JP7244885B2 - 機能的なIncRNAをスクリーニングおよび同定するための方法 - Google Patents
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Description
本発明は、特定の実施形態に基づいて図面を参照して説明されるが、本発明はそれに限定されず、保護範囲は請求の範囲によって限定される。請求項の中の参照記号は、いずれも範囲を制限するものとして解釈されるべきではない。図面では、説明のため、一部の要素のサイズが誇張されており、縮尺通りに描かれていない場合がある。本明細書および請求の範囲において「含む」という用語が使用される場合、その他の要素またはステップを除外しない。単数の名詞を言及する時に「1つ」、「一種」または「これ」、「この」などのような表現が使用されるが、特に明記しない限り、これらの表現には当該名詞の複数形も含まれる。
本発明の方法は、スプライス部位を標的とするsgRNAを効果的に送達してエクソンスキッピングおよび/またはイントロン保持を引き起こすことで、コード遺伝子または非コード遺伝子のような遺伝子を干渉することに係る。IncRNAをコードする遺伝子の場合、この方法はIncRNAの機能に効果的に影響を与えることができる。
本発明の方法は、CRISPR/Casシステムを利用する。Cas9は、微生物由来のタイプII CRISPR(クラスター化された規則的に間隔を空けた短いパリンドロームリピート)システムであり、単一のガイドRNA(gRNA)とペアになった時DNAを切断することが示されている。gRNAは17~21bpの配列を含み、Cas9をゲノム内の相補領域へガイドするので、二本鎖切断(DSB)部位を特異的に生成することが可能になり、細胞の非相同末端結合(NHEJ)メカニズムによってエラーが発生しやすい方法で修復される。Cas9は主に、gRNA配列の後にPAM配列(-NGG)であるゲノム部位を切断する。NHEJを介したCas9誘導DSBの修復は、切断部位に様々な異なる変異を誘導し、前記切断部位は通常、より小さい(<10bp)挿入/削除(indel)であるが、より大きい(>100bp)挿入/削除(indel)および単一の塩基変化を含むこともできる。
本分野で知られているように、CRISPR/Casシステムヌクレアーゼは、RNAをガイドしてゲノムDNAを切断する必要がある。これらのガイドRNAは、(1)CRISPR/Casシステムヌクレアーゼを配列特異的にゲノム部位を標的とする、可変配列(ガイド配列)の19~21ヌクレオチドスペーサー(ガイド)と、(2)ガイドRNA間で恒常であり、ガイドRNAとCRISPR/Casシステムヌクレアーゼとの結合を可能にする不変のヘアピン配列とから構成される。CRISPR/Casヌクレアーゼの存在下で、ガイドRNAは、細胞内でCRISPR/Casベースのゲノム切断イベントをトリガーする。
一部の実施形態では、本発明は、ガイドRNA構築体に係る。前記ガイドRNA構築体は、(1)ガイド配列および(2)ガイドRNAヘアピン配列、並びに選択されていてもよい(3)ガイドRNAの転写を開始することができるプロモーター配列を含み得る。ガイドRNAヘアピン配列の非限定的な例として、Chen et al.,Cell.2013 Dec 19;155(7):1479-91に記載のFEヘアピン配列が挙げられる。プロモーターの例として、ヒトU6プロモーターが挙げられる。
一部の実施形態では、CRISPR/CasヌクレアーゼはタイプII CRISPR/Casヌクレアーゼである。一部の実施形態では、CRISPR/CasヌクレアーゼはCas9ヌクレアーゼである。一部の実施形態では、Cas9ヌクレアーゼは、肺炎連鎖球菌、化膿性連鎖球菌、または好熱連鎖球菌Cas9であり、これらの生物に由来する変異Cas9を含むことができる。前記ヌクレアーゼは、Cas9の機能的に同等の変異体であってもよい。一部の実施形態では、前記CRISPR/Casヌクレアーゼは、真核細胞で発現するためにコドン最適化されている。一部の実施形態では、CRISPR/Casヌクレアーゼは、標的配列の位置で1つまたは2つの鎖の切断を引き起こす。CRISPR/Casシステムヌクレアーゼは、Cas9とCpflを含むが、これらに限定されない。
一部の実施形態では、レポーター遺伝子は、CRISPR/Casメカニズムを使用して細胞に組み込むことができる。例えば、プロモーター(例えば、U6プロモーター)、ガイドRNAヘアピン配列、および所望のゲノムの遺伝子座を標的とするガイド配列を含むプラスミドのような発現ベクターを使用可能であり、前記遺伝子座は、前記レポーター構築体に組み込まれる。このような発現ベクターは、ガイド配列を他の要素を含む発現構築体にクローニングすることによって調製することができる。レポータータンパク質コード配列を含むDNAフラグメントを生成することができ、レポータータンパク質コード配列に隣接する相同性アームに含まれるようにその後に修飾される。ガイドRNA発現ベクター、レポータータンパク質をコードする配列を含む増幅されたDNAフラグメントおよびCRISPR/Casヌクレアーゼ(またはヌクレアーゼをコードする発現ベクター)を宿主細胞に(例えば、エレクトロポレーションを介して)導入する。発現ベクターは、発現ベクターに首尾よく感染した細胞を濃縮するために、抗生物質耐性マーカーなどの追加の選択マーカーをさらに含むことができる。レポータータンパク質を発現する細胞をさらに選択することができる。
「ベクター」という用語は、それに結合した別の核酸を輸送できる核酸分子を指す。ベクターは、一本鎖、二本鎖、または部分的に二本鎖の核酸分子;1つまたは複数の自由端を含む、自由端を含まない(例えば、環状)核酸分子;DNA、RNA、またはその両方を含む核酸分子;および本分野で知られている他の様々なポリヌクレオチドを含むが、これらに限定されない。ベクターの1つのタイプは「プラスミド」であり、これは、標準的な分子クローニング技術のように、追加のDNAセグメントが挿入される環状二本鎖DNAループを指す。一部のベクターは、それらが導入された宿主細胞で自己複製することができる(例えば、細菌の複製開始点を有する細菌ベクターおよびエピソーム哺乳動物ベクター)。宿主細胞に導入されると、他のベクター(例えば、非エピソーム哺乳動物ベクター)が宿主細胞のゲノムに組み込まれ、これによって宿主ゲノムと共複製する。また、一部のベクターは、操作可能に連結された遺伝子の発現をガイドすることができる。このようなベクターは、本文では「発現ベクター」と呼ばれる。組換えDNA技術における発現ベクターは、しばしばプラスミドの形をとる。
実際、インビトロで培養でき、しかも本文に記載のように修飾できる限り、任意の真核細胞タイプを宿主細胞として使用することができる。好ましくは、前記宿主細胞は、予め確立された(pre-established)細胞株である。前記宿主細胞と細胞株は、ヒト細胞または細胞株、若しくは非ヒト、哺乳動物細胞または細胞株であってもよい。
材料と方法
1、細胞と試薬
Z.Jiang実験室(北京大学)からのHeLa細胞株は、Dulbecco’s modified Eagle’s培地(DMEM,Gibco C11995500BT)で培養した。S.Cohen実験室(スタンフォード大学医学部)からのHuh7.5細胞株は、1%MEM非必須アミノ酸(NEAA,Gibco 1140-050)を添加したDMEM(Gibco)で培養した。H.Wu実験室(北京大学)からのK562細胞とCoriellセルバンクからのGM12878細胞は、RPMI1640培地(Gibco11875-093)で培養した。すべての細胞に、10%ウシ胎児血清(FBS、CellMax BL102-02)および1%ペニシリン/ストレプトマイシンを補充し、37℃、5%CO2で培養した。
sgRNAをCMVプロモーターによって駆動されるmCherryマーカーを持つレンチウイルス発現ベクターにクローニングし、そしてHeLaOC細胞(非特許文献1-4)をMOI<1でウイルス感染により形質導入し、感染して72時間後に、mCherry陽性細胞をFACSで選別し、RNAprep精製細胞/細菌キット(TIANGEN DP430)を使用して各サンプルから総RNAを抽出した。Quantscript RTキット(TIANGEN KR103-04)を使用して2μgの総RNAからcDNAを合成し、TransTaq HiFi DNAポリメラーゼ(TransGen AP131-13)を使用してRT-PCR反応を実施した。
RPL18またはRPL11遺伝子を標的とするsgRNA配列:
sgRNA1RPL18:5’-GGACCAGCCACTCACCATCC(配列番号1)
sgRNA2RPL18:5’-AGCTTCATCTTCCGGATCTT(配列番号2)
sgRNA3RPL11:5’-TCCTTGTGACTACTCACCTT(配列番号3)
sgRNA4RPL11:5’-AACTCATACTCCCGCACCTG(配列番号4)
RT-PCRに使用されるプライマー:
1F:5’-CTGGGTCTTGTCTGTCTGGAA(配列番号5);
1R:5’-CTGGTGTTTACATTCAGCCCC(配列番号6);
2F:5’-GGCCAGAAGAACCAACTCCA(配列番号7);
2R:5’-GACAGTGCCACAGCCCTTAG(配列番号8);
3F:5’-TCAAGATGGCGTGTGGGATT(配列番号9);
3R:5’-GACCAGCAAATGGTGAAGCC(配列番号10);
4F:5’-GATCCTTTGGCATCCGGAGA(配列番号11);
4R:5’-GCTGATTCTGTGTTTGGCCC(配列番号12)。
79のリボソーム遺伝子の注釈をNCBIから検索した。これらの79の遺伝子を標的とするすべての潜在的なsgRNAを、各5’SD部位周辺の-50bp~+75bp、および各3’SA部位周辺の-75bp~+50bpの領域でスキャンした。前記遺伝子は、
RPL10、RPL10A、RPL11、RPL12、RPL13、RPL13A、RPL14、RPL15、RPL17、RPL18、RPL18A、RPL19、RPL21、RPL22、RPL22L1、RPL23、RPL23A、RPL24、RPL26、RPL26L1、RPL27、RPL27A、RPL28、RPL29、RPL3、RPL30、RPL31、RPL32、RPL34、RPL35、RPL35A、RPL36、RPL36A、RPL36AL、RPL37、RPL37A、RPL38、RPL39、RPL39L、RPL3L、RPL4、RPL41、RPL5、RPL6、RPL7、RPL7A、RPL7L1、RPL8、RPL9、RPS10、RPS11、RPS12、RPS13、RPS14、RPS15、RPS15A、RPS16、RPS19、RPS2、RPS20、RPS21、RPS23、RPS24、RPS25、RPS26、RPS27、RPS27A、RPS27L、RPS28、RPS29、RPS3、RPS3A、RPS4X、RPS4Y1、RPS4Y2、RPS5、RPS6、RPS7、RPS8を含む。すべてのsgRNAが、ヒトゲノム内の他の遺伝子座と少なくとも2つのミスマッチを持つことを確保した。ライブラリー内のsgRNAの自然な切断効率を示すために、GC含有量を設計で考慮しなかった。CustmoArray 12Kアレイチップ(CustmoArray,Inc.)を使用して、79個のリボソーム遺伝子を標的とする合計5,788個のsgRNAを合成した。ここでは、79個のリボソーム遺伝子のうちRPL18遺伝子を例として使用して、sgRNAの設計を説明する。
14,470個のIncRNAを含むGENCODEデータセットV20からIncRNAの注釈を検索した。このデータセットにおいて、第一フィルタリングステップでは、スプライス部位のない2477個のIncRNAを除去した。残りのIncRNAについて、各5’SD部位および3’SA部位周辺の-10bp~+10bpの領域を標的とするすべての潜在的な20-nt sgRNAを設計した。切断効率と特異性を確保するために、ゲノム内の他の遺伝子座と少なくとも2つのミスマッチがあり、GC含有量が20%~80%のsgRNAのみを保持し、4bp T以上のヌクレオチドホモポリマーを含むsgRNAを除去した。最良のカバレッジを達成するために、K562細胞株のいずれか必須遺伝子(非特許文献15)を標的とせず、ミスマッチ部位の総数が2未満である限り、他の遺伝子座と1bpまたは0bpのミスマッチを持つ一部のsgRNAを保持した。最後に、10,996個のIncRNAを標的とする合計126,773個のsgRNAを合成した。このライブラリーには、500個のヒトゲノム中の非標的sgRNAをネガティブコントロールとしてふくめ、36の必須リボソーム遺伝子を標的とする350個のsgRNAをポジティブコントロールとして含めた。CustmoArray 90Kアレイチップ(CustmoArray,Inc.)を使用してオリゴヌクレオチドを合成し、ライブラリーの構築は上記の通りであった。
2回の重複でそれぞれ合計5×108個のK562細胞を175cm2フラスコ(Corning 431080)に播種した。24時間後、細胞をMOIが0.3未満(1000倍のカバレッジ)のsgRNAライブラリーレンチウイルスに感染させた。感染の48時間後、ライブラリー細胞をプロマイシン(3μg/ml;Solarbio P8230)で2日間処理した。各重複について、ゲノム抽出のために、0日目の対照サンプルとして合計1.3×108個の細胞を収集した。ウイルス感染の30日後、ゲノム抽出トNGS分析のために1.3×108個の細胞を単離した(非特許文献4、9)。
シーケンス読み取りをhg38参照ゲノムにマッピングし、自家製のスクリプトによってデコードした。2つの重複のsgRNAカウントに対してクオンタイル正規化を実行してから、平均カウントおよび試験と対照群間の倍数変化を計算した。10個のネガティブコントロールsgRNA(各遺伝子置換)をランダムに選択することにより、1000個のネガティブコントロール遺伝子を生成した。そして、次の基準に基づいてノイズsgRNAをフィルタリングした:1回の重複でのsgRNAの倍数変化が、ポジティブコントロールsgRNAの平均倍数変化よりも低く、別の重複でネガティブコントロールsgRNAの平均倍数変化よりも高い場合、sgRNAをフィルタリングされたノイズsgRNAと見なす。ノイズフィルタリング後、各IncRNAについて、ネガティブコントロールと比較したsgRNAの倍数変化をWilcoxテストを通じて比較し、偽陽性率を減少するように、ネガティブコントロールによって生成された経験的分布を使用してp値を修正した。最終的に、スクリーンスコアを次のように定義した:スクリーンスコア=スケール(-lоg10(修正されたp値))+|スケール(lоg2(sgRNA倍数変化))|。スクリーンスコアが2を超えるヒットを必須のIncRNAとして識別した。
上位2つのsgRNAを、スプライシング戦略の検証のためにライブラリーから選択した。前記sgRNAは、ゲノム内の他の遺伝子座に対して少なくとも2つのミスマッチを持つ。pgRNA削除戦略について、pgRNAが各IncRNAのプロモーターと最初のエクソンを削除するように設計された。次の原則に基づいてgRNAペアを設計した:(1)1つのsgRNAは転写開始部位(TSS)の上流の2.5~3.5kb領域を標的とし、もう1つはTSSの下流の0.2~1.5kb領域を標的とする;(2)コードまたは非コード遺伝子のエクソンまたはプロモーターと重複することを避ける。前記pgRNAペアの各sgRNAについて、(1)GC含有量が45%~70%であること、(2)sgRNAに4bp以上のホモポリマーが含まれていないこと、および(3)sgRNAには、ヒト遺伝子座の他の遺伝子座と2つを超えるミスマッチが含まれていることをさらに確保する。他の遺伝子座と2つのミスマッチを持っているが、オフターゲットサイトが2つ未満のsgRNAをいくつか含めた。
検証対象の選択されたIncRNAを標的とするすべてのsgRNAまたはpgRNAを、CMVプロモーターによって駆動されるEGFPタグを備えたレンチウイルスベクターに単独にクローニングした。ウイルスパッケージング後、sgRNAまたはpgRNAレンチウイルスを1.0未満のMOIでK562またはGM12878細胞に形質導入した。細胞増殖試験は、前の文献に記載された通りであった(非特許文献9)。
IncRNA MIR17HGおよびBMS1P20のスプライス部位を標的とする2つのsgRNAをそれぞれ、EGFPタグを備えたレンチウイルスベクターにクローニングした。sgRNAをレンチウイルス感染(MOI<1)を介してK562またはGM12878細胞に送達した。感染の5日後、2×106個のEGFP陽性K562またはGM12878細胞をFACSで選別した。RNeasy Miniキット(QIAGEN 78254)を使用して各サンプルの総RNAを抽出し、NEBNext PolyA mRNA Magnetic Isolation Module(NEB E7490S)、NEBNext RNA First Strand Synthesis Module(NEB E7525S)、NEBNext mRNA Second Strand Synthesis Module(NEB E6111S)、およびIlluminaに用いられるNEBNext Ultra DNA Library Prepキット(NEB E7370L)に従ってRNA-seqライブラリーを調製した。Illumina HiSeq X Tenプラットフォーム(Genetron Health)を使用してすべてのサンプルについてNGS分析をした。ディープシーケンシングリードをhg38参照ゲノムにマッピングし、RSEM v1.2.25(非特許文献30)によって遺伝子発現を定量化した。EBSeqバージョン1.10.0(非特許文献31)によって差次的発現分析を行い、差次的発現遺伝子について、自己修正されたP値が0.05未満、しかも絶対lоg2(倍数変化)が3を超えたものを選択した。DAVID6.8(非特許文献32)によって遺伝子オントロジー(Gene Ontology)とKEGG分析を実行した。
公知常識と一致して、スプライス部位をマークする保存的な配列が存在する。Weblogo3ツール(非特許文献33)を使用したバイオインフォマティクス分析では、ヒトゲノムの中の約99%のイントロン領域が5’スプライスドナー(SD)部位でGTに隣接し、3’スプライスアクセプター(SA)部位でAGに隣接していることは示されている。なお、AG配列は主にSD部位のすぐ上流のエクソンの最後の2つの塩基として存在する(図1のa)。エクソンスキッピングおよび/またはイントロン保持の生成におけるsgRNAの有効性を確認するために、細胞成長と増殖に不可欠な2つのリボソーム遺伝子RPL18とRPL11のSDまたはSA部位を標的とするsgRNAを設計した。Cas9およびOCT1遺伝子(非特許文献4)を安定して発現するHeLa細胞で、SD部位を標的とするsgRNA1RPL18およびSA部位を標的とするsgRNA2RPL18が、ゲノム内のRPL18遺伝子座でそれぞれイントロン3保持とエクソン4スキッピングを生成したことは、逆転写PCR(RT-PCR)およびSangerシーケンシング分析によって確認された。RPL11遺伝子に対する同様の試みから同じ結果が得られ、sgRNA3RPL11とsgRNA4RPL11はRPL11遺伝子座でそれぞれイントロン2保持とエクソン4スキッピングを生成した。図1のbは、スプライスドナー(SD)またはスプライスアクセプター(SA)部位を標的とするsgRNAによって誘導されるイントロン保持とエクソンスキッピングを示している。
Claims (8)
- 長鎖ノンコーディングRNAのスプライス部位周辺のゲノム配列を標的とする、プロモーターに操作可能に連結されたガイド配列とプロモーターに操作可能に連結されたガイドヘアピン配列とを含み、前記ガイド配列は、長鎖ノンコーディングRNAのSD部位またはSA部位周辺の-30bp~+30bpの領域のゲノム配列を標的とする、真核細胞のゲノム中で長鎖ノンコーディングRNAを干渉するためのCRISPR/CasガイドRNA構築体を複数含むライブラリー。
- 前記CRISPR/CasガイドRNA構築体はウイルスベクターまたはプラスミドである、請求項1に記載のライブラリー。
- 長鎖ノンコーディングRNAのスプライス部位周辺のゲノム配列を標的とする、プロモーターに操作可能に連結されたガイドRNAとガイドヘアピン配列とを含むCRISPR/CasガイドRNA構築体を宿主細胞に導入することと、
前記ゲノム配列を標的とする前記ガイドRNAを前記宿主細胞において発現させ、CRISPR/Casヌクレアーゼの存在下で前記長鎖ノンコーディングRNAにエクソンスキッピングおよび/またはイントロン保持を導入してから前記長鎖ノンコーディングRNAの機能プロファイルを決定することと
を含み、前記ガイドRNAのガイド配列は、長鎖ノンコーディングRNAのSD部位またはSA部位周辺の-30bp~+30bpの領域のゲノム配列を標的とし、
前記宿主細胞が宿主細胞集団内にあり、各宿主細胞が独立してユニークなガイドRNA構築体を含む、
長鎖ノンコーディングRNAの機能プロファイルを決定するための方法。 - 前記機能プロファイルは、細胞表現型の変化および/またはコード遺伝子または非コード遺伝子の発現の増加または減少を含む、請求項3に記載の方法。
- 前記コード遺伝子は、外因性レポーター遺伝子またはゲノム内の元のコード遺伝子である、請求項4に記載の方法。
- 真核細胞ゲノム中で長鎖ノンコーディングRNAをスクリーニングまたは同定するためのハイスループット方法である、請求項3~5のいずれか1項に記載の方法。
- 長鎖ノンコーディングRNAの1つまたは複数のスプライス部位周辺の1つまたは複数のポリヌクレオチド配列を標的とする1つまたは複数のCRISPR/CasガイドRNAを真核細胞に導入し、これによって1つまたは複数のガイドRNAは、長鎖ノンコーディングRNAの1つまたは複数のスプライス部位周辺の1つまたは複数のポリヌクレオチド配列を標的とし、Casタンパク質の存在下で前記1つまたは複数のポリヌクレオチド配列を切断し、長鎖ノンコーディングRNAのイントロン保持および/またはエクソンスキッピングをもたらし、これによって長鎖ノンコーディングRNAの機能を干渉または排除することを含む、真核細胞における長鎖ノンコーディングRNAの機能を干渉または排除するための方法であって、前記ガイドRNAのガイド配列は、長鎖ノンコーディングRNAのSD部位またはSA部位周辺の-30bp~+30bpの領域のポリヌクレオチド配列を標的とする、方法(但し、人間の生体内にある細胞にCRISPR/CasガイドRNAを導入する方法を除く)を使用して腫瘍細胞の成長または増殖に必要なIncRNAを同定および破壊して腫瘍細胞の成長または増殖を阻害することを含む、長鎖ノンコーディングRNA(IncRNA)の機能を干渉することによって腫瘍細胞の成長または増殖を阻害する方法。
- 前記腫瘍細胞の成長または増殖に必要なIncRNAは、XXbac-B135H6.15、RP11-848P1.5、AC005330.2、AP001062.9、AP005135.2、RP11-867G23.4、LINC01049、DGCR5、RP11-509A17.3、CTB-25J19.1、CTD-2517M22.17、CROCCP2、AC016629.8、CTC-490G23.4、RP11-117D22.1、AC067969.2、RP11-251M1.1、AC004471.9、AC004471.10、AC002472.11、RP11-429J17.7、RP11-56N19.5、TMEM191A、LL22NC03-102D1.18、LINC00410、LL22NC03-23C6.13、RP11-83J21.3、RP11-544A12.4、ANKRD62P1-PARP4P3、CTD-2031P19.5、XXbac-B444P24.8、RP11-464F9.21、TPTEP1、MIR17HG、およびBMS1P20からなる群より選択される、請求項7に記載の方法。
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