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JP7084021B2 - Targeting vector - Google Patents

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JP7084021B2 JP2018009450A JP2018009450A JP7084021B2 JP 7084021 B2 JP7084021 B2 JP 7084021B2 JP 2018009450 A JP2018009450 A JP 2018009450A JP 2018009450 A JP2018009450 A JP 2018009450A JP 7084021 B2 JP7084021 B2 JP 7084021B2
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Description

本発明は、ターゲティングベクターに関する。より具体的には、本発明は、遺伝子組み換えにおいて、相同組み換えを劇的に高効率化できる汎用性の高いターゲティングベクターに関する。 The present invention relates to a targeting vector. More specifically, the present invention relates to a highly versatile targeting vector capable of dramatically increasing the efficiency of homologous recombination in genetic recombination.

遺伝子組み換えマウスは、発生学上および疾患学上において遺伝子機能を理解するための重要なツールである。従来の遺伝子ターゲティング法においては、標的とする遺伝子ごとにデザインされたターゲティングベクターを作製して胚性幹(ES)細胞へ導入し、相同組み換え(HR)によって突然変異が導入される。相同組み換えによる変異の導入は、細胞が本来有するDNAの二重鎖切断(DNA double-strand break:DSB)の修復機構を利用し、DSBの修復の際に、核内に導入されたターゲティングベクターを参照して修復させることによって行われる。ターゲティングベクターは薬剤耐性遺伝子とともに細胞に導入され、薬剤耐性を持った細胞コロニーをスクリーニングすることによって、標的のゲノムに特異的に挿入された標的化ES細胞を選ぶ。標的化ES細胞を野生型胚盤胞に注入することで、標的遺伝子の改変を含むマウスを生成する。 Genetically modified mice are an important tool for understanding gene function in embryology and disease science. In the conventional gene targeting method, a targeting vector designed for each target gene is prepared and introduced into embryonic stem (ES) cells, and mutation is introduced by homologous recombination (HR). The introduction of mutations by homologous recombination utilizes the repair mechanism of DNA double-strand break (DSB) inherent in cells, and the targeting vector introduced into the nucleus during the repair of DSB is used. It is done by referencing and repairing. The targeting vector is introduced into cells together with a drug resistance gene, and by screening cell colonies with drug resistance, targeted ES cells specifically inserted into the target genome are selected. Injecting targeted ES cells into wild-type blastocysts produces mice containing a modification of the target gene.

標的遺伝子の改変技術つまりゲノム編集技術は、標的DNAへDSBを導入することを前提としており、DSBを導入するための人工制限酵素の開発と応用とによって発展してきた。人工制限酵素としては、DNA結合ドメインとしてZincフィンガーを持つZFNと、植物の非病原性細菌キサントモナス由来の転写因子TALEタンパク質由来の結合ドメインを持つTALENとの2種類がある。人工制限酵素は、細胞内に導入されると、近接する標的配列に結合して二量体を形成し、二本鎖DNAを切断する。 The target gene modification technique, that is, the genome editing technique, is premised on the introduction of DSB into the target DNA, and has been developed by the development and application of artificial restriction enzymes for introducing DSB. There are two types of artificial restriction enzymes: ZFN, which has a Zinc finger as a DNA binding domain, and TALEN, which has a binding domain derived from the transcription factor TALE protein derived from the plant non-pathogenic bacterium Xantomonas. When introduced into cells, artificial restriction enzymes bind to adjacent target sequences to form dimers and cleave double-stranded DNA.

近年、次世代のゲノム編集技術として、CRISPR-Cas9(clustered regularly interspaced short palindromic repeats / CRISPR associated proteins)が開発された(例えば、特許文献1、非特許文献1及び2参照)。CRISPR-Cas9法は、Cas9ヌクレアーゼ(DNA切断酵素)と、ヒトU6ポリメラーゼIIIプロモータで発現されたガイドRNAベクターとを共発現させ、特定の標的DNA配列を切断する。Cas9ヌクレアーゼによって二本鎖切断が導入されると、通常どおり、非相同末端連結又は相同組み換え修復の経路によって修復される。CRISPR-Cas9を過剰発現していることから、繰り返し二本鎖切断が導入され、それにより修復エラーが誘導される。非相同末端連結経路では、修復過程のエラーによって、欠失や挿入などの変異を導入することができ、これによって、遺伝子内の変異であれば、フレームシフトを引き起こし遺伝子が破壊される。一方、相同組み換え経路の修復では、ドナーベクターを共導入することによって切断部分に外来の遺伝子を挿入し、遺伝子ノックインやSNPsの置換を行うことが可能である。CRISPR-Cas9法は、ゲノム配列の任意の場所を削除、置換、挿入することができる遺伝子改変技術として、ZFN及びTALENに続く第三世代のゲノム編集ツールとして広く利用されている。 In recent years, CRISPR-Cas9 (clustered regularly interspaced short palindromic repeats / CRISPR associated proteins) has been developed as a next-generation genome editing technology (see, for example, Patent Document 1, Non-Patent Documents 1 and 2). The CRISPR-Cas9 method co-expresses a Cas9 nuclease (DNA-cleaving enzyme) with a guide RNA vector expressed by a human U6 polymerase III promoter to cleave a specific target DNA sequence. When double-strand breaks are introduced by Cas9 nucleases, they are repaired as usual by the pathway of non-homologous end ligation or homologous recombination repair. Overexpression of CRISPR-Cas9 leads to repeated double-strand breaks, which induce repair errors. In the non-homologous end-linking pathway, errors in the repair process can introduce mutations such as deletions and insertions, which can cause frameshifts and disrupt genes if they are mutations within the gene. On the other hand, in the repair of the homologous recombination pathway, it is possible to insert a foreign gene into the cleavage site by co-introducing a donor vector to perform gene knock-in or replacement of SNPs. The CRISPR-Cas9 method is widely used as a third-generation genome editing tool following ZFN and TALEN as a gene modification technique capable of deleting, replacing, or inserting an arbitrary location in a genome sequence.

米国特許第8697359号U.S. Pat. No. 8697359

Cell 153, 910-918 (2013)Cell 153, 910-918 (2013) Cell 154, 1370-1379 (2013)Cell 154, 1370-1379 (2013)

ZFNやTALENを用いたゲノム編集では、薬剤耐性遺伝子でスクリーニングしたものの多くは非相同末端連結によるものであり、相同組み換えによるものが得られる効率は低いという問題点がある。CRISPR-Cas9法はゲノム編集効率が改善されているが、改変の導入そのものは細胞の本来のゲノムDNAの二本鎖切断に対する修復機構が担っているという点において、ZFNやTALENを用いた技術と変わりはない。例えば、相同組み換え経路を経る二本鎖切断修復において、ドナーベクターを共導入することによって切断部分に外来の遺伝子を挿入できるものの、このような挿入は、細胞が本来的に有するゲノムDNAの二本鎖切断に対する修復機構に依存している。従って、CRISPR-Cas9法であっても、相同組み換えの効率が高くない欠点は依然として解決されていない。 In genome editing using ZFNs and TALENs, most of the screenings for drug resistance genes are due to non-homologous end ligation, and there is a problem that the efficiency of obtaining homologous recombination is low. Although the CRISPR-Cas9 method has improved the efficiency of genome editing, the introduction of the modification itself is responsible for the repair mechanism for double-strand breaks in the original genomic DNA of the cell. There is no change. For example, in double-strand break repair via a homologous recombination pathway, a foreign gene can be inserted into the cut portion by co-introducing a donor vector, but such insertion is two of the genomic DNA inherent in the cell. It relies on a repair mechanism for chain breaks. Therefore, even with the CRISPR-Cas9 method, the drawback that the efficiency of homologous recombination is not high has not been solved yet.

このように相同組み換え自体は、細胞が本来的に有するゲノムDNAのDSBに対する修復機構が担う内在的な現象であるため、細胞に内在する遺伝子と細胞内に導入された外来遺伝子との間で相同組み換えを起こす確率が人為的な工夫で向上する余地はない、というのが当業者間の認識であった。このため、内在性の相同組み換えの効率を改善することには注目されてこなかった。 In this way, homologous recombination itself is an intrinsic phenomenon carried out by the repair mechanism of the genomic DNA inherent in the cell for DSB, so that it is homologous between the gene inherent in the cell and the foreign gene introduced into the cell. It was the recognition among those skilled in the art that there was no room for improvement in the probability of recombination by artificial ingenuity. For this reason, no attention has been paid to improving the efficiency of endogenous homologous recombination.

そこで本発明の目的は、内在性の相同組み換えを高効率化できるゲノム改変技術を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a genome modification technique capable of increasing the efficiency of endogenous homologous recombination.

本発明者は鋭意検討の結果、ターゲティングベクターの末端の形状が相同組み換えの効率に大きな影響をもたらすことを見出した。さらに、本発明者は、ターゲティングベクターンの両端が3’突出形状を有し、且つ突出末端(オーバーハング部)の長さが所定以上である場合に、当業者が予想だにしない劇的な高効率で相同組み換えが起きることを見出した。本発明は、この知見に基づいてさらに検討を重ねることにより完成したものである。 As a result of diligent studies, the present inventor has found that the shape of the terminal of the targeting vector has a great influence on the efficiency of homologous recombination. Furthermore, the present inventor has a dramatic 3'protruding shape at both ends of the targeting vectoron, and the length of the protruding end (overhang portion) is more than a predetermined value, which is not expected by those skilled in the art. It was found that homologous recombination occurs with high efficiency. The present invention has been completed by further studies based on this finding.

即ち、本発明は、下記に掲げる態様の発明を提供する。
項1. 外来DNA断片と、前記外来DNA断片の両側に、標的DNA部位の一部と相同組み換え可能な相同配列を有する相同DNA断片とを含むターゲティングベクターであって、
前記ターゲティングベクターの両端がいずれも3’末端が突出したオーバーハング部を有し、前記オーバーハング部が前記相同配列を有し、且つ200mer以上の塩基長を有する、ターゲティングベクター。
項2. 前記オーバーハング部の塩基長が500mer以下である、項1に記載のターゲティングベクター。
項3. 前記外来DNA断片がマーカー遺伝子を含む、項1に記載のターゲティングベクター。
項4. 外来DNA断片と、前記外来DNA断片の両側に、標的DNA部位の一部と相同組み換え可能な相同配列を有する相同DNA断片とを含むターゲティングベクターであって;前記ターゲティングベクターの両端がいずれも3’末端が突出したオーバーハング部を有し、前記オーバーハング部が前記相同配列を有し且つ200mer以上の塩基長を有するターゲティングベクターを、前記標的DNA部位を染色体上に有する細胞に導入する導入工程を含む、遺伝子改変細胞の製造方法。
項5. 前記導入工程を前核注入法により行う、項4に記載の遺伝子改変細胞の製造方法。
項6. 前記標的DNA部位で二重鎖切断を生じさせる二重鎖切断工程を含まない、項4又は5に記載の遺伝子改変細胞の製造方法。
項7. 前記標的DNA部位で二重鎖切断を生じさせる二重鎖切断工程を含む、項4又は5に記載の遺伝子改変細胞の製造方法。
項8. 前記二重鎖切断工程を、ジンクフィンガーヌクレアーゼ(ZFN)、転写活性化因子様エフェクターヌクレアーゼ(TALEN)、又はクリスパー関連(Cas9)ヌクレアーゼにより行う、項7に記載の遺伝子改変細胞の製造方法。
項9. 外来DNA断片と、前記外来DNA断片の両側に、標的DNA部位の一部と相同組み換え可能な相同配列を有する相同DNA断片とを含む直鎖状DNA構築物であって、両末端が前記相同DNA断片で構成される直鎖状DNA構築物を構築する工程と、
前記直鎖状DNA構築物にエキソヌクレアーゼを作用させることによって、前記直鎖状DNA構築物の両末端において3’末端が200mer以上の塩基長で突出したオーバーハング部を生じさせる工程と、を含む、ターゲティングベクターの製造方法。
項10. 前記オーバーハング部を生じさせる工程において、前記エキソヌクレアーゼとしてT7エキソヌクレアーゼを用い、且つ、前記T7エキソヌクレアーゼを1分20秒以上作用させる、項9又は10に記載のターゲティングベクターの製造方法。
項11. 前記直鎖状DNA構築物を構築する工程と、前記オーバーハング部を生じさせる工程との間に、3’突出末端を生成する制限酵素によって前記DNA構築物の両末端を処理する工程を含む、項9に記載のターゲティングベクターの製造方法。
That is, the present invention provides the inventions of the following aspects.
Item 1. A targeting vector containing a foreign DNA fragment and a homologous DNA fragment having a homologous recombination sequence with a part of a target DNA site on both sides of the foreign DNA fragment.
A targeting vector having an overhang portion at both ends of the targeting vector having a protruding 3'end, the overhang portion having the homologous sequence, and a base length of 200 mer or more.
Item 2. Item 2. The targeting vector according to Item 1, wherein the base length of the overhang portion is 500 mer or less.
Item 3. Item 2. The targeting vector according to Item 1, wherein the foreign DNA fragment contains a marker gene.
Item 4. A targeting vector containing a foreign DNA fragment and a homologous DNA fragment having a homologous sequence capable of homologous recombination with a part of a target DNA site on both sides of the foreign DNA fragment; both ends of the targeting vector are 3'. An introduction step of introducing a targeting vector having an overhang portion having a protruding end, the overhang portion having the homologous sequence and a base length of 200 mer or more into a cell having the target DNA site on the chromosome. A method for producing a genetically modified cell, including.
Item 5. Item 6. The method for producing a gene-modified cell according to Item 4, wherein the introduction step is performed by a pronucleus injection method.
Item 6. Item 6. The method for producing a gene-modified cell according to Item 4 or 5, which does not include a double chain cleavage step of causing double chain cleavage at the target DNA site.
Item 7. Item 6. The method for producing a gene-modified cell according to Item 4 or 5, which comprises a double chain cleavage step of causing double chain cleavage at the target DNA site.
Item 8. Item 6. The method for producing a gene-modified cell according to Item 7, wherein the double-strand break step is performed by a zinc finger nuclease (ZFN), a transcriptional activator-like effector nuclease (TALEN), or a crisper-related (Cas9) nuclease.
Item 9. A linear DNA construct containing a foreign DNA fragment and a homologous DNA fragment having a homologous recombination sequence with a part of a target DNA site on both sides of the foreign DNA fragment, both ends of which are the homologous DNA fragments. The process of constructing a linear DNA construct composed of
Targeting comprising the step of allowing an exonuclease to act on the linear DNA construct to form an overhang portion at both ends of the linear DNA construct, the 3'end protruding with a base length of 200 mer or more. How to make a vector.
Item 10. Item 9. The method for producing a targeting vector according to Item 9 or 10, wherein a T7 exonuclease is used as the exonuclease in the step of generating the overhang portion, and the T7 exonuclease is allowed to act for 1 minute 20 seconds or longer.
Item 11. Item 9. A step of treating both ends of the DNA construct with a restriction enzyme that produces a 3'protruding end between the step of constructing the linear DNA construct and the step of causing the overhang portion. The method for producing a targeting vector according to.

本発明によれば、内在性の相同組み換えを高効率化できるゲノム改変技術が提供されるため、内在性の相同組み換えの仕組みを利用した正確な遺伝子改変が可能であり、多くの生物系への適用が可能となる。 According to the present invention, since a genome modification technique capable of improving the efficiency of endogenous homologous recombination is provided, accurate gene modification using the mechanism of endogenous homologous recombination is possible, and it can be applied to many biological systems. It can be applied.

本発明のターゲッティングベクターの製造方法(製造方法A)の一例を模式的に示す。An example of the manufacturing method (manufacturing method A) of the targeting vector of the present invention is schematically shown. 本発明のターゲッティングベクターの製造方法(製造方法B)の一例を模式的に示す。An example of the manufacturing method (manufacturing method B) of the targeting vector of the present invention is schematically shown. 本発明のターゲッティングベクターの製造方法(製造方法B)の他の例を模式的に示す。Another example of the manufacturing method (manufacturing method B) of the targeting vector of the present invention is schematically shown. 本発明のターゲッティングベクターの製造方法(製造方法B)の更に他の例を模式的に示す。Still another example of the manufacturing method (manufacturing method B) of the targeting vector of this invention is schematically shown. 試験例1で得られた、ExoIII活性の試験結果(a)及びT7活性の試験結果(b)を示す。The test result (a) of ExoIII activity and the test result (b) of T7 activity obtained in Test Example 1 are shown. 試験例2で試験したHprt遺伝子ターゲティングベクターに用いた置換ベクターの設計を示す。The design of the substitution vector used for the Hprt gene targeting vector tested in Test Example 2 is shown. 試験例2で用いたHprt遺伝子ターゲティングベクターの形状の模式図と、当該ベクターでそれぞれ遺伝子ターゲティングを行った細胞のコロニーの写真とを示す。A schematic diagram of the shape of the Hprt gene targeting vector used in Test Example 2 and a photograph of a colony of cells subjected to gene targeting with the vector are shown. 試験例3で試験したNudCD2遺伝子ターゲティングベクターに用いた置換ベクターの設計を示す。The design of the substitution vector used for the NudCD2 gene targeting vector tested in Test Example 3 is shown. 試験例3において得られた、NudCD2遺伝子ターゲティングベクターで遺伝子ターゲティングを行った細胞のコロニーの写真(a)と、サザンブロッティング分析結果(b)を示す。The photograph (a) of the cell colony obtained by gene targeting with the NudCD2 gene targeting vector obtained in Test Example 3 and the result of Southern blotting analysis (b) are shown. 試験例4において試験したRosa26遺伝子ターゲティングベクターに用いた置換ベクターの設計を示す。The design of the substitution vector used for the Rosa26 gene targeting vector tested in Test Example 4 is shown. 試験例4における遺伝子ターゲティングで得られたクローンのサザンブロッティング解析結果を示す。The results of Southern blotting analysis of clones obtained by gene targeting in Test Example 4 are shown. 試験例5において試験したNudCD2遺伝子ターゲティングベクターに用いた置換ベクターの設計を示す。The design of the substitution vector used for the NudCD2 gene targeting vector tested in Test Example 5 is shown. 試験例5における遺伝子ターゲティングで得られたクローンのサザンブロッティング解析結果を示す。The results of Southern blotting analysis of clones obtained by gene targeting in Test Example 5 are shown.

[1.ターゲティングベクター]
本発明のターゲティングベクターは、外来DNA断片と、当該外来DNA断片の両端に相同DNA断片とを含む。相同DNA断片は、標的DNA部位の一部と相同組み換え可能な相同配列を有する。外来DNA断片と相同DNA断片とは、直接的に又は他の配列を介して間接的に隣接しうる。本発明のターゲティングベクターの両端は、いずれも3’末端が突出したオーバーハング部を有する。つまり、オーバーハング部は一本鎖DNAである。このオーバーハング部が、上述の相同配列を有する。さらに、オーバーハング部は、200mer以上の塩基長を有する。このような本発明のターゲティングベクターは、相同組み換え効率を劇的に向上させることができる。
[1. Targeting vector]
The targeting vector of the present invention contains a foreign DNA fragment and homologous DNA fragments at both ends of the foreign DNA fragment. The homologous DNA fragment has a homologous sequence that can be homologously recombined with a part of the target DNA site. Foreign DNA fragments and homologous DNA fragments can be adjacent directly or indirectly via other sequences. Both ends of the targeting vector of the present invention each have an overhang portion with a protruding 3'end. That is, the overhang portion is single-stranded DNA. This overhang has the homologous sequence described above. Further, the overhang portion has a base length of 200 mer or more. Such a targeting vector of the present invention can dramatically improve the efficiency of homologous recombination.

[1-1.オーバーハング部(相同DNA断片)]
1本鎖DNAからなるオーバーハング部は、相同DNA断片で構成され、その塩基長は、200merである。オーバーハング部の塩基長が200merを下回ると、相同組み換え効率の所望の向上効果を得ることができない。相同組み換え効率の向上効果をより良好に得る観点から、オーバーハング部の塩基長さは、好ましくは250mer以上、より好ましくは300mer以上で、さらに好ましくは400mer以上であってもよい。オーバーハング部の塩基長の上限としては特に限定されるものではないが、相同組み換え効率の向上効果を良好に得る観点から、例えば500mer以下、好ましくは450mer以下が挙げられる。相同DNA断片の塩基長の範囲は上記の上限値及び下限値を適宜組み合わせることができる。
[1-1. Overhang (homologous DNA fragment)]
The overhang portion composed of single-stranded DNA is composed of homologous DNA fragments, and the base length thereof is 200 mer. If the base length of the overhang portion is less than 200 mer, the desired effect of improving the homologous recombination efficiency cannot be obtained. From the viewpoint of better obtaining the effect of improving the homologous recombination efficiency, the base length of the overhang portion may be preferably 250 mer or more, more preferably 300 mer or more, and further preferably 400 mer or more. The upper limit of the base length of the overhang portion is not particularly limited, but from the viewpoint of satisfactorily obtaining the effect of improving the homologous recombination efficiency, for example, 500 mer or less, preferably 450 mer or less can be mentioned. The range of the base length of the homologous DNA fragment can be appropriately combined with the above upper limit value and lower limit value.

オーバーハング部を構成する相同DNA断片は、標的DNA部位の一部と相同組み換え可能な相同配列を有する。相同DNA断片と標的DNA部位との相同性は、相同組み換えを起こす程度に類似であればよく、例えば、70%以上、80%以上、90%以上、95%以上、96%以上、97%以上、98%以上、99%以上、99.9%以上、最も好ましくは100%である。相同性は、DNAシーケンサ等を用いて解析することにより適宜決定することができる。 The homologous DNA fragment constituting the overhang portion has a homologous sequence capable of homologous recombination with a part of the target DNA site. The homology between the homologous DNA fragment and the target DNA site may be similar to the extent that homologous recombination occurs, for example, 70% or more, 80% or more, 90% or more, 95% or more, 96% or more, 97% or more. , 98% or more, 99% or more, 99.9% or more, most preferably 100%. Homology can be appropriately determined by analysis using a DNA sequencer or the like.

本発明のターゲットベクターは、上述のような3’突出型且つ所定塩基長のオーバーハング部を有するという構造上の特徴によって、細胞内に導入された時に、細胞に、DNA二本鎖切断(DSB)が導入されたと認識させることで、細胞が本来有するDNA二本鎖切断修復機構を機能させ、相同組み換えを起こすことができる。このように、本発明のターゲティングベクターは、内在性の相同組み換えの仕組みを引き出して相同組み換えを起こすため、相同組み換え効率を劇的に向上させることができる。このように内在性の相同組み換えの仕組みを利用できるため、本発明のターゲットベクターは、標的DNA部位及び外来配列等に拘束されない極めて広範な汎用性を有するともに、正確な相同組み換えが可能であることから、オフターゲット問題も低減することができる。 The target vector of the present invention has a structural feature of being 3'protruding and having an overhang portion of a predetermined base length as described above, and when introduced into the cell, the DNA double-strand break (DSB) is introduced into the cell. ) Is introduced, the DNA double-strand break repair mechanism originally possessed by the cell can be made to function, and homologous recombination can be caused. As described above, the targeting vector of the present invention draws out the mechanism of endogenous homologous recombination to cause homologous recombination, so that the efficiency of homologous recombination can be dramatically improved. Since the mechanism of endogenous homologous recombination can be utilized in this way, the target vector of the present invention has an extremely wide range of versatility that is not bound by the target DNA site, foreign sequence, etc., and accurate homologous recombination is possible. Therefore, the off-target problem can also be reduced.

[1-2.標的DNA部位]
標的DNA部位は、上述のとおり特に限定されない。例えば、標的DNA部位としては、Hprt遺伝子、Nud遺伝子、Rosa遺伝子等、あらゆる遺伝子の遺伝子座が挙げられる。また、標的DNA部位は、複数の遺伝子座を含んでいてもよい。Hprt遺伝子はX染色体に存在し、XYの細胞において半接合であるため、ターゲティングされたクローンは、Hprt遺伝子の不活性化により6-TG等を用いる陰性選択で容易に同定することができる。Nud遺伝子は核輸送に関わっており、当該遺伝子ファミリーのメンバーとしては、NudC遺伝子、NudE遺伝子、NudF遺伝子、NudG遺伝子等が挙げられ、ターゲティングされたクローンは、Nud遺伝子の不活性化によりLIS1を不安定化させ、細胞質ダイニン欠損又はLIS1欠損に類似した表現型をもたらす。Rosa遺伝子は、成長の全段階で広範に発現し、胚性幹細胞由来の遺伝子導入マウスを生成する目的等で用いることができる。
[1-2. Target DNA site]
The target DNA site is not particularly limited as described above. For example, the target DNA site includes loci of all genes such as Hprt gene, Nud gene, and Rosa gene. In addition, the target DNA site may contain a plurality of loci. Since the Hprt gene is present on the X chromosome and is semi-conjugated in XY cells, targeted clones can be easily identified by negative selection using 6-TG or the like by inactivating the Hprt gene. The Nud gene is involved in nuclear transport, and members of the gene family include the NudC gene, NudE gene, NudF gene, NudG gene, etc., and the targeted clones inactivate LIS1 due to the inactivation of the Nud gene. It stabilizes and results in a phenotype similar to cytoplasmic dynein deficiency or LIS1 deficiency. The Rosa gene is widely expressed at all stages of growth and can be used for the purpose of producing transgenic mice derived from embryonic stem cells.

標的DNA部位の他の例として、HLA遺伝子等の抗原提示遺伝子の遺伝子座等も挙げられる。抗原提示遺伝子の改変は、ドナー(ヒト又は非ヒト動物)の抗原提示遺伝子を、レシピエント(ヒト)と適合性のよい遺伝子に置き換え、移植用臓器の作製を行う目的で行うことができる。この場合、良好な適合性を得るために、抗原提示領域の比較的広い領域を置き換えることが必要となる場合がある。本発明のターゲティングベクターは前述のように内在性の相同組み換えの仕組みを利用した正確な遺伝子改変が可能であるため、このような広い領域を置き換えることにも適している。標的DNA部位としては、上述の例に限られず、ゲノムの広範な領域を設定することができる。ゲノムの広範な領域としては、酵母人工染色体(YAC)やヒト人工染色体(HAC)等ですでにクローニングされているものも挙げられる。例えば、ヒトにおける様々なタイプのHLAの全領域はHACでクローニング及びライブラリー化されており、本発明においても用いることができる。 Other examples of the target DNA site include loci of antigen-presenting genes such as the HLA gene. Modification of the antigen-presenting gene can be performed for the purpose of replacing the antigen-presenting gene of the donor (human or non-human animal) with a gene compatible with the recipient (human) to prepare an organ for transplantation. In this case, it may be necessary to replace a relatively large region of the antigen presenting region in order to obtain good compatibility. Since the targeting vector of the present invention can perform accurate gene modification using the mechanism of endogenous homologous recombination as described above, it is also suitable for replacing such a wide region. The target DNA site is not limited to the above-mentioned example, and a wide range of the genome can be set. Extensive regions of the genome include those already cloned with yeast artificial chromosomes (YAC), human artificial chromosomes (HAC), and the like. For example, the entire region of various types of HLA in humans has been cloned and libraryized by HAC and can also be used in the present invention.

標的DNA領域においては、相同組み換えによって、本発明のターゲティングベクターの2つの相同DNA断片それぞれと相同な領域に挟まれた領域中に、外来DNA断片が組み込まれる。本発明において、設定される標的DNA領域の長さは限定されない。本発明のターゲティングベクターは、狭い領域だけでなく、上述のように広い領域を置き換えることにも適しているため、標的DNA領域は、例えば、1kbp以上又は10kbp以上であってもよいし、50kbp以上であってもよいし、100kbp以上、200kbp以上、又は300kbp以上であって もよい。標的DNA領域は、その上限において特に限定されるものではないが、例えば500kbp以下が挙げられる。 In the target DNA region, a foreign DNA fragment is incorporated into a region sandwiched between regions homologous to each of the two homologous DNA fragments of the targeting vector of the present invention by homologous recombination. In the present invention, the length of the target DNA region set is not limited. Since the targeting vector of the present invention is suitable for replacing not only a narrow region but also a wide region as described above, the target DNA region may be, for example, 1 kbp or more, 10 kbp or more, or 50 kbp or more. It may be 100 kbp or more, 200 kbp or more, or 300 kbp or more. The target DNA region is not particularly limited in its upper limit, and examples thereof include 500 kbp or less.

[1-3.外来DNA断片]
外来DNA断片が有する配列としては特に限定されず、例えば、外来遺伝子、マーカー遺伝子等が挙げられる。これらの外来遺伝子は、単独または適宜組み合わされて使用される。
[1-3. Foreign DNA fragment]
The sequence contained in the foreign DNA fragment is not particularly limited, and examples thereof include foreign genes and marker genes. These foreign genes are used alone or in combination as appropriate.

外来遺伝子としても特に限定されず、目的タンパク質の産生、遺伝子組み換え生物の作製等、遺伝子組み換えの目的に応じて当業者が適宜選択することができる。目的タンパク質の産生を行う場合、外来遺伝子としては、医薬等として有用なタンパク質をコードする遺伝子が挙げられる。遺伝子組み換え生物の作製を行う場合、外来遺伝子としては、宿主が持たない遺伝子(ヒトの疾患遺伝子、マーカー遺伝子等)、宿主が持つ遺伝子を過剰発現させる遺伝子等が挙げられる。本発明のターゲティングベクターにおいては、1種類の外来遺伝子が単独で組み込まれてもよいし、2種以上の外来遺伝子が組み合わされて組み込まれてもよい。 The foreign gene is not particularly limited, and a person skilled in the art can appropriately select the gene according to the purpose of gene recombination, such as production of a target protein and production of a genetically modified organism. When producing a target protein, examples of the foreign gene include a gene encoding a protein useful as a drug or the like. When producing a genetically modified organism, examples of the foreign gene include a gene that the host does not have (human disease gene, a marker gene, etc.), a gene that overexpresses the gene possessed by the host, and the like. In the targeting vector of the present invention, one type of foreign gene may be integrated alone, or two or more types of foreign genes may be integrated in combination.

外来遺伝子は、遺伝子発現に関連する配列と適宜組み合わされた発現ユニットとしてターゲティングベクター中に組み込むことができる。外来遺伝子の発現に関連する配列としては、プロモータ配列、転写終結シグナル配列等の遺伝子発現に必要な配列、及び調節エレメント等の遺伝子発現を調節する配列等が挙げられる。プロモータ配列としては、CMV、SV40、RSV、EF1α、CAG、U6、pGK等が挙げられる。転写終結シグナル配列としては、BGHポリAシグナル配列、SV40ポリAシグナル配列等が挙げられる。調節エレメントとしては、エンハンサー、IRES(internal ribosome entry site)配列、LoxP配列およびFRT配列等が挙げられる。 The foreign gene can be incorporated into the targeting vector as an expression unit appropriately combined with a sequence related to gene expression. Examples of the sequence related to the expression of a foreign gene include a promoter sequence, a sequence required for gene expression such as a transcription termination signal sequence, and a sequence that regulates gene expression such as a regulatory element. Examples of the promoter arrangement include CMV, SV40, RSV, EF1α, CAG, U6, pGK and the like. Examples of the transcription termination signal sequence include a BGH poly A signal sequence, an SV40 poly A signal sequence, and the like. Regulatory elements include enhancers, IRES (internal ribosome entry site) sequences, LuxP sequences, FRT sequences and the like.

マーカー遺伝子としては、本発明のベクターに含まれる遺伝子が発現している宿主を特定するために用いられるものであれば特に限定されず、例えば、薬剤耐性遺伝子、蛍光タンパク質遺伝子、レポーター遺伝子、フランキングプローブ遺伝子等が挙げられる。 The marker gene is not particularly limited as long as it is used to identify the host expressing the gene contained in the vector of the present invention, and is, for example, a drug resistance gene, a fluorescent protein gene, a reporter gene, or flanking. Examples include probe genes.

薬剤耐性遺伝子としては、例えば、ネオマイシン耐性遺伝子、ハイグロマイシン耐性遺伝子、ゼオシン耐性遺伝子、アンピシリン耐性遺伝子、テトラサイクリン耐性遺伝子、クロラムフェニコール耐性遺伝子、等が挙げられる。 Examples of the drug resistance gene include a neomycin resistance gene, a hyglomycin resistance gene, a zeosin resistance gene, an ampicillin resistance gene, a tetracycline resistance gene, a chloramphenicole resistance gene, and the like.

蛍光タンパク質遺伝子としては、例えば、GFP、YFP、CFP、BFP、Venus、DsRed、HcRed、AsRed、ZsGreen、ZsYellow、AmCyan、AcGFP、Kaedeなどの蛍光タンパク質をコードする遺伝子が挙げられる。 Examples of the fluorescent protein gene include genes encoding fluorescent proteins such as GFP, YFP, CFP, BFP, Venus, DsRed, HcRed, AsRed, ZsGreen, ZsYellow, AmCyan, AcGFP, and Kaede.

レポーター遺伝子としては、例えば、ルシフェラーゼ遺伝子、β-ガラクトシダーゼなどが挙げられる。 Examples of the reporter gene include a luciferase gene and β-galactosidase.

フランキングプローブ遺伝子としては、遺伝子改変細胞の取得後、相同組み換えをサザンブロット法により確認する場合に、検出用プローブとして利用できる任意の配列を当業者が適宜決定することができる。 As the flanking probe gene, a person skilled in the art can appropriately determine an arbitrary sequence that can be used as a detection probe when homologous recombination is confirmed by Southern blotting after acquisition of the genetically modified cell.

外来DNA断片の塩基長としては特に限定されず、例えば標的DNA部位の長さ等に応じて適宜決定することができる。本発明のターゲティングベクターは、狭い領域だけでなく、上述のように広い領域を置き換えることにも適しているため、外来DNA断片の塩基長としては、例えば、1kbp以上又は10kbp以上であってもよいし、50kbp以上であってもよいし、100kbp以上、200kbp以上、又は300kbp以上であってもよい。外来DNA断片の塩基長は、その上限において特に限定されるものではないが、例えば500kbp以下が挙げられる。 The base length of the foreign DNA fragment is not particularly limited, and can be appropriately determined, for example, according to the length of the target DNA site and the like. Since the targeting vector of the present invention is suitable for replacing not only a narrow region but also a wide region as described above, the base length of the foreign DNA fragment may be, for example, 1 kbp or more or 10 kbp or more. However, it may be 50 kbp or more, 100 kbp or more, 200 kbp or more, or 300 kbp or more. The base length of the foreign DNA fragment is not particularly limited in its upper limit, and examples thereof include 500 kbp or less.

[1-4.ターゲティングベクターの種類]
本発明のターゲティングベクターの種類としては特に限定されず、例えば、プラスミドベクター、コスミドベクター、フォスミドベクター、ウイルスベクター(アデノ随伴ウイルス(AAV)ベクター、アデノウイルスベクター、レトロウイルスベクター、レンチウイルスベクター)、人工染色体ベクター(大腸菌人工染色体(bacterial artificial chromosome:BAC)、P1フアージ由来人工染色体(P1 bacteriophage artificial chromosome:PAC)、酵母人工染色体(Yeast artificial chromosome:YAC)、ヒト人工染色体(human artificial chromosome:HAC)等)等が挙げられる。これらのベクターは、外来DNA断片の大きさや相同組み換えの目的に応じて当業者によって適宜選択される。
[1-4. Types of targeting vectors]
The type of the targeting vector of the present invention is not particularly limited, and for example, a plasmid vector, a cosmid vector, a phosmid vector, a virus vector (adeno-associated virus (AAV) vector, an adenovirus vector, a retrovirus vector, a lentivirus vector), and the like. Artificial chromosome vector (bacterial artificial chromosome (BAC), P1 bacteriophage artificial chromosome (PAC), Yeast artificial chromosome (YAC), human artificial chromosome (HAC) Etc.) etc. These vectors are appropriately selected by those skilled in the art depending on the size of the foreign DNA fragment and the purpose of homologous recombination.

[2.ターゲティングベクターの製造方法]
本発明のターゲティングベクターを製造する方法としては、直鎖状のDNA構築物を構築した後にエキソヌクレアーゼで処理する方法(製造方法A;図1参照)と、環状のDNA構築物を構築した後にニックを生じさせ、さらにニック間の二重鎖の解離を行う方法(製造方法B;図2~図4参照)とが挙げられる。
[2. Manufacturing method of targeting vector]
Methods for producing the targeting vector of the present invention include a method of constructing a linear DNA construct and then treating it with an exonuclease (manufacturing method A; see FIG. 1), and a method of constructing a circular DNA construct and then producing a nick. Further, a method of dissociating the double chain between nicks (manufacturing method B; see FIGS. 2 to 4) can be mentioned.

[2-1.製造方法A]
製造方法Aは、直鎖状DNA構築物を構築する工程a1と、オーバーハング部を生じさせる工程a2(図1)とを含む。製造方法Aは、比較的短いターゲティングベクターの製造に適している。
[2-1. Manufacturing method A]
The production method A includes a step a1 for constructing a linear DNA construct and a step a2 (FIG. 1) for forming an overhang portion. The production method A is suitable for producing a relatively short targeting vector.

工程a1では、外来DNA断片と、当該外来DNA断片の両側に、標的DNA部位の一部と相同組み換え可能な相同配列を有する相同DNA断片とを含む直鎖状DNA構築物を構築する。この直鎖状DNA構築物においては、相同DNA断片が両末端に位置するように構成される。外来DNA断片及び標的DNAについては、上述の「1.ターゲティングベクター」で詳述したとおりである。また、相同DNA断片については、二本鎖DNAであることを除き、上述の「1.ターゲティングベクター」で詳述したとおりである。 In step a1, a linear DNA construct containing a foreign DNA fragment and a homologous DNA fragment having a homologous recombine homologous sequence with a part of a target DNA site is constructed on both sides of the foreign DNA fragment. In this linear DNA construct, homologous DNA fragments are configured to be located at both ends. The foreign DNA fragment and the target DNA are as described in detail in "1. Targeting vector" described above. The homologous DNA fragment is as described in detail in "1. Targeting vector" described above, except that it is double-stranded DNA.

直鎖状DNA構築物の構築方法は、従来公知の方法に従って、当業者が適宜選択することができる。例えば、適当な制限酵素等を用いて切断した外来DNA断片配列を含む断片を、ベースとなるベクターの制限酵素部位あるいはマルチクローニングサイトにライゲーション反応により挿入することによって、直鎖状DNA構築物を構築することができる。 A method for constructing a linear DNA construct can be appropriately selected by those skilled in the art according to a conventionally known method. For example, a linear DNA construct is constructed by inserting a fragment containing a foreign DNA fragment sequence cleaved with an appropriate restriction enzyme or the like into the restriction enzyme site of the base vector or a multicloning site by a ligation reaction. be able to.

直鎖状DNA構築物は、その両末端を除く部分が、製造方法Aにおいてオーバーハング部を生じさせる反応系に対してインタクトである。具体的には、直鎖状DNA構築物は、DNA二本鎖のうち片方の隣接塩基間の結合が切断された構造つまりニックを有していない。これによって、後述の工程a2において、直鎖状DNA構築物の末端以外の不所望の位置にエキソヌクレアーゼが作用することを防止することができる。なお、製造方法Aは、このようにニックを有しない直鎖状DNA構築物を用意する観点から、比較的短いターゲティングベクターの製造に適している。具体的には、製造方法Aは、外来DNA断片の長さが例えば20kbp以下、好ましくは10kbp以下であるターゲティングベクターを製造する場合に用いることが好ましい。製造方法Aにおける外来DNA断片の長さの下限としては、例えば、1kbp以上が挙げられる。 The portion of the linear DNA construct except for both ends is intact with respect to the reaction system that causes an overhang portion in the production method A. Specifically, the linear DNA construct does not have a structure or nick in which the bond between adjacent bases of one of the DNA duplexes is broken. This makes it possible to prevent the exonuclease from acting at an undesired position other than the terminal of the linear DNA construct in step a2 described later. The production method A is suitable for producing a relatively short targeting vector from the viewpoint of preparing a linear DNA construct having no nick. Specifically, the production method A is preferably used when producing a targeting vector having a foreign DNA fragment having a length of, for example, 20 kbp or less, preferably 10 kbp or less. As the lower limit of the length of the foreign DNA fragment in the production method A, for example, 1 kbp or more can be mentioned.

工程a2では、直鎖状DNA構築物にエキソヌクレアーゼを所定時間作用させてオーバーハング部を生じさせる。図1に、工程a2を模式的に示す。エキソヌクレアーゼとしては、DNAの5’末端から加水分解によりモノヌクレオチドを逐次的に遊離する5’-3’エキソヌクレアーゼを用いる。5’-3’エキソヌクレアーゼは、当業者が適宜選択することができる。例えば、エキソヌクレアーゼとして、T7エキソヌクレアーゼ(図1中、T7として示す)、T5エキソヌクレアーゼ、ラムダキソヌクレアーゼ等が挙げられる。 In step a2, an exonuclease is allowed to act on the linear DNA construct for a predetermined time to form an overhang portion. FIG. 1 schematically shows step a2. As the exonuclease, a 5'-3'exonuclease that sequentially releases mononucleotides by hydrolysis from the 5'end of DNA is used. The 5'-3'exonuclease can be appropriately selected by those skilled in the art. For example, examples of the exonuclease include T7 exonuclease (shown as T7 in FIG. 1), T5 exonuclease, lambdaxonuclease, and the like.

エキソヌクレアーゼによる作用により、直鎖状DNA構築物の末端の二本鎖相同DNA断片から3’突出型の一本鎖DNAを生じる。当該1本鎖DNAの長さが200mer以上となるまでの時間、エキソヌクレアーゼを作用させることによって、当該一本鎖DNAが相同組み換え効率を向上させる長さのオーバーハング部が得られる。オーバーハング部の長さの調整は、エキソヌクレアーゼによる処理時間を調整することで行うことができる。エキソヌクレアーゼによる処理時間は、用いるエキソヌクレアーゼの種類に応じて決定することができる。例えば、T7エキソヌクレアーゼは、1分間に約150塩基を遊離させることが本発明者によって確認されている。従って、エキソヌクレアーゼとしてT7エキソヌクレアーゼを用いる場合、200mer以上の長さのオーバーハング部を得るために、1分20秒以上作用させることが有効である。 The action of exonucleases yields 3'protruding single-stranded DNA from double-stranded homologous DNA fragments at the ends of linear DNA constructs. By allowing the exonuclease to act for a time until the length of the single-stranded DNA becomes 200 mer or more, an overhang portion having a length that improves the homologous recombination efficiency of the single-stranded DNA can be obtained. The length of the overhang portion can be adjusted by adjusting the treatment time with an exonuclease. The treatment time with an exonuclease can be determined depending on the type of exonuclease used. For example, the inventor has confirmed that T7 exonuclease releases about 150 bases per minute. Therefore, when T7 exonuclease is used as an exonuclease, it is effective to allow it to act for 1 minute and 20 seconds or more in order to obtain an overhang portion having a length of 200 mer or more.

製造方法Aにおいては、上記の工程a1と工程a2の間に、3’突出末端を生成する制限酵素によって前記DNA構築物の両末端を処理する工程をさらに含んでもよい。本工程は、工程a2の前処理として行われるものである。本工程によって短い塩基長の3’末端を予め生じさせておくことにより、工程a2におけるエキソヌクレアーゼの反応をより容易に開始することができる。本工程によって用いられる制限酵素としては、3’突出末端を生じさせるものであれば特に限定されず、SfiI、KpnI、Sse8387I、SacI等が挙げられる。 The production method A may further include a step of treating both ends of the DNA construct with a restriction enzyme that produces a 3'protruding end between the steps a1 and a2. This step is performed as a pretreatment for step a2. By generating a 3'end having a short base length in advance by this step, the reaction of the exonuclease in step a2 can be started more easily. The restriction enzyme used in this step is not particularly limited as long as it produces a 3'protruding end, and examples thereof include SfiI, KpnI, Sse8387I, and SacI.

[2-2.製造方法B]
製造方法Bでは、DNA構築物を構築する工程b1と、ニックを生じさせる工程b2及びニック間の二重鎖の解離を行う工程b3(図2~図4)と、を含む。製造方法Bは、長大なターゲティングベクターの製造に適している。
[2-2. Manufacturing method B]
The production method B includes a step b1 for constructing a DNA construct, a step b2 for generating a nick, and a step b3 (FIGS. 2 to 4) for dissociating double chains between the nicks. The production method B is suitable for producing a long targeting vector.

工程b1では、外来DNA断片と、標的DNA部位の一部と相同組み換え可能な相同配列を有する相同DNA断片とを含むDNA構築物を構築する。外来DNA断片及び標的DNAについては、上述の「1.ターゲティングベクター」で詳述したとおりである。また、相同DNA断片については、二本鎖DNAであることを除き、上述の「1.ターゲティングベクター」で詳述したとおりである。DNA構築物としては、環状DNA構築物及び直鎖状DNA構築物のいずれであってもよい。 In step b1, a DNA construct containing a foreign DNA fragment and a homologous DNA fragment having a homologous sequence capable of homologous recombination with a part of a target DNA site is constructed. The foreign DNA fragment and the target DNA are as described in detail in "1. Targeting vector" described above. The homologous DNA fragment is as described in detail in "1. Targeting vector" described above, except that it is double-stranded DNA. The DNA construct may be either a circular DNA construct or a linear DNA construct.

環状DNA構築物又は直鎖状DNA構築物の構築方法は、従来公知の方法に従って、当業者が適宜選択することができる。例えば、適当な制限酵素等を用いて切断した外来DNA断片配列を含む断片を、ベースとなるベクターの制限酵素部位あるいはマルチクローニングサイトにライゲーション反応により挿入することによって、環状DNA構築物又は直鎖状DNA構築物を構築することができる。環状DNA構築物のベースとなるベクターとしては、例えば大腸菌人工染色体(bacterial artificial chromosome:BAC)、P1フアージ由来人工染色体(P1 bacteriophage artificial chromosome:PAC)等が挙げられる。直鎖状DNA構築物のベースとなるベクターとしては、例えば酵母人工染色体(Yeast artificial chromosome:YAC)、ヒト人工染色体(human artificial chromosome:HAC)等が挙げられる。 A method for constructing a circular DNA construct or a linear DNA construct can be appropriately selected by those skilled in the art according to a conventionally known method. For example, by inserting a fragment containing a foreign DNA fragment sequence cleaved with an appropriate restriction enzyme or the like into a restriction enzyme site or a multicloning site of a base vector by a ligation reaction, a cyclic DNA construct or linear DNA can be used. You can build a construct. Examples of the vector on which the cyclic DNA construct is based include an Escherichia coli artificial chromosome (BAC), a P1 bacteriophage artificial chromosome (PAC), and the like. Examples of the vector on which the linear DNA construct is based include a yeast artificial chromosome (YAC), a human artificial chromosome (HAC), and the like.

工程b2では、DNA構築物にニックを生じさせる。環状DNA構築物においては、図2左に示すように、ターゲティングベクターのオーバーハング部に相当する長さ分隔てて、一方の一本鎖と他方の一本鎖とにそれぞれ1箇所ずつ生じさせた一対のニック(図中、Nで示す。)を形成することができる。直鎖状DNA構築物においては、図3左に示すように、ターゲティングベクターのオーバーハング部に相当する長さ分隔てて、一方の一本鎖と他方の一本鎖とに生じさせた一対のニック(図中、Nで示す。)を2個所において形成することができる。 In step b2, the DNA construct is nicked. In the circular DNA construct, as shown on the left of FIG. 2, a pair generated at one site each on one strand and the other strand separated by a length corresponding to the overhang portion of the targeting vector. Nicks (indicated by N in the figure) can be formed. In a linear DNA construct, as shown on the left in FIG. 3, a pair of nicks generated on one strand and the other strand separated by a length corresponding to the overhang portion of the targeting vector. (Indicated by N in the figure) can be formed at two locations.

このように所定の距離だけ離間させて一対のニックを生じさせるための方法として、CRISPR-Cas9法のニッカーゼ改変型Cas9を用いるダブルニッキング法を応用することができる。具体的には、環状DNA構築物において、当該所定の距離に応じた2箇所を標的部位とする2つのガイドRNA(gRNA)を設計し、それら2つのgRNAを環状DNA構築物の標的部位に接岸させる。標的部位に接岸したgRNAは、ニッカーゼ改変型Cas9をリクルートし、ニッカーゼ改変型Cas9は当該標的部位それぞれにおいて一本鎖切断を行う。 As a method for generating a pair of nicks by separating them by a predetermined distance as described above, a double nicking method using a nickase-modified Cas9 of the CRISPR-Cas9 method can be applied. Specifically, in a circular DNA construct, two guide RNAs (gRNAs) targeting two sites according to the predetermined distance are designed, and these two gRNAs are docked at the target site of the circular DNA construct. The gRNA berthed at the target site recruits the nickase-modified Cas9, and the nickase-modified Cas9 undergoes single-strand breaks at each of the target sites.

なお、工程b2において生じさせるニックの数は、環状DNA構築物においては少なくとも一対、直鎖状DNA構築物においては少なくとも一対を2個所分であればよい。後述の工程b3におけるニック間のDNAの解離を容易にするために、当該一対のニックの一方及び/又は他方を複数のニックとしてもよい(つまり、一方の一本鎖に複数個所、及び/又は他方の一本鎖に複数個所、小刻みにニックを生じさせてもよい)。当該複数のニックのそれぞれは、互いに20~30塩基隔たっていることが好ましい。複数のニックを導入するためには、対応するニッカーゼ改変型Cas9及びガイドRNAを複数セット用意すればよい。 The number of nicks generated in step b2 may be at least one pair in the circular DNA construct and at least two pairs in the linear DNA construct. In order to facilitate the dissociation of DNA between nicks in step b3 described later, one and / or the other of the pair of nicks may be a plurality of nicks (that is, a plurality of nicks on one strand and / or a plurality of nicks). Multiple nicks may be generated on the other single chain in small steps). Each of the plurality of nicks is preferably 20 to 30 bases apart from each other. In order to introduce a plurality of nicks, a plurality of sets of corresponding nickase-modified Cas9 and guide RNA may be prepared.

工程b3では、ニック間の二重鎖DNAの解離を行う。二重鎖DNAの解離を行う方法としては特に限定されず、当業者が適宜決定することができる。例えば、熱を加える、あるいはpHをアルカリ性にするなどにより二本鎖DNAを変性させる方法が挙げられる。アルカリ性にする方法では解離後にpHを適切な緩衝液を用いて中性に戻すことができる。上述のように複数のニックが導入されている場合は、小刻みに(例えば20-30塩基ずつ)解離させればよいため、リアニーリングの可能性をより低く、より容易に解離させることができる。ニック間の二重鎖が解離されることによって、一本鎖DNAからなる所定長さの3’突出型オーバーハング部を生じるとともに、本発明のターゲティングベクターを得ることができる。 In step b3, the double-stranded DNA between the nicks is dissociated. The method for dissociating the double-stranded DNA is not particularly limited and can be appropriately determined by those skilled in the art. For example, a method of denaturing double-stranded DNA by applying heat or making the pH alkaline can be mentioned. In the alkaline method, the pH can be returned to neutral after dissociation with an appropriate buffer. When a plurality of nicks are introduced as described above, the dissociation may be performed in small steps (for example, 20 to 30 bases at a time), so that the possibility of rear kneeling is lower and the dissociation can be performed more easily. The dissociation of the double strand between the nicks results in a 3'protruding overhang portion of a predetermined length consisting of single-stranded DNA, and the targeting vector of the present invention can be obtained.

なお、製造方法Bにおいても、環状DNA構築物は、オーバーハング部を生じさせる反応系に対してインタクトである。製造方法Bにおいては、オーバーハング部の生成にエキソヌクレアーゼを用いないため、環状DNA構築物は、工程b2でニックを生じさせる部位以外にも、gRNAが非対応である限り、他の部位にニックを有していても構わない。従って、製造方法Bは、比較的長いターゲティングベクターの製造に適している。具体的には、製造方法Bは、外来DNA断片の長さが例えば20kbp以上、好ましくは200kbp以上、さらに好ましくは300kbp以上であるターゲティングベクターを製造する場合に用いることが好ましい。製造方法Bにおける外来DNA断片の長さの上限としては、例えば、500kbp以下が挙げられる。 Also in the production method B, the cyclic DNA construct is intact with respect to the reaction system that causes the overhang portion. In the production method B, since an exonuclease is not used to generate the overhang portion, the cyclic DNA construct has a nick on other sites other than the site that causes the nick in step b2 as long as the gRNA is not compatible. You may have it. Therefore, the production method B is suitable for producing a relatively long targeting vector. Specifically, the production method B is preferably used when producing a targeting vector having a foreign DNA fragment having a length of, for example, 20 kbp or more, preferably 200 kbp or more, and more preferably 300 kbp or more. The upper limit of the length of the foreign DNA fragment in the production method B is, for example, 500 kbp or less.

[3.遺伝子改変細胞の製造方法]
上述の本発明のターゲティングベクターを細胞に導入することで、相同組み換えによって標的DNA部位に外来DNA断片が組み込まれた遺伝子改変細胞を効率的に得ることができる。本発明の遺伝子改変細胞の製造方法は、上述の本発明のターゲティングベクターを、標的DNA部位を染色体上に有する細胞に導入する導入工程を含む。
[3. Manufacturing method of genetically modified cells]
By introducing the above-mentioned targeting vector of the present invention into cells, it is possible to efficiently obtain genetically modified cells in which a foreign DNA fragment is incorporated into a target DNA site by homologous recombination. The method for producing a gene-modified cell of the present invention comprises an introduction step of introducing the above-mentioned targeting vector of the present invention into a cell having a target DNA site on a chromosome.

[3-1.導入工程]
本発明の特徴を有するターゲティングベクターが細胞内に導入されると、細胞が、DNA二本鎖切断(DSB)が導入されたと認識することで、細胞が本来有するDNA二本鎖切断修復機構が機能し、相同組み換えが起こる。つまり、本発明の遺伝子改変細胞の製造方法は、内在性の相同組み換えの仕組みを利用するものである。相同組み換えの仕組みは、真核生物においてDNA二本鎖切断修復機構として機能しており、その基本メカニズムは高度に保存されている。従って、本発明の遺伝子改変細胞の製造方法は、任意の真核生物由来の細胞に適用することができる。例えば、哺乳類(例えば、マウス、ラット、ブタ、及びウシ、並びにヒト、コモンマーモセット等の霊長類)、アフリカツメガエル、ゼブラフィッシュ、ショウジョウバエ、線虫、植物等に由来する細胞が挙げられる。
[3-1. Introduction process]
When the targeting vector having the characteristics of the present invention is introduced into the cell, the cell recognizes that the DNA double-strand break (DSB) has been introduced, so that the DNA double-strand break repair mechanism originally possessed by the cell functions. Then, homologous recombination occurs. That is, the method for producing a gene-modified cell of the present invention utilizes an endogenous homologous recombination mechanism. The mechanism of homologous recombination functions as a DNA double-strand break repair mechanism in eukaryotes, and its basic mechanism is highly conserved. Therefore, the method for producing a gene-modified cell of the present invention can be applied to cells derived from any eukaryote. Examples include cells derived from mammals (eg, mice, rats, pigs, and cattle, as well as humans, primates such as common marmosets), Xenopus laevis, zebrafish, gypsum flies, nematodes, plants, and the like.

また、細胞の種類としても特に限定されず、胚性幹細胞、人工多能性幹細胞、受精卵等が挙げられる。本発明のターゲティングベクターの相同組み換え効率が高いため、これまで遺伝子挿入による遺伝子改変動物の作製にしか用いられてこなかった受精卵への前核注入によっても相同組み換えを起こすことが可能である。したがって、本発明においては、ターゲティングベクターの導入に受精卵への前核導入を行うことで、相同組み換え細胞の作製をより容易に行うことができる。 The type of cell is not particularly limited, and examples thereof include embryonic stem cells, induced pluripotent stem cells, and fertilized eggs. Due to the high efficiency of homologous recombination of the targeting vector of the present invention, homologous recombination can also be caused by pronuclear injection into a fertilized egg, which has been used only for the production of genetically modified animals by gene insertion. Therefore, in the present invention, homologous recombinant cells can be more easily produced by introducing a pronucleus into a fertilized egg for the introduction of a targeting vector.

ターゲティングベクターの導入方法としては特に限定されず、従来公知の方法を用いることができる。例えば、ウイルスベクター系手法として、レトロウイルス、レンチウイルス、アデノ随伴ウイルス等のウイルスベクター等を感染させる方法が挙げられ、非ウイルスベクター系手法として、リポフェクション法、エレクトロポレーション法、マイクロインジェクション法などの物理化学的方法が挙げられる。 The method for introducing the targeting vector is not particularly limited, and a conventionally known method can be used. For example, as a viral vector method, a method of infecting a virus vector such as a retrovirus, a lentivirus, an adeno-associated virus, etc. can be mentioned, and as a non-viral vector method, a lipofection method, an electroporation method, a microinjection method, etc. Examples include physicochemical methods.

なお、本発明の遺伝改変細胞の作製方法は、上述のように、ターゲットベクターの導入によって、細胞にDNA二本鎖切断(DSB)が導入されたと認識させることで相同組み換えを起こすため、標的DNA部位で二重鎖切断を生じさせる二重鎖切断工程は行わなくてもよい。 As described above, the method for producing a genetically modified cell of the present invention causes homologous recombination by recognizing that DNA double-strand break (DSB) has been introduced into the cell by introducing the target vector, and therefore, the target DNA. The double-strand break step that causes double-strand breaks at the site may not be performed.

一方で、本発明の遺伝子改変細胞の作製方法は、標的DNA部位で二重鎖切断を生じさせる二重鎖切断工程を行うことを排除するものではない。二重鎖切断工程を行う場合、生じさせた二重鎖切断の修復に本発明のターゲティングベクターをドナーベクターとして用いることができる。二重鎖切断には、例えば、ジンクフィンガーヌクレアーゼ(ZFN)、転写活性化因子様エフェクターヌクレアーゼ(TALEN)、又はクリスパー関連(Cas9)ヌクレアーゼなどの酵素を利用することができる。この場合、これらの酵素を発現させる核酸を細胞に導入することができる。 On the other hand, the method for producing a gene-modified cell of the present invention does not exclude performing a double-strand break step that causes double-strand breaks at a target DNA site. When performing a double chain cleavage step, the targeting vector of the present invention can be used as a donor vector for repairing the double chain cleavage that has occurred. Enzymes such as zinc finger nucleases (ZFNs), transcriptional activator-like effector nucleases (TALENs), or crisper-related (Cas9) nucleases can be utilized for double-strand breaks. In this case, nucleic acids expressing these enzymes can be introduced into cells.

また、ベクターの種類や外来遺伝子によっては、遺伝子改変細胞の取得効率等を勘案して、Cre/LoxPシステムやFlp/FRTシステムなどのような、組み換え酵素を利用した部位特異的導入システムも適宜適用することもできる。 In addition, depending on the type of vector and foreign gene, a site-specific introduction system using a recombinant enzyme such as Cre / LuxP system or Flp / FRT system may be appropriately applied in consideration of acquisition efficiency of gene-modified cells. You can also do it.

[3-2.その他の工程]
ターゲティングベクターの導入工程の後、遺伝子改変細胞の選択工程を行うことができる。選択工程は、薬剤耐性遺伝子をターゲティングベクターに組み込んだ場合は、陽性選択により行うことができ、目的DNA部位としてHprt遺伝子座を設定した場合は、Hprt遺伝子の不活性化に基づく陰性選択により行うことができる。また、これら陽性選択と陰性選択とを組み合わせて高い精度で細胞選択を行ってもよい。その他、プロモータートラップ法やポリAトラップ法なども適宜組み合わせて利用することができる。
[3-2. Other processes]
After the introduction step of the targeting vector, the step of selecting the genetically modified cells can be performed. The selection step can be performed by positive selection when the drug resistance gene is incorporated into the targeting vector, and by negative selection based on the inactivation of the Hprt gene when the Hprt locus is set as the target DNA site. Can be done. In addition, cell selection may be performed with high accuracy by combining these positive selection and negative selection. In addition, a promoter trap method, a poly A trap method, or the like can be used in combination as appropriate.

選択工程によって取得された遺伝子改変細胞は、必要に応じ、ゲノムDNAを抽出して、PCR法やサザンブロット法等によって相同組み換えを確認することができる。遺伝子改変細胞は、その後、遺伝子組み換えの目的に応じた工程に供される。例えば目的タンパク質の産生を目的とする場合は、適当な培養方法(例えば、バッチカルチャー法、フェッド-バッチカルチャー法、還流培養法等)によって培養することができる。また、遺伝子組み換え生物の作製を目的とする場合、遺伝子改変細胞を初期胚と凝集させ、偽妊娠個体に移植してキメラ個体を作製し、野生型個体と交配させてヘテロF1世代を得た後、F1世代同士を交配してホモF2世代を得ることができる。 For the gene-modified cells obtained by the selection step, genomic DNA can be extracted as needed, and homologous recombination can be confirmed by PCR method, Southern blotting method, or the like. The genetically modified cells are then subjected to a step according to the purpose of the genetic recombination. For example, when the purpose is to produce the target protein, it can be cultured by an appropriate culture method (for example, batch culture method, fed-batch culture method, reflux culture method, etc.). In addition, when the purpose is to produce genetically modified organisms, after aggregating genetically modified cells with early embryos, transplanting them into pseudopregnant individuals to produce chimeric individuals, and mating them with wild-type individuals to obtain hetero-F1 generations. , F1 generations can be mated to obtain a homo F2 generation.

以下に実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.

[試験例1:エキソヌクレアーゼIII(ExoIII)およびT7エキソヌクレアーゼ(T7)の酵素活性の推定]
ベクターを蛍光レポーターSYBR Green I(Invitrogen)でインターカレートし、ExoIIIまたはT7で消化しながら、リアルタイム定量的PCRを用いてdsDNAを検出することで、ExoIIIまたはT7の酵素活性を調べた。
[Test Example 1: Estimating the enzyme activity of exonuclease III (ExoIII) and T7 exonuclease (T7)]
The vector was intercalated with a fluorescent reporter SYBR Green I (Invitrogen) and the enzymatic activity of ExoIII or T7 was examined by detecting dsDNA using real-time quantitative PCR while digesting with ExoIII or T7.

eGFP空ベクター(Clontech)を、EcoRI(5’突出末端を残す)、SmaI(平滑末端を残す)、またはKpnI(3’突出末端を残す)で直線化した。直線化したeGFP空ベクターをSYBR Green Iと混合し、その後、ExoIIIまたはT7で処理した。各ウェルにおいては、20μlの反応混合物中、10μg eGFP空ベクターおよび20ユニットの酵素/ウェルを含有させた。ベクターを、ExoIII及びT7で、それぞれ、37℃および30℃で50~60分間処理した。ExoIIIまたはT7の消化活性を、Applied Biosystems(登録商標)7500リアルタイムPCRシステム(Thermo Fisher Scientific)により、1分ごとの蛍光強度の低下から推定した。実験は5回行い、得られたデータを平均した。 The eGFP empty vector (Clontech) was straightened with EcoRI (leaving a 5'protruding end), SmaI (leaving a blunt end), or KpnI (leaving a 3'protruding end). The linearized eGFP empty vector was mixed with SYBR Green I and then treated with ExoIII or T7. In each well, 10 μg eGFP empty vector and 20 units of enzyme / well were contained in 20 μl of the reaction mixture. Vectors were treated with ExoIII and T7 at 37 ° C. and 30 ° C. for 50-60 minutes, respectively. The digestive activity of ExoIII or T7 was estimated from the decrease in fluorescence intensity every minute by the Applied Biosystems® 7500 Real-Time PCR System (Thermo Fisher Scientific). The experiment was performed 5 times and the obtained data were averaged.

図5に、SYBR Greenを用いた、ExoIII活性の試験結果(a)及びT7活性の試験結果(b)を示す。図中、X軸は経過時間(分)を示し、Y軸は、SYBR Greenの相対強度(出発点を1.0として標準化されている)を示す。KpnIによって3’突出末端を有するように直線化されたeGFP空ベクターの場合は、ExoIII消化に対して相対的に耐性の傾向であったが、T7は、いずれの制限部位に対しても非常に活性が高かった。なお、eGFP空ベクターは長さが4.7kbpである。蛍光強度の低下を考慮し、ExoIIIの消化速度は100塩基/分、T7の消化速度は150塩基/分と導出された。 FIG. 5 shows the test results (a) of ExoIII activity and the test results (b) of T7 activity using SYBR Green. In the figure, the X-axis shows the elapsed time (minutes), and the Y-axis shows the relative intensity of SYBR Green (standardized with a starting point of 1.0). The eGFP empty vector linearized with KpnI to have a 3'protruding end tended to be relatively resistant to ExoIII digestion, whereas T7 was very resistant to any restriction site. The activity was high. The eGFP empty vector has a length of 4.7 kbp. Considering the decrease in fluorescence intensity, the digestion rate of ExoIII was derived as 100 bases / minute, and the digestion rate of T7 was derived as 150 bases / minute.

[試験例2:Hprt遺伝子ターゲティング:ターゲティングベクターの末端形状及びオーバーハング部塩基長の検討]
X染色体にあるHprt遺伝子を用いて、末端形状及び/又は突出末端のオーバーハング部の塩基長が異なるターゲティングベクターを作成し、それらターゲティングベクターによる相同組み換え効率を検討した。
[Test Example 2: Hprt gene targeting: Examination of terminal shape and overhang base length of targeting vector]
Using the Hprt gene on the X chromosome, targeting vectors having different terminal shapes and / or base lengths at the overhangs of the protruding ends were prepared, and the efficiency of homologous recombination by these targeting vectors was examined.

マウスHprt遺伝子の相同ターゲティングのため、図6に示す置換ベクターを設計した。つまり、Hprt遺伝子のエクソン3へ挿入されたネオマイシン耐性カセット(V. L. Tybulewicz, C. E. Crawford, P. K. Jackson, R. T. Bronson, R. C. Mulligan, Neonatal lethality and lymphopenia in mice with a homozygous disruption of the c-abl proto-oncogene. Cell 65, 1153-1163 (1991))を含有するターゲティングベクターを構築した。このベクターは、PCR増幅により、アイソジェニック129/SvマウスゲノムDNAから単離されたHprtゲノム配列から構築した。図6に示すように、ターゲティングベクターは、Hprt遺伝子のエクソン3および隣接イントロンを置換した、ネオマイシン耐性カセットPGK-neoを有し、両側に、Hprt遺伝子の3.4kbp相同領域を有する。 The substitution vector shown in FIG. 6 was designed for homologous targeting of the mouse Hprt gene. That is, the neomycin resistance cassette (V. L. Tybulewicz, C. E. Crawford, P. K. Jackson, R. T. Bronson, R. C. Mulligan, Neonatal lethality and lymphopenia in mice with a homozygous disruption of the c-abl proto-oncogene. A targeting vector containing 65, 1153-1163 (1991)) was constructed. This vector was constructed from Hprt genomic sequences isolated from isogenic 129 / Sv mouse genomic DNA by PCR amplification. As shown in FIG. 6, the targeting vector has a neomycin resistance cassette PGK-neo in which exon 3 of the Hprt gene and an adjacent intron are substituted, and has 3.4 kbp homologous regions of the Hprt gene on both sides.

C. Deng, A. Wynshaw-Boris, F. Zhou, A. Kuo, P. Leder, Fibroblast growth factor receptor 3 is a negative regulator of bone growth. Cell 84, 911-921 (1996)における記載に従って、上述のベクター25μgを、表1及び表2に記載の条件に従って酵素処理した。なお、比較例1はコントロール(ベクターなし)、比較例2は酵素処理する前の環状ベクター、比較例3はNotIで直線化したベクター(平滑末端)、比較例4-1はNotIで直線化した後にExoIIIで1分処理したベクター(片側5’オーバーハング、オーバーハング部の塩基長は100mer)、比較例4-2はNotIで直線化した後にExoIIIで3分処理したベクター(片側5’オーバーハング、オーバーハング部の塩基長は300mer)、比較例4-3はNotIで直線化した後にExoIIIで5分処理したベクター(片側5’オーバーハング、オーバーハング部の塩基長は500mer)、比較例5-1はNotIで直線化した後にT7で1分処理したベクター(片側3’オーバーハング、オーバーハング部の塩基長は150mer)、比較例5-2はNotIで直線化した後にT7で3分処理したベクター(片側3’オーバーハング、オーバーハング部の塩基長は450mer)、比較例5-3はNotIで直線化した後にT7で5分処理したベクター(片側3’オーバーハング、オーバーハング部の塩基長は750mer)、比較例6はEcoRIとNotIとの二重消化(ベクター骨格も除去)を行ったベクター(平滑末端)、比較例7-1はEcoRIとNotIとの二重消化を行った後にExoIIIで1分処理したベクター(両側5’オーバーハング、オーバーハング部の塩基長は100mer)、比較例7-2はEcoRIとNotIとの二重消化を行った後にExoIIIで3分処理したベクター(両側5’オーバーハング、オーバーハング部の塩基長は300mer)、比較例8はEcoRIとNotIとの二重消化を行った後にT7で1分処理したベクター(両側3’オーバーハング、オーバーハング部の塩基長は150mer)、実施例1はEcoRIとNotIとの二重消化を行った後にT7で3分処理したベクター(両側3’オーバーハング、オーバーハング部の塩基長は450mer)である。 C. Deng, A. Wynshaw-Boris, F. Zhou, A. Kuo, P. Leder, Fibroblast growth factor receptor 3 is a negative regulator of bone growth. 25 μg of the vector was enzymatically treated according to the conditions shown in Tables 1 and 2. Comparative Example 1 was a control (without vector), Comparative Example 2 was a cyclic vector before enzymatic treatment, Comparative Example 3 was a vector linearized with NotI (blunt end), and Comparative Example 4-1 was linearized with NotI. Later, a vector treated with ExoIII for 1 minute (5'overhang on one side, base length of the overhang portion is 100 mer), and Comparative Example 4-2 is a vector linearized with NotI and then treated with ExoIII for 3 minutes (5'overhang on one side). , The base length of the overhang portion is 300 mer), Comparative Example 4-3 is a vector treated with ExoIII for 5 minutes after linearizing with NotI (5'overhang on one side, base length of the overhang portion is 500 mer), Comparative Example 5 -1 is a vector linearized with NotI and then treated with T7 for 1 minute (3'overhang on one side, the base length of the overhang portion is 150 mer), and Comparative Example 5-2 is linearized with NotI and then treated with T7 for 3 minutes. Vector (3'overhang on one side, base length of overhang part is 450 mer), Comparative Example 5-3 is a vector treated with T7 for 5 minutes after straightening with NotI (3'overhang on one side, base of overhang part). The length is 750 mer), Comparative Example 6 is a vector (blunt end) subjected to double digestion of EcoRI and NotI (the vector skeleton is also removed), and Comparative Example 7-1 is after double digestion of EcoRI and NotI. A vector treated with ExoIII for 1 minute (5'overhang on both sides, base length of the overhang portion is 100 mer), and Comparative Example 7-2 is a vector treated with ExoIII for 3 minutes after double digestion with EcoRI and NotI. Both sides 5'overhang, base length of overhang part is 300 mer), Comparative Example 8 is a vector treated with T7 for 1 minute after double digestion with EcoRI and NotI (both sides 3'overhang, overhang part). The base length is 150 mer), and Example 1 is a vector treated with T7 for 3 minutes after performing double digestion with EcoRI and NotI (both sides 3'overhang, base length of overhang portion is 450 mer).

これらの酵素で処理したベクターを、TC1胚性幹(ES)細胞へトランスフェクションした。エレクトロポレーション後、ES細胞を、マイトマイシン処理されたMEF細胞上へ、100mm直径のペトリ皿1枚あたり106個のES細胞濃度となるように蒔いた。細胞に、一日おきに新鮮な培地を供給した。 Vectors treated with these enzymes were transfected into TC1 embryonic stem (ES) cells. After electroporation, ES cells were sown on mitomycin-treated MEF cells to a concentration of 106 ES cells per 100 mm diameter Petri dish. The cells were fed fresh medium every other day.

37℃での24時間のインキュベーション後、培地にG418(250μg/ml、Roche)を追加した。細胞に一日おきに新鮮な培地を供給し、G418選択下で7日間維持し、続いて、G418プラス6-チオグアニン(6-TG:1μg/ml、Sigma-Aldrich)における選択下で7日間、維持した。これらの期間終了時点で、生存するコロニーの数を決定した。 After 24 hours of incubation at 37 ° C., G418 (250 μg / ml, Roche) was added to the medium. The cells were fed fresh medium every other day and maintained for 7 days under G418 selection, followed by 7 days under selection with G418 plus 6-thioguanine (6-TG: 1 μg / ml, Sigma-Aldrich). Maintained. At the end of these periods, the number of surviving colonies was determined.

Hprt遺伝子ターゲティングの結果として、各ベクターの形状の模式図とコロニーの写真とを図7に示す。図7中のコロニーの写真においては、最初の7日間のG418のみによる選択(左側コロニー写真)、及び次の7日間のG418及び6-TGによる選択(右側コロニー写真)を示す。また、各ベクターの形状の概要を表1に、コロニーの数をまとめた結果を表2に示す。表2では、最初の7日間のG418のみによる選択でのコロニー数、6-TG耐性のコロニー数に対するG418及び6-TGによる選択でのコロニー数の比を示す。 As a result of Hprt gene targeting, a schematic diagram of the shape of each vector and a photograph of the colony are shown in FIG. In the photographs of the colonies in FIG. 7, selection by G418 only for the first 7 days (left colony photograph) and selection by G418 and 6-TG for the next 7 days (right colony photograph) are shown. Table 1 shows an outline of the shape of each vector, and Table 2 shows the results of summarizing the number of colonies. Table 2 shows the number of colonies selected by G418 alone for the first 7 days, and the ratio of the number of colonies selected by G418 and 6-TG to the number of 6-TG resistant colonies.

Figure 0007084021000001
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Figure 0007084021000002
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相同組み換えによりネオマイシン耐性遺伝子が導入された細胞は、G418に対する耐性を有し、相同組み換えによりHprt遺伝子を欠損した細胞は、6-TGに対する耐性を有する。ターゲティングベクターのトランスフェクションなしの場合(比較例1)、G418及び6-TGの選択後には、ごくわずかなコロニーが存在したのみであった。表2のG418及び6-TGによる選択でのコロニー数に示されるように、オーバーハング部を有さないリニアベクターを用いた比較例3及び比較例6は、相同組み換え効率は殆ど向上しなかった。また、オーバーハング部を有さないリニアベクターを用いた比較例3と、片側5’オーバーハングのターゲティングベクターを用いた比較例4-1~比較例4-3とを比較すると、片側5’オーバーハングのターゲティングベクターを用いた比較例4-1~比較例4-3では、それぞれ、相同組み換え効率は約2倍、約4倍、及び約5倍程度しか向上しなかった。同様に、オーバーハング部を有さないリニアベクターを用いた比較例6と、両側5’オーバーハングのターゲティングベクターを用いた比較例7-1~比較例7-2とを比較しても、両側5’オーバーハングのターゲティングベクターを用いた比較例7-1~比較例7-2では、それぞれ、相同組み換え効率は約2倍、及び約4倍程度しか向上しなかった。 Cells into which the neomycin resistance gene has been introduced by homologous recombination have resistance to G418, and cells lacking the Hprt gene by homologous recombination have resistance to 6-TG. In the absence of transfection of the targeting vector (Comparative Example 1), only a few colonies were present after selection of G418 and 6-TG. As shown in the number of colonies selected by G418 and 6-TG in Table 2, the homologous recombination efficiency was hardly improved in Comparative Example 3 and Comparative Example 6 using the linear vector having no overhang portion. .. Further, when Comparative Example 3 using a linear vector having no overhang portion and Comparative Example 4-1 to Comparative Example 4-3 using a targeting vector having a 5'overhang on one side are compared, 5'over on one side. In Comparative Example 4-1 to Comparative Example 4-3 using the targeting vector of the hang, the homologous recombination efficiency was improved only about 2 times, about 4 times, and about 5 times, respectively. Similarly, even when Comparative Example 6 using a linear vector having no overhang portion and Comparative Example 7-1 to Comparative Example 7-2 using a targeting vector having 5'overhangs on both sides are compared, both sides are compared. In Comparative Example 7-1 to Comparative Example 7-2 using the 5'overhang targeting vector, the homologous recombination efficiency was improved only about 2 times and about 4 times, respectively.

そして、オーバーハング部を有さないリニアベクターを用いた比較例3と、片側3’オーバーハングのターゲティングベクターを用いた比較例5-1~5-3とを比較しても、片側3’オーバーハングのターゲティングベクターを用いた比較例5-1~5-3では、それぞれ、相同組み換え効率は向上しないか、せいぜい3倍程度しか向上しなかった。これに対し、両側3’オーバーハングであって、3’オーバーハング部の塩基長が150であるターゲティングベクターを用いた比較例8では、相同組み換え効率がオーバーハング部を有さないリニアベクターを用いた比較例6に比べ25倍に向上した。 Further, even when Comparative Example 3 using a linear vector having no overhang portion and Comparative Examples 5-1 to 5-3 using a targeting vector having a 3'overhang on one side are compared, 3'over on one side is achieved. In Comparative Examples 5-1 to 5-3 using the hang targeting vector, the homologous recombination efficiency was not improved or improved at most about 3 times, respectively. On the other hand, in Comparative Example 8 using a targeting vector having 3'overhangs on both sides and a base length of the 3'overhang portion of 150, a linear vector having no overhang portion is used for homologous recombination efficiency. It was improved 25 times as compared with Comparative Example 6 which had been used.

さらに、両側3’オーバーハングであって、3’オーバーハング部の塩基長が450merであるターゲティングベクターを用いた実施例1では、相同組み換え効率は、オーバーハング部を有さないリニアベクターを用いた比較例6に比べると40倍を優に超え、比較例3に比べると400倍を優に超える向上効果が発揮された。実証された高い相同組み換え効率は、当業者がこれまで全く予想することができないほどの驚くべき効率であった。このように、本発明のターゲティングベクターを用いると、相同組み換え効率を劇的に向上させることができた。 Further, in Example 1 using a targeting vector having 3'overhangs on both sides and a base length of the 3'overhang portion of 450 mer, a linear vector having no overhang portion was used for the homologous recombination efficiency. Compared with Comparative Example 6, the improvement effect was well over 40 times, and compared with Comparative Example 3, the improvement effect was well over 400 times. The demonstrated high homologous recombination efficiency was astonishingly unpredictable to those of skill in the art. Thus, the use of the targeting vector of the present invention could dramatically improve the efficiency of homologous recombination.

[試験例3:NudCD2遺伝子ターゲティング]
本発明のターゲットベクターが、ES細胞の他の遺伝子座にも適用可能であることを検証するため、マウスNudCD2遺伝子についてターゲティングを行った。
[Test Example 3: NudCD2 gene targeting]
In order to verify that the target vector of the present invention can be applied to other loci of ES cells, the mouse NutCD2 gene was targeted.

マウスNudCD2遺伝子の相同ターゲティングのため、図8に示す置換ベクターを設計した。図8に示すように、ターゲティングベクターは、NudCD2遺伝子の最初のエクソンの前に挿入された、ネオマイシンカセットPGK-neoを含有する。図8に示すように、両端にそれぞれ1個目と2個目のloxP配列対を有するネオマイシンカセットを、エクソン1の始まりへ挿入し、3個目のloxP配列を、NudCD2のイントロン1へ挿入した。相同組み換えに基づいた置換が起こると新規のKpnI部位が導入される。従って、得られたクローンのDNAをKpnIで消化した後、フランキングプローブによりサザンブロット解析を行うことで、相同組み換え事象を検出することができる。 The substitution vector shown in FIG. 8 was designed for homologous targeting of the mouse NutCD2 gene. As shown in FIG. 8, the targeting vector contains a neomycin cassette PGK-neo inserted before the first exon of the NudCD2 gene. As shown in FIG. 8, a neomycin cassette having a first and second loxP sequence pair at both ends was inserted into the beginning of exon 1, and a third loxP sequence was inserted into intron 1 of NudCD2. .. Substitutions based on homologous recombination introduce new KpnI sites. Therefore, homologous recombination events can be detected by performing Southern blot analysis with a flanking probe after digesting the DNA of the obtained clone with KpnI.

上述のベクター25μgを、表3のModificationに記載の条件に従って酵素処理した。なお、比較例9は、EcoRIとNotIとの二重消化(ベクター骨格も除去)で直線化したベクター(平滑末端)、実施例2は、EcoRIとNotIとで直線化した後にT7で3分処理したベクター(両側3’オーバーハング、オーバーハング部の塩基長さは450塩基)である。 25 μg of the above vector was enzymatically treated according to the conditions described in Modification in Table 3. Comparative Example 9 is a vector linearized by double digestion of EcoRI and NotI (the vector skeleton is also removed), and Example 2 is linearized with EcoRI and NotI and then treated with T7 for 3 minutes. Vector (3'overhang on both sides, base length of overhang is 450 bases).

これらの酵素で処理したベクターを、TC1胚性幹(ES)細胞へトランスフェクションした。エレクトロポレーション後、ES細胞を、マイトマイシン処理されたMEF細胞上へ、100mm直径のペトリ皿1枚あたり106個のES細胞濃度となるように蒔いた。細胞に、一日おきに新鮮な培地を供給した。 Vectors treated with these enzymes were transfected into TC1 embryonic stem (ES) cells. After electroporation, ES cells were sown on mitomycin-treated MEF cells to a concentration of 106 ES cells per 100 mm diameter Petri dish. The cells were fed fresh medium every other day.

37℃での24時間のインキュベーション後、培地にG418(250μg/ml、Roche)を追加した。細胞に一日おきに新鮮な培地を供給し、G418選択下で7日間維持した。それに引き続き、フランキングプローブを用いるサザンブロッティング分析を行った。ターゲットとされた対立遺伝子へ新しく導入されたKpnI部位である制限多型によって、相同組み換えクローンを決定した。 After 24 hours of incubation at 37 ° C., G418 (250 μg / ml, Roche) was added to the medium. The cells were fed fresh medium every other day and maintained for 7 days under G418 selection. Following that, Southern blotting analysis using a flanking probe was performed. Homologous recombination clones were determined by restricted polymorphisms, which are newly introduced KpnI sites into the targeted alleles.

図9に、G418による7日間の選択後のES細胞のコロニー(a)、及びKpnI消化後のG418耐性クローンの、フランキングプローブを用いたサザンブロッティング分析結果(b)を示す。WTで表されるバンドは、野生型対立遺伝子(3.1kbp)を示し、HRで表されるバンドは、導入されたターゲット遺伝子(2.5kbp)を示す。また、表3に、G418耐性クローンに関する遺伝子型分析の結果を示す。比較例9では、全168個のG418耐性コロニーのうちわずか5個のクローンが相同組み換え体であったことに対し、実施例2では、全252個のG418耐性コロニーのうち237個ものクローンが相同組み換え体であった。これらの結果が示すように、本発明のターゲットベクターを用いることで、相同組み換えクローンの数を劇的に増加させることができた。しかも、実施例2では237個の相同組み換え体のうち、22個のクローンが両アレルとも相同組み換えを起こしたことさえ確認された。 FIG. 9 shows the results of Southern blotting analysis (b) of ES cell colonies (a) after selection by G418 for 7 days and G418 resistant clones after KpnI digestion using a flanking probe. The band represented by WT represents the wild-type allele (3.1 kbp) and the band represented by HR represents the introduced target gene (2.5 kbp). Table 3 also shows the results of genotyping of G418 resistant clones. In Comparative Example 9, only 5 clones out of all 168 G418 resistant colonies were homologous recombinants, whereas in Example 2, as many as 237 clones out of all 252 G418 resistant colonies were homologous. It was a recombinant. As these results show, the number of homologous recombination clones could be dramatically increased by using the target vector of the present invention. Moreover, in Example 2, it was even confirmed that 22 of the 237 homologous recombinations had undergone homologous recombination in both alleles.

Figure 0007084021000003
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[試験例4:前核注入によるマウス受精卵のRosa26遺伝子ターゲティング]
本発明のターゲティングベクターを用い、マウス受精卵への前核注入により、Rosa遺伝子座の直接遺伝子ターゲティングを行った(実施例3)。
[Test Example 4: Rosa26 gene targeting of fertilized mouse eggs by pronuclear injection]
Using the targeting vector of the present invention, direct gene targeting of the Rosa locus was performed by pronuclear injection into fertilized mouse eggs (Example 3).

前核注入によって直接Rosa26遺伝子をターゲティングするため、図10に示す置換ベクター(Rosa26-H2B-eGFP)を設計した。Rosa26-H2B-eGFPは、T. Abe, H. Kiyonari, G. Shioi, K. Inoue, K. Nakao, S. Aizawa, T. Fujimori, Establishment of conditional reporter mouse lines at ROSA26 locus for live cell imaging. Genesis 49, 579-590 (2011)に従って作製した。相同組み換えに基づいた置換が起こるとサザンブロッティング分析のための新規のEcoRI部位が導入される。 A substitution vector (Rosa26-H2B-eGFP) shown in FIG. 10 was designed to directly target the Rosa26 gene by pronuclear injection. Rosa26-H2B-eGFP is T. Abe, H. Kiyonari, G. Shioi, K. Inoue, K. Nakao, S. Aizawa, T. Fujimori, Establishment of conditional reporter mouse lines at ROSA26 locus for live cell imaging. Genesis. It was made according to 49, 579-590 (2011). Substitutions based on homologous recombination introduce new EcoRI sites for Southern blotting analysis.

設計したベクターRosa26-H2B-eGFPを、制限酵素SfiI処理によってベクター骨格を除去し、T7で3分処理することによって、ターゲティングベクターを得た。 The designed vector Rosa26-H2B-eGFP was treated with the restriction enzyme SfiI to remove the vector skeleton and treated with T7 for 3 minutes to obtain a targeting vector.

得られたターゲティングベクターを、C57BL/6マウスの受精卵に注入した。合計459個の受精卵に前核注入を行い、110匹の仔を得た。得られた仔の尾からDNAを抽出し、Rosa26遺伝子のフランキングプローブを用いるサザンブロッティング分析に供した。ターゲットにされた対立遺伝子へ新しく導入されたEcoRI部位における制限多型によって相同組み換え事象を決定した。つまり、EcoRI消化後の多型を、図10に示されるフランキングプローブによって検出した。また、λDNAのHindIII消化物をサイズマーカーとして用いた。 The obtained targeting vector was injected into fertilized eggs of C57BL / 6 mice. A total of 459 fertilized eggs were injected with pronucleus to obtain 110 pups. DNA was extracted from the tail of the obtained pups and subjected to Southern blotting analysis using a flanking probe of the Rosa26 gene. Homologous recombination events were determined by restricted polymorphisms at the newly introduced EcoRI site into the targeted allele. That is, the polymorphism after EcoRI digestion was detected by the flanking probe shown in FIG. In addition, HindIII digested product of λDNA was used as a size marker.

サザンブロッティング分析結果を図11に示す。WTで表されるバンドは、野生型対立遺伝子(15.5kbp)を示し、HRで表されるバンドは、導入されたターゲット遺伝子(10.5kbp)を示す。この実施例3によると、2つの相同組み換え体が見出された。導入されたターゲット遺伝子に由来するバンドの検出強度は、野生型よりも低かった。この結果は、産生されたRosaターゲティングマウスがモザイクであることを示している。このことは、外来DNAの導入が染色体DNAの複製の第1ラウンド後に起こったことを意味している。 The results of Southern blotting analysis are shown in FIG. The band represented by WT represents the wild-type allele (15.5 kbp) and the band represented by HR represents the introduced target gene (10.5 kbp). According to this Example 3, two homologous recombinants were found. The detection intensity of the band derived from the introduced target gene was lower than that of the wild type. This result indicates that the produced Rosa targeting mice are mosaic. This means that the introduction of foreign DNA occurred after the first round of chromosomal DNA replication.

[試験例5:前核注入によるマウス受精卵のNudCD2遺伝子ターゲティング]
前核注入によるマウス受精卵の直接的遺伝子ターゲティングが他の遺伝子座にも適用可能であることを検証するため、マウス受精卵への前核注入により、NudCD2遺伝子座の直接遺伝子ターゲティングを行った(実施例4)。
[Test Example 5: NudCD2 gene targeting of fertilized mouse eggs by pronuclear injection]
In order to verify that direct gene targeting of fertilized mouse eggs by pronuclear injection is applicable to other loci, direct gene targeting of the NudCD2 locus was performed by pronuclear injection into fertilized mouse eggs ( Example 4).

前核注入によって直接NudCD2遺伝子をターゲティングするため、図12に示すネオマイシンカセットを有しない置換ベクターを設計した。図12に示すように、ベクターにおいて、最初のエクソンを2個のloxP部位に隣接させた。相同組み換えに基づいた置換が起こるとサザンブロッティング分析のための新規のApaI部位が導入される。 In order to directly target the NudCD2 gene by pronuclear injection, a substitution vector without the neomycin cassette shown in FIG. 12 was designed. As shown in FIG. 12, in the vector, the first exon was flanked by two loxP sites. Substitutions based on homologous recombination introduce new ApaI sites for Southern blotting analysis.

設計したベクターを、制限酵素SfiI処理によってベクター骨格を除去し、T7で3分処理することによって、ターゲティングベクターを得た。 The designed vector was treated with the restriction enzyme SfiI to remove the vector skeleton and treated with T7 for 3 minutes to obtain a targeting vector.

得られたターゲティングベクターを、FVBマウスの受精卵に前核注入した。合計213個の受精卵に前核注入を行い、41匹の仔を得た。得られた仔の尾からDNAを抽出し、NudCD2遺伝子のフランキングプローブを用いるサザンブロッティング分析に供した(λDNAのHindIII消化物をサイズマーカーとして用いた。)。ターゲットにされた対立遺伝子へ新しく導入されたApaI部位における制限多型によって相同組み換え事象を決定した。つまり、ApaI消化後の多型を、図12に示されるフランキングプローブによって検出した。また、λDNAのHindIII消化物をサイズマーカーとして用いた。 The obtained targeting vector was injected into fertilized eggs of FVB mice by pronuclear injection. A total of 213 fertilized eggs were injected with pronucleus to obtain 41 pups. DNA was extracted from the tails of the obtained pups and subjected to Southern blotting analysis using a flanking probe for the NudCD2 gene (HindIII digested product of λDNA was used as a size marker). Homologous recombination events were determined by restricted polymorphisms at the newly introduced ApaI site into the targeted allele. That is, the polymorphism after ApaI digestion was detected by the flanking probe shown in FIG. In addition, HindIII digested product of λDNA was used as a size marker.

サザンブロッティング分析結果を図13に示す。WTで表されるバンドは、野生型対立遺伝子(15.5kbp)を示し、HRで表されるバンドは、導入されたターゲット遺伝子(11kbp)を示す。この実施例4によると、1つの相同組み換え体が見出された。導入されたターゲット遺伝子に由来するバンドの検出強度は、野生型と同様であった。このことは、外来DNAの導入が染色体DNAの複製の第1ラウンド後に起こったことを意味している。 The results of Southern blotting analysis are shown in FIG. The band represented by WT represents the wild-type allele (15.5 kbp) and the band represented by HR represents the introduced target gene (11 kbp). According to this Example 4, one homologous recombination was found. The detection intensity of the band derived from the introduced target gene was similar to that of the wild type. This means that the introduction of foreign DNA occurred after the first round of chromosomal DNA replication.

Claims (11)

外来DNA断片と、前記外来DNA断片の両側に、標的DNA部位の一部と相同組み換え可能な相同配列を有する相同DNA断片とを含むターゲティングベクターであって、
前記ターゲティングベクターの両端がいずれも3'末端が突出したオーバーハング部を有し、前記オーバーハング部が前記相同配列を有し、且つ200mer以上の塩基長を有する、ターゲティングベクター。
A targeting vector containing a foreign DNA fragment and a homologous DNA fragment having a homologous recombination sequence with a part of a target DNA site on both sides of the foreign DNA fragment.
A targeting vector having an overhang portion at both ends of the targeting vector having a protruding 3'end, the overhang portion having the homologous sequence, and a base length of 200 mer or more.
前記オーバーハング部の塩基長が500mer以下である、請求項1に記載のターゲティングベクター。 The targeting vector according to claim 1, wherein the base length of the overhang portion is 500 mer or less. 前記外来DNA断片がマーカー遺伝子を含む、請求項1に記載のターゲティングベクター。 The targeting vector according to claim 1, wherein the foreign DNA fragment contains a marker gene. 外来DNA断片と、前記外来DNA断片の両側に、標的DNA部位の一部と相同組み換え可能な相同配列を有する相同DNA断片とを含むターゲティングベクターであって;前記ターゲティングベクターの両端がいずれも3'末端が突出したオーバーハング部を有し、前記オーバーハング部が前記相同配列を有し且つ200mer以上の塩基長を有するターゲティングベクターを、前記標的DNA部位を染色体上に有する細胞に導入する導入工程を含み、
前記細胞が、真核細胞又はヒト細胞であり、前記ヒト細胞が人工多能性幹細胞である、遺伝子改変細胞の製造方法(但し、ヒトを作製する場合を除く)
A targeting vector containing a foreign DNA fragment and a homologous DNA fragment having a homologous sequence capable of homologous recombination with a part of a target DNA site on both sides of the foreign DNA fragment; both ends of the targeting vector are 3'. An introduction step of introducing a targeting vector having an overhang portion having a protruding end, the overhang portion having the homologous sequence and a base length of 200 mer or more, into a cell having the target DNA site on the chromosome. Including
A method for producing a gene-modified cell , wherein the cell is a eukaryotic cell or a human cell, and the human cell is an induced pluripotent stem cell (except when producing a human) .
前記導入工程を前核注入法により行う、請求項4に記載の遺伝子改変細胞の製造方法。 The method for producing a gene-modified cell according to claim 4, wherein the introduction step is performed by a pronucleus injection method. 前記標的DNA部位で二重鎖切断を生じさせる二重鎖切断工程を含まない、請求項4又は5に記載の遺伝子改変細胞の製造方法。 The method for producing a gene-modified cell according to claim 4 or 5, which does not include a double-strand break step that causes double-strand break at the target DNA site. 前記標的DNA部位で二重鎖切断を生じさせる二重鎖切断工程を含む、請求項4又は5に記載の遺伝子改変細胞の製造方法。 The method for producing a genetically modified cell according to claim 4 or 5, which comprises a double chain cleavage step of causing double chain cleavage at the target DNA site. 前記二重鎖切断工程を、ジンクフィンガーヌクレアーゼ(ZFN)、転写活性化因子様エフェクターヌクレアーゼ(TALEN)、又はクリスパー関連(Cas9)ヌクレアーゼにより行う、請求項7に記載の遺伝子改変細胞の製造方法。 The method for producing a gene-modified cell according to claim 7, wherein the double-strand break step is performed by a zinc finger nuclease (ZFN), a transcriptional activator-like effector nuclease (TALEN), or a crisper-related (Cas9) nuclease. 外来DNA断片と、前記外来DNA断片の両側に、標的DNA部位の一部と相同組み換え可能な相同配列を有する相同DNA断片とを含む直鎖状DNA構築物であって、両末端が前記相同DNA断片で構成される直鎖状DNA構築物を構築する工程と、
前記直鎖状DNA構築物にエキソヌクレアーゼを作用させることによって、前記直鎖状DNA構築物の両末端において3'末端が200mer以上の塩基長で突出したオーバーハング部を生じさせる工程と、を含む、ターゲティングベクターの製造方法。
A linear DNA construct containing a foreign DNA fragment and a homologous DNA fragment having a homologous recombination sequence with a part of a target DNA site on both sides of the foreign DNA fragment, both ends of which are the homologous DNA fragments. The process of constructing a linear DNA construct composed of
Targeting comprising the step of allowing an exonuclease to act on the linear DNA construct to form an overhang portion at both ends of the linear DNA construct, the 3'end protruding with a base length of 200 mer or more. How to make a vector.
前記オーバーハング部を生じさせる工程において、前記エキソヌクレアーゼとしてT7エキソヌクレアーゼを用い、且つ、前記T7エキソヌクレアーゼを1分20秒以上作用させる、請求項9に記載のターゲティングベクターの製造方法。 The method for producing a targeting vector according to claim 9, wherein a T7 exonuclease is used as the exonuclease in the step of generating the overhang portion, and the T7 exonuclease is allowed to act for 1 minute and 20 seconds or longer. 前記直鎖状DNA構築物を構築する工程と、前記オーバーハング部を生じさせる工程との間に、3'突出末端を生成する制限酵素によって前記DNA構築物の両末端を処理する工程を含む、請求項9又は10に記載のターゲティングベクターの製造方法。


A claim comprising treating both ends of the DNA construct with a restriction enzyme that produces a 3'protruding end between the step of constructing the linear DNA construct and the step of creating the overhang. The method for producing a targeting vector according to 9 or 10.


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