JP2018530336A - 多重ゲノム編集 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2015年10月8日に出願された米国仮特許出願第62/239,239号に対する優先権を主張するものであり、あらゆる目的のために、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
移植のための臓器の不足は、臓器不全の治療に対する大きな障壁である。ブタの臓器は有望と考えられているが、ブタ内在性レトロウイルス(PERV)のヒトへの感染についての懸念によってその使用が阻止されている。本明細書では、ブタ腎上皮細胞株(PK15)中のすべてのPERVの根絶を実施した。最初に、PK15 PERVのコピー数は62と決定された。CRISPR−Cas9を使用してPERVpol遺伝子の62コピーのすべてを破壊し、本発明者らの遺伝子操作細胞を用いて、ヒト細胞へのPERV感染が1000分の1以下に低下することが実証された。この試験により、CRISPR−Cas9の多重性が62と高いと考えられることが示され、ブタからヒトへの異種移植への臨床適用のためにPERVが不活性化され得る可能性が実証される。
他の人畜共通感染症病原体とは異なり、PERVはバイオセキュアな飼育(biosecure breeding)によって排除することはできない。ヒトへのPERV感染の危険性を低減するための従来の戦略には、低分子干渉RNA(RNAi)、ワクチン、並びにジンクフィンガーヌクレアーゼ及びTALエフェクターヌクレアーゼを用いたPERV除去が含まれるが、これらの成功は限られている。本明細書では、CRISPR−Cas9 RNAガイドヌクレアーゼ系の成功的使用は、PERV pol遺伝子のすべてのコピーを不活性化し、ヒト細胞のPERV感染性を1000分の1に低下させるのに用いることができる。
PERVコピー数の定量
Droplet Digital PCR(商標)PCR(ddPCR(商標))を使用して、製造業者の指示(Bio−Rad社)に従ってPERVのコピー数を定量した。簡単に述べると、培養細胞由来のゲノムDNA(DNeasy Blood&Tissue Kit、Qiagen社)を精製し、50ngのゲノムDNAをMseI(10U)で37℃にて1時間消化し、10μlの2×ddPCR Master mix、1μlの18μM標的プライマー及び5μM標的プローブ(VIC)、1μlの18μM参照プライマー及び5μM参照プローブ(FAM)、5ngの消化されたDNA、並びに20μLの総容量にするための水を用いてddPCR反応物を調製した。プライマーの配列及びプローブ情報は、「拡張データ」表1に示されている。
MUSCLEを用いて、ブタゲノムに存在する245個の内在性レトロウイルスの多重配列アライメントを実施した。配列の系統樹を構築し、PERVを含むクレードを同定した(図1a参照)。RライブラリDECIPHERを使用して、すべてのPERVを標的とするが他の内在性レトロウイルス配列は標的としない特異的gRNAを設計した。
PK15を、10%ウシ胎仔血清(Invitrogen社)及び1%ペニシリン/ストレプトマイシン(Pen/Strep、Invitrogen社)を補充したダルベッコ改変イーグル培地(DMEM、Invitrogen社)高グルコース中で維持した。すべての細胞を加湿インキュベータ内で37℃及び5%CO2で維持した。
PiggyBac−Cas9/2gRNAコンストラクトは、以前にWang et al(2)に報告されているプラスミドに由来する。簡単に述べると、U6−gRNA1−U6−gRNA2をコードするDNAフラグメントを合成し(Genewiz社)、これをPiggBac−Cas9コンストラクトに組み込んだ。PiggyBac−Cas9/2gRNAが組み込まれたPK15細胞株を樹立するために、5×105個のPK15細胞に、Lipofectamine 2000(Invitrogen社)を用いて4μgのPiggyBac−Cas9/2gRNAプラスミド及び1μgのSuper PiggyBac Transposaseプラスミド(System Biosciences社)をトランスフェクトした。コンストラクトが組み込まれた細胞を濃縮するために、トランスフェクションされた細胞に2μg/mLのピューロマイシンを添加した。陰性対照に基づき、ピューロマイシンを野生型PK15細胞に適用して、3日間で選択が完了したと判定した。以後、PK15−PiggyBac細胞株を2μg/mLのピューロマイシンで維持した。2μg/mlのドキシサイクリンを適用してCas9発現を誘導した。
Lenti−Cas9/2gRNAコンストラクトは、以前に報告されたプラスミド(3)に由来した。U6−gRNA1−U6−gRNA2をコードするDNAフラグメントを合成し(Genewiz社)、これをLenti−Cas9−V2に組み込んだ。Lenti−Cas9/2gRNAを有するレンチウイルスを作製するために、Lipofectamine 2000を用いて、約5×106個の293FT HEK細胞に3μgのLenti−Cas9−gRNA及び12μgのViraPower Lentiviral Packaging Mix(Invitrogen社)をトランスフェクトした。レンチウイルス粒子をトランスフェクションの72時間後に回収し、Lenti−X GoStix(Takara Clonetech社)を用いてウイルス力価を測定した。約105個のレンチウイルス粒子を約1×106個のPK15細胞に形質導入し、形質導入の5日後に、形質導入細胞を濃縮するためにピューロマイシンによる選択を行った。その後PK15−Lenti細胞株を2μg/mLのピューロマイシンで維持した。
PK15培養物を、TrypLE(Invitrogen社)を用いて解離させ、生細胞識別色素ToPro−3(Invitrogen社)を含むPK15培地に1〜2×105細胞/mlの濃度で再懸濁した。PK15生細胞を、無菌条件下で100mmノズルを有するBD FACSAria II SORP UV(BD Biosciences社)を用いて単細胞選別した。ウェルあたり一細胞のみが確実に選別されるように、SSC−H対SSC−W及びFSC−H対FSC−Wダブレット識別ゲート及びストリンジェントな「0/32/16単一細胞」選別マスクを使用した。各ウェルが100μlのPK15培地を含む96ウェルプレートに細胞を選別した。選別後、プレートを70gで3分間遠心分離した。選別の7日後にコロニー形成が見られ、FACSの2週間後に遺伝子型決定実験を実施した。
カスタムパイプラインを構築し、PERV不活性化の効率を推定した。簡単に述べると、pol遺伝子を増幅し、PE250又はPE300を使用してIllumina Next Generation Sequencingによって配列決定した。最初に、2つの重複するリードを、PEAR(6)を使用して組み合わせ、BLATを使用して参照領域にマッピングした。マッピング後、リードを、ハプロタイプとインデルタイプの特定の組合せを含むセットに分類した(「拡張データ」図7参照)。マッピングされたリードの総数の0.5%未満の表示を有するリードセットは破棄した。最後に、Giiell et al(5)に記載されているようにマッピング出力を解析し、種々の挿入及び削除をコールした。
susScr3ブタゲノム及びEnsembl転写産物は、UCSC Genome Brower Databaseから入手した。RNA−Seqリードを、STARソフトウェア(7)を用いて参照ゲノムにマッピングし、BEDTools(8)を用いて転写産物のRPKMを定量した。発現差異解析を、DESeq2パッケージ(9)を用いてRで実施し、ソフトウェアのウェブサイトから入手した遺伝子セットの定義を用いてGSEAソフトウェア(10)により遺伝子セット濃縮解析を行った。
PK15細胞及び改変PK15クローン(4種の高改変クローン及び1種の低改変クローン)のRT活性を試験するために、5×105個の細胞をT75cm2フラスコに播種し、播種の4日後に上清を回収した。0.45μMのMillex−HV Syringe Filter(EMD Millipore Corporation社)を用いて培地をろ過し、ろ過した上清を、Amicon Ultra−15 Centrifugal Filter Unit(EMD Millipore Corporation社)を用いて4000gで30分間濃縮した。濃縮した上清を50,000rpmで60分間、超遠心分離した。上清を慎重に除去し、ウイルスペレットを回収して、20μlの10%NP40で37℃にて60分間溶解した。
HEK293−GFP細胞株の樹立
Lenti−GFPコンストラクトは、プラスミドpLVX−IRES−ZsGreen1(Clontech社、カタログ番号632187;PT4064−5)に由来した。Lenti−GFPを有するレンチウイルスを作製するために、Lipofectamine 2000(Invitrogen社)を用いて、約5×106個の293FT HEK細胞に3μgのpVX−ZsGreenプラスミド及び12μgのViraPower Lentiviral Packaging Mix(Invitrogen社)をトランスフェクトした。レンチウイルス粒子をトランスフェクションの72時間後に回収し、Lenti−X GoStix(Takara Clonetech社)を用いてウイルス力価を測定した。約105個のレンチウイルス粒子を約1×106個のHEK293細胞にトランスフェクトし、形質導入の5日後に、形質導入細胞を濃縮するためにピューロマイシンによる選択を実施した。その後、293−GFP−Lenti細胞株を0.5μg/mLのピューロマイシンで維持した。
Lenti−GFP−293FT HEK細胞の1×105個の細胞及び1×105個のPK15 WT細胞を6ウェルプレートで共培養した。並行して、2×105個のPK15 WT細胞を対照として別のウェルで単独で培養した。5μg/mlの抗生物質を7日間添加することによってピューロマイシン選択実験を行った。対照ウェルに生存細胞がなく、実験ウェルに約100%のGFP陽性細胞が存在した時点を、lenti−GFP−293FTヒト細胞を精製するためのピューロマイシン選択が完了した時点であると決定した。293FT HEK/PK15 WT共培養物からの細胞を種々の時間間隔で収集した。293−GFP WT、PK15 WTの培養細胞及び共培養細胞から、(DNeasy Blood&Tissue Kit、Qiagen社)を用いてゲノムDNAを抽出した。Qubit 2.0 Fluorometer(Invitrogen社)を用いてゲノムDNA濃度を測定し、各試料から3ngをPCRのためのDNA鋳型として使用した。全体で、1μLのゲノムDNAを、12.5μLの2×KAPA Hifi Hotstart Readymix(KAPA Biosystems社)及び100μMの「方法」表3に列挙したプライマーを含む25μLのPCRミックスに添加した。反応物を95℃で5分間インキュベートし、続いて98℃、20秒;65℃、20秒;及び72℃、20秒の35サイクルに供した。PCR産物をEX 2%ゲル(Invitrogen社)上で可視化し、300〜400塩基対のバンドを観察した。
HEK293−GFP細胞中のPERVコピー数を定量するためにqPCRを実施した。種々の量のPK15 WT細胞のゲノムDNAをqPCR反応の鋳型として使用した。
反応は、KAPA SYBR FAST qPCR Master Mix Universal(KAPA Biosystems社)を用いて三連で実施した。PERV polプライマー、PERV envプライマー、PERV gagプライマー、ヒトACTBプライマー、及びブタGGTA1プライマー(「方法」表3)を最終濃度1μMになるように添加した。反応物を95℃で3分間(酵素活性化)インキュベートし、続いて95℃、5秒(変性);60℃、60秒(アニーリング/伸長)の50サイクルに供した。ゲノムDNA量の対数は定量サイクル(Cq)と直線的に相関する。polプライマー、gagプライマー、envプライマーを用いてPERVの存在を調べた。ブタGGTA1プライマーは、感染後のヒト細胞中の潜在的なブタゲノム混入物質を制御するのに役立った。すべての実験を三連で実施した。
HEK293−GFP細胞の1×105個の細胞と、高改変クローン(15、20、29、38)及び低改変クローン(40、41)の1×105個の細胞を6ウェルプレートで7日間共培養した。PERVエレメントを調べる目的でHEK293−GFP細胞を単離するため、GFP陽性細胞を二重選別してヒト細胞集団を精製した。
PK15(未処理細胞株)及びクローン20(高度に編集されたクローン)について全ゲノム配列決定(WGS)データを得た。Cas9/2gRNAの潜在的なオフターゲット効果を調べるために、参照配列(Sus Scrofa 10.2)を、2つのgRNAによって標的とされる20bp配列と1bp又は2bpだけ異なる部位に関して検索した。11箇所のそのような部位を同定し、それらの隣接領域の200bpと共に抽出した(図S1)。BLATを使用して、抽出した参照配列にWGSリードをマッピングし、オフターゲット効果の結果としてクローン20に出現した潜在的なインデルパターンを検索した。遺伝子座あたり平均7〜8倍の範囲を得た。参照配列とのマッチが50bp未満であるリードは除外した。インデルの存在を示し得る複数のアライメントブロックを有する参照配列にマッピングされたリードの場合、アライメントブロックが参照配列と20bp未満のマッチを含むリードは除外した。マッピングされた残りのリードを検査した後、クローン20におけるオフターゲットインデルパターンの存在は検出されなかった。ここでオフターゲットに対する包括的検索の別の課題は、Sus Scrofaゲノムが依然として完全でないか、又は完全にアセンブルされておらず、全ゲノム解析を行う能力が限られていることである。
この試験では、Cas9によって生じたdsDNA切断に応答したDNA修復過程により生成された突然変異によって、PERVエレメントを不活性化した。dsDNA切断は非相同末端結合(NHEJ)又は相同修復(HR)のいずれかによって修復され得ること、並びにHRは適切な相同アームを有する鋳型が存在すると切断部位にDNA鋳型配列の正確なコピーを作製することができるが、NHEJは突然変異(特にインデル)を作製することができ、しばしば「誤りがち(error prone)」と見なされていることは、一般に理解されている。しかし、NHEJもdsDNA切断を高精度に修復できるという証拠があり(11、12)、NHEJによる変異を生じた修復に対する完全な修復の相対的な割合は、正確には測定されていない。特に、Cas9などの効率的なターゲティングヌクレアーゼが長期間発現される場合、NHEJ又はHRのいずれかによる切断部位の完全な修復により、再度切断され得る標的部位が再生成される。妥当な仮説は、完全な修復及び再切断の過程が、標的部位を認識するヌクレアーゼの能力を破壊する突然変異が生じるまで繰り返し起こるということである。これらの修復様式がPERV除去の過程で一体となって機能し得る方法を探るために、それらの相互作用をマルコフ過程としてモデル化した。具体的には、以下のように仮定した。
・野生型標的だけが認識されて切断され、一度に1つの標的だけが切断されて修復される。
・DNA修復は以下のいずれかである.
−NHEJによる標的部位の完全な修復(確率n)
−標的認識を消失させる突然変異の生成をもたらすNHEJ(確率m)
−細胞内の他のN−1個の標的配列のいずれか1つを用いたHRによる修復(確率h)
PERVs要素の遺伝子型解析データを含むIllumina Miseqのデータは、欧州バイオインフォマティクス研究所(European Bioinformatics Institute)(EBI)によって管理運営される欧州ヌクレオチドアーカイブ(European Nucleotide Archive)(ENA)に提出参照番号PRJEB 11222でアップロードされている。
Claims (43)
- 細胞内の1又は複数の標的核酸配列の発現を不活性化する方法であって、
前記1又は複数の標的核酸配列の各々の全体又は一部に相補的な部分を含む1又は複数のリボ核酸(RNA)配列及びCasタンパク質をコードする核酸配列を細胞に導入すること;並びに
前記細胞内で前記Casタンパク質が発現され、且つ前記Casタンパク質が前記1又は複数の標的核酸配列に結合して不活性化する条件下で前記細胞を維持すること
を含む方法。 - 前記導入工程が、前記1又は複数のRNA配列及び前記Casタンパク質をコードする核酸配列を前記細胞にトランスフェクトすることを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記1又は複数のRNA配列、前記Casタンパク質をコードする核酸配列、又はそれらの組合せが前記細胞のゲノムに導入される、請求項1に記載の方法。
- 前記Casタンパク質の発現が誘導される、請求項1に記載の方法。
- 前記細胞が胚由来である、請求項1に記載の方法。
- 前記細胞が、幹細胞、接合子、又は生殖系列細胞である、請求項1に記載の方法。
- 前記幹細胞が、胚性幹細胞又は多能性幹細胞である、請求項6に記載の方法。
- 前記細胞が体細胞である、請求項1に記載の方法。
- 前記体細胞が真核細胞である、請求項8に記載の方法。
- 前記真核細胞が動物細胞である、請求項9に記載の方法。
- 前記動物細胞がブタ細胞である、請求項10に記載の方法。
- 前記1又は複数の標的核酸配列がブタ内在性レトロウイルス(PERV)遺伝子を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記PERV遺伝子がpol遺伝子を含む、請求項12に記載の方法。
- 前記pol遺伝子の1又は複数のコピーが不活性化される、請求項13に記載の方法。
- 前記細胞内のpol遺伝子のすべてのコピーが不活性化される、請求項14に記載の方法。
- 前記Casタンパク質がCas9である、請求項1に記載の方法。
- 前記1又は複数のRNA配列が約10から約1000ヌクレオチドである、請求項1に記載の方法。
- 前記1又は複数のRNA配列が約15から約200ヌクレオチドである、請求項1に記載の方法。
- 細胞内の1又は複数の標的核酸配列を変化させる方法であって、
前記細胞内の標的核酸配列の全体又は一部に相補的なRNAをコードする核酸配列を前記細胞に導入すること;
前記RNAと相互作用し且つ前記標的核酸配列を部位特異的に切断する酵素をコードする核酸配列を前記細胞に導入すること;及び
複合体を形成する相補的標的核酸配列に前記RNAが結合する条件下で前記細胞を維持することを含み、
前記酵素が前記複合体上の結合部位に結合して、前記1又は複数の標的核酸配列を変化させる方法。 - 導入工程のそれぞれが、前記細胞に前記核酸配列をトランスフェクトすることを含む、請求項19に記載の方法。
- 前記RNAをコードする核酸配列、前記Casタンパク質をコードする核酸配列、又はそれらの組合せが前記細胞のゲノムに導入される、請求項19に記載の方法。
- 前記酵素をコードする核酸配列を誘導によって発現させる、請求項19に記載の方法。
- 前記細胞が胚由来である、請求項19に記載の方法。
- 前記細胞が、幹細胞、接合子、又は生殖系列細胞である、請求項19に記載の方法。
- 前記幹細胞が胚性幹細胞又は多能性幹細胞である、請求項24に記載の方法。
- 前記細胞が体細胞である、請求項19に記載の方法。
- 前記体細胞が真核細胞である、請求項26に記載の方法。
- 前記真核細胞が動物細胞である、請求項27に記載の方法。
- 前記動物細胞がブタ細胞である、請求項28に記載の方法。
- 前記1又は複数の標的核酸配列がブタ内在性レトロウイルス(PERV)遺伝子を含む、請求項19に記載の方法。
- 前記PERV遺伝子がpol遺伝子を含む、請求項30に記載の方法。
- 前記pol遺伝子の1又は複数のコピーが不活性化される、請求項19に記載の方法。
- 前記細胞内のpol遺伝子のすべてのコピーが不活性化される、請求項32に記載の方法。
- 前記酵素がCRISPR関連(Cas)タンパク質である、請求項19に記載の方法。
- 前記Casタンパク質がCas9である、請求項34に記載の方法。
- 前記RNAをコードする核酸配列が約10から約1000ヌクレオチドである、請求項19に記載の方法。
- 前記RNAをコードする核酸配列が約15から約200ヌクレオチドである、請求項19に記載の方法。
- 遺伝子操作された細胞であって、
1又は複数の内在性レトロウイルス遺伝子;及び
前記1又は複数の内在性ウイルス遺伝子の1又は複数の標的核酸配列の全体又は一部に相補的な部分を含む1又は複数の外来性核酸配列
を含み、
前記細胞の1又は複数の内在性ウイルス遺伝子の各々が変化されている、細胞。 - 遺伝子操作された細胞であって、
複数の内在性ウイルス遺伝子;及び
前記複数の内在性ウイルス遺伝子の1又は複数の標的核酸配列の全体又は一部に相補的な部分を含む1又は複数の外来性核酸配列
を含み、
前記細胞の複数の内在性ウイルス遺伝子の各々が変化されている、細胞。 - 前記レトロウイルス遺伝子がブタ内在性レトロウイルス(PERV)遺伝子を含む、請求項39に記載の遺伝子操作された細胞。
- 前記PERV遺伝子がpol遺伝子を含む、請求項40に記載の遺伝子操作された細胞。
- 前記pol遺伝子の変化により前記pol遺伝子の1又は複数のコピーが不活性化されている、請求項41に記載の遺伝子操作された細胞。
- 前記細胞内のpol遺伝子のすべてのコピーが不活性化されている、請求項42に記載の遺伝子操作された細胞。
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