KR102363891B1 - Transgenic pigs expressing both shTNFRI-Fc and HA-HO-1 without Gal epitope and N-glycolylneuraminic acid epitope and the Use of thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 HO-1 (Heme oxygenase-1) 유전자 및 TNFR1-Fc (Tumor necrosis factor receptor 1-Fc) 유전자를 동시에 발현하며 GGTA1 (α-1,3-galactosyltransferase) 유전자 및 CMAH (cytidine monophosphate-N-acetylneuraminic acid hydroxylase) 유전자가 넉아웃 (knock-out)된, 이종 장기 이식 시 면역 거부 반응이 억제된 형질전환 돼지, 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 인간 HO-1과 TNFR1-Fc 융합 유전자를 동시 발현하며 GGTA1 유전자 및 CMAH 유전자가 넉아웃된 형질전환 돼지는 HO-1 유전자의 항산화 작용 및 세포 보호 기능 등에 의해 장기 분리 및 체외 배양 시에 산화적 스트레스를 감소시킬 수 있고, TNFR1-Fc 발현에 의해 이식 초기에 일어나는 TNF-α 매개의 염증 반응도 감소시킬 수 있으며, 또한 수지상 세포의 성숙을 억제하고 T 세포의 증식과 활성화를 조절하여 급성 혈관계 거부 반응을 감소시켜 이식된 장기의 초기 생착을 촉진할 수 있다. 나아가, GGTA1에 의한 초급성 면역 거부반응 및 CMAH에 의한 급성 면역 반응을 억제함으로써 이식된 장기의 생존율을 증가시킬 수 있다. 이에, 상기 형질전환 돼지를 이용하여 이종 이식 시 면역 거부 반응이 억제된 장기를 생산할 수 있다.The present invention simultaneously expresses the HO-1 (Heme oxygenase-1) gene and the TNFR1-Fc (Tumor necrosis factor receptor 1-Fc) gene, and the GGTA1 (α-1,3-galactosyltransferase) gene and CMAH (cytidine monophosphate-N-) The present invention relates to a transgenic pig in which the acetylneuraminic acid hydroxylase) gene is knocked out, immune rejection is suppressed during xenogeneic organ transplantation, and a method for manufacturing the same.
Transgenic pigs in which the human HO-1 and TNFR1-Fc fusion genes of the present invention are co-expressed and the GGTA1 gene and CMAH gene are knocked out during organ isolation and in vitro culture due to the antioxidant and cytoprotective functions of the HO-1 gene It can reduce oxidative stress, and can also reduce the TNF-α-mediated inflammatory response that occurs at the early stage of transplantation by TNFR1-Fc expression. Also, it inhibits the maturation of dendritic cells and regulates the proliferation and activation of T cells in the acute vasculature. It can promote early engraftment of transplanted organs by reducing rejection. Furthermore, it is possible to increase the survival rate of transplanted organs by suppressing the hyperacute immune rejection by GGTA1 and the acute immune response by CMAH. Accordingly, an organ in which immune rejection is suppressed during xenotransplantation can be produced using the transgenic pig.
Description
본 발명은 HO-1 (Heme oxygenase-1) 유전자 및 TNFR1-Fc (Tumor necrosis factor receptor 1-Fc) 유전자를 동시에 발현하며 GGTA1 (α-1,3-galactosyltransferase) 유전자 및 CMAH (cytidine monophosphate-N-acetylneuraminic acid hydroxylase) 유전자가 넉아웃 (knock-out)된, 이종 장기 이식 시 면역 거부 반응이 억제된 형질전환 돼지, 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention simultaneously expresses the HO-1 (Heme oxygenase-1) gene and the TNFR1-Fc (Tumor necrosis factor receptor 1-Fc) gene, and the GGTA1 (α-1,3-galactosyltransferase) gene and CMAH (cytidine monophosphate-N-) The present invention relates to a transgenic pig in which the acetylneuraminic acid hydroxylase) gene is knocked out, immune rejection is suppressed during xenogeneic organ transplantation, and a method for manufacturing the same.
말기 장기부전 환자의 경우 장기의 기능이 완전히 상실되어 더 이상 약물 치료 등과 같은 치료가 불가능할 때 유일한 치료방법은 새로운 대체 장기를 이식하는 것이다. 그러나, 공여할 이식 장기의 공급이 현저히 부족한 문제가 있어, 이를 해결하기 위한 여러 가지 시도로 이종 간에 장기를 이식하는 방법 등이 활용되고 있으며 직접적으로 장기를 교체시킬 수 있는 방법으로 이종 장기를 이용하는 방법을 고려해볼 수 있다.In the case of end-stage organ failure patients, when organ functions are completely lost and treatment such as drug treatment is no longer possible, the only treatment method is to transplant a new replacement organ. However, there is a problem in that the supply of transplanted organs to be donated is remarkably insufficient, and in various attempts to solve this problem, a method of transplanting an organ between different types of organs is utilized. can be considered.
충분한 공여 장기의 확보가 가능한 동물을 이용한 이종 장기 이식은 부족한 인간의 장기를 대체할 수 있는 하나의 대안으로 떠오르고 있으며, 대체 장기를 공급하는 동물로서 영장류 및 돼지를 이용한 예가 있다. 그러나 영장류는 멸종 위기 종인데다가 번식이 어렵고, 이종 장기 공급원으로 활용하기에는 사회적 거부감이 높으며, 높은 감염의 위험성을 가지고 있어서 이종 장기의 공여 동물로 사용하기에는 어려움이 있다. 반면, 미니돼지는 장기의 크기가 인간과 유사하고, 해부학적 및 생리학적으로 사람과 유사성이 있으며, 성성숙 및 임신기간이 짧고 다태 동물이기 때문에 생산성이 높고 (1회 산자 생산수 6 내지 12마리), 사람과 오랜 시간을 같이 지낸 동물이어서 사람에게 치명적인 감염원을 보유할 가능성이 낮다. 또한, 형질전환과 무균사육이 가능하다는 장점을 가지고 있어 이종 장기 공급원으로서 미니돼지의 활용 가능성이 매우 높게 평가되고 있다.Xenogeneic organ transplantation using animals capable of securing sufficient donor organs is emerging as an alternative to replace scarce human organs. However, primates are an endangered species, difficult to reproduce, socially repulsive to use as a source of heterogeneous organs, and have a high risk of infection, so it is difficult to use them as donors of heterogeneous organs. On the other hand, mini-pigs are similar in organ size to humans, anatomically and physiologically similar to humans, have short sexual maturity and gestation period, and are highly productive because they are multiple animals (6 to 12 live offspring produced per time). , since it is an animal that has been with humans for a long time, it is unlikely to carry a lethal source of infection to humans. In addition, it has the advantage that transformation and aseptic breeding are possible, so the possibility of using mini-pigs as a source of heterogeneous organs is highly evaluated.
돼지 등을 이용한 이종간 장기 이식의 경우 면역 거부 반응이 심각한 문제가 된다. 이에, 본 발명자들은 인간 HO-1 (Heme oxygenase-1) 유전자 및 인간 TNFR1-Fc (Tumor necrosis factor receptor 1-Fc) 융합 유전자를 발현하며 GGTA1 유전가나 넉아웃하여, 산화적 스트레스로부터 세포를 보호하고 이식 후 나타나는 염증 반응을 억제할 수 있는 초급성 면역 거부 반응이 억제된 형질전환 돼지를 제조한 바 있다 (한국공개특허 제10-2011-0079485호). 그러나, 상기 형질전환 돼지의 이종 이식편 (xenograft)은 급성 면역 거부 반응 (acute rejection, AR)에는 저항할 수 없었다.Immune rejection is a serious problem in the case of heterogeneous organ transplantation using pigs and the like. Accordingly, the present inventors express a human HO-1 (Heme oxygenase-1) gene and a human TNFR1-Fc (Tumor necrosis factor receptor 1-Fc) fusion gene and knock out the GGTA1 gene to protect cells from oxidative stress and A transgenic pig with suppressed hyperacute immune rejection capable of suppressing the inflammatory response after transplantation was prepared (Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2011-0079485). However, the transgenic pig xenograft was not resistant to acute rejection (AR).
돼지가 가지고 있는 이종항원에 반응하는 자연 항체가 인간 및 일부 영장류에 존재하는데 이는 이종 이식 후 발생하는 급격한 항체 매개성 면역 반응의 주요 원인이 된다. 따라서 이러한 이종항원을 제거한 돼지를 생산하는 것은 성공적인 이종 췌도 이식에 있어서 필수적 요건이라 할 수 있다. 자연 항체에 반응하는 이종항원으로는 α-gal 항원과 non-gal 항원이 있으며 non-gal 항원 중 N-glycolylneuraminic acid 항원이 대표적이며 이를 제거하기 위하여 α-gal 항원을 합성하는 GGTA1 유전자 또는 N-glycolylneuraminic acid 항원을 합성하는 CMAH (cytidine monophosphate-N-acetylneuraminic acid hydroxylase) 유전자를 제거한 돼지의 개발이 필요하다. 이에 이종 장기 이식 시 산화적 스트레스 및 염증 반응이 감소되고, 초급성 면역 거부 반응을 해결하기 위해 인간 HO-1 유전자 및 인간 TNFR1-Fc 융합 유전자가 도입되고 GGTA1 유전자가 넉아웃된 형질전환 돼지를 개발하였다. 하지만 이 돼지는 급성 거부반응에 대해서는 극복 가능성을 기대할 수 없다.Natural antibodies that respond to xenoantigens possessed by pigs are present in humans and some primates, which is a major cause of the rapid antibody-mediated immune response that occurs after xenotransplantation. Therefore, production of pigs from which these xenogeneic antigens have been removed is an essential requirement for successful xenogeneic islet transplantation. The heterologous antigens that respond to natural antibodies include α-gal antigen and non-gal antigen. Among the non-gal antigens, the N-glycolylneuraminic acid antigen is representative. In order to remove it, the GGTA1 gene or N-glycolylneuraminic gene that synthesizes the α-gal antigen It is necessary to develop pigs in which the CMAH (cytidine monophosphate-N-acetylneuraminic acid hydroxylase) gene, which synthesizes an acid antigen, has been removed. In order to reduce oxidative stress and inflammatory response during xenogeneic transplantation, and to solve hyperacute immune rejection, a transgenic pig in which human HO-1 gene and human TNFR1-Fc fusion gene was introduced and GGTA1 gene was knocked out was developed. did However, this pig cannot be expected to overcome the acute rejection reaction.
이에 본 발명자들은 대표적인 non-Gal 항원을 합성하는 CMAH의 유전자를 제거하여 산화적 스트레스 및 염증 반응이 감소되고 초급성 거부반응, 급성 면역 거부 반응이 없는 장기 이식용 형질전환 돼지를 개발하기 위해 예의 노력한 결과, 인간 HO-1 유전자 및 인간 TNFR1-Fc 융합 유전자가 도입되고 GGTA1 및 CMAH 유전자가 넉아웃된 형질전환 돼지를 개발하여 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors made intensive efforts to develop a transgenic pig for organ transplantation, in which oxidative stress and inflammatory responses are reduced, and there is no hyperacute rejection or acute immune rejection by removing the gene of CMAH that synthesizes a representative non-Gal antigen. As a result, the present invention was completed by developing a transgenic pig in which the human HO-1 gene and the human TNFR1-Fc fusion gene were introduced and the GGTA1 and CMAH genes were knocked out.
본 발명의 하나의 목적은 인간 HO-1 (Heme oxygenase-1) 유전자 및 인간 TNFR1-Fc (Tumor necrosis factor receptor 1-Fc) 융합 유전자를 도입시키고 GGTA1 (α-1,3-galactosyltransferase) 유전자 및 CMAH 유전자를 넉아웃 (knock-out)시킨, 이종 장기 이식 시 면역 거부 반응이 억제된 형질전환 돼지, 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to introduce a human HO-1 (Heme oxygenase-1) gene and a human TNFR1-Fc (Tumor necrosis factor receptor 1-Fc) fusion gene and GGTA1 (α-1,3-galactosyltransferase) gene and CMAH To provide a transgenic pig in which a gene is knocked out, immune rejection is suppressed during xenogeneic organ transplantation, and a method for producing the same.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 형질전환 돼지를 제조하기 위한 체세포 공여주를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a somatic cell donor for producing the transgenic pig.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 형질전환 돼지를 제조하는 단계; 및 상기 형질전환 돼지로부터 이식용 장기를 분리하는 단계를 포함하는 이종 장기 이식 시 면역 거부 반응이 억제된 장기를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to prepare the transgenic pig; And to provide a method for producing an organ in which immune rejection is suppressed during xenogeneic organ transplantation, comprising the step of isolating an organ for transplantation from the transgenic pig.
상기 목적을 달성하기 위한 하나의 양태로서, 본 발명은 a) 돼지로부터 체세포를 분리하는 단계; b) 상기 체세포에 인간 HO-1 (Heme oxygenase-1) 유전자 및 인간 TNFR1-Fc (Tumor necrosis factor receptor 1-Fc) 융합 유전자를 도입시키고, GGTA1 (α-1,3-galactosyltransferase) 유전자 및 CMAH (cytidine monophosphate-N-acetylneuraminic acid hydroxylase) 유전자를 넉아웃 (knock-out)시키는 단계; c) 인간 HO-1 유전자 및 인간 TNFR1-Fc 융합 유전자가 도입되고 GGTA1 유전자 및 CMAH 유전자가 넉아웃된 체세포를 선별한 후 배양하는 단계; 및 d) 돼지 난자의 핵을 제거하고 상기 선별된 체세포와 융합하여 체세포 핵이 이식된 수정란을 제조하는 단계를 포함하는, 이종 장기 이식 시 면역 거부 반응이 억제된 형질전환 돼지의 제조 방법을 제공한다.As an aspect for achieving the above object, the present invention provides a method comprising: a) isolating somatic cells from pigs; b) introducing a human HO-1 (Heme oxygenase-1) gene and a human TNFR1-Fc (Tumor necrosis factor receptor 1-Fc) fusion gene into the somatic cells, GGTA1 (α-1,3-galactosyltransferase) gene and CMAH ( cytidine monophosphate-N-acetylneuraminic acid hydroxylase) gene knockout (knock-out); c) selecting and culturing somatic cells into which the human HO-1 gene and the human TNFR1-Fc fusion gene are introduced and the GGTA1 gene and the CMAH gene are knocked out; And d) removing the nucleus of the pig egg and fusion with the selected somatic cells to prepare a fertilized egg in which the somatic cell nucleus has been transplanted. .
본 발명은 이종 장기 이식 시 면역 거부 반응이 억제된 장기를 생산하기 위하여 이러한 특징을 가지는 형질전환 돼지를 생산하는 것을 목적으로 한다. 이에, 본 발명에서는 분리된 돼지의 체세포에 인간 HO-1 유전자 및 인간 TNFR1-Fc 융합 유전자를 도입하여 발현시키고, GGTA1 유전자 및 CMAH 유전자를 넉아웃 시킨 형질전환 돼지를 제조하였다. 이하 상기 제조 방법의 각 단계를 상세히 설명한다.An object of the present invention is to produce a transgenic pig having these characteristics in order to produce an organ in which immune rejection is suppressed during xenogeneic organ transplantation. Accordingly, in the present invention, the human HO-1 gene and the human TNFR1-Fc fusion gene were introduced and expressed in the somatic cells of the isolated pig, and the GGTA1 gene and the CMAH gene were knocked out to prepare a transgenic pig. Hereinafter, each step of the manufacturing method will be described in detail.
본 발명에서 용어, "형질전환 돼지"란 외부에서 도입된 유전자를 재조합하여, 이를 돼지의 염색체 상에 인공적으로 삽입시키거나, 돼지가 내재적으로 가지고 있는 유전자를 결실시키는 등 그 형질의 일부가 변화된 돼지를 의미하며, 동물의 종류는 돼지가 바람직하지만 자연계의 포유류로써 인간에게 장기를 이식할 수 있는 동물에도 본 발명의 방법을 적용하여 면역 거부 반응이 억제된 형질전환 동물을 제조할 수 있다.As used herein, the term "transgenic pig" refers to a pig in which a part of the trait is changed, such as by recombination of an externally introduced gene, artificially inserting it into the pig's chromosome, or deleting a gene inherently in the pig. The animal type is preferably a pig, but the method of the present invention can be applied to an animal capable of transplanting an organ into a human as a natural mammal to produce a transgenic animal in which immune rejection is suppressed.
본 발명의 a) 단계는 돼지로부터 체세포를 분리하는 단계로서, 상기 돼지는 핵치환 기술을 이용한 복제 돼지 생산에 있어서 세포 공여체 (또는 핵 공여체)가 된다. 이에 당업자는 그 목적에 따라 돼지를 선택하여 사용할 수 있으며, 돼지의 종류에 특별히 제한되지 않는다. 즉, 상기 돼지는 돼지의 태아 또는 성돈일 수 있고, 자연상태의 돼지 뿐만 아니라 인공적으로 형질전환된 돼지까지 모두 포함되는 개념이다.Step a) of the present invention is a step of isolating somatic cells from a pig, wherein the pig becomes a cell donor (or nuclear donor) in the production of cloned pigs using nuclear transfer technology. Accordingly, a person skilled in the art may select and use a pig according to the purpose, and the type of pig is not particularly limited. That is, the pig may be a pig fetus or adult pig, and is a concept that includes not only a pig in a natural state but also an artificially transformed pig.
본 발명에서 용어 "체세포"는 상기 돼지로부터 분리될 수 있는 세포로서 유전자 도입 및 넉아웃을 통해 형질전환이 가능한 세포라면 그 종류에 특별히 제한되지 않으며, 분화된 세포 및 미분화 세포를 모두 포함할 수 있다.In the present invention, the term "somatic cell" is a cell that can be isolated from the pig, as long as it is a cell that can be transformed through gene introduction and knockout, and the type is not particularly limited, and may include both differentiated cells and undifferentiated cells. .
체세포를 분리하기 위한 방법으로는 종래의 공지된 방법이 제한 없이 사용될 수 있다.As a method for isolating somatic cells, a conventionally known method may be used without limitation.
본 발명의 b) 단계는 상기 분리된 돼지 체세포를 형질전환시키는 단계로서, 구체적으로 상기 체세포에 인간 HO-1 (Heme oxygenase-1) 유전자 및 인간 TNFR1-Fc (Tumor necrosis factor receptor 1-Fc) 융합 유전자를 도입시키고, GGTA1 (α-1,3-galactosyltransferase) 유전자 및 CMAH (cytidine monophosphate-N-acetylneuraminic acid hydroxylase) 유전자를 넉아웃 (knock-out)시키는 단계이다.Step b) of the present invention is a step of transforming the isolated pig somatic cells, specifically, fusion of human HO-1 (Heme oxygenase-1) gene and human TNFR1-Fc (Tumor necrosis factor receptor 1-Fc) into the somatic cells. This is a step of introducing a gene and knocking out the GGTA1 (α-1,3-galactosyltransferase) gene and CMAH (cytidine monophosphate-N-acetylneuraminic acid hydroxylase) gene.
본 발명의 c) 단계는 상기 형질전환된 세포를 선별하고, 선별된 세포를 배양하는 단계이다.Step c) of the present invention is a step of selecting the transformed cells and culturing the selected cells.
본 발명에서 용어 "HO-1 (Heme oxygenase-1) 유전자"란 중금속, 내독소 (endotoxin), 자외선, 열충격 (heat shock), 활성산소 및 저산소 상태 등과 같은 각종 스트레스원에 의해 세포 내에서 유도 발현되는 효소를 코딩하는 유전자를 의미한다. HO-1은 헴 (heme)을 최종적으로 빌리루빈 (bilirubin)과 Fe2 +으로 분해하는 효소이며, 또한 항산화 효소로서 라디칼 소거 (radical scavenging)나 세포사멸 억제를 통한 세포 보호 기능을 함으로써 이식된 장기의 기능을 향상시킨다. 본 발명에서 HO-1은 CD4+ T-세포 증식을 억제하고 동시에 내피세포 증식을 활성화하여 생체 내의 면역세포들을 정상화시킴으로써 이종 면역 거부 반응 억제 및 장기 분리 시 산화적 스트레스에 대한 저항성을 보이며 세포사멸 억제를 통해 장기를 구성하는 세포를 보호한다.In the present invention, the term "HO-1 (Heme oxygenase-1) gene" is induced expression in cells by various stressors such as heavy metals, endotoxins, ultraviolet rays, heat shock, reactive oxygen species and hypoxic conditions. A gene that encodes an enzyme that HO-1 is an enzyme that finally decomposes heme into bilirubin and Fe 2 + improve function. In the present invention, HO-1 suppresses CD4+ T-cell proliferation and at the same time activates endothelial cell proliferation to normalize immune cells in vivo, thereby suppressing heterogeneous immune rejection and resistance to oxidative stress during organ isolation and suppressing apoptosis. It protects the cells that make up the organs.
구체적으로 상기 인간 HO-1 유전자는 공지의 유전자 데이터베이스에서 그 서열을 얻을 수 있으며, 더욱 구체적으로는 서열번호 1의 염기서열을 포함하는 것일 수 있으나, 돼지의 체세포에 도입되어 HO-1의 기능을 나타낼 수 있는 것이라면 본 발명의 범위에 제한 없이 포함될 수 있다.Specifically, the human HO-1 gene may have its sequence obtained from a known gene database, and more specifically, it may include the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1, but it may be introduced into a pig somatic cell to improve the function of HO-1 Anything that can be shown may be included without limitation in the scope of the present invention.
본 발명에서 용어 "TNFR1-Fc (Tumor necrosis factor receptor 1-Fc) 융합 유전자"란 TNF-α와 결합할 수 있는 TNFR1의 세포외역 부위와 면역글로불린의 Fc 영역이 융합된 형태를 의미한다. 본 발명에서 용어 "TNFR1-Fc 융합 유전자"와 "TNFR1-Fc 유전자"는 구별 없이 사용된다. 본 발명에서 TNFR1-Fc 형태는 TNF-α에 결합하여 TNF-α를 억제할 수 있는 형태는 제한 없이 사용할 수 있으며, 특히 수용성 (soluble) 형태인 수용성 종양괴사인자 수용체1 (soluble TNFR1, sTNFR1) 및 면역글로불린의 Fc 영역이 융합된 형태일 수 있다.As used herein, the term "TNFR1-Fc (Tumor necrosis factor receptor 1-Fc) fusion gene" refers to a fusion of the extracellular region of TNFR1 capable of binding to TNF-α and the Fc region of immunoglobulin. In the present invention, the terms "TNFR1-Fc fusion gene" and "TNFR1-Fc gene" are used without distinction. In the present invention, the form of TNFR1-Fc that binds to TNF-α and can inhibit TNF-α can be used without limitation, and in particular, a soluble form of soluble tumor necrosis factor receptor 1 (soluble TNFR1, sTNFR1) and The Fc region of an immunoglobulin may be fused.
본 발명에서 사용된 용어, "면역글로불린 Fc 영역"은 면역글로불린의 중쇄와 경쇄 가변영역, 중쇄 불변영역 1 (CH1)과 경쇄 불변영역 1 (CL1)을 제외한, 중쇄 불변영역 2 (CH2) 및 중쇄 불변영역 3 (CH3)부분을 의미하며, 중쇄 불변영역에 힌지 (hinge) 부분을 포함하기도 한다. 또한 본 발명의 면역글로불린 Fc 영역은 천연형과 실질적으로 동등하거나 향상된 효과를 갖는 한, 면역글로불린의 중쇄와 경쇄 가변영역만을 제외하고, 일부 또는 전체 중쇄 불변영역 1 (CH1) 및/또는 경쇄 불변영역 1 (CL1)을 포함한 확장된 Fc 영역일 수 있다. 또한, CH2 및/또는 CH3에 해당하는 상당히 긴 일부 아미노산 서열이 제거된 영역일 수도 있다. 즉, 본 발명의 면역글로불린 Fc 영역은 1) CH1 도메인, CH2 도메인, CH3 도메인 및 CH4 도메인, 2) CH1 도메인 및 CH2 도메인, 3) CH1 도메인 및 CH3 도메인, 4) CH2 도메인 및 CH3 도메인, 5) 1 개 또는 2 개의 이상의 도메인과 면역글로불린 힌지 영역 (또는 힌지 영역의 일부)과 조합, 6) 중쇄 불변영역 각 도메인과 경쇄 불변영역의 이량체일 수 있다. 또한, 본 발명의 면역글로불린 Fc 영역은 천연형 아미노산 서열뿐만 아니라 이의 서열 유도체 (mutant)를 포함한다. 아미노산 서열 유도체란 천연 아미노산 서열 중의 하나 이상의 아미노산 잔기가 결실, 삽입, 비보전적 또는 보전적 치환 또는 이들의 조합에 의하여 상이한 서열을 가지는 것을 의미한다. 예를 들면, IgG Fc의 경우 결합에 중요하다고 알려진 214 내지 238, 297 내지 299, 318 내지 322 또는 327 내지 331 번 아미노산 잔기들이 변형을 위해 적당한 부위로서 이용될 수 있다. 또한, 이황화 결합을 형성할 수 있는 부위가 제거되거나, 천연형 Fc에서 N-말단의 몇몇 아미노산이 제거되거나 또는 천연형 Fc의 N-말단에 메티오닌 잔기가 부가될 수도 있는 등 다양한 종류의 유도체가 가능하다. 또한, 이펙터 기능을 없애기 위해 보체 결합부위, 예로 C1q 결합부위가 제거될 수도 있고, ADCC 부위가 제거될 수도 있다.As used herein, the term "immunoglobulin Fc region" refers to the heavy and light chain variable regions of immunoglobulin, heavy chain constant region 1 (CH1) and light chain constant region 1 (CL1), except for heavy chain constant region 2 (CH2) and heavy chain It refers to the constant region 3 (CH3) portion, and also includes a hinge portion in the heavy chain constant region. In addition, as long as the immunoglobulin Fc region of the present invention has substantially the same or improved effect as the native type, part or all of the heavy chain constant region 1 (CH1) and/or light chain constant region except for only the heavy and light chain variable regions of immunoglobulin 1 (CL1) may be an extended Fc region. Also, it may be a region in which some fairly long amino acid sequences corresponding to CH2 and/or CH3 have been removed. That is, the immunoglobulin Fc region of the present invention comprises 1) a CH1 domain, a CH2 domain, a CH3 domain and a CH4 domain, 2) a CH1 domain and a CH2 domain, 3) a CH1 domain and a CH3 domain, 4) a CH2 domain and a CH3 domain, 5) In combination with one or two or more domains and an immunoglobulin hinge region (or a part of the hinge region), 6) heavy chain constant region may be a dimer of each domain and light chain constant region. In addition, the immunoglobulin Fc region of the present invention includes a native amino acid sequence as well as a sequence derivative (mutant) thereof. An amino acid sequence derivative means that one or more amino acid residues in a natural amino acid sequence have a different sequence by deletion, insertion, non-conservative or conservative substitution, or a combination thereof. For example, in the case of IgG Fc, amino acid residues 214 to 238, 297 to 299, 318 to 322, or 327 to 331 known to be important for binding may be used as suitable sites for modification. In addition, various types of derivatives are possible, such as a site capable of forming a disulfide bond is removed, some amino acids at the N-terminus of native Fc are removed, or a methionine residue may be added to the N-terminus of native Fc Do. In addition, in order to eliminate the effector function, the complement binding site, for example, the C1q binding site, may be removed, or the ADCC site may be removed.
이러한 면역글로불린 Fc 영역의 서열 유도체를 제조하는 기술은 국제특허공개 제97/34631호, 국제특허공개 제96/32478호 등에 개시되어 있다. 분자의 활성을 전체적으로 변경시키지 않는 단백질 및 펩티드에서의 아미노산 교환은 당해 분야에 공지되어 있다. 가장 통상적으로 일어나는 교환은 아미노산 잔기 Ala/Ser, Val/Ile, Asp/Glu, Thr/Ser, Ala/Gly, Ala/Thr, Ser/Asn, Ala/Val, Ser/Gly, Thy/Phe, Ala/Pro, Lys/Arg, Asp/Asn, Leu/Ile, Leu/Val, Ala/Glu, Asp/Gly 간의 교환이다. 경우에 따라서는 인산화 (phosphorylation), 황화 (sulfation), 아크릴화 (acrylation), 당화 (glycosylation), 메틸화 (methylation), 파네실화 (farnesylation), 아세틸화 (acetylation), 아밀화 (amidation) 등으로 수식 (modification)될 수도 있다. 상기 기술한 Fc 유도체는 본 발명의 Fc 영역과 동일한 생물학적 활성을 나타내나 Fc 영역의 열, pH 등에 대한 구조적 안정성을 증대시킨 유도체다.Techniques for preparing such an immunoglobulin Fc region sequence derivative are disclosed in International Patent Publication No. 97/34631 and International Patent Publication No. 96/32478. Amino acid exchanges in proteins and peptides that do not entirely alter the activity of the molecule are known in the art. The most common exchanges are amino acid residues Ala/Ser, Val/Ile, Asp/Glu, Thr/Ser, Ala/Gly, Ala/Thr, Ser/Asn, Ala/Val, Ser/Gly, Thy/Phe, Ala/ It is an exchange between Pro, Lys/Arg, Asp/Asn, Leu/Ile, Leu/Val, Ala/Glu, Asp/Gly. In some cases, it is modified by phosphorylation, sulfation, acrylation, glycosylation, methylation, farnesylation, acetylation, amidation, etc. ( may be modified). The above-described Fc derivative exhibits the same biological activity as the Fc region of the present invention, but has increased structural stability to heat, pH, etc. of the Fc region.
한편, 면역글로불린 Fc 영역은 인간 또는 소, 염소, 돼지, 마우스, 래빗, 햄스터, 랫트, 기니아 픽 등의 동물기원일 수 있으며, 바람직하게는 인간기원이다. 또한, 면역글로불린 Fc 영역은 IgG, IgA, IgD, IgE, IgM 유래 또는 이들의 조합 (combination) 또는 이들의 혼성 (hybrid)에 의한 Fc 영역일 수 있다. 바람직하 게는 인간 혈액에 가장 풍부한 IgG 또는 IgM 유래이며 가장 바람직하게는 리간드 결합 단백질의 반감기를 향상시키는 것으로 공지된 IgG 유래이다.Meanwhile, the immunoglobulin Fc region may be of human or animal origin, such as cattle, goats, pigs, mice, rabbits, hamsters, rats, and guinea pigs, preferably human origin. In addition, the immunoglobulin Fc region may be an Fc region derived from IgG, IgA, IgD, IgE, or IgM, a combination thereof, or a hybrid thereof. Preferably from IgG or IgM, which is most abundant in human blood, and most preferably from IgG known to enhance the half-life of ligand binding proteins.
한편, 본 발명에서 용어,“조합 (combination)”이란 이량체 또는 다량체를 형성할 때, 동일 기원 단쇄 면역글로불린 Fc 영역을 암호화하는 폴리펩타이드가 상이한 기원의 단쇄 폴리펩타이드와 결합을 형성하는 것을 의미한다. 즉, IgG Fc, IgA Fc, IgM Fc, IgD Fc 및 IgE의 Fc 단편으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 2 개 이상의 단편으로부터 이량체 또는 다량체의 제조가 가능하다.Meanwhile, as used herein, the term “combination” means that when a dimer or multimer is formed, a polypeptide encoding a single-chain immunoglobulin Fc region of the same origin forms a bond with a single-chain polypeptide of a different origin. do. That is, dimers or multimers can be prepared from two or more fragments selected from the group consisting of IgG Fc, IgA Fc, IgM Fc, IgD Fc and IgE Fc fragments.
본 발명에서 용어, "하이브리드 (hybrid)"란 단쇄의 면역글로불린 Fc 영역 내에 2 개 이상의 상이한 기원의 면역글로불린 Fc 단편에 해당하는 서열이 존재함을 의미하는 용어이다. 본 발명의 경우 여러 형태의 하이브리드가 가능하다. 즉, IgG Fc, IgM Fc, IgA Fc, IgE Fc 및 IgD Fc의 CH1, CH2, CH3 및 CH4로 이루어진 그룹으로부터 1 개 내지 4 개 도메인으로 이루어진 도메인의 하이브리드가 가능하며, 힌지를 포함할 수 있다. 한편, IgG 역시 IgG1, IgG2, IgG3 및 IgG4의 서브클래스로 나눌 수 있고 본 발명에서는 이들의 조합 또는 이들의 혼성화도 가능하다.As used herein, the term "hybrid" is a term meaning that sequences corresponding to immunoglobulin Fc fragments of two or more different origins exist in a single-chain immunoglobulin Fc region. In the case of the present invention, various types of hybrids are possible. That is, a hybrid of domains consisting of 1 to 4 domains from the group consisting of CH1, CH2, CH3 and CH4 of IgG Fc, IgM Fc, IgA Fc, IgE Fc and IgD Fc is possible, and may include a hinge. On the other hand, IgG can also be divided into subclasses of IgG1, IgG2, IgG3 and IgG4, and in the present invention, a combination thereof or hybridization thereof is also possible.
본 발명에서 사이토카인의 수용성 수용체와 면역 글로블린 (이하 'Ig'라 함)의 융합체는 원래 분자의 단일체 (monomer) 또는 Ig와 융합되지 않은 분자에 비해 다음과 같은 장점을 가질 수 있다:In the present invention, the fusion of a cytokine soluble receptor and an immunoglobulin (hereinafter referred to as 'Ig') may have the following advantages compared to a monomer of the original molecule or a molecule not fused with Ig:
1) 이량체 (dimer) 형태에서 융합 단백질은 이가화 (bivalency)가 되므로 리간드에 대한 총 친화력 (avidity)이 증가;1) In the dimer form, the fusion protein becomes bivalency, so that the total affinity for the ligand increases (avidity);
2) 혈청 내에서 파괴되지 않고 존재할 수 있는 기간의 증가, 즉 분자의 안정성 증가;2) an increase in the length of time it can exist in the serum without being destroyed, i.e. an increase in the stability of the molecule;
3) 면역 글로블린 중쇄의 Fc (Fragment crystallizable)를 통한 효과세포(effector cell)의 활성화; 및3) activation of effector cells through Fc (Fragment crystallizable) of immunoglobulin heavy chain; and
4) 단백질 분리 정제의 편리성 (예를 들어, 프로테인 A를 이용한 분리 정제).4) Convenience of protein separation and purification (eg, separation and purification using protein A).
본 발명의 융합체는 중쇄부위의 CH1 도메인을 제외한 형태로 제작되며 그 결과 면역 글로블린의 경쇄 (light chain)와 결합하지 않은 이량체로 제조될 수 있다.The fusion of the present invention is manufactured in a form excluding the CH1 domain of the heavy chain region, and as a result, it can be prepared as a dimer that does not bind to the light chain of immunoglobulin.
구체적으로 상기 인간 TNFR1 및 Fc 각각의 유전자에 관한 서열을 공지의 데이터 베이스에서 얻을 수 있고, 더욱 구체적으로는 서열번호 8로 기재되는 TNFR1-Fc 융합 유전자를 사용할 수 있으나, 돼지의 체세포에 도입되어 TNFR1-Fc 융합 단백질의 기능을 나타낼 수 있는 서열이라면 제한 없이 사용될 수 있다.Specifically, the sequences related to the human TNFR1 and Fc genes can be obtained from known databases, and more specifically, the TNFR1-Fc fusion gene described in SEQ ID NO: 8 can be used, but introduced into somatic cells of a pig, TNFR1 Any sequence capable of showing the function of the -Fc fusion protein may be used without limitation.
상기 유전자 도입은 인간 HO-1 유전자 및 인간 TNFR1-Fc를 돼지 체세포에서 발현시킬 수 있는 공지된 방법을 통해 수행될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니나, 예컨대 상기 유전자를 포함하는 발현 벡터를 도입하거나, 유전체상에서 당해 유전자의 카피수를 증가시키거나, 당해 유전자의 프로모터 서열을 치환 또는 변형에 의해 도입 또는 과발현시킬 수 있다.The gene introduction may be performed through a known method capable of expressing human HO-1 gene and human TNFR1-Fc in porcine somatic cells, but is not limited thereto, for example, introducing an expression vector containing the gene, It is possible to increase the copy number of the gene in the genome, or introduce or overexpress the promoter sequence of the gene by substitution or modification.
상기 유전자를 세포 내로 형질도입시키는 방법으로는 생화학적 방법, 물리적방법 또는 바이러스 매개로 한 형질도입 방법이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 생화학적 방법으로 FuGene6 (Roche, USA), 리포펙타민 (Lipofectamine TM2000, Invitrogen, USA) 또는 ExGen 500 (MBI Fermentas International Inc. CANADA)를 이용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 리포펙타민을 이용한 지질 매개법을 사용할 수 있다. 또한, 상기 유전자를 포함하는 발현벡터는 돼지 체세포 주에서 발현시킬 수 있는 모든 발현벡터를 사용할 수 있으며, 본 발명의 구체적인 실시예에서는 인간 HO-1 유전자를 포함하는 발현벡터로서 pcDNA 3.1 벡터를 사용하였고 인간 TNFR1-Fc 융합 유전자를 포함하는 발현벡터로서 pcDNA6를 사용하였다.As a method of transducing the gene into cells, a biochemical method, a physical method, or a virus-mediated transduction method may be used, and preferably, the biochemical method is FuGene6 (Roche, USA), Lipofectamine (Lipofectamine TM2000). , Invitrogen, USA) or ExGen 500 (MBI Fermentas International Inc. CANADA) may be used, and more preferably, a lipid-mediated method using lipofectamine may be used. In addition, as the expression vector containing the gene, any expression vector that can be expressed in a pig somatic cell line can be used, and in a specific embodiment of the present invention, pcDNA 3.1 vector was used as an expression vector containing the human HO-1 gene. pcDNA6 was used as an expression vector containing the human TNFR1-Fc fusion gene.
이에 제한되는 것은 아니나 구체적인 일 실시태양으로 상기 b) 단계의 인간 HO-1 유전자를 포함하는 단일 벡터, 특히 도 1의 개열지도를 갖는 벡터, 및 인간 TNFR1-Fc 융합 유전자를 포함하는 단일 벡터, 특히 도 2의 개열지도를 갖는 벡터를 별도로 또는 동시에 체세포에 도입시키는 방법에 의해 이루어질 수 있다. 본 발명의 구체적인 일 실시예에서는 네오마이신 저항성 유전자를 포함하는 발현 벡터인 pcDNA3.1 벡터에 인간 HO-1 유전자를 삽입하여 도 1의 개열지도를 갖는 벡터를 제작하였고, 삽입된 유전자의 발현 여부를 HEK293 세포주에서 확인하였다. 또한 블라스티사이딘 (blasticidine) 저항성 유전자를 포함하는 유전자 발현 벡터인 pcDNA6에 인간 TNFR1-Fc 융합 유전자를 삽입하여 도 2의 개열지도를 갖는 벡터를 제작하였고, 삽입된 유전자의 발현 여부를 HEK293 세포주에서 확인하였다.Although not limited thereto, in a specific embodiment, a single vector including the human HO-1 gene of step b), in particular a vector having the cleavage map of FIG. 1, and a single vector including a human TNFR1-Fc fusion gene, particularly The vector having the cleavage map of FIG. 2 may be separately or simultaneously introduced into somatic cells. In a specific embodiment of the present invention, a vector having the cleavage map of FIG. 1 was prepared by inserting the human HO-1 gene into the pcDNA3.1 vector, which is an expression vector containing a neomycin resistance gene, and the expression of the inserted gene was checked. It was confirmed in the HEK293 cell line. In addition, the human TNFR1-Fc fusion gene was inserted into pcDNA6, a gene expression vector containing a blasticidine resistance gene, to prepare a vector having the cleavage map of FIG. 2, and the expression of the inserted gene was checked in HEK293 cell line. Confirmed.
본 발명에서 용어, "벡터"란 상기 벡터가 도입된 세포에서 목적 유전자를 발 현할 수 있는 발현 벡터로서, 벡터 내에 도입된 유전자 삽입물이 발현되도록 작동 가능하게 연결된 필수적인 조절 요소를 포함하는 유전자 제작물을 말한다. 일례로 본 발명은 인간 HO-1 유전자 또는 인간 TNFR1-Fc 융합 유전자를 포함하는 재조합 벡터를 제조할 수 있으며, 상기 제조된 재조합 벡터를 이용하여 이를 체세포에 도입함으로써, 형질전환된 수정란을 제조하기 위한 공여 세포주를 제작할 수 있게 된다.As used herein, the term "vector" refers to an expression vector capable of expressing a target gene in a cell into which the vector is introduced, and a gene construct including essential regulatory elements operably linked so that the gene insert introduced into the vector is expressed. . As an example, the present invention can prepare a recombinant vector containing a human HO-1 gene or a human TNFR1-Fc fusion gene, and by introducing it into a somatic cell using the prepared recombinant vector, for producing a transformed fertilized egg A donor cell line can be generated.
구체적으로 본 발명에서 사용되는 프로모터는 당업계에서 통상적으로 사용되는 발현벡터를 제조하기 위한 프로모터 서열을 제한 없이 사용할 수 있다. 사용될 수 있는 프로모터의 예로는 CMV 프로모터, SV40 프로모터 또는 CAG 프로모터 등이 있으나, 상기 예에 의해 본 발명에서 사용 가능한 프로모터 서열이 제한되는 것은 아니다. 이러한 프로모터는 필요에 따라 조직 특이적으로 발현시키기 위하여 특정 프로모터를 사용할 수 있다.Specifically, as the promoter used in the present invention, promoter sequences for preparing expression vectors commonly used in the art may be used without limitation. Examples of a promoter that can be used include a CMV promoter, an SV40 promoter, or a CAG promoter, but the promoter sequences that can be used in the present invention are not limited by the above examples. As such a promoter, if necessary, a specific promoter may be used for tissue-specific expression.
또한 본 발명의 폴리아데닐화 서열은 통상적으로 사용되는 폴리아데닐화 서열, 예를 들면 SV40 폴리아데닐화 서열, 인간 성장호르몬 폴리아데닐화 서열, 마우스 프로타민-1 유전자 폴리아데닐화 서열 (protamine-1 poly A signal), 라지 T 항원 폴리 A 영역 (large T antigen poly A region)으로 부터 유래된 폴리아데닐화 서열, 토끼 β-글로빈 (β-globin)으로부터 유래된 폴리아데닐화 서열 또는 소태아 성장 호르몬 폴리아데닐화 서열 등이 제한 없이 사용될 수 있다.In addition, the polyadenylation sequence of the present invention is a commonly used polyadenylation sequence, for example, SV40 polyadenylation sequence, human growth hormone polyadenylation sequence, mouse protamine-1 gene polyadenylation sequence (protamine-1 poly A signal), polyadenylation sequence derived from large T antigen poly A region, polyadenylation sequence derived from rabbit β-globin or fetal bovine growth hormone polyadenylation Sequences and the like can be used without limitation.
인간 HO-1 유전자 또는 인간 TNFR1-Fc 융합 유전자가 발현되었는지를 확인하기 위하여, 본 발명의 벡터 내에는 단백질 분리 정제 또는 확인용 태그 서열을 추가적으로 포함할 수 있다. 태그 서열의 예로는 GFP, GST (Glutathione Stransferase)-tag, HA, His-tag, Myc-tag, T7-tag 등이 있으나, 상기 예들에 의해 본 발명의 태그 서열이 제한되는 것은 아니다.In order to determine whether the human HO-1 gene or the human TNFR1-Fc fusion gene is expressed, the vector of the present invention may additionally include a tag sequence for protein isolation, purification or confirmation. Examples of the tag sequence include GFP, Glutathione Stransferase (GST)-tag, HA, His-tag, Myc-tag, T7-tag, and the like, but the tag sequence of the present invention is not limited by the above examples.
본 발명의 구체적인 일 실시예에서는 서열번호 1의 염기서열을 가지는 HO-1 유전자를 pcDNA3.1 벡터에 도입하여 HO-1 유전자 발현 벡터를 제조하였고 (도 1), 서열번호 8의 염기서열을 가지는 sTNFR1-Fc 유전자를 pcDNA6 벡터에 도입하여 sTNFR1-Fc 유전자 발현 벡터를 제조하였다 (도 2). 본 발명의 다른 구체적인 일 실시예에서는 상기 두 종류의 발현 벡터를 돼지로부터 분리된 체세포에 도입하여, HO-1 유전자 및 sTNFR1-Fc 유전자를 동시에 발현하는 세포, 및 상기 세포를 이용하여 형질전환 돼지를 제조하였다.In a specific embodiment of the present invention, the HO-1 gene having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 was introduced into the pcDNA3.1 vector to prepare a HO-1 gene expression vector (FIG. 1), having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 8 The sTNFR1-Fc gene was introduced into the pcDNA6 vector to prepare a sTNFR1-Fc gene expression vector (FIG. 2). In another specific embodiment of the present invention, the two types of expression vectors are introduced into somatic cells isolated from pigs, and cells expressing the HO-1 gene and the sTNFR1-Fc gene simultaneously, and a transgenic pig using the cells. prepared.
본 발명에서 용어 "GGTA1 (α-1,3-galactosyltransferase) 유전자"란 당단백질에서 N-글라이칸의 생산에 관련되는 효소를 말하며, 상기 효소는 α-1,3 글라이코시드 결합을 통해 N-글라이칸에서 갈락토스에 갈락토스 잔기를 연결하여 말단 Gal-α-1,3-Gal (즉, α-Gal) 모이어티를 형성한다. 돼지의 장기를 다른 종에 이식하는 이종간 장기 이식의 경우, 돼지의 GGTA1 유전자에 의해 일어나는 초급성 면역 거부 반응이 이식한지 수 분 내지 수 시간 안에 일어나 이식받은 동물 또는 사람을 사망에 이르게 한다. 이는 장기 이식에 있어 매우 치명적이므로, 본 발명자들은 이를 해결하기 위해 GGTA1 유전자를 완전히 넉아웃시킨 돼지를 제조하고자 하였다.As used herein, the term "GGTA1 (α-1,3-galactosyltransferase) gene" refers to an enzyme involved in the production of N-glycans from glycoproteins, and the enzyme is N- through α-1,3 glycosidic bonds. The galactose residues are linked from the glycan to the galactose to form a terminal Gal-α-1,3-Gal (ie, α-Gal) moiety. In the case of xenogeneic organ transplantation, in which pig organs are transplanted into another species, a hyperacute immune rejection caused by the pig GGTA1 gene occurs within minutes to hours of transplantation, resulting in death of the transplanted animal or human. Since this is very lethal for organ transplantation, the present inventors tried to prepare a pig in which the GGTA1 gene was completely knocked out in order to solve this problem.
구체적으로 상기 GGTA1 유전자는 공지의 유전자 데이터베이스에서 그 서열을 얻을 수 있으며, 돼지에서 α-1,3-galactosyltransferase 활성을 나타내는 단백질에 대응되는 유전자라면 본 발명의 범위에 제한 없이 포함될 수 있다.Specifically, the GGTA1 gene may be sequenced from a known gene database, and any gene corresponding to a protein exhibiting α-1,3-galactosyltransferase activity in pigs may be included without limitation in the scope of the present invention.
본 발명에서 용어 "CMAH (cytidine monophosphate-N-acetylneuraminic acid hydroxylase) 유전자"란 N-glycolylneuraminic acid 생산에 관련되는 효소를 말하며, 상기 효소는 N-acetylneuraminic acid를 N-glycolylneuraminic acid로 전환한다. 돼지의 장기를 인간에 이식하는 이종간 장기 이식의 경우, 돼지의 CMAH 유전자에 의해 일어나는 급성 면역 거부 반응이 이종간 장기 이식에 있어 매우 치명적이므로, 본 발명자들은 CMAH 유전자를 완전히 넉아웃시킨 돼지를 제조하고자 하였다.As used herein, the term “cytidine monophosphate-N-acetylneuraminic acid hydroxylase (CMAH) gene” refers to an enzyme involved in the production of N-glycolylneuraminic acid, and the enzyme converts N-acetylneuraminic acid to N-glycolylneuraminic acid. In the case of xenogeneic organ transplantation in which pig organs are transplanted into humans, the acute immune rejection caused by the swine CMAH gene is very lethal in xenogeneic organ transplantation. .
구체적으로 상기 CMAH 유전자는 공지의 유전자 데이터베이스에서 그 서열을 얻을 수 있으며, 돼지에서 cytidine monophosphate-N-acetylneuraminic acid hydroxylase 활성을 나타내는 단백질에 대응되는 유전자라면 본 발명의 범위에 제한 없이 포함될 수 있다.Specifically, the CMAH gene may be sequenced from a known gene database, and any gene corresponding to a protein exhibiting cytidine monophosphate-N-acetylneuraminic acid hydroxylase activity in pigs may be included without limitation in the scope of the present invention.
본 발명에서 용어 "유전자 넉아웃 (knock-out)"은 유전자가 그 기능을 상실하는 것을 목적으로 하는 인위적 조작을 의미하며, 이는 이에 제한되는 것은 아니나 유전자에 일부 뉴클레오티드가 삽입, 치환, 결손 등이 일어나 야기되는 것일 수 있고, 또는 유전자의 전부 또는 일부가 유전체에서 제거되는 것일 수 있다.In the present invention, the term "gene knock-out" refers to an artificial manipulation for the purpose of causing a gene to lose its function, but is not limited thereto, but some nucleotides are inserted, replaced, deleted, etc. It may be caused by an event, or all or part of a gene may be removed from the genome.
상기 유전자 넉아웃은 공지된 넉아웃 방법이라면 특별히 제한되지 않고 본 발명의 범위에 포함될 수 있다. 예를 들어, 상기 유전자 넉아웃은 TALEN (transcription activator-like effector nuclease)을 이용하여 수행되는 것일 수 있다.The gene knockout is not particularly limited as long as it is a known knockout method and may be included in the scope of the present invention. For example, the gene knockout may be performed using TALEN (transcription activator-like effector nuclease).
본 발명의 용어 "TALEN"은 DNA의 타켓 영역을 인식 및 절단할 수 있는 뉴클레아제를 말하며, 구체적으로 TALE 도메인 및 뉴클레오티드 절단 도메인을 포함하는 융합 단백질을 가리킨다. 본 발명에서, "TAL 이펙터 뉴클레아제" 및 "TALEN"이라는 용어는 호환이 가능하다. TAL 이펙터는 크산토모나스 (Xanthomonas) 박테리아가 다양한 식물 종에 감염될 때 이들의 타입 분비 시스템을 통해 분비되는 단백질로 알려져 있다. 상기 단백질은 숙주 식물 내의 프로모터 서열과 결합하여 박테리아 감염을 돕는 식물 유전자의 발현을 활성화시킬 수 있다. 상기 단백질은 34 개 이하의 다양한 수의 아미노산 반복으로 구성된 중심 반복 도메인을 통해 식물 DNA 서열을 인식한다. 따라서, TALE은 게놈 엔지니어링의 도구를 위한 신규 플랫폼이 될 수 있을 것으로 여겨진다. 다만 게놈-교정 활성을 갖는 기능 TALEN을 제작하기 위해서 다음과 같이 현재까지 알려지지 않았던 소수의 주요 매개변수가 정의되어야 한다. i) TALE의 최소 DNA-결합 도메인, ii) 하나의 타켓 영역을 구성하는 2 개의 절반-자리 사이의 스페이서의 길이, 및 iii) FokI 뉴클레아제 도메인을 dTALE에 연결하는 링커 또는 융합 접합 (fusion junction).As used herein, the term “TALEN” refers to a nuclease capable of recognizing and cleaving a target region of DNA, and specifically refers to a fusion protein comprising a TALE domain and a nucleotide cleavage domain. In the present invention, the terms "TAL effector nuclease" and "TALEN" are interchangeable. TAL effectors are known as proteins that are secreted through their type secretion system when Xanthomonas bacteria are infected with various plant species. The protein can bind to a promoter sequence in the host plant to activate the expression of a plant gene that aids in bacterial infection. The protein recognizes plant DNA sequences through a central repeat domain consisting of a variable number of repeats of up to 34 amino acids. Therefore, TALE is considered to be a novel platform for tools in genome engineering. However, in order to construct a functional TALEN with genome-editing activity, a few key parameters that have not been known so far should be defined as follows. i) the minimal DNA-binding domain of the TALE, ii) the length of the spacer between the two half-sites constituting one target region, and iii) a linker or fusion junction connecting the FokI nuclease domain to the dTALE ).
본 발명의 TALE 도메인은 하나 이상의 TALE-반복 모듈을 통해 서열-특이적 방식으로 뉴클레오티드에 결합하는 단백질 도메인을 가리킨다. 상기 TALE 도메인은 적어도 하나의 TALE-반복 모듈, 보다 구체적으로는 1 내지 30 개의 TALE-반복 모듈을 포함하나 이에 한정되지 않는다. 본 발명에서, "TAL 이펙터 도메인" 및 "TALE 도메인"이라는 용어는 호환가능하다. 상기 TALE 도메인은 TALE-반복 모듈의 절반을 포함할 수 있다. 상기 TALEN과 관련하여 국제공개특허 WO/2012/093833호 또는 미국공개특허 2013-0217131호에 개시된 내용 전문이 본 명세서에 참고자료로서 포함된다.A TALE domain of the present invention refers to a protein domain that binds to nucleotides in a sequence-specific manner via one or more TALE-repeat modules. The TALE domain includes, but is not limited to, at least one TALE-repeat module, more specifically 1 to 30 TALE-repeat module. In the present invention, the terms "TAL effector domain" and "TALE domain" are interchangeable. The TALE domain may include half of a TALE-repeat module. The entire content disclosed in International Patent Publication No. WO/2012/093833 or US Patent Publication No. 2013-0217131 in relation to the TALEN is incorporated herein by reference.
본 발명에서 상기 TALEN은 GGTA1 유전자를 표적으로 하여 상기 유전자를 넉아웃시키기 위해 사용될 수 있고, 이에 제한되는 것은 아니나 특히, GGTA1 유전자의 엑손 9 번 부위를 표적으로 할 수 있다.In the present invention, the TALEN may be used to target the GGTA1 gene and knock out the gene, but is not limited thereto, and particularly, it may target the
본 발명의 구체적인 일 실시예에서는 GGTA1 효소의 촉매작용을 실시하는 부위에 결정적인 역할을 하는 엑손 9 번 부위를 표적으로 하여, GGTA1 유전자를 넉아웃시키기 위한 TALEN을 제작하였다 (도 3). 본 발명의 다른 구체적인 일 실시예에서는 상기 제작한 TALEN을 인간 HO-1 유전자 및 인간 sTNFR1-Fc 융합 유전자를 동시에 발현하는 섬유아세포에 형질도입하여 GGTA1 유전자가 넉아웃된 세포를 제조하였고 (도 4), 이를 자성 비드를 이용하여 분리함으로써 GGTA1 유전자가 결손된 세포 집단을 획득하였다 (도 5).In a specific example of the present invention, a TALEN for knocking out the GGTA1 gene was prepared by targeting the site of
본 발명에서 상기 TALEN은 CMAH 유전자를 표적으로 하여 상기 유전자를 넉아웃시키기 위해 사용될 수 있고, 이에 제한되는 것은 아니나 특히, CMAH 유전자의 엑손 3번 부위를 표적으로 할 수 있다.In the present invention, the TALEN may be used to target the CMAH gene and knock out the gene, but is not limited thereto, but may specifically target the
본 발명의 구체적인 일 실시예에서는 CMAH 효소의 촉매작용을 실시하는 부위에 결정적인 역할을 하는 엑손 3번 부위를 표적으로 하여, CMAH 유전자를 넉아웃시키기 위한 TALEN을 제작하였다 (도 6). 본 발명의 다른 구체적인 일 실시예에서는 상기 제작한 TALEN을 인간 HO-1 유전자 및 인간 sTNFR1-Fc 융합 유전자를 동시에 발현하며 GGTA1이 넉아웃된 섬유아세포에 형질도입하여 CMAH 유전자가 넉아웃된 세포를 제조하였고 (도 7), 이를 reporter gene (H2K)에 의해 TALEN이 도입된 세포를 획득하였다. 또한 분리된 세포주는 항 N-glyconeuraminic acid (Neu5Gc) 항체를 이용하여 selection을 실시하였고 연속하여 반복한 결과 CMAH 유전자가 결손된 세포 집단을 획득하였다. 획득한 세포주는 배양하여 세포수를 증가시켰고 이 세포의 유전자 염기서열 분석과 (도 8), flow cytometry를 이용하여 Neu5Gc 의 결실 여부를 확인하였다 (도 9 ).In a specific example of the present invention, a TALEN for knocking out the CMAH gene was prepared by targeting the site of
상기 b) 단계에 있어서, 인간 HO-1 유전자를 포함하는 단일 벡터 및 인간 TNFR1-Fc 융합 유전자를 포함하는 단일 벡터를 도입하는 것과 GGTA1 유전자 및 CMAH 유전자를 넉아웃시키는 것은 동시에 수행되거나 또는 별도로 수행되는 것일 수 있으며, 동일한 유전자형의 세포를 제조할 수 있는 한 그 순서에 특별히 제한되지 않는다.In step b), introducing a single vector comprising a human HO-1 gene and a single vector comprising a human TNFR1-Fc fusion gene and knocking out a GGTA1 gene and a CMAH gene are performed simultaneously or separately It may be one, and the order is not particularly limited as long as cells of the same genotype can be produced.
상기 c) 단계에 있어서, 일례로 상기 b) 단계의 발현벡터가 도입된 체세포는 선별마커가 도입된 발현벡터를 사용함으로써 용이하게 선별할 수 있다. 선별마커로는 항생제 내성 유전자가 사용될 수 있다. 상기 항생제 내성 유전자에는 bsdr, neor, pacr, bsrr, hphr 등이 사용될 수 있으나, 반드시 여기에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 구체적인 일 실시예에서는 neor를 사용하여 세포 배양액에 네오마이신을 처리해서 인간 HO-1 유전자를 포함하는 발현 벡터가 도입된 체세포를 선별하였고, bsdr를 사용하여 세포 배양액에 블라스티사이딘을 처리해서 인간 TNFR1-Fc 융합 유전자를 포함하는 발현 벡터가 도입된 체세포를 선별하였다.In step c), for example, somatic cells into which the expression vector of step b) has been introduced can be easily selected by using an expression vector into which a selection marker has been introduced. An antibiotic resistance gene may be used as a selection marker. Examples of the antibiotic resistance gene include, but are not limited to, bsd r , neo r , pac r , bsr r , hph r and the like. In a specific embodiment of the present invention, neomycin was treated in the cell culture medium using neo r to select somatic cells into which the expression vector containing the human HO-1 gene was introduced, and bsd r was used to add blastisy to the cell culture medium. Somatic cells into which an expression vector containing a human TNFR1-Fc fusion gene was introduced were selected by treatment with Dean.
다른 일례로 TALEN을 이용하여 GGTA1 및 CMAH 유전자가 넉아웃 된 체세포를 선별하는 것은, 이에 제한되는 것은 아니나 리포터 시스템을 포함하는 TALEN 플라스미드를 이용하는 것일 수 있다. 상기 리포터 시스템은 예컨대, H2KK 막단백질 유전자를 이용할 수 있으며, 이 경우 마그네틱 비드를 이용하여 상기 유전자를 발현하는 세포를 선별할 수 있다. 선별된 세포로부터 콜로니를 형성시킨 뒤, 각각의 콜로니에 대하여, T7E1 분석, 타겟화 딥시퀀싱 (targeted deep sequencing) 등을 수행하여 GGTA1 및 CMAH 유전자가 넉아웃되었는지 여부를 추가적으로 확인할 수 있다.As another example, selecting a somatic cell in which the GGTA1 and CMAH genes are knocked out using TALEN may be, but is not limited to, using a TALEN plasmid including a reporter system. The reporter system may use, for example, the H2K K membrane protein gene, and in this case, magnetic beads may be used to select cells expressing the gene. After colonies are formed from the selected cells, for each colony, T7E1 analysis, targeted deep sequencing, etc. may be performed to further confirm whether the GGTA1 and CMAH genes are knocked out.
상기 d) 단계는 상기 선별된 체세포를 이용하여 상기 체세포와 유전 형질이 동일한 수정란을 제조하는 단계로, 상기 체세포에 대한 복제 돼지를 생산하는 것을 목적으로 한다. 구체적으로, d) 단계는 돼지 난자의 핵을 제거하고 상기 선별된 체세포와 융합하여 체세포 핵이 이식된 수정란을 제조하는 단계이며, 체세포 핵 이식 기술 (somatic cell nuclear transfer)을 이용하는 단계이다.Step d) is a step of preparing a fertilized egg having the same genetic trait as the somatic cell using the selected somatic cells, and aims to produce cloned pigs with respect to the somatic cells. Specifically, step d) is a step of removing the nucleus of a pig egg and fusion with the selected somatic cells to prepare a fertilized egg in which a somatic cell nucleus has been transplanted, and is a step using somatic cell nuclear transfer technology.
상기 d) 단계에 있어서, 본 발명의 난자는 미경산돈의 난소에서 채취된 미성숙 난자를 배양하여 사용할 수 있다.In step d), the oocytes of the present invention may be used by culturing immature oocytes collected from the ovaries of untreated pigs.
본 발명에서 용어, "핵 이식 (nuclear transfer)"이란 세포의 핵을 이미 핵을 제거한 난자에 넣어 이식시키는 것을 의미한다. 이런 핵이식된 수정란을 착상시켜서 태어난 개체는 핵공여 세포의 유전적 물질이 핵수여 세포질로 그대로 전달되었기 때문에 핵공여 개체와 유전적으로 완전히 동일한 복제 개체이다.As used herein, the term “nuclear transfer” refers to transferring the nucleus of a cell into an egg from which the nucleus has already been removed. An individual born by implanting such a nuclear-transferred fertilized egg is a cloned individual that is genetically identical to the nuclear donor individual because the genetic material of the nuclear donor cell is transferred to the nuclear donor cytoplasm as it is.
난자의 유전 물질을 제거하는 방법에는, 물리적인 방법, 화학적인 방법, Cytochalasin B 를 사용한 원심분리법 등이 있다 (Tatham et al., Hum Reprod., 11(7);1499-1503, 1996). 본 발명에서는, 미세조작기를 이용하여, 물리적인 핵 제거 방법을 사용하였다. 형질전환된 체세포는 세포막융합법, 세포질내미세주입법 등을 이용하여 핵이 제거된 난자 내로 도입된다. 세포막융합법은 간단하며 대규모 수정란 생산에 적합하다는 장점이 있으며, 세포질내 미세주입법은 핵과 난자 내 물질들과의 접촉을 극대화시킨다는 장점이 있다. 체세포와 핵이 제거된 난자와의 융합은 전기자극을 통하여 세포막의 점도를 변화시켜 융합시키는 방법을 통하여 재조합한다. 이때, 미세전류ㆍ전압을 자유롭게 조정할 수 있는 전기융합기를 이용하면 편리하다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는 미세조작에 의해 물리적으로 상기 난자의 핵을 제거하고, 핵이 제거된 난자와 상기 선별된 체세포인 공여 세포주를 전기적 자극으로 융합시켜 수정란을 제조하였다.Methods for removing the genetic material of eggs include a physical method, a chemical method, and a centrifugation method using Cytochalasin B (Tatham et al., Hum Reprod., 11(7); 1499-1503, 1996). In the present invention, using a micromanipulator, a physical nucleation method was used. Transformed somatic cells are introduced into an egg from which the nucleus has been removed using a cell membrane fusion method, intracytoplasmic microinjection, or the like. The cell membrane fusion method has the advantage of being simple and suitable for large-scale production of fertilized eggs, and the intracytoplasmic microinjection method has the advantage of maximizing the contact between the nucleus and materials in the egg. Fusion of a somatic cell and an egg with the nucleus removed is recombined through a method of fusion by changing the viscosity of the cell membrane through electrical stimulation. In this case, it is convenient to use an electric fusion device that can freely adjust the microcurrent and voltage. In a specific embodiment of the present invention, the nucleus of the egg was physically removed by micromanipulation, and the nucleus from which the nucleus was removed and the selected somatic cell donor cell line were fused with electrical stimulation to prepare a fertilized egg.
본 발명의 형질전환 돼지의 제조 방법은, 상기 d) 단계의 수정란을 돼지 자궁에 착상시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 이를 위해, 체세포 핵이 이식된 수정란의 이식을 위한 대리 모돈은 발정이 시작된 개체를 선별하는 것이 바람직하다.The method for producing a transgenic pig of the present invention may further include the step of implanting the fertilized egg of step d) into a pig uterus. For this purpose, it is preferable to select a surrogate sow for transplantation of a fertilized egg into which the somatic cell nucleus has been transplanted.
핵이식된 수정란은 활성화시켜 이식 가능한 단계까지 발생시킨 후 대리모로 착상된다. 복제 수정란의 활성화는 수정란이 분열할 수 있도록 성숙과정에서 일시적으로 정지되어진 세포주기를 다시 가동시키는 것을 의미한다. 복제수정란 활성화를 위하여서는 세포주기 정지요소인 MPF, MAP 키나제 등의 세포신호전달물질의 활성을 저하시켜야만 하는데, 이를 위하여서는 복제 수정란 내 칼슘 이온 증가가 필수적이다. 크게 전기적 자극에 의하여 세포막 투과도를 변형하여, 세포 외로부터 칼슘유입을 급격히 증가시키는 방법과 이노마이신(ionomycin) 및 6-DMAP 등의 화학적 물질을 이용하여 세포주기 정지요소의 활성을 직접적으로 저해시키는 방법 등이 단독 또는 병용되어지고 있다.The nuclear-transferred fertilized egg is activated and developed to a stage where it can be transplanted, and then implanted as a surrogate mother. Activation of a replicating fertilized egg means reactivating the cell cycle temporarily suspended during maturation so that the fertilized egg can divide. In order to activate the cloned fertilized egg, it is necessary to decrease the activity of cell signaling substances such as MPF and MAP kinase, which are cell cycle arresting factors. A method of rapidly increasing calcium influx from outside the cell by largely modifying cell membrane permeability by electrical stimulation, and a method of directly inhibiting the activity of cell cycle arresting factors using chemical substances such as ionomycin and 6-DMAP These are used alone or in combination.
본 발명의 구체적인 일 실시예에서는 상기 방법을 통해 생산된 모든 형질전환 돼지에서 HO-1 및 sTNFR1-Fc 유전자가 삽입되어 발현됨을 PCR (도 10), RT-PCR (도 11), ELISA (도 12) 및 웨스턴블랏 (도 13)으로 확인하였다. 또한, 염기서열 분석 (도 16) 및 flow cytometry분석 (도 17)을 통해 GGTA1 유전자 및 CMAH가 넉아웃되었음을 확인하였다.In a specific embodiment of the present invention, PCR (FIG. 10), RT-PCR (FIG. 11), ELISA (FIG. 12) shows that HO-1 and sTNFR1-Fc genes are inserted and expressed in all the transgenic pigs produced by the above method. ) and western blot (Fig. 13). In addition, it was confirmed that the GGTA1 gene and CMAH were knocked out through nucleotide sequence analysis (FIG. 16) and flow cytometry analysis (FIG. 17).
본 발명의 다른 구체적인 일 실시예에서는 상기 형질전환 돼지로부터 분리한 섬유아세포를 이용하여 세포사멸 자극 및 산화적 스트레스 자극에 대한 세포 생존능을 분석한 결과, 상기 형질전환 돼지로부터 분리한 섬유아세포가 야생형 혈관내피세포에 비해 세포 생존능이 유의하게 증가하였음을 확인하였다 (도 18). 또한, 상기 형질전환 돼지로부터 분리한 혈관내피세포 및 섬유아세포는 인간 혈청과 보체에 대하여 야생형의 세포에 비해 유의적으로 저항성을 가지고 있는 것을 확인하였다 (도 19). 그리고 IgG와 IgM에 대한 항체 결합력 또한 형질전환 돼지로부터 분리한 혈관내피세포 및 섬유아세포는 인간 혈청과 보체에 대하여 야생형의 세포에 비해 유의적으로 낮음을 확인하였다 (도 20).In another specific embodiment of the present invention, as a result of analyzing cell viability against apoptosis stimulation and oxidative stress stimulation using fibroblasts isolated from the transgenic pig, the fibroblasts isolated from the transgenic pig are wild-type blood vessels. It was confirmed that cell viability was significantly increased compared to endothelial cells (FIG. 18). In addition, it was confirmed that the vascular endothelial cells and fibroblasts isolated from the transgenic pigs had significant resistance to human serum and complement compared to the wild-type cells (FIG. 19). In addition, it was confirmed that vascular endothelial cells and fibroblasts isolated from transgenic pigs also had significantly lower antibody binding affinities to IgG and IgM compared to wild-type cells with respect to human serum and complement ( FIG. 20 ).
이로써, 본 발명의 형질전환 돼지의 제조 방법을 이용하면 안정적으로 인간 HO-1 유전자 및 TNFR1-Fc 융합 유전자를 발현하고 GGTA1 유전자 및 CMAH 유전자가 넉아웃된 형질전환 돼지를 제조할 수 있으며, 상기 돼지로부터 분리되는 장기는 산화적 스트레스에 생존능이 높고, 인간 혈청과 보체에 저항성을 가질 뿐만 아니라, 초급성 면역 거부 반응 및 급성 면역 거부 반응에 관련된 항원이 제거 되었다는 것을 확인할 수 있다. 이에 상기 돼지로부터 분리된 장기 이식시 산화적 스트레스로부터 세포 또는 조직이 보호되며, 면역 거부 반응이 억제될 것임을 알 수 있다.Thus, using the method for producing a transgenic pig of the present invention, a transgenic pig in which the human HO-1 gene and the TNFR1-Fc fusion gene are stably expressed and the GGTA1 gene and the CMAH gene are knocked out can be prepared, the pig Organs isolated from oxidative stress have high viability, have resistance to human serum and complement, and it can be confirmed that antigens related to hyperacute immune rejection and acute immune rejection are removed. Accordingly, it can be seen that cells or tissues are protected from oxidative stress during organ transplantation isolated from the pig, and immune rejection will be suppressed.
이에, 본 발명의 형질전환 돼지는 기존의 인간 HO-1 유전자 및 TNFR1-Fc 융합 유전자를 동시에 발현하며 GGTA1이 넉아웃된 돼지에 비하여, CMAH가 넉아웃된 특성을 추가로 가지므로, CMAH 넉아웃에 의한 급성 면역 거부 반응에 저항성을 갖는다. 따라서, 면역 거부 반응 없이 이종 장기 이식 용도로 매우 유용하게 이용될 수 있다.Accordingly, the transgenic pig of the present invention simultaneously expresses the existing human HO-1 gene and the TNFR1-Fc fusion gene, and has additional characteristics in which CMAH is knocked out, compared to pigs in which GGTA1 is knocked out, so CMAH knockout resistant to acute immune rejection by Therefore, it can be very usefully used for xenogeneic organ transplantation without immune rejection.
다른 하나의 양태로서, 본 발명은 인간 HO-1 (Heme oxygenase-1) 유전자 및 인간 TNFR1-Fc (Tumor necrosis factor receptor 1-Fc) 융합 유전자가 도입되고, GGTA1 (α-1,3-galactosyltransferase) 유전자 및 CMAH (cytidine monophosphate-N-acetylneuraminic acid hydroxylase)가 넉아웃 (knock-out)된, 이종 장기 이식 시 면역 거부 반응이 억제된 장기 이식용 형질전환 돼지를 제공한다. 상기 장기는 구체적으로 췌도 및 췌장, 심장, 신장, 간장, 폐장, 각막 등 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 인간에게 이식할 수 있는 돼지의 모든 장기를 제한 없이 포함할 수 있다.As another aspect, the present invention is a human HO-1 (Heme oxygenase-1) gene and human TNFR1-Fc (Tumor necrosis factor receptor 1-Fc) fusion gene is introduced, GGTA1 (α-1,3-galactosyltransferase) Provided is a transgenic pig for organ transplantation in which a gene and cytidine monophosphate-N-acetylneuraminic acid hydroxylase (CMAH) are knocked out and immune rejection is suppressed during xenotransplantation. The organ may specifically be islets, pancreas, heart, kidney, liver, lung, cornea, etc., but is not limited thereto, and may include all organs of a pig that can be transplanted into a human without limitation.
또 하나의 양태로서, 본 발명은 상기 형질전환 돼지를 제조하기 위한 체세포 공여 세포주를 제공한다.As another aspect, the present invention provides a somatic cell donor cell line for producing the transgenic pig.
상기 체세포 공여 세포주는 인간 HO-1 유전자 및 인간 TNFR1-Fc 유전자를 안정적으로 발현하고, GGTA1 유전자 및 CMAH 유전자가 넉아웃된 세포주를 제한 없이 사용할 수 있다.The somatic donor cell line stably expresses the human HO-1 gene and the human TNFR1-Fc gene, and a cell line in which the GGTA1 gene and the CMAH gene are knocked out may be used without limitation.
또 하나의 양태로서, 본 발명은 상기 형질전환 돼지를 제조하는 방법에 의해 형질전환 돼지를 제조하는 단계; 및 상기 형질전환 돼지로부터 이식용 장기를 분리하는 단계를 포함하는, 이종 장기 이식 시 면역 거부 반응이 억제된 장기를 제조하는 방법을 제공한다.As another aspect, the present invention comprises the steps of producing a transgenic pig by the method for producing the transgenic pig; And it provides a method for producing an organ in which immune rejection is suppressed during xenogeneic organ transplantation, comprising the step of isolating an organ for transplantation from the transgenic pig.
상기 장기는 구체적으로 췌도 및 췌장, 심장, 신장, 간장, 폐장, 각막 등 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 인간에게 이식할 수 있는 돼지의 모든 장기를 제한 없이 포함할 수 있다. 또한, 상기 장기를 인간에게 이식했을 때 면역 거부 반응이 일어나지 않음으로써, 목적하는 장기의 종류에 따른 질환을 치료할 수 있다.The organ may specifically be islets, pancreas, heart, kidney, liver, lung, cornea, etc., but is not limited thereto, and may include all organs of a pig that can be transplanted into a human without limitation. In addition, when the organ is transplanted into a human, an immune rejection reaction does not occur, so that a disease according to a type of a target organ can be treated.
본 발명의 인간 HO-1과 TNFR1-Fc 융합 유전자를 동시 발현하며 GGTA1 유전자 및 CMAH 유전자가 넉아웃된 형질전환 돼지는 HO-1 유전자의 항산화 작용 및 세포 보호 기능 등에 의해 장기 분리 및 체외 배양 시에 산화적 스트레스를 감소시킬 수 있고, TNFR1-Fc 발현에 의해 이식 초기에 일어나는 TNF-α 매개의 염증 반응도 감소시킬 수 있으며, 또한 수지상 세포의 성숙을 억제하고 T 세포의 증식과 활성화를 조절하여 급성 혈관계 거부 반응을 감소시켜 이식된 장기의 초기 생착을 촉진할 수 있다. 나아가, GGTA1 의한 초급성 면역 거부 반응 및 및 CMAH에 의한 급성 면역 거부 반응을 억제함으로써 이식된 장기의 생존율을 증가시킬 수 있다. 이에, 상기 형질전환 돼지를 이용하여 이종 이식 시 면역 거부 반응이 억제된 장기를 생산할 수 있다.Transgenic pigs in which the human HO-1 and TNFR1-Fc fusion genes of the present invention are co-expressed and the GGTA1 gene and CMAH gene are knocked out during organ isolation and in vitro culture due to the antioxidant and cytoprotective functions of the HO-1 gene It can reduce oxidative stress, and can also reduce the TNF-α-mediated inflammatory response that occurs at the early stage of transplantation by TNFR1-Fc expression. Also, it inhibits the maturation of dendritic cells and regulates the proliferation and activation of T cells in the acute vasculature. It can promote early engraftment of transplanted organs by reducing rejection. Furthermore, it is possible to increase the survival rate of transplanted organs by suppressing the hyperacute immune rejection by GGTA1 and the acute immune rejection by CMAH. Accordingly, an organ in which immune rejection is suppressed during xenotransplantation can be produced using the transgenic pig.
도 1은 인간 HO-1 유전자가 삽입된 발현벡터의 개열지도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 인간 sTNFR1-Fc 융합 유전자가 삽입된 발현 벡터의 개열지도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 GGTA1 유전자를 타겟으로 하는 TALEN의 모식도이다.
도 4는 TALEN을 이용하여 GGGT1 유전자를 형질전환시키고 선별된 세포의 유전자 결실 여부를 클로닝 및 시퀀싱을 통해 확인한 결과이다.
도 5는 TALEN 매개 돌연변이 돼지세포들의 자기활성세포분리법 결과이다.
도 6은 돼지의 CMAH 유전자를 타겟으로 하는 TALEN의 모식도이다.
도 7은 TALEN을 이용하여 CMAH 유전자를 형질전환시키고 선별된 세포의 유전자 결실 여부를 T7E1을 통해 확인한 결과이다.
도 8은 본 발명의 CMAH 유전자를 타겟으로 하여 획득한 세포 3개 colony의 시퀀싱 결과이다.
도 9는 CMAH 유전자를 결실시키고 선별된 세포의 CMAH 유전자 결실 여부를 Anti-Neu5Gc로 flow cytometry를 실시하여 확인한 결과이다.
도 10은 체세포 복제 기술을 통해 생산된 형질전환된 돼지(16401, 16402, 16403)에서의 HO-1 유전자 및 sTNFR1-Fc 유전자의 발현을 PCR로 확인한 결과이다.
도 11은 형질전환된 돼지(16401, 16402, 16403)에서의 HO-1 유전자 및 sTNFR1-Fc 유전자의 발현을 RT-PCR로 확인한 결과이다.
도 12는 형질전환된 돼지(16401, 16402, 16403)에서의 sTNFR1-Fc 유전자의 발현을 형질전환된 돼지 유래의 세포를 배양하여 배양액 내 shTNFRI-Fc의 발현을 ELISA로 확인한 결과이다.
도 13은 형질전환된 돼지(16401, 16402, 16403)에서의 HO-1 유전자 및 sTNFR1-Fc 유전자의 단백질 발현을 웨스턴블랏 방법을 이용하여 확인한 결과를 나타낸다.
도 14는 체세포 복제를 통해 생산된 TALEN 매개 GGTA1 유전자 돌연변이의 결과를 염기 서열상에서 나타낸다.
도 15는 형질전환 돼지의 꼬리 유래 섬유아세포에서 유세포 분석 방법을 이용하여 a-1,3-Gal epitopes의 제거를 확인한 결과이다.
도 16은 생산된 복제돼지 3두(16401, 16402, 16403)의 CMAH와 GGTA1유전자의 결실 여부를 확인하기 위하여 시퀀싱을 실시한 결과이다.
도 17은 생산된 복제돼지 3두(16401, 16402, 16403)의 CMAH와 GGTA1유전자의 결실 여부를 확인하기 위하여 flow cytometry를 실시한 결과이다.
도 18은 세포사멸자극인 hTNF-α 와 CHX로 15 분, 산화적 스트레스 자극인 H2O2로 1 시간 처리 후 CCK-8을 이용한 형질전환 돼지(16401, 16402, 16403)의 섬유아세포에서 세포 생존능을 확인한 결과이다.
도 19는 40%의 사람 혈청 처리 후 7-AAD 염색에 의한 형광활성세포분리법을 이용한 형질전환 돼지(16401, 16402, 16403)의 혈관내피세포(pECs) 및 섬유아세포(pFbs)에서 항체/보체 매개성 용해를 확인한 결과이다.
도 20은 인간 IgG 및 IgM 처리 후 형질전환 돼지(16401, 16402, 16403) 유래의 혈관내피세포(pECs) 및 섬유아세포(pFbs)의 낮은항체 결합력으로 이종항원 제거를 검증한 결과이다.1 schematically shows a cleavage map of an expression vector into which a human HO-1 gene is inserted.
2 schematically shows a cleavage map of an expression vector into which a human sTNFR1-Fc fusion gene is inserted.
3 is a schematic diagram of a TALEN targeting the GGTA1 gene of the present invention.
FIG. 4 is a result of transforming the GGGT1 gene using TALEN and confirming whether or not the gene is deleted in the selected cells through cloning and sequencing.
5 is a result of magnetically activated cell separation method of TALEN-mediated mutant pig cells.
6 is a schematic diagram of TALEN targeting the CMAH gene in pigs.
7 is a result of transforming the CMAH gene using TALEN and confirming whether or not the gene is deleted in the selected cells through T7E1.
8 is a sequencing result of three cell colonies obtained by targeting the CMAH gene of the present invention.
9 is a result of confirming the deletion of the CMAH gene and whether the CMAH gene is deleted in the selected cells by performing flow cytometry with Anti-Neu5Gc.
10 is a result of confirming the expression of HO-1 gene and sTNFR1-Fc gene in transgenic pigs (16401, 16402, 16403) produced through somatic cell cloning technology by PCR.
11 is a result of confirming the expression of HO-1 gene and sTNFR1-Fc gene in transgenic pigs (16401, 16402, 16403) by RT-PCR.
12 is a result of confirming the expression of sTNFR1-Fc gene in transgenic pigs (16401, 16402, 16403) by culturing cells derived from the transformed pig and confirming the expression of shTNFRI-Fc in the culture medium by ELISA.
13 shows the results of confirming the protein expression of the HO-1 gene and the sTNFR1-Fc gene in transgenic pigs (16401, 16402, 16403) using a Western blot method.
14 shows the results of TALEN-mediated GGTA1 gene mutation produced through somatic replication on the nucleotide sequence.
15 is a result confirming the removal of a-1,3-Gal epitopes from the tail-derived fibroblasts of transgenic pigs using flow cytometry.
16 is a result of sequencing to confirm whether the CMAH and GGTA1 genes of three cloned pigs (16401, 16402, 16403) were deleted.
17 is a flow cytometry result to confirm the deletion of the CMAH and GGTA1 genes in the produced three cloned pigs (16401, 16402, 16403).
18 shows cells in fibroblasts of transgenic pigs (16401, 16402, 16403) using CCK-8 after treatment with apoptosis stimulation hTNF-α and CHX for 15 minutes and oxidative stress stimulation H 2 O 2 for 1 hour It is the result of confirming the viability.
19 shows antibody/complement mediation in vascular endothelial cells (pECs) and fibroblasts (pFbs) of transgenic pigs (16401, 16402, 16403) using fluorescence activated cell separation by 7-AAD staining after treatment with 40% human serum; It is the result of confirming the dissolution of sex.
20 is a result of verifying the removal of heterologous antigens by low antibody binding strength of vascular endothelial cells (pECs) and fibroblasts (pFbs) derived from transgenic pigs (16401, 16402, 16403) after treatment with human IgG and IgM.
이하 본 발명을 실시예에 의해 보다 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of Examples. However, these examples are for illustrative purposes only and the scope of the present invention is not limited by these examples.
실시예Example 1: HO-1 유전자 및 1: HO-1 gene and sTNFR1sTNFR1 -- FcFc 유전자 발현 벡터 제작 Gene expression vector construction
HO-1 유전자 및 sTNFR1-Fc 유전자 각각을 클로닝하여 발현 벡터를 제작하고, 이를 세포에 도입하여 상기 유전자를 동시에 발현하는 세포주를 제조하였다. 상기 클로닝 및 형질전환은 한국공개특허 제10-2011-0079485호에 기술된 것과 같은 방식으로 수행하였으며, 구체적으로 다음과 같다.An expression vector was prepared by cloning each of the HO-1 gene and the sTNFR1-Fc gene, and introduced into the cell to prepare a cell line expressing the gene at the same time. The cloning and transformation were performed in the same manner as described in Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2011-0079485, specifically as follows.
1-1. HO-1 유전자 발현 벡터 제작 및 유전자 발현 확인1-1. Construction of HO-1 gene expression vector and confirmation of gene expression
NCBI 웹사이트 (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)와 ExPASy 웹사이트 (http://expasy.org/)를 이용하여 인간의 HO-1 (Heme oxygenase-1) 유전자의 서열을 분석하고 이를 이용하여 HO-1의 정방향 프라이머 (서열번호 2) 및 역방향 프라이머 (서열번호 3)를 제작하였다. 상기 프라이머 세트를 이용하여 중합효소 연쇄반응법 (PCR)으로 HO-1 유전자 (서열번호 1)를 확보하였다. 유전자를 발현시키기 위하여 네오마이신 (neomycin) 저항성 유전자를 포함하는 유전자 발현 벡터인 pcDNA3.1 벡터 (Invitrogen, CA, USA)를 NheI과 EcoRI 제한 효소로 처리한 뒤, 절단된 부위에 상기 확보된 HO-1 유전자를 삽입하여 HO-1 유전자 발현 벡터를 제작하였다 (도 1).Sequence of the human HO-1 (Heme oxygenase-1) gene using the NCBI website (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/) and the ExPASy website (http://expasy.org/) , and using this, a forward primer (SEQ ID NO: 2) and a reverse primer (SEQ ID NO: 3) of HO-1 were prepared. The HO-1 gene (SEQ ID NO: 1) was obtained by polymerase chain reaction (PCR) using the primer set. In order to express the gene, pcDNA3.1 vector (Invitrogen, CA, USA), which is a gene expression vector containing a neomycin resistance gene, was treated with NheI and EcoRI restriction enzymes, and then the obtained HO- A HO-1 gene expression vector was prepared by inserting 1 gene ( FIG. 1 ).
삽입된 유전자의 발현 여부를 확인하기 위하여 HEK293 세포주에 HO-1 유전자 발현 벡터를 리포펙타민 TM2000 (Lipofectamine TM2000, Invitrogen, CA, USA)을 이용하여 트랜스펙션하였다. 35 mm 플라스틱 배양용 접시 (Becton Dickinson, NJ, USA)에 3 X 105 개의 HEK293 세포를 접종 (seeding)하였다. 다음 날 오전에 1 ㎍ HO-1 발현 벡터를 50 ㎕ Opti-MEM I Reduced Serum Medium (Invitrogen, CA, USA)으로 희석하고 또한 HO-1 발현 벡터와 동일한 부피의 리포펙타민 TM2000을 50 ㎕ Opti-MEM I 배지로 희석한 후 이들을 상온에서 5 분간 배양하였다. 배양 후 희석된 HO-1 발현 벡터와 희석된 리포펙타민 TM2000을 혼합하고 상온에서 20 분간 배양하였다. 상기 배양 후 혼합액을 세포가 접종된 35 mm 세포 배양 접시에 첨가하고 37 ℃ CO2 배양기에서 배양하였다. 4 시간 후 10 % FBS와 페니실린/스트렙토마이신이 포함된 DMEM (Invitrogen, CA, USA)으로 배양액을 교체하고 37 ℃ CO2 배양기에서 배양하였다.In order to check the expression of the inserted gene, the HO-1 gene expression vector was transfected into HEK293 cell line using Lipofectamine TM2000 (Lipofectamine TM2000, Invitrogen, CA, USA). 3
48 시간 후 세포를 용출 완충용액 (lysis buffer: 1 % Triton X-100, 50 mM TrisHCl, 20 mM NaF, 150 mM NaCl, protease inhibitors)으로 수확하여, 30 ㎍의 세포 추출물을 전기영동한 후 PVDF 막으로 전기이동시켰다. PVDF 막을 블로킹 완충용액 (blocking buffer: TBST 내 5 % skim milk)으로 1 시간 블로킹하였고 항-HO-1 항체 (래빗 단클론 항체, Abcam, Cambridge, UK)를 1 : 2000으로 희석하여 상온에서 1 시간 반응시켰다. 반응 후 TBST 완충용액으로 30 분간 3 회 세척한 후 HRP가 연결된 항-래빗 IgG 항체 (Santa Cruz Biotechnology, CA, USA)를 1 : 5000으로 희석하여 상온에서 1 시간 반응시켰다. 반응 후 TBST 완충용액으로 30 분간 3 회 세척한 후 화학발광기질 (Chemiluminescent substrates, WestSaveUp™, Abfrontier, Seoul, Korea)을 처리하여 반응시켰다. 이를 X-ray 필름에 노출시켜서 현상하여 인간 HO-1 유전자가 벡터 내에 삽입되어 발현되는 것을 확인하였다.After 48 hours, the cells were harvested with an elution buffer (lysis buffer: 1% Triton X-100, 50 mM TrisHCl, 20 mM NaF, 150 mM NaCl, protease inhibitors), 30 μg of the cell extract was electrophoresed, and the PVDF membrane was electrophoresed. The PVDF membrane was blocked with a blocking buffer (blocking buffer: 5% skim milk in TBST) for 1 hour, and an anti-HO-1 antibody (rabbit monoclonal antibody, Abcam, Cambridge, UK) was diluted 1: 2000 and reacted at room temperature for 1 hour. made it After the reaction, after washing 3 times for 30 minutes with TBST buffer, HRP-linked anti-rabbit IgG antibody (Santa Cruz Biotechnology, CA, USA) was diluted 1:5000 and reacted at room temperature for 1 hour. After the reaction, it was washed 3 times for 30 minutes with TBST buffer, and then treated with chemiluminescent substrates (WestSaveUp™, Abfrontier, Seoul, Korea) and reacted. It was developed by exposing it to an X-ray film, and it was confirmed that the human HO-1 gene was inserted into the vector and expressed.
1-2. 1-2. sTNFR1sTNFR1 -- FcFc 융합 유전자 발현 벡터 제작 및 유전자 발현 확인 Construction of fusion gene expression vector and confirmation of gene expression
NCBI 웹사이트 (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/) 와 ExPASy 웹사이트(http://expasy.org/)를 이용하여 인간의 종양괴사인자 수용체 1 (TNFR1) 유전자의 서열을 분석하고, 이를 이용하여 종양괴사인자 수용체 1의 외역부위 (extracellular domain)의 정방향 프라이머 (서열번호 4) 및 역방향 프라이머 (서열번호 5)를 제작하였다. 또한, 인간의 면역 글로불린 G1의 유전자 서열 분석을 통하여 Fc 부위의 정방향 프라이머 (서열번호 6) 및 역방향 프라이머 (서열번호 7)를 제작하였다. 제작된 각각의 프라이머를 이용한 중합효소 연쇄반응법 (PCR)을 수행하여 수용성 종양괴사인자 수용체 1 (soluble TNFR1) 및 면역 글로불린 G1-Fc (IgG1-Fc) 융합 유전자를 확보하였다 (sTNFR1-Fc, 서열번호 8). 상기 확보된 유전자를 발현시키기 위하여 블라스티사이딘 (blasticidine) 저항성 유전자를 포함하는 유전자 발현 벡터인 pcDNA6 (Invitrogen, CA, USA)를 HindIII와 XhoI 제한 효소로 처리하여 절단하고 절단된 부위에 확보된 sTNFR1 및 IgG1-Fc 융합 유전자를 삽입하여 sTNFR1-Fc 유전자 발현 벡터를 제작하였다 (도 2).The sequence of the human tumor necrosis factor receptor 1 (TNFR1) gene was obtained from the NCBI website (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/) and the ExPASy website (http://expasy.org/). analysis, and using this, a forward primer (SEQ ID NO: 4) and a reverse primer (SEQ ID NO: 5) of the extracellular domain of tumor
삽입된 유전자의 발현 여부를 확인하기 위하여 HEK293 세포주에 sTNFR1-Fc 유전자 발현 벡터를 리포펙타민 TM2000 (Invitrogen, CA, USA)을 이용하여 트렌스펙션하였다. 35 mm 플라스틱 배양용 접시 (Becton Dickinson, NJ, USA)에 3 X 105 개의 HEK293 세포를 접종하였다. 다음 날 오전에 1 ㎍ sTNFR1-Fc 발현 벡터를 50 ㎕ Opti-MEM I Reduced Serum Medium (Invitrogen, CA, USA)으로 희석하고 또한 sTNFR1-Fc 발현 벡터와 동일한 부피의 리포펙타민 TM2000을 50 ㎕ Opti-MEM I 배지로 희석한 후 이들을 상온에서 5 분간 배양하였다. 배양 후 희석된 sTNFR1-Fc 발현 벡터와 희석된 리포펙타민 TM2000을 혼합하고 상온에서 20 분간 배양하였다. 배양 후 혼합액을 상기 세포가 접종된 35 mm 세포 배양 접시에 첨가하고 37 ℃ CO2 배양기에서 배양하였다. 4 시간 후 혈청이 없는 DMEM (페니실린/스트렙토마이신이 포함) (Invitrogen, CA, USA)으로 배양액을 교체하고 37 ℃ CO2 배양기에서 배양하였다.In order to check the expression of the inserted gene, the sTNFR1-Fc gene expression vector was transfected into HEK293 cell line using Lipofectamine TM2000 (Invitrogen, CA, USA). 3
48 시간 후 배양액과 세포 용해물 (lysate)로 항-hIgG 항체 (Santa Cruz Biotechnology, CA, USA)를 이용하여 웨스턴블랏을 수행하였다. 세포 용해물과 배양액으로 전기영동을 수행하고. 전기영동 후 PVDF 막으로 전기이동시켰다. 전기이동 후 PVDF 막을 블로킹 완충용액 (TBST 내 5 % 스킴 밀크)으로 1 시간 블로킹하였다. 블로킹 후 HRP가 연결된 항-인간 IgG 항체 (Santa Cruz Biotechnology, CA, USA)를 1 : 5000으로 희석하여 상온에서 1 시간 반응시켰다. 반응 후 TBST 완충용액으로 3 회 세척한 후 화학발광기질 (WestSaveUp™, Abfrontier, Seoul, Korea)을 처리하여 반응 시켰다. 이를 X-ray 필름에 노출시켜서 현상하여 수용성 TNFR1-Fc의 단백질 발현을 확인하였다.After 48 hours, Western blotting was performed using an anti-hlgG antibody (Santa Cruz Biotechnology, CA, USA) as a culture medium and cell lysate. Perform electrophoresis with cell lysate and culture medium. After electrophoresis, it was transferred to a PVDF membrane. After electrophoresis, the PVDF membrane was blocked with blocking buffer (5% skim milk in TBST) for 1 hour. After blocking, HRP-linked anti-human IgG antibody (Santa Cruz Biotechnology, CA, USA) was diluted 1:5000 and reacted at room temperature for 1 hour. After the reaction, it was washed three times with TBST buffer, and then treated with a chemiluminescent substrate (WestSaveUp™, Abfrontier, Seoul, Korea) to react. It was developed by exposing it to an X-ray film to confirm the protein expression of water-soluble TNFR1-Fc.
실시예Example 2: 2: GGTA1GGTA1 넉아웃knockout (knock-out) 세포의 생산을 위한 (knock-out) for the production of cells TALENTALEN (transcription activator-like (transcription activator-like effectoreffector nuclease)의 처리 및 nuclease) treatment and 콜로니colony 회수 collect
HO-1 유전자 및 sTNFR1-Fc 유전자 각각을 클로닝하여 발현 벡터를 제작하여 생산한 형질전환 돼지 세포를 분리하여 이에 GGTA1 넉아웃 세포를 만들기 위해 TALEN을 이용하여 상기 유전자를 동시에 발현하고 유전자 1종 GGTA1이 넉아웃된 세포주를 제조하였다. 상기 클로닝, 형질전환 및 GGTA1 유전자 넉아웃은 하기에 기술된 것과 같은 방식으로 수행하였으며, 구체적으로 다음과 같다.The HO-1 gene and the sTNFR1-Fc gene were cloned, respectively, to produce an expression vector, and the produced transgenic pig cells were isolated. A knockout cell line was prepared. The cloning, transformation, and knockout of the GGTA1 gene were performed in the same manner as described below, specifically as follows.
GGTA1 (α-1,3-galactosyltransferase) 유전자를 넉아웃시키기 위한 TALEN을 제작하였다(도 3).A TALEN was prepared for knocking out the GGTA1 (α-1,3-galactosyltransferase) gene ( FIG. 3 ).
상기 TALEN의 목적 부위는 GGTA1 효소의 촉매작용을 실시하는 부위에 결정적인 역할을 하는 엑손 9 번 부위이다. 상기 유전자의 특정서열을 인식하고 결합할 수 있는 TALEN을 제작하여 플라스미드 내로 삽입하였다. TALEN의 목적 유전자 서열과 GFP 그리고 H2KK와 같은 리포터 유전자를 삽입하고 있는 리포터 시스템을 이용하여 TANEN으로 형질전환된 세포주를 확인하고 이를 회수 하였다.The target site of the TALEN is the site of
구체적으로, 이전에 생산했던 shTNFRI-Fc-F2A-HA-HO-1(TNF/HAHO, #013) 형질전환 돼지의 신생돼지 (한국공개특허 제10-2011-0079485호)로부터 섬유아세포를 분리한 뒤, 이를 10 % FBS가 첨가된 DMEM 배지 (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA)를 이용하여 배양하였다. GGTA1에 대한 TALEN 플라스미드 및 리포터 시스템을 Lipofectamine 2000 (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA)을 사용하여 섬유아세포에 형질도입 시켰다. 48 시간 후, 세포를 IB4-FITC (isolectin B4-conjugated fluorescein isothiocyanate, Sigma)와 함께 30 분간 인큐베이션시키고, PBS로 세정하였다. IB4-음성 세포들은 FACS를 이용하여 분리하였다. 세포 배양을 통해 세포 수를 늘리고 유전체 DNA 분리 및 체세포 핵이식에 사용하였다.Specifically, fibroblasts were isolated from the newly produced shTNFRI-Fc-F2A-HA-HO-1 (TNF/HAHO, #013) transgenic pigs (Korea Patent Publication No. 10-2011-0079485). Then, it was cultured using DMEM medium (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA) supplemented with 10% FBS. TALEN plasmid and reporter system for GGTA1 were transduced into fibroblasts using Lipofectamine 2000 (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA). After 48 hours, the cells were incubated with IB4-FITC (isolectin B4-conjugated fluorescein isothiocyanate, Sigma) for 30 minutes and washed with PBS. IB4-negative cells were isolated using FACS. The number of cells was increased through cell culture and used for genomic DNA isolation and somatic cell nuclear transfer.
분리된 DNA를 이용하여 swine α-gal 특이적 프라이머로 PCR을 수행하였다. 상기 PCR 생산물을 pGEM T-easy vector (Promega Inc.)에 삽입하여, 염색체 내 TALEN에 의한 뉴클레오티드 제거 효율을 분석하였다. 대안 방법으로, H2KK 막 발현 단백질의 유전자를 포함하는 TALEN 플라스미드 및 리포터 플라스미드를 48 시간 동안 형질도입 후, MACSelect H2KK microBeads (Miltenyi Biotec.)를 이용한 MACS 분리 시스템을 이용하여 세포를 선별하였다. 선별된 세포들은 IB4-biotin 및 streptavidin-conjugated microbeads를 이용하여 음성 분리하였다. 분리된 세포들은 100 mm 디쉬에 낮은 밀도 (200 개/디쉬)로 배양하여 각각의 콜로니를 형성하였다. 각각의 콜로니를 48 웰 플레이트로 옮겨 세포 수를 늘리고, T7E1 분석으로 돌연변이를 스크리닝하였다.PCR was performed with swine α-gal-specific primers using the isolated DNA. The PCR product was inserted into pGEM T-easy vector (Promega Inc.), and the nucleotide removal efficiency by TALEN in the chromosome was analyzed. As an alternative method, the TALEN plasmid and reporter plasmid containing the H2K K membrane expression protein gene were transduced for 48 hours, and then cells were selected using MACS separation system using MACSelect H2K K microBeads (Miltenyi Biotec.). Selected cells were negatively isolated using IB4-biotin and streptavidin-conjugated microbeads. The isolated cells were cultured at a low density (200 cells/dish) in a 100 mm dish to form individual colonies. Each colony was transferred to a 48 well plate to increase the number of cells, and mutations were screened by T7E1 assay.
T7E1 분석을 위해, 표적 부위인 GGTA1 유전자의 부위를 PCR 방법을 이용하여 증폭시켰다. 증폭된 서열은 가열하여 변성시켜주고 이형의 복합체를 형성시키기 위해 T7 엔도뉴클레아제 I을 20 분간 37 ℃에서 처리하여 합성한 뒤, 2 %의 아가로스 겔 상에서 확인하였다. 두 양성 세포 콜로니들을 통합하여 체세포 핵이식을 위한 공여세포로 사용하였다. 세포로부터 생산된 형질전환 돼지들을 대상으로 다시 한번 T7E1 분석을 수행하여 넉아웃을 확증하였다.For T7E1 analysis, the target site, the GGTA1 gene, was amplified using the PCR method. The amplified sequence was denatured by heating and synthesized by treatment with T7 endonuclease I at 37° C. for 20 minutes to form a heterogeneous complex, and then confirmed on a 2% agarose gel. Two positive cell colonies were integrated and used as donor cells for somatic cell nuclear transfer. The knockout was confirmed by performing T7E1 analysis once again on the transgenic pigs produced from the cells.
실시예Example 3: 3: CMAHCMAH 넉아웃knockout (knock-out) 세포의 생산을 위한 (knock-out) for the production of cells TALENTALEN (transcription activator-like (transcription activator-like effectoreffector nuclease)의 처리 및 nuclease) treatment and 콜로니colony 회수 collect
CMAH (cytidine monophosphate-N-acetylneuraminic acid hydroxylase) 유전자를 넉아웃시키기 위한 TALEN을 제작하였다 (도 6).A TALEN was prepared for knocking out the cytidine monophosphate-N-acetylneuraminic acid hydroxylase (CMAH) gene (FIG. 6).
상기 TALEN의 목적 부위는 CMAH 효소의 촉매작용을 실시하는 부위에 결정적인 역할을 하는 엑손 3번 부위이다. 상기 유전자의 특정서열을 인식하고 결합할 수 있는 TALEN을 제작하여 플라스미드 내로 삽입하였다. TALEN의 목적 유전자 서열과 H2KK와 같은 리포터 유전자를 삽입하고 있는 리포터 시스템을 이용하여 TANEN으로 형질전환된 세포주를 확인하고 이를 회수 하였다.The target site of the TALEN is the
구체적으로, 실시예 2 및 하기의 실시예 4에 의해 생산된 GGTA1 KO/shTNFRI-Fc-F2A-HA-HO-1 형질전환 돼지의 신생돼지로부터 섬유아세포를 분리한 뒤, 이를 10 % FBS가 첨가된 DMEM 배지 (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA)를 이용하여 배양하였다. CMAH에 대한 TALEN 플라스미드 및 리포터 시스템을 Lipofectamine 2000 (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA)을 사용하여 섬유아세포에 형질도입 시켰다. 48 시간 후, 세포를 Anti-Neu5Gc antibody (chicken anti-Neu5Gc,clone Poly21469, Biolegend)와 함께 30 분간 인큐베이션시키고, PBS로 세정하였다. Neu5Gc-음성 세포들은 FACS를 이용하여 분리하였다. 세포 배양을 통해 세포 수를 늘리고 유전체 DNA 분리 및 체세포 핵이식에 사용하였다.Specifically, after separating fibroblasts from newborn pigs of GGTA1 KO/shTNFRI-Fc-F2A-HA-HO-1 transgenic pigs produced in Example 2 and Example 4 below, 10% FBS was added thereto It was cultured using the DMEM medium (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA). The TALEN plasmid and reporter system for CMAH were transduced into fibroblasts using Lipofectamine 2000 (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA). After 48 hours, the cells were incubated with Anti-Neu5Gc antibody (chicken anti-Neu5Gc, clone Poly21469, Biolegend) for 30 minutes and washed with PBS. Neu5Gc-negative cells were isolated using FACS. The number of cells was increased through cell culture and used for genomic DNA isolation and somatic cell nuclear transfer.
분리된 DNA를 이용하여 swine cytidine monophosphate-N-acetylneuraminic acid hydroxylase 특이적 프라이머로 PCR을 수행하였다. 상기 PCR 생산물을 pGEM T-easy vector (Promega Inc.)에 삽입하여, 염색체 내 TALEN에 의한 뉴클레오티드 제거 효율을 분석하였다. 대안 방법으로, H2KK 막 발현 단백질의 유전자를 포함하는 TALEN 플라스미드 및 리포터 플라스미드를 48 시간 동안 형질도입 후, MACSelect H2KK microBeads (Miltenyi Biotec.)를 이용한 MACS 분리 시스템을 이용하여 세포를 선별하였다. 선별된 세포들은 Neu5Gc 및 streptavidin-conjugated microbeads를 이용하여 음성 분리하였다. 분리된 세포들은 100 mm 디쉬에 낮은 밀도 (200 개/디쉬)로 배양하여 각각의 콜로니를 형성하였다. 각각의 콜로니를 48 웰 플레이트로 옮겨 세포 수를 늘리고, T7E1 분석으로 돌연변이를 스크리닝하였으며 체세포 핵이식에 사용 가능한 세 개의 세포 콜로니를 획득하였다.PCR was performed using the isolated DNA with swine cytidine monophosphate-N-acetylneuraminic acid hydroxylase-specific primers. The PCR product was inserted into pGEM T-easy vector (Promega Inc.), and the nucleotide removal efficiency by TALEN in the chromosome was analyzed. As an alternative method, the TALEN plasmid and reporter plasmid containing the H2K K membrane expression protein gene were transduced for 48 hours, and then cells were selected using MACS separation system using MACSelect H2K K microBeads (Miltenyi Biotec.). The selected cells were negatively isolated using Neu5Gc and streptavidin-conjugated microbeads. The isolated cells were cultured at a low density (200 cells/dish) in a 100 mm dish to form individual colonies. Each colony was transferred to a 48-well plate to increase the number of cells, mutations were screened by T7E1 assay, and three cell colonies usable for somatic cell nuclear transfer were obtained.
T7E1 분석을 위해, 표적 부위인 CMAH 유전자의 부위를 PCR 방법을 이용하여 증폭시켰다. 증폭된 서열은 가열하여 변성시켜주고 이형의 복합체를 형성시키기 위해 T7 엔도뉴클레아제 I을 20 분간 37 ℃에서 처리하여 합성한 뒤, 2 %의 아가로스 겔 상에서 확인하였다. 두 양성 세포 콜로니들을 통합하여 체세포 핵이식을 위한 공여세포로 사용하였다. 세포로부터 생산된 형질전환 돼지들을 대상으로 다시 한번 T7E1 분석을 수행하여 넉아웃을 확증하였다.For the T7E1 analysis, the target region of the CMAH gene was amplified using the PCR method. The amplified sequence was denatured by heating and synthesized by treatment with T7 endonuclease I at 37° C. for 20 minutes to form a heterogeneous complex, and then confirmed on a 2% agarose gel. Two positive cell colonies were integrated and used as donor cells for somatic cell nuclear transfer. The knockout was confirmed by performing T7E1 analysis once again on the transgenic pigs produced from the cells.
실시예Example 4: 체세포 4: somatic cells 핵이식nuclear transfer
상기 실시예에서 형질전환된 체세포를 핵이식 하기 위하여, 체외 성숙된 난자의 난구세포를 모두 제거한 뒤 5 ㎍/mL hoechst 33342로 난자의 핵과 극핵을 염색하였다. 염색된 난자를 홀딩 마이크로피펫으로 고정하고 5 ㎍/mL 사이토칼라신 B (cytochalasin B)가 첨가된 TALP 배지 내에서 흡입 피펫을 사용하여 탈핵을 실시하였다. 탈핵된 난자는 TALP 배지에 두고 계속하여 체세포 핵이식에 사용하였다. 넉아웃된 형질전환 체세포 하나를 탈핵된 난자의 위란강으로 주입한 후, 0.28 M 만니톨 (mannitol), 0.1 mM MgSO4, 0.5 mM HEPES를 포함하는 융합 배지에 4 분간 침전시켰다. 그 다음, BTX Electro-Cell Manipulator로 1.2 Kv/cm 직류전압, 1 회 30 ㎲ 지속시간의 전기 자극을 주어 탈핵된 난자의 세포질과 주입한 체세포간의 세포질 융합을 유도하였다. 융합 20 - 30 분 후 재구축된 수정란을 0.28 M 만니톨, 0.5 mM HEPES, 0.1 mM CaCl2, 0.1 mM MgSO4가 첨가된 활성배지에서 BTX electro-cell Manipulator로 1.5 kv/cm 직류전압, 1 회 60 ㎲ 지속시간의 전기 자극을 주어 재구축된 수정란을 활성화시켰다. 활성화된 복제수정란은 5 % 이산화탄소, 5 % 산소, 90 % 질소가 유지되는 배양기에서 PZM-5 (porcine zygote medium-5; IFP0410P, Funakoshi, Tokyo, Japan)에 1 - 2 일 배양 하고, 형태적으로 정상적인 수정란들 (1 일째 1 세포기; 2 일째 2 - 8 세포기)을 수정란 이식을 위해 선별하였다. 그 다음, 90 내지 120 개의 수정란들을 동기화된 대리모에 개복술을 통해 이식하였다. 동물 사용을 위한 프로토콜은 서울대학교의 실험동물 관리 및 사용을 위한 가이드에 따라 서울대학교 동물실험윤리위원회에 의해 허가 받았다 (SNU-151019-4).For nuclear transfer of the transformed somatic cells in the above example, all cumulus cells of in vitro matured oocytes were removed, and the nucleus and pole nuclei of the oocytes were stained with 5 μg/mL Hoechst 33342. The stained eggs were fixed with a holding micropipette, and enucleation was performed using a suction pipette in TALP medium supplemented with 5 μg/mL cytochalasin B. The enucleated oocytes were placed in TALP medium and subsequently used for somatic cell nuclear transfer. One knockout transformed somatic cell was injected into the gastric cavity of the enucleated egg, and then precipitated in a fusion medium containing 0.28 M mannitol, 0.1 mM MgSO 4 , and 0.5 mM HEPES for 4 minutes. Then, an electrical stimulation of 1.2 Kv/cm DC voltage and 30 µs duration was induced with the BTX Electro-Cell Manipulator to induce cytoplasmic fusion between the cytoplasm of the enucleated egg and the injected somatic cell. After 20 - 30 minutes of fusion, the reconstructed fertilized eggs were treated with a BTX electro-cell manipulator in an activated medium supplemented with 0.28 M mannitol, 0.5 mM HEPES, 0.1 mM CaCl 2 , and 0.1 mM MgSO 4 at 1.5 kv/cm DC voltage, once 60 The reconstructed fertilized egg was activated by applying electrical stimulation with a duration of μs. Activated cloned fertilized eggs are cultured in PZM-5 (porcine zygote medium-5; IFP0410P, Funakoshi, Tokyo, Japan) for 1-2 days in an incubator maintained with 5% carbon dioxide, 5% oxygen, and 90% nitrogen, and morphologically Normal fertilized eggs (1 cell stage on
실시예Example 5: 5: 형질전환 돼지transgenic pig 섬유아세포의 세포 fibroblast cells 생존능viability 평가 evaluation
상기 실시예를 통해 형질전환된 돼지의 섬유아세포의 세포 생존능을 평가하기 위해, 야생형, TNF/HAHO 형질전환 돼지, GGTA1 넉아웃 돼지, GGTA1 KO/TNF/HAHO 형질전환 돼지, 3 마리의 CMAH-GGTA1 KO/TNF/HAHO 형질전환 돼지 (16401, 16402, 16403)로부터 각각 분리된 섬유아세포 (1 × 105 세포/웰)를 24 웰 플레이트에 준비하여 15 시간 동안 TNF-α (20 ng/mL)와 CHX (cycloheximide, 10 ㎍/mL)로 처리하고, 1 시간 동안 H2O2를 처리하였다. 세포 생존능은 제조사 매뉴얼 (Dojindo Laboratories, Kumamoto, Japan)에 따라 CCK-8 용액을 사용하여 측정하였다. 본 평가에서는 야생형 Yucatan 돼지로부터 유래된 섬유아세포를 대조군으로 사용하였다. 흡광도는 microplate reader (Tecan Sunrise, Hayward, CA, USA)로 측정하였다.In order to evaluate the cell viability of the fibroblasts of the transgenic pigs through the above Examples, wild-type, TNF/HAHO transgenic pigs, GGTA1 knockout pigs, GGTA1 KO/TNF/HAHO transgenic pigs, and three CMAH-GGTA1 pigs Fibroblasts (1 × 10 5 cells/well) isolated from KO/TNF/HAHO transgenic pigs (16401, 16402, 16403) were prepared in a 24-well plate, and TNF-α (20 ng/mL) and It was treated with CHX (cycloheximide, 10 μg/mL), and H 2 O 2 was treated for 1 hour. Cell viability was measured using CCK-8 solution according to the manufacturer's manual (Dojindo Laboratories, Kumamoto, Japan). In this evaluation, fibroblasts derived from wild-type Yucatan pigs were used as controls. Absorbance was measured with a microplate reader (Tecan Sunrise, Hayward, CA, USA).
실시예Example 6: 6: PCRPCR , RT-, rt- PCRPCR , ELISA 및 , ELISA and 웨스턴블랏western blot 분석 analyze
상기 실시예를 통해 형질전환된 돼지의 HO-1 유전자 및 sTNFR1-Fc 유전자 발현을 확인하기 위해, 생산된 형질전환 돼지 꼬리 유래 섬유아세포의 DNA, RNA 및 단백질을 추출하여, PCR, RT-PCR, ELISA 및 웨스턴블랏을 수행하였다.In order to confirm the expression of the HO-1 gene and sTNFR1-Fc gene of the transformed pig through the above example, DNA, RNA and protein of the produced transgenic pig tail-derived fibroblasts were extracted, and PCR, RT-PCR, ELISA and Western blot were performed.
PCR 및 RT-PCR을 위해 genomic DNA (iNtRON Biotechnology, Inc.), RNA (iNtRON Biotechnology, Inc.)를 추출하였고 RNA는 complementary DNA를 확보하기 위해 Reverse transcriptase(iNtRON Biotechnology, Inc.)를 이용하여 유전자 증폭반응을 실시하였다. Genomic DNA와 complementary DNA에서 외래유전자 hHO-1의 삽입과 TNFRI-Fc의 삽입을 확인하기 위해 각 유전자에 특이적인 프라이머를 합성하여 일정한 조건에서 PCR을 실시하였고 형질전환 돼지 꼬리 유래 섬유아세포에서 유래된 반응물에서만 각 633 bp, 867 bp의 밴드를 확인 하였다.For PCR and RT-PCR, genomic DNA (iNtRON Biotechnology, Inc.) and RNA (iNtRON Biotechnology, Inc.) were extracted, and RNA was amplified using reverse transcriptase (iNtRON Biotechnology, Inc.) to secure complementary DNA. The reaction was carried out. To confirm the insertion of the foreign gene hHO-1 and TNFRI-Fc in genomic DNA and complementary DNA, primers specific for each gene were synthesized and PCR was performed under constant conditions. Reactants derived from transgenic pig tail-derived fibroblasts Bands of 633 bp and 867 bp, respectively, were identified only in .
단백질 발현량을 분석하기 위해 shTNFRI-specific ELISA kit (R&D system, MN, USA)를 이용하여 형질전환 돼지 세포를 이틀간 배양한 다음 배양액을 원심분리하여 배양액 내에 shTNFRI의 양을 측정하였다.To analyze the protein expression level, the transgenic pig cells were cultured for two days using a shTNFRI-specific ELISA kit (R&D system, MN, USA), and then the culture medium was centrifuged to measure the amount of shTNFRI in the culture medium.
웨스턴블랏 분석을 위해 PRO-PREP 단백질 추출 용액 (iNtRON Biotechnology, Inc.)에 용해하고, SDS 완충 용액 (GeneDepot)에 희석하여 100 ℃ 에서 5 분간 인큐베이션하였다. 동량의 단백질을 10 % SDS-PAGE에 로딩하였다. 단백질은 전기영동 후 PVDF (polyvinylidene difluoride) 막으로 옮겼다. 전기이동 후 PVDF 막을 5 % 스킴 밀크로 블로킹한 다음, HRP가 결합된 항 인간 IgG (1 : 2,000, Binding Site, Birmingham, UK), 항 hHO-1 (Abcam, MA, USA) 또는 1 : 4,000으로 희석한 항 HA (Abcam, MA, USA) 항체로 4 ℃ 에서 24 시간 인큐베이션하였다. 블랏은 Pierce SuperSignal West Pico Chemiluminescent System (Thermo Fisher Scientific)을 사용하여 현상하였다.For western blot analysis, PRO-PREP was dissolved in protein extraction solution (iNtRON Biotechnology, Inc.), diluted in SDS buffer solution (GeneDepot), and incubated at 100° C. for 5 minutes. Equal amounts of protein were loaded onto 10% SDS-PAGE. Proteins were transferred to PVDF (polyvinylidene difluoride) membrane after electrophoresis. After electrophoresis, PVDF membranes were blocked with 5% skim milk, followed by HRP-conjugated anti-human IgG (1:2,000, Binding Site, Birmingham, UK), anti-hHO-1 (Abcam, MA, USA) or 1:4,000. The diluted anti-HA (Abcam, MA, USA) antibody was incubated at 4° C. for 24 hours. Blots were developed using a Pierce SuperSignal West Pico Chemiluminescent System (Thermo Fisher Scientific).
실시예Example 7: 돼지 섬유아세포 및 혈관내피세포의 7: Porcine fibroblasts and vascular endothelial cells 보체complement 매개 용해 평가 Mediated dissolution evaluation
N-glycolylneuraminic acid 항원에 대한 자연 항체를 평가하기 위해, 보체 매개 세포독성을 측정하였다. 야생형 돼지로부터 유래된 혈관내피세포, CMAH-GGTA1 KO/TNF/HAHO 형질전환 돼지로부터 유래된 혈관내피세포 및 섬유아세포 (1 x 105 개)를 떼어내어 1.5 mL 튜브에 옮겨 담고, 인간 혈청 (Sigma Aldrich, MO, USA)으로 처리하여 실온에서 1 시간 동안 인큐베이션하였다. 세포 생존능은 FACS Canto (BD Bioscience, CA, USA)에서 7-AAD (BD Bioscience, CA, USA)를 사용하여 측정하였다.To evaluate natural antibodies to N-glycolylneuraminic acid antigen, complement-mediated cytotoxicity was measured. Vascular endothelial cells derived from wild-type pigs, CMAH-GGTA1 KO/TNF/HAHO transgenic pigs-derived vascular endothelial cells and fibroblasts (1 x 10 5 ) were removed, transferred to a 1.5 mL tube, and human serum (Sigma Aldrich, MO, USA) and incubated for 1 h at room temperature. Cell viability was measured using a 7-AAD (BD Bioscience, CA, USA) in a FACS Canto (BD Bioscience, CA, USA).
실시예Example 8: 돼지 섬유아세포 및 혈관내피세포의 항체 결합력 평가 8: Evaluation of antibody binding affinity of porcine fibroblasts and vascular endothelial cells
항체 결합력을 평가하기 위해, 야생형 돼지 내피 세포주 (MPN3), CMAH-GGTA1 KO/TNF/HAHO 형질전환 돼지(16403)로부터 분리된 내피세포와 3마리의 CMAH-GGTA1 KO/TNF/HAHO 형질전환 돼지(16401, 16402, 16403)로부터 각각 분리된 섬유아세포 (3 × 105 세포)를 1X PBS로 2회 세척하여 준비한다.To evaluate antibody binding, endothelial cells isolated from a wild-type porcine endothelial cell line (MPN3), CMAH-GGTA1 KO/TNF/HAHO transgenic pigs (16403) and three CMAH-GGTA1 KO/TNF/HAHO transgenic pigs ( Fibroblasts (3 × 10 5 cells) isolated from each of 16401, 16402, and 16403) were prepared by washing twice with 1X PBS.
혈청 내의 보체 활성을 불화하기 위해 인간 혈청을 56°C 조건에서 30분간 열처리를 한 후에 1X PBS를 사용하여 40%로 희석한 다음 100 ul씩 각각의 세포에 처리하여 30분간 4°C 조건에서 배양한다. 1X PBS로 2회 세척한 후 anti-human IgM APC (eBioscience, USA) 혹은 anti-human IgG PE (eBioscience, USA)를 처리한 후 4°C, 어두운 상태에서 30분간 배양한다. 1X PBS로 2회 세척을 한 후에 유세포분석 장비를 사용하여 형광 발현을 분석한다.In order to fluoride the complement activity in the serum, human serum is heat-treated at 56°C for 30 minutes, diluted to 40% using 1X PBS, and then treated with 100 ul of each cell and incubated at 4°C for 30 minutes. do. After washing twice with 1X PBS, treat with anti-human IgM APC (eBioscience, USA) or anti-human IgG PE (eBioscience, USA) and incubate for 30 minutes at 4°C in the dark. After washing twice with 1X PBS, fluorescence expression is analyzed using flow cytometry equipment.
시험예test example 1: One: GGTA1GGTA1 유전자 gene 넉아웃knockout 세포주 확립 Cell line establishment
GGTA1 유전자의 넉아웃을 확인하고, 이러한 세포를 선별하기 위하여 다음과 같은 실험을 진행하였다.To confirm the knockout of the GGTA1 gene, and to select these cells, the following experiment was performed.
GGTA1을 표적으로 하는 TALEN을 이용하여 GGTA1 유전자를 넉아웃시키고, MACS 방법을 이용하여 선별된 세포의 GGTA1 유전자의 결실 여부 및 정성적 분석을 클로닝 및 시퀀싱을 통해 확인하였다 (도 4). 그 결과, 선별된 세포의 GGTA1 유전자의 표적위치에서 일부 뉴클레오티드가 결손된 것을 확인하여, GGTA1 유전자가 넉아웃된 것을 확인하였다.The GGTA1 gene was knocked out using a TALEN targeting GGTA1, and the deletion and qualitative analysis of the GGTA1 gene in the cells selected using the MACS method were confirmed through cloning and sequencing (FIG. 4). As a result, it was confirmed that some nucleotides were deleted at the target position of the GGTA1 gene in the selected cells, and it was confirmed that the GGTA1 gene was knocked out.
GGTA1 유전자가 넉아웃된 세포의 선별 방법은 자성 비드 (magnetic bead)를 이용한 방법으로, H2KK에 대한 자성 비드가 결합된 항체를 세포와 배양한 다음 컬럼을 이용하여 세포를 분리하는 방법이다 (도 5). 상기 방법을 통해 GGTA1 유전자가 결손된 세포 집단을 획득하였다.The selection method for cells in which the GGTA1 gene is knocked out is a method using magnetic beads, and is a method of incubating an antibody to which a magnetic bead against H2K K is bound with the cells and then separating the cells using a column (Fig. 5). A cell population deficient in the GGTA1 gene was obtained through the above method.
시험예test example 2: 2: CMAHCMAH 유전자 gene 넉아웃knockout 세포주 확립 Cell line establishment
CMAH 유전자의 넉아웃을 확인하고, 이러한 세포를 선별하기 위하여 다음과 같은 실험을 진행하였다.The following experiment was performed to confirm the knockout of the CMAH gene and to select these cells.
CMAH를 표적으로 하는 TALEN을 이용하여 CMAH 유전자를 넉아웃시키고, MACS 방법을 이용하여 선별된 세포의 CMAH 유전자의 결실 여부 및 정성적 분석을 클로닝 및 시퀀싱을 통해 확인하였다 (도 8). 그 결과, 선별된 세포의 CMAH 유전자의 표적위치에서 일부 뉴클레오티드가 결손된 것을 확인하여, CMAH 유전자가 넉아웃된 것을 확인하였다.The CMAH gene was knocked out using TALEN targeting CMAH, and the deletion and qualitative analysis of the CMAH gene in cells selected using the MACS method were confirmed through cloning and sequencing (FIG. 8). As a result, it was confirmed that some nucleotides were deleted at the target position of the CMAH gene in the selected cells, and it was confirmed that the CMAH gene was knocked out.
CMAH를 표적으로 하는 TALEN을 이용하여 CMAH 유전자를 넉아웃시키고, MACS 방법을 이용하여 선별된 세포의 CMAH 유전자의 결실 여부 및 정성적 분석을 클로닝 및 시퀀싱을 통해 확인하였다 (도 8). 그 결과, 선별된 세포의 CMAH 유전자의 표적위치에서 일부 뉴클레오티드가 결손된 것을 확인하여, CMAH 유전자가 넉아웃된 것을 확인하였다.The CMAH gene was knocked out using TALEN targeting CMAH, and the deletion and qualitative analysis of the CMAH gene in cells selected using the MACS method were confirmed through cloning and sequencing (FIG. 8). As a result, it was confirmed that some nucleotides were deleted at the target position of the CMAH gene in the selected cells, and it was confirmed that the CMAH gene was knocked out.
시험예test example 3: 형질전환 3: transformation 복제 돼지의cloned pig 유전자 삽입 검증 Gene Insertion Verification
상기 실시예를 통해 형질전환된 돼지의 HO-1 유전자 및 sTNFR1-Fc 유전자 삽입을 검증하기 위해, 형질전환 돼지의 산자의 섬유아세포 및 공여세포제공 형질전환돼지 조직에서 DNA를 추출하여 각 유전자에 특이적인 프라이머를 이용, PCR로 검증한 결과, 생산된 모든 형질전환 돼지(16401, 16402, 16403)에서 HO-1 및 sTNFR1-Fc 유전자가 삽입되어 있음을 확인하였다 (도 10). 형질전환 돼지 유래 섬유아세포 에서 HO-1 및 sTNFR1-Fc 전사체 및 단백질에 대한 RT-PCR (도 11), ELISA (도 12) 및 웨스턴블랏 (도 13) 방법을 수행한 결과, 각 유전자의 전사체 및 단백질 형에 맞는 사이즈의 밴드와 유의적인 농도의 shTNFRI-Fc를 각각 뚜렷이 관찰하였다.In order to verify the insertion of the HO-1 gene and sTNFR1-Fc gene of the transformed pig through the above example, DNA was extracted from the fibroblasts of live transgenic pigs and the donor cell donor transgenic pig tissue to be specific for each gene. As a result of verification by PCR using a specific primer, it was confirmed that the HO-1 and sTNFR1-Fc genes were inserted in all the produced transgenic pigs (16401, 16402, 16403) (FIG. 10). RT-PCR (FIG. 11), ELISA (FIG. 12), and Western blot (FIG. 13) methods were performed for HO-1 and sTNFR1-Fc transcripts and proteins in transgenic pig-derived fibroblasts. A band of a size suitable for the cadaver and protein type and a significant concentration of shTNFRI-Fc were clearly observed, respectively.
시험예test example 4: 형질전환 4: Transformation 복제 돼지의cloned pig GGTA1GGTA1 유전자 제거 검증 Gene Removal Verification
형질전환 복제돼지의 GGTA1 유전자 제거를 검증하기 위해 유전자 변이 검증을 실시하였다. 생산된 각 개체에서 DNA를 추출하여 TALEN의 표적에 해당되는 GGTA1 유전자 엑손 9 번 위치의 염기서열을 분석하였다. 분석 결과, 형질전환 복제돼지에서 GGTA1 유전자 염기 서열이 각각 18 개, 6 개, 29 개 등이 결실되었음을 확인하였다 (도 14). 각각 염기서열의 결실로 인해 아미노산 서열 또한, 6 개, 2 개, 9 개 등의 순서로 결실되어 GGTA1 유전자의 기능 상실 또한 예상되었다. 항체를 이용한 FACS 분석 결과를 통해서 GGTA1 유전자가 결실되었음을 검증하였다 (도 15). 이는 상기 형질전환 복제돼지에서 유래된 장기의 이종 이식 적용 시 초급성 거부반응의 극복이 가능하다는 것을 시사하는 것이다.To verify the deletion of the GGTA1 gene in transgenic cloned pigs, genetic mutation verification was performed. DNA was extracted from each individual produced and the nucleotide sequence of the
시험예test example 5: 형질전환 5: Transformation 복제 돼지의cloned pig CMAHCMAH 유전자 제거 검증 Gene Removal Verification
형질전환 복제돼지의 CMAH 유전자 제거를 검증하기 위해 유전자 변이 검증을 실시하였다. 생산된 각 개체에서 DNA를 추출하여 TALEN의 표적에 해당되는 CMAH 유전자 엑손 3번 위치의 염기서열을 분석하였다. 분석 결과, 생산된 형질전환 복제돼지(16401, 16402, 16403)에서 CMAH 유전자 염기 서열이 각각 2 개, 13 개 등이 결실되었음을 확인하였다 (도 16). Neu5Gc, BS-IB4 항체를 이용한 FACS분석을 통해서 CMAH, GGTA1 유전자가 결실되었음을 검증하였다 (도 17). 이는 상기 형질전환 복제돼지에서 유래된 장기의 이종 이식 적용 시 급성 거부반응의 극복이 가능하다는 것을 시사하는 것이다.Gene mutation verification was performed to verify the deletion of the CMAH gene in transgenic cloned pigs. DNA was extracted from each individual produced and the base sequence of the
시험예test example 6: 세포 6: Cell 생존능viability 분석을 통한 기능 검증 Functional verification through analysis
상기 실시예에서 제조된 형질전환 돼지의 세포 생존능 분석을 위해, 야생형, TNF/HAHO 형질전환 돼지, GGTA1 넉아웃 돼지, GGTA1 KO/TNF/HAHO 형질전환 돼지, 및 3 마리의 CMAH-GGTA1 KO/TNF/HAHO 형질전환 돼지(16401, 16402, 16403)로부터 각각 분리된 섬유아세포를 이용하여 세포사멸 자극 (hTNFα 및 CHX)과 산화적 스트레스 자극 (H2O2)에 대한 세포 생존능을 CCK-8 분석법으로 확인하였다. 그 결과 TNF/HAHO 형질전환 돼지, GGTA1 KO/TNF/HAHO 형질전환 돼지, 및 3 마리의 CMAH-GGTA1 KO/TNF/HAHO 형질전환 돼지(16401, 16402, 16403) 유래 섬유아세포 모두에서 야생형 섬유아세포에 비해 세포 생존능이 유의하게 증가하였다 (도 18). 이는 상기 형질전환 복제돼지에서 유래된 장기의 이종 이식 적용 시 이식된 세포의 생존능이 증가될 것임을 시사하는 것이다.For cell viability analysis of the transgenic pigs prepared in the above Examples, wild-type, TNF/HAHO transgenic pigs, GGTA1 knockout pigs, GGTA1 KO/TNF/HAHO transgenic pigs, and three CMAH-GGTA1 KO/TNF pigs Cell viability against apoptosis stimulation (hTNFα and CHX) and oxidative stress stimulation (H 2 O 2 ) using fibroblasts isolated from /HAHO transgenic pigs (16401, 16402, 16403), respectively, by CCK-8 assay Confirmed. As a result, fibroblasts derived from TNF/HAHO transgenic pigs, GGTA1 KO/TNF/HAHO transgenic pigs, and three CMAH-GGTA1 KO/TNF/HAHO transgenic pigs (16401, 16402, and 16403) were all inactivated in wild-type fibroblasts. Compared to that, cell viability was significantly increased ( FIG. 18 ). This suggests that the viability of the transplanted cells will be increased when the xenotransplantation of organs derived from the transgenic cloned pig is applied.
시험예test example 7: 유전자 제거의 항체/ 7: Antibody/ of gene removal 보체complement 매개성mediation 용해 반응 및 자연발생 항체결합력 평가를 통한 기능 검증 Functional verification through dissolution reaction and evaluation of naturally occurring antibody binding force
상기 실시예에서 제조된 GGTA1 및 CMAH 유전자가 제거된 형질전환 돼지의 초급성 및 급성 면역 반응의 억제를 확인하기 위해 야생형 돼지로부터 유래된 혈관내피세포, CMAH-GGTA1 KO/TNF/HAHO 형질전환 돼지(16401, 16402, 16403)로부터 유래된 혈관내피세포(pECs) 및 섬유아세포(pFbs) 를 이용하여 7-AAD 염색을 수행하였고, 이로부터 인간 혈청에 의한 항체/보체 매개성 용해를 확인하였다. 그 결과, CMAH-GGTA1 KO/TNF/HAHO 형질전환 돼지로부터 유래된 혈관내피세포 및 섬유아세포가 야생형 돼지 유래 혈관내피세포에 비하여 인간 혈청과 보체에 대하여 저항성을 보였다 (도 19). 이는 이러한 형질전환 복제돼지에서 유래된 장기의 이종 이식 적용 시 항체/보체 매개성 용해반응이 감소될 것임을 시사하는 것이다.In order to confirm the suppression of the hyperacute and acute immune responses of the transgenic pigs from which the GGTA1 and CMAH genes have been removed, vascular endothelial cells derived from wild-type pigs, CMAH-GGTA1 KO/TNF/HAHO transgenic pigs ( 7-AAD staining was performed using vascular endothelial cells (pECs) and fibroblasts (pFbs) derived from 16401, 16402, 16403), and antibody/complement-mediated lysis by human serum was confirmed from this. As a result, vascular endothelial cells and fibroblasts derived from CMAH-GGTA1 KO/TNF/HAHO transgenic pigs showed resistance to human serum and complement compared to wild-type pig-derived vascular endothelial cells ( FIG. 19 ). This suggests that the antibody/complement-mediated lysis response will be reduced in the application of xenotransplantation of organs derived from these transgenic cloned pigs.
또한 CMAH-GGTA1 KO/TNF/HAHO 형질전환 돼지로부터 유래된 혈관내피세포 및 섬유아세포가 야생형 돼지 유래 혈관내피세포에 비하여 자연발생 항체인 IgG와 IgM에 대하여 유의적으로 낮은 결합력을 나타냈다 (도 20).In addition, vascular endothelial cells and fibroblasts derived from CMAH-GGTA1 KO/TNF/HAHO transgenic pigs showed significantly lower binding affinity to naturally occurring antibodies, IgG and IgM, compared to wild-type pig-derived vascular endothelial cells (FIG. 20). .
상기 결과를 종합하면, 본 발명의 형질전환 돼지는 HO-1 및 TNFR1-Fc 유전자를 동시 발현하여 이식 장기의 생존능이 증가되며 GGTA1 유전자 및 CMAH 유전자를 결손시켜 장기 이식 시 초급성 면역 반응 및 급성 면역 반응이 억제되는 것이다.Summarizing the above results, the transgenic pigs of the present invention co-express the HO-1 and TNFR1-Fc genes to increase the viability of the transplanted organs, and to delete the GGTA1 gene and the CMAH gene to induce a hyperacute immune response and acute immunity during organ transplantation. reaction is suppressed.
따라서, 본 발명의 형질전환 돼지는 이종 장기 이식 시 면역 거부 반응이 억제된 장기를 생산할 수 있어, 장기 이식 목적으로 매우 유용하게 이용될 수 있다.Therefore, the transgenic pig of the present invention can produce organs in which immune rejection is suppressed during xenogeneic organ transplantation, and thus can be very usefully used for organ transplantation.
이상의 설명으로부터, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.From the above description, those skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential characteristics thereof. In this regard, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention should be construed as being included in the scope of the present invention, rather than the above detailed description, all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims to be described later and their equivalents.
<110> Seoul National University R&DB Foundation CHONG KUN DANG PHARMACEUTICAL CORP. <120> Transgenic pigs expressing both shTNFRI-Fc and HA-HO-1 without Gal epitope and N-glycolylneuraminic acid epitope and the Use of thereof <130> KPA170439-KR <160> 8 <170> KopatentIn 2.0 <210> 1 <211> 867 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> HO-1 <400> 1 atggagcgtc cgcaacccga cagcatgccc caggatttgt cagaggccct gaaggaggcc 60 accaaggagg tgcacaccca ggcagagaat gctgagttca tgaggaactt tcagaagggc 120 caggtgaccc gagacggctt caagctggtg atggcctccc tgtaccacat ctatgtggcc 180 ctggaggagg agattgagcg caacaaggag agcccagtct tcgcccctgt ctacttccca 240 gaagagctgc accgcaaggc tgccctggag caggacctgg ccttctggta cgggccccgc 300 tggcaggagg tcatccccta cacaccagcc atgcagcgct atgtgaagcg gctccacgag 360 gtggggcgca cagagcccga gctgctggtg gcccacgcct acacccgcta cctgggtgac 420 ctgtctgggg gccaggtgct caaaaagatt gcccagaaag ccctggacct gcccagctct 480 ggcgagggcc tggccttctt caccttcccc aacattgcca gtgccaccaa gttcaagcag 540 ctctaccgct 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acaacatgcc caccgtgccc agcacctgaa 660 ctcctggggg gaccgtcagt cttcctcttc cccccaaaac ccaaggacac cctcatgatc 720 tcccggaccc ctgaggtcac atgcgtggtg gtggacgtga gccacgaaga ccctgaggtc 780 aagttcaact ggtacgtgga cggcgtggag gtgcataatg ccaagacaaa gccgcgggag 840 gagcagtaca acagcacgta ccgtgtggtc agcgtcctca ccgtcctgca ccaggactgg 900 ctgaatggca aggagtacaa gtgcaaggtc tccaacaaag ccctcccagc ccccatcgag 960 aaaaccatct ccaaagccaa agggcagccc cgagaaccac aggtgtacac cctgccccca 1020 tcccgggatg agctgaccaa gaaccaggtc agcctgacct gcctggtcaa aggcttctat 1080 cccagcgaca tcgccgtgga gtgggagagc aatgggcagc cggagaacaa ctacaagacc 1140 acgcctcccg tgctggactc cgacggcccc ttcttcctct acagcaagct caccgtggac 1200 aagagcaggt ggcagcaggg gaacgtcttc tcatgctccg tgatgcatga ggctctgcac 1260 aaccactaca cgcagaagag cctctccctg tctccgggta aatga 1305 <110> Seoul National University R&DB Foundation CHONG KUN DANG PHARMACEUTICAL CORP. <120> Transgenic pigs expressing both shTNFRI-Fc and HA-HO-1 without Gal epitope and N-glycolylneuraminic acid epitope and the Use of it <130> KPA170439-KR <160> 8 <170> KopatentIn 2.0 <210> 1 <211> 867 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> HO-1 <400> 1 atggagcgtc cgcaacccga cagcatgccc caggatttgt cagaggccct gaaggaggcc 60 accaaggagg tgcacaccca ggcagagaat gctgagttca tgaggaactt tcagaagggc 120 caggtgaccc gagacggctt caagctggtg atggcctccc tgtaccacat ctatgtggcc 180 ctggaggagg agattgagcg caacaaggag agcccagtct tcgcccctgt ctacttccca 240 gaagagctgc accgcaaggc tgccctggag caggacctgg ccttctggta cgggccccgc 300 tggcaggagg tcatccccta cacaccagcc atgcagcgct atgtgaagcg gctccacgag 360 gtggggcgca cagagcccga gctgctggtg gcccacgcct acacccgcta cctgggtgac 420 ctgtctgggg gccaggtgct caaaaagatt gcccagaaag ccctggacct gcccagctct 480 ggcgagggcc tggccttctt caccttcccc aacattgcca gtgccaccaa gttcaagcag 540 ctctaccgct cccgcatgaa ctccctggag atgactcccg cagtcaggca gagggtgata 600 gaagaggcca agactgcgtt cctgctcaac atccagctct ttgaggagtt gcaggagctg 660 ctgacccatg acaccaagga ccagagcccc tcaggggcac cagggcttcg ccagcgggcc 720 agcaacaaag 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Claims (13)
b) 상기 체세포에 인간 HO-1 (Heme oxygenase-1) 유전자 및 인간 TNFR1-Fc (Tumor necrosis factor receptor 1-Fc) 융합 유전자를 도입시키고, GGTA1 (α-1,3-galactosyltransferase) 유전자 및 CMAH (cytidine monophosphate-N-acetylneuraminic acid hydroxylase) 유전자를 넉아웃 (knock-out)시키는 단계;
c) 인간 HO-1 유전자 및 인간 TNFR1-Fc 융합 유전자가 도입되고 GGTA1 유전자 및 CMAH 유전자가 넉아웃된 체세포를 선별한 후 배양하는 단계; 및
d) 돼지 난자의 핵을 제거하고 상기 선별된 체세포와 융합하여 체세포 핵이 이식된 수정란을 제조하는 단계를 포함하는, 이종 장기 이식 시 면역 거부 반응이 억제된 형질전환 돼지의 제조 방법으로서,
상기 형질전환 돼지는 인간 HO-1 (Heme oxygenase-1) 유전자 및 인간 TNFR1-Fc (Tumor necrosis factor receptor 1-Fc) 융합 유전자가 도입되고, GGTA1 (α-1,3-galactosyltransferase) 유전자 및 CMAH (cytidine monophosphate-N-acetylneuraminic acid hydroxylase) 유전자가 넉아웃 (knock-out)된 것인, 이종 장기 이식 시 면역 거부 반응이 억제된 형질전환 돼지의 제조 방법.
a) isolating somatic cells from pigs;
b) introducing a human HO-1 (Heme oxygenase-1) gene and a human TNFR1-Fc (Tumor necrosis factor receptor 1-Fc) fusion gene into the somatic cells, GGTA1 (α-1,3-galactosyltransferase) gene and CMAH ( cytidine monophosphate-N-acetylneuraminic acid hydroxylase) gene knockout (knock-out);
c) selecting and culturing somatic cells into which the human HO-1 gene and the human TNFR1-Fc fusion gene are introduced and the GGTA1 gene and the CMAH gene are knocked out; and
A method for producing a transgenic pig in which immune rejection is suppressed during xenogeneic organ transplantation, comprising the steps of d) removing the nucleus of a pig egg and fusion with the selected somatic cells to prepare a fertilized egg in which the somatic cell nucleus is transplanted,
The transgenic pig is a human HO-1 (Heme oxygenase-1) gene and human TNFR1-Fc (Tumor necrosis factor receptor 1-Fc) fusion gene is introduced, GGTA1 (α-1,3-galactosyltransferase) gene and CMAH ( cytidine monophosphate-N-acetylneuraminic acid hydroxylase) gene is knocked out, a method for producing a transgenic pig in which immune rejection is suppressed during xenogeneic organ transplantation.
The method of claim 1, wherein the human HO-1 gene of step b) comprises the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1.
The method of claim 1, wherein the human TNFR1-Fc fusion gene of step b) comprises the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 8.
The method of claim 1, wherein step b) introduces a single vector comprising a human HO-1 gene and a single vector comprising a human TNFR1-Fc fusion gene separately or simultaneously into a somatic cell.
The method of claim 1, wherein the GGTA1 gene knockout is performed using TALEN (transcription activator-like effector nuclease).
The method of claim 5, wherein the TALEN targets the exon 9 region of the GGTA1 gene.
The method of claim 1, wherein the CMAH gene knockout is performed using a transcription activator-like effector nuclease (TALEN).
The method of claim 7, wherein the TALEN targets the exon 3 region of the CMAH gene.
The method of claim 1, further comprising implanting the fertilized egg of step d) into a pig uterus.
Human HO-1 (Heme oxygenase-1) gene and human TNFR1-Fc (Tumor necrosis factor receptor 1-Fc) fusion gene were introduced, GGTA1 (α-1,3-galactosyltransferase) gene and CMAH (cytidine monophosphate-N) were introduced -Acetylneuraminic acid hydroxylase) gene is knocked out, transgenic pigs for transplantation of which immune rejection is suppressed during xenotransplantation.
A somatic cell donor cell line for producing the transgenic pig of claim 10 .
상기 형질전환 돼지로부터 이식용 장기를 분리하는 단계를 포함하는, 이종 장기 이식 시 면역 거부 반응이 억제된 장기를 제조하는 방법.
Preparing a transgenic pig by the method of claim 1; and
A method for producing an organ in which immune rejection is suppressed during xenogeneic organ transplantation, comprising the step of isolating an organ for transplantation from the transgenic pig.
The method of claim 12, wherein the organ is one or more selected from the group consisting of islets and pancreas, heart, kidney, liver, lung, cornea, and the like.
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