JP2020508693A - C2c1エンドヌクレアーゼを含むゲノム編集用組成物およびこれを用いたゲノム編集方法 - Google Patents

C2c1エンドヌクレアーゼを含むゲノム編集用組成物およびこれを用いたゲノム編集方法 Download PDF

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Abstract

C2c1エンドヌクレアーゼを用いたゲノム編集技術が提供される。前記ゲノム編集技術は真核細胞、例えば、哺乳類細胞、特にヒト細胞に適用可能であることを特徴とする。【選択図】図1a

Description

C2c1エンドヌクレアーゼを用いたゲノム編集技術に関わるものであって、C2c1エンドヌクレアーゼおよびガイドRNAを含むゲノム編集用組成物およびこれを用いたゲノム編集方法に関するものである。
CRISPR−Casシステムは、細菌、古細菌に現れる外部に由来した遺伝要素に対する防御機構である。CRISPR−Casシステムは外部に由来したDNAまたはRNAに相補的に結合できるガイドRNAとヌクレアーゼ役割をCasエフェクター蛋白質を用いて特定標的配列にDNAまたはRNA切断を誘導する特徴を有しており、このような特性を活用して最近、高等生物のゲノムを編集する遺伝子ハサミ技術として基礎・応用科学分野で広く活用されている。
現在最も多く用いられるクリスパー遺伝子ハサミは、ストレプトコッカス・ピオゲネス(Streptococcus pyogenes)で発見された2型CRISPR−Cas9システムを基盤としたものである。S.ピオゲネスに由来したCRISPR−Cas9システムは一般に高い効率で所望の標的位置に遺伝子編集を誘導することができるという点で有用であるが、標的配列に5’−NGG PAM配列がある場合のみに効果的に遺伝子編集を誘導することができるという点が限界として作用した。このような限界を克服するための方法の一つとして、種々の種に存在する他の型、CRISPR−Casシステムの新型遺伝子ハサミとしての活用可能性を確認する研究が多く行われている。
一例は、C2c1−CRISPRシステム、これをコードする遺伝子(DNA(cDNA、rDNAなど)またはRNA(mRNAなど))、または前記遺伝子を含む発現ベクターを含むゲノム編集用組成物を提供する。
他の例は、前記ゲノム編集用組成物を細胞または生物に導入させる段階を含むゲノム編集方法を提供する。
他の例は、前記ゲノム編集用組成物を使用して得られた遺伝子改変細胞を提供する。
他の例は、前記遺伝子改変細胞から得られた遺伝子改変生物を提供する。
他の例は、前記塩基編集用組成物が導入された哺乳動物胚を哺乳動物委託母卵管に移植する段階を含む遺伝子改変動物の製造方法を提供する。
C2c1−CRISPRシステムは、最近発見されたVB型CRISPR−Casシステムである。既存に最も多く活用されたSpCas9システムと異なり、ヌクレアーゼ役割を果たすエフェクター蛋白質がCas9でないC2c1蛋白質であり、NGG−3’PAM配列でない5’−TTN PAM配列を認識し、DNA切断を起こした時、平滑末端でない粘着末端(sticky end)を生成するという特徴を有する。
本明細書では、C2c1エンドヌクレアーゼを使用してヒトなどの真核細胞内でのゲノム編集に使用する技術を提案する。
一例は、C2c1−CRISPRシステム、これをコードする遺伝子(DNA(cDNA、rDNAなど)またはRNA(mRNAなど))、または前記遺伝子を含む発現ベクターを含むゲノム編集用組成物を提供する。
前記C2c1−CRISPRシステムは、C2c1蛋白質(例えば、AacC2c1蛋白質)、および標的遺伝子の標的部位とハイブリダイズ可能な(相補的塩基配列を有する)ガイドRNA(例えば、一本鎖ガイドRNA(sgRNA))を含むものであってもよい。
したがって、前記ゲノム編集用組成物は、(1)C2c1エンドヌクレアーゼ、これをコードする遺伝子、または前記遺伝子を含む発現ベクター、および(2)ガイドRNA、これをコードするDNA、またはこれを含む発現ベクターを含むものであってもよい。
他の例は、前記ゲノム編集用組成物を細胞または生物に導入(投与または注入)する段階を含むゲノム編集方法を提供する。前記細胞は生体から単離された細胞(例えば、真核細胞)であってもよく、前記生物はヒトを除くかヒトを含む真核生物(例えば、哺乳動物)であってもよい。
前記細胞は真核動物細胞、真核植物細胞などの真核細胞であり、前記生物は真核動物または真核植物などの真核生物であってもよい。
他の例は、前記ゲノム編集用組成物を使用して得られた遺伝子改変細胞を提供する。前記細胞は、真核細胞であってもよい。前記真核細胞は真核動物の細胞であってもよく、一具体例で、ヒトを含むかヒトを除いた哺乳動物細胞であってもよい。
他の例は、前記塩基編集用組成物が導入された哺乳動物胚を哺乳動物委託母卵管に移植して遺伝子改変動物を生産する段階を含む遺伝子改変動物の製造方法を提供する。前記胚細胞を卵管に移植を受ける哺乳動物は前記胚細胞が由来する哺乳動物と同種の哺乳類(委託母)であってもよい。
他の例は、前記遺伝子改変細胞から得られた遺伝子改変生物を提供する。前記遺伝子改変動物は、前記遺伝子改変動物の製造方法によって製造されたものであってもよい。前記動物は、真核動物、例えばヒトを含むかヒトを除いた哺乳動物であってもよい。
前記C2c1−CRISPRエンドヌクレアーゼは多様な細菌で発見され、代表的な例として、アリシクロバチルス・アシドテレストリス(Alicyclobacillus acidoterrestris)種に由来したC2c1−CRISPRエンドヌクレアーゼ(以下、‘AacC2c1’)が挙げられる。AacC2c1の野生型(Wild type、WT)は1129個のアミノ酸から構成されており(配列番号1参照)、例えば、https://www.addgene.org/browse/sequence/125305/で提供される核酸配列(1771番目から5160までの部位)によってコードされる蛋白質であってもよい。
本発明で使用されたものとして、“ガイドRNA(guide RNA)”は標的遺伝子内の標的部位内の特異的な塩基配列(標的配列)にハイブリダイズ可能な標的化配列を含むRNAを意味し、生体外(in vitro)または生体(または細胞)内でC2c1蛋白質などのようなヌクレアーゼと結合してこれを標的遺伝子(または標的部位)に導く役割を果たす。
前記ガイドRNAは、共に作用するヌクレアーゼの種類および/またはその由来微生物によって適切に選択できる。
例えば、前記ガイドRNAは、
標的配列とハイブリダイズ可能な部位(標的化配列)を含むCRISPR RNA(crRNA);
C2c1蛋白質などのようなヌクレアーゼと相互作用する部位を含むトランス活性化型(trans−activating)crRNA(tracrRNA);および
前記crRNAおよびtracrRNAの主要部位(例えば、標的化配列を含むcrRNA部位およびヌクレアーゼと相互作用するtracrRNAの部位)が融合された形態の一本鎖ガイドRNA(single guide RNA;sgRNA)
からなる群より選択された1種以上であってもよく、
具体的に、CRISPR RNA(crRNA)およびトランス活性化型crRNA(tracrRNA)を含む二重RNA(dual RNA)、またはcrRNAおよびtracrRNAの主要部位を含む一本鎖ガイドRNA(sgRNA)であってもよい。
前記sgRNAは、標的遺伝子(標的部位)内の標的配列と相補的な配列(標的化配列)を有する部分(これをスペーサー領域(Spacer region)、標的DNA認識配列(Target DNA recognition sequence)、塩基対合領域‘base pairing region)などとも命名する)およびC2c1蛋白質との結合のためのフォールディング構造を形成するための二重結合部位を含むことができる。前記ガイドRNAがcrRNAおよびtracrRNAの主要部分および標的DNAの相補的な部分を含む場合であれば、いかなる形態のガイドRNAも本発明で使用できる。
例えば、C2c1蛋白質は標的遺伝子編集のために二つのガイドRNA、即ち、標的遺伝子の標的部位とハイブリダイズ可能なヌクレオチド配列を有するCRISPR RNA(crRNA)とC2c1蛋白質と相互作用するトランス活性化型crRNA(tracrRNA;C2c1蛋白質と相互作用する)を必要とし、これらcrRNAとtracrRNAは互いに結合された二本鎖crRNA:tracrRNA複合体形態、または線状に連結された一本鎖ガイドRNA(single guide RNA;sgRNA)形態(C2c1蛋白質と結合するための適切なフォールディング構造を形成するために部分的に二本鎖を形成する)で使用できる。一例で、AacC2c1を使用する場合、sgRNAは少なくとも前記crRNAのハイブリダイズ可能なヌクレオチド配列を含むcrRNA一部または全部とtracrRNAのC2c1蛋白質と相互作用する部位を少なくとも含むtracrRNA一部または全部が連結されたものであってもよい。
前記ガイドRNA、具体的にcrRNAまたはsgRNAは標的遺伝子内標的配列と相補的な配列(標的化配列)を含み、crRNAまたはsgRNAの上流部位、具体的にsgRNAまたはdualRNAのcrRNAの5’末端に一つ以上、例えば、1−10個、1−5個、または1−3個の追加のヌクレオチドを含むことができる。前記追加のヌクレオチドはグアニン(guanine、G)であってもよいが、これに制限されるのではない。
一例で、AacC2c1に対するsgRNAは、次の配列一般式1で表され得る:
(5’−[配列番号2]−[(N)n]−3’;配列一般式1)
上記配列一般式1で、
太字で表示した部分は、tracrRNA由来部分であり、
イタリック体で表示した部分は、crRNA由来部分であり、
X1、X2、およびX3は、それぞれ独立してA、U、G、およびCの中から選択された任意のヌクレオチドであってもよく、
(N)nは標的部位とハイブリダイズ可能な(相補的配列を有する)標的化配列であって、A、U、G、およびCの中から選択されたn個の互いに同一であるか異なるヌクレオチドであり、nは17−23、18−22、または19−21の整数(例えば、20)であってもよい。
一例で、ガイドRNAは前記配列一般式1中の1−15個、5−15、10−15個、または12−15個のヌクレオチドが欠失したものであってもよく、この時、欠失するヌクレオチドは配列一般式1に下線で表示したヌクレオチド(AGCUUCUCAAA)から選択された1−15個、5−15、10−15個、または12−15個(例えば、12個または15個)のヌクレオチドであってもよい。
一例で、前記AacC2c1に対するsgRNAは、次の配列一般式2で表され得るが、これに制限されるのではない:
(5’−[配列番号3]−[(N)n]−3’;配列一般式2)
上記配列一般式2で、nは20であってもよい。
前記crRNAまたはsgRNAは、5’末端(即ち、crRNAのターゲッティング配列部位の5’末端)に1〜3個のグアニン(G)を追加的に含むことができる。
前記ガイドRNAの標的配列は、標的DNA上のPAM(プロトスペーサー隣接モチーフ(Protospacer Adjacent Motif)配列(5’−TTN−3’(Nは、A、T、G、またはCである))の3’に隣接して位置する約17個〜約23個、約18個〜約22個、または約19個〜約21個、例えば20個の連続する核酸配列であってもよい。
前記ガイドRNAの標的配列とハイブリダイズ可能なガイドRNAの標的化配列は、前記標的配列が位置するDNA鎖(標的鎖;即ち、PAM配列(5’−TTN(Nは、A、T、G、またはCである)が位置するDNA鎖)またはこの相補的な鎖のヌクレオチド配列と50%以上、60%以上、70%以上、80%以上、90%以上、95%以上、99%以上、または100%の配列相補性を有するヌクレオチド配列を意味するものであってもよい。一例で、ガイドRNAの標的化配列は、PAM配列が位置する標的鎖と相補的鎖のヌクレオチド配列と相補的配列を有しハイブリダイズ可能なものであってもよい。
本明細書で、標的部位の核酸配列(標的配列)は、標的遺伝子の該当遺伝子部位の二つのDNA鎖のうちのPAM配列が位置する鎖の核酸配列で表される。この時、実際にガイドRNAが結合するDNA鎖はPAM配列が位置する鎖の相補的鎖であり得るので、前記ガイドRNAに含まれている標的化配列は、RNA特性上TをUに変更するのを除いて、標的配列と同一な核酸配列を有することができる。したがって、本明細書で、ガイドRNAの標的化配列と標的配列は、TとUが相互変更されることを除いて同一な核酸配列で表される。
前記C2c1エンドヌクレアーゼおよびガイドRNAは
生体外(in vitro)でC2c1エンドヌクレアーゼ蛋白質およびガイドRNAが複合体を形成した(生体外で予め組み立てられた)リボ核酸蛋白質形態で使用されるか(この場合、複合体形態で生体内または細胞内に注入され、複合体形態で細胞膜および/または核膜を通過するようになる)、
C2c1エンドヌクレアーゼ蛋白質またはこれをコードするmRNA、およびガイドRNAの混合物形態で使用されるか、
C2c1エンドヌクレアーゼ蛋白質コード遺伝子(DNA)およびガイドRNAコードDNAをそれぞれ含むか、共に含むプラスミド形態で使用できる。
前記C2c1蛋白質は、細胞浸透ペプチドおよび/または蛋白質伝達ドメイン(protein transduction domain)と連結され得る。前記蛋白質伝達ドメインはポリ−アルギニンまたはHIV由来のTAT蛋白質であってもよいが、これに制限されない。細胞浸透ペプチドまたは蛋白質伝達ドメインは上述の例以外にも多様な種類が当業界に公知されているので、当業者は前記例に制限されず多様な例を適用することができる。
また、前記C2c1蛋白質またはこれをコードする遺伝子は、核移行シグナル(nuclear localization signal、NLS)配列を追加的に含むことができる。したがって、前記C2c1蛋白質をコードする遺伝子を含む発現カセットは、前記C2c1蛋白質を発現させるためのプロモーター配列などの調節配列、またはここに加えて、NLS配列を含むことができる。前記NLS配列は当業界によく知られており、例えばPKKKRKVのアミノ酸配列を有するものであってもよいが、これに制限されるのではない。特に、前記C2c1蛋白質またはこれを含むリボ核酸蛋白質が真核細胞および/または真核生物に適用される場合に、前記NLS配列が必要なことがある。
前記C2c1蛋白質またはこれをコードする核酸分子は、単離および/または精製のためのタグまたは前記タグをコードする核酸配列と連結され得る。一例として、前記タグは、Hisタグ、Flagタグ、Sタグなどのような小さいペプチドタグ、GST(グルタチオンS−トランスフェラーゼ)タグ、MBP(マルトース結合タンパク質)タグなどからなる群より適切に選択できるが、これに制限されない。
前記ゲノム編集は、ゲノム内の標的遺伝子内の一つ以上のヌクレオチドの欠失および/または挿入、および/またはもとの塩基と異なる塩基を有するヌクレオチドへの置換、および/またはこれによる標的遺伝子の不活性化(機能異常、喪失など)などを意味するものであり得る。
C2c1の場合、PAM配列近所でDNAの二本鎖を切断し、この時、二本鎖の切断位置が相異なって末端長さが相異なる粘着末端(sticky end)を形成する。AcsC2c1の場合、PAM配列が位置する鎖ではPAM配列から3’方向に5−25nt(ヌクレオチド)、5−20nt、10−25nt、10−20ntまたは15−20nt離れた位置(その位置のヌクレオチドの5’または3’末端;例えば、PAM配列から3’方向に17番目ヌクレオチドと18番目ヌクレオチドの間)を切断し、他の鎖(PAM配列が位置する鎖と相補的な鎖)ではPAM配列と相補的な配列から5’方向に15−30nt(ヌクレオチド)、15−25nt、20−30nt、または20−25nt離れた位置(その位置のヌクレオチドの5’または3’末端;例えば、PAM配列と相補的配列から5’方向に24番目ヌクレオチドと25番目ヌクレオチドの間)を切断して、粘着末端を形成することができる。前記切断位置は、標的配列位置によって変わってもよい。
前記細胞は、原核細胞または真核細胞(真核動物細胞または真核植物細胞)であってもよく、特に、ヒト細胞などを含む哺乳動物細胞などの真核動物細胞であってもよい。前記細胞は、生体内存在するか、生体から単離された細胞であってもよい。
前記細胞に導入させる段階は、C2c1コード遺伝子およびガイドRNAコード遺伝子をそれぞれまたは共に含む発現ベクターを通常的方法(電気穿孔、リポフェクションなど)で細胞に導入させて発現させるか、生体外(in vitro)で予め組み立てられたC2c1−ガイドRNA複合体、またはC2c1蛋白質またはこれをコードするmRNAとガイドRNA混合物を電気穿孔、リポフェクション、微細注入(microinjection)などの方法で発現ベクターを通じることなく直接細胞内に導入させることによって行うことができる。前記細胞に導入させる段階は、生体から単離された細胞に対して生体外(in vitro)で行われることであってもよい。
本明細書に使用されたものとして、
‘標的遺伝子(target gene)’は、塩基編集(または塩基変異)の対象になる遺伝子を意味し、
‘標的部位または標的領域’は、標的遺伝子内の標的特異的ヌクレアーゼによる塩基編集が起こる部位を意味するものであって、一例で前記標的特異的ヌクレアーゼがRNA−ガイドヌクレアーゼ(RNAガイド操作型ヌクレアーゼ(RNA−guided engineered nuclease);RGEN)を含むものである場合、標的遺伝子内のRNA−ガイドヌクレアーゼが認識する配列(PAM配列)の5’末端および/または3’末端に隣接して位置し、最大長さが約50bpまたは約40bpである遺伝子部位(二本鎖または二本鎖のうちのいずれか一つの一本鎖)を意味する。
一例で、前記標的特異的ヌクレアーゼがRNA−ガイドヌクレアーゼを含む場合、前記RNA−ガイドヌクレアーゼと共に、標的化配列を含むガイドRNAを含むことができる。前記‘標的化配列(targeting sequence)’は、標的部位内の連続する約15〜約30個、約15〜約35個、約17〜約23個、または約18個〜約22個、例えば、約20個のヌクレオチド(nt)を含む部位の塩基配列と相補的な塩基配列を含む(ハイブリダイズ可能な)ガイドRNAの部位であってもよい。前記標的化配列と相補的な塩基配列を含む標的部位の塩基配列を‘標的配列(target sequence)’と称することができ、前記標的配列はRNA−ガイドヌクレアーゼが認識するPAM配列の5’末端および/または3’末端に隣接して位置する連続する約15nt〜約30nt、約15nt〜約25nt、約17nt〜約23nt、または約18nt〜約22nt、例えば、約20ntの長さの塩基配列を意味するものであり得る。
本明細書は、VB型CRISPR−C2c1システムがヒトゲノム編集(human genome editing)に活用できるのをはじめて提案する。アリシクロバチルス・アシドテレストリス(Alicyclobacillus acidoterrestris)種に由来したC2c1−CRISPRシステムが代表的に使用され、当該細菌が高温に最適化された好熱菌であるにもかかわらず、37℃条件でヒトHPRT1遺伝子の特定標的配列に高い効率で作動することが確認された。好熱菌でないヒトゲノム編集(human genome editing)に適した温度条件で生存する中温菌由来C2c1−CRISPRシステムを用いれば、より高い効率でゲノム編集可能な新型遺伝子ハサミを確保することができ、CRISPRシステムを用いたゲノム編集プラットフォームを拡張することに寄与できると期待される。
AacC2c1−CRISPRシステム発現ベクター構成およびこれを用いた蛋白質発現を確認した結果を示すものであって、1aは、AacC2c1蛋白質発現ベクターとAac−sgRNAクローニングベクターを示す。 AacC2c1−CRISPRシステム発現ベクター構成およびこれを用いた蛋白質発現を確認した結果を示すものであって、1bは、AacC2c1蛋白質発現確認した結果(左側1st抗体、HAタグ。右側1st抗体、GAPDH)を示す。 AacC2c1とsgRNA発現ベクターを用いたヒト(human)HPRT1遺伝子編集結果を示すものであって、2a(Hela細胞)および2b(HEK293T細胞)は、AacC2c1を用いたヒト(human)HPRT1標的遺伝子編集結果(Indel(%))を示すグラフである(生物学的複製(反復)(N=3))。 AacC2c1とsgRNA発現ベクターを用いたヒト(human)HPRT1遺伝子編集結果を示すものであって、2a(Hela細胞)および2b(HEK293T細胞)は、AacC2c1を用いたヒト(human)HPRT1標的遺伝子編集結果(Indel(%))を示すグラフである(生物学的複製(反復)(N=3))。 AacC2c1とsgRNA発現ベクターを用いたヒト(human)HPRT1遺伝子編集結果を示すものであって、2cは、HPRT1−TS2とHPRT1−TS5に対する1st NGS結果分析結果を示す(青い字、PAM配列。大文字表記、AacC2c1標的配列。小文字表記、AacC2c1標的周辺配列。WT、野生型)。 AacC2c1とsgRNA発現ベクターを用いたヒト(human)HPRT1遺伝子編集結果を示すものであって、2dは、クリスタルバイオレット染色を用いたコロニー形成アッセイ結果を示す(Hela細胞にAacC2c1とsgRNA発現ベクターをトランスフェクション(transfection)後、播種、6−チオグアニン(6−TG)選択を行って2週後、HPRT1遺伝子に変異が導入されて遺伝子機能がKOされた細胞由来コロニー(colony)をクリスタルバイオレット染色を通じて確認した)。 AacC2c1とsgRNA発現ベクターを用いたヒト(human)CCR5遺伝子とDNMT1遺伝子の編集結果を示すものであって、3a(Hela細胞)および3b(HEK293T細胞)は、AacC2c1を用いたヒト(human)CCR5標的遺伝子編集結果(Indel(%))を示すグラフである(生物学的複製(反復)(N=1))。 AacC2c1とsgRNA発現ベクターを用いたヒト(human)CCR5遺伝子とDNMT1遺伝子の編集結果を示すものであって、3a(Hela細胞)および3b(HEK293T細胞)は、AacC2c1を用いたヒト(human)CCR5標的遺伝子編集結果(Indel(%))を示すグラフである(生物学的複製(反復)(N=1))。 AacC2c1とsgRNA発現ベクターを用いたヒト(human)CCR5遺伝子とDNMT1遺伝子の編集結果を示すものであって、3c(Hela細胞)および3d(HEK293T細胞)は、AacC2c1を用いたヒト(human)DNMT1標的遺伝子編集結果(Indel(%))を示すグラフである(生物学的複製(反復)(N=1))。 AacC2c1とsgRNA発現ベクターを用いたヒト(human)CCR5遺伝子とDNMT1遺伝子の編集結果を示すものであって、3c(Hela細胞)および3d(HEK293T細胞)は、AacC2c1を用いたヒト(human)DNMT1標的遺伝子編集結果(Indel(%))を示すグラフである(生物学的複製(反復)(N=1))。 AacC2c1とsgRNA発現ベクターを用いたヒト(human)CCR5遺伝子とDNMT1遺伝子の編集結果を示すものであって、3eは、CCR5−TS3とDNMT1−TS4に対する1st NGS結果分析結果を示す(青い字、PAM配列。大文字表記、AacC2c1標的配列。小文字表記、AacC2c1標的周辺配列。WT、野生型)。
以下では実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明しようとするが、これは例示的なものに過ぎず、本発明の範囲を制限しようとするのではない。以下に記載された実施例は発明の本質的な要旨を逸脱しない範囲で変形できるのは当業者において自明である。
実施例1:ベクター製作
pRSFDuet1−His6−Sumo−AacC2C1−CNプラスミド(Pf.Dinshaw Patel groupから提供を受けたpRSF−Duet−1−His6−SUMO−AacC2c1プラスミドのAacC2c1 C−termにNLS(PKKKRKV)−HAタグ配列追加)を鋳型としてAacC2c1のコード配列をPCRで増幅し(CMV−AacC2c1−CN−1F−Hind3:GCTGGCTAGCGTTTAAACTTAAGCTTGGTACCGCCACCATGGCAGTGAAAAGCATCAAAG(配列番号5)、CMV−AacC2c1−CN−1R−BamH1:AACATCGTATGGGTAGGATCCTCAGGCGTAGTCGGGCAC(配列番号6)、phusion DNAポリメラーゼでPCR進行)、pcDNA3.1骨格ベクター(Invitrogen、V790−20)にGibsonクローニングを行った。
ヒト(Human)細胞発現とゲノム編集に最適化させるために、実施例1で準備された、CMVプロモーター、AacC2c1コード配列、および核移行シグナル(nuclear localization signal;PKKKRKV)を含む発現用カセットを製作した。AacC2c1遺伝子はヒト細胞発現(human cell expression)に適したCMVプロモーター下に転写誘導させ、SV40核移行シグナル(PKKKRKV)とHAタグはAacC2c1コード配列 C末端側に位置させてAacC2c1ベクターを製作した(pcDNA3.1−AacC2c1−NLS−HA;図1a)。
標的配列に相補的に結合するsgRNAは、ヒトU6プロモーター下に転写されるように製作した。Aac−sgRNAの場合、5’配列は共通的であり、sgRNAの3’側の20個の塩基配列を標的配列(表2参照)に合わせて交替して特定標的位置に作動するsgRNAを製作することができる(配列一般式2参照)。Aac−sgRNAクローニングベクターは、U6−Sp−sgRNAクローニングベクターを基盤として製作を行った(図1a参照)。
実施例2:細胞実験
Hela細胞(ATCC)とHEK293T細胞(ATCC)両方とも24ウエルプレート規模で実験を行った。トランスフェクション(Transfection)を行う前日に細胞を播種し、翌日70〜80%コンフルエント条件でトランスフェクション(transfection)を行った。前記実施例1で準備されたAacC2c1ベクター500ngとAac−sgRNAベクター500ngをlipofectamine2000(Invitrogen)を使用して細胞内に伝達した。トランスフェクション(transfection)後、72時間後にDNeasy Blood & Tissue kit(Qiagen)を用いてゲノムDNAサンプルを抽出し、下記の追加的な分析を行った。
実施例3:標的化ディープシーケンシング(deep sequencing)
ディープシーケンシングライブラリ(Deep sequencing library)は、PCR方法を通じて製作した。TruSeq HT Dual Indexプライマーを用いて各サンプルのIDを付与し、MiniSeq 300サイクルキット(Illumina)を用いて分析を行った。ディープシーケンシングに使用されたプライマー配列を下記の表1に整理した:
実施例4:6TG選択
24ウエルプレート規模でAacC2c1ベクターとsgRNAベクターをトランスフェクション(transfection)後、継代培養を通じて十分な細胞数を確保した。トランスフェクション(Transfection)後、一週間後に、1.5*10細胞を前日100 piディッシュに播種し、翌日から6uM 6TG(6−チオグアニン)条件で選択を始めた。2週後、HPRT1遺伝子に変異が導入されて遺伝子機能がKO(ノックアウト)された細胞由来コロニー(colony)をクリスタルバイオレット染色を通じて確認した。
実施例5:AacC2c1発現確認
ゲノム編集に先立ってAacC2c1蛋白質がヒト(human)細胞で発現されるかどうかを確認するために、HEK293T細胞にpcDNA3.1−AacC2c1−NLS−HAプラスミドをlipofectamine2000を用いてトランスフェクション(transfection)し(実施例4参照)、トランスフェクション(transfection)24時間後に細胞の全細胞溶解物(WCL)を取って、AacC2c1蛋白質のみ特異的に観察するために、AacC2c1蛋白質C−末端に位置するHAタグを特異的に認識する1st抗体を使用して、ウエスタンブロット(western blot)方法でAacC2c1蛋白質発現有無を確認した。
前記得られた結果を図1bに示した(左側1st抗体、HAタグ。右側1st抗体、GAPDH)。図1bに示されているように、HAタグを特異的に認識する1st抗体を使用した時、偽(mock)対照群に比べてp3−Aac−C2c1−CNプラスミドをトランスフェクション(transfection)した実験群で133kDa位置に蛋白質が観察されるのを確認することができる。
実施例6:AacC2c1を用いたゲノム編集
実施例5でAacC2c1蛋白がヒト(human)細胞(HEK293T細胞)で発現されることを確認したので、次いでAacC2c1を用いたヒト(human)ゲノム編集が可能であるか試験した。標的遺伝子としてヒトHPRT1遺伝子を選定した。HPRT1遺伝子の場合、遺伝子ハサミを導入して完全KOを誘導した場合にKOされたクローンを6−チオグアニン(6−TG)選択とクリスタルバイオレット染色を通じて表現型基盤でも確認できるという点で優先的に実験を行った。
ヒト(human)HPRT1遺伝子、およびCCR5とDNMT1遺伝子のエキソン配列に対してAacC2c1標的配列を選択し(表2)、各標的配列に対応するAac−sgRNAベクターを製作した(実施例1参照)。
Hela細胞とHEK293T細胞にlipofectamine2000を使用してAacC2c1とAac−sgRNA発現ベクターを伝達し、3回の反復実験を行った。ベクター伝達72時間後に、ゲノムDNA分離した後、標的配列での遺伝子編集効率(導入されたindel頻度(%))を標的化ディープシーケンシング方式で分析し、導入されたindelが統計的に有意味な値であるか確認するためにAacC2c1とAac−sgRNA発現ベクターを処理しない偽(mock)対照群に対しても標的化ディープシーケンシングを共に行って比較分析した。
前記分析結果を図2a(Hela細胞)および2b(HEK293T細胞)に示した。図2aおよび2bに示されているように、HPRT1−TS2とHPRT1−TS5に対して、Hela細胞の場合は平均的に6.7%と5.8%indelが導入され、HEK293T細胞の場合は平均的に2.8%と17%の高いindelが標的配列に導入されたのを確認することができる。
また、Indelが標的配列に主にどのように導入されるか確認するために、標的化ディープシーケンシング生データを分析してその結果を図2cに示した。図2cに示されているように、標的配列3’側に欠失が主に現れる変異パターンであるのを確認することができる(図2c)。
前述の遺伝解析の分析から得られた結果をより明確に立証するために、AacC2c1とAac−sgRNA発現ベクターを伝達したHela細胞に6−TG選択とクリスタルバイオレット染色を行って表現型基盤でHPRT1遺伝子機能が損傷された細胞を確認した。より具体的に、Hela細胞にAacC2c1とsgRNA発現ベクターをトランスフェクション(transfection)後、播種し、6−チオグアニン6−TG)選択を行って、2週後にHPRT1遺伝子に変異が導入されて遺伝子機能がKOされた細胞由来コロニー(colony)をクリスタルバイオレット染色を通じて確認した。前記結果を図2dに示した。図2dに示されているように、遺伝子編集効率が高かったHPRT1−TS2とHPRT1−TS5に該当するAac−sgRNAとAacC2c1プラスミドを伝達した細胞でHPRT1遺伝子が完全にノックアウトされた場合が多く発生して、6−TG選択でも多くのコロニー(colony)を形成し、クリスタルバイオレット染色時に強く染色されるのを確認することができる。
HPRT1遺伝子でない他の標的遺伝子に対してもAacC2c1−CRISPR−Casエンドヌクレアーゼが遺伝子編集を起こすことができるか確認するためにCCR5遺伝子とDNMT1遺伝子を追加的に選定して実験を行った。各標的遺伝子に対して8個のAacC2c1標的配列を選択し(表2)、各標的配列に対応するAac−sgRNAベクターをAacC2c1発現プラスミドと共にHela細胞とHEK293T細胞に伝達し、72時間後にゲノムDNAを抽出して標的配列位置にindelが導入されたかを確認してindel頻度を測定した。
前記得られたindel頻度を図3a(Hela細胞でのCCR5標的部位のindel頻度)、3b(HEK293T細胞でのCCR5標的部位のindel頻度)、3c(Hela細胞でのDNMT1標的部位のindel頻度)、3d(HEK293T細胞でのDNMT1標的部位のindel頻度)に示した。図3a〜3dに示したように、CCR5−TS3標的部位に対して、Hela細胞の場合6.9%、HEK293T細胞の場合1.4%のindelが導入されたのを確認することができ、DNMT1−TS4標的部位に対して、Hela細胞の場合2.1%、HEK293T細胞の場合3.1%のindelが導入されたのを確認することができた。
また、CCR5−TS3とDNMT1−TS4に対する1st NGS(標的化ディープシーケンシング)分析してその結果を図3eに示した。図3eに示されているように、CCR5−TS3とDNMT1−TS4両方ともindelが標的配列内に導入されたのを再び確認することができる。
遺伝子解析の結果、表現型解析の結果を基盤とした時、野生型AacC2c1−CRISPRシステムがヒトゲノム編集(human genome editing)に用いられ得るのを確認することができ、特定標的配列位置については高い効率で作動するのを確認することができる。

Claims (12)

  1. C2c1エンドヌクレアーゼ、これをコードする遺伝子、または前記遺伝子を含む発現ベクター、および
    ガイドRNA、これをコードするDNA、またはこれを含む発現ベクター
    を含む、ゲノム編集用組成物。
  2. 前記C2c1エンドヌクレアーゼは、アリシクロバチルス・アシドテレストリス(Alicyclobacillus acidoterrestris)に由来するC2c1エンドヌクレアーゼである、請求項1に記載のゲノム編集用組成物。
  3. 前記ガイドRNAは、下記の配列一般式1で表されるか、配列一般式1から1〜15個のヌクレオチドが欠失した変異体である、請求項2に記載のゲノム編集用組成物:
    5’−GUCUAGAGGACAGAAUUUUUCAACGGGUGUGCCAAUGGCCACUUUCCAGGUGGCAAAGCCCGUUGAGCUUCUCAAAUCUGAGAAGUGGX[(N)n]−3’(配列一般式1)
    上記式中、
    、X、およびXは、それぞれ独立してA、U、G、およびCの中から選択されるヌクレオチドであり、
    (N)nは、A、U、G、およびCの中から選択されるn個の互いに同一であるか異なるヌクレオチドであり、nは17〜23の整数である。
  4. 前記ヌクレオチド欠失は、配列一般式1内のAGCUUCUCAAA配列から選択される1〜15個のヌクレオチドが欠失することである、請求項3に記載のゲノム編集用組成物。
  5. 前記ガイドRNAは、次の配列一般式2で表されるものである、請求項3に記載のゲノム編集用組成物:
    5’−GUCUAGAGGACAGAAUUUUUCAACGGGUGUGCCAAUGGCCACUUUCCAGGUGGCAAAGCCCGUUGAGCUUCUCAAAUCUGAGAAGUGGCAC[(N)n]−3’(配列一般式2)
    上記式中、
    (N)nは、A、U、G、およびCの中から選択されるn個の互いに同一であるか異なるヌクレオチドであり、nは17〜23の整数である。
  6. 前記nは20である、請求項5に記載のゲノム編集用組成物。
  7. 前記C2c1エンドヌクレアーゼは、核移行シグナル配列を追加的に含むものである、請求項1に記載のゲノム編集用組成物。
  8. 真核細胞または真核生物に使用するためのものである、請求項1〜7のうちのいずれか一項に記載のゲノム編集用組成物。
  9. 請求項1〜7のうちのいずれか一項に記載のゲノム編集用組成物を単離された細胞またはヒトを除いた生物に導入する段階を含む、ゲノム編集方法。
  10. 前記細胞は真核細胞であり、前記生物はヒトを除いた真核生物である、請求項9に記載のゲノム編集方法。
  11. 請求項1〜7のうちのいずれか一項に記載のゲノム編集用組成物が導入された、単離された遺伝子改変細胞。
  12. 請求項1〜7のうちのいずれか一項に記載のゲノム編集用組成物が導入された、ヒトを除いた遺伝子改変生物。
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