KR102584891B1 - Gene editing system for GmIKP1 gene editing and uses thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 콩에서 피틴산 생합성을 조절하는 GmIPK1 및 이의 상동체 유전자를 동시에 교정시키는 CRISPR/Cas 시스템을 구축하였고, 이를 이용한 유전자교정 기반 기술을 통해 피틴산 함량이 낮은 유전자교정 콩 형질전환체 개발하였다. 본 발명에 따른 CRISPR/Cas 기반의 콩 유전자교정 시스템 또는 벡터, 이를 포함하는 콩 유전자교정용 조성물은 콩에 존재하는 IPK1 단백질의 발현을 동시에 억제하는 효과를 가진다.
본 발명은 콩 식물체에서 GmIPK1 유전자를 특이적으로 교정함으로써, 항영양인자인 피틴산 함량이 감소된 콩을 생산하는 새로운 식물체를 제공할 수 있으며, 콩 종자에서 피틴산 함량이 감소된 콩을 육성함으로써 식용 및 사료용으로써의 콩의 이용성 및 가치를 증진시키고, 동시에 깨끗한 농업생태계를 보존하는데 기여할 수 있을 것이다.
The present invention constructed a CRISPR/Cas system that simultaneously corrects GmIPK1 and its homolog genes that regulate phytic acid biosynthesis in soybean, and developed a gene-edited soybean transformant with low phytic acid content through gene editing-based technology using this system. The CRISPR/Cas-based soybean gene editing system or vector according to the present invention and the soybean gene editing composition containing the same have the effect of simultaneously suppressing the expression of the IPK1 protein present in soybean.
The present invention can provide a new plant that produces soybeans with reduced phytic acid content, an anti-nutritional factor, by specifically correcting the GmIPK1 gene in soybean plants, and by cultivating soybeans with reduced phytic acid content in soybean seeds for use as food and feed. This will improve the usability and value of soybeans and at the same time contribute to preserving a clean agricultural ecosystem.

Description

GmIPK1 유전자교정 시스템 및 이의 용도{Gene editing system for GmIKP1 gene editing and uses thereof}GmIPK1 gene editing system and uses thereof {Gene editing system for GmIKP1 gene editing and uses thereof}

본 발명은 콩의 항영양인자인 피틴산 함량이 낮은 유전자교정 콩 형질전환체를 개발하기 위한, 콩의 GmIPK1 유전자를 교정하는 유전자교정 시스템에 관한 것이다. 구체적으로 콩에서 GmIPK1 유전자를 결실시키는 유전자교정 시스템, 이를 포함하는 콩 유전자 교정용 조성물, 이를 이용하는 콩 유전자 교정 방법, 피탄산 함량이 낮은 콩 형질전환체 및 이의 종자에 관한 것이다.The present invention relates to a gene editing system for editing the GmIPK1 gene of soybean to develop a gene-edited soybean transformant with a low content of phytic acid, an anti-nutritional factor of soybean. Specifically, it relates to a gene editing system for deleting the GmIPK1 gene in soybean, a soybean gene editing composition containing the same, a soybean gene editing method using the same, and soybean transformants with low phytanic acid content and seeds thereof.

콩은 단백질, 지방 및 식이섬유 성분이 풍부하며, 이소플라본, 안토시아닌, 레시틴, 루테인, 사포닌 등 다양한 건강 기능성 물질을 함유하고 있어 식품으로써 높은 영양학적 가치를 가지고 있을뿐만 아니라, 사료 및 가공용 등의 산업적 가치도 큰 작물이다. Soybeans are rich in protein, fat, and dietary fiber, and contain various health functional substances such as isoflavones, anthocyanins, lecithin, lutein, and saponin, so they not only have high nutritional value as food, but are also used as industrial feed and processing purposes. It is also a crop of great value.

하지만 콩에는 피틴산, 난소화성 올리고 당, 알러지 유발원 등과 같은 항영양인자들(anti-nutritional factors)이 함유되어 있어 식품으로써 콩의 이용성을 저해하고 있다. However, soybeans contain anti-nutritional factors such as phytic acid, indigestible oligosaccharides, and allergens, which hinders the usability of soybeans as a food.

콩 종자에는 피틴산(phytic acid, phytate)이 건물중 기준 약 2 %로 다량 함유되어 있는데, 이러한 피틴산(phytic acid, phytate)은 칼슘, 철, 아연과 같은 미네랄들과 결합하여 침전물을 형성함으로써 미네랄들의 흡수를 방해하는 대표적인 항영양인자(anti-nutritional factor)이다. 피틴산은 식용으로써의 콩의 가치를 감소시킬 뿐만 아니라 콩의 사료적 가치 또한 감소시키는 것으로 알려져 있다. 특히 피틴산이 다량으로 함유된 가축의 분뇨는 부영양화에 의한 수질오염의 주요 요인으로 알려져 있다. 이런 이유로, 피틴산 함량이 감소된 콩 개발은 식용 및 사료용으로써의 콩의 이용성 및 가치를 증진 시키고 농업환경을 보존하는 등 경제적 및 환경적 가치가 크다.Soybean seeds contain a large amount of phytic acid (phytate), approximately 2% of dry matter. Phytic acid (phytate) combines with minerals such as calcium, iron, and zinc to form sediments, thereby destroying the minerals. It is a representative anti-nutritional factor that interferes with absorption. Phytic acid is known to not only reduce the value of soybeans as food, but also reduce the feed value of soybeans. In particular, livestock manure containing a large amount of phytic acid is known to be a major cause of water pollution due to eutrophication. For this reason, the development of soybeans with reduced phytic acid content has great economic and environmental value, including improving the usability and value of soybeans for food and feed and preserving the agricultural environment.

박테리아, 인간을 포함하는 동물 및 식물 등 다양한 개체에서 유전자의 도입, 결실 또는 변이를 야기할 수 있는 CRISPR/Cas 시스템을 이용한 유전자교정(gene editing) 기술은 유전자의 기능을 밝히는 연구 방법나 질병의 치료, 새로운 식물 품종의 개발 등을 위한 도구로 활발히 연구되고 이용되고 있다. 최근 CRISPR/Cas 시스템을 이용한 유전자교정(gene editing) 연구가 식물에서도 다양하게 적용되고 있다. Gene editing technology using the CRISPR/Cas system, which can cause the introduction, deletion, or mutation of genes in various entities such as bacteria, animals including humans, and plants, is a research method to reveal the function of genes or treatment of diseases. , it is being actively researched and used as a tool for the development of new plant varieties. Recently, gene editing research using the CRISPR/Cas system has been applied in various ways to plants.

CRISPR/Cas 시스템은 Cas 엔도뉴클레아제(endonuclease) 단백질과 표적 유전자 서열을 인식하는 CRISPR RNA(crRNA)와 crRNA와 결합하면서 상기 Cas 엔도뉴클리아제에 결합하는 transactivating CRISPR RNA(tracrRNA)가 복합체를 형성한 것이다. 여기서, crRNA와 tracrRNA는 링커로 연결한 단일 가닥 가이드 RNA(single guide RNA, sgRNA) 형태가 주로 이용되고, 이 단일 가닥 가이드 RNA(sgRNA)는 Cas 엔도뉴클리아제(endonuclease)를 잘라야 할 표적 유전자의 이중가닥 DNA 염기서열로 안내한다. 표적 유전자 부위에 위치한 Cas 엔도뉴클리아제(endonuclease)는 표적 유전자 서열과 이웃하고 있는 프로토스페이서 인접 모티프(protospacer adjacent motif, PAM)를 인식한 후, 표적 핵산 서열의 내부 또는 외부 염기서열(base pair, bp)에서 DNA 이중가닥 절단(double strand breaks, DSB)이 일어나게 된다(Jinek et al., 2012).The CRISPR/Cas system forms a complex of the Cas endonuclease protein, CRISPR RNA (crRNA) that recognizes the target gene sequence, and transactivating CRISPR RNA (tracrRNA) that binds to the Cas endonuclease while binding to the crRNA. It was done. Here, crRNA and tracrRNA are mainly used in the form of single-stranded guide RNA (sgRNA) connected by a linker, and this single-stranded guide RNA (sgRNA) is used to cut the target gene to be cut by Cas endonuclease. Guide to double-stranded DNA base sequences. Cas endonuclease located at the target gene site recognizes the protospacer adjacent motif (PAM) neighboring the target gene sequence and then changes the internal or external base pair (base pair) sequence of the target nucleic acid sequence. bp), DNA double strand breaks (DSB) occur (Jinek et al., 2012).

유전자가위(CRISPR/Cas) 시스템에 의해 절단된 표적 핵산은 오류가 발생하기 쉬운 DNA 복구기작(error-prone DSB repair)이 일어나는 동안에 상동재조합(Homology directed repair, HDR) 또는 비상동말단연결(non-homologous end joining, NHEJ) 과정의 DNA 복구기작을 통해 복구가 일어난다. 비상동말단연결(NHEJ)의 DNA 복구기작을 통해서는 절단된 DNA 부위 사이에 무작위적 염기의 삽입(insertion) 또는 결실(deletion)의 인델(insertion and deletion, indel) 돌연변이가 일어나게 된다. 그 결과 유전자의 코딩 부분에서 틀이동 변이(frameshift mutation) 또는 조기종결 변이(premature mutation)가 발생하여 표적 유전자가 제거(Knock-out)된다. 반면에 상동재조합(HDR)의 DNA 복구기작은 절단된 DNA를 복구하기 위하여 공여자 DNA(Donor DNA)를 필요로 하는데, 이 공여자 DNA의 서열을 주형으로 하여 내부의 목적 유전자의 서열이 정교하게 교체됨으로써, 유전자 편집이 완성된다.Target nucleic acids cut by the CRISPR/Cas system undergo homologous recombination (HDR) or non-homologous end joining (HDR) during error-prone DSB repair. Repair occurs through the DNA repair mechanism of the homologous end joining (NHEJ) process. Through the DNA repair mechanism of non-homologous end joining (NHEJ), insertion and deletion (indel) mutations of random bases occur between the cut DNA regions. As a result, a frameshift mutation or premature mutation occurs in the coding part of the gene, resulting in the knock-out of the target gene. On the other hand, the DNA repair mechanism of homologous recombination (HDR) requires donor DNA to repair cut DNA, and the sequence of the target gene is precisely replaced using the sequence of this donor DNA as a template. , gene editing is completed.

유전자교정(gene editing)은 생명체의 유전정보를 자유롭게 편집하는 기술로써, 인간을 포함하여 동물, 식물, 미생물의 유전정보를 변화시켜 그 활용범위를 획기적으로 확장시킬 수 있다. 현재 많은 연구자들이 유전자교정 연구를 추진하고 있으며 유전자교정 원천특허 확보, 유전자교정 벡터 개발, 유전자교정 인터넷 플랫폼 구축 등 기반 기술 관련 연구를 진행 중이다. CRISPR 기반의 유전자교정 시장은 매년 빠르게 성장하고 있으며, 향후 10년 내에 현재의 약 20배 이상의 규모로 증가 될 것으로 예상되고 있다(Inkwood Research, 2019). Gene editing is a technology that freely edits the genetic information of living organisms. It can dramatically expand the scope of use by changing the genetic information of animals, plants, and microorganisms, including humans. Currently, many researchers are pursuing gene editing research and are conducting research on basic technologies such as securing gene editing original patents, developing gene editing vectors, and establishing a gene editing internet platform. The CRISPR-based gene editing market is growing rapidly every year, and is expected to increase to more than 20 times its current size within the next 10 years (Inkwood Research, 2019).

그러나, CRISPR 기술을 이용한 작물 개량 연구는 초기 단계이며, 특히 콩은 다른 작물에 비하여 형질전환체를 제조하는 기간이 길고 상대적으로 효율이 낮기 때문에, 형질전환이 어려운 콩의 경우 유전자교정 기술 기반의 콩 육종소재 개발이 일부 연구실에서만 제한적으로 이루어지고 있는 실정이다. However, crop improvement research using CRISPR technology is in its early stages. In particular, soybeans require a long period of time to produce transformants compared to other crops and the efficiency is relatively low, so in the case of soybeans that are difficult to transform, soybeans based on gene editing technology are used. The development of breeding materials is limited to only a few research labs.

현재 식용 및 사료용으로써의 콩의 이용성 및 가치를 증진 시키고 농업환경을 보존하기 위해서 피틴산 함량이 감소된 콩 형질전환체 및 이의 종자를 개발하기 위한 다양한 연구가 지속적으로 진행되고 있다.Currently, various studies are continuously being conducted to develop soybean transformants and seeds with reduced phytic acid content in order to improve the usability and value of soybeans for food and feed and to preserve the agricultural environment.

하지만, 유전자가위(CRISPR/Cas) 시스템을 도입하여 피탄산 함량이 감소된 콩 형질전환체 및 이의 종자를 개발하기 위한 끊임없는 노력 및 연구에도 불구하고, 그 성과는 미미한 실정이다. 이에, 피탄산 함량이 감소된 콩 형질전환체 및 이의 종자를 생산하기 위한 최적의 효과적인 유전자가위(CRISPR/Cas) 시스템이 절실이 요구되는 상황이다. However, despite continuous efforts and research to develop soybean transformants and seeds with reduced phytanic acid content by introducing the CRISPR/Cas system, the results are minimal. Accordingly, an optimal and effective CRISPR/Cas system for producing soybean transformants and seeds with reduced phytanic acid content is urgently needed.

KRKR 10-2015-0016588 10-2015-0016588 AA US 2020/0190494 A1US 2020/0190494 A1 KRKR 10-2021-0039306 10-2021-0039306 AA KRKR 10-2018-0117785 10-2018-0117785 AA

Jinek, M. et al., A Programmable Dual-RNA-Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity, Science, Vol. 337, 816-821(2012)Jinek, M. et al., A Programmable Dual-RNA-Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity, Science, Vol. 337, 816-821(2012) Inkwood Research, GLOBAL CRISPR MARKET FORECAST 2019-2027(2019)Inkwood Research, GLOBAL CRISPR MARKET FORECAST 2019-2027(2019) Jacobs, TB. et al., Targeted genome modifications in soybean with CRISPR/Cas9, BMC Biotechnology, Vol. 15, No. 16, pp. 1-10(2015)Jacobs, T.B. et al., Targeted genome modifications in soybean with CRISPR/Cas9, BMC Biotechnology, Vol. 15, No. 16, pp. 1-10(2015)

본 발명은 상기와 같은 요구를 해결하고 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 콩의 항영양인자인 피틴산의 함량이 낮은 유전자교정 콩 형질전환체 개발을 위해서, 콩에서 GmIPK1 유전자를 결실시키는 CRISPR/Cas 기반의 콩 유전자교정 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention is intended to solve the above needs and overcome the problems of the prior art. In order to develop a gene-corrected soybean transformant with a low content of phytic acid, an anti-nutritional factor in soybeans, CRISPR/Cas to delete the GmIPK1 gene in soybeans The purpose is to provide a soybean gene editing system.

본 발명은 또한, 상기 콩 유전자교정 시스템을 포함하는 벡터, 콩 유전자교정 조성물 및 이를 이용하는 콩 유전자교정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention also aims to provide a vector containing the soybean gene editing system, a soybean gene editing composition, and a soybean gene editing method using the same.

또한, 본 발명은 상기 콩 유전자교정 시스템 또는 콩 유전자교정 조성물로 형질전환되어 콩 종자에서 피틴산 생합성을 조절하는 효소 GmIPK1 유전자가 교정된 콩 형질전환체 및 이의 종자를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, the present invention aims to provide soybean transformants and seeds thereof, which are transformed with the soybean gene editing system or soybean gene editing composition and have the GmIPK1 gene, an enzyme that regulates phytic acid biosynthesis in soybean seeds, corrected.

본 출원의 다른 목적 및 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 목적에 제한되지 않으며, 본 명세서에 기재된 청구범위 및 도면과 함께 하기의 발명의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다. 또한 본 명세서에 기재되지 않은 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하‘통상의 기술자’라 함)가 명확하게 이해하고 유추할 수 있는 것을 포함한다.Other objects of this application and technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the objects mentioned above, and will become clearer through the following description of the invention together with the claims and drawings described in this specification. In addition, the technical problems to be achieved by the present invention that are not described in this specification include those that can be clearly understood and inferred by a person with ordinary knowledge in the technical field of the present invention (hereinafter referred to as a “person skilled in the art”).

상기 과제를 해결하기 위해, 다음의 발명을 제공한다. In order to solve the above problems, the following invention is provided.

본 발명은 콩의 항영양인자인 피틴산 함량이 낮은 유전자교정 콩 형질전환체 개발을 위해서 GmIPK1 유전자를 결실시키는, CRISPR/Cas 기반의 콩 유전자교정 시스템을 제공한다. 여기서 상기 CRISPR/Cas 기반의 콩 유전자교정 시스템은 Cas 엔도뉴클레아제(endonuclease); 및 콩의 GmIPK1 유전자를 특이적으로 표적하는 gRNA1 및 gRNA2;를 포함할 수 있다. The present invention provides a CRISPR/Cas-based soybean gene editing system that deletes the GmIPK1 gene for the development of gene-edited soybean transformants with low content of phytic acid, an anti-nutritional factor in soybeans. Here, the CRISPR/Cas-based soybean gene editing system includes Cas endonuclease; and gRNA1 and gRNA2 that specifically target the GmIPK1 gene of soybean.

본 발명의 일 구체예로, 상기 CRISPR/Cas 기반의 콩 유전자교정 시스템에서 상기 gRNA1 및 gRNA2는 이를 암호화하는 핵산 서열이 각각 서열번호 1의 염기서열 및 서열번호 2의 염기서열인 것일 수 있다. In one embodiment of the present invention, in the CRISPR/Cas-based soybean gene editing system, the nucleic acid sequences encoding the gRNA1 and gRNA2 may be the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 and the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 2, respectively.

본 발명의 다른 구체예로, 상기 Cas 엔도뉴클레아제(endonuclease)는 식물 코돈-최적화된 Cas9 핵산(pcoCas9), 애기장대 코돈-최적화된 Cas9 핵산(acoCas9) 또는 GC 함량이 높은 식물 코돈-최적화된 Cas9 핵산(pcohCas9)을 포함하는 것일 수 있고, 구체적으로 서열번호 5 내지 서열번호 7 중 어느 하나의 염기서열을 포함하는 것일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the Cas endonuclease is plant codon-optimized Cas9 nucleic acid (pcoCas9), Arabidopsis codon-optimized Cas9 nucleic acid (acoCas9), or plant codon-optimized with high GC content. It may contain Cas9 nucleic acid (pcohCas9), and specifically may contain any one of SEQ ID NO: 5 to SEQ ID NO: 7 base sequence.

본 발명의 또다른 구체예로, 상기 콩 유전자교정 시스템은 리보핵산단백질(Ribonucleoprotein, RNP)이고, 상기 gRNA1 및 gRNA2는 이를 암호화하는 핵산 서열이 각각 서열번호 1의 염기서열 및 서열번호 2의 염기서열인 것일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the soybean gene editing system is a ribonucleoprotein (RNP), and the nucleic acid sequences encoding the gRNA1 and gRNA2 are the base sequence of SEQ ID NO: 1 and the base sequence of SEQ ID NO: 2, respectively. It may be.

또한, 본 발명은 코돈-최적화된 Cas9 핵산; 및 콩의 GmIPK1 유전자를 특이적으로 표적하는 gRNA1 및 gRNA2를 암호화하는 핵산;이 작동 가능하게 연결된, 콩 유전자교정을 위한 벡터를 제공한다. Additionally, the present invention provides codon-optimized Cas9 nucleic acid; and nucleic acids encoding gRNA1 and gRNA2 that specifically target the GmIPK1 gene of soybean. A vector for soybean gene editing operably linked is provided.

본 발명의 일 구체예로, 상기 벡터는 작동 가능하게 연결된 하나 이상의 프로모터, 식물 선별마커 및 하나 이상의 핵 위치 신호(Nuclear localization sequence, NLS)가 더 포함되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the vector may further include one or more operably linked promoters, a plant selection marker, and one or more nuclear localization sequences (NLS).

본 발명의 다른 구체예로, 상기 벡터에서 상기 gRNA1 및 gRNA2를 암호화하는 핵산 서열은 각각 서열번호 1의 염기서열 및 서열번호 2의 염기서열인 것일 수 있다. 또한, 코돈-최적화된 Cas9 핵산은 식물 코돈-최적화된 Cas9 핵산(pcoCas9), 애기장대 코돈-최적화된 Cas9 핵산(acoCas9) 또는 GC 함량이 높은 식물 코돈-최적화된 Cas9 핵산(pcohCas9)을 포함하는 것일 수 있고, 구체적으로 서열번호 5 내지 서열번호 7 중 어느 하나의 염기서열을 포함하는 것일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the nucleic acid sequences encoding gRNA1 and gRNA2 in the vector may be the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 and the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 2, respectively. In addition, the codon-optimized Cas9 nucleic acid may include plant codon-optimized Cas9 nucleic acid (pcoCas9), Arabidopsis codon-optimized Cas9 nucleic acid (acoCas9), or plant codon-optimized Cas9 nucleic acid with high GC content (pcohCas9). It may be, and specifically may include any one of SEQ ID NO: 5 to SEQ ID NO: 7.

또한, 본 발명은 상기 CRISPR/Cas 기반의 콩 유전자교정 시스템 또는 상기 벡터를 포함하는, 콩 유전자교정용 조성물을 제공한다. In addition, the present invention provides a composition for soybean gene editing comprising the CRISPR/Cas-based soybean gene editing system or the vector.

본 발명의 일 구체예로, 상기 콩 유전자교정용 조성물에서 상기 gRNA1 및 gRNA2를 암호화하는 핵산 서열이 각각 서열번호 1의 염기서열 및 서열번호 2의 염기서열인 것이고, 콩의 GmIPK1 유전자를 결실시키는 것을 특징으로 할 수 있다.In one embodiment of the present invention, in the composition for soybean gene editing, the nucleic acid sequences encoding the gRNA1 and gRNA2 are the base sequence of SEQ ID NO: 1 and the base sequence of SEQ ID NO: 2, respectively, and the GmIPK1 gene of soybean is deleted. It can be characterized.

또한, 본 발명은 상기 CRISPR/Cas 기반의 콩 유전자교정 시스템 또는 상기 벡터를 이용하여 콩을 형질전환하는 단계를 포함하고, 콩의 GmIPK1 유전자를 결실시키는 것을 특징으로 하는, 콩 유전자교정 방법을 제공한다. In addition, the present invention provides a soybean gene editing method comprising the step of transforming soybean using the CRISPR/Cas-based soybean gene editing system or the vector, and deleting the soybean GmIPK1 gene. .

본 발명의 일 구체예로, 상기 콩 유전자교정 방법은 상기 CRISPR/Cas 기반의 콩 유전자교정 시스템 또는 상기 벡터를 콩 식물세포에 도입하여 표적 유전자를 교정하는 단계 및 상기 표적 유전자가 교정된 콩 식물세포로부터 콩 식물체를 재분화하는 단계를 포함하는 것일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the soybean gene editing method includes the steps of introducing the CRISPR/Cas-based soybean gene editing system or the vector into soybean plant cells to correct the target gene, and the soybean plant cell in which the target gene has been corrected. It may include the step of redifferentiating the soybean plant from.

본 발명은 또한, 상기 콩 유전자교정 방법으로 형질전환된, 콩에서 피틴산 생합성을 조절하는 효소 GmIPK1 유전자가 교정된 콩 형질전환체를 제공한다.The present invention also provides a soybean transformant in which the GmIPK1 gene, an enzyme that regulates phytic acid biosynthesis in soybean, has been corrected, transformed by the soybean gene editing method.

또한, 본 발명은 상기 콩 유전자교정 방법으로 형질전환된 콩 형질전환체의 종자로써, 피틴산 생합성을 조절하는 효소 GmIPK1 유전자가 교정된 콩 종자를 제공한다.In addition, the present invention provides soybean seeds in which the GmIPK1 gene, an enzyme that regulates phytic acid biosynthesis, has been corrected, which are seeds of soybean transformants transformed by the soybean gene editing method.

본 발명에 따른 CRISPR/Cas 기반의 콩 유전자교정 시스템 또는 벡터, 이를 포함하는 콩 유전자교정용 조성물은 콩에 존재하는 IPK1 단백질의 발현을 억제하는 효과를 가진다. 또한, 본 발명에 따른 콩 유전자교정 시스템을 이용하여 제작된 콩 형질전환체 및 이의 종자는 피틴산 생합성을 조절하는 GmIPK1 유전자가 교정되어 피틴산 함량이 감소된 콩을 생산하는 장점을 가지고 있다. The CRISPR/Cas-based soybean gene editing system or vector according to the present invention and the soybean gene editing composition containing the same have the effect of suppressing the expression of the IPK1 protein present in soybean. In addition, soybean transformants and their seeds produced using the soybean gene editing system according to the present invention have the advantage of producing soybeans with reduced phytic acid content by correcting the GmIPK1 gene, which regulates phytic acid biosynthesis.

그러므로 본 발명은 콩 식물체에서 표적 유전자를 교정함으로써 항영양인자가 감소한 새로운 식물체를 제공할 수 있으며, 콩 종자에서 피틴산 함량이 감소된 콩을 육성함으로써 식용 및 사료용으로써의 콩의 이용성 및 가치를 증진시키고, 동시에 깨끗한 농업생태계를 보존하는데 기여할 수 있다. Therefore, the present invention can provide a new plant with reduced anti-nutritional factors by correcting target genes in soybean plants, and improves the usability and value of soybeans for food and feed by cultivating soybeans with reduced phytic acid content in soybean seeds. At the same time, it can contribute to preserving a clean agricultural ecosystem.

도 1은 콩의 GmIPK1 유전자를 특이적으로 표적할 수 있는 본 발명에 따른 gRNA1 및 gRNA2의 표적 유전자 내 표적 부위를 나타내는 도면이다. (A)는 최종 선발된 표적(target) 부위 및 이에 각각 결합하는 gRNA1 및 gRNA2의 염색체 상 위치를 나타낸다. (B)는 GmIPK1 유전자의 표적(target) 부위 중에서 엑손(Exon) 2 내의 표적 서열(좌) 및 엑손(Exon) 3 내의 표적 서열(우)의 염기서열; 및 이에 각각 결합하는 gRNA1 및 gRNA2를 암호하는 염기서열;을 나타낸다.
도 2는 pMDC123_35Spro 벡터의 예시적 제작 모식도를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 선별된 gRNA1 및 gRNA2와 코돈-최적화된 Cas9 유전자를 포함하는 예시적인 벡터의 모식도를 나타낸다.
도 4는 아그로박테리움을 이용한 콩 형질전환체 제조 및 유전자교정이 일어난 형질전환체를 검증한 결과이다. (A)는 콩 형질전환체 제조 과정을 보여주고 있고, (B)는 상기 콩 형질전환체를 본 발명에서 이용한 벡터의 선별마커 및 gRNA 발현 카세트에 대한 PCR 증폭 반응으로 형질전환을 확인한 결과를 보여준다.
도 5는 본 발명에 따른 콩 형질전환체에서 GmIPK1 유전자가 교정되었는지를 확인한 결과를 나타낸다. (A)는 InDel PCR을 이용하여 상기 콩 형질전환체에서 GmIPK1 유전자가 결실되었는지 확인한 것이고, (B)는 GmIPK1 유전자가 결실이 확인된 본 발명에 따른 콩 형질전환체를 보여주고 있다.
도 6은 본 발명에 따른 콩 형질전환체에서 GmIPK1 유전자 및 단백질의 표적 서열 부위 결실을 나타내는 결과이다. (A)는 GmIPK1 유전자의 표적 서열 부위 577 bp 결실(deletion)을 나타내고, (B)는 IPK1 단백질의 표적 서열 부위 95개 아미노산 결실을 나타낸다.
Figure 1 is a diagram showing the target site within the target gene of gRNA1 and gRNA2 according to the present invention, which can specifically target the GmIPK1 gene of soybean. (A) shows the final selected target site and the chromosomal locations of gRNA1 and gRNA2 that bind to it, respectively. (B) shows the nucleotide sequences of the target sequence in Exon 2 (left) and the target sequence in Exon 3 (right) among the target regions of the GmIPK1 gene; and base sequences encoding gRNA1 and gRNA2, respectively, binding thereto.
Figure 2 shows an exemplary construction schematic diagram of the pMDC123_35S pro vector.
3 shows an exemplary plot comprising selected gRNA1 and gRNA2 and codon-optimized Cas9 gene according to the present invention. Shows a schematic diagram of a vector.
Figure 4 shows the results of manufacturing soybean transformants using Agrobacterium and verifying the transformants in which gene editing occurred. (A) shows the manufacturing process of the soybean transformant, and (B) shows the results of confirming transformation of the soybean transformant by PCR amplification reaction for the selection marker and gRNA expression cassette of the vector used in the present invention. .
Figure 5 shows the results of confirming whether the GmIPK1 gene was corrected in the soybean transformant according to the present invention. (A) shows whether the GmIPK1 gene was deleted in the soybean transformant using InDel PCR, and (B) shows the soybean transformant according to the present invention in which the GmIPK1 gene was confirmed to be deleted.
Figure 6 is a result showing deletion of the target sequence region of the GmIPK1 gene and protein in the soybean transformant according to the present invention. (A) shows a 577 bp deletion of the target sequence region of the GmIPK1 gene, and (B) shows the IPK1 It shows a deletion of 95 amino acids in the target sequence region of the protein.

본 발명은 CRISPR/Cas9(Clustered Regularly-Interspaced Short Palindromic Repeats/CRISPR associated protein 9) 시스템을 이용하여, 콩에서 항영양인자로 알려진 피틴산 생합성을 조절하는 효소 GmIPK1 유전자를 특이적으로 인델(Indel) 돌연변이를 일으키고, 그 결과 콩의 IPK1 발현이 결실된 콩 형질전환체 및 이의 종자를 제조하였다. 상기 콩 형질전환체 및 이의 종자는 targeted deep sequencing을 통해서 GmIPK1 유전자가 결실되는 유전자교정이 야기된 것을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다. The present invention uses the CRISPR/Cas9 (Clustered Regularly-Interspaced Short Palindromic Repeats/CRISPR associated protein 9) system to specifically cause an indel mutation in the GmIPK1 gene, an enzyme that regulates phytate biosynthesis, known as an anti-nutritional factor in soybeans. As a result, a soybean transformant and its seeds with deletion of soybean IPK1 expression were produced. The present invention was completed by confirming that the soybean transformant and its seeds underwent gene correction resulting in deletion of the GmIPK1 gene through targeted deep sequencing.

이하, 본 발명을 용어의 설명, 특정한 예시 및 실시예를 통해서 상세하게 설명한다. 상기 특정한 예시 및 실시예는 발명의 일부 구현예를 포함하는 것으로 모든 구현예를 포함하고 있지는 않다는 점에 유의해야 한다. 본 명세서에 의해 개시되는 발명의 내용은 여기에서 설명되는 특정 실시예로 제한되지 않고, 본 발명이 속한 기술 분야에 있어 통상의 기술자가 다양하게 구현할 수 있다는 것을 포함하는 것은 자명하다. 따라서 본 명세서에 개시된 발명의 내용은 여기에 기재된 특정 실시예로 제한되지 않으며, 이에 대한 변형 및 다른 구현예들도 청구범위 내에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through explanation of terms, specific examples and embodiments. It should be noted that the above specific examples and embodiments include some implementations of the invention and do not include all implementations. It is obvious that the content of the invention disclosed by this specification is not limited to the specific embodiments described herein, and includes various implementations by those skilled in the art to which the present invention pertains. Therefore, it should be understood that the content of the invention disclosed herein is not limited to the specific embodiments described herein, and that modifications and other embodiments thereof are also included within the scope of the claims.

발명에서 사용되는 용어에 대한 정의는 이하와 같다.The definitions of terms used in the invention are as follows.

[용어의 설명][Explanation of terms]

CRISPR/Cas 시스템CRISPR/Cas system

본 발명에서 사용되는 용어 “CRISPR/Cas 시스템”은 Cas 엔도뉴클레아제(Cas endonuclease) 및 상기 핵산분해 효소에 대응하는 가이드 분자가 포함된 복합체로써, 표적 유전자 또는 표적 핵산에 결합할 수 있는 복합체를 의미한다. 여기서 가이드 분자는 가이드 RNA(gRNA)로 대표되는 표적화 핵산일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. The term “CRISPR/Cas system” used in the present invention is a complex containing a Cas endonuclease and a guide molecule corresponding to the nucleolytic enzyme, and is capable of binding to a target gene or target nucleic acid. it means. Here, the guide molecule may be a targeting nucleic acid represented by guide RNA (gRNA), but is not limited thereto.

상기 CRISPR/Cas 시스템은 Cas 엔도뉴클레아제(Cas endonuclease) 및 상기 가이드 RNA(gRNA)에 따라 다양한 종류가 가능하며, Cas 엔도뉴클레아제(Cas endonuclease)는 상기 대응되는 가이드 분자를 이용하여 표적 핵산 또는 표적 유전자에 특이적으로 결합하여 DNA 이중 가닥 절단 등의 유전자교정(gene editing)을 수행한다. The CRISPR/Cas system can be of various types depending on Cas endonuclease and the guide RNA (gRNA), and Cas endonuclease uses the corresponding guide molecule to target nucleic acid. Alternatively, it binds specifically to the target gene and performs gene editing such as DNA double-strand cutting.

CRISPR/Cas 시스템을 이용하는 유전자교정(gene editing) 기술은 인간이나 동식물 등 다양한 개체의 유전자에 변이를 도입할 수 있고, 이를 통해 유전자의 기능을 밝히는 연구, 새로운 형질을 가지는 형질전환체의 제조 및 유전자 관련 질병의 치료 방법으로 사용되고 있다. 상기 CRISPR/Cas 시스템은 특정 서열을 표적화하기 위해 맞춤형 단백질의 생성을 필요로 하지 않고, 가이드 분자 내의 표적 부위 결합 서열인 스페이서 서열의 변경을 통해서 다양한 레퍼토리의 CRISPR/Cas 시스템을 제작할 수 있다.Gene editing technology using the CRISPR/Cas system can introduce mutations into the genes of various organisms such as humans, animals, and plants, and through this, research to reveal the function of genes, manufacturing of transformants with new traits, and gene editing It is used as a treatment method for related diseases. The CRISPR/Cas system does not require the production of a customized protein to target a specific sequence, and a diverse repertoire of CRISPR/Cas systems can be produced by changing the spacer sequence, which is the target site binding sequence within the guide molecule.

Cas 엔도뉴클레아제(Cas endonuclease)Cas endonuclease

본 발명에서 사용되는 용어 “Cas 엔도뉴클레아제(Cas endonuclease)"는 표적하는 핵산인 DNA 또는 RNA, 또는 표적 유전자 내의 프로토스페이서 인접 모티프(protospacer adjacent motif, PAM)를 인식한 후, 표적 핵산 서열의 내부 또는 외부 염기서열(base pair, bp)에서 DNA 이중가닥 절단(double strand breaks, DSB)이 일어나게 편집할 수 있는 핵산분해 효소를 의미한다. 본 명세서에서 Cas 엔도뉴클레아제(endonuclease)는 CRISPR/Cas 시스템을 구성하는 효과기(effector) 단백질을 지칭한다. 여기서 효과기(effector) 단백질은 CRISPR 단백질, 가이드 RNA(gRNA)에 결합할 수 있는 핵산분해 단백질, 또는 표적 핵산 또는 표적 유전자에 결합할 수 있는 올리고핵산에 결합 가능한 펩티드 단편일 수 있다. 구체적으로 Cas9 또는 Cpf1, 또는 변형된 핵산분해 단백질일 수 있지만, 이들로 제한되지 않는다. 또한, CRISPR/Cas 기술 분야에서 통상의 기술자가 인식할 수 있는 의미를 모두 포함한다.The term “Cas endonuclease” used in the present invention refers to the recognition of a protospacer adjacent motif (PAM) within a target nucleic acid, DNA or RNA, or a target gene, and then the formation of the target nucleic acid sequence. It refers to a nucleolytic enzyme that can edit DNA to cause double strand breaks (DSB) in internal or external base pairs (bp). In this specification, Cas endonuclease refers to CRISPR/ Refers to an effector protein that constitutes the Cas system. Here, the effector protein is a CRISPR protein, a nucleic acid decomposition protein that can bind to a guide RNA (gRNA), or an oligonucleotide that can bind to a target nucleic acid or target gene. It may be a peptide fragment capable of binding to a nucleic acid. Specifically, it may be Cas9 or Cpf1, or a modified nucleolytic protein, but is not limited thereto. In addition, the meaning that a person skilled in the art of CRISPR/Cas technology can recognize is Includes all.

Cas9 단백질Cas9 protein

본 발명에 따른 “Cas9 단백질"은 표적 핵산 또는 표적 유전자 내의 표적 부위 서열 근처의 프로토스페이서 인접 모티프(protospacer adjacent motif, PAM)를 인식한 후, 표적 핵산 서열의 내부 또는 외부 염기서열(base pair, bp)에서 DNA 이중가닥 절단(double strand breaks, DSB)하여 표적 유전자에서 인델(insertion and/or deletion, Indel) 변이(mutation)을 야기할 수 있는 모든 Cas9들 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 Cas9 단백질은 스트렙토코커스(Streptococcus) 속, 캄필로박터(Campylobacter) 속, 네이세리아(Neisseria) 속, 파스테우렐라(Pasteurella) 속, 프란시셀라(Francisella) 속 유래의 Cas9 단백질 등일 수 있고, 더욱 구체적으로, 스트렙토코커스 써모필러스(Streptococcus thermophiles), 스트렙토코커스 아우레우스(Streptocuccus aureus) 또는 스트렙토코커스 피요게네스(Streptococcus pyogenes) 유래의 Cas9 단백질; 캄필로박터 제주니(Campylobacter jejuni) 유래의 Cas9 단백질; 네이세리아 메닝기디티스(Neisseria meningitidis) 유래의 Cas9 단백질; 파스테우렐라 물토시다 (Pasteurella multocida) 유래의 Cas9 단백질; 프란시셀라 노비시다(Francisella novicida) 유래의 Cas9 단백질 등일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, CRISPR/Cas 기술 분야에서 통상의 기술자가 인식할 수 있는 의미를 모두 포함한다. 상기 Cas9 단백질 또는 유전자 정보는 NCBI(National Center for Biotechnology Information)의 GenBank와 같은 공지의 데이터 베이스에서 얻을 수 있다.“Cas9 protein” according to the present invention recognizes the protospacer adjacent motif (PAM) near the target site sequence within the target nucleic acid or target gene, and then encodes the internal or external base sequence (base pair, bp) of the target nucleic acid sequence. ) may be one or more types selected among all Cas9s that can cause DNA double strand breaks (DSB) and cause insertion and/or deletion (Indel) mutation in the target gene. Specifically, The Cas9 protein may be a Cas9 protein derived from the Streptococcus genus, Campylobacter genus, Neisseria genus, Pasteurella genus, and Francisella genus, etc. Specifically, Cas9 protein from Streptococcus thermophiles, Streptoccus aureus or Streptococcus pyogenes; Cas9 protein from Campylobacter jejuni ; Cas9 protein derived from Neisseria meningitidis; Cas9 protein derived from Pasteurella multocida; Cas9 protein derived from Francisella novicida, etc., but is limited thereto. In addition, it includes all meanings recognized by a person skilled in the art of CRISPR/Cas technology. The Cas9 protein or gene information can be obtained from a known database such as GenBank of the National Center for Biotechnology Information (NCBI). You can.

가이드 RNA(guide RNA)guide RNA

본 발명에 따른 용어 "가이드 RNA(guide RNA)"는 Cas 엔도뉴클레아제(Cas endonuclease)와 복합체를 형성할 수 있고, 표적 핵산 서열과 혼성화할 수 있으며, 표적 핵산 서열에 대한 복합체의 서열-특이적 결합을 하기에 충분한 표적 핵산 서열과의 상보성을 갖는 가이드 서열을 포함하는 RNA를 의미한다. 본 명세서에서 가이드 분자 또는 가이드 RNA는 상호호환 가능하게 사용된다. The term "guide RNA" according to the present invention is capable of forming a complex with Cas endonuclease, hybridizing to a target nucleic acid sequence, and having a sequence-specific effect on the complex to the target nucleic acid sequence. It refers to RNA containing a guide sequence that has sufficient complementarity with the target nucleic acid sequence to bind appropriately. In this specification, guide molecules or guide RNA are used interchangeably.

본 명세서에 가이드 RNA(guide RNA)는 표적 유전자 서열을 인식하는 CRISPR RNA(crRNA)와 crRNA와 결합하면서 상기 Cas 엔도뉴클리아제(Cas endonuclease)에 결합하는 transactivating CRISPR RNA(tracrRNA)를 포함한다. 가이드 RNA(guide RNA)는 crRNA와 tracrRNA가 링커로 연결된 단일 가닥 형태일 수 있고, crRNA와 tracrRNA가 상보적 결합하여 이중가닥 형태를 형성할 수도 있다. 본 명세서에 가이드 RNA는 하나 이상의 화학적 변형 예를 들어, 2개의 리보뉴클레오타이드의 화학적 연결에 의해 또는 하나 이상의 리보뉴클레오타이드의 하나 이상의 데옥시리보뉴클레오타이드로의 대체에 의한 변형을 갖는 RNA-기반 분자일 수 있다.Guide RNA herein includes a CRISPR RNA (crRNA) that recognizes a target gene sequence and a transactivating CRISPR RNA (tracrRNA) that binds to the Cas endonuclease while binding to the crRNA. Guide RNA may be in a single-stranded form in which crRNA and tracrRNA are connected by a linker, or it may be in a double-stranded form by complementary binding of crRNA and tracrRNA. A guide RNA herein may be an RNA-based molecule that has one or more chemical modifications, such as by chemical linking of two ribonucleotides or by replacement of one or more ribonucleotides with one or more deoxyribonucleotides. .

Cas 엔도뉴클레아제(Cas endonuclease)에 따른 가이드 RNA(guide RNA)의 특이성은 직접 반복 서열인 스케폴드(Scafold)에에 의해 좌우되므로, Cas 엔도뉴클레아제(Cas endonuclease)에 최적의 가이드 RNA(guide RNA)를 설계하고자 할 때는 상기 직접 반복 서열을 Cas의 유래에 따라 설계할 수 있다. 본 발명에 따른 가이드 RNA(guide RNA)는 Cas 엔도뉴클레아제(Cas endonuclease)에 특이적으로 최대의 활성을 나타내도록 하기 위해 자연에서 발견되는 가이드 RNA(guide RNA) 또는 그 길이나 서열의 변형을 가지는 것일 수 있다. 또한, CRISPR/Cas 기술 분야에서 통상의 기술자가 인식할 수 있는 의미를 모두 포함한다.Since the specificity of guide RNA for Cas endonuclease is determined by the scaffold, which is a directly repeating sequence, the optimal guide RNA for Cas endonuclease is When designing RNA), the direct repeat sequence can be designed according to the origin of Cas. The guide RNA according to the present invention is a guide RNA found in nature or a modification of its length or sequence in order to exhibit maximum activity specifically for Cas endonuclease. It can be something to have. In addition, it includes all meanings that a person skilled in the art can recognize in the field of CRISPR/Cas technology.

스캐폴드(Scafold) 영역Scaffold area

본 발명에 따른 용어 “스캐폴드(Scafold) 영역”은 가이드 RNA(guide RNA) 중 핵산분해 단백질과 상호작용할 수 있는 부분을 통틀어 지칭하며, 자연계에서 발견되는 가이드 RNA의 부분 중 스페이서(Spacer)를 제외한 나머지 부분을 지칭할 수 있다. 상기 스캐폴드(Scafold) 영역은 tracrRNA 및 crRNA의 일부를 포함하며, 반드시 한 분자의 RNA를 지칭하는 것은 아니다.The term “Scaffold region” according to the present invention refers collectively to the portion of guide RNA that can interact with nucleic acid decomposition proteins, and excludes the spacer among the portions of guide RNA found in nature. It can refer to the remaining parts. The scaffold region includes parts of tracrRNA and crRNA and does not necessarily refer to one molecule of RNA.

스페이서 서열(spacer sequence)spacer sequence

본 발명에 따른 용어 "스페이서 서열(spacer sequence)"은 본 발명에 따른 CRISPR/Cas 시스템에서 표적 서열 부분과 혼성화되는 폴리뉴클레오타이드를 의미한다. 상기 스페이서 서열(spacer sequence)은 본 발명에 따른 유전자가위 시스템에서 가이드 RNA(guide RNA)의 crRNA의 3'-말단 부근의 약 20개의 연속된 뉴클레오타이드를 지칭하며, 본 발명에서 "gRNA"라고도 표현된다. The term “spacer sequence” according to the present invention refers to a polynucleotide that hybridizes with a portion of the target sequence in the CRISPR/Cas system according to the present invention. The spacer sequence refers to about 20 consecutive nucleotides near the 3'-end of the crRNA of the guide RNA in the gene scissors system according to the present invention, and is also expressed as "gRNA" in the present invention. .

본 발명에 따른 "gRNA" 즉, 상기 스페이서 서열은 상기 유전자가위 시스템을 사용하여 유전자 교정하고자 하는 표적 핵산 또는 표적 유전자의 표적 서열에 대응하여 설계된다. 즉, 상기 스페이서는 표적 핵산의 표적 서열에 따라 다양한 서열을 가질 수 있다. 본 명세서에서 스페이서 서열은 상기 유전자가위 시스템에 포함된 crRNA 내의 스페이서 서열을 의미하고, 가이드 RNA(guide RNA)에서 표적 서열과 결합하는 부위로써 표적 부위를 표적화하는 중요한 부분으로써, 달리 명시되지 않는 한, 가이드 RNA(guide RNA)와 구분되는 개념으로 "gRNA"라고 표현된다. 또한, CRISPR/Cas 기술 분야에서 통상의 기술자가 인식할 수 있는 의미를 모두 포함한다.The “gRNA” according to the present invention, that is, the spacer sequence, is designed to correspond to the target sequence of the target nucleic acid or target gene to be gene-edited using the gene scissors system. That is, the spacer may have various sequences depending on the target sequence of the target nucleic acid. As used herein, the spacer sequence refers to the spacer sequence in the crRNA included in the gene scissors system, and is an important part of targeting the target site as a site that binds to the target sequence in the guide RNA. Unless otherwise specified, It is expressed as “gRNA” as a distinct concept from guide RNA. In addition, it includes all meanings that a person skilled in the art can recognize in the field of CRISPR/Cas technology.

CRISPR RNA(crRNA)CRISPR RNA (crRNA)

본 발명에 따른 용어 "CRISPR RNA(crRNA)"은 본 발명에 따른 CRISPR/Cas 시스템 내의 가이드 RNA(guide RNA)를 구성하는 중요한 구성요소이다. 본 명세서에서 상기 crRNA는 표적 유전자 서열을 인식하는 스페이서(Spacer) 서열을 포함하는 것으로, 표적 유전자 또는 표적 핵산에 결합하는 가이드 RNA(guide RNA)의 부분이다. The term “CRISPR RNA (crRNA)” according to the present invention is an important component constituting guide RNA in the CRISPR/Cas system according to the present invention. In the present specification, the crRNA includes a spacer sequence that recognizes the target gene sequence and is a portion of guide RNA that binds to the target gene or target nucleic acid.

transactivating CRISPR RNA(tracrRNA)transactivating CRISPR RNA (tracrRNA)

본 발명에 따른 "tracrRNA"는 crRNA와 함께 CRISPR/Cas 시스템의 가이드 RNA(guide RNA)를 구성하는 중요한 구성요소이다. 본 명세서에서 상기 tracrRNA의 적어도 일부는 crRNA의 적어도 일부와 상보적으로 결합하여 이중 가닥을 형성할 수 있고, Cas 엔도뉴클리아제에 결합할 수 있는 가이드 RNA 부분이다. 더 구체적으로, 상기 tracrRNA의 일부 서열은 상기 crRNA에 포함된 CRISPR RNA 반복 서열의 전부 또는 일부와 상보적 서열을 가진다.“TracrRNA” according to the present invention is an important component that constitutes the guide RNA of the CRISPR/Cas system along with crRNA. In the present specification, at least a portion of the tracrRNA is a guide RNA portion that can form a double strand by binding complementary to at least a portion of the crRNA and can bind to Cas endonuclease. More specifically, some sequences of the tracrRNA have complementary sequences to all or part of the CRISPR RNA repeat sequence included in the crRNA.

싱글 가이드 RNA(sgRNA)Single guide RNA (sgRNA)

본 발명에 따른 "싱글 가이드 RNA(sgRNA)"는 가이드 RNA(guide RNA) 형성이 쉽도록 상기 tracrRNA 및 상기 crRNA를 링커로 연결한 한 가닥의 RNA 분자이다. 본 명세서에서 제공되는 가이드 RNA(guide RNA)는 싱글 가이드 RNA일 수 있고, 이 경우 상기 싱글 가이드 RNA는 상기 tracrRNA 및 스페이서 서열을 포함하는 crRNA를 모두 포함하는 한 분자의 RNA이다. “Single guide RNA (sgRNA)” according to the present invention is a single-stranded RNA molecule in which the tracrRNA and the crRNA are connected with a linker to facilitate the formation of guide RNA. The guide RNA provided herein may be a single guide RNA, in which case the single guide RNA is one molecule of RNA containing both the tracrRNA and the crRNA containing a spacer sequence.

표적 유전자(Target gene)Target gene

본 발명에서 사용되는 용어 "표적 유전자(target gene)"는 본 발명에 따른 CRISPR/Cas 시스템에 의한 유전자 편집의 대상이 되는 세포 내 유전자 또는 핵산을 의미한다. 표적 핵산 또는 표적 유전자는 혼용될 수 있으며, 서로 동일한 대상을 지칭할 수 있다. 상기 표적 유전자는 달리 기재되지 않은 한, 대상 세포가 가진 고유한 유전자 또는 핵산 혹은 외부 유래의 유전자 또는 핵산, 또는 인위적으로 합성된 핵산 또는 유전자일 수 있고, 단일가닥 DNA, 이중가닥 DNA 및/또는 RNA 모두를 의미할 수 있다. 상기 표적 유전자 또는 표적 핵산은 CRISPR/Cas 시스템에 의한 유전자 편집의 대상이 될 수 있다면 특별히 제한되지 않는다. The term “target gene” used in the present invention refers to a gene or nucleic acid in a cell that is the target of gene editing by the CRISPR/Cas system according to the present invention. Target nucleic acid or target gene may be used interchangeably and may refer to the same object. Unless otherwise stated, the target gene may be a unique gene or nucleic acid of the target cell, an externally derived gene or nucleic acid, or an artificially synthesized nucleic acid or gene, and may be single-stranded DNA, double-stranded DNA and/or RNA. It can mean everything. The target gene or target nucleic acid is not particularly limited as long as it can be subjected to gene editing by the CRISPR/Cas system.

표적 부위(Target region) 또는 표적 서열(Target sequence)Target region or target sequence

본 발명에 따른 "표적 부위(Target region)" 또는 "표적 서열(Target sequence)"은 표적 핵산 또는 표적 유전자 내에 존재하는 서열로, 본 발명에 따른 CRISPR/Cas 시스템이 표적 유전자 또는 표적 핵산을 절단하기 위해 인식하는 특정 서열을 의미한다. 상기 표적 부위 또는 표적 서열은 그 목적에 따라 적절히 선택될 수 있다. 구체적으로, 표적 부위 또는 표적 서열은 본 발명의 단일가닥 가이드 RNA(sgRNA)에 포함된 스페이서 서열과 상보성을 가지는 서열을 의미한다. 상기 스페이서 서열은 표적 유전자 또는 표적 핵산의 서열 및 CRISPR/Cas 시스템의 효과기(effector) 단백질이 인식하는 PAM 서열을 고려하여 결정된다. 상기 표적 부위 또는 표적 서열은 유전자가위 시스템의 가이드 RNA와 상보적으로 결합하는 특정 가닥만을 지칭할 수 있으며, 상기 특정 가닥 부분을 포함하는 표적 이중 가닥 전체를 지칭할 수도 있으며, 이는 문맥에 따라 적절히 해석된다. 또한, 상기 용어는 당업계 통상의 기술자가 인식할 수 있는 의미를 모두 포함하며, 문맥에 따라 적절히 해석될 수 있다.“Target region” or “Target sequence” according to the present invention is a sequence present in a target nucleic acid or target gene, and is used to cleave the target gene or target nucleic acid by the CRISPR/Cas system according to the present invention. refers to a specific sequence that is recognized for The target site or target sequence may be appropriately selected depending on the purpose. Specifically, the target site or target sequence refers to a sequence that is complementary to the spacer sequence included in the single-stranded guide RNA (sgRNA) of the present invention. The spacer sequence is determined considering the sequence of the target gene or target nucleic acid and the PAM sequence recognized by the effector protein of the CRISPR/Cas system. The target site or target sequence may refer only to a specific strand that binds complementary to the guide RNA of the gene scissors system, or may refer to the entire target double strand including the specific strand portion, which may be interpreted appropriately depending on the context. do. In addition, the above term includes all meanings that can be recognized by a person skilled in the art, and can be appropriately interpreted depending on the context.

상동체(homolog)homolog

본 발명에서 사용되는 용어 “상동체(homolog)”는 어떠한 형질이 진화의 과정 동안 보존된 것을 말하며, 이는 형태적 형질, 분자적 형질 또는 유전자의 염기서열에서의 보존을 의미할 수 있다. 진화가 일종의 개조 과정이라면, 그 과정을 거치면서 보존되는 특징들이 존재할 것이라 예측할 수 있는 것을 의미한다. 여기서 상동성이 보존되었다는 것은 정확히 일치한다는 것이 아니라, 어떠한 공통적 조상 형질로부터 유래된 것이 소실되지 않고 남아 있어 진화적 관계를 유추할 수 있게 하는 것을 의미한다.The term “homolog” used in the present invention refers to a trait that is conserved during the process of evolution, which may mean conservation in morphological traits, molecular traits, or gene base sequences. If evolution is a kind of remodeling process, this means that it can be predicted that there will be characteristics that are preserved throughout the process. Here, preserved homology does not mean an exact match, but means that something derived from a common ancestral trait remains without being lost, allowing evolutionary relationships to be inferred.

또한, 유전자의 염기서열 또는 단백질의 아미노산 서열을 기준으로 상동체는 진화적으로 가까운 종일수록 보존된 서열의 비율이 높고, 생물의 기본적 기능에 필수적인 요소일수록 보존되어 있을 가능성이 높으므로, 본 발명에서 의미하는 상동체는 기능적 등가물을 포함한다. 기능적 등가물은 기준 서열로부터 하나 또는 그 이상의 치환, 결실 또는 부가 서열을 가지는 것으로 다양한 기능적 비유사성을 가지지 않는 실질적으로 동일하거나 유사한 기능을 가지는 변화된 돌연변이 서열의 뉴클레오티드와 핵산서열 모두를 의미한다. In addition, based on the base sequence of a gene or the amino acid sequence of a protein, the proportion of conserved sequences is higher in species that are evolutionarily closer to homologs, and the more essential elements for the basic functions of organisms are, the more likely they are to be conserved. Accordingly, in the present invention, Meaningful homologs include functional equivalents. Functional equivalent refers to both nucleotide and nucleic acid sequences of a changed mutant sequence that have one or more substitutions, deletions, or additions from a reference sequence and have substantially the same or similar function without various functional dissimilarities.

형질전환(transformation)transformation

본 발명에서 사용되는 용어“형질전환(transformation)”은 세포의 유전적 특성 변화, 즉 유전형질을 변화시키는 현상을 의미한다. 세포가 외부의 새로운 DNA 또는 RNA 등의 물질이 도입됨으로써 천연 상태로부터 유전적으로 변형되는 것을 의미하며, 형질변환, 형전환 또는 형변환이라고도 한다. 형질감염 또는 형질도입후, 외부의 새로운 DNA 또는 RNA 등은 세포의 염색체 내로 생리학적으로 통합됨으로써 세포의 것과 재결합될 수 있거나, 복제과정 없이 에피솜 요소로서 일시적으로 유지될 수 있거나, 또는 플라스미드로서 독립적으로 복제될 수 있다.The term “transformation” used in the present invention refers to a change in the genetic characteristics of a cell, that is, a phenomenon that changes the genetic characteristics. It means that a cell is genetically modified from its natural state by introducing new external substances such as DNA or RNA, and is also called transformation, transformation, or type conversion. After transfection or transduction, new external DNA or RNA can be recombined with that of the cell by being physiologically integrated into the cell's chromosome, can be temporarily maintained as an episomal element without a replication process, or can be stored independently as a plasmid. can be copied.

벡터(Vector)Vector

본 발명에 따른 "벡터"는 달리 특정되지 않는 한, 유전 물질을 세포 내로 운반할 수 있는 모든 물질을 통틀어 일컫는다. 예를 들어, 벡터는 대상이 되는 유전 물질, 예를 들어 CRISPR/Cas 시스템의 이펙터 단백질을 암호화하는 핵산 및/또는 가이드 RNA를 암호화하는 핵산을 포함하는 DNA 분자일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 용어는 "벡터" 이 기술분야에서 통상의 기술자가 인식할 수 있는 의미를 모두 포함하며, 문맥에 따라 적절히 해석될 수 있다.“Vector” according to the present invention refers collectively to all substances capable of transporting genetic material into a cell, unless otherwise specified. For example, the vector may be a DNA molecule containing target genetic material, for example, a nucleic acid encoding an effector protein of the CRISPR/Cas system and/or a nucleic acid encoding a guide RNA, but is not limited thereto. The above term "vector" includes all meanings that can be recognized by a person skilled in the art, and can be appropriately interpreted depending on the context.

또한, 본 발명에서 "벡터"는 삽입된 유전자가 정상적으로 발현되도록 작동가능하게 연결된 필수적인 조절 요소를 포함하는 "발현벡터" 일 수 있고, 플라스미드 벡터, 코스미드 벡터, 박테리오파지 벡터, 및 바이러스 벡터 등을 포함할 수 있다. 구체적으로, Ti 플라스미드 pGA3383, pCAMBIA3301, pCAMBIA3300, pGA3426, pGA3780, pGWB12, pGWB14, 레트로바이러스, 아데노바이러스 또는 백시니아바이러스와 같은 동물 바이러스, 배큘로바이러스와 같은 곤충 바이러스 또는 식물 바이러스가 사용될 수 있으며, pPZP, pGA, pCAMBIA, pMDC123, pECO100, pECO200 및 pECO300 계열과 같은 바이너리 벡터를 사용할 수 있다.In addition, in the present invention, the “vector” may be an “expression vector” containing essential regulatory elements operably linked so that the inserted gene is expressed normally, and includes plasmid vectors, cosmid vectors, bacteriophage vectors, viral vectors, etc. can do. Specifically, Ti plasmids pGA3383, pCAMBIA3301, pCAMBIA3300, pGA3426, pGA3780, pGWB12, pGWB14, retroviruses, animal viruses such as adenovirus or vaccinia virus, insect viruses such as baculovirus, or plant viruses may be used, pPZP, Binary vectors such as pGA, pCAMBIA, pMDC123, pECO100, pECO200 and pECO300 series can be used.

또한, 상기 벡터의 목적이 CRISPR/Cas 시스템 각 구성요소를 세포 내에서 발현되도록 하는 것이므로, 상기 벡터의 서열은 CRISPR/Cas 시스템의 각 구성요소를 암호화하는 핵산 서열 중 하나 이상을 필수적으로 포함해야 한다. 구체적으로, 상기 벡터의 서열은 발현하고자 하는 CRISPR/Cas 시스템에 포함된 가이드 RNA, 및/또는 Cas 단백질을 암호화하는 핵산 서열을 포함한다. 이때, 상기 벡터의 서열은 야생형의 가이드 RNA 및 야생형의 Cas 단백질을 암호화하는 핵산 서열 뿐 아니라, 코돈 최적화된 Cas 단백질을 암호화하는 핵산 서열을 포함할 수 있다.In addition, since the purpose of the vector is to express each component of the CRISPR/Cas system within the cell, the sequence of the vector must necessarily include at least one nucleic acid sequence encoding each component of the CRISPR/Cas system. . Specifically, the sequence of the vector includes a guide RNA included in the CRISPR/Cas system to be expressed, and/or a nucleic acid sequence encoding a Cas protein. At this time, the sequence of the vector may include not only a wild-type guide RNA and a nucleic acid sequence encoding a wild-type Cas protein, but also a nucleic acid sequence encoding a codon-optimized Cas protein.

상기 벡터는 또한 플라스미드, 선형의 PCR 엠플리콘 또는 바이러스 벡터일 수 있다. 여기서, 상기 바이러스 벡터는 레트로바이러스 벡터(retrovirus vector), 렌티바이러스 벡터(lentivirus vector), 아데노바이러스 벡터(adenovirus vector), 아데노-연관 바이러스 벡터(adeno-associated virus(AAV) vector), 백시니아바이러스 벡터(vaccinia virus vector), 폭스바이러스 벡터(poxvirus vector) 및 단순포진 바이러스 벡터(herpes simplex virus vector)로 구성된 군에서 선택되는 적어도 하나의 바이러스 벡터일 수 있다.The vector may also be a plasmid, linear PCR amplicon or viral vector. Here, the viral vector is a retrovirus vector, a lentivirus vector, an adenovirus vector, an adeno-associated virus (AAV) vector, and a vaccinia virus vector. It may be at least one viral vector selected from the group consisting of a vaccinia virus vector, a poxvirus vector, and a herpes simplex virus vector.

또한 상기 벡터는 발현 벡터일 수 있고, 선형, 또는 원형 벡터 형태로 설계될 수 있다. 상기 Cas9 유전자가 발현될 수 있도록, 발현조절 서열과 기능적으로 연결되어 있다. 예를 들어, 벡터는 프로모터, 오퍼레이터, 개시코돈, 종결코돈, 폴리아데닐화 시그널, 인핸서 같은 발현 조절 요소 외에도 막 표적화 또는 분비를 위한 신호서열 또는 리더 서열을 포함하며 목적에 따라 다양하게 제조될 수 있다. 또한, 벡터는 선택성 마커를 포함할 수 있으며, 벡터는 자가 복제하거나 숙주 DNA에 통합될 수 있다.Additionally, the vector may be an expression vector and may be designed in the form of a linear or circular vector. It is functionally connected to the expression control sequence so that the Cas9 gene can be expressed. For example, vectors include expression control elements such as promoters, operators, start codons, stop codons, polyadenylation signals, and enhancers, as well as signal sequences or leader sequences for membrane targeting or secretion, and can be manufactured in various ways depending on the purpose. . Additionally, the vector may contain a selectable marker, and the vector may self-replicate or integrate into host DNA.

본 발명의 벡터는 당해 기술 분야에서 잘 알려진 유전자 재조합 기술을 이용하여 제조할 수 있으며, 부위-특이적 DNA 절단 및 연결은 당해 기술 분야에서 일반적으로 알려진 효소 등을 사용한다.The vector of the present invention can be manufactured using genetic recombination technology well known in the art, and enzymes generally known in the art are used for site-specific DNA cutting and ligation.

프로모터promoter

본 발명에서 사용되는 용어 "프로모터"는 벡터의 발현 대상을 세포 내에서 발현시키기 위한 각 구성 요소를 암호화하는 서열에 작동적으로 연결되어 세포 내에서 RNA 전사 인자가 활성화될 수 있도록 하는 것을 의미한다. 상기 프로모터 서열은 대응하는 RNA 전사 인자, 또는 발현 환경에 따라 달리 설계할 수 있으며, CRISPR/Cas 시스템의 구성 요소를 세포 내에서 적절히 발현시킬 수 있는 것이라면 제한되지 않는다. The term “promoter” used in the present invention means that it is operably linked to a sequence encoding each component for expressing the expression target of the vector within a cell, thereby enabling the activation of an RNA transcription factor within the cell. The promoter sequence can be designed differently depending on the corresponding RNA transcription factor or expression environment, and is not limited as long as it can properly express the components of the CRISPR/Cas system within the cell.

본 발명의 벡터가 식물 세포에 적용되는바, 본 발명의 프로모터는, 식물체의 유전자 도입을 위해 이용되는 프로모터를 포함할 수 있다. 예를 들어, SP6 프로모터, T7 프로모터, T3 프로모터, PM 프로모터, 옥수수의 유비퀴틴 프로모터(Ubi), 컬리플라워 모자이크 바이러스(CaMV) 35S 프로모터, 노팔린 씬타아제(nos) 프로모터, 피그워트 모자이크 바이러스 35S 프로모터, 수가크레인 바실리폼 바이러스 프로모터, 콤멜리나 엘로우 모틀 바이러스 프로모터, 리불로오스-1,5-비스-포스페이트 카르복실라아제 스몰 서브유티트(ssRUBISCO)의 광유도성 프로모터, 벼 사이토졸 트리오스포스페이트 이소머라아제(TPI) 프로모터, 아라비돕시스의 아데닌 포스포리보실트랜스퍼라아제(APRT) 프로모터 및 옥토파인 신타아제 프로모터를 포함할 수 있다. 본 발명의 프로모터는 구체적으로 상시발현 프로모터이며, 더욱 구체적으로 35S 프로모터인 것을 특징으로 할 수 있다. As the vector of the present invention is applied to plant cells, the promoter of the present invention may include a promoter used for gene introduction into plants. For example, SP6 promoter, T7 promoter, T3 promoter, PM promoter, ubiquitin promoter of maize (Ubi), cauliflower mosaic virus (CaMV) 35S promoter, nopaline cintase (nos) promoter, pigwort mosaic virus 35S promoter, Sugacrane bacilliform virus promoter, Commelina yellow mottle virus promoter, light-inducible promoter of ribulose-1,5-bis-phosphate carboxylase small subunit (ssRUBISCO), rice cytosolic triosephosphate isomerase (TPI) promoter, the adenine phosphoribosyltransferase (APRT) promoter of Arabidopsis, and the octopine synthase promoter. The promoter of the present invention can be specifically characterized as a constitutive expression promoter, and more specifically as a 35S promoter.

또한, 상기 벡터는 상기 엔지니어링 된 가이드 RNA를 암호화하는 핵산을 위한 프로모터를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 프로모터는 AtU6 프로모터, H1 프로모터 또는 7SK 프로모터일 수 있다.Additionally, the vector may further include a promoter for the nucleic acid encoding the engineered guide RNA. Specifically, the promoter may be the AtU6 promoter, H1 promoter, or 7SK promoter.

선별 마커selection marker

본 발명의 용어 "선별 마커"는 화학적인 방법으로 선택될 수 있는 특성을 갖는 핵산 서열을 의미하며, 형질전환된 세포를 비형질전환 세포로부터 구별할 수 있는 모든 유전자가 이에 해당된다. 상기 선택성 마커는 본 발명에 따른 벡터에 포함될 수 있다. 구체적으로 상기 선택성 마커는 글리포세이트(glyphosate), 글루포시네이트암모늄(glufosinate ammonium) 또는 포스피노트리신(phosphinothricin)과 같은 제초제 저항성 유전자, 카나마이신(kanamycin), G418, 블레오마이신(Bleomycin), 하이그로마이신(hygromycin), 클로람페니콜(chloramphenicol)과 같은 항생제 내성 유전자가 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 글리포세이트(glyphosate), 글루포시네이트암모늄(glufosinate ammonium) 또는 포스피노트리신(phosphinothricin)과 같은 제초제 저 항성 유전자, 암피실린(ampicillin), 카나마이신(kanamycin), G418, 블레오마이신 (Bleomycin), 하이그로마이신(hygromycin), 클로람페니콜(chloramphenicol)과 같은 항생제 내성 유전자일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The term "selection marker" of the present invention refers to a nucleic acid sequence that has characteristics that can be selected by chemical methods, and includes all genes that can distinguish transformed cells from non-transformed cells. The selectable marker may be included in the vector according to the present invention. Specifically, the selectable marker is a herbicide resistance gene such as glyphosate, glufosinate ammonium or phosphinothricin, kanamycin, G418, Bleomycin, Hygro There are antibiotic resistance genes such as hygromycin and chloramphenicol, but they are not limited to these. Herbicide resistance genes such as glyphosate, glufosinate ammonium or phosphinothricin, ampicillin, kanamycin, G418, Bleomycin, Hygro It may be an antibiotic resistance gene such as hygromycin or chloramphenicol, but is not limited thereto.

작동 가능하게 연결된(operably linked)operably linked

본 발명에서 사용되는 "작동 가능하게 연결된"이라는 용어는 유전자 발현 기술에 있어서, 특정 구성이 다른 구성과 연결되어, 상기 특정 구성이 의도된 방식대로 기능할 수 있도록 연결되어 있는 것을 의미한다. 예를 들어, 프로모터 서열이 암호화 서열과 작동적으로 연결되었다고 할 때, 상기 프로모터가 상기 암호화 서열의 세포 내에서의 전사 및/또는 발현에 영향을 미칠 수 있도록 연결된 것을 의미한다. 또한, 상기 용어는 이 기술분야의 통상의 기술자가 인식할 수 있는 의미를 모두 포함하며, 문맥에 따라 적절히 해석될 수 있다. As used herein, the term “operably linked” means that, in gene expression technology, a specific component is connected to another component so that the specific component can function in an intended manner. For example, when a promoter sequence is operably linked to a coding sequence, it means that the promoter is linked to affect transcription and/or expression of the coding sequence in the cell. In addition, the above term includes all meanings that can be recognized by a person skilled in the art, and can be appropriately interpreted depending on the context.

핵 위치 신호 서열(Nuclear Localization Signal, NLS)Nuclear Localization Signal (NLS)

본 발명에 따른 "핵 위치 신호(NLS)"라 함은, 핵 수송(nuclear transport) 작용으로 세포 핵 외부의 물질을 핵 내부로 수송할 때, 수송 대상인 단백질에 붙어 일종의 "태그" 역할을 하는 일정 길이의 펩티드 또는 그 서열을 의미한다. 본 발명에 따른 CRISPR/Cas 시스템을 식물 세포에서의 적용을 위해 Cas 엔도뉴클레아제에 NLS가 연결될 수 있다. 여기서 NLS는 SV40 바이러스 대형 T-항원의 NLS, 뉴클레오플라스민(nucleoplasmin)으로부터의 NLS, c-myc NLS일 수 있다. 또한 hRNPA1 M9 NLS 서열; 임포틴-알파로부터의 IBB 도메인의 NLS 서열, 마이오 마(myoma) T 단백질의 NLS 서열 및 인간 p53의 NLS 서열, 마우스 c-abl IV의 NLS 서열; 인플루엔자 바이러스 NS1의 NLS 서열, 간염 바이러스 델타 항원의 NLS 서열, 마우스 Mx1 단백질의 NLS 서열, 인간 폴리(ADP-리보스) 중합효소의 NLS 서열 또는 스테로이드 호르몬 수용체(인간) 글루코코르티코이드의 NLS 서열로부터 유래된 NLS 서열일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The "nuclear localization signal (NLS)" according to the present invention is a schedule that acts as a kind of "tag" attached to the protein that is the transport target when transporting substances outside the cell nucleus into the nucleus through nuclear transport. refers to the length of a peptide or its sequence. For application of the CRISPR/Cas system according to the present invention in plant cells, an NLS can be linked to the Cas endonuclease. Here, the NLS may be an NLS from SV40 virus large T-antigen, an NLS from nucleoplasmin, or a c-myc NLS. Also the hRNPA1 M9 NLS sequence; NLS sequence of the IBB domain from importin-alpha, NLS sequence of myoma T protein and NLS sequence of human p53, NLS sequence of mouse c-abl IV; NLS derived from the NLS sequence of the influenza virus NS1, the NLS sequence of the hepatitis virus delta antigen, the NLS sequence of the mouse Mx1 protein, the NLS sequence of human poly(ADP-ribose) polymerase, or the NLS sequence of the steroid hormone receptor (human) glucocorticoid. It may be a sequence, but is not limited thereto.

일 예로, 본 발명에 따른 벡터에 포함되는 사용되는 NLS 서열은 서열번호 8 내지 10 중 어느 하나 이상의 SV40 바이러스 대형 T-항원의 NLS 서열 및/또는 서열번호 11 내지 12 중 어느 하나 이상의 뉴클레오플라스민(nucleoplasmin)으로부터의 NLS 서열일 수 있다. As an example, the NLS sequence used in the vector according to the present invention is the NLS sequence of the SV40 virus large T-antigen of any one or more of SEQ ID NOs: 8 to 10 and/or the nucleoplasmin of any one or more of SEQ ID NOs: 11 to 12. It may be an NLS sequence from (nucleoplasmin).

approximately

본 발명에 따른 “약”이라는 용어는 참조 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 중량 또는 길이에 대해 30, 25, 20, 15, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 또는 1% 정도로 변하는 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 중량 또는 길이를 의미한다.The term “about” according to the present invention means 30, 25, 20, 15, 10, 9, 8, 7, 6, means a quantity, level, value, number, frequency, percentage, dimension, size, weight or length that varies by 5, 4, 3, 2 or 1%.

본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미로 사용된다. 또한 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다.All technical terms used in the present invention, unless otherwise defined, are used with the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art in the field related to the present invention. In addition, preferred methods and samples are described in this specification, but similar or equivalent methods are also included in the scope of the present invention.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

[재료 및 방법][Materials and Methods]

1. 표적 유전자의 유전자교정을 위한 고효율 gRNA 선발1. High-efficiency gRNA selection for gene editing of target genes

본 발명에서 사용할 모든 gRNA들은 유전자교정 Web Tool을 이용하여 후보 gRNA를 선발하고, 이를 콩의 형질전환에 이용하였다. For all gRNAs to be used in the present invention, candidate gRNAs were selected using the gene editing web tool, and these were used for soybean transformation.

먼저, 유전자교정을 실시할 표적 유전자를 선정한다. 그 후, 콩 유전자편집을 위한 gRNA를 디자인하기 위하여 CRISPR-P2.0 (http://crispr.hzau.edu.cn/ CRISPR2/), RGEN(http://www.rgenome.net/), Phytozome (https://phytozome.jgi. doe.gov/pz/portal.html) 등의 web site와 Phytozome 내에 있는 JBrowse tool을 이용하여 비표적유전자를 교정하는‘오프-타겟 효과(off-target effect)’가 적고 유전자교정 효율이 높을 것으로 예측되는 gRNA들을 선발한다. First, select the target gene for gene editing. Afterwards, CRISPR-P2.0 ( http://crispr.hzau.edu.cn/ CRISPR2/ ), RGEN ( http://www.rgenome.net/ ), and Phytozome were used to design gRNA for soybean gene editing. ‘Off-target effect’ that corrects non-target genes using web sites such as ( https://phytozome.jgi. doe.gov/pz/portal.html ) and the JBrowse tool within Phytozome. Select gRNAs that are predicted to have low gene editing efficiency and high gene editing efficiency.

CRISPR-P는 목적하는 염기서열로 가이드 RNA(guide RNA)를 검색할 수 있는 web site로서 후보가 되는 gRNA들이 효율에 따라 랭킹되어있고, off-target의 종류와 genome상에서 exon, intron, intergenic, promoter 등의 off-target의 위치도 확인할 수 있다. 하지만 CRISPR-P2.0 에서는 off target을 제한적으로 보여주는 단점이 있다. CRISPR-P is a web site where you can search for guide RNA with the target base sequence. Candidate gRNAs are ranked according to efficiency, and the type of off-target and exon, intron, intergenic, and promoter on the genome. You can also check the location of off-targets, such as: However, CRISPR-P2.0 has the disadvantage of showing limited off targets.

또한, RGEN은 목표로 하는 유전자의 염기서열 중 CRISPR/Cas9시스템이 인식하는 PAM서열을 선정한 후 PAM으로부터 완전한 매치(perfect match) 또는 1bp 미스매치(mismatch) 또는 2bp 미스매치(mismatch)되는 20bp의 gRNA를 제시해준다. 그리고 RGEN에서는 out-of-frame score가 제공되어 틀 이동 변이(frame shift mutation)가 일어 날 가능성을 예측해주므로 스코어(score)가 높은 것을 선정하면 이후에 염기에 변이가 일어날 가능성이 높다. 다만, RGEN은 많은 수의 off-target을 제공해 주지만 각 off-target의 genome상의 위치만 제공해 주기때문에 off-target의 상세 정보는 직접 확인하는 과정이 반드시 필요하다. In addition, RGEN selects the PAM sequence recognized by the CRISPR/Cas9 system among the base sequences of the target gene and then extracts a 20bp gRNA that is a perfect match, 1bp mismatch, or 2bp mismatch from the PAM. presents. And in RGEN, an out-of-frame score is provided to predict the possibility of frame shift mutation occurring, so if you select one with a high score, there is a high possibility that a mutation will occur in the base in the future. However, although RGEN provides a large number of off-targets, it only provides the location of each off-target on the genome, so it is necessary to directly check the detailed information of the off-target.

따라서 본 발명에서는 콩에서 표적 유전자에 특이적으로 결합하는 고효율의 gRNA를 디자인하기 위하여, CRISPR-P2.0 와 RGEN tool을 함께 사용하여 상기 각 tool의 단점을 보완함으로써 콩 유전자교정을 위한 고효율의 gRNA를 디자인할 수 있다. 또한, 하나의 표적 유전자 내에서 2 개의 표적 부위를 특이적으로 인식하는 2 개의 gRNA 조합를 선별함으로써 향후 세대를 진전할 때 NGS없이 InDel PCR만으로 유전자 편집된 라인을 선택하는데 유용하게 하였다. Therefore, in the present invention, in order to design a highly efficient gRNA that specifically binds to a target gene in soybean, CRISPR-P2.0 and RGEN tools are used together to compensate for the shortcomings of each tool, thereby creating a highly efficient gRNA for soybean gene editing. can be designed. In addition, by selecting a combination of two gRNAs that specifically recognize two target sites within one target gene, it was useful to select lines that were gene edited using only InDel PCR without NGS when advancing future generations.

본 발명은 구체적으로, 목적하는 식물의 유전자 정보를 'phytozome' 에서 검색하고, 목적 유전자의 genomic DNA 염기서열을 획득하였다. gRNA의 표적 특이성 및 효율성을 고려하여 1000 bp 이내로 genomic DNA 염기서열을 취득 한 후 'CRISPR-P' 에 입력하여 해당 염기서열 내의 gRNA를 검색하였다. In the present invention, the genetic information of the target plant was specifically searched in 'phytozome' and the genomic DNA base sequence of the target gene was obtained. Considering the target specificity and efficiency of gRNA, genomic DNA base sequence within 1000 bp was acquired and entered into 'CRISPR-P' to search for gRNA within the corresponding base sequence.

'CRISPR-P' 에서 검색 된 gRNA 목록 중 On-target score가 높으면서, Thymine (T) 염기가 4개 이상 반복되지 않고, 해당 gRNA의 off-target 이 발생하는 위치가 타 유전자의 엑손(exon)에 해당하는 경우가 가장 적은 것을 후보군으로 선발하였다. 후보군 gRNA들을 선발한 후, 표적 유전자에 적용할 2개 gRNA 거리는, 형질전환체 획득 후 targeted deep sequencing으로 indel을 확인할 때 sequencing의 기술적인 한계로 최대 300bp까지만 가능하므로 가능한 두 target 사이의 거리를 맞추기 위해서 약 250 bp 내에 위치하는 쌍을 선택하였다. 상기 조건을 만족하는 gRNA 염기서열을 'RGEN' 의 Cas-OFFinder 를 이용해 한번 더 해당 gRNA로 인해 발생할 수 있는 off-target을 검색하였다. Among the list of gRNAs searched in 'CRISPR-P', the on-target score is high, the Thymine (T) base is not repeated more than 4 times, and the off-target location of the gRNA is in the exon of another gene. Those with the fewest applicable cases were selected as the candidate group. After selecting candidate gRNAs, the distance between the two gRNAs to be applied to the target gene can only be up to 300bp due to technical limitations of sequencing when confirming indels through targeted deep sequencing after obtaining transformants. Therefore, in order to match the distance between the two targets as much as possible, Pairs located within approximately 250 bp were selected. The gRNA base sequence that satisfied the above conditions was searched again for off-targets that may occur due to the gRNA using Cas-OFFinder of 'RGEN'.

'CRISPR-P'는 On-score 정보로 인해 효율이 높은 gRNA를 선발하기 용이하나, off-target 정보는 제한적으로 보여주므로(최대 20개), 'RGEN'에서 한번 더 교차 검증하여 콩 유전자교정을 위한 고효율의 gRNA을 선별하였다. 'RGEN'에서 검색된 genome 상의 위치한 off-target 정보를 이용하여 'JBrowse' 에서 선발한 gRNA의 off-target이 발생되는 부분이 어딘지를 검색하였다. 'CRISPR-P' is easy to select gRNAs with high efficiency due to on-score information, but shows limited off-target information (maximum 20), so soybean gene editing is performed through cross-validation once more in 'RGEN'. Highly efficient gRNA was selected for this purpose. Using the off-target information located on the genome retrieved from 'RGEN', we searched for the part where the off-target of the gRNA selected from 'JBrowse' occurs.

'JBrowse'는 n번 chromosome의 전체 genome 정보를 보여주므로 off-target이 발생하는 부위가 exon 인지 그 외 다른 부분인지를 파악할 수 있으며, 이를 통해 gRNA의 적절성 여부를 확인할 수 있다. 상기 과정을 반복하여 On-target score가 높고, Off-target이 가장 적은 gRNA를 최종 선발하고, 이를 검증하였다.'JBrowse' shows the entire genome information of chromosome n, so you can determine whether the off-target site is an exon or another part, and through this, you can check whether the gRNA is appropriate. By repeating the above process, the gRNA with the highest on-target score and the least off-target was finally selected and verified.

2. 선발된 고효율 gRNA을 포함하는 CRISPR/Cas9 벡터의 제조2. Preparation of CRISPR/Cas9 vector containing selected high-efficiency gRNA

목적에 따라 표적 유전자를 표적으로 하는 gRNA들을 최종 선발하여 CRISPR/Cas9 벡터를 제작할 수 있다. 본 발명에서는 콩 유전자편집을 위하여 pMDC123_pcoCas9_g1g2(plant codon-optimized Cas9), pMDC123_acoCas9_g1g2(Arabidopsis codon-optimized Cas9), pMDC123_pcohCas9_g1g2(plant codon- optimized Cas9 with high GC content)와 카이스트 김상규 교수님으로부터 분양받은 pECO201 vector를 이용하였다. 상기 벡터들은 형질전환된 식물체를 선발하기 위하여 선발 마커로 Bar 유전자를 가지며, 재조합을 위하여 attR1과 attR2 서열을 가지는 gateway용 벡터이다. Depending on the purpose, the CRISPR/Cas9 vector can be produced by final selection of gRNAs targeting the target gene. In the present invention, PMDC123_PCOCAS9_G1G2 (Plant Codon-Optimized Cas9), PMDC123_ACOCAS9_G1G2 (Arabidopsis Codon-Optimized Cas9), PMDC123_PCO HCAS9_G1G2 (Plant Codon-optimized Cas9 with High GC Content) and PECO201 Vector sold by Professor KAIST Kim Sang-gyu . The above vectors are gateway vectors that have the Bar gene as a selection marker to select transformed plants and have attR1 and attR2 sequences for recombination.

pECO201 벡터는 pGRNA 벡터와 식물 바이너리 벡터를 골든 게이트 조립(Golden gate assembly)하여 변형시킨 벡터이고(Oh Y. et al., Plant Methods, Vol. 16, No.37(2020)), Arabidopsis codon optimized SpCas9 및 35S promoter을 포함하고 있다. pMDC123_Cas9_g1g2는 bar유전자가 enhanced 35S CaMV 프로모터에 의해서 제어되는 반면, pECO201은 Agrobacterium에서 유래한 nos 프로모터 (nopalin synthase promoter)에 의해서 제어된다. The pECO201 vector is a vector modified by Golden gate assembly of a pGRNA vector and a plant binary vector (Oh Y. et al., Plant Methods, Vol. 16, No.37 (2020)), and Arabidopsis codon optimized SpCas9 and 35S promoter. In pMDC123_Cas9_g1g2, the bar gene is controlled by the enhanced 35S CaMV promoter, while in pECO201, it is controlled by the nos promoter (nopalin synthase promoter) from Agrobacterium .

pMDC123 벡터는 목적하는 유전자의 발현을 제어하는 프로모터가 없기때문에, pMDC32벡터로부터 2X 35S CaMV 프로모터를 절단하여 pMDC123 벡터의 HindIII/AscI site에 연결하여 pMDC123_35Spro 벡터를 제작하였다. 제작된 pMDC123_35Spro 벡터는 최종 Multisite Gateway recombination에 이용하였다. 도 2는 pMDC123_35Spro 벡터의 제작 모식도를 나타낸다. Since the pMDC123 vector does not have a promoter that controls the expression of the gene of interest, 2 The produced pMDC123_35S pro vector is It was used for final Multisite Gateway recombination. Figure 2 shows a schematic diagram of the production of the pMDC123_35S pro vector.

상기 선별된 gRNA1 및 gRNA2와 상기 코돈-최적화된 Cas9 유전자(codon-optimized SpCas9)를 가지는 벡터를 제작하기 위하여 두 번의 Golden Gate assembly와 한 번의 Multisite Gateway recombination의 과정을 진행하였다. 먼저, gRNA가 AtU6 프로모터에 작동될 수 있도록 연결하는 과정이다. AtU6 프로모터를 가지는 golden gate entry vector인 pYPQ131A와 pYPQ132A vector를 제한효소 ESP3I(BsmBI)으로 절단한 후, oligo annealing 과정을 거친 gRNA1과 gRNA2를 각각 pYPQ131A와 pYPQ132A 벡터에 Golden Gate assembly 방법으로 연결하였다. 다음으로, 각각의 AtU6 프로모터에 연결된 gRNA1(pYPQ131A_gRNA1)과 gRNA2(pYPQ132A_gRNA2)를 제한효소 BsaI을 이용하여 pYPQ142 벡터(Golden Gate recipient and Gateway entry vector)에 Golden Gate assembly 방법으로 연결하였다. 그 후, 각각의 Cas9 유전자와 nos Terminator를 가지는 Gateway entry vector(pYPQ150(plant codon optimized), pYPQ154(Arabidopsis codon optimized), pYPQ167(plant codon optimized: high GC content at 5' region))와 두 번째 과정에서 만들어진 gRNA1과 gRNA2를 모두 가지는 pYPQ 142 vector 및 식물 발현용 벡터인 pMDC123_35S pro를 이용하여 multisite gateway assembly 방법을 이용하여 최종 연결한다. 본 실험에 사용한 pYPQ131A, pYPQ132A, pYPQ142, pYPQ150, pYPQ154, pYPQ167 plasmid DNA는 Addgene으로부터 구입하여 사용할 수 있다.To construct a vector containing the selected gRNA1 and gRNA2 and the codon-optimized Cas9 gene (codon-optimized SpCas9), two Golden Gate assembly and one Multisite Gateway recombination processes were performed. First, it is a process of linking gRNA to the AtU6 promoter so that it can be activated. After chopping the pYPQ131A and pYPQ132A vectors, which are golden gate entry vectors with the AtU6 promoter, with the restriction enzyme ESP3I (BsmBI) , gRNA1 and gRNA2 that had gone through the oligo annealing process were linked to pYPQ131A and pYPQ132A vectors, respectively, using the Golden Gate assembly method. Next, gRNA1 (pYPQ131A_gRNA1) and gRNA2 (pYPQ132A_gRNA2) linked to each AtU6 promoter were linked to the pYPQ142 vector (Golden Gate recipient and Gateway entry vector) using the restriction enzyme BsaI using the Golden Gate assembly method. Afterwards, in the second process, Gateway entry vectors (pYPQ150 (plant codon optimized), pYPQ154 (Arabidopsis codon optimized), pYPQ167 (plant codon optimized: high GC content at 5' region)) with each Cas9 gene and nos Terminator The pYPQ 142 vector, which contains both gRNA1 and gRNA2, and pMDC123_35S pro , a plant expression vector, are used to final connect using the multisite gateway assembly method. The pYPQ131A, pYPQ132A, pYPQ142, pYPQ150, pYPQ154, and pYPQ167 plasmid DNA used in this experiment can be purchased from Addgene.

본 발명에서 최종 선별된 gRNA들의 염기서열에 대한 센스(sense) 및 안티센스(antisense) 프라이머를 제작하여 annealing 시킨 후, 식물발현용 벡터 내의 AtU6 프로모터(Arabidopsis U6 promter) 뒤에 작동가능하게 클로닝한다. Golden gateway 방법을 이용하여 각 gRNA들의 발현 카세트를 하나의 벡터에 클로닝한다. Streptococcus pyogenes 유래의 SpCas9 유전자와 gRNA 발현카세트, 35S 프로모터와 ccdB recombination system을 가지는 T-DNA 벡터를 재조합하여 최종적으로 선발마커를 가지는 식물형질전환용 multiplex CRISPR/Cas9 벡터를 제작할 수 있다. In the present invention, sense and antisense primers for the base sequences of the finally selected gRNAs are prepared and annealed, and then operably cloned behind the AtU6 promoter (Arabidopsis U6 promter) in a plant expression vector. Using the golden gateway method, the expression cassettes of each gRNA are cloned into one vector. By recombining the SpCas9 gene derived from Streptococcus pyogenes , a gRNA expression cassette, and a T-DNA vector with a 35S promoter and ccdB recombination system, a multiplex CRISPR/Cas9 vector for plant transformation with a selection marker can be produced.

이 때, multiplex CRISPR/Cas9 벡터에서 SpCas9 유전자는 코돈-최적화된 핵산일 수 있고, 선발마커유전자는 Bar 유전자일 수 있으며, 상기 벡터는 NLS 서열을 한 개 이상 포함할 수 있다. 하나의 표적유전자 당 2개씩의 gRNA를 포함하는 multiplex 벡터를 제조하여 Indel PCR을 이용한 유전자교정(Gene Editing, GE) 형질전환체 선발을 용이하게 하였다.At this time, in the multiplex CRISPR/Cas9 vector, the SpCas9 gene may be a codon-optimized nucleic acid, the selection marker gene may be a Bar gene, and the vector may contain one or more NLS sequences. A multiplex vector containing two gRNAs per target gene was prepared to facilitate selection of gene editing (GE) transformants using Indel PCR.

3. 콩 형질전환 및 형질전환체 선발3. Soybean transformation and transformant selection

콩 형질전환에 사용할 상기 식물형질전환용 binary vector를 Agrobacterium tumefaciens strain EHA105에 일렉트로포레이션(electroporation) 방식으로 형질전환하였다. 형질전환이 확인된 하나의 콜로니(single colony)는 항생제가 첨가된 LB 액체 배지(LB, Ripampicin 25mg/L, kanamycin 50mg/L 또는 spetinomycin 50mg/L)에서 이틀 동안 28oC에서 배양한 후 glycerol(최종 30%)을 첨가하여 -70oC에 보관해 두었다. 형질전환 이틀 전에 -70oC에 보관해 두었던 cell stock의 일부를 항생제가 첨가된 LB 액체 배지에 접종하여 30시간 동안 28oC에서 배양하였다. The binary vector for plant transformation to be used for soybean transformation was transformed into Agrobacterium tumefaciens strain EHA105 by electroporation. One single colony confirmed to be transformed was cultured at 28 o C for two days in LB liquid medium supplemented with antibiotics (LB, Ripampicin 25mg/L, kanamycin 50mg/L or spetinomycin 50mg/L) and then incubated with glycerol ( Final 30%) was added and stored at -70 o C. Two days before transformation, a portion of the cell stock stored at -70 o C was inoculated into LB liquid medium supplemented with antibiotics and cultured at 28 o C for 30 hours.

잘 자란 Agrobacterium cell 400ul를 항생제가 첨가된 AB 고체 배지(100㎖ 당 glucose 0.5g, agar 1.5g/90ml water, 5㎖ 20x AB buffer(K2HPO4 60g/L, NaH2PO4 20g/L), 5㎖ 20x Stock of AB salts(NH4Cl 20g/L, MgSO4.7H2O 6g/L, KCl 3g/L, CaCl 0.2g/L, FeSO4.7H2O 50mg/L), Ripampicin 25mg/L, kanamycin 50mg/L)에 도말하여 배양하였다. 형질전환 당일 AB고체 배지에 도말하여 잘 자란 Agrobacterium cell은 LCM배지(액체 CCM 배지, 1ℓ당 B5 medium 3.2g, Sucrose 30g, Sodium thiosulfate 158mg, DTT 154mg, L-cystein 580mg, MES 4.26g, pH5.4 with 1M KOH)를 이용하여 AB배지의 표면으로부터 긁어 낸다. 이를 일부는 OD600이 0.6(저농도)이 되도록 희석하고 일부는 OD600이 2(고농도)가 되도록 희석한 뒤 Acetosyringon (최종 200uM)을 첨가하여 Agrobacterium infection 전까지 28oC에서 배양하였다.400ul of well-grown Agrobacterium cells were cultured in AB solid medium supplemented with antibiotics (0.5g glucose per 100ml, 1.5g agar/90ml water, 5ml 20x AB buffer (K2HPO4 60g/L, NaH2PO4 20g/L), 5ml 20x Stock of AB salts (NH4Cl 20g/L, MgSO4.7H2O 6g/L, KCl 3g/L, CaCl 0.2g/L, FeSO4.7H2O 50mg/L), Ripampicin 25mg/L, kanamycin 50mg/L) were plated and cultured. Agrobacterium cells that grew well by spreading on AB solid medium on the day of transformation were cultured in LCM medium (liquid CCM medium, 3.2g of B5 medium per liter, 30g of Sucrose, 158mg of Sodium thiosulfate, 154mg of DTT, 580mg of L-cysteine, 4.26g of MES, pH 5.4). with 1M KOH) to scrape from the surface of AB medium. Some of this was diluted to an OD 600 of 0.6 (low concentration), and some of it was diluted to an OD 600 of 2 (high concentration), then Acetosyringon (final 200uM) was added and cultured at 28 o C until Agrobacterium infection.

또한, 본 발명에서 상기 벡터로 식물체를 형질전환하는 것은 이 기술분야에서 기술자에게 공지된 형질전환기술에 의해 수행될 수 있다. 구체적으로, 아그그로박테리움을 이용한 형질전환방법 이외에도, 미세사출법(microprojectile bombardment), 일렉트로포레이션(electroporation), PEG-매개 융합법(PEG-mediated fusion), 미세주입법(microinjection), 리포좀 매개법(liposome-mediated method), 인-플란타 형질전환법(In planta transformation), 진공 침윤법(Vacuum infiltration method), 화아침지법(floral meristem dipping method), 및 아그로박테리아 분사법(Agrobacterium spraying method)을 이용할 수 있으며, 더 구체적으로는 아그로박테리움을 이용한 형질전환방법 또는 아그로박테리아 분사법(Agrobacterium spraying method)을 이용할 수 있다.Additionally, in the present invention, transformation of plants with the vector can be performed by transformation techniques known to those skilled in the art. Specifically, in addition to transformation methods using Agrobacterium, microprojectile bombardment, electroporation, PEG-mediated fusion, microinjection, and liposome-mediated methods. (liposome-mediated method), in-planta transformation, vacuum infiltration method, floral meristem dipping method, and Agrobacterium spraying method. It can be used, and more specifically, a transformation method using Agrobacterium or an Agrobacterium spraying method can be used.

다음으로, 콩 종자를 흐르는 수도물에 30분 동안 세척한 뒤 정상적인 종피를 가지는 종자를 고른다. 준비된 콩 종자를 70% ethanol에서 30초 동안 살균하고 멸균수로 3회 세척한다. 이후 1% sodium hypochlorite 용액에서 30분 동안 shaking하면서 살균한 뒤 5분 간격으로 5회 세척한다. 여분의 물기를 제거한 콩 종자를 배꼽이 아래로 가도록 발아 배지(Germination medium(GM), 1 ℓ당 B5 medium 3.2g, Sucrose 20g, MES 0.5g, agar(sigma) 8g, pH5.7 with 1M KOH)에 파종 후 26oC 배양기에서 20시간 동안 암조건으로 발아시킨다.Next, wash the soybean seeds under running tap water for 30 minutes and then select seeds with normal seed coats. Prepared soybean seeds were sterilized in 70% ethanol for 30 seconds and washed three times with sterilized water. Afterwards, sterilize by shaking in 1% sodium hypochlorite solution for 30 minutes and then wash 5 times at 5-minute intervals. Germination medium (GM), 3.2g B5 medium per 1 liter, 20g Sucrose, 0.5g MES, 8g agar (sigma), pH5.7 with 1M KOH), with excess water removed, soybean seeds facing down. After sowing, germinate in the dark for 20 hours in an incubator at 26 o C.

20시간 동안 GM배지에서 발아한 콩 종자를 scalpel(#11 blade)을 이용하여 종자 길이를 따라 절반으로 쪼갠다. 형질전환을 위하여 embryonic axis를 가지는 cothyledon을 선택하고, embryonic axis tip과 axial bud를 제거한다. 미리 준비해 둔 고농도(OD600=2)의 Agrobacterium 용액을 칼끝에 묻혀 axial bud를 제거한 부위를 6-8회 상처를 준다. 상처를 준 half seed는 저농도의 Agrobacterium 용액 (OD600=0.6)에 담궈 sonication 20초, vaccum 3분 처리한 뒤 30분 동안 접종 시킨다. Agrobacterium용액을 제거한 절편체를 멸균 여과지가 올려진 CCM배지에 치상하여 (7 explant) 4일 동안 공동 배양(23oC, 16h light, 8h dark)한다. Soybean seeds germinated on GM medium for 20 hours were split in half along the length of the seed using a scalpel (#11 blade). For transformation, select cothyledons with an embryonic axis and remove the embryonic axis tip and axial bud. Apply a previously prepared high concentration (OD 600 = 2) Agrobacterium solution to the tip of a knife and wound the area where the axial bud was removed 6-8 times. The wounded half seed is soaked in a low concentration Agrobacterium solution (OD 600 = 0.6), subjected to sonication for 20 seconds, vacuumed for 3 minutes, and then inoculated for 30 minutes. The explants from which the Agrobacterium solution was removed were placed on CCM medium with sterile filter paper (7 explants) and co-cultured for 4 days (23 o C, 16 h light, 8 h dark).

4일간 공동 배양한 절편체는 Agrobacterium을 제거하기 위하여 항생제가 첨가된 멸균수(250mg/L cefotaxim, 100mg/L Timetin, 50mg/L vancomycin)로 5분씩 3회 세척하고 동일한 항생제가 첨가된 액체 순(shoot) 유도 배지(SIMIP0 배지, 1ℓ 당 B5 medium 3.2g, Sucrose 30g, Sodium thiosulfate 158㎎, DTT 154㎎, MES 0.6g agar(sigma) 8g, pH5.7 with 1M KOH)에서 15분간 3회 더 세척하였다. 세척 후 절편체로부터 여분의 물기를 제거한 뒤 항생제가 첨가되지않은 SIMIP0 배지에 하배축 부분을 45도 정도 비스듬하게 세워 치상하였다. 2주 후 half seed를 준비하는 가정에서 axial bud가 재대로 제거되지 않아 발생한 큰 shoot는 완전히 제거하고 나머지 작은 순(shoot)는 항생제 선발이 용이하도록 순(shoot)의 위쪽 부분만 제거하여 항생제가 첨가된 SIMP10 배지에 계대 배양하였다. The explants co-cultured for 4 days were washed three times for 5 minutes each with sterile water containing antibiotics (250 mg/L cefotaxim, 100 mg/L Timetin, 50 mg/L vancomycin) to remove Agrobacterium , and then washed in liquid containing the same antibiotics ( shoot) Wash three more times for 15 minutes in induction medium (SIMIP0 medium, 3.2g of B5 medium per 1L, 30g of Sucrose, 158mg of Sodium thiosulfate, 154mg of DTT, 8g of MES 0.6g agar (sigma), pH5.7 with 1M KOH) did. After washing, excess water was removed from the explant, and the hypocotyl portion was placed at an angle of about 45 degrees in SIMIP0 medium without antibiotics. Two weeks later, in households preparing half seed, large shoots that occurred due to axial buds not being removed properly are completely removed, and only the upper part of the shoot is removed and antibiotics are added to the remaining small shoots to facilitate antibiotic selection. Subcultured in SIMP10 medium.

2주 후 PPT에 의해서 갈변한 shoot는 가위를 이용하여 제거하고 하배축 부분에 형성된 큰 캘러스 덩어리는 다듬어서 SEMP5 배지(shoot elogtion medium_PPT5, 1ℓ당 MS B5 medium 4.4g, Sucrose 30g, Sodium thiosulfate 158㎎, DTT 154㎎, MES 0.6g, Asparagin 50mg, Pyroglutamic acid 100mg, agar(sigma) 8g, pH5.7 with 1M KOH, Zeatin-ribose 1mgL, GA3 1mg, IAA 0.1mg, Cefotaxim 125mg, Timetin 50mg, Vancomycin 50mg)에 치상하였다. After 2 weeks, the shoots that had browned due to PPT were removed using scissors, and the large callus mass formed in the hypocotyl area was trimmed and grown on SEMP5 medium (shoot elogtion medium_PPT5, 4.4g of MS B5 medium per 1 liter, 30g of Sucrose, 158 mg of Sodium thiosulfate, 154 mg of DTT). ㎎, MES 0.6g, Asparagin 50mg, Pyroglutamic acid 100mg, agar (sigma) 8g, pH5.7 with 1M KOH, Zeatin-ribose 1mgL, GA3 1mg, IAA 0.1mg, Cefotaxim 125mg, Timetin 50mg, Vancomycin 50mg) .

2주마다 동일한 SEMP5 배지로 계대 배양하여 줄기가 4cm이상 신장하였을 경우 콩 형질전환체의 줄기 부분을 절단하여 항생제가 첨가되지 않은 뿌리(Root) 유도 배지(RIMP0, 1ℓ당 MS B5 medium 4.4g, Sucrose 30g, Sodium thiosulfate 158㎎, DTT 154㎎, MES 0.6g, Asparagin 50mg, Pyroglutamic acid 100mg, agar(sigma) 8g, pH5.7 with 1M KOH, IBA 1mg, Cefotaxim 50mg, Timetin 50mg, Vancomycin 25mg) 배지에서 뿌리를 유도하였다. 줄기의 절단면에서 뿌리가 발생한 형질전환체는 작은 화분으로 옮겨 플라스틱 통에서 2주동안 순화한 후 큰 화분으로 옮겨 온실에서 재배하였다.Subculture with the same SEMP5 medium every two weeks, and when the stem grows more than 4cm, cut the stem part of the soybean transformant and add antibiotic-free root induction medium (RIMP0, 4.4g of MS B5 medium per 1 liter, Sucrose). 30g, Sodium thiosulfate 158mg, DTT 154mg, MES 0.6g, Asparagin 50mg, Pyroglutamic acid 100mg, agar (sigma) 8g, pH5.7 with 1M KOH, IBA 1mg, Cefotaxim 50mg, Timetin 50mg, Vancomycin 25mg). was derived. Transformants that developed roots on the cut side of the stem were transferred to small pots and acclimatized in a plastic container for two weeks, then transferred to large pots and grown in a greenhouse.

재분화된 콩 식물체를 순화시킨 후, pot에 이식하여 생장시키고, 재분화된 식물체의 T-DNA 도입을 확인하기 위하여 개체별로 genomic DNA를 추출하고 genomic PCR을 통하여 도입한 선발마커 유전자 및 gRNA 발현 카세트의 도입을 확인함. 또한 Bar-strip을 이용하여 재분화된 식물체에서의 선발마커 유전자(Bar)의 발현을 확인하였다. After purifying the redifferentiated soybean plants, transplant them into pots and grow them. To confirm the introduction of T-DNA into the redifferentiated plants, genomic DNA was extracted for each individual and introduction of the selection marker gene and gRNA expression cassette introduced through genomic PCR. Confirmed. In addition, the expression of the selection marker gene ( Bar ) in redifferentiated plants was confirmed using Bar-strip.

또한, T-DNA 도입이 확인된 T0 식물체로부터 추출한 genomic DNA를 주형으로 하여 InDel PCR을 통하여 유전자 결실(deletion)이 발생하였는지를 확인하였다. 이후 각 형질전환 라인들의 deletion 위치와 패턴, genome-editing 효율을 targeted deep sequencing을 통하여 확인하였다.In addition, it was confirmed whether gene deletion had occurred through InDel PCR using genomic DNA extracted from the T 0 plant in which T-DNA introduction was confirmed as a template. Afterwards, the deletion location, pattern, and genome-editing efficiency of each transgenic line were confirmed through targeted deep sequencing.

[실시예][Example]

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 본 발명의 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. It will be apparent to those skilled in the art that the embodiments of the present invention are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not to be construed as limited by these embodiments.

실시예 1. 고효율의 gRNA 선발 Example 1. Highly efficient gRNA selection

식물에서 피틴산(phytic acid, Ins(1,2,3,4,5,6)P6) 생합성은 많은 효소들이 관여하는 과정으로, 이 생합성 경로에서 IPK1 (inositol 1,3,5,6-pentakisphosphate 2-kinase) 효소는 피틴산 생합성 경로의 마지막 단계를 촉매하는 것으로 알려져 있기 때문에, 유전자교정을 통한 저피틴산 콩 제조를 위해서 GmIPK1 유전자를 CRISPR/Cas9 시스템을 이용하여 결실시킬 표적 유전자로 선정하였다. In plants, phytic acid (Ins(1,2,3,4,5,6)P 6 ) biosynthesis is a process involving many enzymes, and IPK1 (inositol 1,3,5,6-pentakisphosphate) is involved in this biosynthetic pathway. 2-kinase) enzyme is known to catalyze the final step of the phytic acid biosynthesis pathway, so the GmIPK1 gene was selected as a target gene to be deleted using the CRISPR/Cas9 system to produce low phytate soybeans through gene editing.

이에, GmIPK1(Glyma14g072200) 유전자에 대한 표적 서열에 특이적으로 표적할 수 있는 gRNA를 선발하고자 하였다. 여기서 "gRNA"는 가이드 RNA(guide RNA)와 다른 개념으로, 가이드 RNA(guide RNA)에서 표적 핵산 또는 유전자 내의 표적 서열에 결합하는 약 20 개의 뉴클레오티드(20nt)에 해당하는 스페이서(spacer) 서열을 의미한다. Accordingly, we attempted to select a gRNA that could specifically target the target sequence for the GmIPK1 (Glyma14g072200) gene. Here, “gRNA” is a different concept from guide RNA and refers to a spacer sequence corresponding to about 20 nucleotides (20nt) that binds to the target nucleic acid or target sequence within the gene in the guide RNA. do.

먼저, 콩 유전자교정 CRISPR/Cas9 시스템을 위한 고효율의 gRNA1 및 gRNA2의 조합을 선별하기 위해서, 유전자교정을 위한 표적 유전자에 대한 염기서열 정보를 Phytozome database에서 확보하였다.First, in order to select a highly efficient combination of gRNA1 and gRNA2 for the soybean gene editing CRISPR/Cas9 system, base sequence information on target genes for gene editing was obtained from the Phytozome database.

‘CRISPR-P’또는‘CRISPR RGEN Tools’등의 유전자교정 Web Tool을 이용하여 비표적유전자를 교정하는 오프-타겟 효과(off-target effect)가 적고, 유전자교정 효율이 높을 것으로 예측되는 GmIPK1 유전자 내의 표적 서열(target sequence)을 선정하여, 이 표적 서열(target sequence)에 결합하는 고효율의 gRNA1 및 gRNA2의 조합을 선별하였다. 이를 위해, 형질전환 모본으로 사용한 Willimas 82 품종의 염기서열을 바탕으로 표적 유전자 내의 표적 서열을 확인하였다. Within the GmIPK1 gene, which is predicted to have low off-target effects and high gene editing efficiency by correcting non-target genes using gene editing web tools such as 'CRISPR-P' or 'CRISPR RGEN Tools' A target sequence was selected, and a highly efficient combination of gRNA1 and gRNA2 that binds to this target sequence was selected. For this purpose, the target sequence within the target gene was identified based on the base sequence of the Willimas 82 variety used as a transgenic model.

이 때, CRISPR-P에 비해 RGEN이 보다 많은 off-target 유전자 후보군(candidate)들을 제시해 주기 때문에, 두 가지 프로그램을 모두 사용하여 오프-타겟(off-target) 가능성이 적은 GmIPK1 유전자 내의 표적 서열을 선정하였다. 또한, 오프-타겟(off-target) 유전자 후보(candidate)들이 최종 선발되면 Jbrowse site를 이용하여 오프-타겟(off-target) 유전자 내에서의 gRNA 결합 위치 등을 최종 확인하여 유전자교정 효율이 높고 오프-타겟(off-target) 가능성이 적은 표적 유전자 내의 표적 서열(target sequence)을 선발하였다. At this time, because RGEN presents more off-target gene candidates than CRISPR-P, both programs were used to select a target sequence within the GmIPK1 gene with a low probability of being off-target. did. In addition, when the off-target gene candidates are finally selected, the gRNA binding site within the off-target gene is finally confirmed using the Jbrowse site to ensure high gene editing efficiency and -Target sequences within target genes with a low probability of being off-target were selected.

그 결과, IPK1 단백질을 암호화하는 GmIPK1 유전자를 특이적으로 표적할 수 있는 2 개의 gRNA 조합을 최종 선발하였다. 상기 최종 선발된 2 개의 gRNA가 표적하는 표적 서열(target sequence) 및 이의 염색체 상 위치를 도 1에 나타내었다. 또한, 상기 표적 서열(target sequence)에 중에서 엑손(Exon) 2 내의 표적 서열(Target 1) 및 엑손(Exon) 3 내의 표적 서열(Target 2)에 각각 결합하는 gRNA를 각각 gRNA1 및 gRNA2라고 명명하고, gRNA1 및 gRNA2를 각각 암호화하는 핵산 서열을 도 1에 도시하였다. As a result, a combination of two gRNAs capable of specifically targeting the GmIPK1 gene encoding the IPK1 protein was finally selected. The target sequences targeted by the two finally selected gRNAs and their locations on the chromosome are shown in Figure 1. In addition, among the target sequences, the gRNAs that bind to the target sequence (Target 1) in Exon 2 and the target sequence (Target 2) in Exon 3 are named gRNA1 and gRNA2, respectively, The nucleic acid sequences encoding gRNA1 and gRNA2, respectively, are shown in Figure 1.

또한, 아래 표 1에 gRNA1 및 gRNA2를 각각 암호화하는 핵산 서열을 나타내었다. Additionally, Table 1 below shows the nucleic acid sequences encoding gRNA1 and gRNA2, respectively.

NameName 서열(5'→3') Sequence (5'→3') 서열번호sequence number gRNA1 gRNA1 5'-GAAAGTGGTCCGCATACGTA-3' 5'-GAAAGTGGTCCGCATACGTA-3' 1 One gRNA2 gRNA2 5'-ATCACAATGTGCATCAACCC-3' 5'-ATCACAATGTGCATCAACCC-3' 2 2

실시예 2. 코돈-최적화된 CRISPR/Cas9 벡터 제조Example 2. Codon-optimized CRISPR/Cas9 vector construction

다음으로, 본 발명은 콩 유전자교정의 표적 유전자인 GmIPK1 유전자에 대해서, 각 표적 유전자 당 선정된 2 개의 표적 서열(target sequence)에 각각 결합하는 gRNA1 및 gRNA2를 암호화하는 핵산을 하나의 벡터에 도입한 multiplex 벡터를 제조하기로 하였다. 이것은 하나의 표적 유전자 내에서 넒은 범위에 위치하고 있는 2 개의 표적 서열(target sequence) 부위를 절단함으로써, 표적 유전자의 확실한 인델(indel) 변이를 야기하고, 형질전환체를 확보한 후에 Indel PCR을 이용하여 유전자교정이 일어난 형질전환체를 보다 효율적으로 선별할 수 있는 장점을 가지는 시스템을 제조하기 위함이다.Next, the present invention introduces nucleic acids encoding gRNA1 and gRNA2, which each bind to two target sequences selected for each target gene, into one vector for the GmIPK1 gene, which is a target gene for soybean gene editing. It was decided to prepare a multiplex vector. This causes a definite indel mutation in the target gene by cutting two target sequence regions located in a wide range within one target gene, and after securing the transformant, Indel PCR is used to The purpose is to manufacture a system that has the advantage of more efficiently selecting transformants in which gene correction has occurred.

상기 선정된 2개의 표적 부위에 특이적으로 결합하는 gRNA1 및 gRNA2를 포함하고, 콩에서 코돈-최적화된 Cas9 유전자를 포함하는 multiplex 벡터를 제조하였다. 이때, gRNA의 발현을 목적으로 AtU6 프로모터를 사용할 경우 gRNA를 암호화하는 핵산은‘G’로 시작하는 것이 효율이 좋기 때문에, gRNA1 및 gRNA2를 각각 암호화하는 핵산인 서열번호 1(5'-GAAAGTGGTCCGCATACGTA-3') 및 서열번호 2(5'-ATCACAATGTGCATCAACCC-3') 각각의 5'-말단 앞에 염기‘G’를 첨가하여, 상기 multiplex 벡터 제조시 이를 사용하였다.즉, AtU6 프로모터를 가지는 벡터에 포함되는 gRNA1 및 gRNA2를 암호화하는 핵산은 각각 서열번호 3(5'-GGAAAGTGGTCCGCATACGTA-3') 및 서열번호 4(5'-GATCACAATGTGCATCAACCC-3')를 포함한다.A multiplex vector containing gRNA1 and gRNA2 that specifically binds to the two selected target sites and a codon-optimized Cas9 gene from soybean was prepared. At this time, when using the AtU6 promoter for the purpose of expressing gRNA, it is more efficient for the nucleic acid encoding the gRNA to start with 'G', so SEQ ID NO: 1 (5'-GAAAGTGGTCCGCATACGTA-3), which is the nucleic acid encoding gRNA1 and gRNA2, respectively ') and SEQ ID NO: 2 (5'-ATCACAATGTGCATCAACCC-3'), base 'G' was added in front of the 5'-end of each, and this was used to prepare the multiplex vector. That is, gRNA1 included in the vector with the AtU6 promoter. and the nucleic acid encoding gRNA2 includes SEQ ID NO: 3 (5'- G GAAAGTGGTCCGCATACGTA-3') and SEQ ID NO: 4 (5'- G ATCACAATGTGCATCAACCC-3'), respectively.

콩 형질전환에 사용한 기본 벡터는 pMDC123 벡터(vector) 또는 pECO201 벡터이다. 상기 벡터들은 선발 마커로 Bar 유전자를 가지며, 재조합을 위하여 attR1과 attR2 서열을 가지는 gateway용 벡터이다. The basic vector used for soybean transformation is the pMDC123 vector or the pECO201 vector. The above vectors are gateway vectors that have the Bar gene as a selection marker and have attR1 and attR2 sequences for recombination.

상기 pECO201 벡터에 본 발명에 따라 선정된 상기 2 개의 표적 서열(target sequence)에 결합하는 gRNA1 및 gRNA2를 암호화하는 핵산을 클로닝하여 multiplex 벡터를 제조하였다. pECO201 벡터는 2개 이상의 gRNA를 동시에 도입하기 위한 golden gateway entry vector로, 선발 마커로 Bar 유전자를 가지며, 35S 프로모터의 조절하에 애기장대 코돈-최적화된 SpCas9(Arabidopsis codon optimized SpCas9)이 발현될 수 있도록 제작되어져 있다. 두 번의 과정에 의해서 pECO201 벡터로 두 개의 gRNA를 조합하였다. 첫 번째 oligo annealing 과정을 거친 gRNA1과 gRNA2는 Bsa I으로 절단한 pECO400_1,2 및 pECO404_2,e와 각각 ligation하여 pGRNA1과 pGRNA2e plasmid를 획득하였다. 두 번째 각각의 gRNA가 도입된 pGRNA1 및 pGRNA2e와 pECO201 벡터를 golden gateway assembly를 통하여 pECO201_g1_g2 vector를 최종 제작하였다.A multiplex vector was prepared by cloning nucleic acids encoding gRNA1 and gRNA2 that bind to the two target sequences selected according to the present invention into the pECO201 vector. The pECO201 vector is a golden gateway entry vector for simultaneously introducing two or more gRNAs, has the Bar gene as a selection marker, and was designed to express Arabidopsis codon-optimized SpCas9 ( Arabidopsis codon optimized SpCas9) under the control of the 35S promoter. It is done. Two gRNAs were combined into the pECO201 vector through two processes. gRNA1 and gRNA2, which had undergone the first oligo annealing process, were ligated with pECO400_1,2 and pECO404_2,e, respectively, cut with Bsa I to obtain pGRNA1 and pGRNA2e plasmids. Second, pECO201_g1_g2 vector was finally created through golden gateway assembly of pGRNA1 and pGRNA2e and pECO201 vectors into which each gRNA was introduced.

본 발명에 따른 선별된 gRNA1 및 gRNA2를 각각 암호화하는 핵산과 코돈-최적화된 Cas9 유전자를 포함하는 예시적인 벡터의 모식도는 도 3에 나타냈다. Exemplary examples comprising nucleic acids encoding selected gRNA1 and gRNA2, respectively, according to the present invention and a codon-optimized Cas9 gene. A schematic diagram of the vector is shown in Figure 3.

실시예 3. 콩 형질전환체의 유전자교정 검증Example 3. Verification of gene editing of soybean transformants

상기 실시예 2에서 제작한, 선별된 gRNA1 및 gRNA2를 각각 암호화하는 핵산 및 코돈-최적화된 Cas9 유전자를 포함하는 콩 유전자교정을 위한 CRISPR/Cas9 벡터를 아그로박테리움 EHA105에 형질전환 한 후, Willimas 82 품종 콩의 절편체와 공동배양하여 형질전환시켰다. After transforming the CRISPR/Cas9 vector for soybean gene editing containing the nucleic acid encoding the selected gRNA1 and gRNA2, respectively, and the codon-optimized Cas9 gene produced in Example 2, into Agrobacterium EHA105, Willimas 82 It was transformed by co-culturing with explants of various soybean varieties.

재분화된 콩 식물체를 순화시킨 후, pot에 이식하여 생장시켰다. 재분화된 식물체의 T-DNA 도입을 확인하기 위하여 개체별로 genomic DNA를 추출하고 genomic PCR을 통하여 도입한 선발마커 유전자 및 gRNA 발현 카세트의 도입을 확인하였다(도 4).After purifying the redifferentiated soybean plants, they were transplanted into pots and grown. To confirm the introduction of T-DNA into redifferentiated plants, genomic DNA was extracted for each individual and the introduction of the introduced selection marker gene and gRNA expression cassette was confirmed through genomic PCR (Figure 4).

도 4에서 나타내는 바와 같이, GmIPK1 유전자 내 표적 부위 2 곳을 특이적으로 표적으로 하는 gRNA1 및 gRNA2를 발현하는 T0 계통을 확보하였다(Bar PCR positive). As shown in Figure 4, a T 0 line expressing gRNA1 and gRNA2 specifically targeting two target sites in the GmIPK1 gene was obtained (Bar PCR positive).

또한, 도 5에서 나타내는 바와 같이, Bar 저항성 유전자에 대한 PCR에서 positive 반응을 보인 식물체를 이용한 InDel PCR을 통하여 두 gRNA1 및 gRNA2 표적 사이의 염기서열이 deletion된 형질전환체를 확인하였다. In addition, as shown in Figure 5, a transformant with a deletion of the nucleotide sequence between the two gRNA1 and gRNA2 targets was confirmed through InDel PCR using plants that showed a positive reaction in PCR for the Bar resistance gene.

상기 확보된 콩 형질전환체는 GmIPK1 유전자 내의 표적 서열 부위 2 곳에서 모두 인델변이(indel mutation)가 발생하여 577 bp 결실(deletion)이 일어난 것을 Targeted deep sequenceing을 통해서 확인하였다(도 6A). 상기 확보된 콩 형질전환체가 IPK1 단백질에서 95개의 아미노산이 결실되어 야생형 또는 정상기능을 하는 IPK1 단백질이 발현되지 못하는 것을 도 6B에 도시하였다. It was confirmed through targeted deep sequencing that the obtained soybean transformant had an indel mutation at both target sequence sites in the GmIPK1 gene, resulting in a 577 bp deletion (Figure 6A). It is shown in Figure 6B that the obtained soybean transformant has 95 amino acids deleted from the IPK1 protein and thus cannot express the wild-type or normally functioning IPK1 protein.

상기 결과를 통해서, 본 발명에 따른 CRISPR/Cas 기반의 콩 유전자 교정시스템을 이용하여, 본 발명은 GmIPK1 유전자 내의 표적 부위 2 곳을 동시에 표적으로 하는 유전자교정이 콩 식물체에서 효율적으로 일어났음을 확인할 수 있었다. 또한 본 발명은 콩의 GmIPK1 유전자가 결실된 콩 형질전환체를 제조하였고 이의 종자를 확보하였다. 또한 본 발명에 따른 콩의 GmIPK1 유전자가 교정된 콩 형질전환체 및 이의 종자는 다음 세대에서 다양한 조합의 유전자교정 형태를 가지는 식물체를 제조하는데 이용될 수 있다.Through the above results, it can be confirmed that gene editing targeting two target sites within the GmIPK1 gene simultaneously occurred efficiently in soybean plants using the CRISPR/Cas-based soybean gene editing system according to the present invention. there was. In addition, the present invention produced a soybean transformant with a deletion of the soybean GmIPK1 gene and secured its seeds. In addition, the soybean transformant and its seeds in which the soybean GmIPK1 gene has been corrected according to the present invention can be used to produce plants with various combinations of gene correction forms in the next generation.

<110> INDUSTRY-ACADEMIC COOPERATION FOUNDATION GYEONGSANG NATIONAL UNIVERSITY <120> Gene editing system for GmIPK1 gene editing and uses thereof <130> PN21249 <160> 12 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> nucleotide sequence encoding gRNA1 <400> 1 gaaagtggtc cgcatacgta 20 <210> 2 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> nucleotide sequence encoding gRNA2 <400> 2 atcacaatgt gcatcaaccc 20 <210> 3 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> nucleotide sequence encoding gRNA1 <400> 3 ggaaagtggt ccgcatacgt a 21 <210> 4 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> nucleotide sequence encoding gRNA2 <400> 4 gatcacaatg tgcatcaacc c 21 <210> 5 <211> 4293 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> pcoCas9 <400> 5 atggataaga agtactctat cggacttgac atcggaacca actctgttgg atgggctgtt 60 atcaccgatg agtacaaggt tccatctaag aagttcaagg ttcttggaaa caccgataga 120 cactctatca agaagaacct tatcggtgct cttcttttcg 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tctacctcgc tctcgctcac 480 atgatcaagt tcagaggaca cttcctcatc gagggtgatc tcaaccctga taactctgat 540 gtggataagt tgttcatcca gctcgtgcag acctacaacc agcttttcga agagaaccct 600 atcaacgctt caggtgtgga tgctaaggct atcctctctg ctaggctctc taagtcaaga 660 aggcttgaga acctcattgc tcagctccct ggtgagaaga agaacggact tttcggaaac 720 ttgatcgctc tctctctcgg actcacccct aacttca agt ctaacttcga tctcgctgag 780 gatgcaaagc tccagctctc aaaggatacc tacgatgatg atctcgataa cctcctcgct 840 cagatcggag atcagtacgc tgatttgttc ctcgctgcta agaacctctc tgatgctatc 900 ctcctcagtg atatcctcag ag tgaacacc gagatcacca aggctccact ctcagcttct 960 atgatcaaga gatacgatga gcaccaccag gatctcacac ttctcaaggc tcttgttaga 1020 cagcagctcc cagagaagta caaagagatt ttcttcgatc agtctaagaa cggatacgct 1080 ggttacatcg atggtggtgc atctcaagaa gagttctaca agttcatcaa gcctatcctc 1140 gagaagatgg atggaaccga ggaactcctc gtgaagctca atagagagg a tcttctcaga 1200 aagcagagga ccttcgataa cggatctatc cctcatcaga tccacctcgg agagttgcac 1260 gctatcctta gaaggcaaga ggatttctac ccattcctca aggataacag ggaaaagatt 1320 gagaagattc tcaccttcag aatcccttac tacgtgggac ctctcg ctag aggaaactca 1380 agattcgctt ggatgaccag aaagtctgag gaaaccatca ccccttggaa cttcgaagag 1440 gtggtggata agggtgctag tgctcagtct ttcatcgaga ggatgaccaa cttcgataag 1500 aaccttccaa acgagaaggt gctccctaag cactctttgc tctacgagta cttcaccgtg 1560 tacaacgagt tgaccaaggt taagtacgtg accgagggaa tgagg aagcc tgcttttttg 1620 tcaggtgagc aaaagaaggc tatcgttgat ctcttgttca agaccaacag aaaggtgacc 1680 gtgaagcagc tcaaagagga ttacttcaag aaaatcgagt gcttcgattc agttgagatt 1740 tctggtgttg aggataggtt caac gcatct ctcgggaacct accacgatct cctcaagatc 1800 attaaggata aggatttctt ggataacgag gaaaacgagg atatcttgga ggatatcgtt 1860 cttaccctca ccctctttga agatagagag atgattgaag aaaggctcaa gacctacgct 1920 catctcttcg atgataaggt gatgaagcag ttgaagagaa gaagatacac tggttgggga 1980 aggctctcaa gaaagctcat taacggaatc agggataagc agtctggaaa gacaatcctt 20 40 gatttcctca agtctgatgg attcgctaac agaaacttca tgcagctcat ccacgatgat 2100 tctctcacct ttaaagagga tatccagaag gctcaggttt caggacaggg tgatagtctc 2160 catgagcata tcgctaacct cgctggatct cctgcaatca agaagggaat cctccagact 22 20 gtgaaggttg tggatgagtt ggtgaaggtg atgggaaggc ataagcctga gaacatcgtg 2280 atcgaaatgg ctagagagaa ccagaccact cagaagggac agaagaactc tagggaaagg 2340 atgaagagga tcgaggaagg tatcaaagag cttggatctc agatcctcaa agagcaccct 2400 gttgagaaca ctcagctcca gaatgagaag ctctacctct actacctcca gaacggaagg 2460 gatatgtatg t ggatcaaga gttggatatc aacaggctct ctgattacga tgttgatcat 2520 atcgtgccac agtcattctt gaaggatgat tctatcgata acaaggtgct caccaggtct 2580 gataagaaca ggggtaagag tgataacgtg ccaagtgaag aggttgtgaa gaaaatgaag 2640 a actattgga ggcagctcct caacgctaag ctcatcactc agagaaagtt cgataacttg 2700 actaaggctg agaggggagg actctctgaa ttggataagg caggattcat caagaggcag 2760 cttgtggaaa ccaggcagat cactaagcac gttgcacaga tcctcgattc taggatgaac 2820 accaagtacg atgagaacga taagttgatc agggaagtga aggttatcac cctcaagtca 2880 aagctcgtgt ctgatt tcag aaaggatttc caattctaca aggtgaggga aatcaacaac 2940 taccaccacg ctcacgatgc ttaccttaac gctgttgttg gaaccgctct catcaagaag 3000 tatcctaagc tcgagtcaga gttcgtgtac ggtgattaca aggtgtacga tgtgaggaag 3060 atga tcgcta agtctgagca agagatcgga aaggctaccg ctaagtattt cttctactct 3120 aacatcatga atttcttcaa gaccgagatt accctcgcta acggtgagat cagaaagagg 3180 ccactcatcg agacaaacgg tgaaacaggt gagatcgtgt gggataaggg aagggatttc 3240 gctaccgtta gaaaggtgct ctctatgcca caggtgaaca tcgttaagaa aaccgaggtg 3300 cagaccggtg gattctctaa aga gtctatc ctccctaaga ggaactctga taagctcatt 3360 gctaggaaga aggattggga ccctaagaaa tacggtggtt tcgattctcc taccgtggct 3420 tactctgttc tcgttgtggc taaggttgag aagggaaaga gtaagaagct caagtctgtt 3480 aaggaacttc tcggaatcac tatcatggaa aggtcatctt tcgagaagaa cccaatcgat 3540 ttcctcgagg ctaagggata caaagaggtt aagaaggatc tcatcatcaa gctcccaaag 3600 tactcactct tcgaactcga gaacggtaga aagaggatgc tcgcttctgc tggtgagctt 3660 caaaagggaa acgagcttgc tctcccatct aagtacgtta actttcttta cctcgcttct 3720 cactacgaga agttgaaggg atctccagaa gataacgag c agaagcaact tttcgttgag 3780 cagcacaagc actacttgga tgagatcatc gagcagatct ctgagttctc taaaagggtg 3840 atcctcgctg atgcaaacct cgataaggtg ttgtctgctt acaacaagca cagagataag 3900 cctatcaggg aacaggcaga gaacatcatc catctcttca cccttaccaa ccctcggtgct 3960 cctgctgctt tcaagtactt cgatacaacc atcgatagga agagatacac ctctaccaaa 4020 gaagtgctcg atgctaccct catccatcag tctatcactg gactctacga gactaggatc 4080 gatctctcac agctcggtgg tgattcaagg gctgat 4116 <210> 7 <211> 4104 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223 > pcohCas9 <400> 7 atggacaaga agtactccat cggcctcgac atcggcacca acagcgtcgg ctgggcggtg 60 atcaccgacg agtacaaggt cccgtccaag aagttcaagg tcctgggcaa caccgaccgc 120 cactccatca agaagaacct catcggcgcc ctcctcttcg actccggcga gacggcggag 180 gcgacccgcc tcaagcgcac cgcccgccgc cgctacaccc gccgcaagaa ccgcatctgc 240 tacctccagg agatcttctc caacgagatg gcgaaggtcg acgactcctt cttccaccgc 300 ctcgaggagt ccttcctcgt ggaggaggac aagaagcacg agcgccaccc catcttcggc 360 aacatcgtcg acgaggtcgc ctaccacgag aagtacccca ctatctacca ccttcgtaag 420 aagcttgttg actctactga taaggctgat cttcgtctca tctaccttgc tctcgctcac 480 atgatcaagt tccgtggtca cttccttatc gagggtgacc ttaaccctga taactccgac 540 gtggacaagc tcttcatcca gctcgtccag acctacaacc agctcttcga ggagaaccct 600 atcaacgctt ccggtgtcga cgctaaggcg atcctttccg ctaggctctc caagtccagg 660 cgtctcgaga a cctcatcgc ccagctccct ggtgagaaga agaacggtct tttcggtaac 720 ctcatcgctc tctccctcgg tctgacccct aacttcaagt ccaacttcga cctcgctgag 780 gacgctaagc ttcagctctc caaggatacc tacgacgatg atctcgacaa cctcctcgct 840 cagatt ggag atcagtacgc tgatctcttc cttgctgcta agaacctctc cgatgctatc 900 ctcctttcgg atatccttag ggttaacact gagatcacta aggctcctct ttctgcttcc 960 atgatcaagc gctacgacga gcaccacag gacctcaccc tcctcaaggc tcttgttcgt 1020 cagcagctcc ccgagaagta caaggagatc ttcttcgacc agtccaagaa cggctacgcc 1080 ggttacattg acggtggagc tagccaggag gagttctaca agttcatcaa gccaatcctt 1140 gagaagatgg atggtactga ggagcttctc gttaagctta accgtgagga cctccttagg 1200 aagcagagga ctttcgataa cggctctatc cctcaccaga tccaccttgg tgagcttcac 1260 gccatccttc gtaggca gga ggacttctac cctttcctca aggacaaccg tgagaagatc 1320 gagaagatcc ttactttccg tattccttac tacgttggtc ctcttgctcg tggtaactcc 1380 cgtttcgctt ggatgactag gaagtccgag gagactatca ccccttggaa cttcgaggag 1440 gttgttgaca agggtgcttc cgcccagtcc ttcatcgagc gcatgaccaa cttcgacaag 1500 aacctccccca acgagaaggt cctcccccaag cactccctcc tctacgagta cttcacggtc 1560 tacaacgagc tcaccaaggt caagtacgtc accgagggta tgcgcaagcc tgccttcctc 1620 tccggcgagc agaagaaggc tatcgttgac ctcctcttca agaccaaccg caaggtcacc 1680 gtca agcagc tcaaggagga ctacttcaag aagatcgagt gcttcgactc cgtcgagatc 1740 agcggcgttg aggaccgttt caacgcttct ctcggtacct accacgatct cctcaagatc 1800 atcaaggaca aggacttcct cgacaacgag gagaacgagg acatcctcga ggacatcgtc 1860 ctcactctta ctctcttcga ggatagggag atgatcgagg agaggctcaa gacttacgct 1920 catctcttcg atgacaaggt tatgaagcag ctcaagcgtc gccgtta cac cggttggggt 1980 aggctctccc gcaagctcat caacggtatc agggataagc agagcggcaa gactatcctc 2040 gacttcctca agtctgatgg tttcgctaac aggaacttca tgcagctcat ccacgatgac 2100 tctcttacct tcaaggagga tattcagaag gctcaggtg t ccggtcaggg cgactctctc 2160 cacgagcaca ttgctaacct tgctggttcc cctgctatca agaagggcat ccttcagact 2220 gttaaggttg tcgatgagct tgtcaaggtt atgggtcgtc acaagcctga gaacatcgtc 2280 atcgagatgg ctcgtgagaa ccagactacc cagaagggtc agaagaactc gagggagcgc 2340 atgaagagga ttgaggaggg tatcaaggag cttggttctc a gatccttaa ggagcaccct 2400 gtcgagaaca cccagctcca gaacgagaag ctctacctct actacctcca gaacggtagg 2460 gatatgtacg ttgaccagga gctcgacatc aacaggcttt ctgactacga cgtcgaccac 2520 attgttcctc agtctttcct taaggatgac tccatcgaca acaaggtcct cacgaggtcc 2580 gacaagaaca ggggtaagtc ggacaacgtc ccttccgagg aggttgtcaa gaagatgaag 2640 aactactgga ggcagcttct caacgctaag ctcattaccc agaggaagtt cgacaacctc 2700 acgaaggctg agaggggtgg cctttccgag cttgacaagg ctggtttcat caagaggcag 2760 cttgttgaga cgaggcagat taccaagcac gttgctcaga tcctcgattc taggat gaac 2820 accaagtacg acgagaacga caagctcatc cgcgaggtca aggtgatcac cctcaagtcc 2880 aagctcgtct ccgacttccg caaggacttc cagttctaca aggtccgcga gatcaacaac 2940 taccaccacg ctcacgatgc ttaccttaac gctgtcgttg gta ccgctct tatcaagaag 3000 taccctaagc ttgagtccga gttcgtctac ggtgactaca aggtctacga cgttcgtaag 3060 atgatcgcca agtccgagca ggagatcggc aaggccaccg ccaagtactt cttctactcc 3120 aacatcatga acttcttcaa gaccgagatc accctcgcca acggcgagat ccgcaagcgc 3180 cctcttatcg agacgaacgg tgagactggt gagatcgttt gggacaaggg tcgcgactt c 3240 gctactgttc gcaaggtcct ttctatgcct caggttaaca tcgtcaagaa gaccgaggtc 3300 cagaccggtg gcttctccaa ggagtctatc cttccaaaga gaaactcgga caagctcatc 3360 gctaggaaga aggattggga ccctaagaag tacggtggtt tcgactcccc tact gtcgcc 3420 tactccgtcc tcgtggtcgc caaggtggag aagggtaagt cgaagaagct caagtccgtc 3480 aaggagctcc tcggcatcac catcatggag cgctcctcct tcgagaagaa cccgatcgac 3540 ttcctcgagg ccaagggcta caaggaggtc aagaaggacc tcatcatcaa gctccccaag 3600 tactctcttt tcgagctcga gaacggtcgt aagaggatgc tggcttccgc tggtgagctc 3660 cagaagggta ac gagcttgc tcttccttcc aagtacgtga acttcctcta cctcgcctcc 3720 cactacgaga agctcaaggg ttcccctgag gataacgagc agaagcagct cttcgtggag 3780 cagcacaagc actacctcga cgagatcatc gagcagatct ccgagttctc caagcgcgtc 384 0 atcctcgctg acgctaacct cgacaaggtc ctctccgcct acaacaagca ccgcgacaag 3900 cccatccgcg agcaggccga gaacatcatc cacctcttca cgctcacgaa cctcggcgcc 3960 cctgctgctt tcaagtactt cgacaccacc atcgacagga agcgttacac gtccaccaag 4020 gaggttctcg acgctactct catccaccag tccatcaccg gtctttacga gactcgtatc 4080 gacctttccc agcttggtgg t gat 4104 <210> 8 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> SV40 NLS <400> 8 ccaaagaaga agagaaaggt t 21 <210> 9 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> SV40 NLS <400> 9 cctaagaaga agaggaaggt t 21 <210> 10 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> SV40 NLS <400> 10 cctaagaaga agcggaaggt t 21 <210> 11 <211> 47 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> nucleoplasmin NLS <400> 11 aagagaccag ctgctaccaa gaaggctgga caggctaaga agaagaa 47 <210> 12 <211> 48 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> nucleoplasmin NLS <400> 12 aagcgtcctg ctgccaccaa aaaggccgga caggctaaga aaaagaag 48

Claims (12)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 코돈-최적화된 Cas9 핵산; 및 콩의 GmIPK1 유전자 내 2 곳의 표적 부위를 각각 표적하는 gRNA1 및 gRNA2를 각각 암호화하는 핵산;이 작동 가능하게 연결된, 콩 유전자교정을 위한 벡터로서,
상기 코돈-최적화된 Cas9 핵산은 서열번호 6의 염기서열로 이루어진 것이고, 상기 gRNA1 및 gRNA2를 암호화하는 핵산은 각각 서열번호 1의 염기서열 및 서열번호 2의 염기서열로 이루어진 것; 또는 서열번호 3의 염기서열 및 서열번호 4의 염기서열로 이루어진 것;을 특징으로 하는, 콩 유전자교정을 위한 벡터.
codon-optimized Cas9 nucleic acid; and nucleic acids encoding gRNA1 and gRNA2, respectively targeting two target sites in the GmIPK1 gene of soybean; A vector for soybean gene editing operably linked, comprising:
The codon-optimized Cas9 nucleic acid consists of the base sequence of SEQ ID NO: 6, and the nucleic acids encoding gRNA1 and gRNA2 consist of the base sequence of SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 2, respectively; Or a vector for soybean gene editing, characterized in that it consists of the base sequence of SEQ ID NO: 3 and the base sequence of SEQ ID NO: 4.
제5항에 있어서,
상기 벡터는 작동 가능하게 연결된 하나 이상의 프로모터, 식물선별마커 및 핵위치 신호(Nuclear localization signal, NLS)가 더 포함되는 것을 특징으로 하는, 콩 유전자교정을 위한 벡터.
According to clause 5,
The vector is a vector for soybean gene editing, characterized in that it further contains one or more operably linked promoters, a plant selection marker, and a nuclear localization signal (NLS).
삭제delete 제5항의 벡터를 포함하는, 콩 유전자교정용 조성물.
A composition for soybean gene editing, comprising the vector of claim 5.
제8항에 있어서,
gRNA1 및 gRNA2를 암호화하는 핵산이 각각 서열번호 1의 염기서열 및 서열번호 2의 염기서열로 이루어진 것이고, 콩의 GmIPK1 유전자를 결실시키는 것을 특징으로 하는, 콩 유전자교정용 조성물.
According to clause 8,
A composition for soybean gene editing, wherein the nucleic acids encoding gRNA1 and gRNA2 are composed of the base sequence of SEQ ID NO: 1 and the base sequence of SEQ ID NO: 2, respectively, and delete the soybean GmIPK1 gene.
제5항의 벡터를 이용하여 콩을 형질전환하는 단계를 포함하고, 콩의 GmIPK1 유전자를 결실시키는 것을 특징으로 하는, 콩 유전자교정 방법.
A soybean gene correction method comprising the step of transforming soybean using the vector of claim 5, and deleting the soybean GmIPK1 gene.
제10항의 콩 유전자교정 방법으로 형질전환된, 콩에서 피틴산 생합성을 조절하는 효소 GmIPK1 유전자가 교정된 콩 형질전환체.
A soybean transformant in which the GmIPK1 gene, an enzyme that regulates phytic acid biosynthesis in soybeans, was transformed by the soybean gene editing method of claim 10.
제10항의 방법으로 형질전환된 콩 형질전환체의 종자로써, 피틴산 생합성을 조절하는 효소 GmIPK1 유전자가 교정된 콩 종자.
A soybean transformant transformed by the method of claim 10, in which the GmIPK1 gene, an enzyme that regulates phytic acid biosynthesis, has been corrected.
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