KR20210030805A - Composition for enhancing gene editing efficiency by homologous recombination comprising autophagy inducing agent - Google Patents

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KR20210030805A
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homologous recombination
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배상수
남혜진
유지현
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a composition comprising an autophagy inducer for enhancing efficiency of gene editing through homologous recombination and a method for enhancing efficiency of gene editing. The technique according to the present invention can remarkably enhance the efficiency of homologous recombination gene editing, for example, CRISPR gene editing, to up to about 10 fold by inducing autophagy in human cells and animal cells. In addition, taking advantage of an intrinsic autophagy mechanism of cells, the technique has a wide range of applications, especially in vivo, and thus can overcome the limits that conventional techniques of enhancing homologous recombination efficiency have. Furthermore, the technique of the present invention allows accurate and effective gene editing and thus is expected to find advantageous applications in various fields including bioscience research, gene therapy, and new drug development.

Description

오토파지 유도제를 포함하는 상동재조합에 의한 유전자 교정 효율 증대용 조성물{Composition for enhancing gene editing efficiency by homologous recombination comprising autophagy inducing agent}Composition for enhancing gene editing efficiency by homologous recombination comprising autophagy inducing agent}

본 발명은 오토파지 유도제를 포함하는 상동재조합에 의한 유전자 교정 효율 증대용 조성물 및 유전자 교정 효율 증대방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composition for increasing gene editing efficiency by homologous recombination comprising an autophage inducing agent and a method for increasing gene editing efficiency.

인간의 유전질환은 많은 경우 특정 유전자의 돌연변이에 의해 유발되며, 대부분의 돌연변이는 유전자의 정상적인 기능상실을 유도한다. 이러한 경우 유전자 교정 기술을 이용하여 유전질환을 치료할 때 유전자 녹아웃(knock out)을 통한 방법으로 병증을 개선시킬 수 있는 경우는 거의 없으며 돌연변이를 정확하게 교정하여 야생형으로 바꾸는 것이 필요하다. 따라서 상동재조합에 의한 유전자 교정 기술의 증대는 유전질환 치료에 있어 필수적이다.In many cases, genetic diseases in humans are caused by mutations in specific genes, and most mutations induce normal functioning of genes. In this case, when treating genetic diseases using gene editing technology, it is rarely possible to improve the condition by means of gene knockout, and it is necessary to accurately correct the mutation and change it to the wild type. Therefore, the increase in gene editing technology by homologous recombination is essential in the treatment of genetic diseases.

이러한 유전자 교정 기술로써 유전자 가위 기술이 지속적으로 개발 및 이용되고 있는데, 유전자 가위는 유전체 상의 원하는 위치에 특정한 이중가닥 절단을 일으키게 되고, 그 절단은 세포의 자체적인 기작에 의해 상동재조합(Homologous Recombination, HR) 또는 비상동말단연결(Non-homologous end joining, NHEJ)의 방식으로 수선된다.As such gene editing technology, genetic scissors technology has been continuously developed and used. The genetic scissors cause a specific double-strand cut at a desired location on the genome, and the cut is performed by the cell's own mechanism. ) Or non-homologous end joining (NHEJ).

예컨대, 제3세대 유전자 가위인 크리스퍼-카스에 의해 절단된 DNA 이중나선은 대부분의 경우 비상동말단연결에 의해 수선된다고 알려져 있다. 그러나 비상동말단연결에 의한 수선은 예측할 수 없는 돌연변이를 유발하여 정확히 원하는 형태로 유전체를 교정할 수 없다. 이에 반해, 상동재조합 기작은 도너 DNA 서열을 이용하여 유전자를 교정하기 때문에 원하는 형태로 정확하게 유전체를 교정할 수 있다는 장점이 있으나 특정 세포주기(G2-S)에서만 작동하며 분열이 활발한 세포에서만 잘 일어나는 것으로 알려져 있다. 따라서 크리스퍼-카스를 이용한 유전자 교정에서 상동재조합을 이용한 녹인은 그 효율이 매우 낮으며 세포분열이 억제되어 있는 분화된 세포에서는 더욱 낮게 나타난다.For example, it is known that DNA double helices cut by CRISPR-CAS, a third-generation genetic scissors, are repaired by non-homologous ends in most cases. However, repairs by nonhomologous end-links cause unpredictable mutations, and thus the genome cannot be corrected in the exact desired form. On the other hand, the homologous recombination mechanism uses the donor DNA sequence to correct the gene, so it has the advantage of correcting the genome exactly in the desired shape, but it works only in a specific cell cycle (G2-S) and occurs only in cells with active division. Is known. Therefore, in gene editing using CRISPR-Cas, the efficiency of rust-in using homologous recombination is very low, and it appears even lower in differentiated cells in which cell division is inhibited.

최근까지 이러한 상동재조합을 이용한 유전자 녹인 효율을 높이기 위해 다양한 방법이 시도되었다. 예컨대, 세포주기를 고정하는 화학물질을 이용하여 세포를 G2-S기로 고정한 뒤 유전자 교정을 실시하거나, 비상동말단연결을 저해하는 화학물질 또는 단백질을 이용하여 이중나선 절단 후 상동재조합 기작으로 진행되도록 유도하거나, 또는 도너 DNA를 카스 단백질에 결합시켜 전달하는 방법 등이 보고된바 있다(Mol Cells. 2018 Nov 30; 41(11):943-952.). 그러나 이러한 방법들은 세포주에서는 어느 정도 효과가 나타날 수 있으나, in vivo에서는 사용하기 어려운 측면이 있다. 구체적으로, 세포주기 고정에 사용하는 화학물질은 세포에 큰 변화를 주어 유전자에 큰 결손을 유도할 수 있고, 비상동말단연결 저해제 역시 세포내의 정상적인 수선 기작을 저해하여 원하지 않는 돌연변이를 유발할 가능성이 있으며, 도너 DNA를 연결하는 방식은 세포주에서 실험은 가능하나 조직으로의 전달이 어려운 단점이 있다.Until recently, various methods have been attempted to increase the efficiency of gene melting using such homologous recombination. For example, by fixing the cells to the G2-S group using a chemical substance that fixes the cell cycle, gene correction is performed, or by using a chemical substance or protein that inhibits non-homologous end connection, the double helix is cut and then proceeds to a homologous recombination mechanism. It has been reported that a method of inducing or transferring a donor DNA by binding to a cas protein has been reported (Mol Cells. 2018 Nov 30; 41(11):943-952.). However, these methods may have some effect in cell lines, but are difficult to use in vivo. Specifically, chemicals used for cell cycle fixation can cause large changes in cells, leading to large deletions in genes, and non-homologous end-linking inhibitors also have the potential to induce unwanted mutations by inhibiting normal intracellular repair mechanisms. However, the method of linking the donor DNA has a disadvantage that it is possible to experiment in a cell line, but it is difficult to transfer it to the tissue.

따라서 in vitro 뿐만 아니라 in vivo에서도 효율적이고 안전하게 상동재조합에 의한 유전자 교정 효율을 증대시킬 수 있는 방법의 개발이 필요하다.Therefore, it is necessary to develop a method that can increase the efficiency of gene editing by homologous recombination efficiently and safely not only in vitro but also in vivo.

본 발명자들은 유전자 가위를 이용한 유전자 교정 시 in vivo에서도 안전하게 상동재조합 효율을 효과적으로 증대시킬 수 있는 기술을 개발하기 위해 연구 노력한 결과, 세포의 내재적 기작인 오토파지를 유도할 경우 이를 통해 인간세포 및 동물세포에서 상동재조합 효율이 현저히 증가함을 확인하였는바, 이에 기초하여 본 발명을 완성하였다. The present inventors have endeavored to develop a technology that can effectively increase the efficiency of homologous recombination safely in vivo when gene editing using genetic scissors. As a result, when inducing autophagy, an intrinsic mechanism of cells, human cells and animal cells It was confirmed that the homologous recombination efficiency increased significantly, and the present invention was completed based on this.

이에, 본 발명은 오토파지(autophagy) 유도제를 포함하는, 상동재조합(Homologous Recombination)에 의한 유전자 교정 효율 증대용 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a composition for enhancing gene editing efficiency by homologous recombination, including an autophagy inducing agent.

또한, 본 발명은 오토파지(autophagy)를 유도하는 단계를 포함하는, 상동재조합(Homologous Recombination)에 의한 유전자 교정 효율 증대방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.In addition, another object of the present invention is to provide a method for increasing gene editing efficiency by homologous recombination, including the step of inducing autophagy.

그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the problems mentioned above, and other problems that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 오토파지(autophagy) 유도제를 포함하는, 상동재조합(Homologous Recombination)에 의한 유전자 교정 효율 증대용 조성물을 제공한다.In order to achieve the object of the present invention as described above, the present invention provides a composition for enhancing gene correction efficiency by homologous recombination, including an autophagy inducing agent.

본 발명의 일구현예로, 상기 오토파지 유도제는 영양소 결핍 배지 또는 mTOR(mammalian Target of Rapamycin) 억제제일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the autophagy inducing agent may be a nutrient-deficient medium or mTOR (mammalian target of rapamycin) inhibitor.

본 발명의 다른 구현예로, 상기 영양소 결핍 배지는 HBSS(Hanks' balanced salt solution)일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the nutrient-deficient medium may be a Hanks' balanced salt solution (HBSS).

본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 mTOR 억제제는 라파마이신(Rapamycin), 토린 1(Torin 1), 토린 2(Torin 2) 및 PP242로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the mTOR inhibitor may be selected from the group consisting of Rapamycin, Torin 1, Torin 2, and PP242.

본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 유전자 교정은 징크핑거 뉴클레이즈(Zinc Finger Nuclease), 탈렌(TALENs) 및 크리스퍼(CRISPR)로 이루어진 군에서 선택되는 유전자 가위를 통해 일어나는 것일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the gene correction may be performed through genetic scissors selected from the group consisting of Zinc Finger Nuclease, TALENs, and CRISPR.

또한, 본 발명은 오토파지(autophagy)를 유도하는 단계를 포함하는, 상동재조합(Homologous Recombination)에 의한 유전자 교정 효율 증대방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for increasing gene editing efficiency by homologous recombination, including the step of inducing autophagy.

본 발명의 일구현예로, 상기 오토파지 유도는 세포를 영양소 결핍 배지에서 배양함으로써 이루어지는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the autophagy induction may be achieved by culturing cells in a nutrient-deficient medium.

본 발명의 다른 구현예로, 상기 영양소 결핍 배지는 HBSS(Hanks' balanced salt solution)일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the nutrient-deficient medium may be a Hanks' balanced salt solution (HBSS).

본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 오토파지 유도는 세포에 mTOR(mammalian Target of Rapamycin) 억제제를 처리함으로써 이루어지는 것일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the autophagy induction may be performed by treating cells with a mammalian target of rapamycin (mTOR) inhibitor.

본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 mTOR 억제제는 라파마이신(Rapamycin), 토린 1(Torin 1), 토린 2(Torin 2) 및 PP242로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the mTOR inhibitor may be selected from the group consisting of Rapamycin, Torin 1, Torin 2, and PP242.

본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 유전자 교정은 징크핑거 뉴클레이즈(Zinc Finger Nuclease), 탈렌(TALENs) 및 크리스퍼(CRISPR)로 이루어진 군에서 선택되는 유전자 가위를 통해 일어나는 것일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the gene correction may be performed through genetic scissors selected from the group consisting of Zinc Finger Nuclease, TALENs, and CRISPR.

본 발명에 따른 기술은 인간세포 및 동물세포에서 오토파지를 유도함으로써 예컨대 크리스퍼 유전자 가위에 의한 상동재조합 유전자 교정 효율을 약 10배까지 현저히 증대시킬 수 있으며, 또한 세포의 내재적인 오토파지 기전을 이용함으로써 적용할 수 있는 범위가 넓고 특히 in vivo에도 적용할 수 있는바, 기존의 상동재조합 효율 증대 기술의 한계점을 극복할 수 있다. 나아가 본 발명의 기술은 정확하고 효율적인 유전자 교정을 가능하게 하여 생명과학 연구, 유전자 치료 및 신약개발 등의 다양한 분야에서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.The technology according to the present invention can significantly increase the efficiency of homologous recombination gene editing by, for example, CRISPR gene scissors, by inducing autophagy in human cells and animal cells, up to about 10 times, and also utilizes the intrinsic autophagy mechanism of cells. By doing so, the range that can be applied is wide, and especially in vivo , the limitations of the existing homologous recombination efficiency enhancement technology can be overcome. Furthermore, the technology of the present invention is expected to be useful in various fields such as life science research, gene therapy, and new drug development by enabling accurate and efficient gene correction.

도 1은 크리스퍼 유전자 가위를 이용해 인간세포의 내재 유전자인 LMNA의 N-말단 상에 상동서열이 부착된 EGFP 형광단백질을 암호화하는 서열을 삽입하기 위한 모식도를 간략히 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 오토파지 유도 후 상동재조합에 의한 유전자 교정 효율 변화를 확인하기 위한 실험 방법을 간단히 도시한 것이다.
도 3은 인간 세포주(HEK293T, U2OS, HeLa) 및 마우스 세포주(MEF)를 HBSS 배지에서 배양하고 상동재조합에 의한 유전자 교정을 유도한 후, 웨스턴 블롯을 통해 오토파지 유도 여부를 확인하고 유세포 분석을 통해 상동재조합 효율(HDR efficiency)을 측정한 결과이다.
도 4는 인간 세포주(HeLa) 및 마우스 세포주(MEF)에 rapamycin 및 Torin-1을 각각 처리하고 상동재조합에 의한 유전자 교정을 유도한 후, 유세포 분석을 통해 상동재조합 효율(HDR efficiency)을 측정한 결과이다.
1 schematically shows a schematic diagram for inserting a sequence encoding an EGFP fluorescent protein having a homologous sequence attached to the N-terminus of LMNA, an intrinsic gene of human cells, using CRISPR gene scissors.
2 is a brief illustration of an experimental method for confirming the change in gene editing efficiency due to homologous recombination after autophagy induction in an embodiment of the present invention.
3 is a human cell line (HEK293T, U2OS, HeLa) and mouse cell line (MEF) cultured in HBSS medium and induced gene correction by homologous recombination, and then confirmed whether autophagy was induced through Western blot and flow cytometric analysis. This is the result of measuring the homologous recombination efficiency (HDR efficiency).
Figure 4 is a result of measuring the homologous recombination efficiency (HDR efficiency) through flow cytometry after treating a human cell line (HeLa) and a mouse cell line (MEF) with rapamycin and Torin-1, respectively, and inducing gene correction by homologous recombination. to be.

본 발명자들은 종래 기술의 한계점을 극복하고 상동재조합을 통한 유전자 교정 효율을 효과적으로 증대시킬 수 있는 기술을 개발하기 위해 연구 노력한 결과, 세포 내 오토파지 유도를 통해 상동재조합 효율을 현저히 증대시킬 수 있음을 실험적으로 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.As a result of research efforts to overcome the limitations of the prior art and to develop a technology that can effectively increase the efficiency of gene editing through homologous recombination, the present inventors experimentally found that the efficiency of homologous recombination can be significantly increased through induction of intracellular autophagy. By confirming with, the present invention was completed.

이에, 본 발명은 오토파지(autophagy) 유도제를 포함하는, 상동재조합(Homologous Recombination)에 의한 유전자 교정 효율 증대용 조성물을 제공한다.Accordingly, the present invention provides a composition for enhancing gene editing efficiency by homologous recombination, including an autophagy inducer.

또한, 본 발명은 오토파지(autophagy)를 유도하는 단계를 포함하는, 상동재조합(Homologous Recombination)에 의한 유전자 교정 효율 증대방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for increasing gene editing efficiency by homologous recombination, including the step of inducing autophagy.

본 발명자들은 구체적인 실시예를 통해 세포 내에 오토파지를 유도하였을 때 상동재조합을 통한 유전자 교정 효율이 현저히 증대되는 것을 확인하였다.The present inventors have confirmed that the efficiency of gene editing through homologous recombination is remarkably increased when autophagy is induced in cells through specific examples.

보다 구체적으로, 본 발명의 일실시예에서는 크리스퍼 유전자 가위에 의해 유도되는 상동재조합 효율을 실험적으로 측정하기 위하여, 크리스퍼/카스-9 유전자 가위를 제작하고 이를 이용해 인간세포에 존재하는 내재 유전자인 LMNA 유전자에 EGFP 형광단백질을 암호화하는 유전자 서열을 삽입한 도너 DNA를 제작하였으며, 동일한 방법으로 마우스 세포의 LMNA 유전자(MmLmna)에 대해서도 크리스퍼/카스9 유전자 가위와 도너 DNA를 제작하였다(실시예 1 참조).More specifically, in one embodiment of the present invention, in order to experimentally measure the efficiency of homologous recombination induced by CRISPR gene scissors, CRISPR/CAS-9 gene scissors were manufactured and used as an endogenous gene present in human cells. A donor DNA was prepared by inserting the gene sequence encoding the EGFP fluorescent protein into the LMNA gene, and CRISPR/CAS9 gene scissors and donor DNA were also prepared for the LMNA gene (MmLmna) of mouse cells in the same manner (Example 1 Reference).

본 발명의 다른 실시예에서는, 인간 세포 및 마우스 세포에서 오토파지를 유도한 경우 크리스퍼 유전자 가위에 의한 상동재조합 유전자 교정 효율이 증가하는지 여부를 검증하였다. 이를 위해, 인간 세포 및 마우스 세포 각각을 HBSS 배지에서 배양하여 영양소가 결핍된 환경을 조성하거나 mTOR 억제제인 Rapamycin 및 Torin 1을 각각 처리하여 오토파지를 유도하였다. 이와 함께, 실시예 1에서 제작한 크리스퍼/카스9, sgRNA 및 도너 DNA를 세포에 형질감염(transfection)시켜 크리스퍼 유전자 가위에 의한 상동재조합 유전자 교정을 유도한 후, 상동재조합 효율을 측정하였다. 그 결과, 인간 세포 및 마우스 세포 모두에서 오토파지가 유도된 경우 대조군에 비해 상동재조합 효율이 약 10배까지 증가된 것을 확인하였다(실시예 2-1 및 2-2 참조).In another embodiment of the present invention, it was verified whether or not the efficiency of homologous recombination gene editing by CRISPR gene scissors increases when autophagy is induced in human cells and mouse cells. To this end, human cells and mouse cells were each cultured in HBSS medium to create an environment deficient in nutrients, or mTOR inhibitors Rapamycin and Torin 1 were each treated to induce autophagy. In addition, CRISPR/CAS 9, sgRNA, and donor DNA prepared in Example 1 were transfected into cells to induce homologous recombination gene correction by CRISPR gene scissors, and the homologous recombination efficiency was measured. As a result, it was confirmed that when autophagy was induced in both human cells and mouse cells, the homologous recombination efficiency was increased by about 10 times compared to the control (see Examples 2-1 and 2-2).

상기 결과들을 통해 오토파지라는 세포의 내재적 기전을 유도함으로써 상동재조합을 통한 유전자 교정 효율을 효과적으로 증대시킬 수 있음을 알 수 있었다.From the above results, it was found that the efficiency of gene editing through homologous recombination can be effectively increased by inducing an intrinsic mechanism of cells called autophagy.

본 발명에서 사용되는 용어, "오토파지(autophagy)"란 자가소화작용이라고도 하는데, 영양소에너지 결핍 등과 같은 스트레스 조건에서 유도되어 자신의 세포 내 소기관을 분해함으로써 성장이 불리한 상황에서 영양분을 보충하는 메커니즘으로 세포의 항상성 유지에 매우 중요한 과정이며, 따라서 암을 비롯한 다양한 질병에서 오토파지의 활성이 비정상적으로 증가 또는 감소되어 있다는 연구결과들이 보고되어 있다. 세포에서 영양소에너지 결핍에 의한 오토파지가 오랜 시간 동안 유발되면 세포사멸로 진행될 수 있으나, 본 발명에서는 오토파지를 단시간 동안만 유도하고 오토파지 유도 요소를 제거하였으므로 세포사멸로 진행되지 않으면서 크리스퍼-카스 유전자 가위에 의한 상동재조합 효율을 효과적으로 증대시킬 수 있다.The term "autophagy" used in the present invention is also referred to as autophagy. It is a mechanism that supplements nutrients in situations where growth is unfavorable by decomposing organelles in their own cells by being induced under stress conditions such as lack of nutrient energy. It is a very important process for maintaining the homeostasis of cells, and therefore, studies have reported that the activity of autophagy is abnormally increased or decreased in various diseases including cancer. If autophagy due to nutrient energy deficiency in cells is induced for a long time, it may proceed to apoptosis, but in the present invention, autophagy was induced only for a short time and the autophagy inducing element was removed, so that the CRISPR- It is possible to effectively increase the efficiency of homologous recombination by CAS gene scissors.

본 발명에 있어서, 오토파지를 유도하는 방법으로는 세포에 영양소에너지 결핍 조건을 유발하는 것일 수 있으며, 구체적으로 세포를 영양소가 부족 또는 결핍된 배지, 바람직하게는 HBSS(Hanks' balanced salt solution)와 같은 배지에서 배양함으로써 이루어질 수 있으나, 배지의 종류가 이것으로 한정되는 것은 아니며 당업자가 적절한 배지 및 배양 조건을 선택하여 세포에 영양소에너지 결핍 조건을 유발함으로써 오토파지를 유도할 수 있다.In the present invention, the method of inducing autophagy may be to induce a condition of lack of nutrient energy in cells, and specifically, cells with a nutrient-deficient or deficient medium, preferably HBSS (Hanks' balanced salt solution) Although it can be made by culturing in the same medium, the type of medium is not limited thereto, and a person skilled in the art can induce autophagy by inducing nutrient energy deficiency conditions in cells by selecting an appropriate medium and culture conditions.

본 발명에 있어서, 오토파지를 유도하는 또 다른 방법으로 세포에 오토파지의 최상위 신호전달 키나아제인 mTOR의 억제제를 처리하여 오토파지를 유도할 수 있다. 상기 mTOR 억제제는 해당 기술분야에서 사용되고 있는 다양한 물질을 이용할 수 있으며, 바람직하게는 Rapamycin, Torin 1, Torin 2 및 PP242로 이루어진 군에서 선택되는 것을 이용할 수 있으나, 이것으로 제한되는 것은 아니다.In the present invention, as another method of inducing autophagy, autophagy can be induced by treating cells with an inhibitor of mTOR, which is the highest signaling kinase of autophage. As the mTOR inhibitor, various substances used in the relevant technical field may be used, preferably those selected from the group consisting of Rapamycin, Torin 1, Torin 2, and PP242, but are not limited thereto.

본 발명에서 사용되는 용어, "상동재조합을 통한 유전자 교정"은 유전자 가위에 의해 절단된 DNA 이중나선이 세포 내 DNA 수선 기작인 상동재조합 기작을 통해 수선되는 일련의 과정을 의미한다.As used herein, the term "gene correction through homologous recombination" refers to a series of processes in which a DNA double helix cut by a genetic scissors is repaired through a homologous recombination mechanism, which is an intracellular DNA repair mechanism.

상기 유전자 가위는 해당 기술분야에서 유전자 교정편집 기술에 이용되는 것을 모두 포함할 수 있고, 바람직하게는 징크핑거 뉴클레이즈(Zinc Finger Nuclease), 탈렌(TALENs), 크리스퍼-카스(CRISPR-CAS) 또는 크리스퍼-Cpf1일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 크리스퍼-카스(CRISPR-CAS)일 수 있으나, 이것으로 제한되는 것은 아니다.The genetic scissors may include all those used for gene editing and editing techniques in the relevant technical field, preferably zinc finger nuclease (Zinc Finger Nuclease), TALENs (TALENs), CRISPR-CAS (CRISPR-CAS) Alternatively, it may be CRISPR-Cpf1, more preferably CRISPR-CAS, but is not limited thereto.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, a preferred embodiment is presented to aid the understanding of the present invention. However, the following examples are provided for easier understanding of the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the following examples.

[[ 실시예Example ]]

실시예Example 1. 예시 유전자 1. Exemplary genes LMNA에To LMNA EGFP를EGFP 삽입하기 위한 To insert 크리스퍼Crisper 유전자 가위 및 도너 DNA 제작 Genetic scissors and donor DNA production

본 발명자들은 크리스퍼 유전자 가위에 의해 유도되는 상동유전자 재조합 효율을 효과적으로 측정하기 위하여 인간세포에 존재하는 내재 유전자에 형광단백질을 삽입하고자 하였다. 도 1에는 크리스퍼 유전자 가위를 이용해 형광단백질을 삽입하는 모식도를 간략히 나타내었다.The present inventors attempted to insert a fluorescent protein into an endogenous gene present in human cells in order to effectively measure the efficiency of homologous gene recombination induced by CRISPR gene scissors. 1 schematically shows a schematic diagram of inserting a fluorescent protein using CRISPR gene scissors.

보다 구체적으로, 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 인간세포에서 많은 양이 발현되는 핵구조 단백질인 LaminA를 코딩하는 인간 LMNA 유전자의 N-말단을 크리스퍼 유전자 가위로 절단하고 상동(homology) 서열이 양쪽에 부착된 EGFP 서열을 전달함으로써 상동재조합에 의한 EGFP 서열의 삽입을 유도할 수 있다. 상동재조합이 일어나면 EGFP와 LaminA가 결합된 단백질이 발현되어 이를 유세포 분석을 통해 분석하여 상동재조합의 효율을 측정할 수 있다. 또한, 동일한 실험을 마우스 세포주에서 진행하기 위해 mouse LMNA 유전자(MmLmna)에 대해서도 크리스퍼 유전자 가위와 도너 DNA를 제작하였다.More specifically, as shown in FIG. 1, the N-terminus of the human LMNA gene encoding LaminA, a nuclear structural protein expressed in a large amount in human cells, was cut with CRISPR gene scissors, and the homology sequence was Insertion of the EGFP sequence by homologous recombination can be induced by transferring the EGFP sequence attached to the. When homologous recombination occurs, a protein bound to EGFP and LaminA is expressed, which can be analyzed through flow cytometry to measure the efficiency of homologous recombination. In addition, CRISPR gene scissors and donor DNA were prepared for the mouse LMNA gene (MmLmna) in order to carry out the same experiment in the mouse cell line.

실시예Example 2. 2. 인간세포Human cell 및 동물세포에서 And in animal cells 오토파지Autophagy 현상 유도에 의한 Phenomenon-induced 상동재조합Sangdong Reunion 효율 증가Increase efficiency 확인 Confirm

본 발명자들은 오토파지(autophagy) 현상에 의해 상동재조합 효율이 변화되는지를 검증하기 위하여 도 2에 도시된 방법으로 실험을 수행하였다. 세포에서 오토파지 현상을 유도할 수 있는 방법으로 영양소·에너지 결핍 환경을 유도하거나 세포 내 오토파지 신호전달을 전달하는 리셉터 단백질의 저해제를 사용할 수 있다. 따라서 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이 영양소가 결핍된 조건을 만들기 위해 세포를 HBSS 배지에서 배양하거나 mTOR 억제제인 Rapamycin 또는 Torin-1을 세포에 처리하여 오토파지를 유도하고, 상기 실시예 1에서 제작한 CRISPR/Cas9, sgRNA 및 도너 DNA를 세포에 형질감염(transfection)시켜 상동재조합을 통한 유전자 교정을 유도하였다. 이후 형질감염된 세포주에 대하여 유세포분석(FACS)을 통해 EGFP 단백질에 의한 형광 발생 정도를 분석함으로써 상동재조합 효율을 측정하였다.In order to verify whether the homologous recombination efficiency is changed by the autophagy phenomenon, the present inventors performed an experiment by the method shown in FIG. 2. As a method to induce autophagy in cells, an inhibitor of receptor protein that induces a nutrient-energy-deficient environment or transmits intracellular autophagy signaling can be used. Therefore, as shown in Figure 2, in order to create a nutrient-deficient condition, cells were cultured in HBSS medium or treated with mTOR inhibitor Rapamycin or Torin-1 to induce autophagy, and prepared in Example 1 above. CRISPR/Cas9, sgRNA, and donor DNA were transfected into cells to induce gene correction through homologous recombination. Subsequently, the homologous recombination efficiency was measured by analyzing the degree of fluorescence generation by the EGFP protein through flow cytometry (FACS) on the transfected cell line.

2-1. 영양소 결핍 환경에 의한 2-1. Due to a nutrient-deficient environment 오토파지Autophagy 유도 Judo

전술한 바와 같이, 먼저 세포주를 HBSS 배지에서 배양하여 영양소 결핍 환경에 의해 오토파지가 유도되도록 한 후 상기 방법에 따라 세포 내 상동재조합 효율을 측정하였다.As described above, the cell line was first cultured in HBSS medium to induce autophagy due to a nutrient-deficient environment, and then the intracellular homologous recombination efficiency was measured according to the above method.

그 결과, 도 3에 나타낸 바와 같이 인간 세포주(HEK293T, U2OS, HeLa) 및 마우스 세포주(MEF) 각각을 HBSS 배지에서 배양한 결과 오토파지 마커 단백질인 p62 단백질의 발현수준이 감소한 것을 통해 세포 내에서 오토파지가 유도된 것을 확인하였다. 또한, 유세포 분석을 통해 상기 세포들에서 상동재조합 효율을 측정한 결과, 상기 4가지 세포주 모두에서 상동재조합 효율이 대조군(Ctrl)에 비해 약 3~8배 가량 현저하게 증가된 것을 확인하였다.As a result, as shown in FIG. 3, human cell lines (HEK293T, U2OS, HeLa) and mouse cell lines (MEF) were each cultured in HBSS medium. It was confirmed that phage was induced. In addition, as a result of measuring the homologous recombination efficiency in the cells through flow cytometry, it was confirmed that the homologous recombination efficiency was significantly increased by about 3 to 8 times compared to the control (Ctrl) in all of the four cell lines.

2-2.2-2. RapamycinRapamycin 또는 or TorinTorin -1 처리에 의한 -1 by processing 오토파지Autophagy 유도 Judo

상기 실시예 2-1의 결과에 더하여, 각각 인간 HeLa 세포주 및 마우스 MEF세 포주에 오토파지를 유도하는 화합물로 사용되고 있는 라파마이신(Rapamycin) 및 토린 1(Torin 1)을 각각 처리한 후 유세포 분석을 통해 상동재조합 효율을 측정하였다.In addition to the results of Example 2-1, flow cytometry was performed after treatment with Rapamycin and Torin 1, which are used as compounds for inducing autophagy in human HeLa cell lines and mouse MEF cell lines, respectively. Through the homologous recombination efficiency was measured.

그 결과, 도 4에 나타낸 바와 같이 각각 HeLa 및 MEF 세포주에서 Rapamycin 및 Torin 1을 처리한 경우 대조군에 비해 상동재조합 효율이 약 2.5~9배까지 현저히 증가한 것을 확인하였다.As a result, it was confirmed that, as shown in FIG. 4, when Rapamycin and Torin 1 were treated in HeLa and MEF cell lines, respectively, the homologous recombination efficiency was significantly increased by about 2.5 to 9 times compared to the control group.

상기 실시예 2의 결과를 통해 인간 및 동물 세포에서 오토파지 현상의 유도를 통해 상동재조합에 의한 유전자 교정 효율이 현저히 증가함을 알 수 있었다.From the results of Example 2, it was found that the efficiency of gene editing by homologous recombination was remarkably increased through the induction of autophagy in human and animal cells.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.The above description of the present invention is for illustrative purposes only, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to understand that other specific forms can be easily modified without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative and non-limiting in all respects.

Claims (11)

오토파지(autophagy) 유도제를 포함하는, 상동재조합(Homologous Recombination)에 의한 유전자 교정 효율 증대용 조성물.
Autophagy (autophagy) comprising an inducer, homologous recombination (Homologous Recombination) by a composition for increasing the efficiency of gene editing.
제1항에 있어서,
상기 오토파지 유도제는 영양소 결핍 배지 또는 mTOR(mammalian Target of Rapamycin) 억제제인 것을 특징으로 하는, 조성물.
The method of claim 1,
The autophagy inducer is a nutrient-deficient medium or mTOR (mammalian target of rapamycin) inhibitor, characterized in that the composition.
제2항에 있어서,
상기 영양소 결핍 배지는 HBSS(Hanks' balanced salt solution)인 것을 특징으로 하는, 조성물.
The method of claim 2,
The nutrient-deficient medium is HBSS (Hanks' balanced salt solution), characterized in that, the composition.
제2항에 있어서,
상기 mTOR 억제제는 라파마이신(Rapamycin), 토린 1(Torin 1), 토린 2(Torin 2) 및 PP242로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 조성물.
The method of claim 2,
The mTOR inhibitor is characterized in that it is selected from the group consisting of Rapamycin, Torin 1, Torin 2, and PP242.
제1항에 있어서,
상기 유전자 교정은 징크핑거 뉴클레이즈(Zinc Finger Nuclease), 탈렌(TALENs) 및 크리스퍼(CRISPR)로 이루어진 군에서 선택되는 유전자 가위를 통해 일어나는 것을 특징으로 하는, 조성물.
The method of claim 1,
The gene correction is characterized in that occurs through a genetic scissors selected from the group consisting of zinc finger nuclease (Zinc Finger Nuclease), TALENs (TALENs) and CRISPR (CRISPR), the composition.
오토파지(autophagy)를 유도하는 단계를 포함하는, 상동재조합(Homologous Recombination)에 의한 유전자 교정 효율 증대방법.
A method for increasing gene editing efficiency by homologous recombination, comprising the step of inducing autophagy.
제6항에 있어서,
상기 오토파지 유도는 세포를 영양소 결핍 배지에서 배양함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는, 증대방법.
The method of claim 6,
The autophagy induction is characterized in that by culturing the cells in a nutrient-deficient medium.
제7항에 있어서,
상기 영양소 결핍 배지는 HBSS(Hanks' balanced salt solution)인 것을 특징으로 하는, 증대방법.
The method of claim 7,
The nutrient-deficient medium is HBSS (Hanks' balanced salt solution), characterized in that, augmentation method.
제6항에 있어서,
상기 오토파지 유도는 세포에 mTOR(mammalian Target of Rapamycin) 억제제를 처리함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는, 증대방법.
The method of claim 6,
The autophagy induction is characterized in that the cell is treated with an mTOR (mammalian target of rapamycin) inhibitor.
제9항에 있어서,
상기 mTOR 억제제는 라파마이신(Rapamycin), 토린 1(Torin 1), 토린 2(Torin 2) 및 PP242로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 증대방법.
The method of claim 9,
The mTOR inhibitor is characterized in that selected from the group consisting of rapamycin, torin 1 (Torin 1), torin 2 (Torin 2) and PP242, augmentation method.
제6항에 있어서,
상기 유전자 교정은 징크핑거 뉴클레이즈(Zinc Finger Nuclease), 탈렌(TALENs) 및 크리스퍼(CRISPR)로 이루어진 군에서 선택되는 유전자 가위를 통해 일어나는 것을 특징으로 하는, 증대방법.
The method of claim 6,
The gene correction is characterized in that through the gene scissors selected from the group consisting of zinc finger nuclease, TALENs and CRISPR, augmentation method.
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