KR102882704B1 - Method for Single-Base Genome Editing Using CRISPR/Cas9 System and Uses Thereof - Google Patents
Method for Single-Base Genome Editing Using CRISPR/Cas9 System and Uses ThereofInfo
- Publication number
- KR102882704B1 KR102882704B1 KR1020220027564A KR20220027564A KR102882704B1 KR 102882704 B1 KR102882704 B1 KR 102882704B1 KR 1020220027564 A KR1020220027564 A KR 1020220027564A KR 20220027564 A KR20220027564 A KR 20220027564A KR 102882704 B1 KR102882704 B1 KR 102882704B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- target dna
- crispr
- nucleotide
- guide rna
- cas9 system
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
- C12N15/00—Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
- C12N15/09—Recombinant DNA-technology
- C12N15/63—Introduction of foreign genetic material using vectors; Vectors; Use of hosts therefor; Regulation of expression
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
- C12N15/00—Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
- C12N15/09—Recombinant DNA-technology
- C12N15/10—Processes for the isolation, preparation or purification of DNA or RNA
- C12N15/102—Mutagenizing nucleic acids
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
- C12N15/00—Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
- C12N15/09—Recombinant DNA-technology
- C12N15/11—DNA or RNA fragments; Modified forms thereof; Non-coding nucleic acids having a biological activity
- C12N15/113—Non-coding nucleic acids modulating the expression of genes, e.g. antisense oligonucleotides; Antisense DNA or RNA; Triplex- forming oligonucleotides; Catalytic nucleic acids, e.g. ribozymes; Nucleic acids used in co-suppression or gene silencing
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
- C12N9/00—Enzymes; Proenzymes; Compositions thereof; Processes for preparing, activating, inhibiting, separating or purifying enzymes
- C12N9/14—Hydrolases (3)
- C12N9/16—Hydrolases (3) acting on ester bonds (3.1)
- C12N9/22—Ribonucleases [RNase]; Deoxyribonucleases [DNase]
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
- C12N9/00—Enzymes; Proenzymes; Compositions thereof; Processes for preparing, activating, inhibiting, separating or purifying enzymes
- C12N9/14—Hydrolases (3)
- C12N9/16—Hydrolases (3) acting on ester bonds (3.1)
- C12N9/22—Ribonucleases [RNase]; Deoxyribonucleases [DNase]
- C12N9/222—Clustered regularly interspaced short palindromic repeats [CRISPR]-associated [CAS] enzymes
- C12N9/226—Class 2 CAS enzyme complex, e.g. single CAS protein
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
- C12N2310/00—Structure or type of the nucleic acid
- C12N2310/10—Type of nucleic acid
- C12N2310/20—Type of nucleic acid involving clustered regularly interspaced short palindromic repeats [CRISPR]
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Zoology (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Plant Pathology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
- Bakery Products And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
- General Preparation And Processing Of Foods (AREA)
Abstract
본 발명은 CRISPR/Cas9 시스템을 기반으로 한 유전체 편집 방법 및 이의 용도에 관한 것으로, 본 발명에 따른 올리고뉴클레오타이드-유도 돌연변이 및 5’-절단(truncated) sgRNA를 이용한 CRISPR 시스템은 표적 DNA에 유의적인 유전체 편집 효과를 달성하는 바, 본 발명의 CRISPR 시스템은 유전자 가위를 이용한 유전자 교정용 조성물, 유전체 수준의 스크리닝, 암을 비롯한 다양한 질병의 치료제, 질병 진단 또는 이미징용 조성물 개발, 형질전환동식물 개발 등의 폭넓은 분야에 이용될 수 있을 것으로 기대된다.The present invention relates to a genome editing method based on the CRISPR/Cas9 system and its use. The CRISPR system using oligonucleotide-induced mutation and 5'-truncated sgRNA according to the present invention achieves a significant genome editing effect on target DNA. Therefore, the CRISPR system of the present invention is expected to be used in a wide range of fields, such as a composition for gene correction using gene scissors, genome-level screening, development of a composition for treating various diseases including cancer, diagnosis or imaging of diseases, and development of transgenic plants and animals.
Description
본 발명은 CRISPR/Cas9 시스템의 불일치 불허용(mismatch intolerance)을 기반으로 한 유전체의 단일염기 편집 방법 및 이의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to a method for single-base editing of a genome based on mismatch intolerance of the CRISPR/Cas9 system and its use.
CRISPR/Cas (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/ CRISPR-associated) 시스템은 박테리오파지 등의 외래 DNA에 감염된 후 생존한 미생물이 감염되었을 시 DNA 서열의 일부를 잘라내어 자신의 유전체에 저장해두었다 비슷한 서열의 외래 DNA에 재감염 되었을 때 그를 인식하고 이중가닥 절단을 유발하여 자신을 보호하는 미생물의 적응 면역 체계이다. CRISPR/Cas 시스템은 끊임없이 돌연변이를 통하여 진화하는 박테리오파지에 대응하는 면역체계로 진화하면서 표적 DNA 서열과 sgRNA의 표적 인식 서열이 완전히 일치하지 않더라도 표적 DNA에 이중 가닥 절단을 유발하는 미스매치 허용(mismatch tolerance)를 가지게 되었고, 이로 인해 유전체의 복잡성(complexity)이 높은 진핵 시스템(eukaryotic system)에서는 원치 않은 부위를 표적으로 인식하여 이중가닥 절단이 일어나는 off-target effect가 문제로 작용하였다.The CRISPR/Cas (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/ CRISPR-associated) system is an adaptive immune system of microorganisms that, after being infected with foreign DNA such as bacteriophage, cuts out part of the DNA sequence and stores it in its own genome when a surviving microorganism is infected. When it is reinfected with foreign DNA with a similar sequence, it recognizes it and induces double-strand breaks to protect itself. As the CRISPR/Cas system evolved as an immune system to respond to bacteriophage that constantly evolves through mutations, it has mismatch tolerance that causes double-strand breaks in the target DNA even if the target DNA sequence and the target recognition sequence of the sgRNA do not completely match. Due to this, in eukaryotic systems with high genome complexity, the off-target effect, in which unwanted sites are recognized as targets and double-strand breaks occur, has become a problem.
CRISPR/Cas 시스템은 표적 DNA를 인식하는 가이드 RNA와, 가이드 RNA를 매개로 표적에 근접하여 이중가닥 절단을 일으키는 뉴클레아제(nuclease) 활성을 가진 Cas 단백질로 기능이 모듈화되어 있다. CRISPR/Cas 시스템이 표적 부위에 이중 가닥 절단을 유발하기 위해서는 sgRNA와 표적 DNA 간의 base pairing이 선행되어야 하므로 유전체 편집 도구로써 CRISPR/Cas 시스템이 활용되기 위해서는 sgRNA의 디자인이 가장 중요한 부분이다. 유전체 편집 도구로써 CRISPR/Cas 시스템의 최우선 과제는 표적 DNA에 대한 특이성을 높이는 것이고, 이를 위해 sgRNA의 디자인을 최적화하는 것이 가장 손쉬운 방법으로 생각되고 있다.The CRISPR/Cas system is modular in function, consisting of a guide RNA that recognizes target DNA and a Cas protein with nuclease activity that induces double-strand breaks upon approaching the target via the guide RNA. For the CRISPR/Cas system to induce double-strand breaks at the target site, base pairing between the sgRNA and the target DNA must occur. Therefore, the design of the sgRNA is the most crucial element for the CRISPR/Cas system to be utilized as a genome-editing tool. The top priority for the CRISPR/Cas system as a genome-editing tool is to enhance its specificity for the target DNA, and optimizing the design of the sgRNA is considered the easiest way to achieve this.
많은 CRISPR/Cas 시스템들이 미생물뿐 아니라 진핵생물의 유전체 편집에도 널리 이용되고 있기 때문에 다른 부위에는 이중가닥 절단이 일어나지 않으면서 표적 부위에만 이중 가닥 절단을 유발하는 정확성이 중요하므로, CRISPR/Cas 시스템의 불일치 허용을 줄이기 위해 표적 DNA에 대한 CRISPR/Cas 시스템의 특이성을 높이는 등의 연구가 진행되어 왔다.Since many CRISPR/Cas systems are widely used for genome editing not only in microorganisms but also in eukaryotes, the accuracy of inducing double-strand breaks only at the target site while not causing double-strand breaks at other sites is important. Therefore, research has been conducted to increase the specificity of CRISPR/Cas systems for target DNA to reduce the tolerance of mismatches in CRISPR/Cas systems.
그러나, 대부분이 NHEJ에 의한 무작위 돌연변이 도입을 기반으로 하여 정교함이 다소 떨어지는 문제가 존재한다. However, there is a problem that most of them are based on the introduction of random mutations by NHEJ, resulting in a somewhat low level of sophistication.
따라서, 종래 유전체 편집 방법의 정교함을 보완하고, 디자인이 간단하며 범용적으로 사용가능하여 미생물을 포함한 목적 대상의 유전체를 자유자재로 용이하고 효율적으로 편집할 수 있는 CRISPR/Cas9 유전자가위의 개발이 요구되고 있다.Therefore, there is a need to develop a CRISPR/Cas9 gene scissors that can easily and efficiently edit the genome of a target, including microorganisms, with a simple design and universal usability that complements the sophistication of conventional genome editing methods.
상술한 상황 하에서, 본 발명자들은 CRISPR/Cas9 시스템을 기반으로 하여 목적 대상의 유전체를 단일 염기 수준으로 정교하게 편집할 수 있는 방법을 개발하고자 예의 연구 노력하였다. 이에, 본 발명자들은, 표적 DNA의 5’-말단의 뉴클레오타이드를 결실시킨 5'-절단(truncated) sgRNA를 포함하는 CRISPR/Cas9 시스템에, 표적 DNA에서 단일 염기 불일치를 가지는 염기 서열을 포함하는 올리고뉴클레오타이드로 위치 유도 돌연변이를 도입하였고, 그 결과, 상기 표적 DNA와 상동성을 갖는 상기 가이드 5’-절단(truncated) sgRNA에서 5’-말단의 2 개 뉴클레오타이드가 결실(제거)되면 CRISPR/Cas9 시스템이 단일염기 불일치를 구분하는 불일치 불허용 (mismatch intolerance)를 보여 이를 이용한 대장균 유전체의 단일 염기 편집(교정) 효율과 정확도가 크게 향상되었음을 규명함으로써, 본 발명을 완성하였다.Under the circumstances described above, the present inventors have made extensive research efforts to develop a method capable of precisely editing a target genome at the single base level based on the CRISPR/Cas9 system. Accordingly, the present inventors introduced site-directed mutagenesis into the CRISPR/Cas9 system, which includes a 5'-truncated sgRNA that deletes the 5'-terminal nucleotide of the target DNA, with an oligonucleotide containing a base sequence having a single base mismatch in the target DNA. As a result, when two nucleotides at the 5'-terminus of the guide 5'-truncated sgRNA having homology to the target DNA were deleted (removed), the CRISPR/Cas9 system exhibited mismatch intolerance that distinguishes single base mismatches, thereby significantly improving the efficiency and accuracy of single base editing (proofreading) of the E. coli genome, thereby completing the present invention.
따라서, 본 발명의 일 목적은 CRISPR/Cas9 시스템 기반 유전체 편집 방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, one object of the present invention is to provide a genome editing method based on the CRISPR/Cas9 system.
또한, 본 발명의 다른 목적은 CRISPR/Cas9 시스템 기반 유전체 편집용 조성물을 제공하는 데 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a composition for genome editing based on the CRISPR/Cas9 system.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 CRISPR/Cas9 시스템 기반의 유전체 편집 효율 증가 방법을 제공하는 데 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a method for increasing genome editing efficiency based on the CRISPR/Cas9 system.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 CRISPR/Cas9 시스템 기반의 표적 DNA가 편집된 대상체의 제조 방법을 제공하는 데 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a method for producing a subject in which target DNA is edited based on the CRISPR/Cas9 system.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 CRISPR/Cas9 시스템 기반의 표적 DNA가 편집된 대상체의 제조 방법에 의해 제조된, 표적 DNA가 편집된 대상체를 제공하는 데 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a subject having edited target DNA, manufactured by a method for manufacturing a subject having edited target DNA based on a CRISPR/Cas9 system.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명 및 청구범위에 의해 보다 명확하게 된다.Other objects and advantages of the present invention will become more apparent from the detailed description of the invention and the claims below.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of description only and should not be construed as limiting. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, the terms "comprises" or "has" and the like are intended to specify the presence of a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but should be understood to not preclude the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Additionally, unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the art to which the embodiments pertain. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with their meaning in the context of the relevant technology, and shall not be interpreted in an idealized or overly formal sense unless explicitly defined herein.
본 명세서에서 사용되는 용어 "핵산 서열", "뉴클레오타이드 서열" 및 "폴리뉴클레오타이드 서열"은, 올리고뉴클레오타이드 또는 폴리뉴클레오타이드, 및 이의 단편 또는 일부, 및 단일 가닥 또는 이중 가닥일 수 있는 게놈 또는 합성 기원의 DNA 또는 RNA를 의미하고, 센스 또는 안티센스 가닥을 나타낸다.The terms "nucleic acid sequence", "nucleotide sequence" and "polynucleotide sequence" as used herein mean oligonucleotides or polynucleotides, and fragments or portions thereof, and DNA or RNA of genomic or synthetic origin, which may be single-stranded or double-stranded, and represent the sense or antisense strand.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 표적 DNA에 상보적으로 결합하는 공여 핵산 분자 및 가이드 RNA(guide RNA, gRNA)를 포함하는 CRISPR/Cas9 (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/CRISPR-associated protein 9) 시스템 기반 유전체 편집 방법을 제공하며, 상기 표적 DNA에 상보적인 뉴클레오타이드 서열을 포함하는 가이드 RNA의 5'-말단으로부터 1개 내지 3개의 뉴클레오타이드를 결실시키는 단계를 포함한다.According to one aspect of the present invention, the present invention provides a genome editing method based on a CRISPR/Cas9 (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/CRISPR-associated protein 9) system, comprising a donor nucleic acid molecule complementarily binding to a target DNA and a guide RNA (guide RNA, gRNA), and comprising a step of deleting 1 to 3 nucleotides from the 5'-end of the guide RNA comprising a nucleotide sequence complementary to the target DNA.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "편집한다", "편집하는" 또는 "편집된"은 특정 게놈 표적을 선택적으로 결실시키거나, 외부로부터 공급된 DNA 주형을 사용하여 새로운 특정 서열을 포함시킴으로써 폴리뉴클레오타이드의 핵산 서열(예를 들면, 야생형 천연 생성 핵산 서열 또는 돌연변이된 천연 생성 서열)을 변경시키는 방법을 의미한다. 이러한 특정 게놈 표적은 염색체 영역, 미토콘드리아 DNA, 유전자, 프로모터, 오픈 리딩 프레임 또는 임의의 핵산 서열을 포함하나, 이들로 한정되지 않을 수 있다.As used herein, the terms "edit," "editing," or "edited" refer to a method of altering the nucleic acid sequence of a polynucleotide (e.g., a wild-type naturally occurring nucleic acid sequence or a mutated naturally occurring sequence) by selectively deleting a specific genomic target or incorporating a new specific sequence using an exogenously supplied DNA template. Such specific genomic targets may include, but are not limited to, a chromosomal region, mitochondrial DNA, a gene, a promoter, an open reading frame, or any nucleic acid sequence.
본 명세서에서 용어 "유전체 교정(genome editing)"은, 특별한 언급이 없는 한, 표적 DNA의 표적 부위에서의 Cas9 절단에 의한 핵산 분자의 결실, 삽입, 치환 등에 의하여 유전자 기능을 편집, 회복, 수정, 상실 및/또는 변경시키는 것을 의미한다.As used herein, the term “genome editing” means editing, restoring, correcting, losing and/or altering gene function by deletion, insertion, substitution, etc. of a nucleic acid molecule by Cas9 cleavage at a target site of a target DNA, unless otherwise specified.
본원에서 사용된 용어 "결실시킨다", "결실된", "결실시키는" 또는 "결실"은 하나 이상의 뉴클레오타이드 또는 아미노산 잔기가 부재(제거)하거나 부재하게 되는, 각각 뉴클레오타이드 또는 아미노산 서열에서의 변화로서 정의될 수 있다.The terms "delete", "deleted", "deleting" or "deletion" as used herein may be defined as a change in a nucleotide or amino acid sequence, respectively, whereby one or more nucleotides or amino acid residues are absent (removed) or rendered absent.
바람직하게는, 본 발명에서 표적 DNA에 상보적인 뉴클레오타이드 서열을 포함하는 가이드 RNA의 5'-말단으로부터 1개 내지 3개의 뉴클레오타이드가 결실된(5'-절단(truncated)) 가이드 RNA는, 상기 표적 DNA에 상보적인 17 내지 19개의 연속적 뉴클레오타이드로 이루어진 영역을 포함하게 되며, 이러한 절단된 가이드 RNA가 오히려 CRISPR 시스템의 편집 효과를 향상시키는 것을 특징으로 한다.Preferably, in the present invention, a guide RNA having 1 to 3 nucleotides deleted (5'-truncated) from the 5'-end of a guide RNA comprising a nucleotide sequence complementary to a target DNA comprises a region consisting of 17 to 19 consecutive nucleotides complementary to the target DNA, and such a truncated guide RNA is characterized in that it rather enhances the editing effect of the CRISPR system.
본 발명의 목적을 달성할 수 있는 한, 결실된 뉴클레오타이드의 수는 제한되지 않으나, 바람직하게는, 결실된 뉴클레오타이드의 수는 1 내지 10개, 보다 바람직하게는 1 내지 5개, 보다 더욱 바람직하게는 1 내지 3개, 보다 더욱 더 바람직하게는 1 내지 2개, 가장 바람직하게는 2개이다. As long as the purpose of the present invention can be achieved, the number of deleted nucleotides is not limited, but preferably, the number of deleted nucleotides is 1 to 10, more preferably 1 to 5, even more preferably 1 to 3, even more preferably 1 to 2, and most preferably 2.
또한, 가이드 RNA 상의 결실된 뉴클레오타이드는 연속적 또는 불연속적으로 위치할 수 있다.Additionally, the deleted nucleotides on the guide RNA may be positioned consecutively or discontinuously.
본 발명에 따르면, 본 발명의 가이드 RNA, 즉, 5'-절단(truncated) 가이드 RNA 상의 결실되는 뉴클레오타이드의 위치는, 가이드 RNA 상의 5'-말단으로부터 1 개 내지 3개의 뉴클레오타이드가 이격된 바로 근접한 부위에 위치할 수 있다.According to the present invention, the position of the nucleotide to be deleted on the guide RNA of the present invention, i.e., the 5'-truncated guide RNA, may be located at a site immediately adjacent to the 5'-end of the guide RNA, which is spaced apart by 1 to 3 nucleotides.
본 명세서에서 5'-절단(truncated) 가이드 RNA 상의 결실된 뉴클레오타이드 위치를 언급하면서 사용되는 용어"바로 근접한(immediately adjacent)"은, 표적 DNA에 상보적인 뉴클레오타이드 서열을 포함하는 가이드 RNA 상의 5'-말단 방향으로 인접(juxtaposition)한, 즉, 1 개 뉴클레오타이드만큼 이격된 부위에 위치하는 것을 의미한다. The term "immediately adjacent" as used herein to refer to a deleted nucleotide position on a 5'-truncated guide RNA means that it is located at a site juxtaposed in the 5'-end direction on the guide RNA containing a nucleotide sequence complementary to the target DNA, i.e., spaced apart by one nucleotide.
용어 "가이드 RNA"는 표적 DNA에 특이적인 RNA로, Cas 단백질과 복합체를 형성할 수 있고, Cas 단백질을 표적 DNA에 가져오는 RNA를 말한다.The term "guide RNA" refers to an RNA that is specific to target DNA, can form a complex with a Cas protein, and brings the Cas protein to the target DNA.
상기 가이드 RNA는 표적 DNA와 혼성화하는 crRNA(CRISPR RNA) 및 tracrRNA (transactivating crRNA)를 포함하는 이중 RNA (dualRNA), 또는 상기 crRNA 및 tracrRNA의 부분을 포함하고 표적 DNA와 혼성화하는 단일-사슬 가이드 RNA (sgRNA)일 수 있고, 본 발명의 일 실시예에서 상기 가이드 RNA는 sgRNA이다.The above guide RNA may be a dual RNA (dualRNA) comprising a crRNA (CRISPR RNA) and a tracrRNA (transactivating crRNA) that hybridizes with the target DNA, or a single-stranded guide RNA (sgRNA) comprising portions of the crRNA and tracrRNA and hybridizing with the target DNA, and in one embodiment of the present invention, the guide RNA is sgRNA.
상기 가이드 RNA가 crRNA 및 tracrRNA의 필수적인 부분 및 표적과 상보적인 부분을 포함한다면, 어떠한 가이드 RNA라도 본 발명에 사용될 수 있다.Any guide RNA can be used in the present invention as long as the guide RNA comprises essential portions of crRNA and tracrRNA and a portion complementary to the target.
상기 crRNA는 표적 DNA와 혼성화될 수 있다.The above crRNA can hybridize with target DNA.
가이드 RNA는 RNA의 형태 또는 가이드 RNA를 암호화하는 DNA의 형태로 세포 또는 유기체에 전달될 수 있다. 또한, 가이드 RNA는 분리된 RNA의 형태, 바이러스 벡터에 포함되어 있는 RNA, 또는 벡터에 암호화되어있는 형태일 수도 있다. 바람직하게, 상기 벡터는 바이러스 벡터, 플라스미드 벡터, 또는 아그로박테리움 (agrobacterium) 벡터일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Guide RNA can be delivered to cells or organisms in the form of RNA or DNA encoding the guide RNA. Furthermore, the guide RNA may be in the form of isolated RNA, RNA contained in a viral vector, or encoded within a vector. Preferably, the vector may be, but is not limited to, a viral vector, a plasmid vector, or an Agrobacterium vector.
본 발명에서 CRISPR/Cas9 시스템 기반 유전체 편집을 언급하면서 사용되는 용어 "5'-절단(truncated) 가이드 RNA"는 표적 DNA에 상보적인 뉴클레오타이드 서열을 포함하는 가이드 RNA의 5'-말단으로부터 1개 내지 3개의 뉴클레오타이드가 결실된 crRNA를 포함하는 sgRNA로서, 본 명세서에서 5'-truncated sgRNA와 혼용하여 사용된다. The term "5'-truncated guide RNA" used in the present invention when referring to genome editing based on the CRISPR/Cas9 system refers to an sgRNA comprising a crRNA in which 1 to 3 nucleotides are deleted from the 5'-end of a guide RNA comprising a nucleotide sequence complementary to a target DNA, and is used interchangeably with 5'-truncated sgRNA in the present specification.
본 발명에서 CRISPR/Cas9 시스템 기반 유전체 편집을 언급하면서 사용되는 용어 "공여 핵산 분자" 또는 "공여체 핵산 서열"은 표적 DNA에 삽입하고자 하는 목적의 뉴클레오티드 서열을 포함하는 천연의 또는 변형된 폴리뉴클레오티드, RNA-DNA 키메라, 또는 DNA 단편, 또는 PCR 증폭된 ssDNA 또는 dsDNA 단편 또는 이의 유사체를 지칭한다.The term "donor nucleic acid molecule" or "donor nucleic acid sequence" used in the present invention when referring to CRISPR/Cas9 system-based genome editing refers to a natural or modified polynucleotide, RNA-DNA chimera, or DNA fragment, or PCR-amplified ssDNA or dsDNA fragment or analog thereof, which contains the desired nucleotide sequence to be inserted into the target DNA.
이러한 공여 핵산 분자는 표적 DNA 상에 변형을 유발하여 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 한, 임의의 형태, 예컨대, 단일-가닥 및 2중-가닥 형태를 포함할 수 있다.These donor nucleic acid molecules may be in any form, such as single-stranded and double-stranded, as long as they can induce a modification on the target DNA to achieve the purpose of the present invention.
상기 표적 DNA 상의 변형은 임의의 목적 위치에서의 하나 이상의 뉴클레오티드의 치환, 하나 이상의 뉴클레오티드의 삽입, 하나 이상의 뉴클레오티드의 결실, 녹아웃(knockout), 녹인(knockin), 내인성 핵산 서열의 상동, 이종상동성(endogenous) 또는 이종 핵산 서열로의 치환, 또는 이의 조합을 포함할 수 있다.The modification on the target DNA may include a substitution of one or more nucleotides at any desired position, an insertion of one or more nucleotides, a deletion of one or more nucleotides, a knockout, a knockin, a substitution with a homologous, endogenous or heterologous nucleic acid sequence, or a combination thereof.
본 발명에서, 바람직하게는, 상기 표적 DNA 상의 변형은 야생형 DNA 서열에서 하나 이상의 뉴클레오티드의 치환에 의해 점 돌연변이가 도입(유도)된 것이고, 이러한 점 돌연변이의 도입은 예컨대, 올리고뉴클레오타이드에 의한 것이다.In the present invention, preferably, the modification on the target DNA is a point mutation introduced (induced) by substitution of one or more nucleotides in the wild-type DNA sequence, and the introduction of such point mutation is, for example, by an oligonucleotide.
본 명세서에서 사용된 용어 "혼성화(hybridization)"는 상보적인 단일 가닥 핵산들이 이중-가닥 핵산을 형성하는 것을 의미한다. 혼성화는 2 개의 핵산 가닥 간의 상보성이 완전할 경우(perfect match) 일어나거나 또는 일부 미스매치(mismatch) 염기가 존재하여도 일어날 수 있다. The term "hybridization" as used herein refers to the formation of a double-stranded nucleic acid from complementary single-stranded nucleic acids. Hybridization may occur when the complementarity between the two nucleic acid strands is perfect (a perfect match), or may occur even when some bases mismatch.
본원에서 사용된, 용어 "Cas 단백질"은 CRISPR/Cas 시스템에서 필수적인 단백질 요소를 의미하고, CRISPR RNA (crRNA) 및 트랜스-활성화 crRNA (trans-activating crRNA, tracrRNA)로 불리는 두 RNA와 복합체를 형성할 때, 활성 엔도뉴클레아제 또는 니카아제 (nickase)를 형성한다.As used herein, the term “Cas protein” refers to an essential protein element in the CRISPR/Cas system, which forms an active endonuclease or nickase when complexed with two RNAs called CRISPR RNA (crRNA) and trans-activating crRNA (tracrRNA).
Cas 유전자 및 단백질의 정보는 국립생명공학정보센터 (national center for biotechnology information, NCBI)의 GenBank에서 구할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. Cas 단백질을 암호화하는 CRISPR-연관 (CRISPR-associated, cas) 유전자는 종종 CRISPR-반복 스페이서 배열(CRISPR repeat-spacer array)과 관련된다. CRISPR-Cas 시스템은 두 개의 class와 여섯 개의 type이 존재하며, 이들 중에서, Cas9 단백질 및 crRNA 및 tracrRNA를 수반하는 type ±시스템이 대표적으로 잘 알려져 있다.Information on Cas genes and proteins is available from, but not limited to, GenBank at the National Center for Biotechnology Information (NCBI). CRISPR-associated (CRISPR) genes encoding Cas proteins are often associated with CRISPR repeat-spacer arrays. CRISPR-Cas systems are classified into two classes and six types, among which the Type ± system, which involves the Cas9 protein and crRNA and tracrRNA, is the most well-known.
상기 표적 DNA는 상기 crRNA 또는 sgRNA와 상보적인 서열의 뉴클레오타이드 및 프로토스페이서-인접 모티프(protospacer-adjacent motif, PAM)를 포함한다.The target DNA comprises a nucleotide sequence complementary to the crRNA or sgRNA and a protospacer-adjacent motif (PAM).
상기 올리고뉴클레오타이드는 표적 DNA의 프로토스페이서-인접 모티프(protospacer-adjacent motif, PAM)를 포함한다.The above oligonucleotide comprises a protospacer-adjacent motif (PAM) of the target DNA.
상기 PAM은 5'-NGG-3' 트리뉴클레오타이드 (trinucledotide)이다.The above PAM is a 5'-NGG-3' trinucleotide.
종래 기술인 돌연변이 유발 올리고뉴클레오타이드를 세포에 삽입하면, DNA를 복제하는 과정에서 낮은 수율로 돌연변이가 도입될 뿐이었다. 종래 CRISPR/Cas9 시스템을 이용하는 경우에도 CRISPR/Cas9의 불일치 허용으로 인해 단일 염기 점 돌연변이를 도입하는데 어려움이 있었다. Conventional mutagenic oligonucleotides, when inserted into cells, only introduced mutations at low yields during DNA replication. Even when using the conventional CRISPR/Cas9 system, single-nucleotide point mutations were difficult to introduce due to the mismatch tolerance of CRISPR/Cas9.
이에, 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명자들은 표적 DNA의 5'-말단의 뉴클레오타이드를 결실시킨 5'-절단(truncated) sgRNA를 포함하는 CRISPR/Cas9 시스템에, 표적 DNA에서 단일 염기 불일치를 가지는 염기 서열을 포함하는 올리고뉴클레오타이드로 위치 유도 돌연변이를 도입하였다.Accordingly, in order to solve the above-described problem, the present inventors introduced site-directed mutagenesis into a CRISPR/Cas9 system including a 5'-truncated sgRNA that deleted the nucleotide at the 5'-end of the target DNA, using an oligonucleotide including a base sequence having a single base mismatch in the target DNA.
그 결과, 상기 표적 DNA와 상동성을 갖는 상기 가이드 5'-절단(truncated) sgRNA에서 5'-말단의 2 개 뉴클레오타이드가 결실되면 CRISPR/Cas9 시스템이 단일염기 불일치를 구분하는 불일치 불허용 (mismatch intolerance)를 보여 이를 이용한 유전체의 단일 염기 편집(교정) 효율 및 정확도가 크게 향상되는 효과를 달성함을 규명하였다.As a result, it was found that when two nucleotides at the 5'-end of the guide 5'-truncated sgRNA having homology to the target DNA are deleted, the CRISPR/Cas9 system exhibits mismatch intolerance that distinguishes single base mismatches, thereby achieving a significant improvement in the efficiency and accuracy of single base editing (correction) of the genome.
따라서, 본 발명의 방법은 단일 염기 돌연변이를 도입하여 목적 대상체의 유전체를 효과적으로 단일 염기 단위로 정교하게 편집할 수 있음을 입증한다.Therefore, the method of the present invention demonstrates that the genome of a target subject can be precisely edited at the single base level by introducing a single base mutation.
또한, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 표적 DNA에 상보적으로 결합하는 공여 핵산 분자 및 가이드 RNA를 포함하는 CRISPR/Cas9 시스템 기반 유전체 편집용 조성물을 제공하며, 상기 표적 DNA에 상보적인 뉴클레오타이드 서열을 포함하는 가이드 RNA는 이의 5'-말단으로부터 1개 내지 3개의 뉴클레오타이드가 결실된 것이다.In addition, according to another aspect of the present invention, the present invention provides a composition for genome editing based on the CRISPR/Cas9 system, comprising a donor nucleic acid molecule complementarily binding to a target DNA and a guide RNA, wherein the guide RNA comprising a nucleotide sequence complementary to the target DNA has 1 to 3 nucleotides deleted from its 5'-end.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명의 조성물은 CRISPR-Cas9 시스템에서 표적 유전자를 인식하나 선택된 표적 DNA 서열보다 1개 내지 3개의 뉴클레오타이드가 결실된 가이드 RNA를 발현할 수 있는 구조물을 포함하며, 가이드 RNA 및 공여 DNA(예컨대, 올리고뉴클레오타이드)가 동시에 세포 내로 전달되고, Cas9 단백질에 의한 표적 DNA의 절단 시 공여 DNA를 통해 표적 DNA 대신 돌연변이 서열을 포함하는 공여 DNA가 유전체 내에 포함되어 표적 DNA의 치환 돌연변이 효율을 높일 수 있는 것을 특징으로 한다.According to one embodiment of the present invention, the composition of the present invention comprises a structure capable of expressing a guide RNA that recognizes a target gene in a CRISPR-Cas9 system but has 1 to 3 nucleotides deleted from a selected target DNA sequence, wherein the guide RNA and donor DNA (e.g., oligonucleotide) are simultaneously delivered into a cell, and when the target DNA is cleavage by the Cas9 protein, the donor DNA containing a mutant sequence instead of the target DNA is included in the genome through the donor DNA, thereby increasing the efficiency of substitution mutation of the target DNA.
본 발명의 조성물은 상술한 본 발명의 방법을 이용하므로, 중복된 내용은 본 명세서의 과도한 복잡성을 피하기 위하여 그 기재를 생략한다.Since the composition of the present invention utilizes the method of the present invention described above, redundant descriptions are omitted to avoid excessive complexity of the present specification.
또한, 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 표적 DNA에 상보적으로 결합하는, 공여 핵산 분자 및 가이드 RNA를 포함하는 CRISPR/Cas9 시스템 기반의 유전체 편집 효율 증가 방법을 제공하며, 상기 표적 DNA에 상보적인 뉴클레오타이드 서열을 포함하는 가이드 RNA의 5'-말단으로부터 1개 내지 3개의 뉴클레오타이드를 결실시키는 단계를 포함한다. In addition, according to another aspect of the present invention, the present invention provides a method for increasing genome editing efficiency based on a CRISPR/Cas9 system, comprising a donor nucleic acid molecule and a guide RNA that complementarily bind to a target DNA, and comprising a step of deleting 1 to 3 nucleotides from the 5'-end of a guide RNA comprising a nucleotide sequence complementary to the target DNA.
본 발명의 방법은 상술한 방법을 이용하므로, 중복된 내용은 본 명세서의 과도한 복잡성을 피하기 위하여 그 기재를 생략한다.Since the method of the present invention utilizes the above-described method, description of duplicate content is omitted to avoid excessive complexity of this specification.
또한, 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 다음 단계를 포함하는, CRISPR/Cas9 시스템 기반의 표적 DNA가 편집된 대상체의 제조 방법을 제공한다:In addition, according to another aspect of the present invention, the present invention provides a method for producing a subject whose target DNA is edited based on a CRISPR/Cas9 system, comprising the following steps:
(a) 표적 DNA에 상보적으로 결합하고, 표적 DNA 상에 변형을 유발하는 공여 핵산 분자를 제작하는 단계; (a) a step of producing a donor nucleic acid molecule that complementarily binds to a target DNA and induces a modification on the target DNA;
(b) 상기 표적 DNA에 상보적인 뉴클레오타이드 서열을 포함하는 가이드 RNA의 5'-말단으로부터 1개 내지 3개의 뉴클레오타이드가 결실된 가이드 RNA를 제작하는 단계;(b) a step of producing a guide RNA having 1 to 3 nucleotides deleted from the 5'-end of the guide RNA including a nucleotide sequence complementary to the target DNA;
(c) 상기 (a) 단계의 공여 핵산 분자 및 상기 (b) 단계의 가이드 RNA를, 편집시키고자 하는 대상체에 주입시켜 대상체의 표적 DNA를 편집하는 단계.(c) A step of injecting the donor nucleic acid molecule of step (a) and the guide RNA of step (b) into a subject to be edited to edit the target DNA of the subject.
또한, 본 발명의 상기 CRISPR/Cas9 시스템은 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 한, 당업계에 공지된 임의의 선별마커를 이용할 수 있다.In addition, the CRISPR/Cas9 system of the present invention can use any selection marker known in the art as long as it can achieve the purpose of the present invention.
본 발명의 대상체는, 본 발명의 방법을 적용할 수 있는 한, 제한되지 않으나, 바람직하게는 플라스미드, 바이러스, 원핵 세포, 분리된 진핵 세포 또는 인간을 제외한 진핵 유기체일 수 있다.The subject of the present invention is not limited to a plasmid, a virus, a prokaryotic cell, an isolated eukaryotic cell, or a eukaryotic organism other than a human, as long as the method of the present invention can be applied thereto.
상기 진핵 세포는 효모, 곰팡이, 식물, 곤충, 양서류, 포유동물 등의 세포일 수 있고, 예를 들어, 당업계에서 일반적으로 사용되는 인 비트로에서 배양된 세포, 이식된 세포, 일차 세포 배양, 인 비보 세포, 인간을 포함하는 포유 동물의 세포일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.The eukaryotic cell may be a cell of yeast, fungus, plant, insect, amphibian, mammal, etc., and may be, for example, but is not limited to, cells cultured in vitro, transplanted cells, primary cell cultures, in vivo cells, and cells of mammals including humans, which are commonly used in the art.
상기 Cas9 단백질을 암호화하는 핵산 또는 Cas9 단백질은 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 한, 임의의 것도 이용할 수 있으나, 바람직하게는 스트렙토코커스 속 (genus Streptococcus)으로부터 유래한 것이다.Any nucleic acid encoding the Cas9 protein or the Cas9 protein may be used as long as it can achieve the purpose of the present invention, but is preferably derived from the genus Streptococcus .
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상술한 표적 DNA가 편집된 대상체의 제조 방법에 의해 제조된, 표적 DNA가 편집된 대상체를 제공한다.According to another aspect of the present invention, the present invention provides a subject having edited target DNA, produced by the method for producing a subject having edited target DNA described above.
본 발명은 목적 대상의 유전체를 단일 염기 단위로 편집, 수선하는 방법에 관한 것으로서, 목표 유전자에 변이가 일어난 목적 대상, 예컨대, 미생물 균주들의 유전체를 올바르게 수선하거나, 코돈의 변화 등을 유발함으로써 유용 물질 등의 생산능을 최적화시킨 균주를 제작하는 방법을 제공하는 효과가 있다.The present invention relates to a method for editing and repairing the genome of a target target at the single base level, and has the effect of providing a method for producing a strain that optimizes the production ability of useful substances, etc. by correctly repairing the genome of a target target, for example, a microbial strain, in which a mutation has occurred in the target gene, or by inducing a change in a codon, etc.
본 발명에 따른 올리고뉴클레오타이드-유도 돌연변이 및 5’-절단(truncated) sgRNA를 이용한 CRISPR 시스템은 표적 DNA에 유의적인 유전체 편집 효과를 달성하였으므로, 본 발명의 CRISPR 시스템은 유전자 가위를 이용한 유전자 교정용 조성물, 유전체 수준의 스크리닝, 암을 비롯한 다양한 질병의 치료제, 질병 진단 또는 이미징용 조성물 개발, 형질전환동식물 개발 등의 폭넓은 분야에 이용될 수 있을 것으로 기대된다.Since the CRISPR system using oligonucleotide-induced mutation and 5'-truncated sgRNA according to the present invention achieved a significant genome editing effect on the target DNA, the CRISPR system of the present invention is expected to be used in a wide range of fields, such as gene correction compositions using gene scissors, genome-level screening, development of therapeutic agents for various diseases including cancer, compositions for disease diagnosis or imaging, and development of transgenic plants and animals.
도 1은 다양한 길이의 불일치 또는 5’-말단 결실 가이드 RNA를 이용한 CRISPR/Cas9의 음성선택 후 콜로니 생성 단위 (Colony Forming Unit)를 그래프로 나타낸 것(도 1A)과 상기 (1) 내지 (4) 실험군 제조에 대한 불일치 불허용 (mismatch intolerance) 개념도(도 1B)를 나타낸 것이다.
도 2는 불일치 불허용을 이용한 5’-절단(truncated) sgRNA/Cas9 음성 선택을 통해 galK, xylB 유전자 별 단일 염기 편집 효율 (Editing efficiency) 확인 실험 방법(도 2A) 및 이에 따른 결과를 콜로니 생성 단위 (Colony Forming Unit) 그래프(도 2B)로 나타낸 것이다.
도 3은 5’-절단(truncated) sgRNA를 이용한 CRISPR/Cas9의 단일 염기 편집 능력을 검증하기 위해 galK(도 3A), xylB(도 3B) 유전자 내 다양한 위치에서의 염기 편집 효율을 그래프로 나타낸 것이다.
도 4A 및 4B는 5’-절단(truncated) sgRNA/Cas9를 이용한 음성 선택에서 sgRNA 5'말단 제거 뉴클레오타이드 길이 차이에 따른 단일 또는 이중 염기 삽입/제거 효율 및 유전자가위의 작동 여부 변화를 그래프로 나타낸 것이다.
도 5는 CRISPR/Cas9-NG에서 5’-절단(truncated) sgRNA에 의한 음성 선택으로 galK, xylB 유전자 별 단일 염기 편집 효율 (Editing efficiency) 및 콜로니 생성 단위 (Colony Forming Unit)를 그래프로 나타낸 것(도 5A) 및 실험군의 모식도(도 5B)이다.Figure 1 is a graph showing the colony forming units after negative selection of CRISPR/Cas9 using mismatch or 5'-terminal deletion guide RNAs of various lengths (Figure 1A) and a conceptual diagram of mismatch intolerance for the production of experimental groups (1) to (4) above (Figure 1B).
Figure 2 shows the experimental method for confirming single-base editing efficiency for each galK and xylB gene through 5'-truncated sgRNA/Cas9 negative selection using mismatch intolerance (Figure 2A) and the results thereof as a colony forming unit graph (Figure 2B).
Figure 3 is a graph showing the base editing efficiency at various locations in the galK (Figure 3A) and xylB (Figure 3B) genes to verify the single base editing ability of CRISPR/Cas9 using 5'-truncated sgRNA.
Figures 4A and 4B are graphs showing the change in single or double base insertion/deletion efficiency and the operation of the gene scissors according to the difference in the 5'-end removal nucleotide length of sgRNA in negative selection using 5'-truncated sgRNA/Cas9.
Figure 5 is a graph showing the single-base editing efficiency and colony forming unit for each of the galK and xylB genes by negative selection with 5'-truncated sgRNA in CRISPR/Cas9-NG (Figure 5A) and a schematic diagram of the experimental group (Figure 5B).
이하, 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.The following examples are provided solely to illustrate the present invention more specifically, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples in accordance with the gist of the present invention.
실시예 1. CRISPR/Cas9에서 5’-절단(truncated) sgRNA의 불일치 불허용 검증Example 1. Verification of mismatch tolerance of 5’-truncated sgRNA in CRISPR/Cas9.
본 발명자들은 PCT/KR2021/004155에서 발명된 HK1059 (cas9 유전자가 유전체에 삽입되어 있는 돌연변이 대장균 균주, E. coli MG1655 araBAD::PBAD-cas9-KmR) 균주와 올리고뉴클레오타이드에 의한 재조합을 돕기 위한 람다-레드 베타 발현 플라스미드 pHK463과 sgRNA 플라스미드를 이용한 CRISPR/Cas9 시스템을 기반으로 하기 실시예에 사용하였다.The present inventors used the CRISPR/Cas9 system based on the HK1059 strain (a mutant E. coli strain in which the cas9 gene is inserted into the genome, E. coli MG1655 araBAD ::P BAD - cas9 -KmR) invented in PCT/KR2021/004155 and the lambda-red beta expression plasmid pHK463 and sgRNA plasmid to assist recombination by oligonucleotides in the following examples.
HK1059 균주를 LB 고체배지에 도말 후 자라난 단일 콜로니를 LB 액체배지 200 ㎖에 접종하여 37℃에서 OD600nm가 0.4가 될 때까지 배양하고, 3500 rpm에서 20분 동안 원심분리 후 40 ㎖의 10% 글리세롤로 세척하는 과정을 두 번 거쳐 electrocompetent cell로 제조하였다.After spreading the HK1059 strain on LB solid medium, a single colony grown was inoculated into 200 ml of LB liquid medium, cultured at 37°C until OD 600 nm became 0.4, centrifuged at 3500 rpm for 20 minutes, and washed twice with 40 ml of 10% glycerol to produce electrocompetent cells.
표적 DNA와 상동성을 갖는 sgRNA 내에 1~3개의 불일치 서열, 1~3개의 5'- 말단 뉴클레오타이드 결실, 1개의 불일치와 동시에 1~3개의 5'-말단 뉴클레오타이드 결실을 도입한 가이드 RNA를 발현하는 플라스미드를 HK1059에㎖-1 농도로 첨가된 LB 고체배지에 도말하였다. CRISPR/Cas9 시스템이 정상적으로 작동한 경우 LB 고체배지에서 형성되는 콜로니의 숫자가 감소하게 되는데, 이를 바탕으로 불일치 또는 5’-말단 뉴클레오타이드가 결실된 sgRNA 플라스미드에 의한 CRISPR/Cas9의 작동 여부를 간접적으로 확인하였다.Plasmids expressing guide RNAs with 1 to 3 mismatch sequences, 1 to 3 5'-terminal nucleotide deletions, and 1 mismatch and 1 to 3 5'-terminal nucleotide deletions in the sgRNA homologous to the target DNA were plated on LB solid medium added to HK1059 at a concentration of 1 ml -1 . If the CRISPR/Cas9 system operates normally, the number of colonies formed on the LB solid medium decreases, which indirectly confirmed whether CRISPR/Cas9 operates by sgRNA plasmids with mismatches or 5'-terminal nucleotide deletions.
그 결과, 도 1에 나타낸 바와 같이 sgRNA 내에 표적 DNA와 1~2개 불일치 서열, 1~2개의 5’-말단 뉴클레오타이드 결실, 1개 불일치와 동시에 1개 5’-말단 뉴클레오타이드 결실이 존재하는 경우에만 CRISPR/Cas9 시스템이 작동하였으나, 3개 이상의 불일치 또는 5’-말단 뉴클레오타이드 결실이 존재하는 경우, 1개 불일치와 동시에 2개 이상의 5’-말단 뉴클레오타이드 결실이 존재하는 경우에는 생존 콜로니 수가 증가하는 것을 확인하였다.As a result, as shown in Fig. 1, the CRISPR/Cas9 system worked only when there were 1 to 2 mismatch sequences with the target DNA, 1 to 2 5'-terminal nucleotide deletions, or 1 mismatch and 1 5'-terminal nucleotide deletion within the sgRNA, but it was confirmed that the number of surviving colonies increased when there were 3 or more mismatches or 5'-terminal nucleotide deletions, or when there were 1 mismatch and 2 or more 5'-terminal nucleotide deletions.
이에, 본 발명자들은 이러한 CRISPR/Cas9의 불일치 불허용을 역이용하여 유전체를 단일 염기 수준으로 정교하게 편집하는 CRISPR/Cas9 시스템을 확립하였다. 보다 구체적으로, 본 발명자들은, 먼저, 가이드 RNA에, 상기 가이드 RNA가 상보적으로 결합하는 타겟 유전자 서열의 5’-말단으로부터 뉴클레오타이드가 제거되도록 가이드 RNA를 설계하였다. 이에 따라, 유전자 가위의 타겟 DNA 서열에 올리고뉴클레오타이드에 의해 돌연변이가 도입된 경우, 불일치 불허용으로 단일 염기가 편집된 서열을 유전자 가위가 타겟 서열로 인식하지 못해 세포가 생존할 수 있는 반면, 돌연변이가 유발되지 않은 타겟은 유전자 가위의 불일치 허용에 의해 이중가닥의 DNA가 절단되고 세포가 생존하지 못해 (음성선택, Negative selection), 목적 유전체를 단일 염기 수준으로 효과적으로 편집할 수 있을 뿐만 아니라, 선별할 수 있다.Accordingly, the inventors of the present invention exploited the intolerance of mismatches of CRISPR/Cas9 to precisely edit the genome at the single base level. A system has been established. More specifically, the present inventors first designed a guide RNA such that nucleotides are removed from the 5'-end of the target gene sequence to which the guide RNA complementarily binds. Accordingly, when a mutation is introduced into the target DNA sequence of the gene scissors by an oligonucleotide, the sequence in which a single base has been edited due to mismatch intolerance is not recognized as the target sequence by the gene scissors, allowing cells to survive, whereas the target in which no mutation is induced is double-stranded DNA cut due to the mismatch tolerance of the gene scissors, and the cell does not survive (negative selection), so that the target genome can be effectively edited at the single base level as well as selected.
실시예 2. 음성선택을 통한 5’-절단(truncated) sgRNA의 단일 염기 편집 가능 여부 확인Example 2. Confirmation of single-base editing capability of 5’-truncated sgRNA through negative selection.
본 발명자들은, 음성선택을 통한 5'-절단(truncated) sgRNA의 단일 염기 편집 가능 여부 확인하기 위하여, 도 2A에 나타낸 바와 같이 실험을 설계하였다.To determine whether single-base editing of a 5'-truncated sgRNA is possible through negative selection, the present inventors designed an experiment as shown in Fig. 2A.
간략하게는 다음과 같다: 상기 실시예 1의 HK1059 균주에 올리고뉴클레오타이드에 의한 재조합을 돕기 위한 람다-레드 베타 발현 플라스미드 pHK463을 삽입하여 도말 후 형성된 단일 콜로니를 LB 액체배지 200 ㎖에 접종하여 30℃에서 OD600nm가 0.4가 될 때까지 배양하고, L-arabinose를 1 mM 농도로 첨가해 3시간 추가로 배양하여 람다-레드 베타 단백질과 Cas9 단백질을 과발현시켰다. 이후 3500 rpm에서 20분 동안 원심분리 후 40 ㎖의 10% glycerol로 세척하는 과정을 두 번 거쳐 electrocompetent cell로 제조하였다.Briefly, it is as follows: The lambda-red beta expression plasmid pHK463 to assist recombination by oligonucleotides was inserted into the HK1059 strain of Example 1, and a single colony formed after plating was inoculated into 200 ml of LB liquid medium and cultured at 30°C until the OD 600 nm became 0.4. L-arabinose was added at a concentration of 1 mM and cultured for an additional 3 hours to overexpress lambda-red beta protein and Cas9 protein. After centrifugation at 3500 rpm for 20 minutes and washing with 40 ml of 10% glycerol twice, the cells were manufactured into electrocompetent cells.
돌연변이 유발 올리고뉴클레오타이드들은 galK 유전자(NCBI accession no. 945358)의 504번 염기 또는 510번 염기에, xylB 유전자(NCBI accession no. 948133)의 643번 염기와 652번 염기에 1개의 단일 염기가 치환되도록 제작되었다. 가이드 RNA를 발현하는 플라스미드와 올리고뉴클레오타이드를 HK1059에 전기 천공으로 삽입한 후 갈락토오스를 5 g/L로 첨가한 맥콘키(MacConkey plate) 선택 배지에 도말한 후 37℃에서 배양하였다.Mutagenic oligonucleotides were designed to substitute a single nucleotide at base 504 or 510 of the galK gene (NCBI accession no. 945358) and bases 643 and 652 of the xylB gene (NCBI accession no. 948133). The guide RNA-expressing plasmid and oligonucleotides were electroporated into HK1059 cells, plated on MacConkey plate selective medium supplemented with 5 g/L galactose, and cultured at 37°C.
올리고뉴클레오타이드에 의해 galK 또는 xylB 유전자에 돌연변이가 도입된 경우 각 유전자가 정상적으로 발현되지 않아 갈락토오스 또는 자일로오스의 대사가 불가능하고, 그 결과로 맥콘키 선택배지에서 흰색 콜로니를 형성한다. 반대로 돌연변이가 일어나지 않아 갈락토오스 또는 자일로오스의 대사가 이루어지면 대사산물에 의해 맥콘키 배지의 pH가 6.8 이하로 낮아져 적색 콜로니를 형성한다. 고체배지에서 형성된 콜로니의 색도 별 비율 [흰색 콜로니/(흰색 콜로니 + 적색 콜로니)]로 CRISPR/Cas9 시스템의 편집 효율을 계산하였다.When a mutation is introduced into the galK or xylB gene by oligonucleotides, each gene is not expressed normally, so galactose or xylose metabolism is impossible, resulting in the formation of white colonies on the MacConkey selective medium. Conversely, if no mutation occurs and galactose or xylose is metabolized, the pH of the MacConkey medium is lowered to below 6.8 by the metabolites, forming red colonies. The color ratio of colonies formed on the solid medium [white colonies / (white colonies + red colonies)] is calculated by CRISPR/Cas9. The editing efficiency of the system was calculated.
그 결과, 도 2B에 나타낸 바와 같이, sgRNA에서 5’-말단 뉴클레오타이드 결실 개수가 2개까지 증가함에 따라 편집 효율이 최대로 증가하였으며, galK 유전자의 504번 단일 염기 편집은 80%, 510번 단일염기 편집은 83%, xylB 유전자의 643번 단일 염기 편집은 82%, 652번 단일염기 편집은 60%의 편집 효율로 도입되었다. 그러나 sgRNA에서 5’-말단 뉴클레오타이드 결실 개수가 3개 이상인 경우 CRISPR/Cas9 시스템이 정상적으로 작동하지 않아 생존 콜로니 수가 108 CFU/㎍DNA 수준으로 크게 증가하였다.As a result, as shown in Fig. 2B, the editing efficiency increased to the maximum as the number of 5'-terminal nucleotide deletions in sgRNA increased to 2, and the single base editing at position 504 of the galK gene was introduced with an editing efficiency of 80%, the single base editing at position 510 was introduced with an editing efficiency of 83%, the single base editing at position 643 of the xylB gene was introduced with an editing efficiency of 82%, and the single base editing at position 652 was introduced with an editing efficiency of 60%. However, when the number of 5'-terminal nucleotide deletions in sgRNA was 3 or more, the CRISPR/Cas9 system did not function properly, and the number of surviving colonies increased significantly to the level of 10 8 CFU/㎍ DNA.
실시예 3. 무작위 후보군 서열분석을 통한 5’-절단(truncated) sgRNA의 단일 염기 편집 효율 검증Example 3. Verification of single-base editing efficiency of 5'-truncated sgRNA through random candidate sequence analysis.
본 발명자들은, 5’-절단(truncated) sgRNA가 galK의 504번, 510번 또는 xylB의 643번, 652번 염기의 편집외에도 다양한 염기를 편집하는데 효과적으로 작용할 수 있는지 확인하기 위해, Cas9의 표적 DNA 서열 (N20) 내 다양한 위치에 단일 점 돌연변이를 자기 자신을 제외한 각각 다른 세 개의 염기로 치환하도록 올리고뉴클레오타이드를 제작하였다(A→G/T/C, T→G/A/C, G→A/T/C, 또는 C→G/A/T).To determine whether 5'-truncated sgRNAs can effectively edit various bases in addition to editing bases 504 and 510 of galK or 643 and 652 of xylB , the inventors constructed oligonucleotides to substitute single point mutations at various positions within the target DNA sequence (N 20 ) of Cas9 with three bases other than itself (A→G/T/C, T→G/A/C, G→A/T/C, or C→G/A/T).
간략하게는 다음과 같다: 표적 한 부위 당 표적 서열과 일치하는 가이드 RNA 및 점 돌연변이 위치를 기준으로 오른쪽에 불일치 서열을 갖는 각각 다른 세 개의 가이드 RNA를 발현하는 플라스미드와 점 돌연변이 유발 올리고뉴클레오타이드를 HK1059에 전기 천공으로 삽입한 후 (표적 10개 또는 8개 Х 점 돌연변이 유발 올리고뉴클레오타이드 3개 = 30 또는 24 전기 천공) LB 배지에 도말한 후 37℃에서 배양하였으며, 형성된 콜로니 중 무작위로 네 개를 선정하여 생어 염기 서열 분석을 통해 돌연변이의 도입 여부를 확인하였다.Briefly, it is as follows: After electroporation of a plasmid expressing three different guide RNAs, each having a guide RNA matching the target sequence per target site and a mismatch sequence to the right of the point mutation position, and a point mutagenic oligonucleotide (10 or 8 targets X 3 point mutagenic oligonucleotides = 30 or 24 electroporations), the cells were plated on LB medium and cultured at 37°C. Four colonies were randomly selected from the formed colonies and Sanger sequence analysis was performed to confirm whether mutations were introduced.
그 결과, 도 3A에 나타낸 바와 같이, galK에서는 30 가지의 가능한 점 돌연변이 경우 중 (표적 10개 Х 점 돌연변이 유발 올리고뉴클레오타이드 3개) 63% (19/30)의 점 돌연변이가 성공적으로 유도되었다. 또한, 도 3B에 나타낸 바와 같이, xylB에서는 24 가지의 가능한 점 돌연변이 경우 중 (표적 8개 Х 점 돌연변이 유발 올리고뉴클레오타이드 3개) 62% (15/24)의 점 돌연변이가 성공적으로 유도되었다.As a result, as shown in Fig. 3A, in galK, point mutations were successfully induced in 63% (19/30) of 30 possible point mutation cases (10 targets X 3 point mutagenic oligonucleotides). In addition, as shown in Fig. 3B, in xylB, point mutations were successfully induced in 62% (15/24) of 24 possible point mutation cases (8 targets X 3 point mutagenic oligonucleotides).
한편, 점 돌연변이는 염기쌍 하나의 변이가 생겨서 서열이 바뀌는 현상을 말하는 데 Transition 및 Transversion이 있다. Transition은 Py 염기는 Py 염기로, Pu 염기는 Pu 염기로 바뀌는 현상이며, Transversion은 Py 염기가 Pu 염기로, 또는 Pu 염기가 Py 염기로 바뀌는 현상이다(Py = pyrimidine = C 또는 T, Pu = purine = G 또는 A).Meanwhile, point mutations are a phenomenon in which a single base pair changes the sequence, and there are Transition and Transversion. Transition is a phenomenon in which a Py base changes to a Py base, or a Pu base changes to a Pu base, and Transversion is a phenomenon in which a Py base changes to a Pu base, or a Pu base changes to a Py base (Py = pyrimidine = C or T, Pu = purine = G or A).
돌연변이 도입에 성공한 galK의 19개 전기천공과 xylB의 15개 전기천공 (/192개 전기 천공) 결과를 이러한 돌연변이 유형 (64 Transition + 128 Transversion)에 따라 결과를 나누었을 때, Transition이 각각 50% (5/10), 50% (4/8), Transversion이 각각 70% (14/20), 68% (11/16)로 Transversion이 더 우세하게 나타났다.When the results of 19 electroporations of galK and 15 electroporations of xylB (/192 electroporations) that successfully introduced mutations were divided according to the mutation types (64 Transitions + 128 Transversions), Transitions were 50% (5/10) and 50% (4/8), respectively, and Transversions were 70% (14/20) and 68% (11/16), respectively, showing that Transversions were more dominant.
이는, 본 발명의 5’-절단(truncated) sgRNA가 나타내는 CRISPR/Cas9의 불일치 불허용을 역이용하는 것이 점 돌연변이 유발 효율을 높일 수 있는 최적의 조건임을 입증한다.This demonstrates that the optimal condition for increasing the efficiency of point mutagenesis is to reversely utilize the mismatch intolerance of CRISPR/Cas9 exhibited by the 5’-truncated sgRNA of the present invention.
실시예 4. CRISPR/Cas9 5’-절단(truncated) sgRNA를 이용한 single 뉴클레오타이드 insertion/deletion 효율 확인Example 4. Confirmation of single nucleotide insertion/deletion efficiency using CRISPR/Cas9 5’-truncated sgRNA.
본 발명자들은, 5’-절단(truncated) sgRNA이 단일염기 편집 효율 향상뿐 아니라 단일 뉴클레오타이드의 삽입 또는 결실에도 적용되어 frameshift 변이 교정 등에 활용될 수 있는지 확인하였다.The present inventors confirmed that 5’-truncated sgRNA can be applied not only to improve single-base editing efficiency but also to insertion or deletion of single nucleotides, and can be utilized for correction of frameshift mutations.
간략하게는 다음과 같다: galK 유전자의 504번 또는 510번 염기가 결실되거나 504번 또는 510번 위치에 단일 뉴클레오타이드의 삽입이 일어나면 galK 유전자의 frame shift가 일어나 600번대 염기에서 stop codon이 만들어지고 premature translation termination으로 이어져 GalK 단백질이 정상적으로 합성되지 않는다. 단일 뉴클레오타이드의 결실 또는 삽입이 일어난 균주는 갈락토오스 대사를 정상적으로 할 수 없어 맥콘키 배지에서 흰색 콜로니를 형성한다. 따라서 맥콘키 배지에서 형성된 콜로니의 색도 변화로 단일 뉴클레오타이드의 결실 또는 삽입 효율을 가늠할 수 있다.Briefly, if base 504 or 510 of the galK gene is deleted or a single nucleotide is inserted at position 504 or 510, a frame shift in the galK gene occurs, creating a stop codon in the 600s, leading to premature translation termination and preventing normal synthesis of the GalK protein. Strains with a single nucleotide deletion or insertion are unable to metabolize galactose normally and form white colonies on MacConkey medium. Therefore, the efficiency of single nucleotide deletion or insertion can be assessed by the color change of the colonies formed on MacConkey medium.
PAM 서열로부터 5'-방향으로 이격된 위치인 galK 유전자의 504번 또는 504~505번 뉴클레오타이드를 결실시키거나, 504번 위치에 Cytosine을 삽입 또는 504~505번 위치에 Cytosine과 Thymine을 삽입하는 올리고뉴클레오타이드와 sgRNA의 5'말단 에 0~3개 뉴클레오타이드의 결실이 존재하는 sgRNA 발현 플라스미드를 삽입하여 맥콘키 배지에서 형성되는 콜로니의 색도변화를 관찰하였다.The color change of colonies formed on MacConkey medium was observed by inserting an oligonucleotide that deleted nucleotides 504 or 504-505 of the galK gene, which is located 5' from the PAM sequence, or inserted Cytosine at position 504 or Cytosine and Thymine at positions 504-505, and an sgRNA expression plasmid having a deletion of 0-3 nucleotides at the 5' end of the sgRNA.
그 결과, 도 4에 나타낸 바와 같이, 5'-말단 뉴클레오타이드가 결실되지 않거나 1개 뉴클레오타이드만 결실된 경우 모두에서 8% 이하의 편집효율을 보였다. 반면 sgRNA의 5’-말단에서 2개 뉴클레오타이드가 결실된 경우, 504번 뉴클레오타이드 결실 효율은 74%, 504번 위치에 단일 뉴클레오타이드 삽입 효율은 78%로 나타났으며(도 4A), 504번-505번 뉴클레오타이드 결실 효율은 48%, 504번-505번 위치에 2개 뉴클레오타이드 삽입 효율은 47%로 나타나 모든 경우에서 sgRNA 5'말단의 2개 뉴클레오타이드가 결실되었을 때 가장 높은 편집 효율을 보였다 (도 4B).As a result, as shown in Fig. 4, in all cases where the 5'-terminal nucleotide was not deleted or only one nucleotide was deleted, an editing efficiency of 8% or less was observed. On the other hand, when two nucleotides were deleted from the 5'-terminus of sgRNA, the deletion efficiency of nucleotide 504 was 74%, the single nucleotide insertion efficiency at position 504 was 78% (Fig. 4A), the deletion efficiency of nucleotides 504-505 was 48%, and the insertion efficiency of two nucleotides at positions 504-505 was 47%, showing that in all cases, the highest editing efficiency was observed when two nucleotides at the 5'-terminus of sgRNA were deleted (Fig. 4B).
sgRNA에서 5'-말단의 결실 뉴클레오타이드가 3개 이상인 경우 뉴클레오타이드의 결실 또는 삽입 위치에 관계없이 CFU가 107/㎍DNA 이상으로 상승하였는데, 이러한 결과는 실시예 1, 2에서와 동일한 경향을 나타낸 것으로, CRISPR/Cas9 시스템에서 5’-절단(truncated) sgRNA를 이용할 때는 2개 뉴클레오타이드의 결실이 단일염기의 편집, 삽입 또는 결실 모두에 가장 효과적임을 보여준다.When sgRNA had three or more deleted nucleotides at the 5'-end, the CFU increased to more than 10 7 /㎍ DNA regardless of the position of nucleotide deletion or insertion. This result showed the same trend as in Examples 1 and 2, showing that when using 5'-truncated sgRNA in the CRISPR/Cas9 system, deletion of two nucleotides is most effective for both single-base editing, insertion, or deletion.
실시예 5. CRISPR/Cas9-NG에서 5’-절단(truncated) sgRNA의 단일 염기 편집 가능 여부 확인Example 5. Confirmation of single-base editing capability of 5’-truncated sgRNA in CRISPR/Cas9-NG.
본 발명자들은 cas9-NG 유전자가 유전체에 삽입되어 있는 돌연변이 대장균 균주 HK1159(E. coli MG1655 araBAD::PBAD-cas9-NG-KmR)를 람다-레드 재조합 (lambda-red recombineering)을 통해 제작하였다. 마찬가지로 올리고뉴클레오타이드에 의한 재조합을 돕기 위한 람다-레드 베타 발현 플라스미드 pHK463을 삽입하여 도말 후 형성된 단일 콜로니를 LB 액체배지 200 ㎖에 접종하여 30℃에서 OD600nm가 0.4가 될 때까지 배양하고, L-arabinose를 1 mM 농도로 첨가해 3시간 추가로 배양하여 람다-레드 베타 단백질과 Cas9 단백질을 과발현시켰다. 이후 3500 rpm에서 20분 동안 원심분리 후 40 ㎖의 10% glycerol로 세척하는 과정을 두 번 거쳐 electrocompetent cell로 제조하였다.We constructed a mutant E. coli strain HK1159 ( E. coli MG1655 araBAD ::P BAD - cas9-NG -KmR) with the cas9-NG gene inserted into its genome through lambda-red recombination. Similarly, the lambda-red beta expression plasmid pHK463 was inserted to facilitate oligonucleotide-mediated recombination, and a single colony formed after plating was inoculated into 200 ml of LB liquid medium and cultured at 30°C until the OD 600 nm reached 0.4. 1 mM L-arabinose was added and cultured for an additional 3 hours to overexpress lambda-red beta and Cas9 proteins. After centrifugation at 3500 rpm for 20 minutes and washing twice with 40 ml of 10% glycerol, the cells were prepared as electrocompetent cells.
상기 실시예 2와 동일한 방법으로 HK1159 균주에 올리고뉴클레오타이드에 의해 galK 또는 xylB 유전자에 돌연변이가 도입된 경우, 도 5에 나타낸 바와 같이, CRISPR/Cas9-NG에서는 sgRNA에서 5’-말단 뉴클레오타이드 결실 개수가 3개까지 증가함에 따라 편집 효율이 최대로 증가하였으며, galK 유전자의 504번 단일 염기 편집은 85%, 510번 단일염기 편집은 78%, xylB 유전자의 643번 단일 염기 편집은 74%, 652번 단일염기 편집은 66%의 편집 효율로 도입되었으며, 5’-말단 뉴클레오타이드 결실 개수가 3개일 때 생존한 콜로니의 수가 106 CFU/㎍DNA 수준으로 소폭 상승하였다. 서로 다른 5’-말단 뉴클레오타이드 제거 수와 생존 콜로니 수의 차이는 Cas9과 Cas9-NG가 단백질 구조적인 차이로 인해 세포 내에서 서로 다른 메커니즘으로 작용하는 것으로 생각된다. sgRNA에서 5’-말단 뉴클레오타이드 결실 개수가 4개 이상인 경우에는 CRISPR/Cas9-NG 시스템이 정상적으로 작동하지 않아 생존 콜로니 수가 Cas9에서와 같이 108 CFU/㎍DNA 수준으로 크게 증가하였다.When a mutation was introduced into the galK or xylB gene by oligonucleotide in the HK1159 strain using the same method as in Example 2, as shown in FIG. 5, in CRISPR/Cas9-NG, the editing efficiency increased to the maximum as the number of 5'-terminal nucleotide deletions in sgRNA increased to 3, and the single base editing at position 504 of the galK gene was introduced with an editing efficiency of 85%, the single base editing at position 510 was introduced with an editing efficiency of 78%, the single base editing at position 643 of the xylB gene was introduced with an editing efficiency of 74%, and the single base editing at position 652 was introduced with an editing efficiency of 66%. When the number of 5'-terminal nucleotide deletions was 3, the number of surviving colonies slightly increased to the level of 10 6 CFU/㎍ DNA. The differences in the number of different 5'-terminal nucleotide deletions and the number of viable colonies suggest that Cas9 and Cas9-NG operate through different mechanisms within cells due to structural differences in their proteins. When the number of 5'-terminal nucleotide deletions in sgRNA is four or more, the CRISPR/Cas9-NG system does not function properly, resulting in a significant increase in the number of viable colonies to 10 8 CFU/μg DNA, as with Cas9.
따라서, 본 발명은 종래 CRISPR/Cas9 시스템에 비해 간단한 디자인 방법으로 점 돌연변이 도입 효율이 향상 뿐 아니라, Cas9과 Cas9-NG 모두에서 작용하는 실제 단일 염기 단위의 정교한 유전자 편집 효과를 달성한 바, 목표 유전자에 변이(예컨대, 점 돌연변이)가 일어난 미생물 균주들의 유전체를 올바르게 수선하거나, 또는 코돈의 변화 등을 유발함으로써 물질 생산에 최적화된 코돈과 대사경로를 가지게 하여, 유용 물질의 생산능을 최적화시킨 균주의 제작 등에 다양하게 활용될 수 있어, 유용 산물 생산과 관련된 산업적 활용에 매우 유용하다.Therefore, the present invention not only improves the efficiency of introducing point mutations with a simple design method compared to the conventional CRISPR/Cas9 system, but also achieves a precise gene editing effect at the actual single base unit that works in both Cas9 and Cas9-NG, so that it can be used in various ways, such as to correctly repair the genome of microbial strains in which a mutation (e.g., point mutation) has occurred in the target gene, or to induce changes in codons, etc., thereby creating strains with optimized production ability of useful substances by having codons and metabolic pathways optimized for material production, and is very useful for industrial applications related to the production of useful products.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시예일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.While specific aspects of the present invention have been described in detail above, it will be apparent to those skilled in the art that these specific descriptions are merely preferred embodiments and are not intended to limit the scope of the present invention. Therefore, the substantial scope of the present invention is defined by the appended claims and their equivalents.
Claims (11)
상기 공여 핵산 분자는 표적 DNA 상에 변형을 유발하는 것이며,
상기 변형은 하나의 뉴클레오타이드의 치환, 하나의 뉴클레오타이드의 삽입, 하나의 뉴클레오타이드의 결실, 또는 이의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 CRISPR/Cas9 (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/CRISPR-associated protein 9) 시스템 기반 유전체 편집 방법으로서,
상기 표적 DNA에 상보적인 뉴클레오타이드 서열을 포함하는 가이드 RNA의 5'-말단으로부터 2개의 뉴클레오타이드를 결실시키는 단계를 포함하는, CRISPR/Cas9 시스템 기반 유전체 편집 방법.
Contains a donor nucleic acid molecule and a guide RNA (gRNA) that complementarily bind to the target DNA,
The donor nucleic acid molecule is one that induces a modification on the target DNA,
A genome editing method based on the CRISPR/Cas9 (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/CRISPR-associated protein 9) system, wherein the above modification comprises a substitution of one nucleotide, an insertion of one nucleotide, a deletion of one nucleotide, or a combination thereof.
A genome editing method based on the CRISPR/Cas9 system, comprising a step of deleting two nucleotides from the 5'-end of a guide RNA comprising a nucleotide sequence complementary to the target DNA.
상기 가이드 RNA는, 상기 표적 DNA에 상보적인 18개의 연속적 뉴클레오타이드로 이루어진 영역을 포함하게 되는 것을 특징으로 하는,
CRISPR/Cas9 시스템 기반 유전체 편집 방법.
In the first paragraph,
The above guide RNA is characterized in that it comprises a region consisting of 18 consecutive nucleotides complementary to the target DNA.
Genome editing method based on the CRISPR/Cas9 system.
상기 가이드 RNA는 표적 DNA와 혼성화하는 crRNA(CRISPR RNA) 및 tracrRNA (transactivating crRNA)를 포함하는 이중 RNA (dualRNA), 또는 상기 crRNA 및 tracrRNA의 부분을 포함하고 표적 DNA와 혼성화하는 단일-사슬 가이드 RNA (sgRNA)인 것을 특징으로 하는,
CRISPR/Cas9 시스템 기반 유전체 편집 방법.
In the first paragraph,
The guide RNA is characterized in that it is a dual RNA (dualRNA) including a crRNA (CRISPR RNA) and a tracrRNA (transactivating crRNA) that hybridizes with the target DNA, or a single-stranded guide RNA (sgRNA) that includes portions of the crRNA and tracrRNA and hybridizes with the target DNA.
Genome editing method based on the CRISPR/Cas9 system.
상기 표적 DNA는 상기 crRNA 또는 sgRNA와 상보적인 서열의 뉴클레오타이드 및 프로토스페이서-인접 모티프(protospacer-adjacent motif, PAM)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
CRISPR/Cas9 시스템 기반 유전체 편집 방법.
In the third paragraph,
The target DNA is characterized in that it comprises a nucleotide sequence complementary to the crRNA or sgRNA and a protospacer-adjacent motif (PAM).
Genome editing method based on the CRISPR/Cas9 system.
상기 공여 핵산 분자는 단일 가닥 또는 이중 가닥 형태인 것을 특징으로 하는,
CRISPR/Cas9 시스템 기반 유전체 편집 방법.
In the first paragraph,
The donor nucleic acid molecule is characterized in that it is in a single-stranded or double-stranded form.
Genome editing method based on the CRISPR/Cas9 system.
상기 표적 DNA에 상보적인 뉴클레오타이드 서열을 포함하는 가이드 RNA는 이의 5'-말단으로부터 2개의 뉴클레오타이드가 결실된 것이고,
상기 공여 핵산 분자는 표적 DNA 상에 변형을 유발하는 것이며,
상기 변형은 하나의 뉴클레오타이드의 치환, 하나의 뉴클레오타이드의 삽입, 하나의 뉴클레오타이드의 결실, 또는 이의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는,
CRISPR/Cas9 시스템 기반 유전체 편집용 조성물.
A composition for genome editing based on the CRISPR/Cas9 system, comprising a donor nucleic acid molecule and a guide RNA that complementarily bind to target DNA,
The guide RNA comprising a nucleotide sequence complementary to the target DNA has two nucleotides deleted from its 5'-end,
The donor nucleic acid molecule is one that induces a modification on the target DNA,
wherein the above modification comprises a substitution of one nucleotide, an insertion of one nucleotide, a deletion of one nucleotide, or a combination thereof.
A composition for genome editing based on the CRISPR/Cas9 system.
상기 공여 핵산 분자는 표적 DNA 상에 변형을 유발하는 것이며,
상기 변형은 하나의 뉴클레오타이드의 치환, 하나의 뉴클레오타이드의 삽입, 하나의 뉴클레오타이드의 결실, 또는 이의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 CRISPR/Cas9 시스템 기반의 유전체 편집 효율 증가 방법으로서,
상기 표적 DNA에 상보적인 뉴클레오타이드 서열을 포함하는 가이드 RNA의 5'-말단으로부터 2개의 뉴클레오타이드를 결실시키는 단계를 포함하는, CRISPR/Cas9 시스템 기반 유전체 편집 효율 증가 방법.
Comprising a donor nucleic acid molecule and a guide RNA that complementarily bind to the target DNA,
The donor nucleic acid molecule is one that induces a modification on the target DNA,
A method for increasing genome editing efficiency based on the CRISPR/Cas9 system, characterized in that the above modification comprises a substitution of one nucleotide, an insertion of one nucleotide, a deletion of one nucleotide, or a combination thereof.
A method for increasing genome editing efficiency based on the CRISPR/Cas9 system, comprising a step of deleting two nucleotides from the 5'-end of a guide RNA comprising a nucleotide sequence complementary to the target DNA.
(b) 상기 표적 DNA에 상보적인 뉴클레오타이드 서열을 포함하는 가이드 RNA의 5'-말단으로부터 2개의 뉴클레오타이드가 결실된 가이드 RNA를 제작하는 단계;
(c) 상기 (a) 단계의 공여 핵산 분자 및 상기 (b) 단계의 가이드 RNA를, 편집시키고자 하는 대상체에 주입시켜 대상체의 표적 DNA를 편집하는 단계;를 포함하는, CRISPR/Cas9 시스템 기반의 표적 DNA가 편집된 대상체의 제조 방법으로서,
상기 변형은 하나의 뉴클레오타이드의 치환, 하나의 뉴클레오타이드의 삽입, 하나의 뉴클레오타이드의 결실, 또는 이의 조합을 포함하는 것이고,
상기 대상체는 원핵 세포, 분리된 진핵 세포 또는 인간을 제외한 진핵 유기체인 것을 특징으로 하는, CRISPR/Cas9 시스템 기반의 표적 DNA가 편집된 대상체의 제조 방법.
(a) a step of producing a donor nucleic acid molecule that complementarily binds to a target DNA and induces a modification on the target DNA;
(b) a step of producing a guide RNA having two nucleotides deleted from the 5'-end of the guide RNA including a nucleotide sequence complementary to the target DNA;
(c) a method for producing a subject whose target DNA has been edited based on the CRISPR/Cas9 system, comprising the step of injecting the donor nucleic acid molecule of step (a) and the guide RNA of step (b) into the subject to be edited to edit the target DNA of the subject;
The above modification includes a substitution of one nucleotide, an insertion of one nucleotide, a deletion of one nucleotide, or a combination thereof,
A method for producing a target DNA-edited object based on the CRISPR/Cas9 system, characterized in that the target object is a prokaryotic cell, an isolated eukaryotic cell, or a eukaryotic organism other than a human.
상기 대상체는 원핵 세포, 분리된 진핵 세포 또는 인간을 제외한 진핵 유기체인 것을 특징으로 하는, 표적 DNA가 편집된 대상체.
A target DNA-edited subject manufactured by the method for manufacturing a target DNA-edited subject of Article 10,
A subject whose target DNA has been edited, characterized in that the subject is a prokaryotic cell, an isolated eukaryotic cell, or a eukaryotic organism other than a human.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020250161421A KR20250158980A (en) | 2021-03-03 | 2025-10-31 | Method for Single-Base Genome Editing Using CRISPR/Cas9 System and Uses Thereof |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210028176 | 2021-03-03 | ||
| KR20210028176 | 2021-03-03 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020250161421A Division KR20250158980A (en) | 2021-03-03 | 2025-10-31 | Method for Single-Base Genome Editing Using CRISPR/Cas9 System and Uses Thereof |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220124652A KR20220124652A (en) | 2022-09-14 |
| KR102882704B1 true KR102882704B1 (en) | 2025-11-12 |
Family
ID=83279485
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220027564A Active KR102882704B1 (en) | 2021-03-03 | 2022-03-03 | Method for Single-Base Genome Editing Using CRISPR/Cas9 System and Uses Thereof |
| KR1020250161421A Pending KR20250158980A (en) | 2021-03-03 | 2025-10-31 | Method for Single-Base Genome Editing Using CRISPR/Cas9 System and Uses Thereof |
Family Applications After (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020250161421A Pending KR20250158980A (en) | 2021-03-03 | 2025-10-31 | Method for Single-Base Genome Editing Using CRISPR/Cas9 System and Uses Thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (2) | KR102882704B1 (en) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20240049138A (en) | 2022-10-05 | 2024-04-16 | 재단법인 아산사회복지재단 | Fusion proteins comprising Cas protein and deaminase and the uses thereof |
| CN117757774B (en) * | 2023-05-08 | 2024-08-06 | 珠海舒桐医疗科技有限公司 | Cas9 protein, type II CRISPR/Cas9 gene editing system and application |
| WO2025155139A1 (en) * | 2024-01-17 | 2025-07-24 | 중앙대학교 산학협력단 | Crispr-cas nickase system-based precise genome editing method |
| KR20250175022A (en) | 2024-06-05 | 2025-12-16 | 인천대학교 산학협력단 | A composition for delivery of gene and use thereof |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170152508A1 (en) | 2013-03-15 | 2017-06-01 | The General Hospital Corporation | Using Truncated Guide RNAs (tru-gRNAs) to Increase Specificity for RNA-Guided Genome Editing |
| KR102688555B1 (en) | 2020-05-11 | 2024-07-25 | 중앙대학교 산학협력단 | Method for Single Base Editing Based on CRISPR/Cpf1 System and Uses Thereof |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6792888B2 (en) | 2018-11-13 | 2020-12-02 | 株式会社すなおネット | Product information provision system and service information provision system |
-
2022
- 2022-03-03 KR KR1020220027564A patent/KR102882704B1/en active Active
-
2025
- 2025-10-31 KR KR1020250161421A patent/KR20250158980A/en active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170152508A1 (en) | 2013-03-15 | 2017-06-01 | The General Hospital Corporation | Using Truncated Guide RNAs (tru-gRNAs) to Increase Specificity for RNA-Guided Genome Editing |
| KR102688555B1 (en) | 2020-05-11 | 2024-07-25 | 중앙대학교 산학협력단 | Method for Single Base Editing Based on CRISPR/Cpf1 System and Uses Thereof |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Nature Biotechnology, Vol.32(3), pp.279-284 (2014.01.29.)* |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20250158980A (en) | 2025-11-07 |
| KR20220124652A (en) | 2022-09-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102882704B1 (en) | Method for Single-Base Genome Editing Using CRISPR/Cas9 System and Uses Thereof | |
| KR102772570B1 (en) | Method for Genome Editing Based on CRISPR/Cas9 System and Uses Thereof | |
| KR102098915B1 (en) | Chimeric genome engineering molecules and methods | |
| JP7054283B2 (en) | Target sequence-specific modification technology using nucleotide target recognition | |
| KR20010071226A (en) | Heteroduplex mutational vectors and use thereof in bacteria | |
| WO2014143381A1 (en) | Methods of in vivo engineering of large sequences using multiple crispr/cas selections of recombineering events | |
| US20240132873A1 (en) | Site-specific genome modification technology | |
| JP6994730B2 (en) | Genome editing method for filamentous fungus genome editing by direct introduction of protein | |
| JP7762651B2 (en) | Modified double-stranded donor template | |
| KR20240107373A (en) | Novel genome editing system based on C2C9 nuclease and its application | |
| KR102688555B1 (en) | Method for Single Base Editing Based on CRISPR/Cpf1 System and Uses Thereof | |
| US20220340934A1 (en) | Method for single-base genome editing using crispr/cpf1 system and uses thereof | |
| JP6990111B2 (en) | Method for producing mutant filamentous fungus | |
| KR102118705B1 (en) | Method of Preparing Corynebacterium Variant Based on CRISPR/Cas System, Recombinase, and ssODN | |
| KR102909705B1 (en) | Method for Single-Base Genome Editing Using CRISPR/Cpf1 System and Uses Thereof | |
| US20230040261A1 (en) | Compositions, methods, and systems for genome editing technology | |
| KR102921507B1 (en) | Method for CRISPR-Cas9-mediated accurate multiplex genome editing and uses thereof | |
| KR20250030911A (en) | Method for CRISPR-Cas12f1-mediated accurate multiplex genome editing and uses thereof | |
| KR20230156665A (en) | Method for CRISPR-Cas9-mediated accurate multiplex genome editing and uses thereof | |
| KR20230152608A (en) | Method for Single-nucleotide Genome Editing Using Miniature CRISPR-Cas12f1 and Uses Thereof | |
| CN117701561A (en) | Optimized guide RNA, CRISPR/AcC2C9 gene editing system and gene editing method | |
| EP4655395A2 (en) | Mb2cas12a variants with flexible pam spectrum | |
| JP2026016493A (en) | Modified double-stranded donor template | |
| WO2026012368A1 (en) | Cas protein, gene editing system comprising same, and use thereof | |
| KR20220068196A (en) | Method for Editing Bacteriophage Genome Based on CRISPR/ Cas9 System and Uses Thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PA0109 | Patent application |
St.27 status event code: A-0-1-A10-A12-nap-PA0109 |
|
| PA0201 | Request for examination |
St.27 status event code: A-1-2-D10-D11-exm-PA0201 |
|
| PG1501 | Laying open of application |
St.27 status event code: A-1-1-Q10-Q12-nap-PG1501 |
|
| PN2301 | Change of applicant |
St.27 status event code: A-3-3-R10-R13-asn-PN2301 St.27 status event code: A-3-3-R10-R11-asn-PN2301 |
|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
St.27 status event code: A-1-2-D10-D21-exm-PE0902 |
|
| E13-X000 | Pre-grant limitation requested |
St.27 status event code: A-2-3-E10-E13-lim-X000 |
|
| P11-X000 | Amendment of application requested |
St.27 status event code: A-2-2-P10-P11-nap-X000 |
|
| R18-X000 | Changes to party contact information recorded |
St.27 status event code: A-3-3-R10-R18-oth-X000 |
|
| D22 | Grant of ip right intended |
Free format text: ST27 STATUS EVENT CODE: A-1-2-D10-D22-EXM-PE0701 (AS PROVIDED BY THE NATIONAL OFFICE) |
|
| PE0701 | Decision of registration |
St.27 status event code: A-1-2-D10-D22-exm-PE0701 |
|
| A16 | Divisional, continuation or continuation in part application filed |
Free format text: ST27 STATUS EVENT CODE: A-0-1-A10-A16-DIV-PA0107 (AS PROVIDED BY THE NATIONAL OFFICE) |
|
| PA0107 | Divisional application |
St.27 status event code: A-0-1-A10-A16-div-PA0107 |
|
| PG1601 | Publication of registration |
St.27 status event code: A-4-4-Q10-Q13-nap-PG1601 |
|
| Q13 | Ip right document published |
Free format text: ST27 STATUS EVENT CODE: A-4-4-Q10-Q13-NAP-PG1601 (AS PROVIDED BY THE NATIONAL OFFICE) |