, Keimlingen, Kallusgeweben, Blättern, Blüten, Wurzeln, Pflanzensprossen, Gametophyten, Sporophyten, Pollen und Mikrosporen, Protoplasten, Makroalgen und Mikroalgen.The term plant or plant cell as used herein refers to plant organisms, plant organs, differentiated and undifferentiated plant tissues, plant cells, seeds and their progeny or progeny. Plant cells include, for. Cells of seeds, mature and immature embryos, meristematic tissues, seedlings, callus tissues, leaves, flowers, roots, shoots, gametophytes, sporophytes, pollen and microspores, protoplasts, macroalgae and microalgae.
Pflanzenmaterial, wie hierin verwendet, bezieht sich auf jegliches Material, das von einer Pflanze in einem beliebigen Entwicklungsstadium gewonnen werden kann. Der Begriff umfasst somit pflanzliche Zellen, Gewebe und Organe sowie ausgebildete Pflanzenstrukturen sowie ebenfalls subzelluläre Komponenten wie Nukleinsäuren, Polypeptide, sowie alle chemischen Pflanzenstoffe, die innerhalb einer Pflanzenzelle vorliegen und/oder von dieser produziert werden können.Plant material, as used herein, refers to any material that can be recovered from a plant at any stage of development. The term thus includes plant cells, Tissues and organs and trained plant structures as well as subcellular components such as nucleic acids, polypeptides, and all chemical plant substances that are present within a plant cell and / or can be produced by this.
Der Begriff chromosomal oder extrachromosomal integriert, wie hierin verwendet, bezieht sich auf die transiente Einbringung und/oder die Gestaltung des einen bzw. der mehreren rekombinanten Konstrukts/Konstrukte gemäß der vorliegenden Erfindung und damit auf das anschließende Schicksal des einen bzw. der mehreren rekombinanten Konstrukts/Konstrukte in einer pflanzliche Zielstruktur, z. B. einer Zelle, wobei sowohl das eine bzw. die mehreren rekombinanten Konstrukt(e) als auch die Bedingungen zur Einbringung davon derart gehalten sind, dass keine Integration des mindestens einen rekombinanten Konstrukts in das endogene Nukleinsäurematerial einer pflanzlichen Zielstruktur, umfassend das Genom oder extrachromosomale Nukleinsäuren der pflanzlichen Zielstruktur, z. B. einer Zelle, stattfindet, sodass das mindestens eine rekombinante Konstrukt nicht chromosomal oder extrachromosomal integriert in die endogene DNA/RNA der Zielzelle und somit nicht an die Nachkommen der Zelle weitergegeben wird. Das eine bzw. die mehreren rekombinante(n) Konstrukt(e) oder dessen Transkriptions- bzw. Translationsprodukte liegen somit nur vorübergehend, d. h. transient, konstitutiv oder induzierbar, aktiv in der Zielzelle vor, sind aber nicht an die Nachkommen der Zielzelle vererbbar, d. h. sie liegen auch nicht in den Nachkommen einer Zielzelle aktiv vor.The term chromosomally or extrachromosomally integrated, as used herein, refers to the transient introduction and / or design of the one or more recombinant constructs according to the present invention, and thus to the subsequent fate of the one or more recombinant constructs / Constructs in a plant target structure, eg. A cell, wherein both the one or more recombinant construct (s) and conditions for delivery thereof are such that no integration of the at least one recombinant construct into the endogenous nucleic acid material of a plant target structure comprising the genome or extrachromosomal Nucleic acids of the plant target structure, eg. As a cell takes place, so that the at least one recombinant construct is not chromosomally or extrachromosomally integrated into the endogenous DNA / RNA of the target cell and thus not passed on to the offspring of the cell. The one or more recombinant construct (s) or its transcription or translation products are thus only transient, d. H. transient, constitutive or inducible, active in the target cell, but are not inheritable to the progeny of the target cell, i. H. they are also not active in the offspring of a target cell.
Der Begriff Abkömmling oder Nachkomme, wie hierin verwendet, bezeichnet im Kontext eines rekombinanten Mikroorganismus, einer Pflanze oder einer Zelle gemäß der vorliegenden Offenbarung die Nachkommen eines solchen Organismus oder einer solchen Zelle, welche durch natürliche reproduktive ungeschlechtliche Zellteilungs- und Differenzierungsvorgänge aus dem Ursprungsorganismus oder der Ursprungszelle hervorgehen. Es ist dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt, dass im Zuge der Zellteilung und Differenzierung auf natürliche Weise Mutationen ins Genom eines Organismus eingeführt werden können, wodurch sich der Abkömmling oder der Nachkomme genomisch vom Elternorganismus unterscheidet, jedoch nach wie vor der gleichen (Sub-)Spezies zugeordnet werden kann. Auch derartige durch natürliche Vorgänge veränderte Abkömmlinge, welche neben der gezielt eingebrachten Veränderung weitere Veränderungen in anderen DNA-Regionen tragen sind daher vom Begriff Abkömmling oder Nachkomme gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst.The term progeny or descendant, as used herein, in the context of a recombinant microorganism, plant or cell according to the present disclosure, refers to the progeny of such organism or cell produced by natural reproductive asexual cell division and differentiation processes from the parent organism or the Origin cell emerge. It is known to those skilled in the art that in the course of cell division and differentiation naturally mutations can be introduced into the genome of an organism, whereby the descendant or offspring genomically differs from the parent organism, but still the same (sub-) Species can be assigned. Also, such naturally-altered progeny which, in addition to the deliberately introduced alteration, carry further alterations in other DNA regions are therefore included within the term progeny or descendant according to the present disclosure.
Der Begriff Vektor oder Vektorsystem, wie hierin verwendet, bezieht sich auf ein Transportmittel, um ein rekombinantes Konstrukt, umfassend Nukleinsäuren oder auch Polypeptide sowie gegebenenfalls weitere Sequenzen wie regulatorische Sequenzen oder Lokalisationssequenzen, direkt oder indirekt in eine gewünschte Zielzelle bzw. pflanzliche Zielstruktur in das erwünschte zelluläre Kompartiment einbringen zu können. Die direkte Einbringung erfolgt direkt in eine pflanzliche Zielzelle bzw. pflanzliche Zielstruktur, welche Nukleinsäuren enthält, die gemäß der vorliegenden Offenbarung gezielt verändert werden sollen. Die indirekte Einbringung umfasst die Einbringung in eine Struktur, z. B. Zellen von Blätter oder weitere pflanzliche Organe und Gewebe, welche zwar nicht direkt die pflanzliche Zielzelle von Interesse umfassen, wodurch jedoch die systemische Ausbreitung und Weiterleitung des Vektors, umfassend ein rekombinantes Konstrukt gemäß der vorliegenden Offenbarung, in die pflanzliche Zielstruktur, z. B. meristematische Gewebe oder Zellen oder Stammzellen, gewährleistet wird. Der Begriff Vektor oder Vektorsystem, wie hierin verwendet, umfasst im Kontext der Transfektion von Aminosäuresequenzen geeignete Agenzien zur Peptid- oder Proteintransfektion wie z. B. ionische Lipidmischungen oder Agenzien, die zur Transfektion einer Nukleinsäure geeignet sind, wie z. B. Trägermaterialen, durch welche Nukleinsäure- und Aminosäuresequenzen mittels Partikel-Beschuss in eine Zelle eingeführt werden können, wie z. B. Gold- und Wolframpartikel. Ferner umfasst dieser Begriff speziell bei der Anwendung der hierin offenbarten Verfahren und Konstrukte auch virale Vektoren, d. h. modifizierte Viren, wie zum Beispiel solche, welche aus einem der folgenden Viren stammen: Maize Streak Virus (MSV), Barley Stripe Mosaic Virus (BSMV), Brome Mosaic virus (BMV), Maize stripe virus (MSpV), Maize rayado fino virus (MYDV), Maize yellow dwarf virus (MYDV), Maize dwarf mosaic virus (MDMV) und bakterielle Vektoren, wie zum Beispiel Agrobacterium spp., wie zum Beispiel Agrobacterium tumefaciens. Schließlich umfasst der Begriff auch geeignete Transportmittel zur Einführung von linearen Nukleinsäuren (einzel- oder doppelsträngig) in eine Zielzelle. Dem Fachmann auf dem Gebiet sind in Kenntnis der hierin offenbarten Konstrukte alle weiteren Sequenzen bekannt, über welche ein Vektor verfügen muss, um in einer erwünschten Zielzelle funktional zu sein. Auch die gängige Herstellung, Aufarbeitung und Anwendung derartiger Vektoren ist dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt.The term vector or vector system as used herein refers to a means of transport to a recombinant construct comprising nucleic acids or also polypeptides and optionally further sequences such as regulatory sequences or localization sequences, directly or indirectly into a desired target cell or plant target structure in the desired To be able to bring in cellular compartment. The direct introduction takes place directly into a plant target cell or plant target structure, which contains nucleic acids which are to be selectively modified according to the present disclosure. Indirect incorporation involves incorporation into a structure, e.g. Cells of leaves or other plant organs and tissues which, while not directly encompassing the plant target cell of interest, however, prevent the systemic spread and propagation of the vector comprising a recombinant construct according to the present disclosure into the plant target structure, e.g. As meristematic tissue or cells or stem cells is guaranteed. The term vector or vector system as used herein, in the context of transfection of amino acid sequences, includes suitable agents for peptide or protein transfection, such as e.g. As ionic lipid mixtures or agents that are suitable for the transfection of a nucleic acid, such as. B. carrier materials through which nucleic acid and amino acid sequences can be introduced by means of particle bombardment in a cell, such as. As gold and tungsten particles. Further, this term also includes viral vectors, particularly in the application of the methods and constructs disclosed herein. H. modified viruses, such as those derived from one of the following viruses: Maize Streak Virus (MSV), Barley Stripe Mosaic Virus (BSMV), Brome Mosaic Virus (BMV), Maize stripe virus (MSpV), Maize rayado fino virus ( MYDV), Maize yellow dwarf virus (MYDV), Maize dwarf mosaic virus (MDMV) and bacterial vectors such as Agrobacterium spp., Such as Agrobacterium tumefaciens. Finally, the term also includes suitable means of delivery for introducing linear nucleic acids (single or double stranded) into a target cell. Those of skill in the art, knowing the constructs disclosed herein, are aware of any further sequences which a vector must have in order to be functional in a desired target cell. The customary preparation, processing and application of such vectors is also known to the person skilled in the art.
Der Begriff Vektorsystem, wie hierin verwendet, bezeichnet ein System, das aus mindestens einem oder mehreren Vektor(en) besteht oder diese(n) enthält. So kann ein Vektorsystem einen Vektor aufweisen, welcher zwei unterschiedliche rekombinante Konstrukte, umfassend Nukleinsäure- und/oder Aminosäuresequenzen, enthält/kodiert. Ein Vektorsystem kann darüber hinaus auch mehrere Vektoren enthalten, die ihrerseits mindestens eine Nukleinsäure- oder Aminosäuresequenz gemäß der vorliegenden Offenbarung enthalten/kodieren.The term vector system, as used herein, refers to a system consisting of or including at least one or more vector (s). Thus, a vector system may comprise a vector which contains / encodes two different recombinant constructs, including nucleic acid and / or amino acid sequences. In addition, a vector system may also contain several vectors that in turn contain / encode at least one nucleic acid or amino acid sequence according to the present disclosure.
Der Begriff Nukleinsäure oder Nukleinsäuresequenz, wie hierin verwendet, bezieht sich auf natürliche wie synthetische Desoxyribonukleinsäuren (DNA) und Ribonukleinsäuren (RNA), welche auch synthetische Nukleotidanaloga enthalten können. Die Nukleinsäuren, welche gemäß der vorliegenden Erfindung zur Synthese eines gewünschten Produkts wie Protein oder RNA oder zur gezielten Steuerung davon verwendet werden, z. B. eine Cas-Nuklease oder eine gRNA, können gegebenenfalls „auf die Anwendung in einer pflanzlichen Zielstruktur angepasst” sein. In einer Ausführungsform können die vorgenannten Sequenzen Codon-optimiert sein, d. h. die Codon-Verwendung eines Genes oder einer RNA wird spezifisch auf die der Zielzelle/Zielorganismus angepasst. Es ist dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt, dass ein gewünschtes Zielgen, welches ein Protein von Interesse kodiert, ohne Änderung der translatierten Proteinsequenz modifiziert werden kann, um der spezifischen Spezies-abhängigen Codon-Verwendung Rechnung zu tragen. So sind/können die Nukleinsäuren der vorliegenden Erfindung spezifisch auf die Codon-Verwendung von Hordeum vulgare, Sorghum bicolor, Secale cereale, Triticale, Saccharum officinarium, Zea mays, Setaria italic, Oryza sativa, Oryza minuta, Oryza australiensis, Oryza alta, Triticum aestivum, Triticum durum, Hordeum bulbosum, Brachypodium distachyon, Hordeum marinum, Aegilops tauschii, Malus domestica, Beta vulgaris, Helianthus annuus, Daucus glochidiatus, Daucus pusillus, Daucus muricatus, Daucus carota, Eucalyptus grandis, Erythranthe guttata, Genlisea aurea, Nicotiana sylvestris, Nicotiana tabacum, Nicotiana tomentosiformis, Solanum lycopersicum, Solanum tuberosum, Coffea canephora, Vitis vinifera, Cucumis sativus, Morus notabilis, Arabidopsis thaliana, Arabidopsis lyrata, Arabidopsis arenosa, Crucihimalaya himalaica, Crucihimalaya wallichii, Cardamine flexuosa, Lepidium virginicum, Capsella bursa-pastoris, Olmarabidopsis pumila, Arabis hirsuta, Brassica napus, Brassica oleracea, Brassica rapa, Brassica juncacea, Brassica nigra, Raphanus sativus, Eruca vesicaria sativa, Citrus sinensis, Jatropha curcas, Glycine max, Gossypium ssp. oder Populus trichocarpa angepasst (werden). Ferner muss gemäß der vorliegenden Offenbarung die Sequenz der gRNA oder der die gRNA kodierenden Sequenz an die Nukleinsäure-Zielregion innerhalb einer pflanzlichen Zielstruktur angepasst werden. In einer weiteren Ausführungsform kann die gRNA oder die die gRNA kodierende Sequenz zudem in der Region angepasst werden, welche für die Interaktion oder Kopplung mit einer Cas-Nuklease und/oder einer Effektor-Domäne verantwortlich ist.The term nucleic acid or nucleic acid sequence as used herein refers to natural as well as synthetic deoxyribonucleic acids (DNA) and ribonucleic acids (RNA), which may also contain synthetic nucleotide analogs. The nucleic acids used according to the present invention for the synthesis of a desired product, such as protein or RNA, or for the targeted control thereof, e.g. A Cas nuclease or a gRNA, may optionally be "adapted for use in a plant targeting". In one embodiment, the aforementioned sequences may be codon optimized, i. H. the codon usage of a gene or RNA is specifically adapted to that of the target cell / organism. It is known to those skilled in the art that a desired target gene encoding a protein of interest can be modified without changing the translated protein sequence to account for specific species-dependent codon usage. Thus, the nucleic acids of the present invention are specific to the codon usage of Hordeum vulgare, Sorghum bicolor, Secale cereale, Triticale, Saccharum officinarium, Zea mays, Setaria italic, Oryza sativa, Oryza minuta, Oryza australiensis, Oryza alta, Triticum aestivum , Triticum durum, Hordeum bulbosum, Brachypodium distachyon, Hordeum marinum, Aegilops tauschii, Malus domestica, Beta vulgaris, Helianthus annuus, Daucus glochidiatus, Daucus pusillus, Daucus muricatus, Daucus carota, Eucalyptus grandis, Erythranthe guttata, Genlisea aurea, Nicotiana sylvestris, Nicotiana tabacum, Nicotiana tomentosiformis, Solanum lycopersicum, Solanum tuberosum, Coffea canephora, Vitis vinifera, Cucumis sativus, Morus notabilis, Arabidopsis thaliana, Arabidopsis lyrata, Arabidopsis arenosa, Crucihimalaya himalaica, Crucihimalaya wallichii, Cardamine flexuosa, Lepidium virginicum, Capsella bursa-pastoris, Olmarabidopsis pumila, Arabis hirsuta, Brassica napus, Brassica oleracea, Bra ssica rapa, Brassica juncacea, Brassica nigra, Raphanus sativus, Eruca vesicaria sativa, Citrus sinensis, Jatropha curcas, Glycine max, Gossypium ssp. or adapted to Populus trichocarpa. Further, according to the present disclosure, the sequence of the gRNA or the gRNA coding sequence must be adapted to the nucleic acid target region within a plant target structure. In a further embodiment, the gRNA or the sequence coding for the gRNA can additionally be adapted in the region which is responsible for the interaction or coupling with a Cas nuclease and / or an effector domain.
Der Begriff Sequenzen, wie hierin verwendet, bezieht sich auf Nukleinsäuresequenzen sowie Aminosäuresequenzen, wobei die jeweilige Sequenz neben natürlichen Nukleotiden und Aminosäuren auch synthetische Analoga oder synthetische Verknüpfungen als Bausteine enthalten können.The term sequences as used herein refers to nucleic acid sequences as well as amino acid sequences, wherein the particular sequence may contain as well as natural nucleotides and amino acids also synthetic analogs or synthetic linkages as building blocks.
Die Begriffe Polypeptid, Polypeptidsequenz, Proteinsequenz und Aminosäuresequenz werden hierin austauschbar verwendet.The terms polypeptide, polypeptide sequence, protein sequence and amino acid sequence are used interchangeably herein.
Der Begriff katalytisch aktives Fragment wie hierin verwendet, insbesondere im Bezug auf Cas-Nukleasen oder Varianten davon, bezieht sich auf eine Aminosäure-Kernsequenz, die von einer gegebenen Aminosäure-Templatesequenz abgeleitet ist, mit der Maßgabe, dass das resultierende katalytisch aktive Fragment das ganze oder Teile des aktive(n) Zentrum(s) der Template-Sequenz umfasst und dadurch nach wie vor die gleiche enzymatische Funktion erfüllt, wie die Templatesequenz. Derartige Modifikationen, d. h. Trunkierungen, sind dem Fachmann auf dem Gebiet wohlbekannt und speziell bei sterisch anspruchsvollen Enzymen sinnvoll, um vielseitige und stabilere trunkierte Enzyme, umfassend das katalytisch aktive Fragment, bereitzustellen.The term catalytically active fragment as used herein, particularly with respect to Cas nucleases or variants thereof, refers to an amino acid core sequence derived from a given amino acid template sequence, provided that the resulting catalytically active fragment is the whole or parts of the active site (s) of the template sequence and thereby still fulfills the same enzymatic function as the template sequence. Such modifications, d. H. Truncations are well known to those skilled in the art and are particularly useful in sterically demanding enzymes to provide versatile and more stable truncated enzymes comprising the catalytically active fragment.
Der Begriff regulatorische Sequenz, wie hierin verwendet, bezieht sich auf eine Nukleinsäure- oder eine Protein-Sequenz, welche die Transkription und/oder Translation der einer offenbarten Nukleinsäure-Sequenzen in cis oder trans steuern kann.The term regulatory sequence as used herein refers to a nucleic acid or protein sequence which can direct transcription and / or translation of a disclosed nucleic acid sequence into cis or trans.
Der Begriff Konstrukt oder rekombinantes Konstrukt (hierin austauschbar verwendet) wie hierin verwendet bezieht sich auf ein Konstrukt, umfassend unter anderen Plasmide oder Plasmidvektoren, Cosmide, künstliche Hefe- oder bakterielle Chromosomen (YACs und BACs), Phagemide, Bakteriophagenvektoren, eine Expressionskassette, einzelsträngige oder lineare Nukleinsäuresequenzen oder Aminosäuresequenzen, und virale Vektoren, d. h. modifizierte Viren, welche in eine Zielzelle gemäß der vorliegenden Offenbarung eingebracht werden können. Einerfindungsgemäßes rekombinantes Konstrukt kann CRISPR/Cas Werkzeuge oder Teile davon, umfassend mindestens eine gRNA oder mindestens eine Cas-Nuklease Variante und/oder mindestens eine weitere Effektor-Domänen entweder in der Form einer Nukleinsäure oder einer Aminosäuresequenz, umfassen. Ferner kann das rekombinante Konstrukt regulatorische Sequenzen und/oder Lokalisationssequenzen umfassen. Das rekombinante Konstrukt kann etwa in einen Plasmidvektor integriert vorliegen und/oder isoliert von einem Plasmidvektor vorliegen, z. B. in der Form einer Polypeptidsequenz oder einer nicht-Plasmidvektor verknüpften einzel- oder doppelsträngigen Nukleinsäure vorliegen. Nach Einbringung liegt das Konstrukt vorzugsweise extrachromosomal und nicht in das Genom integriert und gewöhnlich in der Form einer doppelsträngigen oder einzelsträngigen DNA, einer doppelsträngigen oder einzelsträngigen RNA oder eines Polypeptids vor. Plasmidvektor wie hierin verwendet, bezieht sich auf ein Konstrukt, welches ursprünglich aus einem Plasmid gewonnen wurde. Hierbei handelt es sich in der Regel um zirkuläre autonom replizierende extrachromosomale Elemente in der Form einer doppelsträngigen Nukleinsäuresequenz. In der Gentechnik werden diese ursprünglichen Plasmide gezielt verändert, indem unter anderem Resistenzgene, Ziel-Nukleinsäuren, Lokalisationssequenzen, regulatorische Sequenzen und dergleichen eingebracht werden. Die strukturellen Bestandteile des ursprünglichen Plasmids, wie der Replikationsursprung, werden hierbei beibehalten. Eine Vielzahl von Plasmidvektoren zur Anwendung in einer Zielzelle von Interesse ist kommerziell erhältlich und die Modifikation davon für eigene Klonierungsstrategien ist dem Fachmann auf dem Gebiet wohlbekannt. Derartige bekannte Plasmidvektoren werden hierin auch als Standardvektoren bezeichnet, wobei dies implizieren soll, dass der Basisvektor kommerziell erhältlich ist und leicht vom Fachmann auf dem entsprechenden technischen Gebiet den Bedürfnissen des jeweiligen Experiments angepasst werden kannThe term construct or recombinant construct (used interchangeably herein) as used herein refers to a construct comprising, among others, plasmids or plasmid vectors, cosmids, yeast or bacterial artificial chromosomes (YACs and BACs), phagemids, bacteriophage vectors, an expression cassette, single stranded or linear nucleic acid sequences or amino acid sequences, and viral vectors, ie, modified viruses, which can be introduced into a target cell according to the present disclosure. A recombinant construct according to the invention may comprise CRISPR / Cas tools or parts thereof comprising at least one gRNA or at least one Cas nuclease variant and / or at least one further effector domain either in the form of a nucleic acid or an amino acid sequence. Furthermore, the recombinant construct may comprise regulatory sequences and / or localization sequences. The recombinant construct may be integrated into, for example, a plasmid vector and / or isolated from a plasmid vector, e.g. In the form of a polypeptide sequence or a non-plasmid vector linked single- or double-stranded nucleic acid. Upon introduction, the construct is preferably extrachromosomal and not integrated into the genome, and usually in the form of a double-stranded or single-stranded DNA, a double-stranded or single-stranded RNA or a polypeptide. Plasmid vector as used herein refers to a construct originally derived from a plasmid. These are usually circular autonomously replicating extrachromosomal elements in the form of a double-stranded nucleic acid sequence. In genetic engineering, these original plasmids are selectively altered by, inter alia, introducing resistance genes, target nucleic acids, localization sequences, regulatory sequences and the like. The structural components of the original plasmid, such as the origin of replication, are retained. A variety of plasmid vectors for use in a target cell of interest are commercially available and the modification thereof for native cloning strategies is well known to those skilled in the art. Such known plasmid vectors are also referred to herein as standard vectors, which is intended to imply that the base vector is commercially available and readily adapted by one skilled in the art to the needs of the particular experiment
Rekombinant wie hierin verwendet bedeutet eine Nukleinsäure- oder Aminosäuresequenzabfolge, wie sie so insbesondere in ihrer Gesamtheit nicht natürlich vorkommt. Ferner umfasst der Begriff rekombinant auch solche Nukleinsäure- oder Aminosäuresequenzabfolgen, wie sie zwar bezüglich ihrer Nukleinsäure- oder Aminosäuresequenz so natürlich vorkommen, jedoch durch eine gezielte Modifikation oder Synthese gewonnen wurden, wie z. B. synthetisch gewonnene Nukleinsäure- oder Aminosäuresequenzen oder durch biotechnologische, z. B. fermentative Verfahren gewonnene Nukleinsäure- oder Aminosäuresequenzen, welche so zwar in der Natur vorkommen, jedoch gezielt in einem anderen als dem Ursprungsorganismus produziert wurden.Recombinant as used herein means a sequence of nucleic acids or amino acids, such as does not occur naturally, in particular in their entirety. Furthermore, the term recombinant also includes such nucleic acid or amino acid sequence sequences, as they occur so naturally with respect to their nucleic acid or amino acid sequence, but were obtained by a targeted modification or synthesis, such as. B. synthetically derived nucleic acid or amino acid sequences or biotechnological, z. B. fermentative method obtained nucleic acid or amino acid sequences, which indeed occur in nature, but were produced specifically in a different than the original organism.
Wann immer die vorliegende Offenbarung auf Sequenzhomologien oder Sequenzidentitäten von Nukleinsäure- oder Proteinsequenzen in Form von Prozentangaben Bezug nimmt, beziehen sich diese Angaben auf Werte, wie sie unter Verwendung von EMBOSS Water Pairwise Sequence Alignments (Nucleotide) (
Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden unter „homologen Sequenzen” oder „Homologe” oder vergleichbaren Termini Nukleinsäuresequenzen verstanden, welche den gleichen phylogenetischen Ursprung haben. Vorzugsweise üben Proteine, die durch diese Nukleinsäuresequenzen kodiert werden, die gleiche Funktion aus. Homologe Nukleinsäuresequenzen weisen mindestens 70%, vorzugsweise mindestens 75%, mindestens 80%, mindestens 85% oder mindestens 90%, besonders bevorzugt mindestens 95%, mindestens 96%, mindestens 97%, mindestens 98% oder mindestens 99% Sequenzidentität auf.For the purposes of the present invention, "homologous sequences" or "homologues" or comparable terms are understood as meaning nucleic acid sequences which have the same phylogenetic origin. Preferably, proteins encoded by these nucleic acid sequences perform the same function. Homologous nucleic acid sequences have at least 70%, preferably at least 75%, at least 80%, at least 85% or at least 90%, more preferably at least 95%, at least 96%, at least 97%, at least 98% or at least 99% sequence identity.
Nukleinsäure-Zielregion, wie hierin verwendet, bezieht sich auf jegliche genomische sowie extrachromosomale DNA oder RNA, insbesondere mRNA, eines Zielorganismus oder einer Zielzelle, deren Modifikation erwünscht ist und die durch die hierin offenbarten Verfahren und Konstrukte bewirkt werden kann und ist bewusst nicht auf Gen-Regionen, d. h. Regionen, welche die Information zur Transkription einer mRNA tragen, beschränkt.Nucleic acid target region, as used herein, refers to any genomic and extrachromosomal DNA or RNA, in particular mRNA, a target organism or a target cell, the modification of which is desired and which can be effected by the methods and constructs disclosed herein, and is deliberately not gene Regions, d. H. Regions that carry the information for the transcription of mRNA limited.
Komplementär oder Komplementarität, wie hierin verwendet, beschreibt die Beziehung zwischen zwei DNA- oder RNA-Nukleinsäureregionen, welche auf Grund ihrer Nukleobasen nach dem Schlüssel-und-Schloss Prinzip zueinander passen und Wasserstoffbrücken untereinander eingehen (hybridisieren). Hierbei gelten nach der Watson-Crick Basenpaarung die Basen Adenin und Thymin/Uracil bzw, Guanin und Cytosin als komplementär. Auch weitere Nicht-Watson-Crick-Paarungen, wie Reverse-Watson-Crick-, Hoogsteen-, Reverse-Hoogsteen und Wobble-Paarung sind vom Begriff komplementär umfasst, sofern die entsprechenden Basenpaare Wasserstoffbrücken zueinander eingehen, d. h. zwei unterschiedliche Nukleinsäurestränge miteinander auf Grund ihrer Komplementarität hybridisieren können.Complementary or complementarity, as used herein, describes the relationship between two DNA or RNA nucleic acid regions which, by virtue of their nucleobases, fit together according to the key-and-lock principle and hydrogen-bond with each other. According to the Watson-Crick base pairing, the bases adenine and thymine / uracil or, guanine and cytosine are considered to be complementary. Other non-Watson-Crick pairings, such as Reverse-Watson-Crick, Hoogsteen, Reverse-Hoogsteen, and Wobble-pairing, are also complementary to the term provided that the corresponding base pairs form hydrogen bonds with each other. H. two different nucleic acid strands can hybridize to each other due to their complementarity.
Unter „Hybridisieren” oder „Hybridisierung” wird ein Vorgang verstanden, bei dem sich ein einzelsträngiges Nukleinsäuremolekül an einen weitestgehend komplementären Nukleinsäurestrang anlagert, d. h. Basenpaarungen eingeht. Standardverfahren zur Hybridisierung sind beispielsweise in
Detaillierte BeschreibungDetailed description
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Pflanze, eines Pflanzenmaterials oder einer pflanzlichen Zelle, umfassend die folgenden Schritte: (i) Bereitstellen einer pflanzlichen Zielstruktur, welche mindestens eine meristematische Zelle umfasst, wobei die mindestens eine meristematische Zelle mindestens eine Nukleinsäure-Zielregion umfasst; (ii) Bereitstellen mindestens einer gRNA oder Bereitstellen eines oder mehrerer rekombinanten Konstrukts/Konstrukte, wobei das bzw. die rekombinanten) Konstrukt(e) mindestens eine gRNA oder eine für eine gRNA kodierende Sequenz, und optional mindestens eine regulatorische Sequenz und/oder eine Lokalisationssequenz umfasst, und Bereitstellen mindestens einer Cas-Nuklease oder eines katalytisch aktiven Fragments davon und/oder einer Effektor-Domäne oder Bereitstellen eines oder mehrerer rekombinanten Konstrukts/Konstrukte, wobei das bzw. die rekombinante(n) Konstrukt(e) mindestens eine Cas-Nuklease oder ein katalytisch aktives Fragment davon oder eine für eine Cas-Nuklease oder eine für ein katalytisch aktives Fragment davon kodierende Sequenz und/oder mindestens eine Effektor-Domäne oder eine für eine Effektor-Domäne kodierende Sequenz, und optional mindestens eine regulatorische Sequenz und/oder eine Lokalisationssequenz umfasst, wobei die gRNA dazu in der Lage ist, sowohl an einen Abschnitt der Nukleinsäure-Zielregion zu hybridisieren als auch mit der Cas-Nuklease oder dem katalytisch aktiven Fragment davon und/oder der Effektor-Domäne zu interagieren; wobei, wenn die gRNA oder die die gRNA kodierende Sequenz und die Cas-Nuklease oder das katalytisch aktive Fragment davon oder die die Cas-Nuklease oder die das katalytisch aktive Fragment davon kodierende Sequenz und/oder die Effektor-Domäne oder die für eine Effektor-Domäne kodierende Sequenz durch ein oder mehrere rekombinante(s) Konstrukt(e) bereitgestellt werden, die gRNA oder die die gRNA kodierende Sequenz und die Cas-Nuklease oder das katalytisch aktive Fragment davon oder die die Cas-Nuklease oder die das katalytisch aktive Fragment davon kodierende Sequenz und/oder die Effektor-Domäne oder die für eine Effektor-Domäne kodierende Sequenzauf oder in dem gleichen, oder auf oder in unterschiedlichen rekombinanten Konstrukten lokalisiert sein kann; optional: wobei die gRNA oder die die gRNA kodierende Sequenz und/oder die Cas-Nuklease oder das katalytisch aktive Fragment davon oder die die Cas-Nuklease oder die das katalytisch aktive Fragment davon kodierende Sequenz und/oder die Effektor-Domäne oder eine für eine Effektor-Domäne kodierende Sequenz auf die Anwendung in einer pflanzlichen Zelle hin angepasst sind; (iii) optional: Bereitstellen mindestens eines Vektors zur Einbringung des bzw. der rekombinanten Konstrukts/Konstrukte; (iv) optional: Bereitstellen mindestens eines weiteren rekombinanten Konstrukts umfassend einen rekombinanten Nukleinsäure-Abschnitt zur gezielten Homologie-gerichteten Reparatur der Nukleinsäure-Zielregion in der pflanzlichen Zielstruktur oder Insertion in die Nukleinsäure-Zielregion in der pflanzlichen Zielstruktur bevorzugt umfassend mindestens eine regulatorische Sequenz und optional mindestens eines weiteren Vektors zur Einbringung des mindestens einen weiteren rekombinanten Konstrukts; (v) Einbringen der gRNA, der Cas-Nuklease oder des katalytisch aktiven Fragments davon und/oder der Effektor-Domäne und/oder des bzw. der rekombinanten Konstrukts/Konstrukte in die pflanzliche Zielstruktur; (vi) Kultivieren der pflanzlichen Zielstruktur unter Bedingungen, welche die Aktivierung der eingeführten gRNA, der Cas-Nuklease oder des katalytisch aktiven Fragments davon und/oder der Effektor-Domäne und/oder des bzw. der eingeführten rekombinanten Konstrukts/Konstrukte und dadurch eine gezielte Veränderung der Nukleinsäure-Zielregion in der pflanzlichen Zielstruktur gestatten, um eine pflanzliche Zielstruktur, umfassend mindestens eine meristematische Zelle, die die gezielte Veränderung der Nukleinsäure-Zielregion umfasst, zu erhalten; (vii) Gewinnen einer Pflanze, eines Pflanzenmaterials oder einer pflanzlichen Zelle aus der gezielt veränderten mindestens einen meristematischen Zelle, (viii) wobei die Pflanze, das Pflanzenmaterial oder die pflanzliche Zelle direkt durch Zellteilung und Differenzierung und optional einer Fremdbefruchtung oder Selbstung aus der gezielt veränderten mindestens einen meristematischen Zelle gewonnen wird, und wobei die gewonnene Pflanze, das Pflanzenmaterial oder die pflanzliche Zelle die gezielte Veränderung der Nukleinsäure-Zielregion umfasst, wobei das bzw. die rekombinante(n) Konstrukt(e), welche mindestens eine gRNA oder eine für eine gRNA kodierende Sequenz, und/oder mindestens eine Cas-Nuklease oder ein katalytisch aktives Fragment davon oder eine für eine Cas-Nuklease oder ein katalytisch aktives Fragment davon kodierende Sequenz und/oder mindestens eine Effektor-Domäne oder eine für eine Effektor-Domäne kodierende Sequenz umfassen, vorzugsweise nicht chromosomal oder extrachromosomal integriert werden/sind.One aspect of the present invention relates to a method for producing a plant, a plant material or a plant cell, comprising the following steps: (i) providing a plant target structure which comprises at least one meristematic cell, wherein the at least one meristematic cell comprises at least one nucleic acid Target region includes; (ii) providing at least one gRNA or providing one or more recombinant constructs, said recombinant construct (s) comprising at least one gRNA or a sequence encoding a gRNA, and optionally at least one regulatory sequence and / or a localization sequence and providing at least one Cas nuclease or a catalytically active fragment thereof and / or an effector domain or providing one or more recombinant constructs / constructs, wherein the recombinant construct (s) comprises at least one Cas nuclease or a catalytically active fragment thereof or a sequence coding for a Cas nuclease or a catalytically active fragment thereof and / or at least one effector domain or an effector domain coding sequence, and optionally at least one regulatory sequence and / or a localization sequence, wherein the gRNA is capable of both ei hybridizing a portion of the nucleic acid target region as well as interacting with the Cas nuclease or the catalytically active fragment thereof and / or the effector domain; where the gRNA or the gRNA coding sequence and the Cas nuclease or the catalytically active fragment thereof or the Cas nuclease or the catalytically active fragment thereof coding sequence and / or the effector domain or the effector for a effector A domain encoding sequence can be provided by one or more recombinant construct (s), the gRNA or the gRNA coding sequence and the Cas nuclease or the catalytically active fragment thereof or the Cas nuclease or the catalytically active fragment thereof coding sequence and / or the effector domain or the coding for an effector domain coding sequence on or in the same, or may be located on or in different recombinant constructs; optionally: wherein the gRNA or the gRNA coding sequence and / or the Cas nuclease or the catalytically active fragment thereof or the Cas nuclease or the catalytically active fragment thereof coding sequence and / or the effector domain or one for a Effector domain coding sequence adapted for use in a plant cell; (iii) optionally: providing at least one vector for introducing the recombinant construct (s); (iv) optionally, providing at least one further recombinant construct comprising a recombinant nucleic acid portion for targeted homology-directed repair of the nucleic acid target region in the plant target structure or insertion into the nucleic acid target region in the plant target structure preferably comprising at least one regulatory sequence and optionally at least one further vector for introducing the at least one further recombinant construct; (v) introducing the gRNA, the Cas nuclease or the catalytically active fragment thereof and / or the effector domain and / or the recombinant construct (s) into the plant target structure; (vi) cultivating the plant target structure under conditions which include the activation of the introduced gRNA, the Cas nuclease or the catalytically active fragment thereof and / or the effector domain and / or the introduced recombinant construct (s) and thereby a targeted Allowing alteration of the target nucleic acid region in the plant target structure to obtain a plant targeting structure comprising at least one meristematic cell comprising targeted alteration of the target nucleic acid region; (vii) recovering a plant, plant material or plant cell from the targeted altered at least one meristematic cell, (viii) wherein the plant, plant material or plant cell is directly altered by cell division and differentiation and optionally cross-fertilization or selfing at least one meristematic cell, and wherein the recovered plant, the plant material or the plant cell comprises the targeted alteration of the nucleic acid target region, wherein the recombinant construct (s) containing at least one gRNA or one for a gRNA-encoding sequence, and / or at least one Cas nuclease or a catalytically active fragment thereof or a sequence coding for a Cas nuclease or a catalytically active fragment thereof and / or at least one effector domain or coding for an effector domain sequence include, preferably non-chromosomal or ext Rachromosomal be integrated / are.
Meristematische Zellen gehören einem Gewebetyp innerhalb einer Pflanze an, welcher als Meristem oder auch Bildungsgewebe bezeichnet wird. Wie auch Stammzellen in tierischen Organismen besitzen pflanzliche meristematische Zellen als undifferenzierte Zellen die Fähigkeit, sich je nach Umwelteinfluss zu jeglichem spezialisierten Zelltyp zu differenzieren. Meristeme sind bei pflanzlichen Organismen nicht nur während der Embryonalentwicklung, sondern während des gesamten Lebenszyklus vorhanden, sodass eine gezielte Veränderung von meristematischen Zellen und Geweben gemäß der vorliegenden Offenbarung nicht auf pflanzliche Embryonen oder Keimlinge beschränkt ist, sondern auch in größeren Keimlingen und ausgereiften Pflanzen beispielsweise in Meristemen, aus welchen generative Pflanzenorgane (z. B. in Mais die Fahne oder der Kolben) hervorgehen, durchgeführt werden kann.Meristematic cells belong to a tissue type within a plant, which is referred to as meristem or also forming tissue. Like stem cells in animal organisms, plant-derived meristematic cells, as undifferentiated cells, have the ability to differentiate into any specialized cell type, depending on their environmental impact. Meristems are present in plant organisms not only during embryonic development but throughout the life cycle, so that targeted alteration of meristematic cells and tissues according to the present disclosure is not limited to plant embryos or seedlings, but also in larger seedlings and mature plants, for example Meristems, from which generative plant organs (eg corn in the flag or the piston) emerge, can be performed.
Gemäß einer Ausführungsform ist die meristematische Zelle eine reife oder unreife pflanzliche Zelle eines pflanzlichen Embryos oder eines Keimlings oder einer Pflanze, umfassend mindestens eine meristematische Zelle oder meristematisches Gewebe.In one embodiment, the meristematic cell is a mature or immature plant cell of a plant embryo or a seedling or a plant comprising at least one meristematic cell or meristematic tissue.
Gemäß einer Ausführungsform ist die meristematische Zelle eine Zelle einer monokotyledonen oder einer dikotyledonen Pflanze.In one embodiment, the meristematic cell is a cell of a monocotyledonous or a dicotyledonous plant.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher ein spezielles Verfahren bereitgestellt, welches gezielt die geringe Population an meristematischen Zellen in einer Pflanze in all ihren Entwicklungsstadien als pflanzliche Zielstruktur entweder direkt oder indirekt ansteuern kann. Die mindestens eine meristematische Zielzelle kann direkt oder indirekt angesteuert werden, d. h. mindestens ein rekombinantes Konstrukt gemäß der vorliegenden Offenbarung kann direkt in die mindestens eine meristematische Zielzelle eingebracht werden bzw. das mindestens eine rekombinante Konstrukt kann mit Hilfe eines geeigneten Vektors in eine beliebige pflanzliche Zelle oder ein beliebiges pflanzliches Gewebe eingebracht werden, wobei das mindestens eine rekombinante Konstrukt im Anschluss zu der pflanzlichen Zielstruktur transportiert werden kann. Dies erfolgt etwa durch die systemische Ausbreitung von mindestens einem durch einen Vektor in eine pflanzliche Zelle oder in ein pflanzliches Gewebe eingeführten rekombinanten Konstrukt.In accordance with the present invention, therefore, there is provided a specific method which can selectively target, either directly or indirectly, the low population of meristematic cells in a plant at all stages of its development as a plant targeting structure. The at least one meristematic target cell can be controlled directly or indirectly, i. H. At least one recombinant construct according to the present disclosure can be introduced directly into the at least one meristematic target cell, or the at least one recombinant construct can be introduced by means of a suitable vector into any plant cell or tissue, wherein the at least one recombinant construct can subsequently be transported to the plant target structure. This is achieved, for example, by the systemic spread of at least one recombinant construct introduced by a vector into a plant cell or into a plant tissue.
Eine pflanzliche Zielstruktur, wie hierin verwendet, umfasst mindestens eine pflanzliche meristematische Zelle, welche als Gewebe, Pflanzenmaterial, als ganze Pflanze oder als isolierte Zelle vorliegen kann, wobei die pflanzliche meristematische Zelle zudem mindestens eine Nukleinsäure-Zielregion enthält. Die in der pflanzlichen Zielstruktur enthaltene mindestens eine Nukleinsäure-Zielregion umfasst DNA- und RNA-Sequenzen und kann innerhalb der Zielstruktur chromosomal oder extrachromosomal vorliegen.A plant targeting structure as used herein comprises at least one plant-derived meristematic cell, which may be tissue, plant matter, whole plant, or isolated cell, wherein the plant-derived meristematic cell also contains at least one target nucleic acid region. The at least one nucleic acid target region contained in the plant target structure comprises DNA and RNA sequences and may be present chromosomally or extrachromosomally within the target structure.
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, welcher sich auf die Einführung einer gezielten Nukleinsäure-Veränderung in eine nicht chromosomale Zielstruktur bezieht, umfasst der Begriff pflanzliche Zielstruktur, wie hierin verwendet, mindestens eine pflanzliche Zelle, welche als Gewebe, Pflanzenmaterial, als ganze Pflanze oder als isolierte Zelle vorliegen kann, wobei die pflanzliche Zelle zudem mindestens eine Nukleinsäure-Zielregion, umfassend DNA und RNA, enthält.In one aspect of the present invention, which relates to the introduction of targeted nucleic acid alteration into a non-chromosomal target structure, the term plant target structure as used herein includes at least one plant cell, which may be tissue, plant material, whole plant, or isolated cell, wherein the plant cell also contains at least one nucleic acid target region comprising DNA and RNA.
Gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung wird mindestens eine Nukleinsäure-Zielregion in einer pflanzlichen meristematischen Zelle als Zielstruktur durch transient eingeführte CRISPR/Cas-Werkzeuge und/oder gegebenenfalls weitere Effektor-Domänen verändert. Da die so veränderte mindestens eine meristematische Zelle die gezielte Veränderung in der Nukleinsäure-Zielregion durch die anschließende Zellteilung und Differenzierung unmittelbar und direkt an ihre Nachkommen weitergeben kann bedarf das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung keiner weiteren Kreuzungs- und Selektionsschritte, um eine Pflanze, Pflanzenmaterial oder eine pflanzliche Zelle mit der erwünschten gezielten Veränderung bereitzustellen. Vielmehr können aus den embryonalen oder ebenso aus sekundären Meristemen, wie z. B. Pollen oder Ovarien, optional unter Durchführung einer Selbstung oder einer Fremdbefruchtung, pflanzliche Organismen oder pflanzliche Zielstrukturen gewonnen werden, welche die gezielt eingeführte Veränderung tragen.According to one aspect of the present invention, at least one target nucleic acid region in a plant meristematic cell is targeted by transiently introduced CRISPR / Cas tools and / or optionally modified further effector domains. Since the thus modified at least one meristematic cell can directly and directly pass on the targeted change in the nucleic acid target region to its offspring by the subsequent cell division and differentiation, the method according to the present invention requires no further crossing and selection steps to obtain a plant, plant material or to provide a plant cell with the desired targeted change. Rather, from the embryonic or secondary meristems, such. As pollen or ovaries, optionally be carried out by performing a self-fertilization or cross-pollination, plant organisms or plant targets, which carry the targeted introduced change.
In einer Ausführungsform bietet das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung den weiteren Vorteil, dass die CRISPR/Cas-Werkzeuge und/oder gegebenenfalls weitere Effektor-Domänen nur transient in die pflanzliche Zielstruktur, bevorzugt eine meristematische Zelle oder ein meristematisches Gewebe, eingebracht werden, sodass keine stabile Integration der CRISPR/Cas Werkzeuge wie Cas-Nuklease und gRNA und ggf. regulatorischen Sequenzen sowie ggf. weiterer Effektor-Domänen in die endogenen chromosomalen oder endogenen extrachromosomalen Nukleinsäuren der pflanzlichen Zielstruktur erfolgt.In one embodiment, the method according to the present invention offers the further advantage that the CRISPR / Cas tools and / or optionally further effector domains are transiently introduced into the plant target structure, preferably a meristematic cell or a meristematic tissue, so that no Stable integration of the CRISPR / Cas tools such as Cas nuclease and gRNA and optionally regulatory sequences and possibly further effector domains into the endogenous chromosomal or endogenous extrachromosomal nucleic acids of the plant target structure takes place.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung wurde gefunden, dass durch die Ausnutzung des Wirkmechanismus der RNA-dirigierten DNA-Modifikation der CRISPR-Cas Werkzeuge auch weitere Effektor-Domänen, gemäß den hierin bereitgestellten Verfahren, eingesetzt werden können, wodurch sich das Spektrum der gezielten Genom Editierung verbreitern lässt. Es können entweder die Cas-Nuklease Variante oder das katalytisch aktive Fragment davon oder die gRNA oder beide davon mit einer Effektor-Domäne verknüpft werden.In accordance with the present disclosure, it has been found that by exploiting the mechanism of action of RNA-directed DNA modification of the CRISPR-Cas tools, other effector domains can also be employed, in accordance with the methods provided herein, thereby broadening the spectrum of targeted genome editing leaves. Either the Cas nuclease variant or the catalytically active fragment thereof or the gRNA or both thereof can be linked to an effector domain.
Eine Effektor-Domäne wie hierin verwendet umfasst DNA- bzw. RNA-modifizierende oder DNA- bzw. RNA-bindende Polypeptide oder Nukleinsäuren, umfassend alle Arten von monomeren, dimeren oder multimeren Nukleasen, wie z. B. TALE Nukleasen, Meganukleasen, Zink-Finger-Nukleasen, Ribonuklease, Desoxyribonukleasen, Exonukleasen, Endonukleasen und Restriktionsendonukleasen vom Typ I, II, III oder IV und dergleichen und umfassend Nickasen, Aktivatoren und Repressoren der Transkription, Phosphatasen, Glykosylasen, oder Enzyme, welche epigenetische Veränderungen bewirken können, wie beispielsweise Acetylasen, Methylasen, Methyltransferasen, Proteine, welche methylierte DNA binden können, oder Histon-Deacetylasen, Aptamere, umfassend einzelsträngige DNA- oder RNA-Sequenzen sowie Peptide, fluoreszierende Proteine, Markernukleinsäure- oder Markeraminosäuresequenzen, und dergleichen, und Kombinationen davon. Im Bezug auf Enzyme oder Polypeptide allgemein, umfasst der Begriff „Effektor-Domäne” auch eine katalytische Domäne oder Kern-Domäne des jeweiligen Enzyms oder Polypeptids, z. B. einem Bindeprotein, wobei die katalytische Domäne bzw. Kern-Domäne nach wie vor dazu in der Lage ist, die enzymatische oder die Bindefunktion des jeweiligen nativen Enzyms oder Polypetids zu erfüllen. Der Entwurf derartiger trunkierter Domänen und deren Anpassung auf die gewünschte Funktion hin ist dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt.An effector domain as used herein includes DNA- or RNA-modifying or DNA- or RNA-binding polypeptides or nucleic acids comprising all types of monomeric, dimeric or multimeric nucleases, such as e.g. TALE nucleases, meganucleases, zinc finger nucleases, ribonuclease, deoxyribonucleases, exonucleases, endonucleases and type I, II, III or IV restriction endonucleases and the like, and comprising nickases, transcriptional activators and repressors, phosphatases, glycosylases, or enzymes, which may cause epigenetic changes, such as acetylases, methylases, methyltransferases, proteins capable of binding methylated DNA, or histone deacetylases, aptamers comprising single-stranded DNA or RNA sequences, and peptides, fluorescent proteins, marker nucleic acid or marker amino acid sequences, and the like , and combinations of them. With respect to enzymes or polypeptides in general, the term "effector domain" also includes a catalytic domain or core domain of the particular enzyme or polypeptide, e.g. B. a binding protein, wherein the catalytic domain or core domain is still able to fulfill the enzymatic or the binding function of the respective native enzyme or polypeptide. The design of such truncated domains and their adaptation to the desired function is known to those skilled in the art.
Hierin werden Verfahren und Konstrukte bereitgestellt, bei welchen gRNA und/oder Cas-Nuklease oder das katalytisch aktive Fragment davon bereits verknüpft mit einer weiteren Effektor-Domäne als oder auf einem rekombinanten Konstrukt bereitgestellt werden.Provided herein are methods and constructs in which gRNA and / or Cas nuclease or the catalytically active fragment thereof are already provided linked to a further effector domain as or on a recombinant construct.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren bereitgestellt, bei welchem die mindestens eine gRNA sowie die mindestens eine Cas-Nuklease oder das katalytisch aktive Fragment davon und/oder mindestens ein weitere Effektor-Domäne separat auf unterschiedlichen rekombinanten Konstrukten bereitgestellt werden. Gemäß dieses Verfahrens kann die gRNA Komponente als DNA oder RNA bereitgestellt werden, die Cas-Nuklease oder Variante oder das katalytisch aktive Fragment davon kann als DNA oder RNA oder als Polypeptidsequenz bereitgestellt werden, und die Effektor-Domäne kann als DNA oder RNA oder als Polypeptidsequenz bereitgestellt werden.In a further embodiment, a method is provided in which the at least one gRNA and the at least one Cas nuclease or the catalytically active fragment thereof and / or at least one further effector domain are provided separately on different recombinant constructs. According to this method, the gRNA component may be provided as DNA or RNA, the Cas nuclease or variant or the catalytically active fragment thereof may be provided as DNA or RNA or as polypeptide sequence, and the effector domain may be in DNA or RNA or as polypeptide sequence to be provided.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche die simultane Einbringung mindestens einer gRNA sowie mindestens einer Cas-Nuklease Variante oder eines katalytisch aktiven Fragments davon zusammen mit mindestens einer Effektor-Domäne umfasst, kann die Effektor-Domäne mit der gRNA bzw. der Cas-Nuklease Variante oder dem katalytisch aktiven Fragment davon durch einen Nukleinsäure- oder Aminosäure-Linker verknüpft sein, um eine ideale Anordnung der Domänen zueinander und dadurch deren Funktionalität durch adäquate Flexibilität der Domänen zueinander zu gewährleisten.According to one embodiment of the present invention, which comprises the simultaneous introduction of at least one gRNA and at least one Cas nuclease variant or a catalytically active fragment thereof together with at least one effector domain, the effector domain with the gRNA or the Cas nuclease can Variant or the catalytically active fragment thereof may be linked by a nucleic acid or amino acid linker to ensure an ideal arrangement of the domains to each other and thereby their functionality by adequate flexibility of the domains to each other.
Aktivatoren und Repressoren, welche gemäß der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen können, umfassen vorzugsweise SEQ ID NOs: 1–4 sowie Sequenzen mit mindestens 66%, 67%, 68%, 69%, 70%, 71%, 72%, 73%, 74%, 75%, 76%, 77%, 78%, 79%, 80%, 81%, 82%, 83%, 84%, 85%, 86%, 87%, 88%, 89%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98% oder 99% Sequenzhomologie zu diesen Sequenzen, welche trotz Modifikation noch die gleiche Funktion erfüllen wie die Sequenzen mit den entsprechenden SEQ ID NOs.Activators and repressors which can be used according to the present invention preferably comprise SEQ ID NOs: 1-4 as well as sequences with at least 66%, 67%, 68%, 69%, 70%, 71%, 72%, 73%. , 74%, 75%, 76%, 77%, 78%, 79%, 80%, 81%, 82%, 83%, 84%, 85%, 86%, 87%, 88%, 89%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98% or 99% Sequence homology to these sequences, which despite modification still perform the same function as the sequences with the corresponding SEQ ID NOs.
Verfahren zur Anzucht und Kultivierung der Mikroorganismen und Viren, welche gemäß der vorliegenden Offenbarung als Vektoren eingesetzt werden können, sind dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt.Methods for growing and culturing the microorganisms and viruses which can be used as vectors according to the present disclosure are known to those skilled in the art.
In einer Ausführungsform wird das rekombinante Konstrukt gemäß der vorliegenden Erfindung mit Hilfe mindestens eines Vektors oder eines Vektorsystems in die pflanzliche Zielstruktur eingebracht.In one embodiment, the recombinant construct according to the present invention is introduced into the plant target structure with the aid of at least one vector or a vector system.
In einer anderen Ausführungsform wird das rekombinante Konstrukt gemäß der vorliegenden Erfindung direkt ohne einen zusätzlichen Vektor in die Zielzelle eingebracht, vorzugsweise durch mechanische Verfahren, durch Transfektion oder durch Ausnutzung von Endozytose.In another embodiment, the recombinant construct according to the present invention is introduced directly into the target cell without an additional vector, preferably by mechanical methods, by transfection or by the use of endocytosis.
Ebenfalls vorgesehen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ist die Einbringung von mindestens einem rekombinanten Konstrukt in eine pflanzliche Zielstruktur.Also contemplated, according to one embodiment of the present invention, is the introduction of at least one recombinant construct into a plant targeting structure.
Vektoren und Vektorsysteme der vorliegenden Erfindung umfassen solche, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus SEQ ID NOs: 12–15 und 25–38, sowie Sequenzen mit mindestens 66%, 67%, 68%, 69%, 70%, 71%, 72%, 73%, 74%, 75%, 76%, 77%, 78%, 79%, 80%, 81%, 82%, 83%, 84%, 85%, 86%, 87%, 88%, 89%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98% oder 99% Sequenzhomologie zu diesen Sequenzen, welche trotz Modifikation noch die gleiche Funktion erfüllen wie der/das jeweils nicht modifizierte Vektor oder Vektorsystemmit der entsprechenden SEQ ID NO. Die genannten Vektoren und Vektorsysteme können etwa Codon-optimierte oder trunkierte rekombinante Konstrukte umfassen, oder sie können gezielte Punktmutationen enthalten, um ihre Aktivität in unterschiedlichen Zielzellen zu gewährleisten. Die Sequenz gemäß SEQ ID NO: 31 ist eine Hybridsequenz, bei der der Bereich zwischen den Bcll und der BssHII-Schnittstellen des Fescue Segments RNA3 des Brom-Mosaik-Virus (s. NCBI: DQ530425) durch den korrespondierenden Abschnitt des R_BMV_RNA3_SI13'A/G (
Rekombinante Konstrukte gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen solche, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus SEQ ID NOs: 23 und 24 sowie Sequenzen mit mindestens 66%, 67%, 68%, 69%, 70%, 71%, 72%, 73%, 74%, 75%, 76%, 77%, 78%, 79%, 80%, 81%, 82%, 83%, 84%, 85%, 86%, 87%, 88%, 89%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98% oder 99% Sequenzhomologie zu diesen Sequenzen, welche trotz Modifikation noch die gleiche Funktion erfüllen wie das jeweils nicht modifizierte rekombinante Konstrukt mit der entsprechenden SEQ ID NO. Die genannten rekombinanten Konstrukte können etwa Codon-optimierte oder trunkierte Sequenzen umfassen, oder sie können gezielte Punktmutationen enthalten, um ihre Aktivität oder Bindungseigenschaften in unterschiedlichen Zielzellen zu gewährleisten oder zu modifizieren. In SEQ ID NO: 23 entsprechen die Positionen 16239–16258 der Position für die jeweilige gRNA von Interesse, welche je nach Ziel-Nukleinsäuresequenz modifiziert werden kann und muss. In SEQ ID NO: 24 entsprechen die Positionen 16645–16664 der Position für die jeweilige gRNA von Interesse, welche je nach Ziel-Nukleinsäuresequenz modifiziert werden kann und muss.Recombinant constructs according to the present invention include those selected from the group consisting of SEQ ID NOs: 23 and 24 and sequences having at least 66%, 67%, 68%, 69%, 70%, 71%, 72%, 73%, 74%, 75%, 76%, 77%, 78%, 79%, 80%, 81%, 82%, 83%, 84%, 85%, 86%, 87%, 88%, 89% , 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98% or 99% sequence homology to these sequences, which, despite modification, still perform the same function as the respective unmodified recombinant construct with the corresponding SEQ ID NO. Said recombinant constructs may comprise, for example, codon-optimized or truncated sequences, or they may contain targeted point mutations to ensure or modify their activity or binding properties in different target cells. In SEQ ID NO: 23, positions 16239-16258 correspond to the position of interest for the particular gRNA, which can and must be modified depending on the target nucleic acid sequence. In SEQ ID NO: 24, positions 16645-16664 correspond to the position of interest for the particular gRNA, which can and must be modified depending on the target nucleic acid sequence.
In einem Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Verfahren zur Herstellung einer Pflanze, eines Pflanzenmaterials oder einer pflanzlichen Zelle, wobei das rekombinante Konstrukt ausgewählt ist aus SEQ ID NOs: 23 und 24, sowie Sequenzen mit mindestens 66%, 67%, 68%, 69%, 70%, 71%, 72%, 73%, 74%, 75%, 76%, 77%, 78%, 79%, 80%, 81%, 82%, 83%, 84%, 85%, 86%, 87%, 88%, 89%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98% oder 99% Sequenzhomologie zu diesen Sequenzen.In one aspect, the present invention relates to methods for producing a plant, a plant material or a plant cell, wherein the recombinant construct is selected from SEQ ID NOs: 23 and 24, as well as sequences having at least 66%, 67%, 68%, 69%, 70%, 71%, 72%, 73%, 74%, 75%, 76%, 77%, 78%, 79%, 80%, 81%, 82%, 83%, 84%, 85% , 86%, 87%, 88%, 89%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98% or 99% sequence homology to these sequences.
In einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Pflanze, ein Pflanzenmaterial oder eine pflanzliche Zelle, erhältlich oder erhalten durch ein Verfahren umfassend das Einbringen eines rekombinanten Konstrukts gemäß SEQ ID NOs: 23 und 24, sowie Sequenzen mit mindestens 66%, 67%, 68%, 69%, 70%, 71%, 72%, 73%, 74%, 75%, 76%, 77%, 78%, 79%, 80%, 81%, 82%, 83%, 84%, 85%, 86%, 87%, 88%, 89%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98% oder 99% Sequenzhomologie zu diesen Sequenzen, in eine pflanzliche Zielstruktur, welche mindestens eine meristematische Zelle umfasst.In another aspect, the present invention relates to a plant, plant material or plant cell obtainable or obtained by a method comprising introducing a recombinant construct of SEQ ID NOs: 23 and 24, and sequences of at least 66%, 67%. , 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84 %, 85%, 86%, 87%, 88%, 89%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98% or 99% sequence homology to these sequences into a plant target structure comprising at least one meristematic cell.
In noch einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Verwendung von mindestens einem rekombinanten Konstrukt gemäß SEQ ID NOs: 23 und 24, sowie Sequenzen mit mindestens 66%, 67%, 68%, 69%, 70%, 71%, 72%, 73%, 74%, 75%, 76%, 77%, 78%, 79%, 80%, 81%, 82%, 83%, 84%, 85%, 86%, 87%, 88%, 89%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98% oder 99% Sequenzhomologie zu diesen Sequenzen, zur gezielten Veränderung mindestens einer Nukleinsäure-Zielregion in einer pflanzlichen Zelle. In yet another aspect, the present invention relates to the use of at least one recombinant construct of SEQ ID NOs: 23 and 24, and sequences of at least 66%, 67%, 68%, 69%, 70%, 71%, 72 %, 73%, 74%, 75%, 76%, 77%, 78%, 79%, 80%, 81%, 82%, 83%, 84%, 85%, 86%, 87%, 88%, 89%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98% or 99% sequence homology to these sequences, for the targeted alteration of at least one nucleic acid target region in a plant cell.
Zur Anwendung in der vorliegenden Erfindung eignen sich alle Cas-Polypeptidsequenzen sowie Cas-kodierende Nukleinsäuresequenzen, welche speziell auf den Einsatz in einer pflanzlichen Zelle hin optimiert wurden bzw. deren kodierende Konstrukte geeignete regulatorische Sequenzen tragen, welche die adäquate Transkription und/oder Translation in einer pflanzlichen Zelle im dafür vorgesehenen zellulären Kompartiment, umfassend den Zellkern, das Zytosol, ein Mitochondrium, ein Plastid, umfassend einen Chloroplasten, bewirken können. Ferner müssen die jeweiligen Cas-Nukleasen in einer Ausführungsform über ihre intrinsische Nukleasefunktion verfügen. Als Cas-Nuklease gemäß der vorliegenden Offenbarung kann daher auch ein katalytisch aktives Fragment abgeleitet von einer nativen Cas-Nuklease zum Einsatz kommen, sofern das katalytisch aktive Fragment nach wie vor dieselbe enzymtisch katalytische Funktion erfüllt, wie das native Enzym, von dem es abgeleitet ist.Suitable for use in the present invention are all Cas polypeptide sequences and Cas-encoding nucleic acid sequences which have been optimized especially for use in a plant cell or their coding constructs carry suitable regulatory sequences, the adequate transcription and / or translation in a plant cell in the dedicated cellular compartment comprising the nucleus, the cytosol, a mitochondrion, a plastid comprising a chloroplast. Furthermore, in one embodiment, the respective Cas nucleases must have their intrinsic nuclease function. Therefore, as the cas nuclease according to the present disclosure, a catalytically active fragment derived from a native Cas nuclease may also be used so long as the catalytically active fragment still performs the same enzymatic catalytic function as the native enzyme from which it is derived ,
Alternativ können gemäß eines Aspekts der vorliegenden Offenbarung auch Cas-Nickasen oder katalytisch aktive Fragmente davon zum Einsatz kommen, d. h. Cas-Polypeptide, die dahingehende verändert wurden, dass sie nur noch einen DNA-Strang spalten und nicht wie eine native Cas-Nuklease einen DNA-Doppelstrangbruch erzeugen. Dies bietet zum einen die Möglichkeit einer erhöhten Spezifität, da zur Erzielung eines Doppelstrangbruchs zwei rekombinante Konstrukte umfassend je eine Cas-Nickase zum Einsatz kommen müssen. Zum anderen bietet sich die Möglichkeit, einen gezielt versetzten Doppelstrangbruch anstelle eines „Blunt” Schnittes einzuführen.Alternatively, according to one aspect of the present disclosure, casnanases or catalytically active fragments thereof may also be used, i. H. Cas polypeptides that have been altered to cleave only one DNA strand and do not generate DNA double strand breakage like a native Cas nuclease. This offers, on the one hand, the possibility of increased specificity, since two recombinant constructs, each comprising a Cas nickase, must be used to achieve a double strand break. On the other hand, it is possible to introduce a deliberately offset double strand break instead of a "blunt" cut.
Schließlich können gemäß eines Aspekts der vorliegenden Offenbarung auch Cas-null Nukleasen oder katalytisch aktive Fragmente davon, d. h. Varianten, welche über keine Nukleaseaktivität mehr verfügen, zum Einsatz kommen. Hiermit eröffnet sich die Möglichkeit, die Cas-Nuklease zusammen mit einer weiteren Effektor-Domäne gemäß der vorliegenden Offenbarung, z. B. einem weiteren DNA- bzw. RNA-modifizierenden oder DNA- bzw. RNA-bindenden Polypeptid oder Nukleinsäuren, gemäß der vorliegenden Offenbarung zu verwenden, wodurch sich das Spektrum der Einführung gezielter Veränderungen in einer pflanzlichen Zielstruktur erweitert.Finally, according to one aspect of the present disclosure, Cas-zero nucleases or catalytically active fragments thereof, i. H. Variants which no longer have any nuclease activity are used. This opens up the possibility of the Cas nuclease together with another effector domain according to the present disclosure, z. A further DNA- or RNA-modifying or DNA- or RNA-binding polypeptide or nucleic acids, according to the present disclosure, thereby expanding the spectrum of introduction of targeted alterations in a plant target structure.
Es ist dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt, gezielte Mutationen in die katalytische Domäne einer Cas-Nuklease von Interesse einzuführen, um diese zu einer Nickase oder zu einer Cas-null Nuklease „umzuprogrammieren”.It is known in the art to introduce targeted mutations into the catalytic domain of a Cas nuclease of interest in order to "reprogram" them into a nickase or Cas null nuclease.
Beispielhafte Cas-Nukleasen oder katalytisch aktive Fragmente davon oder Cas-Nuklease oder katalytisch aktive Fragmente davon kodierende Sequenzen zur Anwendung in der vorliegenden Offenbarung sind in SEQ ID NOs 16–22 und als UniProtKB/Swiss-Prot Datenbankzugang Q99ZW2.1 (SEQ ID NO: 39) offenbart und umfassen auch solche Sequenzen mit mindestens 66%, 67%, 68%, 69%, 70%, 71%, 72%, 73%, 74%, 75%, 76%, 77%, 78%, 79%, 80%, 81%, 82%, 83%, 84%, 85%, 86%, 87%, 88%, 89%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98% oder 99% Sequenzhomologie zu diesen Sequenzen, welche trotz Modifikation noch die gleiche Funktion erfüllen wie die jeweils nicht modifizierten Sequenzen mit der entsprechenden SEQ ID NO bzw. zugänglich unter der genannten Datenbankhinterlegungsnummer.Exemplary Cas nucleases or catalytically active fragments thereof or Cas nuclease or catalytically active fragments thereof encoding sequences for use in the present disclosure are shown in SEQ ID NOs 16-22 and as UniProtKB / Swiss-Prot database access Q99ZW2.1 (SEQ ID NO: 1). 39) and also include such sequences having at least 66%, 67%, 68%, 69%, 70%, 71%, 72%, 73%, 74%, 75%, 76%, 77%, 78%, 79 %, 80%, 81%, 82%, 83%, 84%, 85%, 86%, 87%, 88%, 89%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98% or 99% sequence homology to these sequences, which despite modification still perform the same function as the respective unmodified sequences with the corresponding SEQ ID NO or accessible under the said database depository number.
Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung nutzt den dem CRISPR/Cas System zu Grunde liegenden Wirkmechanismus der RNA-gesteuerten DNA-Modifikation dahingehend, dass eine Effektor-Domäne anstelle von oder zusammen mit der Cas-Nuklease durch eine gezielt angepasste gRNA an die gewünschte Position einer Nukleinsäure-Zielregion in einer pflanzlichen Zielstruktur dirigiert wird, sodass die Effektor-Domäne gezielt platziert werden kann, um die gewünschte Nukleinsäure Editierung zu bewirken.Yet another aspect of the present invention utilizes the RNA-directed DNA modification mechanism of action underlying the CRISPR / Cas system in that an effector domain instead of or together with the Cas nuclease is targeted to a desired position by a targeted gRNA a nucleic acid target region is directed in a plant target structure so that the effector domain can be targeted to effect the desired nucleic acid editing.
In einer Ausführungsform dieses Aspekts ist die Nukleinsäure-Zielregion eine genomische DNA.In one embodiment of this aspect, the target nucleic acid region is genomic DNA.
In einer weiteren Ausführungsform dieses Aspekts ist die Nukleinsäure-Zielregion eine mitochondriale oder plastidäre DNA, wobei das rekombinante Konstrukt eine Lokalisationssequenz umfasst, welche die Lokalisation des rekombinanten Konstrukts im entsprechenden Zielkompartiment, z. B. einem Mitochondrium oder einem Chloroplasten, umfasst.In a further embodiment of this aspect, the nucleic acid target region is a mitochondrial or plastid DNA, wherein the recombinant construct comprises a localization sequence which determines the location of the recombinant construct in the corresponding target compartment, e.g. A mitochondrion or a chloroplast.
In einer Ausführungsform umfasst die Cas-Nuklease oder das katalytisch aktive Fragmente davon oder die die Cas-Nuklease oder die das katalytisch aktive Fragmente davon kodierende Sequenz und/oder die Effektor-Domäne oder die die Effektor-Domäne kodierende Sequenz zusätzlich eine Sequenz ausgewählt aus einer Kernlokalisationssequenz, einer Plastidenlokalisationssequenz, vorzugsweise einer Mitochondrienlokalisationssequenz und einer Chloroplastenlokalisationssequenz. Eine Kernlokalisationssequenz kann etwa ausgewählt sein aus SEQ ID NO: 49–58, welche folgende Sequenzen offenbaren: Simian virus 40 (SV40) monopartit: MAPKKKRKV; A. tumefaciens VirD2 (pTiA6): KRPRDRHDGELGGRKRAR; A. tumefaciens VirD2 (pTiC58): KRPREDDDGEPSERKRER; A. tumefaciens VirE2 (pTiA6) #1: KLRPEDRYVQTERYGRR; A. tumefaciens VirE2 (pTiC58) #1: KLRPEDRYIQTEKYGRR; A. tumefaciens VirE2 (pTiA6) #2: KRRYGGETEIKLKSK; A. tumefaciens VirE2 (pTiC58) #2: KTKYGSDTEIKLKSK; A. rhizogenes GALLS (pRi1724): KRKRAAAKEEIDSRKKMARH; A. rhizogenes GALLS (pRiA4): KRKRVATKEEIEPHKKMARR; A. rhizogenes VirD2 (pRiA4): KRPRVEDDGEPSERKRAR. In one embodiment, the Cas nuclease or the catalytically active fragments thereof or the Cas nuclease or the catalytically active fragments thereof coding sequence and / or the effector domain or the effector domain coding sequence additionally comprises a sequence selected from a Nuclear localization sequence, a plastid localization sequence, preferably a mitochondrial localization sequence and a chloroplast localization sequence. A nuclear localization sequence may be selected, for example, from SEQ ID NO: 49-58, which disclose the following sequences: Simian virus 40 (SV40) monopartite: MAPKKKRKV; A. tumefaciens VirD2 (pTiA6): KRPRDRHDGELGGRKRAR; A. tumefaciens VirD2 (pTiC58): KRPREDDDGEPSERKRER; A. tumefaciens VirE2 (pTiA6) # 1: KLRPEDRYVQTERYGRR; A. tumefaciens VirE2 (pTiC58) # 1: KLRPEDRYIQTEKYGRR; A. tumefaciens VirE2 (pTiA6) # 2: KRRYGGETEIKLKSK; A. tumefaciens VirE2 (pTiC58) # 2: KTKYGSDTEIKLKSK; A. rhizogenic GALLS (pRi1724): KRKRAAAKEEIDSRKKMARH; A. rhizogenic GALLS (pRiA4): KRKRVATKEEIEPHKKMARR; A. rhizogenic VirD2 (pRiA4): KRPRVEDDGEPSERKRAR.
Es kann ein oder es können mehrere Kernlokalisationssequenzen mit mindestens einer Effektor-Domäne kombiniert werden, welche bevorzugt gemeinsam auf einem Plasmidvektor vereint werden.One or more nuclear localization sequences can be combined with at least one effector domain, which are preferably combined together on a plasmid vector.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die gRNA oder die die gRNA kodierende Sequenz zusätzlich eine Sequenz ausgewählt aus einer Kernlokalisationssequenz, einer Plastidenlokalisationssequenz, vorzugsweise einer Mitochondrienlokalisationssequenz und einer Chloroplastenlokalisationssequenz.In a further embodiment, the gRNA or the sequence encoding the gRNA additionally comprises a sequence selected from a nuclear localization sequence, a plastid localization sequence, preferably a mitochondrial localization sequence and a chloroplast localization sequence.
In noch einer weiteren Ausführungsform dieses Aspekts ist die Nukleinsäure-Zielregion eine Ribonukleinsäure (RNA) in einem beliebigen pflanzlichen Kompartiment, z. B. dem Zytosol. Gemäß dieser Ausführungsform kann eine gezielt modifizierte gRNA bereitgestellt werden, welche dazu in der Lage ist, mit einer RNA-Zielstruktur zu interagieren. Die gRNA kann zudem eine weitere Effektor-Domäne, z. B. ein Aptamer, umfassen.In yet another embodiment of this aspect, the nucleic acid target region is a ribonucleic acid (RNA) in any plant compartment, e.g. B. the cytosol. In accordance with this embodiment, a targeted modified gRNA capable of interacting with an RNA targeting structure may be provided. The gRNA can also be another effector domain, z. An aptamer.
Dem Fachmann auf dem Gebiet ist bekannt, dass das Design der entsprechenden mindestens einen gRNA, welche zusammen mit mindestens einer Cas-Nuklease und/oder mit mindestens einer Effektor-Domäne verwendet wird, von der Spezifität und speziell den Bindungs- und Erkennungseigenschaften der jeweils verwendeten Cas-Nuklease und/oder der Effektor-Domäne sowie der Nukleinsäure-Zielregion, welche gezielt verändert werden soll, abhängt.It is known to those skilled in the art that the design of the corresponding at least one gRNA, which is used together with at least one Cas nuclease and / or with at least one effector domain, of the specificity and especially the binding and recognition properties of each used Cas nuclease and / or the effector domain and the nucleic acid target region, which is to be targeted to change dependent.
Wildtyp Cas-Nukleasen, speziell vom Typ Cas9, erzeugen einen „blunt” Doppelstrangbruch in der Ziel-DNA-Sequenz, d. h. ohne Einzelstrang-DNA-Überhang. Hierdurch wird der zelleigene DNA-Reparaturmechanismus der Zielzelle aktiviert über den sog. Nicht-homologe Reparatur (non-homologous end joining oder NHEJ) induziert. Dieser Mechanismus ist jedoch fehleranfällig, es kann also zur Etablierung unerwünschter Mutationen an den Orten der Wiederzusammenführung der einzelnen DNA-Stränge kommen. Mittels NHEJ können etwa einfache oder mehrfache Gen-Knock-Outs mediiert werden, wobei die DNA-Stränge nach dem gezielten DNA-Bruch durch zelleigene Mechanismen wieder zusammengeführt werden. Ein weiterer Reparaturmechanismus ist die Homologie-gerichtete Reparatur (homology-directed repair (HDR) oder homologe Rekombination (HR)). Auch dieser Mechanismus dient der Wiederzusammenführung von DNA-Strängen bei DNA-Läsionen. Im Gegensatz zu NHEJ benötigt HDR jedoch die Anwesenheit einer Matrize, d. h. einem homologen DNA-Stück, welches die Legierung der einzelnen DNA-Stränge mediiert. Hierdurch können etwa Insertionen, Gen-Austausch oder die gezielte Zusammenführung der einzelnen Stränge ohne die Hinzufügung von unerwünschten, nicht-steuerbaren Mutationen erreicht werden. Beide Reparaturmechanismen, NHEJ und HDR/HR stellen natürlich vorkommende Mechanismen zur DNA-Reparatur dar, welche in jeder hierin offenbarten Zelle als natürliche Reparaturmechanismen vorkommen.Wild type Cas nucleases, especially Cas9 type, produce a blunt double strand break in the target DNA sequence, i. H. without single-stranded DNA overhang. As a result, the cell's own DNA repair mechanism of the target cell is activated by the so-called non-homologous repair (non-homologous end joining or NHEJ) induced. However, this mechanism is susceptible to error, so it can lead to the establishment of unwanted mutations at the sites of reunification of the individual DNA strands. By means of NHEJ, single or multiple gene knock-outs can be mediated, whereby the DNA strands are brought together again after targeted DNA breakage by cell-specific mechanisms. Another repair mechanism is homology-directed repair (HDR) or homologous recombination (HR)). This mechanism also serves to reunite DNA strands in DNA lesions. However, unlike NHEJ, HDR requires the presence of a template, i. H. a homologous DNA piece that mediates the alloying of the individual DNA strands. This allows, for example, insertions, gene exchange or targeted assembly of the individual strands without the addition of undesirable, non-controllable mutations to be achieved. Both repair mechanisms, NHEJ and HDR / HR, are naturally occurring DNA repair mechanisms that occur as natural repair mechanisms in every cell disclosed herein.
Entscheidend für die ortsgerichtete Einführung der Veränderung einer Nukleinsäure-Zielregion ist gemäß dem oben dargelegten Mechanismus des Typ-II CRISPR/Cas Systems die gezielte Auswahl und das gezielte Design der gRNA-Sequenzen, um die Spaltung von Off-Target Regionen anders als der Zielregion zu vermeiden. Die Identifikation geeigneter PAM-Motive in Abhängigkeit der verwendeten CRISPR/Cas Werkzeuge und optional weiterer Effektor-Domänen und die Verwendung dieser Information zum Design geeigneter rekombinanter Konstrukte ist dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt.Critical to the site-directed introduction of alteration of a nucleic acid target region, according to the type II CRISPR / Cas system mechanism set forth above, is the targeted selection and targeted design of the gRNA sequences to target the cleavage of off-target regions other than the target region avoid. The identification of suitable PAM motifs depending on the CRISPR / Cas tools used and optionally further effector domains and the use of this information for the design of suitable recombinant constructs is known to the person skilled in the art.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird das Genom oder die extrachromosomale Nukleinsäure-Zielregion einer Zelle daher zunächst nach geeigneten PAM-Sequenzen hin durchsucht, um so gezielt eine passende gRNA entwerfen zu können.Therefore, according to one embodiment of the present disclosure, the genome or extrachromosomal nucleic acid target region of a cell is first screened for suitable PAM sequences to specifically design a suitable gRNA.
Der Begriff guide RNA oder gRNA wie hierin verwendet bezieht sich auf ein Nukleinsäuremolekül, welches aus natürlicher oder synthetischer RNA und/oder aus natürlicher oder synthetischer DNA bestehen kann und über die Funktion verfügt, einen Komplex mit einer Cas-Nuklease oder einem katalytisch aktiven Fragment davon bilden zu können, wodurch die Cas-Nuklease oder das katalytisch aktive Fragment davon erst in die Lage versetzt wird, eine Nukleinsäure-Zielregion zu erkennen. Zudem verfügte eine gRNA neben der Cas-Nuklease-Interaktionsdomäne über die Funktion einer Erkennungsdomäne, zur gezielten Hybridisierung an ein komplementäres Ziel-Nukleinsäuremolekül von Interesse. Folglich können gRNAs eine intrinsische Hairpin-Region durch komplementäre Basenpaarung bilden, wodurch die natürliche tracrRNA/crRNA Hairpin-Struktur nachgeahmt wird (siehe
Gemäß der vorliegenden Offenbarung können gRNAs verwendet werden, welche speziell auf den Einsatz in einer pflanzlichen Zelle hin angepasst wurden.According to the present disclosure, gRNAs can be used which have been specially adapted for use in a plant cell.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde zudem erarbeitet, dass eine beliebige gRNA wie hierin beschrieben zusätzlich an mindestens eine Effektor-Domäne, wie z. B. ein Aptamer, gekoppelt oder zusammen mit der Effektor-Domäne eingebracht werden kann, um so die Funktionalität der gRNA zu erweitern. Das rekombinante Konstrukt umfassend eine gRNA und mindestens eine Effektor-Domäne kann als DNA- oder RNA-Konstrukt in die pflanzliche Zielstruktur unter Einsatz eines geeigneten rekombinanten Konstrukts und/oder Vektors eingebracht werden. Die Effektor-Domäne kann zudem nicht nur aus einer Nukleinsäure bestehen, sondern auch als Polypeptid, oder eine dafür kodierende Sequenz, vorliegen.In accordance with the present invention, it has also been found that any desired gRNA, as described herein, can additionally be conjugated to at least one effector domain, such as e.g. As an aptamer, coupled or can be introduced together with the effector domain, so as to expand the functionality of the gRNA. The recombinant construct comprising a gRNA and at least one effector domain can be introduced as a DNA or RNA construct into the plant target structure using a suitable recombinant construct and / or vector. In addition, the effector domain can not only consist of a nucleic acid, but also be present as a polypeptide or a sequence coding therefor.
In einer Ausführungsform wird die gRNA gekoppelt an die Cas-Nuklease oder das katalytisch aktive Fragmente davon und/oder die Effektor-Domäne, z. B. das/die DNA- bzw. RNA-modifizierende oder das/die DNA- bzw. RNA-bindende Polypeptid oder Nukleinsäure, in die pflanzliche Zielstruktur eingebracht.In one embodiment, the gRNA is coupled to the Cas nuclease or the catalytically active fragments thereof and / or the effector domain, e.g. For example, the DNA or RNA modifying or the DNA or RNA binding polypeptide or nucleic acid is introduced into the plant target structure.
In einer weiteren Ausführungsform wird die gRNA als separates rekombinantes Konstrukt unabhängig von der Cas-Nuklease und/oder die Effektor-Domäne, z. B. das DNA- bzw. RNA-modifizierende oder DNA- bzw. RNA-bindende Polypeptid oder Nukleinsäure, in die pflanzliche Zielstruktur eingebracht.In a further embodiment, the gRNA is used as a separate recombinant construct independent of the Cas nuclease and / or the effector domain, e.g. As the DNA- or RNA-modifying or DNA- or RNA-binding polypeptide or nucleic acid introduced into the plant target structure.
Die gRNA kann als DNA- oder als RNA-Molekül in die pflanzliche Zielstruktur eingebracht werden. So können die gRNAs gemäß einer Ausführungsform direkt in Form einer synthetischen Nukleinsäure, z. B. als RNA, wahlweise auch im Komplex mit einer Cas-Nuklease oder einem katalytisch aktiven Fragmente davon, oder in einer anderen Ausführungsform in Form eines aktivierbaren und transkribierbaren rekombinanten DNA-Konstrukts in die Zielzelle eingebracht werden. Ferner kann gemäß der vorliegenden Offenbarung eine einzelne gRNA eingesetzt werden, oder es können duale oder multiple gRNAs in einem oder mehreren rekombinanten Konstrukt(en) gleichzeitig in eine Zelle eingeführt werden, wobei die gRNAs über die selbe oder individuelle regulatorische Sequenz(en) verfügt/verfügen. Die Auswahl geeigneter gRNAs zur Einbringung in eine Zielzelle kann gemäß dem unten näher erläuterten Aspekt gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgen, wobei dieser Aspekt ein in vitro Screening Verfahren zur Identifizierung einer gRNA oder einer für eine gRNA kodierenden Sequenz bereitstellt.The gRNA can be introduced into the plant target structure as a DNA or RNA molecule. Thus, according to one embodiment, the gRNAs may be directly in the form of a synthetic nucleic acid, e.g. B. as RNA, optionally also in complex with a Cas nuclease or a catalytically active fragments thereof, or introduced in another embodiment in the form of an activatable and transcribable recombinant DNA construct into the target cell. Further, according to the present disclosure, a single gRNA may be employed or dual or multiple gRNAs in one or more recombinant construct (s) may be simultaneously introduced into a cell, the gRNAs having the same or individual regulatory sequence (s). feature. The selection of suitable gRNAs for introduction into a target cell can be carried out according to the aspect of the present invention explained in more detail below, this aspect providing an in vitro screening method for identifying a gRNA or a sequence coding for a gRNA.
Da die Interaktionsdomäne einer klassischen CRISPR/Cas gRNA stets mit der gleichen Cas-Nuklease interagieren wird, kann durch den Einsatz individueller gRNAs, welche als weitere Komponente eine unterschiedliche Erkennungssequenz tragen, in einem Ansatz ein Multiplexing, d. h. die gezielte Veränderung mehrerer Zielregionen in einem Ansatz erreicht werden. Erforderlich kann hierbei stets sein, dass sich anliegend an die oder innerhalb der Zielregion eine PAM-Sequenz befindet. Das Design einer geeigneten gRNA kann vom Fachmann auf dem Gebiet in Kenntnis der verwendeten Cas-Nuklease, der Nukleinsäure-Zielregion, der Art der erwünschten Nukleinsäure-Veränderung, ausgewählt aus Mutation, Insertion oder Deletion, sowie der erwünschten Zielzelle in silico bestimmt werden. Die Wirksamkeit dieser gRNAs in vivo sowie mögliche Off-Target Effekte müssen jedoch für jede gRNA separat evaluiert werden. Zudem gilt es für nicht-etablierte Systeme, wie bei der transienten Transformation von pflanzlichen Meristemzellen, geeignete Vektoren und Verfahren zur Einbringung mindestens einer gRNA zusammen mit mindestens einer geeigneten Cas-Nuklease und/oder mindestens einer Effektor-Domäne, z. B. eines/einer DNA- bzw. RNA-modifizierenden oder eines/einer DNA- bzw. RNA-bindenden Polypeptids oder Nukleinsäure, zu etablieren, um die konzertierte Aktivität beider Moleküle in der Zielzelle zu gewährleisten. Schwierig ist neben dem reinen Design und der Synthese bzw. Bereitstellung der gRNA jedoch noch die Tatsache, dass gerade pflanzliche Genome sehr komplex sind und es bis dato keine zuverlässigen Verfahren zur Vorabtestung gibt, welche eine Aussage darüber erlauben, ob eine gewählte gRNA im Zusammenspiel mit der erwünschten Cas-Nuklease oder dem katalytisch aktiven Fragment davon eine Nukleinsäure-Zielregion in einer pflanzlichen Zelle tatsächlich wirksam modifizieren kann. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beruhen die erfindungsgemäßen Verfahren und dadurch die hiermit erzeugten Pflanzen, Pflanzenmaterialien oder Zellen auf dem natürlich vorkommenden DNA-Reparaturmechanismus der Zielzelle.Since the interaction domain of a classical CRISPR / Cas gRNA will always interact with the same Cas nuclease, the use of individual gRNAs, which carry a different recognition sequence as a further component, in one approach, a multiplexing, ie the targeted change of multiple target regions in one approach be achieved. It may always be necessary for a PAM sequence to be located adjacent to or within the target region. The design of a suitable gRNA can be determined by those of skill in the art having regard to the Cas nuclease used, the nucleic acid target region, the type of nucleic acid alteration desired, selected from mutation, insertion or deletion, as well as the desired target cell in silico. However, the efficacy of these gRNAs in vivo as well as possible off-target effects must be evaluated separately for each gRNA. In addition, for non-established systems, as in the transient transformation of plant meristem cells, suitable vectors and methods for introducing at least one gRNA together with at least one suitable Cas nuclease and / or at least one effector domain, eg. A DNA / RNA modifying or a DNA / RNA binding polypeptide or nucleic acid, to ensure the concerted activity of both molecules in the target cell. In addition to the pure design and the synthesis or provision of the gRNA, however, the fact that straight vegetable genomes are very complex and to date there are no reliable methods for preliminary testing, which allow a statement as to whether a selected gRNA in interaction with the desired Cas nuclease or the catalytically active fragment thereof effectively effectively modify a nucleic acid target region in a plant cell can. In one embodiment of the present invention, the methods of the invention, and thereby the plants, plant materials or cells produced thereby, are based on the naturally occurring DNA repair mechanism of the target cell.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird die Reparatur eines Einzelstrang- oder Doppelstrang-DNA-Bruchs, welcher zuvor durch eine Cas-Nuklease oder ein katalytisch aktives Fragment davon und/oder eine weitere Effektor-Domäne mediiert wurde, durch eine oder mehrere HDR Matrize(n) geheilt, welche nicht natürlich vorkommt/vorkommen, sondern in die Zielzelle eingeführt wurde(n).In another embodiment of the present disclosure, repair of a single-stranded or double-stranded DNA disruption previously mediated by a Cas nuclease or a catalytically active fragment thereof and / or another effector domain is accomplished by one or more HDR templates (n) healed, which does not occur naturally, but was introduced into the target cell (s).
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird daher in einer Ausführungsform eine HDR-Matrize offenbart, welche optional zusammen mit oder zeitversetzt zu den CRISPR/Cas Konstrukten und/oder einer weiteren mindestens einen Effektor-Domäne in eine Zielzelle eingebracht werden kann, um gezielt einen HDR-Mechanismus zu induzieren und dadurch gezielte Nukleinsäuresequenzen als Insertion an die Stelle des Doppelstrangbruchs einzufügen. Hierdurch können sowohl gezielte Knock-Ins, als auch die gezielte Reparatur der DNA-Läsion zur Verhinderung einer unerwünschten Mutation am Ort des DNA-Bruchs bewirkt werden. Ein Knock-In kann hierbei das gezielte Einfügen von mindestens einem Nukleotid, mindestens 2 Nukleotide, mindestens 3 Nukleotide, mindestens 4 Nukleotide, mindestens 5 Nukleotide, mindestens 6 Nukleotide, mindestens 7 Nukleotide, mindestens 8 Nukleotide, mindestens 9 Nukleotide, mindestens 10 Nukleotide, mindestens 15 Nukleotide, mindestens 20 Nukleotide, mindestens 50 Nukleotide, mindestens 100 Nukleotide, mindestens 200 Nukleotide, mindestens 500 Nukleotide oder mindestens 1000 Nukleotide in die Ziel-Nukleinsäure in der pflanzlichen Zelle bedeuten. Ein Knock-In kann hierbei auch der gezielte Austausch von mindestens einem Nukleotid gegen ein anderes Nukleotid bedeuten. Ferner kann ein Knock-In auch durch zwei, drei, vier oder mehr Austausche oder eine Kombination von Einfügen und Austauschen erzielt werden. Insertionen meinen das gezielte Einfügen von mindestens einem Nukleotid, mindestens 2 Nukleotide, mindestens 3 Nukleotide, mindestens 4 Nukleotide, mindestens 5 Nukleotide, mindestens 6 Nukleotide, mindestens 7 Nukleotide, mindestens 8 Nukleotide, mindestens 9 Nukleotide, mindestens 10 Nukleotide, mindestens 15 Nukleotide, mindestens 20 Nukleotide, mindestens 50 Nukleotide, mindestens 100 Nukleotide, mindestens 200 Nukleotide, mindestens 500 Nukleotide, mindestens 1000 Nukleotide, mindestens 2000 Nukleotide, mindestens 5000 Nukleotide, mindestens 10000 Nukleotide oder mindestens 15000 Nukleotide in die Ziel-Nukleinsäure in der pflanzlichen Zelle bedeuten. Eine Nukleinsäuresequenzen als Insertion kann eine Sequenz einer Transkriptionsfaktorbindestelle, eine regulatorische Sequenz, eine Polypeptid-kodierende Sequenz, eine Intronsequenz, eine Sequenz kodierend für eine nicht-kodierende RNA (z. B. IncRNA), eine Expressionskassette oder ein RNAi-Konstrukt. Ferner kann ein Knock-In hierbei auch herbeigeführt werden durch die Deletion von Sequenzabschnitten, welche die Funktionalität eines Gens stören (beispielsweise die Deletion von Transposoninsertionen). Die HDR-Matrize kann als einzelsträngige oder als doppelsträngige Nukleinsäure in die pflanzliche Zielstruktur von Interesse eingebracht werden.In the context of the present disclosure, therefore, in one embodiment, an HDR template is disclosed, which can optionally be introduced into a target cell together with or with a time offset to the CRISPR / Cas constructs and / or a further at least one effector domain in order to target an HDR template. To induce mechanism and thereby insert targeted nucleic acid sequences as an insertion at the site of the double strand break. As a result, both targeted knock-ins and the targeted repair of the DNA lesion can be brought about to prevent an undesired mutation at the site of DNA breakage. A knock-in may include the targeted insertion of at least one nucleotide, at least 2 nucleotides, at least 3 nucleotides, at least 4 nucleotides, at least 5 nucleotides, at least 6 nucleotides, at least 7 nucleotides, at least 8 nucleotides, at least 9 nucleotides, at least 10 nucleotides, at least 15 nucleotides, at least 20 nucleotides, at least 50 nucleotides, at least 100 nucleotides, at least 200 nucleotides, at least 500 nucleotides or at least 1000 nucleotides into the target nucleic acid in the plant cell. A knock-in can also mean the targeted exchange of at least one nucleotide for another nucleotide. Further, knock-in may also be achieved by two, three, four or more exchanges or a combination of insertion and replacement. Insertions mean the targeted insertion of at least one nucleotide, at least 2 nucleotides, at least 3 nucleotides, at least 4 nucleotides, at least 5 nucleotides, at least 6 nucleotides, at least 7 nucleotides, at least 8 nucleotides, at least 9 nucleotides, at least 10 nucleotides, at least 15 nucleotides, at least 20 nucleotides, at least 50 nucleotides, at least 100 nucleotides, at least 200 nucleotides, at least 500 nucleotides, at least 1000 nucleotides, at least 2000 nucleotides, at least 5000 nucleotides, at least 10000 nucleotides or at least 15000 nucleotides into the target nucleic acid in the plant cell. A nucleic acid sequence as an insertion may be a sequence of a transcription factor binding site, a regulatory sequence, a polypeptide coding sequence, an intron sequence, a sequence encoding a noncoding RNA (eg, IncRNA), an expression cassette, or an RNAi construct. Furthermore, a knock-in can also be brought about by the deletion of sequence segments which disrupt the functionality of a gene (for example, the deletion of transposon insertions). The HDR template may be introduced into the plant target of interest as a single-stranded or double-stranded nucleic acid.
In einer Ausführungsform wird eine Ziel-Nukleinsäure in einer pflanzlichen Zelle gezielt ausgeschaltet (Knock-Out), d. h. die Transkription und ggf. Translation der Nukleinsäure wird verhindert. Dies kann durch die gezielte Mutation oder Deletion einer regulatorischen Sequenz wie Promotor- oder Terminatorsequenz einer Ziel-Nukleinsäure erfolgen oder durch die gezielte Mutation oder Deletion der Ziel-Nukleinsäure selbst oder Teile davon. Weiterhin kann auch durch gezielte Mutation oder Deletion, welche den Leseraster einer Ziel-Nukleinsäure verändern, oder durch gezielte Mutation oder Deletion von potentiellen Spleißsignalen ein Knock-Out erzielt werden. In einer Ausführungsform erfolgt dieser Knock-Out ohne Einsatz einer HDR Matrize, in einer anderen Ausführungsform wird hierfür zusätzlich zu den CRISPR/Cas Konstrukten und/oder einer weiteren Effektor-Domäne eine HDR Matrize in die Zielzelle eingebracht. Eine gezielte Mutation ist beispielsweise ein Austausch von mindestens einem Nukleotid gegen ein anderes Nukleotid, vorzugsweise mit der Folge, dass das betroffene Codon dann für eine andere Aminosäure kodiert. Eine gezielt ausgeschaltete Ziel-Nukleinsäure in einer pflanzlichen Zelle weist mindestens eine gezielte Mutation oder Deletion, kann aber auch zwei, drei, vier oder mehr gezielte Mutationen und/oder Deletionen aufweisen.In one embodiment, a target nucleic acid in a plant cell is targeted knock-out, d. H. the transcription and possibly translation of the nucleic acid is prevented. This can be done by the targeted mutation or deletion of a regulatory sequence such as promoter or terminator sequence of a target nucleic acid or by the targeted mutation or deletion of the target nucleic acid itself or parts thereof. Furthermore, a knock-out can also be achieved by targeted mutation or deletion, which change the reading frame of a target nucleic acid, or by targeted mutation or deletion of potential splice signals. In one embodiment, this knock-out occurs without the use of an HDR template, in another embodiment, an HDR template is introduced into the target cell in addition to the CRISPR / Cas constructs and / or a further effector domain. A targeted mutation is, for example, an exchange of at least one nucleotide for another nucleotide, preferably with the consequence that the codon concerned then codes for another amino acid. A targeted nucleic acid in a plant cell which has been deliberately switched off has at least one targeted mutation or deletion, but may also have two, three, four or more targeted mutations and / or deletions.
In noch einer weiteren Ausführungsform kann zusätzlich zu der Einführung einer gezielten Veränderung eine Ziel-Nukleinsäuresequenz der natürliche NHEJ Mechanismus einer Pflanzenzelle bewusst durch Zugabe eines entsprechenden Inhibitors unterdrückt werden, wodurch der NHEJ Mechanismus der Zelle reprimiert wird. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher die pflanzliche Zielstruktur eine isolierte meristematische Zelle eines Keimlings/Pflanze oder eines pflanzlichen Embryos oder freigelegte meristematische Zelle einer Pflanze in einem späteren Entwicklungsstadium ist, werden die die meristematischen Zellen umfassenden pflanzlichen Zielstrukturen vor, während und nach der Einbringung des mindestens einen rekombinanten Konstrukts gemäß der vorliegenden Offenbarung derart kultiviert, dass einer Oxidation der isolierten Strukturen vorgebeugt wird. In einer Ausführungsform umfasst dies die Zugabe eines Antioxidans.In yet another embodiment, in addition to the introduction of a targeted alteration, a target nucleic acid sequence of the natural NHEJ mechanism of a plant cell can be deliberately suppressed by addition of a corresponding inhibitor, thereby repressing the NHEJ mechanism of the cell. In one embodiment of the present invention, wherein the plant target structure is an isolated meristematic cell of a seedling / plant or a plant embryo or an unearthed meristematic cell of a plant at a later stage of development, the plant target structures comprising the meristematic cells are treated before, during and after the Introducing the at least one recombinant construct according to the present disclosure such that oxidation of the isolated structures is prevented. In one embodiment, this involves the addition of an antioxidant.
Die nachfolgende Tabelle 1 führt geeignete Medien zur Kultivierung unterschiedlicher pflanzlicher Zielstrukturen auf, welche meristematische Zellen umfassen. Weitere geeignete Reaktionsbedingungen wie Puffer, Zusätze, Temperatur- und pH-Bedingungen sowie ggf. weitere notwendige Zusätze können vom Fachmann auf dem Gebiet in Kenntnis eines hierin offenbarten Verfahren und Konstrukte, gemäß eines beliebigen Aspekts der vorliegenden Offenbarung leicht bestimmt werden. Tabelle 1: Medienzusammensetzungen zur Kultivierung unterschiedlicher pflanzlicher Zielstrukturen mit meristematischen Zellen (MS Medium = Murashige Skoog Medium; MS Salze = Murashige Skoog Salze (Toshio Murashige, Folke Skoog: A Revised Medium for Rapid Growth and Bio Assays with Tobacco Tissue Cultures. In: Physiologia Plantarum, Jg. 15 (1962), Heft 3, S. 473–497, ISSN 0031-9317, doi:10.1111/j.1399-3054.1962.tb08052.x).
Die transiente Einführung der hierin offenbarten Konstrukte in meristematische Zellen oder Gewebe bietet den Vorteil, dass sich aus diesen Reproduktionsgewebe entwickeln, über welche die gezielte Veränderung dann stabil an die nächste Generation weitergegeben werden kann, wobei die Folgegeneration frei von den zuvor eingeführten Konstrukten ist. Die hierin offenbarten Verfahren und Konstrukte erlauben ferner, an der derart veränderten Pflanze direkt Saatgut zu ernten, welches die stabile DNA-Veränderung trägt, ohne als Zwischenschritt über eine Zellkultur in Form von Kallusproduktion und -regeneration zu gehen, womit auch auf die hierfür notwendigen Selektions- und Regenrationsschritte sowie die hierfür erforderlichen Medien und Zusätze umgangen werden können.The transient introduction of the constructs disclosed herein into meristematic cells or tissue has the advantage of developing reproductive tissue from which the targeted alteration can then be stably relayed to the next generation, the next generation being free of the previously introduced constructs. The methods and constructs disclosed herein further allow to harvest directly on the plant thus modified seed, which carries the stable DNA change, without going as an intermediate step on a cell culture in the form of callus production and regeneration, which also on the selection necessary for this - And Regenrationsschritte and the necessary media and additives can be bypassed.
Die hierin offenbarten Verfahren eigenen sich zur Erzeugung von gezielten DNA-Veränderungen sowohl in monokotylen wie auch dikotylen Pflanzen. Beispiele für Monokotyledonen sind Gräser und Getreide wie Hordeum vulgare, Sorghum bicolor, Secale cereale, Triticale, Saccharum officinarium, Zea mays, Setaria italic, Oryza sativa, Oryza minuta, Oryza australiensis, Oryza alta, Triticum aestivum, Triticum durum, Hordeum bulbosum, Brachypodium distachyon, Hordeum marinum, Aegilops tauschii. Beispiele für Dikotyledonen sind Malus domestica, Beta vulgaris, Helianthus annuus, Daucus glochidiatus, Daucus pusillus, Daucus muricatus, Daucus carota, Eucalyptus grandis, Erythranthe guttata, Genlisea aurea, Nicotiana sylvestris, Nicotiana tabacum, Nicotiana tomentosiformis, Solanum lycopersicum, Solanum tuberosum, Coffea canephora, Vitis vinifera, Cucumis sativus, Morus notabilis, Arabidopsis thaliana, Arabidopsis lyrata, Arabidopsis arenosa, Crucihimalaya himalaica, Crucihimalaya wallichii, Cardamine flexuosa, Lepidium virginicum, Capsella bursa-pastoris, Olmarabidopsis pumila, Arabis hirsuta, Brassica napus, Brassica oleracea, Brassica rapa, Brassica juncacea, Brassica nigra, Raphanus sativus, Eruca vesicaria sativa, Citrus sinensis, Jatropha curcas, Glycine max, Gossypium ssp. oder Populus trichocarpa.The methods disclosed herein are capable of producing targeted DNA alterations in both monocot and dicotyledonous plants. Examples of monocots are grasses and cereals such as Hordeum vulgare, Sorghum bicolor, Secale cereale, Triticale, Saccharum officinarium, Zea mays, Setaria italic, Oryza sativa, Oryza minuta, Oryza australiensis, Oryza alta, Triticum aestivum, Triticum durum, Hordeum bulbosum, Brachypodium distachyon, Hordeum marinum, Aegilops tauschii. Examples of dicotyledons are Malus domestica, Beta vulgaris, Helianthus annuus, Daucus glochidiatus, Daucus pusillus, Daucus muricatus, Daucus carota, Eucalyptus grandis, Erythranthe guttata, Genlisea aurea, Nicotiana sylvestris, Nicotiana tabacum, Nicotiana tomentosiformis, Solanum lycopersicum, Solanum tuberosum, Coffea canephora, Vitis vinifera, Cucumis sativus, Morus notabilis, Arabidopsis thaliana, Arabidopsis lyrata, Arabidopsis arenosa, Crucihimalaya himalaica, Crucihimalaya wallichii, Cardamine flexuosa, Lepidium virginicum, Capsella bursa pastoris, Olmarabidopsis pumila, Arabis hirsuta, Brassica napus, Brassica oleracea, Brassica rapa, Brassica juncacea, Brassica nigra, Raphanus sativus, Eruca vesicaria sativa, Citrus sinensis, Jatropha curcas, Glycine max, Gossypium ssp. or Populus trichocarpa.
In einer Ausführungsform umfasst die Nukleinsäure-Sequenz, welche zur gezielten Veränderung einer Nukleinsäure-Zielregion eingesetzt wird mindestens eine oder mehrere regulatorische Sequenzen.In one embodiment, the nucleic acid sequence used to target a nucleic acid target region comprises at least one or more regulatory sequences.
In einer Ausführungsform umfasst das Nukleinsäure-Sequenz, welche zur gezielten Veränderung einer Nukleinsäure-Zielregion eingesetzt als regulatorische Sequenz mindestens einen oder mehrere Promotor(n), optional einen pflanzen- und gewebespezifischen, einen phänotypischen, einen konstitutiven oder induzierbaren Promotor, welcher geeignet zur Induktion der Transkription in einer gewünschten Zielzelle ist. Ein Promotor ist eine Nukleinsäureregion, welche an der Erkennung sowie der Bindung von RNA-Polymerasen sowie anderen Proteinen beteiligt ist, um die Transkription zu steuern. Geeignete Promotoren für entweder die gRNA oder die die Cas-Nuklease oder die das katalytisch aktive Fragmente davon kodierende Sequenz sind dem Fachmann auf dem Gebiet wohlbekannt. Die Induktion eines induzierbaren Promotors kann durch Stimuli wie Temperatur, Chemikalien, pH, Licht, endogene Pflanzensignale, z. B. ausgeschüttet nach Verwundung der Pflanze, und dergleichen erfolgen. Beispielhafte Promotoren sind ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus SEQ ID Nos: 5–11, und umfassen auch solche Sequenzen mit mindestens 66%, 67%, 68%, 69%, 70%, 71%, 72%, 73%, 74%, 75%, 76%, 77%, 78%, 79%, 80%, 81%, 82%, 83%, 84%, 85%, 86%, 87%, 88%, 89%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98% oder 99% Sequenzhomologie zu diesen Sequenzen, welche trotz Modifikation noch die gleiche Funktion erfüllen wie das jeweils nicht modifizierte Sequenz mit der entsprechenden SEQ ID NO. Weitere vorteilhafte Promotoren sind ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Promotoren der Wall-Associated Kinasen (WAKs) 1 und 2 (siehe z. B.
In einer Ausführungsform umfasst die die Nukleinsäure- oder Aminosäuresequenz, welche zur gezielten Veränderung einer Nukleinsäure-Zielregion eingesetzt wird, umfassend eine gRNA und eine Cas-Nukleaseoder ein katalytisch aktives Fragment davon, oder eine dafür kodierende Sequenz, mindestens eine oder mehrere Kernlokalisationssequenz(en) (KLS), welche die Kernlokalisation der zur gezielten Veränderung einer Nukleinsäure-Zielregion verwendeten Nukleinsäuren und Polylpeptiden bewirken.In one embodiment, the nucleic acid or amino acid sequence used to target a nucleic acid target region comprising a gRNA and a Cas nuclease or a catalytically active fragment thereof, or a sequence coding therefor, comprises at least one or more nuclear localization sequence (s). (KLS), which effect the nuclear localization of the nucleic acids and polypeptides used to target a nucleic acid target region.
In einer Ausführungsform umfasst das rekombinante Konstrukt umfassend eine Nukleinsäure- oder Aminosäuresequenz, welche zur gezielten Veränderung einer Nukleinsäure-Zielregion eingesetzt wird, eine gRNA und eine Cas-Nuklease oder ein katalytisch aktives Fragment davon, oder eine dafür kodierende Sequenz, eine oder mehrere Plastidenlokalisationssequenz(en) (PLS), zum Beispiel eine Mitochondrien- oder Chloroplastenlokalisationssequenz(en) (MLS oder CLS), welche die Lokalisation der zur gezielten Veränderung einer Nukleinsäure-Zielregion verwendeten Nukleinsäuren und Polypeptiden in den entsprechenden pflanzlichen Plastiden bewirkt.In one embodiment, the recombinant construct comprises a nucleic acid or amino acid sequence which is used for the targeted alteration of a nucleic acid target region, a gRNA and a Cas nuclease or a catalytically active fragment thereof, or a sequence coding therefor, one or more plastid localization sequences ( en) (PLS), for example a mitochondrial or chloroplast localization sequence (s) (MLS or CLS), which effects the localization of the nucleic acids and polypeptides used to target a nucleic acid target region in the corresponding plant plastids.
In einer Ausführungsform umfasst die Nukleinsäure-Sequenz, welche für eine hierin offenbarte Cas-Nuklease oder ein katalytisch aktives Fragment davon kodiert, oder eine hierin offenbarte Cas-Nuklease oder ein katalytisch aktives Fragment davon zudem eine tag-Sequenz. Eine tag-Sequenz ist ein Nukleinsäure- oder Proteinabschnitt, welcher der Cas-Nuklease oder der gRNA, oder der die Cas-Nuklease oder die gRNA kodierenden Nukleinsäure-Sequenz vorangestellt und/oder nachgestellt und/oder innerhalb der Sequenz lokalisiert sein kann, um optional unter anderem deren Lokalisation, Visualisierung innerhalb einer Zielzelle zu ermöglichen. Besonders bevorzugt sind tag-Sequenzen ausgewählt aus der folgenden Liste: Polyhistidin(His)-Tag, Glutathione-S-transferase(GST)-tag, Thioredoxin-Tag, FLAG-tag, einem Tag mit Fluoreszenz-Eigenschaften, ausgewählt aus einem Grünfluoreszierenden Protein(GFP)-tag, einem DsRed-tag, einem mCherry-tag und dergleichen, einem Streptavidin oder strep-Tag, Maltose-Bindeprotein(MBP)-Tag, Chloroplastentransitpeptid, Mitochondrientransitpeptid, ein Snap-Tag und/oder ein Sekretionstag.In one embodiment, the nucleic acid sequence encoding a Cas nuclease disclosed herein or a catalytically active fragment thereof, or a Cas nuclease disclosed herein or a catalytically active fragment thereof further comprises a tag sequence. A tag sequence is a nucleic acid or protein portion which may be preceded and / or sequenced by the Cas nuclease or gRNA, or the nucleic acid sequence encoding the Cas nuclease or gRNA, and / or located within the sequence, optionally including their localization, to allow visualization within a target cell. Especially preferred are tag sequences selected from the following list: polyhistidine (His) tag, glutathione S-transferase (GST) tag, thioredoxin tag, FLAG tag, a tag with fluorescence properties selected from a green fluorescent protein (GFP) tag, DsRed tag, mCherry tag and the like, streptavidin or strep tag, maltose binding protein (MBP) tag, chloroplast transit peptide, mitochondrial transit peptide, snap tag, and / or secretion tag.
In einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren zur Herstellung einer Pflanze, eines Pflanzenmaterials oder einer pflanzlichen Zelle zudem eine Screeningschritt. In diesem Schritt wird durch Verfahren zur Analyse der Nukleinsäuresequenz einer Zielregion, z. B. durch Polymerase-Kettenreaktion oder durch Sonden, überprüft, ob die Einbringung, Aktivierung und anschließende Reaktion des mindestens einen rekombinanten Konstrukts gemäß der vorliegenden Offenbarung zur erwünschten gezielten Veränderung einer Nukleinsäure-Zielregion führt. Verfahren, um dieses Screening durchzuführen, sind dem Fachmann auf dem Gebiet für jegliche pflanzliche Zielstruktur sowie Nukleinsäure-Zielregion bekannt. Jedoch existieren derzeit keine Standardverfahren, welche es erlauben würden, dass effektive Zusammenspiel einer gRNA, einer Cas-Nuklease oder einem katalytischen Fragment davon sowie einer Nukleinsäure-Zielregion von Interesse bezüglich der tatsächlichen Wirksamkeit einer gRNA von Interesse für eine spezifische Nukleinsäure-Zielregion, insbesondere eine Nukleinsäure-Zielregion innerhalb einer pflanzlichen Zelle, in einem in vitro Screening Verfahren zu prüfen, um somit den Zeit- und Kostenaufwand bei der Anwendung von CRISPR/Cas Konstrukten, speziell in einem Hochdurchsatzverfahren, zu überprüfen. Zudem sind die meisten verfügbaren in silico Tools (siehe etwa
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird daher ein in vitro Screening Verfahren zur Identifizierung einer gRNA oder einer für eine gRNA kodierenden Sequenz in einem in vitro Assay, zur Identifizierung einer gRNA oder einer für eine gRNA kodierenden Sequenz, die geeignet ist, zusammen mit einer Cas-Nuklease oder einem katalytisch aktiven Fragment davon eine Nukleinsäure-Zielregion in einer pflanzlichen Zelle gezielt zu modifizieren, umfassend die folgenden Schritte: (i) Bereitstellen einer oder mehrerer Nukleinsäure-Zielregion(en) einer Pflanze, eines Pflanzenmaterials oder einer pflanzlichen Zelle; (ii) Einfügen der einen oder der mehreren Nukleinsäure-Zielregion(en) in mindestens einem Vektor; (iii) Bereitstellen mindestens einer gRNA; (iv) Bereitstellen mindestens einer Cas-Nuklease oder eines katalytisch aktiven Fragments davon; (v) Inkontaktbringen der mindestens einen gRNA und der mindestens einen Cas-Nuklease oder des katalytisch aktiven Fragments davon mit dem mindestens einen Vektor in vitro unter geeigneten Reaktionsbedingungen, welche die Interaktion einer gRNA mit einer Cas-Nuklease und dadurch die katalytische Aktivität der Cas-Nuklease oder des katalytisch aktiven Fragments davon gestatten, wobei der mindestens eine Vektor jeweils mit genau einer gRNA und genau einer Cas-Nuklease oder einem katalytisch aktiven Fragment davon in einem separaten Reaktionsansatz in Kontaktgebracht wird; (vi) Analyse der Reaktionsprodukte aus Schritt (v); und (vii) Identifizierung einer gRNA oder einer für eine gRNA kodierenden Sequenz, die dazu in der Lage ist, zusammen mit einer spezifischen Cas-Nuklease oder einem katalytisch aktiven Fragment davon eine Nukleinsäure-Zielregion in einer pflanzlichen Zelle gezielt zu modifizieren.In one aspect of the present invention, therefore, there is provided an in vitro screening method for identifying a gRNA or a sequence encoding a gRNA in an in vitro assay for identifying a gRNA or a sequence encoding a gRNA that is suitable, together with a cas Nuclease or a catalytically active fragment thereof, to selectively modify a nucleic acid target region in a plant cell, comprising the following steps: (i) providing one or more target nucleic acid region (s) of a plant, plant material or plant cell; (ii) inserting the one or more target nucleic acid regions in at least one vector; (iii) providing at least one gRNA; (iv) providing at least one Cas nuclease or a catalytically active fragment thereof; (v) contacting the at least one gRNA and the at least one Cas nuclease or the catalytically active fragment thereof with the at least one vector in vitro under suitable reaction conditions which the interaction of a gRNA with a Cas nuclease and thereby the catalytic activity of the Cas- Nuclease or the catalytically active fragment thereof, wherein the at least one vector is in each case brought into contact with exactly one gRNA and exactly one Cas nuclease or a catalytically active fragment thereof in a separate reaction mixture; (vi) analysis of the reaction products of step (v); and (vii) identifying a gRNA or a sequence encoding a gRNA which is capable of selectively targeting a nucleic acid target region in a plant cell together with a specific Cas nuclease or a catalytically active fragment thereof.
Gemäß dieses Aspekts der vorliegenden Erfindung ist der Begriff in vitro derart zu verstehen, dass die mindestens eine Nukleinsäure-Zielregion nicht innerhalb ihres natürlichen Milieus, d. h. einer pflanzlichen Zelle, vorliegt, sondern zunächst in einen geeigneten Vektor zum Zwecke des in vitro Screenings überführt wird. Durch dieses Vorab-Screening können dann innerhalb kurzer Zeit eine Vielzahl von Ergebnissen generiert werden, welche die Eignung mindestens einer gRNA im Zusammenspiel mit der entsprechenden Cas-Nuklease oder dem katalytisch aktiven Fragment davon zur gezielten Modifikation einer Nukleinsäure-Zielregion innerhalb einer intakten pflanzlichen Zelle aufzeigen. Die so ermittelten Kandidaten können dann sowohl in vitro als auch in vivo, umfassend in planta, mit einer deutlich höheren Erfolgsquote verwendet werden.In accordance with this aspect of the present invention, the term in vitro is to be understood as meaning that the at least one target nucleic acid region is not within its natural environment, i. H. a plant cell, but is first converted to a suitable vector for the purpose of in vitro screening. This pre-screening can then generate a large number of results within a short time, which show the suitability of at least one gRNA in interaction with the corresponding Cas nuclease or the catalytically active fragment thereof for the targeted modification of a target nucleic acid region within an intact plant cell , The candidates thus determined can then be used both in vitro and in vivo, comprising in planta, with a much higher success rate.
In einer Ausführungsform ist das PCR-Amplifikat der Nukleinsäure-Zielregion gemäß dieses Aspekts abgeleitet von genomischer DNA, wobei die genomische DNA neben dem nuklearen Genom auch das Genom von Plastiden, wie Mitochondrien und Chloroplasten, umfasst. In einer anderen Ausführungsform ist das PCR-Amplifikat der Nukleinsäure-Zielregion gemäß dieses Aspekts abgeleitet von pflanzlicher RNA.In one embodiment, the PCR amplicon of the target nucleic acid region according to this aspect is derived from genomic DNA, wherein in addition to the nuclear genome, the genomic DNA also comprises the genome of plastids, such as mitochondria and chloroplasts. In another embodiment, the PCR amplicon of the target nucleic acid region according to this aspect is derived from plant RNA.
Der mindestens eine Vektor gemäß dieses Aspekts der vorliegenden Erfindung ist bevorzugt ein Plasmidvektor, es können jedoch auch alle weiteren hierin offenbarten Vektoren zum Einsatz kommen, welche für die Klonierung und stabile Aufrechterhaltung eines PCR-Amplifikats einer Nukleinsäure-Zielregion von Interesse geeignet sind. Die Klonierung einer oder mehrerer Nukleinsäure-Zielregionen) in mindestens einen Vektor ist dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt. Der Vektor kann idealerweise mehr als eine Zielregion von Interesse umfassen, sodass eine Vielzahl von Zielgenen von Interesse analysiert werden kann. Alternativ können auch mehrere Vektoren, die mindestens eine Nukleinsäure-Zielregion von Interesse umfassen, bereitgestellt werden.The at least one vector according to this aspect of the present invention is preferably a plasmid vector, but any other vectors disclosed herein which are suitable for the cloning and stable maintenance of a PCR amplicon of a nucleic acid target region of interest may also be used. The cloning of one or more target nucleic acid regions into at least one vector is known to those skilled in the art. The vector may ideally comprise more than one target region of interest so that a variety of target genes of interest can be analyzed. Alternatively, multiple vectors comprising at least one nucleic acid target region of interest may also be provided.
Die gRNA zur Anwendung gemäß diesem Aspekt muss in aktiver Ribonukleinsäure-Form appliziert werden, d. h. die gRNA kann entweder synthetisch, optional zusätzlich modifiziert, bereitgestellt werden. Alternativ kann die gRNA auch rekombinant hergestellt werden, d. h. durch in vitro oder in vivo Transkription und optional durch einen Reinigungsschritt. The gRNA for use according to this aspect must be administered in active ribonucleic acid form, ie the gRNA can be provided either synthetically, optionally additionally modified. Alternatively, the gRNA can also be produced recombinantly, ie by in vitro or in vivo transcription and optionally by a purification step.
Die Cas-Nuklease oder das katalytisch aktive Fragment davon wird als Aminosäuresequenz bereitgestellt. Hierfür kann eine kommerziell erhältliche Cas-Nuklease oder eine Variante davon zum Einsatz kommen. Alternativ kann in einer anderen Ausführungsform die Cas-Nuklease oder das aktive Fragment davon rekombinant produziert und optional isoliert und/oder gereinigt werden, bevor sie in den in vitro Screening Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt.The Cas nuclease or the catalytically active fragment thereof is provided as an amino acid sequence. For this purpose, a commercially available Cas nuclease or a variant thereof can be used. Alternatively, in another embodiment, the Cas nuclease or active fragment thereof may be recombinantly produced and optionally isolated and / or purified before being used in the in vitro screening method of the present invention.
In einer weiteren Ausführungsform liegt die bereitgestellte Cas-Nuklease oder das aktive Fragment davon gekoppelt an mindestens eine Effektor-Domäne vor. Zu möglichen Effektor-Domänen und deren potentiellen Vorteilen und Anwendungsbereichen gilt das in dieser Offenbarung oben Gesagte entsprechend. Der Einbezug der Effektor-Domänen/Cas-Konstrukte bereits in einem in vitro Screening Verfahren bietet den Vorteil, dass mögliche unerwünschte, positive oder synergistische Effekte der jeweiligen Effektor-Domäne, die das Cas-Konstrukt sterisch wie chemisch/physikalisch beeinflusst, bereits in der Vorabtestphase analysiert werden können. Diese betrifft v. a. einen möglichen Effekt der mindestens einen Effektor-Domäne auf die gRNA-Cas-Interaktion sowie die anschließende Bindung und Modifikation an die Nukleinsäure-Zielregion von Interesse zusätzlich/alternativ zu dem eigentlichen Einsatzbereich der jeweiligen Effektor-Domäne.In a further embodiment, the provided Cas nuclease or the active fragment thereof is coupled to at least one effector domain. For possible effector domains and their potential advantages and areas of application, the statements made above in this disclosure apply accordingly. The inclusion of the effector domains / Cas constructs already in an in vitro screening procedure has the advantage that possible undesirable, positive or synergistic effects of the respective effector domain, which influences the Cas construct both sterically and chemically / physically, already in the Pre-test phase can be analyzed. This concerns v. a. a possible effect of the at least one effector domain on the gRNA-Cas interaction and the subsequent binding and modification to the nucleic acid target region of interest in addition to / / or alternative to the actual field of use of the respective effector domain.
Das Inkontaktbringen der mindestens einen gRNA und der mindestens einen Cas-Nuklease oder des katalytisch aktiven Fragments davon mit dem mindestens einen Vektor in vitro erfolgt unter geeigneten Reaktionsbedingungen. In diesem Kontext sind Bedingungen zu verstehen, die sowohl die Bindung der gRNA an die jeweilige Cas-Nuklease oder des katalytisch aktive Fragment davon als auch die Interaktion des gRNA/Cas Komplexes mit der Zielregion von Interesse sowie die katalytische Aktivität der Cas-Nuklease oder das katalytisch aktiven Fragments davon gestatten. Geeignete Reaktionsbedingungen wie Puffer, Zusätze, speziell Kofaktoren, welche benötigt werden, Temperatur- und pH-Bedingungen sowie ggf. weitere notwendige Zusätze können vom Fachmann auf dem Gebiet in Kenntnis eines hierin offenbarten Verfahrens und hierin offenbarter Konstrukte, gemäß eines beliebigen Aspekts der vorliegenden Offenbarung leicht bestimmt werden.The contacting of the at least one gRNA and the at least one Cas nuclease or the catalytically active fragment thereof with the at least one vector in vitro takes place under suitable reaction conditions. In this context, conditions are to be understood which include both the binding of the gRNA to the respective Cas nuclease or the catalytically active fragment thereof as well as the interaction of the gRNA / Cas complex with the target region of interest and the catalytic activity of the Cas nuclease or the allow catalytically active fragment thereof. Suitable reaction conditions such as buffers, additives, especially cofactors that are needed, temperature and pH conditions, and optionally other necessary additives, may be understood by those of skill in the art having knowledge of a method disclosed herein and constructs disclosed herein according to any aspect of the present disclosure be easily determined.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Analyse der Reaktionsprodukte gemäß des in vitro Screening Verfahrens qualitativ. Nach einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Analyse der Reaktionsprodukte gemäß des in vitro Screening Verfahrens quantitativ. Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Analyse der Reaktionsprodukte gemäß des in vitro Screening Verfahrens sowohl qualitativ als auch quantitativ.According to one embodiment, the analysis of the reaction products according to the in vitro screening method is carried out qualitatively. According to a further embodiment, the analysis of the reaction products according to the in vitro screening method is quantitative. According to yet another embodiment, the analysis of the reaction products according to the in vitro screening method is both qualitative and quantitative.
In einer Ausführungsform dieses Aspekts erfolgt das in vitro Screening Verfahren als Hochdurchsatzverfahren, d. h. es können simultan mehrere gRNAs und/oder mehrere Cas-Nukleasen oder die katalytisch aktiven Fragmente davon und/oder mehrere Nukleinsäure-Zielregionen auf einem oder auf mehreren Vektoren in separaten Reaktionsgefäßen getestet werden. Diese Hochskalierung ist ein besonderer Vorteil, um schnell eine Vielzahl von Daten über geeignete gRNA/Cas-Kandidatenpaare für die jeweilige mindestens eine Nukleinsäure-Zielregion von Interesse zu erhalten. Alternativ kann als Variable die Fragestellung analysiert werden, welche gRNA/Cas-Kandidatenpaare besonders effizient zusammenwirken, speziell, wenn der Einsatz neuer Cas-Nukleasen oder katalytisch aktiver Fragmente davon untersucht wird. Als weitere Fragestellung kann leicht im hohen Durchsatz untersucht werden, ob das Hinzufügen einer Effektor-Domäne an eine Cas-Nuklease oder das katalytisch aktive Fragment davon einen Einfluss auf gRNA/Cas-Interaktion oder die anschließende katalytische Aktivität der Cas-Nuklease oder des katalytisch aktiven Fragments davon hat.In one embodiment of this aspect, the in vitro screening method is performed as a high throughput method, i. H. it is possible to simultaneously test several gRNAs and / or several Cas nucleases or the catalytically active fragments thereof and / or several target nucleic acid regions on one or more vectors in separate reaction vessels. This upscaling is a particular advantage in order to rapidly obtain a variety of data on appropriate gRNA / Cas candidate pairs for the particular at least one nucleic acid target region of interest. Alternatively, as a variable, the question can be analyzed which gRNA / Cas candidate pairs interact particularly efficiently, especially when the use of new Cas nucleases or catalytically active fragments thereof is investigated. As a further question, it can easily be investigated in high throughput whether the addition of an effector domain to a Cas nuclease or the catalytically active fragment thereof influences the gRNA / Cas interaction or the subsequent catalytic activity of the Cas nuclease or of the catalytically active Has fragments of it.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung können die Vektoren und/oder rekombinanten Konstrukte zur gezielten Veränderung einer Nukleinsäure-Zielregion in einer pflanzlichen Zelle durch mechanische Verfahren, unter anderem Partikel-Beschuss, Mikroinjektion und Elektroporation, oder durch induzierte Endozytose, geeignete Vektoren, direkte Transfektion, und dergleichen eingebracht werden. In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung werden die Vektoren und/oder rekombinanten Konstrukte durch Partikelbeschuss in die Zielzelle oder pflanzliche Zielstruktur eingebracht. Hierbei werden die Vektoren zunächst z. B. auf Gold- oder Wolframpartikel präzipitiert und die Zielzelle/pflanzliche Zielstruktur wird dann mit den so erhaltenen ggf. weiter prozessierten Partikeln durch eine geeignete Apparatur bombardiert.In accordance with the present disclosure, the vectors and / or recombinant constructs may be used to target a nucleic acid target region in a plant cell by mechanical methods including particle bombardment, microinjection and electroporation, or by induced endocytosis, suitable vectors, direct transfection, and the like be introduced. In one embodiment of the present disclosure, the vectors and / or recombinant constructs are introduced by particle bombardment into the target cell or plant target structure. Here, the vectors are first z. B. on gold or tungsten particles precipitated and the target cell / plant target structure is then bombarded with the thus obtained optionally further processed particles by a suitable apparatus.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung werden die Vektoren und/oder rekombinanten Konstrukte durch Mikroinjektion in die Zielzelle oder pflanzliche Zielstruktur direkt oder indirekt eingebracht.In another embodiment of the present disclosure, the vectors and / or recombinant constructs are introduced directly or indirectly by microinjection into the target cell or plant target structure.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung werden die Vektoren und/oder rekombinanten Konstrukte durch Besprühen mit anschließender Aufnahme, z. B. im Zuge einer viralen Infektion, oder Infiltration in die Zielzelle oder pflanzliche Zielstruktur eingebracht. In another embodiment of the present disclosure, the vectors and / or recombinant constructs are obtained by spraying followed by uptake, e.g. As in the course of a viral infection, or infiltration into the target cell or plant target structure introduced.
Gemäß einer Ausführungsform werden die Vektoren und/oder rekombinanten Konstrukte durch Partikel-Beschuss in eine meristematische Zelle eingebracht. Diese Methode eignet sich sowohl zur Einbringung von rekombinanten Konstrukten umfassend doppelsträngige Plasmid-DNA, lineare einzelsträngige oder doppelsträngige DNA, einzelsträngige oder doppelsträngige RNA, und von Polypeptiden sowie von Kombinationen davon bei allen Arten von pflanzlichen Meristemen in unterschiedlichen Entwicklungsstadien einer Pflanze. Als Trägermaterial für die rekombinanten Konstrukte können unter anderem Gold und Wolfram verwendet werden. In einer weiteren Ausführungsform gemäß der vorliegenden Offenbarung erfolgt die Einbringung der erfindungsgemäßen Vektoren und/oder der rekombinanten Konstrukte durch Mikroinjektion direkt in die Zielzelle oder das gewünschte Kompartiment einer Zielzelle.In one embodiment, the vectors and / or recombinant constructs are introduced by particle bombardment into a meristematic cell. This method is suitable both for introducing recombinant constructs comprising double-stranded plasmid DNA, linear single-stranded or double-stranded DNA, single-stranded or double-stranded RNA, and polypeptides and combinations thereof in all types of plant meristems at different stages of development of a plant. As carrier material for the recombinant constructs, inter alia gold and tungsten can be used. In a further embodiment according to the present disclosure, the introduction of the vectors according to the invention and / or of the recombinant constructs is carried out by microinjection directly into the target cell or the desired compartment of a target cell.
Gemäß dieser weiteren Ausführungsform werden die Vektoren und/oder rekombinanten Konstrukte durch Mikroinjektion in eine meristematische Zelle eingebracht. Diese Art der Einbringung eignet sich für alle Arten von Meristemen (s. Beispiel 2 unten). Zudem eignet sich die Einbringung gemäß dieser Ausführungsform sowohl zur Einbringung von rekombinanten Konstrukten, umfassend doppelsträngige Plasmid-DNA, lineare einzelsträngige oder doppelsträngige DNA, einzelsträngige oder doppelsträngige RNA, und von Polypeptiden sowie von Kombinationen davon.According to this further embodiment, the vectors and / or recombinant constructs are introduced by microinjection into a meristematic cell. This type of insertion is suitable for all types of meristems (see Example 2 below). In addition, the delivery according to this embodiment is suitable both for introducing recombinant constructs comprising double-stranded plasmid DNA, linear single-stranded or double-stranded DNA, single-stranded or double-stranded RNA, and polypeptides and combinations thereof.
In noch einer weiteren Ausführungsform gemäß der vorliegenden Offenbarung erfolgt die Einbringung der erfindungsgemäßen Vektoren durch Elektroporation durch Hochspannungspulse.In yet another embodiment according to the present disclosure, the introduction of the vectors of the invention is accomplished by electroporation by high voltage pulses.
In noch einer anderen Ausführungsform gemäß der vorliegenden Offenbarung erfolgt die Einbringung der erfindungsgemäßen Vektoren durch Endozytose, d. h. einen zelleigenen Mechanismus, durch welchen zellfremdes Material in die Zelle aufgenommen werden kann.In yet another embodiment according to the present disclosure, the introduction of the vectors of the invention is by endocytosis, i. H. a cell-specific mechanism by which non-cellular material can be absorbed into the cell.
In einer Ausführungsform ist der Vektor ein viraler Vektor, welcher das mindestens eine rekombinante Konstrukt umfasst. Die Einbringung durch einen viralen Vektor bietet die Möglichkeit der Ausbreitung des Vektors und des umfassten mindestens einen rekombinanten Konstrukts. Geeignete virale Vektoren, welche zur Anwendung gemäß der vorliegenden Offenbarung eingesetzt oder modifiziert werden können, sind ausgewählt aus der Gruppe, umfassend, aber nicht beschränkt auf SEQ ID NOs: 12–15 und 25–38 und umfassen auch solche Sequenzen mit mindestens 66%, 67%, 68%, 69%, 70%, 71%, 72%, 73%, 74%, 75%, 76%, 77%, 78%, 79%, 80%, 81%, 82%, 83%, 84%, 85%, 86%, 87%, 88%, 89%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98% oder 99% Sequenzhomologie zu diesen Sequenzen. Es ist dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt, dass die Sequenz eine natürlich vorkommenden Virus, welcher als viraler Vektor eingesetzt werden soll, entsprechend an das gewünschte einzubringende rekombinante Konstrukt sowie die pflanzliche Zielstruktur von Interesse angepasst werden muss. In einer weiteren Ausführungsform werden die rekombinanten Konstrukte durch Agrobacterium spp.-vermittelte Transformation, insbesondere Agrobacterium tumefaciens- oder Agrobacterium rhizogenes-vermittelte Transformation, in eine pflanzliche Zielstruktur eingebracht. Diese Art der Einbringung allgemein ist dem Fachmann auf dem Gebiet für unterschiedliche Zielpflanzen sowie unterschiedliche pflanzliche Zielstrukturen davon wohlbekannt.In one embodiment, the vector is a viral vector comprising the at least one recombinant construct. The introduction by a viral vector offers the possibility of spreading the vector and comprising at least one recombinant construct. Suitable viral vectors which may be employed or modified for use in accordance with the present disclosure are selected from the group comprising, but not limited to, SEQ ID NOs: 12-15 and 25-38 and also include such sequences having at least 66%, 67%, 68%, 69%, 70%, 71%, 72%, 73%, 74%, 75%, 76%, 77%, 78%, 79%, 80%, 81%, 82%, 83% , 84%, 85%, 86%, 87%, 88%, 89%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98% or 99% sequence homology to these sequences. It is known to those skilled in the art that the sequence must be adapted to a naturally occurring virus to be used as a viral vector, according to the desired recombinant construct to be introduced and the plant targeting structure of interest. In a further embodiment, the recombinant constructs are introduced into a plant target structure by Agrobacterium spp. Mediated transformation, in particular Agrobacterium tumefaciens or Agrobacterium rhizogenes-mediated transformation. This mode of introduction generally is well known to those skilled in the art for different target plants as well as different plant target structures thereof.
Der Fachmann auf dem Gebiet weiß, dass die Wahl der Einbringungsart u. a. von der entsprechenden pflanzlichen Zielzelle sowie dem einzubringenden Konstrukt abhängen kann, weshalb je nach Zielzelle eine andere Einbringungsart erforderlich sein kann.The person skilled in the art knows that the choice of the method of introduction u. a. may depend on the particular plant target cell as well as the construct to be introduced, which may require different modes of delivery depending on the target cell.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß der vorliegenden Offenbarung erfolgt die Einbringung der erfindungsgemäßen Vektoren und/oder rekombinanten Konstrukte durch eine Kombination der oben genannten Einbringungsmethoden. So kann beispielsweise ein viraler Vektor, welcher das mindestens eine rekombinante Konstrukt von Interesse enthält, durch Agrobacterium tumefaciens als weiteren Vektor, oder etwa durch Partikel-Beschuss oder Mikroinjektion, in die pflanzliche Zielstruktur eingebracht werden.In a further embodiment according to the present disclosure, the introduction of the vectors according to the invention and / or recombinant constructs is carried out by a combination of the above-mentioned introduction methods. For example, a viral vector containing the at least one recombinant construct of interest may be introduced into the plant target structure by Agrobacterium tumefaciens as a further vector, or by particle bombardment or microinjection, for example.
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden spezielle Verfahren zur Einbringung von Vektoren und/oder rekombinanten Konstrukten gemäß der vorliegenden Erfindung in meristematische Pflanzenzellen und -gewebe offenbart. Für die Transformation oder Transfektion meristematischer Zellen und Gewebe ist deren Zugänglichkeit ein entscheidender Faktor, wobei sich die Zugänglichkeit der unterschiedlichen pflanzlichen Meristemtypen in den verschiedenen Entwicklungsstadien einer Pflanze erheblich unterscheiden.In one aspect of the present invention, specific methods for introducing vectors and / or recombinant constructs according to the present invention into meristematic plant cells and tissues are disclosed. Their accessibility is crucial for the transformation or transfection of meristematic cells and tissues, whereby the accessibility of the different types of plant meristems in the different stages of development of a plant differ considerably.
In einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher ein Verfahren zur Bereitstellung einer pflanzlichen Zielstruktur, umfassend mindestens eine meristematische Zelle, offenbart, wobei in die pflanzliche Zielstruktur mindestens ein rekombinantes Konstrukt gemäß der vorliegenden Offenbarung eingebracht werden kann. Das Verfahren gemäß dieser Ausführungsform umfasst als entscheidenden Schritt das Zugänglichmachen einer meristematischen Struktur von Interesse, welche noch nicht ausdifferenzierte meristematische Zellen umfasst. Handelt es sich bei der pflanzlichen Zielstruktur um Meristeme im Embryo, ist es wesentlich, einen pflanzlichen Embryo der richtigen Größe zu wählen und die tieferen, d. h. im Inneren liegenden, meristematischen Zellen als Ziel einer Transformation oder Transfektion mit mindestens einem rekombinanten Konstrukt gemäß der vorliegenden Erfindung anzusteuern, da die in den äußeren Schichten befindlichen meristematischen Zellen bereits einen gewissen Grad der Differenzierung erreicht haben können und somit nicht mehr gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Vorzugsweise sind die pflanzlichen Embryonen hinsichtlich ihrer Größe so auszuwählen, dass sie mit einem exponierteren Meristem ausgestattet sind. Für Mais-Embryonen bedeutet das, dass Embryonen von weniger als 1,5 mm maximalem Durchmesser, bevorzugt von weniger als 1 mm maximalem Durchmesser, besonders bevorzugt von weniger als 0,7 mm maximalem Durchmesser und ganz besonders bevorzugt von weniger als 0,5 mm maximalem Durchmesser in vorteilhafter Weise erfindungsgemäß eingesetzt werden können. Eine meristematische Zelle im Sinne der vorliegenden Erfindung ist somit eine meristematische Zelle, deren Differenzierungsgrad es noch gestattet, dass aus der Zelle nach er gezielten Veränderung einer Nukleinsäure-Region von Interesse noch alle gewünschten Typen von Pflanzenzellen, insbesondere solche Typen, aus welchen direkt oder indirekt eine fertile Pflanze regeneriert werden kann, entstehen können. In one embodiment of the present invention, therefore, there is disclosed a method for providing a plant target structure comprising at least one meristematic cell, wherein at least one recombinant construct according to the present disclosure can be introduced into the plant target structure. The method according to this embodiment comprises, as a crucial step, making available a meristematic structure of interest comprising not yet differentiated meristematic cells. When the plant target structure is meristems in the embryo, it is essential to select a plant embryo of the correct size and the deeper, ie internal, meristematic cells as the target of transformation or transfection with at least one recombinant construct according to the present invention to drive since the meristematic cells located in the outer layers may have already reached a certain degree of differentiation and thus are no longer suitable according to the present invention. Preferably, the plant embryos are to be sized to be more exposed to a meristem. For maize embryos, this means that embryos of less than 1.5 mm maximum diameter, preferably less than 1 mm maximum diameter, more preferably less than 0.7 mm maximum diameter, and most preferably less than 0.5 mm maximum diameter can be used advantageously according to the invention in an advantageous manner. A meristematic cell in the sense of the present invention is thus a meristematic cell whose degree of differentiation still allows for the cells, after targeted alteration of a nucleic acid region of interest, to have all desired types of plant cells, in particular those types from which directly or indirectly A fertile plant can be regenerated, can arise.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zur Bereitstellung einer pflanzlichen Zielstruktur, umfassend mindestens eine meristematische Zelle, in die mindestens ein rekombinantes Konstrukt gemäß der vorliegenden Offenbarung eingebracht werden kann, offenbart, wobei es sich bei der meristematischen Zelle um eine Zelle eines Keimlings oder einer älteren Pflanze handelt.In a further embodiment, there is disclosed a method for providing a plant target structure comprising at least one meristematic cell into which at least one recombinant construct according to the present disclosure can be introduced, wherein the meristematic cell is a cell of a seedling or an elder Plant acts.
Gemäß dieser Ausführungsform muss das Meristem vollständig oder nahezu vollständig freipräpariert werden. Zudem muss beachtet werden, dass die tiefer liegenden, d. h. im Inneren liegenden, meristematischen Zellen als Ziel einer Transformation oder Transfektion mit mindestens einem rekombinanten Konstrukt gemäß der vorliegenden Erfindung angesteuert werden, da die in den äußeren Schichten befindlichen meristematischen Zellen bereits einen gewissen Grad der Differenzierung erreicht haben können und somit nicht mehr gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Gemäß dieser Ausführungsform sind die freigelegten Meristeme einer Oxidation ausgesetzt. Um eine Schädigung der meristematischen Zellen zu verhindern, werden daher vorzugsweise geeignete antioxidative Schutzmaßnahmen angewendet, wie z. B. der Einsatz eines Anti-Oxidationsmittels oder weiterer schützender Maßnahmen, um eine weitere Entwicklung der pflanzlichen Zielstruktur umfassend mindestens eine meristematische Zelle, zu gewährleisten.According to this embodiment, the meristem must be completely or almost completely dissected free. It should also be noted that the lower lying, d. H. in the interior, meristematic cells are targeted as a target of transformation or transfection with at least one recombinant construct according to the present invention, since the located in the outer layers meristematic cells may have reached a certain degree of differentiation and thus no longer according to the present invention are suitable. According to this embodiment, the exposed meristems are subject to oxidation. In order to prevent damage to the meristematic cells, therefore, suitable antioxidant protective measures are preferably used, such. Example, the use of an anti-oxidant or other protective measures to ensure further development of the plant target structure comprising at least one meristematic cell.
Sequenzprotokoll – freier TextSequence Listing - free text
Die folgenden Angaben geben die deutsche Übersetzung der im Sequenzprotokoll als freier Text (Numerische Kennzahl <223>) enthaltenen Angaben, jeweils aufgeführt für die entsprechende Sequenzkennzahl, wieder. Alle angeführten Sequenzen enthalten unter der Kennzahl <213> den Hinweis auf eine „Künstliche Sequenz”.
SEQ ID NO: 1
<223> VP16 Aktivator umfassende Sequenz
SEQ ID NO: 2
<223> VP16 Aktivator
SEQ ID NO: 3
<223> VP64 Aktivator mit Glycin Serin Spacern
SEQ ID NO: 23
<223> Vektor1 TaU6
SEQ ID NO: 24
<223> Vektor1 ZmU3
SEQ ID NOs: 41 bis 48
Protospacer Region guide RNA 14, Protospacer Region guide RNA 16, Protospacer Region guide RNA 37, Protospacer Region guide RNA 38, Protospacer Region guide RNA 39, Protospacer Region guide RNA 43, Protospacer Region guide RNA 18 bzw. Protospacer Region guide RNA 52.The following information represents the German translation of the information contained in the Sequence Listing as free text (numerical index <223>), in each case listed for the corresponding sequence index. All listed sequences contain the reference to an "artificial sequence" under the code <213>.
SEQ ID NO: 1
<223> VP16 activator comprehensive sequence
SEQ ID NO: 2
<223> VP16 activator
SEQ ID NO: 3
<223> VP64 activator with glycine serine spacers
SEQ ID NO: 23
<223> Vector1 TaU6
SEQ ID NO: 24
<223> Vector1 ZmU3
SEQ ID NOs: 41 to 48
Protospacer Region guide
Beispiele Examples
Die vorliegende Erfindung wird weiter durch die folgenden, nicht als limitierend anzusehenden, Beispiele erläutert.The present invention will be further illustrated by the following non-limiting examples.
Beispiel 1: Herstellung von CRISPR/Cas-KonstruktenExample 1: Preparation of CRISPR / Cas constructs
Die Erstellung der Konstrukte erfolgt auf Grundlage der Publikation von
Konstrukte für monolotyledone Pflanzen:Constructs for monolotyledonous plants:
Als Promotoren wurden unter anderem der Mais-Ubi-Intron Promotor (SEQ ID NO: 7), der Mais U3 Promotor (SEQ ID NO: 10), der Weizen U6 Promotor (SEQ ID NO: 8), der Reis U3 Promotor (SEQ ID NO: 9) und der Brachipodium EF1 Promotor (SEQ ID NO: 40) verwendet. Ein beispielhaftes verwendetes Konstrukt hat die SEQ ID NO: 23 (Vektor1_TaU6 standard).The promoters include the maize Ubi intron promoter (SEQ ID NO: 7), the maize U3 promoter (SEQ ID NO: 10), the wheat U6 promoter (SEQ ID NO: 8), the rice U3 promoter (SEQ ID NO: 9) and the Brachipodium EF1 promoter (SEQ ID NO: 40). An exemplary construct used has SEQ ID NO: 23 (Vektor1_TaU6 standard).
Konstrukte für dicotyledone Pflanzen:Constructs for dicotyledonous plants:
Hier wurden als Promotoren ein Parsley-Ubi4 (SEQ ID NO: 5) und ein Arabidopsis U6 Promotor (SEQ ID NO: 6) verwendet. Ein beispielhaftes verwendetes Konstrukt hat die SEQ ID NO: 24 (Vektor1_ZmU3 standard).Here, the promoters used were a Parsley Ubi4 (SEQ ID NO: 5) and an Arabidopsis U6 promoter (SEQ ID NO: 6). An exemplary construct used has SEQ ID NO: 24 (vector 1_ZmU3 standard).
Die unterschiedlichen gRNAs wurden für die jeweiligen Zielgene spezifisch erstellt und in die entsprechende Position in den oben angegebenen Vektoren kloniert. Die Position der gRNA Sequenz entspricht den als „n” gekennzeichneten Nukleotiden in SEQ ID NOs: 23 und 24.The different gRNAs were specifically prepared for the respective target genes and cloned into the corresponding position in the vectors given above. The position of the gRNA sequence corresponds to the nucleotides identified as "n" in SEQ ID NOs: 23 and 24.
Um die Anzahl an unterschiedlichen gRNAs, die zur Erzielung eines Genome Editings in die Pflanzen eingebracht werden müssen, zu reduzieren, wurde ein in vitro Assay etabliert, um die Kandidaten-gRNAs zu testen und nur die geeignetsten Kandidaten in die Pflanze einzubringen.In order to reduce the number of different gRNAs that must be introduced into the plants to achieve genome editing, an in vitro assay has been established to test the candidate gRNAs and to introduce only the most suitable candidates into the plant.
Hierfür wurden zunächst potentiell geeignete gRNAs durch in silico Analyse definiert. Diese Definition ist, wie im einleitenden Teil der Beschreibung erwähnt, auf Grund der dualen Funktion der gRNA abhängig von der Nukleinsäure-Zielregion von Interesse, speziell einem PAM-Motiv, als auch der gewünschten Cas-Nuklease oder dem katalytisch aktiven Fragment davon, welches zum Einsatz kommen soll.Initially, potentially suitable gRNAs were defined by in silico analysis. This definition is, as mentioned in the introductory part of the description, due to the dual function of the gRNA depending on the nucleic acid target region of interest, especially a PAM motif, as well as the desired Cas nuclease or the catalytically active fragment thereof, which belongs to the Use should come.
Um die unterschiedlichen gRNAs für unterschiedliche Gene zu testen, wurden in einem ersten Schritt die Nukleinsäure-Zielregionen von Interesse, oder Teilbereiche davon, mittels PCR amplifiziert und in Standard-Vektoren kloniert. Standard-Vektoren in diesem Sinne bezeichnet kommerziell erhältliche Vektoren oder Vektorsysteme, welche durch dem Fachmann bekannte Mittel leicht an die Bedürfnisse des erwünschten Assays angepasst werden können, insbesondere, indem er als Rückgrat für die Klonierung von Nukleinsäuren von Interesse fungieren kann. Beispielhafte Vektoren können ausgewählt sein aus: pJet (Thermo Fisher Scientific, Inc, USA), pGEM-T (Promega BioSciences, LLC, USA) oder pBluescript (Addgene, USA). Diese Vektoren dienen in dem neu entwickelten in vitro Assay als Substrat. In einem zweiten Schritt wurden die verschiedenen gRNAs mittels in vitro Transkription (Invitrogen MAXIscript T7 Kit; Cat. No. AM1312M) hergestellt.To test the different gRNAs for different genes, in a first step, the target nucleic acid regions of interest, or portions thereof, were amplified by PCR and cloned into standard vectors. Standard vectors in this sense refer to commercially available vectors or vector systems, which can be easily adapted to the needs of the desired assay by means known to those skilled in the art, in particular by acting as a backbone for the cloning of nucleic acids of interest. Exemplary vectors may be selected from: pJet (Thermo Fisher Scientific, Inc, USA), pGEM-T (Promega BioSciences, LLC, USA), or pBluescript (Addgene, USA). These vectors serve as substrate in the newly developed in vitro assay. In a second step, the various gRNAs were prepared by in vitro transcription (Invitrogen MAXIscript T7 Kit; Cat. No. AM1312M).
In einem in vitro Assay wurden anschließend die gRNAs getestet und die potenziell besten Kandidaten ausgewählt und für die weiteren in planta Versuche verwendet. Hierzu wurde u. a. als exemplarische Nukleinsäure-Zielregion von Interesse ein Maispflanzen A188 hmg13-Gen (HMG-transcription factor 13; s. Gen GRMZM2G066528 gemäß EnsemblePlants bzw. maize Genome Data Base). Dieses wurde mittels PCR amplifiziert und in passend in die multiple cloning site von pJET1.2 kloniert, zum einen der Teil umfassend Exon 3–5 (hmg-fw4 und hmg-re2, s.
Hierauf wurde vorsichtig gemischt und kurz anzentrifugiert bevor der Ansatz für eine weitere Stunde bei 37°C inkubiert wurde. Optional erfolgte hierauf eine Behandlung mit Proteinase K durch Hinzufügen von 1 μl Enzyme und Inkubation für 15–30 min bei 37°C. Hierauf konnte die Fragmentanalyse erfolgen (s.
Die Ergebnisse für 10 ausgewählte gRNAs, hier exemplarisch im Zusammenspiel mit einer Cas9 Nuklease, finden sich in
Weiterführende Experimente (Daten nicht gezeigt) wurden mit Cas-Nukleasen anderen Ursprungs als S. pyogenes sowie mit Cas-Nuklease, welche mindestens eine Punktmutation tragen, z. B: eine Cas-Nickase, durchgeführt, um dadurch die Effizienz dieser weiteren Cas-Nukleasen auf eine pflanzliche Nukleinsäure-Zielregion von Interesse im Zusammenspiel mit der jeweiligen gRNA in vitro zu testen. Darüber hinaus wurden erste erfolgreiche Experimente in vitro durchgeführt, welche zeigen, dass Cas-Nuklease-gRNA Paare von Interesse, welche in einem Vorab-Screen identifiziert wurden, auch dazu geeignet sind eine RNA sowie pflanzliche mitochondriale bzw. plastidäre DNA gezielt zu modifizieren, was das breite Anwendungsspektrum des vorliegenden Assays belegt.Further experiments (data not shown) were carried out with Cas nucleases of other origin than S. pyogenes and with Cas nuclease bearing at least one point mutation, e.g. B: a Cas nickase performed to thereby test the efficacy of these additional Cas nucleases on a plant nucleic acid target region of interest in interaction with the respective gRNA in vitro. In addition, initial successful experiments were performed in vitro, demonstrating that Cas nuclease-gRNA pairs of interest identified in a pre-screen are also capable of selectively modifying an RNA as well as plant mitochondrial or plastid DNA, respectively demonstrates the broad spectrum of applications of the present assay.
Um die breite Anwendbarkeit des Verfahrens für weitere wichtige Nutzpflanzen zu testen, wurde das wie oben geschildert neuartige in vitro Screening Verfahren unter Einsatz von Nukleinsäure-Zielregionen abgeleitet von weiteren Nutzpflanzen wie Beta vulgaris, Brassica napus und Sorghum bicolor ebenfalls durchgeführt.In order to test the broad applicability of the method to other important crops, the novel in vitro screening method using nucleic acid target regions derived from other crops such as Beta vulgaris, Brassica napus and Sorghum bicolor was also performed as described above.
Hierfür war es auf Grund der Besonderheit der pflanzlichen Genome notwendig, neue in silico Analysen durchzuführen, um geeignete Zielregionen und damit gRNAs definieren zu können. Zudem wurde in Rahmen der Weiterentwicklung des Verfahrens auch mit weiteren Cas-Nuklease, -Nickasen und enzymatisch aktiven, davon abgeleiteten Fragmenten gearbeitet, die zudem eine Effektordomäne tragen. Weiterhin konnten auch alternative Cas-Proteine, oder Cas-Proteine mit z. B. Punktmutationen in das Assay eingesetzt werden und dadurch die Effizienzen der unterschiedlichen Cas-Proteine getestet werden. Vor allem auch in direktem Zusammenspiel mit den getesteten gRNAs.Due to the peculiarity of the plant genome, it was necessary to carry out new in silico analyzes in order to be able to define suitable target regions and thus gRNAs. In addition, as part of the further development of the process, further Cas nuclease, nickases and enzymatically active fragments derived therefrom have been used, which additionally carry an effector domain. Furthermore could also alternative Cas proteins, or Cas proteins with e.g. B. point mutations are used in the assay and thereby the efficiencies of the different Cas proteins are tested. Especially in direct interaction with the tested gRNAs.
Hierdurch sollten mehrere Fragestellungen beantwortet werden: (1.) Welche gRNAs zeigen besonders hohe Aktivität?; (2.) wie wirken sich Modifikationen in der gRNA, etwa unterschiedliche Längen des Protospacers oder von Missmatchen, aus?; (3.) welche Cas-Proteine interagieren am besten mit welchen gRNAs?; (4) welche Cas-Nukleasen, oder welche Mutationen in Cas-Nukleasen haben einen Effekt auf die enzymatische Wirkung des Enzyms?; und (5) beeinflusst die Ankopplung einer Effektor-Domäne und damit die Bereitstellung eines sterisch anspruchsvolleren Cas-Konstruktes die Interaktion mit der entsprechenden gRNA und damit die Effizient der gezielten Modifikation einer Nukleinsäure-Zielregion von Interesse? Im Zuge dieser weiterführenden Experimentserie stellte sich bis dato heraus, dass speziell die Reduktion einer Cas-Nuklease auf eine katalytisch aktives Minimalfragment davon vorteilhaft im Hinblick auf die erzielte Spaltungseffizienz ist. Darüber hinaus wurde herausgefunden, dass die Anheftung von Effektor-Domänen an die Cas-Nuklease bzw. die gRNA möglich ist. Gerade hier war jedoch das in vitro Screening unerlässlich, da die Effizienz dieser modifizierten Cas-Nukleasen oder gRNAs wohl auf Grund der größeren sterischen Beanspruchung durch die Effektor-Domäne und dadurch bedingt einer erschwerten Interaktion von Cas und gRNA für die getesteten Paare geringer war. Dennoch wurden auch hier wirksame Cas-gRNA-Effektor-Domänen Paare identifiziert.This should answer several questions: (1.) Which gRNAs show particularly high activity ?; (2.) how do modifications in the gRNA, such as different lengths of the protospacer or mismatches, affect ?; (3.) which Cas proteins interact best with which gRNAs ?; (4) which Cas nucleases or which mutations in Cas nucleases have an effect on the enzymatic action of the enzyme; and (5) does the coupling of an effector domain, and thus the delivery of a sterically more sophisticated Cas construct, affect the interaction with the corresponding gRNA, and thus the efficiency of targeted modification of a nucleic acid target region of interest? In the course of this continuing series of experiments, it has been found to date that especially the reduction of a Cas nuclease to a catalytically active minimal fragment thereof is advantageous with regard to the achieved cleavage efficiency. In addition, it has been found that the attachment of effector domains to Cas nuclease or gRNA is possible. However, it was here that in vitro screening was essential, since the efficiency of these modified Cas nucleases or gRNAs was probably lower due to the greater steric strain on the effector domain and thus the complicated interaction of Cas and gRNA for the tested pairs. Nevertheless, effective Cas-gRNA effector domains pairs were also identified.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass die Ergebnisse des in vitro Vorabtests, d. h. des Screenings, auch mit deren Wirksamkeit in Folgeversuchen korrelieren.Surprisingly, it was found that the results of the in vitro preliminary test, i. H. of the screening, also correlate with their effectiveness in follow-up experiments.
In einem weiteren Versuch wurden dann alle in
Beispiel 2: Einbringung von CRISPR/Cas-KonstruktenExample 2: Introduction of CRISPR / Cas Constructs
Die oben in Beispiel 1 beschriebenen Konstrukte wurden mittels unterschiedlicher Methoden in die Meristeme eingebracht. Grundlage dafür ist die Zugänglichkeit der Meristeme, die abhängig von dem verwendeten Material durch unterschiedliche Methoden gewährleistet wurde (siehe Beispiel 4)The constructs described above in Example 1 were introduced into the meristems by different methods. The basis for this is the accessibility of the meristems, which was guaranteed by different methods depending on the material used (see example 4).
Folgende Methoden wurden verwendet:The following methods were used:
– Partikel-Beschuss:- Particle bombardment:
Partikel-Beschuss kann bei allen verwendeten Meristemen angewendet werden. Es wird mit dsPlasmid-DNA, linearer dsDNA, RNA und Protein sowie mit Viruspartikeln beschossen. Als Trägermaterial können u. a. Gold und Wolfram verwendet werden. Als Test wurden Beschüsse von Embryo-Meristemen (
Die Etablierung geeigneter Beschussmethoden in Abhängigkeit vom verwendeten Pflanzenmaterial wie auch des erwünschten Effekts (transiente versus stabile Einbringung) bei gleichzeitig niedriger Verletzung des Pflanzengewebes oder der Zerstörung des einzubringenden Konstrukts ist daher unerlässlich.The establishment of suitable bombardment methods depending on the plant material used as well as the desired effect (transient versus stable introduction) with simultaneous low injury to the plant tissue or destruction of the construct to be introduced is therefore essential.
– Mikroinjektion: - microinjection:
Die Mikroinjektion kann bei allen Meristemen stattfinden, vorzugsweise unter Verwendung eines Mikroskops mit Mikromanipulator. Auf Grund der Größe bestimmter Meristemstrukturen wie präparierten „Tassel”- und „Ear”-Meristemen kann die Mikroinjektion aber auch unter mikroskopischer Kontrolle durchgeführt werden. Die Injektion kann über unterschiedliche Methoden stattfinden und wie schon beim Partikel-Beschuss (Beispiel 1) angegeben mit unterschiedlichen Molekülen. Zum einen werden dsPlasmid-DNA, linearer dsDNA, RNA und Protein, sowie Virus-Partikel in flüssiger Lösung durch eine Mikro- oder Nano-Kanüle in die meristematischen Zellen injiziert, zum anderen werden dsPlasmid-DNA, linearer dsDNA, RNA und Protein auf Mikro- oder Nano-Nadeln aufgebracht und durch anstechen der meristematischen Zellen mit den Nadeln übertragen.The microinjection can take place in all meristems, preferably using a micromanipulator microscope. However, due to the size of certain meristem structures such as prepared "tassel" and "ear" meristems, microinjection may also be performed under microscopic control. The injection can take place by different methods and as with the particle bombardment (Example 1) indicated with different molecules. On the one hand dsplasmid-DNA, linear dsDNA, RNA and protein, as well as virus particles in liquid solution are injected into the meristematic cells through a micro or nano-cannula, on the other hand dsplasmid-DNA, linear dsDNA, RNA and protein on micro - or nano-needles applied and transferred by puncturing the meristematic cells with the needles.
Eine Weiterentwicklung dieser Technologie liegt in der Verwendung einer Kombination aus Silicon Carbide (SiC) Whiskern (z. B. Silar® Silicon Carbide Whisker) und Mikroinjektion. Hierbei wird dsPlasmid-DNA, lineare dsDNA, RNA, Protein oder Viruspartikel auf die Silicon Carbide (SiC) Whisker präzipitiert und mittels Mikroinjektionskanüle in die Meristeme injiziert.A further development of this technology is the use of a combination of silicon carbide (SiC) whiskers (eg Silar® Silicon Carbide Whisker) and microinjection. Here, the plasmid DNA, linear dsDNA, RNA, protein or virus particles are precipitated onto the silicon carbide (SiC) whiskers and injected into the meristems by means of a microinjection cannula.
Dies bietet den Vorteil, dass man nicht nur eine einzelne meristematische Zelle transfizieren kann, sondern man durch die Verbreitung der Whisker die Möglichkeit besitzt, verschiedene Zellen parallel zu penetrieren. Da man mit der Kanüle nicht in die Zelle stechen muss und die Whisker deutlich kleiner sind, sind die Verletzungen der Zellen deutlich geringer.This offers the advantage that not only can one transfect a single meristematic cell, but one has the possibility of penetrating different cells in parallel through the spreading of the whiskers. Since you do not have to pierce the cell with the cannula and the whiskers are significantly smaller, the injuries of the cells are significantly lower.
Vascular Puncture Infection/Inokulation (VPI):Vascular puncture infection / inoculation (VPI):
Die Vascular Puncture Infection oder Inokulation ist eine in
Beispiel 3: Transiente meristematische Transformation von Maiskeimlingen und/oder Embryonen/erfindungsgemäße Behandlung der meristematischen GewebeExample 3: Transient meristematic transformation of maize seedlings and / or embryos / treatment according to the invention of the meristematic tissues
Die Zugänglichkeit der Meristeme in den einzelnen Stadien unterscheidet sich erheblich. So sind im Embryo (
Meristeme in Keimlingen und älteren Pflanzen müssen vollständig frei präpariert werden, da sie schon von so vielen Schichten Gewebe umgeben sind, dass sie nicht für einen Beschuss oder eine Mikroinjektion zugänglich sind.
Da die isolierten Meristeme frei liegen und dadurch einer starken Oxidation und eines daraus resultierenden Absterben ausgesetzt sind, wurden sie mit einem Anti-Oxidationsmittel, um eine weitere Entwicklung des Keimlings zur Pflanze zu ermöglichen.Since the isolated meristems are exposed and thus subject to high oxidation and consequent death, they were treated with an anti-oxidant to allow further development of the seedling to the plant.
Um die „Tassel”-Meristeme zugänglich zu machen wurde eine Methode entwickelt, um die Pflanze und die Meristeme möglichst wenig zu schädigen. Dazu wird auf der Höhe der „Tassel”-Meristeme eine Art Fenster durch die Blätter hindurch geschnitten (
Die Transfektion findet dann mittels der oben angegebenen Methoden (s. Beispiel 2) statt. Die Embryonen keimen aus und Pflanzen werden kultiviert bis zur Selbstung und Ernte. Die Ergebnisse sind vergleichbar bei den Keimlingen und den adulten Pflanzen, nur ohne Keimung.The transfection then takes place by means of the methods indicated above (see Example 2). The embryos sprout and plants are cultivated until they become self-fertile and harvest. The results are comparable to the seedlings and the adult plants, only without germination.
Beispiel 4: Nachweis der erfolgten gezielten gentechnischen VeränderungExample 4: Detection of the targeted genetic modification
Der Nachweis ist über unterschiedliche Verfahren und zu unterschiedlichen Zeitpunkten möglich:
Die Anwesenheit der gewünschten gezielten Veränderung einer Nukleinsäure-Zielregion kann in frühen Phasen des Keimlings, der sich entwickelnden Pflanzen und der Pollen analysiert werden, so dass man bereits Hinweise auf die erfolgten Mutationen erhält. Ein eindeutiges Ergebnis erhält man aber nur, wenn man die Nachkommen der Selbstung analysiert, da dies den Nachweis für eine vererbte Mutation erbringt.The proof is possible through different procedures and at different times:
The presence of the desired targeted alteration of a nucleic acid target region can be analyzed in early stages of seedling, the developing plants and the pollen so that one already receives indications of the mutations that have occurred. However, a clear result can only be obtained by analyzing the offspring of selfing, as this provides evidence of an inherited mutation.
– Enrichment PCR:Enrichment PCR:
Diese Methode kommt zur Anwendung, wenn durch die gezielte Mutation eine Restiktionsenzymschnittstelle zerstört wird. Man verdaut dann isolierte genomische oder extrachromosomale DNA mit dem Enzym, welches an dieser Stelle schneidet, so dass Wildtyp-DNA geschnitten wird. Anschließend folgt eine PCR mit Primern die genomisch upstream und downstream der Restiktionsenzymschnittstelle liegen. Man bekommt im Idealfall also nur ein Produkt, wenn eine Mutation stattgefunden hat und die DNA an der Stelle nicht geschnitten wurde. Da der Verdau der genomischen oder der extrachromosomalen DNA in der Regel nicht 100% ist, wird das erhaltene PCR-Amplifikat erneut mit dem Enzym verdaut um sicherzustellen, dass eine Mutation stattgefunden hat und die Restiktionsenzymschnittstelle mutiert ist. Die unverdauten Fragmente werden anschließen kloniert und sequenziert, um eine genaue Analyse der Mutation durchzuführen. Sollte die Nukleinsäure-Zielregion eine RNA sein, kann diese zunächst durch dem Fachmann bekannte Verfahren in DNA umgeschrieben werden, bevor eine Enrichment PCR erfolgt.This method is used when the targeted mutation destroys a restriction enzyme site. Digested isolated genomic or extrachromosomal DNA is then digested with the enzyme which cuts at this site to cut wild-type DNA. This is followed by a PCR with primers genomic upstream and downstream of the Restiktionsenzymschnittstelle. In the ideal case, you only get one product if a mutation has taken place and the DNA has not been cut at the site. Since digestion of the genomic or extrachromosomal DNA is typically not 100%, the resulting PCR amplificate is re-digested with the enzyme to ensure that a mutation has occurred and the restriction enzyme site has mutated. The undigested fragments are subsequently cloned and sequenced to perform a precise analysis of the mutation. If the nucleic acid target region is an RNA, this can first be rewritten into DNA by methods known to the person skilled in the art, before an enrichment PCR is carried out.
– Sequenzierung:- Sequencing:
Sollte eine Enrichment PCR nicht möglich sein, wird über einen Next Generation Sequencing(NGS)-Ansatz die spezifische Region sequenziert und die erhaltenen Sequenzen hinsichtlich ihrer Mutationen untersucht.If an Enrichment PCR is not possible, the specific region is sequenced via a Next Generation Sequencing (NGS) approach and the resulting sequences are examined for their mutations.
– Sequenzierung ganzer Genome (WGS) zur Identifikation von Off-Target Effekten: - Sequencing of whole genomes (WGS) for the identification of off-target effects:
Um auszuschließen, dass es zu unerwünschten Mutationen gekommen ist, wird von den Kandidaten mit den gewünschten Mutationen eine WGS durchgeführt.In order to rule out that there have been undesired mutations, a WGS of the candidates with the desired mutations is performed.
Zusätzliche Analysen sind der Abwesenheits-Nachweis von den verwendeten Konstrukten und Viren mittels spezifischer PCR- und qPCR-Systeme.Additional analyzes are the absence detection of the constructs and viruses used by means of specific PCR and qPCR systems.
Beispiel 5: Virale VektorenExample 5: Viral Vectors
Viren bieten den Vorteil, dass sie als fertige Viruspartikel, aber auch als DNA oder RNA in eine pflanzliche Zielstruktur eingebracht werden können. Das Einbringen der Viren erfolgt über die unter Beispiel 2 angegebenen Delivery Methoden. Dadurch erzielt man ein gezieltes Einbringen in die jeweiligen meristematischen Zielregionen von Interesse.Viruses have the advantage that they can be introduced as finished virus particles, but also as DNA or RNA in a plant target structure. The introduction of the viruses is carried out via the delivery methods specified in Example 2. This achieves a targeted introduction into the respective meristematic target regions of interest.
Zusätzlich bieten Viren die Möglichkeit der Ausbreitung in den Zellen. Voraussetzung dafür ist es, diese Funktion durch die Modifikation ihrer RNA/DNA-Sequenz nicht zu zerstören. Dies hat den Vorteil, dass man zum einen nicht direkt das Meristem infizieren muss, oder es ausreichen kann, nur wenige Zellen zu infizieren und es trotzdem zur Ausbreitung in mehrere Zellen- oder Gewebetypen kommt.In addition, viruses offer the possibility of spreading in the cells. The prerequisite for this is not to destroy this function by modifying its RNA / DNA sequence. This has the advantage that on the one hand, one does not have to directly infect the meristem, or it may be sufficient to infect only a few cells and, nevertheless, it spreads to several cell or tissue types.
Bei dieser Anwendung gibt es zusätzlich zu den unter Beispiel 2 beschriebenen Delivery Methoden noch weitere Möglichkeiten die Viren bzw. Viruspartikel einzubringen.In this application, in addition to the delivery methods described under Example 2, there are other possibilities for introducing the viruses or virus particles.
Viruspartikel, in vitro Transkripte der Viren, oder Agrobakterien, die eine für die Viren codierende T-DNA tragen wurden über Einreiben in die Blätter, sowie über Infiltration (Vakuum und nicht-Vakuum) eingebracht um eine Primärinfektion zu erzeugen. Durch ein systemisches Ausbreiten erfolgt dann die Infektion der jeweiligen Zielzellen und Zielgewebe.Virus particles, in vitro transcripts of the viruses, or agrobacteria carrying a T-DNA coding for the viruses were introduced by rubbing into the leaves, as well as by infiltration (vacuum and non-vacuum) to produce a primary infection. Systemic spreading then causes infection of the respective target cells and target tissues.
Zusätzlich wurde auch Pflanzensaft mit einem hohen Titer an Pflanzenviren für die Infektion verwendet. Dazu wurde entweder Tabak oder Spinat mit den Viren infiziert und anschließend der Pflanzensaft mit den Viren isoliert und für die Infektion der Maispflanzen verwendet.In addition, plant juice with a high titer of plant viruses was also used for the infection. For this purpose either tobacco or spinach was infected with the viruses and then isolated the plant juice with the viruses and used for the infection of corn plants.
Neben dem breiten Spektrum an Infektionsmöglichkeiten und der Fähigkeit der Ausbreitung bieten DNA-Viren den Vorteil, DNA-Templates für die HR zur Verfügung zu stellen. In diesem Fall wird durch die Replikation des Virus innerhalb einer oder mehrerer Zellen eine sehr große Menge an Template für die homologe Rekombination nach dem Einfügen des Doppelstrangbruches zur Verfügung gestellt. Dadurch kommt es mit einer erhöhten Frequenz zur homologen Rekombination und zum Einbau des Template Fragmentes.In addition to the broad spectrum of infection possibilities and the ability to spread, DNA viruses offer the advantage of providing DNA templates for HR. In this case, the replication of the virus within one or more cells provides a very large amount of template for homologous recombination after insertion of the double strand break. This results in an increased frequency for homologous recombination and for incorporation of the template fragment.
In einer Versuchsreihe wurden daher unterschiedliche BMV (s. SEQ ID NOs: 25–31 oder DSMZ Hinterlegungsnummer: BMV Virus-Inoculum: PV-0945; Referenz für BMV-Plasmide (C13/F1 + F2 & C13/F3-13m):
Für die Rub Inokulation wurde zur primären Inokulation eine DNA-Plasmidmischung, enthaltend ähnliche Konzentrationen an unterschiedlichen Plasmiden, vorbereitet. Beispielsweise wurde jedes Plasmid in einer Konzentration von 6 μg/μl verwendet. Die verschiedenen Plasmide gleicher Konzentration wurden dann im gleichen Volumenverhältnis gemischt. Pro Blatt wurden je 6 μl Plasmidmix auf die Blattoberfläche getropft, auf die zuvor schon das Carborundum gestreut wurde. Der Plasmidmix wird dann mit den Fingern in die Blattoberfläche eingerieben. Alternativ kann ein Virus-infizierter Pflanzensaft als Ausgangsmaterial verwendet werden. Für die zweite Inokulation werden bei dieser Methode frische oder eingefrorene Virus-infizierte Pflanzenblätter in einem Homogenisator vermahlen und das erhaltene Pulver/Produkt wird in 3–4 ml Inokulationspuffer (0,2406 g KH2PO4 + 0,543 g Na2HPO4 in 500 ml deionisiertem Wasser) gelöst. Hierauf wird eine kleine Menge an Carborundum zu der Plasmidmischung oder dem Pflanzensaft hinzugefügt. Die Plasmidmischung oder der Pflanzensaft werden in die obere und die untere Blattoberfläche durch Reiben eingebracht, wobei dies dadurch erfolgt, dass ein oder mehrere Finger in das Inokulum getaucht werden und dann das Inokulum vorsichtig manuell auf mindestens ein Blatt aufgetragen wird, wobei das Blatt bevorzugt mit der anderen Hand gestützt wird. Die Rub Inokulation kann auch mit einer vorhergehenden Verletzung eines Pflanzenblattes (Inzision) kombiniert werden, wobei hierbei die Blätter von Interesse zunächst mit einem Skalpell eingeschnitten werden und die Rub Inokulation dann direkt in das verwundete Blatt erfolgt.For rub inoculation, a DNA plasmid mixture containing similar concentrations of different plasmids was prepared for primary inoculation. For example, each plasmid was used at a concentration of 6 μg / μl. The different plasmids of the same concentration were then mixed in the same volume ratio. Per sheet, 6 .mu.l of plasmid mixture were dropped on the leaf surface, on which the carborundum was previously scattered. The plasmid mix is then rubbed with the fingers into the leaf surface. Alternatively, a virus-infected plant juice may be used as the starting material. For the second inoculation, in this method, fresh or frozen virus-infected plant leaves are ground in a homogenizer and the resulting powder / product is dissolved in 3-4 ml of inoculation buffer (0.2406 g KH 2 PO 4 + 0.543 g Na 2 HPO 4 in 500 ml of deionized water). Then a small amount of carborundum is added to the plasmid mixture or the plant juice. The plasmid mixture or the Plant sap is rubbed into the upper and lower leaf surfaces by dipping one or more fingers into the inoculum and then carefully manually applying the inoculum to at least one sheet, the sheet preferably being supported by the other hand becomes. The rub inoculation may also be combined with a previous incision of a plant leaf (incision), in which case the leaves of interest are first incised with a scalpel and the rub inoculation then made directly into the wounded leaf.
Für die Agrobakterium (Ab) vermittelte Transformation werden zunächst Ab Kulturen über Nacht bei 28°C in 30 ml flüssigem Luria-Broth umfassend ein geeignetes Antibiotikum, 10 mM MES und 200 μM ACE kultiviert, Am nächsten Tag werden die Übernachtkulturen bei 4.400 Upm für 15 min zentrifugiert. Der Überstand wird verworfen und das Pellet wird danach erneut bei 4.400 Upm für 2 min zentrifugiert. Der verbleibende Überstand wird verworfen und das Pellet in Resuspensionsmedium (5 ml H2O, 10 mM MES, 10 mM MgCl2 + 20 μM ACE) resuspendiert. Die Optische Dichte OD600 der Suspension wird unter Verwendung des Resuspensionsmedium auf 1,5 angepasst. Die verdünnte Ab Suspension wird dann für 4 h bei Raumtemperatur inkubiert. Die Infiltration der Ab Suspension erfolgt dann bevorzugt auf der Unterseite eines Blattes von Interesse, z. B. einem Blatt von Nicotiana benthamiana, wobei üblicherweise 2 Blätter je Pflanze inokuliert werden.For Agrobacterium (Ab) mediated transformation, cultures are first cultured overnight at 28 ° C in 30 ml of liquid Luria broth comprising a suitable antibiotic, 10 mM MES and 200 μM ACE. The overnight cultures are grown at 4,400 rpm for 15 centrifuged for a few minutes. The supernatant is discarded and the pellet is then recentrifuged at 4,400 rpm for 2 min. The remaining supernatant is discarded and the pellet resuspended in resuspension media (5 ml H 2 O, 10 mM MES, 10 mM MgCl 2 + 20 μM ACE). The optical density OD 600 of the suspension is adjusted to 1.5 using the resuspension medium. The diluted Ab suspension is then incubated for 4 h at room temperature. The infiltration of the suspension is then preferably on the underside of a sheet of interest, for. A leaf of Nicotiana benthamiana, usually inoculating 2 leaves per plant.
Die folgende Tabelle 2 zeigt beispielhafte Ergebnisse für ausgewählte Viren und Pflanzenspezies unter Verwendung unterschiedlicher Transformationsmethoden: Tabelle 2: Übersicht zu Virusinfektionsexperimenten (Wpl: weeks post infection)
Die weiße Hinterlegung in Tabelle 2 zeigt an, dass für dieses Experiment eine systemische Infektion erzielt werden konnte. Eine hellgraue Hinterlegung bezeichnet eine lokale Infektion, wohingegen eine dunkelgraue Hinterlegung eine niedrige Infektionsrate anzeigt.The white background in Table 2 indicates that a systemic infection could be achieved for this experiment. A light gray deposit indicates a local infection, whereas a dark gray deposit indicates a low infection rate.
Der Nachweis einer erfolgreichen Infektion erfolgte entweder durch ELISA oder mittels RT-PCR. SEQUENCE LISTING The detection of a successful infection was carried out either by ELISA or by RT-PCR. SEQUENCE LISTING
Es folgt ein Sequenzprotokoll nach WIPO St. 25.This is followed by a sequence protocol according to WIPO St. 25. Dieses kann von der amtlichen Veröffentlichungsplattform des DPMA heruntergeladen werden.This can be downloaded from the official publication platform of the DPMA.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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