JP2018191561A - Multiplex gene introduction techniques - Google Patents

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Abstract

To provide useful gene introduction methods that can insert plural or a number of foreign DNAs into a genomic DNA by one step gene transfer operation.SOLUTION: The invention provides a method for inserting a foreign DNA into two or more sites on a genomic DNA, the method comprising: contacting a genomic double-stranded DNA and a donor DNA and a nuclease in a host cell containing the genomic double-stranded DNA, where the genomic double-stranded DNA comprises discretely existing two or more copies of a nucleotide sequence of not less than 200 bp, the donor DNA comprises a nucleotide sequence homologous to the nucleotide sequence of not less than 200 bp or partial sequence thereof and a foreign DNA sequence, the nuclease specifically binds to a target nucleotide sequence selected from the nucleotide sequence of not less than 200 bp and cleaves the DNA within the target nucleotide sequence; causing homologous recombination between the nucleotide sequence of not less than 200 bp in the genomic double-stranded DNA and the nucleotide sequence homologous to the nucleotide sequence of not less than 200 bp or partial sequence thereof in the donor sequence, thereby inserting the foreign DNA sequence into the nucleotide sequence of not less than 200 bp existing in two copies or more in the genomic double-stranded DNA, where the homologous nucleotide sequence comprises the target nucleotide sequence, and has a sequence identity to the genomic DNA comprising the nucleotide sequence of not less than 200 bp and length sufficient enough to cause homologous recombination when the DNA is cleaved within the target nucleotide sequence.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、外来DNAをゲノムDNA中の複数の部位に挿入する方法に関する。   The present invention relates to a method for inserting foreign DNA into a plurality of sites in genomic DNA.

細胞にはシグナル伝達経路、代謝経路(例、アミノ酸合成経路、核酸合成経路、ペントースリン酸経路)、遺伝子複製機構、DNA損傷修復機構、核機能など様々な細胞機能を構成する遺伝子群(機能モデュール)が存在している。他生物の優れた機能モデュールを宿主細胞に導入することは、優れた細胞機能を持つキメラ生物を作製することを可能とする。しかしながら機能モデュールには多数の遺伝子が関与しており、その数は数十遺伝子を超えるものもある。これほど多くの遺伝子は、例えばプラスミド等として宿主細胞に導入したとしても、安定に維持することは非常に困難である。そのため多数の遺伝子群を簡便に染色体に導入する遺伝子改変技術の確立が必要となる。   A group of genes (functional modules) that constitute various cell functions such as signal transduction pathway, metabolic pathway (eg, amino acid synthesis pathway, nucleic acid synthesis pathway, pentose phosphate pathway), gene replication mechanism, DNA damage repair mechanism, and nuclear function Is present. Introducing an excellent functional module of another organism into a host cell makes it possible to produce a chimeric organism having an excellent cell function. However, many genes are involved in functional modules, some of which exceed tens of genes. Even when such a large number of genes are introduced into a host cell as, for example, a plasmid, it is very difficult to maintain stably. Therefore, it is necessary to establish a gene modification technique for easily introducing a large number of genes into a chromosome.

例えば、酵母でグルコースからレクチリンを作る技術が、Nature Chemical Biology(非特許文献1)に、レクチリンからコデインを合成する方法がProsOne(非特許文献2)に、別々に発表された。これをひとつの酵母で行うことができれば、グルコースからコデインを合成することが可能となる。   For example, a technique for producing lectilin from glucose in yeast was separately published in Nature Chemical Biology (Non-patent Document 1), and a method for synthesizing codeine from lectilin was separately published in ProsOne (Non-patent Document 2). If this can be done with a single yeast, it will be possible to synthesize codeine from glucose.

また、多くの遺伝子工学的なプロセスを経て、ヘロインを合成する出芽酵母株が作出されることが報告された(非特許文献3)が、1度の遺伝子導入操作で多数の遺伝子群を染色体に導入することができれば、このような株も簡便に調製できる。   In addition, it has been reported that a budding yeast strain that synthesizes heroin is created through many genetic engineering processes (Non-patent Document 3). If it can be introduced, such a strain can be easily prepared.

遺伝子導入には多くの方法があるが、CRISPR/Cas9システムを用いるゲノム編集技術が出現して以来、その手軽さと正確性からさまざまな応用例が開発されている。   There are many methods for gene transfer, but since the advent of genome editing technology using the CRISPR / Cas9 system, various applications have been developed due to its simplicity and accuracy.

しかし、従来の相同組換えを利用した遺伝子導入法では、宿主染色体に導入できる環状DNA(プラスミド)は、1度の遺伝子導入操作で基本的に一個であり、宿主細胞の染色体に他の生物種等の数十個の遺伝子を導入することは、コストや時間がかかり、加えて、染色体上の標的位置に導入する確率が低く、遺伝子導入用の選択マーカーの数に限りがあるなどの技術的問題から困難であった。また、自立複製型プラスミドを用いた遺伝子導入法は、染色体上に遺伝子を挿入する必要がないため、容易に所望の遺伝子を導入可能であるが、大腸菌、出芽酵母など特定の宿主生物種のみで適用可能であり、プラスミドが失われないように、マーカー遺伝子を利用した選択圧を掛けつづける必要がある。   However, in the conventional gene transfer method using homologous recombination, the circular DNA (plasmid) that can be introduced into the host chromosome is basically one by one gene transfer operation, and other organism species in the host cell chromosome. It is costly and time consuming to introduce dozens of genes, etc. In addition, there is a low probability of introduction to a target position on a chromosome, and the number of selectable markers for gene introduction is limited. It was difficult because of the problem. In addition, the gene transfer method using a self-replicating plasmid does not require the insertion of a gene on a chromosome, so that a desired gene can be easily introduced, but only in a specific host species such as E. coli and budding yeast. It is necessary to continue to apply selective pressure using a marker gene so that it is applicable and the plasmid is not lost.

DeLoache, W. C. et al., Nature Chemical Biology (2015) 11, 7, 465-71DeLoache, W. C. et al., Nature Chemical Biology (2015) 11, 7, 465-71 Fossati, E., et al., ProsOne (2015) 10, e0124459)Fossati, E., et al., ProsOne (2015) 10, e0124459) Ehrenberg R, Nature 521, 267-268 (2015)Ehrenberg R, Nature 521, 267-268 (2015)

本発明の目的は、多数の遺伝子群、又は多コピー数の遺伝子を一括してゲノムDNA中に挿入することができる、有用な遺伝子導入法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a useful gene transfer method capable of collectively inserting a large number of genes or a large number of copies of genes into genomic DNA.

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討し、非遺伝子領域で染色体上に複数点在し、相同組換えに必要な共通配列を有するトランスポゾンを遺伝子挿入部位として活用すれば、宿主の生存への影響を最小限に抑制しながら、大量の遺伝子群を宿主の染色体上に一括して挿入し得ることを見出した。そして、ゲノム編集技術を用いて、一度の形質転換等の遺伝子操作で、他の生物種の遺伝子をクローニングした複数のプラスミドをそれぞれ、宿主細胞の染色体上に点在するトランスポゾン部位に挿入する技術(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat/ Transposon gene integration(CRITGI))を開発し、本発明を完成するに至った。   The present inventor has intensively studied to solve the above problems, and if a transposon having a common sequence necessary for homologous recombination that is scattered in a non-gene region on a chromosome is used as a gene insertion site, the survival of the host It was found that a large number of genes can be collectively inserted into the host chromosome while minimizing the effects on the host. Then, using genome editing technology, a technique of inserting a plurality of plasmids obtained by cloning genes of other species into transposon sites scattered on the host cell chromosome by genetic manipulation such as one-time transformation ( Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat / Transposon gene integration (CRITGI) has been developed, and the present invention has been completed.

[1] ゲノムDNA上の2以上の部位へ外来DNAを挿入する方法であって、
2コピー以上点在する、200bp以上のヌクレオチド配列を含むゲノム二本鎖DNAを有する宿主細胞内において、
該ゲノム二本鎖DNA、並びに
該200bp以上のヌクレオチド配列又はその部分配列と相同なヌクレオチド配列、及び外来DNA配列を含むドナーDNAを、
該200bp以上のヌクレオチド配列中の選択された標的ヌクレオチド配列と特異的に結合し、該標的ヌクレオチド配列内でDNAを切断するヌクレアーゼと接触し、
該ゲノム二本鎖DNA上の該200bp以上のヌクレオチド配列と該ドナーDNAに含まれる該200bp以上のヌクレオチド配列又はその部分配列と相同なヌクレオチド配列との間で相同組換えを生じさせることにより、該外来DNA配列を、ゲノム二本鎖DNAに含まれる2コピー以上の該200bp以上のヌクレオチド配列に挿入することを含み、
該相同なヌクレオチド配列は、該標的ヌクレオチド配列を含み、該標的ヌクレオチド配列内でDNAを切断した場合、該200bp以上のヌクレオチド配列を含むゲノムDNAに対して、相同組換えを生じるのに十分な程度の配列同一性及び長さを有する、方法。
[2] 該200bp以上のヌクレオチド配列が、トランスポゾン配列である、[1]記載の方法。
[3] ヌクレアーゼが、該ドナーDNAに含まれる該200bp以上のヌクレオチド配列又はその部分配列と相同なヌクレオチド配列中の標的配列を優先的に切断する、[1]又は[2]記載の方法。
[4] ドナーDNAが、クローン化されたドナーDNAである、[1]〜[3]のいずれかに記載の方法。
[5] ドナーDNAが、異なる外来DNA配列をそれぞれ含む2種以上のドナーDNAの混合物である、[1]〜[4]のいずれかに記載の方法。
[6] 外来DNA配列が構造遺伝子をコードする、[1]〜[5]のいずれかに記載の方法。
[7] ドナーDNAが環状二本鎖DNAである、[1]〜[6]のいずれかに記載の方法。
[8] 該ヌクレアーゼが、核酸配列認識モジュール及びDNA切断ドメインを含んでなり、核酸配列認識モジュールが、ジンクフィンガーモチーフ、TALエフェクター及びPPRモチーフから成る群より選択される、[1]〜[7]のいずれかに記載の方法。
[9] 該ヌクレアーゼが、CRISPR-CasシステムにおけるガイドRNAとCasタンパク質との複合体である、[1]〜[7]のいずれかに記載の方法。
[10] 該ヌクレアーゼが、ガイドRNAとCas9タンパク質との複合体である、[9]記載の方法。
[11] トランスポゾンがレトロトランスポゾンである、[2]〜[10]のいずれかに記載の方法。
[12] レトロトランスポゾンが、Ty1-copia群のレトロトランスポゾンである、[11]記載の方法。
[13] 宿主細胞が、原核生物細胞、酵母、脊椎動物細胞、昆虫細胞又は植物細胞である、[1]〜[12]のいずれかに記載の方法。
[14] 宿主細胞が、酵母である、[13]記載の方法。
[15] 酵母が、出芽酵母である、[14]記載の方法。
[16] 標的ヌクレオチド配列が、配列番号3で表される配列を含む、[1]〜[15]のいずれかに記載の方法。
[17] 配列番号5で表されるヌクレオチド配列を含む、CRISPR/Cas9システムのガイドRNA。
[1] A method for inserting foreign DNA into two or more sites on genomic DNA,
In a host cell having genomic double-stranded DNA containing a nucleotide sequence of 200 bp or more, interspersed with 2 copies or more,
A donor DNA comprising the genomic double-stranded DNA and a nucleotide sequence homologous to the nucleotide sequence of 200 bp or more or a partial sequence thereof, and a foreign DNA sequence;
Contacting with a nuclease that specifically binds to a selected target nucleotide sequence in the nucleotide sequence of 200 bp or more and cleaves DNA within the target nucleotide sequence;
By causing homologous recombination between the nucleotide sequence of 200 bp or more on the genomic double-stranded DNA and the nucleotide sequence of 200 bp or more contained in the donor DNA or a nucleotide sequence homologous to a partial sequence thereof, Inserting a foreign DNA sequence into two or more copies of the 200 bp or more nucleotide sequence contained in the genomic double-stranded DNA;
The homologous nucleotide sequence includes the target nucleotide sequence, and when DNA is cleaved within the target nucleotide sequence, a degree sufficient to cause homologous recombination with respect to genomic DNA including the nucleotide sequence of 200 bp or more. Having a sequence identity and length of
[2] The method according to [1], wherein the nucleotide sequence of 200 bp or more is a transposon sequence.
[3] The method according to [1] or [2], wherein the nuclease preferentially cleaves a target sequence in a nucleotide sequence homologous to the nucleotide sequence of 200 bp or more contained in the donor DNA or a partial sequence thereof.
[4] The method according to any one of [1] to [3], wherein the donor DNA is a cloned donor DNA.
[5] The method according to any one of [1] to [4], wherein the donor DNA is a mixture of two or more types of donor DNA each containing different foreign DNA sequences.
[6] The method according to any one of [1] to [5], wherein the foreign DNA sequence encodes a structural gene.
[7] The method according to any one of [1] to [6], wherein the donor DNA is circular double-stranded DNA.
[8] The nuclease comprises a nucleic acid sequence recognition module and a DNA cleavage domain, and the nucleic acid sequence recognition module is selected from the group consisting of a zinc finger motif, a TAL effector and a PPR motif. [1] to [7] The method in any one of.
[9] The method according to any one of [1] to [7], wherein the nuclease is a complex of guide RNA and Cas protein in the CRISPR-Cas system.
[10] The method according to [9], wherein the nuclease is a complex of guide RNA and Cas9 protein.
[11] The method according to any one of [2] to [10], wherein the transposon is a retrotransposon.
[12] The method according to [11], wherein the retrotransposon is a Ty1-copia group retrotransposon.
[13] The method according to any one of [1] to [12], wherein the host cell is a prokaryotic cell, yeast, vertebrate cell, insect cell or plant cell.
[14] The method according to [13], wherein the host cell is yeast.
[15] The method according to [14], wherein the yeast is a budding yeast.
[16] The method according to any one of [1] to [15], wherein the target nucleotide sequence comprises the sequence represented by SEQ ID NO: 3.
[17] A guide RNA for the CRISPR / Cas9 system, comprising the nucleotide sequence represented by SEQ ID NO: 5.

相同組換えを利用した従来の遺伝子挿入法では、1度の遺伝子導入操作で染色体に導入できる外来DNAの数は一個程度であったが、本発明の方法によれば、一回の遺伝子導入操作で数十個程度の外来DNAを染色体中に一括して挿入することができる。本発明の方法により、様々な生物種の細胞機能/代謝経路を構成する多数の遺伝子群を宿主細胞染色体に挿入し、宿主細胞内で細胞機能/代謝経路を再構成できる。また、多コピー数の遺伝子を染色体中に挿入することで、当該遺伝子の発現量を大幅に上昇させることが可能となる。更に、本発明の方法において用いられる組換え方法は特に限られるものではないが、CRISPR等のゲノム編集技術は、微生物から哺乳類に至るまで多様な生物種において利用可能なので、本発明の方法において、CRISP等のゲノム編集技術及びトランスポゾン等の、ゲノム中に2コピー以上点在する200bp以上のヌクレオチド配列へ挿入用のDNA断片をもつプラスミドを併用すれば、多くの生物種において本発明の方法を実施することができる。   In the conventional gene insertion method using homologous recombination, the number of exogenous DNA that can be introduced into a chromosome by one gene introduction operation is about one, but according to the method of the present invention, one gene introduction operation is performed. Dozens of exogenous DNA can be inserted into the chromosome at once. By the method of the present invention, a large number of genes constituting cell functions / metabolic pathways of various species can be inserted into the host cell chromosome, and the cell functions / metabolic pathways can be reconfigured in the host cells. In addition, by inserting a gene with a large number of copies into a chromosome, the expression level of the gene can be significantly increased. Furthermore, although the recombination method used in the method of the present invention is not particularly limited, genome editing techniques such as CRISPR can be used in various biological species from microorganisms to mammals. The method of the present invention can be carried out in many biological species by using a genome editing technique such as CRISP and a plasmid having a DNA fragment for insertion into a nucleotide sequence of 200 bp or more interspersed in the genome, such as transposon. can do.

図1は、出芽酵母Ty1レトロトランスポゾンの構造と使用したガイドRNA(gTy1)の塩基配列を示す図である。FIG. 1 shows the structure of the budding yeast Ty1 retrotransposon and the base sequence of the guide RNA (gTy1) used. 図2は、Ty1レトロトランスポゾン内のTy1配列(Ty1 HR sequence)のポジションを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the position of the Ty1 sequence (Ty1 HR sequence) in the Ty1 retrotransposon. 図3は、プラスミドpTy1の模式図及び該pTy1の染色体への組み込み効率を示すグラフである。FIG. 3 is a schematic diagram of plasmid pTy1 and a graph showing the efficiency of integration of pTy1 into the chromosome. 図4は、CRISPR/Cas9によってpTy1が導入された染色体Ty1部位の塩基配列解析を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a base sequence analysis of a chromosome Ty1 site into which pTy1 has been introduced by CRISPR / Cas9. 図5は、gTy1存在下でpTy1が出芽酵母染色体上のTy1に正確に導入されることを示す図である。FIG. 5 shows that pTy1 is accurately introduced into Ty1 on the budding yeast chromosome in the presence of gTy1. 図6は、形質転換体の染色体DNAの電気泳動パターンを示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an electrophoresis pattern of chromosomal DNA of a transformant. 図7は、染色体中に導入されたpTy1のコピー数を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the copy number of pTy1 introduced into a chromosome. 図8は、二回連続してCRITGIを行った場合に生じる染色体中のTy1における相同組換えの模式図、及び染色体中のTy1及び導入したpTy1のコピー数を示す図である。FIG. 8 is a schematic diagram of homologous recombination in Ty1 in the chromosome that occurs when CRITGI is performed twice in succession, and a diagram showing the copy number of Ty1 in the chromosome and introduced pTy1. 図9は、1回目のCRITGIでLEU2を導入し、2回目のCRITGIでURA+を導入することにより、LEU2とURA+の両方が導入された株が樹立されたことを示す図である。1回目のpTy1 (LEU2)の導入により新たに生じる2か所のTy1が2回目のCRITGIでpTy1 (URA3) の導入部位として利用される。FIG. 9 is a diagram showing that a strain into which both LEU2 and URA + were introduced was established by introducing LEU2 in the first CRITGI and URA + in the second CRITGI. Two Ty1 newly generated by the first introduction of pTy1 (LEU2) are used as the introduction site of pTy1 (URA3) in the second CRITGI. 図10は、E.coliリジン合成経路を構成する複数の遺伝子を導入する実験に用いたプラスミドの模式図である。FIG. 10 is a schematic diagram of a plasmid used in an experiment for introducing a plurality of genes constituting the E. coli lysine synthesis pathway. 図11は、E.coliリジン合成経路を構成する7種類の遺伝子を一括して導入する実験の手順を示した模式図である。FIG. 11 is a schematic diagram showing the procedure of an experiment for collectively introducing seven types of genes constituting the E. coli lysine synthesis pathway. 図12は、樹立した各形質転換体株に導入された遺伝子を示す表である。FIG. 12 is a table showing genes introduced into each established transformant strain. 図13は、横軸に示した数の遺伝子が染色体中に導入された形質転換体株の数を示すグラフである。FIG. 13 is a graph showing the number of transformant strains in which the number of genes indicated on the horizontal axis has been introduced into the chromosome. 図14は、Ty1配列 (Ty1 HR sequence)と31種類のTy1レトロトランスポゾンのDNA配列を比較した図である。FIG. 14 is a diagram comparing the DNA sequences of Ty1 sequences (Ty1 HR sequence) and 31 types of Ty1 retrotransposons.

以下、本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明は、ゲノムDNA上の2以上の部位へ外来DNAを挿入する方法であって、
2コピー以上点在する、200bp以上のヌクレオチド配列を含むゲノム二本鎖DNAを有する宿主細胞内において、
該ゲノム二本鎖DNA、並びに
該200bp以上のヌクレオチド配列又はその部分配列と相同なヌクレオチド配列、及び外来DNA配列を含むドナーDNAを、
該200bp以上のヌクレオチド配列中の選択された標的ヌクレオチド配列と特異的に結合し、該標的ヌクレオチド配列内でDNAを切断するヌクレアーゼと接触し、
該ゲノム二本鎖DNA上の該200bp以上のヌクレオチド配列と該ドナーDNAに含まれる該200bp以上のヌクレオチド配列又はその部分配列と相同なヌクレオチド配列との間で相同組換えを生じさせることにより、該外来DNA配列を、ゲノム二本鎖DNAに含まれる2コピー以上の該200bp以上のヌクレオチド配列に挿入することを含み、
該相同なヌクレオチド配列は、該標的ヌクレオチド配列を含み、該標的ヌクレオチド配列内でDNAを切断した場合、該200bp以上のヌクレオチド配列を含むゲノムDNAに対して、相同組換えを生じるのに十分な程度の配列同一性及び長さを有する、方法を提供する。
The present invention is a method for inserting foreign DNA into two or more sites on genomic DNA,
In a host cell having genomic double-stranded DNA containing a nucleotide sequence of 200 bp or more, interspersed with 2 copies or more,
A donor DNA comprising the genomic double-stranded DNA and a nucleotide sequence homologous to the nucleotide sequence of 200 bp or more or a partial sequence thereof, and a foreign DNA sequence;
Contacting with a nuclease that specifically binds to a selected target nucleotide sequence in the nucleotide sequence of 200 bp or more and cleaves DNA within the target nucleotide sequence;
By causing homologous recombination between the nucleotide sequence of 200 bp or more on the genomic double-stranded DNA and the nucleotide sequence of 200 bp or more contained in the donor DNA or a nucleotide sequence homologous to a partial sequence thereof, Inserting a foreign DNA sequence into two or more copies of the 200 bp or more nucleotide sequence contained in the genomic double-stranded DNA;
The homologous nucleotide sequence includes the target nucleotide sequence, and when DNA is cleaved within the target nucleotide sequence, a degree sufficient to cause homologous recombination with respect to genomic DNA including the nucleotide sequence of 200 bp or more. A method having the sequence identity and length of

本発明の方法において使用する宿主細胞に含まれるゲノム二本鎖DNA中に含まれる該200bp以上のヌクレオチド配列のコピー数は、好ましくは10以上であり、より好ましくは20以上、更により好ましくは30以上である。   The copy number of the nucleotide sequence of 200 bp or more contained in the genomic double-stranded DNA contained in the host cell used in the method of the present invention is preferably 10 or more, more preferably 20 or more, and even more preferably 30. That's it.

本発明の方法において使用する宿主細胞に含まれるゲノム二本鎖DNA中に含まれる該200bp以上のヌクレオチド配列の長さは、例えば200bp-100kbp、好ましくは200bp-10kbであり得る。   The length of the nucleotide sequence of 200 bp or more contained in the genomic double-stranded DNA contained in the host cell used in the method of the present invention can be, for example, 200 bp-100 kbp, preferably 200 bp-10 kb.

該200bp以上のヌクレオチド配列の相同配列は、該200bp以上のヌクレオチド配列中の選択された標的ヌクレオチド配列(後述する)を含み、本発明の方法において該標的ヌクレオチド配列内でDNA(ドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)及び/又はゲノム二本鎖DNA)を切断した場合、該200bp以上のヌクレオチド配列を含むゲノムDNAに対して、相同組換えを生じるのに十分な程度の配列同一性及び長さを有する配列である。   The homologous sequence of the nucleotide sequence of 200 bp or more includes a selected target nucleotide sequence (described later) in the nucleotide sequence of 200 bp or more, and in the method of the present invention, DNA (donor DNA (eg, Sequence identity and length sufficient to cause homologous recombination with genomic DNA containing the nucleotide sequence of 200 bp or more when cleaved circular double-stranded DNA) and / or genomic double-stranded DNA) It is the arrangement | sequence which has thickness.

該200bp以上のヌクレオチド配列に対する該相同配列の同一性の程度は、相同組換えを可能とする限り特に限定されない。相同組換えを可能とする同一性の程度は、ポリヌクレオチドの長さによっても異なるが、例えば少なくとも約80%以上、好ましくは少なくとも約85%以上、より好ましくは少なくとも約90%以上、最も好ましくは約95〜100%であり得る。同一性%は、自体公知の方法により決定でき、例えば、NCBIホームページで利用可能なBLASTNを初期(default)設定で用いることにより決定できる。同一性%はまた、Smith-Watermanのアルゴリズムを使用して、ギャップ・オープン・ペナルティー(gap open penalty):12、ギャップ・エクステンション・ペナルティー(gap extension penalty):1によりアフィン・ギャップ検索(affine gap search)を行うことにより決定してもよい。   The degree of identity of the homologous sequence to the nucleotide sequence of 200 bp or more is not particularly limited as long as homologous recombination is possible. The degree of identity that enables homologous recombination varies depending on the length of the polynucleotide, but for example at least about 80% or more, preferably at least about 85% or more, more preferably at least about 90% or more, most preferably It can be about 95-100%. The percent identity can be determined by a method known per se, for example, by using BLASTN available on the NCBI homepage with default settings. % Identity also uses the Smith-Waterman algorithm to affine gap search with a gap open penalty of 12 and a gap extension penalty of 1. ) May be determined.

該200bp以上のヌクレオチド配列の相同配列の長さは、ゲノムDNAとの相同組換えが生じる長さである限り特に限定されない。しかしながら、一般論として、ゲノムDNAとの相同組換えが効率よく起こるためには、相同領域が長いほどよい。一方、細胞へのドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)の導入効率によって、挿入可能なDNAの長さは一定に制限される。従って、これらを考慮すると、該相同配列の長さは、例えば0.15kb-20kb、好ましくは0.18kb-10kbであり得る。   The length of the homologous sequence of the nucleotide sequence of 200 bp or more is not particularly limited as long as homologous recombination with genomic DNA occurs. However, in general, a longer homologous region is better for efficient homologous recombination with genomic DNA. On the other hand, the length of DNA that can be inserted is limited by the efficiency of introduction of donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) into cells. Therefore, considering these, the length of the homologous sequence can be, for example, 0.15 kb-20 kb, preferably 0.18 kb-10 kb.

一態様において、該相同配列として、ゲノム中に存在する該200bp以上のヌクレオチド配列又はその部分配列と相同なヌクレオチド配列が挙げられる。   In one embodiment, the homologous sequence includes a nucleotide sequence homologous to the nucleotide sequence of 200 bp or more present in the genome or a partial sequence thereof.

該相同配列は、例えば、200bp以上のヌクレオチド配列のDNA配列情報に基づいて、所望の部分(後述する標的ヌクレオチド配列含む部分)をコードする領域をカバーするようにオリゴDNAプライマーを合成し、宿主細胞より調製したゲノムDNAを鋳型として用い、PCRによって増幅することにより、クローニングすることができる。上記相同組換えを可能とする同一性の程度が保持される範囲内で、宿主細胞以外の生物種からクローニングした該200bp以上のヌクレオチド配列を用いることもできる。   The homologous sequence is synthesized based on, for example, an oligo DNA primer so as to cover a region encoding a desired portion (a portion including a target nucleotide sequence described later) based on DNA sequence information of a nucleotide sequence of 200 bp or more. Cloning can be performed by amplification by PCR using the prepared genomic DNA as a template. As long as the degree of identity that enables homologous recombination is maintained, a nucleotide sequence of 200 bp or more cloned from a biological species other than the host cell can also be used.

該200bp以上のヌクレオチド配列は、ゲノム中に2コピー以上点在する配列であれば特に限定されないが、遺伝子間に挿入される形で存在し、その配列に変更が生じても、細胞の生存には影響を与えない配列であることが好ましい。該200bp以上のヌクレオチド配列としては、トランスポゾン(狭義のDNA型トランスポゾン)、レトロトランスポゾン、レトロウイルス、パラレトロウイルス、レトロイントロン、レトロンファージ、レトロプラスミドが挙げられる(レトロトランスポゾン、レトロウイルス、パラレトロウイルス、レトロイントロン、レトロンファージ、レトロプラスミドをレトロエレメントと総称する場合がある)。好ましくは、トランスポゾン(狭義のDNA型トランスポゾン)及びレトロトランスポゾンである。   The nucleotide sequence of 200 bp or more is not particularly limited as long as it is a sequence interspersed in two or more copies in the genome, but it exists in a form inserted between genes, and even if the sequence is changed, cell survival is not affected. Is preferably a sequence that does not affect. Examples of the nucleotide sequence of 200 bp or more include transposon (narrowly defined DNA-type transposon), retrotransposon, retrovirus, pararetrovirus, retrointron, retrophage, and retroplasmid (retrotransposon, retrovirus, pararetrovirus, Retrointrons, retrophages, and retroplasmids may be collectively referred to as retroelements). Transposons (DNA transposons in the narrow sense) and retrotransposons are preferred.

本明細書中、該200bp以上のヌクレオチド配列について、主にトランスポゾン配列を代表例として例示しながら説明するが、該説明がトランスポゾン配列以外の、他の該200bp以上のヌクレオチド配列に対しても同様に適用可能であることは、当業者には容易に理解できる。   In the present specification, the nucleotide sequence of 200 bp or more will be described mainly by exemplifying a transposon sequence as a representative example, but the description is similarly applied to other nucleotide sequences of 200 bp or more other than the transposon sequence. Applicability can be easily understood by those skilled in the art.

本明細書中、「トランスポゾン」は、細胞内においてゲノム上の位置を転移することのできるヌクレオチド又はその配列を指す。トランスポゾンは、DNA型トランスポゾン(狭義のトランスポゾン)及びRNA型トランスポゾン(レトロトランスポゾン)に分類される。DNA型トランスポゾンの配列内には、トランスポザーゼ(転移酵素)がコードされている。この酵素は、発現するとトランスポゾン配列の両末端にあるインバーテッドリピートを認識して、トランスポゾン配列を境界で切断して切り出し、ゲノム上の別の位置に挿入する。一方、RNA型トランスポゾンの配列内には、逆転写酵素がコードされている。内部プロモーターによってこの逆転写酵素が転写され、翻訳されると、自身の転写産物を鋳型としてcDNAを合成し、それをゲノム上の別の位置に挿入する。トランスポゾンは、進化上染色体上の遺伝子間に挿入される形で存在し、その配列に変更が生じても、細胞の生存には影響を与えない。一般的に、トランスポゾン配列は、非遺伝子領域で染色体上に複数点在し、相同組換えに必要な共通配列を有することから、本発明の方法における、ゲノム上の、外来DNAの挿入部位として好適である。   As used herein, “transposon” refers to a nucleotide or a sequence thereof that can transfer a position on a genome in a cell. Transposons are classified into DNA-type transposons (in a narrow sense) and RNA-type transposons (retrotransposons). A transposase (transferase) is encoded in the sequence of the DNA-type transposon. When expressed, this enzyme recognizes inverted repeats at both ends of the transposon sequence, cuts out the transposon sequence at the boundary, and inserts it at another position on the genome. On the other hand, a reverse transcriptase is encoded in the sequence of the RNA-type transposon. When this reverse transcriptase is transcribed and translated by an internal promoter, it synthesizes cDNA using its transcript as a template and inserts it at another position on the genome. A transposon exists in an evolutionary manner inserted between genes on a chromosome, and changes in its sequence do not affect cell survival. Generally, a plurality of transposon sequences are scattered on a chromosome in a non-gene region and have a common sequence necessary for homologous recombination. Therefore, the transposon sequence is suitable as an insertion site for foreign DNA on the genome in the method of the present invention. It is.

尚、本明細書において、「トランスポゾン配列」には、トランスポゾンのプラス鎖のヌクレオチド配列、及びマイナス鎖のヌクレオチド配列が包含される。   In the present specification, the “transposon sequence” includes a plus-strand nucleotide sequence and a minus-strand nucleotide sequence of the transposon.

本発明の方法において、トランスポゾンは、好ましくはレトロトランスポゾンである。レトロトランスポゾンとしては、末端に長い反復配列が形成されているLTR (long terminal repeat) 型レトロトランスポゾン及びそれ以外の非LTR型レトロトランスポゾンが挙げられる。LTR 型レトロトランスポゾンとしては、Ty1-copia 群及びTy3-gypsy群が挙げられる。両者は、配列の類似性と、遺伝子産物コードの順番の両方に基づいて区別される。非LTR 型レトロトランスポゾンとしては、「長鎖散在反復配列」("long interspersed nuclear element" LINE) を有するものと「短鎖散在反復配列」("short interspersed nuclear element" SINE)を有するものが挙げられる。レトロトランスポゾンは、好ましくは、Ty1-copia群のレトロトランスポゾン(例、酵母においてはTy1レトロトランスポゾン、ショウジョウバエにおいてはcopiaレトロトランスポゾン)である。   In the method of the present invention, the transposon is preferably a retrotransposon. Examples of the retrotransposon include an LTR (long terminal repeat) type retrotransposon in which a long repeating sequence is formed at the terminal and other non-LTR type retrotransposons. Examples of the LTR type retrotransposon include the Ty1-copia group and the Ty3-gypsy group. Both are distinguished based on both sequence similarity and gene product code order. Non-LTR-type retrotransposons include those having “long interspersed nuclear elements” (“long interspersed nuclear element” LINE) and those having “short interspersed nuclear elements” (SINE) . The retrotransposon is preferably a Ty1-copia group of retrotransposons (eg, Ty1 retrotransposon in yeast and copia retrotransposon in Drosophila).

本発明の方法においては、ゲノム二本鎖DNA中に2コピー以上の該200bp以上のヌクレオチド配列(例、トランスポゾン配列)を含む宿主生物の細胞を対象とする。ゲノム二本鎖DNAを有する生物の殆どは、2コピー以上のトランスポゾン配列を有するので、本発明の方法は、ゲノム二本鎖DNAを有するほぼすべての宿主生物の細胞に適用可能である。該宿主生物としては、エシェリヒア属菌、バチルス属菌等の原核生物;酵母(出芽酵母、分裂酵母等)、昆虫、植物、脊椎動物(魚類、鳥類、哺乳類)等の真核生物等が挙げられるが、これらに限定されない。   In the method of the present invention, cells of a host organism containing 2 or more copies of the nucleotide sequence of 200 bp or more (eg, transposon sequence) in genomic double-stranded DNA are targeted. Since most organisms with genomic double-stranded DNA have more than one copy of the transposon sequence, the methods of the invention are applicable to cells of almost any host organism that has genomic double-stranded DNA. Examples of the host organism include prokaryotes such as Escherichia and Bacillus; eukaryotes such as yeast (budding yeast, fission yeast, etc.), insects, plants, vertebrates (fishes, birds, mammals), and the like. However, it is not limited to these.

エシェリヒア属菌としては、例えば、エシェリヒア・コリ(Escherichia coli)K12・DH1〔Proc. Natl. Acad. Sci. USA,60,160 (1968)〕,エシェリヒア・コリJM103〔Nucleic Acids Research,9,309 (1981)〕,エシェリヒア・コリJA221〔Journal of Molecular Biology,120,517 (1978)〕,エシェリヒア・コリHB101〔Journal of Molecular Biology,41,459 (1969)〕,エシェリヒア・コリC600〔Genetics,39,440 (1954)〕などが用いられる。   Examples of the genus Escherichia include, for example, Escherichia coli K12 / DH1 [Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 60, 160 (1968)], Escherichia coli JM103 [Nucleic Acids Research, 9, 309 ( 1981)], Escherichia coli JA221 [Journal of Molecular Biology, 120, 517 (1978)], Escherichia coli HB101 [Journal of Molecular Biology, 41, 459 (1969)], Escherichia coli C600 [Genetics, 39, 440 (1954)] is used.

バチルス属菌としては、例えば、バチルス・サブチルス(Bacillus subtilis)MI114〔Gene,24,255 (1983)〕,バチルス・サブチルス207-21〔Journal of Biochemistry,95,87 (1984)〕などが用いられる。   Examples of Bacillus bacteria include Bacillus subtilis MI114 [Gene, 24, 255 (1983)], Bacillus subtilis 207-21 [Journal of Biochemistry, 95, 87 (1984)] and the like.

酵母としては、例えば、サッカロマイセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)AH22,AH22R-,NA87-11A,DKD-5D,20B-12,BY-4742、シゾサッカロマイセス・ポンベ(Schizosaccharomyces pombe)NCYC1913,NCYC2036,ピキア・パストリス(Pichia pastoris)KM71などが用いられる。 Examples of the yeast include Saccharomyces cerevisiae AH22, AH22R , NA87-11A, DKD-5D, 20B-12, BY-4742, Schizosaccharomyces pombe NCYC1913, NCYC2036, Pichia (Pichia pastoris) KM71 is used.

昆虫細胞としては、例えば、夜盗蛾の幼虫由来株化細胞(Spodoptera frugiperda cell;Sf細胞);Trichoplusia niの中腸由来のMG1細胞;Trichoplusia niの卵由来のHigh FiveTM細胞;Mamestra brassicae由来の細胞、Estigmena acrea由来の細胞;蚕由来株化細胞(Bombyx mori N 細胞;BmN細胞);ショウジョウバエ由来の細胞などが用いられる。 Insect cells include, for example, larvae-derived cell lines (Spodoptera frugiperda cells; Sf cells); Trichoplusia ni midgut-derived MG1 cells; Trichoplusia ni egg-derived High Five TM cells; Mamestra brassicae-derived cells Estigmena acrea-derived cells; cocoon-derived cell lines (Bombyx mori N cells; BmN cells); Drosophila-derived cells and the like are used.

脊椎動物細胞としては、例えば、サルCOS-7細胞、サルVero細胞、チャイニーズハムスター卵巣(CHO)細胞、dhfr遺伝子欠損CHO細胞、マウスL細胞,マウスAtT-20細胞、マウスミエローマ細胞,ラットGH3細胞、ヒトFL細胞などの細胞株、ヒト及び他の哺乳動物のiPS細胞やES細胞などの多能性幹細胞、種々の組織から調製した初代培養細胞が用いられる。さらには、ゼブラフィッシュ胚、アフリカツメガエル卵母細胞なども用いることができる。   Vertebrate cells include, for example, monkey COS-7 cells, monkey Vero cells, Chinese hamster ovary (CHO) cells, dhfr gene-deficient CHO cells, mouse L cells, mouse AtT-20 cells, mouse myeloma cells, rat GH3 cells, Cell lines such as human FL cells, pluripotent stem cells such as human and other mammalian iPS cells and ES cells, and primary cultured cells prepared from various tissues are used. Furthermore, zebrafish embryos, Xenopus oocytes, and the like can also be used.

植物細胞としては、種々の植物(例えば、イネ、コムギ、トウモロコシ等の穀物、トマト、キュウリ、ナス等の商品作物、カーネーション、トルコギキョウ等の園芸植物、タバコ、シロイヌナズナ等の実験植物など)から調製した懸濁培養細胞、カルス、プロトプラスト、葉切片、根切片などが用いられる。   Plant cells were prepared from various plants (for example, grains such as rice, wheat and corn, commercial crops such as tomato, cucumber and eggplant, garden plants such as carnation and eustoma, experimental plants such as tobacco and Arabidopsis thaliana). Suspension culture cells, callus, protoplasts, leaf sections, root sections and the like are used.

宿主生物は、好ましくは酵母であり、より好ましくは出芽酵母である。出芽酵母のゲノム二本鎖DNAには、約30コピーものTy1レトロトランスポゾンが存在し、その配列もレトロトランスポゾン間で高度に保存されている。   The host organism is preferably yeast, more preferably budding yeast. There are about 30 copies of Ty1 retrotransposon in the budding yeast genomic double-stranded DNA, and its sequence is also highly conserved among the retrotransposons.

本発明の方法において使用する宿主細胞に含まれるゲノム二本鎖DNA中に含まれるトランスポゾン配列のコピー数は、好ましくは10以上であり、より好ましくは20以上、更により好ましくは30以上である。   The copy number of the transposon sequence contained in the genomic double-stranded DNA contained in the host cell used in the method of the present invention is preferably 10 or more, more preferably 20 or more, and even more preferably 30 or more.

本発明の方法において用いられるドナーDNAとしては、二本鎖DNA、一本鎖DNA(環状二本鎖DNA、直鎖状二本鎖DNA、環状一本鎖DNA、直鎖状一本鎖DNA)、一本鎖DNAを含む環状二本鎖DNAが挙げられる。なお、ドナーDNAが一本鎖DNAの場合、「200bp以上のヌクレオチド配列」等の「bp」は「b」に読み替えるものとする。   As donor DNA used in the method of the present invention, double-stranded DNA, single-stranded DNA (circular double-stranded DNA, linear double-stranded DNA, circular single-stranded DNA, linear single-stranded DNA) And circular double-stranded DNA including single-stranded DNA. When the donor DNA is single-stranded DNA, “bp” such as “nucleotide sequence of 200 bp or more” is read as “b”.

該ドナーDNAについて、主に環状二本鎖DNAを代表例として例示しながら説明するが、該説明が環状二本鎖DNA以外の、他の該ドナーDNAに対しても同様に適用可能であることは、当業者には容易に理解できる。   The donor DNA will be described mainly using a circular double-stranded DNA as a representative example, but the description is applicable to other donor DNAs other than the circular double-stranded DNA as well. Can be easily understood by those skilled in the art.

本発明の方法において用いられる環状二本鎖DNAは、好ましくは、環状二本鎖DNAプラスミドである。環状二本鎖DNAプラスミドとしては、大腸菌由来のプラスミド(例、pBR322,pBR325,pUC12,pUC13);枯草菌由来のプラスミド(例、pUB110,pTP5,pC194);酵母由来プラスミド(例、YCplac33, pRS403, YIplac128);昆虫細胞発現プラスミド(例:pFast-Bac);動物細胞発現プラスミド(例:pA1-11、pXT1、pRc/CMV、pRc/RSV、pcDNAI/Neo)などが挙げられるが、これらに限定されない。   The circular double-stranded DNA used in the method of the present invention is preferably a circular double-stranded DNA plasmid. As circular double-stranded DNA plasmids, plasmids derived from E. coli (eg, pBR322, pBR325, pUC12, pUC13); plasmids derived from Bacillus subtilis (eg, pUB110, pTP5, pC194); yeast-derived plasmids (eg, YCplac33, pRS403, YIplac128); insect cell expression plasmids (eg pFast-Bac); animal cell expression plasmids (eg pA1-11, pXT1, pRc / CMV, pRc / RSV, pcDNAI / Neo), etc. .

該環状二本鎖DNAは、宿主細胞のゲノム二本鎖DNA中に2コピー以上含まれるトランスポゾン配列又はその部分配列と相同なヌクレオチド配列(以下、「トランスポゾン相同配列」と呼ぶ場合がある)、及び外来DNA配列を含む。   The circular double-stranded DNA is a nucleotide sequence homologous to a transposon sequence or a partial sequence thereof contained in two or more copies in the genome double-stranded DNA of a host cell (hereinafter sometimes referred to as “transposon homologous sequence”), and Contains foreign DNA sequences.

トランスポゾン相同配列は、トランスポゾン配列中の選択された標的ヌクレオチド配列(後述する)を含み、本発明の方法において該標的ヌクレオチド配列内でDNA(ドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)及び/又はゲノム二本鎖DNA)を切断した場合、該トランスポゾン配列を含むゲノムDNAに対して、相同組換えを生じるのに十分な程度の配列同一性及び長さを有する配列である。一態様においては、トランスポゾン相同配列は、出芽酵母染色体上に点在するTy1tレトロトランスポゾン間で保存されている領域であり、Ty1レトロトランスポゾン配列内の約1680 bpから約2520 bpまでの間の約840 bpの塩基配列(配列番号1)である。Ty1配列(840 bp)はTy1レトロトランスポゾン配列(約5930bp)中の約1680 bpから約2520 bpの間の領域に相当する(図14)。   The transposon homologous sequence includes a selected target nucleotide sequence (described later) in the transposon sequence, and DNA (donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) and / or genome) in the target nucleotide sequence in the method of the present invention. When the double-stranded DNA) is cleaved, the sequence has sufficient sequence identity and length to cause homologous recombination with the genomic DNA containing the transposon sequence. In one aspect, the transposon homologous sequence is a region conserved among Ty1t retrotransposons interspersed on the budding yeast chromosome and about 840 between about 1680 bp and about 2520 bp within the Ty1 retrotransposon sequence. The nucleotide sequence of bp (SEQ ID NO: 1). The Ty1 sequence (840 bp) corresponds to the region between about 1680 bp and about 2520 bp in the Ty1 retrotransposon sequence (about 5930 bp) (FIG. 14).

トランスポゾン配列に対するトランスポゾン相同配列の同一性の程度は、相同組換えを可能とする限り特に限定されない。相同組換えを可能とする同一性の程度は、ポリヌクレオチドの長さによっても異なるが、例えば少なくとも約80%以上、好ましくは少なくとも約85%以上、より好ましくは少なくとも約90%以上、最も好ましくは約95〜100%であり得る。同一性%は、自体公知の方法により決定でき、例えば、NCBIホームページで利用可能なBLASTNを初期(default)設定で用いることにより決定できる。同一性%はまた、Smith-Watermanのアルゴリズムを使用して、ギャップ・オープン・ペナルティー(gap open penalty):12、ギャップ・エクステンション・ペナルティー(gap extension penalty):1によりアフィン・ギャップ検索(affine gap search)を行うことにより決定してもよい。   The degree of identity of the transposon homologous sequence to the transposon sequence is not particularly limited as long as homologous recombination is possible. The degree of identity that enables homologous recombination varies depending on the length of the polynucleotide, but for example at least about 80% or more, preferably at least about 85% or more, more preferably at least about 90% or more, most preferably It can be about 95-100%. The percent identity can be determined by a method known per se, for example, by using BLASTN available on the NCBI homepage with default settings. % Identity also uses the Smith-Waterman algorithm to affine gap search with a gap open penalty of 12 and a gap extension penalty of 1. ) May be determined.

トランスポゾン相同配列の長さは、ゲノムDNAとの相同組換えが生じる長さである限り特に限定されない。しかしながら、一般論として、ゲノムDNAとの相同組換えが効率よく起こるためには、相同領域が長いほどよい。一方、細胞へのドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)の導入効率によって、挿入可能なDNAの長さは一定に制限される。従って、これらを考慮すると、トランスポゾン相同配列の長さは、例えば0.5kb-20kb、好ましくは0.75kb-10kbであり得る。   The length of the transposon homologous sequence is not particularly limited as long as homologous recombination with genomic DNA occurs. However, in general, a longer homologous region is better for efficient homologous recombination with genomic DNA. On the other hand, the length of DNA that can be inserted is limited by the efficiency of introduction of donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) into cells. Therefore, considering these, the length of the transposon homologous sequence can be, for example, 0.5 kb-20 kb, preferably 0.75 kb-10 kb.

一態様において、トランスポゾン相同配列として、ゲノム中に存在するトランスポゾン配列内の構造遺伝子配列又はその部分配列と相同なヌクレオチド配列が挙げられる。   In one embodiment, the transposon homologous sequence includes a nucleotide sequence homologous to a structural gene sequence within a transposon sequence present in the genome or a partial sequence thereof.

トランスポゾン相同配列は、例えば、トランスポゾンのDNA配列情報に基づいて、所望の部分(後述する標的ヌクレオチド配列含む部分)をコードする領域をカバーするようにオリゴDNAプライマーを合成し、宿主細胞より調製したゲノムDNAを鋳型として用い、PCRによって増幅することにより、クローニングすることができる。上記相同組換えを可能とする同一性の程度が保持される範囲内で、宿主細胞以外の生物種からクローニングしたトランスポゾン配列を用いることもできる。   A transposon homologous sequence is, for example, a genome prepared from a host cell by synthesizing an oligo DNA primer so as to cover a region encoding a desired portion (a portion containing a target nucleotide sequence described later) based on the DNA sequence information of the transposon. Cloning can be performed by using DNA as a template and amplifying by PCR. A transposon sequence cloned from a biological species other than the host cell can be used as long as the degree of identity that enables homologous recombination is maintained.

外来DNAは、本発明の方法によって該外来DNAが挿入されたゲノムを有する細胞が、該外来DNAが挿入される前には有していなかった、ゲノム中の部分のDNAを指す。例えば、本発明の方法において、外来DNAの配列は、該外来DNAが挿入されるゲノム中に存在するトランスポゾン配列又はその部分配列を含み得るが、この配列も、細胞が、該外来DNAを挿入する以前には有していなかったDNAの配列である。従って、本明細書中では、該配列も外来DNA配列として扱われる。   The foreign DNA refers to a portion of DNA in the genome that the cell having the genome into which the foreign DNA has been inserted by the method of the present invention did not have before the foreign DNA was inserted. For example, in the method of the present invention, the sequence of the foreign DNA can include a transposon sequence present in the genome into which the foreign DNA is inserted or a partial sequence thereof, and this sequence is also inserted into the cell by the cell. This is a DNA sequence that had not previously been present. Therefore, in the present specification, the sequence is also treated as a foreign DNA sequence.

外来DNA配列は、好ましくは構造遺伝子をコードする。即ち、外来DNA配列は、好ましくは、特定の機能を有するポリペプチドをコードする。該構造遺伝子の種類は、特に限定されないが、例えば、有用代謝産物の合成経路、遺伝子複製機構、DNA損傷修復機構、シグナル伝達経路、核機能等の種々の細胞機能に関与する酵素をコードする遺伝子を挙げることが出来る。該構造遺伝子は、それらのcDNA配列情報に基づいて、所望の部分をコードする領域(好ましくは、遺伝子の全長領域、ORF領域)をカバーするようにオリゴDNAプライマーを合成し、当該遺伝子を発現する細胞より調製した全RNA若しくはmRNA画分を鋳型として用い、RT-PCRによって増幅することにより、クローニングすることができる。   The foreign DNA sequence preferably encodes a structural gene. That is, the foreign DNA sequence preferably encodes a polypeptide having a specific function. The type of the structural gene is not particularly limited. For example, genes encoding enzymes involved in various cellular functions such as synthesis pathways of useful metabolites, gene replication mechanisms, DNA damage repair mechanisms, signal transduction pathways, and nuclear functions Can be mentioned. Based on the cDNA sequence information, the structural gene synthesizes an oligo DNA primer so as to cover a region encoding the desired portion (preferably, the full length region of the gene, ORF region), and expresses the gene. Cloning can be performed by amplifying by RT-PCR using a total RNA or mRNA fraction prepared from cells as a template.

該構造遺伝子は、好ましくは、宿主細胞内でプロモーター活性を発揮し得るプロモーターに機能的に連結されている。即ち、本発明の方法により該構造遺伝子が宿主細胞のゲノムDNA中に挿入されると、該プロモーターの制御下で、該構造遺伝子が発現する。当業者であれば、宿主細胞の種類に対応して適切なプロモーターを選択することができる。
例えば、宿主細胞がエシェリヒア属菌である場合、trpプロモーター、lacプロモーター、recAプロモーター、λPLプロモーター、lppプロモーター、T7プロモーターなどが用いられるが、これらに限定されない。
宿主細胞がバチルス属菌である場合、SPO1プロモーター、SPO2プロモーター、penPプロモーターなどが用いられるが、これらに限定されない。
宿主細胞が酵母である場合、Gal1プロモーター、Gal1/10プロモーター、PHO5プロモーター、PGKプロモーター、GAPプロモーター、ADHプロモーターなどが用いられるが、これらに限定されない。
宿主細胞が昆虫細胞である場合、ポリヘドリンプロモーター、P10プロモーターなどが用いられるが、これらに限定されない。
宿主細胞が植物細胞である場合、CaMV35Sプロモーター、CaMV19Sプロモーター、NOSプロモーターなどが用いられるが、これらに限定されない。
宿主細胞が脊椎動物細胞である場合、SRαプロモーター、SV40プロモーター、LTRプロモーター、CMV(サイトメガロウイルス)プロモーター、RSV(ラウス肉腫ウイルス)プロモーター、MoMuLV(モロニーマウス白血病ウイルス)LTR、HSV-TK(単純ヘルペスウイルスチミジンキナーゼ)プロモーターなどが用いられるが、これらに限定されない。
The structural gene is preferably operably linked to a promoter capable of exhibiting promoter activity in the host cell. That is, when the structural gene is inserted into the genomic DNA of a host cell by the method of the present invention, the structural gene is expressed under the control of the promoter. A person skilled in the art can select an appropriate promoter corresponding to the type of host cell.
For example, where the host cell is a bacterium of the genus Escherichia, trp promoter, lac promoter, recA promoters, .lambda.P L promoters, lpp promoter, T7 promoter and the like are used, but are not limited to.
When the host cell is a bacterium belonging to the genus Bacillus, SPO1 promoter, SPO2 promoter, penP promoter and the like are used, but not limited thereto.
When the host cell is yeast, a Gal1 promoter, a Gal1 / 10 promoter, a PHO5 promoter, a PGK promoter, a GAP promoter, an ADH promoter, and the like are used, but not limited thereto.
When the host cell is an insect cell, polyhedrin promoter, P10 promoter and the like are used, but not limited thereto.
When the host cell is a plant cell, CaMV35S promoter, CaMV19S promoter, NOS promoter, etc. are used, but not limited thereto.
When the host cell is a vertebrate cell, SRα promoter, SV40 promoter, LTR promoter, CMV (cytomegalovirus) promoter, RSV (rous sarcoma virus) promoter, MoMuLV (Moloney murine leukemia virus) LTR, HSV-TK (herpes simplex) Viral thymidine kinase) promoter and the like are used, but not limited thereto.

該構造遺伝子は、好ましくは、宿主細胞内で活性を発揮し得るエンハンサー、スプライシングシグナル、ターミネーター、ポリA付加シグナル等に機能的に連結されている。このような構成を有することにより、本発明の方法により該構造遺伝子が宿主細胞のゲノムDNA中に挿入されると、構造遺伝子は、宿主細胞内でより安定に転写及び翻訳される。   The structural gene is preferably operably linked to an enhancer, a splicing signal, a terminator, a poly A addition signal or the like that can exhibit activity in the host cell. By having such a configuration, when the structural gene is inserted into the genomic DNA of the host cell by the method of the present invention, the structural gene is more stably transcribed and translated in the host cell.

該ドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)は、ゲノム中に外来DNAが挿入された形質転換体を選択するための選択マーカー遺伝子をさらに含有することもできる。選択マーカー遺伝子としては、テトラサイクリン、アンピシリン、カナマイシン等の薬剤に対する抵抗性を付与する遺伝子、栄養要求性変異を相補する遺伝子等を挙げることができるが、これらに限定されない。栄養要求性変異を相補する遺伝子としては、例えば、LEU2、URA3、URA4、LYS2、MET15、HIS3、TRP1、ADE2等が挙げられる。栄養要求性変異を相補する遺伝子は、対応する栄養要求性変異を有する宿主細胞と組み合わせて用いられる。   The donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) can further contain a selection marker gene for selecting a transformant having foreign DNA inserted into the genome. Examples of selectable marker genes include, but are not limited to, genes that confer resistance to drugs such as tetracycline, ampicillin, and kanamycin, and genes that complement auxotrophic mutations. Examples of genes that complement auxotrophic mutations include LEU2, URA3, URA4, LYS2, MET15, HIS3, TRP1, and ADE2. A gene that complements an auxotrophic mutation is used in combination with a host cell having the corresponding auxotrophic mutation.

本発明の方法においては、上記ゲノム二本鎖DNA及び上記ドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)を、ゲノム二本鎖DNAに2コピー以上含まれるトランスポゾン配列中の選択された標的ヌクレオチド配列と特異的に結合し、該標的ヌクレオチド配列内でDNAを切断するヌクレアーゼと接触させる。   In the method of the present invention, the genomic double-stranded DNA and the donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) are combined with a selected target nucleotide sequence in a transposon sequence contained in two or more copies of the genomic double-stranded DNA. Contact with a nuclease that specifically binds and cleaves DNA within the target nucleotide sequence.

本発明において用いられる「ヌクレアーゼ」は、特定のヌクレオチド配列認識能が付与されたDNA切断活性を有する分子複合体である。該複合体は、DNA切断活性を有する核酸配列認識モジュールを含んでなるか、又はDNA切断活性を有しない核酸配列認識モジュール及びDNA切断ドメインを含んでなる。ここで「複合体」は複数の分子で構成されるものだけでなく、融合タンパク質のように、核酸配列認識モジュールとDNA切断ドメインとを単一の分子内に有するものも包含される。一態様として、本発明のヌクレアーゼは、構成因子としてタンパク質を含むか、又はタンパク質から成る。他の態様として、本発明のヌクレアーゼは、タンパク質以外の構成因子(例、核酸)を含む。   The “nuclease” used in the present invention is a molecular complex having a DNA cleavage activity imparted with a specific nucleotide sequence recognition ability. The complex comprises a nucleic acid sequence recognition module having DNA cleavage activity, or comprises a nucleic acid sequence recognition module having no DNA cleavage activity and a DNA cleavage domain. Here, the “complex” includes not only a complex composed of a plurality of molecules, but also a complex having a nucleic acid sequence recognition module and a DNA cleavage domain in a single molecule, such as a fusion protein. In one embodiment, the nuclease of the present invention comprises or consists of a protein as a constituent factor. In another embodiment, the nuclease of the present invention contains a component (eg, nucleic acid) other than a protein.

本発明において「核酸配列認識モジュール」とは、DNA鎖上の特定のヌクレオチド配列(即ち、標的ヌクレオチド配列)を特異的に認識して結合する能力を有する分子又は分子複合体を意味する。核酸配列認識モジュールが標的ヌクレオチド配列に結合することにより、該モジュール又は該モジュールに連結されたDNA切断ドメインがDNAの標的化された部位に特異的に作用することを可能にする。一態様において、「核酸配列認識モジュール」はそれ自体がDNA切断活性を有する。他の態様において、「核酸配列認識モジュール」はそれ自体がDNA切断活性を有しない。   In the present invention, the “nucleic acid sequence recognition module” means a molecule or molecular complex having the ability to specifically recognize and bind to a specific nucleotide sequence (ie, target nucleotide sequence) on a DNA strand. Binding of the nucleic acid sequence recognition module to the target nucleotide sequence allows the module or the DNA cleavage domain linked to the module to specifically act on the targeted site of DNA. In one embodiment, the “nucleic acid sequence recognition module” itself has DNA cleavage activity. In other embodiments, the “nucleic acid sequence recognition module” does not itself have DNA cleavage activity.

本発明において「DNA切断ドメイン」とは、DNAを構成する2重螺旋の一方又は両方の鎖を切断する反応を触媒するポリペプチドを意味する。該ポリペプチドとしては、制限酵素FokIのポリペプチド等が挙げられる。   In the present invention, the “DNA cleavage domain” means a polypeptide that catalyzes a reaction that cleaves one or both strands of a double helix constituting DNA. Examples of the polypeptide include a restriction enzyme FokI polypeptide and the like.

核酸配列認識モジュールにより認識される、DNA中の標的ヌクレオチド配列は、該モジュールが特異的に結合し得る限り特に制限されず、DNA中の任意の配列であってよい。標的ヌクレオチド配列の長さは、核酸配列認識モジュールが特異的に結合するのに十分であればよく、例えば、酵母のゲノムDNA中の特定の部位に変異を導入する場合、そのゲノムサイズに応じて、12ヌクレオチド以上、好ましくは15ヌクレオチド以上、より好ましくは17ヌクレオチド以上である。長さの上限は特に制限されないが、好ましくは25ヌクレオチド以下、より好ましくは22ヌクレオチド以下である。   The target nucleotide sequence in DNA recognized by the nucleic acid sequence recognition module is not particularly limited as long as the module can specifically bind, and may be any sequence in DNA. The length of the target nucleotide sequence only needs to be sufficient for the nucleic acid sequence recognition module to specifically bind. For example, when a mutation is introduced into a specific site in yeast genomic DNA, the length depends on the genome size. , 12 nucleotides or more, preferably 15 nucleotides or more, more preferably 17 nucleotides or more. The upper limit of the length is not particularly limited, but is preferably 25 nucleotides or less, more preferably 22 nucleotides or less.

本発明の1つの態様において、核酸配列認識モジュールとしては、CRISPR-Casシステムが挙げられる。該態様においては、核酸配列認識モジュール自体がDNA切断活性を有するため、本発明の方法のために、該核酸配列認識モジュールとDNA切断ドメインとの複合体を形成させることを必ずしも必要としない。   In one embodiment of the present invention, the nucleic acid sequence recognition module includes a CRISPR-Cas system. In this embodiment, since the nucleic acid sequence recognition module itself has DNA cleavage activity, it is not always necessary to form a complex of the nucleic acid sequence recognition module and the DNA cleavage domain for the method of the present invention.

上記CRISPR-Casシステムは、標的ヌクレオチド配列(但しRNA配列)を有するガイドRNAにより目的のドナーDNA(二本鎖DNA又は一本鎖DNA)の配列を認識するので、標的ヌクレオチド配列の相補配列と特異的にハイブリッド形成し得るオリゴDNAを合成するだけで、任意の配列を標的化することができる。
CRISPR/Casシステムは一本鎖DNAも基質として認識し、切断する活性を有する(Ma, E., Mol. Cell, (2015) 60 (3), 398-407)。一態様として、ドナーDNAは一本鎖DNAを含む二本鎖DNAであり得る。相同組換えではドナーDNAの切断末端がトリミングされ一本鎖DNAが露出し、その一本鎖が染色体上の相同配列部位に結合するので、より効率よく相同組換えによってドナーDNAが染色体中に組み込まれる可能性がある。
The above CRISPR-Cas system recognizes the sequence of the target donor DNA (double-stranded DNA or single-stranded DNA) by the guide RNA having the target nucleotide sequence (but RNA sequence). Any sequence can be targeted simply by synthesizing an oligo-DNA that can be hybridized.
The CRISPR / Cas system recognizes single-stranded DNA as a substrate and has the activity of cleaving (Ma, E., Mol. Cell, (2015) 60 (3), 398-407). In one embodiment, the donor DNA can be double stranded DNA including single stranded DNA. In homologous recombination, the cut end of the donor DNA is trimmed to expose the single-stranded DNA, and the single strand binds to the homologous sequence site on the chromosome, so the donor DNA is integrated into the chromosome by homologous recombination more efficiently. There is a possibility.

CRISPR-Casを用いた核酸配列認識モジュールは、標的ヌクレオチド配列(但しRNA配列)、及びCasタンパク質のリクルートに必要なtracrRNAからなるRNA分子(ガイドRNA)とCasタンパク質との複合体として提供される。また、他の態様として、CRISPR-Casを用いた核酸配列認識モジュールは、標的ヌクレオチド配列と同一配列のRNAを含むcrRNA、及びtracrRNA、Casの複合体として提供される。   A nucleic acid sequence recognition module using CRISPR-Cas is provided as a complex of a Cas protein with an RNA molecule (guide RNA) composed of a target nucleotide sequence (however, an RNA sequence) and tracrRNA necessary for the recruitment of Cas protein. As another embodiment, a nucleic acid sequence recognition module using CRISPR-Cas is provided as a complex of crRNA containing RNA having the same sequence as the target nucleotide sequence, tracrRNA, and Cas.

本発明で使用されるCasタンパク質は、CRISPRシステムに属するものであれば特に制限はないが、好ましくはCas9である。Cas9としては、例えばストレプトコッカス・ピオゲネス(Streptococcus pyogenes)由来のCas9(SpCas9)、ストレプトコッカス・サーモフィラス(Streptococcus thermophilus)由来のCas9(StCas9)等が挙げられるが、それらに限定されない。好ましくはSpCas9である。   The Cas protein used in the present invention is not particularly limited as long as it belongs to the CRISPR system, but is preferably Cas9. Examples of Cas9 include, but are not limited to, Cas9 (SpCas9) derived from Streptococcus pyogenes, Cas9 (StCas9) derived from Streptococcus thermophilus, and the like. SpCas9 is preferable.

CRISPR-Casを核酸配列認識モジュールとして用いる場合、核酸配列認識モジュールは、それらをコードする核酸(発現ベクター)の形態で、宿主細胞に導入することが望ましい。即ち、ガイドRNA及びCasタンパク質をコードする発現ベクターを宿主細胞に導入し、該ガイドRNA及びCasタンパク質を発現させることにより、宿主細胞内でガイドRNAとCasタンパク質との複合体を形成する。ガイドRNA及びCasタンパク質は、同一の発現ベクター上にコードされていてもよいし、異なる発現ベクター上に、それぞれコードされていてもよい。
CasをコードするDNAは、当該技術分野で周知の方法により、Casを産生する細胞からクローニングすることができる。
得られたCasをコードするDNAは、宿主に応じた発現ベクターのプロモーターの下流に挿入することができる。
一方、ガイドRNAをコードするDNAは、標的ヌクレオチド配列(但しRNA配列)と既知のtracrRNA配列(例えば、gttttagagctagaaatagcaagttaaaataaggctagtccgttatcaacttgaaaaagtggcaccgagtcggtggtgctttt; 配列番号2)とを連結したオリゴDNA配列を設計し、DNA/RNA合成機を用いて、化学的に合成することができる。ガイドRNAをコードするDNAも、宿主に応じた発現ベクターに挿入することができる。ガイドRNA及びCasは、同一の発現ベクター上にコードされていてもよいし、異なる発現ベクター上に、それぞれコードされていてもよい。好適には、CasをコードするDNAとガイドRNA及びtracrRNAをコードするDNAを、同一の発現ベクター中、別個のプロモーターの下流に挿入する。
When CRISPR-Cas is used as a nucleic acid sequence recognition module, it is desirable to introduce the nucleic acid sequence recognition module into a host cell in the form of a nucleic acid (expression vector) encoding them. That is, an expression vector encoding guide RNA and Cas protein is introduced into a host cell, and the guide RNA and Cas protein are expressed to form a complex of guide RNA and Cas protein in the host cell. The guide RNA and Cas protein may be encoded on the same expression vector, or may be encoded on different expression vectors.
The DNA encoding Cas can be cloned from cells producing Cas by methods well known in the art.
The obtained Cas-encoding DNA can be inserted downstream of the promoter of the expression vector according to the host.
On the other hand, the DNA encoding the guide RNA is designed as an oligo DNA sequence in which a target nucleotide sequence (but RNA sequence) and a known tracrRNA sequence (for example, gttttagagctagaaatagcaagttaaaataaggctagtccgttatcaacttgaaaaagtggcaccgagtcggtggtgctttt; SEQ ID NO: 2) are used, and a DNA / RNA synthesizer is used. Can be chemically synthesized. A DNA encoding a guide RNA can also be inserted into an expression vector appropriate for the host. The guide RNA and Cas may be encoded on the same expression vector, or may be encoded on different expression vectors. Preferably, DNA encoding Cas and DNA encoding guide RNA and tracrRNA are inserted downstream of separate promoters in the same expression vector.

本発明における標的ヌクレオチド配列としては、宿主細胞ゲノムに2コピー以上含まれるトランスポゾン配列内の、PAM配列(5'-NGG)の5'側の直前に隣接している配列が選択される。
宿主細胞として出芽酵母Saccharomyces cerevisiae、トランスポゾンとしてTy1レトロトランスポゾンが使用される場合、標的ヌクレオチド配列は、例えば、配列番号3で表されるヌクレオチド配列である。この場合、配列番号3で表されるヌクレオチド配列の3’側にtracrRNA配列(例えば、gttttagagctagaaatagcaagttaaaataaggctagtccgttatcaacttgaaaaagtggcaccgagtcggtggtgctttt; 配列番号2)が連結したガイドRNAが宿主細胞内で発現するように、上記発現ベクターが設計される。
As the target nucleotide sequence in the present invention, a sequence immediately adjacent to the 5 ′ side of the PAM sequence (5′-NGG) in the transposon sequence contained in two or more copies in the host cell genome is selected.
When the budding yeast Saccharomyces cerevisiae is used as the host cell and Ty1 retrotransposon is used as the transposon, the target nucleotide sequence is, for example, the nucleotide sequence represented by SEQ ID NO: 3. In this case, the expression vector is designed so that a guide RNA in which a tracrRNA sequence (for example, gttttagagctagaaatagcaagttaaaataaggctagtccgttatcaacttgaaaaagtggcaccgagtcggtggtgctttt; SEQ ID NO: 2) is linked to the 3 ′ side of the nucleotide sequence represented by SEQ ID NO: 3 is expressed in the host cell. .

本発明において用いられるドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)中の、トランスポゾン配列又はその部分配列と相同なヌクレオチド配列は、上記標的ヌクレオチド配列を含む。   The nucleotide sequence homologous to the transposon sequence or a partial sequence thereof in the donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) used in the present invention includes the target nucleotide sequence.

CasをコードするRNAは、例えば、上記したCasをコードするDNAを鋳型として、自体公知のインビトロ転写系にてmRNAに転写することにより調製することができる。
ガイドRNAは、標的ヌクレオチド配列(但しRNA配列)と既知のtracrRNA配列とを連結したオリゴRNA配列を設計し、DNA/RNA合成機を用いて、化学的に合成することができる。
The RNA encoding Cas can be prepared, for example, by transcribing to the mRNA using a known in vitro transcription system using the above-described DNA encoding Cas as a template.
The guide RNA can be chemically synthesized using a DNA / RNA synthesizer by designing an oligo RNA sequence in which a target nucleotide sequence (however, RNA sequence) is linked to a known tracrRNA sequence.

なお、本明細書においてヌクレオチド配列は、別段にことわりのない限りDNAの配列として記載するが、ポリヌクレオチドがRNAである場合は、チミン(T)をウラシル(U)に適宜読み替えるものとする。   In this specification, the nucleotide sequence is described as a DNA sequence unless otherwise specified. However, when the polynucleotide is RNA, thymine (T) is appropriately replaced with uracil (U).

本発明の他の態様においては、核酸配列認識モジュールとしては、ジンクフィンガーモチーフ、TALエフェクター及びPPRモチーフ等の他、制限酵素、転写因子、RNAポリメラーゼ等のDNAと特異的に結合し得るタンパク質のDNA結合ドメインを含み、DNA二重鎖切断能を有しないフラグメント等が用いられ得る。   In another aspect of the present invention, the nucleic acid sequence recognition module includes a zinc finger motif, a TAL effector, a PPR motif, etc., as well as DNA of a protein that can specifically bind to DNA such as a restriction enzyme, transcription factor, RNA polymerase, etc. A fragment that contains a binding domain and does not have the ability to cleave DNA double strands can be used.

ジンクフィンガーモチーフは、Cys2His2型の異なるジンクフィンガーユニット(1フィンガーが約3塩基を認識する)を3〜6個連結させたものであり、9〜18塩基の標的ヌクレオチド配列を認識することができる。ジンクフィンガーモチーフは、Modular assembly法(Nat Biotechnol (2002) 20: 135-141)、OPEN法(Mol Cell (2008) 31: 294-301)、CoDA法(Nat Methods (2011) 8: 67-69)、大腸菌one-hybrid法(Nat Biotechnol (2008) 26:695-701)等の公知の手法により作製することができる。ジンクフィンガーモチーフの作製の詳細については、特許第4968498号公報を参照することができる。   The zinc finger motif is formed by connecting 3 to 6 different zinc finger units of different Cys2His2 type (one finger recognizes about 3 bases), and can recognize a target nucleotide sequence of 9 to 18 bases. Zinc finger motifs include Modular assembly method (Nat Biotechnol (2002) 20: 135-141), OPEN method (Mol Cell (2008) 31: 294-301), CoDA method (Nat Methods (2011) 8: 67-69) , And can be prepared by a known technique such as the E. coli one-hybrid method (Nat Biotechnol (2008) 26: 695-701). Japanese Patent No. 4968498 can be referred to for details of the production of the zinc finger motif.

TALエフェクターは、約34アミノ酸を単位としたモジュールの繰り返し構造を有しており、1つのモジュールの12及び13番目のアミノ酸残基(RVDと呼ばれる)によって、結合安定性と塩基特異性が決定される。各モジュールは独立性が高いので、モジュールを繋ぎ合わせるだけで、標的ヌクレオチド配列に特異的なTALエフェクターを作製することが可能である。TALエフェクターは、オープンリソースを利用した作製方法(REAL法(Curr Protoc Mol Biol (2012) Chapter 12: Unit 12.15)、FLASH法(Nat Biotechnol (2012) 30: 460-465)、Golden Gate法(Nucleic Acids Res (2011) 39: e82)等)が確立されており、比較的簡便に標的ヌクレオチド配列に対するTALエフェクターを設計することができる。TALエフェクターの作製の詳細については、特表2013-513389号公報を参照することができる。   The TAL effector has a repeating structure of modules of about 34 amino acids, and the binding stability and base specificity are determined by the 12th and 13th amino acid residues (called RVD) of one module. The Since each module is highly independent, it is possible to create a TAL effector specific to the target nucleotide sequence simply by connecting the modules. TAL effectors are produced using open resources (REAL method (Curr Protoc Mol Biol (2012) Chapter 12: Unit 12.15), FLASH method (Nat Biotechnol (2012) 30: 460-465), Golden Gate method (Nucleic Acids Res (2011) 39: e82) etc. have been established, and a TAL effector for a target nucleotide sequence can be designed relatively easily. The details of the production of the TAL effector can be referred to JP-T-2013-513389.

PPRモチーフは、35アミノ酸からなり1つの核酸塩基を認識するPPRモチーフの連続によって、特定のヌクレオチド配列を認識するように構成されており、各モチーフの1、4及びii(-2)番目のアミノ酸のみで標的塩基を認識する。モチーフ構成に依存性はなく、両脇のモチーフからの干渉はないので、TALエフェクター同様、PPRモチーフを繋ぎ合わせるだけで、標的ヌクレオチド配列に特異的なPPRタンパク質を作製することが可能である。PPRモチーフの作製の詳細については、特開2013-128413号公報を参照することができる。   The PPR motif consists of 35 amino acids, and is constructed to recognize a specific nucleotide sequence by a series of PPR motifs that recognize one nucleobase. The 1st, 4th, and ii (-2) th amino acids of each motif Only recognize the target base. Since there is no dependence on the motif structure and there is no interference from the motifs on both sides, it is possible to produce a PPR protein specific to the target nucleotide sequence by linking the PPR motifs just like the TAL effector. JP, 2013-128413, A can be referred to for details of preparation of a PPR motif.

また、制限酵素、転写因子、RNAポリメラーゼ等のフラグメントを用いる場合、これらのタンパク質のDNA結合ドメインは周知であるので、該ドメインを含み、且つDNA二重鎖切断能を有しない断片を容易に設計し、構築することができる。   In addition, when using fragments such as restriction enzymes, transcription factors, RNA polymerase, etc., the DNA-binding domain of these proteins is well known, so it is easy to design a fragment that contains this domain and does not have the ability to cleave DNA double strands. And can be built.

上記いずれかの核酸配列認識モジュールは、上記DNA切断ドメインとの融合タンパク質として提供することもできるし、SH3ドメイン、PDZドメイン、GKドメイン、GBドメイン等のタンパク質結合ドメインとそれらの結合パートナーとを、核酸配列認識モジュールと、DNA切断ドメインとにそれぞれ融合させ、該タンパク質結合ドメインとその結合パートナーとの相互作用を介してタンパク質複合体として提供してもよい。或いは、核酸配列認識モジュールと、DNA切断ドメインとにそれぞれインテイン(intein)を融合させ、各タンパク質合成後のライゲーションにより、両者を連結することもできる。   Any one of the nucleic acid sequence recognition modules can be provided as a fusion protein with the DNA cleavage domain, or a protein binding domain such as SH3 domain, PDZ domain, GK domain, GB domain, and their binding partners. The nucleic acid sequence recognition module and the DNA cleavage domain may be fused to each other and provided as a protein complex through the interaction between the protein binding domain and its binding partner. Alternatively, intein can be fused to the nucleic acid sequence recognition module and the DNA cleavage domain, respectively, and both can be linked by ligation after synthesis of each protein.

上記ヌクレアーゼと、ゲノム二本鎖DNA及び上記ドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)との接触は、宿主細胞に、上記ドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)と共に、該ヌクレアーゼをコードする核酸を導入することにより実施され得る。
従って、核酸配列認識モジュール、又は核酸配列認識モジュール及びDNA切断ドメインは、それらの融合タンパク質をコードする核酸として、或いは、タンパク質に翻訳後、宿主細胞内で複合体形成し得るような形態で、各構成因子をコードする核酸として調製することが好ましい。ここで核酸は、DNAであってもRNAであってもよい。DNAの場合は、好ましくは二本鎖DNAであり、宿主細胞内で機能的なプロモーターの制御下に各構成因子を発現し得る発現ベクターの形態で提供される。RNAの場合は、好ましくは一本鎖RNAである。
Contact of the nuclease with genomic double-stranded DNA and the donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) encodes the nuclease together with the donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) in the host cell. It can be carried out by introducing a nucleic acid.
Accordingly, the nucleic acid sequence recognition module, or the nucleic acid sequence recognition module and the DNA cleavage domain, can be used as a nucleic acid encoding the fusion protein or in a form that can be complexed in the host cell after being translated into the protein. It is preferable to prepare it as a nucleic acid encoding a constitutive factor. Here, the nucleic acid may be DNA or RNA. In the case of DNA, it is preferably a double-stranded DNA, and is provided in the form of an expression vector capable of expressing each component under the control of a promoter functional in the host cell. In the case of RNA, it is preferably a single-stranded RNA.

ジンクフィンガーモチーフ、TALエフェクター、PPRモチーフ等の核酸配列認識モジュールをコードするDNAは、各モジュールについて上記したいずれかの方法により取得することができる。制限酵素、転写因子、RNAポリメラーゼ等の配列認識モジュールをコードするDNAは、例えば、それらのcDNA配列情報に基づいて、当該タンパク質の所望の部分(DNA結合ドメインを含む部分)をコードする領域をカバーするようにオリゴDNAプライマーを合成し、当該タンパク質を産生する細胞より調製した全RNA若しくはmRNA画分を鋳型として用い、RT-PCR法によって増幅することにより、クローニングすることができる。
DNA切断ドメインをコードするDNAも、同様に、使用するドメインのcDNA配列情報をもとにオリゴDNAプライマーを合成し、当該ドメインを産生する細胞より調製した全RNA若しくはmRNA画分を鋳型として用い、RT-PCR法によって増幅することにより、クローニングすることができる。例えば、FokIをコードするDNAはそのcDNA配列をもとに、CDSの上流及び下流に対して適当なプライマーを設計し、Flavobacterium okeanokoites (IFO 12536)由来mRNAからRT-PCR法によりクローニングできる。
クローン化されたDNAは、そのまま、又は所望により制限酵素で消化するか、適当なリンカー及び/又は核移行シグナル(目的の二本鎖DNAがミトコンドリアや葉緑体DNAの場合は、各オルガネラ移行シグナル)を付加した後に、核酸配列認識モジュールをコードするDNAとライゲーションして、融合タンパク質をコードするDNAを調製することができる。或いは、核酸配列認識モジュールをコードするDNAと、DNA切断ドメインをコードするDNAに、それぞれ結合ドメイン若しくはその結合パートナーをコードするDNAを融合させるか、両DNAに分離インテインをコードするDNAを融合させることにより、核酸配列認識モジュールとDNA切断ドメインとが宿主細胞内で翻訳された後に複合体を形成できるようにしてもよい。これらの場合も、所望により一方若しくは両方のDNAの適当な位置に、リンカー及び/又は核移行シグナルを連結することができる。
A DNA encoding a nucleic acid sequence recognition module such as a zinc finger motif, a TAL effector, and a PPR motif can be obtained by any of the methods described above for each module. For example, DNA encoding sequence recognition modules such as restriction enzymes, transcription factors, RNA polymerase, etc. covers the region encoding the desired part of the protein (part containing the DNA binding domain) based on the cDNA sequence information. Thus, oligo DNA primers can be synthesized and cloned by amplifying by RT-PCR using total RNA or mRNA fraction prepared from cells producing the protein as a template.
Similarly, for DNA encoding a DNA cleavage domain, an oligo DNA primer is synthesized based on the cDNA sequence information of the domain to be used, and the total RNA or mRNA fraction prepared from the cell producing the domain is used as a template. It can be cloned by amplification by RT-PCR. For example, DNA encoding FokI can be cloned from mRNA derived from Flavobacterium okeanokoites (IFO 12536) by RT-PCR by designing appropriate primers upstream and downstream of CDS based on the cDNA sequence.
The cloned DNA can be digested as is, or if desired, with restriction enzymes, or an appropriate linker and / or nuclear translocation signal (if the target double-stranded DNA is mitochondrial or chloroplast DNA, each organelle translocation signal ), And then ligated with DNA encoding the nucleic acid sequence recognition module to prepare DNA encoding the fusion protein. Alternatively, a DNA encoding a nucleic acid sequence recognition module and a DNA encoding a DNA cleavage domain are each fused with a DNA encoding a binding domain or a binding partner thereof, or both DNAs are fused with a DNA encoding a separate intein. Thus, a complex may be formed after the nucleic acid sequence recognition module and the DNA cleavage domain are translated in the host cell. In these cases, a linker and / or a nuclear translocation signal can be linked to an appropriate position of one or both of DNAs as desired.

核酸配列認識モジュールをコードするDNA、DNA切断ドメインをコードするDNAは、化学的にDNA鎖を合成するか、若しくは合成した一部オーバーラップするオリゴDNA短鎖を、PCR法やGibson Assembly法を利用して接続することにより、その全長をコードするDNAを構築することも可能である。化学合成又はPCR法若しくはGibson Assembly法との組み合わせで全長DNAを構築することの利点は、該DNAを導入する宿主に合わせて使用コドンをCDS全長にわたり設計できる点にある。異種DNAの発現に際し、そのDNA配列を宿主生物において使用頻度の高いコドンに変換することで、タンパク質発現量の増大が期待できる。使用する宿主におけるコドン使用頻度のデータは、例えば(公財)かずさDNA研究所のホームページに公開されている遺伝暗号使用頻度データベース(http://www.kazusa.or.jp/codon/index.html)を用いることができ、又は各宿主におけるコドン使用頻度を記した文献を参照してもよい。入手したデータと導入しようとするDNA配列を参照し、該DNA配列に用いられているコドンの中で宿主において使用頻度の低いものを、同一のアミノ酸をコードし使用頻度の高いコドンに変換すればよい。   For DNA encoding nucleic acid sequence recognition modules and DNA encoding DNA cleavage domains, use the PCR method or Gibson Assembly method to chemically synthesize DNA strands or to synthesize partially overlapping oligo DNA short strands. Thus, it is possible to construct a DNA that encodes the full length of the DNA. The advantage of constructing full-length DNA by chemical synthesis or in combination with PCR or Gibson Assembly is that the codons used can be designed over the entire CDS according to the host into which the DNA is introduced. In the expression of heterologous DNA, an increase in protein expression level can be expected by converting the DNA sequence into a codon frequently used in the host organism. Data on the frequency of codon usage in the host to be used is, for example, the genetic code usage frequency database (http://www.kazusa.or.jp/codon/index.html) published on the Kazusa DNA Research Institute website. ) May be used, or references describing the frequency of codon usage in each host may be consulted. By referring to the obtained data and the DNA sequence to be introduced and converting the codon used in the DNA sequence that is not frequently used in the host into a codon that encodes the same amino acid and is frequently used Good.

核酸配列認識モジュール及び/又はDNA切断ドメインをコードするDNAを含む発現ベクターは、例えば、該DNAを適当な発現ベクター中のプロモーターの下流に連結することにより製造することができる。核酸配列認識モジュールとして、CRISPR-Casシステムを用いる場合、ガイドRNA及びCasタンパク質をコードする発現ベクターを宿主細胞に導入し、該ガイドRNA及びCasタンパク質を発現させることにより、宿主細胞内でガイドRNAとCasタンパク質との複合体を形成する。ガイドRNA及びCasタンパク質は、同一の発現ベクター上にコードされていてもよいし、異なる発現ベクター上に、それぞれコードされていてもよい。   An expression vector containing DNA encoding a nucleic acid sequence recognition module and / or a DNA cleavage domain can be produced, for example, by ligating the DNA downstream of a promoter in an appropriate expression vector. When the CRISPR-Cas system is used as a nucleic acid sequence recognition module, an expression vector encoding a guide RNA and a Cas protein is introduced into the host cell, and the guide RNA and the Cas protein are expressed, whereby the guide RNA and the Cas protein are expressed in the host cell. Forms a complex with Cas protein. The guide RNA and Cas protein may be encoded on the same expression vector, or may be encoded on different expression vectors.

発現ベクターとしては、大腸菌由来のプラスミド(例、pBR322,pBR325,pUC12,pUC13);枯草菌由来のプラスミド(例、pUB110,pTP5,pC194);酵母由来プラスミド(例、pSH19,pSH15);昆虫細胞発現プラスミド(例:pFast-Bac);動物細胞発現プラスミド(例:pA1-11、pXT1、pRc/CMV、pRc/RSV、pcDNAI/Neo);λファージなどのバクテリオファージ;バキュロウイルスなどの昆虫ウイルスベクター(例:BmNPV、AcNPV);レトロウイルス、ワクシニアウイルス、アデノウイルスなどの動物ウイルスベクターなどが用いられる。
プロモーターとしては、宿主細胞の種類に対応して、該宿主細胞内において機能し得る適切なプロモーターを選択することができる。
例えば、宿主細胞がエシェリヒア属菌である場合、trpプロモーター、lacプロモーター、recAプロモーター、λPLプロモーター、lppプロモーター、T7プロモーターなどが用いられるが、これらに限定されない。
宿主がバチルス属菌である場合、SPO1プロモーター、SPO2プロモーター、penPプロモーターなどが用いられるが、これらに限定されない。
宿主が酵母(例、分裂酵母、出芽酵母)である場合、Gal1/10プロモーター、PHO5プロモーター、PGKプロモーター、GAPプロモーター、ADHプロモーターなどが用いられるが、これらに限定されない。
宿主が昆虫細胞である場合、ポリヘドリンプロモーター、P10プロモーターなどが用いられるが、これらに限定されない。
宿主が植物細胞である場合、CaMV35Sプロモーター、CaMV19Sプロモーター、NOSプロモーターなどが用いられるが、これらに限定されない。
宿主が脊椎動物細胞である場合、SRαプロモーター、SV40プロモーター、LTRプロモーター、CMV(サイトメガロウイルス)プロモーター、RSV(ラウス肉腫ウイルス)プロモーター、MoMuLV(モロニーマウス白血病ウイルス)LTR、HSV-TK(単純ヘルペスウイルスチミジンキナーゼ)プロモーターなどが用いられるが、これらに限定されない。
Expression vectors include plasmids derived from E. coli (eg, pBR322, pBR325, pUC12, pUC13); plasmids derived from Bacillus subtilis (eg, pUB110, pTP5, pC194); yeast-derived plasmids (eg, pSH19, pSH15); insect cell expression Plasmid (eg, pFast-Bac); animal cell expression plasmid (eg, pA1-11, pXT1, pRc / CMV, pRc / RSV, pcDNAI / Neo); bacteriophage such as λ phage; insect virus vector such as baculovirus ( Examples: BmNPV, AcNPV); animal virus vectors such as retrovirus, vaccinia virus, adenovirus, etc. are used.
As the promoter, an appropriate promoter that can function in the host cell can be selected according to the type of the host cell.
For example, when the host cell is a bacterium of the genus Escherichia, trp promoter, lac promoter, recA promoter, .lambda.P L promoter, lpp promoter, T7 promoter and the like are used, but are not limited to.
When the host is Bacillus, SPO1 promoter, SPO2 promoter, penP promoter and the like are used, but not limited thereto.
When the host is yeast (eg, fission yeast, budding yeast), Gal1 / 10 promoter, PHO5 promoter, PGK promoter, GAP promoter, ADH promoter, etc. are used, but not limited thereto.
When the host is an insect cell, polyhedrin promoter, P10 promoter and the like are used, but not limited thereto.
When the host is a plant cell, CaMV35S promoter, CaMV19S promoter, NOS promoter and the like are used, but not limited thereto.
When the host is a vertebrate cell, SRα promoter, SV40 promoter, LTR promoter, CMV (cytomegalovirus) promoter, RSV (rous sarcoma virus) promoter, MoMuLV (Moloney murine leukemia virus) LTR, HSV-TK (herpes simplex virus) Thymidine kinase) promoter and the like are used, but not limited thereto.

発現ベクターは、上記の他に、所望によりエンハンサー、スプライシングシグナル、ターミネーター、ポリA付加シグナル、薬剤耐性遺伝子、栄養要求性相補遺伝子等の選択マーカー、複製起点などを含有していてもよい。   In addition to the above, the expression vector may contain an enhancer, a splicing signal, a terminator, a poly A addition signal, a drug resistance gene, a selection marker such as an auxotrophic complementary gene, an origin of replication, and the like as desired.

核酸配列認識モジュール及び/又はDNA切断ドメインをコードするRNAは、例えば、上記した核酸配列認識モジュール及び/又はDNA切断ドメインをコードするDNAをコードするベクターを鋳型として、自体公知のインビトロ転写系にてmRNAに転写することにより調製することができる。   The RNA encoding the nucleic acid sequence recognition module and / or the DNA cleavage domain can be obtained, for example, using a vector encoding the DNA encoding the nucleic acid sequence recognition module and / or the DNA cleavage domain as a template in an in vitro transcription system known per se. It can be prepared by transcription into mRNA.

上記ドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)、及び、上記ヌクレアーゼの構成因子(核酸配列認識モジュール及び/又はDNA切断ドメイン)をコードする発現ベクターを宿主細胞に導入し、当該宿主細胞を培養することによって、上記ヌクレアーゼが宿主細胞内において形成され、該ヌクレアーゼと、ゲノム二本鎖DNA及び上記ドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)とを接触させることができる。   An expression vector encoding the donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) and the nuclease component (nucleic acid sequence recognition module and / or DNA cleavage domain) is introduced into a host cell, and the host cell is cultured. Thus, the nuclease is formed in the host cell, and the nuclease can be brought into contact with the genomic double-stranded DNA and the donor DNA (eg, circular double-stranded DNA).

宿主細胞へのドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)等の核酸の導入は、宿主の種類に応じ、公知の方法(例えば、リゾチーム法、コンピテント法、PEG法、CaCl共沈殿法、エレクトロポレーション法、マイクロインジェクション法、パーティクルガン法、リポフェクション法、アグロバクテリウム法など)に従って実施することができる。上記ドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)及び上記ヌクレアーゼの構成因子(核酸配列認識モジュール及び/又はDNA切断ドメイン)をコードする発現ベクターは、それらの混合物を調製して、一回の導入操作で両方を導入することが好ましい。   The introduction of a nucleic acid such as donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) into a host cell can be carried out according to a known method (for example, lysozyme method, competent method, PEG method, CaCl coprecipitation method, electrolysis method) (Poration method, microinjection method, particle gun method, lipofection method, Agrobacterium method, etc.). An expression vector encoding the donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) and the nuclease component (nucleic acid sequence recognition module and / or DNA cleavage domain) is prepared by mixing them and performing a single introduction operation. It is preferable to introduce both.

導入操作に用いる上記ドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)の分子数は、例えば、1宿主細胞に対して、トランスポゾン相同ヌクレオチド配列のコピー数として換算する場合、例えば1x102分子〜1x108分子好ましくは4x103分子〜4x104分子である。 The number of molecules of the donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) used for the introduction operation is, for example, 1 x 10 2 molecules to 1 x 10 8 molecules when converted as the copy number of a transposon homologous nucleotide sequence per host cell. It is preferably 4 × 10 3 molecules to 4 × 10 4 molecules.

導入操作に用いる、上記ヌクレアーゼの構成因子(核酸配列認識モジュール及び/又はDNA切断ドメイン)をコードする発現ベクターの分子数は、例えば、1宿主細胞に対して1x102分子〜1x109分子、好ましくは4x104分子〜4x105分子である。 The number of molecules of the expression vector used for the introduction operation encoding the nuclease constituent element (nucleic acid sequence recognition module and / or DNA cleavage domain) is, for example, 1 × 10 2 molecules to 1 × 10 9 molecules, preferably 1 host cell 4x10 4 molecules to 4x10 5 molecules.

核酸配列認識モジュールとしてCRISPR-Casシステムを用いる場合であって、Casタンパク質の発現ベクターとガイドRNAの発現ベクターが異なる場合、導入するそれらの発現ベクターの分子数の比は、例えば、1:0.4〜1:1.6であり、好ましくは1:0.5〜1:1.5である。   When the CRISPR-Cas system is used as a nucleic acid sequence recognition module, and the expression vector of Cas protein and the expression vector of guide RNA are different, the ratio of the number of molecules of those expression vectors to be introduced is, for example, 1: 0.4 to 1: 1.6, preferably 1: 0.5 to 1: 1.5.

エシェリヒア属菌は、例えば、Proc. Natl. Acad. Sci. USA,69,2110 (1972)やGene,17,107 (1982)などに記載の方法に従って形質転換することができる。
バチルス属菌は、例えば、Molecular & General Genetics,168,111 (1979)などに記載の方法に従ってベクター導入することができる。
酵母は、例えば、Methods in Enzymology,194,182-187 (1991)、Proc. Natl. Acad. Sci. USA,75,1929 (1978)などに記載の方法に従ってベクター導入することができる。
昆虫細胞は、例えば、Bio/Technology,6,47-55 (1988)などに記載の方法に従ってベクター導入することができる。
脊椎動物細胞は、例えば、細胞工学別冊8 新細胞工学実験プロトコール,263-267 (1995)(秀潤社発行)、Virology,52,456 (1973)に記載の方法に従ってベクター導入することができる。
Escherichia can be transformed, for example, according to the method described in Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 69, 2110 (1972), Gene, 17, 107 (1982).
Bacillus can be introduced into a vector according to the method described in, for example, Molecular & General Genetics, 168, 111 (1979).
Yeast can be introduced into a vector according to a method described in, for example, Methods in Enzymology, 194, 182-187 (1991), Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 75, 1929 (1978).
Insect cells can be introduced into a vector according to the method described in, for example, Bio / Technology, 6, 47-55 (1988).
Vertebrate cells can be introduced into a vector according to the method described in, for example, Cell Engineering Supplement 8 New Cell Engineering Experiment Protocol, 263-267 (1995) (published by Shujunsha), Virology, 52, 456 (1973).

外来DNA及びベクターを導入した細胞の培養は、宿主の種類に応じ、公知の方法に従って実施することができる。
以上のようにして、上記ヌクレアーゼ(核酸配列認識モジュール、又は核酸配列認識モジュールとDNA切断ドメインとの複合体)を細胞内で発現させることができる。
Culturing of cells into which foreign DNA and a vector have been introduced can be performed according to known methods depending on the type of host.
As described above, the nuclease (nucleic acid sequence recognition module or a complex of a nucleic acid sequence recognition module and a DNA cleavage domain) can be expressed in cells.

核酸配列認識モジュール及び/又はDNA切断ドメインをコードするRNAの宿主細胞への導入は、マイクロインジェクション法、リポフェクション法等により行うことができる。RNA導入は1回若しくは適当な間隔をおいて複数回(例えば、2〜5回)繰り返して行うことができる。   Introduction of a nucleic acid sequence recognition module and / or RNA encoding a DNA cleavage domain into a host cell can be performed by a microinjection method, a lipofection method, or the like. RNA can be introduced once or repeatedly several times (for example, 2 to 5 times) at an appropriate interval.

細胞内に導入された発現ベクター又はRNA分子から、核酸配列認識モジュール又は核酸配列認識モジュールとDNA切断ドメインとの複合体(ヌクレアーゼ)が発現すると、該核酸配列認識モジュールがドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)及び/又はゲノム二本鎖DNA内の標的ヌクレオチド配列を特異的に認識して結合し、該核酸配列認識モジュール自体又は該核酸配列認識モジュールに連結されたDNA切断ドメインの作用により、標的化された部位(標的ヌクレオチド配列の全部若しくは一部又はそれらの近傍を含む数百塩基の範囲内で適宜調節できる)で当該DNAが切断される。1態様においては、ヌクレアーゼは、該ドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)に含まれる該200bp以上のヌクレオチド配列(例、トランスポゾン配列)又はその部分配列と相同なヌクレオチド配列中の標的配列を優先的に切断する。その後、ほぼ全ての細胞種や生物種に存在する、相同組換え(配向)型修復(HDR)として知られる修復機構により、ゲノム二本鎖DNA上のトランスポゾン配列と、ドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)に含まれる、トランスポゾン相同ヌクレオチド配列との間で相同組換えが生じ、ドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)中に含まれる外来DNA配列がゲノム二本鎖DNA上のトランスポゾン配列の、標的化された部位に挿入される。   When a nucleic acid sequence recognition module or a complex of a nucleic acid sequence recognition module and a DNA cleavage domain (nuclease) is expressed from an expression vector or RNA molecule introduced into a cell, the nucleic acid sequence recognition module is converted into donor DNA (eg, circular double-stranded DNA). By specifically recognizing and binding the target nucleotide sequence in the double-stranded DNA) and / or genomic double-stranded DNA, and by the action of the nucleic acid sequence recognition module itself or the DNA cleavage domain linked to the nucleic acid sequence recognition module, The DNA is cleaved at the targeted site (adjustable within a range of several hundred bases including all or part of the target nucleotide sequence or the vicinity thereof). In one embodiment, the nuclease gives priority to a target sequence in a nucleotide sequence homologous to the nucleotide sequence (eg, transposon sequence) of 200 bp or more contained in the donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) or a partial sequence thereof. Cut off. Subsequently, transposon sequences on genomic double-stranded DNA and donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) are repaired by a repair mechanism known as homologous recombination (orientated) repair (HDR), which exists in almost all cell and biological species. Homologous recombination occurs with the transposon homologous nucleotide sequence contained in the single-stranded DNA), and the foreign DNA sequence contained in the donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) becomes the transposon sequence on the genomic double-stranded DNA. Inserted at the targeted site.

一態様において、ドナーDNAとして直鎖状二本鎖DNAを用いた場合、該直鎖状二本鎖DNAは、上記環状二本鎖DNAを標的配列で切断し、直鎖状DNAとしたものであり得る。該直鎖状のドナーDNAは、宿主細胞へ導入後、ほぼ全ての細胞種や生物種に存在する、相同組換え(配向)型修復(HDR)として知られる修復機構により、ゲノム二本鎖DNA上のトランスポゾン配列と、直鎖状二本鎖DNAのドナーDNAに含まれる、トランスポゾン相同ヌクレオチド配列との間で相同組換えが生じ、ドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)中に含まれる外来DNA配列がゲノム二本鎖DNA上のトランスポゾン配列の、標的化された部位に挿入される。   In one embodiment, when linear double-stranded DNA is used as donor DNA, the linear double-stranded DNA is obtained by cleaving the circular double-stranded DNA with a target sequence to obtain linear DNA. possible. The linear donor DNA is introduced into a host cell, and then present in almost all cell types and biological species by a repair mechanism known as homologous recombination (orientation) type repair (HDR). Homologous recombination occurs between the above transposon sequence and the transposon homologous nucleotide sequence contained in the linear double-stranded DNA donor DNA, and the foreign DNA contained in the donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) The DNA sequence is inserted into the targeted site of the transposon sequence on the genomic double stranded DNA.

本発明の方法において、2コピー以上のトランスポゾン配列を含むゲノム二本鎖DNAを有する宿主細胞を用いることにより、ゲノムDNA上の2以上の部位(トランスポゾン配列)に、外来DNAを挿入することができる。本発明の方法において、外来DNAが挿入されるゲノムDNA上のトランスポゾン配列の数は、通常2以上であり、好ましくは、3以上、4以上、5以上、6以上、7以上、8以上、9以上、10以上、11以上、12以上、13以上、14以上、15以上、16以上、17以上、18以上、19以上、20以上、30以上、40以上、50以上、60以上、70以上、80以上、90以上、100以上である。理論上は、宿主細胞のゲノムDNA中に存在するトランスポゾン配列のコピー数を上限として、ゲノムDNA上の多数の部位に、所望の外来DNAを挿入することが出来る。   In the method of the present invention, by using a host cell having a genomic double-stranded DNA containing two or more copies of a transposon sequence, foreign DNA can be inserted into two or more sites (transposon sequences) on the genomic DNA. . In the method of the present invention, the number of transposon sequences on genomic DNA into which foreign DNA is inserted is usually 2 or more, preferably 3 or more, 4 or more, 5 or more, 6 or more, 7 or more, 8 or more, 9 10 or more, 11 or more, 12 or more, 13 or more, 14 or more, 15 or more, 16 or more, 17 or more, 18 or more, 19 or more, 20 or more, 30 or more, 40 or more, 50 or more, 60 or more, 70 or more, 80 or more, 90 or more, 100 or more. Theoretically, desired foreign DNA can be inserted into a large number of sites on the genomic DNA, with the upper limit being the number of copies of the transposon sequence present in the genomic DNA of the host cell.

一態様において、トランスポゾン相同ヌクレオチド配列及び外来DNA配列を含むドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)として、クローン化された1種類のドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)のみを用いる。この場合、当該ドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)に含まれる特定の外来DNA配列を、2コピー以上、一括して、宿主細胞のゲノム二本鎖DNA中に挿入することができる。ゲノム二本鎖DNA中に挿入される当該外来DNAのコピー数は、通常2以上であり、好ましくは、3以上、4以上、5以上、6以上、7以上、8以上、9以上、10以上、11以上、12以上、13以上、14以上、15以上、16以上、17以上、18以上、19以上、20以上、30以上、40以上、50以上、60以上、70以上、80以上、90以上、100以上である。理論上は、宿主細胞のゲノムDNA中に存在するトランスポゾン配列のコピー数を上限として、多コピー数の特定の外来DNAをゲノムDNA中に挿入することが出来る。特定の構造遺伝子をコードする外来DNAを用いた場合、該構造遺伝子の宿主細胞内での発現量を大幅に上昇させることが期待できる。   In one embodiment, only one type of cloned donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) is used as the donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) containing a transposon homologous nucleotide sequence and a foreign DNA sequence. In this case, two or more copies of a specific foreign DNA sequence contained in the donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) can be inserted into the host host genome double-stranded DNA. The number of copies of the foreign DNA inserted into the genomic double-stranded DNA is usually 2 or more, preferably 3 or more, 4 or more, 5 or more, 6 or more, 7 or more, 8 or more, 9 or more, 10 or more. 11 or more, 12 or more, 13 or more, 14 or more, 15 or more, 16 or more, 17 or more, 18 or more, 19 or more, 20 or more, 30 or more, 40 or more, 50 or more, 60 or more, 70 or more, 80 or more, 90 Above, it is 100 or more. Theoretically, multiple copies of a specific foreign DNA can be inserted into the genomic DNA, with the upper limit being the number of copies of the transposon sequence present in the genomic DNA of the host cell. When foreign DNA encoding a specific structural gene is used, it can be expected that the expression level of the structural gene in the host cell will be significantly increased.

一態様において、トランスポゾン相同ヌクレオチド配列及び外来DNA配列を含むドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)として、異なる外来DNA配列をそれぞれ含む2種以上のドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)の混合物を用いる。この場合、2種以上の外来DNAを、一括して宿主細胞のゲノム二本鎖DNA中に挿入することができる。該2種以上の環状二本鎖プラスミドDNAの混合物は、好ましくは、3種以上、4種以上、5種以上、6種以上、7種以上、8種以上、9種以上、10種以上、11種以上、12種以上、13種以上、14種以上、15種以上、16種以上、17種以上、18種以上、19種以上、20種以上、30種以上、40種以上、50種以上、60種以上、70種以上、80種以上、90種以上、100種以上の環状二本鎖プラスミドDNAの混合物である。理論上は、宿主細胞のゲノムDNA中に存在するトランスポゾン配列のコピー数を上限として、多種類の外来DNAを一括してゲノムDNA中に挿入することが出来る。例えば、様々な生物種の細胞機能/代謝経路を構成する多数の遺伝子群に含まれる各遺伝子をそれぞれ含むドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)の混合物を用いることにより、当該遺伝子群を一括して宿主細胞のゲノムDNA中に挿入し、該宿主細胞内で細胞機能/代謝経路を再構成できる。   In one embodiment, two or more types of donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) each containing a different foreign DNA sequence are used as donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) containing a transposon homologous nucleotide sequence and a foreign DNA sequence. Use a mixture. In this case, two or more kinds of foreign DNA can be collectively inserted into the genome double-stranded DNA of the host cell. The mixture of the two or more kinds of circular double-stranded plasmid DNA is preferably 3 or more, 4 or more, 5 or more, 6 or more, 7 or more, 8 or more, 9 or more, 10 or more, 11 or more, 12 or more, 13 or more, 14 or more, 15 or more, 16 or more, 17 or more, 18 or more, 19 or more, 20 or more, 30 or more, 40 or more, 50 As described above, it is a mixture of 60 or more, 70 or more, 80 or more, 90 or more, 100 or more circular double-stranded plasmid DNA. Theoretically, a large number of foreign DNAs can be inserted into the genomic DNA at once, up to the number of copies of the transposon sequence present in the genomic DNA of the host cell. For example, by using a mixture of donor DNAs (eg, circular double-stranded DNAs) each containing each gene included in a large number of gene groups that constitute cell functions / metabolic pathways of various biological species, the gene groups are collectively collected. Then, it can be inserted into the genomic DNA of the host cell and the cell function / metabolic pathway can be reconstituted within the host cell.

異なる外来DNA配列をそれぞれ含む2種以上のドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)の混合物を用いる場合、該ドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)混合物を宿主細胞内に導入する際の、該混合物中の各種ドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)の分子数の比は、任意の2種で比較して、例えば、1:0.4〜1:1.6であり、好ましくは1:0.5〜1:1.5である。このような混合比とすることにより、各外来DNAを同等の頻度で、ゲノム二本鎖DNA中に挿入することが期待できる。また、異なる外来DNA配列をそれぞれ含む2種以上のドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)において、各ドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)に含まれるトランスポゾン相同ヌクレオチド配列は、同一であることが好ましい。これにより、各外来DNAを同等の頻度で、ゲノム二本鎖DNA中に挿入することが期待できる。   When using a mixture of two or more types of donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) each containing a different foreign DNA sequence, the mixture of donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) is introduced into the host cell. The ratio of the number of molecules of various donor DNAs (eg, circular double-stranded DNA) in the mixture is, for example, 1: 0.4 to 1: 1.6, preferably 1: 0.5 compared with any two types. ~ 1: 1.5. By setting such a mixing ratio, it can be expected that each foreign DNA is inserted into the genomic double-stranded DNA with the same frequency. In addition, in two or more types of donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) each containing different foreign DNA sequences, the transposon homologous nucleotide sequences contained in each donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) are the same. It is preferable. Thereby, it can be expected that each foreign DNA is inserted into the genomic double-stranded DNA with the same frequency.

一態様において、本発明の方法により得られた形質転換体(2以上の部位へ外来DNAが挿入された宿主細胞)を宿主細胞として、更に本発明の方法を適用することにより、ゲノムDNA上のいっそう多数の部位(該200bp以上のヌクレオチド配列、例、トランスポゾン配列)に、外来DNAを挿入することができる。本発明の方法においては、該200bp以上のヌクレオチド配列(例、トランスポゾン配列)における相同組換えにより、外来DNAを該200bp以上のヌクレオチド配列(例、トランスポゾン配列)内に挿入するが、この相同組換えにより、ゲノム二本鎖DNA上の該200bp以上のヌクレオチド配列(例、トランスポゾン配列)に由来する配列の一方(DSB部位の5’側の配列)とドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)上の該200bp以上のヌクレオチド配列(例、トランスポゾン配列)に相同なヌクレオチド配列に由来する配列の一方(DSB部位の3’側の配列)とが連結し、更に、ゲノム二本鎖DNA上の該200bp以上のヌクレオチド配列(例、トランスポゾン配列)に由来する配列の他方(DSB部位の3’側の配列)とドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)上の該200bp以上のヌクレオチド配列(例、トランスポゾン配列)に相同なヌクレオチド配列に由来する配列の他方(DSB部位の5’側の配列)とが連結することにより、該200bp以上のヌクレオチド配列(例、トランスポゾン配列)が新たに2か所生じる(即ち、該200bp以上のヌクレオチド配列(例、トランスポゾン配列)のコピー数が増幅される)。この新たに生じた該200bp以上のヌクレオチド配列(例、トランスポゾン配列)を含む形質転換体を宿主細胞として、本発明の方法を適用することにより、ゲノムDNA上のいっそう多数の部位(該200bp以上のヌクレオチド配列、例、トランスポゾン配列)に、外来DNAを挿入することができる。このように、本発明の方法を複数回繰り返して行う場合、各回において使用するドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)に含まれる該200bp以上のヌクレオチド配列(例、トランスポゾン配列)に相同なヌクレオチド配列は同一である。また、各回において使用するドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)は、異なる選択マーカー遺伝子をそれぞれ含むことが好ましい。本発明の方法を繰り返し適用する場合の繰り返しの数の上限は、理論的にはないが、操作の簡便の観点から、通常10回以内、好ましくは5回以内、より好ましくは3回以内である。   In one embodiment, the transformant obtained by the method of the present invention (host cell in which foreign DNA is inserted into two or more sites) is used as a host cell, and the method of the present invention is further applied to the genomic DNA. Foreign DNA can be inserted into a larger number of sites (the nucleotide sequence of 200 bp or more, eg, transposon sequence). In the method of the present invention, foreign DNA is inserted into the nucleotide sequence (eg, transposon sequence) of 200 bp or more by homologous recombination in the nucleotide sequence (eg, transposon sequence) of 200 bp or more. To one of the sequences derived from the nucleotide sequence (eg, transposon sequence) of 200 bp or more on the genomic double-stranded DNA (sequence on the 5 ′ side of the DSB site) and the donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) One of sequences derived from a nucleotide sequence homologous to the nucleotide sequence (eg, transposon sequence) of 200 bp or more (sequence 3 ′ side of the DSB site), and further, the 200 bp on the genomic double-stranded DNA The other of the sequences derived from the above nucleotide sequence (eg, transposon sequence) (sequence 3 ′ side of DSB site) and the nucleotide of 200 bp or more on donor DNA (eg, circular double-stranded DNA). The nucleotide sequence (eg, transposon sequence) of 200 bp or more is newly obtained by linking to the other sequence (sequence on the 5 ′ side of the DSB site) derived from the nucleotide sequence homologous to the leotide sequence (eg, transposon sequence). (Ie, the copy number of the nucleotide sequence of 200 bp or more (eg, transposon sequence) is amplified). By applying the method of the present invention using the newly generated transformant containing the nucleotide sequence of 200 bp or more (eg, transposon sequence) as a host cell, a larger number of sites on the genomic DNA (200 bp or more of the sequence) Foreign DNA can be inserted into the nucleotide sequence (eg, transposon sequence). Thus, when the method of the present invention is repeated a plurality of times, nucleotides homologous to the nucleotide sequence (eg, transposon sequence) of 200 bp or more contained in the donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) used in each round The sequence is identical. Moreover, it is preferable that the donor DNA (for example, circular double-stranded DNA) used in each round contains a different selection marker gene, respectively. Although the upper limit of the number of repetitions when the method of the present invention is repeatedly applied is not theoretically, it is usually within 10 times, preferably within 5 times, more preferably within 3 times, from the viewpoint of easy operation. .

本発明は、遺伝子組み換え細胞の製造方法であって、
2コピー以上点在する、200bp以上のヌクレオチド配列(例、トランスポゾン配列)を含むゲノム二本鎖DNAを有する宿主細胞内において、
該ゲノム二本鎖DNA、並びに
該200bp以上のヌクレオチド配列(例、トランスポゾン配列)又はその部分配列と相同なヌクレオチド配列、及び外来DNA配列を含むドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)を、
該200bp以上のヌクレオチド配列(例、トランスポゾン配列)中の選択された標的ヌクレオチド配列と特異的に結合し、該標的ヌクレオチド配列内でDNAを切断するヌクレアーゼと接触し、
該ゲノム二本鎖DNA上の該200bp以上のヌクレオチド配列(例、トランスポゾン配列)と該ドナーDNA(例、環状二本鎖DNA)に含まれる該200bp以上のヌクレオチド配列(例、トランスポゾン配列)又はその部分配列と相同なヌクレオチド配列との間で相同組換えを生じさせることにより、該外来DNA配列を、ゲノム二本鎖DNAに含まれる2コピー以上の該200bp以上のヌクレオチド配列(例、トランスポゾン配列)に挿入することを含み、
該相同なヌクレオチド配列は、該標的ヌクレオチド配列を含み、該標的ヌクレオチド配列内でDNAを切断した場合、該200bp以上のヌクレオチド配列(例、トランスポゾン配列)を含むゲノムDNAに対して、相同組換えを生じるのに十分な程度の配列同一性及び長さを有する、方法を提供する。
The present invention is a method for producing a genetically modified cell,
In a host cell having genomic double-stranded DNA containing a nucleotide sequence (eg, transposon sequence) of 200 bp or more interspersed with 2 copies or more,
A donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) comprising the genomic double-stranded DNA, and a nucleotide sequence (eg, transposon sequence) of 200 bp or more or a nucleotide sequence homologous to a partial sequence thereof, and a foreign DNA sequence;
Contacting with a nuclease that specifically binds to and cleaves DNA within the target nucleotide sequence selected from the 200 bp or more nucleotide sequence (eg, transposon sequence);
The nucleotide sequence (eg, transposon sequence) of 200 bp or more on the genomic double-stranded DNA and the nucleotide sequence (eg, transposon sequence) of 200 bp or more contained in the donor DNA (eg, circular double-stranded DNA) or its By causing homologous recombination between a partial sequence and a homologous nucleotide sequence, the foreign DNA sequence is converted into two or more copies of the 200 bp nucleotide sequence (eg, transposon sequence) contained in the genomic double-stranded DNA. Including inserting into
The homologous nucleotide sequence includes the target nucleotide sequence, and when DNA is cleaved within the target nucleotide sequence, homologous recombination is performed on genomic DNA including the nucleotide sequence of 200 bp or more (eg, transposon sequence). Methods are provided that have a sufficient degree of sequence identity and length to occur.

上記方法における該200bp以上のヌクレオチド配列(例、トランスポゾン配列)、200bp以上のヌクレオチド配列(例、トランスポゾン配列)と相同な配列、外来DNA、標的ヌクレオチド配列、ヌクレアーゼ、標的化された部位に関しては、上記と同様である。   Regarding the nucleotide sequence (eg, transposon sequence) of 200 bp or more, a sequence homologous to a nucleotide sequence of 200 bp or more (eg, transposon sequence), foreign DNA, target nucleotide sequence, nuclease, and targeted site in the above method, It is the same.

上記方法は、細胞を培養すること、遺伝子組み換え細胞を選択することを更に含み得る。遺伝子組み換え細胞を選択することは、例えば、ゲノム上の200bp以上のヌクレオチド配列(例、トランスポゾン配列)の遺伝子座に隣接する塩基配列に基づいて設計したプライマーと、プラスミド上の該200bp以上のヌクレオチド配列(例、トランスポゾン配列)と相同な配列に隣接する塩基配列に基づいて設計したプライマーにより、形質転換体株のDNAを鋳型としてPCRを行い、電気泳動の際、予想される分子量の位置にバンドが出現するか否かで、外来DNAが正確に導入されたか否かを判定し、その外来DNAが正確に導入された形質転換体株を選択することによって行われる。   The method may further comprise culturing the cell and selecting a genetically modified cell. The selection of a genetically modified cell includes, for example, a primer designed based on a nucleotide sequence adjacent to a locus of a nucleotide sequence of 200 bp or more on the genome (eg, transposon sequence), and a nucleotide sequence of 200 bp or more on a plasmid. (For example, transposon sequence) Using primers designed based on the base sequence adjacent to the homologous sequence, PCR is performed using the DNA of the transformant strain as a template, and a band appears at the expected molecular weight position during electrophoresis. It is determined by judging whether or not the foreign DNA has been correctly introduced depending on whether or not it appears, and selecting a transformant strain into which the foreign DNA has been correctly introduced.

以下に、本発明を実施例により説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described by way of examples. However, the present invention is not limited to these examples.

[実施例1]
標的配列5’-acgtcttagaacggtctga-3’(配列番号3)(図1)のRNA配列、5’-acgucuuagaacggucuga-3’(配列番号5)を含むガイドRNAを用いて、CRISPR/Cas9による相同組換えにより、出芽酵母Saccharomyces cerevisiaeのゲノム上に存在するトランスポゾンTy1へ、pTy1プラスミドの挿入を行った。具体的には、Ty1レトロトランスポゾン内のTy1配列(Ty1 HR sequence)(配列番号1)をトランスポゾン相同配列として、該相同配列及び導入する遺伝子をPHM661等のプラスミドにクローニングして(図2)pTy1プラスミドを調製した。また、iCas9及びgTy1(ガイドRNA)をコードするDNA配列を含むプラスミドを調製した。形質転換により、これらを出芽酵母に導入した。
[Example 1]
By homologous recombination with CRISPR / Cas9 using a guide RNA containing the RNA sequence of the target sequence 5'-acgtcttagaacggtctga-3 '(SEQ ID NO: 3) (Fig. 1), 5'-acgucuuagaacggucuga-3' (SEQ ID NO: 5) The pTy1 plasmid was inserted into the transposon Ty1 present on the genome of the budding yeast Saccharomyces cerevisiae. Specifically, the Ty1 retrotransposon Ty1 sequence (Ty1 HR sequence) (SEQ ID NO: 1) is used as a transposon homologous sequence, and the homologous sequence and the gene to be introduced are cloned into a plasmid such as PHM661 (FIG. 2). Was prepared. Moreover, a plasmid containing DNA sequences encoding iCas9 and gTy1 (guide RNA) was prepared. These were introduced into budding yeast by transformation.

用いた培地の組成に関しては、以下の通りである(Methods in Yeast Genetics, 1997 Edition (Cold Spring Harbor Laboratory Pressを参照)。

1. YPD寒天培地
ポリペプトン 20 g
Yeast extract 10 g
Glucose 20 g
agar 20 g
イオン交換水 1 L

オートクレーブ後、100 mm diameter dishに小分けする。

2. 形質転換用試薬
4 M LiAc 5 μl
1 M DTT 10 μl
60% PEG (average MW. 4000) 67 μl
dH2O 18 μl
計 100 μl

3. アミノ酸要求性選択培地
Yeast Nitrogen Base 6.7 g
Glucose 20 g
Agar 20 g
x20 Amino acid drop (-Leu, -URA) 50 ml
10 mg/ml Leucine 4 ml
10 mg/ml Leucine 10 ml
add dH2O up to 1 L
NaOHでpHを中性付近に調整する。

オートクレーブ後、100 mm diameter dishに小分けする。

*x20 Amino acid drop (-Leu, -URA)
Adenine sulfate 400 mg
L-Tryptophan 400 mg
L-Histidine HCl 400 mg
L-Arginine HCl 400 mg
L-Methionine 400 mg
L-Tyrosine 600 mg
L-Isoleucine 600 mg
L-Lysine HCl 600 mg
L-Phenylalanine 1 g
L-Glutamic acid 2 g
L-Aspartic acid 2 g
L-Valine 3 g
L-Threonine 4 g
L-Serine 8 g
Add dH2O up to 1 L
The composition of the medium used is as follows (Methods in Yeast Genetics, 1997 Edition (see Cold Spring Harbor Laboratory Press)).

1. YPD agar polypeptone 20 g
Yeast extract 10 g
Glucose 20 g
agar 20 g
Ion exchange water 1 L

After autoclaving, subdivide into 100 mm diameter dishes.

2. Reagent for transformation
4 M LiAc 5 μl
1 M DTT 10 μl
60% PEG (average MW. 4000) 67 μl
dH2O 18 μl
100 μl total

3. Amino acid requirement selective medium
Yeast Nitrogen Base 6.7 g
Glucose 20 g
Agar 20 g
x20 Amino acid drop (-Leu, -URA) 50 ml
10 mg / ml Leucine 4 ml
10 mg / ml Leucine 10 ml
add dH2O up to 1 L
Adjust the pH to near neutral with NaOH.

After autoclaving, subdivide into 100 mm diameter dishes.

* x20 Amino acid drop (-Leu, -URA)
Adenine sulfate 400 mg
L-Tryptophan 400 mg
L-Histidine HCl 400 mg
L-Arginine HCl 400 mg
L-Methionine 400 mg
L-Tyrosine 600 mg
L-Isoleucine 600 mg
L-Lysine HCl 600 mg
L-Phenylalanine 1 g
L-Glutamic acid 2 g
L-Aspartic acid 2 g
L-Valine 3 g
L-Threonine 4 g
L-Serine 8 g
Add dH2O up to 1 L

[実施例2]
ガイドRNAのgTy1存在下又は非存在下で、形質転換を行い、pTy1の染色体への組換え効率を算出した。pTy1の組換え効率は、コントロールの、Ty1を含まないベクターの染色体への組換え効率と同様に、gTy1有無による影響を受けなかった(図3)。
[Example 2]
Transformation was performed in the presence or absence of guide RNA gTy1, and the recombination efficiency of pTy1 into the chromosome was calculated. The recombination efficiency of pTy1 was not affected by the presence or absence of gTy1 as was the case with the control recombination efficiency of the vector not containing Ty1 into the chromosome (FIG. 3).

[実施例3]
CRISPR/Cas9によってpTy1が導入された染色体Ty1部位の塩基配列解析を行った(図4)。形質転換体10株について解析したが、そのすべてにおいて、塩基配列に変化はなかった。このことにより、染色体上のTy1部位への、相同組換えによるpTy1の正確な導入が、高い再現性で達成されることが示された。
[Example 3]
The base sequence analysis of the chromosome Ty1 site into which pTy1 was introduced by CRISPR / Cas9 was performed (FIG. 4). Analysis of 10 transformants was carried out, but in all of them, there was no change in the nucleotide sequence. This showed that accurate introduction of pTy1 by homologous recombination into the Ty1 site on the chromosome was achieved with high reproducibility.

[実施例4]
次に、ガイドRNAのgTy1存在下又は非存在下で形質転換を行い、pTy1が、染色体上のTy1に正確に導入された形質転換体株の頻度を算出した。ゲノム上のTy1遺伝子座に隣接する塩基配列に基づいて設計したプライマーと、プラスミド上のpTy1に隣接する塩基配列に基づいて設計したプライマーにより、形質転換体株のDNAを鋳型としてPCRを行い、電気泳動の際、予想される分子量の位置にバンドが出現するか否かで、Ty1が正確に導入されたか否かを判定した。ネガティブコントロールとして、Ty1を含まないベクターを用いた。gTy1存在下で、pTy1が出芽酵母染色体上のTy1に正確に導入されることが示された(図5)。
[Example 4]
Next, transformation was performed in the presence or absence of the guide RNA gTy1, and the frequency of the transformant strain in which pTy1 was accurately introduced into Ty1 on the chromosome was calculated. Using primers designed based on the nucleotide sequence adjacent to the Ty1 locus on the genome and primers designed based on the nucleotide sequence adjacent to pTy1 on the plasmid, PCR is performed using the DNA of the transformant strain as a template. Whether or not Ty1 was introduced correctly was determined by whether or not a band appeared at the position of the expected molecular weight during electrophoresis. As a negative control, a vector not containing Ty1 was used. It was shown that pTy1 was accurately introduced into Ty1 on the budding yeast chromosome in the presence of gTy1 (FIG. 5).

[実施例5]
形質転換体株の染色体DNAをパルスフィールド電気泳動によって分離し、マーカーとしての出芽酵母染色体及び形質転換前の親株の染色体の泳動パターンと比較した。各形質転換体株のDNAの泳動パターンは、親株のDNAの泳動パターンと同一であった。このことにより、CRITGIシステムによって、形質転換体株の染色体腕の転座などのゲノムの不安定化は起こらないことが確認された(図6)。また、この結果により、CRISPR/Cas9はPlasmid上のTy1配列を優先的に切断しており、この切断されたplasmidが染色体上のTy1レトロトランスポゾン領域に相同組換え反応を介して挿入されていることが示唆された。
[Example 5]
Chromosomal DNA of the transformant strain was separated by pulse field electrophoresis, and compared with the migration pattern of the budding yeast chromosome as a marker and the chromosome of the parent strain before transformation. The DNA migration pattern of each transformant strain was the same as the DNA migration pattern of the parent strain. This confirmed that the CRITGI system did not cause genomic destabilization such as translocation of chromosome arms of the transformant strain (FIG. 6). In addition, this result indicates that CRISPR / Cas9 preferentially cleaves the Ty1 sequence on the plasmid, and that this cleaved plasmid is inserted into the Ty1 retrotransposon region on the chromosome via a homologous recombination reaction. Was suggested.

[実施例6]
染色体中に導入されたpTy1の数を調査した(図7)。図7中、“Integration”はpTy1中のTy1配列をSalIでカットし、形質転換を行った。“CRISPR/Transposon”はCRITGIを使用した。染色体中のpTy1数の測定にはRT-qPCRを使用した。ACT1をリファレンスとし、pTy1中のLEU2遺伝子数を計測した。その結果、“Integration”では1コピーが、“CRISPR/Transposon”では1〜11コピーのpTy1が挿入されたことが、明らかとなった。
[Example 6]
The number of pTy1 introduced into the chromosome was examined (FIG. 7). In FIG. 7, “Integration” was transformed by cutting the Ty1 sequence in pTy1 with SalI. “CRISPR / Transposon” used CRITGI. RT-qPCR was used to measure the number of pTy1 in the chromosome. Using ACT1 as a reference, the number of LEU2 genes in pTy1 was measured. As a result, it was revealed that 1 copy of pTy1 was inserted in “Integration” and 1 to 11 copies in “CRISPR / Transposon”.

[実施例7]
CRITGIにより、図8の左上に示された構成の相同組換えを行い、得られた形質転換体株に対して、更にCRITGIにより図8右上に示されたプラスミドによる相同組換えを行った。1回目及び2回目の相同組換えのそれぞれの段階で、得られた形質転換体株中のTy1及びAmp遺伝子座のコピー数を測定した。結果を図8下のグラフに示す。2回目の相同組換えにより、ゲノム中に挿入される配列のコピー数が更に飛躍的に増大し得ることが判明した。
[Example 7]
By CRITGI, homologous recombination having the configuration shown in the upper left of FIG. 8 was performed, and the obtained transformant strain was further subjected to homologous recombination by the plasmid shown in the upper right of FIG. At each stage of the first and second homologous recombination, the copy numbers of the Ty1 and Amp loci in the obtained transformant strains were measured. The results are shown in the lower graph of FIG. It was found that the second homologous recombination can dramatically increase the copy number of the sequence inserted into the genome.

[実施例8]
1回目のCRITGIによりLEU2マーカーを導入し、得られた形質転換体株に更に2回目のRITGIを行ってURA3マーカーを導入した。得られた形質転換体株を解析したところ、最初に導入したpTy1(LEU2)が2回目のCRITGIではpTy1(URA3)の導入部位として利用されることが判明した(図9)。
[Example 8]
The LEU2 marker was introduced by the first CRITGI, and the resulting transformant strain was further subjected to the second RITGI to introduce the URA3 marker. When the obtained transformant strain was analyzed, it was found that the first introduced pTy1 (LEU2) was used as a site for introducing pTy1 (URA3) in the second CRITGI (FIG. 9).

[実施例9]
宿主株として出芽酵母株BY4742+DpaA gene integrated(Genotype: Matαtrp1Δhis3Δleu2Δura3ΔTy1 locus:DpaA(LEU2))を用い、以下の表1、図10、図11に示す、大腸菌のリジン合成経路遺伝子群(DpaA、DpaB、DpaC、DpaD、DpaE、DpaF、LysA)のいずれか1つを含むプラスミド(PHM721、PHM712、PHM716、PHM703、PHM717、PHM704、PHM724)とPHM663のすべてを導入して形質転換した。PHM663はiCas9、gTy1(ガイドRNA)、URA3を含むプラスミドである。
[Example 9]
A budding yeast strain BY4742 + DpaA gene integrated (Genotype: Matαtrp1Δhis3Δleu2Δura3ΔTy1 locus: DpaA (LEU2)) was used as a host strain, and the lysine synthesis pathway genes (DpaA, DpaB, Plasmids (PHM721, PHM712, PHM716, PHM703, PHM717, PHM704, PHM724) containing any one of DpaC, DpaD, DpaE, DpaF, LysA) and PHM663 were all introduced and transformed. PHM663 is a plasmid containing iCas9, gTy1 (guide RNA), and URA3.

ヒスチジン、ウラシルを除去した培地で形質転換体を同定した。16株の形質転換酵母株について、導入した遺伝子をPCRで確認した。その結果、それぞれの株からは、図12に示す通り、導入された遺伝子が検出された。多くの株において、1度の形質転換操作により、複数種の遺伝子が導入されていた(図13)。   A transformant was identified in a medium from which histidine and uracil had been removed. For the 16 transformed yeast strains, the introduced gene was confirmed by PCR. As a result, the introduced gene was detected from each strain as shown in FIG. In many strains, multiple types of genes were introduced by a single transformation operation (FIG. 13).

本発明の方法により、様々な生物種の細胞機能/代謝経路を構成する多数の遺伝子群を宿主細胞染色体に導入し、宿主細胞内で細胞機能/代謝経路を再構成することや、同一プラスミドを染色体中に数十個程度導入し、プラスミド内の遺伝子の発現量を大幅に上昇させることが可能となる。従って、本発明の方法は、高価な希少代謝物を産生する微生物や優れた機能を持つ機能融合生物等の安価な製造に有用である。   According to the method of the present invention, a large number of genes constituting cell functions / metabolic pathways of various species are introduced into host cell chromosomes, and cell functions / metabolic pathways are reconstructed in the host cell, By introducing about several tens of genes into the chromosome, the expression level of the gene in the plasmid can be significantly increased. Therefore, the method of the present invention is useful for inexpensive production of microorganisms that produce expensive rare metabolites and functional fusion organisms having excellent functions.

Claims (17)

ゲノムDNA上の2以上の部位へ外来DNAを挿入する方法であって、
2コピー以上点在する、200bp以上のヌクレオチド配列を含むゲノム二本鎖DNAを有する宿主細胞内において、
該ゲノム二本鎖DNA、並びに
該200bp以上のヌクレオチド配列又はその部分配列と相同なヌクレオチド配列、及び外来DNA配列を含むドナーDNAを、
該200bp以上のヌクレオチド配列中の選択された標的ヌクレオチド配列と特異的に結合し、該標的ヌクレオチド配列内でDNAを切断するヌクレアーゼと接触し、
該ゲノム二本鎖DNA上の該200bp以上のヌクレオチド配列と該ドナーDNAに含まれる該200bp以上のヌクレオチド配列又はその部分配列と相同なヌクレオチド配列との間で相同組換えを生じさせることにより、該外来DNA配列を、ゲノム二本鎖DNAに含まれる2コピー以上の該200bp以上のヌクレオチド配列に挿入することを含み、
該相同なヌクレオチド配列は、該標的ヌクレオチド配列を含み、該標的ヌクレオチド配列内でDNAを切断した場合、該200bp以上のヌクレオチド配列を含むゲノムDNAに対して、相同組換えを生じるのに十分な程度の配列同一性及び長さを有する、方法。
A method for inserting foreign DNA into two or more sites on genomic DNA,
In a host cell having genomic double-stranded DNA containing a nucleotide sequence of 200 bp or more, interspersed with 2 copies or more,
A donor DNA comprising the genomic double-stranded DNA and a nucleotide sequence homologous to the nucleotide sequence of 200 bp or more or a partial sequence thereof, and a foreign DNA sequence;
Contacting with a nuclease that specifically binds to a selected target nucleotide sequence in the nucleotide sequence of 200 bp or more and cleaves DNA within the target nucleotide sequence;
By causing homologous recombination between the nucleotide sequence of 200 bp or more on the genomic double-stranded DNA and the nucleotide sequence of 200 bp or more contained in the donor DNA or a nucleotide sequence homologous to a partial sequence thereof, Inserting a foreign DNA sequence into two or more copies of the 200 bp or more nucleotide sequence contained in the genomic double-stranded DNA;
The homologous nucleotide sequence includes the target nucleotide sequence, and when DNA is cleaved within the target nucleotide sequence, a degree sufficient to cause homologous recombination with respect to genomic DNA including the nucleotide sequence of 200 bp or more. Having a sequence identity and length of
該200bp以上のヌクレオチド配列が、トランスポゾン配列である、請求項1記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the nucleotide sequence of 200 bp or more is a transposon sequence. ヌクレアーゼが、該ドナーDNAに含まれる該200bp以上のヌクレオチド配列又はその部分配列と相同なヌクレオチド配列中の標的配列を優先的に切断する、請求項1又は2記載の方法。   The method according to claim 1 or 2, wherein a nuclease preferentially cleaves a target sequence in a nucleotide sequence homologous to the nucleotide sequence of 200 bp or more contained in the donor DNA or a partial sequence thereof. ドナーDNAが、クローン化されたドナーDNAである、請求項1〜3のいずれか1項記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the donor DNA is a cloned donor DNA. ドナーDNAが、異なる外来DNA配列をそれぞれ含む2種以上のドナーDNAの混合物である、請求項1〜4のいずれか1項記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the donor DNA is a mixture of two or more types of donor DNA each containing different foreign DNA sequences. 外来DNA配列が構造遺伝子をコードする、請求項1〜5のいずれか1項記載の方法。   6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the foreign DNA sequence encodes a structural gene. ドナーDNAが環状二本鎖DNAである、請求項1〜6のいずれか1項記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the donor DNA is circular double-stranded DNA. 該ヌクレアーゼが、核酸配列認識モジュール及びDNA切断ドメインを含んでなり、核酸配列認識モジュールが、ジンクフィンガーモチーフ、TALエフェクター及びPPRモチーフから成る群より選択される、請求項1〜7のいずれか1項記載の方法。   8. The nuclease comprises a nucleic acid sequence recognition module and a DNA cleavage domain, wherein the nucleic acid sequence recognition module is selected from the group consisting of a zinc finger motif, a TAL effector and a PPR motif. The method described. 該ヌクレアーゼが、CRISPR-CasシステムにおけるガイドRNAとCasタンパク質との複合体である、請求項1〜7のいずれか1項記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 7, wherein the nuclease is a complex of a guide RNA and a Cas protein in the CRISPR-Cas system. 該ヌクレアーゼが、ガイドRNAとCas9タンパク質との複合体である、請求項9記載の方法。   The method according to claim 9, wherein the nuclease is a complex of guide RNA and Cas9 protein. トランスポゾンがレトロトランスポゾンである、請求項2〜10のいずれか1項記載の方法。   The method according to any one of claims 2 to 10, wherein the transposon is a retrotransposon. レトロトランスポゾンが、Ty1-copia群のレトロトランスポゾンである、請求項11記載の方法。   12. The method of claim 11, wherein the retrotransposon is a Ty1-copia group retrotransposon. 宿主細胞が、原核生物細胞、酵母、脊椎動物細胞、昆虫細胞又は植物細胞である、請求項1〜12のいずれか1項記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 12, wherein the host cell is a prokaryotic cell, yeast, vertebrate cell, insect cell or plant cell. 宿主細胞が、酵母である、請求項13記載の方法。   14. A method according to claim 13, wherein the host cell is yeast. 酵母が、出芽酵母である、請求項14記載の方法。   The method according to claim 14, wherein the yeast is budding yeast. 標的ヌクレオチド配列が、配列番号3で表される配列を含む、請求項1〜15のいずれか1項記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 15, wherein the target nucleotide sequence comprises the sequence represented by SEQ ID NO: 3. 配列番号5で表されるヌクレオチド配列を含む、CRISPR/Cas9システムのガイドRNA。   A CRISPR / Cas9 system guide RNA comprising the nucleotide sequence represented by SEQ ID NO: 5.
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