JP6913965B2 - Ｆｂｎ１ｔ７４９８ｃ突然変異を修復するキット、ｆｂｎ１ｔ７４９８ｃ突然変異の作製及び修復方法、塩基編集によるｆｂｎ１ｔ７４９８ｃ突然変異の修復方法 - Google Patents
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Description
本発明は、遺伝子修復分野に関し、より具体的には、塩基編集によりマルファン症候群に関連するFBN1T7498C突然変異を修復する方法に関する。
これまで、医学上で万種ぐらいの遺伝病が同定され、家庭と社会に大きな負担を与えてしまう。しかし、現在約6%の遺伝病しか治療できない（Austin and Dawkins, 2017）。遺伝病の診断と治療は、既に医学上で重要な研究内容となっている。ハイスループットシーケンシング技術の発展に伴い、遺伝病の診断が容易となってきた。着床前遺伝子診断（PGD）により一部の遺伝病の発症を阻止できるが、ホモ変異等のような遺伝病に対して、まだより有効な遺伝学的治療手段の開発が必要である（Dunbar et al., 2018）。
遺伝子編集技術、特にCRISPR/Cas9は、遺伝子操作に広く用いられ、病原性変異の正確な修復に用いられることができる（Komor et al., 2017）。また、現在当該技術は、ヒト胚に対する遺伝子編集にも大きなメリットを示し、ヒト遺伝病の治療における臨床的価値を示している（Kang et al., 2016）。しかし、倫理上や治療効率及びオフターゲットの存在で、遺伝子編集のヒト胚への応用には、大きな改善の余地がある（Ruzo and Brivanlou, 2017）。CRISPR/Cas9媒介遺伝子編集は、sgRNA（single guided RNA）において標的配列の相補によりCas9タンパクを二本鎖DNAを部位特異的に切断するようにガイドし、DNA二本鎖切断（double-strand breaks，DSB）が生じた。テンプレートがない場合、非相同末端結合（non-homologous end joining，NHEJ）修復が起こり、フレームシフト突然変異（frameshift mutation）を引き起こし、遺伝子ノックアウト（knockout）となる。テンプレートがある場合、相同組換え修復（homology-directed repair，HDR）により、遺伝子ノックイン（knockin）を実現する。HDRの効率が低く（組込みが少なく発生する）、非相同末端結合機構でランダムな挿入と欠失（indel）が発生しやすいので、切断部位付近に新たな塩基がランダムに取り込まれる可能性があり、不正確な遺伝子編集が起こる（Hsu et al., 2014）。また、CRISPR/Cas9媒介遺伝子編集は、多少オフターゲット効果がある[Gorski et al., 2017]。
最近開発された塩基編集システムのbase editorは、ニッカーゼnCas9をもとにラットのシトシンデアミナーゼAPOBEC1が付加され、塩基編集システムは、DNA二本鎖を切断することなく標的部位にてCをウラシルに変換することができた（Komor et al., 2016）。その後、DNA複製又は修復により、ウラシルをチミン（T）に変換し、こうしてCからTへの変換を実現する。同様に、一塩基のGをAに変換することもできる。DNAを切断してDSBを引き起こすことがないため、形成されたindelが1%よりも低く、遺伝子編集をより正確に実現する。塩基編集システムは、インビボ塩基編集に成功に応用され、マウスのCT突然変異を実現した。BE3により、廃棄されたヒト胚でも標的部位の効率的な編集を実現した。
マルファン症候群は、常染色体優性遺伝病であり、世界人口の0．2‰を占め、主にヒト結合組織の異形成を引き起こし、これまで多くの有名なスポーツ選手の突然死は、マルファン症候群に関する（Arbustini et al., 2005）。一部の患者は、手術により治療できるが、依然として、子孫が病気に罹患するリスクがあり、当該病気を誘発する突然変異を遺伝的に治療することは、根本的な方法である。以前、FBN1遺伝子の突然変異がマルファン症候群の要因となることが示された。そのため、効率よく安全な治療方法を見付けることは、我々が求めている方向である。本発明は、マルファン症候群に関連する突然変異をより効率よく安全に修復し、ヒト胚段階で当該突然変異を修復する方法を検討し、この病気の発症割合と巨大な社会負担を軽減する。
Arbustini，E．，Grasso，M．，Ansaldi，S．，Malattia，C．，Pilotto，A．，Porcu，E．，Disabella，E．，Marziliano，N．，Pisani，A．，Lanzarini，L．，et al．（2005）．Identification of sixty-two novel and twelve known FBN1 mutations in eighty-one unrelated probands with Marfan syndrome and other fibrillinopathies．Human mutation 26，494．
Austin，C．P．，and Dawkins，H．J．S．（2017）．Medical research：Next decade's goals for rare diseases．Nature 548，158．
Dunbar，C．E．，High，K．A．，Joung，J．K．，Kohn，D．B．，Ozawa，K．，and Sadelain，M．（2018）．Gene therapy comes of age．Science 359．
Hsu，P．D．，Lander，E．S．，and Zhang，F．（2014）．Development and applications of CRISPR-Cas9 for genome engineering．Cell 157，1262-1278．
Kang，X．，He，W．，Huang，Y．，Yu，Q．，Chen，Y．，Gao，X．，Sun，X．，and Fan，Y．（2016）．Introducing precise genetic modifications into human 3PN embryos by CRISPR/Cas-mediated genome editing．Journal of assisted reproduction and genetics 33，581-588．
Komor，A．C．，Badran，A．H．，and Liu，D．R．（2017）．CRISPR-Based Technologies for the Manipulation of Eukaryotic Genomes．Cell 168，20-36．
Komor，A．C．，Kim，Y．B．，Packer，M．S．，Zuris，J．A．，and Liu，D．R．（2016）．Programmable editing of a target base in genomic DNA without double-stranded DNA cleavage．Nature 533，420-424．
Ruzo，A．，and Brivanlou，A．H．（2017）．At Last：Gene Editing in Human Embryos to Understand Human Development．Cell Stem Cell 21，564-565． ADDIN EN.REFLIST
本発明は、FBN1T7498C突然変異を効率よく修復するキットと方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成するために、本発明は、塩基編集システム（base editor）及びFBN1T7498C部位に対する修復re-sgRNAを含むことを特徴とする、FBN1T7498C突然変異を効率よく修復するキットを提供する。
前記塩基編集システムがBE3、YE1-BE3、YE2-BE3又はYEE-BE3のうちの一つであることが好ましい。
前記FBN1T7498C部位に対する修復re-sgRNAの配列がSEQ ID NO．3であることが好ましい。
本発明は、FBN1T7498C部位により突然変異mt-sgRNA、対応する突然変異ssODN、FBN1T7498C部位に対する修復re-sgRNA及び塩基編集システムからの少なくとも一つを設計することを含むことを特徴とする、突然変異の作製と突然変異の修復の組合せをさらに提供する。
本発明は、FBN1T7498Cを含有する突然変異細胞において、FBN1T7498C部位に対する修復re-sgRNAにより塩基編集システムを突然変異部位に導入して塩基編集により修復を行い、トランスフェクションされた細胞を回収することを含むことを特徴とする、塩基編集による突然変異の修復方法をさらに提供する。
前記FBN1T7498Cを含有する突然変異細胞が、HEK293T細胞又は胚細胞であることが好ましい。
前記FBN1T7498Cを含有する突然変異細胞の構築方法としては、FBN1T7498C部位により突然変異mt-sgRNA及び対応する突然変異ssODNを設計し、mt-sgRNAの発現ベクターを構築し、インビトロでCas9タンパクと転写されたmt-sgRNAによりRNPを構成してssODNと結合しHEK293T細胞をエレクトロポレーションし、単核球をフローソーティングしてFBN1T7498Cを含有する突然変異細胞株を同定することが好ましい。
前記FBN1T7498C部位に対する修復re-sgRNAは、FBN1T7498C部位により修復re-sgRNAを設計し、U6プロモーター及び/又はT7プロモーターの発現ベクターを構築することにより得られることが好ましい。
前記塩基編集によるマルファン疾患の突然変異の修復方法は、サンガーシーケンシングにより修復効率を検出すること、FBN1T7498C突然変異を含有するヒト胚細胞に塩基編集システムのmRNAとre-sgRNAを注射し、胚における修復効率を検出し、オンターゲットとオフターゲットの効率をハイスループットシーケンシングすることをさらに含むことが好ましい。
前記mt-sgRNAの配列がSEQ ID NO．1であり、ssODNの配列がSEQ ID NO．2であり、re-sgRNAの配列がSEQ ID NO．3であることが好ましい。
胚を得る方法は、ICSIによりFBN1T7498C部位の突然変異を含有する精子を正常な卵母細胞に注射すること、又はICSIにより正常な精子をFBN1T7498C突然変異部位を含有する卵子に注射すること、又はFBN1T7498C部位の突然変異を含有する精子をFBN1T7498C突然変異部位を含有する卵子に注射することで、この部位を含有するヘテロ又はホモ接合突然変異胚を得ることが好ましい。
本発明は、FBN1T7498C部位により突然変異mt-sgRNA及び対応する突然変異ssODNを設計すること、mt-sgRNAのT7プロモーターの発現ベクターを構築し、インビトロでCas9タンパクと転写されたmt-sgRNAによりRNPを構成してssODNと結合し293T細胞をエレクトロポレーションし、単核球をフローソーティングしてFBN1T7498Cを含有するホモ変異細胞株を同定すること、FBN1T7498C部位により修復re-sgRNAを設計し、それぞれU6プロモーターとT7プロモーターの発現ベクターを構築すること、作製されたホモ変異細胞株において、U6プロモーターのre-sgRNAによりbase editorを突然変異部位に導入し、3日後トランスフェクションされた細胞を回収し、サンガーシーケンシングにより修復効率を検出すること、この部位の突然変異を含有するヒト胚細胞にBE3のmRNAとre-sgRNAを注射し、胚における修復効率を検出し、オンターゲットとオフターゲットの効率をハイスループットシーケンシングすることを含む、塩基編集によるマルファン疾患の突然変異の修復方法をさらに提供する。
本発明は、塩基編集技術により細胞と胚の二つの異なるレベルで方法の効率性と安全性の証明を行う。
FBN1の突然変異は、マルファン症候群を引き起こす要因であり、その発症率が0．2‰程度であり、遺伝的にこの突然変異を完全に修復することは、当該疾患を治療する最も有効な措置である。塩基編集システムは、正確にDNAを改変し、即ち、CをTに変換する方法を提供する。
本発明は、新規な塩基編集ツールであるbase editorにより突然変異ヒト胚を修復する。まず、細胞と胚の二つのレベルで方法の安全性と有効性を検証する。細胞の面では、発明者は、CRISPR/Cas9とssODNに基づく相同組換え方法によりFBN1T7498C突然変異を含有する細胞株を作製した後、base editorにより好適なsgRNAと結合してこの部位の突然変異を修復する。システムの安全性と有効性を検証した後、転写されたmRNAとsgRNAを、FBN1T7498C突然変異を含有するヒト胚に注射し、3日後胚を回収し、ディープシーケンシングにより修復効率とオフターゲット状況を検出する。
本発明は、塩基編集技術により、正確なCT一塩基突然変異でFBN1T7498C突然変異を修復することができ、このような突然変異によるマルファン症候群の治療に効率よく安全な方法を提供する。
以下、実施例を組み合わせて本発明の実施方案を明確で完全に記述するが、明らかに、記述される実施例は、本発明を説明するための一部の実施例に過ぎず、本発明の範囲を制限するものとみなされるべきではない。実施例において具体的な条件が明記されていないものは、ルーチンの条件又はメーカーが提案する条件で行われる。用いられる試薬又は機器にメーカーが明記されていないものは、市販により購入できるルーチンの製品とみなされている。
以上は、本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明を制限するためのものではなく、本発明の精神と原則から逸脱しない限り、いかなる変更、等価置換、改善等も、本発明の保護範囲に含まれるべきである。
まず、異なるバージョンのBE3、即ち、YE1-BE3、YE2-BE3、YEE-BE3及びBE3を構築した。オリジナルバージョンのBE3は、Addgene（73021）から購入された。
1、異なるタイプのAPOBEC1の合成
前記4種類のBE3は、ただrAPOBEC1のコーディングフレームに差異があり、YE1-rAPOBEC1（SEQ ID NO．4）、YE2-rAPOBEC1（SEQ ID NO．5）、YEE-rAPOBEC1（SEQ ID NO．6）は、その配列がそれぞれ生工生物（http://www.sangon.com/）により合成された。合成された断片の両端にそれぞれNotIとSmaIの酵素切断部位が付加された。合成された断片を通常のpmd19tベクター（TAKARA：6013）にクローニングした。
前記4種類のBE3は、ただrAPOBEC1のコーディングフレームに差異があり、YE1-rAPOBEC1（SEQ ID NO．4）、YE2-rAPOBEC1（SEQ ID NO．5）、YEE-rAPOBEC1（SEQ ID NO．6）は、その配列がそれぞれ生工生物（http://www.sangon.com/）により合成された。合成された断片の両端にそれぞれNotIとSmaIの酵素切断部位が付加された。合成された断片を通常のpmd19tベクター（TAKARA：6013）にクローニングした。
2、ベクターの酵素切断と精製
酵素切断システムは、バッファー（NEB：R0189L）6μL、プラスミド2μg、NotI 1μL、SmaI 1μL、残部ddH2Oで60μLとし、BE3と前記合成された3種類のベクターを混合した後、NotI（NEB：R0189L）、SmaI（NEB：R0141L）により、37℃で一晩酵素切断した。
酵素切断システムは、バッファー（NEB：R0189L）6μL、プラスミド2μg、NotI 1μL、SmaI 1μL、残部ddH2Oで60μLとし、BE3と前記合成された3種類のベクターを混合した後、NotI（NEB：R0189L）、SmaI（NEB：R0141L）により、37℃で一晩酵素切断した。
酵素切断された生成物を1%アガロースゲルにより回収した（Axygen：AP-GX-250G）。そのうち、BE3により大断片の骨格ベクターを回収し、合成ベクターによりAPOBEC1の小断片のベクターを回収した。回収は、キットの使用説明書に従って行われた（Axygen：AP-PCR-250G）。回収後の断片をNanodrop 2000により濃度を検出した。
3、ベクターのライゲーション、変換及びプラスミド抽出
ライゲーションシステムは、T4ライゲーションバッファー（NEB：M0202L）1μL、骨格ベクター20ng、APOBEC1断片50ng、T4リガーゼ（NEB：M0202L）0．5μL、残部ddH2Oで10μLとし、回収された骨格ベクターとAPOBEC1断片を、16℃で一晩ライゲーションした。変換工程は以下のとおりであった。コンピテントセル（TransGen：CD201）20μLを氷で解凍し、ライゲーション生成物2μLとコンピテントセルを混合し、氷で20分間放置し、42℃で60秒間熱刺激し、氷で2分間放置し、蘇生LB培地（MDBio：L001-1kg）を400μL加え、30分間振とうし、70μLを取りアンピシリンプレート（50μg/ml）に塗布し、37℃のインキュベーターで14時間培養した。
ライゲーションシステムは、T4ライゲーションバッファー（NEB：M0202L）1μL、骨格ベクター20ng、APOBEC1断片50ng、T4リガーゼ（NEB：M0202L）0．5μL、残部ddH2Oで10μLとし、回収された骨格ベクターとAPOBEC1断片を、16℃で一晩ライゲーションした。変換工程は以下のとおりであった。コンピテントセル（TransGen：CD201）20μLを氷で解凍し、ライゲーション生成物2μLとコンピテントセルを混合し、氷で20分間放置し、42℃で60秒間熱刺激し、氷で2分間放置し、蘇生LB培地（MDBio：L001-1kg）を400μL加え、30分間振とうし、70μLを取りアンピシリンプレート（50μg/ml）に塗布し、37℃のインキュベーターで14時間培養した。
モノクローナル菌体を選別し、液体LB培地4mlで拡大培養し、14時間後プラスミドを抽出した（Axygene：AP-MN-P-250G）。工程は、菌液を4000回転/分で10分間遠心し、上清を捨て、バッファーS1を350μL加え、菌体を吹き散らし、2ml遠心チューブに移し、バッファーS2を250μL加え、8回上下反転させ、バッファーS3を250μL加え、6回反転させて均一に混合し、沈殿を生じ、12000回転/分で10分間遠心し、上清を回収してカラムクロマトグラフィを行い、1分間遠心し、廃液を捨て、W1を500μL加えて1分間遠心し、廃液を捨て、W2を750μL加えて遠心し、上清を捨て、W2を500μL加えて遠心し、上清を捨て、1分間空回りし、溶離液を50μL加えて2分間静置し、遠心した。得られたプラスミドを濃度測定し、10μLをシーケンシングに供し、ポジティブプラスミドを-20℃に保存した。
最終的に以下の4種類のBE3を構築した。
（1）YE1-BE3、SEQ ID NO．7、
（2）YE2-BE3、SEQ ID NO．8、
（3）YEE-BE3、SEQ ID NO．9、
（4）BE3、SEQ ID NO．10。
以下、突然変異部位の修復を行うときに、前記いずれかのBE3を採用してもよいが、好ましくは（1）又は（4）である。
（1）YE1-BE3、SEQ ID NO．7、
（2）YE2-BE3、SEQ ID NO．8、
（3）YEE-BE3、SEQ ID NO．9、
（4）BE3、SEQ ID NO．10。
以下、突然変異部位の修復を行うときに、前記いずれかのBE3を採用してもよいが、好ましくは（1）又は（4）である。
本実施例において、細胞株に対してCas9/sgRNAによりssODNと結合して突然変異FBN1T7498C突然変異細胞株を作製し、塩基編集システムにより突然変異株を修復した（図2）。
1．1 プラスミドの構築
突然変異部位付近で突然変異mt-sgRNA（SEQ ID NO．1）を設計し、オリゴを合成した。上流配列が5’-taggCGCCAATGGTGTTAACACAT-3’（SEQ ID NO．（14））であり、下流配列が5’-aaac ATGTGTTAACACCATTGGCG-3’（SEQ ID NO．（15））であり、上下流配列は、プログラム（95℃で5min、-2℃/sで95℃-85℃、-0．1℃/sで85℃-25℃、4℃で保持）によりアニーリングされ、BsaI（NEB：R0539L）で線状化されたPUC57-T7sgRNAベクター（addgene：51132）にライゲーションされた。線状化システムは、PUC57-T7sgRNA 2μg、バッファー（NEB：R0539L）6μL、BsaI 2μL、残部ddH2Oで、60μLとした。37℃で一晩酵素切断した。用いられた相同テンプレートssODN（SEQ ID NO．2）は、PAGE精製によって生工生物社（http://www.sangon.com/）により合成されたものである。また、突然変異部位付近で、塩基編集作用の特徴に応じ、修復re-sgRNA（SEQ ID NO．3）を設計し、オリゴを合成した。上流配列が5’-accgCTACGTGTTAACACCATTGG-3’（SEQ ID NO．16）であり、下流配列が5’-aaacCCAATGGTGTTAACACGTAG-3’（SEQ ID NO．17）であった。上下流配列は、プログラム（95℃で5min、-2℃/sで95℃-85℃、-0．1℃/sで85℃-25℃、4℃で保持）によりアニーリングされ、BsaI（NEB：R0539L）で線状化されたPGL3-U6sgRNAベクターにライゲーションされた。また、上流プライマー：5’-taggCTACGTGTTAACACCATTGG-3’（SEQ ID NO．18）と下流プライマー：5’-aaacCCAATGGTGTTAACACGTAG-3’（SEQ ID NO．19）を合成し、アニーリングにより、線状化されたPUC57-T7sgRNAベクターにライゲーションした。アニーリングプログラムや、線状化システムとプログラムは以上のとおりであった。ライゲーションシステムは、T4ライゲーションバッファー（NEB：M0202L）1μL、線状化ベクター20ng、アニーリングされたオリゴ断片（10μM）5μL、T4リガーゼ（NEB：M0202L）0．5μL、残部ddH2Oで10μLとし、16℃で一晩ライゲーションした。ライゲーションされたベクターに対して変換、菌体選別、同定を行い、同定プライマーとしては、U6ベクターは、上流配列：5’-TTTCCCATGATTCCTTCATA-3’（SEQ ID NO．20）、下流配列が対応するオリゴの下流配列であった。T7ベクターは、上流配列：5’-CGCCAGGGTTTTCCCAGTCACGAC-3’（SEQ ID NO．21）、下流配列が対応するオリゴの下流配列であった。ポジティブクローンに対して菌体を振とうしてプラスミド（Axygene：AP-MN-P-250G）を抽出して濃度を測定しておいた。得られた突然変異プラスミドをmt-T7-sgRNA（SEQ ID NO．11）、re-U6-sgRNA（SEQ ID NO．12）及びre-T7-sgRNA（SEQ ID NO．13）と名付けた。
突然変異部位付近で突然変異mt-sgRNA（SEQ ID NO．1）を設計し、オリゴを合成した。上流配列が5’-taggCGCCAATGGTGTTAACACAT-3’（SEQ ID NO．（14））であり、下流配列が5’-aaac ATGTGTTAACACCATTGGCG-3’（SEQ ID NO．（15））であり、上下流配列は、プログラム（95℃で5min、-2℃/sで95℃-85℃、-0．1℃/sで85℃-25℃、4℃で保持）によりアニーリングされ、BsaI（NEB：R0539L）で線状化されたPUC57-T7sgRNAベクター（addgene：51132）にライゲーションされた。線状化システムは、PUC57-T7sgRNA 2μg、バッファー（NEB：R0539L）6μL、BsaI 2μL、残部ddH2Oで、60μLとした。37℃で一晩酵素切断した。用いられた相同テンプレートssODN（SEQ ID NO．2）は、PAGE精製によって生工生物社（http://www.sangon.com/）により合成されたものである。また、突然変異部位付近で、塩基編集作用の特徴に応じ、修復re-sgRNA（SEQ ID NO．3）を設計し、オリゴを合成した。上流配列が5’-accgCTACGTGTTAACACCATTGG-3’（SEQ ID NO．16）であり、下流配列が5’-aaacCCAATGGTGTTAACACGTAG-3’（SEQ ID NO．17）であった。上下流配列は、プログラム（95℃で5min、-2℃/sで95℃-85℃、-0．1℃/sで85℃-25℃、4℃で保持）によりアニーリングされ、BsaI（NEB：R0539L）で線状化されたPGL3-U6sgRNAベクターにライゲーションされた。また、上流プライマー：5’-taggCTACGTGTTAACACCATTGG-3’（SEQ ID NO．18）と下流プライマー：5’-aaacCCAATGGTGTTAACACGTAG-3’（SEQ ID NO．19）を合成し、アニーリングにより、線状化されたPUC57-T7sgRNAベクターにライゲーションした。アニーリングプログラムや、線状化システムとプログラムは以上のとおりであった。ライゲーションシステムは、T4ライゲーションバッファー（NEB：M0202L）1μL、線状化ベクター20ng、アニーリングされたオリゴ断片（10μM）5μL、T4リガーゼ（NEB：M0202L）0．5μL、残部ddH2Oで10μLとし、16℃で一晩ライゲーションした。ライゲーションされたベクターに対して変換、菌体選別、同定を行い、同定プライマーとしては、U6ベクターは、上流配列：5’-TTTCCCATGATTCCTTCATA-3’（SEQ ID NO．20）、下流配列が対応するオリゴの下流配列であった。T7ベクターは、上流配列：5’-CGCCAGGGTTTTCCCAGTCACGAC-3’（SEQ ID NO．21）、下流配列が対応するオリゴの下流配列であった。ポジティブクローンに対して菌体を振とうしてプラスミド（Axygene：AP-MN-P-250G）を抽出して濃度を測定しておいた。得られた突然変異プラスミドをmt-T7-sgRNA（SEQ ID NO．11）、re-U6-sgRNA（SEQ ID NO．12）及びre-T7-sgRNA（SEQ ID NO．13）と名付けた。
1．2 sgRNAのインビトロ転写
構築されたPUC57-T7sgRNAをテンプレートとし、sgRNAを含有する断片を増幅させた。用いられたプライマーは、F：5’-TCTCGCGCGTTTCGGTGATGACGG-3’（SEQ ID NO．22）、R：5’-AAAAAAAGCACCGACTCGGTGCCACTTTTTC-3’（SEQ ID NO．23）であった。増幅システムは、2Xバッファー（Vazyme：P505）25μL、dNTP 1μL、F（10pmol/μL）2μL、R（10pmol/μL）2μL、テンプレート1ng、DNAポリメラ−ゼ（Vazyme：P505）0．5μL、残部ddH2Oで50μLとした。増幅されて得られたPCR生成物は、以下の工程で精製された。すなわち、100μLごとにRNAsecure（Life：AM7005）を4μL加え、60℃で15分間保持し、三倍容量のPCR-A（Axygen：AP-PCR-250G）を加えてカラムクロマトグラフィを行い、12000回転/分で1分間遠心し、W2を500μL加えて1分間遠心し、1分間空回りし、RNAaseフリー水を20μL加えて溶離した。
構築されたPUC57-T7sgRNAをテンプレートとし、sgRNAを含有する断片を増幅させた。用いられたプライマーは、F：5’-TCTCGCGCGTTTCGGTGATGACGG-3’（SEQ ID NO．22）、R：5’-AAAAAAAGCACCGACTCGGTGCCACTTTTTC-3’（SEQ ID NO．23）であった。増幅システムは、2Xバッファー（Vazyme：P505）25μL、dNTP 1μL、F（10pmol/μL）2μL、R（10pmol/μL）2μL、テンプレート1ng、DNAポリメラ−ゼ（Vazyme：P505）0．5μL、残部ddH2Oで50μLとした。増幅されて得られたPCR生成物は、以下の工程で精製された。すなわち、100μLごとにRNAsecure（Life：AM7005）を4μL加え、60℃で15分間保持し、三倍容量のPCR-A（Axygen：AP-PCR-250G）を加えてカラムクロマトグラフィを行い、12000回転/分で1分間遠心し、W2を500μL加えて1分間遠心し、1分間空回りし、RNAaseフリー水を20μL加えて溶離した。
インビトロ転写キット（Ambion，Life Technologies，AM1354）により転写した。工程は以下のとおりであった。反応システムは、反応バッファー1μL、酵素ミックス1μL、A 1μL、T 1μL、G 1μL、C 1μL、テンプレート800ng、残部H2Oで10μLとした。前記システムを均一に混合した後37℃で5時間反応させた。DNaseを1μL加え、37℃で15分間反応させた。回収キット（Ambion，Life Technologies，AM1908）により転写されたsgRNAを回収した。工程は、前の反応容量に溶離液を90μL加え1．5mlEP管に移し、結合溶液を350μL加えて均一に混合し、無水エタノールを250μL加えて均一に混合し、カラムクロマトグラフィーを行い、10000回転/分で30秒間遠心し、廃液を捨て、洗浄液を500μL加え、10000回転/分で30秒間遠心し、廃液を捨て、1分間空回りし、回収管を交換し、溶離液を100μL加えて溶離し、酢酸アンモニウム（Ambion，Life Technologies，AM1908）を10μL加えて均一に混合し、無水エタノールを275μL加えて均一に混合し、-20℃で30分間放置し、同時に70%エタノールを用意し-20℃で放置し、4℃雰囲気で13000回転/分で15分間遠心した。上清を捨て、70%エタノールを500μL加えて5分間遠心し、廃液を吸い出し、5分間乾かし、水を20μL加えて溶解させ、1μLを取り濃度を測定した。
1．3 細胞の培養とエレクトロポレーション
（1）HEK293T細胞（ATCCから購入）を例とし、本発明では、真核生物細胞の培養とトランスフェクションを行った。HEK293T細胞を、10%FBSが添加された、ペニシリン（100U/ml）とストレプトマイシン（100μg/ml）を含むDMEM高グルコース培地（HyClone，SH30022．01B）に接種して培養した。
（2）トランスフェクションより両時間前に、抗生物質なし培地に交換し、LONZAトランスフェクション試薬（SF KIT）により説明書に従ってトランスフェクションし、細胞をカウントしたところ、1×106個であった。Cas9（Sigma：ESPCAS9PRO-50UG）、sgRNA及びssODNを3μg、1．5μg及び3μgの質量で混合した。エレクトロポレーションプログラムとしてDS150を採用し、エレクトロポレーション後の細胞を6cmのプレートで2日間培養した。
（3）細胞をフローサイトメーターにより単核球をソーティングして培養し、2週間後、成分が50mM KCl、1．5mM MgCl2、10mM Tris pH 8．0、0．5 % Nonidet P-40、0．5 % Tween 20、100 (g/ml protease Kである分解液で分解させることにより遺伝子型を同定した。ホモ変異細胞株を選別して拡大培養した。
（4）突然変異細胞株をhttp://crispr.mit.edu/、https://crispr.cos.uni-heidelberg.de/により関連するオフターゲット部位を7個同定し、表1に示した。
（5）対応するプライマーを設計することによりオフターゲット部位を同定し、プライマー配列は表3に示した。増幅させたPCR生成物は、T7EN1とシーケンシング同定により、オフターゲットが認められなかった（図3）。
（1）HEK293T細胞（ATCCから購入）を例とし、本発明では、真核生物細胞の培養とトランスフェクションを行った。HEK293T細胞を、10%FBSが添加された、ペニシリン（100U/ml）とストレプトマイシン（100μg/ml）を含むDMEM高グルコース培地（HyClone，SH30022．01B）に接種して培養した。
（2）トランスフェクションより両時間前に、抗生物質なし培地に交換し、LONZAトランスフェクション試薬（SF KIT）により説明書に従ってトランスフェクションし、細胞をカウントしたところ、1×106個であった。Cas9（Sigma：ESPCAS9PRO-50UG）、sgRNA及びssODNを3μg、1．5μg及び3μgの質量で混合した。エレクトロポレーションプログラムとしてDS150を採用し、エレクトロポレーション後の細胞を6cmのプレートで2日間培養した。
（3）細胞をフローサイトメーターにより単核球をソーティングして培養し、2週間後、成分が50mM KCl、1．5mM MgCl2、10mM Tris pH 8．0、0．5 % Nonidet P-40、0．5 % Tween 20、100 (g/ml protease Kである分解液で分解させることにより遺伝子型を同定した。ホモ変異細胞株を選別して拡大培養した。
（4）突然変異細胞株をhttp://crispr.mit.edu/、https://crispr.cos.uni-heidelberg.de/により関連するオフターゲット部位を7個同定し、表1に示した。
（5）対応するプライマーを設計することによりオフターゲット部位を同定し、プライマー配列は表3に示した。増幅させたPCR生成物は、T7EN1とシーケンシング同定により、オフターゲットが認められなかった（図3）。
1．4 突然変異細胞株の修復（図4、図5）
（1）本発明では、突然変異細胞株を培養しトランスフェクションした。HEK293T細胞を、10%FBSが添加された、ペニシリン（100U/ml）とストレプトマイシン（100μg/ml）を含むDMEM高グルコース培地（HyClone，SH30022．01B）に接種して培養した。
（2）トランスフェクションする前に6ウェルプレートに分注し、密度が70%〜80%に達したときにトランスフェクションした。
（3）トランスフェクションは、リポソームトランスフェクションを例とした。LipofectamineTM 2000 Transfection Reagent（Invitrogen，11668-019）の操作マニュアルに従って、2μgのBE3又はYE1-BE3又はYEE-BE3プラスミドと1μgのre-sgRNApGL3-U6-sgRNAプラスミドを均一に混合し、ウェルごとに細胞にコトランスフェクションし、6〜8時間後液を交換し、72時間後細胞を回収した。
（4）回収された細胞に対して、まずPCR生成物のシーケンシングを行ったところ、修復のピーク値が認められた（図3）。さらには、PCR生成物をTAクローニングし、選別されたクローンのうち、修復されたクローンの効率が50%であった。
（5）修復re-sgRNAをオフターゲット分析したところ、表2と図3に示されるように、同様に潜在的オフターゲット部位が8個見付けられた。同様に潜在的オフターゲット部位を分析、検出し（表3、図6）、同様にオフターゲット現象が認められなかった。
（1）本発明では、突然変異細胞株を培養しトランスフェクションした。HEK293T細胞を、10%FBSが添加された、ペニシリン（100U/ml）とストレプトマイシン（100μg/ml）を含むDMEM高グルコース培地（HyClone，SH30022．01B）に接種して培養した。
（2）トランスフェクションする前に6ウェルプレートに分注し、密度が70%〜80%に達したときにトランスフェクションした。
（3）トランスフェクションは、リポソームトランスフェクションを例とした。LipofectamineTM 2000 Transfection Reagent（Invitrogen，11668-019）の操作マニュアルに従って、2μgのBE3又はYE1-BE3又はYEE-BE3プラスミドと1μgのre-sgRNApGL3-U6-sgRNAプラスミドを均一に混合し、ウェルごとに細胞にコトランスフェクションし、6〜8時間後液を交換し、72時間後細胞を回収した。
（4）回収された細胞に対して、まずPCR生成物のシーケンシングを行ったところ、修復のピーク値が認められた（図3）。さらには、PCR生成物をTAクローニングし、選別されたクローンのうち、修復されたクローンの効率が50%であった。
（5）修復re-sgRNAをオフターゲット分析したところ、表2と図3に示されるように、同様に潜在的オフターゲット部位が8個見付けられた。同様に潜在的オフターゲット部位を分析、検出し（表3、図6）、同様にオフターゲット現象が認められなかった。
本実施例では、ヒト胚において塩基編集システムにより突然変異を修復した（図7）。
2．1 プラスミドの構築
突然変異部位付近で、塩基編集作用の特徴に応じ、修復re-sgRNA（SEQ ID NO．3）を設計し、オリゴを合成した。上流配列が5’-taggCTACGTGTTAACACCATTGG-3’（SEQ ID NO．18）であり、下流配列が5’-aaacCCAATGGTGTTAACACGTAG-3’（SEQ ID NO．19）であった。上下流配列は、プログラム（95℃で5min、-2℃/sで95℃-85℃、-0．1℃/sで85℃-25℃、4℃で保持）によりアニーリングされ、BsaI（NEB：R0539L）で線状化されたPUC57-T7sgRNAベクターにライゲーションされた。線状化システムとプログラムは以上のとおりであった。ライゲーションシステムは、T4ライゲーションバッファー（NEB：M0202L）1μL、線状化ベクター20ng、アニーリングされたオリゴ断片（10μM）5μL、T4リガーゼ（NEB：M0202L）0．5μL、残部ddH2Oで10μLとし、16℃で一晩ライゲーションした。ライゲーションされたベクターに対して変換、菌体選別、同定を行い、同定プライマーとしては、上流配列：5’-CGCCAGGGTTTTCCCAGTCACGAC-3’（SEQ ID NO．21）、下流配列が対応するオリゴの下流配列であった。ポジティブクローンに対して菌体を振とうしてプラスミド（Axygene：AP-MN-P-250G）を抽出して濃度を測定しておいた。
突然変異部位付近で、塩基編集作用の特徴に応じ、修復re-sgRNA（SEQ ID NO．3）を設計し、オリゴを合成した。上流配列が5’-taggCTACGTGTTAACACCATTGG-3’（SEQ ID NO．18）であり、下流配列が5’-aaacCCAATGGTGTTAACACGTAG-3’（SEQ ID NO．19）であった。上下流配列は、プログラム（95℃で5min、-2℃/sで95℃-85℃、-0．1℃/sで85℃-25℃、4℃で保持）によりアニーリングされ、BsaI（NEB：R0539L）で線状化されたPUC57-T7sgRNAベクターにライゲーションされた。線状化システムとプログラムは以上のとおりであった。ライゲーションシステムは、T4ライゲーションバッファー（NEB：M0202L）1μL、線状化ベクター20ng、アニーリングされたオリゴ断片（10μM）5μL、T4リガーゼ（NEB：M0202L）0．5μL、残部ddH2Oで10μLとし、16℃で一晩ライゲーションした。ライゲーションされたベクターに対して変換、菌体選別、同定を行い、同定プライマーとしては、上流配列：5’-CGCCAGGGTTTTCCCAGTCACGAC-3’（SEQ ID NO．21）、下流配列が対応するオリゴの下流配列であった。ポジティブクローンに対して菌体を振とうしてプラスミド（Axygene：AP-MN-P-250G）を抽出して濃度を測定しておいた。
2．2 sgRNAのインビトロ転写
構築されたPUC57-T7sgRNAをテンプレートとし、sgRNAを含有する断片を増幅させた。用いられたプライマーは、F：5’-TCTCGCGCGTTTCGGTGATGACGG-3’（SEQ ID NO．22）、R：5’-AAAAAAAGCACCGACTCGGTGCCACTTTTTC-3’（SEQ ID NO．23）であった。増幅システムは、2Xバッファー（Vazyme：P505）25μL、dNTP 1μL、F（10pmol/μL）2μL、R（10pmol/μL）2μL、テンプレート1μg、DNAポリメラ−ゼ（Vazyme：P505）0．5μL、残部ddH2Oで50μLとした。増幅されて得られたPCR生成物は、以下の工程で精製された。すなわち、100μLごとにRNAsecure（Life：AM7005）を4μL加え、60℃で15分間保持し、三倍容量のPCR-A（Axygen：AP-PCR-250G）を加えてカラムクロマトグラフィを行い、12000回転/分で1分間遠心し、W2を500μL加えて1分間遠心し、1分間空回りし、RNAaseフリー水を20μL加えて溶離した。
構築されたPUC57-T7sgRNAをテンプレートとし、sgRNAを含有する断片を増幅させた。用いられたプライマーは、F：5’-TCTCGCGCGTTTCGGTGATGACGG-3’（SEQ ID NO．22）、R：5’-AAAAAAAGCACCGACTCGGTGCCACTTTTTC-3’（SEQ ID NO．23）であった。増幅システムは、2Xバッファー（Vazyme：P505）25μL、dNTP 1μL、F（10pmol/μL）2μL、R（10pmol/μL）2μL、テンプレート1μg、DNAポリメラ−ゼ（Vazyme：P505）0．5μL、残部ddH2Oで50μLとした。増幅されて得られたPCR生成物は、以下の工程で精製された。すなわち、100μLごとにRNAsecure（Life：AM7005）を4μL加え、60℃で15分間保持し、三倍容量のPCR-A（Axygen：AP-PCR-250G）を加えてカラムクロマトグラフィを行い、12000回転/分で1分間遠心し、W2を500μL加えて1分間遠心し、1分間空回りし、RNAaseフリー水を20μL加えて溶離した。
インビトロ転写キット（Ambion，Life Technologies，AM1354）により転写した。工程は以下のとおりであった。反応システムは、反応バッファー1μL、酵素ミックス1μL、A 1μL、T 1μL、G 1μL、C 1μL、テンプレート800ng、残部H2Oで10μLとした。前記システムを均一に混合した後37℃で5時間反応させた。DNaseを1μL加え、37℃で15分間反応させた。回収キット（Ambion，Life Technologies，AM1908）により転写されたsgRNAを回収した。工程は、前の反応容量に溶離液を90μL加え1．5mlEP管に移し、結合溶液を350μL加えて均一に混合し、無水エタノールを250μL加えて均一に混合し、カラムクロマトグラフィーを行い、10000回転/分で30秒間遠心し、廃液を捨て、洗浄液を500μL加え、10000回転/分で30秒間遠心し、廃液を捨て、1分間空回りし、回収管を交換し、溶離液を100μL加えて溶離し、酢酸アンモニウム（Ambion，Life Technologies，AM1908）を10μL加えて均一に混合し、無水エタノールを275μL加えて均一に混合し、-20℃で30分間放置し、同時に70%エタノールを用意し-20℃で放置し、4℃雰囲気で13000回転/分で15分間遠心した。上清を捨て、70%エタノールを500μL加えて5分間遠心し、廃液を吸い出し、5分間乾かし、水を20μL加えて溶解させ、1μLを取り濃度を測定した。
2．3 BE3のインビトロ転写
BE3を酵素切断して回収すること。本工程では、プラスミドBE3を線状化したものである。システムは、BE3/YE1-BE3/YE2-BE3/YEE-BE3 10μg、バッファーI（NEB：R0539L）10μL、BbsI 4μL（NEB：R0539L）、残部H2Oで100μLとした。均一に混合した後、37℃で一晩酵素切断した。
BE3を酵素切断して回収すること。本工程では、プラスミドBE3を線状化したものである。システムは、BE3/YE1-BE3/YE2-BE3/YEE-BE3 10μg、バッファーI（NEB：R0539L）10μL、BbsI 4μL（NEB：R0539L）、残部H2Oで100μLとした。均一に混合した後、37℃で一晩酵素切断した。
線状化プラスミドの回収。酵素切断された生成物にRNAsecure（Life：AM7005）を4μL加え、60℃で10分間反応させ、回収キット（QIAGEN：28004）により残りの工程を行い、5倍容量のバッファーPBを加えてカラムクロマトグラフィを行い、バッファーPEを750μL加えて遠心し、1分間空回りし、水10μLで溶離し、濃度を測定した。
インビトロ転写。キット（Invitrogen：AM1345）の要求に応じて、線状化ベクター1μg、10μL 2XNTP/ARCA、20μLに補充された残部水、2μL T7 酵素ミックス、2μL 10x反応バッファーというシステムを順に加えた。混合後37℃で2時間反応させた。DNaseaを1μL加えて15分間反応させた。
テーリング。転写生成物をテーリング処理して転写mRNAの安定性を確保した。具体的に、システムは、20μL反応生成物、36μL H2O、20μL 5xE-PAPバッファー、10μL 25mM MnCl2、10μL ATP溶液、4μL PEPであった。反応システムを均一に混合した後37℃で30分間反応させた。
回収。回収キットにより行われた（QIAGEN：74104）。工程は、前の反応生成物にバッファーRLTを350μL加え、無水エタノールを250μL加えてカラムクロマトグラフィを行い遠心し、RPEを500μL加えて遠心し、RPEを500μL加えて遠心し、空回りし、水を30μL加えて溶離した。濃度を測定した後-80℃で保存した。
2．4 突然変異胚の取得
いずれの胚操作も、広州医科大学付属第三病院の生殖医学センターで行われ、本実験は、既に病院の論理委員会による審査を通過しており、卵子と精子を寄付した患者は、既に同意説明文書に署名した。本実験では、FBN1T7498Cのヘテロ突然変異を帯びた患者が得られ、血液と精液により遺伝子型を同定した（図1）。用いられた卵子は、いずれも生殖障害患者の未熟卵であり、インビトロで培養し成熟した。ICSIにより突然変異精子と卵子を結合し、突然変異受精卵を得た。
いずれの胚操作も、広州医科大学付属第三病院の生殖医学センターで行われ、本実験は、既に病院の論理委員会による審査を通過しており、卵子と精子を寄付した患者は、既に同意説明文書に署名した。本実験では、FBN1T7498Cのヘテロ突然変異を帯びた患者が得られ、血液と精液により遺伝子型を同定した（図1）。用いられた卵子は、いずれも生殖障害患者の未熟卵であり、インビトロで培養し成熟した。ICSIにより突然変異精子と卵子を結合し、突然変異受精卵を得た。
2．5 胚の修復操作
受精卵が2PN段階であると観察された場合、顕微操作により、容量がおおよそ0．2μLである塩基編集mRNA、本実施例ではBE3、及び修復で用いられたsgRNA細胞質を受精卵に注射し、BE3とsgRNAの濃度は、それぞれ100ng/μLと50ng/μLであった。処理された胚細胞を三ガスインキュベーターで3日間培養し続けた（図7）。
受精卵が2PN段階であると観察された場合、顕微操作により、容量がおおよそ0．2μLである塩基編集mRNA、本実施例ではBE3、及び修復で用いられたsgRNA細胞質を受精卵に注射し、BE3とsgRNAの濃度は、それぞれ100ng/μLと50ng/μLであった。処理された胚細胞を三ガスインキュベーターで3日間培養し続けた（図7）。
2．6 胚の増幅と同定
回収された胚を単核球増幅させた。用いられた試薬はVazyme，N601-01であった。増幅させたゲノムを100倍希釈し、目的の断片を増幅させて、突然変異効率を検出することに用いられた（図8）。目的の断片を増幅させるプライマーは、表3に示した。
回収された胚を単核球増幅させた。用いられた試薬はVazyme，N601-01であった。増幅させたゲノムを100倍希釈し、目的の断片を増幅させて、突然変異効率を検出することに用いられた（図8）。目的の断片を増幅させるプライマーは、表3に示した。
2．7 ディープシーケンシングによる編集効率の確定
編集効率をさらに確認するために、PE150ハイスループットシーケンシングにより、目的の断片を検出し、3個の対照胚と全ての7個の修復胚を選択し、コントロールで3個の胚がヘテロ遺伝子型であるが、7個の修復胚がいずれも正常な遺伝子型であることを見出し、塩基編集システムにより標的部位の修復を効率よく実現できることが証明された。
編集効率をさらに確認するために、PE150ハイスループットシーケンシングにより、目的の断片を検出し、3個の対照胚と全ての7個の修復胚を選択し、コントロールで3個の胚がヘテロ遺伝子型であるが、7個の修復胚がいずれも正常な遺伝子型であることを見出し、塩基編集システムにより標的部位の修復を効率よく実現できることが証明された。
2．8 胚オフターゲット部位に対する検出
塩基編集システムの安全性を確保するために、3個の対照胚と全ての修復胚をオフターゲット検出したところ、修復胚において明らかなオフターゲット現象が認められなかったことが示された（図9）。
塩基編集システムの安全性を確保するために、3個の対照胚と全ての修復胚をオフターゲット検出したところ、修復胚において明らかなオフターゲット現象が認められなかったことが示された（図9）。
Claims (6)
- 塩基編集システム及びＦＢＮ１T7498C部位に対する修復ｒｅ−ｓｇＲＮＡを含み、
前記塩基編集システムがＢＥ３、ＹＥ１−ＢＥ３、ＹＥ２−ＢＥ３又はＹＥＥ−ＢＥ３のうちの一つであり、
前記ＦＢＮ１ T7498C 部位に対する修復ｒｅ−ｓｇＲＮＡの配列がＳＥＱ ＩＤ ＮＯ．３である、
ことを特徴とする、ＦＢＮ１T7498C突然変異を効率よく修復するキット。 - ＦＢＮ１T7498C部位に基づき突然変異ｍｔ−ｓｇＲＮＡと、対応する突然変異ｓｓＯＤＮとを設計するステップと、
ＦＢＮ１T7498C部位に対する修復ｒｅ−ｓｇＲＮＡ及び塩基編集システムの少なくとも一つを用いて前記突然変異をインビトロで修復するステップとを含み、
前記ｍｔ−ｓｇＲＮＡの配列がＳＥＱ ＩＤ ＮＯ．１であり、
前記ｓｓＯＤＮの配列がＳＥＱ ＩＤ ＮＯ．２であり、
前記ｒｅ−ｓｇＲＮＡの配列がＳＥＱ ＩＤ ＮＯ．３であり、
前記塩基編集システムがＢＥ３、ＹＥ１−ＢＥ３、ＹＥ２−ＢＥ３又はＹＥＥ−ＢＥ３のうちの一つである、
ことを特徴とする、突然変異の作製及び修復方法。 - ＦＢＮ１T7498Cを含有する突然変異細胞において、インビトロでＦＢＮ１T7498C部位に対する修復ｒｅ−ｓｇＲＮＡにより塩基編集システムを突然変異部位に導入して塩基編集により修復を行い、トランスフェクションされた細胞を回収することを含み、
前記ｒｅ−ｓｇＲＮＡの配列がＳＥＱ ＩＤ ＮＯ．３であり、
前記塩基編集システムがＢＥ３、ＹＥ１−ＢＥ３、ＹＥ２−ＢＥ３又はＹＥＥ−ＢＥ３のうちの一つである、
ことを特徴とする、塩基編集による突然変異の修復方法。 - 前記ＦＢＮ１T7498Cを含有する突然変異細胞がＨＥＫ２９３Ｔ細胞であることを特徴とする、請求項３に記載の塩基編集による突然変異の修復方法。
- 前記ＦＢＮ１T7498Cを含有する突然変異細胞の構築方法としては、ＦＢＮ１T7498C部位に基づき突然変異ｍｔ−ｓｇＲＮＡ及び対応する突然変異ｓｓＯＤＮを設計し、ｍｔ−ｓｇＲＮＡの発現ベクターを構築し、インビトロでＣａｓ９タンパクと転写されたｍｔ−ｓｇＲＮＡによりＲＮＰを構成してｓｓＯＤＮと結合しＨＥＫ２９３Ｔ細胞をエレクトロポレーションし、単核球をフローソーティングしてＦＢＮ１T7498Cを含有する突然変異細胞株を同定し、
前記ｍｔ−ｓｇＲＮＡの配列がＳＥＱ ＩＤ ＮＯ．１であり、
前記ｓｓＯＤＮの配列がＳＥＱ ＩＤ ＮＯ．２であることを特徴とする、請求項３に記載の塩基編集による突然変異の修復方法。 - 前記ＦＢＮ１T7498C部位に対する修復ｒｅ−ｓｇＲＮＡは、前記ＦＢＮ１T7498C部位に基づき修復ｒｅ−ｓｇＲＮＡを設計し、Ｕ６プロモーター及び／又はＴ７プロモーターの発現ベクターを構築することにより得られることを特徴とする、請求項３に記載の塩基編集による突然変異の修復方法。
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