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JP7630835B2 - mRNA switch and method for controlling protein expression using the same - Google Patents
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JP7630835B2 - mRNA switch and method for controlling protein expression using the same - Google Patents

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Description

本発明は、mRNAスイッチ及びこれを用いたタンパク質の発現制御方法に関する。 The present invention relates to an mRNA switch and a method for controlling protein expression using the same.

近年、遺伝子治療や細胞療法において、細胞外から導入したDNAやRNA分子により細胞の挙動を「プログラム」することで、治療効果の向上や副作用の低減を目指す研究がなされている。プログラムされた細胞は、環境中のシグナルを検知し、それに応じて適切な治療分子の選択や、それを発揮するタイミング、持続時間、強度などを自律的に判断し出力することが期待される。しかし、このような精密な制御機構を実現するには、転写や翻訳を制御するモジュールを複数作製し、当該複数のモジュールを複合的に組み合わせることにより、コンピューターのような複雑な情報処理を行う論理演算回路(翻訳制御回路)を構築する必要がある。この点において、翻訳制御回路は、実質的にゲノムへの挿入リスクがないため、転写制御による回路に比べて安全性が高いという利点を有する。加えて、転写のステップを介する必要がないため、転写制御を基にした回路に比べて入力に対する応答が速く、環境シグナルに対してより迅速に対応できる仕組みを構築可能であることから注目を集めている。In recent years, research has been conducted in gene therapy and cell therapy to improve therapeutic effects and reduce side effects by "programming" cell behavior with DNA or RNA molecules introduced from outside the cell. Programmed cells are expected to detect signals in the environment and autonomously select appropriate therapeutic molecules and output them, as well as the timing, duration, and strength of their expression. However, to realize such a precise control mechanism, it is necessary to create multiple modules that control transcription and translation, and to construct a logic operation circuit (translation control circuit) that performs complex information processing like a computer by combining these multiple modules in a complex manner. In this respect, translation control circuits have the advantage of being safer than circuits based on transcription control, since there is virtually no risk of insertion into the genome. In addition, since there is no need to go through the transcription step, they respond to inputs more quickly than circuits based on transcription control, and they have attracted attention because it is possible to construct a mechanism that can respond more quickly to environmental signals.

翻訳制御モジュールとしては、mRNAスイッチが知られている。mRNAスイッチは、特定の分子(入力分子)と結合するRNA配列(アプタマー)を有するmRNAであって、前記入力分子が前記アプタマーに結合することで、自身がコードするタンパク質(出力タンパク質)の翻訳状態が変化する人工mRNAである。入力分子が結合することで出力タンパク質の翻訳が抑制されるOFFスイッチと、出力タンパク質の翻訳が誘導されるONスイッチがあり、この切り替えは、主に(1)入力分子・アプタマー複合体による立体障害、または(2)入力分子によるmRNAの切断によって引き起こされる。 An mRNA switch is known as a translation control module. An mRNA switch is an artificial mRNA that has an RNA sequence (aptamer) that binds to a specific molecule (input molecule), and the translation state of the protein it encodes (output protein) changes when the input molecule binds to the aptamer. There are OFF switches, in which the translation of the output protein is suppressed when the input molecule binds, and ON switches, in which the translation of the output protein is induced. This switching is mainly caused by (1) steric hindrance caused by the input molecule/aptamer complex, or (2) cleavage of the mRNA by the input molecule.

(1)の例としては、本発明者らによって開発された、L7Ae(古細菌のリボソーム大サブユニットの構成タンパク質)によって特異的に認識されるキンクターン配列を5’UTRに有し、L7Aeの発現によりL7Ae-キンクターン複合体が5’UTR上に形成されて翻訳抑制されるOFFスイッチ(特許文献1)等が挙げられる。(2)の例としては、miRNAの標的配列を有し、当該miRNAの存在下では分解されて発現抑制または発現抑制解除されるOFF/ONスイッチ等が挙げられる(特許文献2)。さらに、CRISPR-CasシステムのCsy4 (Cas6f)、Cpf1 (Cas12a)、Cas6、若しくはCasE (ygcH、Cas6e、Cse3)タンパク質のpre-crRNA配列を有し、前記Casタンパク質の発現により切断されて発現抑制または発現抑制解除されるOFF/ONスイッチも報告されている(非特許文献1、2、特許文献3等)。An example of (1) is an OFF switch (Patent Document 1) developed by the present inventors, which has a kink-turn sequence in the 5'UTR that is specifically recognized by L7Ae (a protein that constitutes the large subunit of the archaeal ribosome), and in which the expression of L7Ae forms an L7Ae-kink-turn complex on the 5'UTR, thereby suppressing translation. An example of (2) is an OFF/ON switch that has a target sequence of a miRNA, and is degraded in the presence of the miRNA to suppress or de-suppress expression (Patent Document 2). In addition, OFF/ON switches have been reported that have a pre-crRNA sequence of the Csy4 (Cas6f), Cpf1 (Cas12a), Cas6, or CasE (ygcH, Cas6e, Cse3) protein of the CRISPR-Cas system, and are cleaved by the expression of the Cas protein to suppress or de-suppress expression (Non-Patent Documents 1, 2, Patent Document 3, etc.).

そして、本発明者らにより、3種類のmRNAスイッチを細胞に導入し、第1のmRNAスイッチから発現する出力タンパク質を第2のmRNAスイッチの入力タンパク質、第2のmRNAスイッチの出力タンパク質を第3のmRNAの入力タンパク質として機能させることで、第3の出力タンパク質の発現が2重に制御された、精度の高い翻訳制御機構が構築できることが示されている(特許文献4、非特許文献3)。The inventors have shown that by introducing three types of mRNA switches into a cell and having the output protein expressed from the first mRNA switch function as the input protein of the second mRNA switch, and the output protein of the second mRNA switch function as the input protein of the third mRNA, a highly precise translation control mechanism can be constructed in which the expression of the third output protein is doubly controlled (Patent Document 4, Non-Patent Document 3).

国際公開第2016/040395号International Publication No. 2016/040395 国際公開第2015/105172号International Publication No. 2015/105172 米国特許出願公開第2019/0032054号明細書US Patent Application Publication No. 2019/0032054 国際公開第2016/040395号International Publication No. 2016/040395

Borchardt, E. K. et al. RNA 21, 1921-1930 (2015)Borchardt, E. K. et al. RNA 21, 1921-1930 (2015) Zhong, G., Wang, H., Li, Y., Tran, M. H. & Farzan, M. Nat. Chem. Biol. 13, 839-841 (2017)Zhong, G., Wang, H., Li, Y., Tran, M. H. & Farzan, M. Nat. Chem. Biol. 13, 839-841 (2017) Matsuura, S., et al. Nat. Commun. 9, 4847-4854 (2018)Matsuura, S., et al. Nat. Commun. 9, 4847-4854 (2018)

しかしながら、より精密な翻訳制御機構を実現するには、1つ以上の最終出力タンパク質の翻訳がより多くのRNA-タンパク質相互作用からなるモジュールによって制御される必要がある。そのためには、汎用性が高く、相互に干渉することのない直交性の高い翻訳制御モジュールを所望の遺伝子回路に要求される数だけ準備しなければならないが、この要件を満たすモジュールがあまりに少ない(僅か数個)ことが問題であった。However, to realize a more precise translational control mechanism, the translation of one or more final output proteins needs to be controlled by a larger number of modules consisting of RNA-protein interactions. To achieve this, it is necessary to prepare the number of highly versatile and orthogonal translational control modules required for the desired gene circuit that do not interfere with each other. However, there are too few modules (only a few) that satisfy this requirement, which has been a problem.

(1)入力分子・アプタマー複合体の立体障害に基づくmRNAスイッチでは、配列認識の特異性もさることながら複合体の安定性が非常に重要であるため、これらの要件を満たす入力分子とアプタマーの組み合わせを探すことは容易ではなかった。また、(2)miRNAを入力分子とするmRNAスイッチでは、入力分子は内在性miRNAであることが好ましく、それゆえ対象細胞ごとに入力分子を選択する必要があり、汎用性の点で問題があった。さらに、前記Casタンパク質を入力分子とするmRNAスイッチは、Casタンパク質が自身のpre-crRNAをcrRNAに変換(プロセッシング)する反応を利用するため、入力分子として利用できるCasタンパク質が非常に限られていた。異種細胞内でRNA切断活性を有し、前記プロセッシング反応を担うCasタンパク質は非常に限定されるからである。(1) In an mRNA switch based on the steric hindrance of an input molecule-aptamer complex, the stability of the complex is very important as well as the specificity of sequence recognition, so it was not easy to find a combination of an input molecule and an aptamer that satisfies these requirements. In addition, (2) in an mRNA switch using miRNA as an input molecule, the input molecule is preferably an endogenous miRNA, and therefore it is necessary to select an input molecule for each target cell, which is problematic in terms of versatility. Furthermore, the mRNA switch using the Cas protein as an input molecule utilizes the reaction in which the Cas protein converts (processes) its own pre-crRNA into crRNA, so the Cas proteins that can be used as input molecules are very limited. This is because the Cas proteins that have RNA cleavage activity in heterologous cells and are responsible for the processing reaction are very limited.

このように、汎用性と直交性を備える翻訳制御モジュールの開発は非常に難しく、それゆえ、精密な翻訳制御回路の構築が妨げられていた。 As such, it has been extremely difficult to develop a translation control module that is both versatile and orthogonal, which has hindered the construction of precise translation control circuits.

本発明者らは鋭意検討の結果、アプタマーとしてCasタンパク質のcrRNAまたはsgRNAを用いることで、RNA切断活性の有無に関わらず、Casタンパク質を入力分子として使用できることを見出した。これは、Casタンパク質を、配列依存的にRNAを切断する酵素としてではなく、単にRNA結合タンパク質として利用する方法であり、これにより、mRNA上にCasタンパク質と前記アプタマーを含む安定性の高い複合体を形成させることが可能であることが明らかとなった。これらの知見に基づき、本発明者らは新規mRNAスイッチを開発し、さらに、これらのmRNAスイッチを複合的に組み合わせることで、ヒト細胞内で精密な翻訳制御回路が構築できることを見出し、本発明を完成するに至った。 After extensive research, the inventors have found that by using the crRNA or sgRNA of a Cas protein as an aptamer, the Cas protein can be used as an input molecule regardless of whether it has RNA cleavage activity. This is a method in which the Cas protein is used simply as an RNA-binding protein, rather than as an enzyme that cleaves RNA in a sequence-dependent manner, and it has become clear that this makes it possible to form a highly stable complex containing the Cas protein and the aptamer on the mRNA. Based on these findings, the inventors have developed a novel mRNA switch, and further discovered that by combining these mRNA switches in a complex manner, a precise translation control circuit can be constructed in human cells, thereby completing the present invention.

すなわち、本発明は、以下の態様を含む。
[1] (i)Casタンパク質またはその改変体を含む入力タンパク質によって特異的に認識される核酸配列と、
(ii)出力タンパク質をコードする核酸配列と
を含み、
前記(i)が(ii)の5’側または3’側に存在して、前記(i)及び(ii)が作動可能に連結された人工mRNA分子からなるmRNAスイッチ。
[2] 前記(i)の核酸配列が、前記入力タンパク質の、crRNAもしくはsgRNA配列またはそれらの改変体である、[1]に記載のmRNAスイッチ。
[3] 前記Casタンパク質が、SpCas9、SaCas9、CjCas9、NmCas9、St1Cas9、FnCas9、CdCas9、ClCas9、PlCas9、NcCas9、SpaCas9、St3Cas9、AsCas12a、FnCas12a、LbCas12a、MbCas12a、AkCas12b、AaCas12b、BvCas12b、BsCas12b、PspCas13b、PguCas13b、RanCas13b、CasRx、PlmCasX、Cas14a1からなる群より選択される1のCas タンパク質である、[1]または[2]に記載のmRNAスイッチ。
[4] 前記人工mRNA分子が、前記(i)と(ii)の核酸配列の間に、さらにRNAインバーター配列を含み、当該RNAインバーター配列が、ベイトオープンリーディングフレーム、イントロンおよびインターナルリボソームエントリーサイトを含む核酸配列からなる、[1]~[3]のいずれか1項に記載のmRNAスイッチ。
[5] [1]~[4]のいずれか1項に記載のmRNAスイッチをコードする核酸配列を含むベクター。
[6] 前記mRNAスイッチをコードする核酸配列の上流側に設けられる転写制御配列をさらに含み、当該転写制御配列が、転写制御タンパク質によって特異的に認識される配列である、[5]に記載のベクター。
[7] 前記転写制御タンパク質が、Casタンパク質またはその改変体を含み、前記mRNAスイッチをコードする核酸配列の下流側に設けられる、転写制御または翻訳制御に用いられる低分子RNAをコードする核酸配列をさらに含む、[6]に記載のベクター。
[8] [1]~[4]のいずれか1項に記載のmRNAスイッチまたは[5]~[7]のいずれか1項に記載のベクターを含む細胞。
[9] (a)[1]~[4]のいずれか1項に記載のmRNAスイッチまたは当該mRNAスイッチをコードするベクター;及び、
(b)前記入力タンパク質、当該入力タンパク質をコードするトリガーmRNA、または当該トリガーmRNAをコードするベクターを含む、タンパク質の発現制御キット。
[10] (a)[1]~[4]のいずれか1項に記載のmRNAスイッチまたは当該mRNAスイッチをコードするベクター;
(b)前記入力タンパク質の第1の断片と第1のヘテロダイマー化ドメインとを含む第1の融合タンパク質をコードする核酸配列を含む第1のトリガーmRNAまたは当該第1のトリガーmRNAをコードするベクター;及び
(c)前記(b)の入力タンパク質の第2の断片と、第2のヘテロダイマー化ドメインとを含む第2の融合タンパク質をコードする核酸配列を含む第2のトリガーmRNAまたは当該第2のトリガーmRNAをコードするベクターを含む、タンパク質の発現制御キット。
[11] 前記第1及び第2のヘテロダイマー化ドメインによるヘテロダイマー化を促進する薬剤をさらに含む、[10]に記載の発現制御キット。
[12] 前記入力タンパク質による前記(i)の核酸配列の認識を阻害する入力阻害物質をさらに含む、[9]~[11]のいずれか1項に記載のタンパク質の発現制御キット。
[13] 第1のmRNAスイッチ~第nのmRNAスイッチからなるn種のmRNAスイッチまたは当該mRNAスイッチをコードするベクターを含むmRNAスイッチセットであって、nは2~25の整数から選択され、
(A)第kのmRNAスイッチは、
(i)Casタンパク質またはその改変体を含む、第kのタンパク質からなる入力タンパク質によって特異的に認識される核酸配列と、
(ii)第(k+1)のタンパク質からなる出力タンパク質をコードする核酸配列とを含み、
前記(i)が(ii)の5’側または3’側に存在して、前記(i)及び(ii)が作動可能に連結されたmRNA分子であり、
前記第kのタンパク質と前記第(k+1)のタンパク質は異なるタンパク質であり、
kは1~(n-1)の整数であり、
(B)第nのmRNAスイッチは、
(i)第(n-1)のmRNAスイッチの出力タンパク質である第nのタンパク質によって特異的に認識される核酸配列と、
(ii)第(n+1)のタンパク質である出力タンパク質をコードする核酸配列と
を含み、
前記(i)が(ii)の5’側または3’側に存在して、前記(i)及び(ii)が作動可能に連結されたmRNA分子であり、
第(n+1)のタンパク質が、任意のタンパク質である、mRNAスイッチセット。
[14] 第1のタンパク質から第nのタンパク質が、すべて異なるタンパク質である、[13]に記載のmRNAスイッチセット。
[15] 前記第(n+1)のタンパク質が、第1の入力タンパク質である、[13]に記載のスイッチセット。
[16] 前記第k及び(k+1)のタンパク質に含まれる前記Casタンパク質またはその改変体が、SpCas9、SaCas9、CjCas9、NmCas9、St1Cas9、FnCas9、CdCas9、ClCas9、PlCas9、NcCas9、SpaCas9、St3Cas9、AsCas12a、FnCas12a、LbCas12a、MbCas12a、AkCas12b、AaCas12b、BvCas12b、BsCas12b、PspCas13b、PguCas13b、RanCas13b、CasRx、PlmCasX、Cas14a1からなる群より選択される1のCasタンパク質またはその改変体である、[13]~[15]のいずれか1項に記載のmRNAスイッチセット。
[17] (a)[1]~[4]のいずれか1項に記載のmRNAスイッチまたは当該mRNAスイッチをコードするベクター;及び、
(b)前記入力タンパク質、当該入力タンパク質をコードするトリガーmRNA、または当該トリガーmRNAをコードするベクターを細胞に導入する工程を含む、タンパク質の発現制御方法。
[18] (a)[1]~[4]のいずれか1項に記載のmRNAスイッチまたは当該mRNAスイッチをコードするベクター;
(b)前記入力タンパク質の第1の断片と第1のヘテロダイマー化ドメインとを含む第1の融合タンパク質をコードする核酸配列を含む第1のトリガーmRNAまたは当該第1のトリガーmRNAをコードするベクター;及び
(c)前記(b)の入力タンパク質の第2の断片と、第2のヘテロダイマー化ドメインとを含む第2の融合タンパク質をコードする核酸配列を含む第2のトリガーmRNAまたは当該第2のトリガーmRNAをコードするベクターを細胞に導入する工程を含む、タンパク質の発現制御方法。
[19] 当該導入する工程の後に、前記第1及び第2のヘテロダイマー化ドメインによるヘテロダイマー化を促進する薬剤を前記細胞に接触させる工程をさらに含む、[18]に記載のタンパク質の発現制御方法。
[20] 前記入力タンパク質による前記(i)の核酸配列の認識を特異的に阻害する、入力阻害タンパク質、当該入力阻害タンパク質をコードする入力阻害mRNA、または当該入力阻害mRNAをコードするベクターを細胞に導入する工程をさらに含む、[17]~[19]のいずれか1項に記載のタンパク質の発現制御方法。
[21] [13]~[16]のいずれか1項に記載のmRNAスイッチセットを細胞に導入する工程を含む、タンパク質の発現制御方法。
[22] (a)前記転写制御タンパク質が、Casタンパク質またはその改変体を含み、前記mRNAスイッチをコードする核酸配列の下流側に設けられる、前記転写制御配列を特異的に認識するcrRNAもしくはsgRNAをコードする核酸配列をさらに含む、[6]に記載のベクター;及び
(b)前記(a)の前記転写制御配列を特異的に認識するcrRNAもしくはsgRNAをコードする核酸配列に対応するCasタンパク質またはその改変体を含む転写制御タンパク質、当該転写制御タンパク質をコードする転写活性制御mRNA、または当該転写活性制御mRNAをコードするベクター
を含む、タンパク質の発現制御キット。
That is, the present invention includes the following aspects.
[1] (i) a nucleic acid sequence specifically recognized by an input protein comprising a Cas protein or a variant thereof;
(ii) a nucleic acid sequence encoding an output protein;
An mRNA switch comprising an artificial mRNA molecule in which (i) is present on the 5' or 3' side of (ii), and (i) and (ii) are operably linked.
[2] The mRNA switch according to [1], wherein the nucleic acid sequence of (i) is a crRNA or sgRNA sequence, or a variant thereof, of the input protein.
[3] The mRNA switch according to [1] or [2], wherein the Cas protein is one Cas protein selected from the group consisting of SpCas9, SaCas9, CjCas9, NmCas9, St1Cas9, FnCas9, CdCas9, ClCas9, PlCas9, NcCas9, SpaCas9, St3Cas9, AsCas12a, FnCas12a, LbCas12a, MbCas12a, AkCas12b, AaCas12b, BvCas12b, BsCas12b, PspCas13b, PguCas13b, RanCas13b, CasRx, PlmCasX, and Cas14a1.
[4] The mRNA switch according to any one of [1] to [3], wherein the artificial mRNA molecule further comprises an RNA inverter sequence between the nucleic acid sequences of (i) and (ii), and the RNA inverter sequence consists of a nucleic acid sequence including a bait open reading frame, an intron, and an internal ribosome entry site.
[5] A vector comprising a nucleic acid sequence encoding the mRNA switch according to any one of [1] to [4].
[6] The vector according to [5], further comprising a transcription control sequence provided upstream of the nucleic acid sequence encoding the mRNA switch, the transcription control sequence being a sequence that is specifically recognized by a transcription control protein.
[7] The vector according to [6], wherein the transcriptional control protein comprises a Cas protein or a variant thereof, and further comprises a nucleic acid sequence encoding a small RNA used for transcriptional control or translational control, which is provided downstream of the nucleic acid sequence encoding the mRNA switch.
[8] A cell comprising the mRNA switch according to any one of [1] to [4] or the vector according to any one of [5] to [7].
[9] (a) the mRNA switch according to any one of [1] to [4] or a vector encoding the mRNA switch; and
(b) A kit for regulating protein expression, comprising the input protein, a trigger mRNA encoding the input protein, or a vector encoding the trigger mRNA.
[10] (a) the mRNA switch according to any one of [1] to [4], or a vector encoding the mRNA switch;
(b) a first trigger mRNA comprising a nucleic acid sequence encoding a first fusion protein comprising a first fragment of the input protein and a first heterodimerization domain, or a vector encoding the first trigger mRNA; and (c) a second trigger mRNA comprising a nucleic acid sequence encoding a second fusion protein comprising a second fragment of the input protein of (b) and a second heterodimerization domain, or a vector encoding the second trigger mRNA. A protein expression control kit comprising:
[11] The expression control kit according to [10], further comprising an agent that promotes heterodimerization by the first and second heterodimerization domains.
[12] The expression control kit for the protein according to any one of [9] to [11], further comprising an input inhibitor that inhibits recognition of the nucleic acid sequence of (i) by the input protein.
[13] An mRNA switch set comprising n types of mRNA switches consisting of a first mRNA switch to an nth mRNA switch or a vector encoding the mRNA switches, wherein n is selected from an integer of 2 to 25;
(A) The kth mRNA switch is
(i) a nucleic acid sequence specifically recognized by an input protein consisting of a kth protein, including a Cas protein or a variant thereof;
(ii) a nucleic acid sequence encoding an output protein consisting of a (k+1)th protein;
The (i) is present on the 5' or 3' side of the (ii), and the (i) and (ii) are operably linked to each other in an mRNA molecule,
the kth protein and the (k+1)th protein are different proteins;
k is an integer from 1 to (n-1);
(B) The nth mRNA switch is
(i) a nucleic acid sequence that is specifically recognized by an nth protein that is an output protein of an (n-1)th mRNA switch;
(ii) a nucleic acid sequence encoding an output protein that is a (n+1)th protein;
The (i) is present on the 5' or 3' side of the (ii), and the (i) and (ii) are operably linked to each other in an mRNA molecule,
An mRNA switch set, wherein the (n+1)th protein is any protein.
[14] The mRNA switch set according to [13], wherein the first protein to the nth protein are all different proteins.
[15] The switch set according to [13], wherein the (n+1) protein is a first input protein.
[16] The mRNA switch set according to any one of [13] to [15], wherein the Cas protein or a variant thereof contained in the k and (k+1) proteins is one Cas protein or a variant thereof selected from the group consisting of SpCas9, SaCas9, CjCas9, NmCas9, St1Cas9, FnCas9, CdCas9, ClCas9, PlCas9, NcCas9, SpaCas9, St3Cas9, AsCas12a, FnCas12a, LbCas12a, MbCas12a, AkCas12b, AaCas12b, BvCas12b, BsCas12b, PspCas13b, PguCas13b, RanCas13b, CasRx, PlmCasX, and Cas14a1.
[17] (a) the mRNA switch according to any one of [1] to [4] or a vector encoding the mRNA switch; and
(b) A method for controlling protein expression, comprising the step of introducing into a cell the input protein, a trigger mRNA encoding the input protein, or a vector encoding the trigger mRNA.
[18] (a) the mRNA switch according to any one of [1] to [4], or a vector encoding the mRNA switch;
(b) a first trigger mRNA comprising a nucleic acid sequence encoding a first fusion protein comprising a first fragment of the input protein and a first heterodimerization domain, or a vector encoding the first trigger mRNA; and (c) a second trigger mRNA comprising a nucleic acid sequence encoding a second fusion protein comprising a second fragment of the input protein of (b) and a second heterodimerization domain, or a vector encoding the second trigger mRNA, into a cell. A method for controlling protein expression, comprising the steps of:
[19] The method for controlling expression of the protein according to [18], further comprising the step of contacting the cell with an agent that promotes heterodimerization by the first and second heterodimerization domains after the introducing step.
[20] The method for controlling expression of the protein according to any one of [17] to [19], further comprising the step of introducing into a cell an input-inhibiting protein, an input-inhibiting mRNA encoding the input-inhibiting protein, or a vector encoding the input-inhibiting mRNA, which specifically inhibits the recognition of the nucleic acid sequence of (i) by the input protein.
[21] A method for controlling protein expression, comprising the step of introducing the mRNA switch set according to any one of [13] to [16] into a cell.
[22] (a) the vector described in [6], wherein the transcription control protein comprises a Cas protein or a modified version thereof, and further comprises a nucleic acid sequence encoding a crRNA or sgRNA that specifically recognizes the transcription control sequence, which is provided downstream of the nucleic acid sequence encoding the mRNA switch; and (b) a protein expression control kit comprising a transcription control protein comprising a Cas protein or a modified version thereof corresponding to the nucleic acid sequence encoding a crRNA or sgRNA that specifically recognizes the transcription control sequence of (a), a transcription activity control mRNA encoding the transcription control protein, or a vector encoding the transcription activity control mRNA.

本発明によれば、直交性を有し、ほかのモジュールと互いに干渉することのない翻訳制御モジュールを備えたスイッチ核酸を得ることができる。さらに、前記翻訳制御モジュールを複数組合せることにより、及び1または2以上の転写制御モジュールを組み合わせることにより、真核細胞において、精密な翻訳制御回路及び遺伝子発現制御回路の構築が可能となる。本発明によるmRNAスイッチは、より安全で効率的な細胞プログラミングを可能とし、様々な応用が可能である。According to the present invention, a switch nucleic acid can be obtained that is orthogonal and has a translation control module that does not interfere with other modules. Furthermore, by combining multiple translation control modules and by combining one or more transcription control modules, it becomes possible to construct a precise translation control circuit and a gene expression control circuit in eukaryotic cells. The mRNA switch according to the present invention enables safer and more efficient cell programming and has a variety of applications.

図1は、本発明の一実施形態に係るmRNAスイッチと、入力タンパク質による翻訳制御を模式的に示す図であり、左上図はアプタマー配列がsgRNAであるmRNAスイッチと、当該sgRNAを特異的に認識する入力タンパク質の組み合わせを表し、左下図は、入力タンパク質により、出力タンパク質の翻訳が抑制された状態を表す。右上図はアプタマー配列がcrRNAであるmRNAスイッチと、当該crRNAを特異的に認識する入力タンパク質の組み合わせを表し、左下図は、入力タンパク質により、出力タンパク質の翻訳が抑制された状態を表す。1 is a schematic diagram showing an mRNA switch according to one embodiment of the present invention and translation control by an input protein, in which the upper left diagram shows a combination of an mRNA switch whose aptamer sequence is sgRNA and an input protein that specifically recognizes the sgRNA, and the lower left diagram shows a state in which the translation of an output protein is suppressed by the input protein. The upper right diagram shows a combination of an mRNA switch whose aptamer sequence is crRNA and an input protein that specifically recognizes the crRNA, and the lower left diagram shows a state in which the translation of an output protein is suppressed by the input protein. 図2Aは、入力タンパク質SpCas9の存在下における、SpCas9により特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFFスイッチmRNA(Switch)と、アプタマーをもたず、出力タンパク質をコードするコントロールmRNA(No aptamer)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 2A is a graph comparing the translation efficiency of an OFF switch mRNA (Switch), which has an aptamer sequence specifically recognized by SpCas9 and encodes an output protein, with a control mRNA (No aptamer), which does not have an aptamer and encodes an output protein, in the presence of the input protein SpCas9. 図2Bは、入力タンパク質SaCas9の存在下における、SaCas9により特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFFスイッチmRNA(Switch)と、アプタマーをもたず、出力タンパク質をコードするコントロールmRNA(No aptamer)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 2B is a graph comparing the translation efficiency, in the presence of the input protein SaCas9, between an OFF switch mRNA (Switch), which has an aptamer sequence specifically recognized by SaCas9 and encodes an output protein, and a control mRNA (No aptamer), which does not have an aptamer and encodes an output protein. 図2Cは、入力タンパク質CjCas9の存在下における、CjCas9により特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFFスイッチmRNA(Switch)と、アプタマーをもたず、出力タンパク質をコードするコントロールmRNA(No aptamer)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 2C is a graph comparing the translation efficiency of an OFF switch mRNA (Switch), which has an aptamer sequence specifically recognized by CjCas9 and encodes an output protein, with a control mRNA (No aptamer), which does not have an aptamer and encodes an output protein, in the presence of the input protein CjCas9. 図2Dは、入力タンパク質NmCas9の存在下における、NmCas9により特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFFスイッチmRNA(Switch)と、アプタマーをもたず、出力タンパク質をコードするコントロールmRNA(No aptamer)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 2D is a graph comparing the translation efficiency of an OFF switch mRNA (Switch), which has an aptamer sequence specifically recognized by NmCas9 and encodes an output protein, with a control mRNA (No aptamer), which does not have an aptamer and encodes an output protein, in the presence of the input protein NmCas9. 図2Eは、入力タンパク質St1Cas9の存在下における、St1Cas9により特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFFスイッチmRNA(Switch)と、アプタマーをもたず、出力タンパク質をコードするコントロールmRNA(No aptamer)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 2E is a graph comparing the translation efficiency of an OFF switch mRNA (Switch), which has an aptamer sequence specifically recognized by St1Cas9 and encodes an output protein, with a control mRNA (No aptamer), which does not have an aptamer and encodes an output protein, in the presence of the input protein St1Cas9. 図2Fは、入力タンパク質AsCas12aの存在下における、AsCas12aにより特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFFスイッチmRNA(Switch)と、アプタマーをもたず、出力タンパク質をコードするコントロールmRNA(No aptamer)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 2F is a graph comparing the translation efficiency of an OFF switch mRNA (Switch) that has an aptamer sequence specifically recognized by AsCas12a and encodes an output protein, and a control mRNA (No aptamer) that does not have an aptamer and encodes an output protein, in the presence of the input protein AsCas12a. 図2Gは、入力タンパク質PspCas13bの存在下における、PspCas13bにより特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFFスイッチmRNA(Switch)と、アプタマーをもたず、出力タンパク質をコードするコントロールmRNA(No aptamer)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 2G is a graph comparing the translation efficiency of an OFF switch mRNA (Switch), which has an aptamer sequence specifically recognized by PspCas13b and encodes an output protein, and a control mRNA (No aptamer), which does not have an aptamer and encodes an output protein, in the presence of the input protein PspCas13b. 図2Hは、入力タンパク質PguCas13bの存在下における、PguCas13bにより特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFFスイッチmRNA(Switch)と、アプタマーをもたず、出力タンパク質をコードするコントロールmRNA(No aptamer)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 2H is a graph comparing the translation efficiency of an OFF switch mRNA (Switch), which has an aptamer sequence specifically recognized by PguCas13b and encodes an output protein, with a control mRNA (No aptamer), which does not have an aptamer and encodes an output protein, in the presence of the input protein PguCas13b. 図2Iは、入力タンパク質RanCas13bの存在下における、RanCas13bにより特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFFスイッチmRNA(Switch)と、アプタマーをもたず、出力タンパク質をコードするコントロールmRNA(No aptamer)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 2I is a graph comparing the translation efficiency of an OFF switch mRNA (Switch), which has an aptamer sequence specifically recognized by RanCas13b and encodes an output protein, with a control mRNA (No aptamer), which does not have an aptamer and encodes an output protein, in the presence of the input protein RanCas13b. 図2Jは、入力タンパク質CasRxの存在下における、CasRxにより特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFFスイッチmRNA(Switch)と、アプタマーをもたず、出力タンパク質をコードするコントロールmRNA(No aptamer)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 2J is a graph comparing the translation efficiency in the presence of the input protein CasRx between an OFF switch mRNA (Switch), which has an aptamer sequence specifically recognized by CasRx and encodes an output protein, and a control mRNA (No aptamer), which does not have an aptamer and encodes an output protein. 図3は、NmCas9により特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするmRNAスイッチについて、アプタマー配列が異なる6種のmRNAスイッチ(Nm_gRNA、Nm_gRNA_v1、Nm_gRNA_v2、Nm_gRNA_v3、Nm_gRNA_v4、Nm_gRNA_v5)を作製し、コントロールmRNA(No aptamer)とともに、NmCas9の存在下でその翻訳効率を比較したグラフである。Figure 3 is a graph comparing the translation efficiency of six types of mRNA switches (Nm_gRNA, Nm_gRNA_v1, Nm_gRNA_v2, Nm_gRNA_v3, Nm_gRNA_v4, Nm_gRNA_v5) with different aptamer sequences that have been prepared for mRNA switches that have an aptamer sequence specifically recognized by NmCas9 and encode an output protein, together with a control mRNA (No aptamer), in the presence of NmCas9. 図4Aは、mRNAスイッチの発現抑制が、真に翻訳抑制によって引き起こされているかを確認するために、野生型SpCas9[SpCas9(WT)]、DNA切断活性についての変異体(ニッカーゼ) [SpCas9(D10A)]、DNA切断活性についての変異体(DNA切断ヌル)[SpCas9(D10A_H840A)]、NLSを持たないSpCas9[SpCas9(ΔNLS)]を入力タンパク質とし、それぞれの入力タンパク質の存在下で、これらにより特異的に認識されるmRNAスイッチ(Switch)と、コントロールmRNA(No aptamer)の翻訳効率を確認した結果を示す。Figure 4A shows the results of confirming the translation efficiency of the mRNA switch specifically recognized by wild-type SpCas9 [SpCas9(WT)], a mutant with DNA cleavage activity (nickase) [SpCas9(D10A)], a mutant with DNA cleavage activity (DNA cleavage null) [SpCas9(D10A_H840A)], and SpCas9 without NLS [SpCas9(ΔNLS)] as input proteins in order to confirm whether the suppression of expression of the mRNA switch is truly caused by translation suppression. 図4Bは、SpCas9のDNA結合能を阻害するanti-CRISPRタンパク質(AcrIIA4)が、mRNAスイッチの発現抑制が阻害されるかを確認するために、SpCas9を特異的に認識するmRNAスイッチ(Switch)と、コントロールmRNA(No aptamer)の翻訳効率を、AcrIIA4の存在下及び非存在下で確認した結果を示す。Figure 4B shows the results of examining the translation efficiency of an mRNA switch (Switch) that specifically recognizes SpCas9 and a control mRNA (No aptamer) in the presence and absence of AcrIIA4 to confirm whether the anti-CRISPR protein (AcrIIA4), which inhibits the DNA binding ability of SpCas9, inhibits the suppression of expression of the mRNA switch. 図5は、mRNAの切断が翻訳抑制に必須かどうか確認するために、野生型AsCas12a (AsCpf1) [Cpf1 WT]及びAsCas12a(H800A)変異体[Cpf1(H800A)]によって特異的に認識されるmRNAスイッチ(As_crRNA)と、コントロールmRNA(No aptamer)の翻訳効率を、それぞれの入力タンパク質の存在下で確認した結果を示す。Figure 5 shows the results of confirming the translation efficiency of an mRNA switch (As_crRNA) specifically recognized by wild-type AsCas12a (AsCpf1) [Cpf1 WT] and the AsCas12a(H800A) mutant [Cpf1(H800A)] and a control mRNA (No aptamer) in the presence of each input protein to confirm whether mRNA cleavage is essential for translational repression. 図6Aは、入力タンパク質SpCas9の存在下における、SpCas9により特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするONスイッチmRNA(SpCas9-responsive)と、アプタマー配列を有さず、インバーター配列を有する核酸であるコントロールmRNA(Control)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 6A is a graph comparing the translation efficiency in the presence of the input protein SpCas9 between an ON switch mRNA (SpCas9-responsive) that has an aptamer sequence specifically recognized by SpCas9 and encodes an output protein, and a control mRNA (Control), which is a nucleic acid that does not have an aptamer sequence and has an inverter sequence. 図6Bは、入力タンパク質PspCas13bの存在下における、PspCas13bにより特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするONスイッチmRNA(PspCas13b-responsive)と、コントロールmRNA(Control)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 6B is a graph comparing the translation efficiency of an ON switch mRNA (PspCas13b-responsive) that has an aptamer sequence specifically recognized by PspCas13b and encodes an output protein, with a control mRNA (Control) in the presence of the input protein PspCas13b. 図6Cは、入力タンパク質SaCas9の存在下における、SaCas9により特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするONスイッチmRNA(SaCas9-responsive)と、コントロールmRNA(Control)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 6C is a graph comparing the translation efficiency of an ON switch mRNA (SaCas9-responsive) that has an aptamer sequence specifically recognized by SaCas9 and encodes an output protein, with a control mRNA (Control) in the presence of the input protein SaCas9. 図6Dは、入力タンパク質CjCas9の存在下における、CjCas9により特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするONスイッチmRNA(CjCas9-responsive)と、コントロールmRNA(Control)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 6D is a graph comparing the translation efficiency of an ON switch mRNA (CjCas9-responsive) that has an aptamer sequence specifically recognized by CjCas9 and encodes an output protein, and a control mRNA (Control) in the presence of the input protein CjCas9. 図6Eは、入力タンパク質St1Cas9の存在下における、St1Cas9により特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするONスイッチmRNA(St1Cas9-responsive)と、コントロールmRNA(Control)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 6E is a graph comparing the translation efficiency of an ON switch mRNA (St1Cas9-responsive) that has an aptamer sequence specifically recognized by St1Cas9 and encodes an output protein, with a control mRNA (Control) in the presence of the input protein St1Cas9. 図6Fは、入力タンパク質AsCas12a及びAsCas12a(H800A)の存在下における、AsCas12a及びAsCas12a(H800A)によりそれぞれ特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするONスイッチmRNA(AsCas12a-responsive及びAsCas12a(H800A)-responsive)と、コントロールmRNA(Control)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 6F is a graph comparing the translation efficiency of ON switch mRNAs (AsCas12a-responsive and AsCas12a(H800A)-responsive) that have aptamer sequences specifically recognized by AsCas12a and AsCas12a(H800A), respectively, and encode output proteins, with a control mRNA (Control) in the presence of input proteins AsCas12a and AsCas12a(H800A). 図7Aは、入力タンパク質を発現するトリガーmRNA導入の有無によるスイッチの蛍光変化を、フローサイトメトリーによってプロットした図であり、上図はトリガーmRNA導入の有無の各場合におけるドットプロット、下図は、トリガーmRNA導入の有無の各場合における蛍光強度比EGFP/iRFP670の数値の分布を示したヒストグラムである。Figure 7A is a diagram plotted by flow cytometry of the change in fluorescence of the switch depending on whether or not a trigger mRNA expressing an input protein was introduced. The upper figure is a dot plot for each case in which the trigger mRNA was introduced and not, and the lower figure is a histogram showing the distribution of the numerical values of the fluorescence intensity ratio EGFP/iRFP670 for each case in which the trigger mRNA was introduced and not. 図7Bは、各トリガーmRNA導入量でのコントロールmRNA(No aptamer)とmRNAスイッチ(Sp_gRNA)の翻訳効率を示したグラフである。Figure 7B is a graph showing the translation efficiency of the control mRNA (No aptamer) and the mRNA switch (Sp_gRNA) at each amount of trigger mRNA introduced. 図8Aは、入力タンパク質FnCas9の存在下における、FnCas9により特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFFスイッチmRNA2種(Switch 1、Switch 2)と、アプタマーをもたず、出力タンパク質をコードするコントロールmRNA(No aptamer)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 8A is a graph comparing the translation efficiency in the presence of the input protein FnCas9 between two types of OFF switch mRNAs (Switch 1 and Switch 2) that have an aptamer sequence specifically recognized by FnCas9 and encode an output protein, and a control mRNA (No aptamer) that does not have an aptamer and encodes an output protein. 図8Bは、入力タンパク質FnCpf1の存在下における、FnCpf1により特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFFスイッチmRNA(Switch 1)と、アプタマーをもたず、出力タンパク質をコードするコントロールmRNA(No aptamer)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 8B is a graph comparing the translation efficiency in the presence of the input protein FnCpf1 between an OFF switch mRNA (Switch 1) that has an aptamer sequence specifically recognized by FnCpf1 and encodes an output protein, and a control mRNA (No aptamer) that does not have an aptamer and encodes an output protein. 図8Cは、入力タンパク質LbCpf1の存在下における、LbCpf1により特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFFスイッチmRNA(Switch 1)と、アプタマーをもたず、出力タンパク質をコードするコントロールmRNA(No aptamer)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 8C is a graph comparing the translation efficiency in the presence of input protein LbCpf1 between an OFF switch mRNA (Switch 1) that has an aptamer sequence specifically recognized by LbCpf1 and encodes an output protein, and a control mRNA (No aptamer) that does not have an aptamer and encodes an output protein. 図8Dは、入力タンパク質MbCpf1の存在下における、MbCpf1により特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFFスイッチmRNA(Switch 1)と、アプタマーをもたず、出力タンパク質をコードするコントロールmRNA(No aptamer)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 8D is a graph comparing the translation efficiency in the presence of the input protein MbCpf1 between an OFF switch mRNA (Switch 1) that has an aptamer sequence specifically recognized by MbCpf1 and encodes an output protein, and a control mRNA (No aptamer) that does not have an aptamer and encodes an output protein. 図8Eは、入力タンパク質AkCas12bの存在下における、AkCas12bにより特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFFスイッチmRNA2種(Switch 1、Switch 2)と、アプタマーをもたず、出力タンパク質をコードするコントロールmRNA(No aptamer)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 8E is a graph comparing the translation efficiency of two types of OFF switch mRNAs (Switch 1 and Switch 2) that have an aptamer sequence specifically recognized by AkCas12b and encode an output protein, and a control mRNA (No aptamer) that does not have an aptamer and encodes an output protein, in the presence of the input protein AkCas12b. 図8Fは、入力タンパク質BvCas12bの存在下における、BvCas12bにより特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFFスイッチmRNA(Switch 1)と、アプタマーをもたず、出力タンパク質をコードするコントロールmRNA(No aptamer)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 8F is a graph comparing the translation efficiency of an OFF switch mRNA (Switch 1) that has an aptamer sequence specifically recognized by BvCas12b and encodes an output protein, and a control mRNA (No aptamer) that does not have an aptamer and encodes an output protein, in the presence of the input protein BvCas12b. 図8Gは、入力タンパク質BsCas12bの存在下における、BsCas12bにより特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFFスイッチmRNA(Switch 1)と、アプタマーをもたず、出力タンパク質をコードするコントロールmRNA(No aptamer)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 8G is a graph comparing the translation efficiency of an OFF switch mRNA (Switch 1) that has an aptamer sequence specifically recognized by BsCas12b and encodes an output protein, and a control mRNA (No aptamer) that does not have an aptamer and encodes an output protein, in the presence of the input protein BsCas12b. 図8Hは、入力タンパク質PlmCasXの存在下における、PlmCasXにより特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFFスイッチmRNA2種(Switch 1、Switch 2)と、アプタマーをもたず、出力タンパク質をコードするコントロールmRNA(No aptamer)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 8H is a graph comparing the translation efficiency in the presence of the input protein PlmCasX between two types of OFF switch mRNAs (Switch 1 and Switch 2) that have an aptamer sequence specifically recognized by PlmCasX and encode an output protein, and a control mRNA (No aptamer) that does not have an aptamer and encodes an output protein. 図8Iは、入力タンパク質CdCas9の存在下における、CdCas9により特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFFスイッチmRNA2種(Switch 1、Switch 2)と、アプタマーをもたず、出力タンパク質をコードするコントロールmRNA(No aptamer)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 8I is a graph comparing the translation efficiency in the presence of the input protein CdCas9 between two types of OFF switch mRNAs (Switch 1 and Switch 2) that have an aptamer sequence specifically recognized by CdCas9 and encode an output protein, and a control mRNA (No aptamer) that does not have an aptamer and encodes an output protein. 図8Jは、入力タンパク質ClCas9の存在下における、ClCas9により特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFFスイッチmRNA(Switch 1)と、アプタマーをもたず、出力タンパク質をコードするコントロールmRNA(No aptamer)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 8J is a graph comparing the translation efficiency of an OFF switch mRNA (Switch 1) that has an aptamer sequence specifically recognized by ClCas9 and encodes an output protein, with a control mRNA (No aptamer) that does not have an aptamer and encodes an output protein, in the presence of the input protein ClCas9. 図8Kは、入力タンパク質NcCas9の存在下における、NcCas9により特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFFスイッチmRNA2種(Switch 1、Switch 2)と、アプタマーをもたず、出力タンパク質をコードするコントロールmRNA(No aptamer)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 8K is a graph comparing the translation efficiency in the presence of the input protein NcCas9 between two types of OFF switch mRNAs (Switch 1 and Switch 2) that have an aptamer sequence specifically recognized by NcCas9 and encode an output protein, and a control mRNA (No aptamer) that does not have an aptamer and encodes an output protein. 図8Lは、入力タンパク質PlCas9の存在下における、PlCas9により特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFFスイッチmRNA2種(Switch 1、Switch 2)と、アプタマーをもたず、出力タンパク質をコードするコントロールmRNA(No aptamer)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 8L is a graph comparing the translation efficiency in the presence of the input protein PlCas9 between two types of OFF switch mRNAs (Switch 1 and Switch 2) that have an aptamer sequence specifically recognized by PlCas9 and encode an output protein, and a control mRNA (No aptamer) that does not have an aptamer and encodes an output protein. 図8Mは、入力タンパク質SpaCas9の存在下における、SpaCas9により特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFFスイッチmRNA2種(Switch 1、Switch 2)と、アプタマーをもたず、出力タンパク質をコードするコントロールmRNA(No aptamer)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 8M is a graph comparing the translation efficiency in the presence of the input protein SpaCas9 between two types of OFF switch mRNAs (Switch 1 and Switch 2) that have an aptamer sequence specifically recognized by SpaCas9 and code for an output protein, and a control mRNA (No aptamer) that does not have an aptamer and codes for an output protein. 図8Nは、入力タンパク質St3Cas9の存在下における、St3Cas9により特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFFスイッチmRNA2種(Switch 1、Switch 2)と、アプタマーをもたず、出力タンパク質をコードするコントロールmRNA(No aptamer)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 8N is a graph comparing the translation efficiency in the presence of the input protein St3Cas9 between two types of OFF switch mRNAs (Switch 1 and Switch 2) that have an aptamer sequence specifically recognized by St3Cas9 and encode an output protein, and a control mRNA (No aptamer) that does not have an aptamer and encodes an output protein. 図8Oは、入力タンパク質Cas14a1の存在下における、Cas14a1により特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFFスイッチmRNA2種(Switch 1、Switch 2)と、アプタマーをもたず、出力タンパク質をコードするコントロールmRNA(No aptamer)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 8O is a graph comparing the translation efficiency in the presence of input protein Cas14a1 between two types of OFF switch mRNAs (Switch 1 and Switch 2) that have an aptamer sequence specifically recognized by Cas14a1 and encode an output protein, and a control mRNA (No aptamer) that does not have an aptamer and encodes an output protein. 図9Aは、入力タンパク質CasRxの存在下における、CasRxにより特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするONスイッチmRNA(CasRx-responsive)と、コントロールmRNA(Control)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 9A is a graph comparing the translation efficiency of an ON switch mRNA (CasRx-responsive) that has an aptamer sequence specifically recognized by CasRx and encodes an output protein, with a control mRNA (Control) in the presence of the input protein CasRx. 図9Bは、入力タンパク質PguCas13bの存在下における、PguCas13bにより特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするONスイッチmRNA(PguCas13b-responsive)と、コントロールmRNA(Control)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 9B is a graph comparing the translation efficiency of an ON switch mRNA (PguCas13b-responsive) that has an aptamer sequence specifically recognized by PguCas13b and encodes an output protein, with a control mRNA (Control) in the presence of the input protein PguCas13b. 図9Cは、入力タンパク質AkCas12bの存在下における、AkCas12bにより特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするONスイッチmRNA(AkCas12b-responsive)と、コントロールmRNA(Control)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 9C is a graph comparing the translation efficiency of an ON switch mRNA (AkCas12b-responsive) that has an aptamer sequence specifically recognized by AkCas12b and encodes an output protein, and a control mRNA (Control) in the presence of the input protein AkCas12b. 図9Dは、入力タンパク質BvCas12bの存在下における、BvCas12bにより特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするONスイッチmRNA(BvCas12b-responsive)と、コントロールmRNA(Control)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 9D is a graph comparing the translation efficiency of an ON switch mRNA (BvCas12b-responsive) that has an aptamer sequence specifically recognized by BvCas12b and encodes an output protein, with a control mRNA (Control) in the presence of the input protein BvCas12b. 図9Eは、入力タンパク質PlmCasXの存在下における、PlmCasXにより特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするONスイッチmRNA(PlmCasX-responsive)と、コントロールmRNA(Control)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 9E is a graph comparing the translation efficiency of an ON switch mRNA (PlmCasX-responsive) that has an aptamer sequence specifically recognized by PlmCasX and encodes an output protein, with a control mRNA (Control) in the presence of the input protein PlmCasX. 図9Fは、入力タンパク質LbCas12aの存在下における、LbCas12aにより特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするONスイッチmRNA(LbCas12a-responsive)と、コントロールmRNA(Control)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 9F is a graph comparing the translation efficiency of an ON switch mRNA (LbCas12a-responsive) that has an aptamer sequence specifically recognized by LbCas12a and encodes an output protein, and a control mRNA (Control) in the presence of the input protein LbCas12a. 図9Gは、入力タンパク質FnCas12aの存在下における、FnCas12aにより特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするONスイッチmRNA(FnCas12a-responsive)と、コントロールmRNA(Control)との翻訳効率を比較したグラフである。Figure 9G is a graph comparing the translation efficiency of an ON switch mRNA (FnCas12a-responsive) that has an aptamer sequence specifically recognized by FnCas12a and encodes an output protein, with a control mRNA (Control) in the presence of the input protein FnCas12a. 図10Aは、Cas9の断片であるSpCas9(N-term)とSpCas9(C-term)の両方が細胞中に存在するときに、完全長のSpCas9が生成され、mRNAスイッチの翻訳抑制が引き起こされることを示す概念図である。Figure 10A is a schematic diagram showing that when both Cas9 fragments, SpCas9(N-term) and SpCas9(C-term), are present in a cell, full-length SpCas9 is generated and translational repression of the mRNA switch is triggered. 図10Bは、SpCas9(N-term)、SpCas9(C-term)がそれぞれ存在するときを入力有(1)、存在しないときを入力無し(0)とし、翻訳抑制がされずに出力タンパク質が発現したときを出力有り(1)、翻訳抑制が引き起こされて出力タンパク質が発現しなかったときを出力無し(0)として、実験結果を表す表である。Figure 10B is a table showing the experimental results, where the presence of SpCas9(N-term) and SpCas9(C-term) is represented as input (1) and no input (0), respectively, and the absence of SpCas9(N-term) is represented as output (1) when translational inhibition is not induced and the output protein is expressed, and the absence of output (0) when translational inhibition is induced and the output protein is not expressed. 図10Cは、図10Bの各入力の場合と、分離されていない野生型のCasを用いた場合(WT)の翻訳効率を示すグラフである。FIG. 10C is a graph showing the translation efficiency for each input in FIG. 10B and when unsegregated wild-type Cas is used (WT). 図11Aは、SpCas9(N-term)とSpCas9(C-term)の各断片のC末端あるいはN末端に、DmrAあるいはDmrC結合ドメインをそれぞれ融合したスプリットCas9を調製し、drug添加時のみ、完全長のSpCas9が生成され、mRNAスイッチの翻訳抑制が引き起こされることを示す概念図である。Figure 11A is a conceptual diagram showing that split Cas9 was prepared by fusing the DmrA or DmrC binding domain to the C-terminus or N-terminus of each fragment of SpCas9(N-term) and SpCas9(C-term), respectively, and that full-length SpCas9 is generated only when a drug is added, causing translational repression of the mRNA switch. 図11BのSplit1-3は、SpCas9により特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFFスイッチmRNA(Switch)と、アプタマーをもたず、出力タンパク質をコードするコントロールmRNA(No aptamer)のそれぞれに、Split1-3のそれぞれについて、両断片の存在下で、薬剤を添加した場合(Drug+)、並びに添加しなかった場合(Drug-)の翻訳効率を示し、WTは同じOFFスイッチmRNA(Switch)と、コントロールmRNA(No aptamer)のそれぞれに、野生型のSpCas9の存在下で、薬剤を添加した場合(Drug+)、並びに添加しなかった場合(Drug-)の翻訳効率を示すグラフである。Split1-3 in Figure 11B shows the translation efficiency when a drug is added (Drug+) and when it is not added (Drug-) in the presence of both fragments for Split1-3, for an OFF switch mRNA (Switch) that has an aptamer sequence specifically recognized by SpCas9 and encodes an output protein, and a control mRNA (No aptamer) that does not have an aptamer and encodes an output protein, respectively. WT is a graph showing the translation efficiency when a drug is added (Drug+) and when it is not added (Drug-) in the presence of wild-type SpCas9 for the same OFF switch mRNA (Switch) and control mRNA (No aptamer). 図12は、SaCas9により特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFFスイッチmRNA(Switch)と、アプタマーをもたず、出力タンパク質をコードするコントロールmRNA(No aptamer)のそれぞれに、AcrIIC2をコードするプラスミドベクターを添加しなかった場合(0ng)、あるいは200ng、400ng、1000ng、2000ngのAcrIIC2をコードするプラスミドベクターを添加した場合の翻訳効率を示し、AcrIIC2によってSaCas9による翻訳抑制が解除されることを示す。Figure 12 shows the translation efficiency when no plasmid vector encoding AcrIIC2 was added (0 ng) or when 200 ng, 400 ng, 1000 ng, or 2000 ng of a plasmid vector encoding AcrIIC2 was added to an OFF switch mRNA (Switch) that has an aptamer sequence specifically recognized by SaCas9 and encodes an output protein, and a control mRNA (No aptamer) that does not have an aptamer and encodes an output protein, demonstrating that AcrIIC2 relieves translational inhibition by SaCas9. 図13Aは、SpCas9、SaCas9、CjCas9、St1Cas9、AsCas12a、PspCas13b、PguCas13b、RanCas13b、CasRxの9種のCasタンパク質と、それぞれに特異的に認識されるアプタマー配列を有する9種のmRNAスイッチとの翻訳抑制の直交性を確認した結果を示す蛍光写真である。白い四角で囲った部分に対応する組み合わせについては、意図しない翻訳抑制が生じたが、それ以外の組み合わせについては直交性が確認された。Figure 13A is a fluorescent photograph showing the results of confirming the orthogonality of translational repression between nine types of Cas proteins (SpCas9, SaCas9, CjCas9, St1Cas9, AsCas12a, PspCas13b, PguCas13b, RanCas13b, and CasRx) and nine types of mRNA switches that have aptamer sequences that are specifically recognized by each of them. For the combinations corresponding to the parts enclosed in white squares, unintended translational repression occurred, but orthogonality was confirmed for the other combinations. 図13Bは、図13Aの結果を、翻訳効率に基づく濃淡で示した図である。FIG. 13B shows the results of FIG. 13A, with shading based on translation efficiency. 図13Cは、14種のCasタンパク質と、それぞれに特異的に認識されるアプタマー配列を有する14種のmRNAスイッチ、並びにタンパク質-RNA結合モチーフ(RNPモチーフ)として既知のL7Aeタンパク質と、L7Aeに認識されるBoxCD配列の翻訳抑制の直交性を確認した結果を示す蛍光写真である。Figure 13C is a fluorescent photograph showing the results of confirming the orthogonality of translational repression between 14 types of Cas proteins and 14 types of mRNA switches each having an aptamer sequence specifically recognized by the Cas proteins, as well as the L7Ae protein, which is known as a protein-RNA binding motif (RNP motif), and the BoxCD sequence recognized by L7Ae. 図14Aは、6種のOFFスイッチmRNAから構成されるスイッチセットを階層的に組み合わせた多層回路の構成を概念的に示す図である。FIG. 14A is a conceptual diagram showing the configuration of a multilayer circuit in which switch sets each composed of six types of OFF switch mRNA are hierarchically combined. 図14Bは各階層での蛍光顕微鏡写真、フローサイトメトリー解析から得たヒストグラムおよび、算出した出力レベルを示す図である。FIG. 14B shows fluorescence micrographs at each layer, histograms obtained from flow cytometry analysis, and calculated output levels. 図15Aのパネル(a)は、29種類のOFF スイッチmRNAについての直交性試験結果を示す蛍光写真であり、パネル(b)は、試験したCas応答OFF スイッチmRNAスイッチのうち、明確な直交性を示した13種類の明示である。Panel (a) of Figure 15A is a fluorescent photograph showing the results of the orthogonality test for 29 types of OFF switch mRNAs, and panel (b) shows the results of 13 types of Cas-responsive OFF switch mRNA switches that showed clear orthogonality among the tested switches. 図15Bは、図15A、パネル(b)の13種類のCas応答OFF スイッチmRNAについての画像定量結果をヒートマップで表した図である。FIG. 15B is a heat map showing the image quantification results for the 13 types of Cas-responsive OFF switch mRNAs in FIG. 15A, panel (b). 図16は、SpCas9を用いて、翻訳(OFF スイッチmRNA)と、DNA構築物の転写活性化が同時に制御可能かどうか試験した結果であり、パネル(a)はメカニズムの概要を、パネル(b)は細胞写真を示す。Figure 16 shows the results of a test to determine whether translation (OFF switch mRNA) and transcriptional activation of a DNA construct can be simultaneously controlled using SpCas9. Panel (a) shows an overview of the mechanism, and panel (b) shows a photograph of a cell. 図17は、3種類のCas応答OFF スイッチmRNAを組み合せることで作製できるANDゲート回路のスキームを示す。Figure 17 shows a scheme of an AND gate circuit that can be constructed by combining three types of Cas-responsive OFF switch mRNAs. 図18Aは、Casタンパク質による転写制御と翻訳制御を同時に駆使した2つのモジュールのみを用いて構成された半減算器のスキームを示す。FIG. 18A shows a scheme of a half-subtractor constructed using only two modules that simultaneously utilizes transcriptional and translational control by Cas proteins. 図18Bは半減算器の真理値表を示す。FIG. 18B shows the truth table for the half subtractor. 図18Cは出力に対応する細胞の蛍光顕微鏡写真を示す。FIG. 18C shows a fluorescent micrograph of the cells corresponding to the output. 図19は、NmCas9により特異的に認識されるアプタマー配列を有し、出力タンパク質をコードするOFF スイッチmRNAについて、図3に加えて、Nm_gRNA_v6、Nm_gRNA_v7を作製し、コントロールmRNA(No aptamer)とともに、NmCas9の存在下でその翻訳効率を比較したグラフである。FIG. 19 is a graph comparing the translation efficiency of Nm_gRNA_v6 and Nm_gRNA_v7, which have an aptamer sequence specifically recognized by NmCas9 and encode an output protein, in addition to those shown in FIG. 3, together with a control mRNA (No aptamer), in the presence of NmCas9. 図20は、26種類のON スイッチ mRNAについての直交性試験結果を示す蛍光写真である。FIG. 20 is a fluorescent photograph showing the results of orthogonality tests for 26 types of ON switch mRNAs. 図21は、SaCas9応答性の翻訳OFFスイッチmRNA(赤色蛍光)と翻訳ONスイッチmRNA(緑色蛍光)の同時駆動試験結果を示し、パネル(a)は細胞写真を、パネル(b)はフローサイトメトリーによる定量結果を示す。Figure 21 shows the results of a test to simultaneously drive SaCas9-responsive translation OFF switch mRNA (red fluorescence) and translation ON switch mRNA (green fluorescence), where panel (a) shows a cell photograph and panel (b) shows the quantification results by flow cytometry.

以下に、本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。The following describes an embodiment of the present invention. However, the present invention is not limited to the embodiment described below.

[1.mRNAスイッチ]
本発明は、第1実施形態によれば、mRNAスイッチに関し、当該mRNAスイッチは、
(i)Casタンパク質またはその改変体を含む入力タンパク質によって特異的に認識される核酸配列と、
(ii)出力タンパク質をコードする核酸配列とを含み、前記(i)が(ii)の5’側または3’側に存在して、前記(i)及び(ii)が作動可能に連結されている。
[1. mRNA Switch]
According to a first embodiment, the present invention relates to an mRNA switch, comprising:
(i) a nucleic acid sequence that is specifically recognized by an input protein, including a Cas protein or a variant thereof;
and (ii) a nucleic acid sequence encoding an output protein, wherein (i) is present on the 5' or 3' side of (ii), and (i) and (ii) are operably linked.

本実施形態におけるmRNAスイッチは、特定の出力タンパク質をコードし、かつ、特定の入力タンパク質に特異的に応答して前記出力タンパク質の翻訳が制御される人工mRNA分子をいう。特定の入力タンパク質に特異的に応答して翻訳が制御されるとは、特定の入力タンパク質が存在する場合と、存在しない場合とで、出力タンパク質の翻訳状態(翻訳が行われている状態、または翻訳が行われていない状態)が逆転することをいう。本実施形態では、翻訳が行われていない状態は翻訳抑制によって生じることから、翻訳抑制状態と呼ぶ場合がある。また、特定の入力タンパク質の量に応じて、翻訳または翻訳抑制の程度(翻訳効率)を変化させることも「制御」に含まれる。本明細書において、特定の入力タンパク質の存在下で翻訳が行われ、非存在下で翻訳が抑制されるmRNAスイッチをONスイッチmRNAと指称する。逆に、特定の入力タンパク質の存在下で翻訳が抑制され、非存在下で翻訳が行われるmRNAスイッチをOFFスイッチmRNAと指称する。In this embodiment, the mRNA switch refers to an artificial mRNA molecule that codes for a specific output protein and controls the translation of the output protein in response to a specific input protein. Controlling translation in response to a specific input protein refers to the reversal of the translation state of the output protein (a state in which translation is occurring or a state in which translation is not occurring) between the presence and absence of a specific input protein. In this embodiment, the state in which translation is not occurring is caused by translation inhibition, and may be called a translation inhibition state. In addition, changing the degree of translation or translation inhibition (translation efficiency) depending on the amount of a specific input protein is also included in "control". In this specification, an mRNA switch in which translation is occurring in the presence of a specific input protein and translation is inhibited in its absence is referred to as an ON switch mRNA. Conversely, an mRNA switch in which translation is inhibited in the presence of a specific input protein and translation is occurring in its absence is referred to as an OFF switch mRNA.

入力タンパク質とは、mRNAスイッチを特異的に認識するタンパク質であって、少なくともCasタンパク質またはその改変体を含む。Casタンパク質は、任意のCasタンパク質であってよく、例えば、SpCas9(Streptococcus pyogenesに由来するCas9、別名SpyCas9、配列番号1)、SaCas9(Staphylococcus aureusに由来するCas9、別名SauCas9、配列番号2)、CjCas9(Campylobacter jejuniに由来するCas9、別名CjeCas9、配列番号3)、NmCas9(Neisseria meningitidisに由来するCas9、別名NmeCas9、配列番号4)、St1Cas9(Streptococcus thermophilusに由来するCas9、別名Sth1Cas9、配列番号5)、FnCas9(Francisella novicidaに由来するCas9、別名FnoCas9、配列番号6)、CdCas9(Corynebacterium diphtheriaeに由来するCas9、別名CdiCas9、配列番号7)、ClCas9(Campylobacter lari CF89-12に由来するCas9、配列番号8)、PlCas9(Parvibaculum lavamentivoransに由来するCas9、配列番号9)、NcCas9(Neisseria cinereaに由来するCas9、配列番号10)、SpaCas9(Streptococcus pasteurianusに由来するCas9、配列番号11)、St3Cas9(Streptococcus thermophilusに由来するCas9、別名Sth3Cas9、配列番号12)、AsCas12a(Acidaminococcus sp. BV3L6に由来するCas12a、別名AsCpf1、配列番号13)、FnCas12a(Francisella novicida U112に由来するCas12a、別名FnCpf1、配列番号14)、LbCas12a(Lachnospiraceae bacterium ND2006に由来するCas12a、別名LbCpf1、配列番号15)、MbCas12a(Moraxella bovoculi 237に由来するCas12a、別名MbCpf1、配列番号16)、AkCas12b(Alicyclobacillus kakegawensisに由来するCas12b、別名AkC2c1、配列番号17)、BvCas12b(Bacillus sp. V3-13に由来するCas12b、別名BvC2c1、配列番号18)、BsCas12b(Bacillus sp. NSP2.1に由来するCas12、別名BsC2c1、配列番号19)、PspCas13b(Prevotella sp.に由来するCas13b、配列番号20)、PguCas13b(Porphyromonas gulaeに由来するCas13b、配列番号21)、RanCas13b(Riemerella anatipestiferに由来するCas13b、配列番号22)、CasRx(Ruminococcus flavefaciens XPD3002に由来するCasタンパク質、別名RfxCas13d、配列番号23)、PlmCasX(Planctomycetesに由来するCasX、別名PlmCas12e、配列番号24)、Cas14a1(uncultured archaeonに由来するCas14a、別名Cas14a.1、配列番号25)、AaCas12bから選択することができる。なお、別名の一部として表示したCpf1は、CRISPR-associated endonuclease in Prevotella and Francisella 1の略である。Casタンパク質は、mRNAスイッチの目的と用途に応じて適宜選択することができる。本発明においては、入力タンパク質となるCasタンパク質が、DNAの切断活性を有するものであってもよく、有さないものであってもよい。 An input protein is a protein that specifically recognizes an mRNA switch and includes at least a Cas protein or a modified version thereof. The Cas protein may be any Cas protein, such as, for example, SpCas9 (Cas9 from Streptococcus pyogenes, aka SpyCas9, SEQ ID NO: 1), SaCas9 (Cas9 from Staphylococcus aureus, aka SauCas9, SEQ ID NO: 2), CjCas9 (Cas9 from Campylobacter jejuni, aka CjeCas9, SEQ ID NO: 3), NmCas9 (Cas9 from Neisseria meningitidis, aka NmeCas9, SEQ ID NO: 4), St1Cas9 (Cas9 from Streptococcus thermophilus, aka Sth1Cas9, SEQ ID NO: 5), FnCas9 (Cas9 from Francisella novicida, aka FnoCas9, SEQ ID NO: 6), CdCas9 (Cas9 from Corynebacterium diphtheriae, aka CdiCas9, SEQ ID NO: 7), ClCas9 (Cas9 from Campylobacter lari, aka CdiCas9, SEQ ID NO: 8), or the like. CF89-12, SEQ ID NO: 8), PlCas9 (Cas9 from Parvibaculum lavamentivorans, SEQ ID NO: 9), NcCas9 (Cas9 from Neisseria cinerea, SEQ ID NO: 10), SpaCas9 (Cas9 from Streptococcus pasteurianus, SEQ ID NO: 11), St3Cas9 (Cas9 from Streptococcus thermophilus, alias Sth3Cas9, SEQ ID NO: 12), AsCas12a (Cas12a from Acidaminococcus sp. BV3L6, alias AsCpf1, SEQ ID NO: 13), FnCas12a (Cas12a from Francisella novicida U112, alias FnCpf1, SEQ ID NO: 14), LbCas12a (Cas12a from Lachnospiraceae bacterium ND2006, alias LbCpf1, SEQ ID NO:15), MbCas12a (Moraxella bovoculi 237, alias MbCpf1, SEQ ID NO:16), AkCas12b (Alicyclobacillus kakegawensis, alias AkC2c1, SEQ ID NO:17), BvCas12b (Bacillus sp. V3-13, alias BvC2c1, SEQ ID NO:18), BsCas12b (Bacillus sp. NSP2.1, alias BsC2c1, SEQ ID NO:19), PspCas13b (Prevotella sp., Cas13b, SEQ ID NO:20), PguCas13b (Porphyromonas gulae, Cas13b, SEQ ID NO:21), RanCas13b (Riemerella anatipestifer (Cas13b, SEQ ID NO: 22), CasRx (Cas protein derived from Ruminococcus flavefaciens XPD3002, also known as RfxCas13d, SEQ ID NO: 23), PlmCasX (CasX derived from Planctomycetes, also known as PlmCas12e, SEQ ID NO: 24), Cas14a1 (Cas14a derived from uncultured archaeon, also known as Cas14a.1, SEQ ID NO: 25), and AaCas12b can be selected. In addition, Cpf1 shown as a part of the alias is an abbreviation for CRISPR-associated endonuclease in Prevotella and Francisella 1. The Cas protein can be appropriately selected depending on the purpose and use of the mRNA switch. In the present invention, the Cas protein that is the input protein may or may not have DNA cleavage activity.

入力タンパク質は、Casタンパク質そのものであってもよいが、その改変体であってもよい。改変体は、例えば、Casタンパク質に、付加的なタンパク質が融合した融合体であってもよい。付加的なタンパク質は、Casタンパク質によるmRNAスイッチの認識能を阻害しないものであればよく、転写活性化因子であるVP16やVP64、VP64-p65-Rta(VPR)、転写抑制因子であるKruppel associated boxドメイン(KRAB)、DNAメチル化酵素DNMT3A、DNA脱メチル化酵素TET1、ヒストンアセチル化酵素LSD1やp300、RNA分解酵素CNOT7やDDX6、翻訳因子eIFファミリー、ウイルス由来タンパク質VPg、RNA修飾酵素ADAR、DNMT、METTL、WTAP、FTOやALKBH5、蛍光タンパク質などの機能性タンパク質であってよい。The input protein may be the Cas protein itself, or a modified version thereof. The modified version may be, for example, a fusion product in which an additional protein is fused to the Cas protein. The additional protein may be any protein that does not inhibit the recognition ability of the Cas protein of the mRNA switch, and may be a functional protein such as the transcription activator VP16, VP64, or VP64-p65-Rta (VPR), the transcription repressor Kruppel associated box domain (KRAB), the DNA methyltransferase DNMT3A, the DNA demethylase TET1, the histone acetyltransferase LSD1 or p300, the RNA degrading enzyme CNOT7 or DDX6, the translation factor eIF family, the virus-derived protein VPg, the RNA modifying enzyme ADAR, DNMT, METTL, WTAP, FTO or ALKBH5, or a fluorescent protein.

入力タンパク質として機能するCasタンパク質改変体は、複数の断片に分割されたCasタンパク質が会合した会合体であってよく、会合に用いられるタンパク質などの分子がさらに結合した分子であってよい。会合体は、mRNAスイッチの認識能を有する会合体であればよい。Casタンパク質改変体はまた、Casタンパク質から、RNA配列の認識に関与しない部分を除去したCasタンパク質断片であってよい。Casタンパク質断片は小型化Casタンパク質とも指称することができる。The modified Cas protein that functions as an input protein may be an assembly of Cas proteins split into multiple fragments, or may be a molecule to which a molecule such as a protein used in the assembly is further bound. The assembly may be an assembly that has the ability to recognize the mRNA switch. The modified Cas protein may also be a Cas protein fragment from which a portion not involved in the recognition of the RNA sequence has been removed. The Cas protein fragment may also be referred to as a miniaturized Cas protein.

mRNAスイッチは、典型的にはRNA分子である。ある実施形態においては、mRNAスイッチは合成mRNA分子であってよい。合成mRNA分子は、特には限定されないが、例えば、試験管内で合成されたmRNA分子であってもよい。合成mRNAは、mRNA分子の状態でそのまま細胞に導入し、翻訳制御に用いることができる。本明細書において、mRNA分子からなるmRNAスイッチを、スイッチmRNA、またはタンパク質応答性mRNA、スイッチ核酸と指称することもある。例えば、入力タンパク質がSpCas9である場合に、SpCas9応答性mRNAと指称する場合がある。 The mRNA switch is typically an RNA molecule. In certain embodiments, the mRNA switch may be a synthetic mRNA molecule. The synthetic mRNA molecule is not particularly limited, and may be, for example, an mRNA molecule synthesized in a test tube. The synthetic mRNA can be directly introduced into a cell in the form of an mRNA molecule and used for translation control. In this specification, an mRNA switch consisting of an mRNA molecule may be referred to as a switch mRNA, a protein-responsive mRNA, or a switch nucleic acid. For example, when the input protein is SpCas9, it may be referred to as a SpCas9-responsive mRNA.

別の実施形態においては、mRNAスイッチは細胞内でDNA構築物から転写されて生成されるmRNAであってよく、DNA構築物はベクター等であってよい。以下、mRNAスイッチを構成するRNA分子の構造及び配列決定について説明する。 In another embodiment, the mRNA switch may be an mRNA produced by transcription from a DNA construct within a cell, and the DNA construct may be a vector, etc. The structure and sequence determination of the RNA molecule that constitutes the mRNA switch are described below.

(i)Casタンパク質またはその改変体を含む入力タンパク質によって特異的に認識される核酸配列
mRNAスイッチは、Casタンパク質またはその改変体を含む入力タンパク質によって特異的に認識される核酸配列を含む。本明細書において、(i)の核酸配列を、アプタマー配列と指称する場合もある。
(i) a nucleic acid sequence that is specifically recognized by an input protein, including a Cas protein or a variant thereof;
The mRNA switch comprises a nucleic acid sequence that is specifically recognized by an input protein, including a Cas protein or a variant thereof. In this specification, the nucleic acid sequence of (i) may also be referred to as an aptamer sequence.

(i)の核酸配列は、Casタンパク質またはその改変体を含む入力タンパク質によって特異的に認識され、翻訳制御を可能とするものであれば特には限定されないが、典型的には、当該Casタンパク質に対応するcrRNAもしくはsgRNA配列である。(i)の核酸配列は、crRNAもしくはsgRNA配列の改変体であってよく、改変体とはCasタンパク質との特異的な結合能を保持した改変体をいうものとする。あるCasタンパク質と、これに対応するcrRNAもしくはsgRNA配列との組み合わせは、広く知られている。当業者であれば、タンパク質のデータベースや文献からその情報を取得し、(i)の核酸配列を設計することができる。
なお、(i)の核酸配列として、Casタンパク質に対応するpre-crRNAを用いた場合には、当該pre-crRNA領域でmRNAスイッチが切断されてしまう場合があるので好ましくない場合がある。mRNAスイッチが切断されてしまうと、入力タンパク質の有無による可逆的な翻訳制御が行えなくなる場合があるからである。
The nucleic acid sequence of (i) is not particularly limited as long as it is specifically recognized by an input protein including a Cas protein or a variant thereof and enables translational control, but is typically a crRNA or sgRNA sequence corresponding to the Cas protein. The nucleic acid sequence of (i) may be a variant of a crRNA or sgRNA sequence, and the variant refers to a variant that retains the specific binding ability to a Cas protein. The combination of a certain Cas protein and a corresponding crRNA or sgRNA sequence is widely known. A person skilled in the art can obtain the information from a protein database or literature and design the nucleic acid sequence of (i).
In addition, when the pre-crRNA corresponding to the Cas protein is used as the nucleic acid sequence of (i), it may be undesirable because the mRNA switch may be cut in the pre-crRNA region, which may result in the loss of reversible translation control depending on the presence or absence of the input protein.

具体的なCasタンパク質(Target protein)と、crRNAもしくはsgRNA配列との組み合わせとしては、以下の表1に示すものを例示することができるが、これらには限定されない。Switch nameは、mRNAスイッチの名称を表す。

Figure 0007630835000001
Figure 0007630835000002
Figure 0007630835000003
Specific examples of combinations of a Cas protein (Target protein) and a crRNA or sgRNA sequence include, but are not limited to, those shown in Table 1 below. Switch name represents the name of the mRNA switch.
Figure 0007630835000001
Figure 0007630835000002
Figure 0007630835000003

(ii)出力タンパク質をコードする核酸配列
mRNAスイッチは、出力タンパク質をコードする核酸配列を含む。出力タンパク質をコードする核酸配列は、当業者が所望の出力タンパク質にしたがって、適宜決定することができる。出力タンパク質には特に制限はなく、任意のタンパク質であってよい。
(ii) a nucleic acid sequence encoding an output protein
The mRNA switch includes a nucleic acid sequence that codes for an output protein. The nucleic acid sequence that codes for the output protein can be appropriately determined by a person skilled in the art according to a desired output protein. The output protein is not particularly limited and may be any protein.

ある実施形態において、出力タンパク質はCasタンパク質またはその改変体であってよい。Casタンパク質またはその改変体は、入力タンパク質の定義において説明したのと同様であってよく、同様の選択肢から選択することができる。なお、1つのmRNAスイッチ分子において、出力タンパク質は、入力タンパク質と同一であってもよく、異なっていてもよい。In one embodiment, the output protein may be a Cas protein or a variant thereof. The Cas protein or a variant thereof may be similar to those described in the definition of the input protein and may be selected from the same options. Note that in one mRNA switch molecule, the output protein may be the same as or different from the input protein.

別の実施形態において、出力タンパク質は、Casタンパク質を不活性化する、anti-CRISPRであってもよい。spCas9を不活性化することができるanti-CRISPRは、AcrIIA2、AcrIIA4、AcrIIA5、AcrIIA7、AcrIIA8、AcrIIA9、AcrIIA10が挙げられるが、これらには限定されない。NmCas9を不活性化するanti-CRISPRとしては、AcrIIC1、AcrIIC2、AcrIIC3、AcrIIC4、AcrIIA5が挙げられ、CjCas9を不活性化するanti-CRISPRとしては、AcrIIC1が挙げられ、St1Cas9を不活性化するanti-CRISPRとしてはAcrIIA5、AcrIIA6が挙げられ、SaCas9を不活性化するanti-CRISPRとしては、AcrIIC2、AcrIIA5が挙げられる。In another embodiment, the output protein may be an anti-CRISPR that inactivates a Cas protein. Anti-CRISPRs that can inactivate spCas9 include, but are not limited to, AcrIIA2, AcrIIA4, AcrIIA5, AcrIIA7, AcrIIA8, AcrIIA9, and AcrIIA10. Anti-CRISPRs that inactivate NmCas9 include AcrIIC1, AcrIIC2, AcrIIC3, AcrIIC4, and AcrIIA5; anti-CRISPRs that inactivate CjCas9 include AcrIIC1; anti-CRISPRs that inactivate St1Cas9 include AcrIIA5 and AcrIIA6; and anti-CRISPRs that inactivate SaCas9 include AcrIIC2 and AcrIIA5.

別の実施形態において、出力タンパク質は、マーカータンパク質であって良い。マーカータンパク質は、mRNAスイッチから発現されて、細胞内においてマーカーとして機能し、当該細胞を識別しうるタンパク質である。マーカータンパク質としては、一例としては、蛍光、発光、呈色、または蛍光、発光若しくは呈色を補助することなどにより、視覚化し、定量化することができるタンパク質であってよい。蛍光タンパク質としては、Sirius、EBFPなどの青色蛍光タンパク質;mTurquoise、TagCFP、AmCyan、mTFP1、MidoriishiCyan、CFPなどのシアン蛍光タンパク質;TurboGFP、AcGFP、TagGFP、Azami-Green (例えば、hmAG1)、ZsGreen、EmGFP、EGFP、GFP2、HyPer、などの緑色蛍光タンパク質;TagYFP、EYFP、Venus、YFP、PhiYFP、PhiYFP-m、TurboYFP、ZsYellow、mBananaなどの黄色蛍光タンパク質;KusabiraOrange (例えば、hmKO2)、mOrangeなどの橙色蛍光タンパク質;TurboRFP、DsRed-Express、DsRed2、TagRFP、DsRed-Monomer、AsRed2、mStrawberryなどの赤色蛍光タンパク質;TurboFP602、mRFP1、JRed、KillerRed、mCherry、HcRed、KeimaRed(例えば、hdKeimaRed)、mRasberry、mPlumなどの近赤外蛍光タンパク質が挙げられるが、これらには限定されない。In another embodiment, the output protein may be a marker protein. The marker protein is a protein that is expressed from the mRNA switch and functions as a marker in a cell to identify the cell. The marker protein may be, for example, a protein that can be visualized and quantified by fluorescence, luminescence, color, or by assisting fluorescence, luminescence, or color. Examples of the fluorescent protein include blue fluorescent proteins such as Sirius and EBFP; cyan fluorescent proteins such as mTurquoise, TagCFP, AmCyan, mTFP1, MidoriishiCyan, and CFP; green fluorescent proteins such as TurboGFP, AcGFP, TagGFP, Azami-Green (e.g., hmAG1), ZsGreen, EmGFP, EGFP, GFP2, and HyPer; yellow fluorescent proteins such as TagYFP, EYFP, Venus, YFP, PhiYFP, PhiYFP-m, TurboYFP, ZsYellow, and mBanana; and KusabiraOrange. (e.g., hmKO2), mOrange, and other orange fluorescent proteins; TurboRFP, DsRed-Express, DsRed2, TagRFP, DsRed-Monomer, AsRed2, mStrawberry, and other red fluorescent proteins; TurboFP602, mRFP1, JRed, KillerRed, mCherry, HcRed, KeimaRed (e.g., hdKeimaRed), mRasberry, mPlum, and other near-infrared fluorescent proteins, but are not limited to these.

発光タンパク質としては、イクオリンを例示することができるが、これに限定されない。また、蛍光、発光若しくは呈色を補助するタンパク質として、ルシフェラーゼ、ホスファターゼ、ペルオキシダーゼ、βラクタマーゼなどの蛍光、発光若しくは呈色前駆物質を分解する酵素を例示することができるが、これらには限定されない。ここで本発明において、蛍光、発光若しくは呈色を補助するタンパク質を出力タンパク質とする場合、対応する前駆物質をmRNAスイッチが導入される細胞に接触させること、当該細胞内に対応する前駆物質を導入することによって、蛍光、発光若しくは呈色を観察可能とすることができる。 An example of a luminescent protein is aequorin, but is not limited to this. In addition, an example of a protein that assists fluorescence, luminescence, or color development is an enzyme that decomposes a fluorescent, luminescent, or color precursor, such as luciferase, phosphatase, peroxidase, or β-lactamase, but is not limited to these. Here, in the present invention, when a protein that assists fluorescence, luminescence, or color development is used as an output protein, the fluorescence, luminescence, or color development can be observed by contacting the corresponding precursor with a cell into which an mRNA switch is introduced and introducing the corresponding precursor into the cell.

また、マーカータンパク質の別の例としては、細胞の機能に直接影響を与えるタンパク質類が挙げられる。細胞増殖タンパク質、細胞死滅タンパク質、細胞シグナル因子、薬剤耐性遺伝子、転写制御因子、翻訳制御因子、分化制御因子、リプログラミング誘導因子、RNA結合タンパク質因子、クロマチン制御因子、膜タンパク質を例示することができるが、これらには限定されない。例えば、細胞増殖タンパク質は、それを発現した細胞のみを増殖させ、増殖した細胞を特定することでマーカーとして機能する。細胞死滅タンパク質は、それを発現した細胞の細胞死を引き起こすことで、細胞自体を死滅させ、細胞の生死を示すマーカーとして機能する。細胞シグナル因子は、それを発現した細胞が、特定の生物学的信号を発し、この信号を特定することでマーカーとして機能する。細胞死滅タンパク質として、例えば、BaxまたはBimが例示される。翻訳制御因子は、一例としては、特定のRNAの3次構造を認識して結合することで他のmRNAからのタンパク質への翻訳を制御することでマーカーとして機能する。翻訳制御因子として、5R1、5R2(Nat Struct Biol. 1998 jul; 5(7):543-6)、B2(Nat Struct Mol Biol. 2005 Nov;12(11):952-7)、Fox-1(EMBO J. 2006 Jan 11;25(1):163-73.)、GLD-1(J Mol Biol. 2005 Feb 11;346(1):91-104.)、Hfq(EMBO J. 2004 Jan 28;23(2):396-405)、HuD(Nat Struct Biol. 2001 Feb;8(2):141-5.)、SRP19(RNA. 2005 Jul;11(7):1043-50)、L1(Nat Struct Biol. 2003 Feb;10(2):104-8.)、L11(Nat Struct Biol. 2000 Oct;7(10):834-7.)、L18(Biochem J. 2002 Mar 15;362(Pt 3):553-60)、L20(J Biol Chem. 2003 Sep 19;278(38):36522-30.)、L23(J Biomol NMR. 2003 Jun;26(2):131-7)、L25(EMBO J. 1999 Nov 15;18(22):6508-21.)、L30(Nat Struct Biol. 1999 Dec;6(12):1081-3.)、LicT(EMBO J. 2002 Apr 15;21(8):1987-97.)、MS2 coat(FEBS J. 2006 Apr;273(7):1463-75.)、Nova-2(Cell. 2000 Feb 4;100(3):323-32)、Nucleocapsid(J Mol Biol. 2000 Aug 11;301(2):491-511.)、Nucleolin(EMBO J. 2000 Dec 15;19(24):6870-81.)、p19(Cell. 2003 Dec 26;115(7):799-811)、L7Ae(RNA. 2005 Aug;11(8):1192-200.)、PAZ(PiWi Argonaut and Zwille)(Nat Struct Biol. 2003 Dec;10(12):1026-32.)、RnaseIII(Cell. 2006 Jan 27;124(2):355-66)、RR1-38(Nat Struct Biol. 1998 Jul;5(7):543-6.)、S15(EMBO J. 2003 Apr 15;22(8):1898-908.)、S4(J Biol Chem. 1979 Mar 25;254(6):1775-7.)、S8(J Mol Biol. 2001 Aug 10;311(2):311-24.)、SacY(EMBO J. 1997 Aug 15;16(16):5019-29.)、SmpB(J Biochem (Tokyo). 2005 Dec;138(6):729-39)、snRNP U1A(Nat Struct Biol. 2000 Oct;7(10):834-7.)、SRP54(RNA. 2005 Jul;11(7):1043-50)、Tat(Nucleic Acids Res. 1996 Oct 15;24(20):3974-81.)、ThrRS(Nat Struct Biol. 2002 May;9(5):343-7.)、TIS11d(Nat Struct Mol Biol. 2004 Mar;11(3):257-64.)、Virp1(Nucleic Acids Res. 2003 Oct 1;31(19):5534-43.)、Vts1P(Nat Struct Mol Biol. 2006 Feb;13(2):177-8.)、およびλN(Cell. 1998 Apr 17;93(2):289-99.)が例示される。より好ましい翻訳制御因子は、MS2 coat protein、L7Aeである。Other examples of marker proteins include proteins that directly affect the function of cells. Examples include, but are not limited to, cell proliferation proteins, cell death proteins, cell signaling factors, drug resistance genes, transcriptional regulators, translational regulators, differentiation regulators, reprogramming inducers, RNA-binding protein factors, chromatin regulators, and membrane proteins. For example, cell proliferation proteins function as markers by proliferating only cells that express them and identifying the proliferated cells. Cell death proteins cause cell death in the cells that express them, killing the cells themselves and functioning as markers indicating the life or death of the cells. Cell signaling factors function as markers by identifying the signals that cells that express them emit specific biological signals. Examples of cell death proteins include Bax and Bim. For example, translational regulators function as markers by controlling the translation of other mRNAs into proteins by recognizing and binding to the tertiary structure of specific RNA. The translational regulatory factors 5R1, 5R2 (Nat Struct Biol. 1998 Jul; 5(7):543-6), B2 (Nat Struct Mol Biol. 2005 Nov;12(11):952-7), Fox-1 (EMBO J. 2006 Jan 11;25(1):163-73.), GLD-1 (J Mol Biol. 2005 Feb 11;346(1):91-104.), Hfq (EMBO J. 2004 Jan 28;23(2):396-405), HuD (Nat Struct Biol. 2001 Feb;8(2):141-5.), SRP19 (RNA. 2005 Jul;11(7):1043-50), L1 (Nat Struct Biol. 2003 Feb;10(2):104-8.), L11 (Nat Struct Biol. 2000 Oct;7(10):834-7.), L18 (Biochem J. 2002 Mar 15;362(Pt 3):553-60), L20 (J Biol Chem. 2003 Sep 19;278(38):36522-30.), L23 (J Biomol NMR. 2003 Jun;26(2):131-7), L25 (EMBO J. 1999 Nov 15;18(22):6508-21.), L30 (Nat Struct Biol. 1999 Dec;6(12):1081-3.), LicT(EMBO J. 2002 Apr 15;21(8):1987-97.), MS2 coat (FEBS J. 2006 Apr;273(7):1463-75.), Nova-2 (Cell. 2000 Feb 4;100(3):323-32), Nucleocapsid (J Mol Biol. 2000 Aug 11;301(2):491-511.), Nucleolin (EMBO J. 2000 Dec 15;19(24):6870-81.), p19 (Cell. 2003 Dec 26;115(7):799-811), L7Ae (RNA. 2005 Aug;11(8):1192-200.), PAZ (PiWi Argonaut and Zwille) (Nat Struct Biol. 2003 Dec;10(12):1026-32.), RnaseIII (Cell. 2006 Jan 27;124(2):355-66), RR1-38 (Nat Struct Biol. 1998 Jul;5(7):543-6.), S15 (EMBO J. 2003 Apr 15;22(8):1898-908.), S4 (J Biol Chem. 1979 Mar 25;254(6):1775-7.), S8 (J Mol Biol. 2001 Aug 10;311(2):311-24.), SacY (EMBO J. 1997 Aug 15;16(16):5019-29.), SmpB (J Biochem (Tokyo). 2005 Dec;138(6):729-39), snRNP U1A (Nat Struct Biol. 2000 Oct;7(10):834-7.), SRP54 (RNA. 2005 Jul;11(7):1043-50), Tat (Nucleic Acids Res. 1996 Oct 15;24(20):3974-81.), ThrRS (Nat Struct Biol. 2002 May;9(5):343-7.), TIS11d (Nat Struct Mol Biol. 2004 Mar;11(3):257-64.), Virp1 (Nucleic Acids Res. 2003 Oct 1;31(19):5534-43.), Vts1P (Nat Struct Mol Biol. 2006 Feb;13(2):177-8.), and λN (Cell. 1998 Apr 17;93(2):289-99.). More preferred translational regulatory factors are MS2 coat protein and L7Ae.

(ii)の核酸配列は、マーカータンパク質に加えて、局在化シグナルをコードしていてもよい。局在化シグナルとしては、核局在化シグナル、細胞膜局在化シグナル、ミトコンドリア局在化シグナル、タンパク質分泌シグナル等を挙げることができ、具体的には、古典的核移行配列(NLS)、M9配列、ミトコンドリア標的配列(MTS)、小胞体移行配列を挙げることができるが、これらには限定されない。このような局在化シグナルは、マーカータンパク質をイメージングサイトメトリー等で視覚化する場合に有利である。The nucleic acid sequence (ii) may encode a localization signal in addition to the marker protein. Examples of localization signals include nuclear localization signals, cell membrane localization signals, mitochondrial localization signals, and protein secretion signals, and specifically include, but are not limited to, classical nuclear localization sequences (NLS), M9 sequences, mitochondrial targeting sequences (MTS), and endoplasmic reticulum localization sequences. Such localization signals are advantageous when visualizing the marker protein by imaging cytometry, etc.

mRNAスイッチにおいて、(i)の核酸配列は(ii)の核酸配列の5’側または3’側に存在して、前記(i)及び(ii)が作動可能に連結されている。作動可能に連結された詳細な態様については、OFFスイッチmRNAと、ONスイッチmRNAのそれぞれについて、後述する。このような構造的特徴を備えたmRNAスイッチが細胞に導入された場合に、入力タンパク質が(i)の核酸配列を特異的に認識すると、(ii)の核酸配列の翻訳を制御することが可能となる。In an mRNA switch, the nucleic acid sequence of (i) is present on the 5' or 3' side of the nucleic acid sequence of (ii), and (i) and (ii) are operably linked. Detailed aspects of the operably linked structure will be described below for the OFF switch mRNA and the ON switch mRNA. When an mRNA switch with such structural features is introduced into a cell, it becomes possible to control the translation of the nucleic acid sequence of (ii) when the input protein specifically recognizes the nucleic acid sequence of (i).

OFFスイッチmRNAとして機能するmRNA分子のより具体的な構造を説明する。OFF mRNAスイッチは、mRNA分子の5’側から順に、5’-UTR、コーディング領域、3’-UTRが連結した構造であってよい。(i)の核酸配列が(ii)の核酸配列の5’側に存在する場合、5’-UTRは、5’側から順に、[Cap構造もしくはCapアナログ]、[(i)の核酸配列]が連結した構造であってよい。Cap構造は、7メチルグアノシン5’リン酸であってよい。CapアナログはCap構造と同様に翻訳開始因子であるeIF4Eによって認識される修飾構造であって、Ambion製のAnti-Reverse Cap Analog(ARCA)、New England Biolabs製の、m7G(5')ppp(5')G RNA Cap Structure Analog、TriLink製のCleanCapなどが挙げられるが、これらには限定されず、合成mRNAを自然免疫応答から回避するための任意の5'キャッピング構造であってよい。Cap構造もしくはCapアナログの3’側であって、(i)の核酸配列の5’側には、例えば0~50塩基程度、好ましくは0~30塩基程度の任意核酸配列が含まれていてもよい。(i)の核酸配列は、少なくとも1つ含まれていればよいが、2リピート、3リピート、4リピート、またはそれ以上の(i)の核酸配列の繰り返しが含まれていてもよい。(i)の核酸配列の3’側である5’-UTRの3’末端側には、例えば0~50塩基程度、好ましくは10~30塩基程度の任意核酸配列が含まれていてもよい。これらの任意核酸配列は、二次構造を形成せず、入力タンパク質や出力タンパク質と特異的に相互作用しない核酸配列であることが好ましい。5’-UTR内には、開始コドンとなるAUGが存在しないことが好ましい。例えば、(i)の核酸配列内にAUGを含む場合、配列最後に塩基を1つあるいは2つ付加することでフレームシフトを回避できる。または、前述AUGから3塩基単位で数えた(i)の核酸配列外に終止コドン配列を付加しても良い。または、AUGの塩基一つ以上をタンパク質との相互作用に影響しない限り任意の塩基に変換して使用することも可能である。コーディング領域は、(ii)の核酸配列を含む。3’-UTRは、ポリA tailを含み、Casタンパク質の結合配列(任意のCasタンパク質によって認識される配列)が挿入されていてもよい。(i)の核酸配列が(ii)の核酸配列の3’側に存在する場合、(i)の核酸配列は、ポリA tailの3'末端に配置しても、5'末端に配置しても、ポリA tail中に挿入してもよい。また、(i)の核酸配列は、(ii)の核酸配列の3’側と5’側の両方に存在する場合もありうる。A more specific structure of an mRNA molecule that functions as an OFF switch mRNA will be described. The OFF mRNA switch may be a structure in which, starting from the 5' side of an mRNA molecule, the 5'-UTR, the coding region, and the 3'-UTR are linked. When the nucleic acid sequence of (i) is present on the 5' side of the nucleic acid sequence of (ii), the 5'-UTR may be a structure in which, starting from the 5' side, [Cap structure or Cap analog] and [the nucleic acid sequence of (i)] are linked. The Cap structure may be 7-methylguanosine 5' phosphate. The Cap analog is a modified structure that is recognized by the translation initiation factor eIF4E, just like the Cap structure, and includes, but is not limited to, Anti-Reverse Cap Analog (ARCA) manufactured by Ambion, m7G(5')ppp(5')G RNA Cap Structure Analog manufactured by New England Biolabs, and CleanCap manufactured by TriLink, and may be any 5' capping structure for avoiding synthetic mRNA from innate immune responses. The 3' side of the Cap structure or Cap analog, and the 5' side of the nucleic acid sequence of (i), may contain an arbitrary nucleic acid sequence of, for example, about 0 to 50 bases, preferably about 0 to 30 bases. At least one nucleic acid sequence of (i) may be contained, but two, three, four or more repeats of the nucleic acid sequence of (i) may be contained. The 3' end side of the 5'-UTR, which is the 3' side of the nucleic acid sequence of (i), may contain an arbitrary nucleic acid sequence of, for example, about 0 to 50 bases, preferably about 10 to 30 bases. These arbitrary nucleic acid sequences are preferably nucleic acid sequences that do not form secondary structures and do not specifically interact with input proteins or output proteins. It is preferable that the 5'-UTR does not have an AUG as a start codon. For example, when the nucleic acid sequence of (i) contains an AUG, frameshift can be avoided by adding one or two bases to the end of the sequence. Alternatively, a stop codon sequence may be added outside the nucleic acid sequence of (i) counted in 3-base units from the AUG. Alternatively, one or more bases of AUG may be converted to any base as long as it does not affect the interaction with the protein. The coding region includes the nucleic acid sequence of (ii). The 3'-UTR may include a polyA tail and may have a binding sequence for a Cas protein (a sequence recognized by any Cas protein) inserted therein. When the nucleic acid sequence of (i) is present on the 3' side of the nucleic acid sequence of (ii), the nucleic acid sequence of (i) may be located at the 3' end or 5' end of the polyA tail, or may be inserted into the polyA tail. The nucleic acid sequence of (i) may also be present on both the 3' and 5' sides of the nucleic acid sequence of (ii).

OFFスイッチmRNAは、通常のウリジン、シチジンに替えて、細胞毒性を低減させるためシュードウリジン、5-メチルシチジンなどの修飾塩基を含んでいてもよいが、好ましくは未修飾の塩基がよい。修飾塩基の位置は、ウリジン、シチジンいずれの場合も、独立に、全てあるいは一部とすることができ、一部である場合には、任意の割合でランダムな位置とすることができる。The OFF switch mRNA may contain modified bases such as pseudouridine and 5-methylcytidine instead of the usual uridine and cytidine to reduce cytotoxicity, but unmodified bases are preferable. The positions of the modified bases can be all or part of the bases, independently, for both uridine and cytidine, and if they are part of the bases, they can be at random positions in any proportion.

次に、ONスイッチmRNAとして機能するmRNA分子のより具体的な構造を説明する。ONスイッチmRNAもまた、mRNA分子の5’側から順に、5’-UTR、コーディング領域、3’-UTRが連結した構造であってよい。ONスイッチmRNAの5’-UTRは、5’側から順に、[Cap構造もしくはCapアナログ]、[(i)の核酸配列]、[RNAインバーター配列]が連結した構造である。Next, a more specific structure of an mRNA molecule that functions as an ON switch mRNA will be described. An ON switch mRNA may also have a structure in which, from the 5' end of the mRNA molecule, the 5'-UTR, the coding region, and the 3'-UTR are linked. The 5'-UTR of an ON switch mRNA has a structure in which, from the 5' end, [Cap structure or Cap analog], [the nucleic acid sequence of (i)], and [the RNA inverter sequence] are linked.

RNAインバーター配列は、開始コドン(コーディング領域)の5’側であって、(i)の核酸配列の3’側に設置されて、翻訳抑制を逆転させ、入力タンパク質の存在下でのみmRNAからの出力タンパク質の翻訳が行われるように制御することができる配列である。RNAインバーター配列は、ONスイッチカセットとも指称され、引用することにより本明細書の一部をなすものとする国際公開第2014/014122号に詳述されている。RNAインバーター配列は、具体的には、5’側から順に、変異オープンリーディングフレーム(ベイトORF)、イントロン、およびIRES(internal ribosome entry site)を含む配列からなる。ここで、ベイトORFとは、ナンセンス変異依存mRNA分解機構(NMD)によりRNA分解を行わせるため、任意の遺伝子をコードする配列のうち、イントロンと結合する3’末端から320塩基以上離れて終止コドンを有する変異ORFである。本発明において、ベイトORFは、任意のコード遺伝子であってよい。ベイトORFとしては、特に限定されないが、Renilla luciferaseの5’側から457番目、466番目の塩基に終止コドンを挿入した配列(配列番号64もしくは配列番号65)、またはEGFPの5’側から172番目の塩基に終止コドンを挿入した配列(配列番号66)が例示される。また、イントロンとはスプライソソームが結合する配列を有していればよく、例えば、5’末端側にGT配列および3’末端側にAG配列を有した20塩基以上の配列が挙げられる。好ましくは、ヒトβグロビンイントロン(配列番号67)またはキメライントロン(配列番号68)である。ベイトORF、イントロンの配列例を以下の表2に示す。The RNA inverter sequence is a sequence that is located on the 5' side of the start codon (coding region) and on the 3' side of the nucleic acid sequence of (i) to reverse translational repression and control translation of an output protein from an mRNA only in the presence of an input protein. The RNA inverter sequence is also referred to as an ON switch cassette and is described in detail in International Publication No. 2014/014122, which is incorporated herein by reference. Specifically, the RNA inverter sequence is composed of a sequence including, from the 5' side, a mutant open reading frame (bait ORF), an intron, and an IRES (internal ribosome entry site). Here, the bait ORF is a mutant ORF that has a stop codon 320 bases or more away from the 3' end that binds to the intron, among sequences that code for any gene, in order to cause RNA degradation by nonsense-mediated mRNA decay (NMD). In the present invention, the bait ORF may be any coding gene. Examples of bait ORF include, but are not limited to, a sequence in which a stop codon is inserted at the 457th and 466th bases from the 5' side of Renilla luciferase (SEQ ID NO: 64 or SEQ ID NO: 65), or a sequence in which a stop codon is inserted at the 172nd base from the 5' side of EGFP (SEQ ID NO: 66). Introns may have a sequence to which spliceosomes bind, and examples include sequences of 20 or more bases having a GT sequence at the 5' end and an AG sequence at the 3' end. Preferably, it is a human β-globin intron (SEQ ID NO: 67) or a chimeric intron (SEQ ID NO: 68). Examples of bait ORF and intron sequences are shown in Table 2 below.

Figure 0007630835000004
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ONスイッチmRNAにおいても、OFFスイッチmRNAと同様に、5’-UTRの設計において、Cap構造もしくはCapアナログの3’側であって、(i)の核酸配列の5’側に任意核酸配列が含まれていてもよい。(i)の核酸配列の3’側であってRNAインバーター配列の5’側、並びにRNAインバーター配列の3’側である5’-UTRの3’末端側にも、例えば0~50塩基程度、好ましくは10~30塩基程度の任意核酸配列が含まれていてもよい。また、配列内にAUGを含む場合の設計、コーディング領域、3'-UTRの構成、並びに修飾塩基を含める態様についても、OFFスイッチmRNAと同じであってよい。In the ON switch mRNA, as in the OFF switch mRNA, an arbitrary nucleic acid sequence may be included in the 5'-UTR design on the 3' side of the Cap structure or Cap analog, and on the 5' side of the nucleic acid sequence of (i). An arbitrary nucleic acid sequence of, for example, about 0 to 50 bases, preferably about 10 to 30 bases, may also be included on the 3' side of the nucleic acid sequence of (i), which is the 5' side of the RNA inverter sequence, and on the 3' end side of the 5'-UTR, which is the 3' side of the RNA inverter sequence. In addition, the design when AUG is included in the sequence, the coding region, the configuration of the 3'-UTR, and the mode of including modified bases may also be the same as in the OFF switch mRNA.

[2.mRNAスイッチの使用方法]
次にこのmRNAスイッチの使用方法並びに作用について説明する。mRNAスイッチは細胞に導入する態様で使用することができ、当該細胞における入力タンパク質の存在の有無並びに存在量に依存して翻訳が制御される。
2. How to use the mRNA switch
Next, the method of using and the action of this mRNA switch will be described. The mRNA switch can be used in a manner that it is introduced into a cell, and translation is controlled depending on the presence or absence and the amount of an input protein in the cell.

ここで、「細胞」とは、特に限定されるものではなく任意の細胞であってよい。例えば、多細胞生物種から採取した細胞であってもよく、さらに人為的な操作を加えた細胞(細胞株を含む)であってもよい。好ましくは、哺乳動物(例えば、ヒト、マウス、サル、ブタ、ラット等)に由来する細胞であり、最も好ましくはヒトに由来する細胞である。細胞の分化の程度や細胞を採取する動物の齢などに特に制限はなく、(A)幹細胞、(B)前駆細胞、(C)最終分化した体細胞、(D)そのほかの細胞のいずれであってもよい。Here, the term "cell" is not particularly limited and may be any cell. For example, it may be a cell collected from a multicellular organism, or may be a cell (including a cell line) that has been artificially manipulated. Preferably, the cell is derived from a mammal (e.g., human, mouse, monkey, pig, rat, etc.), and most preferably, the cell is derived from a human. There is no particular limit to the degree of differentiation of the cell or the age of the animal from which the cell is collected, and the cell may be any of (A) stem cells, (B) progenitor cells, (C) terminally differentiated somatic cells, or (D) other cells.

(A)幹細胞の例としては、以下のものに限定されないが、胚性幹(ES)細胞、核移植により得られるクローン胚由来の胚性幹(ntES)細胞、精子幹細胞(「GS細胞」)、胚性生殖細胞(「EG細胞」)、人工多能性幹(iPS)細胞などが挙げられる。このうち、ES細胞、およびiPS細胞が好ましく、特に好ましくはiPS細胞である。(A) Examples of stem cells include, but are not limited to, embryonic stem (ES) cells, embryonic stem cells derived from cloned embryos obtained by nuclear transfer (ntES) cells, spermatogonial stem cells ("GS cells"), embryonic germ cells ("EG cells"), induced pluripotent stem (iPS) cells, etc. Of these, ES cells and iPS cells are preferred, and iPS cells are particularly preferred.

(B)前駆細胞としては、たとえば神経幹細胞、造血幹細胞、間葉系幹細胞、歯髄幹細胞等の組織幹細胞(体性幹細胞)が挙げられる。(B) Examples of precursor cells include tissue stem cells (somatic stem cells) such as neural stem cells, hematopoietic stem cells, mesenchymal stem cells, and dental pulp stem cells.

(C)体細胞としては、例えば、角質化する上皮細胞(例、角質化表皮細胞)、粘膜上皮細胞(例、舌表層の上皮細胞)、外分泌腺上皮細胞(例、乳腺細胞)、ホルモン分泌細胞(例、副腎髄質細胞)、代謝・貯蔵用の細胞(例、肝細胞)、境界面を構成する内腔上皮細胞(例、I型肺胞細胞)、内鎖管の内腔上皮細胞(例、血管内皮細胞)、運搬能をもつ繊毛のある細胞(例、気道上皮細胞)、細胞外マトリックス分泌用細胞(例、線維芽細胞)、収縮性細胞(例、平滑筋細胞)、血液と免疫系の細胞(例、Tリンパ球)、感覚に関する細胞(例、桿細胞)、中枢・抹消神経系の神経細胞とグリア細胞(例、星状グリア細胞)、色素細胞(例、網膜色素上皮細胞)、およびそれらの前駆細胞(組織前駆細胞)等が挙げられる。(C) Examples of somatic cells include keratinizing epithelial cells (e.g., keratinizing epidermal cells), mucosal epithelial cells (e.g., epithelial cells of the tongue surface), exocrine gland epithelial cells (e.g., mammary gland cells), hormone-secreting cells (e.g., adrenal medullary cells), metabolic and storage cells (e.g., hepatic cells), luminal epithelial cells that form the interface (e.g., type I alveolar cells), luminal epithelial cells of the inner duct (e.g., vascular endothelial cells), ciliated cells with transport function (e.g., airway epithelial cells), cells that secrete extracellular matrix (e.g., fibroblasts), contractile cells (e.g., smooth muscle cells), cells of the blood and immune system (e.g., T lymphocytes), cells related to the senses (e.g., rod cells), neurons and glial cells of the central and peripheral nervous systems (e.g., astrocytes), pigment cells (e.g., retinal pigment epithelial cells), and their precursor cells (tissue precursor cells).

(D)そのほかの細胞としては、例えば、分化誘導を経た細胞が挙げられ、多能性幹細胞から分化誘導した前駆細胞および体細胞も含まれる。また、体細胞または前駆細胞から未分化な状態を経ることなく直接所望の細胞に分化した、いわゆる「ダイレクトコンバージョン(direct reprogramming、trans-differentiationともいう)」により誘導された細胞群であってもよい。その他には、がん細胞と正常細胞を含み得る細胞群など、遺伝子の編集が所望される細胞と、遺伝子の編集が所望されない細胞を含み得る細胞群であってもよい。(D) Examples of other cells include cells that have undergone differentiation induction, including precursor cells and somatic cells induced to differentiate from pluripotent stem cells. The cells may also be cell groups induced by so-called "direct conversion" (also called "direct reprogramming" or "trans-differentiation"), in which somatic cells or precursor cells are directly differentiated into desired cells without going through an undifferentiated state. In addition, the cells may be cell groups that may include cells for which gene editing is desired and cells for which gene editing is not desired, such as cell groups that may include cancer cells and normal cells.

mRNAスイッチの細胞への導入は、mRNAスイッチが合成RNA分子(多くの場合、合成mRNA分子)あるいは、自己複製型RNAである場合、例えば、リポフェクション法、リポソーム法、エレクトロポレーション法、リン酸カルシウム共沈殿法、DEAEデキストラン法、マイクロインジェクション法、遺伝子銃法などの導入法を用いて、RNA分子を直接、細胞に導入することができる。合成RNA分子の導入による利点は、ゲノムへの組み込みがなく、mRNAスイッチを導入した後の細胞を医療応用などに使用しやすいことが挙げられる。 When the mRNA switch is a synthetic RNA molecule (often a synthetic mRNA molecule) or a self-replicating RNA, the RNA molecule can be directly introduced into cells using an introduction method such as lipofection, liposome, electroporation, calcium phosphate co-precipitation, DEAE-dextran, microinjection, or gene gun. The advantage of introducing synthetic RNA molecules is that they are not integrated into the genome, making it easier to use cells after introducing the mRNA switch for medical applications.

mRNAスイッチの細胞への導入には、発現ベクター等のDNA構築物を用いることもできる。この場合、mRNAスイッチをコードする発現ベクターを設計し、上記と同様の導入法にて、発現ベクターを直接、細胞に導入することができる。mRNAスイッチの配列をコードする発現ベクターは、当該分野において周知慣用のものを用いることができ、例えば、ウイルスベクター、人工染色体ベクター、プラスミドベクター、トランスポゾンを用いた発現システム(トランスポゾンベクターと呼ばれる場合がある)等が挙げられる。ウイルスベクターとしては、レトロウイルスベクター、レンチウイルスベクター、アデノウイルスベクター、アデノ随伴ウイルスベクター、センダイウイルスベクター等が例示される。人工染色体ベクターとしては、例えばヒト人工染色体(HAC)、酵母人工染色体(YAC)、細菌人工染色体(BAC、PAC)等が挙げられる。プラスミドベクターとしては、哺乳動物用プラスミド全般を使用することができ、例えば、エピソーマルベクターであってもよい。トランスポゾンベクターとしては、piggyBacトランスポゾンを用いた発現ベクター等が例示される。例えば、本発明者らによる米国特許であって、引用することにより本明細書の一部をなすものとする米国特許第10,378,070号に開示されたベクターを用いることができるが、それらには限定されない。mRNAスイッチをコードする発現ベクターを細胞に導入することで、発現ベクターから転写され、細胞内で生成したmRNAスイッチを、直接導入した合成mRNA分子と同様に機能させることができる。発現ベクターの導入による利点は、細胞内でmRNAスイッチを持続的に機能させることができることが挙げられ、例えば、CAR-Tのような人工細胞への利用が可能となることが挙げられる。また、DNA構築物に誘導型プロモーターを組み込むことで、所望の時期にmRNAスイッチを発現誘導し、あるいは発現誘導を停止することができる。さらに、発現ベクターの導入後クローニングを行うことにより、mRNAスイッチの発現量がほぼ揃った細胞集団が得られるという利点もある。A DNA construct such as an expression vector can be used to introduce the mRNA switch into a cell. In this case, an expression vector encoding the mRNA switch is designed, and the expression vector can be directly introduced into a cell by the same introduction method as described above. The expression vector encoding the sequence of the mRNA switch can be one well known and commonly used in the art, and examples of such vectors include a viral vector, an artificial chromosome vector, a plasmid vector, and an expression system using a transposon (sometimes called a transposon vector). Examples of viral vectors include a retroviral vector, a lentiviral vector, an adenoviral vector, an adeno-associated viral vector, and a Sendai viral vector. Examples of artificial chromosome vectors include a human artificial chromosome (HAC), a yeast artificial chromosome (YAC), and a bacterial artificial chromosome (BAC, PAC). Examples of plasmid vectors include mammalian plasmids in general, and may be, for example, an episomal vector. Examples of transposon vectors include an expression vector using a piggyBac transposon. For example, vectors disclosed in U.S. Patent No. 10,378,070, a U.S. patent by the present inventors and incorporated herein by reference, may be used, but are not limited thereto. By introducing an expression vector encoding an mRNA switch into a cell, the mRNA switch transcribed from the expression vector and generated in the cell can function in the same manner as a directly introduced synthetic mRNA molecule. The advantage of introducing an expression vector is that the mRNA switch can be made to function continuously in the cell, and for example, it can be used in artificial cells such as CAR-T. In addition, by incorporating an inducible promoter into the DNA construct, it is possible to induce the expression of the mRNA switch at a desired time or to stop the expression induction. In addition, by performing cloning after the introduction of the expression vector, a cell population with an almost uniform expression level of the mRNA switch can be obtained.

さらに、DNA構築物は、mRNAスイッチをコードする核酸配列と、当該mRNAスイッチをコードする核酸配列の上流側に設けられる転写制御配列とを含むベクターであってもよい。このようなベクターを本明細書において、転写制御スイッチベクターと指称する。転写制御配列を設けることにより、当該ベクターの転写活性の制御、特には転写の活性化が可能となり、ベクターがコードするmRNAスイッチの発現を制御することが可能となる。転写制御配列は、転写制御タンパク質により特異的に認識される配列である。また、転写制御タンパク質は、DNA結合部位と、転写制御部位とを有するタンパク質、融合タンパク質、またはこれらを含むタンパク質複合体である。転写制御タンパク質を構成するDNA結合部位は、タンパク質自身が直接転写制御配列を認識するために必要な部位、またはDNAやRNAなどを介して転写制御配列を認識するために必要な部位であり、転写制御スイッチベクターを特異的に認識する部位である。また、転写制御部位は、転写促進活性や転写抑制活性を有するタンパク質、またはその改変体である。このような転写制御タンパク質としては、例えば、Casタンパク質またはその改変体とこれに対応するcrRNAもしくはsgRNA配列またはそれらの改変体との複合体が挙げられる。あるいは、転写制御タンパク質は、TALENであってもよいが、これらには限定されない。また転写制御の作用機序は、例えば、DNAのメチル化もしくは脱メチル化、ヒストンのアセチル化もしくは脱アセチル化を直接DNAやクロマチンに施す方法でも、DNAを切断する方法でも、これらの作用を持つ因子を間接的に転写制御配列に集積させる方法であってもよいが、これらには限定されない。転写制御タンパク質がCasタンパク質またはその改変体を含む複合体である場合、複合体を構成するCasタンパク質またはその改変体は、転写制御スイッチベクターがコードするmRNAスイッチの入力タンパク質と同一であっても異なっていてもよい。また、この場合、転写制御タンパク質は、先に挙げた転写活性化因子であるVP16やVP64、VP64-p65-Rta(VPR)に融合した不活性化型Casタンパク質を含む複合体であってよい。あるいは転写抑制因子であるKruppel associated boxドメイン(KRAB) に融合した不活性化型Casタンパク質を含む複合体であってよい。転写制御タンパク質としては、具体的には、dCas9-VP64、dCas9-VPR、dCas9-SunTag、dCas9-VP16、dCas9-VP160、dCas9-P300、dCas9-KRABを含む複合体を用いることができるが、これらには限定されない。 Furthermore, the DNA construct may be a vector containing a nucleic acid sequence encoding an mRNA switch and a transcription control sequence provided upstream of the nucleic acid sequence encoding the mRNA switch. Such a vector is referred to as a transcription control switch vector in this specification. By providing a transcription control sequence, it becomes possible to control the transcription activity of the vector, particularly to activate transcription, and to control the expression of the mRNA switch encoded by the vector. The transcription control sequence is a sequence that is specifically recognized by a transcription control protein. In addition, the transcription control protein is a protein, a fusion protein, or a protein complex containing these, having a DNA binding site and a transcription control site. The DNA binding site constituting the transcription control protein is a site necessary for the protein itself to directly recognize the transcription control sequence, or a site necessary for recognizing the transcription control sequence via DNA, RNA, etc., and is a site that specifically recognizes the transcription control switch vector. In addition, the transcription control site is a protein having a transcription promoting activity or a transcription repressing activity, or a modified form thereof. Examples of such transcription control proteins include a complex of a Cas protein or a modified form thereof and a corresponding crRNA or sgRNA sequence or a modified form thereof. Alternatively, the transcriptional control protein may be, but is not limited to, TALEN. The mechanism of action of transcriptional control may be, for example, a method of directly methylating or demethylating DNA, acetylating or deacetylating histones on DNA or chromatin, a method of cleaving DNA, or a method of indirectly accumulating a factor having these actions in a transcriptional control sequence, but is not limited to these. When the transcriptional control protein is a complex containing a Cas protein or a variant thereof, the Cas protein or a variant thereof constituting the complex may be the same as or different from the input protein of the mRNA switch encoded by the transcriptional control switch vector. In this case, the transcriptional control protein may be a complex containing an inactivated Cas protein fused to the transcriptional activator VP16, VP64, or VP64-p65-Rta (VPR) mentioned above. Alternatively, it may be a complex containing an inactivated Cas protein fused to the transcriptional repressor Kruppel associated box domain (KRAB). Specific examples of transcriptional regulatory proteins that can be used include complexes containing dCas9-VP64, dCas9-VPR, dCas9-SunTag, dCas9-VP16, dCas9-VP160, dCas9-P300, and dCas9-KRAB, but are not limited to these.

転写制御スイッチベクターは、所望のmRNAスイッチに加え、当該転写制御スイッチベクターまたは他の転写制御スイッチベクター、mRNAスイッチの制御に使用可能なインプットRNAをコードする核酸配列を含んでいてもよい。インプットRNAは転写制御または翻訳制御に用いられる低分子RNAであってよい。例えば、転写制御タンパク質がCasタンパク質またはその改変体を含む複合体である場合、インプットRNAは、複合体を構成するcrRNAもしくはsgRNA配列またはそれらの改変体であってよい。インプットRNAは、当該転写制御スイッチベクターの転写制御配列を特異的に認識するcrRNAもしくはsgRNA配列またはそれらの改変体であってよい。あるいは、インプットRNAは、当該転写制御スイッチベクターとは異なる転写制御スイッチベクターの転写制御配列を特異的に認識するcrRNAもしくはsgRNA配列またはそれらの改変体であってもよい。転写制御スイッチベクターがインプットRNAをコードする核酸配列を含む場合は、mRNAスイッチをコードする核酸配列の3’に、mRNAスイッチを安定化する核酸配列を備えることが好ましい。mRNAスイッチを安定化する核酸配列は、MALAT1 triplex等であってよいが、特定の配列には限定されない。そして、mRNAスイッチを安定化する核酸配列の3’側にインプットRNAをコードする核酸配列を含むことが好ましい。インプットRNAをコードする核酸配列の5’および3’側には、自己切断リボザイムをコードする核酸配列をさらに含むことが好ましい。The transcription control switch vector may contain, in addition to the desired mRNA switch, a nucleic acid sequence encoding an input RNA that can be used to control the transcription control switch vector, other transcription control switch vectors, or mRNA switch. The input RNA may be a small RNA used for transcription control or translation control. For example, when the transcription control protein is a complex containing a Cas protein or a variant thereof, the input RNA may be a crRNA or sgRNA sequence constituting the complex, or a variant thereof. The input RNA may be a crRNA or sgRNA sequence that specifically recognizes the transcription control sequence of the transcription control switch vector, or a variant thereof. Alternatively, the input RNA may be a crRNA or sgRNA sequence that specifically recognizes the transcription control sequence of a transcription control switch vector different from the transcription control switch vector, or a variant thereof. When the transcription control switch vector contains a nucleic acid sequence encoding an input RNA, it is preferable to provide a nucleic acid sequence that stabilizes the mRNA switch at the 3' of the nucleic acid sequence encoding the mRNA switch. The nucleic acid sequence that stabilizes the mRNA switch may be MALAT1 triplex, etc., but is not limited to a specific sequence. It is preferable that the nucleic acid sequence that stabilizes the mRNA switch contains a nucleic acid sequence encoding an input RNA on the 3' side. It is preferable that the nucleic acid sequence encoding the input RNA further contains a nucleic acid sequence encoding a self-cleaving ribozyme on the 5' and 3' sides.

本発明に係るmRNAスイッチは、mRNA分子の形態で、あるいはベクターの形態で入力タンパク質と組み合わせて用いることができ、種々の使用態様による翻訳制御が可能である。また、当該mRNAスイッチをコードする核酸配列を含むベクターは、転写制御スイッチベクターとすることで、転写制御タンパク質と組み合わせて用いることができ、転写制御と翻訳制御を同時に行うこともできる。以下、各態様について、これを実現するmRNAスイッチ、mRNAスイッチセット、これらを含むタンパク質の発現制御キットについて説明する。The mRNA switch according to the present invention can be used in the form of an mRNA molecule or in the form of a vector in combination with an input protein, allowing translational control in a variety of usage modes. Furthermore, a vector containing a nucleic acid sequence encoding the mRNA switch can be used in combination with a transcriptional control protein as a transcriptional control switch vector, allowing transcriptional control and translational control to be performed simultaneously. Below, we will explain the mRNA switch, mRNA switch set, and protein expression control kit containing these that realize this for each mode.

[A.入力タンパク質によるmRNAスイッチの翻訳制御]
入力タンパク質とmRNAスイッチとの組み合わせによる入出力システムからなる翻訳制御システムについて説明する。なお、mRNAスイッチの翻訳制御は、出力タンパク質の発現制御システムと言い換えることができる。本態様による入力タンパク質は、上記において説明した任意の入力タンパク質であってよい。また、mRNAスイッチは、当該入力タンパク質により特異的に認識されるアプタマー配列を備え、任意の出力タンパク質をコードするものであればよく、ONスイッチmRNAでもよく、OFFスイッチmRNAでもよい。
[A. Translational control of mRNA switches by input proteins]
A translation control system consisting of an input/output system that combines an input protein and an mRNA switch will be described. The translation control of the mRNA switch can be rephrased as an expression control system of an output protein. The input protein according to this embodiment may be any of the input proteins described above. The mRNA switch may be an ON switch mRNA or an OFF switch mRNA as long as it has an aptamer sequence that is specifically recognized by the input protein and codes for any output protein.

態様Aの翻訳制御システムにおいては、入力タンパク質は、タンパク質の状態でそのまま細胞に導入することもでき、入力タンパク質をコードするmRNA、または当該mRNAをコードするベクターの形態で細胞に導入することができる。入力タンパク質をコードするmRNAをトリガーmRNA、これをコードするプラスミドベクターをトリガープラスミドともいう。また、mRNAスイッチは、mRNA分子もしくは当該mRNAをコードするベクターの形態で細胞に導入することができる。mRNAスイッチを構成するmRNA分子をスイッチmRNA、mRNAスイッチをコードするベクターをスイッチベクターともいう。スイッチベクターがプラスミドベクターの場合、スイッチプラスミドともいう。 In the translational control system of aspect A, the input protein can be introduced into the cell as it is, or in the form of mRNA encoding the input protein, or a vector encoding the mRNA. The mRNA encoding the input protein is also called trigger mRNA, and the plasmid vector encoding this is also called trigger plasmid. The mRNA switch can be introduced into the cell in the form of an mRNA molecule or a vector encoding the mRNA. The mRNA molecule constituting the mRNA switch is also called switch mRNA, and the vector encoding the mRNA switch is also called switch vector. When the switch vector is a plasmid vector, it is also called switch plasmid.

態様Aの翻訳制御システムを実施するためのタンパク質の発現制御キットは、入力タンパク質、トリガーmRNA、トリガープラスミドからなる群から選択される少なくとも1つの成分と、mRNAスイッチまたはスイッチベクターからなる群から選択される少なくとも1つの成分とを含んでよい。A protein expression control kit for implementing the translation control system of aspect A may include at least one component selected from the group consisting of an input protein, a trigger mRNA, and a trigger plasmid, and at least one component selected from the group consisting of an mRNA switch or a switch vector.

態様AによるmRNAスイッチの翻訳制御方法はまた、出力タンパク質の発現制御方法ということができ、mRNAスイッチまたはスイッチベクターを、所望の細胞に導入する工程を含む。以下、mRNAスイッチの導入工程と指称する。また、入力タンパク質、トリガーmRNA、トリガープラスミドを当該細胞に導入する工程を含む。以下、入力工程とも指称する。導入工程と、入力工程は、同時に、あるいは任意の時間差で実施することができる。このような入力工程により、mRNAスイッチまたはスイッチベクターによる翻訳状態を切り換えることができ、所望の出力タンパク質が発現される状態(出力有)、あるいはmRNAスイッチまたはスイッチベクターが翻訳抑制され、出力タンパク質が発現されない状態(出力無)とすることができる。特には、ONスイッチmRNAでは、入力工程によりmRNAスイッチの翻訳が行われ、出力タンパク質が発現する状態(出力有)に、OFFスイッチmRNAでは、入力工程によりmRNAスイッチの翻訳が抑制され、出力タンパク質が発現されない状態(出力無)にすることができる。The translation control method of the mRNA switch according to aspect A can also be called a method for controlling the expression of an output protein, and includes a step of introducing an mRNA switch or a switch vector into a desired cell. Hereinafter, this is referred to as an mRNA switch introduction step. It also includes a step of introducing an input protein, a trigger mRNA, and a trigger plasmid into the cell. Hereinafter, this is also referred to as an input step. The introduction step and the input step can be performed simultaneously or with any time difference. By such an input step, the translation state by the mRNA switch or the switch vector can be switched to a state in which the desired output protein is expressed (with output), or a state in which the translation of the mRNA switch or the switch vector is suppressed and the output protein is not expressed (without output). In particular, in the case of an ON switch mRNA, the input step causes the translation of the mRNA switch to be performed to a state in which the output protein is expressed (with output), and in the case of an OFF switch mRNA, the input step causes the translation of the mRNA switch to be suppressed to a state in which the output protein is not expressed (without output).

入力タンパク質とmRNAスイッチの組み合わせを2組以上用いることにより、2以上のmRNAスイッチの翻訳、すなわち2以上の出力タンパク質の発現を独立に制御するシステムも実現できる。この場合、第1の入力タンパク質、トリガーmRNAまたはトリガープラスミドと、第1のmRNAスイッチまたはスイッチベクターとの組み合わせによる第1の入出力システム、第2の入力タンパク質、トリガーmRNAまたはトリガープラスミドと、第2のmRNAスイッチの組み合わせによるによる第2の入出力システム用いる。第1のmRNAスイッチは、第1の入力タンパク質により特異的に認識されるアプタマー配列を備え、第1の出力タンパク質をコードする。第2のmRNAスイッチは、第2の入力タンパク質により特異的に認識されるアプタマー配列を備え、第1の出力タンパク質をコードする。第1の入力タンパク質に含まれるCasタンパク質と、第2の入力タンパク質に含まれるCasタンパク質とを、異なるCasタンパク質となるように設計することで、これらの2つの入出力システムは直交性を備える。すなわち、2つの入出力システムは互いに干渉することなく、独立して入出力を制御することができ、2つの出力タンパク質の発現が独立して制御される。 By using two or more combinations of input proteins and mRNA switches, a system that independently controls the translation of two or more mRNA switches, i.e., the expression of two or more output proteins, can be realized. In this case, a first input/output system using a combination of a first input protein, a trigger mRNA or a trigger plasmid, and a first mRNA switch or a switch vector, and a second input/output system using a combination of a second input protein, a trigger mRNA or a trigger plasmid, and a second mRNA switch are used. The first mRNA switch has an aptamer sequence that is specifically recognized by the first input protein, and encodes the first output protein. The second mRNA switch has an aptamer sequence that is specifically recognized by the second input protein, and encodes the first output protein. By designing the Cas protein contained in the first input protein and the Cas protein contained in the second input protein to be different Cas proteins, these two input/output systems are orthogonal. In other words, the two input/output systems can independently control input/output without interfering with each other, and the expression of the two output proteins is independently controlled.

[B.入力タンパク質及び入力阻害物質によるmRNAスイッチの翻訳制御]
態様Aの入出力システムに加えて、入力阻害物質を用いる翻訳制御システム(出力タンパク質の発現制御システム)について説明する。態様Bによるシステムは、第1の入力タンパク質、トリガーmRNAまたはトリガープラスミドと、第1のmRNAスイッチまたはスイッチベクターとの組み合わせに加え、入力タンパク質によるmRNAスイッチの認識を阻害する物質を含む。このような物質を入力阻害物質と指称する。入力阻害物質の一例としては、第1の入力タンパク質に含まれるCasタンパク質を不活性化するタンパク質が挙げられる。このようなタンパク質を、入力阻害タンパク質と指称する。入力阻害タンパク質の例としては、AcrIIC2を挙げることができる。入力阻害物質の別の例としては、低分子化合物からなる薬剤が挙げられる。
B. Translational control of mRNA switches by input proteins and input inhibitors
In addition to the input/output system of embodiment A, a translation control system (output protein expression control system) using an input inhibitor will be described. The system of embodiment B includes a combination of a first input protein, a trigger mRNA or a trigger plasmid, and a first mRNA switch or a switch vector, as well as a substance that inhibits the recognition of the mRNA switch by the input protein. Such a substance is referred to as an input inhibitor. An example of an input inhibitor is a protein that inactivates the Cas protein contained in the first input protein. Such a protein is referred to as an input inhibitor protein. An example of an input inhibitor protein is AcrIIC2. Another example of an input inhibitor is a drug consisting of a low molecular weight compound.

態様Bによるタンパク質の発現制御キットには、態様Aにおいて説明した翻訳制御キットの構成要素に加えて、入力阻害物質を含めることができる。入力阻害物質が入力阻害タンパク質である場合は、当該入力阻害タンパク質自体、入力阻害タンパク質をコードするmRNA、または当該mRNAをコードするベクターをキットに含めることができる。入力阻害物質が薬剤の場合には、態様Bによるタンパク質の発現制御キットは当該薬剤を含む。The protein expression control kit according to aspect B may include an input inhibitor in addition to the components of the translation control kit described in aspect A. When the input inhibitor is an input inhibitor protein, the kit may include the input inhibitor protein itself, an mRNA encoding the input inhibitor protein, or a vector encoding the mRNA. When the input inhibitor is a drug, the protein expression control kit according to aspect B includes the drug.

入力阻害タンパク質をコードするmRNA分子、または当該mRNAをコードするベクターは、翻訳制御を受けることなく入力阻害タンパク質を発現するmRNAまたは当該mRNA分子をコードするベクターであってよい。すなわち、アプタマー配列を持たないmRNAまたは当該mRNAをコードするベクターであってよい。The mRNA molecule encoding the input inhibitory protein or the vector encoding the mRNA may be an mRNA that expresses the input inhibitory protein without translational control or a vector encoding the mRNA molecule. In other words, it may be an mRNA that does not have an aptamer sequence or a vector encoding the mRNA.

あるいは、入力阻害タンパク質をコードするmRNAは、mRNAスイッチであってもよい。これを、入力阻害mRNAスイッチと指称する。この場合、入力阻害mRNAスイッチは第2のmRNAスイッチと指称することもできる。第2のmRNAスイッチは、第2の入力タンパク質によって特異的に認識されるアプタマー配列を備え、出力タンパク質として、入力阻害タンパク質をコードする。そして、第1の入力タンパク質と、第2の入力タンパク質とが異なるように第1及び第2のmRNAスイッチを設計することで、第1のmRNAスイッチと、第2のmRNAスイッチ(入力阻害mRNAスイッチ)は独立に翻訳制御され、第1のmRNAスイッチの出力タンパク質の発現が制御される。Alternatively, the mRNA encoding the input-inhibiting protein may be an mRNA switch. This is referred to as an input-inhibiting mRNA switch. In this case, the input-inhibiting mRNA switch can also be referred to as a second mRNA switch. The second mRNA switch has an aptamer sequence that is specifically recognized by the second input protein, and encodes the input-inhibiting protein as an output protein. Then, by designing the first and second mRNA switches so that the first input protein and the second input protein are different, the first mRNA switch and the second mRNA switch (input-inhibiting mRNA switch) are independently translationally controlled, and the expression of the output protein of the first mRNA switch is controlled.

態様Bにおいても、第1のmRNAスイッチまたはスイッチベクターの導入工程と、第1の入力タンパク質、トリガーmRNAまたはトリガープラスミドの入力工程は、先の態様Aにて説明したとおりに実施することができる。この細胞に入力阻害物質を導入し、あるいは入力阻害物質を接触させる工程をさらに含むことで、第1のmRNAスイッチと、第1の入力タンパク質との相互作用を阻害し、第1のmRNAスイッチと、第1の入力タンパク質とで実現される翻訳状態を制御し、これにより出力タンパク質の発現を制御することができる。In embodiment B, the step of introducing the first mRNA switch or switch vector and the step of inputting the first input protein, trigger mRNA or trigger plasmid can be carried out as described above in embodiment A. By further including a step of introducing an input inhibitor into the cell or contacting the cell with an input inhibitor, it is possible to inhibit the interaction between the first mRNA switch and the first input protein and control the translation state achieved by the first mRNA switch and the first input protein, thereby controlling the expression of the output protein.

[C.断片化された入力タンパク質によるmRNAスイッチの翻訳制御]
入力タンパク質とmRNAスイッチとの組み合わせによる入出力システムにおいて、入力タンパク質が断片化されたタンパク質である場合の、mRNAスイッチの翻訳制御システム(タンパク質の発現制御)システムについて説明する。断片化されたタンパク質は、スプリットタンパク質とも指称する。態様Cにおいては、入力タンパク質が、複数の断片に分割されたCasタンパク質もしくはその改変体から構成されている。この複数の断片が、所定の条件下で会合して、核酸標的能(アプタマー認識能)を有する会合体となり、入力タンパク質として機能する。
C. Translational control of mRNA switches by fragmented input proteins
In an input/output system based on a combination of an input protein and an mRNA switch, a translation control system (protein expression control) system of an mRNA switch is described below when the input protein is a fragmented protein. A fragmented protein is also called a split protein. In embodiment C, the input protein is composed of a Cas protein or a modified version thereof that is split into multiple fragments. These multiple fragments associate under certain conditions to form an association having nucleic acid targeting ability (aptamer recognition ability), and function as an input protein.

断片化された入力タンパク質は、先に挙げた25種のCasタンパク質及びその他のCasタンパク質に基づいて設計することができる。ある種のCasタンパク質においては、特定の残基間において分断した後、各断片を会合することで核酸標的能が回復することが知られており、既知の情報に基づいて、核酸標的能を回復可能なCasタンパク質の断片を設計することができる。具体的には、SpCas9の714番目の残基と715番目の残基間の分断、535番目の残基と536番目の残基間の分断、713番目の残基と714番目の残基間の分断などが知られているが、これらには限定されない。当業者であれば、任意のCasタンパク質について、核酸標的能を回復可能な断片を特定することができる。核酸標的能を回復可能であれば、1つの入力タンパク質を2つに断片化してもよく、3、4、5あるいはそれ以上に断片化してもよい。The fragmented input protein can be designed based on the 25 types of Cas proteins listed above and other Cas proteins. It is known that in certain Cas proteins, the nucleic acid targeting ability is restored by fragmenting the protein between specific residues and then associating the fragments, and a Cas protein fragment capable of restoring the nucleic acid targeting ability can be designed based on known information. Specifically, fragmentation between residues 714 and 715 of SpCas9, between residues 535 and 536, between residues 713 and 714, etc. are known, but are not limited to these. A person skilled in the art can identify a fragment capable of restoring the nucleic acid targeting ability for any Cas protein. As long as the nucleic acid targeting ability can be restored, one input protein may be fragmented into two, or may be fragmented into three, four, five, or more.

1つの入力タンパク質を、第1の断片と第2の断片に分断する場合には、第1の断片と第2の断片にはそれぞれ、ヘテロダイマー化ドメインが結合されていてもよい。第1の断片に結合されたヘテロダイマー化ドメインと、第2の断片に結合されたヘテロダイマー化ドメインは、ヘテロダイマーを形成可能なドメインである。ヘテロダイマー化ドメインにより、会合体形成時の会合効率を高めることができる。ヘテロダイマー化ドメインは、一例としては、分離インテインであってよく、分断された入力タンパク質の2つの断片にそれぞれ、Nインテインと、Cインテインが結合されたものであってよい。ヘテロダイマー化ドメインが分離インテインである場合には、Nインテインが結合された第1の断片と、Cインテインが結合された第2の断片とが同時に細胞内に存在すれば、会合体を形成する。会合体においては、インテイン部分は切除され、入力タンパク質として機能する。したがって、会合体による翻訳制御の作用については、態様Aにおける入力タンパク質の作用と同様である。When an input protein is split into a first fragment and a second fragment, a heterodimerization domain may be bound to each of the first fragment and the second fragment. The heterodimerization domain bound to the first fragment and the heterodimerization domain bound to the second fragment are domains capable of forming heterodimers. The heterodimerization domain can increase the efficiency of the assembly during the formation of the assembly. As an example, the heterodimerization domain may be a separated intein, and may be an N intein and a C intein bound to two fragments of the split input protein, respectively. When the heterodimerization domain is a separated intein, if the first fragment bound to the N intein and the second fragment bound to the C intein are present in the cell at the same time, an assembly is formed. In the assembly, the intein portion is excised and functions as an input protein. Therefore, the action of translation control by the assembly is the same as that of the input protein in aspect A.

ヘテロダイマー化ドメインの別の例としては、特定の低分子化合物からなる薬剤の存在下で会合を生じるドメインが挙げられ、iDimerize(商標) Inducible Heterodimer System(クロンテック)を用いることができる。ヘテロダイマー化ドメインが当該システムによる場合は、断片化された入力タンパク質は、入力タンパク質のN末端断片にDmrA結合ドメインを融合した断片と、入力タンパク質のC末端断片にDmrC結合ドメインを融合した断片であってよい。これらのドメインは、A/C Heterodimerizer(AP21967リガンド)の存在下で会合し、入力タンパク質の核酸認識能を回復する。Another example of a heterodimerization domain is a domain that associates in the presence of a drug consisting of a specific low molecular weight compound, and the iDimerize™ Inducible Heterodimer System (Clontech) can be used. When the heterodimerization domain is based on this system, the fragmented input protein may be a fragment in which a DmrA-binding domain is fused to an N-terminal fragment of the input protein, and a fragment in which a DmrC-binding domain is fused to a C-terminal fragment of the input protein. These domains associate in the presence of A/C Heterodimerizer (AP21967 ligand) and restore the nucleic acid recognition ability of the input protein.

態様Cにおいては、入力タンパク質の第1の断片と第1のヘテロダイマー化ドメインとを含む第1の融合タンパク質をコードする核酸配列を含む第1のトリガーmRNAと、入力タンパク質の第2の断片と第2のヘテロダイマー化ドメインとを含む第2の融合タンパク質をコードする核酸配列を含む第2のトリガーmRNAを用いる。第1、第2のトリガーmRNAは、アプタマー配列を持たないmRNAであってもよく、mRNAスイッチであってもよい。mRNAスイッチである場合には、第1のトリガーmRNAが、第1の融合タンパク質をコードする核酸配列を備え、所定のCasタンパク質に特異的に認識されるアプタマー配列を有するmRNAスイッチであってよい。また、第2のトリガーmRNAが、第2の融合タンパク質をコードする核酸配列を備え、所定のCasタンパク質に特異的に認識されるアプタマー配列を有するmRNAスイッチであってよい。そして、第1のトリガーmRNAが有するアプタマー配列と、第2のトリガーmRNAが有するアプタマー配列とは、同一でも異なっていてもよい。好ましくは、第1のトリガーmRNAが有するアプタマー配列と、第2のトリガーmRNAが有するアプタマー配列とは異なっており、第1のトリガーmRNAと、第2のトリガーmRNAは異なるCasタンパク質によって特異的に認識される態様であってよい。第1のトリガーmRNAと、第2のトリガーmRNAのうち、一方がアプタマー配列を持たないmRNAであって、他方がmRNAスイッチであってもよい。In aspect C, a first trigger mRNA containing a nucleic acid sequence encoding a first fusion protein containing a first fragment of an input protein and a first heterodimerization domain, and a second trigger mRNA containing a nucleic acid sequence encoding a second fusion protein containing a second fragment of an input protein and a second heterodimerization domain are used. The first and second trigger mRNAs may be mRNAs without an aptamer sequence, or may be mRNA switches. In the case of an mRNA switch, the first trigger mRNA may be an mRNA switch having a nucleic acid sequence encoding a first fusion protein and an aptamer sequence specifically recognized by a specific Cas protein. The second trigger mRNA may be an mRNA switch having a nucleic acid sequence encoding a second fusion protein and an aptamer sequence specifically recognized by a specific Cas protein. The aptamer sequence of the first trigger mRNA and the aptamer sequence of the second trigger mRNA may be the same or different. Preferably, the aptamer sequence of the first trigger mRNA and the aptamer sequence of the second trigger mRNA are different, and the first trigger mRNA and the second trigger mRNA may be specifically recognized by different Cas proteins. One of the first trigger mRNA and the second trigger mRNA may be an mRNA having no aptamer sequence, and the other may be an mRNA switch.

なお、第1、第2のトリガーmRNAが、アプタマー配列を持たないmRNAである場合も、mRNAスイッチである場合も、第1、第2のトリガーmRNAに代えて、当該mRNAをコードするベクターであってもよい。以下、態様Cにおける説明は、トリガーmRNAを使用する場合について述べるが、トリガーmRNAに代えて、当該mRNAをコードするベクターも、同様に使用することができる。 In addition, even if the first and second trigger mRNAs are mRNAs that do not have an aptamer sequence or are mRNA switches, a vector encoding the mRNA may be used instead of the first and second trigger mRNAs. The following explanation of aspect C will be given for the case where a trigger mRNA is used, but a vector encoding the mRNA can also be used instead of the trigger mRNA.

態様Cによるタンパク質の発現制御キットには、態様Aにおいて説明したmRNAスイッチまたは当該mRNAをコードするベクターに加え、第1、第2のトリガーmRNAまたは当該トリガーmRNAをコードするベクターを含む。これらに加え、任意選択的にヘテロダイマー化を促進するための薬剤をキットに含んでもよい。The protein expression control kit according to aspect C includes the first and second trigger mRNAs or vectors encoding the trigger mRNAs, in addition to the mRNA switch described in aspect A. In addition, the kit may optionally include an agent for promoting heterodimerization.

態様CによるmRNAスイッチの翻訳制御システム(タンパク質の発現制御システム)を用いた翻訳制御方法(発現制御方法)において、mRNAスイッチの導入工程は、態様Aと同様に実施することができる。本工程では入力工程が、第1のトリガーmRNAを導入する工程と、第2のトリガーmRNAを導入する工程を含む。第1及び第2のトリガーmRNAは、同時に細胞に導入することもできるし、任意の時間差で導入することもできる。また、ヘテロダイマー化を促進するための薬剤を用いるシステムにおいては、細胞に薬剤を接触させる工程を含み、この接触工程も、mRNAスイッチの導入工程と、第1及び第2のトリガーmRNAの導入工程と同時に実施することもできるし、任意の時間差で実施することもできる。態様Cによれば、入力工程後、トリガーmRNAまたは当該mRNAをコードするベクターが入力タンパク質の第1の断片と、入力タンパク質の第2の断片とを発現し、両者が、核酸標的能(アプタマー認識能)をもった会合体となったときに、会合体が入力タンパク質として機能し、mRNAスイッチの翻訳制御が可能となる。すなわち、態様CによるmRNAスイッチの翻訳制御システム(タンパク質の発現制御システム)では、入力タンパク質を制御することが可能となる。In the translation control method (expression control method) using the translation control system (protein expression control system) of the mRNA switch according to aspect C, the introduction step of the mRNA switch can be carried out in the same manner as in aspect A. In this step, the input step includes a step of introducing a first trigger mRNA and a step of introducing a second trigger mRNA. The first and second trigger mRNAs can be introduced into the cells simultaneously or at any time lag. In addition, in a system using a drug for promoting heterodimerization, the system includes a step of contacting the cell with the drug, and this contact step can also be carried out simultaneously with the introduction step of the mRNA switch and the introduction step of the first and second trigger mRNAs or at any time lag. According to aspect C, after the input step, the trigger mRNA or the vector encoding the mRNA expresses the first fragment of the input protein and the second fragment of the input protein, and when the two become an assembly having nucleic acid targeting ability (aptamer recognition ability), the assembly functions as an input protein, enabling translation control of the mRNA switch. That is, the translation control system of the mRNA switch according to embodiment C (protein expression control system) makes it possible to control an input protein.

[D.階層制御]
mRNAスイッチセットを用いた階層制御について説明する。mRNAスイッチセットは、複数の異なるmRNAスイッチまたは当該mRNAをコードするベクターから構成される。具体的には、mRNAスイッチセットは、第1のmRNAスイッチ~第nのmRNAスイッチからなるn種のmRNAスイッチを含む。nは、当該セットに含まれるmRNAスイッチの種類を表し、nは2~25の整数から選択される。n種のmRNAスイッチに含まれる第kのmRNAスイッチは、以下のように定義される。
(A)第kのmRNAスイッチは、
(i)Casタンパク質またはその改変体を含む、第kのタンパク質からなる入力タンパク質によって特異的に認識される核酸配列と、
(ii)第(k+1)のタンパク質からなる出力タンパク質をコードする核酸配列とを含み、
前記(i)が(ii)の5’側または3’側に存在して、前記(i)及び(ii)が作動可能に連結されたmRNA分子であり、
前記第kのタンパク質と前記第(k+1)のタンパク質は異なるタンパク質であり、
kは1~(n-1)の整数である。
また、n種のmRNAスイッチに含まれる第nのmRNAスイッチは、以下のように定義される。
(B)第nのmRNAスイッチは、
(i)第(n-1)のmRNAスイッチの出力タンパク質である第nのタンパク質によって特異的に認識される核酸配列と、
(ii)第(n+1)のタンパク質である出力タンパク質をコードする核酸配列とを含み、
前記(i)が(ii)の5’側または3’側に存在して、前記(i)及び(ii)が作動可能に連結されたmRNA分子であり、
第(n+1)のタンパク質が、任意のタンパク質である。
[D. Hierarchical Control]
Hierarchical control using an mRNA switch set will be described. The mRNA switch set is composed of a plurality of different mRNA switches or vectors encoding the mRNAs. Specifically, the mRNA switch set includes n types of mRNA switches consisting of the first mRNA switch to the nth mRNA switch. n represents the type of mRNA switch included in the set, and n is selected from integers from 2 to 25. The kth mRNA switch included in the n types of mRNA switches is defined as follows:
(A) The kth mRNA switch is
(i) a nucleic acid sequence specifically recognized by an input protein consisting of a kth protein, including a Cas protein or a variant thereof;
(ii) a nucleic acid sequence encoding an output protein consisting of a (k+1)th protein;
The (i) is present on the 5' or 3' side of the (ii), and the (i) and (ii) are operably linked to each other in an mRNA molecule,
the kth protein and the (k+1)th protein are different proteins;
k is an integer from 1 to (n-1).
Furthermore, the nth mRNA switch included in the n types of mRNA switches is defined as follows.
(B) The nth mRNA switch is
(i) a nucleic acid sequence that is specifically recognized by an nth protein that is an output protein of an (n-1)th mRNA switch;
(ii) a nucleic acid sequence encoding an output protein that is a (n+1)th protein;
The (i) is present on the 5' or 3' side of the (ii), and the (i) and (ii) are operably linked to each other in an mRNA molecule,
The (n+1)th protein is an arbitrary protein.

(A)で定義される第kのmRNAスイッチという場合の「k」は、n種のmRNAスイッチに含まれるある1種のmRNAスイッチを定義するための変数である。第kのmRNAスイッチは、第kのタンパク質により入力を受けて、第(k+1)のタンパク質を出力する。ここで出力される第(k+1)のタンパク質が次の階層にあたる第(k+1)のmRNAスイッチの入力タンパク質として機能する。n種類のスイッチからなるスイッチセットには、(A)で定義されるmRNAスイッチが、第1のmRNAスイッチ、・・・・第(n-1)のmRNAスイッチまで、(n-1)種類含まれる。第1のRNAスイッチの入力タンパク質となる第1のタンパク質は、(A)、(B)で定義されていないほかのmRNAスイッチが発現したタンパク質であってもよく、スイッチではない(アプタマーを持たず、翻訳制御をうけない)mRNAが発現したタンパク質であってもよく、それ以外のタンパク質であってもよい。 In the case of the kth mRNA switch defined in (A), "k" is a variable for defining one type of mRNA switch included in the n types of mRNA switches. The kth mRNA switch receives input from the kth protein and outputs the (k+1)th protein. The (k+1)th protein output here functions as an input protein for the (k+1)th mRNA switch in the next hierarchy. A switch set consisting of n types of switches includes (n-1) types of mRNA switches defined in (A), from the first mRNA switch to the (n-1)th mRNA switch. The first protein that serves as the input protein for the first RNA switch may be a protein expressed by another mRNA switch not defined in (A) or (B), may be a protein expressed by an mRNA that is not a switch (has no aptamer and is not subject to translational control), or may be any other protein.

上記定義において、第kのタンパク質と第(k+1)のタンパク質が、「異なる」タンパク質であるとは、第kのタンパク質と第(k+1)のタンパク質が、異なるCasタンパク質由来であることを意味する。さらに具体的には、第kのmRNAスイッチが有するアプタマーは、第(k+1)のmRNAスイッチが有するアプタマーとは異なっている必要があり、例えば、入力タンパク質が第1のCasタンパク質あるいはその改変体である場合に、出力タンパク質は第2のCasタンパク質あるいはその改変体であり、第1のCasタンパク質と、第2のCasタンパク質は異なっている必要がある。In the above definition, the kth protein and the (k+1)th protein are "different" proteins, meaning that the kth protein and the (k+1)th protein are derived from different Cas proteins. More specifically, the aptamer possessed by the kth mRNA switch must be different from the aptamer possessed by the (k+1)th mRNA switch. For example, when the input protein is a first Cas protein or a variant thereof, the output protein is a second Cas protein or a variant thereof, and the first Cas protein and the second Cas protein must be different.

(B)で定義される第nのmRNAスイッチは、前の階層である第(n-1)のmRNAがコードする第nのタンパク質により制御され、第(n+1)のタンパク質を出力する。第(n+1)のタンパク質は、スイッチセットを構成するほかのmRNAスイッチに対しては作用しない設計とすることもできる。あるいは、第(n+1)のタンパク質は、第1のmRNAスイッチの入力タンパク質として作用させる設計とすることもできる。詳細は後述する。 The nth mRNA switch defined in (B) is controlled by the nth protein encoded by the (n-1)th mRNA in the previous hierarchy, and outputs the (n+1)th protein. The (n+1)th protein can be designed not to act on other mRNA switches that make up the switch set. Alternatively, the (n+1)th protein can be designed to act as an input protein for the first mRNA switch. Details will be described later.

このようなスイッチセットの設計において、第1のタンパク質から第(n+1)のタンパク質まで、合計(n+1)種のタンパク質を選定する必要がある。これらのうち、入力タンパク質となりうる、第1のタンパク質から第nのタンパク質は、好ましくはすべて異なっている。ここで、第1のタンパク質から第nのタンパク質がすべて異なっているとは、n種のタンパク質が、すべて異なるCasタンパク質由来であることを意味する。そして、それぞれを、以下のCasタンパク質またはその改変体から選択することができる。SpCas9、SaCas9、CjCas9、NmCas9、St1Cas9、FnCas9、CdCas9、ClCas9、PlCas9、NcCas9、SpaCas9、St3Cas9、AsCas12a、FnCas12a、LbCas12a、MbCas12a、AkCas12b、AaCas12b、BvCas12b、BsCas12b、PspCas13b、PguCas13b、RanCas13b、CasRx、PlmCasX、Cas14a1。In designing such a switch set, a total of (n+1) proteins must be selected, from the first protein to the (n+1)th protein. Of these, the first protein to the nth protein, which can be input proteins, are preferably all different. Here, the first protein to the nth protein being all different means that the n proteins are all derived from different Cas proteins. Each of these can be selected from the following Cas proteins or their variants. SpCas9, SaCas9, CjCas9, NmCas9, St1Cas9, FnCas9, CdCas9, ClCas9, PlCas9, NcCas9, SpaCas9, St3Cas9, AsCas12a, FnCas12a, LbCas12a, MbCas12a, AkCas12b, AaCas12b, BvCas12b, BsCas12b, PspCas13b, PguCas13b, RanCas13b, CasRx, PlmCasX, Cas14a1.

例えば、nが2の場合、スイッチセットは2種のmRNAスイッチから構成され、第1のmRNAスイッチは、第1のタンパク質によって特異的に認識される核酸配列と、第2のタンパク質をコードする核酸配列とを含む。第2のmRNAスイッチは、第2のタンパク質によって特異的に認識される核酸配列と、第3のタンパク質をコードする核酸配列とを含む。このスイッチセットを設計するためには、第1のタンパク質、第2のタンパク質、第3のタンパク質の3種のタンパク質を選定する必要がある。この3種は、前述の25種類のCasタンパク質から選択することもできるし、第3のタンパク質は、Casタンパク質でなくてもよい。For example, when n is 2, the switch set is composed of two types of mRNA switches, and the first mRNA switch includes a nucleic acid sequence specifically recognized by the first protein and a nucleic acid sequence encoding the second protein. The second mRNA switch includes a nucleic acid sequence specifically recognized by the second protein and a nucleic acid sequence encoding the third protein. In order to design this switch set, it is necessary to select three types of proteins: the first protein, the second protein, and the third protein. These three types can be selected from the 25 types of Cas proteins mentioned above, and the third protein does not have to be a Cas protein.

ある態様においては、mRNAスイッチセットは、キャスケード回路を構成するためのスイッチセットであってよい。キャスケード回路用mRNAスイッチセットは、第nのmRNAスイッチが出力専用のmRNAスイッチであり、ほかのmRNAスイッチを翻訳制御しないタンパク質をコードする。ほかのmRNAスイッチを翻訳制御しないタンパク質は、先に詳述したマーカータンパク質等であってよい。本態様によるスイッチセットがキャスケード回路を構成することにより、細胞内物質の存在状態に基づいて、発現させたい遺伝子(第nのmRNAスイッチが出力する第(n+1)のタンパク質の遺伝子)の発現を条件づけすることができる。より具体的には、ある特定のmiRNA発現パターンで遺伝子発現が起こるような回路を構成することが可能となる。In one embodiment, the mRNA switch set may be a switch set for forming a cascade circuit. In the mRNA switch set for a cascade circuit, the nth mRNA switch is an mRNA switch dedicated to output, and encodes a protein that does not control the translation of other mRNA switches. The protein that does not control the translation of other mRNA switches may be a marker protein or the like, as described in detail above. By forming a cascade circuit with the switch set according to this embodiment, it is possible to condition the expression of a gene to be expressed (the gene of the (n+1)th protein output by the nth mRNA switch) based on the state of the intracellular substance. More specifically, it is possible to form a circuit in which gene expression occurs with a certain miRNA expression pattern.

ある態様においては、mRNAスイッチセットは、オシレータ回路を構成するためのスイッチセットであってよい。オシレータ回路用mRNAスイッチセットは、第nのmRNAスイッチが出力する第(n+1)のタンパク質が、第1のmRNAスイッチの入力タンパク質となる第1のタンパク質である。本態様によるスイッチセットがオシレータ回路を構成することにより、細胞のリプログラミング、治療効果遺伝子の発現タイミングの制御などが可能となる。In one embodiment, the mRNA switch set may be a switch set for constituting an oscillator circuit. In the mRNA switch set for an oscillator circuit, the (n+1)th protein output by the nth mRNA switch is a first protein that serves as an input protein for the first mRNA switch. The switch set according to this embodiment constitutes an oscillator circuit, making it possible to reprogram cells and control the timing of expression of therapeutic genes.

なお、当該階層型の制御のさらなる応用形態としては、第kのmRNAが出力する第(k+1)のタンパク質の機能が、第(k+1)のmRNAの入力タンパク質に限られない場合がある。すなわち、あるmRNAスイッチが出力するタンパク質が、2以上の別のmRNAスイッチの入力タンパク質となりうる場合があり、入力タンパク質と出力タンパク質が同一の自己制御型のmRNAを含むスイッチセットもありうる。In addition, as a further application of this hierarchical control, the function of the (k+1)th protein output by the kth mRNA may not be limited to the input protein of the (k+1)th mRNA. In other words, a protein output by a certain mRNA switch may be an input protein for two or more other mRNA switches, and there may be a switch set including an autoregulatory mRNA in which the input protein and output protein are the same.

[E.mRNAスイッチによるイメージング]
mRNAスイッチは、入力タンパク質と組み合わせて、RNAイメージング法に用いることができる。本態様においては、入力タンパク質は、Casタンパク質またはその改変体に、イメージングを可能にするタンパク質が融合した融合タンパク質である。イメージングを可能にするタンパク質は、蛍光、発光、呈色、または蛍光、発光若しくは呈色を補助することなどにより、視覚化し、定量化することができるタンパク質であってよい。このような視覚化し、定量化することができるタンパク質は、出力タンパク質として例示したものを用いることができる。イメージングを可能にするタンパク質が融合した融合タンパク質からなる入力タンパク質を、イメージング入力タンパク質と指称する。
[E. Imaging with mRNA switches]
The mRNA switch can be used in the RNA imaging method in combination with an input protein. In this embodiment, the input protein is a fusion protein in which a protein that enables imaging is fused to a Cas protein or a variant thereof. The protein that enables imaging may be a protein that can be visualized and quantified by fluorescence, luminescence, color, or by assisting fluorescence, luminescence, or color. Such proteins that can be visualized and quantified can be those exemplified as output proteins. An input protein consisting of a fusion protein fused with a protein that enables imaging is referred to as an imaging input protein.

本態様において、mRNAスイッチは、視覚化、定量を所望するRNA分子である。mRNAスイッチは、イメージング入力タンパク質に含まれるCasタンパク質によって特異的に認識されるアプタマー配列を含んでいればよく、出力タンパク質は、特には制限されない。また、Casタンパク質によって特異的に認識されるアプタマー配列は、RNA分子の末端に存在することが好ましく、5'末端であってもよく、3'末端であってもよい。In this embodiment, the mRNA switch is an RNA molecule that is desired to be visualized and quantified. The mRNA switch may contain an aptamer sequence that is specifically recognized by a Cas protein contained in the imaging input protein, and the output protein is not particularly limited. In addition, the aptamer sequence that is specifically recognized by the Cas protein is preferably present at the end of the RNA molecule, and may be at the 5' end or the 3' end.

本態様によるイメージング方法によれば、Casタンパク質を用いてRNA分子にイメージングを可能にするタンパク質を結合することができ、そのRNA分子の挙動の観察が可能となる。 According to the imaging method of this embodiment, a Cas protein can be used to bind a protein that enables imaging to an RNA molecule, making it possible to observe the behavior of the RNA molecule.

[F.単一の入力タンパク質による、翻訳と転写の同時制御]
単一の入力タンパク質を用いたmRNAスイッチと、転写制御配列を備えるベクターを用いた翻訳と転写の同時制御について、図16を参照して説明する。本態様による入力タンパク質は、転写制御タンパク質の一部として機能するタンパク質を用いる。したがって、不活性化型Casタンパク質に転写活性化もしくは転写抑制因子が融合した融合タンパク質を入力タンパク質とすることが好ましい。図16のパネル(a)、中央部を参照すると、入力タンパク質の一例として、転写活性化が可能なdSpCas9-VPRが例示されている。
[F. Simultaneous control of translation and transcription by a single input protein]
Simultaneous control of translation and transcription using an mRNA switch using a single input protein and a vector having a transcription control sequence will be described with reference to FIG. 16. The input protein according to this embodiment uses a protein that functions as a part of a transcription control protein. Therefore, it is preferable to use a fusion protein in which an inactivated Cas protein is fused with a transcription activation or transcription repression factor as the input protein. Referring to the center part of panel (a) of FIG. 16, dSpCas9-VPR capable of transcription activation is illustrated as an example of an input protein.

mRNAスイッチは、入力タンパク質に含まれるCasタンパク質に対応するcrRNAもしくはsgRNA配列である(i)の核酸配列と、第1の出力タンパク質をコードする(ii)の核酸配列とを含む。mRNAスイッチは、OFFスイッチであってもよく、ONスイッチであってもよい。図16のパネル(a)、左側を参照すると、mRNAスイッチの例として、(i)の核酸配列がdSpCas9-VPRに対応するgRNAであり、第1の出力タンパク質がtagRFPであり、入力タンパク質に応答して翻訳が抑制されるOFF スイッチ mRNAが例示されている。The mRNA switch includes a nucleic acid sequence (i) that is a crRNA or sgRNA sequence corresponding to a Cas protein contained in an input protein, and a nucleic acid sequence (ii) that encodes a first output protein. The mRNA switch may be an OFF switch or an ON switch. Referring to the left side of panel (a) of FIG. 16, an example of an mRNA switch is an OFF switch mRNA in which the nucleic acid sequence (i) is a gRNA corresponding to dSpCas9-VPR, the first output protein is tagRFP, and translation is suppressed in response to an input protein.

転写制御配列を備えるベクターは、5'から3'の向きに、転写制御配列と、プロモーター配列と、第2の出力タンパク質をコードする核酸配列とを含む。転写制御配列は、入力タンパク質に含まれるCasタンパク質に対応するcrRNAもしくはsgRNA配列により特異的に認識される核酸配列である。第2の出力タンパク質は、第1の出力タンパク質と異なるタンパク質である。図16のパネル(a)、右側を参照すると、転写制御配列を備えるベクターとして、dSpCas9-VPRに対応するgRNAの結合配列を備え、第2の出力タンパク質がhmAG1であるベクターが例示されている。A vector having a transcription control sequence includes, in the 5' to 3' direction, a transcription control sequence, a promoter sequence, and a nucleic acid sequence encoding a second output protein. The transcription control sequence is a nucleic acid sequence that is specifically recognized by a crRNA or sgRNA sequence corresponding to a Cas protein contained in an input protein. The second output protein is a protein different from the first output protein. Referring to the right side of panel (a) of FIG. 16, an example of a vector having a transcription control sequence is a vector having a binding sequence for a gRNA corresponding to dSpCas9-VPR, and the second output protein is hmAG1.

態様Fの翻訳制御システムを実施するためのタンパク質の発現制御キットは、入力タンパク質、トリガーmRNA、トリガープラスミドからなる群から選択される少なくとも1つの成分(第1成分)と、mRNAスイッチまたはスイッチベクターからなる群から選択される少なくとも1つの成分(第2成分)と、転写制御配列を備えるベクター(第3成分)と、入力タンパク質に対応するcrRNAもしくはsgRNA、またはこれらのRNAをコードするベクターからなる群から選択される少なくとも1つの成分(第4成分)とを含んでよい。第1成分に由来する入力タンパク質と、第4成分に由来する低分子RNAとが複合体を形成し、転写制御タンパク質として機能する。態様Fにおいても、第2成分と第3成分の導入工程と、第1成分及び第4成分の入力工程は、先の態様Aにて説明したとおりに実施することができる。The protein expression control kit for implementing the translation control system of aspect F may include at least one component (first component) selected from the group consisting of an input protein, a trigger mRNA, and a trigger plasmid, at least one component (second component) selected from the group consisting of an mRNA switch or a switch vector, a vector (third component) having a transcription control sequence, and at least one component (fourth component) selected from the group consisting of a crRNA or sgRNA corresponding to the input protein, or a vector encoding these RNAs. The input protein derived from the first component and the small RNA derived from the fourth component form a complex and function as a transcription control protein. In aspect F, the introduction process of the second component and the third component and the input process of the first component and the fourth component can be carried out as described in the previous aspect A.

[G.半減算器]
3つの転写制御スイッチベクターを用いた半減算器回路を実現するシステムについて、図18A、B、Cを参照して説明する。本態様では、2種の入力タンパク質a、bと3種の転写制御スイッチベクターa、b、cを用いることで、半減算器回路を構成することができる。2種の入力タンパク質a、bはいずれも、転写制御タンパク質としても機能するタンパク質を用いる。図18Aを参照すると、入力タンパク質aとしてdSpCas9-VPRが、入力タンパク質bとしてdSaCas9-VPRが例示されている。
[G. Half Subtractor]
A system for realizing a half-subtractor circuit using three transcription control switch vectors will be described with reference to Figures 18A, B, and C. In this embodiment, a half-subtractor circuit can be constructed by using two types of input proteins a and b and three types of transcription control switch vectors a, b, and c. Both of the two types of input proteins a and b use proteins that also function as transcription control proteins. With reference to Figure 18A, dSpCas9-VPR is exemplified as the input protein a, and dSaCas9-VPR is exemplified as the input protein b.

転写制御スイッチベクターaは、入力タンパク質aとこれに対応するcrRNAもしくはsgRNAとの複合体を含む転写制御タンパク質により制御される転写制御配列と、入力タンパク質bにより翻訳制御されるmRNAスイッチをコードする核酸配列と、第1の出力タンパク質をコードする核酸配列を備える。すなわち、転写制御スイッチベクターaに含まれる転写制御配列は、入力タンパク質aに対応するcrRNAもしくはsgRNAにより特異的に認識される配列である。転写制御スイッチベクターaによりコードされるmRNAスイッチは、(i)の核酸配列が入力タンパク質bに対応するcrRNAもしくはsgRNAである。図18A上段を参照すると、転写制御スイッチベクターaは、転写制御配列がdSpCas9-VPRを含む転写制御タンパク質の結合配列であり、mRNAスイッチは、dSaCas9-VPRに対応するsgRNA配列と、tagBFPをコードする配列とを含む。The transcription control switch vector a comprises a transcription control sequence controlled by a transcription control protein including a complex of an input protein a and a corresponding crRNA or sgRNA, a nucleic acid sequence encoding an mRNA switch translationally controlled by an input protein b, and a nucleic acid sequence encoding a first output protein. That is, the transcription control sequence contained in the transcription control switch vector a is a sequence specifically recognized by the crRNA or sgRNA corresponding to the input protein a. The mRNA switch encoded by the transcription control switch vector a is a crRNA or sgRNA in which the nucleic acid sequence of (i) corresponds to the input protein b. Referring to the upper part of FIG. 18A, the transcription control switch vector a is a binding sequence of a transcription control protein including dSpCas9-VPR, and the mRNA switch includes an sgRNA sequence corresponding to dSaCas9-VPR and a sequence encoding tagBFP.

転写制御スイッチベクターbは、入力タンパク質bとこれに対応するcrRNAもしくはsgRNAとの複合体を含む転写制御タンパク質により制御される転写制御配列と、入力タンパク質aにより翻訳制御されるmRNAスイッチをコードする核酸配列と、第1の出力タンパク質をコードする核酸配列と、入力タンパク質bに対応するsgRNA配列をコードする核酸配列を備える。すなわち、転写制御スイッチベクターbに含まれる転写制御配列は、入力タンパク質bに対応するcrRNAもしくはsgRNAにより特異的に認識される配列である。転写制御スイッチベクターbによりコードされるmRNAスイッチは、(i)の核酸配列が入力タンパク質aに対応するcrRNAもしくはsgRNAである。そして、転写制御スイッチベクターbは、インプットRNAとして、入力タンパク質bに対応するsgRNA配列をコードする核酸配列を備える。図18A中段を参照すると、転写制御スイッチベクターbは、転写制御配列がdSaCas9-VPRを含む転写制御タンパクの結合配列であり、mRNAスイッチは、dSpCas9-VPRに対応するsgRNA配列と、tagBFPをコードする配列とを含む。また、転写制御スイッチベクターbは、さらにdSaCas9-VPRに対応するsgRNAをコードする配列を含む。The transcription control switch vector b includes a transcription control sequence controlled by a transcription control protein including a complex of an input protein b and a corresponding crRNA or sgRNA, a nucleic acid sequence encoding an mRNA switch translationally controlled by an input protein a, a nucleic acid sequence encoding a first output protein, and a nucleic acid sequence encoding an sgRNA sequence corresponding to the input protein b. That is, the transcription control sequence included in the transcription control switch vector b is a sequence specifically recognized by the crRNA or sgRNA corresponding to the input protein b. The mRNA switch encoded by the transcription control switch vector b is a crRNA or sgRNA in which the nucleic acid sequence of (i) corresponds to the input protein a. The transcription control switch vector b includes a nucleic acid sequence encoding an sgRNA sequence corresponding to the input protein b as an input RNA. Referring to the middle part of FIG. 18A, the transcription control switch vector b includes a binding sequence of a transcription control protein including dSaCas9-VPR, and the mRNA switch includes an sgRNA sequence corresponding to dSpCas9-VPR and a sequence encoding tagBFP. In addition, the transcriptional control switch vector b further contains a sequence encoding an sgRNA corresponding to dSaCas9-VPR.

転写制御スイッチベクターcは、入力タンパク質bとこれに対応するcrRNAもしくはsgRNAとの複合体を含む転写制御タンパク質により制御される転写制御配列と、入力タンパク質aにより翻訳制御されるmRNAスイッチをコードする核酸配列と、第2の出力タンパク質をコードする核酸配列とを備える。図18A下段を参照すると、転写制御スイッチベクターcは、転写制御配列がdSaCas9-VPRを含む転写制御タンパクの結合配列であり、mRNAスイッチは、dSpCas9-VPRに対応するsgRNA配列と、hmAG1をコードする配列とを含む。The transcriptional control switch vector c comprises a transcriptional control sequence controlled by a transcriptional control protein including a complex of an input protein b and a corresponding crRNA or sgRNA, a nucleic acid sequence encoding an mRNA switch translationally controlled by an input protein a, and a nucleic acid sequence encoding a second output protein. Referring to the lower part of FIG. 18A, the transcriptional control switch vector c is a binding sequence for a transcriptional control protein including dSaCas9-VPR, and the mRNA switch includes an sgRNA sequence corresponding to dSpCas9-VPR and a sequence encoding hmAG1.

これらの入力タンパク質a、bと、転写制御スイッチベクターa、b、cを組み合わせることで、入力タンパク質aが存在せず、入力タンパク質bが存在するときは第1の出力タンパク質と第2のタンパク質の両者が翻訳されて発現する。入力タンパク質aが存在し、入力タンパク質bが存在しないときは第1の出力タンパク質のみが翻訳されて発現する。このようにして、半減算器回路を構築することができる。By combining these input proteins a and b with the transcriptional control switch vectors a, b, and c, when input protein a is absent and input protein b is present, both the first output protein and the second protein are translated and expressed. When input protein a is present and input protein b is absent, only the first output protein is translated and expressed. In this way, a half-subtractor circuit can be constructed.

態様Gの翻訳制御システムを実施するためのタンパク質の発現制御キットは、入力タンパク質a、トリガーmRNA、トリガープラスミドからなる群から選択される少なくとも1つの成分(第1成分)と、入力タンパク質aに対応するcrRNAもしくはsgRNA、またはこれらのRNAをコードするベクターからなる群から選択される少なくとも1つの成分(第2成分)と、入力タンパク質b、トリガーmRNA、トリガープラスミドからなる群から選択される少なくとも1つの成分(第3成分)と、入力タンパク質bに対応するcrRNAもしくはsgRNA、またはこれらのRNAをコードするベクターからなる群から選択される少なくとも1つの成分(第4成分)と、転写制御スイッチベクターa(第5成分)、b(第6成分)、c(第7成分)とを含んでよい。なお、転写制御スイッチベクターc(第7成分)の転写制御配列に結合するcrRNAもしくはsgRNAは、転写制御スイッチベクターb(第6成分)により生成される。態様Gにおいても、転写制御スイッチベクターa、b、cの導入工程と、第1成分から第4成分の入力工程は、先の態様Aにて説明したとおりに実施することができる。The protein expression control kit for implementing the translation control system of aspect G may include at least one component (first component) selected from the group consisting of an input protein a, a trigger mRNA, and a trigger plasmid, at least one component (second component) selected from the group consisting of a crRNA or sgRNA corresponding to the input protein a, or a vector encoding these RNAs, at least one component (third component) selected from the group consisting of an input protein b, a trigger mRNA, and a trigger plasmid, at least one component (fourth component) selected from the group consisting of a crRNA or sgRNA corresponding to the input protein b, or a vector encoding these RNAs, and a transcription control switch vector a (fifth component), b (sixth component), or c (seventh component). The crRNA or sgRNA that binds to the transcription control sequence of the transcription control switch vector c (seventh component) is generated by the transcription control switch vector b (sixth component). In aspect G, the introduction process of the transcription control switch vectors a, b, and c and the input process of the first component to the fourth component can be carried out as described in the previous aspect A.

上記態様A~D及びF、Gの任意の組み合わせも可能である。これにより、複数の異なる入力タンパク質による入力が可能な複数のmRNAスイッチにより制御された人工回路を構成することが可能となる。Any combination of the above aspects A to D and F and G is also possible. This makes it possible to construct an artificial circuit controlled by multiple mRNA switches that can receive input from multiple different input proteins.

本発明は、ある実施形態においては、mRNAスイッチまたは当該mRNAをコードするベクターを含む細胞である。当該細胞は、mRNAスイッチまたは当該mRNAをコードするベクターが導入された細胞である。mRNAスイッチを含む細胞において、人工回路を機能させることは、例えば、Auslander et al., Nature volume 487, pages123-127(2012)や、Kitada et al.,Science 2018 Feb 9;359(6376)において開示されている。本発明に係るmRNAスイッチも、同様に細胞に含有させて機能させることができる。特には、mRNAスイッチに加えて、上記態様A~D及びF、Gにおいて説明したシステムの構成要素となる核酸やタンパク質を細胞に含有させることにより、細胞内で機能する所望の人工回路を得ることができる。このような細胞は、細胞製剤として有用である。In one embodiment, the present invention is a cell containing an mRNA switch or a vector encoding the mRNA. The cell is a cell into which an mRNA switch or a vector encoding the mRNA has been introduced. The functioning of an artificial circuit in a cell containing an mRNA switch is disclosed, for example, in Auslander et al., Nature volume 487, pages 123-127 (2012) and Kitada et al., Science 2018 Feb 9; 359 (6376). The mRNA switch according to the present invention can also be contained in a cell and made to function in the same way. In particular, by containing in the cell, in addition to the mRNA switch, nucleic acids and proteins that are components of the system described in the above aspects A to D, F, and G, a desired artificial circuit that functions in the cell can be obtained. Such cells are useful as cell preparations.

本発明のmRNAスイッチは、また無細胞系においても用いることができる。例えば、mRNAスイッチを、所望の担体に付着させ、乾燥させて担持させた人工回路システムを構成することができる。紙を担体として人工回路を機能させることは、このようなRNAスイッチが担持された担体を、所定の翻訳可能な条件下におくことで機能する所望の人工回路を得ることができる。担体としては、紙、プラスチック、多孔質体、繊維などが挙げられるが、これらには限定されない。例えば、Pardee et al., Cell 159, 940-954, November 6, 2014において開示されている。本発明においては、mRNAスイッチに加えて、上記態様A~Eにおいて説明したシステムの構成要素となる核酸やタンパク質を担体に付着させることにより、所望の人工回路を得ることができる。The mRNA switch of the present invention can also be used in a cell-free system. For example, an artificial circuit system can be constructed in which the mRNA switch is attached to a desired carrier and dried to support the switch. By making the artificial circuit function using paper as a carrier, the desired artificial circuit can be obtained by placing the carrier carrying the RNA switch under a predetermined translation-enabling condition. Examples of carriers include, but are not limited to, paper, plastic, porous materials, and fibers. For example, this is disclosed in Pardee et al., Cell 159, 940-954, November 6, 2014. In the present invention, in addition to the mRNA switch, the nucleic acid or protein that is a component of the system described in the above aspects A to E can be attached to the carrier to obtain a desired artificial circuit.

以下に、本発明の実施例を用いてより詳細に説明する。以下の実施例は、本発明を限定するものではない。The present invention will be described in more detail below using examples. The following examples are not intended to limit the present invention.

[実験方法]
[プラスミド構築]
スイッチプラスミドの作製
まず、pAptamerCassette-EGFPを制限酵素AgeIとBamHIを用いて切断した。次に、表3に示す一本鎖合成DNAオリゴをアニーリングにより二本鎖DNA化し、それを切断済みpAptamerCassette-EGFPに挿入した。
[Experimental Method]
[Plasmid construction]
First, pAptamerCassette-EGFP was digested with restriction enzymes AgeI and BamHI. Next, the single-stranded synthetic DNA oligos shown in Table 3 were annealed to form double-stranded DNA, which was then inserted into the digested pAptamerCassette-EGFP.

Figure 0007630835000006
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Figure 0007630835000011
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[トリガープラスミドの作製]
まず、表4に示すプライマーセットを用いてトリガータンパク質のORFをPCRにより増幅した。続いて、増幅したORFを適切な制限酵素で切断後、pcDNA3.1-myc-HisAのCMVプロモーター下流に挿入した。ただし、図2中のSpCas9のみAddgeneで購入したプラスミド (#41815) をトリガーとして使用した。Nc_gRNA_v2およびCas14a1_sgRNA2はバージョン1を作製後、各iPCR用プライマーセットを使い、KOD -Plus- Mutagenesis Kit (TOYOBO)あるいはQ5 Site-Directed Mutagenesis Kit (NEB)を用いてインバースPCRを行い、ライゲーションした。
[Preparation of trigger plasmid]
First, the ORF of the trigger protein was amplified by PCR using the primer set shown in Table 4. Next, the amplified ORF was cut with an appropriate restriction enzyme and inserted downstream of the CMV promoter of pcDNA3.1-myc-HisA. However, only SpCas9 in Figure 2 used a plasmid (#41815) purchased from Addgene as a trigger. After preparing version 1 of Nc_gRNA_v2 and Cas14a1_sgRNA2, inverse PCR was performed using each iPCR primer set using the KOD -Plus- Mutagenesis Kit (TOYOBO) or Q5 Site-Directed Mutagenesis Kit (NEB), and ligation was performed.

Figure 0007630835000012
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Figure 0007630835000013
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[スプリットCas9の作製]
表5に示すプライマーセットを用いて、SpCas9発現ベクターを鋳型にインバースPCRを行い、ORFの前半部分または後半部分を欠損させた。また、薬剤応答性Cas9を作製する際には、表5に示すプライマーセットを用いてDmrA、DmrCを増幅後、それらをIn-Fusion HD Cloning Kit (Clontech) を用いてスプリットCas9の各断片に融合した。
[Creation of split Cas9]
Inverse PCR was performed using the SpCas9 expression vector as a template to delete the first or second half of the ORF with the primer set shown in Table 5. In addition, when preparing drug-responsive Cas9, DmrA and DmrC were amplified with the primer set shown in Table 5, and then fused to each fragment of split Cas9 using the In-Fusion HD Cloning Kit (Clontech).

Figure 0007630835000014
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Figure 0007630835000015
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[多重回路構築用プラスミドの作製]
まず、表6に示すプライマーセットを用いて、各Casタンパク質のORFを増幅した。続いて、表6に示すプライマーセットを用いて、各スイッチプラスミドを鋳型としたインバースPCRを行い、ORF以外の領域を含む線状プラスミドバックボーンを増幅した。最後に、In-Fusion HD Cloning Kit (Clontech)を用いて、Casタンパク質のORFをプラスミドバックボーンに挿入した。
[Preparation of plasmids for constructing multiple circuits]
First, the ORF of each Cas protein was amplified using the primer set shown in Table 6. Next, inverse PCR was performed using each switch plasmid as a template using the primer set shown in Table 6 to amplify a linear plasmid backbone containing a region other than the ORF. Finally, the ORF of the Cas protein was inserted into the plasmid backbone using the In-Fusion HD Cloning Kit (Clontech).

Figure 0007630835000016
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培養細胞へのトランスフェクションのためのプラスミドは、市販のMidiprep kit (QIAGENまたはPromega) を用いて大量精製した。Plasmids for transfection into cultured cells were purified in large quantities using a commercially available Midiprep kit (QIAGEN or Promega).

[IVTテンプレートの構築]
SpCas9タンパク質コード領域 (ORF)、SpCas9 mRNA及びレファレンスmRNA作製用の5’-UTR及び3’-UTR配列は、プラスミドあるいはオリゴDNAから適当なプライマーを用いて、PCR増幅した。鋳型としたプラスミドと使用したプライマー、及び鋳型としたオリゴDNAと使用したプライマーは、それぞれ表7の通りである。
[Construction of IVT template]
The SpCas9 protein coding region (ORF), 5'-UTR and 3'-UTR sequences for SpCas9 mRNA and reference mRNA were amplified by PCR from plasmids or oligo DNA using appropriate primers. The template plasmids and primers used, and the template oligo DNA and primers used are shown in Table 7.

Figure 0007630835000017
Figure 0007630835000017

トリガーmRNA及びレファレンスmRNA合成用IVTテンプレートを作製するために、5’-UTR断片、3’-UTR断片、及びORFを、表8に示すT7FwdA及びRev120Aのプライマーセットを用いたPCR増幅により連結した。レファレンスmRNAとは、翻訳制御を受けることなく翻訳されてコードするタンパク質を発現するmRNAをいう。To prepare IVT templates for the synthesis of trigger and reference mRNAs, the 5'-UTR fragment, 3'-UTR fragment, and ORF were linked by PCR amplification using the primer set of T7FwdA and Rev120A shown in Table 8. Reference mRNA refers to an mRNA that is translated without translational control to express the encoded protein.

Figure 0007630835000018
Figure 0007630835000018

スイッチ mRNA合成用IVTテンプレートを作製するために、表8のプライマーを用いてSpCas9応答スイッチプラスミドを鋳型として、5’-UTRおよびORFを含む領域を増幅した。その後、3’-UTR断片増幅産物を、表8のプライマーセットを用いたPCR増幅により連結した。ORFは、配列番号1~25及び配列番号239~252にリストしたものを用いた。To prepare an IVT template for switch mRNA synthesis, the SpCas9-responsive switch plasmid was used as a template to amplify a region containing the 5'-UTR and ORF using the primers in Table 8. The 3'-UTR fragment amplified product was then linked by PCR amplification using the primer set in Table 8. The ORFs used were those listed in SEQ ID NOs: 1 to 25 and SEQ ID NOs: 239 to 252.

PCR産物は、MinElute PCR purification kit (QIAGEN)を用いて、キットに付属のマニュアルに従って精製した。プラスミドを鋳型にPCR増幅した産物については、精製前にDpn I (TOYOBO)を用いて、37°Cで30分間インキュベートし、プラスミドを消化した。 PCR products were purified using the MinElute PCR purification kit (QIAGEN) according to the manual that came with the kit. Products amplified by PCR using plasmid as a template were digested with Dpn I (TOYOBO) by incubation at 37°C for 30 minutes before purification.

[mRNAの合成、精製]
mRNAの合成はMEGAscript T7 Transcription Kit (Ambion)を用いて行った。この反応において、スイッチmRNA以外は、ウリジン三リン酸及びシチジン三リン酸に替えて、シュードウリジン-5’-三リン酸及び5-メチルシチジン-5’-三リン酸(TriLink BioTechnologies)をそれぞれ使用した。また、グアノシン三リン酸は、Anti- Reverse Cap Analog (New England Biolabs)で5倍希釈したものを使用した。反応混合液を37°Cで6時間反応させた後、TURBO DNase (Ambion)を添加し、さらに37°Cで30分間恒温処理した。得られたmRNAは、FavorPrep Blood / Cultured Cell total RNA extraction clumn (Favorgen Biotech) もしくはMonarch RNA Cleanup kit (New England Biolabs)を用いて精製した。精製後のmRNAに対し、Antarctic Phosphatase (New England Biolabs)を用いて、37°Cで30分間恒温処理することにより5’末端の脱リン酸化を行った。その後、RNeasy MinElute Cleanup Kit (QIAGEN)もしくはMonarch RNA Cleanup kit (New England Biolabs)を用いて精製した。
[mRNA synthesis and purification]
Synthesis of mRNA was performed using MEGAscript T7 Transcription Kit (Ambion). In this reaction, except for the switch mRNA, pseudouridine-5'-triphosphate and 5-methylcytidine-5'-triphosphate (TriLink BioTechnologies) were used instead of uridine triphosphate and cytidine triphosphate, respectively. Guanosine triphosphate was used after 5-fold dilution with Anti-Reverse Cap Analog (New England Biolabs). After reacting the reaction mixture at 37°C for 6 hours, TURBO DNase (Ambion) was added and further incubated at 37°C for 30 minutes. The obtained mRNA was purified using FavorPrep Blood / Cultured Cell total RNA extraction clumn (Favorgen Biotech) or Monarch RNA Cleanup kit (New England Biolabs). The purified mRNA was dephosphorylated at the 5' end by incubating at 37°C for 30 minutes using Antarctic Phosphatase (New England Biolabs). The RNA was then purified using the RNeasy MinElute Cleanup Kit (QIAGEN) or Monarch RNA Cleanup kit (New England Biolabs).

[細胞培養]
293FT細胞は10% FBS、2mM L-Glutamine (Invitrogen)、1X MEM Non-Essential Amino Acids (Invitrogen)、1 mM Sodium Pyruvate (Sigma)を添加したDMEM (ナカライテスク)を用い、37℃、5%CO2条件下で培養した。
[Cell culture]
293FT cells were cultured in DMEM (Nacalai Tesque) supplemented with 10% FBS, 2 mM L-Glutamine (Invitrogen), 1X MEM Non-Essential Amino Acids (Invitrogen), and 1 mM Sodium Pyruvate (Sigma) at 37°C and 5 % CO2.

[プラスミドのトランスフェクション]
293FT細胞は、トランスフェクションの24時間前に24ウェルプレート、96ウェルプレートあるいは384ウェルプレートに播種した。プラスミドはLipofectamine2000 (Invitrogen)を用いて、付属のマニュアルに従って導入した。スイッチプラスミドとトリガープラスミドの質量比が1対4になるようにOpti-MEM(Invitrogen)中で混合した。スプリットCas9の試験では、各断片を発現するプラスミドをスイッチに対して4倍量導入した。また、薬剤応答性の試験では、トランスフェクションの1時間以上前に終濃度が0.5 uMになるようA/C Heterodimerizer (Clontech)を培地に添加した。多層回路の実験では、layer0:1:2:3:4:5 = 1:4:4:16:64:256になるよう各プラスミドを共導入した。すべての実験で、iRFP670発現プラスミドを、トランスフェクションコントロールとして使用した。
[Plasmid transfection]
293FT cells were seeded in 24-, 96-, or 384-well plates 24 hours before transfection. Plasmids were introduced using Lipofectamine2000 (Invitrogen) according to the attached manual. The switch plasmid and trigger plasmid were mixed in Opti-MEM (Invitrogen) so that the mass ratio was 1:4. In split Cas9 tests, plasmids expressing each fragment were introduced in four times the amount of the switch. In drug responsiveness tests, A/C Heterodimerizer (Clontech) was added to the medium at a final concentration of 0.5 uM at least 1 hour before transfection. In multilayer circuit experiments, each plasmid was co-introduced at layer0:1:2:3:4:5 = 1:4:4:16:64:256. In all experiments, iRFP670 expression plasmid was used as a transfection control.

[mRNAトランスフェクション]
培養細胞は24ウェルプレートに播種し、翌日に合成したmRNAを導入した。導入は1 μLのLipofectamine messengerMAX (Invitrogen)を用いて、付属のマニュアルに従って実施した。293FT細胞に、スイッチmRNA 100 ng、トリガーmRNA 100 ng、レファレンスmRNA 100 ngを共導入した。
[mRNA transfection]
Cultured cells were seeded on 24-well plates, and the synthesized mRNA was transfected the next day. Transfection was performed using 1 μL of Lipofectamine messengerMAX (Invitrogen) according to the attached manual. 293FT cells were co-transfected with 100 ng of switch mRNA, 100 ng of trigger mRNA, and 100 ng of reference mRNA.

[細胞イメージング]
蛍光顕微鏡写真はCytell Cell Imaging System (GE Healthcare Life Sciences) を用いて撮影した。蛍光顕微鏡写真の輝度とコントラストをImageJ ソフトウェア (NIH) を用いて編集した。
[Cell Imaging]
Fluorescence micrographs were taken using a Cytell Cell Imaging System (GE Healthcare Life Sciences). The brightness and contrast of the fluorescence micrographs were edited using ImageJ software (NIH).

[フローサイトメトリー]
トランスフェクションの翌日に細胞をプレートから分離し、メッシュを通して、フローサイトメトリーにより分析した。24ウェルプレートを用いた実験では、Accuri C6 (BD Biosciences)を使用した。EGFPはFL1 (530/30 nm) filtersにより検出した。iRFP670はFL4 (675/12.5 nm) filtersにより検出した。死細胞及びデブリは、前方及び側方光散乱シグナルにより除外した。プラスミドを用いた翻訳効率の計算は、生細胞のうち、iRFP670の蛍光値が一定以上のものを解析対象とした。
[Flow cytometry]
The day after transfection, cells were detached from the plate and analyzed by flow cytometry through a mesh. In experiments using 24-well plates, Accuri C6 (BD Biosciences) was used. EGFP was detected using FL1 (530/30 nm) filters. iRFP670 was detected using FL4 (675/12.5 nm) filters. Dead cells and debris were excluded based on forward and side light scattering signals. For calculation of translation efficiency using plasmids, live cells with iRFP670 fluorescence values above a certain level were analyzed.

[結果]
[mRNAスイッチの設計]
mRNAスイッチは任意の遺伝子をコードするmRNAの5’-UTR に、入力タンパク質により特異的に認識される核酸配列 (アプタマー配列) を挿入することで構築した。ここでは、入力タンパク質である各Casタンパク質に対応する既知のcrRNA (CRISPR RNA) あるいはsgRNA (single guide RNA; crRNAとtrans-activating crRNA (tracrRNA) のキメラRNA) の配列をアプタマー配列と見立てることで、スイッチの設計を行った。mRNA中に埋め込まれた特異なcrRNA/sgRNAを各Casタンパク質が認識し結合することで、翻訳の抑制が引き起こされる(図1)。
[result]
[Design of mRNA switches]
The mRNA switch was constructed by inserting a nucleic acid sequence (aptamer sequence) that is specifically recognized by an input protein into the 5'-UTR of an mRNA encoding a gene of interest. Here, the switch was designed by regarding the known sequences of crRNA (CRISPR RNA) or sgRNA (single guide RNA; a chimeric RNA of crRNA and trans-activating crRNA (tracrRNA)) that correspond to each Cas protein, the input protein, as the aptamer sequence. Translational inhibition is triggered when each Cas protein recognizes and binds to the specific crRNA/sgRNA embedded in the mRNA (Figure 1).

[Casタンパク質応答mRNAスイッチの機能評価]
前述の設計に基づいて、GFPを出力タンパク質とするmRNAスイッチを発現するプラスミド (スイッチプラスミド) を作製し、入力タンパク質であるCasタンパク質を発現するプラスミド(トリガープラスミド) およびトランスフェクションコントロールであるiRFP670を発現するプラスミド (レファレンスプラスミド) とともに293FT細胞に導入した。ここではまず、ヒト細胞内でRNA誘導核酸標的能を有することが報告されているCasタンパク質10種類を選定した。図2は、各スイッチプラスミドの翻訳効率を示すグラフである。翻訳効率は、まず各スイッチについてGFPの蛍光強度をiRFP670の蛍光強度で割り、次に、トリガープラスミド導入時の値を非導入時の値で割って求めた。さらに、コントロールのスイッチプラスミド(No aptamer) を基準として比較した。結果を図2A~Jに示す。エラーバーは平均± 標準偏差 (n = 3、独立した3回の実験) を示す。NmCas9応答mRNAスイッチ以外の9つのスイッチで、高い翻訳抑制が示された(最低抑制率約80%)。Casタンパク質および対応するcrRNA/sgRNAを利用することでmRNAスイッチを高確率で作製できることがわかった。
[Functional evaluation of Cas protein-responsive mRNA switches]
Based on the above design, a plasmid (switch plasmid) expressing an mRNA switch with GFP as the output protein was prepared and introduced into 293FT cells together with a plasmid (trigger plasmid) expressing the input protein Cas protein and a plasmid (reference plasmid) expressing iRFP670 as a transfection control. Here, we first selected 10 types of Cas proteins that have been reported to have RNA-guided nucleic acid targeting ability in human cells. Figure 2 is a graph showing the translation efficiency of each switch plasmid. The translation efficiency was calculated by first dividing the GFP fluorescence intensity by the iRFP670 fluorescence intensity for each switch, and then dividing the value when the trigger plasmid was introduced by the value when it was not introduced. In addition, the control switch plasmid (No aptamer) was used as a reference for comparison. The results are shown in Figure 2A-J. Error bars indicate the mean ± standard deviation (n = 3, three independent experiments). Nine switches other than the NmCas9-responsive mRNA switch showed high translation inhibition (minimum inhibition rate of approximately 80%). We found that mRNA switches can be created with a high probability by using Cas proteins and the corresponding crRNA/sgRNA.

[フォワードエンジニアリングによるNmCas9応答スイッチの作製(1)]
翻訳抑制が観察できなかったNmCas9応答スイッチについて、RNA工学的アプローチから、その機能を改善できるかどうか検証した。NmCas9のsgRNAについては、複数のデザインが報告されていることから、これら別のgRNA配列あるいはその複合デザインをもつgRNAがスイッチとして機能しうるか検証した。最初の検証実験で使用したgRNAの配列(Nm_gRNA)に加えて、新たなデザインおよびgRNA配列を試験した(Nm_gRNA_v1-5)。エラーバーは平均± 標準偏差 (n = 3、独立した3回の実験)を示す。その結果、Nm_gRNA_v3およびv4において抑制が観察された(図3)。翻訳抑制能が弱いものでも、挿入するsgRNAの配列を検討することで機能改善が見込めることが示された。
[Creating an NmCas9-responsive switch by forward engineering (1)]
We examined whether the function of the NmCas9-responsive switch, for which translational repression was not observed, could be improved by an RNA engineering approach. Since multiple designs have been reported for the sgRNA of NmCas9, we examined whether gRNAs with these other gRNA sequences or their combined designs could function as switches. In addition to the gRNA sequence (Nm_gRNA) used in the first validation experiment, new designs and gRNA sequences were tested (Nm_gRNA_v1-5). Error bars indicate the mean ± standard deviation (n = 3, three independent experiments). As a result, repression was observed in Nm_gRNA_v3 and v4 (Figure 3). It was shown that even in those with weak translational repression ability, functional improvement can be expected by considering the sequence of the sgRNA to be inserted.

[SpCas9応答スイッチは翻訳制御によってレポーターの発現を抑制する]
多くのCasタンパク質は、本来細胞内DNAを標的としたゲノム編集に利用されている。また、gRNA配列を含む人工RNAを共導入していることから、意図しないゲノム編集効果によって、レポーターの発現が抑制されている可能性がある。そこで、レポーターの発現抑制が、真に翻訳抑制によって引き起こされているかどうかSpCas9を用いて検証した。野生型(核移行シグナル(NLS)を持つ)とDNA切断活性についての変異体(ニッカーぜおよびDNA切断ヌル)、NLSを持たないSpCas9の4種をそれぞれ、入力タンパク質として導入した場合について、同一のレポーターの発現量を比較した(図4A)。この結果、すべての条件についてレポーター発現の顕著な差は観察されなかった。エラーバーは平均± 標準偏差 (n = 3、独立した3回の実験)を示す。従って、SpCas9によるレポーターの発現抑制は、翻訳抑制によって引き起こされている可能性が高い。さらに、SpCas9のDNA結合能を阻害するanti-CRISPRタンパク質(AcrIIA4)を共導入した場合、レポーターの発現抑制が阻害されるかどうかも検証した。入力タンパク質としては、図4Aの野生型(SpCas9(WT))と同じものを用いた。この結果、AcrIIA4の導入はレポーターの発現抑制に大きく影響しなかった(図4B)。従って、SpCas9によるレポーターの発現抑制は、SpCas9のDNA結合によっては引き起こされておらず、翻訳抑制による効果であることが支持される。
[SpCas9 response switch suppresses reporter expression by regulating translation]
Many Cas proteins are originally used for genome editing targeting intracellular DNA. In addition, because artificial RNA containing a gRNA sequence was co-introduced, it is possible that reporter expression was suppressed by unintended genome editing effects. Therefore, we used SpCas9 to verify whether reporter expression suppression was truly caused by translational repression. We compared the expression levels of the same reporter when four types of SpCas9 were introduced as input proteins: wild type (having a nuclear localization signal (NLS)), mutants for DNA cleavage activity (nickase and DNA cleavage null), and SpCas9 without an NLS (Figure 4A). As a result, no significant difference in reporter expression was observed under any of the conditions. Error bars indicate the mean ± standard deviation (n = 3, three independent experiments). Therefore, it is highly likely that reporter expression suppression by SpCas9 is caused by translational repression. In addition, we also verified whether reporter expression suppression was inhibited when an anti-CRISPR protein (AcrIIA4), which inhibits the DNA binding ability of SpCas9, was co-introduced. The input protein used was the same as the wild type (SpCas9 (WT)) in Figure 4A. As a result, the introduction of AcrIIA4 did not significantly affect the suppression of reporter expression (Figure 4B). This supports the view that the suppression of reporter expression by SpCas9 is not caused by DNA binding of SpCas9, but is an effect of translational suppression.

[切断を伴わないCasタンパク質による翻訳抑制効果の検証]
Casタンパク質の中には、複数のcrRNAが連なったpre-crRNAに結合し、そのcrRNAを自ら適切に切り出して利用するものがある。このようなCasタンパク質を用いてスイッチを作製する場合、Casタンパク質がmRNA中のcrRNAに結合することで、mRNAが切断・分解され、翻訳抑制が引き起こされる可能性がある。これは、mRNAスイッチの分解を伴わない翻訳抑制を実現したい場合には欠点となりうる。こうしたCasタンパク質について、mRNAの切断が翻訳抑制に必須かどうか、pre-crRNAの切り出し活性を持つことが報告されているCasタンパク質の一つであるAsCas12a (AsCpf1) を用いて検証した。AsCas12a(H800A)変異体は、crRNA自体とは結合できるがpre-crRNAプロセシング能はないことが報告されている。この変異体を用いることで、Cas12aによるmRNA分解を伴わない翻訳抑制が可能かどうか調査した。エラーバーは平均± 標準偏差 (n = 3、独立した3回の実験) を示す。その結果、Cas12a変異型は、野生型Cas12a比べてわずかに翻訳抑制効率は落ちるものの、依然として高い翻訳抑制能(約80%)を有することが示唆された(図5)。この結果は、mRNA上のcrRNAに結合したCasタンパク質による翻訳抑制においては、crRNAとCasタンパク質の結合そのものが重要であり、必ずしもcrRNAの切り出し活性を必要としないことを示唆している。すなわち、Casタンパク質応答mRNAスイッチは、mRNA の分解を伴う翻訳抑制と伴わない翻訳抑制のいずれにも利用可能である。
[Verification of translational repression effect by Cas proteins without cleavage]
Some Cas proteins bind to pre-crRNA, which is a series of multiple crRNAs, and then excise and use the crRNA appropriately. When creating a switch using such a Cas protein, the binding of the Cas protein to the crRNA in the mRNA may cause the mRNA to be cleaved and degraded, resulting in translational repression. This can be a drawback if you want to achieve translational repression without degrading the mRNA switch. We examined whether mRNA cleavage is essential for translational repression using such Cas proteins, using AsCas12a (AsCpf1), one of the Cas proteins that has been reported to have pre-crRNA excision activity. It has been reported that the AsCas12a(H800A) mutant can bind to the crRNA itself but does not have the ability to process pre-crRNA. We investigated whether translational repression without mRNA degradation by Cas12a is possible using this mutant. Error bars indicate the mean ± standard deviation (n = 3, three independent experiments). As a result, it was suggested that the Cas12a mutant had a slightly lower translation repression efficiency than the wild-type Cas12a, but still had a high translation repression ability (about 80%) (Figure 5). This result suggests that in translation repression by Cas protein bound to crRNA on mRNA, the binding between crRNA and Cas protein itself is important, and the excision activity of crRNA is not necessarily required. In other words, the Cas protein-responsive mRNA switch can be used for both translation repression accompanied by and without mRNA degradation.

[Casタンパク質応答RNAインバーター]
mRNAスイッチは、標的タンパク質存在時に自身の翻訳を抑制するOFFスイッチであるが、このOFFスイッチをONスイッチに変換する (標的タンパク質存在時に自身の翻訳を誘発する) RNAインバーターが開発されている。RNAインバーターの構築は、OFFスイッチと同様に、mRNAの5’-UTR上にアプタマー配列を挿入することで達成できる。ONスイッチは、OFFスイッチの5’-UTRとレポーター遺伝子の間に、出力を変換する特殊なRNAインバーター配列を挿入することで構築される。そこで、Cas応答mRNAスイッチも同様にRNAインバーターを利用してONスイッチに転換可能かどうか検証した。翻訳抑制を示したCasタンパク質の中からSpCas9、SaCas9、St1Cas9、CjCas9、AsCas12aおよびその変異体AsCas12a(H800A)、そしてPspCas13bを選出し、crRNA/sgRNAを搭載したONスイッチを作製した。RNAインバーター配列は、配列番号64、67に記載のものを使用した。エラーバーは平均± 標準偏差(n = 3、独立した3回の実験, PspCas13bのみn = 2)を示す。結果として、PspCas13bを除くCasタンパク質において翻訳を促進できるRNAインバーターの構築に成功した(図6A~図6F)。PspCas13bはpre-crRNAプロセシング能を有することから、この切断によってmRNA分解が起こり、翻訳促進が不可能になったと考えられる(図6B)。一方、PspCas13bと同様にpre-crRNAプロセシング能を有するAsCas12aでは翻訳促進が観察されている(図6F)。この違いはCasタンパク質がpre-crRNAをプロセシングする際のRNAの切断位置の違いによるものと予想される。PspCas13bは、結合領域の3’側でRNAを切断するが、AsCas12aは5’側を切断すると考えられている。従って、PspCas13b-crRNA複合体はmRNAから切り離されるため、5’末端の露出したmRNAが産出される。その結果、mRNAの分解が促進されるため、PspCas13b応答のONスイッチは作製できない。一方、AsCas12aは、mRNAの5’側を切断するため、自身はmRNAの末端に結合し続けていると予想される。このため、mRNAの分解が抑制され、結果としてRNAインバーターが機能すると考えられる。以上のことから、Cas13bのような結合部位からRNAの3’側を切断するようなCasタンパク質以外であれば、Casタンパク質応答RNAインバーターを作製できる可能性が高い。
[Cas protein-responsive RNA inverter]
An mRNA switch is an OFF switch that suppresses its own translation in the presence of a target protein, but an RNA inverter has been developed that converts this OFF switch into an ON switch (induces its own translation in the presence of a target protein). The construction of an RNA inverter can be achieved by inserting an aptamer sequence into the 5'-UTR of an mRNA, just like an OFF switch. An ON switch is constructed by inserting a special RNA inverter sequence that converts the output between the 5'-UTR of the OFF switch and a reporter gene. Therefore, we verified whether the Cas-responsive mRNA switch can also be converted into an ON switch using an RNA inverter. Among the Cas proteins that showed translation suppression, SpCas9, SaCas9, St1Cas9, CjCas9, AsCas12a and its mutant AsCas12a (H800A), and PspCas13b were selected, and an ON switch equipped with crRNA/sgRNA was created. The RNA inverter sequences used were those described in SEQ ID NOs: 64 and 67. Error bars indicate mean ± standard deviation (n = 3, 3 independent experiments, n = 2 for PspCas13b only). As a result, we succeeded in constructing an RNA inverter that can promote translation in Cas proteins other than PspCas13b (Fig. 6A-F). Since PspCas13b has the ability to process pre-crRNA, it is considered that this cleavage caused mRNA degradation, making it impossible to promote translation (Fig. 6B). On the other hand, translation promotion was observed in AsCas12a, which has the ability to process pre-crRNA like PspCas13b (Fig. 6F). This difference is expected to be due to the difference in the cleavage site of RNA when Cas proteins process pre-crRNA. PspCas13b cleaves RNA at the 3' side of the binding region, while AsCas12a is thought to cleave at the 5' side. Therefore, the PspCas13b-crRNA complex is detached from the mRNA, resulting in the production of mRNA with an exposed 5' end. As a result, mRNA degradation is promoted, making it impossible to create an ON switch responsive to PspCas13b. On the other hand, AsCas12a cleaves the 5' end of mRNA, so it is expected that it will continue to bind to the end of the mRNA. This suppresses mRNA degradation, and as a result, the RNA inverter is thought to function. From the above, it is highly likely that it will be possible to create a Cas protein-responsive RNA inverter using any Cas protein other than Cas13b, which cleaves the 3' end of the RNA from the binding site.

[RNA導入法によるCasタンパク質応答mRNAスイッチの機能評価]
プラスミドではなくmRNAを培養細胞へ直接導入しても、Casタンパク質応答mRNAスイッチが機能するか検証した。ここでは代表としてSpCas9応答mRNAスイッチを用いた。スイッチmRNA、SpCas9(入力タンパク質)を発現するトリガーmRNA、及び一連のmRNAが細胞に導入されているか確認するためのレファレンスmRNA (iRFP670 mRNA)を293FT細胞に共導入した。図7Aの上パネルは、トリガーmRNA導入の有無によるスイッチの蛍光変化を、フローサイトメトリーによってプロットしたものである。トリガーmRNAの導入よって、集団が下方に移動することが確認された。図7Aの下パネルは、トリガーmRNA導入の有無での、mRNAの翻訳効率の違いを示したヒストグラムである。図7Bにおいて、翻訳効率は、まずEGFPの蛍光強度をiRFP670の蛍光強度で割り、次に、トリガーmRNA導入時の値を非導入時の値で割って求めた。SpCas9の導入によってスイッチmRNAからの翻訳が特異的に抑制されることが観察された。従って、Casタンパク質応答mRNAスイッチはmRNA導入法によっても機能することが示された。
[Functional evaluation of Cas protein-responsive mRNA switches using RNA transfection]
We verified whether the Cas protein-responsive mRNA switch would function even if mRNA, instead of a plasmid, was directly introduced into cultured cells. Here, we used the SpCas9-responsive mRNA switch as a representative example. Switch mRNA, trigger mRNA expressing SpCas9 (input protein), and reference mRNA (iRFP670 mRNA) to confirm whether a series of mRNAs had been introduced into cells were co-introduced into 293FT cells. The upper panel of Figure 7A shows the fluorescence change of the switch with and without the introduction of trigger mRNA plotted by flow cytometry. It was confirmed that the population shifted downward due to the introduction of trigger mRNA. The lower panel of Figure 7A is a histogram showing the difference in the translation efficiency of mRNA with and without the introduction of trigger mRNA. In Figure 7B, the translation efficiency was calculated by first dividing the fluorescence intensity of EGFP by the fluorescence intensity of iRFP670, and then dividing the value when the trigger mRNA was introduced by the value when it was not introduced. It was observed that translation from the switch mRNA was specifically suppressed by the introduction of SpCas9. Therefore, it was demonstrated that the Cas protein-responsive mRNA switch also functions via the mRNA introduction method.

[Casタンパク質応答mRNAスイッチの拡充]
図2にて試験したCasタンパク質に加えて、さらに15種類のCasタンパク質についてmRNAスイッチの翻訳抑制因子として機能するかどうかを検証した。ここでは、ヒト細胞中で核酸標的能を有するFnCas9、St3Cas9、LbCas12a、FnCas12a、MbCas12aに加えて、活性がないか非常に低いと考えられているCdCas9、ClCas9、NcCs9, SpaCas9, PlCas9や、最近報告されたCas12bファミリー、Cas14a1とCasX (PlmCasX)を使用した。各Casタンパク質について複数のsgRNAが報告されている場合は、各sgRNA配列を使用して効果を検証した。結果としてこれら15種類のCasタンパク質のうち13種類は、適切なcrRNA/sgRNAをアプタマーとして利用することで、翻訳抑制を達成できることが示された (図8A~O)。この結果から、将来的に新たに発見されるCasタンパク質についても、crRNA/sgRNAを5’-UTRに埋め込むことでOFFスイッチ化するというアプローチを高確率で適用可能であることが示唆された。
[Expansion of Cas protein-responsive mRNA switches]
In addition to the Cas proteins tested in Figure 2, 15 more Cas proteins were examined to see whether they function as translational repressors of mRNA switches. In addition to FnCas9, St3Cas9, LbCas12a, FnCas12a, and MbCas12a, which have nucleic acid targeting ability in human cells, we also used CdCas9, ClCas9, NcCs9, SpaCas9, and PlCas9, which are thought to have no or very low activity, as well as the recently reported Cas12b family, Cas14a1, and CasX (PlmCasX). When multiple sgRNAs were reported for each Cas protein, the effect was verified using each sgRNA sequence. As a result, it was shown that 13 of these 15 Cas proteins could achieve translational repression by using appropriate crRNA/sgRNA as aptamers (Figure 8A-O). These results suggest that the approach of embedding crRNA/sgRNA into the 5'-UTR to switch off Cas proteins may be applicable with a high degree of certainty to Cas proteins that will be newly discovered in the future.

[Casタンパク質応答翻訳ONスイッチの拡充]
追加で拡充したmRNAスイッチに加え、前述のRNAインバーター配列によるONスイッチ開発から得た知見から、さらに翻訳ONスイッチの拡充を行った。エラーバーは平均± 標準偏差 (n = 3、独立した3回の実験)を示す。試験したすべてのCasタンパク質に対してONスイッチを開発できた(図9A~G)。また、CasRx応答スイッチのように、翻訳抑制の効果が、他のものと比べ劣っていても、RNAインバーターの利用によって高い翻訳ON効果を示すものも見いだされた(図9A)。従って、翻訳抑制スイッチとしては、有望でないCasタンパク質であってもRNAインバーター配列の利用によって、有用な翻訳制御スイッチになり得る。
[Expansion of Cas protein-responsive translation ON switches]
In addition to the additionally expanded mRNA switches, we further expanded the translation ON switches based on the knowledge gained from the development of the ON switches using the RNA inverter sequences described above. Error bars indicate the mean ± standard deviation (n = 3, three independent experiments). We were able to develop ON switches for all Cas proteins tested (Fig. 9A-G). In addition, we found that some Cas proteins, such as the CasRx response switch, showed a high translation ON effect by using an RNA inverter even though the translation repression effect was inferior to others (Fig. 9A). Therefore, even Cas proteins that are not promising as translation repression switches can become useful translation control switches by using an RNA inverter sequence.

[タンパク質工学に基づく翻訳プログラミング1]
Casタンパク質に対する既存のエンジニアリングを利用して、翻訳制御をプログラムできるかどうか検証した。ここでは、よく改変に利用されているSpCas9を使用し、2つの入力分子 (input A, B) が同時に存在するときのみ翻訳を抑制するNANDゲート型の翻訳制御が可能かどうか検討した。NANDゲート型の翻訳制御を実現するために、Cas9タンパク質を2つの領域に分割したスプリットCas9の利用を試みた。SpCas9は713番目の残基と714番目の残基間で分断した場合、各断片が会合すれば核酸標的能が回復することが知られている。ここでは、会合効率を高めるために、各断片に分離インテインを導入した。インテインは、タンパク質スプライシングと呼ばれる現象によって切除されるタンパク質部分の名称である。インテインを含むタンパク質は、自身のインテイン部位を自律的に切除した後、残った部分を再結合する。中でも分離インテインは、別々のタンパク質として翻訳された2つのタンパク質にN-inteinあるいはC-inteinとして含まれている。この2タンパク質がインテインを介して会合するとインテイン部分は切除され、2タンパク質がきれいに融合したタンパク質が生成される。つまり、今回の場合は、SpCas9(N-term)とSpCas9(C-term)の両方が細胞中に存在するときに、完全長のSpCas9が生成されるため、翻訳抑制が引き起こされる(図10A、図10B)。上記仮説を立証するため、各スプリットタンパク質発現プラスミドを準備し、293FT細胞にスイッチプラスミドおよびレファレンスプラスミドとともに共導入した。その結果、意図したとおり、両Cas9断片を導入した場合([1,1])のみ、完全長Cas9(WT)を導入した場合と同等の翻訳抑制が実現された(図10C)。すなわち、インテインを含むスプリットCas9の使用によって、NANDゲート型翻訳制御を達成できる(図10B、図10C)。
[Translation programming based on protein engineering 1]
We verified whether translational control can be programmed using existing engineering of Cas proteins. Here, we used SpCas9, which is often used for modification, and examined whether it is possible to achieve NAND-gate type translational control, which suppresses translation only when two input molecules (input A, B) are present at the same time. To achieve NAND-gate type translational control, we attempted to use split Cas9, which is a Cas9 protein divided into two domains. It is known that when SpCas9 is split between residues 713 and 714, its nucleic acid targeting ability is restored if the fragments are assembled. Here, we introduced a split intein into each fragment to increase the assembly efficiency. An intein is the name of a protein portion that is excised by a phenomenon called protein splicing. Proteins containing inteins autonomously excise their own intein sites and then recombine the remaining portions. Among them, split inteins are contained as N-inteins or C-inteins in two proteins that are translated as separate proteins. When these two proteins are assembled via an intein, the intein portion is excised and a protein in which the two proteins are neatly fused is generated. In other words, in this case, when both SpCas9(N-term) and SpCas9(C-term) are present in the cell, full-length SpCas9 is generated, which causes translational repression (Fig. 10A, Fig. 10B). To verify the above hypothesis, we prepared each split protein expression plasmid and co-introduced it into 293FT cells together with the switch plasmid and reference plasmid. As a result, as intended, only when both Cas9 fragments were introduced ([1,1]), translational repression equivalent to that achieved when full-length Cas9(WT) was introduced was achieved (Fig. 10C). In other words, the use of split Cas9 containing an intein can achieve NAND-gate type translational control (Fig. 10B, Fig. 10C).

[タンパク質工学に基づく翻訳プログラミング2]
薬剤によってmRNAスイッチの機能制御が達成できれば、翻訳制御のタイミング、持続時間の操作が培養細胞レベルのみならず、生体利用の際にも容易になる。これまでに、薬剤誘導によってスプリットCas9が会合し、核酸標的能を回復させるシステムが報告されている。この仕組を応用することで、薬剤添加時にのみ翻訳抑制を引き起こすシステムを構築できると考えた。ここでは、市販のiDimerize Inducible Heterodimer Systemを導入した。174番目の残基と175番目の残基間(Split1)、535番目の残基と536番目の残基間(Split2)、あるいは713番目の残基と714番目の残基間(Split3)で分断したSpCas9(SpCas9(N-term)とSpCas9(C-term))の各断片のC末端あるいはN末端に、DmrA、DmrC結合ドメインにそれぞれ融合したスプリットCas9を作製した(図11A、代表例としてSplit3について記載)。A/C Heterodimerizer (drug)を培地に添加後、スイッチプラスミド、スプリットCas9発現プラスミドまたは完全長Cas9プラスミド、そしてレファレンスプラスミドを293FT細胞にトランスフェクションした。その結果、Split2,3においてdrug添加時のみ、スプリットCas9存在下でmRNAスイッチからの翻訳が顕著に抑制された(図11B)。これまでの結果(図10、11)から、Cas9に対する既存のタンパク質工学知見を応用して、mRNAスイッチを用いた翻訳プログラミングが首尾よく達成されることが示された。
[Translation programming based on protein engineering 2]
If the function of the mRNA switch can be controlled by drugs, it will be easy to manipulate the timing and duration of translational control not only at the cultured cell level but also when used in living organisms. A system has been reported in which split Cas9 associates with a drug-induced split Cas9 to restore nucleic acid targeting ability. We thought that by applying this mechanism, we could construct a system that causes translational repression only when a drug is added. Here, we introduced the commercially available iDimerize Inducible Heterodimer System. We created split Cas9 by fusing the DmrA and DmrC binding domains to the C-terminus or N-terminus of each fragment of SpCas9 (SpCas9(N-term) and SpCas9(C-term)) split between residues 174 and 175 (Split1), between residues 535 and 536 (Split2), or between residues 713 and 714 (Split3) (Figure 11A, Split3 is shown as a representative example). After adding A/C Heterodimerizer (drug) to the medium, 293FT cells were transfected with the switch plasmid, split Cas9 expression plasmid or full-length Cas9 plasmid, and reference plasmid. As a result, translation from the mRNA switch was significantly suppressed in the presence of split Cas9 only when the drug was added in Split2 and 3 (Fig. 11B). The results so far (Figs. 10 and 11) show that translation programming using the mRNA switch can be successfully achieved by applying existing protein engineering knowledge for Cas9.

[新規CRISPRシステムによる翻訳制御]
近年、新たなanti-CRISPRタンパク質として、Casタンパク質とgRNAの結合を阻害するものが報告されている。NmCas9に対するanti-CRISPRタンパク質AcrIIC2は、Cas9に結合し、そのgRNAとの結合を阻害することが知られている。AcrIIC2はまた、SaCas9のようないくつかのCas9ファミリーに対しても結合できるとことが報告されている。そこで、AcrIIC2を利用することで、新たな翻訳制御システムを構築できると考えた。すなわち、AcrIIC2存在時には、Cas9タンパク質による翻訳抑制を解除できるような系の構築を目指した。我々のこれまでの結果から、NmCas9応答スイッチは、十分な翻訳抑制能を示さなかった。一方、SaCas9は、非常に効率よく翻訳抑制できることが示唆されている。ここでは、AcrIIC2がSaCas9にも結合できることを利用して、翻訳制御システムの構築を試みた。 100 ngのスイッチプラスミドに対し、200 ngのSaCas9プラスミド及び100 ngのiRFP670プラスミドを293FT細胞に導入した。このとき、SaCas9プラスミドに対して0-10倍量のAcrIIC2発現プラスミドも共導入した。エラーバーは平均± 標準偏差(n = 3、独立した3回の実験)を示す。この結果、AcrIIC2によってSaCas9による翻訳抑制が解除されることが示唆された(図12)。従って、Casタンパク質を利用した翻訳制御法は、これから将来的に発見されるであろう様々なCRISPRシステムを利用することも可能と考えられる。
[Translation control by a novel CRISPR system]
In recent years, new anti-CRISPR proteins that inhibit the binding of Cas proteins to gRNA have been reported. The anti-CRISPR protein AcrIIC2 against NmCas9 is known to bind to Cas9 and inhibit its binding to gRNA. It has also been reported that AcrIIC2 can bind to some Cas9 family members such as SaCas9. Therefore, we thought that a new translation control system could be constructed by using AcrIIC2. In other words, we aimed to construct a system that can release translational repression by Cas9 protein when AcrIIC2 is present. Our results so far have shown that the NmCas9-responsive switch does not show sufficient translational repression ability. On the other hand, it has been suggested that SaCas9 can repress translation very efficiently. Here, we attempted to construct a translational control system by utilizing the ability of AcrIIC2 to bind to SaCas9. 200 ng of SaCas9 plasmid and 100 ng of iRFP670 plasmid were introduced into 293FT cells for 100 ng of switch plasmid. At this time, 0-10 times the amount of AcrIIC2 expression plasmid was also co-introduced with the SaCas9 plasmid. Error bars indicate the mean ± standard deviation (n = 3, three independent experiments). The results suggest that AcrIIC2 relieves translational repression by SaCas9 (Figure 12). Therefore, it is believed that the translational control method using Cas proteins can be used with various CRISPR systems that will be discovered in the future.

[Casタンパク質応答OFF スイッチ mRNA間の直交性]
Casタンパク質応答OFFスイッチmRNAを組み合わせた回路の構築に際して、その直交性を検証した。まず、図2A~C、E~Jにて翻訳抑制能を示した9種類のCasタンパク質応答mRNAスイッチ間の直交性を検証した。その結果、St1Cas9とSaCas9、およびPguCas13bとRanCas13bの間にクロストークが確認されたものの、それ以外の7種類については、直交性が示された(図13A、13B)。図13Bの翻訳効率を数値で表示した結果を表9に示す。
[Cas protein-responsive OFF switch mRNA orthogonality]
When constructing a circuit combining the Cas protein-responsive OFF switch mRNA, we verified its orthogonality. First, we verified the orthogonality between the nine types of Cas protein-responsive mRNA switches that showed translation repression ability in Figures 2A-C, E-J. As a result, crosstalk was confirmed between St1Cas9 and SaCas9, and between PguCas13b and RanCas13b, but orthogonality was demonstrated for the other seven types (Figures 13A and 13B). The translation efficiency in Figure 13B is shown in numerical form in Table 9.

Figure 0007630835000019
Figure 0007630835000019

さらに、図6にて新たに拡張したCasタンパク質応答OFFスイッチmRNAのうち7種類と過去に開発したL7Ae応答mRNAスイッチを合わせた計15種類のタンパク質応答mRNAスイッチ間の直交性を検証した。Cas12a間においてクロストークが観察されたが、その他の組み合わせでは、顕著なクロストークは確認されなかった(図13C)。従って、過去最多12種類のタンパク質応答性mRNAスイッチ間について直交性を有するセットが開発された。 Furthermore, we verified the orthogonality between 15 protein-responsive mRNA switches, including 7 of the newly expanded Cas protein-responsive OFF switch mRNAs shown in Figure 6 and the previously developed L7Ae-responsive mRNA switch. Crosstalk was observed between Cas12a switches, but no significant crosstalk was observed in other combinations (Figure 13C). Thus, a set with orthogonality between 12 protein-responsive mRNA switches, the largest number ever, was developed.

[多層回路の構築]
Casタンパク質応答OFFスイッチmRNAを組み合わせた回路として、多層回路の構築が可能かどうか検証した。多層回路は複数のOFFスイッチmRNAを階層的に組み合わせることで構築される。あるスイッチのトリガーとなる入力タンパク質は、別のトリガータンパク質に応答するOFFスイッチから出力タンパク質として発現する。あるスイッチから出力されるタンパク質が、一階層下流のスイッチの入力タンパク質となるため、Layerを重ねるごとに、出力遺伝子(ここではGFP)の発現が、ON→OFF→ONと変化する(図14A)。ここでは図2にて強い翻訳抑制を示した5つのスイッチを利用して多層回路を構築した。図14Bは各layer levelでの蛍光顕微鏡写真、フローサイトメトリー解析から得たヒストグラムおよび、算出した出力レベルである。layer levelの上昇に伴い、全体的な応答性は悪くなるものの、意図したとおりの、出力変化(ON→OFF→ON→OFF→ON→OFF)が観察できた。
[Construction of multi-layer circuits]
We verified whether it is possible to construct a multilayer circuit by combining Cas protein-responsive OFF switch mRNAs. A multilayer circuit is constructed by hierarchically combining multiple OFF switch mRNAs. An input protein that triggers a switch is expressed as an output protein from an OFF switch that responds to another trigger protein. Since a protein output from a switch becomes an input protein for a switch one layer downstream, the expression of the output gene (here, GFP) changes from ON to OFF to ON with each layer (Figure 14A). Here, a multilayer circuit was constructed using five switches that showed strong translational repression in Figure 2. Figure 14B shows fluorescence microscopy images at each layer level, histograms obtained from flow cytometry analysis, and calculated output levels. Although the overall responsiveness worsens with increasing layer level, the intended output change (ON→OFF→ON→OFF→ON→OFF) was observed.

[プラスミド構築]
[スイッチプラスミドの作製]
pAptamerCassette-tagRFP2を制限酵素AgeIとBamHIを用いて切断した。次に、配列番号69、70、または配列番号73、74に示す一本鎖合成DNAオリゴをアニーリングにより二本鎖DNA化し、それを切断済みpAptamerCassette-tagRFP2に挿入した。
[Plasmid construction]
[Construction of switch plasmid]
pAptamerCassette-tagRFP2 was cleaved with restriction enzymes AgeI and BamHI. Next, single-stranded synthetic DNA oligos shown in SEQ ID NOs: 69 and 70, or SEQ ID NOs: 73 and 74 were converted into double-stranded DNA by annealing, and the double-stranded DNA was inserted into the cleaved pAptamerCassette-tagRFP2.

[VPR融合トリガープラスミドの作製]
VPRを融合したSaCas9発現ベクター(pcDNA3.1+-dSaCas9-VPR)を作製するために、まず、SaCas9発現プラスミド(pcDNA3.1+-SaCas9) に変異を導入してヌクレアーゼ活性を欠損させた(10番目のDをA、580番目のNをAに置換)。変異導入にはKOD Mutagenesis Kit (Takara) を用いた。表10に示すプライマーを用いた。その後、SaCas9のORFを含むプラスミドバックボーンをインバースPCRで増幅した。最後にPCRで増幅したVPR領域をIn-Fusion HD Cloning Kit (Clontech)を用いて、SaCas9 ORFのN末端側に挿入した。用いたプライマーの配列を表10に示す。
[Preparation of VPR fusion trigger plasmid]
To prepare a SaCas9 expression vector (pcDNA3.1+-dSaCas9-VPR) fused with VPR, a mutation was first introduced into the SaCas9 expression plasmid (pcDNA3.1+-SaCas9) to eliminate nuclease activity (replacement of D at position 10 with A and N at position 580 with A). The KOD Mutagenesis Kit (Takara) was used for the mutation introduction. The primers shown in Table 10 were used. Then, the plasmid backbone containing the ORF of SaCas9 was amplified by inverse PCR. Finally, the VPR region amplified by PCR was inserted into the N-terminal side of the SaCas9 ORF using the In-Fusion HD Cloning Kit (Clontech). The sequences of the primers used are shown in Table 10.

Figure 0007630835000020
Figure 0007630835000020

[転写制御用レポータープラスミドの作製]
転写制御用レポータープラスミド pTRE-Tight-hmAG1は、以下のように作製した。hmAG1を含むDNAフラグメントは、p5’RTM-hmAG1 (deltapA)-ABHD12Bexon13 (Unpublished) から、下記表11に示す、forward primer (配列番号261) 及び reverse primer (配列番号262)を用いて、PCRにより増幅した。DNAフラグメントは、pTRE-Tight (Clontech) のEcoRIサイトとEcoRVサイトの間に挿入し、pTRE-Tight-hmAG1を生成した。
[Preparation of reporter plasmid for transcriptional regulation]
The transcriptional control reporter plasmid pTRE-Tight-hmAG1 was constructed as follows. A DNA fragment containing hmAG1 was amplified by PCR from p5'RTM-hmAG1 (deltapA)-ABHD12Bexon13 (Unpublished) using the forward primer (SEQ ID NO: 261) and reverse primer (SEQ ID NO: 262) shown in Table 11 below. The DNA fragment was inserted between the EcoRI and EcoRV sites of pTRE-Tight (Clontech) to generate pTRE-Tight-hmAG1.

また、gRNA発現プラスミドpHL-gRNA[TRE]-iRFP-RIHは、以下のように作製した。まず、pHL-gRNA[EGFP]-mEF1α-mRFP-RIHをpHL-gRNA[DMD]-mEF1α-mRFP-RIH (堀田秋津博士より提供) より作製した。つまり、標的遺伝子であるEGFPを含むDNAフラグメントは、forward primer(配列番号263)及び reverse primer(配列番号265)を用いて、PCRにより増幅した。DNAフラグメントは、pHL-gRNA[DMD]-mEF1α-mRFP-RIHのBamHIサイトとEcoRIサイトの間に挿入し、pHL-gRNA[EGFP]-mEF1α-mRFP-RIHを生成した。 The gRNA expression plasmid pHL-gRNA[TRE]-iRFP-RIH was prepared as follows. First, pHL-gRNA[EGFP]-mEF1α-mRFP-RIH was prepared from pHL-gRNA[DMD]-mEF1α-mRFP-RIH (provided by Dr. Akitsu Hotta). That is, a DNA fragment containing the target gene EGFP was amplified by PCR using a forward primer (sequence number 263) and a reverse primer (sequence number 265). The DNA fragment was inserted between the BamHI and EcoRI sites of pHL-gRNA[DMD]-mEF1α-mRFP-RIH to generate pHL-gRNA[EGFP]-mEF1α-mRFP-RIH.

続いて、pHL-gRNA[TRE]-mEF1α-mRFP-RIHをpHL-gRNA[EGFP]-mEF1α-mRFP-RIHより作製した。つまり、標的遺伝子であるTREを含むDNAフラグメントは、forward primer(配列番号264)及び reverse primer(配列番号265)を用いて、PCRにより増幅した。DNAフラグメントは、pHL-gRNA[EGFP]-mEF1α-mRFP-RIHのBamHIサイトとEcoRIサイトの間に挿入し、pHL-gRNA[TRE]-mEF1α-mRFP-RIHを生成した。 Next, pHL-gRNA[TRE]-mEF1α-mRFP-RIH was generated from pHL-gRNA[EGFP]-mEF1α-mRFP-RIH. A DNA fragment containing the target gene TRE was amplified by PCR using a forward primer (SEQ ID NO: 264) and a reverse primer (SEQ ID NO: 265). The DNA fragment was inserted between the BamHI and EcoRI sites of pHL-gRNA[EGFP]-mEF1α-mRFP-RIH to generate pHL-gRNA[TRE]-mEF1α-mRFP-RIH.

最後に、pHL-gRNA[TRE]-mEF1α-iRFP-RIHをpHL-gRNA[TRE]-mEF1α-mRFP-RIHより作製した。つまり、iRFP670を含むDNAフラグメントは、piRFP670-N1 (Addgene, plasmid #45457, Shcherbakova DM, Verkhusha VV. (2013) Near-infrared fluorescent proteins for multicolor in vivo imaging. Nat Methods 10: 751-754) からforward primer(配列番号266)及び reverse primer(配列番号267)を用いて、PCRにより増幅した。DNAフラグメントは、pHL-gRNA[TRE]-mEF1α-mRFP-RIHのEcoRVサイトとAvrIIサイトの間に挿入し、pHL-gRNA[TRE]-mEF1α-iRFP-RIHを生成した。Finally, pHL-gRNA[TRE]-mEF1α-iRFP-RIH was generated from pHL-gRNA[TRE]-mEF1α-mRFP-RIH. A DNA fragment containing iRFP670 was amplified by PCR from piRFP670-N1 (Addgene, plasmid #45457, Shcherbakova DM, Verkhusha VV. (2013) Near-infrared fluorescent proteins for multicolor in vivo imaging. Nat Methods 10: 751-754) using forward primer (SEQ ID NO: 266) and reverse primer (SEQ ID NO: 267). The DNA fragment was inserted between the EcoRV and AvrII sites of pHL-gRNA[TRE]-mEF1α-mRFP-RIH to generate pHL-gRNA[TRE]-mEF1α-iRFP-RIH.

使用したプライマーセットを、表11に示す。標的配列には、下線を付した。

Figure 0007630835000021
The primer sets used are shown in Table 11. The target sequences are underlined.
Figure 0007630835000021

[Half-subtractor構築用プラスミドの作製]
まず、SaCas9応答スイッチの発現プラスミド(pGluc_Sa_gRNA-tagBFP) を、表12に示すプライマーを用いて、インバースPCRにより増幅した。その後、NEBuilder HiFi DNAアッセンブリーにより増幅したプラスミドバックボーンと表12に示す一本鎖DNAオリゴを連結することで、CMVプロモーターを最小CMVプロモーターに置換し、その上流にSpCas9 gRNAの結合サイトを導入したプラスミド(pSp_IgRNA_a-CMVmin-Gluc_Sa_gRNA-tagBFP)を作製した。
[Preparation of plasmid for constructing half-subtractor]
First, the expression plasmid for the SaCas9 response switch (pGluc_Sa_gRNA-tagBFP) was amplified by inverse PCR using the primers shown in Table 12. Then, the plasmid backbone amplified by NEBuilder HiFi DNA assembly was linked to the single-stranded DNA oligo shown in Table 12 to replace the CMV promoter with a minimal CMV promoter, and a plasmid (pSp_IgRNA_a-CMVmin-Gluc_Sa_gRNA-tagBFP) was prepared in which the binding site for SpCas9 gRNA was introduced upstream of the minimal CMV promoter.

次に、pSp_IgRNA_a-CMVmin-Gluc_Sa_gRNA-tagBFPの3’-UTRにMALAT1 triplex、Hammerhead ribozyme(HH ribozyme)、SaCas9 gRNA、HDV ribozymeを挿入した。そのために、まずpSp_IgRNA_a-CMVmin-Gluc_Sa_gRNA-tagBFPを鋳型として用いたインバースPCRによりプラスミドバックボーンを増幅した。続いて、増幅したプラスミドバックボーンとMALAT1 triplex、HH ribozyme、SaCas9 gRNA、HDV ribozymeを含む二本鎖DNAを、In-Fusion HD Cloning Kit (Clontech)を用いて連結した。最後に、このプラスミドをXbaIとAgeIで切断し、SaCas9 gRNAの結合配列、最小CMVプロモーター、SpCas9応答スイッチの配列を持つ二本鎖DNAとライゲーションすることで、SaCas9 gRNAの結合配列、最小CMVプロモーター、SpCas9応答スイッチの配列を持ち、3’-UTRにSaCas9のgRNAを持つプラスミド(pSa_IgRNA_a-CMVmin-Gluc_Sp_gRNA-tagBFP-Triplex-HHR-Sa_gRNA[TRE]-HDVR)を作製した。使用したプライマーの配列を表12に示す。Next, MALAT1 triplex, Hammerhead ribozyme (HH ribozyme), SaCas9 gRNA, and HDV ribozyme were inserted into the 3'-UTR of pSp_IgRNA_a-CMVmin-Gluc_Sa_gRNA-tagBFP. To do this, the plasmid backbone was first amplified by inverse PCR using pSp_IgRNA_a-CMVmin-Gluc_Sa_gRNA-tagBFP as a template. The amplified plasmid backbone and double-stranded DNA containing MALAT1 triplex, HH ribozyme, SaCas9 gRNA, and HDV ribozyme were then ligated using the In-Fusion HD Cloning Kit (Clontech). Finally, this plasmid was cleaved with XbaI and AgeI, and ligated with double-stranded DNA having the SaCas9 gRNA binding sequence, the minimal CMV promoter, and the SpCas9 response switch sequence to produce a plasmid (pSa_IgRNA_a-CMVmin-Gluc_Sp_gRNA-tagBFP-Triplex-HHR-Sa_gRNA[TRE]-HDVR) with the SaCas9 gRNA binding sequence, the minimal CMV promoter, the SpCas9 response switch sequence, and the 3'-UTR containing the SaCas9 gRNA. The sequences of the primers used are shown in Table 12.

前述した最小CMVプロモーターとSpCas9 gRNA結合サイトを導入したSaCas9応答スイッチ発現プラスミド(pSp_IgRNA_a-CMVmin-Gluc_Sa_gRNA-tagBFP)について、SpCas9 gRNA結合サイトの数を倍にした(pSp_IgRNA_ax2-CMVmin-Gluc_Sa_gRNA-tagBFP)。まず、このプラスミドをSpeIとEcoRIで切断した。次にSpCas9 gRNA結合サイトを含む二本鎖DNAをPCRで増幅し、XbaIとEcoRIで切断した。最後にプラスミドバックボーンとDNAフラグメントをライゲーションした。 The SaCas9 response switch expression plasmid (pSp_IgRNA_a-CMVmin-Gluc_Sa_gRNA-tagBFP) containing the minimal CMV promoter and SpCas9 gRNA binding site described above was modified to double the number of SpCas9 gRNA binding sites (pSp_IgRNA_ax2-CMVmin-Gluc_Sa_gRNA-tagBFP). First, this plasmid was cleaved with SpeI and EcoRI. Next, double-stranded DNA containing the SpCas9 gRNA binding site was amplified by PCR and cleaved with XbaI and EcoRI. Finally, the plasmid backbone and DNA fragment were ligated.

使用したプライマーの配列を表12に示す。

Figure 0007630835000022
Figure 0007630835000023
The sequences of the primers used are shown in Table 12.
Figure 0007630835000022
Figure 0007630835000023

インプットgRNA発現ベクター(pHL-Sp_IgRNA_a-iRFP-RIHおよびpHL-Sa_IgRNA_a-iRFP-RIH)を作製するために、表12に示す一本鎖オリゴDNAをアニーリングにより二本鎖DNA化し、それをBamHIとEcoRIで切断したpHL-gRNA[TRE]-iRFP-RIHとライゲーションした。To prepare the input gRNA expression vectors (pHL-Sp_IgRNA_a-iRFP-RIH and pHL-Sa_IgRNA_a-iRFP-RIH), the single-stranded oligo DNA shown in Table 12 was converted to double-stranded DNA by annealing, and then ligated to pHL-gRNA[TRE]-iRFP-RIH cleaved with BamHI and EcoRI.

VPRを融合したSaCas9によって転写が活性化され、SpCas9によってhmAG1の翻訳が抑制されるスイッチを発現するプラスミドベクター(pTRE-Tight-Gluc_Sp_gRNA-hmAG1)を作製するために、まずインバースPCRでhmAG1発現ベクターのバックボーンを増幅した。次に、SpCas9 gRNAを含む領域をPCRにより増幅した。最後に、In-Fusion HD Cloning Kit (Clontech)を用いてプラスミドバックボーンと増幅したDNAフラグメントを連結し、hmAG1の5’側にSpCas9 gRNA配列を挿入した。使用したプライマーの配列を表12に示す。To create a plasmid vector (pTRE-Tight-Gluc_Sp_gRNA-hmAG1) expressing a switch in which transcription is activated by VPR-fused SaCas9 and translation of hmAG1 is suppressed by SpCas9, the backbone of the hmAG1 expression vector was first amplified by inverse PCR. Next, the region containing SpCas9 gRNA was amplified by PCR. Finally, the plasmid backbone and the amplified DNA fragment were ligated using the In-Fusion HD Cloning Kit (Clontech), and the SpCas9 gRNA sequence was inserted into the 5' end of hmAG1. The sequences of the primers used are shown in Table 12.

[AND回路構築用プラスミドの作製]
多重回路構築用プラスミドの作製に準拠する。まず、表13に示すプライマーセットを用いて、各Casタンパク質のORFを増幅した。続いて多重回路構築用プラスミドの作製にて使用したプライマーセットを用いて、各スイッチプラスミドを鋳型としたインバースPCRを行い、ORF以外の領域を含む線状プラスミドバックボーンを増幅した。最後に、In-Fusion HD Cloning Kit (Clontech)を用いて、Casタンパク質のORFをプラスミドバックボーンに挿入した。
[Preparation of plasmid for constructing AND circuit]
This is in accordance with the preparation of the plasmid for constructing multiple circuits. First, the ORF of each Cas protein was amplified using the primer set shown in Table 13. Next, using the primer set used in the preparation of the plasmid for constructing multiple circuits, inverse PCR was performed using each switch plasmid as a template to amplify a linear plasmid backbone containing a region other than the ORF. Finally, the ORF of the Cas protein was inserted into the plasmid backbone using the In-Fusion HD Cloning Kit (Clontech).

Figure 0007630835000024
Figure 0007630835000024

培養細胞へのトランスフェクションのためのプラスミドは、市販のMidiprep kit (QIAGENまたはPromega) を用いて大量精製した。Plasmids for transfection into cultured cells were purified in large quantities using a commercially available Midiprep kit (QIAGEN or Promega).

[プラスミドのトランスフェクション]
[OFFスイッチ及びONスイッチの直交性の確認]
293FT細胞は、トランスフェクションの24時間前に384ウェルプレートに播種した。プラスミドはLipofectamine2000 (Invitrogen)を用いて、付属のマニュアルに従って導入した。スイッチプラスミドとトリガープラスミドの質量比が1対4になるようにOpti-MEM(Invitrogen)中で混合した。iRFP670発現プラスミドを、トランスフェクションコントロールとして使用した。
[Plasmid transfection]
[Verifying the orthogonality of the OFF and ON switches]
293FT cells were seeded in 384-well plates 24 hours before transfection. Plasmids were introduced using Lipofectamine2000 (Invitrogen) according to the attached manual. The switch plasmid and trigger plasmid were mixed in Opti-MEM (Invitrogen) at a mass ratio of 1:4. An iRFP670 expression plasmid was used as a transfection control.

[翻訳と転写の同時制御]
293FT細胞は、トランスフェクションの24時間前に24ウェルプレートに播種した。プラスミドはLipofectamine2000 (Invitrogen)を用いて、付属のマニュアルに従って導入した。100 ngのスイッチプラスミド(pGluc-Sp_gRNA-tagRFP)と400 ngのトリガープラスミド (Sp_dCas9-VPR(Addgene: Plasmid #63798)または、pcDNA3.1+-myc-HisA (コントロール))、100 ng のgRNA発現プラスミド(pHL-gRNA[TRE]-iRFP-RIH)、100 ngの転写制御用レポータープラスミド(pTRE-Tight-hmAG1)を Opti-MEM(Invitrogen)中で混合した。また、100 ngのtagBFP発現プラスミド(pAptamerCassette-tagBFP)を、トランスフェクションコントロールとして使用した。
[Coregulation of translation and transcription]
293FT cells were seeded in 24-well plates 24 hours before transfection. Plasmids were introduced using Lipofectamine2000 (Invitrogen) according to the attached manual. 100 ng of switch plasmid (pGluc-Sp_gRNA-tagRFP), 400 ng of trigger plasmid (Sp_dCas9-VPR (Addgene: Plasmid #63798) or pcDNA3.1+-myc-HisA (control)), 100 ng of gRNA expression plasmid (pHL-gRNA[TRE]-iRFP-RIH), and 100 ng of transcriptional control reporter plasmid (pTRE-Tight-hmAG1) were mixed in Opti-MEM (Invitrogen). 100 ng of tagBFP expression plasmid (pAptamerCassette-tagBFP) was used as a transfection control.

[ANDゲート]
293FT細胞は、トランスフェクションの24時間前に96ウェルプレートに播種した。プラスミドはLipofectamine2000 (Invitrogen)を用いて、付属のマニュアルに従って導入した。6.25 ngのスイッチプラスミドと各50 ngのトリガープラスミド、各25 ng のmediatorプラスミドを Opti-MEM(Invitrogen)中で混合した。また、25 ngのiRFP670発現プラスミドを、トランスフェクションコントロールとして使用した。
[AND Gate]
293FT cells were seeded in 96-well plates 24 hours before transfection. Plasmids were introduced using Lipofectamine2000 (Invitrogen) according to the attached manual. 6.25 ng of switch plasmid, 50 ng of each trigger plasmid, and 25 ng of each mediator plasmid were mixed in Opti-MEM (Invitrogen). 25 ng of iRFP670 expression plasmid was also used as a transfection control.

[半減算器]
293FT細胞は、トランスフェクションの24時間前に24ウェルプレートに播種した。プラスミドはLipofectamine2000 (Invitrogen)を用いて、付属のマニュアルに従って導入した。トリガープラスミド (それぞれ400 ng)、hmAG1発現プラスミド400 ng、TagBFP発現プラスミド (それぞれ800 ngまたは400 ng)、gRNA発現プラスミド (それぞれ100 ng)を Opti-MEM(Invitrogen)中で混合した。
[Half subtractor]
293FT cells were seeded in 24-well plates 24 hours before transfection. Plasmids were introduced using Lipofectamine2000 (Invitrogen) according to the attached manual. Trigger plasmid (400 ng each), hmAG1 expression plasmid (400 ng), TagBFP expression plasmid (800 ng or 400 ng each), and gRNA expression plasmid (100 ng each) were mixed in Opti-MEM (Invitrogen).

[フォワードエンジニアリングによるNmCas9応答スイッチの作製(2)]
293FT細胞は、トランスフェクションの24時間前に24ウェルプレートに播種した。プラスミドはLipofectamine2000 (Invitrogen)を用いて、付属のマニュアルに従って導入した。スイッチプラスミドとトリガープラスミドの質量比が1対4になるようにOpti-MEM(Invitrogen)中で混合した。iRFP670発現プラスミドを、トランスフェクションコントロールとして使用した。
[Creating an NmCas9-responsive switch by forward engineering (2)]
293FT cells were seeded in 24-well plates 24 hours before transfection. Plasmids were introduced using Lipofectamine2000 (Invitrogen) according to the attached manual. The switch plasmid and trigger plasmid were mixed in Opti-MEM (Invitrogen) at a mass ratio of 1:4. An iRFP670 expression plasmid was used as a transfection control.

[ONスイッチとOFFスイッチの同時駆動]
293FT細胞は、トランスフェクションの24時間前に24ウェルプレートに播種した。プラスミドはLipofectamine2000 (Invitrogen)を用いて、付属のマニュアルに従って導入した。各100 ngのスイッチプラスミドと400 ngのトリガープラスミド(pcDNA3.1-SaCas9または、pcDNA3.1+-myc-HisA (コントロール))、を Opti-MEM(Invitrogen)中で混合した。また、100 ngのiRFP670発現プラスミドを、トランスフェクションコントロールとして使用した。
[Simultaneous activation of ON and OFF switches]
293FT cells were seeded in 24-well plates 24 hours before transfection. Plasmids were introduced using Lipofectamine2000 (Invitrogen) according to the attached manual. 100 ng of each switch plasmid and 400 ng of trigger plasmid (pcDNA3.1-SaCas9 or pcDNA3.1+-myc-HisA (control)) were mixed in Opti-MEM (Invitrogen). 100 ng of iRFP670 expression plasmid was used as a transfection control.

[細胞イメージング]
蛍光顕微鏡写真はCytell Cell Imaging System (GE Healthcare Life Sciences) を用いて撮影した。蛍光顕微鏡写真の輝度とコントラストをImageJ ソフトウェア (NIH) を用いて編集した。画像定量はImageJを用いて行った。
[Cell Imaging]
Fluorescence micrographs were taken using a Cytell Cell Imaging System (GE Healthcare Life Sciences). Brightness and contrast of the fluorescence micrographs were edited using ImageJ software (NIH). Image quantification was performed using ImageJ.

[フローサイトメトリー]
トランスフェクションの翌日に細胞をプレートから分離し、メッシュを通して、フローサイトメトリーにより分析した。24ウェルプレート及び96ウェルプレートを用いた実験では、Accuri C6 (BD Biosciences)を使用した。EGFPはFL1 (530/30 nm) filtersにより検出した。iRFP670はFL4 (675/12.5 nm) filtersにより検出した。死細胞及びデブリは、前方及び側方光散乱シグナルにより除外した。プラスミドを用いた翻訳効率の計算は、生細胞のうち、iRFP670の蛍光値が一定以上のものを解析対象とした。
[Flow cytometry]
The day after transfection, cells were detached from the plate and analyzed by flow cytometry through a mesh. For experiments using 24-well and 96-well plates, Accuri C6 (BD Biosciences) was used. EGFP was detected using FL1 (530/30 nm) filters. iRFP670 was detected using FL4 (675/12.5 nm) filters. Dead cells and debris were excluded based on forward and side light scattering signals. For calculation of translation efficiency using the plasmid, live cells with iRFP670 fluorescence values above a certain level were analyzed.

[結果]
[OFFスイッチの直交性の確認]
29種類のOFF スイッチ mRNAについてその直交性を試験した。図15Aのパネル(a)は、直交性試験結果を示す蛍光写真である。mRNAスイッチは、新たに開発したAaCas12b応答mRNAスイッチを含めたCas応答スイッチ25種類、過去に作製したタンパク質応答型スイッチ3種類、コントロールスイッチ1種類である。BsCas12bスイッチは含めなかった。パネル(b)は、試験したCas応答mRNAスイッチのうち、明確な直交性を示した13種類の明示である。図15Bは、この13種類のCas応答mRNAスイッチについての画像定量結果をヒートマップで表した図である。
[result]
[Checking the orthogonality of the OFF switch]
The orthogonality of 29 types of OFF switch mRNA was tested. Panel (a) of Figure 15A is a fluorescent photograph showing the results of the orthogonality test. The mRNA switches are 25 types of Cas-responsive switches, including the newly developed AaCas12b-responsive mRNA switch, three types of protein-responsive switches created in the past, and one type of control switch. The BsCas12b switch was not included. Panel (b) shows 13 types of Cas-responsive mRNA switches that showed clear orthogonality among the tested switches. Figure 15B is a heat map showing the image quantification results for these 13 types of Cas-responsive mRNA switches.

[翻訳と転写の同時制御]
SpCas9-VPRを用いて、翻訳抑制(OFF スイッチmRNA)と転写活性化が同時に制御可能かどうか試験した。図16パネル(a)左側模式図は、dSpCas9に特異的に認識される核酸配列と、出力タンパク質であるRFPをコードする核酸配列とを備えるmRNAスイッチを示す。このmRNAは、翻訳レギュレーターとして設計した。中央模式図は、dSpCas9-VPRを表す。右側模式図は、dSpCas9-VPRに対応するgRNAに対して特異的に結合する、gRNA結合部位と、CMVプロモーターと、出力タンパク質であるhmAG1遺伝子配列とを備えるベクター、並びにかかるDNAの転写を活性化するdSpCas9-VPRとgRNAとの複合体(転写制御タンパク質)を示す。このベクターは、転写レギュレーターとして設計した。
[Coregulation of translation and transcription]
Using SpCas9-VPR, we tested whether translational repression (OFF switch mRNA) and transcriptional activation can be controlled simultaneously. The left schematic diagram of FIG. 16 panel (a) shows an mRNA switch comprising a nucleic acid sequence specifically recognized by dSpCas9 and a nucleic acid sequence encoding the output protein RFP. This mRNA was designed as a translation regulator. The central schematic diagram shows dSpCas9-VPR. The right schematic diagram shows a vector comprising a gRNA binding site, a CMV promoter, and an hmAG1 gene sequence, which is an output protein, that specifically binds to the gRNA corresponding to dSpCas9-VPR, as well as a complex of dSpCas9-VPR and gRNA (transcriptional control protein) that activates the transcription of such DNA. This vector was designed as a transcription regulator.

図16パネル(b)は、dSpCas9-VPRを導入した場合(+)及び導入しない場合(-)の細胞写真を示す。dSpCas9-VPRタンパク質を導入した場合にのみ、翻訳(赤色蛍光)が抑制され、逆に転写(緑色蛍光)は活性化された。Panel (b) of Figure 16 shows photographs of cells with (+) and without (-) dSpCas9-VPR introduced. Translation (red fluorescence) was suppressed only when the dSpCas9-VPR protein was introduced, and conversely, transcription (green fluorescence) was activated.

[ANDゲート]
Cas応答mRNAスイッチを用いて論理回路が構築可能かどうか試験した。ここでは、3種類のCas応答mRNAスイッチ(モジュール)を組合せることで作製できるANDゲートを試験した。図17にANDゲートのスキームを示す。ANDゲートは、2種類の入力が同時に存在するときのみ出力(EGFP)が発現するような回路である。図17の左上のCas応答mRNAスイッチは、Cas protein A(Input A)に特異的によって認識される核酸配列と、出力タンパク質としてCas protein C(Mediator)をコードする核酸配列とを備えるmRNA分子である。左下のCas応答mRNAスイッチは、Cas protein B(Input B)に特異的によって認識される核酸配列と、出力タンパク質としてCas protein C(Mediator)をコードする核酸配列とを備えるmRNA分子である。右側のCas応答mRNAスイッチは、Cas protein C(Mediator)に特異的によって認識される核酸配列と、出力タンパク質としてGFPをコードする核酸配列とを備えるmRNA分子である。
[AND Gate]
We tested whether a logic circuit can be constructed using Cas-responsive mRNA switches. Here, we tested an AND gate that can be constructed by combining three types of Cas-responsive mRNA switches (modules). Figure 17 shows the scheme of the AND gate. The AND gate is a circuit in which the output (EGFP) is expressed only when two types of inputs are present at the same time. The Cas-responsive mRNA switch in the upper left of Figure 17 is an mRNA molecule that has a nucleic acid sequence that is specifically recognized by Cas protein A (Input A) and a nucleic acid sequence that codes for Cas protein C (Mediator) as an output protein. The Cas-responsive mRNA switch in the lower left is an mRNA molecule that has a nucleic acid sequence that is specifically recognized by Cas protein B (Input B) and a nucleic acid sequence that codes for Cas protein C (Mediator) as an output protein. The Cas-responsive mRNA switch on the right is an mRNA molecule that has a nucleic acid sequence that is specifically recognized by Cas protein C (Mediator) and a nucleic acid sequence that codes for GFP as an output protein.

Cas応答mRNAスイッチの回路における構築可能性を試験するために、6種類のCas応答mRNAスイッチを網羅的に組合せ、60通りの配置を試験した。表14は、ANDゲートの真理値表を示す。表15は、各Casタンパク質の配置と出力遺伝子発現のヒートマップ(00, 10, 01, 11と書かれている列)、及び回路のパフォーマンス(θ:小さい値ほどANDゲートらしい振る舞いをしていると考えられる)をまとめた結果を示す。表15中、PguはPguCas13b、MbはMbCas12a、SaはSaCas9、AkはAkCas12b、PspはPspCas13b、NcはNcCas9の略である。To test the feasibility of constructing a circuit with Cas-responsive mRNA switches, we comprehensively combined six types of Cas-responsive mRNA switches and tested 60 different configurations. Table 14 shows the truth table for the AND gate. Table 15 shows the results of a heat map of the configuration of each Cas protein and the output gene expression (columns marked 00, 10, 01, 11), as well as the performance of the circuit (θ: the smaller the value, the more likely it is to behave like an AND gate). In Table 15, Pgu stands for PguCas13b, Mb for MbCas12a, Sa for SaCas9, Ak for AkCas12b, Psp for PspCas13b, and Nc for NcCas9.

Figure 0007630835000025
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Figure 0007630835000026
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Figure 0007630835000027
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[半減算器]
Casタンパク質による転写制御と翻訳制御を同時に駆使することで、2つのモジュールのみを用いて半減算器を構築した。図18Aは、半減算器のスキームを示す。上段左側は、SpCas9-VPRとSpCas9-gRNA(A)の複合体を表し、右側はSpCas9-gRNA(A)の標的配列を備え、SaCas応答性tagBFP mRNAスイッチをコードするベクターと、このベクターが転写活性化されて生じるSaCas応答性 tagBFP mRNAスイッチを示す。中段左側はSaCas9-VPRとSaCas9-gRNA(B)の複合体を表し、右側はSaCas9-gRNA(B)の結合配列を備え、SpCas応答性tagBFP mRNAスイッチ、並びにSaCas9-gRNA(C)をコードするベクターと、このベクターが転写活性化されて生じるSpCas応答性tagBFP mRNAスイッチ(上)、SaCas9-gRNA(C)(下)を示す。下段左側はSaCas9-VPRとSaCas9-gRNA(C)の複合体を表し、右側はSaCas9-gRNA(C)の結合配列を備え、SpCas応答性hmAG1 mRNAスイッチをコードするベクターと、このベクターが転写活性化されて生じるSaCas応答性hmAG1 mRNAスイッチを示す。
[Half subtractor]
By simultaneously utilizing transcriptional and translational control by Cas protein, a half-subtractor was constructed using only two modules. Figure 18A shows a scheme of the half-subtractor. The upper left side shows a complex of SpCas9-VPR and SpCas9-gRNA (A), and the right side shows a vector equipped with a target sequence of SpCas9-gRNA (A) and encoding a SaCas-responsive tagBFP mRNA switch, and the SaCas-responsive tagBFP mRNA switch generated by transcriptional activation of this vector. The middle left side shows a complex of SaCas9-VPR and SaCas9-gRNA (B), and the right side shows a binding sequence of SaCas9-gRNA (B), a SpCas-responsive tagBFP mRNA switch, as well as a vector encoding SaCas9-gRNA (C), and the SpCas-responsive tagBFP mRNA switch (upper) and SaCas9-gRNA (C) (lower) generated by transcriptional activation of this vector. The lower left side shows a complex of SaCas9-VPR and SaCas9-gRNA(C), and the right side shows a vector equipped with a binding sequence for SaCas9-gRNA(C) and encoding an SpCas-responsive hmAG1 mRNA switch, and the SaCas-responsive hmAG1 mRNA switch that is generated upon transcriptional activation of this vector.

図18Bは、半減算器の真理値を示す。図18Cは、細胞の蛍光顕微鏡写真を示す。図18Cから、意図したとおり、入力のパターンに従って、Input 1が1でInput 2が0の場合、及びInput 1が0でInput 2が1の場合はtagBFPの発現が確認され、Input 1が0でInput 2が1の場合はhmAG1の発現が確認された。従来、4種のモジュールを組み合わせて半減算器を構築する技術が知られているが、本発明においては、細胞に導入するモジュール数が少なくても機能させることができた。つまり、より多くの半減算器構築に必要なモジュール(生物学的部品)を節約でき、さらには細胞導入時における内部リソースの使用を減少できると考えられる。 Figure 18B shows the truth value of the half subtractor. Figure 18C shows a fluorescent micrograph of the cell. From Figure 18C, as intended, tagBFP expression was confirmed when Input 1 was 1 and Input 2 was 0, and when Input 1 was 0 and Input 2 was 1, according to the input pattern, and hmAG1 expression was confirmed when Input 1 was 0 and Input 2 was 1. Conventionally, a technology for constructing a half subtractor by combining four types of modules is known, but in the present invention, it was possible to make it function even with a small number of modules introduced into the cell. In other words, it is thought that it is possible to save the modules (biological parts) required for constructing a large number of half subtractors, and further to reduce the use of internal resources when introduced into the cell.

[フォワードエンジニアリングによるNmCas9応答スイッチの作製(2)]
フォワードエンジニアリングによるNmCas9応答スイッチの作製(1)に対して、さらに2つの新たなgRNA配列を作製し、試験した(Nm_gRNA_v1-7)。翻訳抑制効率を図19に示す。翻訳抑制効果のより高いv7の特定に成功した。
[Creating an NmCas9-responsive switch by forward engineering (2)]
In addition to the creation of the NmCas9 response switch by forward engineering (1), two new gRNA sequences were created and tested (Nm_gRNA_v1-7). The translational repression efficiency is shown in Figure 19. We successfully identified v7, which has a higher translational repression effect.

[ONスイッチの直交性の確認]
26種類のON スイッチ mRNAについてその直交性を試験した。図20は、直交性試験結果を示す蛍光写真である。mRNAスイッチは、新たに開発したAaCas12b応答ON スイッチ mRNAを含めたCas応答ON スイッチ mRNA26種類を用いた。
[Verifying orthogonality of ON switches]
The orthogonality of 26 types of ON switch mRNA was tested. Figure 20 shows the fluorescent photographs showing the results of the orthogonality test. The mRNA switches used were 26 types of Cas-responsive ON switch mRNA, including the newly developed AaCas12b-responsive ON switch mRNA.

[ONスイッチとOFFスイッチの同時駆動]
SaCas9応答スイッチについて、翻訳OFFスイッチ(赤色蛍光)と翻訳ONスイッチ(緑色蛍光)が同時に駆動可能かどうか試験した。図21パネル(a)は細胞写真を、パネル(b)はフローサイトメトリーによる定量結果を示す。Control ON switchまたはControl OFF switchは、(i)の核酸配列(アプタマー配列)を持たないmRNAであって、入力タンパク質の影響を受けないRNAを用い、Referenceはトランスフェクションコントロールを用いた。図21から、単一の入力タンパク質を用いて、ONスイッチとOFFスイッチを同時に駆動することが可能であることが示された。
[Simultaneous activation of ON and OFF switches]
For the SaCas9 response switch, we tested whether the translation OFF switch (red fluorescence) and the translation ON switch (green fluorescence) could be driven simultaneously. Figure 21 panel (a) shows a cell photograph, and panel (b) shows the quantitative results by flow cytometry. The Control ON switch and Control OFF switch are mRNAs that do not have the nucleic acid sequence (aptamer sequence) of (i) and are not affected by the input protein, and the Reference was a transfection control. Figure 21 shows that it is possible to drive the ON switch and the OFF switch simultaneously using a single input protein.

Claims (19)

(i)Casタンパク質またはその改変体を含む入力タンパク質によって特異的に認識される核酸配列と、
(ii)出力タンパク質をコードする核酸配列と
を含み、
前記(i)が(ii)の5’側または3’側に存在して、前記(i)及び(ii)が作動可能に連結された人工mRNA分子からなり、
前記(i)の核酸配列が、前記入力タンパク質の、crRNAもしくはsgRNA配列またはそれらの改変体であり、
前記Casタンパク質が、SpCas9、SaCas9、CjCas9、NmCas9、St1Cas9、FnCas9、CdCas9、ClCas9、PlCas9、NcCas9、SpaCas9、St3Cas9、AkCas12b、AaCas12b、BvCas12b、BsCas12b、PspCas13b、PguCas13b、RanCas13b、CasRx、PlmCasX、Cas14a1からなる群より選択される1つのCasタンパク質であるmRNAスイッチ。
(i) a nucleic acid sequence that is specifically recognized by an input protein, including a Cas protein or a variant thereof;
(ii) a nucleic acid sequence encoding an output protein;
The artificial mRNA molecule is an artificial mRNA molecule in which (i) is present on the 5' or 3' side of (ii), and (i) and (ii) are operably linked;
The nucleic acid sequence of (i) is a crRNA or sgRNA sequence of the input protein, or a variant thereof;
The mRNA switch, wherein the Cas protein is one Cas protein selected from the group consisting of SpCas9, SaCas9, CjCas9, NmCas9, St1Cas9, FnCas9, CdCas9, ClCas9, PlCas9, NcCas9, SpaCas9, St3Cas9, AkCas12b, AaCas12b, BvCas12b, BsCas12b, PspCas13b, PguCas13b, RanCas13b, CasRx, PlmCasX, and Cas14a1.
前記人工mRNA分子が、前記(i)と(ii)の核酸配列の間に、さらにRNAインバーター配列を含み、当該RNAインバーター配列が、ベイトオープンリーディングフレーム、イントロンおよびインターナルリボソームエントリーサイトを含む核酸配列からなる、請求項1に記載のmRNAスイッチ。 The mRNA switch according to claim 1, wherein the artificial mRNA molecule further comprises an RNA inverter sequence between the nucleic acid sequences of (i) and ( ii ), the RNA inverter sequence consisting of a nucleic acid sequence comprising a bait open reading frame, an intron and an internal ribosome entry site. 請求項1または2に記載のmRNAスイッチをコードする核酸配列を含むベクター。 A vector comprising a nucleic acid sequence encoding the mRNA switch of claim 1 or 2 . 前記mRNAスイッチをコードする核酸配列の上流側に設けられる転写制御配列をさらに含み、当該転写制御配列が、転写制御タンパク質によって特異的に認識される配列である、請求項に記載のベクター。 The vector according to claim 3 , further comprising a transcriptional control sequence located upstream of the nucleic acid sequence encoding the mRNA switch, the transcriptional control sequence being a sequence that is specifically recognized by a transcriptional control protein. 前記転写制御タンパク質が、Casタンパク質またはその改変体を含み、前記mRNAスイッチをコードする核酸配列の下流側に設けられる、転写制御または翻訳制御に用いられる低分子RNAをコードする核酸配列をさらに含む、請求項に記載のベクター。 The vector of claim 4, wherein the transcriptional control protein comprises a Cas protein or a variant thereof, and further comprises a nucleic acid sequence encoding a small RNA used for transcriptional or translational control, which is provided downstream of the nucleic acid sequence encoding the mRNA switch. 請求項1または2に記載のmRNAスイッチまたは請求項3~5のいずれか1項に記載のベクターを含む細胞。 A cell comprising an mRNA switch according to claim 1 or 2 , or a vector according to any one of claims 3 to 5 . (a)請求項1または2に記載のmRNAスイッチまたは当該mRNAスイッチをコードするベクター;及び、
(b)前記入力タンパク質、当該入力タンパク質をコードするトリガーmRNA、または当該トリガーmRNAをコードするベクター
を含む、タンパク質の発現制御キット。
(a) an mRNA switch according to claim 1 or 2 or a vector encoding said mRNA switch; and
(b) A kit for regulating protein expression, comprising the input protein, a trigger mRNA encoding the input protein, or a vector encoding the trigger mRNA.
(a)請求項1または2に記載のmRNAスイッチまたは当該mRNAスイッチをコードするベクター;
(b)前記入力タンパク質の第1の断片と第1のヘテロダイマー化ドメインとを含む第1の融合タンパク質をコードする核酸配列を含む第1のトリガーmRNAまたは当該第1のトリガーmRNAをコードするベクター;及び
(c)前記(b)の入力タンパク質の第2の断片と、第2のヘテロダイマー化ドメインとを含む第2の融合タンパク質をコードする核酸配列を含む第2のトリガーmRNAまたは当該第2のトリガーmRNAをコードするベクターを含む、タンパク質の発現制御キット。
(a) the mRNA switch of claim 1 or 2 or a vector encoding said mRNA switch;
(b) a first trigger mRNA comprising a nucleic acid sequence encoding a first fusion protein comprising a first fragment of the input protein and a first heterodimerization domain, or a vector encoding the first trigger mRNA; and (c) a second trigger mRNA comprising a nucleic acid sequence encoding a second fusion protein comprising a second fragment of the input protein of (b) and a second heterodimerization domain, or a vector encoding the second trigger mRNA. A protein expression control kit comprising:
前記第1及び第2のヘテロダイマー化ドメインによるヘテロダイマー化を促進する薬剤をさらに含む、請求項に記載の発現制御キット。 The expression control kit of claim 8 , further comprising an agent that promotes heterodimerization by the first and second heterodimerization domains. 前記入力タンパク質による前記(i)の核酸配列の認識を阻害する入力阻害物質をさらに含む、請求項7~9のいずれか1項に記載のタンパク質の発現制御キット。 The protein expression control kit according to any one of claims 7 to 9 , further comprising an input inhibitor that inhibits recognition of the nucleic acid sequence of (i) by the input protein. 第1のmRNAスイッチ~第nのmRNAスイッチからなるn種のmRNAスイッチまたは当該mRNAスイッチをコードするベクターを含むmRNAスイッチセットであって、nは2~25の整数から選択され、
(A)第kのmRNAスイッチは、
(i)Casタンパク質またはその改変体を含む、第kのタンパク質からなる入力タンパク質によって特異的に認識される核酸配列と、
(ii)第(k+1)のタンパク質からなる出力タンパク質をコードする核酸配列とを含み、
前記(i)が(ii)の5’側または3’側に存在して、前記(i)及び(ii)が作動可能に連結されたmRNA分子であり、
前記(i)の核酸配列が、前記入力タンパク質の、crRNAもしくはsgRNA配列またはそれらの改変体であり、
前記第k及び(k+1)のタンパク質に含まれる前記Casタンパク質またはその改変体が、SpCas9、SaCas9、CjCas9、NmCas9、St1Cas9、FnCas9、CdCas9、ClCas9、PlCas9、NcCas9、SpaCas9、St3Cas9、AkCas12b、AaCas12b、BvCas12b、BsCas12b、PspCas13b、PguCas13b、RanCas13b、CasRx、PlmCasX、Cas14a1からなる群より選択される1つのCasタンパク質またはその改変体であり、
前記第kのタンパク質と前記第(k+1)のタンパク質は異なるタンパク質であり、
kは1~(n-1)の整数であり、
(B)第nのmRNAスイッチは、
(i)第(n-1)のmRNAスイッチの出力タンパク質である第nのタンパク質によって特異的に認識される核酸配列と、
(ii)第(n+1)のタンパク質である出力タンパク質をコードする核酸配列とを含み、
前記(i)が(ii)の5’側または3’側に存在して、前記(i)及び(ii)が作動可能に連結されたmRNA分子であり、
第(n+1)のタンパク質が、任意のタンパク質である、mRNAスイッチセット。
An mRNA switch set comprising n types of mRNA switches consisting of a first mRNA switch to an nth mRNA switch or a vector encoding the mRNA switches, wherein n is selected from an integer of 2 to 25;
(A) The kth mRNA switch is
(i) a nucleic acid sequence specifically recognized by an input protein consisting of a kth protein, including a Cas protein or a variant thereof;
(ii) a nucleic acid sequence encoding an output protein consisting of a (k+1)th protein;
The (i) is present on the 5' or 3' side of the (ii), and the (i) and (ii) are operably linked to each other in an mRNA molecule,
The nucleic acid sequence of (i) is a crRNA or sgRNA sequence of the input protein, or a variant thereof;
the Cas protein or a variant thereof contained in the k and (k+1) proteins is one Cas protein or a variant thereof selected from the group consisting of SpCas9, SaCas9, CjCas9, NmCas9, St1Cas9, FnCas9, CdCas9, ClCas9, PlCas9, NcCas9, SpaCas9, St3Cas9, AkCas12b, AaCas12b, BvCas12b, BsCas12b, PspCas13b, PguCas13b, RanCas13b, CasRx, PlmCasX, and Cas14a1;
the kth protein and the (k+1)th protein are different proteins;
k is an integer from 1 to (n-1);
(B) The nth mRNA switch is
(i) a nucleic acid sequence that is specifically recognized by an nth protein that is an output protein of an (n-1)th mRNA switch;
(ii) a nucleic acid sequence encoding an output protein that is a (n+1)th protein;
The (i) is present on the 5' or 3' side of the (ii), and the (i) and (ii) are operably linked to each other in an mRNA molecule,
An mRNA switch set, wherein the (n+1)th protein is any protein.
第1のタンパク質から第nのタンパク質が、すべて異なるタンパク質である、請求項11に記載のmRNAスイッチセット。 The mRNA switch set of claim 11 , wherein the first protein to the nth protein are all different proteins. 前記第(n+1)のタンパク質が、第1の入力タンパク質である、請求項11に記載のスイッチセット。 12. The switch set of claim 11 , wherein the (n+1) protein is a first input protein. (a)請求項1または2に記載のmRNAスイッチまたは当該mRNAスイッチをコードするベクター;及び、
(b)前記入力タンパク質、当該入力タンパク質をコードするトリガーmRNA、または当該トリガーmRNAをコードするベクター
を細胞に導入する工程を含む、タンパク質の発現制御方法(ヒトを手術、治療又は診断する方法を除く)
(a) an mRNA switch according to claim 1 or 2 or a vector encoding said mRNA switch; and
(b) A method for controlling protein expression (excluding methods for surgery, therapy or diagnosis of humans) , comprising the step of introducing into a cell the input protein, a trigger mRNA encoding the input protein, or a vector encoding the trigger mRNA.
(a)請求項1または2に記載のmRNAスイッチまたは当該mRNAスイッチをコードするベクター;
(b)前記入力タンパク質の第1の断片と第1のヘテロダイマー化ドメインとを含む第1の融合タンパク質をコードする核酸配列を含む第1のトリガーmRNAまたは当該第1のトリガーmRNAをコードするベクター;及び
(c)前記(b)の入力タンパク質の第2の断片と、第2のヘテロダイマー化ドメインとを含む第2の融合タンパク質をコードする核酸配列を含む第2のトリガーmRNAまたは当該第2のトリガーmRNAをコードするベクター
を細胞に導入する工程を含む、タンパク質の発現制御方法(ヒトを手術、治療又は診断する方法を除く)
(a) the mRNA switch of claim 1 or 2 or a vector encoding said mRNA switch;
(b) a first trigger mRNA comprising a nucleic acid sequence encoding a first fusion protein comprising a first fragment of the input protein and a first heterodimerization domain, or a vector encoding the first trigger mRNA; and (c) a second trigger mRNA comprising a nucleic acid sequence encoding a second fusion protein comprising a second fragment of the input protein of (b) and a second heterodimerization domain, or a vector encoding the second trigger mRNA, into a cell (excluding methods of surgery, therapy, or diagnosis of humans) .
当該導入する工程の後に、前記第1及び第2のヘテロダイマー化ドメインによるヘテロダイマー化を促進する薬剤を前記細胞に接触させる工程をさらに含む、請求項15に記載のタンパク質の発現制御方法(ヒトを手術、治療又は診断する方法を除く) A method for controlling expression of the protein described in claim 15 (excluding methods of surgery, therapy or diagnosis of humans) , further comprising the step of contacting the cells with an agent that promotes heterodimerization by the first and second heterodimerization domains after the introducing step. 前記入力タンパク質による前記(i)の核酸配列の認識を特異的に阻害する、入力阻害タンパク質、当該入力阻害タンパク質をコードする入力阻害mRNA、または当該入力阻害mRNAをコードするベクターを細胞に導入する工程をさらに含む、請求項14~16のいずれか1項に記載のタンパク質の発現制御方法(ヒトを手術、治療又は診断する方法を除く) A method for controlling expression of a protein according to any one of claims 14 to 16 (excluding methods for surgery, therapy or diagnosis of humans), further comprising the step of introducing into a cell an input-inhibiting protein, an input-inhibiting mRNA encoding the input - inhibiting protein, or a vector encoding the input-inhibiting mRNA, which specifically inhibits recognition of the nucleic acid sequence of (i) by the input protein . 請求項11~13のいずれか1項に記載のmRNAスイッチセットを細胞、組織、または個体に導入する工程を含む、タンパク質の発現制御方法(ヒトを手術、治療又は診断する方法を除く) A method for controlling protein expression (excluding methods for surgery, therapy or diagnosis of humans) , comprising the step of introducing the mRNA switch set according to any one of claims 11 to 13 into a cell, tissue or individual. (a)(i)Casタンパク質またはその改変体を含む入力タンパク質によって特異的に認識される核酸配列と、
(ii)出力タンパク質をコードする核酸配列と
を含み、
前記(i)が(ii)の5’側または3’側に存在して、前記(i)及び(ii)が作動可能に連結された人工mRNA分子からなるmRNAスイッチをコードする核酸配列と、
当該mRNAスイッチをコードする核酸配列の上流側に設けられる、転写制御タンパク質によって特異的に認識される転写制御配列と
を含む、ベクターであって、
前記転写制御タンパク質が、Casタンパク質またはその改変体を含み、前記mRNAスイッチをコードする核酸配列の下流側に設けられる、前記転写制御配列を特異的に認識するcrRNAもしくはsgRNAをコードする核酸配列をさらに含むベクター
;及び
(b)前記(a)の前記転写制御配列を特異的に認識するcrRNAもしくはsgRNAをコードする核酸配列に対応するCasタンパク質またはその改変体を含む転写制御タンパク質、当該転写制御タンパク質をコードする転写活性制御mRNA、または当該転写活性制御mRNAをコードするベクター
を含む、タンパク質の発現制御キット。
(a) (i) a nucleic acid sequence that is specifically recognized by an input protein comprising a Cas protein or a variant thereof;
(ii) a nucleic acid sequence encoding an output protein;
Including,
A nucleic acid sequence encoding an mRNA switch consisting of an artificial mRNA molecule in which (i) is present on the 5' or 3' side of (ii) and (i) and (ii) are operably linked;
A transcriptional control sequence that is specifically recognized by a transcriptional control protein and is provided upstream of the nucleic acid sequence encoding the mRNA switch;
A vector comprising:
(b) a vector, the transcriptional control protein of which comprises a Cas protein or a modified version thereof, and which further comprises a nucleic acid sequence encoding a crRNA or sgRNA that specifically recognizes the transcriptional control sequence, the nucleic acid sequence being located downstream of a nucleic acid sequence encoding the mRNA switch ; and (b) a protein expression control kit, the kit comprising: a transcriptional control protein comprising a Cas protein or a modified version thereof corresponding to a nucleic acid sequence encoding a crRNA or sgRNA that specifically recognizes the transcriptional control sequence of (a), a transcriptional activity control mRNA encoding the transcriptional control protein, or a vector encoding the transcriptional activity control mRNA.
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