JP7210028B2 - Gene mutation introduction method - Google Patents

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Description

本発明は、遺伝子変異導入方法に関する。より具体的には、遺伝子変異導入方法、融合タンパク質、核酸、ベクター及び細胞に関する。本願は、2017年7月18日に、日本に出願された特願2017-139268号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。 The present invention relates to a gene mutation introduction method. More specifically, it relates to gene mutagenesis methods, fusion proteins, nucleic acids, vectors and cells. This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2017-139268 filed in Japan on July 18, 2017, the content of which is incorporated herein.

一塩基多型(SNP)を含めた遺伝子変異が原因として生じる疾患の病態を理解したり、ゲノム変異を再現したりするためには、効率的なゲノム配列改変技術が必要である。近年のゲノム編集技術の進展により、ターゲット部位におけるゲノム配列の削除や挿入が可能となってきた。 In order to understand the pathology of diseases caused by genetic mutations including single nucleotide polymorphisms (SNPs) and to reproduce genomic mutations, efficient genome sequence modification technology is required. Recent advances in genome editing technology have made it possible to delete or insert a genome sequence at a target site.

ゲノム編集では、ターゲット部位に二本鎖DNA切断(DSB)を形成し、非相同末端結合(NHEJ)経路又は相同組換え(HR)経路を介した修復機構を利用している。ゲノム編集における二本鎖DNA切断の修復では、NHEJ経路による修復が主であり、ターゲット部位に塩基の欠失や挿入を起こすことができる。 Genome editing utilizes a repair mechanism that forms a double-stranded DNA break (DSB) at the target site and via the non-homologous end joining (NHEJ) pathway or the homologous recombination (HR) pathway. Repair of double-stranded DNA breaks in genome editing is mainly performed by the NHEJ pathway, and deletion and insertion of bases can occur at target sites.

一方、HR経路は、主に細胞周期のS期とG2期に限定して起こる上、NHEJ経路と比較して生じる頻度が少ない。このため、ゲノム編集では、ドナーDNAを鋳型に用いた、HR経路による正確な塩基置換の効率は非常に低い。しかしながら、ターゲット部位に所望の塩基置換を導入するためには、HR経路による正確な塩基置換を誘導する必要がある。 On the other hand, the HR pathway mainly occurs only in the S and G2 phases of the cell cycle, and occurs less frequently than the NHEJ pathway. Therefore, in genome editing, the efficiency of accurate base substitution by the HR pathway using donor DNA as a template is very low. However, in order to introduce the desired base substitution at the target site, it is necessary to induce the correct base substitution by the HR pathway.

ゲノム編集において、HR経路を利用する方法として、様々な方法が検討されてきた。古典的には、十数kb程度の相同アームを持つプラスミドDNAや最大数百kbの相同アームを持つBAC DNAをドナー(鋳型)として利用して、ゲノム編集によりDNA損傷を誘導した部位の近傍に薬剤選択カセットを導入しつつ、遺伝子変異を導入する方法が挙げられる。しかしながら、この方法では遺伝子変異導入部位の近傍に薬剤選択カセットが残ってしまう。 Various methods have been investigated as methods for utilizing the HR pathway in genome editing. Classically, plasmid DNA with a homologous arm of about 10 kb or BAC DNA with a homologous arm of up to several hundred kb is used as a donor (template), and genome editing is used to induce DNA damage in the vicinity of the site. A method of introducing gene mutation while introducing a drug selection cassette can be mentioned. However, this method leaves the drug selection cassette in the vicinity of the gene mutation introduction site.

そこで、薬剤選択カセットを予めloxP配列で挟んでおき、目的箇所に相同組換えで遺伝子変異が導入された後にCre組換え酵素を反応させて除去したり、薬剤選択カセットの両側をゲノム編集酵素で切断して削除したり、トランスポゾンのターミナルリピート(TR)配列を予め薬剤選択カセットの両側に入れておき、トランスポザーゼを作用させて薬剤選択カセットを除去する方法等が必要となる。このため、これらの方法では少なくとも2回のサブクローニングプロセスが必要となり、目的細胞樹立までに手間と時間がかかる。 Therefore, the drug selection cassette is sandwiched between loxP sequences in advance, and after the gene mutation is introduced at the target site by homologous recombination, Cre recombinase is reacted to remove it. It is necessary to cut and delete the transposon terminal repeat (TR) sequences, or put the terminal repeat (TR) sequences of the transposon on both sides of the drug selection cassette in advance and remove the drug selection cassette by the action of transposase. For this reason, these methods require at least two subcloning processes, and require time and effort to establish target cells.

ゲノム編集において、HR経路を利用する別の方法として、一本鎖DNAをドナーDNAとして用いる方法が検討されている(例えば、非特許文献1を参照。)。200塩基程度の一本鎖DNAは化学的なDNA合成技術により容易に作製可能であり、二本鎖DNAと比較して染色体上へのランダム挿入のリスクも少ない。 As another method using the HR pathway in genome editing, a method using single-stranded DNA as a donor DNA has been investigated (see, for example, Non-Patent Document 1). A single-stranded DNA of about 200 bases can be easily produced by chemical DNA synthesis technology, and there is less risk of random insertion onto the chromosome than double-stranded DNA.

しかしながら、一本鎖DNAをドナーDNAとして用いた場合、相同組換え効率が低いことが知られている。このため、相同組換えにより所望の遺伝子変異が導入された細胞株を得るために、低頻度で組換え体を含む細胞集団の中から、組換え体をなるべく多く含む細胞集団をdroplet digital PCR法等の高感度なスクリーニング法で検出して抽出し、この操作を複数回繰り返すことで、ごく少数の組換え体をエンリッチするSib-selection法等の追加の工程が必要になる。 However, it is known that homologous recombination efficiency is low when single-stranded DNA is used as donor DNA. Therefore, in order to obtain a cell line into which a desired gene mutation has been introduced by homologous recombination, a cell population containing as many recombinants as possible is selected from a cell population containing low-frequency recombinants by the droplet digital PCR method. By detecting and extracting by a highly sensitive screening method such as the Sib-selection method and repeating this operation multiple times, an additional step such as the Sib-selection method to enrich a very small number of recombinants is required.

また、NHEJ経路をL-77705等の阻害剤で阻害することによりHR経路を活性化して相同組換えの効率を上げる方法や、Nocodazole等の細胞周期阻害剤で細胞周期を調整してG2-M期の細胞を増やすことでHR効率を高める方法等も検討されている。また、一本鎖DNAの長さや向き、ゲノム編集におけるDSB形成部位からの距離等を最適化することで、HR効率を高める方法も報告されている。 In addition, by inhibiting the NHEJ pathway with an inhibitor such as L-77705, the HR pathway is activated to increase the efficiency of homologous recombination; A method of increasing the HR efficiency by increasing the number of cells in the stage is also being studied. In addition, a method of increasing HR efficiency by optimizing the length and orientation of single-stranded DNA, the distance from the DSB formation site in genome editing, and the like has also been reported.

Radecke F., et al., Targeted Chromosomal Gene Modification in Human Cells by Single-Stranded Oligodeoxynucleotides in the Presence of a DNA Double-Strand Break., MOLECULAR THERAPY, vol. 14 (6), 798-808, 2006.Radecke F., et al., Targeted Chromosomal Gene Modification in Human Cells by Single-Stranded Oligodeoxynucleotides in the Presence of a DNA Double-Strand Break., MOLECULAR THERAPY, vol. 14 (6), 798-808, 2006.

ところで、ES細胞やiPS細胞を含む多能性幹細胞は、その旺盛な増殖能力及び分化多様性により、病態の再現、創薬、細胞治療等、様々な分野での応用が進んでいる。このような背景のもと、多能性幹細胞を含む細胞に、正確に目的の遺伝子変異を導入する技術が求められている。 By the way, pluripotent stem cells, including ES cells and iPS cells, are being applied to various fields such as reproduction of pathological conditions, drug discovery, cell therapy, etc. due to their vigorous proliferation ability and differentiation diversity. Under such circumstances, there is a demand for a technique for accurately introducing target gene mutations into cells including pluripotent stem cells.

しかしながら、従来のゲノム編集技術では、標的配列以外の位置に遺伝子変異を生じてしまう、いわゆるオフターゲット効果が問題となる場合がある。そこで、本発明は、標的配列に対する配列特異的DNA切断酵素の特異性を向上させる技術を提供することを目的とする。 However, conventional genome editing techniques sometimes pose a problem of so-called off-target effects, in which gene mutation occurs at positions other than the target sequence. Accordingly, an object of the present invention is to provide a technique for improving the specificity of a sequence-specific DNA cleaving enzyme for a target sequence.

本発明は以下の態様を含む。
[1]配列特異的DNA切断酵素と核内受容体との融合タンパク質を、発現誘導型プロモーターの制御下で発現させることと、前記融合タンパク質を核内移行させ、核内移行した前記融合タンパク質が配列特異的にゲノムDNAを切断し二本鎖DNA切断を形成することと、DNA切断修復機構を利用して、前記二本鎖DNA切断を修復するとともに、前記二本鎖DNA切断の近傍に遺伝子変異を導入することと、を備える、遺伝子変異導入方法。
[2]前記遺伝子変異を導入することにおいて、ドナーDNAを共存させ、前記ドナーDNAは、前記ゲノムDNAの前記二本鎖DNA切断の位置を含む領域と配列同一性を有し、且つ前記ゲノムDNAの塩基配列に対して1~数個の所望の塩基変異を有する、[1]に記載の遺伝子変異導入方法。
[3]前記所望の塩基変異がランダム変異を含む、[2]に記載の遺伝子変異導入方法。[4]前記配列特異的DNA切断酵素がRNA誘導型ヌクレアーゼ又は人工ヌクレアーゼである、[1]~[3]のいずれかに記載の遺伝子変異導入方法。
[5]前記核内受容体がエストロゲン受容体又はグルココルチコイド受容体である、[1]~[4]のいずれかに記載の遺伝子変異導入方法。
[6]前記発現誘導型プロモーターがドキシサイクリン誘導型プロモーターである、[1]~[5]のいずれかに記載の遺伝子変異導入方法。
[7]配列特異的DNA切断酵素と核内受容体との融合タンパク質。
[8]前記配列特異的DNA切断酵素がRNA誘導型ヌクレアーゼ又は人工ヌクレアーゼである、[7]に記載の融合タンパク質。
[9]前記核内受容体がエストロゲン受容体又はグルココルチコイド受容体である、[7]又は[8]に記載の融合タンパク質。
[10][7]~[9]のいずれかに記載の融合タンパク質をコードする核酸。
[11]発現誘導型プロモーターと、前記発現誘導型プロモーターの下流に連結された[10]に記載の核酸とを含む、ベクター。
[12]前記発現誘導型プロモーターがドキシサイクリン誘導型プロモーターである、[11]に記載のベクター。
[13][11]又は[12]に記載のベクターが導入された細胞。
[14]多能性幹細胞、腫瘍細胞又は樹立細胞株である、[13]に記載の細胞。
The present invention includes the following aspects.
[1] expressing a fusion protein of a sequence-specific DNA-cleavage enzyme and a nuclear receptor under the control of an expression-inducible promoter; Sequence-specific cleavage of genomic DNA to form a double-stranded DNA break, repair of the double-stranded DNA break using a DNA break repair mechanism, and a gene in the vicinity of the double-stranded DNA break A method of gene mutagenesis, comprising: introducing a mutation.
[2] In introducing the genetic mutation, a donor DNA is allowed to coexist, the donor DNA has sequence identity with a region containing the position of the double-stranded DNA break in the genomic DNA, and the genomic DNA The method for introducing gene mutation according to [1], wherein the nucleotide sequence of has one to several desired nucleotide mutations.
[3] The method of introducing gene mutation according to [2], wherein the desired base mutation includes random mutation. [4] The method for introducing gene mutation according to any one of [1] to [3], wherein the sequence-specific DNA-cleaving enzyme is an RNA-guided nuclease or an artificial nuclease.
[5] The method of introducing gene mutation according to any one of [1] to [4], wherein the nuclear receptor is an estrogen receptor or a glucocorticoid receptor.
[6] The method for introducing gene mutation according to any one of [1] to [5], wherein the expression-inducible promoter is a doxycycline-inducible promoter.
[7] A fusion protein between a sequence-specific DNA-cleaving enzyme and a nuclear receptor.
[8] The fusion protein of [7], wherein the sequence-specific DNA-cleaving enzyme is an RNA-guided nuclease or an artificial nuclease.
[9] The fusion protein of [7] or [8], wherein the nuclear receptor is an estrogen receptor or a glucocorticoid receptor.
[10] A nucleic acid encoding the fusion protein of any one of [7] to [9].
[11] A vector comprising an expression-inducible promoter and the nucleic acid of [10] linked downstream of the expression-inducible promoter.
[12] The vector of [11], wherein the expression-inducible promoter is a doxycycline-inducible promoter.
[13] A cell introduced with the vector of [11] or [12].
[14] The cell of [13], which is a pluripotent stem cell, tumor cell or established cell line.

本発明によれば、標的配列に対する配列特異的DNA切断酵素の特異性を向上させる技術を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a technique for improving the specificity of a sequence-specific DNA cleaving enzyme for a target sequence.

(a)は、実験例1で作製したトランスポゾンベクターの構造を示す図である。(b)は、実験例1におけるsingle strand annealing(SSA)アッセイに用いるレポーターベクターの構造を説明する図である。(c)は、実験例1におけるSSAアッセイの結果を示すグラフである。(a) is a diagram showing the structure of a transposon vector produced in Experimental Example 1. FIG. (b) is a diagram illustrating the structure of a reporter vector used in a single strand annealing (SSA) assay in Experimental Example 1. FIG. (c) is a graph showing the results of an SSA assay in Experimental Example 1; (a)は、実験例2で作製したトランスポゾンベクターの構造を示す図である。(b)は、実験例2におけるSSAアッセイの結果を示すグラフである。(a) is a diagram showing the structure of a transposon vector produced in Experimental Example 2. FIG. (b) is a graph showing the results of an SSA assay in Experimental Example 2; (a)は、実験例3で作製したトランスポゾンベクターの構造を示す図である。(b)は、実験例3におけるSSAアッセイの結果を示すグラフである。(a) is a diagram showing the structure of a transposon vector produced in Experimental Example 3. FIG. (b) is a graph showing the results of SSA assay in Experimental Example 3; 実験例4におけるSSAアッセイの結果を示すグラフである。10 is a graph showing the results of SSA assay in Experimental Example 4. FIG. 実験例5においてCas9 mRNAの発現量を測定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the expression level of Cas9 mRNA in Experimental example 5. 実験例6において、細胞の培地に添加したドキシサイクリン(Dox)及びデキサメタゾン(Dex)の濃度と、T7エンドヌクレアーゼI(T7EI)アッセイによるゲノム編集効率の測定結果を示す図である。FIG. 10 shows the concentrations of doxycycline (Dox) and dexamethasone (Dex) added to cell culture media and the measurement results of genome editing efficiency by T7 endonuclease I (T7EI) assay in Experimental Example 6. 実験例7において、Dox及びDexを培地に添加した後のゲノム編集効率の経時変化を測定した結果を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the results of measurement of changes in genome editing efficiency over time after adding Dox and Dex to the medium in Experimental Example 7. FIG. 実験例8におけるT7EIアッセイの結果を示す写真である。10 is a photograph showing the results of T7EI assay in Experimental Example 8. FIG. 実験例9において、KU80、KU70、LIG4をノックダウンし、各遺伝子のmRNAの発現を逆転写定量PCRにより測定した結果を示すグラフである。10 is a graph showing the results of knocking down KU80, KU70 and LIG4 in Experimental Example 9 and measuring the expression of mRNA of each gene by reverse transcription quantitative PCR. 実験例9におけるアレルコピー数定量PCRの結果を示すグラフである。10 is a graph showing the results of allele copy number quantitative PCR in Experimental Example 9. FIG. 実験例10におけるアレルコピー数定量PCRの結果を示すグラフである。10 is a graph showing the results of allele copy number quantitative PCR in Experimental Example 10. FIG. 実験例11におけるアレルコピー数定量PCRの結果を示すグラフである。11 is a graph showing the results of allele copy number quantitative PCR in Experimental Example 11. FIG. (a)は、実験例12におけるRestriction Fragment Length Polymorphism(RFLP)アッセイの結果を示す写真である。(b)は、実験例12において塩基配列を解析した結果をまとめたグラフである。(c)は実験例12における代表的な相同組換えクローンのサンガーシーケンス波形データを示す図である。(a) is a photograph showing the results of a Restriction Fragment Length Polymorphism (RFLP) assay in Experimental Example 12. FIG. (b) is a graph summarizing the results of base sequence analysis in Experimental Example 12. FIG. (c) is a diagram showing Sanger sequence waveform data of representative homologous recombination clones in Experimental Example 12. FIG. (a)は実験例13における、Dox及びDexの添加のタイミングを示す図である。(b)は、実験例13におけるRFLPアッセイの結果を示す写真である。(a) is a diagram showing the timing of addition of Dox and Dex in Experimental Example 13. FIG. (b) is a photograph showing the results of RFLP assay in Experimental Example 13; 実験例14におけるT7EIアッセイの結果を示す写真である。FIG. 10 is a photograph showing the results of T7EI assay in Experimental Example 14. FIG. 実験例15におけるRFLPアッセイの結果を示す写真である。FIG. 10 is a photograph showing the results of RFLP assay in Experimental Example 15. FIG. 実験例16におけるRFLPアッセイの結果を示す写真である。16 is a photograph showing the results of RFLP assay in Experimental Example 16. FIG. (a)は、実験例17において塩基配列を解析した結果をまとめたグラフである。(b)は、‘NNC’(ここで、Nはアデニン(A)、チミン(T)、グアニン(G)又はシトシン(C)を表す。)の塩基配列からなるコドンがコードするアミノ酸を示す図である。(c)は、実験例17においてランダム変異が導入されたクローンの塩基配列及び当該塩基配列によりコードされるアミノ酸配列を示す図である。(a) is a graph summarizing the results of base sequence analysis in Experimental Example 17. FIG. (b) is a diagram showing amino acids encoded by codons consisting of a base sequence of 'NNC' (where N represents adenine (A), thymine (T), guanine (G) or cytosine (C)); is. (c) is a diagram showing the nucleotide sequences of clones into which random mutations were introduced in Experimental Example 17 and the amino acid sequences encoded by the nucleotide sequences. (a)は、実験例18において塩基配列を解析した結果をまとめたグラフである。(b)は、‘NNC’(ここで、Nは、A、T、G又はCを表す。)の塩基配列からなるコドンがコードするアミノ酸を示す図である。(c)は、実験例18においてランダム変異が導入されたクローンの塩基配列及び当該塩基配列によりコードされるアミノ酸配列を示す図である。(a) is a graph summarizing the results of base sequence analysis in Experimental Example 18. FIG. (b) is a diagram showing amino acids encoded by codons consisting of a base sequence of 'NNC' (where N represents A, T, G or C). (c) shows the base sequences of clones into which random mutations were introduced in Experimental Example 18 and the amino acid sequences encoded by the base sequences. 実験例19において塩基配列を解析した結果をまとめたグラフである。10 is a graph summarizing the results of base sequence analysis in Experimental Example 19. FIG. 実験例19においてランダム変異が導入されたクローンの塩基配列及び当該塩基配列によりコードされるアミノ酸配列を示す図である。FIG. 10 shows the base sequences of clones into which random mutations were introduced in Experimental Example 19 and the amino acid sequences encoded by the base sequences. (a)は、実験例20において塩基配列を解析した結果をまとめたグラフである。(b)は、‘NNC’(ここで、Nは、A、T、G又はCを表す。)の塩基配列からなるコドンがコードするアミノ酸を示す図である。(c)は、実験例20においてランダム変異が導入されたクローンの塩基配列及び当該塩基配列によりコードされるアミノ酸配列を示す図である。(a) is a graph summarizing the results of base sequence analysis in Experimental Example 20. FIG. (b) is a diagram showing amino acids encoded by codons consisting of a base sequence of 'NNC' (where N represents A, T, G or C). (c) shows the base sequences of clones into which random mutations were introduced in Experimental Example 20 and the amino acid sequences encoded by the base sequences.

[遺伝子変異導入方法]
1実施形態において、本発明は、配列特異的DNA切断酵素と核内受容体との融合タンパク質を、発現誘導型プロモーターの制御下で発現させる工程(a)と、前記融合タンパク質を核内移行させ、核内移行した前記融合タンパク質が配列特異的にゲノムDNAを切断し二本鎖DNA切断を形成する工程(b)と、DNA切断修復機構を利用して、前記二本鎖DNA切断を修復するとともに、前記二本鎖DNA切断の近傍に遺伝子変異を導入する工程(c)と、を備える、遺伝子変異導入方法を提供する。
[Gene mutation introduction method]
In one embodiment, the present invention comprises the step (a) of expressing a fusion protein of a sequence-specific DNA-cleaving enzyme and a nuclear receptor under the control of an expression-inducible promoter, and translocating the fusion protein into the nucleus. a step (b) in which the nuclear translocated fusion protein sequences-specifically cleaves genomic DNA to form a double-stranded DNA break; and repairing the double-stranded DNA break using a DNA break repair mechanism. and a step (c) of introducing a gene mutation in the vicinity of the double-stranded DNA break.

実施例において後述するように、本実施形態の遺伝子変異導入方法(塩基置換方法)によれば、標的配列に対する配列特異的DNA切断酵素の特異性を向上させることができる。 As will be described later in Examples, the gene mutation introduction method (base substitution method) of the present embodiment can improve the specificity of a sequence-specific DNA cleaving enzyme for a target sequence.

本明細書において、標的配列に対する配列特異的DNA切断酵素の特異性を向上させるとは、例えば、ゲノム編集において、標的配列以外の位置に遺伝子変異を生じてしまう、いわゆるオフターゲット効果を抑制することを意味する。あるいは、標的配列に対する配列特異的DNA切断酵素の特異性を向上させるとは、意図しない時にゲノムDNAが切断されること、すなわち、ゲノムDNA切断のバックグラウンドを低減させることを意味する。 As used herein, improving the specificity of a sequence-specific DNA cleaving enzyme for a target sequence means, for example, in genome editing, suppressing the so-called off-target effect that causes gene mutation at a position other than the target sequence. means Alternatively, improving the specificity of a sequence-specific DNA cleaving enzyme for a target sequence means that genomic DNA is cleaved at unintended times, ie, reducing the background of genomic DNA cleavage.

実施例において後述するように、本実施形態の遺伝子変異導入方法により、ゲノム編集におけるオフターゲット効果を抑制し、目的とする遺伝子変異の導入効率を高めることができる。したがって、本実施形態の遺伝子変異導入方法は、配列特異的DNA切断酵素による標的配列以外の塩基配列の切断を抑制する方法であるということもできる。 As will be described later in Examples, the gene mutation introduction method of the present embodiment can suppress the off-target effect in genome editing and increase the efficiency of introducing a desired gene mutation. Therefore, it can be said that the method for introducing gene mutation of the present embodiment is a method for suppressing cleavage of base sequences other than the target sequence by a sequence-specific DNA cleaving enzyme.

また、実施例において後述するように、本実施形態の遺伝子変異導入方法によれば、ゲノムDNAの切断を厳密に制御することができ、ゲノムDNA切断のバックグラウンドを低減させることができる。したがって、本実施形態の遺伝子変異導入方法は、配列特異的DNA切断酵素の活性を厳密に制御する方法であるということもできる。 In addition, as described later in Examples, according to the method for introducing gene mutation of the present embodiment, cleavage of genomic DNA can be strictly controlled, and the background of genomic DNA cleavage can be reduced. Therefore, it can be said that the method for introducing gene mutation of this embodiment is a method for strictly controlling the activity of a sequence-specific DNA-cleaving enzyme.

本実施形態の遺伝子変異導入方法は、細胞を対象として実施することができる。細胞としては、真核細胞が挙げられ、動物細胞、酵母等が挙げられる。動物細胞は、ヒト細胞であってもよく、非ヒト動物細胞であってもよい。また、動物細胞は多能性幹細胞であってもよい。多能性幹細胞としては、胚性幹細胞(ES細胞)、人工多能性幹細胞(iPS細胞)等が挙げられる。 The gene mutation introduction method of this embodiment can be performed on cells. Examples of cells include eukaryotic cells such as animal cells and yeast. Animal cells may be human cells or non-human animal cells. Animal cells may also be pluripotent stem cells. Pluripotent stem cells include embryonic stem cells (ES cells), induced pluripotent stem cells (iPS cells), and the like.

(配列特異的DNA切断酵素)
本明細書において、配列特異的DNA切断酵素は、ゲノムDNAを標的配列特異的に切断して二本鎖DNA切断を形成するものであれば特に制限されない。配列特異的DNA切断酵素が認識する標的配列の長さは、例えば、10~40塩基程度であってよい。
(Sequence-specific DNA cleaving enzyme)
As used herein, the sequence-specific DNA cleaving enzyme is not particularly limited as long as it cleaves genomic DNA in a target sequence-specific manner to form a double-stranded DNA break. The length of the target sequence recognized by the sequence-specific DNA cleaving enzyme may be, for example, about 10 to 40 bases.

一般的に、ゲノム編集に利用する配列特異的DNA切断酵素は、RNA誘導型ヌクレアーゼと人工ヌクレアーゼに大別される。本実施形態の遺伝子変異導入方法において、配列特異的DNA切断酵素はRNA誘導型ヌクレアーゼであってもよく、人工ヌクレアーゼであってもよい。 In general, sequence-specific DNA cleaving enzymes used for genome editing are roughly classified into RNA-guided nucleases and artificial nucleases. In the gene mutagenesis method of this embodiment, the sequence-specific DNA-cleaving enzyme may be an RNA-guided nuclease or an artificial nuclease.

また、配列特異的DNA切断酵素は、例えばニッカーゼを複数組み合わせてDNAを切断する態様であってもよい。ここで、ニッカーゼとは、二本鎖DNAのうちの一本鎖にニックを形成する酵素を意味する。例えば、ゲノムDNA上の近接した位置において、二本鎖DNAの双方の鎖にニックを形成することにより、二本鎖DNA切断を形成することができる。 Also, the sequence-specific DNA cleaving enzyme may be in a mode of cleaving DNA by combining, for example, a plurality of nickases. Here, nickase means an enzyme that forms a nick in a single strand of double-stranded DNA. For example, a double-stranded DNA break can be created by nicking both strands of the double-stranded DNA at close locations on the genomic DNA.

RNA誘導型ヌクレアーゼとは、ガイドとなる短鎖RNAが標的配列に結合し、2つのDNA切断ドメイン(ヌクレアーゼドメイン)を有するヌクレアーゼをリクルートして配列特異的な切断を誘導する酵素である。RNA誘導型ヌクレアーゼとしては、Casファミリータンパク質が挙げられる。 An RNA-guided nuclease is an enzyme that binds a guide short-stranded RNA to a target sequence and recruits a nuclease with two DNA-cleaving domains (nuclease domains) to induce sequence-specific cleavage. RNA-guided nucleases include Cas family proteins.

Casファミリータンパク質としては、例えば、Cas9、Cpf1、CasX、CasY等が挙げられる。RNA誘導型ヌクレアーゼは、Casファミリータンパク質のホモログであってもよく、Casファミリータンパク質が改変されたものであってもよい。例えば、2つ存在する野生型のヌクレアーゼドメインの一方を不活性型に改変したニッカーゼ改変型のヌクレアーゼであってもよい。 Cas family proteins include, for example, Cas9, Cpf1, CasX, CasY and the like. The RNA-guided nuclease may be a homologue of a Cas family protein or a modified Cas family protein. For example, it may be a nickase-modified nuclease in which one of two existing wild-type nuclease domains is modified to be inactive.

人工ヌクレアーゼは、標的配列に特異的に結合するように設計・作製されたDNA結合ドメインと、制限酵素であるFokIのDNA切断ドメイン(ヌクレアーゼドメイン)を連結した人工制限酵素である。人工ヌクレアーゼとしては、Zinc finger nuclease(ZFN)、Transcription activator-like effector nuclease(TALEN)等が挙げられるがこれらに限定されない。 An artificial nuclease is an artificial restriction enzyme in which a DNA-binding domain designed and produced to specifically bind to a target sequence and a DNA-cleaving domain (nuclease domain) of a restriction enzyme FokI are linked. Artificial nucleases include, but are not limited to, zinc finger nucleases (ZFNs), transcription activator-like effector nucleases (TALENs), and the like.

(核内受容体)
本実施形態の遺伝子変異導入方法において、配列特異的DNA切断酵素は核内受容体との融合タンパク質を形成している。実施例において後述するように、発明者らは、配列特異的DNA切断酵素と核内受容体との融合タンパク質に、核内受容体のリガンド(基質)を作用させることにより、融合タンパク質を核内移行させることができることを明らかにした。更に、上記の融合タンパク質が配列特異的DNA切断酵素の活性を維持していることを明らかにした。
(nuclear receptor)
In the gene mutagenesis method of this embodiment, the sequence-specific DNA cleaving enzyme forms a fusion protein with the nuclear receptor. As will be described later in Examples, the inventors have investigated the fusion protein of a sequence-specific DNA cleaving enzyme and a nuclear receptor by allowing the ligand (substrate) of the nuclear receptor to act on the fusion protein. I found out that it can be transferred. Furthermore, it was clarified that the fusion protein described above maintains the activity of a sequence-specific DNA-cleaving enzyme.

したがって、配列特異的DNA切断酵素と核内受容体との融合タンパク質により、配列特異的DNA切断酵素の細胞内局在を制御することができる。 Therefore, the intracellular localization of the sequence-specific DNA-cleaving enzyme can be controlled by the fusion protein of the sequence-specific DNA-cleaving enzyme and the nuclear receptor.

核内受容体としては、配列特異的DNA切断酵素との融合タンパク質を作製することにより、核への局在の制御が可能となるものであれば特に限定されず、例えば、エストロゲン受容体、グルココルチコイド受容体等が挙げられるがこれらに限定されない。核内受容体は、改変されたものであってもよい。例えば、エストロゲン受容体の改変体としては、ERT2等が挙げられる。 The nuclear receptor is not particularly limited as long as it enables control of localization to the nucleus by preparing a fusion protein with a sequence-specific DNA-cleavage enzyme. Examples include, but are not limited to, corticoid receptors. Nuclear receptors may be modified. For example, modified estrogen receptors include ERT2 and the like.

エストロゲン受容体のリガンド(エストロゲン受容体を核内移行させる物質)としては、エストロゲン、エストロゲン誘導体等が挙げられる。エストロゲン誘導体としては、タモキシフェン、4-ヒドロキシタモキシフェン等が挙げられる。また、グルココルチコイド受容体のリガンド(グルココルチコイド受容体を核内移行させる物質)としては、デキサメタゾン等が挙げられる。 Examples of estrogen receptor ligands (substances that translocate estrogen receptors into the nucleus) include estrogen and estrogen derivatives. Estrogen derivatives include tamoxifen, 4-hydroxy tamoxifen and the like. Further, glucocorticoid receptor ligands (substances that translocate glucocorticoid receptors into the nucleus) include dexamethasone and the like.

(発現誘導型プロモーター)
本実施形態の遺伝子変異導入方法では、配列特異的DNA切断酵素と核内受容体との融合タンパク質を、発現誘導型プロモーターの制御下で発現させる。発現誘導型プロモーターとしては、例えば、培地への発現制御物質の添加又は除去、光照射、温度変化等により発現を誘導することができるプロモーターを用いることができる。
(expression-inducible promoter)
In the gene mutagenesis method of this embodiment, a fusion protein between a sequence-specific DNA-cleavage enzyme and a nuclear receptor is expressed under the control of an expression-inducible promoter. As the expression-inducible promoter, for example, a promoter whose expression can be induced by addition or removal of an expression control substance to the medium, light irradiation, temperature change, or the like can be used.

発現誘導型プロモーターは、発現制御物質を培地に添加することにより、融合タンパク質の発現が誘導されるものであってもよいし、発現制御物質を培地から除去することにより、融合タンパク質の発現が誘導されるものであってもよい。より具体的な発現誘導型プロモーターとしては、例えば、ドキシサイクリン誘導型プロモーター(TetOプロモーター)が挙げられるがこれに限定されない。 The expression-inducible promoter may induce the expression of the fusion protein by adding an expression control substance to the medium, or induce the expression of the fusion protein by removing the expression control substance from the medium. It may be Examples of more specific expression-inducible promoters include, but are not limited to, doxycycline-inducible promoters (TetO promoters).

発現誘導型プロモーターの制御下で配列特異的DNA切断酵素と核内受容体との融合タンパク質を発現させることにより、融合タンパク質の発現を制御することが可能になる。すなわち、本実施形態の遺伝子変異導入方法では、配列特異的DNA切断酵素が発現段階(転写)及び翻訳後段階の双方において二重に制御される。 By expressing a fusion protein of a sequence-specific DNA-cleavage enzyme and a nuclear receptor under the control of an expression-inducible promoter, it becomes possible to control the expression of the fusion protein. That is, in the gene mutation introduction method of this embodiment, the sequence-specific DNA-cleaving enzyme is doubly regulated both at the expression stage (transcription) and at the post-translational stage.

実施例において後述するように、発明者らは、ゲノム編集において、配列特異的DNA切断酵素の発現誘導及び細胞内局在の双方を制御することにより、標的配列に対する配列特異的DNA切断酵素の特異性を向上させることができることを明らかにした。 As will be described later in Examples, the inventors found that, in genome editing, the specificity of a sequence-specific DNA-cleaving enzyme to a target sequence was achieved by controlling both the expression induction and the intracellular localization of the sequence-specific DNA-cleaving enzyme. demonstrated that it can improve performance.

(工程(a))
本工程では、配列特異的DNA切断酵素と核内受容体との融合タンパク質を、発現誘導型プロモーターの制御下で発現させる。発現した融合タンパク質は、核内以外の場所、例えば細胞質内に局在する必要がある。
(Step (a))
In this step, a fusion protein of a sequence-specific DNA-cleaving enzyme and a nuclear receptor is expressed under the control of an expression-inducible promoter. The expressed fusion protein should be localized in a location other than the nucleus, eg, in the cytoplasm.

本工程は、例えば、発現誘導型プロモーターの下流に融合タンパク質遺伝子をコードする遺伝子を連結したコンストラクトを細胞に導入し、使用した発現誘導型プロモーターに対応する方法で融合タンパク質の発現を誘導することにより行うことができる。 In this step, for example, a construct in which a gene encoding a fusion protein gene is linked downstream of an expression-inducible promoter is introduced into a cell, and expression of the fusion protein is induced by a method corresponding to the expression-inducible promoter used. It can be carried out.

例えば、発現誘導型プロモーターがドキシサイクリン誘導型プロモーターであり、培地にドキシサイクリンを添加した時に発現誘導される場合には、細胞の培地にドキシサイクリンを添加することにより、誘導タンパク質を発現させることができる。これにより、必要なときのみに融合タンパク質を発現させ、標的配列に対する配列特異的DNA切断酵素の特異性を向上させることができる。 For example, if the expression-inducible promoter is a doxycycline-inducible promoter and expression is induced when doxycycline is added to the medium, the inducible protein can be expressed by adding doxycycline to the cell medium. This allows the fusion protein to be expressed only when needed and improves the specificity of the sequence-specific DNA-cleaving enzyme for the target sequence.

上記のコンストラクトは、細胞に一過性に導入してもよいし、予め細胞の染色体に組み込んでおいてもよい。上記のコンストラクトは、例えば、トランスポゾンベクター、アデノ随伴ウイルスベクター、アデノウイルスベクター、エピソーマルベクター、プラスミドベクター等に組み込まれていてもよい。 The above constructs may be transiently introduced into cells, or may be pre-integrated into cell chromosomes. The constructs described above may be incorporated into, for example, transposon vectors, adeno-associated virus vectors, adenovirus vectors, episomal vectors, plasmid vectors, and the like.

例えば、上記のコンストラクトがトランスポゾンベクターに組み込まれている場合、細胞に導入してトランスポザーゼを作用させることにより、容易に細胞の染色体中に組み込むことができる。また、トランスポザーゼを作用させることにより、染色体中に組み込まれた上記のコンストラクトを、染色体から切り出し、痕跡を残さずに除去することもできる。 For example, when the above construct is incorporated into a transposon vector, it can be easily incorporated into the chromosome of cells by introducing it into cells and allowing transposase to act. In addition, the construct integrated into the chromosome can be excised from the chromosome and removed without leaving a trace by the action of transposase.

(工程(b))
本工程では、工程(a)で発現させた、配列特異的DNA切断酵素と核内受容体との融合タンパク質を核内移行させる。
(Step (b))
In this step, the fusion protein between the sequence-specific DNA-cleaving enzyme and the nuclear receptor expressed in step (a) is translocated into the nucleus.

本工程は、例えば、細胞の培地に核内受容体のリガンド(核内受容体を核内移行させる物質)を添加することにより行うことができる。 This step can be performed, for example, by adding a nuclear receptor ligand (a substance that translocates the nuclear receptor into the nucleus) to the culture medium of the cell.

例えば、核内受容体がERT2である場合には、4-ヒドロキシタモキシフェンを培地に添加することにより、融合タンパク質を核内移行させることができる。また、核内受容体がグルココルチコイド受容体である場合には、デキサメタゾンを培地に添加することにより、融合タンパク質を核内移行させることができる。 For example, if the nuclear receptor is ERT2, addition of 4-hydroxy tamoxifen to the medium can translocate the fusion protein into the nucleus. In addition, when the nuclear receptor is the glucocorticoid receptor, addition of dexamethasone to the medium can translocate the fusion protein into the nucleus.

これにより、必要なときのみに融合タンパク質を核内に移行させることができる。この結果、標的配列に対する配列特異的DNA切断酵素の特異性を更に向上させることができる。すなわち、本実施形態の遺伝子変異導入方法では、配列特異的DNA切断酵素が発現段階(転写)及び翻訳後段階の双方において二重に制御される。 This allows the fusion protein to be translocated into the nucleus only when needed. As a result, the specificity of the sequence-specific DNA cleaving enzyme for the target sequence can be further improved. That is, in the gene mutation introduction method of this embodiment, the sequence-specific DNA-cleaving enzyme is doubly regulated both at the expression stage (transcription) and at the post-translational stage.

核内移行した前記融合タンパク質は、標的配列特異的にゲノムDNAを切断し、二本鎖DNA切断を形成する。配列特異的DNA切断酵素がRNA誘導型ヌクレアーゼである場合には、ガイドとなる短鎖RNAを共存させることにより、配列特異的な二本鎖DNA切断を形成させることができる。ガイドとなる短鎖RNAとしては標的配列に対応したものを使用する。 The nuclear translocated fusion protein cleaves genomic DNA in a target sequence-specific manner to form double-stranded DNA breaks. When the sequence-specific DNA cleaving enzyme is an RNA-guided nuclease, the coexistence of a short-strand RNA as a guide enables sequence-specific double-stranded DNA cleavage to occur. As a guide short-chain RNA, one corresponding to the target sequence is used.

ガイドとなる短鎖RNAとしては、例えばCRISPR-sgRNAを用いることができる。sgRNAは、細胞内に一過性に導入してもよいし、発現ベクターを用いて細胞内で発現させてもよい。発現ベクターを用いてsgRNAを発現させる場合には、sgRNAを恒常的に発現させてもよいし、上述したものと同様の発現誘導型プロモーターの制御下で発現させてもよい。 As a guide short RNA, for example, CRISPR-sgRNA can be used. The sgRNA may be transiently introduced into cells, or may be expressed intracellularly using an expression vector. When sgRNA is expressed using an expression vector, the sgRNA may be expressed constitutively, or may be expressed under the control of an expression-inducible promoter similar to those described above.

sgRNAの発現ベクターは、例えば、トランスポゾンベクター、アデノ随伴ウイルスベクター、アデノウイルスベクター、エピソーマルベクター、プラスミドベクター等であってもよい。 The sgRNA expression vector may be, for example, a transposon vector, an adeno-associated virus vector, an adenovirus vector, an episomal vector, a plasmid vector, or the like.

(工程(c))
本工程では、工程(b)で形成された、二本鎖DNA切断が、細胞自身が有するDNA切断修復機構により修復される。この過程において、二本鎖DNA切断の近傍に遺伝子変異が導入される。ここで、近傍とは、通常、二本鎖DNA切断部位又は二本鎖DNA切断部位から100塩基以内、例えば50塩基以内、例えば20塩基以内を意味する。遺伝子変異としては、挿入変異又は欠失変異(Indel)が挙げられる。
(Step (c))
In this step, the double-stranded DNA break formed in step (b) is repaired by the DNA break repair mechanism of the cell itself. In this process, a genetic mutation is introduced near the double-stranded DNA break. Here, the vicinity generally means a double-stranded DNA cleavage site or within 100 bases, for example, within 50 bases, for example, within 20 bases from the double-stranded DNA cleavage site. Genetic mutations include insertion mutations or deletion mutations (Indel).

また、本工程をドナーDNAの共存下で行うことにより、相同組換え(HR)を誘導することもできる。ここで、ドナーDNAとしては、ゲノムDNAの二本鎖DNA切断の位置の前後を含む領域と配列同一性を有し、且つ前記ゲノムDNAの塩基配列に対して1~数個の所望の塩基変異を有するものを使用するとよい。前記ドナーDNAは、一本鎖DNAでもよいし、二本鎖DNAでもよい。また、前記ドナーDNAは、単一配列でもよいし、複数の配列の混合物でもよい。 Moreover, homologous recombination (HR) can be induced by performing this step in the coexistence of donor DNA. Here, the donor DNA has sequence identity with a region including the position before and after the double-stranded DNA break in the genomic DNA, and has one to several desired nucleotide mutations in the nucleotide sequence of the genomic DNA. should be used. The donor DNA may be single-stranded DNA or double-stranded DNA. Also, the donor DNA may be a single sequence or a mixture of multiple sequences.

実施例において後述するように、本実施形態の遺伝子変異導入方法により、従来の10倍以上もの高頻度で相同組換えを誘導することができる。したがって、本実施形態の遺伝子変異導入方法は、ゲノム編集における相同組換え効率を上昇させる方法であるということもできる。 As will be described later in Examples, the gene mutation introduction method of the present embodiment can induce homologous recombination at a frequency as high as 10 times or more compared to the conventional method. Therefore, it can be said that the gene mutation introduction method of this embodiment is a method for increasing homologous recombination efficiency in genome editing.

また、実施例において後述するように、細胞に導入するドナーDNAの量を増加させると、相同組換え効率が上昇する傾向にある。したがって、高い相同組換え効率を達成するためには、細胞に導入するドナーDNAの量を増加させることが好ましい。例えば、配列特異的DNA切断酵素と核内受容体との融合タンパク質の発現ベクターや、ガイドとなる短鎖RNAの発現ベクター等を、予め細胞の染色体に組み込んでおくことにより、細胞に導入するドナーDNAの量を最大限に増やすことができる。 In addition, as will be described later in Examples, increasing the amount of donor DNA introduced into cells tends to increase the efficiency of homologous recombination. Therefore, in order to achieve high homologous recombination efficiency, it is preferable to increase the amount of donor DNA introduced into the cells. For example, an expression vector for a fusion protein of a sequence-specific DNA-cleavage enzyme and a nuclear receptor, an expression vector for a short-chain RNA that serves as a guide, etc., is incorporated into the chromosome of the cell in advance, and then introduced into the cell. The amount of DNA can be maximized.

ドナーDNAは、50~5,000塩基程度の一本鎖DNAであってもよいし、50~5,000塩基対程度の二本鎖DNAであってもよい。ドナーDNAが一本鎖DNAである場合、ドナーDNAは、ゲノムDNAの二本鎖のうちのいずれの鎖と配列同一性を有していてもよい。 The donor DNA may be single-stranded DNA of about 50 to 5,000 base pairs, or double-stranded DNA of about 50 to 5,000 base pairs. If the donor DNA is single-stranded DNA, the donor DNA may have sequence identity with either strand of the genomic DNA double strand.

ドナーDNAは、ゲノムDNAの二本鎖DNA切断の位置を含む領域と、90%以上、好ましくは95%以上、更に好ましくは99%以上の配列同一性を有することが好ましい。 The donor DNA preferably has a sequence identity of 90% or more, preferably 95% or more, more preferably 99% or more, with the region containing the position of the double-stranded DNA break in the genomic DNA.

本明細書において、配列同一性とは、対象の塩基配列が、基準となる塩基配列(基準塩基配列)に対して一致している割合を示す値である。基準塩基配列に対する、対象塩基配列の配列同一性は、例えば次のようにして求めることができる。まず、基準塩基配列及び対象塩基配列をアラインメントする。ここで、各塩基配列には、配列同一性が最大となるようにギャップを含めてもよい。続いて、基準塩基配列及び対象塩基配列において、一致した塩基の塩基数を算出し、下記式(1)にしたがって、配列同一性を求めることができる。
配列同一性(%)=一致した塩基数/対象塩基配列の総塩基数×100 (1)
As used herein, the term “sequence identity” refers to a value that indicates the proportion of a base sequence of interest that matches a reference base sequence (reference base sequence). The sequence identity of the target base sequence with respect to the reference base sequence can be obtained, for example, as follows. First, the reference base sequence and the target base sequence are aligned. Here, each base sequence may include gaps to maximize sequence identity. Subsequently, the number of matching bases in the reference base sequence and the target base sequence is calculated, and the sequence identity can be obtained according to the following formula (1).
Sequence identity (%) = number of matched bases/total number of bases of target base sequence x 100 (1)

ドナーDNAは、1~数個の所望の塩基変異を有する。この結果、遺伝子変異が導入されることにより、細胞のゲノムが所望の塩基配列に置換される。ここで、数個とは10個、9個、8個、7個、6個、5個、4個、3個、2個又は1個であることが好ましい。 The donor DNA has one to several desired base mutations. As a result, the genome of the cell is replaced with the desired nucleotide sequence by introducing a gene mutation. Here, several is preferably 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 or 1.

また、所望の塩基変異はランダム変異を含んでいてもよい。この場合、前記ドナーDNAは、複数の配列の混合物が望ましい。本明細書において、ランダム変異とは、ドナーDNAの対象塩基を2種類以上の塩基の混合物にしたものをいう。 Also, the desired nucleotide mutation may contain random mutation. In this case, the donor DNA is preferably a mixture of multiple sequences. As used herein, random mutation refers to a mixture of two or more kinds of target bases in the donor DNA.

ランダム変異は、特定の塩基が2種類以上の塩基の混合物となるものであれば特に限定されず、例えば、‘N’、すなわち、アデニン(A)、チミン(T)、グアニン(G)又はシトシン(C)であってもよいし、例えば‘B’、すなわちC、G又はTであってもよいし、例えば‘K’、すなわちG又はTであってもよく、これらに限定されない。また、ランダム変異の数は1個であってもよいし、2個以上であってもよい。 Random mutation is not particularly limited as long as the specific base is a mixture of two or more types of bases. (C), for example 'B', ie C, G or T, or for example 'K', ie G or T, but is not limited thereto. Also, the number of random mutations may be one, or two or more.

ドナーDNAを化学的に合成する場合、ランダム変異は2種類以上の塩基材料(アミダイト試薬)を等量又は任意の量比で混合して合成すること等により導入することができる。ドナーDNAを酵素的に合成する場合、ランダム変異は2種類以上の塩基材料(dATP,dCTP,dGTP,dTTP)を任意の量比で混合して合成すること等によっても導入することができる。または、上記の化学合成でランダム変異を持ったプライマーを合成し、RNAからの逆転写反応やPCR反応によりドナーDNAを作製することもできる。あるいは、二本鎖DNAの片側のDNA鎖をニッケース(一本鎖DNA切断酵素)で二箇所切断し、変性ゲル電気泳動で一本鎖DNAを単離することにより、ドナーDNAを作製することもできる。 When chemically synthesizing the donor DNA, random mutations can be introduced by mixing two or more types of basic materials (amidite reagents) in equal amounts or in arbitrary ratios. When the donor DNA is enzymatically synthesized, random mutations can also be introduced by mixing two or more base materials (dATP, dCTP, dGTP, dTTP) in an arbitrary ratio. Alternatively, primers with random mutations can be synthesized by the chemical synthesis described above, and donor DNA can be prepared by reverse transcription reaction or PCR reaction from RNA. Alternatively, the donor DNA can be prepared by cleaving the DNA strand on one side of the double-stranded DNA at two locations with Nickase (single-stranded DNA cleaving enzyme) and isolating the single-stranded DNA by denaturing gel electrophoresis. can.

実施例において後述するように、ドナーDNAにランダム変異を導入することにより、複数の変異を有する変異体を一度に取得することができる。 As described later in Examples, mutants having multiple mutations can be obtained at once by introducing random mutations into donor DNA.

[融合タンパク質]
1実施形態において、本発明は、配列特異的DNA切断酵素と核内受容体との融合タンパク質を提供する。本実施形態の融合タンパク質は、上述した遺伝子変異導入方法用に好適に用いることができる。
[Fusion protein]
In one embodiment, the invention provides a fusion protein between a sequence-specific DNA-cleaving enzyme and a nuclear receptor. The fusion protein of this embodiment can be suitably used for the gene mutation introduction method described above.

本実施形態の融合タンパク質において、配列特異的DNA切断酵素としては、上述したものと同様であり、RNA誘導型ヌクレアーゼであってもよいし、人工ヌクレアーゼであってもよい。 In the fusion protein of this embodiment, the sequence-specific DNA-cleaving enzyme is the same as those described above, and may be an RNA-guided nuclease or an artificial nuclease.

また、本実施形態の融合タンパク質において、核内受容体は上述したものと同様であり、エストロゲン受容体であってもよいし、グルココルチコイド受容体であってもよい。 In addition, in the fusion protein of this embodiment, the nuclear receptor is the same as those described above, and may be an estrogen receptor or a glucocorticoid receptor.

[核酸]
1実施形態において、本発明は、上述した融合タンパク質をコードする核酸を提供する。本実施形態の核酸を発現させることにより、配列特異的DNA切断酵素と核内受容体との融合タンパク質を得ることができる。したがって、本実施形態の核酸は、上述した遺伝子変異導入方法用に好適に用いることができる。
[Nucleic acid]
In one embodiment, the invention provides nucleic acids encoding the fusion proteins described above. A fusion protein between a sequence-specific DNA-cleavage enzyme and a nuclear receptor can be obtained by expressing the nucleic acid of this embodiment. Therefore, the nucleic acid of this embodiment can be suitably used for the gene mutation introduction method described above.

[ベクター]
1実施形態において、本発明は、発現誘導型プロモーターと、発現誘導型プロモーターの下流に連結された、上述した融合タンパク質をコードする核酸とを含む、ベクターを提供する。本実施形態のベクターは、上述した遺伝子変異導入方法用に好適に用いることができる。
[vector]
In one embodiment, the present invention provides a vector comprising an expression-inducible promoter and a nucleic acid encoding the aforementioned fusion protein linked downstream of the expression-inducible promoter. The vector of this embodiment can be suitably used for the gene mutation introduction method described above.

本実施形態のベクターは、例えば、トランスポゾンベクター、レトロウイルスベクター、レンチウイルスベクター、アデノ随伴ウイルスベクター、アデノウイルスベクター、エピソーマルベクター、プラスミドベクター等であってもよい。 The vector of this embodiment may be, for example, a transposon vector, a retroviral vector, a lentiviral vector, an adeno-associated viral vector, an adenoviral vector, an episomal vector, a plasmid vector, or the like.

本実施形態のベクターにおいて、発現誘導型プロモーターは、上述したものと同様であり、例えば、ドキシサイクリン誘導型プロモーター、キュメート(Cumate)誘導型プロモーター、熱ショックプロモーター、光誘導プロモーター等が挙げられるがこれに限定されない。また、loxPサイトで挟まれたタンパク質翻訳ストップコドンやポリアデニン配列によって、Cre組換え酵素作用時に発現が誘導されるシステムでもよい。 In the vector of this embodiment, the expression-inducible promoter is the same as those described above, and examples thereof include doxycycline-inducible promoters, Cumate-inducible promoters, heat shock promoters, light-inducible promoters, and the like. Not limited. Alternatively, a system in which expression is induced upon action of Cre recombinase by a protein translation stop codon or polyadenin sequence flanked by loxP sites may also be used.

上述したように、本実施形態のベクターを細胞に導入することにより、配列特異的DNA切断酵素を発現段階及び翻訳後段階の双方において二重に制御することができる。 As described above, by introducing the vector of the present embodiment into cells, the sequence-specific DNA-cleaving enzyme can be doubly regulated at both the expression stage and the post-translational stage.

[細胞]
1実施形態において、本発明は、上記のベクターが導入された細胞を提供する。ここで、ベクターとは、すなわち、発現誘導型プロモーターと、配列特異的DNA切断酵素と核内受容体との融合タンパク質をコードする核酸とが、この順に連結されたベクターである。本実施形態の細胞は、上述した遺伝子変異導入方法用に好適に用いることができる。
[cell]
In one embodiment, the present invention provides cells into which the above vectors have been introduced. Here, the vector is a vector in which an expression-inducible promoter and a nucleic acid encoding a fusion protein of a sequence-specific DNA-cleavage enzyme and a nuclear receptor are linked in this order. The cells of this embodiment can be suitably used for the gene mutation introduction method described above.

本実施形態の細胞において、ベクターは、例えば、トランスポゾンベクター、レトロウイルスベクター、レンチウイルスベクター、アデノ随伴ウイルスベクター、アデノウイルスベクター、エピソーマルベクター、プラスミドベクター等であってもよい。なかでも、トランスポゾンベクターが好ましい。 In the cells of this embodiment, vectors may be, for example, transposon vectors, retroviral vectors, lentiviral vectors, adeno-associated viral vectors, adenoviral vectors, episomal vectors, plasmid vectors, and the like. Among them, transposon vectors are preferred.

トランスポゾンベクターは容易に細胞の染色体に組み込むことができ、また、必要に応じて除去することも可能である。トランスポゾンは、例えば、piggyBac、Sleeping Beauty、Tol II、mariner等であってもよい。 A transposon vector can easily integrate into the chromosome of a cell and can be removed if desired. The transposon may be, for example, piggyBac, Sleeping Beauty, Tol II, mariner, and the like.

本実施形態の細胞は、真核細胞が挙げられ、動物細胞、酵母等が挙げられる。動物細胞は、ヒト細胞であってもよく、非ヒト動物細胞であってもよい。また、動物細胞は多能性幹細胞であってもよく、腫瘍細胞であってもよい。また動物細胞は樹立された細胞株であってもよい。多能性幹細胞としては、胚性幹細胞(ES細胞)、人工多能性幹細胞(iPS細胞)等が挙げられる。また、細胞株としては特に限定されず、例えばHEK293T細胞、HeLa細胞等が挙げられる。 Cells of the present embodiment include eukaryotic cells such as animal cells and yeast. Animal cells may be human cells or non-human animal cells. Animal cells may also be pluripotent stem cells or tumor cells. Animal cells may also be established cell lines. Pluripotent stem cells include embryonic stem cells (ES cells), induced pluripotent stem cells (iPS cells), and the like. Moreover, the cell line is not particularly limited, and examples thereof include HEK293T cells, HeLa cells, and the like.

ベクターを細胞に導入する方法としては、公知の任意の手段を使用することができる。例えば、市販の装置を使用したエレクトロポレーション法が挙げられる。エレクトロポレーション法を実施する装置としては、例えばNEPA21(ネッパジーン社)、4D-Nucleofector(ロンザ社)、Neon(サーモフィッシャーサイエンティフック社)、Gene Pulser Xcell(バイオラッド社)、ECM839(BTX Harvard Apparatus社)等を使用することができる。 Any known means can be used to introduce the vector into cells. For example, an electroporation method using a commercially available device can be mentioned. Apparatus for carrying out the electroporation method includes, for example, NEPA21 (Neppagene), 4D-Nucleofector (Lonza), Neon (Thermo Fisher Scientific), Gene Pulser Xcell (Bio-Rad), ECM839 (BTX Harvard Apparatus). company) etc. can be used.

また、ベクターを細胞に導入する方法として、トランスフェクション用試薬を使用してもよい。トランスフェクション用試薬としては、例えば、Lipofectamine2000(サーモフィッシャーサイエンティフック社)、StemFect(STEMGEN社)、FuGENE6/HD(プロメガ社)、CRISPRMAX(サーモフィッシャーサイエンティフック社)、jetPRIME Kit(ポリプラストランスフェクション社)、DreamFect(オズバイオサイエンス社)、GenePorter3000(オズバイオサイエンス社)、リン酸カルシウム法用試薬等を使用可能である。 A transfection reagent may also be used as a method of introducing the vector into cells. Transfection reagents include, for example, Lipofectamine2000 (Thermo Fisher Scientific), StemFect (STEMGEN), FuGENE6/HD (Promega), CRISPRMAX (Thermo Fisher Scientific), jetPRIME Kit (Polyplus Transfection Co.), DreamFect (Oz Bioscience Co.), GenePorter 3000 (Oz Bioscience Co.), reagents for the calcium phosphate method, and the like can be used.

また、ベクターがウイルスベクターである場合には、ウイルスが細胞へ侵入する機構を利用することにより、細胞に遺伝子を導入することができる。細胞へのベクターの導入回数は、1回であってもよく、複数回であってもよい。 In addition, when the vector is a viral vector, a gene can be introduced into cells by utilizing the mechanism by which viruses enter cells. A vector may be introduced into a cell once or multiple times.

ところで、Human Gene Mutation Database(HGMD、http://www.hgmd.cf.ac.uk/)には、2017年3月1日現在、197,952件のヒト遺伝子変異が登録されている。 By the way, as of March 1, 2017, 197,952 human gene mutations are registered in the Human Gene Mutation Database (HGMD, http://www.hgmd.cf.ac.uk/).

これらの遺伝子変異の中には、一塩基変異によるミスセンス変異(アミノ酸が変わる変異)又はナンセンス変異(ストップコドンとなる変異)が最も件数が多く、111,135件登録されている。 Among these gene mutations, missense mutations (mutations that change amino acids) or nonsense mutations (mutations that result in stop codons) due to single-nucleotide mutations are the most common, and 111,135 mutations have been registered.

これらの一塩基変異の働きを解析するため、あるいは修復するためには、相同組換え技術が非常に簡便であり有効である。しかしながら、従来、特にヒト多能性幹細胞で高効率に相同組換えを誘導することは困難であった。 Homologous recombination technology is very convenient and effective for analyzing the action of these single nucleotide mutations or for repairing them. However, it has hitherto been difficult to induce homologous recombination with high efficiency, especially in human pluripotent stem cells.

これに対し、実施例において後述するように、本実施形態の細胞を用いることにより、挿入変異、欠失変異、相同組換えによる塩基置換、相同組換えによるランダム変異等を容易に高効率に導入することができる。これにより、様々な遺伝子変異疾患の病態解明や治療への応用が可能となる。 On the other hand, as will be described later in Examples, insertion mutations, deletion mutations, base substitutions by homologous recombination, random mutations by homologous recombination, etc. can be introduced easily and efficiently by using the cells of the present embodiment. can do. This makes it possible to elucidate the pathology of various gene mutation diseases and apply them to treatment.

また、本実施形態の細胞は、疾患の解明や治療に限らず、例えば、産業上有用なタンパク質を作製すること等に利用することもできる。配列特異的に遺伝子変異を導入する方法は、タンパク質の機能解析や機能改変に幅広く用いられている方法である。配列特異的に遺伝子変異を導入することにより、例えば、タンパク質の安定性を高める、タンパク質の可溶性を高める、酵素活性を高める、酵素活性を不活性化する、基質特異性を変換する、分子進化を行う等を行うことができる。例えば、酵素等に配列特異的に遺伝子変異を導入することにより、産業上有用な酵素を作製すること等が可能である。 In addition, the cells of the present embodiment can be used not only for clarification and treatment of diseases, but also for production of industrially useful proteins, for example. Methods for introducing sequence-specific gene mutations are widely used for functional analysis and modification of proteins. By introducing sequence-specific genetic mutations, e.g., increasing protein stability, increasing protein solubility, enhancing enzymatic activity, inactivating enzymatic activity, changing substrate specificity, and promoting molecular evolution. etc. can be performed. For example, by introducing a sequence-specific gene mutation into an enzyme or the like, it is possible to produce an industrially useful enzyme.

次に実施例を示して本発明を更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples.

[実験例1]
(発現誘導型DNA切断酵素の検討)
発現誘導型プロモーターの制御下で配列特異的DNA切断酵素を発現させ、DNA切断活性を検討した。配列特異的DNA切断酵素として、CRISPR-Cas9を使用した。また、Cas9遺伝子として、ヒトコドン頻度に合わせて塩基配列を最適化したものを使用した。また、発現誘導型プロモーターとして、ドキシサイクリン(Dox)誘導型プロモーター(TetOプロモーター)を使用した。具体的には、まず、図1(a)に示す構造を有するトランスポゾンベクターを作製した。
[Experimental example 1]
(Examination of expression-inducible DNA-cleaving enzyme)
A sequence-specific DNA-cleaving enzyme was expressed under the control of an expression-inducible promoter, and the DNA-cleaving activity was examined. CRISPR-Cas9 was used as a sequence-specific DNA-cleaving enzyme. In addition, as the Cas9 gene, those whose base sequences were optimized according to the human codon frequency were used. A doxycycline (Dox)-inducible promoter (TetO promoter) was used as an expression-inducible promoter. Specifically, first, a transposon vector having the structure shown in FIG. 1(a) was produced.

図1(a)中、「3’TR」及び「5’TR」は、それぞれ3’側及び5’側に配置したpiggyBacトランスポゾン特異性末端逆位配列を表し、「TetO」はTetOプロモーターを表し、「Cas9」はCas9遺伝子を表し、「NLS」は核移行シグナル配列を表し、「IRES」はInternal Ribosome Entry Siteを表し、「mCherry」はmCherry蛍光タンパク質遺伝子を表し、「pA」はポリA付加シグナル配列を表し、「EF1α pro」はEF1αプロモーターを表し、「rtTA」はリバーステトラサイクリン制御性トランス活性化因子を表し、「Puro」はピューロマイシン耐性遺伝子を表し、「Hygro」はハイグロマイシン耐性遺伝子を表す。In FIG. 1(a), “3′TR” and “5′TR” represent the piggyBac transposon-specific terminal inverted sequences located on the 3′ and 5′ sides, respectively, and “TetO” represents the TetO promoter. , "Cas9" stands for Cas9 gene, "NLS" stands for nuclear localization signal sequence, "IRES" stands for Internal Ribosome Entry Site, "mCherry" stands for mCherry fluorescent protein gene, "pA" stands for poly-A addition stands for signal sequence, "EF1α pro" for EF1α promoter, "rtTA" for reverse tetracycline-regulated transactivator, "Puro R " for puromycin resistance gene, "Hygro R " for hygromycin resistance represents a gene.

図1(a)に示す構造を有するトランスポゾンベクター及びpiggyBacトランスポザーゼを細胞中で共発現させると、トランスポザーゼにより「3’TR」及び「5’TR」に挟まれた領域が切り出され、宿主細胞ゲノム中のTATA部位に組み込まれ、安定発現細胞株が樹立される。また、トランスポゾンベクターが導入された細胞は、ピューロマイシン又はハイグロマイシンを用いて薬剤選択することができる。 When a transposon vector having the structure shown in FIG. 1(a) and piggyBac transposase are co-expressed in a cell, the transposase excises the region sandwiched between "3'TR" and "5'TR", and the region in the host cell genome is excised. is integrated into the TATA site of the cell line to establish a stable expression cell line. In addition, cells into which a transposon vector has been introduced can be drug-selected using puromycin or hygromycin.

トランスポゾンベクターが導入された細胞では、EF1αプロモーター制御下でrtTAを恒常的に発現する。また、rtTAは、細胞の培地中にDoxを添加するとTetOプロモーターに結合し、Cas9遺伝子を発現させる。 Cells into which the transposon vector has been introduced constitutively express rtTA under the control of the EF1α promoter. Also, rtTA binds to the TetO promoter and expresses the Cas9 gene when Dox is added to the cell culture medium.

これらのベクターを用いて、ヒトのジストロフィン(DMD)遺伝子のエクソン45番におけるDNA切断活性について、ルシフェラーゼレポーターを用いたsingle strand annealing(SSA)アッセイにより検討した。 Using these vectors, DNA cleavage activity in exon 45 of the human dystrophin (DMD) gene was examined by single strand annealing (SSA) assay using a luciferase reporter.

《SSAアッセイ》
図1(b)は、SSAアッセイに用いるレポーターベクターの構造を説明する図である。図1(b)に示すように、レポーターベクターは、CMVプロモーターの下流にFireflyシフェラーゼ(Firefly Luc)遺伝子の5’側フラグメント及び3’側フラグメントを有し、その間にCRISPR-sgRNAの標的配列を有している。Fireflyシフェラーゼ遺伝子の5’側フラグメント及び3’側フラグメントは、それぞれ約700bpのオーバーラップ配列を有している。図1(b)左側に示すレポーターベクターより発現されるFireflyルシフェラーゼは不活性型である。
《SSA Assay》
FIG. 1(b) is a diagram explaining the structure of the reporter vector used for the SSA assay. As shown in FIG. 1(b), the reporter vector has a 5'-side fragment and a 3'-side fragment of the Firefly luciferase (Firefly Luc) gene downstream of the CMV promoter, and has a CRISPR-sgRNA target sequence in between. are doing. The 5' and 3' fragments of the Firefly luciferase gene each have an overlapping sequence of approximately 700 bp. The Firefly luciferase expressed by the reporter vector shown on the left side of FIG. 1(b) is in an inactive form.

レポーターベクター中の標的配列がCas9によって切断されると、HR経路又はSSA経路により修復される。その結果、レポーターベクターの構造が図1(b)右側に示すように変化し、活性型のFireflyルシフェラーゼが発現されるようになる。したがって、Fireflyルシフェラーゼの活性を測定することにより、Cas9のDNA切断活性を測定することができる。 When the target sequence in the reporter vector is cleaved by Cas9, it is repaired by the HR or SSA pathway. As a result, the structure of the reporter vector changes as shown on the right side of FIG. 1(b), and active Firefly luciferase is expressed. Therefore, the DNA-cleaving activity of Cas9 can be measured by measuring the activity of Firefly luciferase.

本実験例では、ジストロフィン遺伝子のエクソン45番に存在する塩基配列(配列番号1)を標的配列として使用した。また、sgRNA発現ベクターとして、配列番号4に記載の塩基配列を有するオリゴDNA及び配列番号7に記載の塩基配列を有するオリゴDNAを混合してPCR反応を行い、得られた増幅断片をトランスポゾンベクターに組み込んだものを使用した。 In this experimental example, a base sequence (SEQ ID NO: 1) present in exon 45 of the dystrophin gene was used as the target sequence. Further, as an sgRNA expression vector, an oligo DNA having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 4 and an oligo DNA having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 7 were mixed to perform a PCR reaction, and the resulting amplified fragment was transferred to a transposon vector. I used the built in.

まず、上記のレポーターベクター100ng、内部標準としてウミシイタケルシフェラーゼ(Renilla Luc)を発現するphRL-TKベクター20ng、図1(a)に示す構造を有するCas9発現ベクター200ng、上記のsgRNA発現ベクター200ngを、遺伝子導入試薬(Lipofectamine 2000、サーモフィッシャーサイエンティフック社)を用いてヒト胎児腎臓由来のHEK293T細胞に導入し、96ウェルプレートに50,000個/100μL/ウェルとなるように播種した。 First, 100 ng of the above reporter vector, 20 ng of phRL-TK vector expressing Renilla luciferase (Renilla Luc) as an internal standard, Cas9 expression vector 200 ng having the structure shown in FIG. Human embryonic kidney-derived HEK293T cells were transfected using a gene transfer reagent (Lipofectamine 2000, Thermo Fisher Scientific) and seeded in a 96-well plate at 50,000 cells/100 μL/well.

また、Doxを、0、0.0065、0.065、0.65及び6.5μMの終濃度で培地に添加し、Cas9の発現を誘導した。 Dox was also added to the medium at final concentrations of 0, 0.0065, 0.065, 0.65 and 6.5 μM to induce Cas9 expression.

続いて、遺伝子導入の翌日に、市販のキット(「Dual-Glo Luciferase Assay system」Cat.No.E2920、プロメガ社)を用いてルシフェラーゼレポーター活性を解析した。 Subsequently, on the day after gene transfer, luciferase reporter activity was analyzed using a commercially available kit (“Dual-Glo Luciferase Assay system” Cat. No. E2920, Promega).

図1(c)は、ウミシイタケルシフェラーゼの活性を基準として、Fireflyシフェラーゼの活性を測定した結果を示すグラフである。図1(c)中、「N.C.」はsgRNA発現ベクターを添加していない陰性対照の結果を表し、「No Cas9」はCas9発現ベクターを添加していない陰性対照の結果を表し、「EF1α-Cas9」はCas9を恒常的に発現するCas9の発現ベクターを細胞に導入した結果を表し、「TetO-Cas9-NLS(Puro)」は図1(a)に示すピューロマイシン耐性遺伝子を有するCas9発現ベクターを細胞に導入した結果を表し、「TetO-Cas9-NLS(Hygro)」は図1(a)に示すハイグロマイシン耐性遺伝子を有するCas9発現ベクターを細胞に導入した結果を表す。また、「*」はスチューデントのt検定によりp<0.05で統計的有意差が存在することを表す。FIG. 1(c) is a graph showing the results of measuring Firefly luciferase activity based on Renilla luciferase activity. In FIG. 1 (c), "NC" represents the results of the negative control without the addition of the sgRNA expression vector, "No Cas9" represents the results of the negative control without the addition of the Cas9 expression vector, " EF1α-Cas9 'represents the result of introducing Cas9 expression vector that constitutively expresses Cas9 into cells, and 'TetO-Cas9-NLS (Puro R )' has a puromycin resistance gene shown in FIG. Represents the results of introducing the Cas9 expression vector into the cells, "TetO-Cas9-NLS (Hygro R )" represents the results of introducing the Cas9 expression vector having the hygromycin resistance gene shown in Figure 1 (a) into the cells. In addition, "*" indicates the existence of a statistically significant difference at p<0.05 by Student's t-test.

その結果、PuroとHygroのいずれのCas9発現ベクターを使用した場合でも、Dox濃度依存的にCas9によるDNA切断活性を制御することができたことが明らかとなった。As a result, even when using any Cas9 expression vector of Puro R and Hygro R , it was revealed that it was possible to control the DNA cleavage activity by Cas9 in a Dox concentration-dependent manner.

しかしながら、Dox未添加のサンプルにおいても、陰性対照(Cas9無し又はsgRNA無し)と比較して有意なDNA切断活性が検出された。この結果から、発現誘導型プロモーターによる転写レベルの制御だけでは、Cas9のDNA切断活性の制御が不十分であることが明らかとなった。 However, significant DNA cleavage activity was also detected in Dox-free samples compared to negative controls (no Cas9 or no sgRNA). From this result, it became clear that the control of the DNA cleavage activity of Cas9 is insufficient only by controlling the transcription level by the expression-inducible promoter.

[実験例2]
(配列特異的DNA切断酵素の細胞内局在制御の検討)
配列特異的DNA切断酵素の細胞内局在を制御することができるか否か、また、配列特異的DNA切断酵素の細胞内局在を制御することによりDNA切断活性を制御できるか否かについて検討した。配列特異的DNA切断酵素として、CRISPR-Cas9を使用した。また、Cas9遺伝子として、ヒトコドン頻度に合わせて塩基配列を最適化したものを使用した。
[Experimental example 2]
(Examination of intracellular localization control of sequence-specific DNA-cleaving enzyme)
Examination of whether or not the intracellular localization of sequence-specific DNA-cleaving enzymes can be controlled, and whether DNA-cleaving activity can be controlled by controlling the intracellular localization of sequence-specific DNA-cleaving enzymes bottom. CRISPR-Cas9 was used as a sequence-specific DNA-cleaving enzyme. In addition, as the Cas9 gene, those whose base sequences were optimized according to the human codon frequency were used.

配列特異的DNA切断酵素の細胞内局在を制御する手法として、Cas9と改変エストロゲン受容体(ERT2)又はグルココルチコイド受容体(GR)との融合タンパク質を作製した。Cas9とERT2との融合タンパク質のアミノ酸配列を配列番号75に示し、Cas9とGRとの融合タンパク質のアミノ酸配列を配列番号76に示す。 Fusion proteins of Cas9 and modified estrogen receptor (ERT2) or glucocorticoid receptor (GR) were prepared as a method of controlling the subcellular localization of sequence-specific DNA-cleaving enzymes. The amino acid sequence of the fusion protein between Cas9 and ERT2 is shown in SEQ ID NO:75, and the amino acid sequence of the fusion protein between Cas9 and GR is shown in SEQ ID NO:76.

ERT2及びGRは、基質の非存在下では細胞質に局在するが、基質の存在下では核内移行することが知られている。ERT2の基質は4-ヒドロキシタモキシフェン(4-OHT)であり、GRの基質はデキサメタゾン(Dex)である。 ERT2 and GR are known to localize to the cytoplasm in the absence of substrate, but translocate to the nucleus in the presence of substrate. The substrate for ERT2 is 4-hydroxytamoxifen (4-OHT) and for GR is dexamethasone (Dex).

具体的には、まず、図2(a)に示す構造を有するトランスポゾンベクターをそれぞれ作製した。図2(a)中、「EF1α pro」はEF1αプロモーターを表し、「attR1」及び「attR2」はλファージ由来のDNA組換え配列を表し、「Cm」はクロラムフェニコール耐性遺伝子を表し、「ccdB」はccdB遺伝子を表し、「pA」はポリA付加シグナル配列を表し、「Cas9」はCas9遺伝子を表し、「NLS」は核移行シグナル配列を表し、「ERT2」はERT2遺伝子を表し、「GR」はGR遺伝子を表す。なお、完成したトランスポゾンベクターにおいては、図2(a)における「Cm」及び「ccdB」が、Cas9-NLS、Cas9-ERT2、又はCas9-GRにそれぞれ置換されている。Specifically, first, each transposon vector having the structure shown in FIG. 2(a) was constructed. In FIG. 2(a), “EF1α pro” represents the EF1α promoter, “attR1” and “attR2” represent DNA recombination sequences derived from phage λ, “Cm R ” represents the chloramphenicol resistance gene, "ccdB" represents the ccdB gene, "pA" represents the poly A addition signal sequence, "Cas9" represents the Cas9 gene, "NLS" represents the nuclear localization signal sequence, "ERT2" represents the ERT2 gene, "GR" represents the GR gene. In the completed transposon vector, “Cm R ” and “ccdB” in FIG. 2(a) are replaced with Cas9-NLS, Cas9-ERT2, or Cas9-GR, respectively.

続いて、実験例1と同様にして、これらのベクターを用いて、ジストロフィン遺伝子のエクソン45番におけるDNA切断活性について、ルシフェラーゼレポーターを用いたSSAアッセイにより検討した。 Subsequently, in the same manner as in Experimental Example 1, these vectors were used to examine the DNA cleavage activity in exon 45 of the dystrophin gene by SSA assay using a luciferase reporter.

SSAアッセイは、4-OHTを、0、0.0025、0.025、0.25及び2.58μMの終濃度で培地に添加するか、Dexを、0、0.0037、0.015、0.06、0.25及び1μMの終濃度で培地に添加した点以外は、実験例1と同様にして行った。 The SSA assay consisted of adding 4-OHT to the medium at final concentrations of 0, 0.0025, 0.025, 0.25 and 2.58 μM or Dex at 0, 0.0037, 0.015, 0 Experimental Example 1 was repeated, except that it was added to the medium at final concentrations of 0.06, 0.25 and 1 μM.

図2(b)は、ウミシイタケルシフェラーゼの活性を基準として、Fireflyシフェラーゼの活性を測定した結果を示すグラフである。図2(b)中、「sgRNA only」はsgRNA発現ベクターのみを細胞に導入した陰性対照の結果を表し、「Cas9-NLS only」はCas-NLSの発現ベクターのみを細胞に導入した陰性対照の結果を表し、「Cas9-ERT2 only」はCas-ERT2の発現ベクターのみを細胞に導入した陰性対照の結果を表し、「Cas9-GR only」はCas-GRの発現ベクターのみを細胞に導入した陰性対照の結果を表し、「Cas9-NLS+sgRNA」はCas-NLSの発現ベクター及びsgRNAの発現ベクターを細胞に導入した結果を表し、「EF1α-Cas9-ERT2+sgRNA」は、Cas-ERT2の発現ベクター及びsgRNAの発現ベクターを細胞に導入した結果を表し、「EF1α-Cas9-GR+sgRNA」は、Cas-GRの発現ベクター及びsgRNAの発現ベクターを細胞に導入した結果を表す。また、「*」はスチューデントのt検定によりp<0.05で統計的有意差が存在することを表す。 FIG. 2(b) is a graph showing the results of measuring Firefly luciferase activity based on Renilla luciferase activity. In FIG. 2 (b), "sgRNA only" represents the results of the negative control in which only the sgRNA expression vector was introduced into the cells, and "Cas9-NLS only" represents the negative control in which only the Cas-NLS expression vector was introduced into the cells. Represents the results, "Cas9-ERT2 only" represents the results of the negative control in which only the Cas-ERT2 expression vector was introduced into the cells, "Cas9-GR only" represents the Cas-GR expression vector only introduced into the cells negative Represents the control results, "Cas9-NLS + sgRNA" represents the result of introducing the Cas-NLS expression vector and sgRNA expression vector into cells, "EF1α-Cas9-ERT2 + sgRNA" represents the Cas-ERT2 expression vector and sgRNA Represents the results of introducing an expression vector into cells, "EF1α-Cas9-GR + sgRNA" represents the results of introducing Cas-GR expression vector and sgRNA expression vector into cells. In addition, "*" indicates the existence of a statistically significant difference at p<0.05 by Student's t-test.

その結果、基質(4-OHT又はDex)の濃度依存的にCas9によるDNA切断活性を制御することができたことが明らかとなった。 As a result, it became clear that the DNA cleavage activity by Cas9 could be controlled in a substrate (4-OHT or Dex) concentration-dependent manner.

この結果から、配列特異的DNA切断酵素と核内受容体との融合タンパク質に基質を添加することにより、配列特異的DNA切断酵素の細胞内局在を制御することができることが明らかとなった。 These results demonstrate that the intracellular localization of the sequence-specific DNA-cleaving enzyme can be controlled by adding a substrate to the fusion protein of the sequence-specific DNA-cleaving enzyme and the nuclear receptor.

また、この結果から、上記の基質濃度範囲において、Cas9とERT2との融合タンパク質よりも、Cas9とGRとの融合タンパク質の方が高いDNA切断活性を示すことが明らかとなった。 Further, from this result, it was revealed that the fusion protein between Cas9 and GR exhibits higher DNA cleavage activity than the fusion protein between Cas9 and ERT2 in the above substrate concentration range.

一方、基質未添加のサンプルにおいても、陰性対照(Cas9無し又はsgRNA無し)と比較して、Cas9-GRについて有意なDNA切断活性が検出された。この結果から、配列特異的DNA切断酵素と核内受容体との融合タンパク質による細胞内局在の制御だけでは、Cas9のDNA切断活性の制御が不十分であることが明らかとなった。 On the other hand, significant DNA cleavage activity was detected for Cas9-GR compared to the negative controls (no Cas9 or no sgRNA) even in samples to which no substrate was added. From this result, it became clear that the control of the DNA-cleaving activity of Cas9 is insufficient only by controlling the intracellular localization by the fusion protein of the sequence-specific DNA-cleaving enzyme and the nuclear receptor.

[実験例3]
(配列特異的DNA切断酵素の発現誘導及び細胞内局在の二重制御の検討)
配列特異的DNA切断酵素の発現誘導及び細胞内局在の双方を制御することによりDNA切断活性を制御できるか否かについて検討した。
[Experimental example 3]
(Examination of dual control of sequence-specific DNA-cleavage enzyme expression induction and intracellular localization)
We examined whether or not the DNA-cleaving activity can be controlled by controlling both the expression induction and intracellular localization of the sequence-specific DNA-cleaving enzyme.

具体的には、まず、図3(a)に示す構造を有するトランスポゾンベクターを作製した。図3(a)中、「3’TR」、「5’TR」、「TetO」、「Cas9」、「GR」、「IRES」、「mCherry」、「pA」、「EF1α pro」、「rtTA」、「Puro」、「Hygro」は上述したものと同じ意味を表す。以下、図3(a)に示すような、発現誘導及び細胞内局在の双方を制御することができるCas9の発現ベクターを「二重制御型Cas9発現ベクター」といい、発現誘導及び細胞内局在の双方を制御することができるCas9を「二重制御型Cas9」等という場合がある。Specifically, first, a transposon vector having the structure shown in FIG. 3(a) was constructed. In FIG. 3 (a), "3'TR", "5'TR", "TetO", "Cas9", "GR", "IRES", "mCherry", "pA", "EF1α pro", "rtTA ”, “Puro R ”, and “Hygro R ” have the same meanings as described above. Hereinafter, as shown in FIG. 3 (a), a Cas9 expression vector capable of controlling both expression induction and intracellular localization is referred to as a "dual control type Cas9 expression vector", expression induction and intracellular localization Cas9 that can control both of the existing is sometimes referred to as "dual control type Cas9".

続いて、実験例1と同様にして、これらのベクターを用いて、ジストロフィン遺伝子のエクソン45番におけるDNA切断活性について、ルシフェラーゼレポーターを用いたSSAアッセイにより検討した。 Subsequently, in the same manner as in Experimental Example 1, these vectors were used to examine the DNA cleavage activity in exon 45 of the dystrophin gene by SSA assay using a luciferase reporter.

SSAアッセイは、Dexを、0、0.001、0.1及び10μMの終濃度で培地に添加し、また、Doxを添加しなかったか、2μMの終濃度で培地に添加した点以外は、実験例1と同様にして行った。 The SSA assay consisted of experiments except that Dex was added to the medium at final concentrations of 0, 0.001, 0.1 and 10 μM and Dox was either not added or added to the medium at a final concentration of 2 μM. It was carried out in the same way as in Example 1.

図3(b)は、ウミシイタケルシフェラーゼの活性を基準として、Fireflyシフェラーゼの活性を測定した結果を示すグラフである。図3(b)中、「EF1α-Cas9-NLS」はCas9-NLSを恒常的に発現する発現ベクターのみを細胞に導入した結果を表し、「TetO-Cas9-GR(Puro)」は図3(a)に示すピューロマイシン耐性遺伝子を有するCas9-GRの発現ベクターのみを細胞に導入した結果を表し、「TetO-Cas9-GR(Hygro)」は図3(a)に示すハイグロマイシン耐性遺伝子を有するCas9-GRの発現ベクターのみを細胞に導入した結果を表し、「EF1α-Cas9-NLS+sgRNA」はCas-NLSを恒常的に発現する発現ベクター及びsgRNAの発現ベクターを細胞に導入した結果を表し、「TetO-Cas9-GR(Puro)+sgRNA」は図3(a)に示すピューロマイシン耐性遺伝子を有するCas9-GRの発現ベクター及びsgRNAの発現ベクターを細胞に導入した結果を表し、「TetO-Cas9-GR(Hygro)+sgRNA」は図3(a)に示すハイグロマイシン耐性遺伝子を有するCas9-GRの発現ベクター及びsgRNAの発現ベクターを細胞に導入した結果を表す。また、「N.S.」は統計的有意差が存在しないことを表す。FIG. 3(b) is a graph showing the results of measuring Firefly luciferase activity based on Renilla luciferase activity. In FIG. 3 (b), "EF1α-Cas9-NLS" represents the result of introducing only the expression vector that constitutively expresses Cas9-NLS into cells, and "TetO-Cas9-GR (Puro R )" is shown in FIG. Represents the result of introducing only the Cas9-GR expression vector having the puromycin resistance gene shown in (a) into cells, "TetO-Cas9-GR (Hygro R )" is the hygromycin resistance gene shown in FIG. Represents the result of introducing into cells only the Cas9-GR expression vector having, "EF1α-Cas9-NLS + sgRNA" represents the result of introducing an expression vector and sgRNA expression vector that constitutively expresses Cas-NLS into cells , "TetO-Cas9-GR (Puro R ) + sgRNA" represents the result of introducing the Cas9-GR expression vector and sgRNA expression vector having the puromycin resistance gene shown in FIG. 3 (a) into cells, "TetO- Cas9-GR (Hygro R ) + sgRNA” represents the result of introducing the Cas9-GR expression vector and sgRNA expression vector having the hygromycin resistance gene shown in FIG. 3(a) into cells. "N.S." indicates that there is no statistically significant difference.

その結果、二重制御型Cas9発現ベクターを細胞に導入し、Dox及びDexの二剤で同時に処理した場合にDNA切断活性が誘導されたことが明らかとなった。一方、基質未添加条件では、DNA切断活性が陰性対照(sgRNA無し)と同程度にまで抑制されたことが明らかとなった。 As a result, it was revealed that DNA cleavage activity was induced when the double-regulatory Cas9 expression vector was introduced into cells and treated simultaneously with two agents, Dox and Dex. On the other hand, under substrate-free conditions, the DNA cleavage activity was suppressed to the same extent as the negative control (no sgRNA).

[実験例4]
(二重制御型Cas9発現ベクターによるDNA切断活性の経時変化)
二重制御型Cas9発現ベクター及びsgRNA発現ベクターを細胞に導入し、Dox及びDexの二剤で同時に処理した場合のDNA切断活性の経時変化を検討した。具体的には、ジストロフィン遺伝子のエクソン45番におけるDNA切断活性を、実験例1と同様にして、ルシフェラーゼレポーターを用いたSSAアッセイにより測定した。
[Experimental example 4]
(Time course of DNA cleavage activity by dual control type Cas9 expression vector)
A double regulatory Cas9 expression vector and an sgRNA expression vector were introduced into cells, and the time course of DNA cleavage activity when treated simultaneously with two agents, Dox and Dex, was examined. Specifically, DNA cleavage activity in exon 45 of the dystrophin gene was measured in the same manner as in Experimental Example 1 by SSA assay using a luciferase reporter.

二重制御型Cas9発現ベクターとしては「TetO-Cas9-GR(Puro)」を使用した。また、対照として、二重制御型Cas9発現ベクターの代わりに、Cas9-GRを恒常的に発現する発現ベクターである「EF1α-Cas9-GR」、Doxの存在下でCas9-NLSを発現する発現ベクターである「TetO-Cas9-NLS(Puro)」を導入したサンプルについても同様の測定を行った。また、Cas9の発現ベクターを導入しなかったサンプル「No Cas9」についても同様の測定を行った。“TetO-Cas9-GR (Puro R )” was used as the double-regulated Cas9 expression vector. Also, as a control, instead of the double-regulated Cas9 expression vector, an expression vector that constitutively expresses Cas9-GR "EF1α-Cas9-GR", an expression vector that expresses Cas9-NLS in the presence of Dox The same measurement was performed for the sample introduced with "TetO-Cas9-NLS (Puro R )". In addition, the same measurement was performed for the sample "No Cas9" in which the Cas9 expression vector was not introduced.

各発現ベクターを細胞に導入した後、Dox及びDexを、それぞれ2μM及び1μMの終濃度で培地に添加し、経時的にDNA切断活性を測定した。 After introducing each expression vector into the cells, Dox and Dex were added to the medium at final concentrations of 2 μM and 1 μM, respectively, and the DNA cleavage activity was measured over time.

図4は、各サンプルについて、ウミシイタケルシフェラーゼの活性を基準として、Fireflyシフェラーゼの活性を測定した結果を示すグラフである。その結果、EF1α-Cas9-GR発現ベクター、TetO-Cas9-NLS(Puro)発現ベクターを細胞に導入した場合には、いずれも、Dox及びDex未添加時(0時間)においてもDNA切断活性が検出された。これに対し、二重制御型Cas9発現ベクターであるTetO-Cas9-GR(Puro)を細胞に導入した場合には、Dox及びDex未添加時(0時間)におけるDNA切断活性は、Cas9未添加(No Cas9)の場合と同程度にまで抑制することができることが明らかとなった。FIG. 4 is a graph showing the results of measurement of Firefly luciferase activity for each sample based on Renilla luciferase activity. As a result, when the EF1α-Cas9-GR expression vector and the TetO-Cas9-NLS (Puro R ) expression vector were introduced into the cells, both DNA cleavage activity was observed even when Dox and Dex were not added (0 hours). was detected. On the other hand, when TetO-Cas9-GR (Puro R ) is introduced into the cells is a dual control type Cas9 expression vector, DNA cleavage activity in the absence of Dox and Dex (0 hours), Cas9 not added (No Cas9) It became clear that it can be suppressed to the same extent.

また、二重制御型Cas9発現ベクターであるTetO-Cas9-GR(Puro)を細胞に導入した場合には、Dox及びDexの添加後8時間から24時間にかけて明瞭にDNA切断活性が誘導されたことが明らかとなった。In addition, when TetO-Cas9-GR (Puro R ), a double-regulated Cas9 expression vector, was introduced into the cells, the DNA cleavage activity was induced clearly from 8 hours to 24 hours after the addition of Dox and Dex. It became clear.

[実験例5]
(二重制御型Cas9発現ベクター及びsgRNA発現ベクターを導入したiPS細胞の作製)
いずれもpiggyBacトランスポゾンベクターである、二重制御型Cas9発現ベクター及びsgRNA発現ベクターを、iPS細胞に導入し、終濃度1~15μg/mLのピューロマイシン(Cat.No.29455-54、ナカライテスク)又は終濃度100~200μg/mLハイグロマイシンB(Cat.No.10687-010、サーモフィッシャーサイエンティフィック社)を用いた約5日間の薬剤選択により、染色体安定導入細胞集団を得た。sgRNA発現ベクターとしては、実験例1で使用したものと同様の、ジストロフィン遺伝子のエクソン45番に存在する塩基配列を標的配列とするものを使用した。iPS細胞としては1383D2株を使用し、定法にしたがって培養した。
[Experimental example 5]
(Preparation of iPS cells introduced with double regulatory Cas9 expression vector and sgRNA expression vector)
Both of which are piggyBac transposon vectors, a double-regulated Cas9 expression vector and an sgRNA expression vector are introduced into iPS cells, and puromycin (Cat. No. 29455-54, Nacalai Tesque) at a final concentration of 1 to 15 μg / mL, or A population of stably transfected chromosomes was obtained by drug selection for about 5 days with hygromycin B (Cat. No. 10687-010, Thermo Fisher Scientific) at a final concentration of 100-200 μg/mL. As the sgRNA expression vector, the same vector as used in Experimental Example 1, whose target sequence is the nucleotide sequence present in exon 45 of the dystrophin gene, was used. The 1383D2 strain was used as iPS cells and cultured according to a standard method.

続いて、得られたiPS細胞集団の培地に、Doxを2μMの終濃度で添加し、逆転写定量PCRにより、Cas9 mRNAの発現量の経時変化を検討した。Cas9のcDNAのPCRには、配列番号73のセンスプライマー及び配列番号74のアンチセンスプライマーを使用した。 Subsequently, Dox was added to the culture medium of the obtained iPS cell population at a final concentration of 2 μM, and the time course of Cas9 mRNA expression level was examined by reverse transcription quantitative PCR. A sense primer of SEQ ID NO: 73 and an antisense primer of SEQ ID NO: 74 were used for PCR of Cas9 cDNA.

図5は、Cas9 mRNAの発現量の測定結果を示すグラフである。図5中、「Puro」はピューロマイシンを表す。Cas9 mRNAの発現量は、ACTB mRNAの発現量を基準とした相対値として表す。 FIG. 5 is a graph showing the results of measuring the expression level of Cas9 mRNA. In FIG. 5, "Puro" represents puromycin. The expression level of Cas9 mRNA is expressed as a relative value based on the expression level of ACTB mRNA.

その結果、ピューロマイシン5μg/mL又は15μg/mLで薬剤選択した細胞集団のいずれにおいても、Doxを添加することによりCas9 mRNAの転写が誘導され、誘導後少なくとも72時間はmRNAの発現が継続することが明らかとなった。 Consequently, in either puromycin 5 μg/mL or 15 μg/mL drug-selected cell populations, the addition of Dox induced Cas9 mRNA transcription, and mRNA expression continued for at least 72 hours after induction. became clear.

[実験例6]
(ゲノム編集におけるDox及びDexの至適濃度の検討)
二重制御型Cas9発現ベクター及びsgRNA発現ベクターを導入したiPS細胞でゲノム編集を行う場合のDox及びDexの至適濃度を検討した。実験例5で作製したiPS細胞の培地にDox及びDexを種々の濃度で添加し、ジストロフィン遺伝子のエクソン45番に存在する標的位置における遺伝子変異導入活性についてT7エンドヌクレアーゼI(T7EI)アッセイにより測定した。
[Experimental example 6]
(Examination of optimal concentrations of Dox and Dex in genome editing)
Optimal concentrations of Dox and Dex when performing genome editing in iPS cells introduced double regulatory Cas9 expression vector and sgRNA expression vector were examined. Dox and Dex were added at various concentrations to the iPS cell culture medium prepared in Experimental Example 5, and gene mutation introduction activity at the target position present in exon 45 of the dystrophin gene was measured by T7 endonuclease I (T7EI) assay. .

《T7EIアッセイ》
T7EIアッセイは次のようにして行った。まず、CRISPR-sgRNAの標的ゲノム部位をPCR反応により増幅した。本実験例においては、ジストロフィン遺伝子のエクソン45番に存在する標的位置を含む領域を増幅する、センスプライマー(配列番号14)及びアンチセンスプライマー(配列番号15)を使用した。
<<T7EI Assay>>
The T7EI assay was performed as follows. First, the target genomic site of CRISPR-sgRNA was amplified by PCR reaction. In this experimental example, a sense primer (SEQ ID NO: 14) and an antisense primer (SEQ ID NO: 15) that amplify a region containing the target position in exon 45 of the dystrophin gene were used.

続いて、得られたPCR産物を精製した。続いて、精製後のPCR産物(400ng)に1/10容量の10×NEBuffer2(NEB社)バッファーを添加し、95℃で5分間加熱して二本鎖DNAを熱変性した後、徐々に温度を下げることにより再アニーリングした。より具体的には、95℃から85℃まで-2℃/秒で冷却し、85℃から25℃まで-0.1℃/秒で冷却した。 The resulting PCR product was then purified. Subsequently, 1/10 volume of 10×NEBuffer2 (NEB) buffer was added to the purified PCR product (400 ng) and heated at 95° C. for 5 minutes to heat denature the double-stranded DNA. was re-annealed by lowering the More specifically, it was cooled from 95°C to 85°C at -2°C/sec, and from 85°C to 25°C at -0.1°C/sec.

続いて、再アニール後のPCR産物に10単位のT7エンドヌクレアーゼI(T7EI、Cat.No.M0302S、NEB社)を添加し、37℃で15分間処理した。続いて、反応液量の1/10容量の0.25M EDTA溶液を添加することによりT7EIの活性を停止させ、その後サンプルは低温(氷上)を維持した。 Subsequently, 10 units of T7 endonuclease I (T7EI, Cat. No. M0302S, NEB) was added to the re-annealed PCR product and treated at 37° C. for 15 minutes. Subsequently, the activity of T7EI was stopped by adding 1/10 volume of 0.25 M EDTA solution to the reaction volume, after which the sample was kept cold (on ice).

続いて、T7EI処理したPCR産物を2%アガロースゲル電気泳動し、切断バンドと未切断バンドのDNAシグナル強度をImageJソフトウェアで定量するか、又は全自動電気泳動システム(「TapeStation 2200」、アジレントテクノロジーズ社)を用いてDNA断片のサイズとバンド強度を解析した。 Subsequently, the T7EI-treated PCR products were subjected to 2% agarose gel electrophoresis, and the DNA signal intensities of the cleaved and uncleaved bands were quantified using ImageJ software, or using a fully automated electrophoresis system ("TapeStation 2200", Agilent Technologies). ) was used to analyze the size and band intensity of DNA fragments.

図6は、培地に添加したDox及びDexの濃度と、T7EIアッセイによるゲノム編集効率(Indel、挿入変異又は欠失変異)の測定結果を示す図である。その結果、Dox及びDexの双方の濃度依存的にゲノム編集効率(DNA切断活性)が上昇することが明らかとなった。 FIG. 6 shows the concentrations of Dox and Dex added to the medium and the measurement results of genome editing efficiency (Indel, insertion mutation or deletion mutation) by T7EI assay. As a result, it was revealed that genome editing efficiency (DNA cutting activity) increases in a concentration-dependent manner for both Dox and Dex.

[実験例7]
(ゲノム編集の経時変化の検討)
続いて、実験例6と同様にして、ゲノム編集の経時変化を検討した。具体的には、実験例5で作製したiPS細胞の培地に、Dox及びDexを、それぞれ終濃度2μM及び1μMで添加し、ジストロフィン遺伝子のエクソン45番に存在する標的位置における遺伝子変異導入活性についてT7EIアッセイにより測定した。
[Experimental example 7]
(Examination of temporal changes in genome editing)
Subsequently, in the same manner as in Experimental Example 6, changes in genome editing over time were examined. Specifically, Dox and Dex were added to the iPS cell culture medium prepared in Experimental Example 5 at final concentrations of 2 μM and 1 μM, respectively, and T7EI for the gene mutation introduction activity at the target position present in exon 45 of the dystrophin gene. Measured by assay.

図7は、Dox及びDexを添加後のゲノム編集効率(Indel)の経時変化を測定した結果を示すグラフである。その結果、ゲノム編集はDox及びDexをそれぞれ終濃度2μM及び1μMで添加後、6時間後に検出され始め、24時間後にプラトーに達したことが明らかとなった。 FIG. 7 is a graph showing the results of measurement of changes over time in genome editing efficiency (Indel) after addition of Dox and Dex. As a result, it was revealed that genome editing began to be detected 6 hours after adding Dox and Dex at final concentrations of 2 μM and 1 μM, respectively, and reached a plateau after 24 hours.

[実験例8]
(オフターゲットについての検討)
上述した実験例の結果から、二重制御型Cas9発現iPS細胞において、高効率でオンターゲット切断活性が確認された。そこで、二重制御型Cas9発現iPS細胞におけるオフターゲットについての影響を検討した。
[Experimental example 8]
(Consideration of off-target)
From the results of the above-described Experimental Examples, on-target cleavage activity was confirmed with high efficiency in double-regulatory Cas9-expressing iPS cells. Therefore, the effect of off-targets in dual control Cas9-expressing iPS cells was examined.

ヒトのジストロフィン遺伝子のエクソン45番における標的配列に対し、3つのミスマッチまでを持つ全ての潜在的オフターゲットについて、実験例6と同様にして、T7EIアッセイにより挿入変異又は欠失変異を測定した。 All potential off-targets with up to 3 mismatches to the target sequence in exon 45 of the human dystrophin gene were assayed for insertion or deletion mutations by T7EI assay as in Example 6.

下記表1に、ジストロフィン遺伝子のエクソン45番における標的配列(オンターゲット)及び検討したオフターゲット(OT1~OT5)の位置、塩基配列、配列番号及びオンターゲットに対するミスマッチの数を示す。表1中、塩基配列の小文字は、オンターゲットと異なる塩基配列を表す。 Table 1 below shows the target sequence (on-target) in exon 45 of the dystrophin gene and the positions, base sequences, sequence numbers, and number of mismatches to the on-target of off-targets (OT1 to OT5) examined. In Table 1, lower case letters in base sequences represent base sequences different from the on-target.

Figure 0007210028000001
Figure 0007210028000001

また、下記表2に、オンターゲット及び各オフターゲットについてのT7EIアッセイで、PCR反応に用いたセンスプライマー及びアンチセンスプライマーの配列番号を示す。 In addition, Table 2 below shows the sequence numbers of the sense primers and antisense primers used in the PCR reaction in the T7EI assay for on-target and each off-target.

Figure 0007210028000002
Figure 0007210028000002

具体的には、実験例5で作製したiPS細胞の培地に、Dox及びDexを、それぞれ終濃度2μM及び1μMで添加した。続いて、24時間後又は48時間後に、表1に示すオンターゲット及び各オフターゲットについて、それぞれT7EIアッセイにより遺伝子変異導入を検討した。T7EIアッセイは、センスプライマー及びアンチセンスプライマーとして、表2に示すプライマーを用いた点以外は実験例6と同様にして行った。 Specifically, Dox and Dex were added to the iPS cell culture medium prepared in Experimental Example 5 at final concentrations of 2 μM and 1 μM, respectively. Subsequently, after 24 hours or 48 hours, the on-target and each off-target shown in Table 1 were examined for gene mutation introduction by T7EI assay. The T7EI assay was performed in the same manner as in Experimental Example 6, except that the primers shown in Table 2 were used as the sense primer and antisense primer.

図8は、T7EIアッセイの結果を示す写真である。図8中、「DMD on-target」はジストロフィン遺伝子のエクソン45番におけるオンターゲットの結果であることを表し、「OT1」~「OT5」は、それぞれ、各オフターゲットの結果であることを表す。また、OT1における「Alu polyA artifact」はアーティファクトであることを表す。 FIG. 8 is a photograph showing the results of the T7EI assay. In FIG. 8, "DMD on-target" represents the on-target results in exon 45 of the dystrophin gene, and "OT1" to "OT5" represent the respective off-target results. Also, "Alu polyA artifact" in OT1 indicates that it is an artifact.

その結果、オフターゲットには遺伝子変異導入は全く見られなかったことが明らかとなった。この結果から、二重制御型Cas9発現iPS細胞における、Dox及びDexによるゲノム編集の誘導において、少なくとも48時間以内の誘導であれば、高い配列認識特異性が維持されることが明らかとなった。 As a result, it was revealed that no gene mutation was observed in the off-target. From this result, in the induction of genome editing by Dox and Dex in double-regulatory Cas9-expressing iPS cells, it became clear that high sequence recognition specificity is maintained if the induction is within at least 48 hours.

[実験例9]
(HR経路による塩基置換効率の検討1)
NHEJ経路におけるDNA修復因子である、KU80、KU70、LIG4の発現を、siRNAを用いてノックダウンすることにより、HR経路による塩基置換効率(遺伝子変異導入効率)が上昇するか否かについて検討した。
[Experimental example 9]
(Examination of base substitution efficiency by HR pathway 1)
It was examined whether the base substitution efficiency (gene mutation introduction efficiency) by the HR pathway is increased by knocking down the expression of KU80, KU70, and LIG4, which are DNA repair factors in the NHEJ pathway, using siRNA.

《ノックダウン効率の確認》
まず、ヒト胎児由来腎臓細胞株であるHEK293T細胞に、KU80、KU70、LIG4に対するsiRNAを導入した。siRNAには市販のものを用いた。KU80に対するsiRNAとして、カタログ番号「s14953」(配列番号8、アプライドバイオシステムズ社)及びカタログ番号「s14952」(配列番号9、アプライドバイオシステムズ社)を使用した。また、KU70に対するsiRNAとして、カタログ番号「s52594」(配列番号10、アプライドバイオシステムズ社)及びカタログ番号「s54155」(配列番号11、アプライドバイオシステムズ社)を使用した。また、LIG4に対するsiRNAとして、カタログ番号「s8181」(配列番号12、アプライドバイオシステムズ社)及びカタログ番号「s8179」(配列番号13、アプライドバイオシステムズ社)を使用した。
《Confirmation of knockdown efficiency》
First, siRNAs against KU80, KU70, and LIG4 were introduced into HEK293T cells, a human fetal kidney cell line. A commercially available siRNA was used. As siRNA against KU80, catalog number "s14953" (SEQ ID NO: 8, Applied Biosystems) and catalog number "s14952" (SEQ ID NO: 9, Applied Biosystems) were used. As siRNA against KU70, catalog number "s52594" (SEQ ID NO: 10, Applied Biosystems) and catalog number "s54155" (SEQ ID NO: 11, Applied Biosystems) were used. As siRNA against LIG4, catalog number "s8181" (SEQ ID NO: 12, Applied Biosystems) and catalog number "s8179" (SEQ ID NO: 13, Applied Biosystems) were used.

《逆転写定量PCR》
続いて、逆転写定量PCRにより、KU80、KU70、LIG4のmRNAの発現量を測定した。
《Reverse transcription quantitative PCR》
Subsequently, expression levels of KU80, KU70, and LIG4 mRNAs were measured by reverse transcription quantitative PCR.

KU80のcDNAのPCRには、siRNAとして、カタログ番号「s14953」のものを用いた場合には配列番号57のセンスプライマー及び配列番号58のアンチセンスプライマーを使用した。また、siRNAとして、カタログ番号「s14952」のものを用いた場合には配列番号59のセンスプライマー及び配列番号60のアンチセンスプライマーを使用した。 For PCR of KU80 cDNA, the sense primer of SEQ ID NO: 57 and the antisense primer of SEQ ID NO: 58 were used when siRNA of catalog number "s14953" was used. In addition, when the siRNA of catalog number "s14952" was used, the sense primer of SEQ ID NO: 59 and the antisense primer of SEQ ID NO: 60 were used.

KU70のcDNAのPCRには、siRNAとして、カタログ番号「s52594」のものを用いた場合には配列番号61のセンスプライマー及び配列番号62のアンチセンスプライマーを使用した。また、siRNAとして、カタログ番号「s54155」のものを用いた場合には配列番号63のセンスプライマー及び配列番号64のアンチセンスプライマーを使用した。 For PCR of KU70 cDNA, the sense primer of SEQ ID NO: 61 and the antisense primer of SEQ ID NO: 62 were used when siRNA of catalog number "s52594" was used. In addition, when the siRNA of catalog number "s54155" was used, the sense primer of SEQ ID NO: 63 and the antisense primer of SEQ ID NO: 64 were used.

LIG4のcDNAのPCRには、siRNAとして、カタログ番号「s8181」のものを用いた場合には配列番号65のセンスプライマー及び配列番号66のアンチセンスプライマーを使用した。また、siRNAとして、カタログ番号「s8179」のものを用いた場合には配列番号67のセンスプライマー及び配列番号68のアンチセンスプライマーを使用した。 For LIG4 cDNA PCR, the sense primer of SEQ ID NO: 65 and the antisense primer of SEQ ID NO: 66 were used when siRNA of catalog number "s8181" was used. In addition, when the siRNA of catalog number "s8179" was used, the sense primer of SEQ ID NO: 67 and the antisense primer of SEQ ID NO: 68 were used.

いずれの遺伝子についても、内部標準にGAPDH遺伝子又はACTB遺伝子のcDNAを増幅するプライマーを用いてサンプルの標準化を行い、比較Ct法で定量した。GAPDH遺伝子のPCRには、配列番号69のセンスプライマー及び配列番号70のアンチセンスプライマーを使用した。ACTB遺伝子のPCRには、配列番号71のセンスプライマー及び配列番号72のアンチセンスプライマーを使用した。 For any gene, the samples were standardized using primers for amplifying the cDNA of the GAPDH gene or ACTB gene as an internal standard, and quantified by the comparative Ct method. A sense primer of SEQ ID NO: 69 and an antisense primer of SEQ ID NO: 70 were used for PCR of the GAPDH gene. A sense primer of SEQ ID NO: 71 and an antisense primer of SEQ ID NO: 72 were used for PCR of the ACTB gene.

図9は、KU80、KU70、LIG4のmRNAの発現を逆転写定量PCRにより測定した結果を示すグラフである。その結果、いずれのsiRNAを使用した場合においても、KU80、KU70又はLIG4をノックダウンできることが確認された。 FIG. 9 is a graph showing the results of measuring the expression of KU80, KU70, and LIG4 mRNAs by reverse transcription quantitative PCR. As a result, it was confirmed that KU80, KU70 or LIG4 could be knocked down using any siRNA.

続いて、KU80、KU70、LIG4に対するsiRNAを導入してから48時間後のHEK293T細胞に、EF1α-Cas9-NLS発現ベクター、sgRNA発現ベクター及び一本鎖DNAドナーを導入し、アレルコピー数定量PCRによりHR経路による塩基置換効率(相同組換え効率)を測定した。 Subsequently, KU80, KU70, HEK293T cells 48 hours after the introduction of siRNA against LIG4, EF1α-Cas9-NLS expression vector, sgRNA expression vector and single-stranded DNA donor was introduced, and allele copy number quantitative PCR Base substitution efficiency (homologous recombination efficiency) by HR pathway was measured.

一本鎖DNAドナーとしては、配列番号35に示す塩基配列を有する一本鎖DNA(DMD-ssODN1)を使用した。また、sgRNA発現ベクターとしては、実験例1で使用したものと同様の、ジストロフィン遺伝子のエクソン45番に存在する塩基配列を標的配列とするものを使用した。 A single-stranded DNA (DMD-ssODN1) having the base sequence shown in SEQ ID NO: 35 was used as the single-stranded DNA donor. As the sgRNA expression vector, the same vector as used in Experimental Example 1 was used, the base sequence of which is located in exon 45 of the dystrophin gene as the target sequence.

《アレルコピー数定量PCR》
相同組換え前の野生型のジストロフィン遺伝子の塩基配列を特異的に認識するプライマー(センスプライマー:配列番号42、アンチセンスプライマー:配列番号44)、及び相同組換え後の塩基配列を特異的に認識するプライマー(センスプライマー:配列番号43、アンチセンスプライマー:配列番号44)を用いた定量PCRにより、それぞれの塩基配列のDNAコピー数を測定した。ヒトゲノムのアレルコピー数の内部標準として、NANOG遺伝子領域を増幅するプライマー(センスプライマー:配列番号45、アンチセンスプライマー:配列番号46)又はACTB遺伝子領域を増幅するプライマー(センスプライマー:配列番号47、アンチセンスプライマー:配列番号48)を用いてサンプルの標準化を行い、比較Ct法で定量した。
《Allelic copy number quantitative PCR》
Primers specifically recognizing the nucleotide sequence of the wild-type dystrophin gene before homologous recombination (sense primer: SEQ ID NO: 42, antisense primer: SEQ ID NO: 44) and specifically recognizing the nucleotide sequence after homologous recombination The DNA copy number of each base sequence was measured by quantitative PCR using primers (sense primer: SEQ ID NO: 43, antisense primer: SEQ ID NO: 44). As an internal standard for the allele copy number of the human genome, primers that amplify the NANOG gene region (sense primer: SEQ ID NO: 45, antisense primer: SEQ ID NO: 46) or primers that amplify the ACTB gene region (sense primer: SEQ ID NO: 47, anti Samples were standardized using the sense primer: SEQ ID NO: 48) and quantified by the comparative Ct method.

図10はアレルコピー数定量PCRの結果を示すグラフである。図10中、「no siRNA」はsiRNAを導入しなかった細胞の結果であることを表し、「Ku80 KD」はKu80に対するsiRNAを導入した細胞の結果であることを表し、「Ku70 KD」はKu70に対するsiRNAを導入した細胞の結果であることを表し、「LIG4 KD」はLIG4に対するsiRNAを導入した細胞の結果であることを表し、「mix」はKu80、Ku70及びLIG4に対するsiRNAを混合して導入した細胞の結果であることを表し、「+ssODN」は一本鎖DNAドナーを細胞に導入した結果であることを表し、「N.D.」は検出されなかったことを表し、「野生型」は野生型の塩基配列を有するアレルであることを表し、「HR」は相同組換え後の塩基配列を有するアレルであることを表す。 FIG. 10 is a graph showing the results of allele copy number quantitative PCR. In FIG. 10, "no siRNA" represents the results of cells into which siRNA was not introduced, "Ku80 KD" represents the results of cells into which siRNA against Ku80 was introduced, and "Ku70 KD" represents the results of Ku70. "LIG4 KD" represents the result of cells introduced with siRNA against LIG4, and "mix" represents the result of introducing a mixture of siRNA against Ku80, Ku70 and LIG4. "+ssODN" indicates that it was the result of introducing a single-stranded DNA donor into the cell, "ND" indicates that it was not detected, and "wild type". represents an allele having a wild-type base sequence, and "HR" represents an allele having a base sequence after homologous recombination.

その結果、KU80、KU70、LIG4をそれぞれ単独でノックダウンした場合においても、KU80、KU70及びLIG4を同時にノックダウンした場合においても、相同組換え効率の有意な上昇は観察されないことが明らかとなった。 As a result, it was revealed that no significant increase in homologous recombination efficiency was observed when KU80, KU70, and LIG4 were knocked down individually, and when KU80, KU70, and LIG4 were knocked down simultaneously. .

[実験例10]
(HR経路による塩基置換効率の検討2)
続いて、siRNAを細胞に導入する代わりに、相同組換え効率を上昇させることが報告されている化合物である、L755507、Brefeldin A又はYM155を細胞の培地に添加した点以外は実験例9と同様にして、ジストロフィン遺伝子のエクソン45番に存在する塩基配列を標的配列とした、相同組換えによる塩基置換効率を検討した。
[Experimental example 10]
(Examination of base substitution efficiency by HR pathway 2)
Subsequently, instead of introducing siRNA into cells, L755507, Brefeldin A, or YM155, which are compounds reported to increase the efficiency of homologous recombination, were added to the cell culture medium in the same manner as in Experimental Example 9. Then, the base substitution efficiency by homologous recombination was examined using the base sequence present in exon 45 of the dystrophin gene as the target sequence.

図11はアレルコピー数定量PCRの結果を示すグラフである。図11中、「L7」はL755507を培地に添加した細胞の結果であることを表し、「BA」はBrefeldin Aを培地に添加した細胞の結果であることを表し、「YM」はYM155を培地に添加した細胞の結果であることを表し、「ssODN(+)」は一本鎖DNAドナーを細胞に導入した結果であることを表し、「ssODN(-)」は一本鎖DNAドナーを細胞に導入しなかった結果であることを表し、「野生型」は野生型の塩基配列を有するアレルであることを表し、「HR」は相同組換え後の塩基配列を有するアレルであることを表す。 FIG. 11 is a graph showing the results of allele copy number quantitative PCR. In FIG. 11, "L7" represents the results of cells with L755507 added to the medium, "BA" represents the results of cells with Brefeldin A added to the medium, and "YM" represents the results of YM155 in the medium. "ssODN(+)" represents the result of introducing the single-stranded DNA donor into the cells, and "ssODN(-)" represents the result of the single-stranded DNA donor introduced into the cells. "Wild type" represents an allele having a wild-type base sequence, and "HR" represents an allele having a base sequence after homologous recombination. .

その結果、L755507、Brefeldin A又はYM155を細胞に作用させた場合においても、相同組換え効率の有意な上昇は観察されないことが明らかとなった。 As a result, it was found that no significant increase in homologous recombination efficiency was observed even when L755507, Brefeldin A or YM155 was applied to the cells.

[実験例11]
(HR経路による塩基置換効率の検討3)
続いて、実験例5で作製した、二重制御型Cas9発現ベクター及びsgRNA発現ベクターを導入したiPS細胞に、エレクトロポレーションにより一本鎖DNAドナーを導入し、相同組換え効率を検討した。一本鎖DNAドナーとしては、配列番号35に示す塩基配列を有する一本鎖DNAを使用した。なお、上記のiPS細胞は、Cas9及びsgRNAが既に染色体に安定に導入されているため、一本鎖DNAドナーを最大限に導入することが可能である。
[Experimental example 11]
(Examination of base substitution efficiency by HR pathway 3)
Subsequently, prepared in Experimental Example 5, the iPS cells introduced with the double-regulatory Cas9 expression vector and the sgRNA expression vector were introduced with a single-stranded DNA donor by electroporation, and homologous recombination efficiency was examined. A single-stranded DNA having the base sequence shown in SEQ ID NO: 35 was used as the single-stranded DNA donor. In the above iPS cells, since Cas9 and sgRNA have already been stably introduced into the chromosome, it is possible to introduce a single-stranded DNA donor to the maximum extent.

iPS細胞0.5×10個あたり、1.5、3、6及び12μgの一本鎖DNAドナーを導入し、培地中に終濃度2μMのDox及び終濃度1μMのDexを添加した。続いて、24~48時間培養後、各細胞からゲノムDNAを抽出し、実験例9と同様にして、ジストロフィン遺伝子のエクソン45番に存在する塩基配列を標的配列とした、相同組換えによる塩基置換効率を検討した。Single-stranded DNA donors of 1.5, 3, 6 and 12 μg were introduced per 0.5×10 6 iPS cells, and Dox at a final concentration of 2 μM and Dex at a final concentration of 1 μM were added to the medium. Subsequently, after culturing for 24 to 48 hours, genomic DNA was extracted from each cell, and in the same manner as in Experimental Example 9, base substitution was performed by homologous recombination using the base sequence present in exon 45 of the dystrophin gene as the target sequence. Efficiency was considered.

図12はアレルコピー数定量PCRの結果を示すグラフである。図12中、「ssODN」は一本鎖DNAドナーを表し、「野生型」は野生型の塩基配列を有するアレルであることを表し、「HR」は相同組換え後の塩基配列を有するアレルであることを表す。 FIG. 12 is a graph showing the results of allele copy number quantitative PCR. In FIG. 12, "ssODN" represents a single-stranded DNA donor, "wild-type" represents an allele having a wild-type base sequence, and "HR" represents an allele having a base sequence after homologous recombination. represents something.

その結果、一本鎖DNAドナーの導入量の増加に伴って相同組換え効率が上昇することが明らかとなった。また、最大で相同組換えによる遺伝子変異が導入されたアレルの割合は30%に達した。この割合は、二重制御型Cas9を使用しない系において発明者らが通常観察している相同組換え効率と比較して10倍以上の高効率であった。 As a result, it was found that the efficiency of homologous recombination increases with an increase in the amount of introduced single-stranded DNA donor. Moreover, the proportion of alleles into which gene mutation was introduced by homologous recombination reached 30% at maximum. This ratio was more than 10 times higher than the homologous recombination efficiency that the inventors usually observe in systems that do not use dual-regulatory Cas9.

[実験例12]
(HR経路による塩基置換効率の検討4)
続いて、実験例5で作製した、二重制御型Cas9発現ベクター及びsgRNA発現ベクターを導入したiPS細胞に、実験例11で用いたものとは塩基配列が異なる一本鎖DNAドナーを導入し、相同組換え効率を検討した。一本鎖DNAドナーとしては、配列番号36に示す塩基配列を有する一本鎖DNA(DMD-ssODN-AgeI)を使用した。この一本鎖DNAドナーによる相同組換えが生じた場合、AgeI制限酵素サイトが生成される。
[Experimental example 12]
(Examination of base substitution efficiency by HR pathway 4)
Subsequently, a single-stranded DNA donor having a different nucleotide sequence from that used in Experimental Example 11 was introduced into the iPS cells introduced with the double-regulatory Cas9 expression vector and the sgRNA expression vector prepared in Experimental Example 5, Homologous recombination efficiency was examined. As a single-stranded DNA donor, a single-stranded DNA (DMD-ssODN-AgeI) having the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO:36 was used. When homologous recombination with this single-stranded DNA donor occurs, an AgeI restriction enzyme site is generated.

具体的には、iPS細胞0.5×10個あたり12μgの一本鎖DNAドナーを導入し、培地中に終濃度2μMのDox及び終濃度1μMのDexを添加した。続いて、24~48時間培養後、各細胞からゲノムDNAを抽出し、Restriction Fragment Length Polymorphism(RFLP)アッセイにより、ジストロフィン遺伝子のエクソン45番に存在する塩基配列を標的配列とした、相同組換えによる塩基置換効率を検討した。Specifically, 12 μg of single-stranded DNA donor was introduced per 0.5×10 6 iPS cells, and Dox at a final concentration of 2 μM and Dex at a final concentration of 1 μM were added to the medium. Subsequently, after culturing for 24 to 48 hours, genomic DNA was extracted from each cell and subjected to homologous recombination using the nucleotide sequence present in exon 45 of the dystrophin gene as the target sequence by Restriction Fragment Length Polymorphism (RFLP) assay. Base substitution efficiency was examined.

《RFLPアッセイ》
まず、抽出したゲノムDNAを鋳型として、ジストロフィン遺伝子のエクソン45番に存在する標的位置を含む領域を増幅する、センスプライマー(配列番号49)及びアンチセンスプライマー(配列番号50)を使用したPCR反応を行い、PCR産物を精製した。
<<RFLP assay>>
First, using the extracted genomic DNA as a template, a PCR reaction was performed using a sense primer (SEQ ID NO: 49) and an antisense primer (SEQ ID NO: 50) to amplify a region containing the target position present in exon 45 of the dystrophin gene. was performed to purify the PCR product.

続いて、精製PCR産物を制限酵素AgeIで消化し、2%アガロースゲル電気泳動し、切断バンドと未切断バンドのDNAシグナル強度をImageJソフトウェアで定量し、相相同組換えを起こしたアレルを定量した。 Subsequently, the purified PCR product was digested with the restriction enzyme AgeI, subjected to 2% agarose gel electrophoresis, and the DNA signal intensity of the cleaved band and the uncleaved band was quantified using ImageJ software to quantify the alleles that had undergone homologous recombination. .

図13(a)は、RFLPアッセイにおけるアガロースゲル電気泳動の結果を示す写真である。図13(a)中、「DMD」はジストロフィン遺伝子を表し、「ssODN」は一本鎖DNAドナーを表し「HR」は相同組換えを表す。その結果、相同組換えによる遺伝子変異が導入されたアレルの割合は19.7±1.0%と測定された。 FIG. 13(a) is a photograph showing the results of agarose gel electrophoresis in RFLP assay. In FIG. 13(a), "DMD" represents the dystrophin gene, "ssODN" represents the single-stranded DNA donor, and "HR" represents homologous recombination. As a result, the proportion of alleles into which gene mutation was introduced by homologous recombination was determined to be 19.7±1.0%.

また、RFLPアッセイに用いたゲノムDNAを鋳型として、標的位置を含む領域をPCR増幅してTAクローニングし、PCR産物の各クローンをサンガーシークエンスで解析した。TAクローニングには、pGEM-Tベクター(Cat.No.A3600、プロメガ社)又はpGEM-T Easyベクター(Cat.No.A1360、プロメガ社)を使用した。 Using the genomic DNA used in the RFLP assay as a template, the region containing the target position was amplified by PCR and TA cloned, and each clone of the PCR product was analyzed by Sanger sequencing. For TA cloning, pGEM-T vector (Cat. No. A3600, Promega) or pGEM-T Easy vector (Cat. No. A1360, Promega) was used.

図13(b)は、解析結果をまとめたグラフである。図13(b)中、「Knock-in」は一本鎖DNAドナーによる相同組換えを表し、「Indel」は挿入変異又は欠失変異を表し、「WT」は野生型の配列を表す。また、図13(c)は代表的な相同組換えクローンのサンガーシーケンスデータを示す図である。その結果、47.2%のクローン(34/72)では何らかの挿入欠損変異が観察された。また、13.9%のクローン(10/72)で一本鎖DNAドナーによる相同組換えが観察された。 FIG. 13(b) is a graph summarizing the analysis results. In FIG. 13(b), "Knock-in" represents homologous recombination by a single-stranded DNA donor, "Indel" represents insertion or deletion mutation, and "WT" represents wild-type sequence. FIG. 13(c) shows Sanger sequence data of representative homologous recombination clones. As a result, some indel mutation was observed in 47.2% of clones (34/72). In addition, homologous recombination with the single-stranded DNA donor was observed in 13.9% of clones (10/72).

[実験例13]
(Dox及びDexの添加のタイミングがHR経路による塩基置換効率に与える影響の検討)
Dox及びDexの添加のタイミングがHR経路による塩基置換効率に与える影響の検討を検討した。具体的には、実験例5で作製した、二重制御型Cas9発現ベクター及びsgRNA発現ベクターを導入したiPS細胞に、実験例12で用いたものと同じ一本鎖DNAドナーを導入した。
[Experimental example 13]
(Examination of the influence of the timing of addition of Dox and Dex on the efficiency of base substitution by the HR pathway)
Examination of the influence of the timing of addition of Dox and Dex on the efficiency of base substitution by the HR pathway was examined. Specifically, the same single-stranded DNA donor used in Experimental Example 12 was introduced into the iPS cells introduced with the double-regulatory Cas9 expression vector and the sgRNA expression vector prepared in Experimental Example 5.

また、様々なタイミングで培地にDox及びDexを添加し、実験例12と同様にして、RFLPアッセイにより、ジストロフィン遺伝子のエクソン45番に存在する塩基配列を標的配列とした、相相同組換えによる塩基置換効率を検討した。Dox及びDexの終濃度は、それぞれ2μM及び1μMとした。 In addition, Dox and Dex were added to the medium at various timings, and RFLP assays were performed in the same manner as in Experimental Example 12, using the nucleotide sequence present in exon 45 of the dystrophin gene as the target sequence. Substitution efficiency was investigated. Final concentrations of Dox and Dex were 2 μM and 1 μM, respectively.

図14(a)はDox及びDexの添加のタイミングを示す図である。図14(a)中、「ssODN」は一本鎖DNAドナーを表す。図14(a)に示すように、エレクトロポレーションによる一本鎖DNAドナーの導入の24時間前(-24)、12時間前(-12)、6時間前(-6)、2時間前(-2)、一本鎖DNAドナーの導入時(0)、6時間後(6)、12時間後(12)、24時間後(24)にDox及びDexを添加した。 FIG. 14(a) is a diagram showing the timing of addition of Dox and Dex. In FIG. 14(a), "ssODN" represents a single-stranded DNA donor. As shown in Figure 14(a), 24 hours (-24), 12 hours (-12), 6 hours (-6), 2 hours ( -2), Dox and Dex were added at the time of introduction of the single-stranded DNA donor (0), 6 hours (6), 12 hours (12), and 24 hours (24).

図14(b)は、RFLPアッセイにおけるアガロースゲル電気泳動の結果を示す写真である。図14(b)中、「KI」はノックインを意味し、相同組換えによる遺伝子変異が導入されたアレルの割合を表す。その結果、一本鎖DNAドナーを細胞に導入する12時間前から12時間後の間にDox及びDexの添加を開始すると、相同組換え効率が上昇することが明らかとなった。 FIG. 14(b) is a photograph showing the results of agarose gel electrophoresis in RFLP assay. In FIG. 14(b), "KI" means knock-in, and represents the ratio of alleles into which gene mutation is introduced by homologous recombination. As a result, it was revealed that the efficiency of homologous recombination increased when the addition of Dox and Dex was started between 12 hours before and 12 hours after the introduction of the single-stranded DNA donor into the cells.

[実験例14]
(ILF3(NF110)遺伝子座におけるゲノム編集効率の検討1)
上記実験例でゲノム編集の標的配列としたジストロフィン遺伝子はX染色体上に存在する遺伝子であった。そこで、上記実験例とは異なる位置でのゲノム編集効率を検討した。具体的には、19番染色体上にあるILF3(NF110)遺伝子中の塩基配列を標的配列としてゲノム編集効率を検討した。
[Experimental example 14]
(Examination of genome editing efficiency at the ILF3 (NF110) locus 1)
The dystrophin gene, which was the target sequence for genome editing in the above experimental examples, was a gene present on the X chromosome. Therefore, genome editing efficiency was examined at a position different from the above experimental example. Specifically, genome editing efficiency was examined using the nucleotide sequence in the ILF3 (NF110) gene on chromosome 19 as a target sequence.

まず、配列番号5に記載の塩基配列を有するオリゴDNA及び配列番号7に記載の塩基配列を有するオリゴDNAを混合してPCR反応を行い、得られた増幅断片をトランスポゾンベクターに組み込み、ヒトのILF3(NF110)遺伝子中に存在する塩基配列(配列番号2)を標的配列とするsgRNA発現ベクターを作製した。 First, an oligo DNA having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 5 and an oligo DNA having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 7 were mixed to carry out a PCR reaction, the resulting amplified fragment was incorporated into a transposon vector, and human ILF3 An sgRNA expression vector was constructed with the nucleotide sequence (SEQ ID NO: 2) present in the (NF110) gene as the target sequence.

続いて、実験例5と同様にして、二重制御型Cas9発現ベクター及びsgRNA発現ベクターをiPS細胞に導入し、薬剤選択により、染色体安定導入細胞集団を得た。 Subsequently, in the same manner as in Experimental Example 5, a double-regulated Cas9 expression vector and an sgRNA expression vector were introduced into iPS cells, and a chromosome stably introduced cell population was obtained by drug selection.

続いて、細胞の培地にDox及びDexを、それぞれ終濃度2μM及び1μMで添加し、ILF3(NF110)遺伝子中に存在する標的位置における遺伝子変異導入活性について実験例6と同様のT7EIアッセイにより測定した。 Subsequently, Dox and Dex were added to the cell culture medium at final concentrations of 2 μM and 1 μM, respectively, and gene mutation introduction activity at the target position present in the ILF3 (NF110) gene was measured by the same T7EI assay as in Experimental Example 6. .

本実験例においては、ILF3(NF110)遺伝子中に存在する標的位置を含む領域を増幅する、センスプライマー(配列番号16)及びアンチセンスプライマー(配列番号17)を使用した。 In this experimental example, a sense primer (SEQ ID NO: 16) and an antisense primer (SEQ ID NO: 17) were used to amplify a region containing the target position present in the ILF3 (NF110) gene.

図15は、T7EIアッセイの結果を示す写真である。図15中、「Indel」は挿入変異又は欠失変異を表す。その結果、ILF3(NF110)遺伝子においても、Dox及びDexの添加により、35.0±0.9%の高効率で遺伝子変異を導入することができることが明らかとなった。 FIG. 15 is a photograph showing the results of the T7EI assay. In FIG. 15, "Indel" represents insertion mutation or deletion mutation. As a result, it was found that the addition of Dox and Dex could introduce a gene mutation at a high efficiency of 35.0±0.9% in the ILF3 (NF110) gene as well.

[実験例15]
(ILF3(NF110)遺伝子座におけるゲノム編集効率の検討2)
実験例14で作製した、二重制御型Cas9発現ベクター及びsgRNA発現ベクターを導入したiPS細胞に、一本鎖DNAドナーを導入し、相同組換え効率を検討した。一本鎖DNAドナーとしては、配列番号37に示す塩基配列を有する一本鎖DNA(NF110-ssODN)を使用した。この一本鎖DNAドナーによる相同組換えが生じた場合、PstI制限酵素サイトが生成される。
[Experimental example 15]
(Examination of genome editing efficiency at the ILF3 (NF110) locus 2)
A single-stranded DNA donor was introduced into the iPS cells introduced with the double regulatory Cas9 expression vector and the sgRNA expression vector prepared in Experimental Example 14, and the homologous recombination efficiency was examined. A single-stranded DNA (NF110-ssODN) having the base sequence shown in SEQ ID NO: 37 was used as the single-stranded DNA donor. When homologous recombination with this single-stranded DNA donor occurs, a PstI restriction enzyme site is generated.

具体的には、iPS細胞0.5×10個あたり12μgの一本鎖DNAドナーを導入し、培地中に終濃度2μMのDox及び終濃度1μMのDexを添加した。続いて、24~48時間培養後、各細胞からゲノムDNAを抽出し、RFLPアッセイにより、ILF3(NF110)遺伝子中に存在する塩基配列を標的配列とした、相相同組換えによる塩基置換効率を検討した。Specifically, 12 μg of single-stranded DNA donor was introduced per 0.5×10 6 iPS cells, and Dox at a final concentration of 2 μM and Dex at a final concentration of 1 μM were added to the medium. Subsequently, after culturing for 24 to 48 hours, genomic DNA was extracted from each cell, and the nucleotide sequence present in the ILF3 (NF110) gene was used as the target sequence by RFLP assay to examine the base substitution efficiency by homologous recombination. bottom.

RFLPアッセイにおいて、ILF3(NF110)遺伝子中の標的位置を含む領域の増幅は、センスプライマー(配列番号51)及びアンチセンスプライマー(配列番号52)を使用したPCR反応により行った。 In the RFLP assay, amplification of the region containing the target position in the ILF3 (NF110) gene was performed by PCR reaction using sense primer (SEQ ID NO:51) and antisense primer (SEQ ID NO:52).

図16は、RFLPアッセイにおけるアガロースゲル電気泳動の結果を示す写真である。図16中、「ssODN」は一本鎖DNAドナーを表し、「HR」は相同組換えを表す。その結果、相同組換えによる遺伝子変異が導入されたアレルの割合は14.0±1.0%と測定された。 FIG. 16 is a photograph showing the results of agarose gel electrophoresis in RFLP assay. In Figure 16, "ssODN" represents single-stranded DNA donor and "HR" represents homologous recombination. As a result, the proportion of alleles into which gene mutation was introduced by homologous recombination was determined to be 14.0±1.0%.

[実験例16]
(HLA-A遺伝子座におけるゲノム編集効率の検討)
続いて、6番染色体上のHLA-A遺伝子中の塩基配列を標的配列としてゲノム編集効率を検討した。
[Experimental example 16]
(Examination of genome editing efficiency at HLA-A locus)
Subsequently, genome editing efficiency was examined using the nucleotide sequence in the HLA-A gene on chromosome 6 as the target sequence.

まず、配列番号6に記載の塩基配列を有するオリゴDNA及び配列番号7に記載の塩基配列を有するオリゴDNAを混合してPCR反応を行い、得られた増幅断片をトランスポゾンベクターに組み込み、ヒトのHLA-A遺伝子中に存在する塩基配列(配列番号3)を標的配列とするsgRNA発現ベクターを作製した。 First, an oligo DNA having the base sequence of SEQ ID NO: 6 and an oligo DNA having the base sequence of SEQ ID NO: 7 are mixed to perform PCR reaction, the resulting amplified fragment is incorporated into a transposon vector, and human HLA. An sgRNA expression vector was constructed with the base sequence (SEQ ID NO: 3) present in the A gene as the target sequence.

続いて、実験例5と同様にして、二重制御型Cas9発現ベクター及びsgRNA発現ベクターをiPS細胞に導入し、薬剤選択により、染色体安定導入細胞集団を得た。 Subsequently, in the same manner as in Experimental Example 5, a double-regulated Cas9 expression vector and an sgRNA expression vector were introduced into iPS cells, and a chromosome stably introduced cell population was obtained by drug selection.

続いて、得られたiPS細胞に、一本鎖DNAドナーを導入し、相同組換え効率を検討した。一本鎖DNAドナーとしては、配列番号38に示す塩基配列を有する一本鎖DNA(HLA-ssODN1)、及び配列番号39に示す塩基配列を有する一本鎖DNA(HLA-ssODN2)を使用した。 Subsequently, a single-stranded DNA donor was introduced into the obtained iPS cells, and homologous recombination efficiency was examined. Single-stranded DNA (HLA-ssODN1) having the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 38 and single-stranded DNA (HLA-ssODN2) having the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 39 were used as single-stranded DNA donors.

これらの一本鎖DNAドナーによる相同組換えが生じた場合、いずれもAvrII制限酵素サイトが生成される。また、これらの一本鎖DNAドナーのうち、HLA-ssODN2は、PAM配列に点変異(一塩基変異)を有し、相同組換え後に同じgRNAによって再切断が起こらないようにデザインした。 When homologous recombination occurs with these single-stranded DNA donors, an AvrII restriction enzyme site is generated. In addition, among these single-stranded DNA donors, HLA-ssODN2 has a point mutation (single nucleotide mutation) in the PAM sequence and was designed so that it would not be re-cut by the same gRNA after homologous recombination.

続いて、iPS細胞0.5×10個あたり3μgの一本鎖DNAドナーをそれぞれ導入し、培地中に終濃度2μMのDox及び終濃度1μMのDexを添加した。続いて、24~48時間培養後、各細胞からゲノムDNAを抽出し、RFLPアッセイにより、HLA-A遺伝子中に存在する塩基配列を標的配列とした、相相同組換えによる塩基置換効率を検討した。Subsequently, 3 μg of single-stranded DNA donor was introduced per 0.5×10 6 iPS cells, and Dox at a final concentration of 2 μM and Dex at a final concentration of 1 μM were added to the medium. Subsequently, after culturing for 24 to 48 hours, genomic DNA was extracted from each cell, and the base substitution efficiency by homologous recombination was examined by RFLP assay using the base sequence present in the HLA-A gene as the target sequence. .

RFLPアッセイにおいて、HLA-A遺伝子中の標的位置を含む領域のPCR増幅は、特異性を高めるためにNested-PCRにより行った。Nested-PCRでは、まず、センスプライマー(配列番号53)及びアンチセンスプライマー(配列番号54)を使用したPCR反応を行い、続いて、得られたPCR産物を鋳型としてセンスプライマー(配列番号55)及びアンチセンスプライマー(配列番号56)を使用したPCR反応を行った。 In the RFLP assay, PCR amplification of the region containing the target position in the HLA-A gene was performed by Nested-PCR to enhance specificity. In nested-PCR, first, a PCR reaction was performed using a sense primer (SEQ ID NO: 53) and an antisense primer (SEQ ID NO: 54), and then the resulting PCR product was used as a template for the sense primer (SEQ ID NO: 55) and A PCR reaction was performed using an antisense primer (SEQ ID NO:56).

図17は、RFLPアッセイにおけるアガロースゲル電気泳動の結果を示す写真である。図17中、「ssODN1」及び「ssODN2」は、それぞれ上述した一本鎖DNAドナーを表し、「HR」は相同組換えを表す。その結果、相同組換えによる遺伝子変異が導入されたアレルの割合は、39.8±2.6%及び31.3±2.2%であり、高効率で相同組換えによる遺伝子変異が導入されたことが明らかとなった。 FIG. 17 is a photograph showing the results of agarose gel electrophoresis in RFLP assay. In FIG. 17, "ssODN1" and "ssODN2" represent the single-stranded DNA donors described above, respectively, and "HR" represents homologous recombination. As a result, the ratio of alleles into which gene mutation was introduced by homologous recombination was 39.8±2.6% and 31.3±2.2%, indicating that gene mutation was introduced by homologous recombination with high efficiency. It became clear that

続いて、一本鎖DNAドナーとしてHLA-ssODN1を導入したサンプルのPCR産物をTAクローニングし、各クローンをサンガーシーケンスで確認した。その結果、10/18クローンで挿入欠損変異が観察されたが、7/18株で望み通りの相同組換え(Knock-in)が観察された。 Subsequently, PCR products of samples introduced with HLA-ssODN1 as a single-stranded DNA donor were TA cloned, and each clone was confirmed by Sanger sequencing. As a result, insertion deletion mutations were observed in 10/18 clones, but desired homologous recombination (knock-in) was observed in 7/18 strains.

[実験例17]
(ランダム変異の導入1)
上述した実施例の結果から、二重制御型Cas9発現ベクター及びsgRNA発現ベクターを導入したiPS細胞に、一本鎖DNAドナーを導入してゲノム編集を行うことにより、遺伝子変異導入後の細胞の薬剤選択や選別を行わなくても、高効率で相同組換えによる遺伝子変異導入株が得られることが明らかとなった。そこで、発明者らは、この技術を応用すれば、ゲノム配列のある特定箇所において、ランダム変異を導入可能であると考え、検討した。
[Experimental example 17]
(Introduction of random mutation 1)
From the results of the above-described Examples, by performing genome editing by introducing a single-stranded DNA donor into the iPS cells introduced with the double-regulatory Cas9 expression vector and the sgRNA expression vector, the drug of cells after gene mutation introduction It was found that a gene mutation-introduced strain can be obtained by homologous recombination with high efficiency without selection or sorting. Therefore, the inventors thought that it would be possible to introduce random mutations at specific sites in the genome sequence by applying this technique, and conducted studies.

まず、CRISPR-sgRNAのジストロフィン遺伝子切断箇所の近傍にランダムな塩基を2箇所導入した一本鎖DNAドナー(DMD-ssODN-NN1、配列番号40)を作製した。 First, a single-stranded DNA donor (DMD-ssODN-NN1, SEQ ID NO: 40) was prepared by introducing two random bases near the dystrophin gene cleavage site of CRISPR-sgRNA.

続いて、この一本鎖DNAドナーを、実験例5で作製したiPS細胞0.5×10個あたり12μg導入した。続いて、細胞の培地にDox及びDexを、それぞれ終濃度2μM及び1μMで添加し、相同組換えを誘導した。続いて、24~48時間培養後、各細胞からゲノムDNAを抽出し、標的位置を含む領域をPCR増幅してTAクローニングし、PCR産物の各クローンをサンガーシークエンスで解析した。Subsequently, 12 μg of this single-stranded DNA donor was introduced per 0.5×10 6 iPS cells produced in Experimental Example 5. Subsequently, Dox and Dex were added to the culture medium of the cells at final concentrations of 2 μM and 1 μM, respectively, to induce homologous recombination. Subsequently, after culturing for 24 to 48 hours, genomic DNA was extracted from each cell, the region containing the target position was amplified by PCR, subjected to TA cloning, and each clone of the PCR product was analyzed by Sanger sequencing.

図18(a)は、解析結果をまとめたグラフである。図18(a)中、「DMD locus」はジストロフィン遺伝子座を表し、「Randomized」はランダム変異を表し、「Indel」は挿入変異又は欠失変異を表し、「WT」は野生型の塩基配列を表す。 FIG. 18(a) is a graph summarizing the analysis results. In FIG. 18(a), "DMD locus" represents the dystrophin locus, "Randomized" represents random mutation, "Indel" represents insertion mutation or deletion mutation, and "WT" represents the wild-type base sequence. show.

その結果、15.9%のクローン(24/151)で何らかの挿入欠損が見られたものの、35.1%のクローン(53/151)で、ランダムな塩基置換が起こり、他の挿入欠損は存在しないことが確認された。 As a result, although 15.9% of clones (24/151) had some kind of insertion deletion, 35.1% of clones (53/151) had random base substitutions and other insertion deletions were present. confirmed not to.

図18(b)は、‘NNC’(ここで、Nは、アデニン(A)、チミン(T)、グアニン(G)又はシトシン(C)を表す。)の塩基配列からなるコドンがコードするアミノ酸を示す図である。図18(b)に示すように、‘NNC’の塩基配列からなるコドンの最初の二塩基にランダム変異を導入した結果、アミノ酸をコードするコドン配列を4=16通りに変化させることが可能である。FIG. 18(b) shows amino acids encoded by codons consisting of a base sequence of 'NNC' (where N represents adenine (A), thymine (T), guanine (G) or cytosine (C)). It is a figure which shows. As shown in FIG. 18(b), as a result of introducing random mutations into the first two bases of the codon consisting of the base sequence of 'NNC', it is possible to change the codon sequence encoding amino acids in 4 2 =16 ways. is.

図18(c)は、ランダム変異が導入されたクローンの塩基配列及び当該塩基配列によりコードされるアミノ酸配列を示す図である。文字の大きさが塩基又はアミノ酸の存在割合に対応する。その結果、ランダム変異の導入により、可能性のある全ての変異が導入されたことが明らかとなった。 FIG. 18(c) shows the base sequences of clones into which random mutations have been introduced and the amino acid sequences encoded by the base sequences. The size of letters corresponds to the abundance ratio of bases or amino acids. As a result, it was revealed that all possible mutations were introduced by introducing random mutations.

[実験例18]
(ランダム変異の導入2)
実験例17と同様の実験をHLA-A遺伝子に対して行った。まず、CRISPR-sgRNAのHLA-A遺伝子切断箇所の近傍にランダムな塩基を2箇所導入した一本鎖DNAドナー(HLA-ssODN-NN、配列番号41)を作製した。
[Experimental example 18]
(Introduction of random mutation 2)
An experiment similar to Experimental Example 17 was performed for the HLA-A gene. First, a single-stranded DNA donor (HLA-ssODN-NN, SEQ ID NO: 41) was prepared by introducing two random bases near the HLA-A gene cleavage site of CRISPR-sgRNA.

続いて、この一本鎖DNAドナーを、実験例16で作製したiPS細胞0.5×10個あたり6μg導入した。続いて、細胞の培地にDox及びDexを、それぞれ終濃度2μM及び1μMで添加し、相同組換えを誘導した。続いて、24~48時間培養後、各細胞からゲノムDNAを抽出し、標的位置を含む領域をPCR増幅してTAクローニングし、PCR産物の各クローンをサンガーシークエンスで解析した。Subsequently, 6 μg of this single-stranded DNA donor was introduced per 0.5×10 6 iPS cells produced in Experimental Example 16. Subsequently, Dox and Dex were added to the culture medium of the cells at final concentrations of 2 μM and 1 μM, respectively, to induce homologous recombination. Subsequently, after culturing for 24 to 48 hours, genomic DNA was extracted from each cell, the region containing the target position was amplified by PCR, subjected to TA cloning, and each clone of the PCR product was analyzed by Sanger sequencing.

HLA-A遺伝子中の標的位置を含む領域のPCR増幅は、まず、センスプライマー(配列番号53)及びアンチセンスプライマー(配列番号54)を使用したPCR反応を行い、続いて、得られたPCR産物を鋳型としてセンスプライマー(配列番号55)及びアンチセンスプライマー(配列番号56)を使用したNested-PCRにより行った。 PCR amplification of the region containing the target position in the HLA-A gene is performed by first performing a PCR reaction using a sense primer (SEQ ID NO: 53) and an antisense primer (SEQ ID NO: 54), followed by the resulting PCR product. was performed by Nested-PCR using a sense primer (SEQ ID NO: 55) and an antisense primer (SEQ ID NO: 56) as templates.

図19(a)は、解析結果をまとめたグラフである。図19(a)中、「HLA-A locus」はHLA-A遺伝子座を表し、「Randomized」はランダム変異を表し、「Indel」は挿入変異又は欠失変異を表し、「WT」は野生型の塩基配列を表す。 FIG. 19A is a graph summarizing the analysis results. In FIG. 19 (a), "HLA-A locus" represents the HLA-A locus, "Randomized" represents random mutation, "Indel" represents insertion or deletion mutation, and "WT" represents wild type. represents the base sequence of

その結果、15.8%のクローン(24/152)で何らかの挿入欠損が見られたものの、40.1%のクローン(61/152)で、ランダムな塩基置換が起こり、他の挿入欠損は存在しないことが確認された。 As a result, 15.8% of clones (24/152) had some insertion deletions, but 40.1% of clones (61/152) had random base substitutions and other insertion deletions were present. confirmed not to.

図19(b)は、‘NNC’(ここで、Nは、A、T、G又はCを表す。)の塩基配列からなるコドンがコードするアミノ酸を示す図である。図19(b)に示すように、‘NNC’の塩基配列からなるコドンの最初の二塩基にランダム変異を導入した結果、アミノ酸をコードするコドン配列を4=16通りに変化させることが可能である。FIG. 19(b) is a diagram showing amino acids encoded by codons consisting of a nucleotide sequence of 'NNC' (where N represents A, T, G or C). As shown in FIG. 19(b), as a result of introducing random mutations into the first two bases of the codon consisting of the base sequence of 'NNC', it is possible to change the codon sequence encoding amino acids in 4 2 =16 ways. is.

図19(c)は、ランダム変異が導入されたクローンの塩基配列及び当該塩基配列によりコードされるアミノ酸配列を示す図である。文字の大きさが塩基又はアミノ酸の存在割合に対応する。その結果、ランダム変異の導入により、可能性のある全ての変異が導入されたことが明らかとなった。 FIG. 19(c) is a diagram showing the base sequences of clones into which random mutations have been introduced and the amino acid sequences encoded by the base sequences. The size of letters corresponds to the abundance ratio of bases or amino acids. As a result, it was revealed that all possible mutations were introduced by introducing random mutations.

[実験例19]
(ランダム変異の導入3)
実験例17と同様の実験を、さらに多くの‘NN’配列を持つ一本鎖DNAドナーを用いて行った。まず、CRISPR-sgRNAのジストロフィン遺伝子切断箇所の近傍の2箇所、4箇所、6箇所又は8箇所にランダムな塩基を導入した一本鎖DNAドナー(DMD-ssODN-NN1~5、配列番号40、77~80)を作製した。
[Experimental example 19]
(Introduction of random mutation 3)
An experiment similar to Example 17 was performed using single-stranded DNA donors with more 'NN' sequences. First, a single-stranded DNA donor (DMD-ssODN-NN1 to 5, SEQ ID NO: 40, 77 ~80) were prepared.

続いて、これらの一本鎖DNAドナーを、それぞれ、実験例16で作製したiPS細胞0.5×10個あたり6μgずつ導入した。続いて、細胞の培地にDox及びDexを、それぞれ終濃度2μM及び1μMで添加し、相同組換えを誘導した。Subsequently, 6 μg of each of these single-stranded DNA donors was introduced per 0.5×10 6 iPS cells produced in Experimental Example 16. Subsequently, Dox and Dex were added to the culture medium of the cells at final concentrations of 2 μM and 1 μM, respectively, to induce homologous recombination.

続いて、48~72時間培養後、各細胞からゲノムDNAを抽出し、標的位置を含む領域をPCR増幅し、PCR産物の各DNA分子の塩基配列をIllumina社のHiSeqシーケンサーを用いて解析した。 Subsequently, after culturing for 48 to 72 hours, genomic DNA was extracted from each cell, the region containing the target position was amplified by PCR, and the base sequence of each DNA molecule of the PCR product was analyzed using an Illumina HiSeq sequencer.

図20は、解析結果をまとめたグラフである。図20中、「Randomized」はランダム変異を表し、「Indel」は挿入変異又は欠失変異を表し、「WT」は野生型の塩基配列を表す。その結果、一本鎖DNAドナーを導入した細胞において、5.3%から13.25%の配列でランダムな塩基置換が起こり、他の挿入欠損は存在しないことが確認された。 FIG. 20 is a graph summarizing the analysis results. In FIG. 20, "Randomized" represents random mutation, "Indel" represents insertion mutation or deletion mutation, and "WT" represents a wild-type nucleotide sequence. As a result, it was confirmed that random base substitutions occurred in 5.3% to 13.25% of the sequences in the cells introduced with the single-stranded DNA donor, and no other insertion defects were present.

また、図21は、ランダム変異が導入されたクローンの塩基配列及び当該塩基配列によりコードされるアミノ酸配列を示す図である。文字の大きさが塩基又はアミノ酸の存在割合に対応する。その結果、ランダム塩基配列を持つ一本鎖DNAドナーの導入により、塩基配列の2、4、6又は8箇所にランダム変異が導入され、その結果、アミノ酸配列の1、2、3又は4箇所にランダム変異が導入されたことが明らかとなった。 FIG. 21 is a diagram showing the base sequences of clones into which random mutations have been introduced and the amino acid sequences encoded by the base sequences. The size of letters corresponds to the abundance ratio of bases or amino acids. As a result, introduction of a single-stranded DNA donor having a random base sequence introduces random mutations at 2, 4, 6 or 8 positions in the base sequence, resulting in the introduction of random mutations at 1, 2, 3 or 4 positions in the amino acid sequence. It became clear that random mutations had been introduced.

[実験例20]
(ランダム変異の導入4)
実験例17と同様の実験を、ヒト胎児腎臓由来細胞株であるHEK293T細胞に対して行った。まず、いずれもpiggyBacトランスポゾンベクターである、二重制御型Cas9発現ベクター及びsgRNA発現ベクターをHEK293T細胞に導入した。HEK293T細胞は定法にしたがって培養した。sgRNA発現ベクターとしては、実験例1で使用したものと同様の、ジストロフィン遺伝子のエクソン45番に存在する塩基配列を標的配列とするものを使用した。
[Experimental example 20]
(Introduction of random mutation 4)
An experiment similar to Experimental Example 17 was performed on HEK293T cells, which are human embryonic kidney-derived cell lines. First, a dual regulatory Cas9 expression vector and an sgRNA expression vector, both piggyBac transposon vectors, were introduced into HEK293T cells. HEK293T cells were cultured according to standard methods. As the sgRNA expression vector, the same vector as used in Experimental Example 1, whose target sequence is the nucleotide sequence present in exon 45 of the dystrophin gene, was used.

続いて、終濃度1~15μg/mLのピューロマイシン(Cat.No.29455-54、ナカライテスク)又は終濃度100~200μg/mLハイグロマイシンB(Cat.No.10687-010、サーモフィッシャーサイエンティフィック社)を用いた約5日間の薬剤選択により、染色体安定導入細胞集団を得た。 followed by puromycin at a final concentration of 1-15 μg/mL (Cat. No. 29455-54, Nacalai Tesque) or hygromycin B at a final concentration of 100-200 μg/mL (Cat. No. 10687-010, Thermo Fisher Scientific). A population of cells stably transfected with chromosomes was obtained by drug selection for about 5 days.

続いて、CRISPR-sgRNAのDMD遺伝子切断箇所の近傍にランダムな塩基を2箇所導入した一本鎖DNAドナー(DMD-ssODN-NN1、配列番号40)を、上記で作製したHEK293T細胞0.5×10個あたり12μg導入した。Subsequently, a single-stranded DNA donor (DMD-ssODN-NN1, SEQ ID NO: 40) in which two random bases were introduced near the DMD gene cleavage site of CRISPR-sgRNA was added to HEK293T cells prepared above at 0.5 × 12 μg was introduced per 10 6 cells.

続いて、細胞の培地にDox及びDexを、それぞれ終濃度2μM及び1μMで添加し、相同組換えを誘導した。続いて、3~6日間培養後、各細胞からゲノムDNAを抽出し、標的位置を含む領域をPCR増幅してTAクローニングし、PCR産物の各クローンをサンガーシークエンスで解析した。 Subsequently, Dox and Dex were added to the culture medium of the cells at final concentrations of 2 μM and 1 μM, respectively, to induce homologous recombination. Subsequently, after culturing for 3 to 6 days, genomic DNA was extracted from each cell, the region containing the target position was amplified by PCR, subjected to TA cloning, and each clone of the PCR product was analyzed by Sanger sequencing.

図22(a)は、解析結果をまとめたグラフである。図22(a)中、「Randomized」はランダム変異を表し、「Indel」は挿入変異又は欠失変異を表し、「WT」は野生型の塩基配列を表す。その結果、42.4%のクローン(28/66)で何らかの挿入欠損が見られたものの、47.0%のクローン(31/66)で、ランダムな塩基置換が起こり、他の挿入欠損は存在しないことが確認された。 FIG. 22(a) is a graph summarizing the analysis results. In FIG. 22(a), "Randomized" represents random mutation, "Indel" represents insertion mutation or deletion mutation, and "WT" represents a wild-type nucleotide sequence. As a result, 42.4% of the clones (28/66) had some insertion deletions, but 47.0% of the clones (31/66) had random base substitutions and other insertion deletions were present. confirmed not to.

図22(b)は、‘NNC’(ここで、Nは、A、T、G又はCを表す。)の塩基配列からなるコドンがコードするアミノ酸を示す図である。図22(b)に示すように、‘NNC’の塩基配列からなるコドンの最初の二塩基にランダム変異を導入した結果、アミノ酸をコードするコドン配列を4=16通りに変化させることが可能である。FIG. 22(b) is a diagram showing amino acids encoded by codons consisting of a nucleotide sequence of 'NNC' (where N represents A, T, G or C). As shown in FIG. 22(b), as a result of introducing random mutations into the first two bases of the codon consisting of the base sequence of 'NNC', it is possible to change the codon sequence encoding amino acids in 4 2 =16 ways. is.

図22(c)は、ランダム変異が導入されたクローンの塩基配列及び当該塩基配列によりコードされるアミノ酸配列を示す図である。文字の大きさが塩基又はアミノ酸の存在割合に対応する。その結果、HEK293T細胞を用いた場合においても、ランダム塩基配列を持つ一本鎖DNAドナーの導入により、アミノ酸配列にランダム変異を導入できることが明らかとなった。 FIG. 22(c) is a diagram showing the base sequences of clones into which random mutations have been introduced and the amino acid sequences encoded by the base sequences. The size of letters corresponds to the abundance ratio of bases or amino acids. As a result, it was found that even when HEK293T cells are used, random mutations can be introduced into the amino acid sequence by introducing a single-stranded DNA donor having a random base sequence.

本発明によれば、標的配列に対する配列特異的DNA切断酵素の特異性を向上させる技術を提供することができる。
また、本発明によれば、標的配列に任意の配列を欠損、挿入、又は置換する技術を提供することができる。ここでいう任意の配列とは、自然界に存在する配列でもよいし、自然界に存在しない配列でもよい。
また、本発明によれば、疾患の原因と想定される遺伝子配列を導入することにより、又は疾患の原因と想定される遺伝子配列を修復して健常配列に変換することにより、疾患の原因を解明する技術を提供することができる。ここで、対象疾患としては、例えば、前述のHuman Gene Mutation Database(HGMD)に登録されている遺伝子変異及び疾患が挙げられるが、これに限定されない。
また、本発明によれば、複数の細胞に別々の任意の配列を挿入、又は置換する技術を提供することができる。そして、複数の細胞が別々の配列を持つことを利用して、細胞を個別に区別する技術を提供することができる。例えば、細胞で発現している遺伝子に、細胞を区別する配列を挿入又は置換した後に、シングルセルRNA-seq解析を行うことにより、シングルセルRNA-seqのデータがどの細胞から由来するものかをシーケンスデータから遡って解析することができる。
また、本発明によれば、疾患の原因とされる遺伝子配列を修復して健常配列に変換することにより、疾患を治療する技術を提供することができる。
INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a technique for improving the specificity of a sequence-specific DNA cleaving enzyme for a target sequence.
Moreover, according to the present invention, it is possible to provide techniques for deleting, inserting, or substituting arbitrary sequences into target sequences. The arbitrary sequence referred to herein may be a sequence that exists in nature or a sequence that does not exist in nature.
Further, according to the present invention, the cause of a disease can be elucidated by introducing a gene sequence presumed to be the cause of the disease, or by repairing the gene sequence presumed to be the cause of the disease and converting it into a healthy sequence. We can provide the technology to Here, target diseases include, but are not limited to, gene mutations and diseases registered in the aforementioned Human Gene Mutation Database (HGMD).
Moreover, according to the present invention, it is possible to provide a technique for inserting or substituting different arbitrary sequences into a plurality of cells. Then, by utilizing the fact that a plurality of cells have different sequences, it is possible to provide a technique for individually distinguishing cells. For example, single-cell RNA-seq analysis is performed after inserting or substituting a cell-discriminating sequence into a gene expressed in a cell to determine which cell the single-cell RNA-seq data originates from. Sequence data can be retroactively analyzed.
Moreover, according to the present invention, a technique for treating a disease can be provided by restoring a gene sequence that is thought to be the cause of the disease and converting it into a healthy sequence.

Claims (5)

配列特異的DNA切断酵素と核内受容体との融合タンパク質を、発現誘導型プロモーターの制御下で発現させることと、
前記融合タンパク質を核内移行させ、核内移行した前記融合タンパク質が配列特異的にゲノムDNAを切断し二本鎖DNA切断を形成することと、
DNA切断修復機構を利用して、前記二本鎖DNA切断を修復するとともに、前記二本鎖DNA切断の近傍に遺伝子変異を導入することと、を備え
前記遺伝子変異を導入することにおいて、ドナーDNAを共存させ、前記ドナーDNAは、前記ゲノムDNAの前記二本鎖DNA切断の位置を含む領域と配列同一性を有し、且つ前記ゲノムDNAの塩基配列に対して1~数個の所望の塩基変異を有し、
前記融合タンパク質の発現誘導の時間が48時間以内であり、
前期発現誘導が、前記ドナーDNAを共存させる12時間前から12時間後の間に開始される、遺伝子変異導入方法。
expressing a fusion protein of a sequence-specific DNA-cleaving enzyme and a nuclear receptor under the control of an expression-inducible promoter;
translocating the fusion protein into the nucleus, wherein the nuclear translocated fusion protein sequence-specifically cleaves genomic DNA to form double-stranded DNA breaks;
utilizing a DNA break repair mechanism to repair the double-stranded DNA break and introducing a genetic mutation in the vicinity of the double-stranded DNA break ;
In introducing the genetic mutation, a donor DNA is allowed to coexist, the donor DNA has sequence identity with a region containing the position of the double-stranded DNA break in the genomic DNA, and the nucleotide sequence of the genomic DNA. has 1 to several desired base mutations for
The expression induction time of the fusion protein is within 48 hours,
A method for introducing gene mutation , wherein prophase expression induction is initiated between 12 hours before and 12 hours after coexistence of the donor DNA .
前記所望の塩基変異がランダム変異を含む、請求項に記載の遺伝子変異導入方法。 2. The method for introducing gene mutation according to claim 1 , wherein the desired base mutation includes random mutation. 前記配列特異的DNA切断酵素がRNA誘導型ヌクレアーゼ又は人工ヌクレアーゼである、請求項1又は2に記載の遺伝子変異導入方法。 3. The method for introducing gene mutation according to claim 1 or 2 , wherein the sequence-specific DNA-cleaving enzyme is an RNA-guided nuclease or an artificial nuclease. 前記核内受容体がエストロゲン受容体又はグルココルチコイド受容体である、請求項1~のいずれか一項に記載の遺伝子変異導入方法。 4. The method for introducing gene mutation according to any one of claims 1 to 3 , wherein the nuclear receptor is an estrogen receptor or a glucocorticoid receptor. 前記発現誘導型プロモーターがドキシサイクリン誘導型プロモーターである、請求項1~のいずれか一項に記載の遺伝子変異導入方法。 The method for introducing gene mutation according to any one of claims 1 to 4 , wherein the expression-inducible promoter is a doxycycline-inducible promoter.
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