KR102258713B1 - 사이토신 염기교정용 조성물 및 이의 용도 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 사이토신 염기교정용 조성물에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 아데닌 탈아미노화효소 (adenine deaminase) 및 Cas9 (CRISPR associated protein 9) 단백질 또는 이의 기능적 유사체를 포함하는, 사이토신 염기교정용 조성물로서 좁은 교정 윈도우를 가져 타겟 서열 내의 사이토신을 정확하게 다른 염기로 교정할 수 있는 조성물에 관한 것이다.
본 발명자들은 아데닌 탈아미노화효소 (adenine deaminase) 및 Cas9 (CRISPR associated protein 9) 단백질 또는 이의 기능적 유사체를 포함하는, 사이토신 염기교정용 조성물을 타겟 서열에 적용하면 특정 모티프 상의 사이토신이 다른 염기로 치환되는 것을 규명하였으며, 기존의 아데닌 염기교정 유전자가위 (ABEs)가 아데닌 뿐만 아니라 사이토신의 교정이 가능함을 확인하고, 기존의 사이토신 염기교정 유전자가위 (CBEs)와 비교할 때 보다 높은 정확도로 상기 치환이 발생하는 것을 확인하였는바 본 발명에 따른 사이토신 염기교정용 조성물은 유전질환의 치료 및 유전질환의 연구에 유용하게 이용될 것으로 기대된다.

Description

사이토신 염기교정용 조성물 및 이의 용도{composition for the cytosine base editing and use thereof}
본 발명은 사이토신 염기교정용 조성물에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 아데닌 탈아미노화효소 (adenine deaminase) 및 Cas9 (CRISPR associated protein 9) 단백질 또는 이의 기능적 유사체를 포함하는, 사이토신 염기교정용 조성물로서 좁은 교정 윈도우 범위를 가져 타겟 서열 내의 사이토신을 정확하게 다른 염기로 교정할 수 있는 조성물에 관한 것이다.
현재의 유전체 교정 (Genome Editing, Genome Engineering)은 교정하고자 하는 특정 유전자의 특정 위치의 이중나선 절단 (Double Strand Break)을 통해 DNA 수선 (DNA repair) 과정에서 유도되는 불완전 수선에 의한 삽입결실 (Insertion-Deletion; Indel) 돌연변이를 유도시키는 NHEJ (Non-Homologous End Joining) 기작에 의한 방법 및 주변에 상동성 DNA가 존재할 때 일어나는 상동 재조합 (Homologous Recombination)에 의한 방법이 존재한다. 한편, 최근 DNA의 절단 없이도 유전체를 교정할 수 있는 염기교정 유전자가위 (Base Editors)가 개발되었으며, 그 예로 아데닌 염기교정 유전자가위 (Adenine Base Editors, ABEs) 및 사이토신 염기교정 유전자가위 (Cytosine Base Editors, CBEs)가 있다. 사이토신 염기교정 유전자가위는 자연 유래의 사이토신 탈아미노화효소 (Cytosine Deaminase)를 dCas9 또는 nCas9에 융합시켜 구축하고, 유전자의 절단이나 추가적인 도너 (donor) DNA의 삽입 없이도 사이토신을 티민으로 교정할 수 있다. 반면에 아데닌 염기교정 유전자가위 (Adenine Base Editors)는 RNA 대신에 DNA를 타겟으로 하는, 인위적으로 변형시킨 아데노신 탈아미노화효소 (Adenosine Deaminase)를 Cas9 변이체 (variants)에 융합시켜 구축하고, 아데닌을 구아닌으로 교정할 수 있다고 학계에 보고된 바 있다. 상기 유전자가위는 난치성 유전질환 연구와 치료에 진전을 가져올 도구로 주목을 받고 있으며, 유전자 교정기법으로 널리 활용하기 위해 아데닌 염기교정 유전자가위의 정확성을 연구 중인 것으로 보고된다.
그러나 난치성 유전질환의 치료를 위해 종래 사용되었던 아데닌 염기교정 유전자가위나 사이토신 염기교정 유전자가위는 특정 염기, 예를 들면 아데닌이나 사이토신, 만을 교정하여 효율성 및 경제성이 떨어진다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명자들은 아데닌 탈아미노화효소 (adenine deaminase) 및 Cas9 (CRISPR associated protein 9) 단백질 또는 이의 기능적 유사체를 포함하는, 사이토신 염기교정용 조성물을 타겟 서열에 적용하면 특정 모티프 상의 사이토신이 다른 염기로 치환되는 것을 최초로 규명하였으며, 이에 기초하여 본 발명을 완성하였다.
이에, 본 발명은 아데닌 탈아미노화효소 (adenine deaminase) 및 Cas9 (CRISPR associated protein 9) 단백질 또는 이의 기능적 유사체를 포함하는, 사이토신 염기교정용 조성물의 제공을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 사이토신 염기교정용 조성물을 타겟 서열과 접촉시키는 단계를 포함하는, 사이토신 염기교정 방법의 제공을 다른 목적으로 한다.
그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
아데닌 탈아미노화효소 (adenine deaminase) 및 Cas9 (CRISPR associated protein 9) 단백질 또는 이의 기능적 유사체를 포함하는, 사이토신 염기교정용 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 구현예로 상기 염기교정용 조성물은 사이토신을 아데닌, 구아닌 및 티민으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 염기로 치환할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예로 상기 염기교정용 조성물의 교정 윈도우 (editing window)는 타겟 서열의 5'말단으로부터 4번째에 위치한 사이토신 내지 8번째에 위치한 사이토신 범위일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예로 상기 사이토신은 타겟 서열상에서 5'방향에 위치한 티민과 직접적으로 인접하는 사이토신일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예로 상기 염기교정용 조성물은 ABE6.3, ABE7.8, ABE7.9, ABE 7.10 및 ABEmax로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 염기교정용 조성물을 타겟 서열과 접촉시키는 단계를 포함하는, 사이토신 염기교정 방법을 제공한다.
본 발명자들은 아데닌 탈아미노화효소 (adenine deaminase) 및 Cas9 (CRISPR associated protein 9) 단백질 또는 이의 기능적 유사체를 포함하는, 사이토신 염기교정용 조성물을 타겟 서열에 적용하면 특정 모티프 상의 사이토신이 다른 염기로 치환되는 것을 규명하였으며, 기존의 아데닌 염기교정 유전자가위 (ABEs)가 아데닌 뿐만 아니라 사이토신의 교정이 가능함을 확인하고, 기존의 사이토신 염기교정 유전자가위 (CBEs)와 비교할 때 보다 높은 정확도로 상기 치환이 발생하는 것을 확인하였는바 본 발명에 따른 사이토신 염기교정용 조성물은 유전질환의 치료 및 유전질환의 연구에 유용하게 이용될 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명에 따른 조성물에 의한 염기교정의 특이성에 관한 개략도를 나타낸 것이다.
도 2는 타겟 서열의 기 정의된 교정 윈도우 범위 내에서 본 발명에 따른 조성물에 의한 염기의 치환율을 정량화한 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 FANCF, RNF2 유전자의 타겟 부위 내 각 위치에서 뉴클레오티드의 빈도를 나타낸 것이다. 여기서, 예상 뉴클레오티드 빈도는 파란색으로 음영 표시하였고, 치환되는 뉴클레오티드의 빈도는 주황색으로 음영 표시하였으며, PAM (Protospacer adjacent motif) 서열은 빨간색으로 표시하였다.
도 4는 FANCF 및 RNF2의 A4 및 C6 부위에서 본 발명에 따른 조성물 (ABE6.3, ABE 7.8, ABE 7.9, ABE 7.10 버전)에 의해 유도된 염기 치환율을 분석한 결과를 나타낸 것이다 (* p < 0.1, ** p < 0.001, (n = 3, ± S.D.)).
도 5는 본 발명에 따른 조성물의 사이토신 치환율 및 치환된 생성물의 비율에 대한 UGI의 영향을 확인한 결과를 나타낸 것이다 (사이토신 치환율 ** p < 0.01. (n = 3, ± S.D.), 치환된 생성물의 비율 p < 0.001).
도 6은 염기교정에 있어서, 서열 모티프 (motif)를 차세대염기서열분석 (NGS)을 통해 확인한 결과를 나타낸 것이며, 여기서 C* 위치는 타겟 부위의 5' 말단으로부터 하류 (downstream) 6번째에 고정되었다.
도 7은 직접적으로 인접한 상류 (upstream) 염기에 의한 사이토신(C*)의 변환율 의존성을 확인한 결과를 나타낸 것이며, 여기서 C* 위치는 타겟 부위의 5' 말단으로부터 하류 (downstream) 6번째에 고정되었다.
도 8은 직접적으로 인접한 하류 (downstream) 염기에 의한 사이토신(C*)의 변환율 의존성을 확인한 결과를 나타낸 것이며, 여기서 C* 위치는 타겟 부위의 5' 말단으로부터 하류 (downstream) 6번째에 고정되었다.
도 9는 사이토신 교정이 유도된 타겟 서열을 기초로 만들어진 전산적인 모티프 (de novo motif) 분석 데이터를 나타낸 것이며, 여기서 C* 위치는 타겟 부위의 5' 말단으로부터 하류 (downstream) 6번째에 고정되었다.
도 10은 BIRC7 및 ABHC12의 타겟 부위 내 각 위치에서의 염기 치환율을 확인한 결과를 나타낸 것이다 (* p < 0.1, ** p < 0.001, (n = 3, ± S.D.)).
도 11은 사이토신의 염기교정 윈도우를 차세대염기서열분석 (NGS)을 통해 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 12는 교정 윈도우에서의 사이토신 위치에 따른 사이토신 치환율 의존성을 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 13은 BE3 및 본 발명에 따른 조성물의 사이토신 교정 윈도우를 비교한 결과를 나타낸 것이다 (* p < 0.05, (n = 2, ± S.D.)).
도 14는 여러 세포주 (HEK293T, HeLa, U-2 OS, K-562)에서 본 발명에 따른 조성물 (ABEmax 버전)의 사이토신 교정 효율을 확인한 결과를 나타낸 것이다 (n = 3, ± S.D.).
도 15는 시험관 내에서 본 발명에 따른 조성물이 타겟 서열에 대해 사이토신 교정을 수행하는지 여부를 확인하기 위한 실험과정을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 16은 시험관 내에서 본 발명에 따른 조성물이 타겟 서열에 대해 사이토신 교정을 수행하는지 여부를 확인한 결과를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명자들은 아데닌 염기교정 유전자가위 (ABEs)를 사용하여 아데닌 뿐만 아니라 특정 모티프 상의 사이토신을 다른 염기로 치환하는 것을 최초로 규명하였으며, 기존의 CBEs와 비교할 때 보다 높은 정확도로 상기 치환이 발생하는 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
이에, 본 발명은 아데닌 탈아미노화효소 (adenine deaminase) 및 Cas9 (CRISPR associated protein 9) 단백질 또는 이의 기능적 유사체를 포함하는, 사이토신(C) 염기교정용 조성물을 제공한다.
본 발명에서 사용되는 용어 "염기교정 유전자가위 (Base Editors, BEs)"는 단일 염기 교정 수단으로서, 보다 구체적으로 사이토신 탈아미노화효소 또는 아데닌 탈아미노화효소를 Cas9 니카아제 (nickase)의 N-말단에 융합시킴으로써 구축되며, 각각 사이토신 염기교정 유전자가위 (Cytosine Base Editors, CBEs), 아데닌 염기교정 유전자가위 (Adenine Base Editors, ABEs)로 명명된다. 상기 BEs는 이중 가닥 절단을 일으키지 않으면서, ABEs는 특정 부위에서 아데닌을 구아닌으로 교정하며 CBEs는 특정 부위에서 사이토신을 티민으로 교정한다.
본 발명에서 사용되는 용어 "아데닌 염기교정 유전자가위 (Adenine Base Editors, ABEs)"는 아데닌을 구아닌으로 교정하기 위해, 임의의 자연유래 탈아미노화효소 (ecTadA) 및 아데닌 탈아미노화효소 변이체 (ecTadA*)를 Cas9 니카아제 (nickase)의 N-말단에 융합시킴으로써 구축되었으며, ABEs의 종류로는 버전에 따라 ABE6.3, ABE7.8, ABE7.9, ABE 7.10 및 ABEmax 등이 있으나 이에 제한되지 않고, 본 발명에 따른 "아데닌 탈아미노화효소 (adenine deaminase) 및 Cas9 (CRISPR associated protein 9) 단백질 또는 이의 기능적 유사체를 포함하는, 사이토신(C) 염기교정용 조성물"을 "ABEs"로 지칭할 수 있다.
본 발명에 따른 "아데닌 탈아미노화효소 (adenine deaminase)"는 아데닌에서 아미노기를 제거하고　히포크산틴 (hypoxanthine)의 생성에 관여하는 효소이고, 상기 효소는 고등 동물에는 거의 발견되지 않으나 암소의 근육 내, 우유, 쥐의 혈액에 조금 존재하며 가재의 내장 및 곤충 등에서는 많이 존재한다고 보고된다. 아데닌 탈아미노화효소는 ecTadA와 같은 자연유래 아데닌 탈아미노화 효소를 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 아데닌 탈아미노화효소는 ecTadA의 돌연변이 (ecTadA*)와 같은 아데닌 탈아미노화효소의 변이체를 포함하나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 "Cas9 (CRISPR associated protein 9) 단백질"은 DNA 바이러스에 대한 특정 박테리아의 면역학적 방어에서 중요한 역할을 하는 단백질로 유전자 공학 응용에 많이 사용되는데, 상기 단백질의 주요 기능이 DNA를 절단하는 것이기 때문에 세포의 게놈을 변형하는 데에 적용할 수 있다. 기술적으로 Cas9은 Streptococcus pyogenes의 CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) 적응 면역 시스템과 관련된 RNA-가이드 DNA 엔도뉴클레아제 (RNA-guided DNA endonuclease)이며, Cas9는 외래 DNA 가닥을 풀고 가이드 RNA의 20개 염기쌍 스페이서 영역에 상보적인 부위를 확인하여, 상기 DNA가 가이드 RNA와 상보적인 경우 침입 DNA로 간주하고 이를 절단하는 기작으로 작동한다.
상기 염기교정용 조성물은 사이토신을 아데닌, 구아닌 및 티민으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 염기로 치환할 수 있으며, 바람직하게는 사이토신을 구아닌 또는 티민으로 치환할 수 있다.
상기 염기교정용 조성물의 교정 윈도우 (editing window)는 타겟 서열의 5'말단으로부터 4번째에 위치한 사이토신 내지 8번째에 위치한 사이토신 범위일 수 있고, 바람직하게는 5'말단으로부터 5번째에 위치한 사이토신 내지 7번째에 위치한 사이토신 범위일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 5'말단으로부터 6번째에 위치한 사이토신 범위일 수 있다.
상기 사이토신은 타겟 서열 상에서 5'방향에 위치한 티민과 직접적으로 인접하는 사이토신일 수 있다.
상기 염기교정용 조성물은 ABE6.3, ABE7.8, ABE7.9, ABE 7.10 및 ABEmax로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명자들은 구체적인 실시예를 통해 본 발명에 따른 아데닌 염기교정 유전자가위 (ABEs)가 특정 모티프 및 교정 윈도우 내의 사이토신을 다른 염기로 교정함을 확인하였다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일실시예에서, 본 발명에 따른 조성물 (ABE7.10, ABE 6.3, ABE 7.8 및 ABE 7.9 버전)이 사이토신의 탈아미노화를 통해 사이토신을 다른 염기로 교정하는 것을 확인하였다 (실시예 2 참조).
본 발명의 다른 일실시예에서, 본 발명의 조성물에 의해 유도되는 사이토신 교정에 있어서, 사이토신과 직접적으로 인접한 뉴클레오티드의 영향을 확인한 결과 TC*N 모티프에서 사이토신 교정 효율이 높다는 것을 확인하였다 (실시예 3 참조).
본 발명의 또 다른 일실시예에서, 본 발명에 따른 조성물에 의한 사이토신의 탈아미노화가 유도되는 교정 윈도우를 확인한 결과, 사이토신 교정이 C6 위치에서 최대 빈도로 발생하여 사이토신 교정 윈도우는 C5 내지 C7 범위로 확인된바, 본 발명에 따른 조성물의 사이토신 교정 윈도우는 CBEs의 교정 윈도우 및 통상적인 ABEs의 교정 윈도우에 비해 더 좁다는 것을 확인하였다 (실시예 5 참조).
상기 결과들은 기존에 아데닌을 교정 타겟으로 하는 것으로 알려진 본 발명에 따른 조성물의 사이토신 교정 용도를 확인한 것으로서, 보다 구체적으로 사이토신을 교정하기 위해 본 발명에 따른 조성물이 특이적으로 결합하는 모티프와 교정 윈도우를 규명하여, 상기 조성물을 사이토신 교정용으로 사용할 수 있음을 확인한 결과이다
이에, 본 발명은 다른 양태로서, 본 발명에 따른 조성물을 타겟 서열과 접촉시키는 단계를 포함하는 사이토신 염기교정 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 염기교정 방법에 있어서, 상기 타겟 서열은 교정하고자 하는 타겟 염기를 포함하는 것일 수 있고, 상기 교정하고자 하는 타겟 염기는 질병 또는 질환과 연관된 사이토신을 제외한 다른 염기가 사이토신으로 점 돌연변이된 염기일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1. 실험방법
1-1. 세포 배양 조건
HEK293T (ATCC CRL-11268), HeLa (ATCC CLL-2), U-2 OS (ATCC HTB-96) 및 K-562 (ATCC CCL-243) 세포를 10% FBS, 100 μg/mL 스트렙토마이신 (streptomycin), 100 units/mL 페니실린 (penicillin) 및 0.1 mM 비필수 아미노산들이 보충된 DMEM에서 유지하였다.
1-2. 형질 감염 조건
1.0 x 105 HEK293T 세포를 형질 감염 1일 전에 분주하였다. 아데닌 염기교정 유전자가위 (ABEs) 발현 플라스미드 (750ng) and sgRNA 플라스미드 (250ng)를 제조자의 프로토콜에 따라 리포펙타민 2000 (Lipofectamine 2000, Invitrogen 사)을 사용하여 세포에 형질 감염시켰다.
평행 조건을 유지하기 위해 HEK293T, HeLa, U-2 OS 및 K-562 세포에 4D 핵형 검체 (Lonza 사)를 사용하였다. ABEmax 발현 플라스미드 (750ng) 및 sgRNA 플라스미드 (250ng)를 제조자의 프로토콜에 따라 2.0 × 105 세포에 전기천공 도입하였다.
상기 각 세포주에는 적절한 216개의 핵소체 프로그램 (Nucleofector program, HEK293T의 CM-130 프로그램, HeLa의 CN-114 프로그램, U-2 OS의 CM-104 프로그램, K-562의 FF-120 프로그램)이 사용되었다. 게놈 DNA는 형질 감염 72시간 후에 분리되었다.
1-3. UGI 과발현
pCMV-BE3 (addgene 사, 221 # 73021)에 기반한 CMV-UGI 플라스미드를 구축하였다. 아데닌 염기교정 유전자가위 (ABEs)와 함께 UGI를 과발현시키기 위해 아데닌 염기교정 유전자가위 (ABEs) 발현 플라스미드 (500ng), sgRNA 플라스미드 (250ng) 및 pCMV-UGI (250ng)를 리포펙타민 2000 (Lipofectamine 2000)을 사용하여 형질 감염시켰다. 음성 대조군의 경우 pCMV-UGI 대신 동일한 양의 빈 pCMV 벡터를 형질 감염시켰다.
1-4. 시험관 내 아데닌 염기교정 유전자가위 (ABEs) 활성 분석
시험관 내 탈아미노화 분석은 하기와 같이 수행되었다.
재조합 아데닌 염기교정 유전자가위(ABEs) 단백질 (2000ng)과 sgRNA (1500ng)를 실온에서 5분간 예비 배양하였다.
다음으로, HEK293T 세포 및 2X 완충액으로부터 정제된 게놈 DNA (500ng)를 아데닌 염기교정 유전자가위 (ABEs)-sgRNA 복합체에 첨가하였다. 50mM Tris-HCl, 25mM KCl, 2.5mM MgSO4, 10% 글리세롤, 2mM DTT 및 10mM ZnCl2를 함유하여, 최종 부피가 50uL가 되도록 하였다.
그 다음으로, 상기 혼합물을 37℃에서 밤새 배양한 생성물을 Genomic DNA prep kit (QIAGEN 사, 카탈로그 #: 69504)를 사용하여 정제하고 PCR로 증폭시켰다.
마지막으로, PCR 최종 생성물을 타겟 딥 시퀀싱 (targeted deep sequencing)을 사용하여 분석하였다.
1-5. 타겟 딥 시퀀싱 (targeted deep sequencing)
KAPA HiFi HotStart PCR 키트 (KAPA Biosystems 사 #: KK2501)를 사용하여 라이브러리 생성을 위해 타겟 부위를 증폭시켰다. 이 라이브러리는 TruSeq HT Dual Index 시스템 (Illumina 사)이 있는 MiniSeq을 사용하여 시퀀싱하였다.
1-6. Data availability
대량 시퀀싱 데이터 (High-throughput sequencing)는 NCBI Sequence Read Archive 데이터베이스 (SRA; https://www.ncbi.nlm.nih.gov/sra)에 수탁번호 PRJNA525294로 기탁되었다.
실시예 2. 본 발명에 따른 조성물에 의한 사이토신 치환 및 사이토신의 탈아민화 확인
2-1. 본 발명에 따른 조성물에 의한 사이토신 치환
본 발명에 따른 조성물이 아데닌 이외의 염기를 교정하는지 여부를 조사하기 위해, Cas9 엔도뉴클레아제 활성이 높은 것으로 알려진 22개의 인간 내인성 DNA 타겟 부위를 동정하였다.
또한, 본 발명자들은 Cas9 엔도뉴클레아제 활성이 높은 DNA 타겟 부위에서 본 발명에 따른 조성물에 의한 Cas9 매개 염기교정이 높은 수준으로 나타날 것으로 추정하였다.
본 발명에 따른 조성물을 발현하는 플라스미드 및 sgRNA를 발현하는 플라스미드를 인간 HEK293T 세포에 형질 감염시키고 3일 후에 게놈 DNA를 분리하였다.
다음으로, 본 발명에 따른 조성물의 타겟 부위를 증폭하고 타겟 딥 시퀀싱으로 증폭된 앰플리콘을 처리하였다.
마지막으로, BE 분석기를 사용하여 기 정의된 '교정 윈도우 (editing windows) 범위'인 5'말단 타겟 부위의 sgRNA 결합영역 내 N3 내지 N9 (3 뉴클레오티드에서 9 뉴클레오티드)에 걸친 범위의 각 뉴클레오티드에서 상기 조성물에 의해 유도된 모든 염기교정을 분석하였다.
그 결과 도 2에서 나타낸 바와 같이, 교정 윈도우 범위 내 아데닌이 평균 40%의 빈도로 교정됨을 확인하였다.
또한 도 3에서 나타낸 바와 같이, FANCF와 RNF2 유전자의 두 개 타겟 부위에서 사이토신의 비표준적 염기교정이 유도되었고, 이를 분석한 딥 시퀀싱 데이터는 FANCF 및 RNF2의 타겟 부위에서 각각 10.9% 및 10.2%의 사이토신이 본 발명에 따른 조성물에 의해 다른 염기로 전환되었음을 확인하였다.
한편, 상기의 비표준적인 사이토신 교정이 본 발명에 따른 조성물 중 Cas9 변이체의 돌연변이에 따라 달라지는지를 확인하기 위해, 본 발명에 따른 조성물의 ABE7.10 이외에 본 발명에 따른 조성물인 ABE6.3, ABE 7.8 및 ABE 7.9 버전을 사용하여 실험을 반복하였다 (각 버전은 아데닌 탈아미노화효소인 TadA* 효소가 서로 다른 돌연변이를 나타냄).
그 결과 도 4에서 나타낸 바와 같이, 상기 본 발명에 따른 모든 조성물들은 두 개의 타겟 부위에서 사이토신의 비표준적인 염기교정을 유도함을 확인하였다.
2-2. 본 발명에 따른 조성물의 아데닌 탈아미노화효소 (TadA * )에 의한 사이토신 탈아민화 여부 확인
본 발명에 따른 조성물이 사이토신을 구아닌, 티민과 같은 다양한 염기로 교정함은 전술한 바와 같다.
한편, 본 발명에 따른 조성물의 사이토신 탈아미노화 활성에 의해 U : G 미스 매치가 생성되면, ⅰ) 상기 미스 매치된 염기쌍의 DNA 복제를 통해 사이토신을 티민으로 치환하거나, ⅱ) 우라실을 절단하고 다른 염기를 붙이는 우리딘 (Uridine) 절단을 통해 DNA 수리를 수행한다.
이에, 본 발명자들은 본 발명에 따른 조성물의 아데닌 탈아미노화효소인 TadA* 효소가 아데닌 뿐만 아니라 사이토신도 탈아민화시킨다는 가설을 세우고, 상기 가설을 증명하기 위해 우라실의 절제를 억제하는 우라실 글리코실라제 억제제 (uracil glycosylas inhibitor, 이하 UGI)를 과발현시키고, 본 발명에 따른 조성물을 적용하여 사이토신의 티민으로의 치환을 유도하였다.
그 결과 도 5에서 나타낸 바와 같이, UGI이 과발현된 조건에서 사이토신이 대부분 티민으로 전환된 것을 확인하였다. 이는 본 발명에 따른 조성물의 아데닌 탈아미노화효소가 직접 사이토신을 탈아민화하는 것을 의미하여, 상기 가설이 옳다는 것을 뒷받침하는 결과임을 알 수 있다.
실시예 3. 본 발명에 따른 조성물의 DNA 타겟 모티프의 확인
본 발명에 따른 조성물에 의해 유도되는 사이토신 변환에 있어서, 사이토신에 직접적으로 인접한 뉴클레오티드의 영향을 조사하기 위해, 교정 윈도우 범위 내에 NC* 서열을 함유하는 내인성 타겟 부위를 추가로 동정하였다.
먼저 Cas-OFFinder를 사용하여, 교정 윈도우 중앙 근처에 NC* 서열을 포함하는, 단백질 암호화 유전자의 엑손에 위치한 28개의 내인성 타겟 부위를 선택하고, 사이토신과 직접적으로 인접하여 상류 (upstream)에 위치한 뉴클레오티드 종류에 따른 사이토신 변환에 대한 영향을 확인하기 위한 실험을 수행하였다.
그 결과 도 7에서 나타낸 바와 같이, 상기 서열 중 5'방향에 위치한 티민과 직접적으로 인접하는 사이토신이 본 발명에 따른 조성물에 의해 효율적으로 변환되었음을 확인하였다. 이는 5'방향에 위치한 다른 뉴클레오티드와 직접적으로 인접하는 사이토신의 변환율과는 뚜렷한 대조를 보여주는 결과이다.
또한, 전술한 것과 유사한 기준을 가진 23개의 내인성 타겟 부위를 추가로 동정하였다. 직접적으로 인접한 5' 방향의 뉴클레오티드를 티민으로 고정시킨 후 사이토신의 3'방향에 직접적으로 인접한 뉴클레오티드 종류에 따른 사이토신의 변환에 대한 영향을 확인하기 위한 실험을 수행하였다.
그 결과 도 8에서 나타낸 바와 같이, TC*N 서열에서 3'방향에 위치한 피리미딘과 직접적으로 인접한 사이토신이 가장 효율적으로 변환되었지만, 대부분의 경우 3' 방향에 직접적으로 인접한 뉴클레오티드의 종류와는 무관하게 측정 가능한 수준으로 염기변환이 유도됨을 확인하였다.
상기의 결과들로부터 본 발명에 따른 조성물에 의한 사이토신 염기교정의 DNA 타겟 모티프가 TC*N이라는 것을 확인할 수 있었다. 이는 모티프 전산 분석 데이터 (de novo motif)와 일치하는 결과이다 (도 9 참조).
실시예 4. 본 발명에 따른 조성물에 의한 사이토신 탈아미노화의 독립성 확인
본 발명에 따른 사이토신 염기교정이 인접한 아데닌의 탈아미노화에 의해 영향을 받는지 여부를 확인하기 위해, TC*N 모티프를 포함하고 있지만 아데닌이 결여된 두 개의 내인성 타겟 부위를 동정하여, 본 발명에 따른 조성물에 의한 사이토신의 탈아미노화가 아데닌의 탈아미노화와 독립적으로 유도되는지 여부를 확인하기 위한 실험을 수행하였다.
그 결과 도 10에서 나타낸 바와 같이, 사이토신과 인접한 아데닌이 없는 경우에도 본 발명에 따른 조성물에 의해 사이토신의 탈아미노화가 유도되어 교정이 발생하는 것을 확인하였다.
이는 본 발명에 따른 조성물에 의한 사이토신 탈아미노화는 아데닌 탈아미노화 후에 발생한 부수적 효과가 아니라, 독립적으로 진행된다는 것을 확인한 것이다.
실시예 5. 본 발명에 따른 조성물의 교정 윈도우 확인
본 발명자들은 본 발명에 따른 조성물에 의한 사이토신 탈아민화에 있어서 바람직한 타겟 윈도우는 아데닌 탈아민화에 있어 기 정의된 교정 윈도우와 상이할 수 있다는 가정을 하였다.
이에, 효율적인 사이토신 탈아민화의 교정 윈도우를 결정하기 위해 도 11에서 나타낸 바와 같이, sgRNA 결합 영역 내의 C4 내지 C9에 걸친 영역의 다양한 위치에서 TC*N 모티프를 포함하는 총 29개의 내인성 타겟 부위를 선택하였다.
그 결과 도 12에서 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 조성물에 의한 사이토신 교정이 C6 위치에서 최대 빈도로 일어나 사이토신 탈아민화의 교정 윈도우는 C5 내지 C7 범위로 확인되었으며, 이는 CBEs의 교정 윈도우 및 통상적인 ABEs의 교정 윈도우에 비해 더 좁은 것이다. 이로써 본 발명에 따른 조성물이 CBEs 보다 더 정교하게 사이토신의 교정이 가능하다는 것을 확인하였다.
또한 두 개의 동일한 타겟 부위에서, 본 발명에 따른 조성물의 사이토신 교정 활성을 통상적인 CBEs의 사이토신 교정 활성과 비교하였다.
그 결과 도 13에서 나타낸 바와 같이, CBEs가 전체적으로 보다 높은 사이토신 교정 효율을 나타냈지만, 본 발명에 따른 조성물은 더 좁은 교정 윈도우에서 보다 특이적으로 사이토신 교정을 수행함을 확인하였다.
또한, 본 발명에 따른 조성물에 의해 유도된 상기의 사이토신 교정이 다른 여러 인간 세포주에서도 유도되는지 여부를 확인하기 위해, HEK293T 세포주 이외에 HeLa, U-2 OS 및 K-562 세포주에서 상기의 실험을 반복하였다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 조성물을 발현하는 플라스미드로 처리한 상기 세포주의 4개 유전자 (ABLIM3, CSRNP3, FANCF, RNF2) 내 타겟 윈도우 A4 및 C6 위치에서의 아데닌 및 사이토신의 치환율을 확인하기 위해, 각각의 뉴클레오티드에서의 치환율은 타겟 딥 시퀀싱을 이용하여 측정하였다.
그 결과 도 14에서 나타낸 바와 같이, 각 세포주에서 사이토신 염기 교정이 HEK293T 세포주에서와 비슷한 수준으로 유도됨을 확인하였다.
상기 진술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (6)

  1. 아데닌 탈아미노화효소 (adenine deaminase) 및 Cas9 (CRISPR associated protein 9) 단백질이 융합된 아데닌 염기교정 유전자가위 (Adenine Base Editor); 및 가이드 RNA (single guide RNA)를 포함하는, 사이토신(C) 염기교정용 조성물로서,
    상기 사이토신은 타겟 서열상에서 5' 방향에 위치한 티민(T)과 직접적으로 인접하는 사이토신인 것을 특징으로 하는, 염기교정용 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 염기교정용 조성물은 사이토신(C)을 아데닌(A), 구아닌(G) 및 티민(T)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 염기로 치환하는 것을 특징으로 하는, 염기교정용 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 염기교정용 조성물의 교정 윈도우 (editing window)는 타겟 서열의 5'말단으로부터 4번째에 위치한 사이토신(C) 내지 8번째에 위치한 사이토신(C) 범위인 것을 특징으로 하는, 염기교정용 조성물.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 염기교정용 조성물은 ABE6.3, ABE7.8, ABE7.9, ABE 7.10 및 ABEmax로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 염기교정용 조성물.
  6. 제1항 내지 제3항 및 제5항 중 어느 한 항의 사이토신(C) 염기교정용 조성물을 in vitro에서 타겟 서열과 접촉시키는 단계를 포함하는, 사이토신(C) 염기교정 방법.
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