KR20170124565A - 변경된 PAM 특이성을 갖는 조작된 CRISPR-Cas9 뉴클레아제 - Google Patents
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Abstract
Description
도 1A-J | 변경된 PAM 특이성을 갖는 SpCas9 변이체의 진화 및 특성분석. a, PAM 염기로 염기-특이적 접촉을 하게 하는 SpCas9 잔기의 합리적인 돌연변이는 U2OS 인간 세포-기재의 강화된 녹색 형광 단백질 (EGFP) 파괴 검정에서 PAM 특이성을 변경시키기에는 불충분하다. 파괴 빈도를 유세포 분석법에 의해 정량화하고, 이번 및 후속 패널 (c, g, h, 및 j)에서 백그라운드 대조군에서 관찰된 파괴의 평균 수준은 적색 점선으로 나타내고, 오차 막대는 s.e.m., n = 3을 나타낸다. b, SpCas9의 PAM 특이성을 변경시키기 위해 사용된 2-플라스미드 양성 선택 검정의 개략도. 기능적 Cas9/sgRNA 복합체에 의한 양성 선택 플라스미드 내에서 표적 부위의 분할은 박테리아를 선택적 배지에 두었을 때 생존을 위해 필요하다 (도 12A-B 또한 참고). c, NGA PAM을 함유하는 표적 부위를 분할할 수 있는 SpCas9 변이체에 대한 양성 선택으로부터 수득한 돌연변이의 조합 조립 및 시험. SpCas9 변이체를 NGG 또는 NGA PAM을 함유하는 부위를 표적화하는 sgRNA와 쌍형성시키고, EGFP 파괴 검정을 이용하여 활성을 평가하였다. 오차 막대는 s.e.m., n = 3을 나타낸다. d, 박테리아를 선택적 배지에 두었을 때 선택 플라스미드의 분할에 의해 세포 사멸이 일어나는, 음성 선택 검정의 개략도. 이 시스템은 프로토스페이서의 3' 말단에 인접한 무작위화된 서열을 함유하는 플라스미드의 라이브러리를 생성함으로써 Cas9의 PAM 특이성을 프로파일링하도록 조정되었다 (도 13b 또한 참고). e, 야생형 SpCas9의 선택후 PAM 고갈 값 (PPDV)과 2가지 무작위화된 PAM 라이브러리 (각각 상이한 프로토스페이서를 가짐)의 산점도. PAM을 그들의 제2/제3/제4 위치에 의해 분류하여 플롯팅하였다. 적색 점선은 통계적으로 유의한 고갈에 대한 컷오프를 나타내고 (dCas9 대조군 실험으로부터 수득함, 도 13c 참고), 회색 점선은 5배 고갈 (0.2의 PPDV)을 나타낸다. f, 야생형 SpCas9에 의해 인식되는 것과 구별되는 PAM을 인식하는 VQR 및 EQR SpCas9 변이체에 대한 PPDV 산점도. g, NGAN 및 NGNG PAM을 갖는 부위에 대한 야생형, VQR 및 EQR SpCas9의 EGFP 파괴 빈도. 오차 막대는 s.e.m., n = 3을 나타낸다. h, NGCG PAM을 함유하는 표적 부위를 분할할 수 있는 SpCas9 변이체에 대한 양성 선택으로부터 수득된 돌연변이의 조합 조립 및 시험. NGGG 또는 NGCG PAM을 함유하는 부위를 표적화하는 sgRNA를 EGFP 파괴 검정을 이용하여 Cas9 표적화에 대해 평가하였다. 오차 막대는 s.e.m., n = 3을 나타낸다. i, VRER 변이체에 대한 PPDV 산점도. j, NGCN 및 NGNG PAM을 갖는 부위에 대한 야생형 및 VRER SpCas9의 EGFP 파괴 빈도. 오차 막대는 s.e.m., n = 3을 나타낸다.
도 2 | 진화된 PAM 특이성을 갖는 SpCas9 변이체는 제브라피쉬 배아 및 인간 세포에서 내인성 부위를 강력하게 변형시킨다. a, NGAG PAM을 보유한 내인성 유전자 부위에 대해 야생형 또는 VQR SpCas9에 의해 유도된 제브라피쉬 배아에서의 돌연변이 유발 빈도의 정량화. 돌연변이 빈도는 T7E1 검정을 이용하여 결정하였고, 오차 막대는 s.e.m., n = 5 내지 9개의 개별 배아를 나타낸다. b, NGAG, NGAT 및 NGAA PAM을 함유하는 부위로 표적화된 sgRNA를 갖는 4가지 내인성 인간 유전자에 있는 16개의 표적 부위에서 T7E1 검정에 의해 정량화된 VQR 변이체의 돌연변이 빈도. 오차 막대는 s.e.m., n = 3을 나타낸다. c, NGA PAM을 갖는 내인성 인간 유전자 표적 부위에 대한 야생형 SpCas9의 돌연변이 빈도. 비교의 편의를 위해, 동일한 sgRNA를 이용하는 VQR 변이체에 대한 돌연변이 빈도를 여기에 다시 제시하였다 (패널 b에 제시된 것과 동일한 데이터). 오차 막대는 s.e.m., n = 3을 나타내고, n.d.는 T7E1에 의해 검출불가능함이다. d, T7E1 검정에 의해 정량화된 3가지 내인성 인간 유전자에 있는 NGCG PAM을 함유하는 9개의 표적 부위에서 야생형, VRER 및 VQR SpCas9의 돌연변이 빈도. 19 및 20 nt의 sgRNA 상보성 길이를 이용하였고, 오차 막대는 s.e.m., n = 3을 나타낸다. e, 인간 게놈에서 야생형, VQR 및 VRER SpCas9에 의해 표적화가능한 20 nt 스페이서를 갖는 부위 개수의 표시. f, 패널 b 및 d로부터의 sgRNA를 이용하여 VQR 및 VRER SpCas9 변이체에 대해 GUIDE-seq에 의해 확인된 오프-타겟(off-target) 분할 부위의 개수.
도 3 | D1135E 돌연변이는 SpCas9의 PAM 인식 및 스페이서 특이성을 개선시 킨다. a, 2가지 무작위화된 PAM 라이브러리에 대한 야생형 및 D1135E SpCas9의 PPDV 산점도 (각각 좌측 및 우측 패널). PAM을 그들의 제2/제3/제4 위치에 의해 분류하여 플롯팅하였다. 야생형 SpCas9에 대해 제시된 데이터는 도 1d의 플롯과 동일하고, 편의를 위해 여기에 다시 제시하였다. 적색 점선은 통계적으로 유의하게 고갈된 PAM을 나타내고 (도 13c 참고), 회색 점선은 5배 고갈 컷오프 (0.2의 PPDV)를 나타낸다. b, 인간 세포에서 NGG, NAG 및 NGA PAM을 함유하는 부위에 대한 야생형 및 D1135E SpCas9의 EGFP 파괴 활성. 파괴 빈도를 유세포 분석법에 의해 정량화하고, 이 패널 및 (d)에서는 백그라운드 대조군에 의해 관찰된 파괴의 평균 수준을 적색 점선으로 나타내었고, 오차 막대는 s.e.m., n = 3을 나타내고, 활성에서의 평균 배수 변화를 제시하였다. c, 인간 세포에 있는 6개의 내인성 부위에서 야생형 및 D1135E SpCas9에 대해 T7E1에 의해 검출된 돌연변이 유발 빈도. 오차 막대는 s.e.m., n = 3을 나타내고, 활성에서의 평균 배수 변화를 제시하였다. d, 인간 세포에서 EGFP 파괴 실험을 위해 형질감염된 야생형 또는 D1135E SpCas9-코딩 플라스미드의 양의 적정. 이들 모든 실험에서 사용된 sgRNA 플라스미드의 양은 250 ng로 고정되었다. 상이한 EGFP 부위를 표적화하는 2가지 sgRNA를 사용하였고, 오차 막대는 s.e.m., n = 3을 나타낸다. e, 야생형 및 D1135E SpCas9를 이용하여 3가지 sgRNA에 대한 온- 및 오프-타겟 부위의 표적화된 심층-시퀀싱. 온-타겟(on-target) 부위는 상단에 제시하고, 오프-타겟 부위는 온-타겟에 대한 미스매치를 강조하여 아래에 열거하였다. 오프-타겟 부위에서 야생형 SpCas9에 비해 D1135E에 의한 활성의 배수 감소가 온-타겟 부위에서의 활성의 변화에 비해 더 큰 것은 녹색으로 강조하였고, 각각의 앰플리콘에 대한 대조군 indel 수준을 기록하였다. f, D1135E를 이용한 온- 및 오프-타겟 부위에서의 활성의 배수 감소를 야생형 SpCas9에 의해 관찰된 indel 빈도와 비교하여 플롯팅한, 표적화된 심층-시퀀싱 데이터의 요약. g, D1135E를 이용한 특이성에서의 정규화된 배수-변화를 야생형 SpCas9를 이용한 오프-타겟 부위에서의 판독 카운트와 비교하여 플롯팅한, 오프-타겟 부위에서 GUIDE-seq에 의해 검출된 야생형과 D1135E 사이의 특이성 변화 (도 18c 또한 참고). D1135E에 대한 판독 카운트가 없는 부위에서의 특이성의 추정된 배수-증가는 플롯팅하지 않았다 (도 18c 참고).
도 4 | 박테리아 및 인간 세포에서 St1Cas9 및 SaCas9 이종상동유전자의 특성분석. a, 2가지 무작위화된 PAM 라이브러리를 이용한 St1Cas9에 대한 PPDV 산점도. PAM을 그들의 제3/제4/제5/제6 위치에 의해 분류하여 플롯팅하였다. 20 및 21 뉴클레오티드의 sgRNA 상보성 길이를 이용하여 양쪽 라이브러리에 대해 St1Cas9를 프로그래밍하였다 (각각 좌측 및 우측 패널). 적색 점선은 통계적으로 유의하게 고갈된 PAM을 나타내고 (도 13c 참고), 회색 점선은 5배 고갈을 나타내고 (0.2의 PPDV), α, 생물정보 접근법에 의해 이전에 확인된 PAM27; β, 엄격한 실험 조건 하에 이전에 확인된 PAM20; *, 이 연구에서 발견된 신규한 PAM; γ, 온건한 실험 조건 하에 이전에 확인된 PAM20. b, 2가지 무작위화된 PAM 라이브러리를 이용한 SaCas9에 대한 PPDV 산점도. PAM을 그들의 제3/제4/제5/제6 위치에 의해 분류하여 플롯팅하였다. 21 및 23 뉴클레오티드의 sgRNA 상보성 길이를 이용하여 양쪽 라이브러리에 대해 SaCas9를 프로그래밍하였다 (각각 좌측 및 우측 패널). SaCas9에 대해 확인된 PAM을 제시하였고, PAM 1-3은 이들 실험에서 사용된 스페이서 및 스페이서 길이의 모든 조합에서 일관되게 고갈되었다. c, x-축에 나타낸 상이한 표적 부위 및 PAM을 보유하는 선택 플라스미드로 시도할 때 박테리아 양성 선택에서 St1Cas9 및 SaCas9의 생존 백분율. St1Cas9 및 SaCas9에 대한 패널 (a) 및 (b)로부터의 고도로 고갈된 PAM을 양성 선택 플라스미드에서 표적 부위에 대해 사용하였다. d, e, 각각 NNAGAA (서열식별번호:3) 또는 NNGGGT (서열식별번호:4) / NNGAGT (서열식별번호:5) PAM을 함유하는 EGFP 부위에 대한 St1Cas9 (패널 d) 또는 SaCas9 (패널 e)의 EGFP 파괴 활성. 동일한 부위에 대해 상이한 길이를 갖는 매칭된 sgRNA를 나타내었고, 파괴 빈도를 유세포 분석법에 의해 정량화하고, 음성 대조군을 이용하여 수득된 EGFP 파괴의 평균 빈도를 적색 점선으로 나타내고, 오차 막대는 s.e.m., n = 3을 나타낸다. f, g, 각각 NNAGAA (서열식별번호:3) 또는 NNGGGT (서열식별번호:4) / NNGAGT (서열식별번호:5) / NNGAAT (서열식별번호:6) PAM을 함유하는 4가지 내인성 인간 유전자에 있는 부위에서 T7E1 검정에 의해 정량화된 St1Cas9 (패널 f) 및 SaCas9 (패널 g)의 돌연변이 빈도. 오차 막대는 s.e.m., n = 3을 나타내고, n.d.는 T7E1에 의해 검출불가능함이다.
도 5A- J. 서열 및 맵 - 이 연구에서 사용된 플라스미드
도 6 | SaCas9의 PAM-상호작용 잔기를 예상하기 위해 Cas9 이종상동유전자 의 정 렬. SpCas9, SaCas9, 및 11가지 다른 Cas9 이종상동유전자의 PAM-상호작용 도메인을 정렬하여, SpCas9에 대해 공지된 것을 기준으로 하여 SaCas9에서의 PAM 함유 잔기를 식별하였다. 각각 상단, 상단, 에스. 피오게네스, 서열식별번호:1의 아미노산 1229-1368, 이어서 서열식별번호:29-40.
도 7 | 박테리아 스크린에서 상이한 PAM에 대한 활성에 대해 평가된 SaCas9에서의 치환. 도 6의 정렬을 기준으로, 표준적인 NNGAGT (서열식별번호:5) 및 비-표준적인 NNAAGT (서열식별번호:41) 및 NNAGGT (서열식별번호:42) PAM에 대한 활성에 대한 효과를 스크리닝하기 위해 단일 아미노산 치환을 박테리아 양성 선택에서 시험하였다. 선택적 배지 상의 박테리아 콜로니는, SaCas9 변이체가 지정된 PAM을 함유하는 부위에 대해 활성을 가짐을 시사한다.
도 8A-B | SaCas9 변이체가 NNARRT ( 서열식별번호:43 ) PAM을 표적화할 수 있게 하는 아미노산 치환의 요약. NNARRT (서열식별번호:43) PAM을 함유하는 부위에 대해 박테리아에서 생존을 가능하게 하는 52가지 선택된 돌연변이체 SaCas9 클론의 PAM-상호작용 도메인의 아미노산 서열; 제시된 서열은 표 6에 제시된 서열식별번호:53-104의 부분 서열이다.
도 9 | 야생형 및 조작된 SaCas9 변이체의 인간 세포 활성. 인간 세포 EGFP 리포터 검정에서 야생형, KKQ 및 KKH SaCas9의 활성을 NNRRRT (서열식별번호:45) PAM을 함유하는 부위에 대하여 평가하였다.
도 10. 박테리아에서 비-표준적인 PAM에 대한 SaCas9 활성, 및 R1015에서의 지정된 돌연변이가 동일한 비-표준적인 PAM에 대한 활성에 영향을 미치는 방법.
도 11. 조작된 변이체는 형태 NNNRRT의 PAM을 인식할 수 있다.
도 12A-B | SpCas9의 변경된 PAM 특이성 변이체를 조작하기 위해 사용된 박테리아-기재 양성 선택. a, 도 1b로부터의 양성 선택의 확장된 개략도 (좌측 패널), 및 SpCas9가 양성 선택에서 예상한 대로 거동함을 입증 (우측 패널). 스페이서 1, 서열식별번호:105; 스페이서 2, 서열식별번호:106. b, 변경된 PAM 인식 특이성을 갖는 SpCas9 변이체를 선택하도록 양성 선택을 조정하는 방법의 개략도. 무작위화된 PAM-상호작용 (PI) 도메인 (잔기 1097-1368)을 갖는 SpCas9 클론의 라이브러리를 변경된 PAM을 보유한 선택 플라스미드에 의해 시도하였다. 양성 선택 플라스미드를 분할함으로써 선택을 생존하는 SpCas9 변이체를 시퀀싱하여, 변경된 PAM 특이성을 가능하게 하는 돌연변이를 결정하였다.
도 13A-D | Cas9 뉴클레아제의 전반적인 PAM 특이성을 프로파일링하기 위한 박테리아 세포-기재 부위-고갈 검정. a, 도 1d로부터의 음성 선택을 예시하는 확장된 개략도 (좌측 패널), 및 야생형 SpCas9가 기능적 (NGG) 및 비-기능적 (NGA) PAM을 갖는 부위의 스크린에서 예상되는 바와 같이 거동함을 입증 (우측 패널). b, PAM 대신에 6가지 무작위화된 염기쌍을 함유하는 음성 선택 플라스미드 라이브러리를 구성함으로써 기능적 PAM에 대해 스크리닝하기 위해 부위-고갈 검정으로서 음성 선택을 이용하는 방법의 개략도. 관심 Cas9/sgRNA에 의해 분할된 PAM을 함유하는 선택 플라스미드는 고갈된 반면에, 분할되지 않은 (또는 불량하게 분할된) PAM은 유지되었다. 선택후 PAM의 빈도를 출발 라이브러리에서 그의 선택전 빈도와 비교하여, 선택후 PAM 고갈 값 (PPDV)을 계산하였다. 스페이서 1, 서열식별번호:105; 스페이서 2, 서열식별번호:106. c, d, 2가지 무작위화된 PAM 라이브러리에 대해 촉매 불활성 SpCas9 (dCas9) (그의 제2/제3/제4 위치에 의해 분류하여 플롯팅함)에 대한 PAM의 PPDV를 플롯팅함으로써, 통계적으로 유의한 PPDV에 대한 컷오프를 수립하였다 (c). 2가지 라이브러리에 대해 평균 PPDV로부터의 3.36 표준 편차의 역가를 계산하였고 ((d)에서 적색 선), 0.85 미만의 임의의 PPDV 편차가 dCas9 처리와 비교하여 통계적으로 유의함을 수립하였다 ((c)에서 적색 점선). (c)에서 회색 점선은 검정에서 5배 고갈을 나타낸다 (0.2의 PPDV).
도 14 | 부위-고갈 검정과 EGFP 파괴 활성의 일치. 데이터 점은 상응하는 PAM에 대해 라이브러리 1 및 2에서 관찰된 평균 PPDV (도 1f)에 대해 플롯팅된, VQR 및 EQR SpCas9 변이체 (도 1g)에서 2개의 NGAN 및 NGNG PAM 부위의 평균 EGFP 파괴를 나타낸다. 적색 점선은 통계적으로 유의하게 고갈된 PAM을 나타내고 (0.85의 PPDV, 도 13c 참고), 회색 점선은 5배 고갈을 나타낸다 (0.2의 PPDV). 평균 값은 95% 신뢰 구간으로 플롯팅되었다.
도 15 | NGAG PAM을 함유하는 내인성 제브라피쉬 부위에서 VQR SpCas9 변이체에 의해 유도된 삽입 또는 결실 돌연변이. 각각의 표적 좌위의 경우, 야생형 서열은 황색으로 강조한 프로토스페이서와 함께 상단에 제시하였고 (상보성 가닥 상에 존재하는 경우 녹색으로 강조함), PAM은 적색 밑줄친 텍스트로 표시하였다. 결실은 회색으로 강조한 적색 점선으로 제시하였고, 삽입은 청색으로 강조한 소문자로 도시하였다. 각각의 indel 돌연변이에 의해 초래된 길이의 순 변화는 우측 (+, 삽입; -, 결실)에 제시하였다. 일부 변경은 서열의 삽입 및 결실 둘 다를 가졌고, 이들 경우에는 변경을 괄호안에 나열하였다. 각각의 돌연변이체 대립유전자가 회수된 배수 (1배 초과인 경우)를 괄호안에 제시하였다.
도 16A-B | SpCas9의 야생형 및 진화된 변이체에 의해 표적화된 내인성 유전자. a, 야생형, VQR 및 VRER SpCas9에 의해 표적화된 서열을 각각 청색, 적색 및 녹색으로 제시하였다. T7E1을 위해 이들 좌위를 증폭시키는데 사용된 sgRNA 및 프라이머의 서열은 하기 표 1 및 2에 제공되어 있다. b, 4가지 상이한 내인성 인간 유전자에서 NGG PAM을 보유하는 8개의 표적 부위에서 야생형 SpCas9에 대해 T7E1에 의해 검출된 평균 돌연변이 유발 빈도 (상단 패널의 주석에 상응함). 오차 막대는 s.e.m., n = 3을 나타낸다.
도 17A-B | GUIDE-seq 를 이용하여 결정된 VQR 및 VRER SpCas9 변이체의 특이성 프로파일. 의도된 온-타겟 부위는 흑색 사각형으로 표시하고, 오프-타겟 부위 내에서의 미스매칭된 위치는 강조하였다. a, VQR 변이체의 특이성은 인간 세포에서 NGA PAM을 함유하는 내인성 부위: EMX1 부위 4 (서열식별번호:142), FANCF 부위 1 (서열식별번호:143), FANCF 부위 3 (서열식별번호:144), FANCF 부위 4 (서열식별번호:145), RUNX1 부위 1 (서열식별번호:146), RUNX1 부위 3 (서열식별번호:147), VEGFA 부위 1 (서열식별번호:148), 및 ZSCAN2 (서열식별번호:149)를 표적화함으로써 평가하였다. b, VRER 변이체의 특이성은 인간 세포에서 NGCG PAM을 함유하는 내인성 부위: FANCF 부위 3 (서열식별번호:150), FANCF 부위 4 (서열식별번호:151), RUNX1 부위 1 (서열식별번호:152), VEGFA 부위 1 (서열식별번호:153), 및 VEGFA 부위 2 (서열식별번호:154)를 표적화함으로써 평가하였다.
도 18A-C | GUIDE-seq 에 의해 검출된 오프 - 타겟 부위에서 D1135E와 야생형 SpCas9 사이의 활성 차이. a, 제한 단편 길이 다형 분석에 의해 추정된, 온-타겟 부위에서 올리고 태그 통합의 평균 빈도. 오차 막대는 s.e.m., n = 4를 나타낸다. b, T7E1에 의해 검출된, 온-타겟 부위에서 평균 돌연변이 유발 빈도. 오차 막대는 s.e.m., n = 4를 나타낸다. c, 3가지 내인성 인간 세포 부위 (EMX1 부위 3 (서열식별번호:155); ZNF629 부위 (서열식별번호:156), VEGFA 부위 3 (서열식별번호:157))에서 야생형 SpCas9와 D1135E 사이의 GUIDE-seq 판독-카운트 차이. 온-타겟 부위는 상단에 제시하였고, 오프-타겟 부위는 미스매치를 강조하여 아래에 열거하였다. 표에서, 온-타겟 활성에 대한 오프-타겟 활성의 비를 야생형과 D1135E 사이에서 비교하여, 특이성에서의 정규화된 배수-변화를 계산하였다 (특이성 증가는 녹색으로 강조함). 검출가능한 GUIDE-seq 판독이 없는 부위의 경우에는, 1의 값을 지정하여 특이성에서의 추정된 변화를 계산하였다 (오렌지색으로 표시함). 도 3e에서 심층-시퀀싱에 의해 분석된 오프-타겟 부위를 EMX1 부위 3 및 VEGFA 부위 3 오프-타겟 부위의 좌측에 넘버링하였다.
도 19A-F | St1Cas9 및 SaCas9에 대한 추가의 PAM, 및 인간 세포에서 스페이 서 길이를 기재로 하는 활성. a, 스페이서 1 (상단 패널) 또는 스페이서 2 (하단 패널)에 대해 무작위화된 PAM 라이브러리를 이용하여 수득된 20 및 21 뉴클레오티드의 sgRNA 상보성 길이를 비교하는 St1Cas9에 대한 PPDV 산점도. PAM을 그들의 제3/제4/제5/제6 위치에 의해 분류하여 플롯팅하였다. 적색 점선은 통계적으로 유의하게 고갈된 PAM을 나타내고 (도 13c 참고), 회색 점선은 5배 고갈을 나타낸다 (0.2의 PPDV). b, 각각 4가지 시험된 조건 하에 St1Cas9에 대해 0.2 미만의 PPDV를 갖는 PAM의 표. 좌측에 제시한 PAM 번호는 도 4a에서와 동일하다. c, 스페이서 1 (상단 패널) 또는 스페이서 2 (하단 패널)에 대해 무작위화된 PAM 라이브러리를 이용하여 수득된 21 및 23 뉴클레오티드의 sgRNA 상보성 길이를 비교하는 SaCas9에 대한 PPDV 산점도. PAM을 그들의 제3/제4/제5/제6 위치에 의해 분류하여 플롯팅하였다. 적색 및 회색 점선은 (a)에서와 동일하다. d, 각각 4가지 시험된 조건 하에 SaCas9에 대해 0.2 미만의 PPDV를 갖는 PAM의 표. PAM 번호는 도 4b에서와 동일하다. e, f, EGFP 파괴를 통해 다양한 스페이서 길이에 걸쳐 St1Cas9 및 SaCas9의 인간 세포 활성 (패널 e, 도 4d, 4e로부터의 데이터) 및 T7E1에 의해 검출된 내인성 유전자 돌연변이 유발 (패널 f, 도 4f, 4g로부터의 데이터). 모든 복제물의 활성을 제시하였고 (n = 3 또는 4); 막대는 평균 및 95% 신뢰 구간을 예시하고; 스페이서 길이당 부위의 개수를 표시하였다.
도 20A-B | SpCas9에 의한 PAM 인식에서 D1135, G1218 및 T1337의 구조적 및 기능적 역할. a, PAM 인식과 관련있는 6가지 잔기의 구조적 표현. 좌측 패널은 PAM15의 제3 염기 위치와 물-매개된 작은 홈 접촉을 만드는 잔기인 S1136과 D1135의 근접성을 예시한다. 우측 패널은 PAM15의 제3 염기 위치와 직접적인 염기-특이적 큰 홈 접촉을 만드는 잔기인 R1335와 G1218, E1219 및 T1337의 근접성을 예시한다. 옹스트롬 거리는 황색 점선으로 표시하고, PAM의 비-표적 가닥 구아닌 염기 dG2 및 dG3은 청색으로 제시하고, 다른 DNA 염기는 오렌지색으로 제시하고, 물 분자는 적색으로 제시하고, 영상은 PDB:4UN3으로부터 PyMOL을 사용하여 생성하였다. b, PAM 인식과 관련있는 SpCas9의 6가지 잔기의 돌연변이 분석. 각각의 위치에서 3가지 돌연변이 유형 중 하나를 함유하는 클론을, NGG PAM을 보유하는 부위로 표적화된 2개의 sgRNA를 이용하여 EGFP 파괴에 대해 시험하였다. 각각의 위치에 대해, 본 발명자들은 알라닌 치환 및 2가지 비-보존적 돌연변이를 생성하였다. S1136 및 R1335는 PAM15의 제3 구아닌과의 접촉을 매개하는 것으로 이전에 보고되었고, D1135, G1218, E1219 및 T1337은 본 연구에서 보고한다. EGFP 파괴 활성은 유세포 분석법에 의해 정량화하고, 백그라운드 대조군은 적색 점선으로 나타내고, 오차 막대는 s.e.m., n = 3을 나타낸다.
도 21A-F 변경된 PAM 특이성을 갖는 SaCas9 변이체의 선택 및 조립. (a) SpCas9 및 SaCas9를 강조한 Cas9 이종상동유전자의 계통수. (b) 박테리아 양성 선택 검정에서 평가된, 단일 아미노산 치환을 갖는 SaCas9 변이체의 활성 (도 31b 또한 참고). 오차 막대는 s.e.m., n = 3을 나타내고, NS = 생존하지 못함이다. (c) 야생형 및 R1015H SaCas9의 인간 세포 활성. EGFP 파괴 활성은 유세포 분석법에 의해 정량화하고, 오차 막대는 s.e.m, n = 3을 나타내고, 백그라운드 EGFP 손실의 평균 수준은 적색 점선으로 나타내었다 (이 패널 및 패널 e의 경우). (d) 변경된 PAM 특이성을 갖는 SaCas9 변이체에 대해 선택할 때, 각각의 아미노산 위치에서 관찰된 치환의 총 개수. R1015에서의 스타터 돌연변이는 카운트하지 않았다. (e) 변경된 PAM 특이성에 대해 선택할 때 관찰된 돌연변이를 함유하는 변이체의 인간 세포 EGFP 파괴 활성. (f) KKH 변이체에 대한 야생형 SaCas9의 평균 선택후 PAM 고갈 값 (PPDV) 산점도 (n = 2, 도 34c 또한 참고). PAM 대신에 상이한 프로토스페이서 및 8개의 무작위화된 염기쌍을 갖는 2가지 라이브러리를 사용하여, PAM이 각각의 Cas9에 의해 표적화 가능한지를 결정하였다. 통계적으로 유의한 고갈은 적색 점선으로 표시하고 (dCas9 대조군과 비교, 도 34a 및 34b 참고), 5배 고갈은 회색 점선으로 표시하였다.
도 22A-F. 인간 세포에서 내인성 부위로 표적화된 SaCas9 KKH 변이체의 활성. (a) T7E1 검정에 의해 결정된, KKH SaCas9에 의해 유도된 NNNRRT PAM을 함유하는 55개의 상이한 부위에서 돌연변이 유발 빈도. 오차 막대는 s.e.m., n = 3을 나타내고, ND는 T7E1 검정에 의해 검출불가능함을 나타낸다. (b) PAM의 제3 위치에 대한 KKH 변이체 선호도. 패널 a에서의 데이터로부터의 평균 활성을 이 패널 및 패널 b 및 c에 제시하였다. (c) PAM의 제4 및 제5 위치에 대한 KKH 변이체 선호도. (d) KKH SaCas9 변이체의 스페이서 길이 선호도. (e) NNNRRT PAM을 함유하는 다양한 부위로 표적화된 야생형 및 KKH SaCas9의 인간 세포 EGFP 파괴 활성의 비교. EGFP 파괴는 유세포 분석법에 의해 정량화하고, 오차 막대는 s.e.m, n = 3을 나타내고, 백그라운드 EGFP 손실의 평균 수준은 적색 점선으로 나타내었다. (f) 패널 a로부터 가능한 16가지 NNNRRT 부위 각각에 대해 한 부위에서의 야생형 SaCas9의 돌연변이 유발 빈도 (가장 높은 KKH 활성을 갖는 부위를 선택함). 오차 막대는 s.e.m., n = 3을 나타내고, ND는 T7E1 검정에 의해 검출불가능함을 나타낸다.
도 23A-E 야생형 및 KKH SaCas9의 게놈에 걸친 특이성 프로파일. (a) 및 (b) EMX 부위 1 (서열식별번호:158) 및 VEGF 부위 8 (서열식별번호:159)에서 오프-타겟의 총 개수 (패널 a) 및 각각의 오프-타겟 부위에서 관찰된 미스매치 (패널 b)로 나타낸, NNGRRT (서열식별번호:46) PAM을 함유하는 부위로 표적화된 야생형 및 KKH SaCas9의 직접적인 비교. 패널 b 및 e의 경우, 각각의 부위에서의 GUIDE-seq 판독 카운트를 표시하고, 온-타겟 서열은 흑색 박스로 표시하고, 오프-타겟 부위 내의 미스매칭된 위치는 강조하고, 서열은 세포-유형 특이적 SNP에 대해 보정하고,잠재적인 sgRNA 또는 DNA 벌지(bulge) 뉴클레오티드를 갖는 부위는 각각 작은 적색-테두리 염기 또는 점선으로 나타내었다. (c) VEGFA 부위 8에서 야생형 및 KKH SaCas9에 의한 오프-타겟 부위 분할의 차이를 강조한 벤 다이어그램. (d) 및 (e) 오프-타겟의 총 개수 (패널 d) 및 각각의 오프-타겟 부위에서 관찰된 미스매치 (패널 e)로 나타낸, NNHRRT (서열식별번호:44) PAM을 갖는 부위인, EMX 부위 1 (서열식별번호:160), EMX 부위 4 (서열식별번호:161), EMX 부위 10 (서열식별번호:162), FANCF 부위 9 (서열식별번호:163), 및 FANCF 부위 16 (서열식별번호:164)로 표적화된 KKH 변이체의 특이성 프로파일.
도 24: 박테리아 2-플라스미드 스크린에서 VQR -유도체 클론의 활성. NGAN PAM을 함유하는 박테리아의 부위에 대한 24가지 상이한 VQR 유도체 변이체의 시험. 비-선택적 플레이트와 비교한 선택적 플레이트 상에서의 생존은 지정된 PAM에 대한 활성의 지표이다.
도 25: SpCas9-VQR 유도체의 인간 세포 EGFP 파괴 활성. SpCas9 변이체의 EGFP 파괴 활성은 지정된 PAM을 함유하는 부위에 대한 활성의 척도이다.
도 26: SpCas9-VQR 및 -VRQR 변이체의 인간 세포 EGFP 파괴 활성. SpCas9 변이체의 EGFP 파괴 활성은 지정된 PAM을 함유하는 부위에 대한 활성의 척도이다.
도 27: 박테리아 2-플라스미드 스크린에서 SpCas9-VRQR 유도체 변이체의 활성. VQR 및 VRQR 변이체와 비교한, NGAN PAM을 함유하는 박테리아의 부위에 대한 12가지 상이한 VQR 유도체 변이체의 시험. 비-선택적 플레이트와 비교한 선택적 플레이트 상에서의 생존은 지정된 PAM에 대한 활성의 지표이다.
도 28: SpCas9-VRQR 변이체의 인간 세포 EGFP 파괴 활성. SpCas9 변이체의 EGFP 파괴 활성은 지정된 PAM을 함유하는 부위에 대한 활성의 척도이다.
도 29 Cas9 이종상동유전자 (도 21a로부터)의 단백질 도메인 정렬. SpCas9의 도메인 구조는 상단에 제시하고 (PDB:4UN3을 기준으로; Anders et al., 2014), SpCas9의 PAM 접촉 잔기는 강조하고, 변경된 PAM 특이성 변이체를 선택하도록 돌연변이된 SaCas9 영역을 제시하였다.
도 30 PAM-상호작용 잔기의 식별을 위한 Cas9 이종상동유전자의 일차 서열 정렬; 각각 서열식별번호:165-176. PAM 접촉을 위해 중요하는 것으로 이전에 확인된 SpCas9 잔기 (Anders et al., 2014; 실시예 1-2)는 청색으로 강조하고, SaCas9 PAM 특이성을 조정할 수 있는 잔기 (이 연구에서 확인됨)는 오렌지색으로 강조하고, R1015에 인접한 양으로 하전된 잔기는 황색으로 강조하였다. 구조적으로 예상된 SpCas9의 PAM-상호작용 도메인은 청색 점선으로 강조하고 (PDB:4UN3을 기준으로; Anders et al., 2014), PCR 돌연변이 유발을 위한 경계로서 사용된 SaCas9 PAM-상호작용 도메인의 보존적 추정은 오렌지색 점선으로 나타내었다.
도 31A-B 박테리아 양성 선택 검정의 개략도. (a) 선택 플라스미드는 대안적인 PAM 서열을 인식할 수 있는 Cas9 변이체를 스크리닝하도록 변형시킬 수 있다. (b) 양성 선택에서 기능적 또는 비-기능적 Cas9/sgRNA 쌍을 스크리닝할 때 양성 선택 플라스미드 (좌측 패널) 및 예상된 결과 (우측 패널)의 개략도.
도 32 KNH 및 KKH 변이체로 K929R 돌연변이의 추가. EGFP 파괴 활성은 유세포 분석법에 의해 정량화하고, 오차 막대는 s.e.m, n = 3을 나타내고, 백그라운드 EGFP 손실의 평균 수준은 적색 점선으로 나타내었다.
도 33 박테리아 부위-고갈 검정의 개략도. 야생형 또는 KKH SaCas9에 의한 분할에 불응성인 PAM 대신에 8개의 무작위화된 뉴클레오티드를 갖는 부위-고갈 플라스미드를 시퀀싱하였다. 라이브러리 1 스페이서 서열, 서열식별번호:105; 라이브러리 2 스페이서 서열, 서열식별번호:106. 표적화가능한 PAM은, 선택후 PAM 고갈 값 (PPDV)으로서 계산되는, 투입 라이브러리와 비교한 그들의 고갈에 의해 추론하였다.
도 34A-E 야생형 및 KKH SaCas9에 대한 부위-고갈 검정 결과. (a) 양쪽 라이브러리에 대한 dCas9 대조군 실험의 PPDV 값. 적색 점선은 통계적 유의성을 나타내고 (PPDV = 0.794, 패널 b 참고), 회색 점선은 5배 고갈을 나타내고, PAM의 제3/제4/제5/제6 위치를 포함하는 윈도우에 대한 PPDV를 플롯팅하였다 (이 패널 및 패널 c의 경우). (b) 통계적으로 유의한 선택후 PAM 고갈 값 (PPDV)을 패널 a에서의 dCas9 대조군 실험으로부터 결정하였다. 통계적 유의성은 역가를 표준 편차의 3.36배로 설정함으로써 결정하였다. (c) PAM 대신에 8개의 무작위화된 뉴클레오티드를 함유하는 2가지 라이브러리 각각에 대해 야생형 및 KKH SaCas9에 대한 PPDV의 비교. (d) 및 (e) PAM, 및 각각 야생형 및 KKH SaCas9에 대해 5배 초과로 고갈된 모든 PAM에 대해 상응하는 PPDV 값. 서열 모티프는 2가지 카테고리: 1) 10배 초과 고갈 또는 2) 5배 내지 10배 고갈에서 PAM에 대해 제시하였다.
도 35A-D KKH SaCas9에 의해 표적화된 내인성 부위의 추가의 특성. (a) NNNRRT PAM의 가능한 16가지 NRR 모티프를 기준으로 비닝된(binned), 55개의 내인성 부위 sgRNA 각각에 대한 활성. 도 2a로부터의 평균 활성을 이 패널 및 패널 b 및 c에 제시하였다. (b) 및 (c) 내인성 유전자 파괴 활성과 스페이서 및 PAM 각각의 GC 함량 사이의 관계. (d) 활성을 기준으로 비닝된, 표적 부위의 스페이서 및 PAM에 대한 서열 로고. 부위는 평균 돌연변이 빈도 (도 2a로부터)를 기준으로 낮은 (0-10%, 17개 부위), 중간 (10-30%, 17개 부위) 또는 높은 (>30%, 21개 부위) 활성으로 분류하였다.
도 36A-B GUIDE-seq 실험에 대한 온-타겟 태그 통합 및 돌연변이 유발 빈도. (a) 평균 GUIDE-seq 태그 통합 빈도를 결정하기 위한 제한 단편 길이 다형 (RFLP) 분석. 오차 막대는 s.e.m., n = 3을 나타낸다 (이 패널 및 패널 b의 경우). (b) 평균 돌연변이 유발은 T7E1 검정에 의해 검출하였다.
도 37A-B 말단절단된 반복부:항-반복부 sgRNA는 전장 sgRNA를 능가하고, 이는 이전의 결과와 유사하다 (Ran et al., 2015). (a) NNGRRT (서열식별번호:46) PAM을 함유하는 4가지 부위에 대한 야생형 SaCas9의 인간 세포 EGFP 파괴 활성. EGFP 파괴 활성은 유세포 분석법에 의해 정량화하고, 오차 막대는 s.e.m, n = 3을 나타내고, 백그라운드 EGFP 손실의 평균 수준은 적색 점선으로 나타내었다 (이 패널 및 패널 b의 경우). (b) NNNRRT PAM을 함유하는 8가지 부위에 대한 KKH SaCas9의 인간 세포 EGFP 파괴 활성.
Claims (36)
- 하기 위치: G1104, S1109, L1111, D1135, S1136, G1218, N1317, R1335, T1337 중 하나 이상에서 돌연변이를 갖는 단리된 스트렙토코쿠스 피오게네스(Streptococcus pyogenes) Cas9 (SpCas9) 단백질.
- 제1항에 있어서, 서열식별번호:1의 아미노산 서열과 적어도 80% 동일한 서열을 포함하는 단리된 단백질.
- 제1항에 있어서, 하기 돌연변이: G1104K; S1109T; L1111H; D1135V; D1135E; D1135N; D1335Y; S1136N; G1218R; N1317K; R1335E; R1335Q 및 T1337R 중 하나 이상을 포함하는 단리된 단백질.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 하기 돌연변이: D1135E (D1135E 변이체); D1135V/R1335Q/T1337R (VQR 변이체); D1135V/G1218R/R1335Q/T1337R (VRQR 변이체); D1135E/R1335Q/T1337R (EQR 변이체); D1135N/G1218R/R1335Q/T1337R (NRQR 변이체); D1135Y/G1218R/R1335Q/T1337R (YRQR 변이체); G1104K/D1135V/G1218R/R1335Q/T1337R (KVRQR 변이체); S1109T/D1135V/G1218R/R1335Q/T1337R (TVRQR 변이체); L1111H/D1135V/G1218R/R1335Q/T1337R (HVRQR 변이체); D1135V/S1136N/G1218R/R1335Q/T1337R (VNRQR 변이체); D1135V/G1218R/N1317K/R1335Q/T1337R (VRKQR 변이체) 또는 D1135V/G1218R/R1335E/T1337R (VRER 변이체)을 포함하는 단리된 단백질.
- 제1항에 있어서, D10, E762, D839, H983 또는 D986에서의 돌연변이; 및 H840 또는 N863에서의 돌연변이로 이루어진 군으로부터 선택된, 뉴클레아제 활성을 감소시키는 하나 이상의 돌연변이를 추가로 포함하는 단리된 단백질.
- 제5항에 있어서, 돌연변이가
(i) D10A 또는 D10N, 및
(ii) H840A, H840N 또는 H840Y인
단리된 단백질. - 하기 위치: E782, N968 및/또는 R1015 중 하나 이상에서 돌연변이를 갖는 단리된 스타필로코쿠스 아우레우스(Staphylococcus aureus) Cas9 (SaCas9) 단백질.
- 제7항에 있어서, 서열식별번호:2의 아미노산 서열과 적어도 80% 동일한 서열을 포함하는 단리된 단백질.
- 제7항에 있어서, 하기 돌연변이: R1015Q, R1015H, E782K, N968K, E735K, K929R, A1021T, K1044N, E782K/N968K/R1015H (KKH 변이체); E782K/K929R/R1015H (KRH 변이체) 또는 E782K/K929R/N968K/R1015H (KRKH 변이체) 중 하나 이상을 포함하는 단리된 단백질.
- 제7항에 있어서, D10, D556, H557 및/또는 N580에서의 돌연변이로 이루어진 군으로부터 선택된, 뉴클레아제 활성을 감소시키는 하나 이상의 돌연변이를 추가로 포함하는 단리된 단백질.
- 제7항에 있어서, 돌연변이가 D10A, D556A, H557A, N580A, 예를 들어 D10A/H557A 및/또는 D10A/D556A/H557A/N580A인 단리된 단백질.
- 임의적인 개재 링커로 이종 기능적 도메인에 융합된 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 단리된 단백질을 포함하는 융합 단백질이며, 여기서 링커는 융합 단백질의 활성을 방해하지 않는 것인 융합 단백질.
- 제12항에 있어서, 이종 기능적 도메인이 전사 활성화 도메인인 융합 단백질.
- 제12항에 있어서, 전사 활성화 도메인이 VP64 또는 NF-κB p65로부터의 것인 융합 단백질.
- 제12항에 있어서, 이종 기능적 도메인이 전사 사일런서 또는 전사 저해 도메인인 융합 단백질.
- 제15항에 있어서, 전사 저해 도메인이 크뤼펠-연관된 박스 (KRAB) 도메인, ERF 저해인자 도메인 (ERD), 또는 mSin3A 상호작용 도메인 (SID)인 융합 단백질.
- 제15항에 있어서, 전사 사일런서가 이질염색질 단백질 1 (HP1)인 융합 단백질.
- 제12항에 있어서, 이종 기능적 도메인이 DNA의 메틸화 상태를 변형시키는 효소인 융합 단백질.
- 제18항에 있어서, DNA의 메틸화 상태를 변형시키는 효소가 DNA 메틸트랜스퍼라제 (DNMT) 또는 TET 단백질인 융합 단백질.
- 제19항에 있어서, TET 단백질이 TET1인 융합 단백질.
- 제12항에 있어서, 이종 기능적 도메인이 히스톤 서브유닛을 변형시키는 효소인 융합 단백질.
- 제12항에 있어서, 히스톤 서브유닛을 변형시키는 효소가 히스톤 아세틸트랜스퍼라제 (HAT), 히스톤 데아세틸라제 (HDAC), 히스톤 메틸트랜스퍼라제 (HMT) 또는 히스톤 데메틸라제인 융합 단백질.
- 제12항에 있어서, 이종 기능적 도메인이 생물학적 테더인 융합 단백질.
- 제23항에 있어서, 생물학적 테더가 MS2, Csy4 또는 람다 N 단백질인 융합 단백질.
- 제12항에 있어서, 이종 기능적 도메인이 FokI인 융합 단백질.
- 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항의 단백질을 코딩하는 단리된 핵산.
- 제26항의 단리된 핵산을 포함하는 벡터.
- 제27항에 있어서, 제21항의 단리된 핵산이 하기 위치: G1104, S1109, L1111, D1135, S1136, G1218, N1317, R1335, T1337 중 하나 이상에서 돌연변이를 갖는 단리된 스트렙토코쿠스 피오게네스 Cas9 (SpCas9) 단백질을 발현하기 위해 하나 이상의 조절 도메인에 작동가능하게 연결된 것인 벡터.
- 제27항에 있어서, 제21항의 단리된 핵산이 하기 위치: E782, N968 및/또는 R1015 중 하나 이상에서 돌연변이를 갖는 단리된 스타필로코쿠스 아우레우스 Cas9 (SaCas9) 단백질을 발현하기 위해 하나 이상의 조절 도메인에 작동가능하게 연결된 것인 벡터.
- 제26항의 핵산을 포함하고, 임의적으로 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항의 단백질을 발현하는 숙주 세포, 바람직하게는 포유동물 숙주 세포.
- 세포의 게놈을 변경시키는 방법이며, 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항의 단리된 단백질 또는 융합 단백질, 및 세포의 게놈의 선택된 부분에 상보적인 영역을 갖는 가이드 RNA를 세포에서 발현시키거나 또는 세포와 접촉시키는 것을 포함하는 방법.
- 제31항에 있어서, 단리된 단백질 또는 융합 단백질이 핵 국재화 서열, 세포 침투 펩티드 서열 및/또는 친화성 태그 중 하나 이상을 포함하는 것인 방법.
- 제31항에 있어서, 세포가 줄기 세포인 방법.
- 제33항에 있어서, 세포가 배아 줄기 세포, 중간엽 줄기 세포 또는 유도된 만능 줄기 세포이거나; 살아있는 동물에 있거나; 또는 배아에 있는 것인 방법.
- 이중 가닥 DNA (dsDNA) 분자를 변경시키는 방법이며, 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항의 단리된 단백질 또는 융합 단백질, 및 dsDNA 분자의 선택된 부분에 상보적인 영역을 갖는 가이드 RNA를 dsDNA 분자와 접촉시키는 것을 포함하는 방법.
- 제35항에 있어서, dsDNA 분자가 시험관내에 있는 것인 방법.
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