JP2022116588A - Genome editing method in photosynthetic eukaryotes - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一本鎖オリゴヌクレオチドを用いた、光合成真核生物におけるゲノム編集方法に関する。 The present invention relates to genome editing methods in photosynthetic eukaryotes using single-stranded oligonucleotides.
PODiR(Partly Overlapped Direct Repeat)システムは、細菌が抗生物質に耐性になる際、ゲノム中の遺伝子をコードしていない領域で遺伝子が生み出される現象から見出された構造依存的(配列非依存的)自己ゲノム編集機構である。このシステムにおいては、X-Y-Xという配列とX-Y-Xという配列とがXにおいて重なり合ってなるX-Y-X-Y-Xで示される塩基配列(PODiR配列)中の重なっていない配列(X-Y)が欠失する(特許文献1)。この現象は、ゲノム中のPODiR配列を含むDNAから転写された、PODiR配列中のX-Yで示される塩基配列が欠失したmRNAが、ゲノム中のPODiR配列を含むDNAと相互作用し、その結果できた、相互作用できない余分な部位(ゲノムDNAのX-Y)が、何らかの酵素によって切断されるために生じることが推察されている。 The PODiR (Partly Overlapped Direct Repeat) system is a structure-dependent (sequence-independent) system discovered from a phenomenon in which genes are generated in non-coding regions of the genome when bacteria become resistant to antibiotics. It is a self-genome editing mechanism. In this system, the non-overlapping sequence (X-Y) in the nucleotide sequence (PODiR sequence) indicated by X-Y-X-Y-X, in which the sequence X-Y-X and the sequence X-Y-X overlap at X, is deleted (Patent Document 1). This phenomenon is caused by the interaction between the mRNA containing the PODiR sequence and lacking the nucleotide sequence X-Y in the genome and the DNA containing the PODiR sequence in the genome. In addition, it is speculated that extra sites (X-Y of genomic DNA) that cannot interact are cleaved by some kind of enzyme.
一方、ゲノム中のX-Y-Xという配列の5’側に隣接してX-Yで示される塩基配列が挿入され、PODiR配列が創出されることも報告され(特許文献1)、この現象がPODiR配列を有するmRNAがゲノム中のX-Y-Xという配列(非PODiR配列)を含むDNAと相互作用し、その結果できた、相互作用できない余分な部位(mRNAのX-Y)の塩基配列が、DNA複製時等にゲノムDNA中に挿入されるために生じることが推察されている。 On the other hand, it has also been reported that a PODiR sequence is created by inserting a nucleotide sequence represented by X-Y adjacent to the 5' side of the sequence X-Y-X in the genome (Patent Document 1). interacts with DNA containing the sequence X-Y-X (non-PODiR sequence) in the genome, and the base sequence of the resulting extra site (X-Y of mRNA) that cannot interact is inserted into the genomic DNA during DNA replication, etc. It is speculated that it occurs because it is inserted.
そして、上記のゲノムの欠失や挿入の鋳型となるRNAや対応するDNAを人為的に細胞内に導入することを特徴とする、これまでの部位特異的人工ヌクレアーゼを利用したシステムと本質的に異なる新たなゲノム編集システムが提案されている(特許文献2)。 In addition, it is essentially a system that uses site-specific artificial nucleases, which is characterized by artificially introducing RNA that serves as a template for deletion or insertion of the genome or the corresponding DNA into cells. A new and different genome editing system has been proposed (Patent Document 2).
しかしながら、このゲノム編集システムが機能することが検証されているのは、緑膿菌やヒト細胞など一部の生物の細胞に限られ、真核藻類や植物などの光合成真核生物においては検証されていない。 However, the functions of this genome editing system have been verified only in the cells of some organisms such as Pseudomonas aeruginosa and human cells, and in photosynthetic eukaryotes such as eukaryotic algae and plants. not
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、光合成真核生物において、これまでの部位特異的人工ヌクレアーゼによるゲノム編集システムとは異なる、一本鎖オリゴヌクレオチドを利用したゲノム編集システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and its purpose is to use single-stranded oligonucleotides in photosynthetic eukaryotes, which is different from genome editing systems based on conventional site-specific artificial nucleases. The purpose is to provide a genome editing system that has
本発明者は、上記課題を解決すべく、光合成真核生物の例として真核藻類および植物を用いて鋭意検討を行った結果、これら光合成真核生物においてPODiRシステムが機能し、それらの任意のゲノム領域のセンス鎖塩基配列を改変した塩基配列からなる一本鎖オリゴヌクレオチドを細胞内で作用させることより、それらの当該ゲノム領域の塩基配列を改変することが可能であることを見出した。さらに、PODiR配列が存在しないゲノム領域を標的とした一本鎖オリゴヌクレオチドを用いた場合においても、同様に、ゲノムを編集することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。 In order to solve the above problems, the present inventor conducted extensive studies using eukaryotic algae and plants as examples of photosynthetic eukaryotes. As a result, the PODiR system functions in these photosynthetic eukaryotes, It was found that the base sequence of the genomic region can be modified by acting in cells a single-stranded oligonucleotide consisting of a base sequence obtained by modifying the base sequence of the sense strand of the genomic region. Furthermore, the inventors have found that the genome can be edited in the same way when using a single-stranded oligonucleotide targeting a genomic region where the PODiR sequence does not exist, and have completed the present invention.
本発明は、光合成真核生物における、一本鎖オリゴヌクレオチドを利用したゲノム編集システムに関し、より詳しくは、以下の発明を提供するものである。 The present invention relates to a genome editing system using single-stranded oligonucleotides in photosynthetic eukaryotes, and more specifically provides the following inventions.
(1)ゲノムが編集された光合成真核生物を製造する方法であって、
一本鎖ポリヌクレオチドまたは当該ポリヌクレオチドを発現するベクターを光合成真核生物の細胞に導入する工程を含み、
当該一本鎖ポリヌクレオチドは、光合成真核生物の標的ゲノムDNA領域の標的鎖の塩基配列を改変した塩基配列からなり、
当該改変が、(a)内部の任意塩基配列の欠失、(b)内部への任意塩基配列の挿入、または(c)内部の任意塩基配列の他の塩基配列への置換、からなる群より選択される改変であり、かつ、
当該一本鎖ポリヌクレオチドによるゲノムの編集には、部位特異的人工ヌクレアーゼによる当該標的ゲノムDNA領域における切断が伴わない、方法。
(1) A method for producing a genome-edited photosynthetic eukaryote, comprising:
introducing a single-stranded polynucleotide or a vector expressing the polynucleotide into a photosynthetic eukaryotic cell;
The single-stranded polynucleotide consists of a base sequence obtained by modifying the base sequence of the target strand of the target genomic DNA region of the photosynthetic eukaryote,
From the group consisting of (a) deletion of any internal base sequence, (b) insertion of any internal base sequence, or (c) replacement of any internal base sequence with another base sequence is a selected modification, and
A method, wherein genome editing by said single-stranded polynucleotide does not involve cleavage in said target genomic DNA region by a site-specific artificial nuclease.
(2)標的ゲノムDNA領域の標的鎖がPODiR配列を含む、(1)に記載の方法。 (2) The method according to (1), wherein the target strand of the target genomic DNA region contains a PODiR sequence.
(3)標的ゲノムDNA領域の標的鎖がPODiR配列を含まない、(1)に記載の方法。 (3) The method according to (1), wherein the target strand of the target genomic DNA region does not contain a PODiR sequence.
(4)光合成真核生物が真核藻類または植物である、(1)から(3)のいずれかに記載の方法。 (4) The method according to any one of (1) to (3), wherein the photosynthetic eukaryote is eukaryotic algae or plants.
(5)ゲノムが編集された光合成真核生物を製造するための組成物またはキットであって、
光合成真核生物の標的ゲノムDNA領域の標的鎖の塩基配列を改変した塩基配列からなる一本鎖ポリヌクレオチドまたは当該ポリヌクレオチドを発現するベクターを含み、
当該改変が、(a)内部の任意塩基配列の欠失、(b)内部への任意塩基配列の挿入、または(c)内部の任意塩基配列の他の塩基配列への置換、からなる群より選択される改変であり、かつ、
部位特異的人工ヌクレアーゼとの組み合わせで用いられない、組成物またはキット。
(5) A composition or kit for producing a genome-edited photosynthetic eukaryote,
A single-stranded polynucleotide consisting of a base sequence modified from the base sequence of the target strand of the target genomic DNA region of a photosynthetic eukaryote or a vector expressing the polynucleotide,
From the group consisting of (a) deletion of any internal base sequence, (b) insertion of any internal base sequence, or (c) replacement of any internal base sequence with another base sequence is a selected modification, and
Compositions or kits not used in combination with site-specific engineered nucleases.
(6)標的ゲノムDNA領域がPODiR配列を含む、(5)に記載の組成物またはキット。 (6) The composition or kit of (5), wherein the target genomic DNA region comprises a PODiR sequence.
(7)標的ゲノムDNA領域がPODiR配列を含まない、(5)に記載の組成物またはキット。 (7) The composition or kit of (5), wherein the target genomic DNA region does not contain a PODiR sequence.
(8)光合成真核生物が真核藻類または植物である、(5)から(7)のいずれかに記載の組成物またはキット。 (8) The composition or kit according to any one of (5) to (7), wherein the photosynthetic eukaryote is eukaryotic algae or plants.
本発明により、光合成真核生物の細胞内において、標的ゲノムDNA領域の標的鎖の塩基配列を改変した一本鎖ポリヌクレオチドを作用させるだけで、部位特異的人工ヌクレアーゼシステムを利用しなくとも、簡便にゲノム編集を行うことが可能となった。このゲノム編集は、光合成真核生物のゲノム上のPODiR配列のみならず、それ以外の塩基配列をも標的とすることができ、汎用性が高い。 According to the present invention, only by allowing a single-stranded polynucleotide in which the base sequence of the target strand of the target genomic DNA region is modified to act in the cells of photosynthetic eukaryotes, it is possible to obtain a simple method without using a site-specific artificial nuclease system. It became possible to perform genome editing in This genome editing can target not only the PODiR sequence on the genome of photosynthetic eukaryotes, but also other nucleotide sequences, and is highly versatile.
本発明は、ゲノムが編集された光合成真核生物を製造する方法を提供する。 The present invention provides a method for producing genome-edited photosynthetic eukaryotes.
本発明の方法においてゲノム編集の対象となる「光合成真核生物」とは、光エネルギーを生物学的に利用できる形のエネルギーに変換して生育する生物のうち、細胞内に核を持つ生物である。光合成真核生物は、典型的には、真核藻類および植物である。真核藻類としては、ハプト藻、クリプト藻、褐藻、紅藻、緑藻、珪藻、黄金藻、灰色藻、ユーグレナ藻、シャジク藻、渦鞭毛藻を例示することができ、植物としては、種子植物、シダ植物、コケ植物を例示することができる。実験上あるいは産業上有用な植物としては、シロイヌナズナ、トマト、ダイズ、イネ、コムギ、オオムギ、トウモロコシ、ナタネ、タバコ、バナナ、ピーナツ、ヒマワリ、ジャガイモ、ワタ、カーネーションを例示することができる。 "Photosynthetic eukaryotes" to be genome-edited in the method of the present invention are organisms that grow by converting light energy into energy in a biologically usable form and that have nuclei within their cells. be. Photosynthetic eukaryotes are typically eukaryotic algae and plants. Examples of eukaryotic algae include haptophytes, cryptophytes, brown algae, red algae, green algae, diatoms, golden algae, gray algae, euglenoid algae, charadium algae, and dinoflagellates. Plants include seed plants, Ferns and bryophytes can be exemplified. Experimentally or industrially useful plants include Arabidopsis thaliana, tomato, soybean, rice, wheat, barley, corn, rapeseed, tobacco, banana, peanut, sunflower, potato, cotton, and carnation.
本発明の方法において、光合成真核生物の細胞に導入する「一本鎖ポリヌクレオチド」は、光合成真核生物の標的ゲノムDNA領域の標的鎖の塩基配列を改変した塩基配列からなる。一本鎖ポリヌクレオチドは、標的ゲノムDNA領域と相互作用し、標的ゲノムDNA領域のDNA編集の鋳型となる限り、DNAであっても、RNAであってもよい。これらの一本鎖ポリヌクレオチドは、その一部または全部が化学修飾されていてもよい。 In the method of the present invention, the "single-stranded polynucleotide" to be introduced into the cells of the photosynthetic eukaryote consists of a nucleotide sequence obtained by modifying the nucleotide sequence of the target strand of the target genomic DNA region of the photosynthetic eukaryote. A single-stranded polynucleotide can be either DNA or RNA, as long as it interacts with the target genomic DNA region and serves as a template for DNA editing of the target genomic DNA region. These single-stranded polynucleotides may be partially or wholly chemically modified.
ここで「標的ゲノムDNA領域」とは、一本鎖ポリヌクレオチドによるゲノム編集の対象とするゲノムDNA領域を意味する。本発明によれば、任意のゲノムDNA領域をゲノム編集の対象とすることができる。また、「標的鎖」は、ゲノムDNAの二本鎖のうち、本発明の一本鎖ポリヌクレオチドの5'側領域(後述の5'ホモロジー配列)と3'側領域(後述の3'ホモロジー配列)に対応する塩基配列を有し、本発明の一本鎖ポリヌクレオチドを設計する基となる鎖である。例えば、本発明の一本鎖ポリヌクレオチドを利用して遺伝子領域において所望のゲノム編集を行う場合には、標的鎖は、センス鎖である。ここで「センス鎖」とは、ゲノムDNAの二本鎖のうち、転写の鋳型にならない側の鎖を意味する。 As used herein, the term "target genomic DNA region" means a genomic DNA region to be targeted for genome editing using single-stranded polynucleotides. According to the present invention, any genomic DNA region can be targeted for genome editing. In addition, the “target strand” refers to the 5′ region (5′ homology sequence described later) and the 3′ region (3′ homology sequence described later) of the single-stranded polynucleotide of the present invention, among the double strands of genomic DNA. ) and serves as a base for designing the single-stranded polynucleotide of the present invention. For example, when desired genome editing is performed in a gene region using the single-stranded polynucleotide of the present invention, the target strand is the sense strand. The “sense strand” as used herein means the non-transcription template strand of the genomic DNA double strand.
本発明の方法における「標的鎖の塩基配列」は、PODiR配列を含む塩基配列であっても、PODiR配列を含まない塩基配列(以下、「非PODiR配列」と称する)であってもよい。「PODiR配列」は、ゲノム上に存在する、X-Y-Xという配列とX-Y-Xという配列とがXにおいて重なり合ってなるX-Y-X-Y-Xで示される塩基配列である(特許文献1、2を参照のこと)。
The "nucleotide sequence of the target strand" in the method of the present invention may be a nucleotide sequence containing the PODiR sequence or a nucleotide sequence not containing the PODiR sequence (hereinafter referred to as "non-PODiR sequence"). The "PODiR sequence" is a nucleotide sequence represented by X-Y-X-Y-X, which is formed by overlapping the sequence X-Y-X and the sequence X-Y-X on the genome (see
「標的ゲノムDNA領域の標的鎖の塩基配列」の塩基数は、特に制限はなく、例えば、20~12000、好ましくは20~3000、より好ましくは40~2000、よりさらに好ましくは60~1000、よりさらに好ましくは80~600、よりさらに好ましくは90~300、特に好ましくは95~200程度である。 The number of bases of the "base sequence of the target strand of the target genomic DNA region" is not particularly limited. It is more preferably about 80-600, even more preferably about 90-300, particularly preferably about 95-200.
標的鎖の塩基配列を改変した塩基配列は、典型的には、次の3態様、すなわち、標的鎖の(a)内部の任意塩基配列の欠失、(b)内部への任意塩基配列の挿入、または(c)内部の任意塩基配列の他の塩基配列への置換、からなる群より選択される改変がなされた塩基配列である。以下、標的ゲノムDNA領域の標的鎖と一本鎖ポリヌクレオチドの塩基配列を整列させた場合において、標的ゲノムDNA領域の5'側領域に対応する一本鎖ポリヌクレオチドの塩基配列を「5'ホモロジー配列」と称し、標的ゲノムDNA領域と一本鎖ポリヌクレオチドの塩基配列を整列させた場合において、標的ゲノムDNA領域の3'側領域に対応する一本鎖ポリヌクレオチドの塩基配列を「3'ホモロジー配列」と称する。 Nucleotide sequences obtained by modifying the base sequence of the target strand typically have the following three modes: (a) deletion of an arbitrary base sequence inside the target strand, (b) insertion of an arbitrary base sequence inside , or (c) replacement of any internal base sequence with another base sequence. Hereafter, when the base sequences of the target strand of the target genomic DNA region and the single-stranded polynucleotide are aligned, the base sequence of the single-stranded polynucleotide corresponding to the 5' region of the target genomic DNA region is referred to as "5' homology When the base sequences of the target genomic DNA region and the single-stranded polynucleotide are aligned, the base sequence of the single-stranded polynucleotide corresponding to the 3' region of the target genomic DNA region is referred to as "3' homology array”.
改変が内部の任意塩基配列の欠失である場合、一本鎖ポリヌクレオチドは、標的ゲノムDNA領域の標的鎖において欠失させる塩基配列(以下、「欠失対象塩基配列」と称する)の5'側領域に対応する塩基配列(5'ホモロジー配列)と3'側領域に対応する塩基配列(3'ホモロジー配列)からなる。一方、改変が内部への任意塩基配列の挿入または内部の任意塩基配列の他の塩基配列への置換である場合、一本鎖ポリヌクレオチドは、標的ゲノムDNA領域の標的鎖の5'側領域に対応する塩基配列(5'ホモロジー配列)と3'側領域に対応する塩基配列(3'ホモロジー配列)との間に、それぞれ挿入する塩基配列(以下、「挿入用塩基配列」と称する)または置換する塩基配列(以下、「置換用塩基配列」と称する)が介在する。 When the modification is deletion of an arbitrary internal base sequence, the single-stranded polynucleotide is 5' of the base sequence to be deleted in the target strand of the target genomic DNA region (hereinafter referred to as "deletion target base sequence"). It consists of a base sequence corresponding to the side region (5' homology sequence) and a base sequence corresponding to the 3' side region (3' homology sequence). On the other hand, when the modification is the insertion of an arbitrary nucleotide sequence into the interior or the substitution of an arbitrary internal nucleotide sequence with another nucleotide sequence, the single-stranded polynucleotide is placed in the 5' region of the target strand of the target genomic DNA region. Nucleotide sequence to be inserted between the corresponding nucleotide sequence (5' homology sequence) and the nucleotide sequence corresponding to the 3' region (3' homology sequence) (hereinafter referred to as "insertion nucleotide sequence") or replacement intervening nucleotide sequence (hereinafter referred to as "substituting nucleotide sequence").
5'ホモロジー配列および3'ホモロジー配列の塩基数は、例えば、10~1000、好ましくは20~1000、より好ましくは30~500、さらに好ましくは40~300、よりさらに好ましくは40~100、特に好ましくは40~70程度である。5'ホモロジー配列と3'ホモロジー配列の塩基数の比は、特に制限はなく、例えば、0.01~100、好ましくは0.1~10、より好ましくは0.2~5、さらに好ましくは0.5~2である。 The number of bases of the 5' homology sequence and 3' homology sequence is, for example, 10 to 1000, preferably 20 to 1000, more preferably 30 to 500, still more preferably 40 to 300, still more preferably 40 to 100, particularly preferably is about 40-70. The base number ratio between the 5' homology sequence and the 3' homology sequence is not particularly limited, and is, for example, 0.01-100, preferably 0.1-10, more preferably 0.2-5, further preferably 0.5-2.
一本鎖ポリヌクレオチドにおける5'ホモロジー配列および3'ホモロジー配列と対応する標的ゲノムDNA領域の標的鎖の塩基配列の相同性は、必ずしも100%でなくともよい。標的ゲノムDNA領域と相互作用することにより、ゲノム編集を生じさせる限り、例えば、90%以上の同一性(例えば、95%以上、96%以上、97%以上、98%以上、99%以上の同一性)であり得る。配列の同一性は、BLAST等(例えば、デフォルトのパラメータ)を利用して算出できる。 The homology of the base sequence of the target strand of the target genomic DNA region corresponding to the 5' homology sequence and 3' homology sequence in the single-stranded polynucleotide does not necessarily have to be 100%. For example, 90% or more identity (e.g., 95% or more, 96% or more, 97% or more, 98% or more, 99% or more identity), as long as it causes genome editing by interacting with the target genomic DNA region gender). Sequence identity can be calculated using BLAST or the like (eg, default parameters).
標的ゲノムDNA領域の標的鎖における欠失対象塩基配列、並びに一本鎖ポリヌクレオチドにおける挿入用塩基配列および置換用塩基配列の塩基数は、特に制限はなく、例えば、1~10000、好ましくは1~1000、より好ましくは1~920、さらに好ましくは2~500、よりさらに好ましくは4~200、よりさらに好ましくは4~100、よりさらに好ましは5~50、よりさらに好ましくは6~20、よりさらに好ましくは7~12、よりさらに好ましくは8~9である。 The number of nucleotides to be deleted in the target strand of the target genomic DNA region, and the number of nucleotides in the insertion nucleotide sequence and replacement nucleotide sequence in the single-stranded polynucleotide is not particularly limited. 1000, more preferably 1 to 920, more preferably 2 to 500, even more preferably 4 to 200, still more preferably 4 to 100, still more preferably 5 to 50, still more preferably 6 to 20, more More preferably 7-12, still more preferably 8-9.
5'ホモロジー配列と3'ホモロジー配列の塩基数の合計に対する、標的ゲノムDNA領域の標的鎖における欠失対象塩基配列、または一本鎖ポリヌクレオチドにおける挿入用塩基配列もしくは置換用塩基配列の塩基数の比は、特に制限はなく、例えば、500以下、好ましくは100以下、より好ましくは10以下、さらに好ましくは5以下、よりさらに好ましくは2以下、よりさらに好ましくは1以下である。該比の下限値は特に制限はなく、例えば、0.01、0.02、0.04である。 The number of bases of the nucleotide sequence to be deleted in the target strand of the target genomic DNA region, or the base sequence for insertion or replacement in the single-stranded polynucleotide, relative to the total number of bases of the 5' homology sequence and the 3' homology sequence The ratio is not particularly limited, and is, for example, 500 or less, preferably 100 or less, more preferably 10 or less, even more preferably 5 or less, even more preferably 2 or less, and even more preferably 1 or less. The lower limit of the ratio is not particularly limited, and is, for example, 0.01, 0.02, 0.04.
本発明においては、一本鎖ポリヌクレオチドに代えて、一本鎖ポリヌクレオチドを発現するベクターを利用することもできる。当該ベクターは、発現させるべき一本鎖ポリヌクレオチドをコードするDNAに作動的に結合している1つ以上の調節エレメントを含む。 In the present invention, a vector that expresses a single-stranded polynucleotide can be used instead of the single-stranded polynucleotide. The vector contains one or more regulatory elements operably linked to the DNA encoding the single-stranded polynucleotide to be expressed.
ここで、「作動可能に結合している」とは、調節エレメントに上記DNAが発現可能に結合していることを意味する。「調節エレメント」としては、プロモーター、エンハンサー、内部リボソーム進入部位(IRES)、及び他の発現制御エレメント(例えば、転写終結シグナル、ポリアデニル化シグナルなど)が挙げられる。調節エレメントとしては、目的に応じて、例えば、多様な宿主細胞中でのDNAの構成的発現を指向するものであっても、特定の細胞、組織、あるいは器官でのみDNAの発現を指向するものであってもよい。また、特定の時期にのみDNAの発現を指向するものであっても、人為的に誘導可能なDNAの発現を指向するものであってもよい。プロモーターとしては、藻類における発現を行う場合には、例えば、FCPプロモーター、GAPDHプロモーターが挙げられ、植物における発現を行う場合には、例えば、35SCaMVプロモーターが挙げられる。当業者であれば、導入する細胞の種類などに応じて、適切な発現ベクターを選択することができる。ベクターは、必要に応じて、他のエレメント(例えば、マルチクローニングサイト、薬剤耐性遺伝子、複製起点など)を含んでいてもよい。 Here, "operably linked" means that the DNA is expressably linked to the regulatory element. "Regulatory elements" include promoters, enhancers, internal ribosome entry sites (IRES), and other expression control elements (eg, transcription termination signals, polyadenylation signals, etc.). Regulatory elements may be those that direct DNA expression only in specific cells, tissues, or organs, depending on the purpose, for example, those that direct constitutive expression of DNA in a variety of host cells may be Moreover, it may be one that directs the expression of DNA only at a specific time, or one that directs the expression of an artificially inducible DNA. Examples of promoters include FCP promoter and GAPDH promoter for expression in algae, and 35SCaMV promoter for expression in plants. A person skilled in the art can select an appropriate expression vector depending on the type of cell to be introduced. The vector may contain other elements (eg, multiple cloning site, drug resistance gene, origin of replication, etc.) as necessary.
一本鎖ポリヌクレオチドまたはそれを発現するベクターを導入する光合成真核生物の「細胞」には、培養細胞の他、個体中の細胞も含まれる。また、プロトプラストなど、一本鎖ポリヌクレオチドの導入のための特定の処理が施された細胞も含まれる。 "Cells" of photosynthetic eukaryotes into which single-stranded polynucleotides or vectors expressing them are introduced include cultured cells as well as cells in an individual. Also included are cells, such as protoplasts, that have undergone specific treatments for the introduction of single-stranded polynucleotides.
一本鎖ポリヌクレオチドまたはそれを発現するベクターの細胞への導入は、光合成真核生物の種類や細胞の形態などに応じて、適宜選択することができる。例えば、エレクトロポレーション、マイクロインジェクション、ポリエチレングリコール(PEG)法、DEAE-デキストラン法、リポフェクション、ナノ粒子媒介性トランスフェクション、ウイルス媒介性核酸送達などが挙げられるが、これらに制限されない。 Introduction of single-stranded polynucleotides or vectors expressing them into cells can be appropriately selected according to the type of photosynthetic eukaryote, cell morphology, and the like. Examples include, but are not limited to, electroporation, microinjection, polyethylene glycol (PEG) method, DEAE-dextran method, lipofection, nanoparticle-mediated transfection, virus-mediated nucleic acid delivery, and the like.
細胞へ導入する一本鎖ポリヌクレオチドの濃度は、本発明におけるゲノム編集が可能である限り特に制限はなく、一本鎖ポリヌクレオチドの鎖長や導入する細胞の種類に応じて、当業者は適宜設定することができるが、例えば、105細胞あたり1μg~50μgであり、好ましくは、105細胞あたり2.5μg~15μgである。 The concentration of the single-stranded polynucleotide to be introduced into the cell is not particularly limited as long as the genome editing in the present invention is possible, depending on the chain length of the single-stranded polynucleotide and the type of cells to be introduced, those skilled in the art can It can be set, for example, from 1 μg to 50 μg per 10 5 cells, preferably from 2.5 μg to 15 μg per 10 5 cells.
植物においては、古くから、その体細胞が分化全能性を有していることが知られており、様々な植物において、植物細胞から植物体を再生する方法が確立されている。従って、例えば、本発明の一本鎖ポリヌクレオチドの導入によりゲノムが編集された植物細胞から植物体を再生することにより、ゲノム編集された植物体を得ることができる。得られた植物体からは、子孫、クローン、又は繁殖材料(例えば、塊茎、塊根、種子など)を得ることもできる。組織培養により植物の組織を再分化させて個体を得る方法としては、本技術分野において確立された方法を利用することができる(形質転換プロトコール[植物編] 田部井豊・編 化学同人 pp.340-347(2012))。 It has long been known that the somatic cells of plants have totipotency, and methods for regenerating plant bodies from plant cells have been established for various plants. Therefore, for example, a genome-edited plant can be obtained by regenerating a plant from a plant cell whose genome has been edited by introduction of the single-stranded polynucleotide of the present invention. Progeny, clones, or propagation material (eg, tubers, tubers, seeds, etc.) can also be obtained from the resulting plants. As a method of redifferentiating plant tissues by tissue culture to obtain individuals, a method established in this technical field can be used (transformation protocol [Plants], Yutaka Tabei, edited by Kagaku Dojin, pp.340- 347 (2012)).
本発明の方法による光合成真核生物のゲノムの編集は、一本鎖オリゴヌクレオチドを細胞に導入することのみによって生じる。当該ゲノムの編集には、ZFNs、TALENs、CRISPR-Casといった部位特異的人工ヌクレアーゼによる当該標的ゲノムDNA領域における切断を必要としない。 Editing of a photosynthetic eukaryotic genome by the methods of the present invention occurs only by introducing single-stranded oligonucleotides into cells. The editing of the genome does not require cleavage at the target genomic DNA region by site-specific artificial nucleases such as ZFNs, TALENs, CRISPR-Cas.
また、本発明は、上記一本鎖ポリヌクレオチドまたは当該ポリヌクレオチドを発現するベクターを含む、ゲノムが編集された光合成真核生物を製造するための組成物またはキットを提供する。当該組成物またはキットにおいては、一本鎖オリゴヌクレオチド自体がゲノムを編集する能力を有していることから、部位特異的人工ヌクレアーゼとの組み合わせで用いる必要がない。 The present invention also provides a composition or kit for producing a genome-edited photosynthetic eukaryote, comprising the single-stranded polynucleotide or a vector expressing the polynucleotide. In the composition or kit, since the single-stranded oligonucleotide itself has the ability to edit the genome, it does not need to be used in combination with a site-specific artificial nuclease.
本発明のキットを構成する標品および本発明の組成物には、必要に応じてさらに他の成分を含んでいてもよい。他の成分としては、例えば、基剤、担体、溶剤、分散剤、乳化剤、緩衝剤、安定剤、賦形剤、結合剤、崩壊剤、滑沢剤、増粘剤、保湿剤、着色料、香料、キレート剤等が挙げられるが、これらに制限されない。 The preparations constituting the kit of the present invention and the composition of the present invention may further contain other components, if necessary. Other components include, for example, bases, carriers, solvents, dispersants, emulsifiers, buffers, stabilizers, excipients, binders, disintegrants, lubricants, thickeners, humectants, colorants, Examples include, but are not limited to, fragrances, chelating agents, and the like.
本発明のキットは、さらに追加の要素を含むことができる。追加の要素としては、例えば、希釈緩衝液、洗浄緩衝液、核酸導入試薬、対照試薬(例えば、対照の一本鎖ポリヌクレオチドなど)が挙げられるが、これらに制限されない。当該キットは、本発明の方法を実施するための使用説明書を含んでいてもよい。 Kits of the invention can further comprise additional components. Additional components include, but are not limited to, for example, dilution buffers, wash buffers, transfection reagents, control reagents (eg, control single-stranded polynucleotides, etc.). The kit may contain instructions for carrying out the methods of the invention.
以下に、実施例に基づいて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described in detail below based on examples, but the present invention is not limited by these examples.
(1)一本鎖ポリヌクレオチドを利用した真核藻類におけるゲノム編集
(a)リパーゼ遺伝子のPODiR配列を標的とした一本鎖DNAを用いた解析
真核藻類の一例として2倍性の真核藻類であるハプト藻(Pleurochrysis carterae)を用いた。
(1) Genome editing in eukaryotic algae using single-stranded polynucleotides (a) Analysis using single-stranded DNA targeting the PODiR sequence of the lipase gene Diploid eukaryotic algae as an example of eukaryotic algae was used.
ハプト藻のリパーゼ遺伝子のPODiR配列の一部を改変する一本鎖DNA(配列番号:1、図1)30μg(30μLの1μg/μL溶液)を4×105細胞を含む350μLのハプト藻のプロトプラスト溶液に混合し、さらに、等量(350μL)の40%PEG(MW=6000)溶液と混合し、室温で15分静置した。その後、Marine Art-ESM培地に移植し、14日間培養した。培養後、細胞からゲノムDNAを抽出し、PrimeStar(TaKaRa)を用いてPCRにより増幅した。PCRにおいては、30ng/20μl反応溶液の濃度で鋳型となるゲノムDNAを反応溶液に添加し、98℃で5秒、59℃で5秒、72℃で15秒の条件で反応を行った。得られた増幅産物につき、次世代シーケンサー(Macrogen Co.Ltd.)で約1000万配列の解析を行った。その結果、対照実験区では、リパーゼ遺伝子のPODiR配列の欠失(すなわち、自然発生的PODiRによる欠失)の頻度が約0.03%であったのに対し、一本鎖DNA導入実験区では約0.27%であり、対照実験区の8倍以上の欠失が見られた。 350 μL of haptoalgal protoplasts containing 4×10 5 cells containing 30 μg (30 μL of 1 μg/μL solution) of a single-stranded DNA (SEQ ID NO: 1, FIG. 1) that modifies part of the PODiR sequence of the lipase gene of the haptoalgae. It was mixed with the solution, further mixed with an equal volume (350 μL) of 40% PEG (MW=6000) solution, and allowed to stand at room temperature for 15 minutes. After that, it was transplanted to Marine Art-ESM medium and cultured for 14 days. After culturing, genomic DNA was extracted from the cells and amplified by PCR using PrimeStar (TaKaRa). In PCR, template genomic DNA was added to the reaction solution at a concentration of 30 ng/20 μl reaction solution, and the reaction was carried out under the conditions of 98° C. for 5 seconds, 59° C. for 5 seconds, and 72° C. for 15 seconds. About 10,000,000 sequences of the obtained amplified products were analyzed with a next-generation sequencer (Macrogen Co. Ltd.). As a result, the frequency of deletion of the PODiR sequence of the lipase gene (i.e., deletion due to spontaneous PODiR) was about 0.03% in the control experimental group, whereas it was about 0.27 in the single-stranded DNA introduction experimental group. %, and the deletion was more than 8 times that of the control group.
次いで、リパーゼ遺伝子のPODiR配列を標的とした上記一本鎖DNAの導入が、リパーゼ遺伝子以外のPODiR配列を含む遺伝子(例としてクエン酸合成酵素遺伝子)における変異誘発に与える影響を検証した。その結果、クエン酸合成酵素遺伝子では、対照実験区における自然発生的PODiRによる欠失率が約21%と高い値を示す一方、一本鎖DNA導入実験区では約24%であり、対照実験区からの上昇率は少なかった。以上から、リパーゼ遺伝子のPODiR配列を標的とした一本鎖DNAの導入が、PODiR配列を含むクエン酸合成酵素遺伝子の変異誘発に与える影響は軽微であることが示された。 Next, the influence of introduction of the single-stranded DNA targeting the PODiR sequence of the lipase gene on mutagenesis in a gene containing a PODiR sequence other than the lipase gene (for example, the citrate synthase gene) was examined. As a result, the citrate synthase gene showed a high deletion rate of about 21% due to spontaneous PODiR in the control experimental group, while the single-stranded DNA introduction experimental group showed a high deletion rate of about 24%. There was little increase from From the above, it was shown that the introduction of single-stranded DNA targeting the PODiR sequence of the lipase gene had a minor effect on the mutagenesis of the citrate synthase gene containing the PODiR sequence.
(b)リパーゼ遺伝子の非PODiR配列を標的とした一本鎖DNAを用いた解析
ハプト藻のリパーゼ遺伝子の非PODiR配列の一部を改変する一本鎖DNA(配列番号:3、図1)を用いて、上記(a)と同様に、約1600万配列の解析を行った。その結果、対照実験区ではリパーゼ遺伝子の非PODiR配列の欠失が全く認められなかったのに対し、一本鎖DNA導入実験区では、約0.00006%の頻度(102配列)で欠失が確認された。この結果から、遺伝子の一部を欠失させた一本鎖DNAによるゲノム編集の標的は、PODiR配列に制限されないことが判明した。
(b) Analysis using single-stranded DNA targeting the non-PODiR sequence of the lipase gene A single-stranded DNA (SEQ ID NO: 3, Fig. 1) that modifies part of the non-PODiR sequence of the lipase gene of haptophyceae was analyzed. was used to analyze approximately 16 million sequences in the same manner as in (a) above. As a result, while no deletion of non-PODiR sequences in the lipase gene was observed in the control experimental group, deletion was confirmed at a frequency of about 0.00006% (102 sequences) in the single-stranded DNA introduction experimental group. rice field. This result indicates that the target of genome editing by single-stranded DNA with a partial gene deletion is not limited to the PODiR sequence.
(2)植物におけるPODiRシステムの機能性の解析
植物の一例としてシロイヌナズナを用いた。
(2) Functional analysis of PODiR system in plants Arabidopsis thaliana was used as an example of plants.
まず、PODiRシステムの機能性を解析するためのシロイヌナズナ株を作成した。具体的には、INPLANTA INNOVATIONS, INC(Yokohama,Japan)からシロイヌナズナのコロンビア株(Col-0)の種子を購入し、グロースチャンバーで23℃にて明期16時間/暗期8時間の周期で培養した。次いで、EGFPを含むカセット(EGFP-STNT-POD、図2a)が35SCaMVプロモーター下に挿入されているプラスミド「pCAMBIA」をアグロインフィルトレーション法でシロイヌナズナのコロンビア株に導入し、植物においてPODiRの機能性を解析するための実験用株を作成し、種子ライブラリーを取得した。なお、プラスミド「pCAMBIA」のEGFP遺伝子には、人為的にPODiR配列が導入されており、PODiRシステムにより塩基の欠失が生じた場合に、機能的なEGFP遺伝子が形成され、その発現により蛍光を発することができるようになる。 First, we created Arabidopsis thaliana strains to analyze the functionality of the PODiR system. Specifically, seeds of Arabidopsis Columbia strain (Col-0) were purchased from INPLANTA INNOVATIONS, INC (Yokohama, Japan) and cultured in a growth chamber at 23°C with a cycle of 16 hours light/8 hours dark. did. Next, the plasmid "pCAMBIA" in which a cassette containing EGFP (EGFP-STNT-POD, Fig. 2a) was inserted under the 35SCaMV promoter was introduced into the Columbia strain of Arabidopsis thaliana by the agroinfiltration method, and the functionality of PODiR in the plant was investigated. We created an experimental strain for analysis and obtained a seed library. In addition, the PODiR sequence was artificially introduced into the EGFP gene of the plasmid "pCAMBIA", and when a base deletion occurred by the PODiR system, a functional EGFP gene was formed, and its expression caused fluorescence. be able to emit
次いで、長方形の培地プレートを作成し、プレートの下部から十分な間隔で発芽後の苗を植えた。最初の3日間は、プレートをアルミホイルで包み、限られた光の条件下で植物を育てた(この暗闇処理により発芽した植物は、白化したまま成長する)。その後、23℃にて明期16時間/暗期8時間の周期で2週間培養した。以上の培養過程を図2bに示した。 Next, a rectangular medium plate was prepared, and seedlings after germination were planted at sufficient intervals from the bottom of the plate. For the first 3 days, the plates were wrapped in aluminum foil and the plants were grown under limited light conditions (plants sprouted by this dark treatment grow as bleached). After that, the cells were cultured at 23° C. for 2 weeks with a cycle of 16 hours light period/8 hours dark period. The culture process described above is shown in Fig. 2b.
観察の結果、根の各所でGFPの発現が確認された(図2c)。以上から、植物においてPODiRの機能していることが判明した。 As a result of observation, GFP expression was confirmed in various parts of the root (Fig. 2c). From the above, it was found that PODiR functions in plants.
以上説明したように、本発明によれば、光合成真核生物の細胞内において、標的ゲノムDNA領域の標的鎖の塩基配列を改変した一本鎖ポリヌクレオチドを作用させるだけで、部位特異的人工ヌクレアーゼシステムを利用しなくとも、簡便にゲノム編集を行うことが可能となる。本発明は、例えば、ゲノム編集された藻類や植物を利用した有用物質の生産やゲノム編集された有用農作物の生産など、幅広い産業分野で利用が可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, according to the present invention, a site-specific artificial nuclease can be produced by simply allowing a single-stranded polynucleotide in which the base sequence of the target strand of the target genomic DNA region is modified to act in the cells of a photosynthetic eukaryote. Genome editing can be easily performed without using a system. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in a wide range of industrial fields, such as the production of useful substances using genome-edited algae and plants, and the production of genome-edited useful crops.
配列番号:1
<223> リパーゼ遺伝子のPODiR配列を標的化した一本鎖DNA
配列番号:3
<223> リパーゼ遺伝子の非PODiR配列を標的化した一本鎖DNA
SEQ ID NO: 1
<223> Single-stranded DNA targeting the PODiR sequence of the lipase gene
SEQ ID NO:3
<223> Single-stranded DNA targeting non-PODiR sequences of the lipase gene
Claims (8)
一本鎖ポリヌクレオチドまたは当該ポリヌクレオチドを発現するベクターを光合成真核生物の細胞に導入する工程を含み、
当該一本鎖ポリヌクレオチドは、光合成真核生物の標的ゲノムDNA領域の標的鎖の塩基配列を改変した塩基配列からなり、
当該改変が、(a)内部の任意塩基配列の欠失、(b)内部への任意塩基配列の挿入、または(c)内部の任意塩基配列の他の塩基配列への置換、からなる群より選択される改変であり、かつ、
当該一本鎖ポリヌクレオチドによるゲノムの編集には、部位特異的人工ヌクレアーゼによる当該標的ゲノムDNA領域における切断が伴わない、方法。 A method for producing a genome-edited photosynthetic eukaryote, comprising:
introducing a single-stranded polynucleotide or a vector expressing the polynucleotide into a photosynthetic eukaryotic cell;
The single-stranded polynucleotide consists of a base sequence obtained by modifying the base sequence of the target strand of the target genomic DNA region of the photosynthetic eukaryote,
From the group consisting of (a) deletion of any internal base sequence, (b) insertion of any internal base sequence, or (c) replacement of any internal base sequence with another base sequence is a selected modification, and
A method, wherein genome editing by said single-stranded polynucleotide does not involve cleavage in said target genomic DNA region by a site-specific artificial nuclease.
光合成真核生物の標的ゲノムDNA領域の標的鎖塩基配列を改変した塩基配列からなる一本鎖ポリヌクレオチドまたは当該ポリヌクレオチドを発現するベクターを含み、
当該改変が、(a)内部の任意塩基配列の欠失、(b)内部への任意塩基配列の挿入、または(c)内部の任意塩基配列の他の塩基配列への置換、からなる群より選択される改変であり、かつ、
部位特異的人工ヌクレアーゼとの組み合わせで用いられない、組成物またはキット。 A composition or kit for producing genome-edited photosynthetic eukaryotes, comprising:
A single-stranded polynucleotide consisting of a nucleotide sequence modified from the target strand nucleotide sequence of the target genomic DNA region of a photosynthetic eukaryote or a vector expressing the polynucleotide,
From the group consisting of (a) deletion of any internal base sequence, (b) insertion of any internal base sequence, or (c) replacement of any internal base sequence with another base sequence is a selected modification, and
Compositions or kits not used in combination with site-specific engineered nucleases.
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