JP2020500541A - ヒト化デュシェンヌ型筋ジストロフィー変異を有するdmdレポーターモデル - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2016年12月8日に出願された米国特許仮出願第62/431,699号の優先権の恩典を主張し、その内容全体は、参照により本明細書に組み入れられる。
本発明は、米国国立衛生研究所(National Institutes of Health)によって授与された助成金番号U54 HD 087351の下、政府援助で行われた。政府は、本発明においてある一定の権利を有する。
本出願は配列表を含み、それはASCII形式で電子的に提出されており、その全体が参照により本明細書に組み入れられる。2017年12月7日に作成されたこのASCIIコピーはUTFD_P3125WO.txtという名称であり、サイズは186,485バイトである。
本開示は、分子生物学、医学、および遺伝学の分野に関する。より詳しくは、本開示は、様々な形態のデュシェンヌ型筋ジストロフィー(DMD)についての、各々が別個のDMD変異を含有するヒト化動物モデルを作製するための、ゲノム編集の使用に関する。
筋ジストロフィー(MD)は、運動を制御する骨格筋の進行性の衰弱および変性を特徴とする、30種類を超える遺伝子疾患の群である。デュシェンヌ型筋ジストロフィー(DMD)は、5000人におよそ1人の男児に影響を及ぼすMDの最も重篤な形態の1つであり、進行性の筋衰弱および早期死亡を特徴とする。心筋症および心不全が、DMDの一般的な不治の致死的な特徴である。この疾患は、細胞表面にあるジストログリカン複合体を下にある細胞骨格と連結し、それによって収縮中の筋細胞膜の完全性を維持する大きな細胞内タンパク質であるジストロフィンをコードする遺伝子(DMD)における変異によって引き起こされる。ジストロフィン遺伝子における変異は、ジストロフィンの発現の消失を結果としてもたらし、筋膜の脆弱性および進行性の筋消耗を引き起こす。
筋芽細胞移入、ウイルス送達、およびオリゴヌクレオチド媒介性エクソンスキッピングを含む、様々なアプローチを通じた治療法を見出す熱心な努力にもかかわらず、筋ジストロフィーのいずれのタイプについてもいかなる治療法もないままである。本発明者らは、最近、CRISPR/Cas9(clustered regularly interspaced short palindromic repeat/Cas9)媒介性ゲノム編集を用いて、DMDについてのモデルである出生後mdxマウスにおいてジストロフィン遺伝子(DMD)変異を修正した。遺伝子編集構成要素のインビボでのAAV媒介性送達は、mdxマウスの心筋細胞および骨格筋細胞におけるエクソンスキッピングによって、変異体ゲノム配列を除去することに成功した。様々な様式のAAV9送達を用いて、本発明者らは、mdxマウスの心筋および骨格筋において、ジストロフィンタンパク質発現を回復した。mdxマウスモデル、および筋編集(myoediting)機構のAAV送達を用いた修正エクソン23は、インビボでの変異を包含するゲノム領域におけるいくつかの切断を用いたエクソンスキッピングアプローチの概念実証を示すのに有用である。しかし、種々の公知のDMD変異について、および発見され続けている新たな変異について、他のモデルが欠如している。
(図1)「ヒト化」ΔEx50マウスモデル。(図1A)マウスの生成のために用いたCRISPR/Cas9戦略の概略。(図1B)エクソン50の喪失を検証するためのRT-PCR解析。(図1C)エクソンの喪失およびアウトオブフレーム配列の生成を検証するためのRT-PCRバンドの配列解析。
(図1D)筋損傷および膜漏出を反映する筋ジストロフィーのマーカーである血清クレアチンキナーゼ(CK)を、野生型(WT)、ΔEx50、およびmdxマウスにおいて測定した。(図1E)骨格筋および心筋のヘマトキシリン・エオシン(H&E)染色およびジストロフィン染色。スケールバー:50μm。
(図2)ルシフェラーゼレポーターマウスモデル。(図2A)ジストロフィンレポーターマウスの作製のための戦略の模式図。ジストロフィン(Dmd)遺伝子をエクソンと共に、青色で示す。CRISPR/Cas9変異誘発を用いて、本発明者らは、ジストロフィンコード領域の3'末端にプロテアーゼ2A切断部位を有するルシフェラーゼレポーターを挿入した。(図2B)野生型(WT)およびDmdノックインルシフェラーゼレポーターマウスの生物発光イメージング。
(図3)ルシフェラーゼDmd変異体レポーターマウスモデル。(図3A)Δex50ルシフェラーゼレポーターマウスを生成するための戦略の模式的概略。(図3B)ΔEx50-Dmd-KI-ルシフェラーゼレポーターマウスの遺伝子型判定結果。フォワード(Fw)プライマーおよびリバース(Rv)プライマーでの遺伝子型判定戦略の模式的図解。(図3C)野生型(WT)、Dmdノックインルシフェラーゼレポーター、およびΔex50-Dmdノックインルシフェラーゼレポーターマウスの生物発光イメージング。(図3D)骨格筋および心臓組織におけるジストロフィン(DMD)、ルシフェリン、およびビンキュリン(VCL)発現のウェスタンブロット解析。
(図4)ΔEx50-KI-ルシフェラーゼマウスにおけるCRISPR/Cas9媒介性ゲノム編集のための戦略。(図4A)エクソン51をスキッピングすることによってΔEx50-KI-ルシフェラーゼマウスにおいてリーディングフレームを修正するための、CRISPR/Cas9媒介性ゲノム編集アプローチを示す略図。灰色のエクソンは、アウトオブフレームである。(図4B)sgRNA-ex51-SAについてのsgRNA結合位置および配列の図解。sgRNAについてのPAM配列を、赤色で示す。黒色矢印は、切断部位を示す。(図4C)10T1/2細胞においてエクソン51標的部位にわたって生成させたPCRアンプリコンのゲノムディープシークエンシング解析。挿入(緑色で強調)および欠失(赤色で強調)を明らかにする、sgRNA配列(青色で示す)と整列させた代表的なインデル(indel)の配列。線は、sgRNAの部位に位置する予測エクソンスプライシングエンハンサー(ESE)配列を示す。黒色矢印は、切断部位を示す。(図4C)筋肉クレアチンキナーゼ8(CK8e)プロモーターを、SpCas9を発現するために用いた。RNAポリメラーゼIIIのためのU6、H1、および7SKプロモーターを、sgRNAを発現するために用いた。
(図5)AAV9の筋肉内注射によるジストロフィン発現の修正のインビボ調査。(図5A)ΔEx50-KI-ルシフェラーゼマウスのTA筋に、sgRNAおよびCas9をコードするAAV9を注射した。ΔEx50-KI-ルシフェラーゼマウスを、生物発光によって毎週解析した。(図5B)sgRNAおよびCas9をコードするAAV9を注射した野生型(WT)、Dmd KI-ルシフェラーゼレポーター、およびΔEx50-KI-ルシフェラーゼレポーターマウスの、注射の1週間後および3週間後の生物発光イメージング。(図5C)sgRNAおよびCas9をコードするAAV9を注射した野生型(WT)、Dmd KI-ルシフェラーゼレポーター、およびΔEx50-KI-ルシフェラーゼレポーターマウスの前脛骨筋全体のジストロフィン免疫組織化学。(図5D)sgRNAおよびCas9をコードするAAV9を注射した野生型(WT)、Dmd KI-ルシフェラーゼレポーター、およびΔEx50-KI-ルシフェラーゼレポーターマウスの前脛骨筋のジストロフィン免疫組織化学。
DMDは、ヒトにおいて4,000個を超える独立した変異の同定されている新たな変異症候群である(ワールドワイドウェブdmd.nl)。患者の変異の大多数は、ホットスポットに集中した欠失を保有しているため、ある特定のエクソンをスキッピングする治療アプローチは、多くの患者に適する。エクソンスキッピングアプローチの原理は、DMD患者とベッカー型筋ジストロフィー(BMD)患者との間の遺伝学的な差に基づく。DMD患者においては、ジストロフィンmRNAのリーディングフレームが破壊され、中途で短縮された非機能的なジストロフィンタンパク質を結果としてもたらす。BMD患者は、内部が欠失しているが部分的には機能的なジストロフィンの産生を可能にするリーディングフレームを維持する、DMD遺伝子における変異を有し、それは、DMD患者と比較してずっと軽度の疾患症状をもたらす。
A. 背景
デュシェンヌ型筋ジストロフィー(DMD)は、男児のおよそ5000人に1人が罹患する、筋肉変性および早期死亡をもたらす劣性X連鎖型の筋ジストロフィーである。この障害は、以下に再現する配列のタンパク質ジストロフィン(GenBankアクセッション番号AAA53189; SEQ ID NO.383)をコードする、ヒトX染色体上に位置する遺伝子ジストロフィン(GenBankアクセッション番号NC_000023.11を参照のこと)の変異によって引き起こされる。
症状は、通常、2〜3歳の男児に現れ、早期幼児期に見られることもある。早期幼児期まで症状が現れなくても、検査室試験により、出生時に活性変異を保有する子供を特定することができる。筋肉量の損失に関連する脚および骨盤の進行性の近位筋衰弱が最初に観察される。最終的に、この衰弱は、腕、首、および他の領域に広がる。初期の徴候は、仮性肥大(ふくらはぎおよび三角筋の腫脹)、低持久力、および、助けなしで起立することが困難、または階段を上ることができないことを含み得る。病状が進行するにつれて、筋組織は、消耗を経験し、最終的には脂肪および線維性組織に置き換えられる(線維症)。10歳までに歩行を補助するために支持具が必要となることがあり、ほとんどの患者は、12歳までに車椅子に頼る。その後の症状は、脊椎湾曲を含め、骨格の変形を導く異常な骨発達を含み得る。進行性の筋肉劣化に起因して、運動の消失が起こり、最終的に麻痺に至る。知的障害が存在する可能性も、存在しない可能性もあるが、存在しても、子供が年を取るにつれて次第に悪化することはない。DMDに罹患している男性の平均余命は25歳前後である。
・ぎこちない歩き方、足踏み方、または走り方(患者は、ふくらはぎの筋肉緊張の増大のため、足の前部で歩く傾向がある。また、つま先歩きは、膝伸筋の衰弱に対する代償的適応である。)
・頻繁な転倒
・疲労
・運動技能(ランニング、ホッピング、ジャンピング)の障害
・股関節屈筋の短縮を導くおそれのある、腰椎の脊柱前彎過度。これは、姿勢全体、および歩き方、足踏み方、または走り方に影響を及ぼす。
・アキレス腱および膝腱の筋拘縮は、結合組織において筋線維が短くなり線維形成を起こすので、機能を損なう。
・進行性の歩行困難
・筋線維の変形
・舌およびふくらはぎの筋肉の仮性肥大(腫脹)。筋組織は最終的に脂肪および結合組織により置き換えられるため、仮性肥大という語を用いる。
・脳内のジストロフィンの非存在または機能不全の結果であると考えられる、神経行動障害(例えば、ADHD)、学習障害(失読症)、および特定の認知技能(特に短期言語記憶)の非進行性衰弱の高いリスク
・歩く能力の最終的損失(通常は12歳までに)
・骨格の変形(場合によっては脊柱側彎を含む)
・臥位または座位から起き上がることが困難
・異常な心筋(心筋症)
・鬱血性心不全または不規則な心拍リズム(不整脈)
・胸部および背部の変形(脊柱側彎)
・ふくらはぎ、臀部、および肩の筋腫脹(4歳または5歳前後)。これらの筋肉は最終的に、脂肪および結合組織により置き換えられる(仮性肥大)。
・筋肉量の損失(萎縮)
・かかと、脚の筋拘縮
・筋肉の変形
・食物または流体が肺に流入することに伴う肺炎および嚥下を含む、呼吸器障害(疾患の後期段階において)
デュシェンヌ型筋ジストロフィー(DMD)は、X染色体の短腕に位置する遺伝子座Xp21のジストロフィン遺伝子の変異によって引き起こされる。ジストロフィンは、多くのサブユニットを含有するタンパク質複合体を通じて、各筋線維の細胞骨格を、基礎となる基底層(細胞外マトリックス)に接続する役割を担う。ジストロフィンが存在しないと、過剰なカルシウムが筋線維鞘(細胞膜)に浸透する。カルシウムおよびシグナル伝達経路の変化により水がミトコンドリアに侵入し、次いでミトコンドリアが破裂する。
この障害の家族歴を有する人には、遺伝カウンセリングが推奨される。デュシェンヌ型筋ジストロフィーは、妊娠中に行われる遺伝子検査によって約95%の精度で検出できる。
ジストロフィン遺伝子の筋肉特異的アイソフォームは、79のエクソンから構成され、通常、DNA検査および分析で、影響を受けるエクソンの特定のタイプの変異を同定することができる。ほとんどの場合に、DNA検査が診断を確定する。
DNA検査で変異を見つけられない場合は、筋生検検査が行われることがある。小さな筋組織サンプルを抽出し(通常は針の代わりにメスで)、ジストロフィンの存在を明らかにする色素を適用する。そのタンパク質の完全な非存在は、その病状を示唆する。
DMDは、X連鎖劣性遺伝子によって運ばれる。男性はX染色体を1つしか持たないので、変異した遺伝子の1コピーがDMDを引き起こす。父親はX連鎖形質を息子に譲り渡すことができないので、変異は母親によって伝達される。
DMDに対する現行の治癒法はなく、継続的な医学的必要性が規制当局によって認識されている。ある特定の変異に対するエクソンスキッピング処置を用いた第1〜2a相試験は、歩行の減退を中断し、わずかな臨床的改善をもたらした。処置は、一般に、生活の質を最大限にするために症状の発症を制御することを目的とし、以下を含む:
・プレドニゾロンおよびデフラザコートなどのコルチコステロイドは、エネルギーおよび強度を高め、いくつかの症状の重症化を遅らせる。
・ランダム化比較試験は、ベータ-2-アゴニストが筋力を増加させるが、疾患の進行を改変しないことを示している。ベータ2-アゴニストでのほとんどのRCTの経過観察時間は、わずか12ヶ月前後であり、よってその時間枠を超えて結果を推定することはできない。
・水泳などの、軽度な不快でない身体活動が推奨される。不活動であること(ベッドでの静養など)は、筋肉疾患を悪化させ得る。
・理学療法は、筋力、柔軟性、および機能を維持するのに役立つ。
・矯正装具(支持具および車椅子など)は、移動性および自己ケア能力を改善し得る。睡眠中に足首を適切な位置で支える、体にぴったり合った取り外し可能な脚支持具は、拘縮の発症を遅らせることができる。
・疾患の進行に応じて適切な呼吸補助が重要である。
理学療法士は、患者が身体的潜在性を最大限に発揮できるようにすることに携わる。彼らの目的は、以下を行うことである:
・必要に応じてストレッチおよび運動のプログラムを開発することによって拘縮および変形の発症を最小限に抑えること
・固定具および耐久性のある医療機器を推薦することによって、身体的な性質の他の二次的合併症を予測し、最小限に抑えること
・呼吸機能を監視し、呼吸運動を補助するための技法および分泌物を取り除く方法について助言すること。
呼吸のたびに調節可能な体積(量)の空気を人に送達する最新の「従量式酸素吸入器/人工呼吸器」が、筋ジストロフィーに関連した呼吸障害を有する人の処置において有益である。酸素吸入器は、空気を直接送達する侵襲性の気管内チューブまたは気管切開チューブを必要とすることもあるが、一部の人には、フェイスマスクまたはマウスピースによる非侵襲性の送達で十分である。この後者の方法においては、気道陽圧装置、特に二相性の気道陽圧装置が使用されることもある。呼吸具は、携行性のために外部バッテリを備えた電動車椅子の底面または背面の酸素吸入器トレイに容易に適合し得る。
デュシェンヌ型筋ジストロフィーは、最終的に全ての随意筋に影響を及ぼしかつ後期に心筋および呼吸筋を侵す、進行性疾患である。平均余命は、現在25歳前後と推定されているが、これは患者によって異なる。最近の医学の進歩は、罹患者の生存を延長させている。全ての筋疾患に焦点を当てた有力な英国慈善団体であるThe Muscular Dystrophy Campaignは、「高い水準の医学的ケアにより、デュシェンヌ型筋ジストロフィーを有する若年男性は、30代を優に超えるまで生きることが多い」と述べている。
A. CRISPR
CRISPR(クラスター化して規則的な配置の短い回文配列反復)は、塩基配列の短い反復を含有するDNA遺伝子座である。各反復の後に、ウイルスへの事前曝露由来の「スペーサーDNA」の短いセグメントが続く。CRISPRは、配列決定された真正細菌ゲノムの約40%および配列決定された古細菌の90%に見いだされる。CRISPRは、CRISPRに関連するタンパク質をコードするcas遺伝子と関連していることが多い。CRISPR/Casシステムは、プラスミドおよびファージなどの外来遺伝エレメントに対する耐性を付与し、かつ獲得免疫の一形態を提供する、原核生物の免疫系である。CRISPRスペーサーは、真核生物におけるRNAiのように、これらの外因性遺伝エレメントを認識およびサイレンシングする。
CRISPR関連(cas)遺伝子は、CRISPR反復-スペーサーアレイに関連していることが多い。2013年現在、40種を超える異なるCasタンパク質ファミリーが記述されている。これらのタンパク質ファミリーのうち、Cas1は、異なるCRISPR/Casシステムの間で遍在しているようである。8つのCRISPRサブタイプ(Ecoli、Ypest、Nmeni、Dvulg、Tneap、Hmari、Apern、およびMtube)を定義するためにcas遺伝子および反復構造の特定の組み合わせが使用されており、その一部は、RAMP(repeat-associated mysterious protein)をコードする追加の遺伝子モジュールと関連している。単一のゲノム内に2つ以上のCRISPRサブタイプが存在し得る。CRISPR/Casサブタイプの散在的分布は、システムが微生物の進化中に遺伝子水平伝播を受けることを示唆している。
プレボテラおよびフランシセラ1由来のクラスター化して規則的な配置の短い回文配列反復、すなわちCRISPR/Cpf1は、CRISPR/Cas9システムといくつかの類似性を有するDNA編集技術である。Cpf1は、クラスII CRISPR/CasシステムのRNAガイドエンドヌクレアーゼである。この獲得免疫機構は、プレボテラ細菌およびフランシセラ細菌に見いだされる。それは、ウイルスによる遺伝子損傷を防止する。Cpf1遺伝子は、CRISPR遺伝子座に関連しており、ガイドRNAを使用してウイルスDNAを発見および切断するエンドヌクレアーゼをコードする。Cpf1は、Cas9よりも小さくかつ単純なエンドヌクレアーゼであり、CRISPR/Cas9システムの制限の一部を克服する。
適応:Cas1およびCas2タンパク質が、小さなDNA断片のCRISPRアレイへの適応を容易にする;
crRNAの形成:Casタンパク質をガイドする成熟crRNAを産生する、プレ-cr-RNAのプロセシング;および
干渉:Cpf1がcrRNAに結合して、二成分複合体を形成し、標的DNA配列を同定および切断する。
RNAにガイドされるタンパク質として、Cas9は、DNA標的の認識を指令する短いRNAを必要とする。Cas9は、PAM配列NGGを含有するDNA配列を選択的に調べるが、それはプロトスペーサー標的なしでここに結合することができる。しかしながら、Cas9-gRNA複合体は、二本鎖切断を生じるためにgRNAとの厳密な一致を必要とする。細菌におけるCRISPR配列は、複数のRNAで発現され、次いでRNAのガイド鎖を生じるためにプロセッシングされる。真核生物系は、CRISPR RNAをプロセッシングするために必要なタンパク質の一部を欠いているため、RNAポリメラーゼIII型プロモーターU6で発現される単一RNAにCas9ターゲティングに不可欠なRNA片を組み合わせるために合成構築物gRNAが作られた。合成gRNAは、最小長で100bpをわずかに上回り、PAM配列NGGの直前の20のプロトスペーサーヌクレオチドを標的とする部分を含む;gRNAは、PAM配列を含まない。
Cas9は、DNAを切断するために2つのRNA分子を必要とする一方で、Cpf1は1つ必要とする。これらタンパク質はまた、DNAを異なる場所で切断し、編集部位を選択する際に研究者により多くの選択肢を提供する。Cas9は、DNA分子において両方の鎖を同じ位置で切断し、「平滑」末端を残す。Cpf1は、一方の鎖を他方よりも長く残し、扱いやすい「付着」末端を生じる。Cpf1は、Cas9と比較して、切断部位に新たな配列をより多く挿入できるようである。CRISPR/Cas9システムは遺伝子を効率的に無効にすることができるが、遺伝子を挿入することもノックインを生成することも困難である。Cpf1は、tracrRNAを欠き、TリッチPAMを利用し、DNAを突出型のDNA DSBを介して切断する。
CRISPR/Cpf1を使用してDMD遺伝子を編集する際の最初の工程は、ゲノム標的配列を同定することである。本開示のgRNAのためのゲノム標的は、ジストロフィン遺伝子内の任意の約24ヌクレオチドのDNA配列であることができるが、但し、その配列がゲノムの残部と比較してユニークであるものとする。いくつかの態様において、ゲノム標的配列は、ヒトジストロフィン遺伝子のエクソン51、エクソン45、エクソン44、エクソン53、エクソン46、エクソン52、エクソン50、エクソン43、エクソン6、エクソン7、エクソン8、および/またはエクソン55内の配列に対応する。いくつかの態様において、ゲノム標的配列は、ヒトジストロフィン遺伝子のエクソン51、エクソン45、エクソン44、エクソン53、エクソン46、エクソン52、エクソン50、エクソン43、エクソン6、エクソン7、エクソン8、および/またはエクソン55の5’または3’スプライス部位である。いくつかの態様において、ゲノム標的配列は、ヒトジストロフィン遺伝子のエクソン51、エクソン45、エクソン44、エクソン53、エクソン46、エクソン52、エクソン50、エクソン43、エクソン6、エクソン7、エクソン8、および/またはエクソン55のすぐ上流または下流にあるイントロン内の配列に対応する。例示的なゲノム標的配列を表Dに見いだすことができる。
上で考察した通り、ある特定の態様において、その後の精製および細胞/対象への送達のため、または遺伝子に基づく送達アプローチで直接使用するため、発現カセットを用いて転写因子産物を発現させる。Cpf1およびジストロフィンスプライス部位を標的とする少なくとも1つのDMDガイドRNAをコードする1つまたは複数の核酸を含有する発現ベクターが本明細書に提供される。いくつかの態様において、Cpf1をコードする核酸および少なくとも1つのガイドRNAをコードする核酸は、同じベクター上に提供される。さらなる態様において、Cpf1をコードする核酸および少なくとも1つのガイドRNAをコードする核酸は、別々のベクター上に提供される。
本出願全体を通して、「発現カセット」という用語は、核酸コード配列の一部または全てが転写および翻訳されることができる、すなわち、プロモーターの制御下にある、遺伝子産物をコードする核酸を含有する任意のタイプの遺伝子構築物を含むことを意味する。「プロモーター」は、遺伝子の特異的な転写を開始するために必要とされる、細胞の合成機構または導入された合成機構によって認識されるDNA配列を指す。「転写制御下」という語句は、プロモーターが、RNAポリメラーゼ開始および遺伝子の発現を制御するため、核酸に対して正確な位置および方向にあることを意味する。「発現ベクター」は、複製可能な遺伝子構築物に含まれており、したがって、複製起点、転写終結シグナル、ポリA領域、選択可能マーカー、および多目的クローニング部位の1つまたは複数を含む、発現カセットを含むことを意味する。
本発明者は、昆虫ウイルスであるトセア・アシグナ(Thosea asigna)由来の2A様自己切断ドメイン(TaV 2Aペプチド; SEQ ID NO.444; EGRGSLLTCGDVEENPGP)(Chang et al., 2009)を利用する。これらの2A様ドメインは、真核生物全体で機能することが示されており、アミノ酸の切断を、2A様ペプチドドメイン内で同時翻訳的に起こさせる。それ故、TaV 2Aペプチドを含めることで、単一のmRNA転写物から複数のタンパク質の発現が可能となる。重要なことに、真核生物系で試験したとき、TaVのドメインは、99%を超える切断活性を示した。他の許容される2A様ペプチドは、ウマ鼻炎Aウイルス(ERAV)2Aペプチド
、ブタテシオウイルス-1(PTV1)2Aペプチド
および口蹄疫ウイルス(FMDV)2Aペプチド
またはそれらの修飾型バージョンを含むが、これらに限定されない。
発現ベクターを細胞に導入できる多数の方法が存在する。ある特定の態様において、発現構築物は、ウイルス、またはウイルスゲノムに由来する改変された構築物を含む。受容体媒介性エンドサイトーシスを介して細胞に侵入し、宿主細胞ゲノムに組み込まれ、ウイルス遺伝子を安定的かつ効率的に発現することができるある特定のウイルスは、哺乳動物細胞に外来遺伝子を移入するための魅力的な候補である。これらは、比較的低い外来DNA配列の収容量を有し、限定された宿主範囲を有する。さらに、許容細胞における発がん潜在性および細胞変性効果は、安全性の問題を提起する。これらは、8kBまでの外来遺伝物質しか収容できないが、種々の細胞株および実験動物に容易に導入することができる。
特定の態様は、ジストロフィン遺伝子に変異を有するトランスジェニック動物を提供する。また、トランスジェニック動物は、変異体または正常のジストロフィン遺伝子産物の産生を反映するマーカーを発現してもよい。
本明細書において、DMDの新規マウスモデルとそれを作る方法が提供される。本開示は、種々のDMD変異についての新規マウスモデルを作製するために用いることができる。
臨床適用のために、薬学的組成物が、意図する適用に適した形態で調製される。一般に、これは、発熱性物質およびヒトまたは動物にとって有害であり得る他の不純物を本質的に含まない組成物を調製することを要する。
以下の実施例は、本開示の好ましい態様を実証するために含まれる。以下の実施例において開示される技術が、本開示の実践において良好に機能すると本発明者によって発見された技術を代表するものであり、したがって、これがその実践のための好ましい様式に相当すると見なすことができると、当業者は理解するはずである。しかしながら、当業者は、本開示に照らして、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、開示されている具体的な態様において多くの変更を行うことができ、それでも同様のまたは類似の結果を得ることができるものと理解するはずである。
研究の承認
本研究における動物に関与するすべての実験手順は、University of Texas Southwestern Medical CenterのInstitutional Animal Care and Use Committeeによって審査され、承認された。
マウスDmd遺伝子座のエクソン50配列を囲むイントロン領域に特異的な2種類のシングルガイドRNA(sgRNA)を、表3に記載のプライマーを用いてベクターpx330中にクローニングした。sgRNAのインビトロ転写のために、T7プロモーター配列を、表4に記載のプライマーを用いてPCRによってsgRNA鋳型に付加した。ゲル精製したPCR産物を、MEGAshortscript T7キット(Life Technologies)を用いたインビトロ転写のための鋳型として用いた。sgRNAを、MEGAclearキット(Life Technologies)によって精製し、ヌクレアーゼを含まない水(Ambion)で溶出した。ガイドRNAの濃度を、NanoDrop機器(Thermo Scientific)によって測定した。
マウスDmd遺伝子座のエクソン79配列に特異的なシングルガイドRNA(sgRNA)を、表3に記載のプライマーを用いてベクターpx330中にクローニングした。sgRNAのインビトロ転写のために、T7プロモーター配列を、表4に記載のプライマーを用いてPCRによってsgRNA鋳型に付加した。プロテアーゼ2A配列およびルシフェラーゼレポーター配列を含有するドナーベクターを、Dmd遺伝子座に特異的な短い5'および3'相同アームを組み込むことによって構築した。
ΔEx50、Dmd-ルシフェラーゼ、およびΔEx50-Dmd-ルシフェラーゼマウスを、表5に記載の標的領域を包含するプライマーを用いて遺伝子型判定した。尾生検を、100μLの25mM NaOH、0.2mM EDTA(pH 12)において20分間、95℃で消化した。尾を短時間、遠心分離して、その後100μLの40mM トリス・HCl(pH 5)を添加し、混合して均質化した。2マイクロリットルのこの反応液を、下記のプライマーでのその後のPCR反応に用い、その後ゲル電気泳動を行った。
2A-EGFPを伴うヒトコドン最適化SpCas9遺伝子およびsgRNAのバックボーンを含有するpSpCas9(BB)-2A-GFP(PX458)プラスミドを、Addgeneから購入した(プラスミド番号48138)。sgRNAのクローニングは、Bbs I部位を用いて行った。
Dmdエクソン51 sgRNAを、crispr.mit.eduを用いて選択した。sgRNA配列を、表4中のプライマーを用いてpx330中にクローニングした。sgRNAを、rAAV9バックボーンへのクローニングの前に、以前に記述されているように(Long et al., 2016)10T1/2細胞を用いて組織培養において試験した。
10T1/2マウス線維芽細胞由来のゲノムDNAのPCRを、それぞれの標的領域およびオフターゲット部位に対して設計したプライマーを用いて行った(表5)。2回目のPCRで、プライマー配列の5'末端に、Illuminaフローセル結合配列および実験特異的バーコードを付加した(表2)。シークエンシングの前に、DNAライブラリーを、Bioanalyzer High Sensitivity DNA Analysis Kit(Agilent)を用いて解析した。次いで、ライブラリー濃度を、IlluminaプラットフォームのためのKAPA Library Quantification Kitを用いたqPCRによって決定した。結果として生じたPCR産物を、プールして、Illumina MiSeq機器で300 bpペアエンドの読み取りでシークエンシングした。試料を、割り当てられたバーコード配列にしたがって多重分離した。FASTQ形式データを、CRISPRessoソフトウェアパッケージバージョン1.0.8を用いて解析した(Pinello et al., 2016)。
ウェスタンブロットを、以前に記述されているように行った(Long et al., 2016)。ジストロフィンに対する抗体(1:1000、D8168、Sigma-Aldrich)、ルシフェリンに対する抗体(1:1000、Abcam ab21176)、ビンキュリンに対する抗体(1:1000、V9131、Sigma-Aldrich)、ヤギ抗マウスおよびヤギ抗ウサギのHRPコンジュゲート二次抗体(1:3000、Bio-Rad)を、記載した実験のために用いた。
新たなヒト化モデルは筋ジストロフィー表現型を再現する
DMD患者における第1のホットスポット変異領域はエクソン45〜51の間の領域であり、エクソン51のスキッピングが最大の群(すなわち、DMD患者の13〜14%)に適すると考えられる。インビボでCRISPR/Cas9媒介性エクソン51スキッピングを調査するために、ヒト「ホットスポット」領域の模倣物を、2種類のシングルガイドRNA(sgRNA)によって方向づけられるCRISPR/Cas9システムを用いてエクソン50を欠失させることによって、マウスモデルにおいて生成した(図1A)。エクソン50の欠失は、DNAシークエンシングによって確認した(図1B)。エクソン50の欠失は、ジストロフィン遺伝子をフレーム外に置き、骨格筋および心臓におけるジストロフィンタンパク質の欠如をもたらした(図1C)。エクソン50が欠けているマウスは、2か月齢マウスにおいて明白なジストロフィー性筋肉変化を示した。Δエクソン50マウスの血清解析により、筋損傷の徴候であるクレアチンキナーゼ(CK)レベルの有意な増大が示される。まとめると、ジストロフィンタンパク質発現、筋肉組織学、および血清により、ΔEx50マウスモデルのジストロフィー表現型が検証された。
インビボでの非侵襲的様式におけるエクソンスキッピング戦略の解析を容易にする努力において、ルシフェラーゼがジストロフィンのエクソン79とインフレームで翻訳されるように、ルシフェラーゼ発現カセットをDmd遺伝子の3'末端へ挿入することによって、レポーターマウスを生成した。これを、図2A〜Bに示すように、Dmd-KI-ルシフェラーゼと呼ぶ。ルシフェラーゼがジストロフィンタンパク質を不安定化する可能性を回避するため、自己触媒的に切断されるプロテアーゼ2Aを、タンパク質間の切断部位に設計した(図2A)。したがって、レポータータンパク質は、翻訳後にジストロフィンから放出されることになる。レポーターのDmd-ルシフェラーゼレポーター系統を生成し、DNAシークエンシングによって検証することに成功した。マウスの生物発光イメージングにより、Dmd-ルシフェラーゼマウスにおけるルシフェラーゼ発現の高い発現レベルおよび筋肉特異性が示される(図2B)。ΔEx50-Dmd-ルシフェラーゼレポーター系統マウスを生成するために、2種類のsgRNAを用いて、Dmd-ルシフェラーゼレポーター系統においてエクソン50を欠失させた(図3A)。エクソン50の欠失をDNAシークエンシングによって確認した。エクソン50の欠失は、ジストロフィン遺伝子をフレーム外に置き、ジストロフィンタンパク質の欠如および減少した生物発光シグナルをもたらした(図3C)。エクソン50の欠失は、Dmd遺伝子をフレーム外に置き、骨格筋および心臓におけるジストロフィンタンパク質の産生を阻止した(図3D)。このように、ルシフェラーゼレポータータンパク質発現はジストロフィン翻訳に連結されているため、エクソン50の欠失は、ΔEx50-KI-ルシフェラーゼマウスにおいてルシフェリンタンパク質発現の欠如をもたらす(図3D)。
ΔEx50-KI-ルシフェラーゼマウスにおいてジストロフィンリーディングフレームを修正するために(図4A)、sgRNAを、エクソン51スプライスアクセプター部位に隣接する領域を標的とするように設計した(sgRNA-SAと呼ぶ)(図4B)。二本鎖DNA切断を生成するためのプロトスペーサー隣接モチーフ(PAM)配列としてNAG/NGGを必要とする化膿連鎖球菌(S. pyogenes)Cas9を、インビボ修正のために用いた。
Claims (77)
- Cas9ポリペプチドをコードする配列、第1のゲノム標的配列を標的とする第1のガイドRNA(gRNA)をコードする配列、および第2のゲノム標的配列を標的とする第2のgRNAをコードする配列を含む組成物であって、第1および第2のゲノム標的配列が各々、マウスジストロフィン遺伝子のエクソンを囲むイントロン配列を含む、組成物。
- 前記エクソンがマウスジストロフィン遺伝子のエクソン50を含む、請求項1に記載の組成物。
- Cas9ポリペプチドをコードする配列が、黄色ブドウ球菌(S. aureus)Cas9ポリペプチドをコードする配列から単離されているか、またはそれに由来する、請求項1または2に記載の組成物。
- Cas9ポリペプチドをコードする配列、第1のgRNAをコードする配列、または第2のgRNAをコードする配列のうちの少なくとも1つが、RNA配列を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の組成物。
- 前記RNA配列がmRNA配列を含む、請求項4に記載の組成物。
- 前記RNA配列が、少なくとも1個の化学的に修飾されたヌクレオチドを含む、請求項4または5に記載の組成物。
- Cas9ポリペプチドをコードする配列、第1のgRNAをコードする配列、または第2のgRNAをコードする配列のうちの少なくとも1つが、DNA配列を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の組成物。
- 第1のベクターが、Cas9ポリペプチドをコードする配列を含み、第2のベクターが、第1のgRNAをコードする配列または第2のgRNAをコードする配列のうちの少なくとも1つを含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の組成物。
- 第1のベクターまたはCas9ポリペプチドをコードする配列が、第1のポリA配列をさらに含む、請求項8に記載の組成物。
- 第2のベクターまたは第1のgRNAをコードする配列または第2のgRNAをコードする配列が、第2のポリA配列をコードする、請求項8に記載の組成物。
- 第1のベクターまたはCas9ポリペプチドをコードする配列が、第1のプロモーター配列をさらに含む、請求項8に記載の組成物。
- 第2のベクターまたは第1のgRNAをコードする配列または第2のgRNAをコードする配列が、第2のプロモーター配列を含む、請求項8に記載の組成物。
- 第1のプロモーター配列と第2のプロモーター配列とが同一である、請求項11または12に記載の組成物。
- 第1のプロモーター配列と第2のプロモーター配列とが同一ではない、請求項11または12に記載の組成物。
- 第1のプロモーター配列または第2のプロモーター配列が、CK8プロモーター配列を含む、請求項11〜14のいずれか一項に記載の組成物。
- 第1のプロモーター配列または第2のプロモーター配列が、CK8eプロモーター配列を含む、請求項11〜14のいずれか一項に記載の組成物。
- 第1のプロモーター配列または第2のプロモーター配列が、構成的プロモーターを含む、請求項11〜14のいずれか一項に記載の組成物。
- 第1のプロモーター配列または第2のプロモーター配列が、誘導性プロモーターを含む、請求項11〜14のいずれか一項に記載の組成物。
- 1つのベクターが、Cas9ポリペプチドをコードする配列、第1のgRNAをコードする配列、および第2のgRNAをコードする配列を含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の組成物。
- 前記ベクターがポリA配列をさらに含む、請求項19に記載の組成物。
- 前記ベクターがプロモーター配列をさらに含む、請求項20または21に記載の組成物。
- 前記プロモーター配列が構成的プロモーターを含む、請求項21に記載の組成物。
- 前記プロモーター配列が誘導性プロモーターを含む、請求項21に記載の組成物。
- 前記プロモーター配列がCK8プロモーター配列を含む、請求項21に記載の組成物。
- 前記プロモーター配列がCK8eプロモーター配列を含む、請求項21に記載の組成物。
- 哺乳動物細胞における発現のためにコドン最適化された配列を含む、請求項1〜25のいずれか一項に記載の組成物。
- ヒト細胞またはマウス細胞における発現のためにコドン最適化された配列を含む、請求項1〜16のいずれか一項に記載の組成物。
- Cas9ポリペプチドをコードする配列が、ヒト細胞またはマウス細胞における発現のためにコドン最適化されている、請求項27に記載の組成物。
- 第1のベクターおよび第2のベクターのうちの少なくとも1つが、非ウイルスベクターである、請求項8〜18のいずれか一項に記載の組成物。
- 非ウイルスベクターがプラスミドである、請求項29に記載の組成物。
- リポソームまたはナノ粒子が前記非ウイルスベクターを含む、請求項29または30に記載の組成物。
- 第1のベクターおよび第2のベクターのうちの少なくとも1つが、ウイルスベクターである、請求項8〜18のいずれか一項に記載の組成物。
- 前記ベクターがウイルスベクターである、請求項19〜28のいずれか一項に記載の組成物。
- ウイルスベクターがアデノ随伴ウイルス(AAV)ベクターである、請求項32または33に記載の組成物。
- AAVベクターが複製欠損型または条件付き複製欠損型である、請求項34に記載の組成物。
- AAVベクターが組換えAAVベクターである、請求項34または35に記載の組成物。
- AAVベクターが、血清型AAV1、AAV2、AAV3、AAV4、AAV5、AAV6、AAV7、AAV8、AAV9、AAV10、AAV11、またはそれらの任意の組み合わせのうちのAAVベクターから単離されたか、またはそれに由来する配列を含む、請求項34〜36のいずれか一項に記載の組成物。
- 薬学的担体をさらに含む、請求項1〜37のいずれか一項に記載の組成物。
- 請求項1〜38のいずれか一項に記載の組成物を含む、細胞。
- マウス細胞である、請求項39に記載の細胞。
- 卵母細胞である、請求項39または40に記載の細胞。
- 請求項39〜41のいずれか一項に記載の細胞を含む、組成物。
- 請求項39〜41のいずれか一項に記載の細胞を含む、遺伝子操作されたマウス。
- 請求項39〜41のいずれか一項に記載の細胞をマウスと接触させる工程を含む、遺伝子操作されたマウスを作製する方法。
- マウスの細胞を、請求項1〜38のいずれか一項に記載の組成物と接触させる工程を含む、遺伝子操作されたマウスを作製する方法。
- 請求項44または45に記載の方法によって生成される、遺伝子操作されたマウス。
- マウスのゲノムが、ジストロフィン遺伝子のエクソン50の欠失を含み、結果としてジストロフィン遺伝子のエクソン51においてアウトオブフレームシフトおよび中途終止コドンをもたらす、遺伝子操作されたマウス。
- ジストロフィン遺伝子のエクソン79の下流にそれとインフレームで位置しかつジストロフィン3'-UTRの上流に位置するレポーター遺伝子であって、エクソン79がエクソン49とインフレームで翻訳される時に発現されるレポーター遺伝子
をさらに含む、請求項47に記載の遺伝子操作されたマウス。 - レポーター遺伝子がルシフェラーゼである、請求項48に記載の遺伝子操作されたマウス。
- レポーター遺伝子の上流にありそれとインフレームである、かつエクソン79の下流にありそれとインフレームである、プロテアーゼコード配列
をさらに含む、請求項47〜49のいずれか一項に記載の遺伝子操作されたマウス。 - プロテアーゼが自己触媒性である、請求項50に記載の遺伝子操作されたマウス。
- プロテアーゼが2Aプロテアーゼである、請求項50または51に記載の遺伝子操作されたマウス。
- 欠失についてヘテロ接合性である、請求項47〜52のいずれか一項に記載の遺伝子操作されたマウス。
- 欠失についてホモ接合性である、請求項47〜52のいずれか一項に記載の遺伝子操作されたマウス。
- 野生型マウスと比較して増大したクレアチンキナーゼレベルを呈する、請求項47〜54のいずれか一項に記載の遺伝子操作されたマウス。
- 心臓または骨格筋において検出可能なジストロフィンタンパク質を呈さない、請求項47〜55のいずれか一項に記載の遺伝子操作されたマウス。
- (a)受精した卵母細胞を、CRISPR/Cas9エレメントと、ジストロフィン遺伝子のエクソン50に隣接する配列を標的とする2種類のシングルガイドRNA(sgRNA)とに接触させ、それによって改変卵母細胞を作製する工程であって、CRISPR/Cas9によるエクソン50の欠失が、ジストロフィン遺伝子のエクソン51においてアウトオブフレームシフトおよび中途終止コドンを結果としてもたらす、工程;
(b)該改変卵母細胞をレシピエント雌に移入する工程
を含む、請求項47〜56のいずれか一項に記載の遺伝子操作されたマウスを作製する方法。 - ジストロフィン遺伝子のエクソン79の下流にそれとインフレームで位置しかつジストロフィン3'-UTRの上流に位置するレポーター遺伝子であって、エクソン79がエクソン49とインフレームで翻訳される時に発現されるレポーター遺伝子
を有するジストロフィン遺伝子を卵母細胞が含む、請求項57に記載の方法。 - レポーター遺伝子がルシフェラーゼである、請求項58に記載の方法。
- レポーター遺伝子の上流にありそれとインフレームである、かつエクソン79の下流にありそれとインフレームである、プロテアーゼコード配列
をさらに含む、請求項57〜59のいずれか一項に記載の方法。 - プロテアーゼが自己触媒性である、請求項60に記載の方法。
- プロテアーゼが2Aプロテアーゼである、請求項60または61に記載の方法。
- マウスが、欠失についてヘテロ接合性である、請求項57〜62のいずれか一項に記載の方法。
- 前記マウスが、欠失についてホモ接合性である、請求項57〜62のいずれか一項に記載の方法。
- マウスが、野生型マウスと比較して増大したクレアチンキナーゼレベルを呈する、請求項57〜64のいずれか一項に記載の方法。
- マウスが、心臓または骨格筋において検出可能なジストロフィンタンパク質を呈さない、請求項57〜65のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項46〜56のいずれか一項に記載の遺伝子操作されたマウスから取得された、単離された細胞。
- ジストロフィン遺伝子のエクソン79の下流にそれとインフレームで位置しかつジストロフィン3'-UTRの上流に位置するレポーター遺伝子であって、エクソン79がエクソン49とインフレームで翻訳される時に発現されるレポーター遺伝子
をさらに含み、特に該レポーターがルシフェラーゼである、請求項67に記載の細胞。 - レポーター遺伝子の上流にありそれとインフレームである、かつエクソン79の下流にありそれとインフレームである、プロテアーゼコード配列
をさらに含む、請求項66〜68のいずれか一項に記載の細胞。 - プロテアーゼが自己触媒性である、請求項69に記載の細胞。
- プロテアーゼが2Aプロテアーゼである、請求項69または70に記載の細胞、請求項25に記載の細胞。
- 欠失についてヘテロ接合性である、請求項69〜71のいずれか一項に記載の細胞。
- 欠失についてホモ接合性である、請求項67〜71のいずれか一項に記載の細胞。
- (a)受精した卵母細胞を、CRISPR/Cas9エレメントと、ジストロフィン遺伝子のエクソン50に隣接する配列を標的とする2種類のシングルガイドRNA(sgRNA)と接触させ、それによって改変卵母細胞を作製する工程であって、CRISPR/Cas9によるエクソン50の欠失が、ジストロフィン遺伝子のエクソン51においてアウトオブフレームシフトおよび中途終止コドンを結果としてもたらす、工程;
(b)該改変卵母細胞をレシピエント雌に移入する工程
を含む方法によって作製される、遺伝子操作されたマウス。 - DMDエクソンスキッピング活性についての候補物質をスクリーニングする方法であって、
(a)請求項43、46、47、または74のいずれか一項に記載のマウスを候補物質と接触させる工程;ならびに
(b)ジストロフィン遺伝子のエクソン79のインフレームの転写および/または翻訳を評価する工程
を含み、
エクソン79のインフレームの転写および/または翻訳の存在が、候補物質がエクソンスキッピング活性を呈することを示す、該方法。 - (a)受精した卵母細胞を、CRISPR/Cpf1エレメントと、ジストロフィン遺伝子のエクソン50に隣接する配列を標的とする2種類のシングルガイドRNA(sgRNA)とに接触させ、それによって改変卵母細胞を作製する工程であって、CRISPR/Cpf1によるエクソン50の欠失が、ジストロフィン遺伝子のエクソン51においてアウトオブフレームシフトおよび中途終止コドンを結果としてもたらす、工程;
(b)該改変卵母細胞をレシピエント雌に移入する工程
を含む、請求項47〜56のいずれか一項に記載の遺伝子操作されたマウスを作製する方法。 - (a)受精した卵母細胞を、CRISPR/Cpf1エレメントと、ジストロフィン遺伝子のエクソン50に隣接する配列を標的とする2種類のシングルガイドRNA(sgRNA)とに接触させ、それによって改変卵母細胞を作製する工程であって、CRISPR/Cpf1によるエクソン50の欠失が、ジストロフィン遺伝子のエクソン51においてアウトオブフレームシフトおよび中途終止コドンを結果としてもたらす、工程;
(b)該改変卵母細胞をレシピエント雌に移入する工程
を含む方法によって作製された、遺伝子操作されたマウス。
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