JP2020191880A - ガイドrnaのペアを使用したターゲティングによる遺伝子改変の方法及び組成物 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2014年11月12日出願の米国特許出願第62/083,005号、2015年6月19日出願の米国特許出願第62/182,314号、及び2015年8月28日出願の米国特許出願第62/211,421号の利益を主張するものであり、これらの出願のそれぞれをその全容にわたってすべての目的で本明細書に参照により援用するものである。
472225SEQLIST.txtのファイルに記載の配列表は32.7kbであり、2015年11月20日に作成されたものであり、本明細書に参照によって援用する。
RNAと接触させることを更に含む。場合により、前記第1のCRISPR RNA認識配列と前記第3のCRISPR RNA認識配列とは、約25bp〜約50bp、約50bp〜約100bp、約100bp〜約150bp、約150bp〜約200bp、約200bp〜約250bp、約250bp〜約300bp、約300bp〜約350bp、約350bp〜約400bp、約400bp〜約450bp、約450bp〜約500bp、約500bp〜約600bp、約600bp〜約700bp、約700bp〜約800bp、約800bp〜約900bp、約900bp〜約1kb、約1kb〜約2kb、約2kb〜約3kb、約3kb〜約4kb、約4kb〜約5kb、約5kb〜約6kb、約6kb〜約7kb、約7kb〜約8kb、約8kb〜約9kb、約9kb〜約10kb、約10kb〜約20kb、約20kb〜約30kb、約30kb〜約40kb、約40kb〜約50kb、約50kb〜約60kb、約60kb〜約70kb、約70kb〜約80kb、約80kb〜約90kb、又は約90kb〜約100kbだけ離れている。場合により、前記第2のCRISPR RNA認識配列と前記第4のCRISPR RNA認識配列とは、約25bp〜約50bp、約50bp〜約100bp、約100bp〜約150bp、約150bp〜約200bp、約200bp〜約250bp、約250bp〜約300bp、約300bp〜約350bp、約350bp〜約400bp、約400bp〜約450bp、約450bp〜約500bp、約500bp〜約600bp、約600bp〜約700bp、約700bp〜約800bp、約800bp〜約900bp、約900bp〜約1kb、約1kb〜約2kb、約2kb〜約3kb、約3kb〜約4kb、約4kb〜約5kb、約5kb〜約6kb、約6kb〜約7kb、約7kb〜約8kb、約8kb〜約9kb、約9kb〜約10kb、約10kb〜約20kb、約20kb〜約30kb、約30kb〜約40kb、約40kb〜約50kb、約50kb〜約60kb、約60kb〜約70kb、約70kb〜約80kb、約80kb〜約90kb、又は約90kb〜約100kbだけ離れている。場合により、前記第1及び第3のCRISPR RNA認識配列はCRISPR RNA認識配列の第1のペアであり、前記第2及び第4のCRISPR RNA認識配列はCRISPR RNA認識配列の第2のペアであり、前記第1のペアと前記第2のペアとは、約25bp〜約50bp、約50bp〜約100bp、約100bp〜約150bp、約150bp〜約200bp、約200bp〜約250bp、約250bp〜約300bp、約300bp〜約350bp、約350bp〜約400bp、約400bp〜約450bp、約450bp〜約500bp、約500bp〜約600bp、約600bp〜約700bp、約700bp〜約800bp、約800bp〜約900bp、約900bp〜約1kb、約1kb〜約5kb、約5kb〜約10kb、約10kb〜約20kb、約20kb〜約40kb、約40kb〜約60kb、約60kb〜約80kb、約80kb〜約100kb、約100kb〜約150kb、約150kb〜約200kb、約200kb〜約300kb、約300kb〜約400kb、約400kb〜約500kb、約500kb〜約1Mb、約1Mb〜約1.5Mb、約1.5Mb〜約2Mb、約2Mb〜約2.5Mb、約2.5Mb〜約3Mb、約3Mb〜約4Mb、約4Mb〜約5Mb、約5Mb〜約10Mb、約10Mb〜約20Mb、約20Mb〜約30Mb、約30Mb〜約40Mb、約40Mb〜約50Mb、約50Mb〜約60Mb、約60Mb〜約70Mb、約70Mb〜約80Mb、約80Mb〜約90Mb、又は約90Mb〜約100Mbだけ離れている。
RNA認識配列とは、約1kb〜約5kb、約5kb〜約10kb、約10kb〜約20kb、約20kb〜約40kb、約40kb〜約60kb、約60kb〜約80kb、約80kb〜約100kb、約100kb〜約150kb、約150kb〜約200kb、約200kb〜約300kb、約300kb〜約400kb、約400kb〜約500kb、約500kb〜約1Mb、約1Mb〜約1.5Mb、約1.5Mb〜約2Mb、約2Mb〜約2.5Mb、又は約2.5Mb〜約3Mbだけ離れている。特定の方法では、前記第1のCRISPR RNA認識配列と前記第2のCRISPR RNA認識配列とは、少なくとも1kb、少なくとも2kb、少なくとも3kb、少なくとも4kb、少なくとも5kb、少なくとも10kb、少なくとも20kb、少なくとも30kb、少なくとも40kb、少なくとも50kb、少なくとも60kb、少なくとも70kb、少なくとも80kb、少なくとも90kb、少なくとも100kb、少なくとも110kb、少なくとも120kb、少なくとも130kb、少なくとも140kb、少なくとも150kb、少なくとも160kb、少なくとも170kb、少なくとも180kb、少なくとも190kb、少なくとも200kb、少なくとも250kb、少なくとも300kb、少なくとも350kb、少なくとも400kb、少なくとも450kb、又は少なくとも500kbだけ離れている。特定の方法では、前記第1のCRISPR RNA認識配列と前記第2のCRISPR RNA認識配列とは、約25bp〜約50bp、約50bp〜約100bp、約100bp〜約150bp、約150bp〜約200bp、約200bp〜約250bp、約250bp〜約300bp、約300bp〜約350bp、約350bp〜約400bp、約400bp〜約450bp、約450bp〜約500bp、約500bp〜約600bp、約600bp〜約700bp、約700bp〜約800bp、約800bp〜約900bp、又は約900bp〜約1kbだけ離れている。特定の方法では、前記第1のCRISPR RNA認識配列と前記第2のCRISPR RNA認識配列とは、25bp未満、50bp未満、100bp未満、150bp未満、200bp未満、250bp未満、300bp未満、350bp未満、400bp未満、450bp未満、500bp未満、600bp未満、700bp未満、800bp未満、900bp未満、1kb未満、2kb未満、3kb未満、4kb未満、5kb未満、又は10kb未満だけ離れている。
RNA認識配列にハイブリダイズする第2のCRISPR RNA、と接触させることを含み、前記第1のCasタンパク質が前記第1及び第2のCRISPR RNA認識配列の少なくとも一方を切断することで、少なくとも1つの二本鎖切断及び組換えを起こす末端配列を生じ、前記組換えが前記第1の対立遺伝子と前記第2の対立遺伝子との間で起こることで、前記第1の対立遺伝子についてホモ接合型である改変されたゲノムを生じる、方法も提供する。特定の方法は、前記第1の対立遺伝子についてホモ接合型である細胞を同定することを更に含む。
RNA認識配列とは、約1kb〜約5kb、約5kb〜約10kb、約10kb〜約20kb、約20kb〜約40kb、約40kb〜約60kb、約60kb〜約80kb、約80kb〜約100kb、約100kb〜約150kb、約150kb〜約200kb、約200kb〜約300kb、約300kb〜約400kb、約400kb〜約500kb、約500kb〜約1Mb、約1Mb〜約1.5Mb、約1.5Mb〜約2Mb、約2Mb〜約2.5Mb、又は約2.5Mb〜約3Mbだけ離れている。特定の方法では、前記第1のCRISPR RNA認識配列と前記第2のCRISPR RNA認識配列とは、少なくとも1kb、少なくとも2kb、少なくとも3kb、少なくとも4kb、少なくとも5kb、少なくとも10kb、少なくとも20kb、少なくとも30kb、少なくとも40kb、少なくとも50kb、少なくとも60kb、少なくとも70kb、少なくとも80kb、少なくとも90kb、少なくとも100kb、少なくとも110kb、少なくとも120kb、少なくとも130kb、少なくとも140kb、少なくとも150kb、少なくとも160kb、少なくとも170kb、少なくとも180kb、少なくとも190kb、少なくとも200kb、少なくとも250kb、少なくとも300kb、少なくとも350kb、少なくとも400kb、少なくとも450kb、又は少なくとも500kbだけ離れている。特定の方法では、前記第1のCRISPR RNA認識配列と前記第2のCRISPR RNA認識配列とは、約25bp〜約50bp、約50bp〜約100bp、約100bp〜約150bp、約150bp〜約200bp、約200bp〜約250bp、約250bp〜約300bp、約300bp〜約350bp、約350bp〜約400bp、約400bp〜約450bp、約450bp〜約500bp、約500bp〜約600bp、約600bp〜約700bp、約700bp〜約800bp、約800bp〜約900bp、又は約900bp〜約1kbだけ離れている。特定の方法では、前記第1のCRISPR RNA認識配列と前記第2のCRISPR RNA認識配列とは、25bp未満、50bp未満、100bp未満、150bp未満、200bp未満、250bp未満、300bp未満、350bp未満、400bp未満、450bp未満、500bp未満、600bp未満、700bp未満、800bp未満、900bp未満、1kb未満、2kb未満、3kb未満、4kb未満、5kb未満、又は10kb未満だけ離れている。
RNAをコードしたDNAの形態で前記細胞に導入される。場合により、前記第1のCRISPR RNAをコードしたDNAは、第2の発現コンストラクト内の第2のプロモーターと機能的に連結され、前記第2のプロモーターは前記細胞内で活性である。特定の方法では、前記第2のCRISPR RNAは、RNAの形態で、又は前記第2のCRISPR RNAをコードしたDNAの形態で前記細胞に導入される。場合により、前記第2のCRISPR RNAをコードしたDNAは、第3の発現コンストラクト内の第3のプロモーターと機能的に連結され、前記第3のプロモーターは前記細胞内で活性である。特定の方法では、前記tracrRNAは、RNAの形態で、若しくは前記tracrRNAをコードしたDNAの形態で前記細胞に導入される。場合により、前記tracrRNAをコードしたDNAは、第4の発現コンストラクト内の第4のプロモーターと機能的に連結され、前記第4のプロモーターは前記細胞内で活性である。場合により、前記第1、第2、第3、及び/又は第4の発現コンストラクトは、1個の核酸分子の構成要素である。
本発明の実施形態において、例えば以下の項目が提供される。
(項目1)
細胞内のゲノムに両対立遺伝子改変を行うための方法であって、前記ゲノムを、
(a)第1のCasタンパク質、
(b)ゲノム標的遺伝子座内の第1のCRISPR RNA認識配列にハイブリダイズする第1のCRISPR RNA、
(c)前記ゲノム標的遺伝子座内の第2のCRISPR RNA認識配列にハイブリダイズする第2のCRISPR RNA、
(d)tracrRNA、及び
(e)前記細胞が1細胞期胚である場合にターゲティングベクターの長さは5kb以下であるものとして、5’標的配列にハイブリダイズする5’ホモロジーアームと3’標的配列にハイブリダイズする3’ホモロジーアームとを隣接させた核酸インサートを含むターゲティングベクター、と接触させることを含み、
前記ゲノムが、前記ゲノム標的遺伝子座を含む第1及び第2の相同染色体のペアを含み、
前記第1のCasタンパク質が、前記第1及び第2のCRISPR RNA認識配列の少なくとも一方を切断して前記第1及び第2の相同染色体の少なくとも一方に少なくとも1つの二本鎖切断を生ずる、方法。
(項目2)
前記改変されたゲノムを有する細胞を同定することを更に含む、項目1に記載の方法。
(項目3)
前記核酸インサートが、第1の標的配列にハイブリダイズする第1のホモロジーアームに隣接した選択カセットを含み
前記第1のホモロジーアームが前記5’ホモロジーアームであり、かつ前記第1の標的配列が前記5’標的配列であるか、又は前記第1のホモロジーアームが前記3’ホモロジーアームであり、かつ前記第1の標的配列が前記3’標的配列であり、
前記同定することが、
(a)前記細胞からDNAを得ることと、
(b)前記細胞の前記DNAを、前記第1の標的配列内に結合するプローブ、前記核酸インサート内に結合するプローブ、及び既知のコピー数を有する参照遺伝子内に結合するプローブに曝露することであって、各プローブは、結合する際に検出可能なシグナルを発生することと、
(c)前記プローブのそれぞれの結合からのシグナルを検出することと、
(d)前記参照遺伝子プローブからのシグナルを前記第1の標的配列プローブからのシグナルと比較して前記第1の標的配列のコピー数を決定し、前記参照遺伝子プローブからのシグナルを前記核酸インサートプローブからのシグナルと比較して前記核酸インサートのコピー数を決定することと、を含み、
前記核酸インサートのコピー数が1又は2であり、前記第1の標的配列のコピー数が2である場合には、前記ゲノム標的遺伝子座への前記核酸インサートのターゲティングによる挿入を示し、
前記核酸インサートのコピー数が1以上であり、前記第1の標的配列のコピー数が3以上である場合には、前記ゲノム標的遺伝子座以外のゲノム遺伝子座への前記核酸インサートのランダムな挿入を示す、項目2に記載の方法。
(項目4)
前記第1のCasタンパク質が、前記第1及び第2の相同染色体のそれぞれの前記第1及び第2のCRISPR RNA認識配列の少なくとも一方を切断して前記第1及び第2の相同染色体のそれぞれに少なくとも1つの二本鎖切断を生ずる、項目1〜3のいずれかに記載の方法。
(項目5)
前記第1のCasタンパク質が、前記第1及び第2の相同染色体の少なくとも一方の前記第1及び第2のCRISPR RNA認識配列を切断して前記第1及び第2の相同染色体の少なくとも一方に少なくとも2つの二本鎖切断を生ずる、項目1〜4のいずれかに記載の方法。
(項目6)
前記ゲノムを、
(f)前記ゲノム標的遺伝子座内の第3のCRISPR RNA認識配列にハイブリダイズする第3のCRISPR RNA、及び
(g)前記ゲノム標的遺伝子座内の第4のCRISPR RNA認識配列にハイブリダイズする第4のCRISPR RNAと接触させることを更に含む、項目1〜5のいずれかに記載の方法。
(項目7)
(a)前記第1のCRISPR RNA認識配列と前記第3のCRISPR RNA認識配列とが、約25bp〜約50bp、約50bp〜約100bp、約100bp〜約150bp、約150bp〜約200bp、約200bp〜約250bp、約250bp〜約300bp、約300bp〜約350bp、約350bp〜約400bp、約400bp〜約450bp、約450bp〜約500bp、約500bp〜約600bp、約600bp〜約700bp、約700bp〜約800bp、約800bp〜約900bp、約900bp〜約1kb、約1kb〜約2kb、約2kb〜約3kb、約3kb〜約4kb、約4kb〜約5kb、約5kb〜約6kb、約6kb〜約7kb、約7kb〜約8kb、約8kb〜約9kb、約9kb〜約10kb、約10kb〜約20kb、約20kb〜約30kb、約30kb〜約40kb、約40kb〜約50kb、約50kb〜約60kb、約60kb〜約70kb、約70kb〜約80kb、約80kb〜約90kb、又は約90kb〜約100kbだけ離れており、かつ/又は
(b)前記第2のCRISPR RNA認識配列と前記第4のCRISPR RNA認識配列とが、約25bp〜約50bp、約50bp〜約100bp、約100bp〜約150bp、約150bp〜約200bp、約200bp〜約250bp、約250bp〜約300bp、約300bp〜約350bp、約350bp〜約400bp、約400bp〜約450bp、約450bp〜約500bp、約500bp〜約600bp、約600bp〜約700bp、約700bp〜約800bp、約800bp〜約900bp、約900bp〜約1kb、約1kb〜約2kb、約2kb〜約3kb、約3kb〜約4kb、約4kb〜約5kb、約5kb〜約6kb、約6kb〜約7kb、約7kb〜約8kb、約8kb〜約9kb、約9kb〜約10kb、約10kb〜約20kb、約20kb〜約30kb、約30kb〜約40kb、約40kb〜約50kb、約50kb〜約60kb、約60kb〜約70kb、約70kb〜約80kb、約80kb〜約90kb、又は約90kb〜約100kbだけ離れている、項目6に記載の方法。
(項目8)
前記第1及び第3のCRISPR RNA認識配列がCRISPR RNA認識配列の第1のペアであり、前記第2及び第4のCRISPR RNA認識配列がCRISPR RNA認識配列の第2のペアであり、前記第1のペアと前記第2のペアとが、約25bp〜約50bp、約50bp〜約100bp、約100bp〜約150bp、約150bp〜約200bp、約200bp〜約250bp、約250bp〜約300bp、約300bp〜約350bp、約350bp〜約400bp、約400bp〜約450bp、約450bp〜約500bp、約500bp〜約600bp、約600bp〜約700bp、約700bp〜約800bp、約800bp〜約900bp、約900bp〜約1kb、約1kb〜約5kb、約5kb〜約10kb、約10kb〜約20kb、約20kb〜約40kb、約40kb〜約60kb、約60kb〜約80kb、約80kb〜約100kb、約100kb〜約150kb、約150kb〜約200kb、約200kb〜約300kb、約300kb〜約400kb、約400kb〜約500kb、約500kb〜約1Mb、約1Mb〜約1.5Mb、約1.5Mb〜約2Mb、約2Mb〜約2.5Mb、約2.5Mb〜約3Mb、約3Mb〜約4Mb、約4Mb〜約5Mb、約5Mb〜約10Mb、約10Mb〜約20Mb、約20Mb〜約30Mb、約30Mb〜約40Mb、約40Mb〜約50Mb、約50Mb〜約60Mb、約60Mb〜約70Mb、約70Mb〜約80Mb、約80Mb〜約90Mb、又は約90Mb〜約100Mbだけ離れている、項目6又は7に記載の方法。
(項目9)
前記第1のCasタンパク質が、前記第1、第2、第3、及び第4のCRISPR RNA認識配列のうちの少なくとも2つを切断して前記第1及び第2の相同染色体の少なくとも一方に少なくとも2つの二本鎖切断を生ずる、項目8に記載の方法。
(項目10)
前記第1のCasタンパク質が、前記第1、第2、第3、及び第4のCRISPR RNA認識配列のうちの少なくとも2つを切断して前記第1及び第2の相同染色体の両方に少なくとも2つの二本鎖切断を生ずる、項目9に記載の方法。
(項目11)
前記ゲノムを前記第1及び第2のCRISPR RNAの両方と接触させることにより、前記ゲノムを前記第1のCRISPR RNA又は第2のCRISPR RNAのいずれか単独と接触させる場合と比較して両対立遺伝子改変の効率が高くなる、項目1〜10のいずれかに記載の方法。
(項目12)
前記核酸インサートが前記5’標的配列と前記3’標的配列との間に挿入される、項目1〜11のいずれかに記載の方法。
(項目13)
前記細胞が二倍体であり、前記両対立遺伝子改変によって、前記ゲノム標的遺伝子座にホモ接合性、複合ヘテロ接合性、又はヘミ接合性が生じる、項目1〜12のいずれかに記載の方法。
(項目14)
前記両対立遺伝子改変が、前記第1の相同染色体の前記第1のCRISPR RNA認識配列と前記第2のCRISPR RNA認識配列との間の欠失を含む、項目1〜13のいずれかに記載の方法。
(項目15)
前記両対立遺伝子改変が、前記第1及び第2の相同染色体の両方の前記第1のCRISPR RNA認識配列と前記第2のCRISPR RNA認識配列との間の前記欠失を含む、項目14に記載の方法。
(項目16)
前記両対立遺伝子改変が、前記第1及び第2の相同染色体の両方の前記5’標的配列と前記3’標的配列との間への前記核酸インサートの挿入を更に含む、項目15に記載の方法。
(項目17)
前記両対立遺伝子改変が、
(a)前記第1及び第2の相同染色体の両方の前記第1のCRISPR RNA認識配列と前記第2のCRISPR RNA認識配列との間の前記欠失、及び前記第2の相同染色体ではなく、前記第1の相同染色体の前記5’標的配列と前記3’標的配列との間への前記核酸インサートの挿入、
(b)前記第1の相同染色体の前記第1のCRISPR RNA認識配列と前記第2のCRISPR RNA認識配列との間の前記欠失、及び前記第2の相同染色体の前記第1のCRISPR RNA認識配列と前記第2のCRISPR RNA認識配列との間の遺伝子座の破壊、
(c)前記第1の相同染色体の前記第1のCRISPR RNA認識配列と前記第2のCRISPR RNA認識配列との間の前記欠失、前記第1の相同染色体の前記5’標的配列と前記3’標的配列との間への前記核酸インサートの挿入、及び前記第2の相同染色体の前記5’標的配列と前記3’標的配列との間の遺伝子座の破壊、又は、
(d)前記第1の相同染色体の前記第1のCRISPR RNA認識配列と前記第2のCRISPR RNA認識配列との間の前記欠失、及び前記第1の相同染色体の前記5’標的配列と前記3’標的配列との間への前記核酸インサートの挿入を含み、前記核酸インサート配列が、前記欠失される配列とホモロガスであるか又はオルソロガスである、項目14に記載の方法。
(項目18)
(a)前記第1及び第2のCRISPR RNA認識配列がそれぞれ、前記5’及び3’標的配列の両方から、少なくとも50bp、少なくとも100bp、少なくとも200bp、少なくとも300bp、少なくとも400bp、少なくとも500bp、少なくとも600bp、少なくとも700bp、少なくとも800bp、少なくとも900bp、少なくとも1kb、少なくとも2kb、少なくとも3kb、少なくとも4kb、少なくとも5kb、少なくとも6kb、少なくとも7kb、少なくとも8kb、少なくとも9kb、少なくとも10kb、少なくとも20kb、少なくとも30kb、少なくとも40kb、少なくとも50kb、少なくとも60kb、少なくとも70kb、少なくとも80kb、少なくとも90kb、若しくは少なくとも100kbに位置しているか、
(b)前記第1及び第2のCRISPR RNA認識配列がそれぞれ、前記5’及び3’標的配列の両方から、50bpより遠く、100bpより遠く、200bpより遠く、300bpより遠く、400bpより遠く、500bpより遠く、600bpより遠く、700bpより遠く、800bpより遠く、900bpより遠く、1kbより遠く、2kbより遠く、3kbより遠く、4kbより遠く、5kbより遠く、6kbより遠く、7kbより遠く、8kbより遠く、9kbより遠く、10kbより遠く、20kbより遠く、30kbより遠く、40kbより遠く、50kbより遠く、60kbより遠く、70kbより遠く、80kbより遠く、90kbより遠く、若しくは100kbより遠くに位置しているか、又は、
(c)前記第1及び第2のCRISPR RNA認識配列がそれぞれ、前記5’及び3’標的配列の両方から、約50bp〜約100bp、約200bp〜約300bp、約300bp〜約400bp、約400bp〜約500bp、約500bp〜約600bp、約600bp〜約700bp、約700bp〜約800bp、約800bp〜約900bp、約900bp〜約1kb、約1kb〜約2kb、約2kb〜約3kb、約3kb〜約4kb、約4kb〜約5kb、約5kb〜約10kb、約10kb〜約20kb、約20kb〜約30kb、約30kb〜約40kb、約40kb〜約50kb、若しくは約50kb〜約100kbに位置している、項目1〜17のいずれかに記載の方法。
(項目19)
(a)前記第1のCRISPR RNA認識配列と前記第2のCRISPR RNA認識配列とが、約1kb〜約5kb、約5kb〜約10kb、約10kb〜約20kb、約20kb〜約40kb、約40kb〜約60kb、約60kb〜約80kb、約80kb〜約100kb、約100kb〜約150kb、約150kb〜約200kb、約200kb〜約300kb、約300kb〜約400kb、約400kb〜約500kb、約500kb〜約1Mb、約1Mb〜約1.5Mb、約1.5Mb〜約2Mb、約2Mb〜約2.5Mb、若しくは約2.5Mb〜約3Mbだけ離れているか、
(b)前記第1のCRISPR RNA認識配列と前記第2のCRISPR RNA認識配列とが、少なくとも1kb、少なくとも2kb、少なくとも3kb、少なくとも4kb、少なくとも5kb、少なくとも10kb、少なくとも20kb、少なくとも30kb、少なくとも40kb、少なくとも50kb、少なくとも60kb、少なくとも70kb、少なくとも80kb、少なくとも90kb、少なくとも100kb、少なくとも110kb、少なくとも120kb、少なくとも130kb、少なくとも140kb、少なくとも150kb、少なくとも160kb、少なくとも170kb、少なくとも180kb、少なくとも190kb、少なくとも200kb、少なくとも250kb、少なくとも300kb、少なくとも350kb、少なくとも400kb、少なくとも450kb、若しくは少なくとも500kbだけ離れているか、
(c)前記第1のCRISPR RNA認識配列と前記第2のCRISPR RNA認識配列とが、約25bp〜約50bp、約50bp〜約100bp、約100bp〜約150bp、約150bp〜約200bp、約200bp〜約250bp、約250bp〜約300bp、約300bp〜約350bp、約350bp〜約400bp、約400bp〜約450bp、約450bp〜約500bp、約500bp〜約600bp、約600bp〜約700bp、約700bp〜約800bp、約800bp〜約900bp、若しくは約900bp〜約1kbだけ離れているか、又は、
(d)前記第1のCRISPR RNA認識配列と前記第2のCRISPR RNA認識配列とが、25bp未満、50bp未満、100bp未満、150bp未満、200bp未満、250bp未満、300bp未満、350bp未満、400bp未満、450bp未満、500bp未満、600bp未満、700bp未満、800bp未満、900bp未満、1kb未満、2kb未満、3kb未満、4kb未満、5kb未満、若しくは10kb未満だけ離れている、項目1〜18のいずれかに記載の方法。
(項目20)
(a)前記欠失される核酸が、約5kb〜約10kb、約10kb〜約20kb、約20kb〜約40kb、約40kb〜約60kb、約60kb〜約80kb、約80kb〜約100kb、約100kb〜約150kb、約150kb〜約200kb、約200kb〜約300kb、約300kb〜約400kb、約400kb〜約500kb、約500kb〜約1Mb、約1Mb〜約1.5Mb、約1.5Mb〜約2Mb、約2Mb〜約2.5Mb、若しくは約2.5Mb〜約3Mbであるか、又は、
(b)前記欠失される核酸が、少なくとも20kb、少なくとも30kb、少なくとも40kb、少なくとも50kb、少なくとも60kb、少なくとも70kb、少なくとも80kb、少なくとも90kb、少なくとも100kb、少なくとも110kb、少なくとも120kb、少なくとも130kb、少なくとも140kb、少なくとも150kb、少なくとも160kb、少なくとも170kb、少なくとも180kb、少なくとも190kb、少なくとも200kb、少なくとも250kb、少なくとも300kb、少なくとも350kb、少なくとも400kb、少なくとも450kb、若しくは少なくとも500kbであるか、又は、
(c)前記欠失される核酸が、少なくとも550kb、少なくとも600kb、少なくとも650kb、少なくとも700kb、少なくとも750kb、少なくとも800kb、少なくとも850kb、少なくとも900kb、少なくとも950kb、少なくとも1Mb、少なくとも1.5Mb、若しくは少なくとも2Mbである、項目14〜19のいずれか一項に記載の方法。
(項目21)
前記5’及び3’標的配列が、前記ゲノム標的遺伝子座内にある、項目1〜20のいずれかに記載の方法。
(項目22)
前記ターゲティングベクターが直鎖状の形態である、項目1〜21のいずれかに記載の方法。
(項目23)
前記ターゲティングベクターが一本鎖又は二本鎖である、項目1〜22のいずれかに記載の方法。
(項目24)
前記細胞が真核細胞である、項目1〜23のいずれかに記載の方法。
(項目25)
前記真核細胞が、哺乳動物細胞、ヒト細胞、非ヒト細胞、げっ歯類細胞、マウス細胞、ラット細胞、多能性細胞、非多能性細胞、非ヒト多能性細胞、ヒト多能性細胞、げっ歯類多能性細胞、マウス多能性細胞、ラット多能性細胞、マウス胚性幹(ES)細胞、ラットES細胞、ヒトES細胞、ヒト成人幹細胞、発生的に制限されたヒト前駆細胞、ヒト人工多能性幹(iPS)細胞、又は1細胞期胚である、項目24に記載の方法。
(項目26)
前記細胞が1細胞期胚であり、
(a)前記ターゲティングベクターの長さが約50ヌクレオチド〜約5kbであるか、又は、
(b)前記ターゲティングベクターが一本鎖DNAであり、その長さが約60〜約200ヌクレオチドである、項目25に記載の方法。
(項目27)
前記細胞が1細胞期胚ではなく、
(a)前記ターゲティングベクターが、少なくとも10kbのラージターゲティングベクター(LTVEC)であるか、又は、
(b)前記ターゲティングベクターがラージターゲティングベクター(LTVEC)であり、前記LTVECの前記5’及び3’ホモロジーアームの合計が少なくとも10kbである、項目25に記載の方法。
(項目28)
(a)前記LTVECが、約50kb〜約300kb、約50kb〜約75kb、約75kb〜約100kb、約100kb〜約125kb、約125kb〜約150kb、約150kb〜約175kb、約175kb〜約200kb、約200kb〜約225kb、約225kb〜約250kb、約250kb〜約275kb、若しくは約275kb〜約300kbであるか、又は、
(b)前記LTVECの前記5’及び3’ホモロジーアームの合計が、約10kb〜約20kb、約20kb〜約30kb、約30kb〜約40kb、約40kb〜約50kb、約50kb〜約60kb、約60kb〜約70kb、約70kb〜約80kb、約80kb〜約90kb、約90kb〜約100kb、約100kb〜約110kb、約110kb〜約120kb、約120kb〜約130kb、約130kb〜約140kb、約140kb〜約150kb、約150kb〜約160kb、約160kb〜約170kb、約170kb〜約180kb、約180kb〜約190kb、又は約190kb〜約200kbである、項目27に記載の方法。
(項目29)
前記細胞が1細胞期胚ではなく、
前記ターゲティングベクターがラージターゲティングベクター(LTVEC)であり、前記5’及び3’ホモロジーアームの合計が少なくとも10kbであり、
前記第1及び第2のCRISPR RNA認識配列がそれぞれ、前記5’及び3’標的配列の両方から、200bpより遠く、300bpより遠く、400bpより遠く、500bpより遠く、600bpより遠く、700bpより遠く、800bpより遠く、900bpより遠く、1kbより遠く、2kbより遠く、3kbより遠く、4kbより遠く、5kbより遠く、6kbより遠く、7kbより遠く、8kbより遠く、9kbより遠く、10kbより遠く、20kbより遠く、30kbより遠く、40kbより遠く、50kbより遠く、60kbより遠く、70kbより遠く、80kbより遠く、90kbより遠く、若しくは100kbより遠くに位置しており、
前記第1のCasタンパク質が、前記第1及び第2の相同染色体の少なくとも一方の前記第1及び第2のCRISPR RNA認識配列を切断して前記第1及び第2の相同染色体の少なくとも一方に少なくとも2つの二本鎖切断を生じ、
前記両対立遺伝子改変が、前記第1の相同染色体の前記第1のCRISPR RNA認識配列と前記第2のCRISPR RNA認識配列との間の前記欠失、及び前記第1の相同染色体の前記5’標的配列と前記3’標的配列との間への前記核酸インサートの挿入を含み、前記核酸インサート配列が、前記欠失される配列とホモロガスであるか又はオルソロガスである、項目1〜3のいずれか一項に記載の方法。
(項目30)
第1の対立遺伝子についてヘテロ接合型である細胞内のゲノムを改変するための方法であって、前記ゲノムを、
(a)第1のCasタンパク質、
(b)tracrRNA、及び
(c)第1の非対立遺伝子特異的CRISPR RNA認識配列にハイブリダイズする第1のCRISPR RNA、と接触させることを含み、前記第1の対立遺伝子が第1の相同染色体上にあり、前記CRISPR RNA認識配列が、第2の相同染色体上の、前記第1の対立遺伝子に対応する遺伝子座に対してセントロメア側にあり、
前記第1のCasタンパク質が前記第1のCRISPR RNA認識配列を切断して二本鎖切断を生じ、前記細胞が前記第1の対立遺伝子についてホモ接合型となるように改変される、方法。
(項目31)
前記ゲノムを、第2の相同染色体上の、前記第1の対立遺伝子に対応する遺伝子座に対してセントロメア側の第2の非対立遺伝子特異的CRISPR RNA認識配列にハイブリダイズする第2のCRISPR RNAと接触させることを更に含み、
前記第1のCasタンパク質が、前記第1及び第2のCRISPR RNA認識配列の少なくとも一方を切断して少なくとも1つの二本鎖切断を生ずる、項目30に記載の方法。
(項目32)
前記第1のCasタンパク質が、前記第1のCRISPR RNA認識配列及び前記第2のCRISPR RNA認識配列を切断する、項目31に記載の方法。
(項目33)
ヘテロ接合性の喪失が前記二本鎖切断のテロメア側で生じる、項目30〜32のいずれか一項に記載の方法。
(項目34)
前記第1及び第2のCRISPR RNA認識配列が、前記第2の相同染色体上に位置し、前記第1の相同染色体上には位置していない、項目31〜33のいずれか一項に記載の方法。
(項目35)
前記第1のCRISPR RNA認識部位が、セントロメアから約100bp〜約1kb、約1kb〜約10kb、約10kb〜約100kb、約100kb〜約1Mb、約1Mb〜約10Mb、約10Mb〜約20Mb、約20Mb〜約30Mb、約30Mb〜約40Mb、約40Mb〜約50Mb、約50Mb〜約60Mb、約60Mb〜約70Mb、約70Mb〜約80Mb、約80Mb〜約90Mb、又は約90Mb〜約100Mbにある、項目30〜34のいずれか一項に記載の方法。
(項目36)
前記第1の対立遺伝子が、前記第1のCRISPR RNA認識配列から約100bp〜約1kb、約1kb〜約10kb、約10kb〜約100kb、約100kb〜約1Mb、約1Mb〜約10Mb、約10Mb〜約20Mb、約20Mb〜約30Mb、約30Mb〜約40Mb、約40Mb〜約50Mb、約50Mb〜約60Mb、約60Mb〜約70Mb、約70Mb〜約80Mb、約80Mb〜約90Mb、又は約90Mb〜約100Mbにある、項目30〜35のいずれか一項に記載の方法。
(項目37)
ヘテロ接合性の喪失によって置換される前記第2の相同染色体の領域が、約100bp〜約1kb、約1kb〜約10kb、約10kb〜約100kb、約100kb〜約1Mb、約1Mb〜約10Mb、約10Mb〜約20Mb、約20Mb〜約30Mb、約30Mb〜約40Mb、約40Mb〜約50Mb、約50Mb〜約60Mb、約60Mb〜約70Mb、約70Mb〜約80Mb、約80Mb〜約90Mb、又は約90Mb〜約100Mbである、項目30〜36のいずれか一項に記載の方法。
(項目38)
(a)前記第1の対立遺伝子が突然変異を有するか、又は、
(b)前記第1の対立遺伝子が野生型対立遺伝子であり、前記第2の相同染色体上の対応する遺伝子座が突然変異を有する、項目30〜37のいずれか一項に記載の方法。
(項目39)
前記第1の対立遺伝子が突然変異を有し、前記突然変異がターゲティングによる改変である、項目38に記載の方法。
(項目40)
第1の対立遺伝子についてヘテロ接合型である細胞内のゲノムを改変するための方法であって、前記ゲノムを、
(a)第1のCasタンパク質、
(b)tracrRNA、
(c)第2の対立遺伝子内の第1のCRISPR RNA認識配列にハイブリダイズする第1のCRISPR RNAであって、前記第1の対立遺伝子が第1の相同染色体上にあり、前記第2の対立遺伝子が第2の相同染色体上の対応する遺伝子座にある、第1のCRISPR RNA、及び
(d)前記第2の対立遺伝子内の第2のCRISPR RNA認識配列にハイブリダイズする第2のCRISPR RNA、と接触させることを含み、
前記第1のCasタンパク質が前記第1及び第2のCRISPR RNA認識配列の少なくとも一方を切断することで、少なくとも1つの二本鎖切断及び組換えを起こす末端配列を生じ、前記組換えが前記第1の対立遺伝子と前記第2の対立遺伝子との間で起こることで、前記第1の対立遺伝子についてホモ接合型である改変されたゲノムを生じる、方法。
(項目41)
前記第1のCasタンパク質が、前記第1のCRISPR RNA認識配列及び前記第2のCRISPR RNA認識配列を切断する、項目40に記載の方法。
(項目42)
前記第1及び第2のCRISPR RNA認識配列が前記第2の対立遺伝子内に位置し、前記第1の対立遺伝子内には位置していない、項目40又は41に記載の方法。
(項目43)
(a)前記第1のCRISPR RNA認識配列と前記第2のCRISPR RNA認識配列とが、約1kb〜約5kb、約5kb〜約10kb、約10kb〜約20kb、約20kb〜約40kb、約40kb〜約60kb、約60kb〜約80kb、約80kb〜約100kb、約100kb〜約150kb、約150kb〜約200kb、約200kb〜約300kb、約300kb〜約400kb、約400kb〜約500kb、約500kb〜約1Mb、約1Mb〜約1.5Mb、約1.5Mb〜約2Mb、約2Mb〜約2.5Mb、若しくは約2.5Mb〜約3Mbだけ離れているか、又は、
(b)前記第1のCRISPR RNA認識配列と前記第2のCRISPR RNA認識配列とが、少なくとも1kb、少なくとも2kb、少なくとも3kb、少なくとも4kb、少なくとも5kb、少なくとも10kb、少なくとも20kb、少なくとも30kb、少なくとも40kb、少なくとも50kb、少なくとも60kb、少なくとも70kb、少なくとも80kb、少なくとも90kb、少なくとも100kb、少なくとも110kb、少なくとも120kb、少なくとも130kb、少なくとも140kb、少なくとも150kb、少なくとも160kb、少なくとも170kb、少なくとも180kb、少なくとも190kb、少なくとも200kb、少なくとも250kb、少なくとも300kb、少なくとも350kb、少なくとも400kb、少なくとも450kb、若しくは少なくとも500kbだけ離れている、項目40〜42のいずれか一項に記載の方法。(項目44)
(a)前記第1の対立遺伝子と前記第2の対立遺伝子との間の配列の相違が、約100bp〜約200bp、約200bp〜約400bp、約400bp〜約600bp、約600bp〜約800bp、約800bp〜約1kb、約1kb〜約2kb、約2kb〜約3kb、約4kb〜約5kb、約5kb〜約10kb、約10kb〜約20kb、約20kb〜約40kb、約40kb〜約60kb、約60kb〜約80kb、約80kb〜約100kb、約100kb〜約150kb、約150kb〜約200kb、約200kb〜約300kb、約300kb〜約400kb、約400kb〜約500kb、約500kb〜約1Mb、約1Mb〜約1.5Mb、約1.5Mb〜約2Mb、約2Mb〜約2.5Mb、若しくは約2.5Mb〜約3Mbにわたるか、又は、
(b)前記第1の対立遺伝子と前記第2の対立遺伝子との間の配列の相違が、少なくとも100bp、少なくとも200bp、少なくとも300bp、少なくとも400bp、少なくとも500bp、少なくとも600bp、少なくとも700bp、少なくとも800bp、少なくとも800bp、少なくとも1kb、少なくとも2kb、少なくとも3kb、少なくとも4kb、少なくとも5kb、少なくとも6kb、少なくとも7kb、少なくとも8kb、少なくとも9kb、少なくとも10kb、20kb、少なくとも30kb、少なくとも40kb、少なくとも50kb、少なくとも60kb、少なくとも70kb、少なくとも80kb、少なくとも90kb、少なくとも100kb、少なくとも110kb、少なくとも120kb、少なくとも130kb、少なくとも140kb、少なくとも150kb、少なくとも160kb、少なくとも170kb、少なくとも180kb、少なくとも190kb、少なくとも200kb、少なくとも250kb、少なくとも300kb、少なくとも350kb、少なくとも400kb、少なくとも450kb、又は少なくとも500kbにわたる、項目40〜43のいずれか一項に記載の方法。
(項目45)
(a)前記第1の対立遺伝子がターゲティングによる改変を有し、前記第2の対立遺伝子が野生型対立遺伝子であるか、又は、
(b)前記第1の対立遺伝子が野生型対立遺伝子であり、前記第2の対立遺伝子が疾患原因突然変異を有する、項目40〜44のいずれか一項に記載の方法。
(項目46)
前記組換えが、遺伝子変換又はヘテロ接合性の喪失(LOH)を含む、項目40〜45のいずれか一項に記載の方法。
(項目47)
前記第1の対立遺伝子についてホモ接合型である細胞を同定することを更に含む、項目30〜46のいずれか一項に記載の方法。
(項目48)
前記Casタンパク質と前記第1のCRISPR RNAとが天然に一緒に存在していない、項目30〜47のいずれか一項に記載の方法。
(項目49)
前記細胞が真核細胞である、項目30〜48のいずれか一項に記載の方法。
(項目50)
前記真核細胞が、哺乳動物細胞、ヒト細胞、非ヒト細胞、げっ歯類細胞、マウス細胞、ラット細胞、多能性細胞、非多能性細胞、非ヒト多能性細胞、ヒト多能性細胞、げっ歯類多能性細胞、マウス多能性細胞、ラット多能性細胞、マウス胚性幹(ES)細胞、ラットES細胞、ヒトES細胞、ヒト成人幹細胞、発生的に制限されたヒト前駆細胞、ヒト人工多能性幹(iPS)細胞、又は1細胞期胚である、項目49に記載の方法。
(項目51)
前記第1のCasタンパク質がCas9である、項目1〜50のいずれかに記載の方法。
(項目52)
前記第1のCasタンパク質が、二本鎖DNAの両方の鎖に対してヌクレアーゼ活性を有する、項目1〜51のいずれかに記載の方法。
(項目53)
前記第1のCasタンパク質がニッカーゼである、項目1〜51のいずれか一項に記載の方法。
(項目54)
前記第1のCasタンパク質がニッカーゼであり、前記方法が、前記ゲノムを、
(f)ニッカーゼである第2のCasタンパク質、
(g)第3のCRISPR RNA認識配列にハイブリダイズする第3のCRISPR
RNA、及び
(h)第4のCRISPR RNA認識配列にハイブリダイズする第4のCRISPR
RNA、と接触させることを更に含み、
前記第1のCasタンパク質が、前記第1のCRISPR RNA認識配列内及び前記第2のCRISPR RNA認識配列内のゲノムDNAの第1の鎖を切断し、前記第2のCasタンパク質が、前記第3のCRISPR RNA認識配列内及び前記第4のCRISPR RNA認識配列内のゲノムDNAの第2の鎖を切断する、項目1〜39及び項目41〜53のいずれか一項に記載の方法。
(項目55)
(a)前記第1のCRISPR RNAと前記tracrRNAとが互いに第1のガイドRNA(gRNA)として融合され、かつ/若しくは前記第2のCRISPR RNAと前記tracrRNAとが互いに第2のgRNAとして融合されているか、又は、
(b)前記第1のCRISPR RNAと前記tracrRNAとが別々のRNA分子であり、かつ/若しくは前記第2のCRISPR RNAと前記tracrRNAとが別々のRNA分子である、項目1〜29及び項目31〜54のいずれか一項に記載の方法。(項目56)
前記接触させることが、前記第1のCasタンパク質、前記第1及び第2のCRISPR RNA、及び前記tracrRNAを前記細胞に導入することを含む、項目1〜55のいずれかに記載の方法。
(項目57)
(a)前記第1のCasタンパク質が、タンパク質、前記第1のCasタンパク質をコードしたメッセンジャーRNA(mRNA)、若しくは前記第1のCasタンパク質をコードしたDNAの形態で前記細胞に導入され、
(b)前記第1のCRISPR RNAが、RNAの形態で、若しくは前記第1のCRISPR RNAをコードしたDNAの形態で前記細胞に導入され、
(c)前記第2のCRISPR RNAが、RNAの形態で、若しくは前記第2のCRISPR RNAをコードしたDNAの形態で前記細胞に導入され、かつ/又は
(d)前記tracrRNAが、RNAの形態で、若しくは前記tracrRNAをコードしたDNAの形態で前記細胞に導入される、項目56に記載の方法。
(項目58)
前記第1のCasタンパク質、前記第1のCRISPR RNA、及び前記tracrRNAが、第1のタンパク質/RNA複合体として前記細胞に導入され、かつ/又は前記第1のCasタンパク質、前記第2のCRISPR RNA、及び前記tracrRNAが、第2のタンパク質/RNA複合体として前記細胞に導入される、項目57に記載の方法。
(項目59)
(a)前記第1のCasタンパク質をコードした前記DNAが、第1の発現コンストラクト内の第1のプロモーターと機能的に連結され、
(b)前記第1のCRISPR RNAをコードした前記DNAが、第2の発現コンストラクト内の第2のプロモーターと機能的に連結され、
(c)前記第2のCRISPR RNAをコードした前記DNAが、第3の発現コンストラクト内の第3のプロモーターと機能的に連結され、かつ/又は
(d)前記tracrRNAをコードした前記DNAが、第4の発現コンストラクト内の第4のプロモーターと機能的に連結されており、
前記第1、第2、第3、及び第4のプロモーターが前記細胞内で活性である、項目57に記載の方法。
(項目60)
前記第1、第2、第3、及び/又は第4の発現コンストラクトが、1個の核酸分子の構成要素である、項目59に記載の方法。
(項目61)
(a)前記第1のCasタンパク質をコードした前記DNAが、第1の発現コンストラクト内の第1のプロモーターと機能的に連結され、
(b)前記第1のCRISPR RNAをコードした前記DNAと前記tracrRNAをコードした前記DNAとが、第1のガイドRNA(gRNA)をコードするDNAに互いに融合されるとともに第2の発現コンストラクト内の第2のプロモーターと機能的に連結され、かつ/又は、
(c)前記第2のCRISPR RNAをコードした前記DNAと前記tracrRNAをコードした前記DNAとが、第2のgRNAをコードするDNAに互いに融合されるとともに第3の発現コンストラクト内の第3のプロモーターと機能的に連結されており、
前記第1、第2、及び第3のプロモーターが前記細胞内で活性である、項目57に記載の方法。
(項目62)
前記第1、第2、及び/又は第3の発現コンストラクトが、1個の核酸分子の構成要素である、項目61に記載の方法。
(項目63)
前記細胞が、非相同性末端結合(NHEJ)を低下させるか、かつ/又は遺伝子変換若しくは相同組換え型修復(HDR)を増大させるように改変されている、項目1〜62のいずれかに記載の方法。
(項目64)
前記細胞が、DNA−PK、PARP1、及びリガーゼIVのうちの1つ以上の発現又は活性を低下させるように改変されている、項目63に記載の方法。
(項目65)
前記発現又は活性の低下が、誘導性、可逆性、時間特異的、及び/又は空間特異的である、項目64に記載の方法。
(項目66)
F0世代の非ヒト動物を作成するための方法であって、
(a)項目1〜25及び項目27〜65のいずれか一項に記載の方法によって作成された非ヒトES細胞を非ヒト宿主胚に導入することと、
(b)前記非ヒト宿主胚を代理母に懐胎させることと、を含み、
前記代理母が、前記両対立遺伝子改変を有する前記F0世代の非ヒト動物を作る、方法。
(項目67)
F0世代の非ヒト動物を作成するための方法であって、項目1〜26及び項目30〜65のいずれか一項に記載の方法によって作成された遺伝子改変された1細胞期胚を代理母に移植することを含み、
前記代理母が、前記両対立遺伝子改変を有する前記F0世代の非ヒト動物を作る、方法。
(項目68)
前記非ヒト動物がマウス又はラットである、項目66又は67に記載の方法。
(項目69)
1細胞期胚ではない二倍体細胞の標的ゲノム遺伝子座への核酸インサートのターゲティングによる挿入を同定するための方法であって、
(a)前記細胞からDNAを得ることであって、前記細胞が、第1の標的配列にハイブリダイズする第1のホモロジーアームと第2の標的配列にハイブリダイズする第2のホモロジーアームとを隣接させた前記核酸インサートを含むラージターゲティングベクター(LTVEC)と接触させられ、前記核酸インサートが、前記第1のホモロジーアームに隣接した選択カセットを含むことと、
(b)前記細胞の前記DNAを、前記第1の標的配列内に結合するプローブ、前記核酸インサート内に結合するプローブ、及び既知のコピー数を有する参照遺伝子内に結合するプローブに曝露することであって、各プローブは、結合する際に検出可能なシグナルを発生することと、
(c)前記プローブのそれぞれの結合からのシグナルを検出することと、
(d)前記参照遺伝子プローブからのシグナルを前記第1の標的配列プローブからのシグナルと比較して前記第1の標的配列のコピー数を決定し、前記参照遺伝子プローブからのシグナルを前記核酸インサートプローブからのシグナルと比較して前記核酸インサートのコピー数を決定することと、を含み、
前記核酸インサートのコピー数が1又は2であり、前記第1の標的配列のコピー数が2である場合には、前記標的ゲノム遺伝子座への前記核酸インサートのターゲティングによる挿入を示し、
前記核酸インサートのコピー数が1以上であり、前記第1の標的配列のコピー数が3以上である場合には、前記標的ゲノム遺伝子座以外のゲノム遺伝子座への前記核酸インサートのランダムな挿入を示す、方法。
(項目70)
前記第1の標的配列プローブの結合からのシグナルを用いて前記第1の標的配列の閾サイクル(Ct)値を決定し、前記参照遺伝子プローブの結合からのシグナルを用いて前記参照遺伝子の閾サイクル(Ct)値を決定し、前記第1の標的配列のCt値と前記参照遺伝子のCt値とを比較することによって前記第1の標的配列のコピー数を決定し、
前記核酸インサートプローブの結合からのシグナルを用いて前記核酸インサートの閾サイクル(Ct)値を決定し、前記第1の標的配列のCt値と前記参照遺伝子のCt値とを比較することによって前記核酸インサートのコピー数を決定する、項目69に記載の方法。
(項目71)
前記選択カセットが薬剤耐性遺伝子を含む、項目69又は70に記載の方法。
(項目72)
前記核酸インサートが、少なくとも5kb、少なくとも10kb、少なくとも20kb、少なくとも30kb、少なくとも40kb、少なくとも50kb、少なくとも60kb、少なくとも70kb、少なくとも80kb、少なくとも90kb、少なくとも100kb、少なくとも150kb、少なくとも200kb、少なくとも250kb、少なくとも300kb、少なくとも350kb、少なくとも400kb、少なくとも450kb、又は少なくとも500kbである、項目69〜71のいずれか一項に記載の方法。
(項目73)
前記プローブが前記第1の標的配列及び前記選択カセット内で結合する配列間の距離が、100ヌクレオチド、200ヌクレオチド、300ヌクレオチド、400ヌクレオチド、500ヌクレオチド、600ヌクレオチド、700ヌクレオチド、800ヌクレオチド、900ヌクレオチド、1kb、1.5kb、2kb、2.5kb、3kb、3.5kb、4kb、4.5kb、又は5kb以下である、項目69〜72のいずれか一項に記載の方法。
(項目74)
前記第2の標的配列のコピー数を決定することを更に含む、項目69〜73のいずれか一項に記載の方法。
(項目75)
前記工程(b)が、前記細胞の前記DNAを前記第2の標的配列に結合するプローブに曝露することを更に含み、
前記工程(c)が、前記第2の標的配列プローブの結合からのシグナルを検出することを更に含み、
前記工程(d)が、前記参照遺伝子プローブからのシグナルを前記第2の標的配列プローブからのシグナルと比較して前記第2の標的配列のコピー数を決定することを更に含む、項目74に記載の方法。
(項目76)
前記核酸インサート内の1つ以上の更なる配列の前記コピー数を決定することを更に含む、項目69〜75のいずれか一項に記載の方法。
(項目77)
前記工程(b)が、前記細胞の前記DNAを前記核酸インサートに結合する1つ以上の更なるプローブに曝露することを更に含み、
前記工程(c)が、前記1つ以上の更なるプローブの結合からのシグナルを検出することを更に含み、
前記工程(d)が、前記参照遺伝子プローブからのシグナルを、前記1つ以上の更なる核酸インサートプローブからのシグナルと比較して前記核酸インサート内の前記1つ以上の更なる配列のコピー数を決定することを更に含む、項目76に記載の方法。
(項目78)
前記核酸インサート内の前記1つ以上の更なる配列が、前記第2の標的配列に隣接した配列を含む、項目76又は77に記載の方法。
(項目79)
前記LTVECが、前記標的ゲノム遺伝子座から内因性配列を欠失させるように設計されているか、又は
前記細胞が、Casタンパク質、標的ゲノム遺伝子座内の第1のCRISPR RNA認識配列にハイブリダイズする第1のCRISPR RNA、前記標的ゲノム遺伝子座内の第2のCRISPR RNA認識配列にハイブリダイズする第2のCRISPR RNA、及びtracrRNAと更に接触させられている、項目69〜78のいずれか一項に記載の方法。
(項目80)
前記方法が、標的ゲノム遺伝子座における前記内因性配列のコピー数を決定することを更に含む、項目79に記載の方法。
(項目81)
前記工程(b)が、前記細胞の前記DNAを前記標的ゲノム遺伝子座における前記内因性配列に結合するプローブに曝露することを更に含み、
前記工程(c)が、前記内因性配列プローブの結合からのシグナルを検出することを更に含み、
前記工程(d)が、前記参照遺伝子プローブからのシグナルを前記内因性配列プローブからのシグナルと比較して前記内因性配列のコピー数を決定することを更に含む、項目80に記載の方法。
本明細書で互換的に使用される「タンパク質」、「ポリペプチド」、及び「ペプチド」なる用語には、コード及び非コードアミノ酸、並びに化学的又は生化学的に修飾又は誘導体化されたアミノ酸を含む、任意の長さのアミノ酸のポリマー形態が含まれる。これらの用語には、修飾されたペプチド主鎖を有するポリペプチドなどの修飾されたポリマーも含まれる。
NaCl水溶液中で既知のG+C含有量を有する核酸について推定することができるが、他の既知のTm計算は、核酸の構造的特徴を考慮したものもある。
Res.7:649〜656)を使用して、又は、Smith及びWatermanのアルゴリズム(Adv.Appl.Math.,1981,2,482〜489)を使用したデフォルト設定を用いたGapプログラム(Wisconsin Sequence
Analysis Package,Version 8 for Unix(登録商標),Genetics Computer Group,University Research Park,Madison Wis.)を使用して普通に決定することができる。
うにして計算される。
物又は方法は、具体的に列挙されていない他の要素を含みうる。例えば、あるタンパク質を「含む」又は「有する」組成物は、そのタンパク質を単独で、又は他の成分と組み合わせて含有することができる。
(発明を実施するための形態)
細胞内のゲノムを改変するための方法及び組成物が提供される。本方法及び組成物は、1つのゲノム標的遺伝子座内の異なる部位をターゲティングする2種類のガイドRNA(gRNA)を使用したCRISPR/Casシステムを用いるものである。例えば、本方法及び組成物は、2種類のガイドRNA(gRNA)を使用したCRISPR/Casシステムを用いることによって、1つのゲノム標的遺伝子座内の異なる部位に二本鎖切断のペアを形成することができる。また、本方法及び組成物は、2種類のガイドRNA(gRNA)を使用したCRISPR/Casシステムを用いることによって、1つのゲノム標的遺伝子座内の異なる部位に一本鎖切断のペアを形成することもできる。特定の方法では、2種類以上のガイドRNA(例えば3種類又は4種類)を使用することで例えば1つのゲノム標的遺伝子座内の異なる部位に2箇所以上の一本鎖切断又は二本鎖切断を形成することができる。
本明細書に開示される方法及び組成物は、CRISPR(Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats)/CRISPR関連(Cas)システム、又
はかかるシステムの構成要素を利用して細胞内のゲノムを改変することが可能である。CRISPR/Casシステムは、Cas遺伝子の発現に関与するか又はその活性を誘導する転写産物及び他のエレメントを含む。CRISPR/Casシステムは、I型、II型、又はIII型のシステムであってよい。本明細書に開示される方法及び組成物は、CRISPR複合体(Casタンパク質と複合体を形成したガイドRNA(gRNA)からなる)を核酸の部位特異的な切断に利用することによってCRISPR/Casシステムを用いるものである。
Casタンパク質は一般的に少なくとも1つのRNA認識又は結合ドメインを有している。そのようなドメインは、ガイドRNA(gRNA、下記により詳しく説明する)と相互作用することができる。Casタンパク質は、ヌクレアーゼドメイン(例えば、DNase又はRNaseドメイン)、DNA結合ドメイン、ヘリカーゼドメイン、タンパク質間相互作用ドメイン、二量化ドメイン、及び他のドメインを含んでもよい。ヌクレアーゼドメインは、核酸切断のための触媒活性を有する。切断は、核酸分子の共有結合の切断を含む。切断は、平滑末端又は付着末端を生じさせることができ、一本鎖又は二本鎖でありうる。
ードミコイデス、バチルス−セレニティレドセンス、イグジォバクテリウム−シビリカム、ラクトバチラス−デルブリッキー、ラクトバチラス−サリバリウス、ミクロシラ−マリナ、バークホルデリア−バクテリウム、ポラロモナス−ナフタレニボランス、ポラロモナス属、クロコスファエラ−ワトソニイ、シアノセイス属、ミクロキスティス−エルギノーサ、シネココックス属、アセトハロビウム−アラビティカム、アンモニフェツクス−デゲンシイ、カルディセルロシルプター−ベシー、カンジデイタス−デサルホルディス、クロストリジウム−ボツリナム、クロストリジウム−ディフィシル、フィネゴルディア−マグナ、ナトロアナエロビウス−サーモフィルス、ペロトマクルム−サーモプロピオニカム、アシディチオバチルス−カルダス、アシディチオバチルス−フェロオキシダンス、アロクロマチウム−ビノスム、マリノバクター属、ニトロソコッカス−ハロフィルス、ニトロソコッカス−ワトソニイ、シュードアルテロモナス−ハロプランクティス、クテドノバクター−ラセミファー、メタノハロビウム−エベスチガータム、アナベナ−バリアビリス、ノジュラリア−スプミゲナ、ノストック属、アルスロスピラ−マキシマ、アルスロスピラ−プラテンシス、アルスロスピラ属、リングビア属、ミクロコレウス−クソノプラステス、オスキラトリア属、ペトロトガ−モビリス、サーモシフォ−アフリカヌス、又はアカリオクロリス−マリナ由来のものであってよい。Cas9ファミリーメンバーのその他の例としては、その全容を参照により本明細書に援用するところの国際公開第2014/131833号に記載されるCas9ファミリーメンバーが挙げられる。具体的な一例では、Cas9タンパク質は、S.pyogenes(化膿レンサ球菌)由来のCas9タンパク質であるか、又はそれから誘導されるものである。S.pyogenes由来のCas9タンパク質のアミノ酸配列は、例えば、SwissProtデータベースにおいてアクセッション番号Q99ZW2で見ることができる。
「ガイドRNA」又は「gRNA」はCasタンパク質と結合して、Casタンパク質を標的DNA内の特定の位置に標的化するRNA分子を含む。ガイドRNAは、2つの部分、すなわち「DNAターゲティングセグメント」と「タンパク質結合セグメント」とを含むことができる。「セグメント」には、RNA内のヌクレオチドの連続的区間のような、分子のセグメント、部分、又は領域が含まれる。特定のgRNAは、2個の別々のRNA分子、すなわち「アクチベーターRNA」と「ターゲッターRNA」とを含む。他のgRNAは、「単鎖分子gRNA」、「単鎖ガイドRNA」、又は「sgRNA」とも呼ばれる場合もある単鎖RNA分子(単鎖RNAポリヌクレオチド)である。例えば、それぞれの全容をすべての目的で本明細書に参照により援用するところの国際公開第2013/176772A1号、同第2014/065596A1号、同第2014/089290A1号、同第2014/093622A2号、同第2014/099750A2号、同第2013142578A1号、及び同第2014/131833A1号を参照されたい。「ガイドRNA」及び「gRNA」なる用語には、二分子gRNA及び一分子gRNAの両方が含まれる。
「CRISPR RNA認識配列」なる用語は、gRNAのDNAターゲティングセグメントが結合する標的DNA内に存在する核酸配列を含むが、ただし、結合のための充分な条件が存在することを条件とする。例えば、CRISPR RNA認識配列は、ガイドRNAがそれに対する相補性を有するように設計される配列を含み、CRISPR RNA認識配列とDNAターゲティング配列との間のハイブリダイゼーションによってCRISPR複合体の形成が促進される。ハイブリダイゼーションが生じてCRISPR複合体の形成を促進するだけの充分な相補性があれば、完全な相補性は必ずしも必要ではない。CRISPR RNA認識配列は、下記により詳細に説明するCasタンパク質の切断部位も含む。CRISPR RNA認識配列は、例えば、細胞の核若しくは細胞質又はミトコンドリア若しくは葉緑体などの細胞の小器官内に存在しうる任意のポリヌクレオチドを含むことができる。
RNA認識配列から少なくとも2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、40、50、75、100、250、500、又は1,000塩基対だけ離れている。
連遺伝子又は核酸の例については、その全容をすべての目的で参照により本明細書に援用するところの米国特許第8,697,359号を参照されたい。
本明細書に開示される方法及び組成物では、核酸インサート及びホモロジーアームを含むターゲティングベクターを使用して細胞内のゲノムを改変することもできる。かかる方法では、核酸インサートは、相同組換え事象を介してホモロジーアームによって決定されるゲノム標的遺伝子座に組み込まれる。本明細書で提供される方法は、相同組換え事象と組み合わせてヌクレアーゼ剤(例えばCasタンパク質)を利用することができる。かかる方法では、ヌクレアーゼ剤によってヌクレアーゼ切断部位に形成されるニック又は二本鎖切断を相同組換えと組み合わせて利用することで、ゲノム標的遺伝子座への核酸インサートのターゲティングによる挿入を促進することができる。
(1)核酸インサート
本明細書に開示される方法では1以上の別々の核酸インサートを使用することができ、これらの核酸インサートは、別々のターゲティングベクターにより、又は同じターゲティングベクター上で細胞に導入することができる。核酸インサートは、ゲノム標的遺伝子座に組み込むためのDNAのセグメントを含む。標的遺伝子座への核酸インサートの組み込みは、標的遺伝子座への対象となる核酸配列の付加、標的遺伝子座における対象となる核酸配列の欠失、及び/又は標的遺伝子座における対象となる核酸配列の置換を生じることができる。
的対立遺伝子は、その全容をすべての目的で参照により本明細書に援用するところの米国特許第2011/0104799号に記載されるように、多機能性対立遺伝子であってもよい。例えば、条件的対立遺伝子は、(a)標的遺伝子の転写に対してセンス方向の作動配列(actuating sequence)、(b)センス方向又はアンチセンス方向の薬剤選択カセ
ット(DSC)、(c)アンチセンス方向の対象ヌクレオチド配列(NSI)、及び(d)「逆位による条件的」(conditional by inversion)モジュール(COIN)(エクソンを分割するイントロン及びジーントラップ様モジュールを利用したもの)を含むことができる。例えば米国特許出願公開第2011/0104799号を参照されたい。尚、その全容をすべての目的で参照により本明細書に援用する。条件的対立遺伝子は、第1のリコンビナーゼに曝露されることで組み換えを起こして、(i)作動配列及びDSCを欠き、かつ(ii)センス方向のNSI及びアンチセンス方向のCOINを含む条件的対立遺伝子を形成する組み換え可能な単位を更に含んでもよい。米国特許出願公開第2011/0104799号を参照されたい。尚、その全容をすべての目的で参照により本明細書に援用する。
標的ゲノム遺伝子座に核酸インサートを導入するためにターゲティングベクターを用いることができるが、このようなターゲティングベクターは核酸インサート及び核酸インサートに隣接したホモロジーアームを含む。ターゲティングベクターは直鎖状又は環状であってよく、一本鎖又は二本鎖であってもよい。ターゲティングベクターは、デオキシリボ核酸(DNA)又はリボ核酸(RNA)であってよい。参照を容易にするため、本明細書ではホモロジーアームを、5’及び3’(すなわち、上流及び下流)ホモロジーアームと呼ぶ。この呼び方は、ターゲティングベクター内の核酸インサートに対するホモロジーアームの相対位置に関する。5’及び3’ホモロジーアームは、本明細書においてそれぞれ「5’」標的配列及び「3’」標的配列と呼ばれる標的遺伝子座内の領域に対応している。特定のターゲティングベクターは、5’及び3’ホモロジーアームを有するが核酸インサートは有さない。そのようなターゲティングベクターは、核酸インサートを挿入することなく5’標的配列と3’標的配列との間の配列を欠失させるように機能することができる。
一部のターゲティングベクターは、「ラージターゲティングベクター」又は「LTVEC」であり、これには、細胞内で相同組み換えを行うことを目的とした他の手法で一般的に使用される核酸配列よりも大きな核酸配列に相当し、このような大きな核酸配列から誘導されたホモロジーアームを含むターゲティングベクターが含まれる。LTVECには、細胞内で相同組み換えを行うことを目的とした他の手法で一般的に使用される核酸配列よりも大きな核酸配列を有する核酸インサートを含むターゲティングベクターも含まれる。例えば、LTVECは、従来のプラスミド系ターゲティングベクターではそれらのサイズ制限のために対処することができない大きな遺伝子座の改変を可能にする。例えば、標的遺伝子座は、ヌクレアーゼ剤(例えば、Casタンパク質)によって誘導されるニック若しくは二本鎖切断が存在しなければ、従来法を用いてターゲティングできないか、又は不正確にターゲティングされるだけであるか若しくは著しく低い効率でしかターゲティングできない細胞内の遺伝子座であってよい(すなわち5’及び3’ホモロジーアームがこの遺伝子座に相当してよい)。
1細胞期胚に使用するためのターゲティングベクターは、長さが5kb以下であり、デオキシリボ核酸(DNA)又はリボ核酸(RNA)であってよく、一本鎖又は二本鎖であってよく、環状又は直鎖状であってよい。1細胞期胚に使用するための代表的なターゲティングベクターは、約50ヌクレオチド〜約5kbの長さである。例えば、1細胞期胚に使用するためのターゲティングベクターは、約50〜約100、約100〜約200、約200〜約300、約300〜約400、約400〜約500、約500〜約600、約600〜約700、約700〜約800、約800〜約900、又は約900〜約1,000ヌクレオチドの長さであってよい。あるいは、1細胞期胚に使用するためのターゲティングベクターは、約1kb〜約1.5kb、約1.5kb〜約2kb、約2kb〜約2.5kb、約2.5kb〜約3kb、約3kb〜約3.5kb、約3.5kb〜約4kb、約4kb〜約4.5kb、又は約4.5kb〜約5kbの長さであってもよい。あるいは、1細胞期胚に使用するためのターゲティングベクターは、例えば、5kb、4.5kb、4kb、3.5kb、3kb、2.5kb、2kb、1.5kb、1kb、900ヌクレオチド、800ヌクレオチド、700ヌクレオチド、600ヌクレオチド、500ヌクレオチド、400ヌクレオチド、300ヌクレオチド、200ヌクレオチド、100ヌクレオチド、又は50ヌクレオチド以下の長さであってもよい。一本鎖DNAのドナーの場合では、代表的なターゲティングベクターは、約60ヌクレオチド〜約200ヌクレオチド(例えば、約60ヌクレオチド〜約80ヌクレオチド、約80ヌクレオチド〜約100ヌクレオチド、約100ヌクレオチド〜約120ヌクレオチド、約120ヌクレオチド〜約140ヌクレオチド、約140ヌクレオチド〜約160ヌクレオチド、約160ヌクレオチド〜約180ヌクレオチド、又は約180ヌクレオチド〜約200ヌクレオチド)であってよい。
本明細書に述べられる様々な核酸配列は、プロモーターと機能的に連結することができる。そのようなプロモーターは、例えば、多能性ラットの細胞、真核細胞、哺乳動物細胞、非ヒト哺乳動物細胞、ヒト細胞、げっ歯類細胞、マウス細胞、又はハムスター細胞中で活性なものであってよい。1細胞期胚において活性であるプロモーターを使用することもできる。プロモーターは例えば、構成的に活性であるプロモーター、条件的プロモーター、誘導性プロモーター、時間的に制限されたプロモーター(例えば発生的に調節されるプロモーター)、又は空間的に制限されたプロモーター(例えば細胞特異的又は組織特異的プロモーター)とすることができる。プロモーターの例は、例えば国際公開第2013/176772号に見ることができる。尚、その全容を参照により本明細書に援用する。
A.ゲノムを改変する方法
2種類のガイドRNAを使用して1つのゲノム標的遺伝子座内の異なる領域をターゲティングすることによって細胞内のゲノムを改変するための様々な方法が提供される。2種類以上(例えば3種類のガイドRNA又は4種類のガイドRNA)のガイドRNAを使用して1つのゲノム標的遺伝子座内の異なる領域をターゲティングする方法も提供される。これらの方法は、インビトロ、エクスビボ、又はインビボで行うことができる。かかる方法は、両対立遺伝子の遺伝子改変の形成を促進し、ゲノム破壊又は他のターゲティングによる改変、例えばゲノム内の核酸配列の欠失と外因性の核酸配列による置換を同時に行うことを含みうる。
本明細書では、細胞内のゲノムに両対立遺伝子改変を行うか、又は細胞内のゲノムに対する両対立遺伝子改変を促進するか若しくはその頻度を高めるための方法が提供される。かかる方法によって、例えばゲノムを破壊して、後に組換えを生じるゲノムDNAの2つの配列間の大きなゲノムDNAの部分を除去することができる。かかる方法によって、核酸インサートを挿入するか、又は大きなゲノムDNAの部分を欠失させて核酸インサートで置換することもできる。
1箇所の二本鎖切断(double-strand break)を形成することができる。切断事象は、染色体の一方又は両方に少なくとも2箇所の二本鎖切断を形成することもできる。Casニッカーゼが用いられる場合、切断事象は、染色体の一方又は両方に少なくとも1箇所の一本鎖切断(single-strand break)を、又は染色体の一方又は両方に少なくとも2箇所の二本鎖切断を形成することができる。第3及び/又は第4のCRISPR RNAが用いられる場合、切断事象は、染色体の一方又は両方に少なくとも3箇所又は4箇所の一本鎖又は二本鎖切断を形成することができる。次いで、二本鎖切断により形成された末端配列が組換えを起こすか、又は一本鎖切断により形成された末端配列が組換えを起こすことができる。この後、両対立遺伝子改変を含む改変ゲノムを有する細胞を同定することができる。
RNA認識配列内の第1の切断部位及び少なくとも第1の相同染色体の第2のCRISPR RNA認識配列内の第2の切断部位においてゲノムを切断することによって、第1及び第2の相同染色体に末端配列を形成することができる。次いで、末端配列は組換えを起こしてターゲティングによる改変を含む両対立遺伝子改変を有するゲノムが形成される。このターゲティングによる改変は、少なくとも第1の染色体の第1のCRISPR RNA認識配列と第2のCRISPR RNA認識配列との間の欠失を含む。
RNA認識配列と第2のCRISPR RNA認識配列とは、例えば、約25bp〜約50bp、約50bp〜約100bp、約100bp〜約150bp、約150bp〜約200bp、約200bp〜約250bp、約250bp〜約300bp、約300bp〜約350bp、約350bp〜約400bp、約400bp〜約450bp、約450bp〜約500bp、約500bp〜約600bp、約600bp〜約700bp、約700bp〜約800bp、約800bp〜約900bp、又は約900bp〜約1kbだけ離れていてもよい。同様に、CRISPR RNA認識配列の第1のペアは、CRISPR RNA認識配列の第2のペアから、約25bp〜約50bp、約50bp〜約100bp、約100bp〜約150bp、約150bp〜約200bp、約200bp〜約250bp、約250bp〜約300bp、約300bp〜約350bp、約350bp〜約400bp、約400bp〜約450bp、約450bp〜約500bp、約500bp〜約600bp、約600bp〜約700bp、約700bp〜約800bp、約800bp〜約900bp、約900bp〜約1kb、約1kb〜約5kb、約5kb〜約10kb、約10kb〜約20kb、約20kb〜約40kb、約40kb〜約60kb、約60kb〜約80kb、約80kb〜約100kb、約100kb〜約150kb、約150kb〜約200kb、約200kb〜約300kb、約300kb〜約400kb、約400kb〜約500kb、約500kb〜約1Mb、約1Mb〜約1.5Mb、約1.5Mb〜約2Mb、約2Mb〜約2.5Mb、約2.5Mb〜約3Mb、約3Mb〜約4Mb、約4Mb〜約5Mb、約5Mb〜約10Mb、約10Mb〜約20Mb、約20Mb〜約30Mb、約30Mb〜約40Mb、約40Mb〜約50Mb、約50Mb〜約60Mb、約60Mb〜約70Mb、約70Mb〜約80Mb、約80Mb〜約90Mb、又は約90Mb〜約100Mbだけ離れていてよい。
RNA認識配列及び/又は第2のCRISPR RNA認識配列の一部のみを含むことができる。あるいは、第1のCRISPR RNA認識配列と第2のCRISPR RNA認識配列との間の欠失は、第1のCRISPR RNA認識配列と第2のCRISPR
RNA認識配列との間の核酸配列の全体を含んでもよい。同様に、この欠失は、第1及び第2のCRISPR RNA認識配列、又はその一部を含むことができる。特定の場合では、この欠失は、第1及び第2のCRISPR RNA認識配列の外側(すなわち、第1及び第2のCRISPR RNAを含まず、かつ第1のCRISPR RNA認識配列と第2のCRISPR RNA認識配列との間でもない配列)を更に含む。
RNA認識配列又は第1の切断部位が5’標的配列に隣接していてもよく、第2のCRISPR RNA認識配列又は第2の切断部位が3’標的配列に隣接していてもよい。あるいは、第1のCRISPR RNA認識配列又は第1の切断部位が5’標的配列又は3’標的配列のいずれかに隣接していてもよく、第2のCRISPR RNA認識配列又は第2の切断部位が5’標的配列にも3’標的配列にも隣接していなくてもよい。
特定の方法では、改変しようとするゲノムは第1の対立遺伝子についてヘテロ接合型である細胞内にあり、この遺伝子を第1の対立遺伝子についてホモ接合型となるように改変する。ヘテロ接合型なる用語には、ゲノムが、1個以上の対応する染色体遺伝子座に異なる対立遺伝子(例えば相同染色体上の対応する遺伝子座に異なる対立遺伝子)を有する場合含まれる。ホモ接合型なる用語には、ゲノムが、対応する染色体遺伝子座(例えば対応する相同染色体上の)に同じ対立遺伝子を有する場合が含まれる。特定のこのような方法では、ホモ接合は、細胞が第1の対立遺伝子をドナー配列として用いて遺伝子変換などの相同組換えによって対応する第2の対立遺伝子の二本鎖切断を修復することによって得られる。一般的に、遺伝子変換の範囲は数百塩基対に限定されている。例えば、Kasparek & Humphrey(2011)Seminars in Cell & Dev.Biol.22:886〜897を参照されたい。尚、その全容をすべての目的で参照により本明細書に援用する。しかしながら、1個の遺伝子座内の異なる切断部位での切断を誘導するガイドRNAのペアを用いることにより、より大きな範囲にわたった遺伝子変換能を促進及び向上させることができる。
遺伝子改変された非ヒト動物を、本明細書に開示される様々な方法を用いて作成することができる。特定の場合では、遺伝子改変された非ヒト動物を作成する方法は、(1)上記に述べた方法を用いて多能性細胞のゲノムを改変することと、(2)前記遺伝子改変された多能性細胞を選択することと、(3)前記遺伝子改変された多能性細胞を宿主胚に導入することと、(4)前記遺伝子改変された多能性細胞を有する前記宿主胚を代理母に移植することと、を含む。前記遺伝子改変された多能性細胞から子孫細胞が作成される。このドナー細胞を例えば胚盤胞期又は前桑実胚期(すなわち4細胞期又は8細胞期胚)などの任意の段階の宿主胚に導入することができる。前記遺伝子改変を生殖細胞系に伝えることが可能な子孫細胞が作成される。多能性細胞は、本明細書の他の箇所で述べるようなES細胞(例えばマウスES細胞又はラットES細胞)であってよい。例えば、米国特許第7,294,754号を参照されたい。尚、その全容をすべての目的で参照により本明細書に援用する。
本明細書に開示される方法によって改変されたゲノム又はゲノム標的遺伝子座は、細胞内のDNAの任意のセグメント又は領域を有することができる。ゲノム又はゲノム標的遺伝子座は、細胞に天然に存在するものでもよく、細胞のゲノムに組み込まれた異種又は外因性のDNAのセグメントであってもよく、又はそれらの組み合わせであってもよい。そのような異種又は外因性のDNAのセグメントは、導入遺伝子、発現カセット、選択マーカーをコードしたポリヌクレオチド、又はゲノムDNAの異種若しくは外因性領域を含むことができる。
特定の方法では、上記のゲノムを接触させることは、1以上のCasタンパク質、1以上のCRISPR RNA、及び1以上のtracrRNAを細胞内に導入することを含む。このような導入は任意の手段によって行うことができ、成分のうちの1つ以上(例えば成分のうちの2つ、又は成分のすべて)を任意の組み合わせで同時又は順次に細胞内に導入することができる。
本明細書では、細胞内に核酸を導入することを可能とする様々な組成物及び方法を提供する。特定の場合では、核酸を導入するために用いられるシステムは、特定のゲノム遺伝子座におけるターゲティングによる組み込みを可能とする。かかるシステムは様々な要素を使用するものであり、説明の便宜上、「ターゲティングによるゲノム組み込みシステム」なる用語には、一般的に、導入事象に必要とされるすべての要素(例えば、ヌクレアーゼ剤、ヌクレアーゼ切断部位、挿入DNAポリヌクレオチド、ターゲティングベクター、標的ゲノム遺伝子座、及び対象とするポリヌクレオチドのうちの1つ以上)が含まれるものである。
組換えとは、2個のポリヌクレオチド間での遺伝情報の交換のあらゆるプロセスを含むものであり、あらゆる機構によって生じうる。二本鎖切断(DSB)に応じた組換えは、非相同末端結合(NHEJ)及び相同組換え(HR)という2つの保存されたDNA修復経路で主として生じる。Kasparek & Humphrey(2011)Seminars in Cell & Dev.Biol.22:886〜897を参照されたい。尚、その全容をすべての目的で参照により本明細書に援用する。NHEJは、相同性鋳型を必要とせずに、切断末端同士を互いに直接連結することによる核酸の二重鎖切断の修復を含む。NHEJによる不連続配列の連結は、二重鎖切断部位の近くに欠失、挿入、又は転位をしばしば生じうる。組換えは、相同組換え型修復(HDR)又は相同組換え(HR)によっても生じうる。HDR又はHRは、ヌクレオチド配列の相同性を必要としうる核酸修復の形を含み、「標的」分子(すなわち二本鎖切断が生じた分子)の修復の鋳型とするために「ドナー」分子を利用し、ドナーから標的への遺伝情報の転移を生じる。いかなる特定の理論に束縛されることも望むものではないが、このような移動は、切断が生じた標的とドナーとの間で形成されるヘテロ二重鎖DNAのミスマッチ修復、及び/又は標的の一部になることとなる遺伝情報を再合成するためにドナーが使用される合成依存性鎖アニーリング、及び/又は関連するプロセスに関与してもよい。場合によっては、ドナーポリヌクレオチド、ドナーポリヌクレオチドの部分、ドナーポリヌクレオチドの複製、又はドナーポリヌクレオチドの複製の部分は、標的DNA内に組み込まれる。
れている。詳細には、遺伝子変換のレベルが大幅に高くなったのに対して、非相同性末端結合(NHEJ)、姉妹染色分体変換(SCC)、及びヘテロ接合性の喪失(LOH)のレベルは低下したことが報告されている。Blaikley et al.(2014)Nucleic Acids Research 42:5644〜5656を参照されたい。
本明細書で提供される様々な組成物及び方法では、例えば動物由来の細胞などの細胞を用いる。かかる細胞は非ヒト動物に由来するものでよい。かかる細胞は、例えば真菌細胞(例えば酵母)、植物細胞、動物細胞、哺乳動物細胞、及びヒト細胞などの真核細胞であってよい。哺乳動物細胞は、例えば非ヒト哺乳動物細胞、ヒト細胞、げっ歯類細胞、ラット細胞、マウス細胞、ハムスター細胞、線維芽細胞、又はCHO細胞であってよい。真核細胞は、全能性細胞、例えば非ヒト多能性細胞(例えばマウス胚性幹(ES)細胞若しくはラットES細胞)若しくはヒト多能性細胞などの多能性細胞、又は非多能性細胞であってよい。全能性細胞としては、あらゆる細胞型を生じることができる未分化細胞が挙げられ、多能性細胞としては、1以上の分化した細胞型に発生する能力を有する未分化細胞が挙げられる。かかる多能性及び/又は全能性細胞は、例えば胚性幹(ES)細胞又は人工多能性幹(iPS)細胞のようなES様細胞であってもよい。胚性幹細胞としては、胚への導入後に発生中の胚のあらゆる組織に寄与することが可能である胚由来の全能性又は多能性細胞が挙げられる。ES細胞は胚盤胞の内部細胞塊から誘導することができ、脊椎動物の3つの胚葉(内胚葉、外胚葉、及び中胚葉)のいずれの細胞にも分化することが可能である。
Dawley(SD)ラット系統、又はFisher F344若しくはFisher
F6などのFischerラット系統を含む任意のラット系統に由来するものでもよい。ラット多能性及び/又は全能性細胞は、上記に記載した2以上の系統の混血に由来する系統から得ることもできる。例えば、ラット多能性及び/又は全能性細胞は、DA系統又はACI系統に由来するものであってよい。ACIラット系統は、白い腹部と足及びRT1av1ハプロタイプを有するブラックアグーチ色を有するものとして特徴付けられる。そのような系統は、Harlan Laboratoriesを含む様々な供給元から入手可能である。ACIラット由来のラットES細胞株の例としては、ACI.G1ラットES細胞がある。Dark Agouti(DA)ラット系統は、アグーチ色の毛皮とRT1av1ハプロタイプを有するものとして特徴付けられる。かかるラットは、チャールズリバー社(Charles River)及びハーラン・ラボラトリーズ社(Harlan Laboratories)を含む様々な供給元から入手可能である。DAラット由来のラットES細胞株の例としては、DA.2BラットES細胞株及びDA.2CラットES細胞株がある。特定の場合では、ラット多能性及び/又は全能性細胞は、近交ラット系統に由来するものである。例えば、2014年2月20日出願の、その全容をすべての目的で参照により本明細書に援用するところの米国特許出願公開第2014/0235933(A1)号を参照されたい。
Cell 4:487〜492を参照されたい。尚、その全容をすべての目的で参照により本明細書に援用する。
上記の方法の一部のものは、改変されたゲノムを有する細胞を同定することを更に含む。様々な方法を用いて、欠失又は挿入などのターゲティングによる改変を有する細胞を同定することができる。そのような方法は、標的遺伝子座(例えば第1のCRISPR RNA認識配列と第2のCRISPR RNAとの間)にターゲティングによる改変を有する1個の細胞を同定することを含む。スクリーニングを行って改変されたゲノム遺伝子座を有するこうした細胞を同定することができる。
材料及び方法
ES細胞の培養、スクリーニング、及び電気穿孔法
ここに述べる各実験は、本発明者らによるC57BL6NTac/129S6SvEvF1ハイブリッドXY ES細胞株であるVGF1を使用して行った(Poueymirou et al.(2007)Nat.Biotechnol.25:91〜99;Valenzuela et al.(2003)Nat.Biotechnol.21:652〜659)。ES細胞をこれまでに記載されているようにして培養した(Matise et al.(2000)in Joyner,A.L.ed.Gene Targeting:a practical approach,pp.100〜132,Oxford University Press,New York)。
method(Frendewey et al.(2010)Methods Enzymol.476:295〜307))を用いて、正しくターゲティングされたES細胞クローンを同定し、マウス対立遺伝子の遺伝子型を決定した。
Lrp5又は他の標的化遺伝子の欠失させた部分の内側50bp、100bp、500bp、又は1kbの位置の周辺の約200bpのDNA(上流及び下流の両方)を、CRISPR設計ツール(crispr.mit.edu)に入力して可能なgRNA配列を取得した。次いで、可能性のあるgRNA配列を、内因性のDNAのみが切断され、LTVECのヒト化インサートは切断されないようにフィルタリングした。
sgRNAを、シームレスなRNA発現を行うために77bpのスカフォールドと融合したpMB_sgRNA(U6プロモーター)内のBsmbI部位に二重鎖オリゴ(IDT社)としてクローニングするか、又はジーンコピア社(GeneCopoeia)より確認済みの発現プラスミドとして購入した(LRP5ガイドA、B、B2、E2、E、及びF)。社内で作成したプラスミドをPCR及びサンガー法により配列決定して確認した。
ES細胞からDNAを精製し、ターゲティングベクター、及びCas9を発現するプラスミド、及び複数のガイドRNA(gRNA)の1つを発現するプラスミド又は異なるgRNAの組み合わせを発現する2種類のプラスミドを電気穿孔法で導入したES細胞からクローンを誘導した。対立遺伝子改変(すなわち対立遺伝子喪失又は対立遺伝子獲得)定量PCRアッセイにより、マウスの標的遺伝子座のターゲティングによる欠失及びターゲティングベクターの挿入を有するか、又はCas9/gRNAにより誘導された欠失を有するものとして同定されたクローンをフォローアップとしての従来のPCRアッセイを行うために選択した。
gRNAのそれぞれの組み合わせについて2つのPCRアッセイを設計した。第1のPCRは、異なるgRNAの組み合わせのCRISPR RNA認識配列間の破壊を検出するための欠失アッセイとした。第2のPCRは、5’アッセイであり、2つのPCRアッセイを含むものとした。最初のものはヒト化された対立遺伝子についての5’ヒトアッセイであり、マウス/ヒト接合部にわたって設計した。第2のものは、内因性のマウス対立遺伝子についての5’マウスアッセイであり、ターゲティングによる5’欠失接合部にわたって設計した。
タカラバイオ株式会社(TaKaRa)製LA Taq DNA ポリメラーゼ(カタログ番号RR002M)を使用してES細胞のDNA鋳型を増幅した。各PCRアッセイ反応ミックス及び水のネガティブコントロールで反応を行った。アッセイ混合物は以下を含むものとした。すなわち、ES細胞DNA鋳型0.005mL;1X LA PCRバッファーII(Mg2+添加);0.01mM dNTPミックス;0.0075mMフォワードオリゴ(それぞれに);0.0075mMリバースオリゴ(それぞれに);5000単位/mL LA Taqポリメラーゼ;及びddH2Oを加えて0.025mLとした。
白色のコロニーを0.025mg/mLのカナマイシンを含んだLB中に接種し、37℃で振盪しながら一晩インキュベートした。各コロニーは、アッセイした産物の集団からの1つのアンプリコンを表す。キアジェン社(QUIAGEN)製plasmid minip
repキット(カタログ番号12123)を使用して各細菌培養物からDNAを抽出した。インサートのDNA配列を、0.002mL TOPOクローニングしたPCR、1xPCRxエンハンサー溶液(10xストック)(カタログ番号X11495−017)、0.0075mMオリゴ(M13F又はM13R)、及び0.015mLとなるまでddH2Oを含んだシークエンシング反応ミックス中で決定した。
シークエンシングの結果から、不確定配列及びpCR4−TOPOベクター配列をトリミングし、PCRインサート配列を単離した。配列決定したフラグメントを基準配列とアラインして変異を分析した。
破壊したポジティブクローンからのPCR産物を製造者の指示にしたがってpCR4−TOPOベクター(インビトロジェン社(Invitrogen)カタログ番号K4575−02)にクローニングし、次いでOne Shot Top10細胞に化学的に形質導入し、0.060mg/mLのX−gal及び0.025mg/mLのカナマイシンアガープレートに播種した。キアジェン社(QUIAGEN)製plasmid miniprepキット(カタログ番号12123)を使用して細菌培養物からDNAを抽出した。次いでインサートのシークエンシングの結果を予想した破壊基準配列とアラインしてインデル変異を分析した。Cas9は、gRNAによって認識された配列内にPAMから3塩基対の位置で切断することが予想された。予想された切断内の配列を基準配列から欠失させ、残りを用いて結果とアラインした。
TaqMan(登録商標)対立遺伝子識別反応液は、ゲノムDNA、それぞれの多型に対する特異的プローブ/プライマー、及びTaqMan(登録商標)遺伝子発現PCRマスターミックスを含む0.008mlのものとした。プローブは、ライフ・テクノロジーズ社(Life Technologies)(サーモ社(Thermo))より、プライマーはIDT社より注文した。129対立遺伝子に対するプローブをVIC色素で標識し、B6対立遺伝子に対するプローブをFAM色素で標識した。各TaqMan(登録商標)対立遺伝子アッセイは、384ウェルプレートで4重に行い、アプライド・バイオシステムズ社(Applied BioSystems)製ViiA 7プラットフォーム上で行った。SNV PCRサイクリング
プログラムは以下とした。すなわち、95℃で10分間の後、95℃で15秒、60℃で60秒、及び60℃で30秒を40サイクル。反応の分析及び結果の評価は、ViiA7ソフトウェアv1.1を使用して行った。
選択されたES細胞クローンは、セルライン・ジェネティクス社(Cell Line Genetics)(ウィスコンシン州マディソン)、又はバン・アンデル・インスティテュート社(Van Andel Institute)(ミシガン州グランドラピッズ)により、各社の標準的手順によ
って蛍光in situハイブリダイゼーション(FISH)を用いて分析を行った。本発明者らは、マウス及びヒトBACを2色分析用のプローブとして提供した。
げっ歯類遺伝子の全体又は一部の正確な1工程での欠失及び場合によりそのヒトホモログの全体又は一部による同時置換を行うため、本発明者らは電気穿孔法によりげっ歯類ES細胞に以下の核酸分子を導入した。すなわち、(1)LTVEC、(2)Cas9エンドヌクレアーゼをコードしたプラスミド又はmRNA、及び(3)1以上のCRISPR単鎖ガイドRNA(gRNA)をコードした1以上のプラスミド又はgRNA自体。各実験でLTVECは直鎖化した。一部の実験では、LTVECは、げっ歯類遺伝子を欠失させてヒト遺伝子を挿入する相同組換え事象を導くように設計されたげっ歯類のホモロジーアームを隣接させた遺伝子産物(タンパク質又はRNA)をコードしたヒト遺伝子の全体又は一部を含むものとした。他の実験では、LTVECは、Ch25h遺伝子座のような別の遺伝子座をターゲティングするように設計した。いずれの場合も、LTVECは、抗生物質(例えばG418)に対する耐性を与える酵素(例えばネオマイシンホスホトランスフェラーゼ)の発現を誘導する薬剤選択カセットも有していた。
一群の実験において、LTVECは、マウスLrp5(低密度リポタンパク質受容体関連タンパク質5)遺伝子の、エクトドメインをコードする部分の68kbの欠失を生じ、同時にヒトLRP5遺伝子(図1)からの相同配列の91kbのフラグメントで置換するように設計した。LTVECは、欠失させようとするマウスLrp5遺伝子の68kbの配列に隣接したマウスLrp5遺伝子座の部分から誘導された7kb及び33kbのゲノムDNAを含むホモロジーアームを隣接させたヒトLRP5遺伝子の91kbのフラグメントを含むものとした。別々の実験において、このLrp5をヒト化するLTVECを、Cas9をコードしたプラスミド、及び欠失の標的とされるマウスLrp5遺伝子の領域内に二本鎖切断を形成するように設計された8種類のgRNA(A、B、B2、C、D、E2、E、F)のうちの1つをコードした第2のプラスミドと組み合わせた。各gRNAは、ヒトLRP5遺伝子の挿入される部分内のどの配列も認識しないように設計した。他の実験では、LTVEC、及びCas9をコードしたプラスミドを、欠失の標的とされるマウスLrp5遺伝子の領域内の異なる部位を標的とする2つの異なるgRNAをコードしたプラスミドと組み合わせた。
別の実験群では、LTVECは、補体成分5(C5又はHc(溶血性補体))のマウス遺伝子の76kbの欠失と同時に相同なヒトC5遺伝子の97kbのフラグメントによる置換を行うように設計した(図6)。標的遺伝子座は、C5(Hc)遺伝子の終止コドンまでのエクソン2を含むものとした。LTVECは、欠失させようとするマウスC5(Hc)遺伝子の76kbの配列に隣接したマウスC5(Hc)遺伝子座の部分から誘導された35kb及び31kbのゲノムDNAを含むホモロジーアームを隣接させたヒトC5遺伝子の97kbのフラグメントを含むものとした。別々の実験において、このC5(Hc)をヒト化するLTVECを、Cas9をコードしたプラスミド、及び欠失の標的とされるマウスC5(Hc)遺伝子の領域内に二本鎖切断を形成するように設計された6種類のgRNA(A、B、C、D、E、及びE2、表1を参照)のうちの1つをコードした第2のプラスミドと組み合わせた。各gRNAは、ヒトC5遺伝子の挿入される部分内のどの配列も認識しないように設計した。他の実験では、LTVEC、及びCas9をコードしたプラスミドを、欠失の標的とされるマウスC5(Hc)遺伝子の領域内の異なる部位を標的とする2つの異なるgRNAをコードしたプラスミドと組み合わせた。特定の実験では、C5(Hc)をヒト化するLTVECの代わりにCh25hを標的とするコントロールLTVECを使用した。コントロールLTVECは、Ch25h(約1kb)のコード配列全体を欠失させてCh25h遺伝子座内にプロマイシン及びネオマイシン選択カセットを挿入するように設計されたものであり、C5(Hc)遺伝子座における相同組換えについてターゲティングされなかった薬剤耐性クローンを選択するための手段として用いた。
別の実験群では、LTVECは、マウスRor1(チロシンタンパク質キナーゼ膜貫通受容体ROR1)遺伝子の110kbの欠失と同時に相同なヒトROR1遺伝子の134kbのフラグメントによる置換を行うように設計した(図8)。LTVECは、欠失させようとするマウスRor1遺伝子の110kbの配列に隣接したマウスRor1遺伝子座の部分から誘導された41.8kb及び96.4kbのゲノムDNAを含むホモロジーアームを隣接させたヒトROR1遺伝子の134kbのフラグメントを含むものとした。別々の実験において、このRor1をヒト化するLTVECを、Cas9をコードしたプラスミド、及び欠失の標的とされるマウスRor1遺伝子の領域内に二本鎖切断を形成するように設計された6種類のgRNA(A、B、C、D、E、及びF、表1を参照)のうちの1つをコードした第2のプラスミドと組み合わせた。各gRNAは、ヒトROR1遺伝子の挿入される部分内のどの配列も認識しないように設計した。他の実験では、LTVEC、及びCas9をコードしたプラスミドを、欠失の標的とされるRor1遺伝子内の異なる部位を標的とする2つの異なるgRNAをコードしたプラスミドと組み合わせた。
別の実験群では、LTVECは、マウスTrpa1(一過性受容体電位カチオンチャンネル、サブファミリーA、メンバー1)遺伝子の45.3kbの欠失と同時に相同なヒトTRPA1遺伝子の54.5kbのフラグメントによる置換を行うように設計した(図9)。LTVECは、欠失させようとするマウスTrpa1遺伝子の45.3kbの配列に隣接したマウスTrpa1遺伝子座の部分から誘導された41.0kb及び58.0kbのゲノムDNAを含むホモロジーアームを隣接させたヒトTRPA1遺伝子の54.5kbのフラグメントを含むものとした。別々の実験において、このTrpa1をヒト化するLTVECを、Cas9をコードしたプラスミド、及び欠失の標的とされるマウスTrpa1遺伝子の領域内に二本鎖切断を形成するように設計された8種類のgRNA(A、A2、B、C、D、E2、E、及びF、表1を参照)のうちの1つをコードした第2のプラスミドと組み合わせた。各gRNAは、ヒトTRPA1遺伝子の挿入される部分内のどの配列も認識しないように設計した。他の実験では、LTVEC、及びCas9をコードしたプラスミドを、欠失の標的とされるTrpa1遺伝子内の異なる部位を標的とする2つの異なるgRNAをコードしたプラスミドと組み合わせた。
gRNAの組み合わせによって誘導される大きな欠失の対立遺伝子構造
2種類のgRNAによって導かれるCas9切断事象により誘導される大きな欠失を有するクローンに更なる配列分析を行った(表7を参照)。これらの大きな欠失は、gRNAを、Lrp5 LTVEC又はほぼ30Mb離れたCh25h遺伝子を標的としたLTVECと組み合わせた場合にLrp5遺伝子座における大きな欠失がほぼ同じ頻度で得られたことから、同じ遺伝子座におけるLTVEC誘導型の相同組換えとは独立しているようであった。大きな欠失の特性評価を行うため、本発明者らは、4つのヒト化からの37個のクローン(15個のヘミ接合型のクローン及び22個の両対立遺伝子の大きな欠損を有するクローン)で欠失をスパンするようなPCRを行い、個々のPCR産物のクローンをシークエンシングした。配列では、38kb〜109kbの範囲の大きな欠失が確認された。これらのES細胞クローンのうちの2つ(Lrp5クローンAW−A8及びBP−D3)は、予想されるCas9切断部位の間に完全に修復された正確な欠失(68.2kb)を有しており、1つのクローン(HcクローンP−B12)は、38.1kbの欠失以外に1塩基対の挿入を有していた。ES細胞クローンのうち27個は、非相同性末端結合(NHEJ)による不正確な修復と符合する、Cas9切断部位を超えて延びる欠失を有していた。残りの7つのES細胞クローンは明らかなNHEJ誘導欠失と挿入の組み合わせを有しており(例えばLrp5クローンBP−F6及びHcクローンO−E4)、そのうち4つは200bpよりも大きい挿入を有しており、その由来するゲノム遺伝子座にマッピングすることができた(データは示さず)。Lrp5クローンBO−E9の210bpの挿入は、セントロメア方向にgRNA Fの標的部位の約2600bp外側に位置する同じ配列(+19番染色体、3589138〜3589347)に対して反転した向きであった。この配列は、Lrp5 LTVECの長い3’ホモロジーアーム内に存在していた。Lrp5クローンBP−F6及びBP−G7は、Lrp5 gRNA A及びFを、Cas9、及びLrp5からテロメア方向に30Mb離れたCh25h遺伝子を標的としたLTVECと組み合わせた実験から誘導された。クローンBP−F6は、ベクター主鎖の一部と同じ103bpのフラグメントがCh25h近傍の配列と同じでかつLTVECの長腕にも存在する163bpのフラグメント(+19番染色体、34478136〜34478298)と連結されたもので構成されていたことからCh25h LTVECの一方の末端から誘導されたものと考えられる266bpの挿入を有していた。このフラグメントを、内因性の染色体配列に対して反転した向きで欠失に挿入した。HcクローンO−E4は、gRNA Aの認識部位から約3.1kb離れた欠失配列内に見られる同じ配列に対して反転した254bpの挿入を有していた。HcクローンS−D5の1304bpの挿入は、2つのフラグメント、すなわち、予想されるgRNA E2に誘導されるCas9切断部位から約1.4kb離れた欠失配列内に見られる同じ配列と同じ向きの1238bpの部分と、gRNA E2切断部位の25bp外側の同じ配列の反転された向きの複製である第2の66bpの部分とから構成されていた。
1ヒト/+:ヘテロ接合型の遺伝子型を生じる、2個の天然の対立遺伝子の一方のターゲティングによるヒト化。ヒト/Δ:ヘミ接合型の遺伝子型を生じる、一方の対立遺伝子がターゲティングによるヒト化を有し、他方がCas9/gRNAにより誘導される大きな欠失を有する両対立遺伝子改変。ヒト/ヒト:ホモ接合型の遺伝子型を生じる、両方の対立遺伝子がターゲティングによるヒト化を有する両対立遺伝子改変。Δ/Δ:両方の対立遺伝子が、Cas9/gRNAにより誘導される大きな欠失を有する両対立遺伝子改変。
両対立遺伝子の大きな欠失を有する22個のES細胞クローンのうちの21個が1つの固有の配列のみを有しており(表7)、これらがホモ接合型の対立遺伝子であることを示した。HcクローンS−A11では、12個のPCRクローンのうち、11個で同じ配列が見られた。異なる配列を有する1個のクローンは、2個の異なる欠失対立遺伝子を示唆している可能性があるが、本発明者らは、Hcヘミ接合型クローンのうちの2つ、N−D11及びO−F12でも同じ結果を見出した。複数のクローンにおける異なるホモ接合型の欠失対立遺伝子は、これらが、一方の染色体上の欠失が相同染色体上のCas9切断の相同組換え修復の鋳型として機能する遺伝子変換機構によって生じた可能性を示唆した。本発明者らは、VGF1 ES細胞株の129S6SvEvTac(129)とC57BL/6NTac(B6)とのF1ハイブリッド組成(Poueymirou et al.(2007)Nat.Biotechnol.25:91〜99;Valenzuela et al.(2003)Nat.Biotechnol.21:652〜659)を利用して、これらの細胞株間で19番染色体上のLrp5遺伝子座及び2番染色体上のHc遺伝子座(図示せず)の周辺の構造変異体(SV)及び1ヌクレオチド変異体(SNV)(下記で用いる5つのSVアッセイ及び10個のSNVアッセイについては図5を参照)におけるヘテロ接合性の喪失として遺伝子変換についてアッセイを行った(Lefebvre et al.(2001)Nat.Genet.27:257〜258)。いずれのヘミ接合性の喪失も、染色体全体が喪失した結果でないことを確認するため、129株とB6株との間で同じであった部位で染色体コピー数(CCN)アッセイを行った。Lrp5がヒト化又は欠失された対立遺伝子については、19番染色体のLrp5からテロメア方向に1.2Mb離れた点から長腕の末端までに位置する複数のSV及びSNVについてアッセイを行った(図5)。Lrp5の位置がセントロメアに近いために、この遺伝子のセントロメア側にはSVは見つからず、SNVが1個だけ見つかった。Hcについては、2番染色体上のこの遺伝子の両側で複数のSV及びSNVについてアッセイすることができた(図示せず)。Lrp5クローンのうちの6つについての結果を図10A〜E及び11A〜Cに示す。
ターゲティング効率に対するLTVECのホモロジーアームのサイズの影響を調べるため、補体成分5(C5又はHc(溶血性補体))のマウス遺伝子の76kbの欠失と同時に相同なヒトC5遺伝子の97kbのフラグメントによる置換を行うように設計された2種類のLTVECを比較した(図13)。標的遺伝子座は、C5(Hc)遺伝子の終止コドンまでのエクソン2を含むものとした。第1のLTVECは、欠失させようとするマウスC5(Hc)遺伝子の76kbの配列に隣接したマウスC5(Hc)遺伝子座の部分から誘導された35kb及び31kbのゲノムDNAを含むホモロジーアームを隣接させたヒトC5遺伝子の97kbのフラグメントを含むものとした(図13でLTVECとして示されたターゲティングベクターを参照)。第2のLTVECは、欠失させようとするマウスC5(Hc)遺伝子の76kbの配列に隣接したマウスC5(Hc)遺伝子座の部分から誘導された各5kbのゲノムDNAを含むホモロジーアームを隣接させたヒトC5遺伝子の97kbのフラグメントを含むものとした(図13でsTVECとして示されたターゲティングベクターを参照)。
CRISPR RNAの認識配列間及び切断部位間の距離をより短くすることがターゲティング効率に与える影響を調べるため、シチジン一リン酸−N−アセチルノイラミン酸ヒドロキシラーゼ(Cmah)のマウス遺伝子の18.2kbの欠失と同時にlacZレポーター及びヒグロマイシン耐性選択カセットを含んだインサートによる置換を行うように設計されたLTVECを設計した。このLTVECを、互いに間隔の近い配列を標的とした2種類のgRNAとともに使用した(図14)。標的遺伝子座は、Cmah遺伝子の最初の5個のエクソンを含むものとした。LTVECは、欠失させようとするマウスCmah遺伝子の18.2kbの配列に隣接したマウスCmah遺伝子座の部分から誘導された120kb及び57kbのゲノムDNAを含むホモロジーアームを隣接させた8.8kbのlazZ−hygrインサートを含むものとした。このLTVECを、Cas9及びターゲティングにより欠失させようとするマウスCmah遺伝子の領域の5’末端の近くに二本鎖切断を形成するように設計された2種類のgRNA(A及びB)をコードしたプラスミドと組み合わせた。これら2種類のgRNAは、欠失させようとする配列の5’末端のATGに近くの、互いに間隔の近い配列を標的としたものであり、標的切断部位は27bp離れていた(図15を参照)。2種類のgRNAにより導かれたCas9による切断によって、平滑末端を有する27bpの切り取られた配列が生じる。LTVEC単独をコントロールとして使用した。
1細胞期胚においてターゲティングによる大きな欠失を行うため、エクトドメインをコードするマウスLrp5(低密度リポタンパク質受容体関連タンパク質5)の部分の68kbの欠失と、場合により、2個の60ヌクレオチドのホモロジーアームを隣接させた4ヌクレオチドのインサートを含む一本鎖DNAドナー配列(124ヌクレオチドの長さ)を使用して4ヌクレオチドの挿入による置換とが同時に行われるように実験を設計した。4ヌクレオチドのインサートは、標的遺伝子座に挿入されて制限酵素部位を形成した。別々の実験において、Cas9タンパク質をタンパク質の形態で細胞質注入(CI)により導入するか、又はCas9をmRNAの形態で前核注入(PNI)又は電気穿孔法(EP)により導入した。Cas9は、ターゲティングにより欠失させようとするマウスLrp5遺伝子の領域内に二本鎖切断を形成するように設計された2種類のgRNA(A+F)と、また、場合により相同組換えドナーと組み合わせた。gRNAはRNAの形態で注入した。この後、得られた1対立遺伝子及び両対立遺伝子突然変異の頻度を評価した。
標準的な「対立遺伝子の改変(modification-of-allele)」(MOA)スクリーニング手法(例えば図17Aを参照)は、各試料の4つの生物学的複製物のCt値の平均をすべての試料のCt値の中央値と比較することによってTaqMan(登録商標)コピー数を決定するものである。「対立遺伝子の喪失(loss-of-allele)」では、TaqMan(登録商標)プローブを、ターゲティングにより欠失させようとする標的ゲノム遺伝子座の領域の上流(mTU)及び下流(mTD)領域に対して用いる。「対立遺伝子の獲得(gain-of-allele)」では、TaqMan(登録商標)プローブをネオマイシン耐性カセットに対して用いる。しかしながら、これらのプローブは、核酸インサートの任意の領域に対して設計することができる。二倍体のヘテロ接合型にターゲティングされたクローンでは、mTU、mTD、及びNeoプローブのそれぞれのTaqMan(登録商標)コピー数は1となる。二倍体のホモ接合型にターゲティングされたクローンでは、mTU及びmTDのそれぞれのTaqMan(登録商標)コピー数は0となり、NeoのTaqMan(登録商標)コピー数は2となる。同様に、二倍体のターゲティングされないクローンでは、mTU及びmTDのそれぞれのTaqMan(登録商標)コピー数は2となり、NeoのTaqMan(登録商標)コピー数は0となる。二倍体のヘテロ接合型に破壊されたクローンでは、mTU及びmTDのTaqMan(登録商標)コピー数は1となり、Neoのコピー数は0となる。二倍体のホモ接合型に破壊されたクローンでは、mTU、mTD、及びNeoプローブのそれぞれのTaqMan(登録商標)コピー数は0となる。
改変マウス免疫グロブリン重鎖インサートの約900kbの領域の正確な1工程の欠失と同時にloxP部位を隣接させたPgk−Neoインサート(ネオマイシンホスホトランスフェラーゼ遺伝子と機能的に連結されたホスホグリセリン酸キナーゼIプロモーター)による置換を行うため、本発明者らは以下の核酸分子を電気穿孔法によってマウスES細胞に導入した。すなわち、(1)LTVEC、(2)Cas9エンドヌクレアーゼをコードしたプラスミド、及び(3)4種類のCRISPR単鎖ガイドRNA(gRNA)をコードした1以上のプラスミド。各実験でLTVECは直鎖化した。改変の標的となる遺伝子は、可変領域遺伝子のセグメント(VH、DH、TH)を相当するヒトの遺伝子セグメントで置換したマウス免疫グロブリン重鎖遺伝子座の約900kbの領域とした。LTVECは、標的遺伝子座の約900kbの領域を欠失させ、ネオマイシンホスホトランスフェラーゼの発現を誘導してG418に対する耐性を付与する薬剤耐性カセットを挿入する相同組換え事象を誘導するように設計された19kbの5’ホモロジーアームと13kbの3’ホモロジーアームとを隣接させた約2kbの長さを有するPgk−Neoインサートを含むものとした。
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