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JP7539136B2 - Method for site-specific introduction of cas9 gene using viral vector - Google Patents
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JP7539136B2 - Method for site-specific introduction of cas9 gene using viral vector - Google Patents

Method for site-specific introduction of cas9 gene using viral vector Download PDF

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Description

本発明は所望のゲノム領域にcas9遺伝子またはその変異遺伝子を導入する方法および該方法のための導入キットに関する。 The present invention relates to a method for introducing the cas9 gene or a mutant gene thereof into a desired genomic region and an introduction kit for said method.

CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)及びCRISPR関連(Cas)タンパク質は、一本鎖ガイドRNA(sgRNA)及びプロトスペーサー隣接モチーフ(PAM)に依存的な様式で標的DNAを切断することで、細菌の適応免疫系として働くことが知られている。ストレプトコッカス・ピオゲネス(Streptococcus pyogenes)由来のCas9ヌクレアーゼは、DNA二重鎖切断(DSB)の修復経路を有する真核生物において、強力なゲノム編集ツールとして広く使用されている(例えば、非特許文献1、2)。非相同末端結合(NHEJ)経路によるDSBの修復中に、標的DNAに小さな挿入及び/又は欠失(indels)が導入され、部位特異的な遺伝子破壊が生じる(knock out)。また、効率は宿主細胞に依存するものの、標的領域に対するホモロジーアームを含むドナーDNAを提供することにより、相同組換え修復(HDR)によって標的領域に遺伝子を導入することも可能である(knock in)。 CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) and CRISPR-associated (Cas) proteins are known to act as a bacterial adaptive immune system by cleaving target DNA in a single-stranded guide RNA (sgRNA)- and protospacer adjacent motif (PAM)-dependent manner. Cas9 nuclease from Streptococcus pyogenes is widely used as a powerful genome editing tool in eukaryotes that have a DNA double-strand break (DSB) repair pathway (e.g., Non-Patent Documents 1 and 2). During DSB repair by the non-homologous end joining (NHEJ) pathway, small insertions and/or deletions (indels) are introduced into the target DNA, resulting in site-specific gene disruption (knock out). It is also possible to introduce genes into the target region by homology-directed repair (HDR) by providing donor DNA containing homology arms to the target region (knock in), although the efficiency depends on the host cell.

CRISPR/Cas9系を用いてknock inを行う場合、Cas9、sgRNA、ドナーDNAを標的細胞へ導入する際、cas9遺伝子を安定的に発現可能なゲノム領域に導入することができれば、適切なsgRNAとドナーDNAを細胞に供給するのみで、単一遺伝子変異のみならず、癌などでみられる複数の遺伝子変異も効率的に修復することが可能となる。ex vivoでは、ベクターに含まれるDNAサイズに制限がないという特徴を有するトランスフェクション法やエレクトロポレーション法によってcas9遺伝子をゲノムへ導入することが可能であるが、当該方法はin vivoでは適用できない。 When performing knock-in using the CRISPR/Cas9 system, if the cas9 gene can be introduced into a genomic region where it can be stably expressed when introducing Cas9, sgRNA, and donor DNA into target cells, it will be possible to efficiently repair not only single gene mutations but also multiple gene mutations seen in cancer, etc., simply by supplying the appropriate sgRNA and donor DNA to the cells. In ex vivo, the cas9 gene can be introduced into the genome by transfection or electroporation, which have the characteristic that there is no limit to the size of the DNA contained in the vector, but these methods cannot be applied in vivo.

in vivoでゲノムに遺伝子を導入する代表的な方法としては、ウイルスベクターを用いる方法が挙げられる。in vivo法で使用されるウイルスベクターとしては、例えば、レンチウイルスベクター、アデノウイルスベクター、アデノ随伴ウイルスベクターなどが挙げられる。しかし、これらのウイルスベクターの使用には、従来から一長一短があった。例えば、レンチウイルスベクターは宿主のゲノムに容易に所望の遺伝子を組み込むことが可能であるが、組み込む場所を選べないため、予測できない内在性遺伝子の破壊が生じる懸念があるという欠点がある。アデノウイルスベクターは、大きなサイズのDNAであっても搭載することが可能であり、宿主のゲノムへのDNAの挿入が生じないため、内在性遺伝子の破壊が生じない一方、生体にとって免疫原性が強く、頻回投与に向かない。一方、アデノ随伴ウイルスベクターは、免疫原性が低く、組織選択的な遺伝子導入が可能である点で好ましい。しかし、アデノ随伴ウイルスベクターは搭載できるDNAサイズが小さく、cas9遺伝子、sgRNA、ドナーDNAを一度に搭載することができないという欠点があった。従って、in vivoで宿主のゲノムの安全な部位にcas9遺伝子を導入する方法は未だに未解決の問題であった。 A typical method for introducing genes into genomes in vivo is the use of viral vectors. Examples of viral vectors used in the in vivo method include lentiviral vectors, adenoviral vectors, and adeno-associated viral vectors. However, the use of these viral vectors has traditionally had both advantages and disadvantages. For example, lentiviral vectors can easily incorporate desired genes into the genome of a host, but they have the disadvantage that the site of incorporation cannot be selected, which raises the concern that unpredictable destruction of endogenous genes may occur. Adenoviral vectors can carry even large-sized DNA, and since DNA is not inserted into the genome of the host, endogenous genes are not destroyed, but they are highly immunogenic to the living body and are not suitable for frequent administration. On the other hand, adeno-associated viral vectors are preferable in that they have low immunogenicity and can introduce genes selectively into tissues. However, the adeno-associated viral vector has the disadvantage that the DNA size that can be carried is small, and the cas9 gene, sgRNA, and donor DNA cannot be carried at the same time. Therefore, the method for introducing the cas9 gene into a safe site of the host genome in vivo has still not been solved.

Mali, P. et al., Science 339, 823-827 (2013).Mali, P. et al., Science 339, 823-827 (2013).

Cong, L. et al., Science 339, 819-823 (2013).Cong, L. et al., Science 339, 819-823 (2013).

本発明は、ex vivoは勿論、in vivoでも安定的なcas9遺伝子の発現を実現するためのウイルスベクターを用いたcas9遺伝子の部位特異的な導入方法および該方法のための導入キットを提供することを課題とする。 The objective of the present invention is to provide a site-specific introduction method of the cas9 gene using a viral vector to achieve stable expression of the cas9 gene not only ex vivo but also in vivo, and an introduction kit for said method.

本発明者らは、野生型cas9(Cas9v1)遺伝子をレンチウイルスベクターでヒト培養細胞のゲノムにランダムに組み込んだ。さらに、aavs1遺伝子の塩基配列に相補的な塩基配列(sg1配列)、sg1配列によって標的される切断部位の上流塩基配列の相同配列および下流塩基配列の相同配列に挟まれた野生型cas9(Cas9v2)遺伝子のN末端1.9kb断片を搭載したアデノ随伴ウイルスベクターを前記細胞に導入し、Cas9v1の活性を利用して、cas9v2遺伝子のN末端1.9kb断片をaavs1遺伝子内に組み込んだ。さらに、cas9v2遺伝子のN末端1.9kb断片の3’端の塩基配列に相補的な塩基配列(sg2配列)、sg2配列によって標的される切断部位の上流塩基配列の相同配列および下流塩基配列の相同配列に挟まれたcas9v2遺伝子のC末端2.3kb断片を搭載したアデノ随伴ウイルスベクターを前記細胞に導入し、aavs1遺伝子座にcas9v2遺伝子を再構築した。最後に、レンチウイルスベクターのLTRに相補的な塩基配列を含むアデノ随伴ウイルスベクターを前記細胞に導入し、cas9v1遺伝子を除去した。このようにして得られた細胞で発現するCas9v2は機能的であることを確認した。また、cas9v2遺伝子に代わり、D10A変異を有するCas9ニッカーゼやD10A変異およびN876A変異を有する不活性Cas9(dCas9)をaavs1遺伝子座に組み込み、それらが機能的であることを確認した。
本発明者らは、これらの知見に基づいてさらに検討を重ねた結果、本発明を完成させるに至った。
The present inventors randomly integrated the wild-type cas9 (Cas9v1) gene into the genome of human cultured cells using a lentivirus vector. In addition, an adeno-associated virus vector carrying an N-terminal 1.9 kb fragment of the wild-type cas9 (Cas9v2) gene sandwiched between a base sequence (sg1 sequence) complementary to the base sequence of the aavs1 gene, a homologous sequence of the upstream base sequence of the cleavage site targeted by the sg1 sequence, and a homologous sequence of the downstream base sequence was introduced into the cells, and the N-terminal 1.9 kb fragment of the cas9v2 gene was integrated into the aavs1 gene using the activity of Cas9v1. Furthermore, an adeno-associated virus vector carrying a 2.3 kb C-terminal fragment of the cas9v2 gene sandwiched between a base sequence (sg2 sequence) complementary to the base sequence at the 3' end of the N-terminal 1.9 kb fragment of the cas9v2 gene, a homologous sequence of the upstream base sequence of the cleavage site targeted by the sg2 sequence, and a homologous sequence of the downstream base sequence was introduced into the cells, and the cas9v2 gene was reconstructed at the aavs1 locus. Finally, an adeno-associated virus vector containing a base sequence complementary to the LTR of the lentivirus vector was introduced into the cells, and the cas9v1 gene was removed. It was confirmed that the Cas9v2 expressed in the cells thus obtained was functional. In addition, instead of the cas9v2 gene, Cas9 nickase with a D10A mutation and inactive Cas9 (dCas9) with D10A and N876A mutations were incorporated into the aavs1 locus, and it was confirmed that they were functional.
Based on these findings, the present inventors conducted further investigations and have completed the present invention.

すなわち、本発明は以下よりなる。
[1]以下の工程を含む、細胞の所望のゲノム領域にcas9遺伝子またはその変異遺伝子を導入する方法。
(1)細胞でcas9遺伝子またはその変異遺伝子を発現させる工程、
(2)工程(1)で発現したCas9タンパク質またはその変異タンパク質によって細胞の所望のゲノム領域を切断し、該切断部位にcas9遺伝子またはその変異遺伝子に含まれる部分塩基配列を導入する工程、および
(3)工程(1)で発現したCas9タンパク質またはその変異タンパク質によって工程(2)において導入された部分塩基配列を切断し、該切断部位に工程(2)で導入された部分塩基配列以外のcas9遺伝子またはその変異遺伝子に含まれる部分塩基配列を導入し、細胞の所望のゲノム領域でcas9遺伝子またはその変異遺伝子を構築する工程。
[2]工程(1)が、cas9遺伝子またはその変異遺伝子の塩基配列を含むウイルスベクターを細胞に感染させることによって実施される工程である、[1]に記載の方法。
[3]工程(1)が、細胞のゲノムからcas9遺伝子またはその変異遺伝子を発現させる工程である、[2]に記載の方法。
[4]工程(1)のウイルスベクターが、レンチウイルスベクターである、[3]に記載の方法。
[5]工程(2)が、以下の塩基配列を含むウイルスベクターを細胞に感染させることによって実施される工程である、[1]~[4]のいずれか1つに記載の方法。
(i)細胞の所望のゲノム領域の塩基配列に相補的な塩基配列、および
(ii)cas9遺伝子またはその変異遺伝子に含まれる部分塩基配列であって、(i)の塩基配列によって標的される切断部位の上流塩基配列の相同配列および下流塩基配列の相同配列に挟まれた、該部分塩基配列。
[6]工程(2)のウイルスベクターが、アデノ随伴ウイルスベクターである、[5]に記載の方法。
[7]工程(3)が、以下の塩基配列を含むウイルスベクターを細胞に感染させることによって実施される工程である、[1]~[6]のいずれか1つに記載の方法。
(iii)工程(2)において導入される部分塩基配列に相補的な塩基配列、および
(iv)工程(2)において導入される部分塩基配列以外のcas9遺伝子またはその変異遺伝子に含まれる部分塩基配列であって、(iii)の塩基配列によって標的される切断部位の上流塩基配列の相同配列および下流塩基配列の相同配列に挟まれた、該部分塩基配列。
[8]工程(3)のウイルスベクターが、アデノ随伴ウイルスベクターである、[7]に記載の方法。
[9](4)工程(1)のcas9遺伝子またはその変異遺伝子を細胞のゲノムから除去する工程をさらに含む、[2]~[8]のいずれか1つに記載の方法。
[10]工程(4)が、工程(1)のcas9遺伝子またはその変異遺伝子の上流塩基配列に相補的な塩基配列および下流塩基配列に相補的な塩基配列を含むウイルスベクターを細胞に感染させることによって実施される工程である、[9]に記載の方法。
[11]工程(4)のウイルスベクターが、アデノ随伴ウイルスベクターである、[10]に記載の方法。
[12]工程(1)が、ウイルスのゲノムからcas9遺伝子またはその変異遺伝子を発現させる工程である、[2]に記載の方法。
[13]工程(1)のウイルスベクターが、アデノウイルスベクターである、[12]に記載の方法。
[14]工程(1)の変異遺伝子が、D10A変異、H840A変異およびN863A変異からなる群から選択される変異を有するCas9タンパク質をコードする遺伝子である、[1]~[13]のいずれか1つに記載の方法。
[15]工程(3)で構築される変異遺伝子がD10A変異、H840A変異およびN863A変異からなる群から選択される少なくとも1つの変異を有するCas9タンパク質をコードする遺伝子である、[1]~[14]のいずれか1つに記載の方法。
[16]所望のゲノム領域が、aavs1遺伝子座である、[1]~[15]のいずれか1つに記載の方法。
[17]工程(2)で導入される部分塩基配列が、配列番号7または31で表される塩基配列を含む、[1]~[16]のいずれか1つに記載の方法。
[18]工程(3)で導入される部分塩基配列が、配列番号17または32で表される塩基配列を含む、[1]~[17]のいずれか1つに記載の方法。
[19]以下のウイルスベクターを含む、細胞の所望のゲノム領域へのCas9遺伝子またはその変異遺伝子導入キット。
(1)cas9遺伝子またはその変異遺伝子の塩基配列を含むウイルスベクター、
(2)以下の塩基配列を含むウイルスベクター、
(i)細胞の所望のゲノム領域の塩基配列に相補的な塩基配列、および
(ii)cas9遺伝子またはその変異遺伝子に含まれる部分塩基配列であって、(2)(i)の塩基配列によって標的される切断部位の上流塩基配列の相同配列および下流塩基配列の相同配列に挟まれた、該部分塩基配列、
(3)以下の塩基配列を含むウイルスベクター、および
(i)上記(2)(ii)の部分塩基配列に相補的な塩基配列、および
(ii)上記(2)(ii)の部分塩基配列以外のcas9遺伝子またはその変異遺伝子に含まれる部分塩基配列であって、(3)(i)の塩基配列によって標的される切断部位の上流塩基配列および下流塩基配列に挟まれた、該部分塩基配列。
[20](1)のウイルスベクターが、レンチウイルスベクターまたはアデノウイルスベクターである、[19]に記載のキット。
[21](2)のウイルスベクターが、アデノ随伴ウイルスベクターである、[19]または[20]に記載のキット。
[22](3)のウイルスベクターが、アデノ随伴ウイルスベクターである、[19]~[21]のいずれか1つに記載のキット。
[23](4)上記(1)のcas9遺伝子またはその変異遺伝子の上流塩基配列に相補的な塩基配列および下流塩基配列に相補的な塩基配列を含むウイルスベクターをさらに含む、[19]~[22]のいずれか1つに記載のキット。
[24](4)のウイルスベクターが、アデノ随伴ウイルスベクターである、[23]に記載のキット。
[25](1)のウイルスベクターに含まれる変異遺伝子が、D10A変異、H840A変異およびN863A変異からなる群から選択される変異を有するCas9タンパク質をコードする遺伝子である[19]~[24]のいずれか1つに記載のキット。
[26](2)または(3)のウイルスベクターに含まれる変異遺伝子が、D10A変異、H840A変異およびN863A変異からなる群から選択される少なくとも1つの変異を有するCas9タンパク質をコードする遺伝子である、[19]~[25]のいずれか1つに記載のキット。
[27]所望のゲノム領域が、aavs1遺伝子座である、[19]~[26]のいずれか1つに記載のキット。
[28](2)のウイルスベクターに含まれる部分塩基配列が、配列番号7または31で表される塩基配列を含む、[19]~[27]のいずれか1つに記載のキット。
[29](3)のウイルスベクターに含まれる部分塩基配列が、配列番号17または32で表される塩基配列を含む、[19]~[28]のいずれか1つに記載のキット。
That is, the present invention comprises the following.
[1] A method for introducing a cas9 gene or a mutated gene thereof into a desired genomic region of a cell, comprising the steps of:
(1) expressing the cas9 gene or a mutated version thereof in a cell;
(2) cleaving a desired genomic region of the cell with the Cas9 protein or its mutant protein expressed in step (1) and introducing a partial base sequence contained in the cas9 gene or its mutant gene into the cleavage site; and (3) cleaving the partial base sequence introduced in step (2) with the Cas9 protein or its mutant protein expressed in step (1) and introducing a partial base sequence contained in the cas9 gene or its mutant gene other than the partial base sequence introduced in step (2) into the cleavage site, thereby constructing the cas9 gene or its mutant gene in the desired genomic region of the cell.
[2] The method according to [1], wherein step (1) is carried out by infecting a cell with a viral vector containing the base sequence of the cas9 gene or a mutated gene thereof.
[3] The method according to [2], wherein step (1) is a step of expressing the cas9 gene or a mutated gene thereof from the genome of the cell.
[4] The method according to [3], wherein the viral vector in step (1) is a lentiviral vector.
[5] The method according to any one of [1] to [4], wherein the step (2) is carried out by infecting a cell with a viral vector comprising the following base sequence:
(i) a nucleotide sequence complementary to a nucleotide sequence of a desired genomic region of the cell; and
(ii) A partial base sequence contained in the cas9 gene or a mutant gene thereof, the partial base sequence being sandwiched between a homologous sequence of the upstream base sequence and a homologous sequence of the downstream base sequence of the cleavage site targeted by the base sequence of (i).
[6] The method according to [5], wherein the viral vector in step (2) is an adeno-associated viral vector.
[7] The method according to any one of [1] to [6], wherein the step (3) is carried out by infecting a cell with a viral vector comprising the following base sequence:
(iii) a base sequence complementary to the partial base sequence introduced in step (2), and
(iv) A partial base sequence contained in the cas9 gene or a mutant gene thereof other than the partial base sequence introduced in step (2), the partial base sequence being sandwiched between a homologous sequence of the upstream base sequence and a homologous sequence of the downstream base sequence of the cleavage site targeted by the base sequence of (iii).
[8] The method according to [7], wherein the viral vector in step (3) is an adeno-associated viral vector.
[9] (4) The method according to any one of [2] to [8], further comprising a step of removing the cas9 gene or a mutated gene thereof of step (1) from the genome of the cell.
[10] The method according to [9], wherein step (4) is carried out by infecting a cell with a viral vector comprising a base sequence complementary to the upstream base sequence and a base sequence complementary to the downstream base sequence of the cas9 gene or its mutated gene in step (1).
[11] The method according to [10], wherein the viral vector in step (4) is an adeno-associated viral vector.
[12] The method described in [2], wherein step (1) is a step of expressing the cas9 gene or a mutated gene thereof from the viral genome.
[13] The method according to [12], wherein the viral vector in step (1) is an adenoviral vector.
[14] The method according to any one of [1] to [13], wherein the mutant gene in step (1) is a gene encoding a Cas9 protein having a mutation selected from the group consisting of a D10A mutation, an H840A mutation, and an N863A mutation.
[15] The method according to any one of [1] to [14], wherein the mutant gene constructed in step (3) is a gene encoding a Cas9 protein having at least one mutation selected from the group consisting of a D10A mutation, an H840A mutation, and an N863A mutation.
[16] The method according to any one of [1] to [15], wherein the desired genomic region is the aavs1 locus.
[17] The method according to any one of [1] to [16], wherein the partial base sequence introduced in step (2) comprises the base sequence represented by SEQ ID NO: 7 or 31.
[18] The method according to any one of [1] to [17], wherein the partial base sequence introduced in step (3) comprises the base sequence represented by SEQ ID NO: 17 or 32.
[19] A kit for introducing a Cas9 gene or a mutant gene thereof into a desired genomic region of a cell, comprising the following viral vector:
(1) a viral vector containing the base sequence of the cas9 gene or a mutant gene thereof;
(2) a viral vector comprising the following nucleotide sequence:
(i) a nucleotide sequence complementary to a nucleotide sequence of a desired genomic region of the cell; and
(ii) A partial base sequence contained in the cas9 gene or a mutant gene thereof, the partial base sequence being sandwiched between a homologous sequence of an upstream base sequence and a homologous sequence of a downstream base sequence of a cleavage site targeted by the base sequence of (2) (i);
(3) A viral vector comprising the following nucleotide sequence:
(i) a base sequence complementary to the partial base sequence of (2)(ii) above; and
(ii) A partial base sequence contained in the cas9 gene or a mutant gene thereof other than the partial base sequence of (2)(ii) above, the partial base sequence being sandwiched between the upstream base sequence and the downstream base sequence of the cleavage site targeted by the base sequence of (3)(i).
[20] The kit according to [19], wherein the viral vector of (1) is a lentiviral vector or an adenoviral vector.
[21] The kit according to [19] or [20], wherein the viral vector of (2) is an adeno-associated viral vector.
[22] The kit according to any one of [19] to [21], wherein the viral vector of (3) is an adeno-associated viral vector.
[23] (4) The kit according to any one of [19] to [22], further comprising a viral vector comprising a base sequence complementary to the upstream base sequence and a base sequence complementary to the downstream base sequence of the cas9 gene or a mutant gene thereof of (1) above.
[24] The kit according to [23], wherein the viral vector of (4) is an adeno-associated viral vector.
[25] The kit according to any one of [19] to [24], wherein the mutant gene contained in the viral vector of (1) is a gene encoding a Cas9 protein having a mutation selected from the group consisting of a D10A mutation, an H840A mutation, and an N863A mutation.
[26] The kit according to any one of [19] to [25], wherein the mutant gene contained in the viral vector of (2) or (3) is a gene encoding a Cas9 protein having at least one mutation selected from the group consisting of a D10A mutation, an H840A mutation, and an N863A mutation.
[27] The kit according to any one of [19] to [26], wherein the desired genomic region is the aavs1 locus.
[28] The kit according to any one of [19] to [27], wherein the partial base sequence contained in the viral vector of (2) includes the base sequence represented by SEQ ID NO: 7 or 31.
[29] The kit according to any one of [19] to [28], wherein the partial base sequence contained in the viral vector of (3) includes the base sequence represented by SEQ ID NO: 17 or 32.

本発明によれば、ex vivoは勿論、in vivoでも安定的なcas9遺伝子の発現が可能となり、適切なsgRNAとドナーDNAを細胞に供給するのみで、単一遺伝子変異のみならず、癌などでみられる複数の遺伝子変異も効率的に修復することが可能となる。 According to the present invention, stable expression of the cas9 gene is possible not only ex vivo but also in vivo, and by simply supplying cells with the appropriate sgRNA and donor DNA, it is possible to efficiently repair not only single gene mutations but also multiple gene mutations seen in cancer and other conditions.

図1は、AAVS1遺伝子座へのCas9の組み込みのための4工程戦略の模式図を示す。FIG. 1 shows a schematic diagram of the four-step strategy for integration of Cas9 into the AAVS1 locus. 図2は、AAVS1遺伝子座にN末端1.9kb Cas9v2を導入するためのAAVベクター#1コンストラクトを示す。FIG. 2 shows the AAV vector #1 construct for introducing the N-terminal 1.9 kb Cas9v2 into the AAVS1 locus. 図3は、ゲノム構造およびN末端Cas9v2発現を確認するためのPCRおよび免疫ブロットを示す。FIG. 3 shows PCR and immunoblot to confirm genomic structure and N-terminal Cas9v2 expression. 図4は、AAVS1遺伝子座中で全長Cas9v2-FLAGを再構築するためのAAVベクター#2コンストラクトを示す。FIG. 4 shows the AAV vector #2 construct for reconstituting full-length Cas9v2-FLAG in the AAVS1 locus. 図5は、AAVS1遺伝子座における全長Cas9v2-FLAGの再構築を確認するためのPCRおよび免疫ブロットを示す。FIG. 5 shows PCR and immunoblot to confirm the reconstruction of full-length Cas9v2-FLAG at the AAVS1 locus. 図6は、ゲノム中に組み込まれたレンチウイルスLTRを標的とするAAVベクター#3コンストラクトを示す。FIG. 6 shows the AAV vector #3 construct targeting the lentiviral LTR integrated into the genome. 図7は、ゲノムからCas9v1-Mycを含むレンチウイルスの除去を示す。FIG. 7 shows the removal of lentivirus containing Cas9v1-Myc from the genome. 図8は、再構築されたCas9v2-FLAGの機能を検証するためのAAVベクター#4を用いたIFNAR1のノックアウトを示す。FIG. 8 shows knockout of IFNAR1 using AAV vector #4 to verify the function of the reconstructed Cas9v2-FLAG. 図9は、Cas9(Nick)-Mycを用いた4工程ストラテジーの模式図を示す。FIG. 9 shows a schematic diagram of the four-step strategy using Cas9(Nick)-Myc. 図10は、AAVベクターの連続的感染方法を示す。FIG. 10 shows a method for sequential infection of AAV vectors. 図11は、HEK 293TにおけるCas9v1-Mycの発現を示す。FIG. 11 shows expression of Cas9v1-Myc in HEK 293T. 図12は、N末端Cas9v2クローン#8の2つのアリルの構造を示す。FIG. 12 shows the structure of two alleles of N-terminal Cas9v2 clone #8. 図13は、薬剤選択なしで、ランダムに組み込まれたCas9v1-Mycを含むレンチウイルスのゲノムからの除去を示す。FIG. 13 shows the removal of randomly integrated Cas9v1-Myc-containing lentivirus genomes without drug selection. 図14は、薬剤選択なしで、ランダムに組み込まれたCas9v1-Mycを含むレンチウイルスのゲノムからの除去を示す。FIG. 14 shows the removal of randomly integrated Cas9v1-Myc-containing lentivirus genomes without drug selection. 図15は、薬剤選択なしで、ゲノムに組み込まれたレンチウイルスの除去の評価を示す。FIG. 15 shows the assessment of elimination of genomically integrated lentivirus without drug selection. 図16は、sgRNA処理後のIFNAR1遺伝子のDNA配列解析を示す。FIG. 16 shows DNA sequence analysis of the IFNAR1 gene after sgRNA treatment. 図17は、AAVS1遺伝子座にN末端1.9kb Cas9v2ニッカーゼを導入するためのAAVベクター#5コンストラクトを示す。FIG. 17 shows the AAV vector #5 construct for introducing the N-terminal 1.9 kb Cas9v2 nickase into the AAVS1 locus. 図18は、ゲノム構造およびN末端Cas9v2ニッカーゼ発現を確認するためのPCRおよび免疫ブロットを示す。FIG. 18 shows PCR and immunoblot to confirm genomic structure and N-terminal Cas9v2 nickase expression. 図19は、AAVS1遺伝子座における全長Cas9v2-FLAGニッカーゼの再構築を示す。FIG. 19 shows reconstruction of full-length Cas9v2-FLAG nickase at the AAVS1 locus. 図20は、全長Cas9v2-FLAGニッカーゼの再構築を確認するためのPCRおよび免疫ブロットを示す。FIG. 20 shows PCR and immunoblot to confirm reconstitution of full-length Cas9v2-FLAG nickase. 図21は、薬剤選択なしで、全長Cas9v2-FLAGニッカーゼが再構築できたことを確認するためのPCRおよび免疫ブロットを示す。FIG. 21 shows PCR and immunoblot to confirm that full-length Cas9v2-FLAG nickase could be reconstituted without drug selection. 図22は、Cas9v1-Mycを含むレンチウイルスの除去を示す。FIG. 22 shows the removal of lentivirus containing Cas9v1-Myc. 図23は、薬剤選択なしで、Cas9v1-Mycを含むレンチウイルスの除去を示す。FIG. 23 shows the elimination of lentivirus containing Cas9v1-Myc without drug selection. 図24は、Cas9v2-FLAGニッカーゼの機能を検証するためのAAVベクター#4を用いたIFNAR1のノックアウトを示す図である。FIG. 24 shows knockout of IFNAR1 using AAV vector #4 to verify the function of Cas9v2-FLAG nickase. 図25は、sgRNA処理後のIFNAR1遺伝子の配列解析を示す。FIG. 25 shows sequence analysis of the IFNAR1 gene after sgRNA treatment. 図26は、AAVS1遺伝子座における全長dCas9v2-VP64を再構築するためのAAVベクター#6コンストラクトを示す。FIG. 26 shows the AAV vector #6 construct for reconstituting full-length dCas9v2-VP64 at the AAVS1 locus. 図27は、AAVS1遺伝子座における全長dCas9v2-VP64の再構築を確認するためのPCRおよび免疫ブロットを示す。FIG. 27 shows PCR and immunoblot to confirm the reconstruction of full-length dCas9v2-VP64 at the AAVS1 locus. 図28は、薬剤選択なしで、AAVS1遺伝子座における全長dCas9v2-VP64の再構築を確認するためのPCRおよび免疫ブロットを示す。FIG. 28 shows PCR and immunoblot to confirm reconstitution of full-length dCas9v2-VP64 at the AAVS1 locus without drug selection. 図29は、Cas9v1-Mycを含むレンチウイルスの除去を示す。FIG. 29 shows the removal of lentivirus containing Cas9v1-Myc. 図30は、再構築されたdCas9v2-VP64を介した内因性IFNβ遺伝子プロモーターの活性化を示す。FIG. 30 shows activation of the endogenous IFNβ gene promoter via reconstituted dCas9v2-VP64. 図31は、全ての方法の各工程における2つの独立クローンの免疫ブロット解析を示す。FIG. 31 shows immunoblot analysis of two independent clones at each step of the entire process. 図32は、全ての方法の各工程における2つの独立クローンの免疫ブロット解析を示す。FIG. 32 shows immunoblot analysis of two independent clones at each step of the entire process. 図33は、MycタグされたCas9ニッカーゼ(Cas9(Nick)-Myc)を発現するためのレンチウイルスコンストラクトを示す。FIG. 33 shows a lentiviral construct for expressing Myc-tagged Cas9 nickase (Cas9(Nick)-Myc). 図34は、薬剤選択なしで、レンチウイルスCas9(Nick)-Mycを発現するHEK 293T細胞の出現を示す。FIG. 34 shows the emergence of HEK 293T cells expressing lentiviral Cas9(Nick)-Myc without drug selection. 図35は、AAVS1遺伝子座にN末端1.9kb Cas9v2ニッカーゼを導入するためのAAVベクター#7コンストラクトを示す。FIG. 35 shows the AAV vector #7 construct for introducing the N-terminal 1.9 kb Cas9v2 nickase into the AAVS1 locus. 図36は、AAVS1遺伝子座へのN末端1.9kb Cas9v2ニッカーゼの導入を示す。FIG. 36 shows introduction of the N-terminal 1.9 kb Cas9v2 nickase into the AAVS1 locus. 図37は、AAVS1遺伝子座における全長Cas9v2-FLAGニッカーゼ再構築するためのAAVベクター#8コンストラクトを示す。FIG. 37 shows the AAV vector #8 construct for reconstituting full-length Cas9v2-FLAG nickase at the AAVS1 locus. 図38は、AAVS1遺伝子座における全長Cas9v2-FLAGニッカーゼの再構築を示す。FIG. 38 shows reconstruction of full-length Cas9v2-FLAG nickase at the AAVS1 locus. 図39は、AAVS1遺伝子座における全長dCas9v2-VP64を再構築するためのAAVベクター#9コンストラクトを示す。FIG. 39 shows the AAV vector #9 construct for reconstituting full-length dCas9v2-VP64 at the AAVS1 locus. 図40は、AAVS1遺伝子座における全長dCas9v2-VP64の再構築を示す。FIG. 40 shows reconstruction of full-length dCas9v2-VP64 at the AAVS1 locus. 図41は、AAVベクター#7と#8の連続感染により、AAVS1遺伝子座における全長Cas9v2-FLAGニッカーゼの再構築を確認するためのPCRおよび免疫ブロットを示す。FIG. 41 shows PCR and immunoblot to confirm the reconstitution of full-length Cas9v2-FLAG nickase at the AAVS1 locus by sequential infection with AAV vectors #7 and #8. 図42は、AAVベクター#7と#9の連続感染により、AAVS1遺伝子座における全長dCas9v2-VP64の再構築を確認するためのPCRおよび免疫ブロットを示す。FIG. 42 shows PCR and immunoblot to confirm the reconstruction of full-length dCas9v2-VP64 at the AAVS1 locus by sequential infection with AAV vectors #7 and #9. 図43は、図41で再構築された全長Cas9v2ニッカーゼー-FLAG遺伝子を有する293T細胞 (クローン#1-#6)のゲノム構造の比較を示す。FIG. 43 shows a comparison of the genomic structures of 293T cells (clones #1-#6) carrying the full-length Cas9v2 nickase-FLAG gene reconstructed in FIG. 41. 図44は、図41D、図42Dの免疫ブロットで検出できなかった293T細胞においてもすべてのクローンで遺伝子レベルではCas9(Nick)-Mycのレンチウイルスゲノムの組み込みが残っていることを示す。Figure 44 shows that integration of the Cas9(Nick)-Myc lentiviral genome remained at the gene level in all clones, even in 293T cells, where it was not detectable by the immunoblots in Figures 41D and 42D.

本発明は、細胞の所望のゲノム領域にcas9遺伝子またはその変異遺伝子を導入する方法(以下、本発明の方法)を提供する。 The present invention provides a method for introducing the cas9 gene or a mutant gene thereof into a desired genomic region of a cell (hereinafter, the method of the present invention).

本発明の方法において導入されるcas9遺伝子によってコードされるタンパク質は、細菌及び古細菌において外来性遺伝子に対する獲得耐性を提供する適応免疫系を構成するCasタンパク質ファミリーの一つである。Cas9タンパク質はDNA中のPAM配列を認識して、その上流で切断するエンドヌクレアーゼとして機能する。Cas9タンパク質は、エンドヌクレアーゼ活性を有する機能ドメインを2つ含むため、二本鎖DNAを平滑末端になるように切断することができる。従って、本発明の方法において導入されるcas9遺伝子は、ガイドRNAと複合体を形成し、二本鎖DNA切断活性を有するタンパク質をコードする遺伝子を意味する。 The protein encoded by the cas9 gene introduced in the method of the present invention is a member of the Cas protein family that constitutes the adaptive immune system that provides acquired resistance to foreign genes in bacteria and archaea. The Cas9 protein functions as an endonuclease that recognizes the PAM sequence in DNA and cleaves it upstream. The Cas9 protein contains two functional domains with endonuclease activity, and is therefore capable of cleaving double-stranded DNA to produce blunt ends. Therefore, the cas9 gene introduced in the method of the present invention refers to a gene that forms a complex with a guide RNA and encodes a protein that has double-stranded DNA cleavage activity.

本発明の方法において導入されるcas9遺伝子としては、例えば、ストレプトコッカス ピオゲネス(Streptococcus pyogenes)に由来するSpCas9をコードする遺伝子、ストレプトコッカス サーモフィラス(Streptococcus thermophilus)に由来するStCas9をコードする遺伝子、ナイセリア メニンギチジス(Neisseria meningitidis)に由来するNmCas9をコードする遺伝子等が挙げられ、これらに限定されない。 Examples of the cas9 gene to be introduced in the method of the present invention include, but are not limited to, a gene encoding SpCas9 derived from Streptococcus pyogenes, a gene encoding StCas9 derived from Streptococcus thermophilus, and a gene encoding NmCas9 derived from Neisseria meningitidis.

また、本発明の方法において導入されるcas9遺伝子は変異cas9遺伝子であってもよい。変異cas9遺伝子は、ガイドRNAとの複合体の形成能を維持しつつ、かつ、エンドヌクレアーゼ活性を有する機能ドメインが1つまたは2つ不活性化されている変異を有する遺伝子であれば、特に制限されない。そのような変異cas9遺伝子としては、一実施態様においては、例えば、cas9タンパク質の10番目アスパラギン酸がアラニンに置換される変異(D10A変異)、840番目ヒスチジンがアラニンに置換される変異(H840A変異)、および863番目アスパラギンがアラニンに置換される変異(N863A変異)からなる群から選択される変異を有するcas9遺伝子が挙げられる。また別の実施態様においては、変異cas9遺伝子は、例えば、cas9タンパク質の10番目アスパラギン酸がアラニンに置換される変異(D10A変異)、840番目ヒスチジンがアラニンに置換される変異(H840A変異)、および863番目アスパラギンがアラニンに置換される変異(N863A変異)からなる群から選択される少なくとも1つの変異を有するcas9遺伝子が挙げられる。D10A変異、H840A変異およびN863A変異からなる群から選択される変異を有するcas9遺伝子によってコードされるタンパク質は、Cas9タンパク質の2つのエンドヌクレアーゼドメインのうちの1つが不活性化されており、二本鎖DNAのうちの片側の鎖のみを切断するニッカーゼとして働くため、オフターゲット効果の抑制を期待することができる。また、D10A変異およびH840A変異、D10A変異およびN863A変異、またはD10A変異、H840A変異およびN863A変異を有するcas9遺伝子によってコードされるタンパク質は、Cas9タンパク質の2つのエンドヌクレアーゼドメインが不活性化されており、DNAを切断することはできないが、この変異を有するCas9タンパク質に転写活性化因子と融合タンパク質を形成させることにより、標的遺伝子の転写を活性化できる。 In addition, the cas9 gene introduced in the method of the present invention may be a mutant cas9 gene. The mutant cas9 gene is not particularly limited as long as it maintains the ability to form a complex with the guide RNA and has a mutation in which one or two functional domains having endonuclease activity are inactivated. In one embodiment, such a mutant cas9 gene may be, for example, a cas9 gene having a mutation selected from the group consisting of a mutation in which the 10th aspartic acid of the cas9 protein is replaced with alanine (D10A mutation), a mutation in which the 840th histidine is replaced with alanine (H840A mutation), and a mutation in which the 863rd asparagine is replaced with alanine (N863A mutation). In another embodiment, the mutated cas9 gene may be, for example, a cas9 gene having at least one mutation selected from the group consisting of a mutation in which the 10th aspartic acid of the cas9 protein is replaced with alanine (D10A mutation), a mutation in which the 840th histidine is replaced with alanine (H840A mutation), and a mutation in which the 863rd asparagine is replaced with alanine (N863A mutation). A protein encoded by a cas9 gene having a mutation selected from the group consisting of D10A mutation, H840A mutation, and N863A mutation has one of the two endonuclease domains of the Cas9 protein inactivated, and acts as a nickase that cuts only one strand of double-stranded DNA, so that off-target effects can be expected to be suppressed. In addition, the protein encoded by the cas9 gene having the D10A and H840A mutations, the D10A and N863A mutations, or the D10A, H840A, and N863A mutations has two endonuclease domains inactivated and cannot cleave DNA, but the transcription of the target gene can be activated by forming a fusion protein with a transcription activator using a Cas9 protein having this mutation.

本発明の方法においてcas9遺伝子またはその変異遺伝子が導入される細胞とは、生体内の細胞であってもよいし、培養細胞であってもよい。生体としては、特に制限されるものではないが、ヒトまたは他の温血動物(例、マウス、ラット、ウサギ、ヒツジ、ブタ、ウシ、ネコ、イヌ、サル、トリなど)があげられる。生体内の細胞としては、本発明の方法でcas9遺伝子またはその変異遺伝子を導入できるあらゆる細胞であってよく、例えば、肝細胞、脾細胞、神経細胞、グリア細胞、膵β細胞、骨髄細胞、メサンギウム細胞、ランゲルハンス細胞、表皮細胞、上皮細胞、杯細胞、内皮細胞、平滑筋細胞、線維芽細胞、線維細胞、筋細胞、脂肪細胞、免疫細胞(例、マクロファージ、T細胞、B細胞、ナチュラルキラー細胞、肥満細胞、好中球、好塩基球、好酸球、単球)、巨核球、滑膜細胞、軟骨細胞、骨細胞、骨芽細胞、破骨細胞、乳腺細胞、もしくは間質細胞、またはこれら細胞の前駆細胞、幹細胞、ガン細胞が挙げられ、なんらかの疾患の原因となる細胞であることが好ましい。培養細胞としては、前記の細胞の培養細胞であれば特に制限されない。 In the method of the present invention, the cells into which the cas9 gene or its mutant gene is introduced may be cells in a living body or cultured cells. The living body may be, but is not limited to, a human or other warm-blooded animal (e.g., mouse, rat, rabbit, sheep, pig, cow, cat, dog, monkey, bird, etc.). The cells in the body may be any cells into which the cas9 gene or its mutant gene can be introduced by the method of the present invention, such as hepatocytes, spleen cells, nerve cells, glial cells, pancreatic β cells, bone marrow cells, mesangial cells, Langerhans cells, epidermal cells, epithelial cells, goblet cells, endothelial cells, smooth muscle cells, fibroblasts, fibrocytes, muscle cells, adipocytes, immune cells (e.g., macrophages, T cells, B cells, natural killer cells, mast cells, neutrophils, basophils, eosinophils, monocytes), megakaryocytes, synovial cells, chondrocytes, osteocytes, osteoblasts, osteoclasts, mammary cells, or stromal cells, or precursor cells, stem cells, or cancer cells of these cells, and are preferably cells that cause some disease. The cultured cells are not particularly limited as long as they are cultured cells of the above-mentioned cells.

本発明の方法においてcas9遺伝子またはその変異遺伝子が導入される細胞の所望のゲノム領域とは、cas9遺伝子またはその変異遺伝子が安定に発現できるゲノム領域であれば特に制限されない。そのようなゲノム領域としては例えば、AAVS1遺伝子座、hROSA26遺伝子座、CCR5遺伝子座などが挙げられ、最も解析が進み多用されているAAVS1遺伝子座が好ましい。 In the method of the present invention, the desired genomic region of the cell into which the cas9 gene or its mutant gene is introduced is not particularly limited as long as it is a genomic region in which the cas9 gene or its mutant gene can be stably expressed. Examples of such genomic regions include the AAVS1 locus, the hROSA26 locus, and the CCR5 locus, and the AAVS1 locus, which has been most extensively analyzed and is used frequently, is preferred.

本発明の方法は以下の工程を含む。
(1)細胞でcas9遺伝子またはその変異遺伝子を発現させる工程。
(2)工程(1)で発現したCas9タンパク質またはその変異タンパク質によって細胞の所望のゲノム領域を切断し、該切断部位にcas9遺伝子またはその変異遺伝子に含まれる部分塩基配列を導入する工程。
(3)工程(1)で発現したCas9タンパク質またはその変異タンパク質によって工程(2)において導入された部分塩基配列を切断し、該切断部位に工程(2)で導入された部分塩基配列以外のcas9遺伝子またはその変異遺伝子に含まれる部分塩基配列を導入し、細胞の所望のゲノム領域でcas9遺伝子またはその変異遺伝子を構築する工程。
The method of the present invention comprises the following steps.
(1) A process for expressing the cas9 gene or a mutated gene thereof in a cell.
(2) A step of cleaving a desired genomic region of the cell using the Cas9 protein or a mutant protein thereof expressed in step (1) and introducing a partial base sequence contained in the Cas9 gene or a mutant gene thereof into the cleavage site.
(3) A process of cleaving the partial base sequence introduced in step (2) by the Cas9 protein or its mutant protein expressed in step (1), and introducing a partial base sequence contained in the cas9 gene or its mutant gene other than the partial base sequence introduced in step (2) into the cleavage site, thereby constructing the cas9 gene or its mutant gene in a desired genomic region of the cell.

本発明の方法は、細胞でcas9遺伝子またはその変異遺伝子(以下、工程(1)のcas9遺伝子)を発現させる工程(工程(1))を含む。導入される工程(1)のcas9遺伝子は、ガイドRNAと複合体を形成し、二本鎖DNA切断活性を有するタンパク質をコードする遺伝子であれば制限されず、例えば、前記のcas9遺伝子が好ましく用いられる。また、導入される工程(1)のcas9遺伝子の変異遺伝子は、Cas9タンパク質の10番目アスパラギン酸がアラニンに置換される変異(D10A変異)、840番目ヒスチジンがアラニンに置換される変異(H840A変異)、および863番目アスパラギンがアラニンに置換される変異(N863A変異)からなる群から選択される変異を有するcas9遺伝子が挙げられる。工程(1)のcas9遺伝子としては、オフターゲット効果の抑制を期待することができるため、変異遺伝子がより好ましい。 The method of the present invention includes a step (step (1)) of expressing the cas9 gene or a mutant gene thereof (hereinafter, the cas9 gene of step (1)) in a cell. The cas9 gene to be introduced in step (1) is not limited as long as it is a gene that forms a complex with a guide RNA and encodes a protein having double-stranded DNA cleavage activity, and for example, the above-mentioned cas9 gene is preferably used. In addition, the mutant gene of the cas9 gene to be introduced in step (1) includes a cas9 gene having a mutation selected from the group consisting of a mutation in which the 10th aspartic acid of the Cas9 protein is replaced with alanine (D10A mutation), a mutation in which the 840th histidine is replaced with alanine (H840A mutation), and a mutation in which the 863rd asparagine is replaced with alanine (N863A mutation). As the cas9 gene in step (1), a mutant gene is more preferable because it is expected to suppress off-target effects.

工程(1)において、細胞における工程(1)のcas9遺伝子の発現は、前記の細胞内でCas9タンパク質またはその変異タンパク質(以下、工程(1)のCas9タンパク質)が発現していれば特に制限されないが、例えば、該工程(1)は、工程(1)のcas9遺伝子の塩基配列を含むウイルスベクターを細胞に感染させることによって実施される。細胞の感染に使用されるウイルスベクターとしては、工程(1)のcas9遺伝子を細胞のゲノムに導入することによって発現させるウイルスベクターまたは該遺伝子を細胞のゲノムに導入することなく、ウイルスベクターから直接的に発現させるウイルスベクターが挙げられるが、後述する通り、細胞のゲノムに導入された工程(1)のcas9遺伝子を除去する必要がないという利点のために、ウイルスベクターから工程(1)のcas9遺伝子を直接的に発現させるウイルスベクターがより好ましい。 In step (1), the expression of the cas9 gene of step (1) in the cells is not particularly limited as long as the Cas9 protein or a mutant protein thereof (hereinafter, the Cas9 protein of step (1)) is expressed in the cells. For example, step (1) is carried out by infecting the cells with a viral vector containing the base sequence of the cas9 gene of step (1). Examples of viral vectors used to infect the cells include viral vectors that express the cas9 gene of step (1) by introducing it into the genome of the cells, and viral vectors that directly express the gene from the viral vector without introducing it into the genome of the cells. However, as described below, a viral vector that directly expresses the cas9 gene of step (1) from the viral vector is more preferred because of the advantage that it is not necessary to remove the cas9 gene of step (1) introduced into the genome of the cells.

工程(1)において、細胞の感染に使用されるウイルスベクターとして、工程(1)のcas9遺伝子を細胞のゲノムに導入するウイルスベクターを用いる場合、LTRに挟まれた工程(1)のcas9遺伝子の塩基配列を含むウイルスベクターが用いられる。例えば、5’LTRおよび3’LTRの間に挿入された工程(1)のcas9遺伝子の塩基配列を適当なウイルスベクター作製用プラスミドに挿入した後、パッケージング用細胞に導入し、ウイルスにパッケージングし、回収したウイルスを常套手段に従って、生体に対して経口的または非経口的に投与、あるいは培養細胞の培地に添加することによって、工程(1)のcas9遺伝子をランダムに細胞のゲノムに導入することができる。工程(1)のcas9遺伝子は発現可能であれば導入されるゲノムの箇所は特に制限されない。また、ゲノムに導入される工程(1)のcas9遺伝子の数は1つであっても、2つ以上であってもよい。 In step (1), when a viral vector for introducing the cas9 gene of step (1) into the genome of a cell is used as the viral vector used for infecting the cell, a viral vector containing the base sequence of the cas9 gene of step (1) sandwiched between LTRs is used. For example, the base sequence of the cas9 gene of step (1) inserted between the 5'LTR and 3'LTR is inserted into an appropriate plasmid for preparing a viral vector, which is then introduced into a packaging cell, packaged into a virus, and the recovered virus is administered orally or parenterally to a living body or added to the medium of a cultured cell according to a conventional method, thereby randomly introducing the cas9 gene of step (1) into the genome of the cell. The site of the genome to which the cas9 gene of step (1) is introduced is not particularly limited as long as it can be expressed. In addition, the number of cas9 genes of step (1) introduced into the genome may be one or more.

ウイルスベクターとしては、細胞のゲノムに工程(1)のcas9遺伝子を発現させることが可能である限り特に制限されないが、例えば、レトロウイルスベクター、レンチウイルスベクター、アデノ随伴ウイルスベクターなどが挙げられ、大きなサイズの遺伝子をウイルスベクター内に搭載することができ、かつ細胞にガン化を引き起こしにくいという点からレンチウイルスベクターが好ましい。 The viral vector is not particularly limited as long as it is capable of expressing the cas9 gene of step (1) in the genome of the cell, but examples include retroviral vectors, lentiviral vectors, and adeno-associated viral vectors. Lentiviral vectors are preferred because they can carry large-sized genes and are less likely to cause cancer in cells.

一方、工程(1)において、細胞の感染に使用されるウイルスベクターとして、工程(1)のcas9遺伝子を細胞のゲノムに導入することなく、ウイルスベクターから直接的に該遺伝子を発現できるウイルスベクターを用いる場合、例えば、工程(1)のcas9遺伝子の塩基配列を適当なウイルスベクター作製用プラスミドに挿入した後、パッケージング用細胞に導入し、ウイルスにパッケージングし、回収したウイルスを常套手段に従って、生体に対して経口的または非経口的に投与、あるいは培養細胞の培地に添加することによって、工程(1)のcas9遺伝子を含むウイルスベクターを細胞に導入し、該遺伝子を発現させることができる。また、ウイルスベクターに導入される工程(1)のcas9遺伝子の数は1つであっても、2つ以上であってもよい。 On the other hand, in the case where a viral vector capable of directly expressing the cas9 gene of step (1) from the viral vector is used as the viral vector used to infect the cells in step (1) without introducing the gene into the genome of the cells, for example, the base sequence of the cas9 gene of step (1) is inserted into an appropriate plasmid for preparing a viral vector, and then introduced into a packaging cell, packaged into a virus, and the recovered virus is administered orally or parenterally to a living body or added to the medium of a cultured cell according to a conventional method, thereby introducing the viral vector containing the cas9 gene of step (1) into a cell and expressing the gene. In addition, the number of cas9 genes of step (1) introduced into the viral vector may be one or more.

ウイルスベクターとしては、工程(1)のcas9遺伝子を細胞のゲノムに導入することなく、ウイルスベクターから直接的に該遺伝子の発現が可能である限り特に制限されないが、一過性発現が可能であるという観点からは、非増殖性アデノウイルスベクターまたはインテグラーゼ活性を欠失させたレンチウイルスベクターを使うことも可能である。 The viral vector is not particularly limited as long as it is possible to directly express the cas9 gene from the viral vector without introducing the gene from step (1) into the genome of the cell, but from the viewpoint of enabling transient expression, it is also possible to use a non-replicating adenoviral vector or a lentiviral vector lacking integrase activity.

本発明の方法は、工程(1)で発現したCas9タンパク質またはその変異タンパク質によって細胞の所望のゲノム領域を切断し、該切断部位にcas9遺伝子またはその変異遺伝子に含まれる部分塩基配列を導入する工程(工程(2))を含む。工程(2)においては、第1に、工程(1)のCas9タンパク質によって細胞の所望のゲノム領域が切断される。該Cas9タンパク質は、細胞の所望のゲノム領域の塩基配列に相補的な塩基配列を含む一本鎖核酸(sgRNA)と複合体を形成し、プロトスペーサー隣接モチーフ(PAM)の5’側の2本鎖DNAを切断する。 The method of the present invention includes a step (step (2)) of cleaving a desired genomic region of a cell with the Cas9 protein or a mutant protein thereof expressed in step (1) and introducing a partial base sequence contained in the cas9 gene or a mutant gene thereof into the cleavage site. In step (2), first, the desired genomic region of the cell is cleaved by the Cas9 protein of step (1). The Cas9 protein forms a complex with a single-stranded nucleic acid (sgRNA) containing a base sequence complementary to the base sequence of the desired genomic region of the cell, and cleaves the double-stranded DNA on the 5' side of the protospacer adjacent motif (PAM).

所望のゲノム領域の塩基配列に相補的な塩基配列(CRISPR-RNA(crRNA)(a))は、所望のゲノム領域におけるPAMの5’側に隣接している塩基配列であれば特に制限されない。crRNA(a)の塩基配列の長さは所望のゲノム領域への特異性を確保できる限り特に制限されないが、通常、10塩基長から30塩基長、好ましくは、15塩基長から25塩基長、より好ましくは、20塩基長が挙げられる。 The base sequence (CRISPR-RNA (crRNA) (a)) complementary to the base sequence of the desired genomic region is not particularly limited as long as it is adjacent to the 5' side of the PAM in the desired genomic region. The length of the base sequence of the crRNA (a) is not particularly limited as long as it can ensure specificity for the desired genomic region, but is usually 10 to 30 bases long, preferably 15 to 25 bases long, and more preferably 20 bases long.

PAMは、工程(1)のCas9タンパク質の種類によって異なるが、例えばストレプトコッカス ピオゲネス(Streptococcus pyogenes)由来のCas9(SpCas9)タンパク質またはその変異タンパク質が用いられる場合NGG(NはA、G、T又はC。以下同じ)、ストレプトコッカス サーモフィラス(Streptococcus thermophilus)由来のCas9(StCas9)タンパク質またはその変異タンパク質が用いられる場合NNAGAAW(WはA又はT。以下同じ)、ナイセリア メニンギチジス(Neisseria meningitidis)由来のCas9(NmCas9)タンパク質またはその変異タンパク質が用いられる場合NNNNGATT等が挙げられる。 The PAM varies depending on the type of Cas9 protein in step (1), but examples include NGG (N is A, G, T, or C; the same applies below) when a Cas9 (SpCas9) protein derived from Streptococcus pyogenes or a mutant protein thereof is used, NNAGAAW (W is A or T; the same applies below) when a Cas9 (StCas9) protein derived from Streptococcus thermophilus or a mutant protein thereof is used, and NNNNGATT when a Cas9 (NmCas9) protein derived from Neisseria meningitidis or a mutant protein thereof is used.

細胞の所望のゲノム領域の塩基配列に相補的な塩基配列を含む一本鎖核酸(sgRNA(a))は、さらに工程(1)のCas9タンパク質のリクルートに必要な塩基配列(trans-activating RNA(tracrRNA))を含んでもよい。tracrRNAの塩基配列は公知の塩基配列を用いることができ、例えば、配列番号2などで表される塩基配列が挙げられる。tracrRNAはcrRNA(a)の3’端に直接連結されてもよいし、スペーサー配列を間に挟んでもよい。 The single-stranded nucleic acid (sgRNA(a)) containing a base sequence complementary to the base sequence of the desired genomic region of the cell may further contain a base sequence (trans-activating RNA (tracrRNA)) necessary for recruiting the Cas9 protein in step (1). The base sequence of the tracrRNA may be a known base sequence, such as the base sequence represented by SEQ ID NO: 2. The tracrRNA may be linked directly to the 3' end of the crRNA(a), or a spacer sequence may be inserted between them.

工程(2)においては、第2に、細胞の所望のゲノム領域の塩基配列に相補的な塩基配列によって標的される切断部位にcas9遺伝子またはその変異遺伝子に含まれる部分塩基配列(工程(2)のcas9遺伝子の部分塩基配列)が導入される。本発明において、工程(2)のcas9遺伝子の部分塩基配列とは、cas9遺伝子またはその変異遺伝子の開始コドンから始まる部分塩基配列をいう。導入される工程(2)のcas9遺伝子は、導入される工程(1)のcas9遺伝子と同様、ガイドRNAと複合体を形成し、二本鎖DNA切断活性を有するタンパク質をコードする遺伝子であれば制限されず、例えば、前記のcas9遺伝子が好ましく用いられる。また、導入される工程(2)のcas9遺伝子の変異遺伝子は、cas9タンパク質の10番目アスパラギン酸がアラニンに置換される変異(D10A変異)、840番目ヒスチジンがアラニンに置換される変異(H840A変異)、および863番目アスパラギンがアラニンに置換される変異(N863A変異)からなる群から選択される少なくとも1つの変異を有するcas9遺伝子が挙げられる。 Secondly, in step (2), a partial base sequence contained in the cas9 gene or its mutant gene (the partial base sequence of the cas9 gene in step (2)) is introduced into the cleavage site targeted by a base sequence complementary to the base sequence of the desired genomic region of the cell. In the present invention, the partial base sequence of the cas9 gene in step (2) refers to a partial base sequence starting from the start codon of the cas9 gene or its mutant gene. The cas9 gene introduced in step (2) is not limited as long as it is a gene that forms a complex with a guide RNA and codes for a protein having double-stranded DNA cleavage activity, similar to the cas9 gene introduced in step (1), and for example, the above-mentioned cas9 gene is preferably used. In addition, the mutant gene of the cas9 gene introduced in step (2) includes a cas9 gene having at least one mutation selected from the group consisting of a mutation in which the 10th aspartic acid of the cas9 protein is replaced with alanine (D10A mutation), a mutation in which the 840th histidine is replaced with alanine (H840A mutation), and a mutation in which the 863rd asparagine is replaced with alanine (N863A mutation).

工程(2)のcas9遺伝子の部分塩基配列の長さは、工程(2)のcas9遺伝子の部分塩基配列が含まれるウイルスベクターが組み込むことが可能な塩基配列の長さの範囲内であれば特に制限されないが、通常、数十bp~数kbp、好ましくは、200bp~500bpである。工程(2)のcas9遺伝子の部分塩基配列としては、例えば、配列番号7または37で表される塩基配列を含む塩基配列が挙げられる。 The length of the partial base sequence of the cas9 gene in step (2) is not particularly limited as long as it is within the range of the length of the base sequence that can be incorporated into the viral vector containing the partial base sequence of the cas9 gene in step (2), but is usually several tens of bp to several kbp, preferably 200 bp to 500 bp. Examples of the partial base sequence of the cas9 gene in step (2) include a base sequence containing the base sequence represented by SEQ ID NO: 7 or 37.

工程(2)のcas9遺伝子の部分塩基配列は、工程(1)のCas9タンパク質によって切断された細胞の所望のゲノム領域の切断部位に挿入される。ここで、工程(2)のcas9遺伝子の部分塩基配列の上記切断部位への挿入は、相同組換え修復(HDR)によって成される。従って、工程(2)のcas9遺伝子の部分塩基配列は、さらに工程(1)のCas9タンパク質による細胞の所望のゲノム領域中の切断部位の上流塩基配列の相同配列および下流塩基配列の相同配列に挟まれてよい。 The partial base sequence of the cas9 gene in step (2) is inserted into the cleavage site of the desired genomic region of the cell cleaved by the Cas9 protein in step (1). Here, the insertion of the partial base sequence of the cas9 gene in step (2) into the cleavage site is achieved by homologous recombination repair (HDR). Therefore, the partial base sequence of the cas9 gene in step (2) may be further sandwiched between a homologous sequence of the upstream base sequence and a homologous sequence of the downstream base sequence of the cleavage site in the desired genomic region of the cell cleaved by the Cas9 protein in step (1).

上記相同配列の同一性の程度は、相同組換えを可能とする限り特に限定されない。相同組換えを可能とする同一性の程度は、ポリヌクレオチドの長さによっても異なるが、例えば少なくとも80%以上、好ましくは少なくとも85%以上、より好ましくは少なくとも90%以上、さらに好ましくは95%以上、最も好ましくは100%であり得る。同一性の程度は、自体公知の方法により決定でき、例えば、NCBIで利用可能なBLASTNを初期(default)設定で用いることにより決定できる。同一性の程度はまた、Smith-Watermanのアルゴリズムを使用して、ギャップ オープン ペナルティー(gap open penalty):12、ギャップ エクステンション ペナルティー(gap extension penalty):1によりアフィン ギャップ検索(affine gap search)を行うことにより決定してもよい。 The degree of identity of the above-mentioned homologous sequences is not particularly limited as long as it allows homologous recombination. The degree of identity that allows homologous recombination varies depending on the length of the polynucleotide, but may be, for example, at least 80%, preferably at least 85%, more preferably at least 90%, even more preferably 95%, and most preferably 100%. The degree of identity can be determined by a method known per se, for example, by using BLASTN available at NCBI in its default settings. The degree of identity may also be determined by performing an affine gap search using the Smith-Waterman algorithm with a gap open penalty of 12 and a gap extension penalty of 1.

上記相同配列の長さは、切断部位において相同組換えが生じる長さである限り特に限定されない。しかしながら、一般論として、相同組換えが効率よく起こるためには、相同領域が長いほどよい。一方、ウイルスベクターが組み込むことが可能な塩基配列の長さによって、相同配列の長さは一定に制限される。従って、これらを考慮すると、該相同配列の長さは、通常、200bp~500bp、好ましくは250bp~400bpであり得る。 The length of the homologous sequence is not particularly limited as long as it is long enough for homologous recombination to occur at the cleavage site. Generally speaking, however, the longer the homologous region, the better for efficient homologous recombination. On the other hand, the length of the homologous sequence is limited to a certain extent by the length of the base sequence that can be incorporated by the viral vector. Therefore, taking these factors into consideration, the length of the homologous sequence may usually be 200 bp to 500 bp, preferably 250 bp to 400 bp.

工程(2)において、工程(1)のCas9タンパク質によって細胞の所望のゲノム領域を切断し、該切断部位に工程(2)のcas9遺伝子の部分塩基配列を導入する方法は、例えば、以下の塩基配列を含むウイルスベクターを細胞に感染させることによって実施できる。
(i)細胞の所望のゲノム領域の塩基配列に相補的な塩基配列(塩基配列(i))。
(ii)cas9遺伝子またはその変異遺伝子に含まれる部分塩基配列であって、(i)の塩基配列によって標的される切断部位の上流塩基配列の相同配列および下流塩基配列の相同配列に挟まれた、該部分塩基配列(塩基配列(ii))。
塩基配列(i)および(ii)は、前記された塩基配列と同一であってよい。
In step (2), a method of cleaving a desired genomic region of a cell using the Cas9 protein in step (1) and introducing a partial base sequence of the cas9 gene in step (2) into the cleavage site can be carried out, for example, by infecting a cell with a viral vector containing the following base sequence:
(i) A base sequence (base sequence (i)) that is complementary to a base sequence of a desired genomic region of a cell.
(ii) A partial base sequence contained in the cas9 gene or a mutant gene thereof, the partial base sequence being sandwiched between a homologous sequence of the upstream base sequence and a homologous sequence of the downstream base sequence of the cleavage site targeted by the base sequence of (i) (base sequence (ii)).
The base sequences (i) and (ii) may be identical to the base sequences described above.

工程(2)において、細胞の感染は、例えば、塩基配列(i)および(ii)を適当なウイルスベクターに挿入した後、パッケージング用細胞に導入し、ウイルスにパッケージングし、回収したウイルスを常套手段に従って、生体に対して経口的または非経口的に投与、あるいは培養細胞の培地に添加することによって、工程(1)のCas9タンパク質によって細胞の所望のゲノム領域を切断し、該切断部位に工程(2)のcas9遺伝子の部分塩基配列を導入することができる。 In step (2), the cells can be infected by, for example, inserting the base sequences (i) and (ii) into an appropriate viral vector, introducing the vector into a packaging cell, packaging the vector into a virus, and then administering the recovered virus orally or parenterally to a living body or adding the virus to the medium of a cultured cell in a conventional manner, thereby cleaving the desired genomic region of the cell with the Cas9 protein in step (1) and introducing the partial base sequence of the cas9 gene in step (2) into the cleavage site.

ウイルスベクターとしては、細胞の所望のゲノム領域を切断し、該切断部位に工程(2)のcas9遺伝子の部分塩基配列の導入が可能である限り特に制限されないが、例えば、ランダムなゲノムへの挿入が生じず、抗原性も低いという利点から、アデノ随伴ウイルスベクターが好ましい。 The viral vector is not particularly limited as long as it is possible to cleave the desired genomic region of the cell and introduce the partial base sequence of the cas9 gene of step (2) into the cleavage site. For example, an adeno-associated viral vector is preferred because it has the advantages of not randomly inserting into the genome and having low antigenicity.

本発明の方法は、工程(1)で発現したCas9タンパク質またはその変異タンパク質によって工程(2)において導入された部分塩基配列を切断し、該切断部位に工程(2)で導入された部分塩基配列以外のcas9遺伝子またはその変異遺伝子に含まれる部分塩基配列を導入し、細胞の所望のゲノム領域でcas9遺伝子またはその変異遺伝子を構築する工程(工程(3))を含む。工程(3)においては、第1に、工程(1)のCas9タンパク質によって工程(2)において導入された部分塩基配列が切断される。該Cas9タンパク質は、工程(2)において導入された部分塩基配列に相補的な塩基配列を含む一本鎖核酸(sgRNA)と複合体を形成し、プロトスペーサー隣接モチーフ(PAM)の5’側の2本鎖DNAを切断する。 The method of the present invention includes a step (step (3)) of cleaving the partial base sequence introduced in step (2) by the Cas9 protein or mutant protein expressed in step (1), introducing a partial base sequence contained in the cas9 gene or mutant gene other than the partial base sequence introduced in step (2) into the cleavage site, and constructing the cas9 gene or mutant gene in a desired genomic region of the cell. In step (3), first, the partial base sequence introduced in step (2) is cleaved by the Cas9 protein of step (1). The Cas9 protein forms a complex with a single-stranded nucleic acid (sgRNA) containing a base sequence complementary to the partial base sequence introduced in step (2), and cleaves the double-stranded DNA on the 5' side of the protospacer adjacent motif (PAM).

工程(2)において導入された部分塩基配列に相補的な塩基配列(crRNA(b))は、工程(2)において導入された部分塩基配列におけるPAMの5’側に隣接している塩基配列であれば特に制限されない。crRNA(b)の塩基配列の長さは所望のゲノム領域への特異性を確保できる限り特に制限されないが、通常、10塩基長から30塩基長、好ましくは、15塩基長から25塩基長、より好ましくは、20塩基長が挙げられる。なお、PAMは工程(2)で記載されたPAMと同一であってよい。 The base sequence (crRNA(b)) complementary to the partial base sequence introduced in step (2) is not particularly limited as long as it is adjacent to the 5' side of the PAM in the partial base sequence introduced in step (2). The length of the base sequence of crRNA(b) is not particularly limited as long as it can ensure specificity for the desired genomic region, but is usually 10 to 30 bases long, preferably 15 to 25 bases long, and more preferably 20 bases long. The PAM may be the same as the PAM described in step (2).

工程(2)において導入された部分塩基配列に相補的な塩基配列を含む一本鎖核酸(sgRNA(b))は、さらに工程(1)のCas9タンパク質のリクルートに必要な塩基配列(trans-activating RNA(tracrRNA))を含んでもよい。tracrRNAの塩基配列は工程(2)で記載されたtracrRNAと同一であってよい。tracrRNAはcrRNA(b)の3’端に直接連結されてもよいし、スペーサー配列を間に挟んでもよい。 The single-stranded nucleic acid (sgRNA(b)) containing a base sequence complementary to the partial base sequence introduced in step (2) may further contain a base sequence (trans-activating RNA (tracrRNA)) required for recruiting the Cas9 protein in step (1). The base sequence of the tracrRNA may be identical to the tracrRNA described in step (2). The tracrRNA may be linked directly to the 3' end of the crRNA(b) or may be linked via a spacer sequence.

工程(3)においては、第2に、工程(2)において導入された部分塩基配列に相補的な塩基配列によって標的される切断部位に工程(2)において導入された部分塩基配列以外のcas9遺伝子またはその変異遺伝子に含まれる部分塩基配列(工程(3)のcas9遺伝子の部分塩基配列)が導入される。本発明において、工程(3)のcas9遺伝子の部分塩基配列とは、工程(2)で導入された部分塩基配列における切断部位より下流のcas9遺伝子またはその変異遺伝子の部分塩基配列をいう。工程(3)のcas9遺伝子の部分塩基配列の長さは、cas9遺伝子の全塩基配列から工程(2)のcas9遺伝子の部分塩基配列を差し引いた長さであってよい。工程(3)のcas9遺伝子の部分塩基配列としては、例えば、配列番号17または47で表される塩基配列を含む塩基配列が挙げられる。 Secondly, in step (3), a partial base sequence (partial base sequence of the cas9 gene in step (3)) contained in the cas9 gene or its mutant gene other than the partial base sequence introduced in step (2) is introduced into the cleavage site targeted by a base sequence complementary to the partial base sequence introduced in step (2). In the present invention, the partial base sequence of the cas9 gene in step (3) refers to the partial base sequence of the cas9 gene or its mutant gene downstream of the cleavage site in the partial base sequence introduced in step (2). The length of the partial base sequence of the cas9 gene in step (3) may be the length obtained by subtracting the partial base sequence of the cas9 gene in step (2) from the entire base sequence of the cas9 gene. The partial base sequence of the cas9 gene in step (3) may be, for example, a base sequence containing the base sequence represented by SEQ ID NO: 17 or 47.

工程(3)のcas9遺伝子の部分塩基配列は、工程(1)のCas9タンパク質によって切断された工程(2)において導入された部分塩基配列の切断部位に挿入される。ここで、工程(3)のcas9遺伝子の部分塩基配列の上記切断部位への挿入は、相同組換え修復(HDR)によって成される。従って、工程(3)のcas9遺伝子の部分塩基配列は、さらに工程(1)のCas9タンパク質による工程(3)のcas9遺伝子の部分塩基配列中の切断部位の上流塩基配列の相同配列および下流塩基配列の相同配列に挟まれてよい。なお、上記相同配列の同一性の程度および長さは、工程(2)の相同配列の同一性の程度および長さと同一であってよい。 The partial base sequence of the cas9 gene in step (3) is inserted into the cleavage site of the partial base sequence introduced in step (2) cleaved by the Cas9 protein in step (1). Here, the insertion of the partial base sequence of the cas9 gene in step (3) into the cleavage site is achieved by homologous recombination repair (HDR). Therefore, the partial base sequence of the cas9 gene in step (3) may be further sandwiched between a homologous sequence of the upstream base sequence and a homologous sequence of the downstream base sequence of the cleavage site in the partial base sequence of the cas9 gene in step (3) cleaved by the Cas9 protein in step (1). The degree of identity and length of the above homologous sequences may be the same as the degree of identity and length of the homologous sequence in step (2).

工程(3)において、工程(1)のCas9タンパク質によって工程(2)において導入された部分塩基配列を切断し、該切断部位に工程(3)のcas9遺伝子の部分塩基配列を導入する方法は、例えば、以下の塩基配列を含むウイルスベクターを細胞に感染させることによって実施できる。
(iii)工程(2)において導入される部分塩基配列に相補的な塩基配列。
(iv)工程(2)において導入される部分塩基配列以外のcas9遺伝子またはその変異遺伝子に含まれる部分塩基配列であって、(iii)の塩基配列によって標的される切断部位の上流塩基配列の相同配列および下流塩基配列の相同配列に挟まれた、該部分塩基配列。
塩基配列(iii)および(iv)は、前記された塩基配列と同一であってよい。
In step (3), the partial base sequence introduced in step (2) is cleaved by the Cas9 protein in step (1) and the partial base sequence of the cas9 gene in step (3) is introduced into the cleavage site. This can be carried out, for example, by infecting a cell with a viral vector containing the following base sequence:
(iii) a nucleotide sequence complementary to the partial nucleotide sequence introduced in step (2).
(iv) A partial base sequence contained in the cas9 gene or a mutant gene thereof other than the partial base sequence introduced in step (2), the partial base sequence being sandwiched between a homologous sequence of the upstream base sequence and a homologous sequence of the downstream base sequence of the cleavage site targeted by the base sequence of (iii).
The base sequences (iii) and (iv) may be identical to the base sequences described above.

工程(3)において、細胞の感染は、例えば、塩基配列(i)および(ii)を適当なウイルスベクターに挿入した後、パッケージング用細胞に導入し、ウイルスにパッケージングし、回収したウイルスを常套手段に従って、生体に対して経口的または非経口的に投与、あるいは培養細胞の培地に添加することによって、工程(1)のCas9タンパク質によって工程(2)において導入された部分塩基配列を切断し、該切断部位に工程(3)のcas9遺伝子の部分塩基配列を導入することができる。 In step (3), the cells can be infected by, for example, inserting the base sequences (i) and (ii) into an appropriate viral vector, introducing the vector into a packaging cell, packaging the vector into a virus, and recovering the virus by a conventional method, orally or parenterally administering the virus to a living body or adding the virus to the medium of a cultured cell, thereby cleaving the partial base sequence introduced in step (2) by the Cas9 protein in step (1), and introducing the partial base sequence of the cas9 gene in step (3) into the cleavage site.

ウイルスベクターとしては、工程(2)において導入された部分塩基配列を切断し、該切断部位に工程(3)のcas9遺伝子の部分塩基配列の導入が可能である限り特に制限されないが、例えば、ランダムなゲノムへの挿入が生じず、抗原性も低いという利点から、アデノ随伴ウイルスベクターが好ましい。 The viral vector is not particularly limited as long as it is possible to cleave the partial base sequence introduced in step (2) and introduce the partial base sequence of the cas9 gene in step (3) into the cleavage site. For example, an adeno-associated viral vector is preferred because it has the advantages of not randomly inserting into the genome and having low antigenicity.

以上の通り、工程(3)によって、細胞の所望のゲノム領域においてcas9遺伝子またはその変異遺伝子に含まれる上流部分塩基配列の直後にcas9遺伝子またはその変異遺伝子に含まれる下流部分塩基配列が連結され、全長のcas9遺伝子またはその変異遺伝子が細胞の所望のゲノム領域において再構築される。再構築された全長のcas9遺伝子またはその変異遺伝子は、工程(1)に発現されるcas9遺伝子またはその変異遺伝子に対して代替的または異なる役割を果たすことができる。 As described above, in step (3), the downstream partial base sequence contained in the cas9 gene or its mutant gene is linked immediately after the upstream partial base sequence contained in the cas9 gene or its mutant gene in the desired genomic region of the cell, and the full-length cas9 gene or its mutant gene is reconstructed in the desired genomic region of the cell. The reconstructed full-length cas9 gene or its mutant gene can play an alternative or different role to the cas9 gene or its mutant gene expressed in step (1).

工程(1)において、細胞の感染に使用されるウイルスベクターとして、工程(1)のcas9遺伝子を細胞のゲノムに導入するウイルスベクターを用いた場合、細胞のゲノムに導入されたcas9遺伝子は内在性遺伝子を破壊する可能性があり、正常細胞の異常増殖を引き起こす原因になりうる。従って、工程(1)において細胞のゲノムに導入されたcas9遺伝子は除去されることが好ましい。従って、本発明の方法は、工程(1)のcas9遺伝子またはその変異遺伝子を細胞のゲノムから除去する工程(工程(4))をさらに含んでもよい。 In step (1), if a viral vector that introduces the cas9 gene of step (1) into the genome of a cell is used as the viral vector used to infect the cell, the cas9 gene introduced into the genome of the cell may destroy endogenous genes and may cause abnormal proliferation of normal cells. Therefore, it is preferable that the cas9 gene introduced into the genome of the cell in step (1) is removed. Therefore, the method of the present invention may further include a step (step (4)) of removing the cas9 gene or a mutated gene thereof of step (1) from the genome of the cell.

工程(4)においては、工程(1)のcas9遺伝子またはその変異遺伝子の上流塩基配列および下流塩基配列がCas9タンパク質またはその変異タンパク質によって切断される。前記cas9遺伝子の上流塩基配列および下流塩基配列を切断するためのCas9タンパク質またはその変異タンパク質は、工程(1)において細胞のゲノムから発現されたCas9タンパク質またはその変異タンパク質であってもよいし、工程(2)および(3)によって再構築された全長cas9遺伝子またはその変異遺伝子から発現されたCas9タンパク質またはその変異タンパク質であってもよい。該Cas9タンパク質は、工程(1)のcas9遺伝子またはその変異遺伝子の上流塩基配列に相補的な塩基配列および下流塩基配列に相補的な塩基配列をそれぞれ含む一本鎖核酸(sgRNA(c1)およびsgRNA(c2))と複合体を形成し、プロトスペーサー隣接モチーフ(PAM)の5’側の2本鎖DNAを切断する。 In step (4), the upstream and downstream base sequences of the cas9 gene or its mutant gene in step (1) are cleaved by the Cas9 protein or its mutant protein. The Cas9 protein or its mutant protein for cleaving the upstream and downstream base sequences of the cas9 gene may be the Cas9 protein or its mutant protein expressed from the genome of the cell in step (1), or may be the Cas9 protein or its mutant protein expressed from the full-length cas9 gene or its mutant gene reconstructed in steps (2) and (3). The Cas9 protein forms a complex with single-stranded nucleic acids (sgRNA(c1) and sgRNA(c2)) containing a base sequence complementary to the upstream base sequence and a base sequence complementary to the downstream base sequence of the cas9 gene or its mutant gene in step (1), respectively, and cleaves the double-stranded DNA on the 5' side of the protospacer adjacent motif (PAM).

工程(1)のcas9遺伝子またはその変異遺伝子の上流塩基配列に相補的な塩基配列(CRISPR-RNA(crRNA)(c1))および下流塩基配列に相補的な塩基配列(CRISPR-RNA(crRNA)(c2))はそれぞれ、工程(1)のcas9遺伝子またはその変異遺伝子の上流塩基配列におけるPAMの5’側に隣接している塩基配列および下流塩基配列におけるPAMの5’側に隣接している塩基配列であれば特に制限されない。crRNA(c1) およびcrRNA(c2)の塩基配列の長さは前記cas9遺伝子の上流塩基配列または下流塩基配列への特異性を確保できる限り特に制限されないが、通常、10塩基長から30塩基長、好ましくは、15塩基長から25塩基長、より好ましくは、20塩基長が挙げられる。なお、PAMは工程(2)で記載されたPAMと同一であってよい。 The base sequence (CRISPR-RNA (crRNA) (c1)) complementary to the upstream base sequence of the cas9 gene or its mutant gene in step (1) and the base sequence (CRISPR-RNA (crRNA) (c2)) complementary to the downstream base sequence are not particularly limited as long as they are adjacent to the 5' side of the PAM in the upstream base sequence of the cas9 gene or its mutant gene in step (1) and adjacent to the 5' side of the PAM in the downstream base sequence, respectively. The length of the base sequence of crRNA (c1) and crRNA (c2) is not particularly limited as long as specificity to the upstream base sequence or downstream base sequence of the cas9 gene can be ensured, but is usually 10 to 30 bases long, preferably 15 to 25 bases long, and more preferably 20 bases long. The PAM may be the same as the PAM described in step (2).

工程(1)のcas9遺伝子またはその変異遺伝子の上流塩基配列に相補的な塩基配列または下流塩基配列に相補的な塩基配列を含む一本鎖核酸(sgRNA(c1)またはsgRNA(c2))は、さらにCas9のリクルートに必要な塩基配列(trans-activating RNA(tracrRNA))を含んでもよい。tracrRNAの塩基配列は工程(2)で記載されたtracrRNAと同一であってよい。tracrRNAはcrRNA(c1)およびsgRNA(c2)の3’端に直接連結されてもよいし、スペーサー配列を間に挟んでもよい。 The single-stranded nucleic acid (sgRNA(c1) or sgRNA(c2)) containing a base sequence complementary to the upstream base sequence or the downstream base sequence of the cas9 gene or its mutant gene in step (1) may further contain a base sequence required for Cas9 recruitment (trans-activating RNA (tracrRNA)). The base sequence of the tracrRNA may be identical to the tracrRNA described in step (2). The tracrRNA may be directly linked to the 3' ends of the crRNA(c1) and sgRNA(c2), or a spacer sequence may be inserted between them.

工程(4)において、工程(1)のcas9遺伝子またはその変異遺伝子の上流塩基配列および下流塩基配列をCas9タンパク質またはその変異タンパク質によって切断する方法は、工程(2)または工程(3)におけるウイルスベクターを細胞に感染させる方法と同一の方法によって実施することができる。細胞の感染に使用されるウイルスベクターとしては、ゲノムに導入することなく、ウイルスベクターから直接的に発現させるウイルスベクターが挙げられるが、アデノ随伴ウイルスベクターがより好ましい。 In step (4), the method of cleaving the upstream and downstream base sequences of the cas9 gene or its mutant gene in step (1) with the Cas9 protein or its mutant protein can be carried out in the same manner as the method of infecting cells with a viral vector in step (2) or (3). Examples of viral vectors used to infect cells include viral vectors that are directly expressed from the viral vector without being introduced into the genome, and adeno-associated viral vectors are more preferred.

工程(4)において、工程(1)のcas9遺伝子またはその変異遺伝子の上流塩基配列および下流塩基配列をCas9タンパク質またはその変異タンパク質によって切断する方法としては、5’LTRに相補的な塩基配列および3’LTRに相補的な塩基配列を標的とするsgRNAを発現させるウイルスベクターを用いて実施されてよい。 In step (4), the upstream and downstream nucleotide sequences of the cas9 gene or its mutant gene in step (1) may be cleaved by the Cas9 protein or its mutant protein using a viral vector that expresses sgRNAs that target a nucleotide sequence complementary to the 5'LTR and a nucleotide sequence complementary to the 3'LTR.

本発明はまた、所望のゲノム領域へのCas9遺伝子またはその変異遺伝子導入キット(以下、本発明のキット)を提供する。本発明のキットを用いて導入されるCas9遺伝子またはその変異遺伝子、およびそれらが導入される所望のゲノム領域は、本発明の方法に記載のCas9遺伝子またはその変異遺伝子、所望のゲノム領域と同一であってよい。 The present invention also provides a kit for introducing a Cas9 gene or a mutant gene thereof into a desired genomic region (hereinafter, the kit of the present invention). The Cas9 gene or a mutant gene thereof introduced using the kit of the present invention, and the desired genomic region to which they are introduced, may be the same as the Cas9 gene or a mutant gene thereof, and the desired genomic region described in the method of the present invention.

本発明のキットは以下のウイルスベクターを含む。
(1)cas9遺伝子またはその変異遺伝子の塩基配列を含むウイルスベクター、
(2)以下の塩基配列を含むウイルスベクター、
(i)細胞の所望のゲノム領域の塩基配列に相補的な塩基配列、および
(ii)cas9遺伝子またはその変異遺伝子に含まれる部分塩基配列であって、(2)(i)の塩基配列によって標的される切断部位の上流塩基配列の相同配列および下流塩基配列の相同配列に挟まれた、該部分塩基配列、
(3)以下の塩基配列を含むウイルスベクター、および
(i)上記(2)(ii)の部分塩基配列に相補的な塩基配列、および
(ii)上記(2)(ii)の部分塩基配列以外のcas9遺伝子またはその変異遺伝子に含まれる部分塩基配列であって、(3)(i)の塩基配列によって標的される切断部位の上流塩基配列および下流塩基配列に挟まれた、該部分塩基配列。
また、本発明のキットは、(4)cas9遺伝子またはその変異遺伝子の上流塩基配列に相補的な塩基配列および下流塩基配列に相補的な塩基配列を含むウイルスベクターをさらに含んでもよい。
本発明のキットに含まれるウイルスベクターおよびウイルスベクターに含まれる塩基配列は、本発明の方法に記載したウイルスベクターおよびウイルスベクターに含まれる塩基配列と同一であってよい。
The kit of the present invention includes the following viral vectors:
(1) a viral vector containing the base sequence of the cas9 gene or a mutant gene thereof;
(2) a viral vector comprising the following nucleotide sequence:
(i) a nucleotide sequence complementary to a nucleotide sequence of a desired genomic region of the cell; and
(ii) A partial base sequence contained in the cas9 gene or a mutant gene thereof, the partial base sequence being sandwiched between a homologous sequence of an upstream base sequence and a homologous sequence of a downstream base sequence of a cleavage site targeted by the base sequence of (2) (i);
(3) A viral vector comprising the following nucleotide sequence:
(i) a base sequence complementary to the partial base sequence of (2)(ii) above; and
(ii) A partial base sequence contained in the cas9 gene or a mutant gene thereof other than the partial base sequence of (2)(ii) above, the partial base sequence being sandwiched between the upstream base sequence and the downstream base sequence of the cleavage site targeted by the base sequence of (3)(i).
In addition, the kit of the present invention may further include (4) a viral vector containing a base sequence complementary to the upstream base sequence and the downstream base sequence of the cas9 gene or a mutated gene thereof.
The viral vector and the base sequence contained in the viral vector contained in the kit of the present invention may be the same as the viral vector and the base sequence contained in the viral vector described in the method of the present invention.

本発明のキットはまた、ウイルスベクター以外に、cas9遺伝子またはその変異遺伝子を導入する細胞、緩衝液、培地等を適宜含んでもよい。また、本発明のキットに含まれるウイルスベクターは、各々別個に(あるいは可能であれば混合した状態で)水もしくは適当な緩衝液(例:TEバッファーなど)中に適当な濃度となるように溶解し、約-20℃で保存することができる。 The kit of the present invention may also contain, in addition to the viral vector, cells into which the cas9 gene or its mutant gene is introduced, a buffer solution, a medium, etc., as appropriate. Furthermore, the viral vectors contained in the kit of the present invention can be dissolved separately (or mixed together, if possible) in water or an appropriate buffer solution (e.g., TE buffer, etc.) to an appropriate concentration and stored at approximately -20°C.

以下に、実施例を示して本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらにより限定されるものではないことは明らかである。 The present invention will be explained in more detail below with reference to examples, but it is clear that the present invention is not limited to these.

材料および方法
細胞株および細胞培養
ヒト胎生腎臓HEK293TおよびLenti-XTM 293T細胞(Takara Bio Inc. #632180)を10%ウシ胎仔血清を含むダルベッコ改変イーグル培地中で培養した。安定な細胞株を作製するために、それ以外であると記載しない限り、発明者らは、少なくとも2週間0.3 mg/ml ハイグロマイシンB (Wako #084-07681)、2.5 μg/ml ピューロマイシン (Nacalai #14861-71)または 32 μg/ml ブラストサイジンS (Wako #026-18711)を使用した。
Materials and Methods Cell Lines and Cell Culture Human Embryonic Kidney HEK293T and Lenti-X 293T cells (Takara Bio Inc. #632180) were cultured in Dulbecco's Modified Eagle Medium containing 10% fetal bovine serum. To generate stable cell lines, unless otherwise stated, we used 0.3 mg/ml hygromycin B (Wako #084-07681), 2.5 μg/ml puromycin (Nacalai #14861-71) or 32 μg/ml blasticidin S (Wako #026-18711) for at least 2 weeks.

ウイルスコンストラクト
SIN(自己不活性化)型レンチウイルスベクターpLVSIN-EF1a Hyg (#6185)およびAAV2血清型ベクターpAAV-CMV (#6230)をTakara Bio Inc.より購入した。pCas-Guide (#GE10002)をOriGene Tech. Inc.より購入した。lentiCRISPR v2をFeng Zhang氏(Addgeneプラスミド# 52961; http://n2t.net/addgene:52961; RRID:Addgene_52961)より譲渡された。lentiSAMv2もまたFeng Zhang氏(Addgeneプラスミド # 75112; http://n2t.net/addgene:75112; RRID:Addgene_75112)より譲渡された。レンチウイルス pLVSINを改変し、CMVプロモーター制御下でCas9v1(pCas-Guide由来のSpCas9)-Mycおよび自己切断ペプチドT2Aに連結されたハイグロマイシン耐性遺伝子(Hygro)を発現するようにした(図6)。さらに、このCas9v1-Mycに1つだけあるBspHI制限酵素部位で、そのN末端側をCas9v2ニッカーゼに置換することによってCas9(Nick)-Mycを構築した(図33B)。レンチウイルスの段階希釈液で293T細胞を感染させた後、ハイグロマイシンBの存在下10日間生存したコロニーの数によって、ウイルス価(導入価/ml)を決定した。
以下のベクターの構築するために、アデノ随伴ウイルス血清型2型(Takara-Bio #6230)を購入した。AAVS1特異的sgRNA1(sg1)がU6プロモーターにより、また数個のエレメントがAAVS1遺伝子の転写と共に転写されるように、AAVS1の相同性アームで挟み、ウイルスのITRs(逆位反復配列)の間に置くことによって、AAVS1遺伝子座(T1)を標的とするAAVベクター#1を作製した(図2)。該エレメントは、SA(スプライシングアクセプター)-T2A(自己切断ペプチド)-1.9kb N末端Cas9v2断片-T2A(自己切断ペプチド)-ピューロマイシン耐性遺伝子およびポリアデニル化配列(pA)である。ダブルカットドナーを形成することによる相同組換え修復(HDR)を促進するために、相同性アームに隣接して標的配列(T1)を付加した。配列は表1を参照。
Viral constructs
The SIN (self-inactivating) lentiviral vector pLVSIN-EF1a Hyg (#6185) and the AAV2 serotype vector pAAV-CMV (#6230) were purchased from Takara Bio Inc. pCas-Guide (#GE10002) was purchased from OriGene Tech. Inc. lentiCRISPR v2 was kindly provided by Feng Zhang (Addgene plasmid # 52961; http://n2t.net/addgene:52961; RRID:Addgene_52961). lentiSAMv2 was also kindly provided by Feng Zhang (Addgene plasmid # 75112; http://n2t.net/addgene:75112; RRID:Addgene_75112). The lentivirus pLVSIN was modified to express Cas9v1 (SpCas9 from pCas-Guide)-Myc and the hygromycin resistance gene (Hygro) linked to the self-cleaving peptide T2A under the control of the CMV promoter (Figure 6). Cas9(Nick)-Myc was constructed by replacing the N-terminal side of the only BspHI restriction enzyme site in this Cas9v1-Myc with Cas9v2 nickase (Figure 33B). After infection of 293T cells with serial dilutions of the lentivirus, the virus titer (introduced titer/ml) was determined by the number of colonies that survived for 10 days in the presence of hygromycin B.
Adeno-associated virus serotype 2 (Takara-Bio #6230) was purchased to construct the following vectors. AAV vector #1 was generated targeting the AAVS1 locus (T1) by flanking the AAVS1 homology arms and placing it between the viral ITRs (inverted repeats) so that the AAVS1-specific sgRNA1 (sg1) is transcribed by the U6 promoter and several elements are transcribed together with the AAVS1 gene (Figure 2). The elements are SA (splice acceptor)-T2A (self-cleaving peptide)-1.9 kb N-terminal Cas9v2 fragment-T2A (self-cleaving peptide)-puromycin resistance gene and polyadenylation sequence (pA). A target sequence (T1) was added adjacent to the homology arms to promote homology-directed repair (HDR) by forming a double-cut donor. See Table 1 for the sequence.

Figure 0007539136000001
Figure 0007539136000001

AAVベクター#2配列もまた表2に記載した。sgRNA2(sg2)は、1.9kb N末端Cas9v2の3’端とP2A(自己切断ペプチド)の5’端の間の接合部(T2)を標的にする。全長Cas9v2を再構築するために、発明者らは、Cas9v2の1.9kb N末端部分と2.3kb C末端部分の間で0.3kb領域をオーバーラップさせた(図4)。0.3kbオーバーラップはHDRにおいて左アームとして機能する。右アームとして、P2AとピューロマイシンのN末端0.3kb断片は、ダブルカットドナーを提供するためのT2標的配列およびITRに隣接している。 The AAV vector #2 sequence is also listed in Table 2. sgRNA2 (sg2) targets the junction (T2) between the 3' end of the 1.9 kb N-terminal Cas9v2 and the 5' end of P2A (self-cleaving peptide). To reconstruct the full-length Cas9v2, we overlapped a 0.3 kb region between the 1.9 kb N-terminal and 2.3 kb C-terminal parts of Cas9v2 (Figure 4). The 0.3 kb overlap serves as the left arm in HDR. As the right arm, the N-terminal 0.3 kb fragment of P2A and puromycin is flanked by the T2 target sequence and ITR to provide a double-cut donor.

Figure 0007539136000002
Figure 0007539136000002

表3に記載されるように、野生型Cas9とニッカーゼCas9によるDNA二本鎖切断のための、16bpオフセットを備えた1組のsgRNAs (sg3-1およびsg3-2)によって、AAVベクター#3はレンチウイルスベクターのLTRを標的にしている(図6)。 As described in Table 3, AAV vector #3 targets the LTR of the lentiviral vector with a pair of sgRNAs (sg3-1 and sg3-2) with a 16 bp offset for DNA double-strand cleavage by wild-type Cas9 and nickase Cas9 (Figure 6).

Figure 0007539136000003
Figure 0007539136000003

IFNAR1 (T4)のエキソン1を標的にするAAVベクター#4(表4)を作製し、ITRsの間に、野生型Cas9とニッカーゼCas9によるDNA二本鎖切断のための、7bpオフセットを備えた1組のsgRNAs (sg4-1およびsg4-2)およびハイグロマイシンを置いた(図8)。 AAV vector #4 (Table 4) was constructed targeting exon 1 of IFNAR1 (T4), and a pair of sgRNAs (sg4-1 and sg4-2) with a 7-bp offset and hygromycin were placed between the ITRs for DNA double-strand cleavage by wild-type Cas9 and nickase Cas9 (Figure 8).

Figure 0007539136000004
Figure 0007539136000004

AAV#5(表5)は、1.7kb N末端Cas9v2におけるD10A (GAC→GCC)変異以外、AAV#1と同一である。 AAV#5 (Table 5) is identical to AAV#1 except for the D10A (GAC→GCC) mutation in the 1.7 kb N-terminal Cas9v2.

Figure 0007539136000005
Figure 0007539136000005

AAV#6(表6)は、2.3kb C末端Cas9v2におけるN863A (AAC→GCC)変異とFLAGをVP641に置換した以外、AAV#2と同一である。 AAV#6 (Table 6) is identical to AAV#2 except for the N863A (AAC→GCC) mutation in the 2.3 kb C-terminal Cas9v2 and the replacement of FLAG with VP641.

Figure 0007539136000006
Figure 0007539136000006

AAVベクター#5に別のsgRNA (sg7)を加え、標的配列T1をT1/7で置換することによってAAVベクター#7を作製した(図35)。AAVベクター#7の正確な配列は表7に記載の通りである。 AAV vector #7 was generated by adding another sgRNA (sg7) to AAV vector #5 and replacing the target sequence T1 with T1/7 (Figure 35). The exact sequence of AAV vector #7 is shown in Table 7.

Figure 0007539136000007
Figure 0007539136000007

AAVベクター#8およびAAVベクター#9もまた、それぞれAAVベクター#2および#6に別のsgRNA (sg8)を加え、標的配列T2をT8/2で置換することによって構築したした(図37、39)。AAVベクター#8および#9の正確な配列は表8および9に記載の通りである。 AAV vector #8 and AAV vector #9 were also constructed by adding another sgRNA (sg8) to AAV vector #2 and #6, respectively, and replacing the target sequence T2 with T8/2 (Figures 37, 39). The exact sequences of AAV vector #8 and #9 are listed in Tables 8 and 9.

Figure 0007539136000008
Figure 0007539136000008

Figure 0007539136000009
Figure 0007539136000009

段階希釈されたウイルス液で293T細胞を感染させた後、2.5μg/mlピューロマイシンまたは0.3mg/mlハイグロマイシンBの存在下10日間生存したコロニーの数によって、直接的にベクター#3および#4のAAVウイルス価(導入価/ml)を決定した。AAVベクター#1、#2、#5、#6、#7、#8、および#9については、発明者らは、0.3M NaCl、20mM Tris、pH7.0 (Q-Fast Flow, Pharmacia)中、アニオン交換樹脂によるインキュベーションを通じてウイルス液から余分なDNA断片を除去後、特定のプライマーP11-P12(表10)でリアルタイムPCRを用いて、ピューロマイシン遺伝子の量を1次計測した。次に、生物学的ウイルス価とAAVベクター#3のピューロマイシン遺伝子の量の関係から、上記のAAVベクターのウイルス価(導入価/ml)を見積もった。 After infecting 293T cells with serially diluted virus solutions, the AAV virus titers (induction titers/ml) of vectors #3 and #4 were directly determined by the number of colonies that survived for 10 days in the presence of 2.5 μg/ml puromycin or 0.3 mg/ml hygromycin B. For AAV vectors #1, #2, #5, #6, #7, #8, and #9, the inventors first measured the amount of puromycin gene using real-time PCR with specific primers P11-P12 (Table 10) after removing excess DNA fragments from the virus solution through incubation with anion exchange resin in 0.3 M NaCl, 20 mM Tris, pH 7.0 (Q-Fast Flow, Pharmacia). Next, the virus titers (induction titers/ml) of the above AAV vectors were estimated from the relationship between the biological virus titers and the amount of puromycin gene of AAV vector #3.

Figure 0007539136000010
Figure 0007539136000010

細胞内導入
SIN型レンチウイルスベクターをViraPowerTM レンチウイルスパッケージングMix (Invitrogen #K497500)と共に、リポフェクタミンTM 2000トランスフェクション試薬 (Thermo Fisher Scientific #11668027)でLenti-XTM 293T細胞(Takara #632180)に共トランスフェクションした。3日後、組換えウイルス粒子を含む上清をLenti-XTM濃縮試薬(Takara Bio #631231)で濃縮し、10μg/ml Polybrene (Nakalai #12996-81)の存在下、細胞感染(MOI=0.1-2)のために使用した。
連続的感染については、24穴プレート中に播種された293T-Cas9(Nick)-Myc細胞(500/穴)を、AAVS1部位を標的とするsgRNAおよびCas9v2ニッカーゼNT1.9kb断片を提供する、10,000導入価のAAV#7で36時間インキュベートした。培地を吸引後、細胞を連続的に10,000導入価のAAV#8またはAAV#9で24時間インキュベートし、全長Cas9(v2)ニッカーゼ-FLAGまたはdCas9(v2)-VP64をそれぞれ再構築した。細胞を6穴プレートに移し、2日後にブラストサイジンを加えた。32 μg/mlブラストサイジンS存在下10日後にコロニーを集めて、PCRおよび免疫ブロットで解析した。
Intracellular delivery
The SIN lentiviral vector was co-transfected with ViraPower Lentiviral Packaging Mix (Invitrogen #K497500) into Lenti-X™ 293T cells (Takara #632180) using Lipofectamine 2000 Transfection Reagent (Thermo Fisher Scientific #11668027). After 3 days, the supernatant containing the recombinant viral particles was concentrated with Lenti-X™ Concentration Reagent (Takara Bio #631231) and used for cell infection (MOI=0.1-2) in the presence of 10μg/ml Polybrene (Nakalai #12996-81).
For sequential infections, 293T-Cas9(Nick)-Myc cells (500/well) seeded in 24-well plates were incubated for 36 h with a titer of 10,000 for AAV#7, delivering sgRNA targeting the AAVS1 site and the Cas9v2 nickase NT 1.9 kb fragment. After aspirating the medium, cells were sequentially incubated for 24 h with a titer of 10,000 for AAV#8 or AAV#9, reconstituting full-length Cas9(v2) nickase-FLAG or dCas9(v2)-VP64, respectively. Cells were transferred to 6-well plates and blasticidin was added 2 days later. Colonies were collected after 10 days in the presence of 32 μg/ml blasticidin S and analyzed by PCR and immunoblot.

ゲノムDNA単離およびPCR
24穴プレート中のセミコンフルエントな細胞からゲノムDNAを抽出した。細胞質成分の1% Triton-X抽出後、細胞残渣を0.5% SDS含有バッファー中で24時間、180μg/ml Proteinase K (Nakalai #15679-06)で処理した。それらをフェノール/クロロホルム/イソアミルアルコール(25:24:1)で処理し、エタノールで沈殿させ、70%エタノール洗浄後、TE中に溶解させた。ゲノムDNA(各100ng)を表10にリストした特定のプライマー、KOD-FX-neo DNA Polymerase (TOYOBO #KFX-201)を用いてLightCycler 1.5 (ABI)上でPCRに供した。それ以外の記載がない限り、通常の反応条件は、94℃、2分間に続いて、98℃で変性の10秒、62℃でアニーリングの10秒および68℃で伸長の1分の35サイクルであった。PCR産物を1%アガロースゲルで解析した。いくつかのDNA断片を精製し、直接的に、またはプラスミドにサブクローニングした後に、シークエンスした。
Genomic DNA isolation and PCR
Genomic DNA was extracted from semi-confluent cells in 24-well plates. After 1% Triton-X extraction of cytoplasmic components, the cell residues were treated with 180 μg/ml Proteinase K (Nakalai #15679-06) in 0.5% SDS-containing buffer for 24 h. They were treated with phenol/chloroform/isoamyl alcohol (25:24:1), precipitated with ethanol, washed with 70% ethanol, and dissolved in TE. Genomic DNA (100 ng each) was subjected to PCR on a LightCycler 1.5 (ABI) using specific primers listed in Table 10 and KOD-FX-neo DNA Polymerase (TOYOBO #KFX-201). Unless otherwise stated, typical reaction conditions were 94°C for 2 min, followed by 35 cycles of denaturation at 98°C for 10 s, annealing at 62°C for 10 s, and extension at 68°C for 1 min. PCR products were analyzed on a 1% agarose gel. Several DNA fragments were purified and sequenced either directly or after subcloning into plasmids.

免疫ブロット解析
24穴プレート中のセミコンフルエントな細胞からGlo溶解バッファー(Promega #E2661)で細胞溶解物を抽出した。細胞溶解物(各10 μg)を5~12.5% SDS-PAGEで分離し、PVDF膜(Millipore)に転写した。特定のタンパク質を検出するために、抗Cas9ポリクローナル抗体(Takara Bio #632607)、抗Mycタグ (9B11)マウスモノクローナル抗体(Cell Signaling Tech #2276S)、抗FLAG M2マウスモノクローナル抗体(Sigma-Aldrich #F1804)または抗βアクチンマウスモノクローナル抗体(Santa-Cruz #SC-47778)を1:500~3,000希釈で用いた。それらをHRPコンジュゲート抗ウサギまたは抗マウスIgG抗体およびECL試薬で可視化した。
Immunoblot analysis
Cell lysates were extracted from semi-confluent cells in 24-well plates with Glo lysis buffer (Promega #E2661). Cell lysates (10 μg each) were separated by 5-12.5% SDS-PAGE and transferred to PVDF membranes (Millipore). To detect specific proteins, anti-Cas9 polyclonal antibody (Takara Bio #632607), anti-Myc tag (9B11) mouse monoclonal antibody (Cell Signaling Tech #2276S), anti-FLAG M2 mouse monoclonal antibody (Sigma-Aldrich #F1804) or anti-β-actin mouse monoclonal antibody (Santa-Cruz #SC-47778) were used at 1:500-3,000 dilutions. They were visualized with HRP-conjugated anti-rabbit or anti-mouse IgG antibodies and ECL reagents.

ルシフェラーセアッセイ
HEK293T細胞(2x104/well)を96穴プレートに播種し、24時間後に10 ngのホタルルシフェラーゼレポータープラスミドpISRE(Interferon-stimulated response element)-Lucでトランスフェクトした。トランスフェクション後24時間に40ng/ml IFNαで細胞を刺激し、刺激後12時間にSteady-Glo(登録商標)Luciferase Substrate (Promega #E2510)を添加することによってルシフェラーセ活性を測定した。
Luciferase assay
HEK293T cells ( 2x104 /well) were seeded in 96-well plates and transfected with 10 ng of firefly luciferase reporter plasmid pISRE(Interferon-stimulated response element)-Luc 24 hours later. Cells were stimulated with 40 ng/ml IFNα 24 hours after transfection, and luciferase activity was measured by adding Steady-Glo® Luciferase Substrate (Promega #E2510) 12 hours after stimulation.

薬剤選抜なしの細胞形質導入
感染前日に24穴プレートに播種されたHEK293T細胞(500/穴)を10,000導入価のAAVベクター(MOI=20)で処理した。インキュベート24時間後、感染細胞を3つの異なる希釈(1/30、1/10、および1/3)で6穴プレートに移した。選抜のための抗生物質なしで約10日間インキュベーション後、完全に孤立したコロニーを集めて、24穴プレートに移し、ゲノムDNAおよび細胞ライセートの調製に十分な程度まで増殖させた。
Cell transduction without drug selection. HEK293T cells (500/well) seeded in 24-well plates were treated with a titer of 10,000 AAV vectors (MOI=20) the day before infection. After 24 h of incubation, infected cells were transferred to 6-well plates at three different dilutions (1/30, 1/10, and 1/3). After approximately 10 days of incubation without antibiotics for selection, fully isolated colonies were collected, transferred to 24-well plates, and grown sufficiently for the preparation of genomic DNA and cell lysates.

細胞株
宿主ゲノムに組み込まれたレンチウイルスの除去を評価するために、発明者らは、レンチウイルスの感染によって、最少プロモーターおよびブラストサイジン耐性遺伝子を構成的に含む、3 x κB (NF-κB結合部位)を介して5ng/ml TNFα刺激応答性ルシフェラーゼレポーターを発現する安定細胞株を作製した。その32μg/mlブラストサイジンに耐性の細胞に、さらにCMVプロモータ下のCas9およびピューロマイシン耐性遺伝子を構成的に発現するためのプラスミドでトランスフェクトした。図15の通り、結果として得られた2.5μg/mlピューロマイシン耐性細胞がTNFα応答性κB-Luc およびCMV駆動Cas9を発現していることを確認した(HEK 293T-lentiviral-κB-Luc+CMV-Cas9)。レンチウイルスLTRを標的とするAAV vector #3感染(sg-Lenti)によって組み込まれたレンチウイルスが細胞から除去されれば、細胞は、TNFα応答性ルシフェラーゼ活性を喪失するので、レンチウイルスの除去率を定量できる。
Cell Lines To evaluate the removal of lentivirus integrated into the host genome, we generated a stable cell line expressing 5ng/ml TNFα-stimulated luciferase reporter via 3 x κB (NF-κB binding site) containing a minimal promoter and a blasticidin resistance gene constitutively by lentivirus infection. The cells resistant to 32μg/ml blasticidin were further transfected with a plasmid for constitutively expressing Cas9 and puromycin resistance gene under the CMV promoter. As shown in Figure 15, the resulting 2.5μg/ml puromycin-resistant cells were confirmed to express TNFα-responsive κB-Luc and CMV-driven Cas9 (HEK 293T-lentiviral-κB-Luc+CMV-Cas9). When the lentivirus integrated by infection with AAV vector #3 (sg-Lenti) targeting the lentivirus LTR is eliminated from the cells, the cells lose TNFα-responsive luciferase activity, allowing the elimination rate of the lentivirus to be quantified.

ルシフェラーセアッセイ(2)
ゲノムからレンチウイルスの除去を評価するために、発明者らは、図15のHEK 293T-lentiviral-κB-Luc+CMV-Cas9細胞を用いた。該細胞(1,000/穴)を48穴プレートに播種し、24時間後にレンチウイルスLTRまたはコントロールsgRNAを標的にする500-5,000導入価のAAVベクター#3(MOI=0.5-5)で感染させた。トランスフェクション後24時間に細胞を5 ng/ml TNFαで刺激し、刺激後12時間にSteady-Glo(登録商標)Luciferase Substrate (Promega #E2510)を加えることによってルシフェラーゼ活性を測定した。
図29で、レンチウイルスが除去されたsgLenti #1および#2細胞におけるdCas9v2-VP64機能を調べるために、発明者らは、48穴プレート上の該細胞(1×104/穴)中の内在性IFNβ遺伝子プロモーター特異的な活性化を調べた。細胞を10ng 4 x ISRE (インターフェロン応答配列)-ルシフェラーゼプラスミドDNA、10ng MS2-P65-HSF1プラスミドDNA、およびIFNβ遺伝子プロモーター部位を標的にする10ng MS2-sgRNA発現プラスミド(sg-IFNβ)またはコントロールプラスミド(sg-control)を0.2μl Lipofectamine(登録商標)2000トランスフェクション試薬 (Thermo Fisher Scientific #11668027)でトランスフェクトした。トランスフェクション後36時間にSteady-Glo(登録商標)Luciferase Substrateを加えることによってルシフェラーゼ活性を測定した。dCas9v2-VP64、MS2-P65-HSF1、MS2-sgIFNβにより特異的に活性化されたIFNβがISREを介してルシフェラーゼ活性を顕著に上昇させた。MS2-sgRNA発現プラスミドの、IFNβ遺伝子プロモーター標的部位及びコントロール配列を表11に記載した。
Luciferase assay (2)
To evaluate the removal of lentivirus from the genome, we used HEK 293T-lentiviral-κB-Luc+CMV-Cas9 cells in Figure 15. The cells (1,000/well) were seeded in 48-well plates and 24 hours later, infected with a titer of 500-5,000 AAV vector #3 (MOI = 0.5-5) targeting the lentiviral LTR or control sgRNA. 24 hours after transfection, cells were stimulated with 5 ng/ml TNFα, and luciferase activity was measured by adding Steady-Glo® Luciferase Substrate (Promega #E2510) 12 hours after stimulation.
In Figure 29, to examine dCas9v2-VP64 function in lentivirus-cleared sgLenti #1 and #2 cells, we examined endogenous IFNβ gene promoter-specific activation in the cells ( 1x104 /well) on 48-well plates. Cells were transfected with 10ng 4xISRE (Interferon Response Element)-Luciferase plasmid DNA, 10ng MS2-P65-HSF1 plasmid DNA, and 10ng MS2-sgRNA expression plasmid targeting the IFNβ gene promoter site (sg-IFNβ) or control plasmid (sg-control) in 0.2μl Lipofectamine® 2000 transfection reagent (Thermo Fisher Scientific #11668027). Luciferase activity was measured by adding Steady-Glo® Luciferase Substrate 36 hours after transfection. IFNβ specifically activated by dCas9v2-VP64, MS2-P65-HSF1, and MS2-sgIFNβ significantly increased luciferase activity via ISRE. The IFNβ gene promoter target site and control sequence of the MS2-sgRNA expression plasmid are listed in Table 11.

Figure 0007539136000011
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DNA配列解析
精製されたゲノムDNAから増幅されたPCR断片のダイレクトシークエンシングによっていくつかの確立された細胞の正確なゲノム構造を解析した。IFNAR1遺伝子について、PCRテンプレートとして各クローン由来のゲノムDNAを使用し、P9-P10プライマーでIFNAR1のエキソン1周辺領域を増幅した(図8)。プライマー配列を表10に記載した。増幅されたDNA断片(それらは概ねヘテロな約0.4kbであった)をアガロースゲルから切り出し、GeneCleanキット(Funakoshi #1102-200)で精製し、pcDNAベクタープラスミドにクローニングした。構造解析のためプラスミドDNA配列(1細胞株から4クローン以上)を調べた。
DNA sequence analysis The precise genomic structures of several established cells were analyzed by direct sequencing of PCR fragments amplified from purified genomic DNA. For the IFNAR1 gene, the region surrounding exon 1 of IFNAR1 was amplified with P9-P10 primers using genomic DNA from each clone as a PCR template (Figure 8). The primer sequences are listed in Table 10. The amplified DNA fragments (which were mostly heterogeneous, approximately 0.4 kb) were excised from agarose gel, purified with GeneClean kit (Funakoshi #1102-200), and cloned into pcDNA vector plasmid. Plasmid DNA sequences (more than four clones from one cell line) were examined for structural analysis.

統計処理
両側P値でStudent’s t検定を用いて量的データを解析した。p<0.02の値を統計的に有意であると判断した。
Statistical treatment Quantitative data were analyzed using Student's t test with two-tailed P values. A value of p<0.02 was considered statistically significant.

実施例1 AAVS1遺伝子座への野生型Cas9の組み込み
In vivoでヒト体細胞を直接操作するために、発明者らは、レンチウイルスおよびAAVウイルスベクターの利点を採用し、ウイルスベクターのみを用いてAASV1遺伝子座にCas9を導入する方法を開発した。Cas9の安定発現は、特定のsgRNAおよび相同性アームを含み、HDRを促すことができる、AAVベクターの感染後の正確な遺伝子編集を可能にする。図1に示される通り、発明者らは2種のCas(Cas9v1(本来のSpCas9:化膿レンサ球菌(Streptococcus pyogenes))およびCas9v2(SpCas9からヒトコドンに最適されている)を用いた。これらは、同一のタンパク質をコードするが、DNA配列という点において異なり、sgRNA #2がCas9v2のみを認識でき、Cas9v1を認識できないようにしている。タンパク質レベルでの両方のCas9の発現をモニターするため、発明者らはCas9v1とCas9v2にそれぞれMycタグとFlagタグを付加した(図1)。また、発明者らはHDRを可能にし、AAVベクターへの挿入DNAサイズを最小限にするために、0.3kbの短い相同性アームを伴う、ダブルカットドナー法を採用した。本方法は、以下に4工程を含んだ。
1)レンチウイルスベクターを用いて宿主細胞のゲノムにランダムにCas9v1(化膿レンサ球菌由来)を導入した。この方法は、組み込み部位を制御できなかった場合でさえ、サイズの大きいCas9v1を受け入れ、長期かつ案手にその発現を保証した。
2)AAVベクターの外来性遺伝子の収容力は2.5kb以下であるため、Cas9v1ヌクレアーゼ活性を用いて、AAVベクター#1を介して1.9kb Cas9v2 N末端断片(ヒトコドンに最適されている)をAAVS1遺伝子座に導入した。
3)2.3kb Cas9v2 C末端断片および1.9kb N末端断片とオーバーラップした0.3kb領域を提供する、AAVベクター#2でHDRを用いて全長Cas9v2を再構築した。
4)レンチウイルスベクターの長い末端反復配列(LTR)を標的にするsgRNAを含んだAAVベクター#3を用いてCsa9v1を含むレンチウイルスをゲノムから除去した。
Example 1 Integration of wild-type Cas9 into the AAVS1 locus
To directly manipulate human somatic cells in vivo, we took advantage of the advantages of lentivirus and AAV viral vectors and developed a method to introduce Cas9 into the AASV1 locus using only viral vectors. Stable expression of Cas9 allows precise gene editing after infection with AAV vectors that contain specific sgRNAs and homology arms and can promote HDR. As shown in Figure 1, we used two kinds of Cas: Cas9v1 (original SpCas9: Streptococcus pyogenes) and Cas9v2 (optimized to human codons from SpCas9). They code for the same protein but differ in terms of DNA sequence, making sgRNA #2 capable of recognizing only Cas9v2 but not Cas9v1. To monitor the expression of both Cas9s at the protein level, we added Myc and Flag tags to Cas9v1 and Cas9v2, respectively (Figure 1). We also adopted a double-cut donor method with short homology arms of 0.3 kb to enable HDR and minimize the size of the inserted DNA into the AAV vector. This method included the following four steps.
1) We randomly introduced Cas9v1 (derived from Streptococcus pyogenes) into the genome of host cells using a lentiviral vector, which was able to accept the large size of Cas9v1 and ensure its long-term and stable expression even when the integration site could not be controlled.
2) Because the carrying capacity of an AAV vector for a foreign gene is 2.5 kb or less, the Cas9v1 nuclease activity was used to introduce a 1.9 kb Cas9v2 N-terminal fragment (optimized for human codons) into the AAVS1 locus via AAV vector #1.
3) Full-length Cas9v2 was reconstructed using HDR in AAV vector #2, providing a 0.3 kb region overlapping with a 2.3 kb Cas9v2 C-terminal fragment and a 1.9 kb N-terminal fragment.
4) The lentivirus containing Csa9v1 was removed from the genome using AAV vector #3, which contained an sgRNA targeting the long terminal repeat (LTR) of the lentiviral vector.

1)Cas9v1-Mycのゲノムへのランダムな組み込み
まず発明者らは、ゲノム組み込みはランダムであったが、レンチウイルスベクターによってCas9v1-Mycをヒト胎生腎臓(HEK)293T細胞の宿主ゲノムに導入した。多くの細胞における長期かつ安定な発現のため、自己切断ペプチドT2Aで連結されたCas9v1-Myc転写産物およびハイグロマイシン耐性遺伝子の両方をサイトメガロウイルス(CMV)プロモーターを介して駆動した。感染したHEK293T細胞をハイグロマイシンBを用いて選抜し、選抜2週間後に調べた5クローンは全て(100%)Cas9v1-Mycを発現した(図11)。ここで、Cas9(Nick)-Myc感染に示されるように、発明者らは比較的低濃度のレンチウイルス(感染多重度(MOI)=0.1)を使用し、導入効率が低かったが、高濃度のレンチウイルスを使用することによって導入効率は改善し得る(図34)。
1) Random integration of Cas9v1-Myc into genome First, we introduced Cas9v1-Myc into the host genome of human embryonic kidney (HEK) 293T cells by lentiviral vector, although the integration was random. For long-term and stable expression in many cells, both Cas9v1-Myc transcripts and hygromycin resistance gene linked with self-cleaving peptide T2A were driven via cytomegalovirus (CMV) promoter. Infected HEK293T cells were selected with hygromycin B, and all five clones examined 2 weeks after selection (100%) expressed Cas9v1-Myc (Figure 11). Here, as shown in Cas9(Nick)-Myc infection, we used a relatively low concentration of lentivirus (multiplicity of infection (MOI) = 0.1), and the transduction efficiency was low, but the transduction efficiency could be improved by using a high concentration of lentivirus (Figure 34).

2)1.9kb Cas9v2N末端断片のAAVS1遺伝子座への組み込み
Cas9v1-Mycヌクレアーゼ活性を用いて、AAVベクターを用いて1.9kb Cas9v2 N末端断片をAAVS1遺伝子座に導入した(図2)。HDRを可能するために、AAVS1特異的なsgRNA1 (sg1)を発現し、0.3kbの短い相同性アームを有するダブルカットドナーおよびプロトスペーサー隣接モチーフ(PAM)を含むT1標的配列を提供するようにAAVベクター#1を設計した。該配列は表1に記載した。HDRが起きた場合、スプライスアクセプター(SA)、T2AおよびP2A自己切断ペプチドを介して、安定したPPP1R12C転写産物から1.9kb Cas9v2 N末端およびピューロマイシン耐性遺伝子の両者が発現する。Cas9v1-Mycを発現するHEK293T細胞(#2 clone)をAAVベクター#1に感染させ、2週間ピューロマイシンを用いて選抜した。ピューロマイシン耐性細胞(クローン#1-#15)から調製されたゲノムDNAを相同性アームの外側にセットされたプライマーP1-P2でPCRを用いて解析した(図3)。プライマーは表10に記載する。4.5kbおよび1.5kb PCR産物はそれぞれ、N末端Cas9v2が組み込まれたアリルおよび組み込まれていないオリジナルアリルに由来した。調べた15クローンのうち8クローン(53%)は2本バンドを有し、このことは1つのアリルだけがN末端Cas9v2を有し、クローン#8のみが両方のアリルにインサート(4.5kbおよび4.2kb)を保持することを示した。Cas9v2が組み込まれた可能性のあるクローン(PCR 4.5kb産物)をP1-P3プライマーおよびP4-P2プライマーでさらに解析した。8候補は全てCas9v2遺伝子(図3B: P1-P3プライマーを用いた1.2kb)およびピューロマイシン耐性遺伝子(図3C: P4-P2プライマーを用いた1.1kb)を保持していた。また、同じ細胞由来の細胞溶解物を、6%SDS-PAGEの後、両方のCas9を認識する抗体を用いて免疫ブロットによって解析した。8細胞は全てCas9v1-Myc (160 kDa)およびCas9v2の1.9kb N末端 (70 kDa)を発現していた(図3D)。N末端(NT)クローン#4断片の4.5kb配列は設計した通りであった(図2B)。クローン#8由来の4.5kb断片はクローン#4のそれとと同一であったが、クローン#8由来の4.2kb断片は右アーム周辺に挿入と欠失の両方を含んでいた(図12)。その配列は表12にリストした。
2) Integration of the 1.9 kb Cas9v2 N-terminal fragment into the AAVS1 locus
Using Cas9v1-Myc nuclease activity, the 1.9 kb Cas9v2 N-terminal fragment was introduced into the AAVS1 locus using an AAV vector (Figure 2). To enable HDR, AAV vector #1 was designed to express AAVS1-specific sgRNA1 (sg1) and provide a T1 target sequence containing a double-cut donor with a short homology arm of 0.3 kb and a protospacer adjacent motif (PAM). The sequence is listed in Table 1. When HDR occurs, both the 1.9 kb Cas9v2 N-terminus and the puromycin resistance gene are expressed from the stable PPP1R12C transcript via the splice acceptor (SA), T2A and P2A self-cleaving peptides. HEK293T cells expressing Cas9v1-Myc (#2 clone) were infected with AAV vector #1 and selected with puromycin for 2 weeks. Genomic DNA prepared from puromycin-resistant cells (clones #1-#15) was analyzed by PCR with primers P1-P2 set outside the homology arms (Figure 3). The primers are listed in Table 10. The 4.5 kb and 1.5 kb PCR products were derived from the allele with N-terminal Cas9v2 integrated and the original allele without integration, respectively. Eight of the 15 clones examined (53%) had two bands, indicating that only one allele had N-terminal Cas9v2, and only clone #8 carried inserts (4.5 kb and 4.2 kb) in both alleles. Clones with possible Cas9v2 integration (PCR 4.5 kb product) were further analyzed with primers P1-P3 and P4-P2. All eight candidates carried the Cas9v2 gene (Fig. 3B: 1.2 kb using P1-P3 primers) and the puromycin resistance gene (Fig. 3C: 1.1 kb using P4-P2 primers). Cell lysates from the same cells were also analyzed by 6% SDS-PAGE followed by immunoblotting using an antibody that recognizes both Cas9s. All eight cells expressed Cas9v1-Myc (160 kDa) and the 1.9 kb N-terminus of Cas9v2 (70 kDa) (Fig. 3D). The 4.5 kb sequence of the N-terminal (NT) clone #4 fragment was as designed (Fig. 2B). The 4.5 kb fragment from clone #8 was identical to that from clone #4, but the 4.2 kb fragment from clone #8 contained both an insertion and a deletion around the right arm (Fig. 12). The sequences are listed in Table 12.

Figure 0007539136000012
Figure 0007539136000012

3)AAVS1遺伝子座における全長Cas9v2-FLAGの再構築
HDRによって全長Cas9v2-FLAGを再構築するため、本発明者らは、Cas9v2-FLAGのC末端2.3kb断片およびN末端1.9kb断片とオーバーラップする0.3kb領域をAAVベクター#2を介して導入した(図4)。sgRNA2 (sg2)は、1.9kb N末端Cas9v2の3’端およびP2A自己切断ペプチドの5’端の間の接合部配列(T2)を標的にする。P2Aおよびピューロマイシンの0.3kb N末端断片を右アームとして使用し、T2標的配列およびITRに隣接したダブルカットドナーを提供した(表2)。P2Aは、AAVS1部位に存在するPPP1R12Cプロモーターで駆動される転写産物由来の再構築された全長Cas9v2-FLAGとブラストサイジン耐性遺伝子を発現する。ピューロマイシン耐性遺伝子もまたHDRを用いて再構築されたが、その前に挿入されたブラストサイジン耐性遺伝子の終止コドンのために、その転写産物は翻訳されなかった。Cas9v1-MycおよびCas9v2の1.9kb N末端を発現するHEK293T細胞(NTクローン#4)にAAVベクター#2を感染させ、ブラストサイジンで2週間選抜した。ブラストサイジン耐性細胞(クローン#1-#9)はピューロマイシンに感受性となり、そのゲノムDNAを調製し、P5-P6プライマーでPCRを用いて解析した(図5)。9クローン全て(100%)で検出された1.2kb PCR産物によってドナーエレメントの組み込みが示された。同じ細胞由来の細胞溶解物を、6%SDS-PAGEの後、両方を認識する抗体で免疫ブロットによって解析した。AAVベクター#2に感染した細胞全てにおいて、Cas9v2の1.9kb N末端を示す70-kDaのバンドは消失し、160-kDaバンドの強度が増した。抗FLAG抗体および抗Myc抗体によって、これらのバンドは、再構築された全長Cas9v2-FLAGおよびCas9v1-Mycのそれぞれを有することが確認された。AAVS1組み込み部位を含むCas9v2全長クローン#7の配列を確認した(表13)
3) Reconstruction of the full-length Cas9v2-FLAG gene at the AAVS1 locus
To reconstruct full-length Cas9v2-FLAG by HDR, we introduced a 0.3 kb region overlapping the C-terminal 2.3 kb fragment and the N-terminal 1.9 kb fragment of Cas9v2-FLAG via AAV vector #2 (Figure 4). sgRNA2 (sg2) targets the junction sequence (T2) between the 3' end of the 1.9 kb N-terminal Cas9v2 and the 5' end of the P2A self-cleaving peptide. A 0.3 kb N-terminal fragment of P2A and puromycin was used as the right arm to provide a double-cut donor flanked by the T2 target sequence and ITRs (Table 2). P2A expresses the reconstructed full-length Cas9v2-FLAG and blasticidin resistance gene from a transcript driven by the PPP1R12C promoter present in the AAVS1 site. The puromycin resistance gene was also reconstructed using HDR, but its transcript was not translated due to the stop codon of the blasticidin resistance gene inserted before it. HEK293T cells expressing Cas9v1-Myc and the 1.9 kb N-terminus of Cas9v2 (NT clone #4) were infected with AAV vector #2 and selected with blasticidin for 2 weeks. The blasticidin-resistant cells (clones #1-#9) became sensitive to puromycin, and their genomic DNA was prepared and analyzed by PCR with P5-P6 primers (Figure 5). Integration of the donor element was indicated by a 1.2 kb PCR product detected in all 9 clones (100%). Cell lysates from the same cells were analyzed by 6% SDS-PAGE followed by immunoblotting with antibodies that recognize both. In all cells infected with AAV vector #2, the 70-kDa band representing the 1.9 kb N-terminus of Cas9v2 disappeared, and the intensity of the 160-kDa band increased. Anti-FLAG and anti-Myc antibodies confirmed that these bands contained the reconstructed full-length Cas9v2-FLAG and Cas9v1-Myc, respectively. The sequence of Cas9v2 full-length clone #7 containing the AAVS1 integration site was confirmed (Table 13).

Figure 0007539136000013
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4)ランダムに組み込まれたCas9v1-Mycを含むレンチウイルスのゲノムからの除去
ランダムに組み込まれたCas9v1-Mycを含むレンチウイルスをゲノムから除去するために、発明者らは、非相同末端結合(NHEJ)を用いてレンチウイルスベクターのLTR (T3)を標的にするAAVベクター#3を構築した(図6)。Cas9v1-Mycおよび全長Cas9v2-FLAGを発現する細胞は機能的ピューロマイシン発現を喪失しているため(図4および5)、発明者らはsgRNAを発現する細胞を選抜するためにピューロマイシン耐性遺伝子を使用した。多くのケースでHIVのLTRを標的にするsgRNAが首尾よくLTR間の遺伝子を除去したという報告がある。発明者らは、野生型Cas9とCas9ニッカーゼによるDNA二本鎖切断のための16bpオフセットを有する一組のsgRNA(sg3-1およびsg3-2)をセットした(図6および表3)。ニッカーゼは標的部位として、オフセット(通常4から20bp)を挟んで逆鎖に相補的な1対のsgRNAsを必要とする。Cas9v1-Mycおよび全長Cas9v2-FLAGを発現するHEK293T細胞(Cas9v2 全長クローン#7)をAAVベクター#3に感染させ、ピューロマイシンで選抜した。Cas9v1-Mycに対する特定のプライマー(P7-P8)を用いたPCRおよびCas9v1-MycとCas9v2-FLAGに対する免疫ブロットによってピューロマイシン耐性細胞(クローン#1-#10)を解析した(図7)。10クローンのうちの5クローン(50%)で、LTRの僅かな部分を残しながらも、NHEJを用いてCas9v1-Mycを含むレンチウイルスが首尾よくゲノムから除去された。低濃度のAAV(MOI=0.1)の使用では、全体的な導入効率はそれほど高くなかった。しかし、MOIを20にまで増やすことによって、薬剤選択なしの除去率は約50%(3回の独立実験で3/6、5/9,および4/10)に増加した(図13および14)。Cas9v2と比較したCas9v1の特異的除去はPCRおよび免疫ブロットによって確認した。薬剤選択なしにレンチウイルスベクターの高除去率を達成することは、in vivo使用において重要である。
sgRNAを介した組み込まれたゲノムからのレンチウイルスの除去率を別の方法で量的に評価した(図15)。TNFα存在下におけるルシフェラーゼ活性は、Cas9も安定的に発現している細胞におけるレンチウイルスのκB-ルシフェラーゼ遺伝子の量に依存する。sgRNAを発現するAAVベクターの感染後36時間の相対的ルシフェラーゼ活性を介して、組み込まれたレンチウイルスのκB-ルシフェラーゼ遺伝子の除去率を測定した(sg-Lenti (sg3-1およびsg3-2)からsg-コントロール)。比較的低いMOI=5で細胞の半分以上(59%)においてレンチウイルスは除去された。このことは、レンチウイルスの除去率は50%以上であることを示唆する。
4) Removal of lentivirus containing randomly integrated Cas9v1-Myc from the genome To remove lentivirus containing randomly integrated Cas9v1-Myc from the genome, we constructed AAV vector #3 that targets the LTR (T3) of the lentivirus vector using non-homologous end joining (NHEJ) (Figure 6). Because cells expressing Cas9v1-Myc and full-length Cas9v2-FLAG lose functional puromycin expression (Figures 4 and 5), we used a puromycin resistance gene to select cells expressing sgRNA. There are reports that sgRNAs targeting HIV LTRs have successfully removed genes between LTRs in many cases. We set a pair of sgRNAs (sg3-1 and sg3-2) with a 16bp offset for DNA double-strand cleavage by wild-type Cas9 and Cas9 nickase (Figure 6 and Table 3). Nickase requires a pair of sgRNAs complementary to opposite strands with an offset (usually 4 to 20 bp) as the target site. HEK293T cells expressing Cas9v1-Myc and full-length Cas9v2-FLAG (Cas9v2 full-length clone #7) were infected with AAV vector #3 and selected with puromycin. Puromycin-resistant cells (clones #1-#10) were analyzed by PCR using specific primers (P7-P8) for Cas9v1-Myc and immunoblotting for Cas9v1-Myc and Cas9v2-FLAG (Figure 7). In 5 of 10 clones (50%), the lentivirus containing Cas9v1-Myc was successfully removed from the genome using NHEJ, leaving a small portion of the LTR behind. The overall transduction efficiency was not very high when a low concentration of AAV (MOI=0.1) was used. However, by increasing the MOI to 20, the removal rate without drug selection increased to approximately 50% (3/6, 5/9, and 4/10 in three independent experiments) (Figures 13 and 14). The specific removal of Cas9v1 compared to Cas9v2 was confirmed by PCR and immunoblot. Achieving a high removal rate of lentiviral vectors without drug selection is important for in vivo use.
The sgRNA-mediated removal rate of lentivirus from the integrated genome was quantitatively evaluated by another method (Figure 15). Luciferase activity in the presence of TNFα depends on the amount of lentiviral κB-luciferase gene in cells that also stably express Cas9. The removal rate of integrated lentiviral κB-luciferase gene was measured via relative luciferase activity 36 hours after infection with AAV vectors expressing sgRNA (sg-Lenti (sg3-1 and sg3-2) to sg-Control). At a relatively low MOI of 5, lentivirus was removed in more than half of the cells (59%). This suggests that the removal rate of lentivirus was more than 50%.

5)再構築されたCas9v2-FLAG機能の検証
AAVS1遺伝子座において再構築されたCas9v2-FLAGがヌクレアーゼ活性に対して機能的であることを検証するために、発明者らは、特定の部位を標的にするsgRNAと共に、Cas9v2-FLAGが該部位にDNA二本鎖切断(DSB)を生じさせるかどうかを調べた。一過性ルシフェラーゼアッセイを用いてインターフェロンα受容体1(IFNAR1)遺伝子がノックアウトされているかどうかを調べることが容易であるため、発明者らは標的として該遺伝子を選択した。インターフェロン刺激応答エレメント(interferon-stimulated response element)-ルシフェラーゼプラスミドをトランスフェクトされた細胞は、IFNα刺激に対して良好な応答を示したが、IFNAR1を欠損した細胞は刺激に応答しなかった。Cas9ニッカーゼおよび野生型Cas9によるDNA二本鎖切断のための7bpオフセットを有する1対のsgRNA(sg4-1およびsg4-2)を置くことによって、IFNAR1のエキソン1(T4)を標的にするAAVベクター#4を作製した(表4) (図8)。レンチウイルスLTRを標的にするsgRNA3を発現する細胞(sgLentiクローン#10)中において、ハイグロマイシン耐性遺伝子はCas9v1-Mycと共に除去されるので、このsgIFNAR1(sgRNA4)を発現する細胞を選抜するために、新たなハイグロマイシン耐性遺伝子をITRの間に置いた。
sgLentiクローン#10細胞にAAVベクター#4を感染させ、ISRE-Luciferase プラスミドでトランスフェクションされた後のISRE応答を測定する。ルシフェラーゼアッセイによってIFNAR1が実際にノックアウトされているかどうか、Cas9v2-FLAGおよびsgIFNAR1を発現するハイグロマイシン耐性クローン(#1-#6)を調べた。6クローンのうち5クローン(83%)は、IFNα応答を喪失しており、このことはCas9v2-FLAG 、sgIFNAR1でNHEJを起こし、IFNAR1が特異的にノックアウトされたことを示した。発明者らは#1および#3クローンからIFNAR1クローンのゲノム構造を解析した(図16)。細胞はIFNAR1アリルにおいてヘテロな挿入と欠失を有し、結果として、IFNα刺激に対する応答を喪失していた。従って、発明者らは、再構築されたCas9v2-FLAGは機能的であり、他の遺伝子を編集するために使用できることを確認した。
5) Verification of reconstituted Cas9v2-FLAG function
To verify that the reconstructed Cas9v2-FLAG in the AAVS1 locus is functional in terms of nuclease activity, we investigated whether Cas9v2-FLAG, together with sgRNA targeting a specific site, generates a DNA double-strand break (DSB) at the site. We selected the interferon alpha receptor 1 (IFNAR1) gene as a target because it is easy to examine whether the gene is knocked out using a transient luciferase assay. Cells transfected with the interferon-stimulated response element-luciferase plasmid showed good response to IFNα stimulation, while cells lacking IFNAR1 did not respond to stimulation. AAV vector #4 was generated targeting exon 1 (T4) of IFNAR1 by placing a pair of sgRNAs (sg4-1 and sg4-2) with a 7 bp offset for DNA double-strand cleavage by Cas9 nickase and wild-type Cas9 (Table 4) (Figure 8). In cells expressing sgRNA3 targeting the lentiviral LTR (sgLenti clone #10), the hygromycin resistance gene was deleted along with Cas9v1-Myc, so a new hygromycin resistance gene was placed between the ITRs to select cells expressing this sgIFNAR1 (sgRNA4).
sgLenti clone #10 cells were infected with AAV vector #4 and the ISRE response was measured after transfection with ISRE-Luciferase plasmid. Hygromycin-resistant clones (#1-#6) expressing Cas9v2-FLAG and sgIFNAR1 were examined by luciferase assay to see whether IFNAR1 was actually knocked out. Five of the six clones (83%) lost IFNα response, indicating that NHEJ occurred in Cas9v2-FLAG and sgIFNAR1, specifically knocking out IFNAR1. We analyzed the genomic structure of IFNAR1 clones from #1 and #3 clones (Figure 16). The cells had heterozygous insertions and deletions in the IFNAR1 allele, resulting in loss of response to IFNα stimulation. Thus, we confirmed that the reconstructed Cas9v2-FLAG was functional and could be used to edit other genes.

実施例2 AAVS1遺伝子座へのCas9ニッカーゼの導入
実施例1の通り、AAVS1遺伝子座において再構築されたCas9v2-FLAGは機能的であったが、Cas9はしばしばオフターゲット効果により標的部位以外でゲノムの切断を引き起こす。遺伝子編集において起こりうるオフターゲット効果を減らすために、発明者らはまた、D10A変異を持ったCas9v2ニッカーゼをAAVS1遺伝子座へ導入した。発明者らは、Cas9v1-Mycを発現するHEK293T細胞(クローン#2)への感染のために、AAV#1の代わりにD10A変異を有するCas9v2の1.7kb N末端 (AAV#5)(表5)を使用した(図17)。10種のピューロマイシン耐性クローン(#1-#10)のうち3クローン(30%)は1つのアリル中に候補となる4.5kbのバンドを有していた(図18)。3クローンは全て、PCRにより変異1.9kb N末端Cas9v2遺伝子およびピューロマイシン遺伝子を有し、Cas9に対する抗体を用いた免疫ブロットにより70kDa N末端Cas9v2ニッカーゼおよび160kDa Cas9v1-Mycタンパク質を有することを確認した。N末端Cas9v2ニッカーゼ断片の導入効率は低く、薬剤選抜なしに連続的感染において高濃度のベクター(MOI=20)を用いたデータから約3~6%と見積もった(図9、10、41および42)。
全長Cas9v2ニッカーゼを再構築するために、発明者らは、図4と同じAAVベクター#2を用いてCas9v1およびCas9v2の変異1.9kb N末端を発現する細胞(nickase-NTクローン#9)を感染させた(図19)。PCRおよび免疫ブロットによって10種の細胞株(#1~#10)は全てCas9v1-Mycおよび全長Cas9v2-FLAGニッカーゼを発現していることが示された(図20)。AAVS1組み込み部位を含む全長Cas9v2-FLAGニッカーゼクローン#3の配列を確認した(表14)。
Example 2 Introduction of Cas9 nickase into AAVS1 locus As in Example 1, the reconstructed Cas9v2-FLAG in the AAVS1 locus was functional, but Cas9 often causes genomic cleavage at non-target sites due to off-target effects. To reduce possible off-target effects in gene editing, we also introduced Cas9v2 nickase with D10A mutation into the AAVS1 locus. We used the 1.7 kb N-terminus of Cas9v2 with D10A mutation (AAV#5) (Table 5) instead of AAV#1 to infect HEK293T cells expressing Cas9v1-Myc (clone#2) (Figure 17). Three of the 10 puromycin-resistant clones (#1-#10) (30%) had a candidate 4.5 kb band in one allele (Figure 18). All three clones were confirmed to have the mutated 1.9 kb N-terminal Cas9v2 gene and puromycin gene by PCR, and the 70 kDa N-terminal Cas9v2 nickase and 160 kDa Cas9v1-Myc proteins by immunoblotting with an antibody against Cas9. The transduction efficiency of the N-terminal Cas9v2 nickase fragment was low, estimated to be about 3-6% based on data using a high concentration of vector (MOI=20) in sequential infections without drug selection (Figures 9, 10, 41 and 42).
To reconstruct the full-length Cas9v2 nickase, we used the same AAV vector #2 as in Figure 4 to infect cells expressing the mutated 1.9 kb N-terminus of Cas9v1 and Cas9v2 (nickase-NT clone #9) (Figure 19). PCR and immunoblot showed that all 10 cell lines (#1-#10) expressed Cas9v1-Myc and full-length Cas9v2-FLAG nickase (Figure 20). The sequence of the full-length Cas9v2-FLAG nickase clone #3, including the AAVS1 integration site, was confirmed (Table 14).

Figure 0007539136000014
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薬剤選抜はin vivoにおいては適用され得ないので、発明者らは、薬剤選抜なしにニッカーゼN末端1.9kb 断片を含む細胞(クローン#9)から全長Cas9v2-FLAGニッカーゼの再構築率を測定した。高量AAVベクター#2(MOI=20)を用いて薬剤選抜なしに、6つのうち3クローン(50%)が首尾よく再構築された(図21)。
最終的に、発明者らは、図6と同じAAVベクター#3を用いて、ゲノムからCas9v1を含むレンチウイルスベクターを除去した(Cas9v2nickase full-length#3クローン) (図22)。10クローンのうち3クローン(30%)はNHEJにより首尾よくゲノムからCas9v1-Mycを含むレンチウイルスが除去された。MOI=20 (図23)まで増やすことによって、薬剤選抜なしの除去率は56%(5/9)に増加した。Cas9v2と比べた具体的な除去をPCRで確認した。
sgLenti#4を発現する細胞中の再構築された全長Cas9v2-FLAGニッカーゼのヌクレアーゼ活性を確認するため、細胞をAAVベクター#4に感染させ、IFNAR1遺伝子を標的とする1対のsgRNA(sg4-1およびsg4-2)を発現させた(図8)。結果として得られた6つのハイグロマイシン耐性クローンのうち5クローン(83%)は、IFNAR1を介したIFNα応答を完全に喪失した(図24)。発明者らは、クローン#3および#5のIFNAR1のゲノム構造を解析した(図25)。細胞はIFNAR1アリル中にヘテロな挿入と欠失を有し、結果としてIFN刺激に対する応答を喪失していた。クローン#3の1アリルはイン-フレーム欠失だったが、シグナル配列の喪失は、細胞表面におけるIFNAR1の適切な発現に影響をを与えた。従って、発明者らは、再構築されたCas9v2-FLAGニッカーゼは機能的であり、より正確に他の遺伝子を編集するために用いることできることを確認した。
Because drug selection cannot be applied in vivo, we measured the reconstitution rate of full-length Cas9v2-FLAG nickase from cells containing the nickase N-terminal 1.9 kb fragment (clone #9) without drug selection. Three of six clones (50%) were successfully reconstituted without drug selection using high-amount AAV vector #2 (MOI=20) (Figure 21).
Finally, the inventors removed the lentivirus vector containing Cas9v1 from the genome using the same AAV vector #3 as in Figure 6 (Cas9v2nickase full-length #3 clone) (Figure 22). Three of the 10 clones (30%) successfully removed the lentivirus containing Cas9v1-Myc from the genome by NHEJ. By increasing the MOI to 20 (Figure 23), the removal rate without drug selection increased to 56% (5/9). Specific removal compared to Cas9v2 was confirmed by PCR.
To confirm the nuclease activity of the reconstructed full-length Cas9v2-FLAG nickase in cells expressing sgLenti#4, cells were infected with AAV vector#4 to express a pair of sgRNAs (sg4-1 and sg4-2) targeting the IFNAR1 gene (Figure 8). Five of the six resulting hygromycin-resistant clones (83%) completely lost IFNAR1-mediated IFNα response (Figure 24). We analyzed the genomic structure of IFNAR1 in clones#3 and #5 (Figure 25). The cells had heterologous insertions and deletions in the IFNAR1 allele, resulting in loss of response to IFN stimulation. Although one allele in clone#3 had an in-frame deletion, the loss of the signal sequence affected the proper expression of IFNAR1 on the cell surface. Thus, the inventors confirmed that the reconstituted Cas9v2-FLAG nickase is functional and can be used to edit other genes more precisely.

実施例3 AAVS1遺伝子座への不活性Cas9(dCas9)の導入
CRISPR/Cas9システムは、特定の遺伝子のノックアウトまたはノックインのみならず、特定の遺伝子の転写活性化にも使用される。D10AおよびN876A変異を有し、転写活性化因子VP64にコンジュゲートされた、ヌクレアーゼ活性のない不活性Cas9(dCas9-VP64)を、特定のプロモーターを標的とする具体的に改変されたsgRNA (MS2-sgRNA)と共に使用した。MS2-sgRNAは、dCas9-VP64と共にMS2タンパク質を介して転写活性化因子(P65およびHSF1)をプロモーターにリクルートする。結果として、プロモーターからの転写が活性化された。発明者らは、AAVベクター#6(図26)をCas9v1およびD10A変異Cas9v2を発現するHEK293T細胞(nickase-NT#9)(図18)に感染させることによってAAVS1遺伝子座に全長dCas9v2-VP64を再構築した。PCRと免疫ブロットによって、10種のブラストサイジン耐性細胞株の全て(100%)が再構築された全長dCas9v2-VP64とCas9v1-Mycを発現したことが示めされた(図27)。薬剤選抜なしで1.9kb N末端ニッカーゼ断片を含む細胞(clone#9)からの全長Cas9v2-VP64の再構築率は、高量のAAVベクター#26(MOI=20)による薬剤選抜なしで6つのうち3つ(50%)であった(図28)。AAVS1組み込み部位を含む全長dCas9v2-VP64クローン#1の配列を確認した(表15)。
Example 3 Introduction of inactive Cas9 (dCas9) into the AAVS1 locus
The CRISPR/Cas9 system is used not only to knock out or knock in specific genes, but also to activate transcription of specific genes. A nuclease-free inactive Cas9 (dCas9-VP64) with D10A and N876A mutations and conjugated to the transcription activator VP64 was used together with a specifically modified sgRNA (MS2-sgRNA) that targets a specific promoter. MS2-sgRNA recruits transcription activators (P65 and HSF1) to the promoter via the MS2 protein together with dCas9-VP64. As a result, transcription from the promoter was activated. We reconstructed full-length dCas9v2-VP64 at the AAVS1 locus by infecting HEK293T cells (nickase-NT#9) (Figure 18) expressing Cas9v1 and D10A mutant Cas9v2 with AAV vector #6 (Figure 26). PCR and immunoblotting showed that all (100%) of the 10 blasticidin-resistant cell lines expressed the reconstituted full-length dCas9v2-VP64 and Cas9v1-Myc (Figure 27). The reconstitution rate of full-length Cas9v2-VP64 from cells (clone#9) containing the 1.9 kb N-terminal nickase fragment without drug selection was 3 out of 6 (50%) without drug selection with a high amount of AAV vector#26 (MOI=20) (Figure 28). The sequence of full-length dCas9v2-VP64 clone#1 containing the AAVS1 integration site was confirmed (Table 15).

Figure 0007539136000015
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最終的に、発明者らは、図6と同じAAVベクター#3を用いて、全長dCas9v2-VP64#1を発現する細胞からCas9v1-Mycを含むレンチウイルスベクターを除去した(図29)。10クローンのうち4クローン(40%)はCas9v1-Mycを含むレンチウイルスが首尾よく除去された。再構築された全長dCas9v2-VP64はヌクレアーゼ活性を持たないことを考えると、遺伝子が除去される前にCas9v1-Myc遺伝子から転写され翻訳された残余Cas9v1-Mycタンパク質が、Cas9v1-Myc遺伝子自身を含むレンチウイルスを除去するように働いたと思われる。特定のプロモーターを活性化させるためのdCas9v2-VP64機能を確認するため、発明者らは、IFN β遺伝子プロモーター部位を標的にする改変sgRNAおよびMS2-P65-HSF1がIFNβ転写を活性化させるか否かを試験した(図30)。MS2-sgRNAおよびMS2-P65-HSF1を発現するための指定のプラスミドをトランスフェクトするためにISRE(インターフェロン応答配列)-Lucプラスミドを使用した後、IFNARを介してISRE-ルシフェラーゼ活性を用いて、IFNβ転写の発現レベルをモニターした。IFNβ標的によってISRE-ルシフェラーゼ活性は有意に活性化された(#1および#2クローンにおいてそれぞれコントロールに比べて12.8および19.0倍)。従って、dCas9v2-VP64が後から任意の他の遺伝子を活性化することは妥当である。全コンストラクトのタンパク質構造を確認するための免疫ブロット解析を図31および32に示す。 Finally, we used the same AAV vector #3 as in Figure 6 to remove the lentivirus vector containing Cas9v1-Myc from cells expressing full-length dCas9v2-VP64#1 (Figure 29). Four of the 10 clones (40%) successfully removed the lentivirus containing Cas9v1-Myc. Given that the reconstructed full-length dCas9v2-VP64 does not have nuclease activity, it is likely that the residual Cas9v1-Myc protein transcribed and translated from the Cas9v1-Myc gene before the gene was removed acted to remove the lentivirus containing the Cas9v1-Myc gene itself. To confirm the function of dCas9v2-VP64 to activate a specific promoter, we tested whether modified sgRNA targeting the IFN β gene promoter site and MS2-P65-HSF1 could activate IFN β transcription (Figure 30). After using ISRE (interferon response element)-Luc plasmid to transfect the indicated plasmids for expressing MS2-sgRNA and MS2-P65-HSF1, the expression level of IFNβ transcription was monitored using ISRE-luciferase activity via IFNAR. ISRE-luciferase activity was significantly activated by IFNβ target (12.8 and 19.0-fold compared to the control in #1 and #2 clones, respectively). Therefore, it is reasonable that dCas9v2-VP64 activates any other genes later. Immunoblot analysis to confirm the protein structure of all constructs is shown in Figures 31 and 32.

実施例4 オフターゲット効果を減らすための第1工程におけるレンチウイルスCas9ニッカーゼの使用
本発明の方法の最初の工程におけるレンチウイルスのCas9の使用は、そのゲノムの組み込みのために遺伝的リスクと同様、潜在的なオフターゲット効果を有する。AAVS1遺伝子座におけるCsa9v2-ニッカーゼまたはdCas9v2-VP64の再構築の間、レンチウイルスのCas9v1によって生じるオフターゲット効果を減らすため、発明者らは、本発明の方法の最初の工程における野生型Cas9v1の代わりにレンチウイルスのCas9ニッカーゼ(Cas9(Nick)-Myc)を使用した。図33に示される通り、ランダムに宿主のゲノムに組み込まれるレンチウイルスCas9(Nick)-MycとAAVS1遺伝子座に組み込まれるCsa9v2-FLAGニッカーゼまたはdCas9v2-VP64を区別するために、1つだけあるBspHI制限酵素部位でN末端Cas9v1をCas9v2ニッカーゼで置換することによってCas9(Nick)-Mycを構築した。ハイグロマイシン選抜後、免疫ブロットでCas9(Nick)-Myc発現を確認した(図33C)。また、感染細胞の約10%(2つの独立実験において1/10および1/10)は、高量のレンチウイルス(MOI=2)によって薬剤選抜なしにCas9(Nick)-Mycを発現していた(図34)。幸運にも、AAVS1組み込み部位、およびN末端Cas9v2とT2Aの間のジャンクションの両方においてCas9ニッカーゼによる可能な切断節があった(図35および37)。D10A変異を有するN末端Cas9v2ニッカーゼのAAVS1遺伝子座への導入について、発明者らは、Cas9(Nick)によるDNA二本鎖切断(DSB)のためのAAVベクター#5へ別のsgRNA (sg7)を加えることによってAAVベクター#7を作製した(図35および36)。ダブルカットドナーを提供するために、標的配列(T1)もまたT7/1で置換した。AAVベクター#7の正確な配列を表7に示す。全長Cas9v2-FLAGニッカーゼおよびdCas9v2-VP64を再構築するために、AAVベクター#8 (図37および38)およびAAVベクター#9(図39および40)をそれぞれ構築した。これらの配列もまた表7~9に記載した。
Example 4 Use of lentiviral Cas9 nickase in the first step to reduce off-target effects The use of lentiviral Cas9 in the first step of the method of the present invention has potential off-target effects as well as genetic risks due to its genomic integration. To reduce the off-target effects caused by lentiviral Cas9v1 during the reconstruction of Csa9v2-nickase or dCas9v2-VP64 in the AAVS1 locus, the inventors used lentiviral Cas9 nickase (Cas9(Nick)-Myc) instead of wild-type Cas9v1 in the first step of the method of the present invention. As shown in Figure 33, in order to distinguish between lentiviral Cas9(Nick)-Myc randomly integrated into the host genome and Csa9v2-FLAG nickase or dCas9v2-VP64 integrated into the AAVS1 locus, Cas9(Nick)-Myc was constructed by replacing N-terminal Cas9v1 with Cas9v2 nickase at the only BspHI restriction enzyme site. After hygromycin selection, immunoblot confirmed Cas9(Nick)-Myc expression (Fig. 33C). Also, about 10% of infected cells (1/10 and 1/10 in two independent experiments) expressed Cas9(Nick)-Myc without drug selection with a high amount of lentivirus (MOI=2) (Fig. 34). Fortunately, there were possible cleavage nodes by Cas9 nickase at both the AAVS1 integration site and the junction between N-terminal Cas9v2 and T2A (Figs. 35 and 37). For the introduction of N-terminal Cas9v2 nickase with D10A mutation into the AAVS1 locus, we generated AAV vector#7 by adding another sgRNA (sg7) to AAV vector#5 for DNA double-strand break (DSB) by Cas9(Nick) (Figs. 35 and 36). To provide a double-cut donor, the target sequence (T1) was also replaced with T7/1. The exact sequence of AAV vector #7 is shown in Table 7. AAV vector #8 (Figures 37 and 38) and AAV vector #9 (Figures 39 and 40) were constructed to reconstitute full-length Cas9v2-FLAG nickase and dCas9v2-VP64, respectively, and their sequences are also listed in Tables 7-9.

実施例5 薬剤選選抜なしのAAVベクターの連続的感染
図15のデータから、ゲノム再構築を完了するには約24時間で十分であることが示された。発明者らは、感染の間薬剤選抜なしに短い間隔(24h36h)での2つのAAVベクターの連続的感染によって、AAVS1遺伝子座における2つのベクターからのCas9の再構築をなし得ると考えた。図10に示される通り、36hの短い間隔でAAVベクター#7と#8または#9の連続的感染によって効率的に首尾よくCas9v2を再構築した(図41~44)。AAVS1遺伝子座における全長Cas9v2-FLAGニッカーゼ再構築について、免疫学的およびPCR解析によって、ブラストサイジン耐性細胞中の83%(5/6)がAAVS1遺伝子座に全長Cas9v2-FLAGニッカーゼを有していることが判明した(図41)。全クローンが全長Cas9v2-FLAGニッカーゼタンパク質を発現したが、クローン#6はAAVS1組み込み部位の3’領域において欠失を持っている可能性がある。一方、クローン#1、#2および#3は全て、ゲノム中にCas9(Nick)-Myc遺伝子を有していたが、該クローンにおいてレンチウイルスCas9(Nick)-Mycタンパク質は検出されなかった(図44)。この矛盾の理由に関しては発明者らも結論を得ていない。6クローン全て(100%)において全長dCas9v2-VP64も首尾よく再構築されたが、クローン#4は右アーム周辺に欠失を有していた(図42および43)。さらに、全クローンともゲノム中にCas9(Nick)-Myc遺伝子を有していたが、クローン#1、#3および#6においてレンチウイルスCas9(Nick)-Mycタンパク質は検出されなかった(図44)。その理由は不明である。両実験で最初の500個のHEK 293T-Cas9(Nick)-Myc細胞から平均15個のコロニーが現れたので、これらの連続的感染の全導入効率は、約3%だった(図10)。
Example 5 Sequential infection of AAV vectors without drug selection The data in Figure 15 showed that about 24 hours was sufficient to complete genome reconstitution. We considered that reconstitution of Cas9 from two vectors at the AAVS1 locus could be achieved by sequential infection of two AAV vectors at a short interval (24h to 36h) without drug selection during infection. As shown in Figure 10, sequential infection of AAV vectors #7 and #8 or #9 at a short interval of 36h efficiently and successfully reconstituted Cas9v2 (Figures 41-44). For the reconstitution of full-length Cas9v2-FLAG nickase at the AAVS1 locus, immunological and PCR analysis revealed that 83% (5/6) of the blasticidin-resistant cells had full-length Cas9v2-FLAG nickase at the AAVS1 locus (Figure 41). All clones expressed full-length Cas9v2-FLAG nickase protein, but clone #6 may have a deletion in the 3' region of the AAVS1 integration site. Meanwhile, clones #1, #2 and #3 all had Cas9(Nick)-Myc genes in their genomes, but lentiviral Cas9(Nick)-Myc proteins were not detected in the clones (Figure 44). We have not yet reached a conclusion as to the reason for this discrepancy. Full-length dCas9v2-VP64 was also successfully reconstructed in all six clones (100%), but clone #4 had a deletion around the right arm (Figures 42 and 43). In addition, all clones had Cas9(Nick)-Myc genes in their genomes, but lentiviral Cas9(Nick)-Myc proteins were not detected in clones #1, #3 and #6 (Figure 44). The reason is unclear. An average of 15 colonies emerged from the first 500 HEK 293T-Cas9(Nick)-Myc cells in both experiments, so the overall transduction efficiency of these successive infections was approximately 3% (Figure 10).

本発明によれば、ex vivoは勿論、in vivoでも細胞において安定的なcas9遺伝子の発現が可能となり、適切なsgRNAとドナーDNAを細胞に供給するのみで、単一遺伝子変異のみならず、癌などでみられる複数の遺伝子変異も効率的に修復することが可能となる。複数の遺伝子変異によって生じる癌、ゲノムに原因となるウイルス遺伝子が組み込まれることによって生じるウイルス性疾患に対して、ゲノム中で安定的にCas9タンパク質を発現させることにより、変異遺伝子やウイルス由来遺伝子を標的としたsgRNAを必要に応じてドナーDNAと組み合わせることによって、効果的な治療が期待できる。 According to the present invention, stable expression of the cas9 gene is possible in cells not only ex vivo but also in vivo, and by simply supplying cells with the appropriate sgRNA and donor DNA, it is possible to efficiently repair not only single gene mutations but also multiple gene mutations seen in cancer and other diseases. By stably expressing the Cas9 protein in the genome, and combining sgRNA targeting mutated genes or virus-derived genes with donor DNA as necessary, it is expected that effective treatments can be achieved for cancer caused by multiple gene mutations and viral diseases caused by the incorporation of causative viral genes into the genome.

Claims (29)

以下の工程を含む、ex vivoで細胞の所望のゲノム領域にcas9遺伝子またはその変異遺伝子を導入する方法。
(1)細胞でcas9遺伝子またはその変異遺伝子を発現させる工程、
(2)工程(1)で発現したCas9タンパク質またはその変異タンパク質によって細胞の所望のゲノム領域を切断し、該切断部位にcas9遺伝子またはその変異遺伝子に含まれる部分塩基配列を導入する工程、および
(3)工程(1)で発現したCas9タンパク質またはその変異タンパク質によって工程(2)において導入された部分塩基配列を切断し、該切断部位に工程(2)で導入された部分塩基配列以外のcas9遺伝子またはその変異遺伝子に含まれる部分塩基配列を導入し、細胞の所望のゲノム領域でcas9遺伝子またはその変異遺伝子を構築する工程。
A method for introducing a cas9 gene or a mutated gene thereof into a desired genomic region of a cell ex vivo , comprising the steps of:
(1) expressing the cas9 gene or a mutated version thereof in a cell;
(2) cleaving a desired genomic region of the cell with the Cas9 protein or its mutant protein expressed in step (1) and introducing a partial base sequence contained in the cas9 gene or its mutant gene into the cleavage site; and (3) cleaving the partial base sequence introduced in step (2) with the Cas9 protein or its mutant protein expressed in step (1) and introducing a partial base sequence contained in the cas9 gene or its mutant gene other than the partial base sequence introduced in step (2) into the cleavage site, thereby constructing the cas9 gene or its mutant gene in the desired genomic region of the cell.
工程(1)が、cas9遺伝子またはその変異遺伝子の塩基配列を含むウイルスベクターを細胞に感染させることによって実施される工程である、請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein step (1) is carried out by infecting a cell with a viral vector containing a base sequence of the cas9 gene or a mutant gene thereof. 工程(1)が、細胞のゲノムからcas9遺伝子またはその変異遺伝子を発現させる工程である、請求項2に記載の方法。 The method according to claim 2, wherein step (1) is a step of expressing the cas9 gene or a mutant gene thereof from the genome of the cell. 工程(1)のウイルスベクターが、レンチウイルスベクターである、請求項3に記載の方法。 The method according to claim 3, wherein the viral vector in step (1) is a lentiviral vector. 工程(2)が、以下の塩基配列を含むウイルスベクターを細胞に感染させることによって実施される工程である、請求項1~4のいずれか1項に記載の方法。
(i)細胞の所望のゲノム領域の塩基配列に相補的な塩基配列、および
(ii)cas9遺伝子またはその変異遺伝子に含まれる部分塩基配列であって、(i)の塩基配列によって標的される切断部位の上流塩基配列の相同配列および下流塩基配列の相同配列に挟まれた、該部分塩基配列。
The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the step (2) is carried out by infecting a cell with a viral vector comprising the following base sequence:
(i) a nucleotide sequence complementary to a nucleotide sequence of a desired genomic region of the cell; and
(ii) A partial base sequence contained in the cas9 gene or a mutant gene thereof, the partial base sequence being sandwiched between a homologous sequence of the upstream base sequence and a homologous sequence of the downstream base sequence of the cleavage site targeted by the base sequence of (i).
工程(2)のウイルスベクターが、アデノ随伴ウイルスベクターである、請求項5に記載の方法。 The method according to claim 5, wherein the viral vector in step (2) is an adeno-associated viral vector. 工程(3)が、以下の塩基配列を含むウイルスベクターを細胞に感染させることによって実施される工程である、請求項1~6のいずれか1項に記載の方法。
(iii)工程(2)において導入される部分塩基配列に相補的な塩基配列、および
(iv)工程(2)において導入される部分塩基配列以外のcas9遺伝子またはその変異遺伝子に含まれる部分塩基配列であって、(iii)の塩基配列によって標的される切断部位の上流塩基配列の相同配列および下流塩基配列の相同配列に挟まれた、該部分塩基配列。
The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the step (3) is carried out by infecting a cell with a viral vector comprising the following base sequence:
(iii) a base sequence complementary to the partial base sequence introduced in step (2), and
(iv) A partial base sequence contained in the cas9 gene or a mutant gene thereof other than the partial base sequence introduced in step (2), the partial base sequence being sandwiched between a homologous sequence of the upstream base sequence and a homologous sequence of the downstream base sequence of the cleavage site targeted by the base sequence of (iii).
工程(3)のウイルスベクターが、アデノ随伴ウイルスベクターである、請求項7に記載の方法。 The method according to claim 7, wherein the viral vector in step (3) is an adeno-associated viral vector. (4)工程(1)のcas9遺伝子またはその変異遺伝子を細胞のゲノムから除去する工程をさらに含む、請求項2~8のいずれか1項に記載の方法。 (4) The method according to any one of claims 2 to 8, further comprising a step of removing the cas9 gene or a mutant gene thereof from the genome of the cell. 工程(4)が、工程(1)のcas9遺伝子またはその変異遺伝子の上流塩基配列に相補的な塩基配列および下流塩基配列に相補的な塩基配列を含むウイルスベクターを細胞に感染させることによって実施される工程である、請求項9に記載の方法。 The method according to claim 9, wherein step (4) is carried out by infecting a cell with a viral vector comprising a base sequence complementary to the upstream base sequence and a base sequence complementary to the downstream base sequence of the cas9 gene or a mutant gene thereof in step (1). 工程(4)のウイルスベクターが、アデノ随伴ウイルスベクターである、請求項10に記載の方法。 The method according to claim 10, wherein the viral vector in step (4) is an adeno-associated viral vector. 工程(1)が、ウイルスのゲノムからcas9遺伝子またはその変異遺伝子を発現させる工程である、請求項2に記載の方法。 The method according to claim 2, wherein step (1) is a step of expressing the cas9 gene or a mutant gene thereof from the viral genome. 工程(1)のウイルスベクターが、アデノウイルスベクターである、請求項12に記載の方法。 The method according to claim 12, wherein the viral vector in step (1) is an adenoviral vector. 工程(1)の変異遺伝子が、D10A変異、H840A変異およびN863A変異からなる群から選択される変異を有するCas9タンパク質をコードする遺伝子である、請求項1~13のいずれか1項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 13, wherein the mutated gene in step (1) is a gene encoding a Cas9 protein having a mutation selected from the group consisting of a D10A mutation, an H840A mutation, and an N863A mutation. 工程(3)で構築される変異遺伝子がD10A変異、H840A変異およびN863A変異からなる群から選択される少なくとも1つの変異を有するCas9タンパク質をコードする遺伝子である、請求項1~14のいずれか1項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 14, wherein the mutant gene constructed in step (3) is a gene encoding a Cas9 protein having at least one mutation selected from the group consisting of a D10A mutation, an H840A mutation, and an N863A mutation. 所望のゲノム領域が、aavs1遺伝子座である、請求項1~15のいずれか1項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 15, wherein the desired genomic region is the aavs1 locus. 工程(2)で導入される部分塩基配列が、配列番号7または31で表される塩基配列を含む、請求項1~16のいずれか1項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 16, wherein the partial base sequence introduced in step (2) includes the base sequence represented by SEQ ID NO: 7 or 31. 工程(3)で導入される部分塩基配列が、配列番号17または32で表される塩基配列を含む、請求項1~17のいずれか1項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 17, wherein the partial base sequence introduced in step (3) includes the base sequence represented by SEQ ID NO: 17 or 32. 以下のウイルスベクターを含む、細胞の所望のゲノム領域へのCas9遺伝子またはその変異遺伝子導入キット。
(1)cas9遺伝子またはその変異遺伝子の塩基配列を含むウイルスベクター、
(2)以下の塩基配列を含むウイルスベクター、
(i)細胞の所望のゲノム領域の塩基配列に相補的な塩基配列、および
(ii)cas9遺伝子またはその変異遺伝子に含まれる部分塩基配列であって、(2)(i)の塩基配列によって標的される切断部位の上流塩基配列の相同配列および下流塩基配列の相同配列に挟まれた、該部分塩基配列、並びに
(3)以下の塩基配列を含むウイルスベクター
(i)上記(2)(ii)の部分塩基配列に相補的な塩基配列、および
(ii)上記(2)(ii)の部分塩基配列以外のcas9遺伝子またはその変異遺伝子に含まれる部分塩基配列であって、(3)(i)の塩基配列によって標的される切断部位の上流塩基配列および下流塩基配列に挟まれた、該部分塩基配列。
A kit for introducing a Cas9 gene or a mutant gene thereof into a desired genomic region of a cell, comprising the following viral vector:
(1) a viral vector containing the base sequence of the cas9 gene or a mutant gene thereof;
(2) a viral vector comprising the following nucleotide sequence:
(i) a nucleotide sequence complementary to a nucleotide sequence of a desired genomic region of the cell; and
(ii) a partial base sequence contained in the cas9 gene or a mutant gene thereof, the partial base sequence being sandwiched between a homologous sequence of the upstream base sequence and a homologous sequence of the downstream base sequence of the cleavage site targeted by the base sequence of (2) (i); and
(3) A viral vector comprising the following nucleotide sequence :
( i) a nucleotide sequence complementary to the partial nucleotide sequence of (2)(ii) above; and
(ii) A partial base sequence contained in the cas9 gene or a mutant gene thereof other than the partial base sequence of (2)(ii) above, the partial base sequence being sandwiched between the upstream base sequence and the downstream base sequence of the cleavage site targeted by the base sequence of (3)(i).
(1)のウイルスベクターが、レンチウイルスベクターまたはアデノウイルスベクターである、請求項19に記載のキット。 The kit according to claim 19, wherein the viral vector (1) is a lentiviral vector or an adenoviral vector. (2)のウイルスベクターが、アデノ随伴ウイルスベクターである、請求項19または20に記載のキット。 The kit according to claim 19 or 20, wherein the viral vector (2) is an adeno-associated viral vector. (3)のウイルスベクターが、アデノ随伴ウイルスベクターである、請求項19~21のいずれか1項に記載のキット。 The kit according to any one of claims 19 to 21, wherein the viral vector (3) is an adeno-associated viral vector. (4)上記(1)のcas9遺伝子またはその変異遺伝子の上流塩基配列に相補的な塩基配列および下流塩基配列に相補的な塩基配列を含むウイルスベクターをさらに含む、請求項19~22のいずれか1項に記載のキット。 (4) The kit according to any one of claims 19 to 22, further comprising a viral vector comprising a base sequence complementary to the upstream base sequence and the downstream base sequence of the cas9 gene or a mutant gene thereof in (1). (4)のウイルスベクターが、アデノ随伴ウイルスベクターである、請求項23に記載のキット。 The kit according to claim 23, wherein the viral vector of (4) is an adeno-associated viral vector. (1)のウイルスベクターに含まれる変異遺伝子が、D10A変異、H840A変異およびN863A変異からなる群から選択される変異を有するCas9タンパク質をコードする遺伝子である、請求項19~24のいずれか1項に記載のキット。 The kit according to any one of claims 19 to 24, wherein the mutant gene contained in the viral vector of (1) is a gene encoding a Cas9 protein having a mutation selected from the group consisting of a D10A mutation, an H840A mutation, and an N863A mutation. (2)または(3)のウイルスベクターに含まれる変異遺伝子が、D10A変異、H840A変異およびN863A変異からなる群から選択される少なくとも1つの変異を有するCas9タンパク質をコードする遺伝子である、請求項19~25のいずれか1項に記載のキット。 The kit according to any one of claims 19 to 25, wherein the mutant gene contained in the viral vector of (2) or (3) is a gene encoding a Cas9 protein having at least one mutation selected from the group consisting of a D10A mutation, an H840A mutation, and an N863A mutation. 所望のゲノム領域が、aavs1遺伝子座である、請求項19~26のいずれか1項に記載のキット。 The kit according to any one of claims 19 to 26, wherein the desired genomic region is the aavs1 locus. (2)のウイルスベクターに含まれる部分塩基配列が、配列番号7または31で表される塩基配列を含む、請求項19~27のいずれか1項に記載のキット。 The kit according to any one of claims 19 to 27, wherein the partial base sequence contained in the viral vector (2) includes the base sequence represented by SEQ ID NO: 7 or 31. (3)のウイルスベクターに含まれる部分塩基配列が、配列番号17または32で表される塩基配列を含む、請求項19~28のいずれか1項に記載のキット。 The kit according to any one of claims 19 to 28, wherein the partial base sequence contained in the viral vector of (3) includes the base sequence represented by SEQ ID NO: 17 or 32.
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