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公報発行日 2020年8月12
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【図1】CRISPR系の模式的モデルを示す。化膿性連鎖球菌(Streptococcus pyogenes)からのCas9ヌクレアーゼ(黄色)を、20ntガイド配列(青色)および足場(赤色)からなる合成ガイドRNA(sgRNA)によりゲノムDNAにターゲティングする。必要な5’−NGGプロトスペーサー隣接モチーフ(PAM;マゼンタ)のすぐ上流のDNA標的(青色)とのガイド配列塩基対、およびCas9は、PAMの約3bp上流の二本鎖切断(DSB)(赤色三角)を媒介する。
【図2A】例示的CRISPR系、考えられる作用機序、真核細胞中の発現の例示的適応、ならびに核局在化およびCRISPR活性を評価する試験の結果を示す。
【図2B】例示的CRISPR系、考えられる作用機序、真核細胞中の発現の例示的適応、ならびに核局在化およびCRISPR活性を評価する試験の結果を示す。
【図2C】例示的CRISPR系、考えられる作用機序、真核細胞中の発現の例示的適応、ならびに核局在化およびCRISPR活性を評価する試験の結果を示す。
【図2D】例示的CRISPR系、考えられる作用機序、真核細胞中の発現の例示的適応、ならびに核局在化およびCRISPR活性を評価する試験の結果を示す。
【図2E-F】例示的CRISPR系、考えられる作用機序、真核細胞中の発現の例示的適応、ならびに核局在化およびCRISPR活性を評価する試験の結果を示す。
【図3】例示的標的についてのSpCas9特異性の評価の結果を示す。
【図4A-B】例示的ベクター系および真核細胞中の相同組換えの指向におけるその使用についての結果を示す。
【図4C-E】例示的ベクター系および真核細胞中の相同組換えの指向におけるその使用についての結果を示す。
【図4F】例示的ベクター系および真核細胞中の相同組換えの指向におけるその使用についての結果を示す。
【図4G】例示的ベクター系および真核細胞中の相同組換えの指向におけるその使用についての結果を示す。
【図5】プロトスペーサー配列の表を提供し、ヒトおよびマウスゲノム中の遺伝子座に対して例示的化膿性連鎖球菌(S.pyogenes)およびS.サーモフィラス(S.thermophilus)CRISPR系に基づき設計されたプロトスペーサー標的と対応するPAMについての改変効率結果をまとめる。細胞をCas9およびプレcrRNA/tracrRNAまたはキメラRNAのいずれかにより形質移入し、形質移入から72時間後に分析した。インデルパーセントは、示された細胞系からのSurveyorアッセイ結果に基づき算出した(全てのプロトスペーサー標的についてN=3、誤差は、標準誤差(S.E.M.)であり、N.D.は、Surveyorアッセイを使用して検出可能でないことを示し、N.T.は、本試験において試験しなかったことを示す)。
【図6A-B】Cas9媒介遺伝子ターゲティングについての異なるtracrRNA転写物の比較を示す。
【図6C】Cas9媒介遺伝子ターゲティングについての異なるtracrRNA転写物の比較を示す。
【図7】二本鎖切断により誘導された微小挿入および欠失の検出のためのsurveyorヌクレアーゼアッセイの模式図を示す。
【図8A-B】真核細胞中のCRISPR系エレメントの発現のための例示的バイシストロニック発現ベクターを示す。
【図9A-C】ヒトゲノム中の隣接する化膿性連鎖球菌(S.pyogenes)SF370遺伝子座1PAM(NGG)(図9A)と、S.サーモフィラス(S.thermophilus)LMD9遺伝子座2PAM(NNAGAAW)(図9B)との間の距離のヒストグラム;ならびに染色体(Chr)単位のそれぞれのPAMについての距離(図9C)を示す。
【図10A-C】例示的CRISPR系、真核細胞中の発現のための例示的適応、およびCRISPR活性を評価する試験の結果を示す。
【図10D】例示的CRISPR系、真核細胞中の発現のための例示的適応、およびCRISPR活性を評価する試験の結果を示す。
【図11A-C】哺乳動物細胞中のゲノム遺伝子座のターゲティングのためのCRISPR系の例示的操作を示す。
【図12A-B】哺乳動物細胞中のcrRNAプロセシングのノザンブロット分析の結果を示す。
【図13A-B】ヒトPVALBおよびマウスTh遺伝子座中のプロトスペーサーの例示的選択を示す。
【図14】ヒトEMX1遺伝子座中のS.サーモフィラス(S.thermophilus)CRISPR系の例示的プロトスペーサーおよび対応するPAM配列標的を示す。
【図15】Surveyor、RFLP、ゲノムシーケンシング、およびノザンブロットアッセイに使用されたプライマーおよびプローブについての配列の表を提供する。
【図16A】キメラRNAを有するCRISPR系の例示的操作および真核細胞中の系活性についてのSURVEYORアッセイの結果を示す。
【図16B】キメラRNAを有するCRISPR系の例示的操作および真核細胞中の系活性についてのSURVEYORアッセイの結果を示す。
【図16C】キメラRNAを有するCRISPR系の例示的操作および真核細胞中の系活性についてのSURVEYORアッセイの結果を示す。
【図17A-B】真核細胞中のCRISPR系活性についてのSURVEYORアッセイの結果のグラフ表示を示す。
【図18】UCSCゲノムブラウザを使用するヒトゲノム中のいくつかの化膿性連鎖球菌(S.pyogenes)Cas9標的部位の例示的可視化を示す。
【図19A】大型Cas9(約1400アミノ酸)の3つの群および小型Cas9(約1100アミノ酸)の2つの群を含むCas9の5つの科を明らかにする系統発生分析の円形表示を示す。
【図19B】大型Cas9(約1400アミノ酸)の3つの群および小型Cas9(約1100アミノ酸)の2つの群を含むCas9の5つの科を明らかにする系統発生分析の円形表示を示す。
【図19C】大型Cas9(約1400アミノ酸)の3つの群および小型Cas9(約1100アミノ酸)の2つの群を含むCas9の5つの科を明らかにする系統発生分析の円形表示を示す。
【図19D】大型Cas9(約1400アミノ酸)の3つの群および小型Cas9(約1100アミノ酸)の2つの群を含むCas9の5つの科を明らかにする系統発生分析の円形表示を示す。
【図20A】大型Cas9(約1400アミノ酸)の3つの群および小型Cas9(約1100アミノ酸)の2つの群を含むCas9の5つの科を明らかにする系統発生分析の線形表示を示す。
【図20B】大型Cas9(約1400アミノ酸)の3つの群および小型Cas9(約1100アミノ酸)の2つの群を含むCas9の5つの科を明らかにする系統発生分析の線形表示を示す。
【図20C】大型Cas9(約1400アミノ酸)の3つの群および小型Cas9(約1100アミノ酸)の2つの群を含むCas9の5つの科を明らかにする系統発生分析の線形表示を示す。
【図20D】大型Cas9(約1400アミノ酸)の3つの群および小型Cas9(約1100アミノ酸)の2つの群を含むCas9の5つの科を明らかにする系統発生分析の線形表示を示す。
【図20E】大型Cas9(約1400アミノ酸)の3つの群および小型Cas9(約1100アミノ酸)の2つの群を含むCas9の5つの科を明らかにする系統発生分析の線形表示を示す。
【図20F】大型Cas9(約1400アミノ酸)の3つの群および小型Cas9(約1100アミノ酸)の2つの群を含むCas9の5つの科を明らかにする系統発生分析の線形表示を示す。
【図21A】相同組換えを介するゲノム編集を示す。(a)RuvC I触媒ドメイン中のD10A突然変異を有するSpCas9ニッカーゼの模式図。(b)センスまたはアンチセンス一本鎖オリゴヌクレオチドのいずれかを修復テンプレートとして使用するヒトEMX1遺伝子座における相同組換え(HR)を表す模式図。上方の赤色矢印は、sgRNA開裂部位を示し;ゲノタイピングのためのPCRプライマー(表JおよびK)を右側パネルに矢印として示す。(c)HRにより改変された領域の配列。d、EMX標的1遺伝子座における野生型(wt)およびニッカーゼ(D10A)SpCas9媒介インデルについてのSURVEYORアッセイ(n=3)。矢印は、予測断片サイズの位置を示す。
【図21B】相同組換えを介するゲノム編集を示す。(a)RuvC I触媒ドメイン中のD10A突然変異を有するSpCas9ニッカーゼの模式図。(b)センスまたはアンチセンス一本鎖オリゴヌクレオチドのいずれかを修復テンプレートとして使用するヒトEMX1遺伝子座における相同組換え(HR)を表す模式図。上方の赤色矢印は、sgRNA開裂部位を示し;ゲノタイピングのためのPCRプライマー(表JおよびK)を右側パネルに矢印として示す。(c)HRにより改変された領域の配列。d、EMX標的1遺伝子座における野生型(wt)およびニッカーゼ(D10A)SpCas9媒介インデルについてのSURVEYORアッセイ(n=3)。矢印は、予測断片サイズの位置を示す。
【図21C】相同組換えを介するゲノム編集を示す。(a)RuvC I触媒ドメイン中のD10A突然変異を有するSpCas9ニッカーゼの模式図。(b)センスまたはアンチセンス一本鎖オリゴヌクレオチドのいずれかを修復テンプレートとして使用するヒトEMX1遺伝子座における相同組換え(HR)を表す模式図。上方の赤色矢印は、sgRNA開裂部位を示し;ゲノタイピングのためのPCRプライマー(表JおよびK)を右側パネルに矢印として示す。(c)HRにより改変された領域の配列。d、EMX標的1遺伝子座における野生型(wt)およびニッカーゼ(D10A)SpCas9媒介インデルについてのSURVEYORアッセイ(n=3)。矢印は、予測断片サイズの位置を示す。
【図21D】相同組換えを介するゲノム編集を示す。(a)RuvC I触媒ドメイン中のD10A突然変異を有するSpCas9ニッカーゼの模式図。(b)センスまたはアンチセンス一本鎖オリゴヌクレオチドのいずれかを修復テンプレートとして使用するヒトEMX1遺伝子座における相同組換え(HR)を表す模式図。上方の赤色矢印は、sgRNA開裂部位を示し;ゲノタイピングのためのPCRプライマー(表JおよびK)を右側パネルに矢印として示す。(c)HRにより改変された領域の配列。d、EMX標的1遺伝子座における野生型(wt)およびニッカーゼ(D10A)SpCas9媒介インデルについてのSURVEYORアッセイ(n=3)。矢印は、予測断片サイズの位置を示す。
【図22A】SpCas9のための単一ベクター設計を示す。
【図22B】SpCas9のための単一ベクター設計を示す。
【図23】Cas9オルソログの長さ分布を表すグラフを示す。
【図24A】図24A〜図24Mは、突然変異点がSpCas9遺伝子内に位置する配列を示す。
【図24B】図24A〜図24Mは、突然変異点がSpCas9遺伝子内に位置する配列を示す。
【図24C】図24A〜図24Mは、突然変異点がSpCas9遺伝子内に位置する配列を示す。
【図24D】図24A〜図24Mは、突然変異点がSpCas9遺伝子内に位置する配列を示す。
【図24E】図24A〜図24Mは、突然変異点がSpCas9遺伝子内に位置する配列を示す。
【図24F】図24A〜図24Mは、突然変異点がSpCas9遺伝子内に位置する配列を示す。
【図24G】図24A〜図24Mは、突然変異点がSpCas9遺伝子内に位置する配列を示す。
【図24H】図24A〜図24Mは、突然変異点がSpCas9遺伝子内に位置する配列を示す。
【図24I】図24A〜図24Mは、突然変異点がSpCas9遺伝子内に位置する配列を示す。
【図24J】図24A〜図24Mは、突然変異点がSpCas9遺伝子内に位置する配列を示す。
【図24K】図24A〜図24Mは、突然変異点がSpCas9遺伝子内に位置する配列を示す。
【図24L】図24A〜図24Mは、突然変異点がSpCas9遺伝子内に位置する配列を示す。
【図24M】図24A〜図24Mは、突然変異点がSpCas9遺伝子内に位置する配列を示す。
【図25A】条件的Cas9、Rosa26ターゲティングベクターマップを示す。
【図25B】構成的Cas9、Rosa26ターゲティングベクターマップを示す。
【図26】構成的および条件的Cas9構築物における重要なエレメントの略図を示す。
【図27】送達およびインビボマウス脳Cas9発現データを示す。
【図28】細胞へのCas9およびキメラRNAのRNA送達を示す(A)ニューロ2A細胞へのDNAまたはmRNAのいずれかとしてのGFPレポーターの送達。(B)Cas9およびキメラRNAをRNAとしてIcam2遺伝子に対して送達すると、試験した2つのスペーサーのうちの一方に開裂が生じる。(C)Cas9およびキメラRNAをRNAとしてF7遺伝子に対して送達すると、試験した2つのスペーサーのうちの一方に開裂が生じる。
【図29】DNA二本鎖切断(DSB)修復が遺伝子編集をいかに促進するかを示す。エラープローン非相同末端結合(NHEJ)経路において、DSBの末端は内因性DNA修復機構によりプロセシングされ、一緒に再結合し、このことは接合部位におけるランダム挿入/欠失(インデル)突然変異をもたらし得る。遺伝子のコード領域内で生じるインデル突然変異は、フレームシフトおよび早期終止コドンをもたらし得、遺伝子ノックアウトをもたらす。あるいは、プラスミドまたは一本鎖オリゴデオキシヌクレオチド(ssODN)の形態の修復テンプレートを供給して高いフィデリティおよび正確な編集を可能とする相同性組換え修復(HDR)経路を活用することができる。
【図30】図30A〜図30Cは、HEKおよびHUES9細胞でのHDRについて予想される結果を示す。(a)相同性アームを有するターゲティングプラスミドまたはssODN(センスまたはアンチセンス)のいずれかを使用して、Cas9により開裂される標的ゲノム遺伝子座(赤色の三角形)で配列を編集することができる。HDRの効率をアッセイするため、本発明者らは標的遺伝子座にHindIII部位(赤色のバー)を導入し、これを、相同性領域外にアニールするプライマーでPCR増幅した。HindIIIでPCR産物を消化すると、HDRイベントの発生が明らかになる。(b)目的の遺伝子座に対してセンス方向またはアンチセンス方向(sまたはa)のいずれかに向くssODNをCas9と組み合わせて使用することにより、標的遺伝子座における効率的なHDR媒介性編集を実現することができる。改変の両側に40bp、および好ましくは90bpの最小相同性領域が推奨される(赤色のバー)。(c)野生型Cas9およびCas9ニッカーゼ(D10A)の両方を使用して、EMX1遺伝子座におけるHDRに対してssODNが及ぼす効果の例が示される。各ssODNは、2つの制限部位の12bpの挿入が隣接する90bpの相同性アームを含む。
【図31】図31A〜図31Cは、嚢胞性線維症ΔF508突然変異の修復戦略を示す。
【図32】図32A〜図32B(a)は、FXNイントロン1におけるGAAリピート伸長の略図を示し、(b)は、CRISPR/Cas系を使用したGAA伸長領域の切り出しに用いられる戦略の略図を示す。
【図33】Tet1〜3およびDnmt1、3aおよび3b遺伝子座の効率的なSpCas9媒介性ターゲティングのスクリーニングを示す。形質移入したN2A細胞のDNAに関するSurveyorアッセイにより、種々のgRNAを使用することによる効率的なDNA開裂を実証する。
【図34】AAV1/2送達系における2ベクター系を使用した多重ゲノムターゲティング戦略を示す。Tet1−3およびDnmt1、3aおよび3b gRNAはU6プロモーターの制御下にある。GFP−KASHはヒトシナプシンプロモーターの制御下にある。制限酵素部位が、サブクローニングによる単純なgRNA置換戦略を示す。2つの核局在化シグナル(NLS)が隣接するHAタグ標識SpCas9が示される。両方のベクターとも、1:1比でAAV1/2ウイルスによって脳に送達される。
【図35】Surveyorアッセイを用いた多重DNMTターゲティングベクター#1の機能検証を示す。DNMT遺伝子ファミリー遺伝子座のSpCas9媒介性開裂を試験するため、N2A細胞にDNMTターゲティングベクター#1(+)およびSpCas9コードベクターを同時形質移入した。gRNAのみ(−)が陰性対照である。形質移入後48時間でDNA精製および下流処理のため細胞を回収した。
【図36】Surveyorアッセイを用いた多重DNMTターゲティングベクター#2の機能検証を示す。DNMT遺伝子ファミリー遺伝子座のSpCas9媒介性開裂を試験するため、N2A細胞にDNMTターゲティングベクター#1(+)およびSpCas9コードベクターを同時形質移入した。gRNAのみ(−)が陰性対照である。形質移入後48時間でDNA精製および下流処理のため細胞を回収した。
【図37】インビボでのHA−SpCas9発現に使用される短いプロモーターおよび短いポリAバージョンの概略図を示す。L−ITRからR−ITRまでのコード領域のサイズを右側に示す。
【図38】インビボでのHA−SaCas9発現に使用される短いプロモーターおよび短いポリAバージョンの概略図を示す。L−ITRからR−ITRまでのコード領域のサイズを右側に示す。
【図39】N2A細胞におけるSpCas9およびSaCas9の発現を示す。種々の短いプロモーターの制御下にありかつ短いポリA(spA)配列を有するHAタグ標識SpCas9およびSaCas9バージョンの代表的なウエスタンブロット。チューブリンがローディング対照である。mCherry(mCh)が形質移入対照である。形質移入後48時間でウエスタンブロッティングのため細胞を回収してさらに処理した。
【図40】Tet3遺伝子座の効率的なSaCas9媒介性ターゲティングのスクリーニングを示す。形質移入したN2A細胞のDNAに関するSurveyorアッセイにより、NNGGGT PUM配列を有する種々のgRNAを使用することによる効率的なDNA開裂が実証される。GFP形質移入細胞およびSaCas9のみを発現する細胞が対照である。
【図41】マウス脳におけるHA−SaCas9の発現を示す。ヒトシナプシンプロモーターの制御下でHA−SaCas9の発現をドライブするウイルスを動物の歯状回に注入した。手術後2週間で動物を犠牲にした。ウサギモノクローナル抗体C29F4(Cell Signaling)を使用してHAタグを検出した。DAPI染色で細胞核は青色に染色された。
【図42】形質導入7日後の培養下の皮質初代ニューロンにおけるSpCas9およびSaCas9の発現を示す。種々のプロモーターの制御下にありかつbghまたは短いポリA(spA)配列を有するHAタグ標識SpCas9およびSaCas9バージョンの代表的なウエスタンブロット。チューブリンがローディング対照である。
【図43】種々のプロモーターを含むSpCas9および多重gRNA構築物を有するAAV1粒子による形質導入後7日の初代皮質ニューロンのLIVE/DEAD染色を示す(DNMTについては最後のパネルに例を示す)。AAV形質導入後のニューロンを、対照の非形質導入ニューロンと比較した。赤色の核は、透過処理された死細胞を示す(パネルの2列目)。生細胞は緑色で示される(パネルの3列目)。
【図44】種々のプロモーターを含むSaCas9を有するAAV1粒子による形質導入後7日の初代皮質ニューロンのLIVE/DEAD染色を示す。赤色の核は、透過処理された死細胞を示す(パネルの2列目)。生細胞は緑色で示される(パネルの3列目)。
【図45】TETおよびDNMT遺伝子座に関するSpCas9ならびにgRNA多重体を有するAAV1ウイルスによる形質導入後のニューロンの形態比較を示す。形質導入されていないニューロンを対照として示す。
【図46】初代皮質ニューロンにおけるSurveyorアッセイを用いた多重DNMTターゲティングベクター#1の機能検証を示す。DNMT遺伝子ファミリー遺伝子座のSpCas9媒介性開裂を試験するため、細胞にDNMTターゲティングベクター#1および種々のプロモーターを有するSpCas9ウイルスを共形質導入した。
【図47】脳におけるSpCas9開裂のインビボ効率を示す。DNMTファミリー遺伝子座を標的とするgRNA多重体を有するAAV1/2ウイルスを、2つの異なるプロモーター:マウスMecp2およびラットMap1bの制御下にあるSpCas9ウイルスと共にマウスに注入した。注入後2週間で脳組織を摘出し、gRNA多重体構築物からシナプシンプロモーターによりドライブされるGFP発現に基づき、FACSを使用して核を調製および選別した。gDNA抽出後、Surveyorアッセイを実行した。+はGFP陽性核を示し、−は同じ動物からの対照のGFP陰性核を示す。ゲル上の数字は、評価したSpCas9効率を示す。
【図48】海馬ニューロンからのGFP−KASH標識細胞核の精製を示す。細胞核膜の核外膜(ONM)をGFPとKASHタンパク質膜貫通ドメインとの融合物でタグ標識する。定位手術およびAAV1/2注入の1週間後の脳における強力なGFP発現。密度勾配遠心ステップによるインタクトな脳からの細胞核の精製。精製された核を示す。Vybrant(登録商標)DyeCycle(商標)Ruby染色によるクロマチン染色は赤色で示され、GFP標識核は緑色で示される。GFP+およびGFP−細胞核の代表的なFACSプロファイル(マゼンタ色:Vybrant(登録商標)DyeCycle(商標)Ruby染色、緑色:GFP)。
【図49】マウス脳におけるSpCas9開裂効率を示す。TETファミリー遺伝子座を標的とするgRNA多重体を有するAAV1/2ウイルスを、2つの異なるプロモーター:マウスMecp2およびラットMap1bの制御下にあるSpCas9ウイルスと共にマウスに注入した。注入後3週間で脳組織を摘出し、gRNA多重体構築物からシナプシンプロモーターによりドライブされるGFP発現に基づき、FACSを使用して核を調製および選別した。gDNA抽出後、Surveyorアッセイを実行した。+はGFP陽性核を示し、−は同じ動物からの対照のGFP陰性核を示す。ゲル上の数字は、評価したSpCas9効率を示す。
【図50】培養下の皮質ニューロンにおけるGFP−KASH発現を示す。TET遺伝子座を標的とするgRNA多重体構築物を有するAAV1ウイルスをニューロンに形質導入した。KASHドメインの局在化により、最も強力なシグナルは細胞核の周りに局在する。
【図51】(上)ガイドRNAのペア間の間隔(2つのPAM配列の配置パターンにより示されるとおり)のリストを示す。SpCas9(D10A)ニッカーゼと共に使用したとき、パターン1、2、3、4を満たすガイドRNAペアのみがインデルを呈した。(下)SpCas9(D10A)と、パターン1、2、3、4を満たすガイドRNAのペアとの組み合わせが、標的部位におけるインデルの形成をもたらしたことを示すゲル画像。
【図52】U6ガイドRNA発現カセット(casssette)の作成に使用されるU6リバースプライマー配列のリストを示す。U6および所望のガイドRNAを含有するアンプリコンを作成するためには、各プライマーがU6フォワードプライマー「gcactgagggcctatttcccatgattc」とペアを形成する必要がある。
【図53】図33に掲載する24パターンの位置を示すヒトEMX1遺伝子座からのゲノム配列マップを示す。
【図54】(右側)種々のガイドRNAペアにより標的化されたCas9ニッカーゼによる開裂の後に可変の5’オーバーハングが存在するときの標的部位におけるインデルの形成を示すゲル画像を示す。(左側)右側にゲルのレーン番号を示し、使用したガイドRNAペアおよびCas9ニッカーゼによる開裂後に存在する5’オーバーハングの長さを特定することを含めた種々のパラメータを示す表を示す。
【図55】図54のゲルパターン(右)をもたらしおよび実施例35にさらに記載する種々のガイドRNAペアの位置を示すヒトEMX1遺伝子座からのゲノム配列マップを示す。
【図56】Aはガイド(標的)1がApoBで最も高い割合のインデルを誘導したことを示す。Bは注入後4週間のインデル形成効率に関するSurveyorヌクレアーゼゲルアッセイの結果を示す。
【図57】AAV−Cas9−sgRNA送達後のインビボでの肝臓脂質蓄積表現型を検出するオイルレッド染色を示す。各囲み内のスケールバーが20マイクロメートルを表す。
【図58】種々の標的間および2つの異なる遺伝子(AAVS1およびEMX1)の範囲内では、灰色のバーで表される21ntd/塩基対(bp)が、少なくとも20または22塩基対(それぞれ黒色および白色のバーで表される)と比較して最適なスペーサー長さであることを示す。
【図59】ガイド配列をCas9イントロン配列に挿入することができたかどうかを示す。
【図60】試験した各標的についてU6がインデル形成割合の増加を示すとおり、完全長H1プロモーター(灰色のバー)がなおもU6プロモーター(黒色のバー)より弱いことを示す。
【図61】短鎖H1プロモーターが完全長H1より弱いことを示す。
【図62】D10A SaCAs9二重ニッカーゼの開裂効率に関して測定した構築物中の2つのガイド配列の5’末端間の距離を示す。
【図63】(実施例38)マウス脳におけるCRISPR−Cas9系送達およびMecp2遺伝子座のターゲティングを示す。(a)AAV−SpCas9およびAAV−SpGuide(Mecp2)発現ベクター。sgRNAベクターは、形質導入ニューロンを同定するためのGFP−KASH融合タンパク質のコード配列を含む。(b)マウス海馬の背側歯状回(DG)におけるHA−Cas9およびGFP−KASHの発現。スケールバー、100μm。(c)デュアルベクターCas9−CRISPR系によって効率的にターゲティングされる細胞の定量化。(d)Cas9標的位置を示すマウスMecp2遺伝子座の図解表示;sgRNAを青色で示す。PAM配列を紫色で示す。Mecp2遺伝子座のシーケンシングによって検出される代表的な突然変異パターンを下に示した:緑色−野生型配列;赤色ダッシュ記号−欠失した塩基;赤色の塩基:挿入または突然変異;赤色の三角矢印はCRISPR−Cas9切断部位を示す。(e)DG領域へのAAV送達後2週間のMecp2遺伝子座の改変を示すSURVEYOR(商標)アッセイゲル。(f)ターゲティングした脳領域におけるMeCP2タンパク質発現のウエスタンブロット分析および背側DGにおけるMeCP2タンパク質レベルの定量化(t検定、**p<0.001、3匹の動物からのn=4、エラーバー:s.e.m.)。(g)CRISPR−Cas9によるMecp2遺伝子座のターゲティング後2週間の背側DG領域の画像。スケールバー、150μm。(h)ターゲティングした脳領域において検出された全ての細胞中にあるMeCP2陽性細胞集団(DAPI染色)の、対照副次部位と比較した定量化(t検定、****p<0.0001、2匹の動物からのそれぞれn=290および249細胞;エラーバー:s.e.m)。(ITR−逆方向末端反復;HA−ヘマグルチニンタグ;NLS−核局在化シグナル;spA−合成ポリアデニル化シグナル;U6−PolIIIプロモーター;sgRNA−単一ガイドRNA;hSyn−ヒトシナプシン1プロモーター;GFP−緑色蛍光タンパク質;KASH−Klarsicht、ANC1、Syne相同性核膜貫通ドメイン;bGH pA−ウシ成長ホルモンポリアデニル化シグナル(polyadenylatio signal);WPRE−ウッドチャック肝炎ウイルス転写後調節エレメント)。
【図64】(実施例38)Cas9媒介性MeCP2ノックダウンニューロンにおける遺伝子発現の解析を示す。(a)マウス脳からのCRISPR−Cas9標的細胞の細胞核精製戦略。(b)RNAseqによって検出された差次的発現遺伝子の階層クラスタリング(t検定、p<0.01、8匹の動物からの選別した核のn=19集団)。行毎に遺伝子の相対log2(TPM+1)発現レベルを正規化し、赤色−青色カラースケールで表示する。各列が、指示するとおり、対照動物またはMecp2 sgRNA形質導入動物のいずれかに由来する単離歯状回細胞集団からFACS選別した100個の標的神経核の集団を表す。
【図65】(実施例38)CRISPR媒介性MeCP2ノックダウン後のニューロンの細胞応答特性における細胞自律性欠陥を示す。(a)マウス視覚野からの生体内実験構成および視覚刺激パラメータを示す略画。GFP+ニューロンを示す。スケールバー、20μm。(b)対側眼および同側眼の両方に特異的な入力を受け取る第2/3層興奮性ニューロンにおける記録構成を示す略画。ゲノム改変GFP+細胞は緑色であり、一方、非改変細胞は灰色である。正規化したスパイク形状は、規則的にスパイク発火する興奮性ニューロンを示す。(c、d)それぞれMecp2および対照sgRNAを発現するGFP+細胞から平均OSI(c)および誘発FR(d)を測定した(t検定、*p<0.05;グラフ中の数字は記録された細胞の数を示す;n=2〜3匹の動物;エラーバー:s.e.m)。
【図66】(実施例38)マウス脳における同時多重化遺伝子編集を示す。(a)多重化ゲノムターゲティング用に設計されたCRISPR−Cas9系の概略図。(b)標的DNMTマウス遺伝子座の図解表示。ガイドRNAを青色で示す。PAM配列を紫色で示す。(c)DG領域へのAAV送達後4週間の、FACS選別したGFP−KASH陽性細胞におけるDNMT遺伝子座の改変を示すSURVEYOR(商標)アッセイゲル。(d)単一細胞におけるDNMT遺伝子座改変のディープシーケンシングベースの解析であって、複数の遺伝子座に改変が同時に起こることを示す。(e)DNMTファミリー遺伝子をターゲティングするCRISPR−Cas9系をインビボ送達した後のDnmt3aおよびDnmt1タンパク質のウエスタンブロット分析(上)。インビボCRISPR−Cas9ターゲティング後のDGにおけるDnmt3aおよびDnmt1タンパク質レベルのウエスタンブロット定量化(下;t検定、**p<0.001、*p<0.05、Dnmt3a:n=7;Dnmt1:5匹の動物からのn=5;エラーバー:s.e.m)。(f)訓練文脈および文脈変化で試験した、海馬のDG領域でSpCas9を使用してDNMT遺伝子をターゲティングした8週間後の文脈学習障害(t検定、***p<0.0001、n=18匹の動物、2つの独立した実験;エラーバー:s.e.m)。
【図67】(実施例38)AAVパッケージングのためのHAタグ標識SpCas9(HA−SpCas9)のクローニングおよび発現を示す。(a)短鎖ラットMap1bプロモーター(pMap1b)、トランケート型のマウスMecp2プロモーター(pMecp2)および短鎖ポリAモチーフ(spA)を使用してSpCas9発現カセットサイズを最小限に抑える種々のクローニング戦略の概略図。(b)種々のSpCas9発現カセットを使用してHA−SpCas9を発現する初代皮質ニューロン培養物のウエスタンブロット分析。(c)Mecp2プロモーターはHA−SpCas9(赤色)発現をニューロンでは駆動するが(Map1b、NeuN;矢印)、しかしアストログリアでは駆動しない(GFAP、三角矢印)。HA−SpCas9とGFP−KASHとの同時発現が示される(下)。核はDAPI(青色)で標識した。スケールバー、20μm。(d)GFP標識の概略図。核膜貫通KASHドメインに融合した高感度緑色蛍光タンパク質(GFP)および核外膜へのGFP−KASHのインテグレーションが示される。(e)HA−SpCas9とGFP−KASHとの両方を発現する細胞の集団を示す重感染効率計算(3つの培養物からのn=973ニューロン;エラーバー:s.e.m)。(f)ウイルス送達7日後に細胞をLIFE/DEAD(登録商標)キットで染色した。DAPI+および死滅(DEAD+)細胞の定量化(対照 n=518個のDAPI+核;SpCas9/GFP−KASH 2つの培養物からのn=1003個のDAPI+核;エラーバー:s.e.m)。(ITR−逆方向末端反復;HA−ヘマグルチニンタグ;NLS−核局在化シグナル;spA−合成ポリアデニル化シグナル;U6−PolIIIプロモーター;sgRNA−単一ガイドRNA;hSyn−ヒトシナプシン1プロモーター;GFP−緑色蛍光タンパク質;KASH−Klarsicht、ANC1、Syne相同性 核膜貫通ドメイン;bGH pA−ウシ成長ホルモンポリアデニル化シグナル;WPRE−ウッドチャック肝炎ウイルス転写後調節エレメント)。
【図68】(実施例38)Neuro−2a細胞におけるMecp2のターゲティングを示す。(a)Mecp2ターゲティング配列および対応するプロトスペーサー隣接モチーフ(PAM)。(b)Neuro−2a細胞にSpCas9と同時形質移入した6つのMecp2 sgRNAの評価。形質移入後48時間にSURVEYOR(商標)アッセイを用いて遺伝子座改変効率を分析した。
【図69】(実施例38)初代皮質ニューロンにおけるMecp2のCRISPR−SpCas9ターゲティングを示す。(a)AAV−CRISPR形質導入7日後の培養ニューロンにおけるMeCP2(赤色)の免疫蛍光染色(緑色、GFP−KASH)。核はDAPI(青色)で標識した。スケールバー、20μm。(b)SpCas9またはdSpCas9をMecp2 sgRNAまたは対照(細菌lacZ遺伝子をターゲティングする)sgRNAと共に使用したMecp2遺伝子座ターゲティングに関するSURVEYOR(商標)アッセイゲルを用いた評価。(c)標的ニューロン集団(GFP+)中のMeCP2陽性核の定量化。(d)CRISPR−SpCas9によるMecp2遺伝子座のターゲティング後におけるMeCP2タンパク質レベルのウエスタンブロットおよびMeCP2タンパク質レベルの定量化(t検定、**p<0.001、3個の培養物からのn=5、エラーバー:s.e.m)。
【図70】(実施例38)インビトロでのSpCas9媒介性MeCP2ノックダウン後のニューロンの樹状突起樹における形態学的変化を示す。(a)CRISPR−SpCas9によるMecp2遺伝子座のターゲティング後のニューロンにおける樹状突起樹の複雑さの低下。スケールバー、20μm。(b)SpCas9およびMecp2 sgRNAでターゲティングしたニューロンにおける樹状突起棘形態の変化。スケールバー、10μm。細胞の形態はmCherry構築物との同時形質移入で可視化した。形態分析用の細胞はMecp2染色の結果に基づき選択した。(c)樹状末端の数で評価した樹状突起樹形態、および(d)Sholl解析(t検定、***p<0.0001、2つの培養物からのn=40)。(e)棘密度定量化(t検定、***p<0.0001、2つの培養物からのn=40、エラーバー:s.e.m)。
【図71】(実施例38)対照動物およびSpCas9媒介性Mecp2ノックダウンの神経核のRNAseqを示す。発現レベルの分位点毎の全RNA−seqライブラリ(各々100個の、対照sgRNAから取った核またはMecp2 sgRNAを形質導入した核の19個のライブラリ、;n=4匹の動物/群)で検出された遺伝子の数を示す箱ひげ図。全ての遺伝子をその平均log2(TPM+1)発現レベルで10分位に分け、次に各分位点について、試料毎に検出された(log2(TPM+1)>2)遺伝子の数をカウントした。図示する3つの標的配列は、それぞれDnmt3a、Dnmt1およびDnmt3bについて、配列番号___、配列番号___および配列番号___である。
【図72】(実施例38)インビトロでのDNMTファミリーメンバーの多重化ゲノムターゲティングを示す。(a)Dnmt3a、Dnmt1およびDnmt3bターゲティング配列および対応するプロトスペーサー隣接モチーフ(PAM)。(b)Dnmt3a、Dnmt1およびDnmt3b遺伝子座をターゲティングするSpCas9およびDNMT 3xsgRNAベクターの形質移入後48時間におけるNeuro−2a細胞のSURVEYOR(商標)ヌクレアーゼアッセイ分析。ターゲティングされた3つ全ての遺伝子の効率的なゲノム編集が示される。
【図73】(実施例38)標的Dnmt3a、Dnmt1およびDnmt3b遺伝子座の次世代シーケンシングを示す。SpCas9およびDNMT 3xsgRNAをマウス歯状回にインビボ送達した後の突然変異Dnmt3a(a)、Dnmt1(b)およびDnmt3b(c)遺伝子座のシーケンシング結果の例。緑色:野生型配列、赤色ダッシュ記号:欠失した塩基、赤色の塩基:挿入または突然変異。赤色の三角矢印はCRISPR−SpCas9切断部位を示す。この図に用いた完全配列は、それぞれDnmt3a、Dnmt1およびDnmt3b遺伝子座について、配列番号 、配列番号 、および配列番号 として提供される。これらは以下である: 配列番号 (Dnmt3a): CCT CCG TGT CAG CGA CCC ATG CCA A 配列番号 (Dnmt1): CCA GCG TCG AAC AGC TCC AGC CCG 配列番号 (Dnmt3b) AGA GGG TGC CAG CGG GTA TAT GAG G
【図74】発現を増進させるため、SaCas9タンパク質配列がコドン最適化されており(「reopt」)、そのユビキチン化シグナルが取り除かれている(「reopt(Ub)」)ことを示す。FLAGタグおよびHAタグ標識SaCas9に対するタンパク質ブロットは、最適化SaCas9(reopt、#2〜4)が元の構築物(#0、5、および6)と比べて約2倍の発現増加を示し、SpCas9(SpCas9 330、左側パネル最上部のバー;SpCas9 414、右側パネル最上部のバー)と同程度であることを示す。3xHAタグ標識(右側パネル#6)を加えると、1xHAタグ(右側パネル#5)と比べて検出シグナルが約2倍向上する。
【図75】そのままの(灰色、各ntd数について左側のバー)またはSaCas9のsgRNAの最も5’側の位置に「G」を付加した(青色、各ntd数について太い輪郭を有する右側のバー)U6プロモーターによって転写されるsgRNAを使用したインデル効率を示す。総sgRNAスペーサー長さ(Gを含む)をx軸上に示す。グラフは、5個のsgRNAから集約したデータを示す。
【図76】sgRNAスペーサー長さ(x軸)の最適化を示す。グラフは、HEK(左)およびHepa(右)細胞における種々の長さのsgRNAスペーサーによるインデル形成を示す。
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