Рибонуклеопротеиновый комплекс для редактирования генома человека
Изобретение относится к области биотехнологии, в частности к рибонуклеопротеиновому комплексу для редактирования генома человека путем вставки в него интересующей последовательности, который включает белок spCas9, связанный с sgRNA-PP7, кодируемой последовательностью, которая связана с эффекторным химерным белком. Изобретение эффективно при моделировании генетических заболеваний человека на клеточных системах. 4 ил., 1 табл.
Изобретение относится к биологии и медицине, а именно к генной инженерии. Данная система может быть использована в фундаментальных исследованиях клеточной биологии, а также при моделировании генетических заболеваний человека на клеточных системах.
Основным методом бесшовного внесения интересующей ДНК-последовательности в клеточный геном является метод направленной гомологичной рекомбинации [Capecchi М.R. Altering the genome by homologous recombination. // Science. 1989. T. 244. №4910. C. 1288-92]. В данном методе используются донорные конструкции, содержащие выбранную для вставки ДНК последовательность между плечами гомологии - последовательностями, которые идентичны участкам, фланкирующим участок генома, в который будет проводиться вставка. Такая методика позволяет проводить очень точные модификации, но с низкой частотой: успешное встраивание последовательности в геном происходит в одной из 105-107 клеток [Capecchi Μ.R. Altering the genome by homologous recombination. // Science. 1989. T. 244. №4910. C. 1288-92]. Внесение двунитевого разрыва в выбранный для редактирования участок генома увеличивает эффективность вставки конструкции с плечами гомологии на несколько порядков [Bibikova Μ., Carroll D., Segal D.J., Trautman J.K., Smith J., Kim Y.-G., Chandrasegaran S. Stimulation of Homologous Recombination through Targeted Cleavage by Chimeric Nucleases // Mol. Cell. Biol. 2001. T. 21. №1. C. 289-297.; Plessis Α., Perrin Α., Haber J.E., Dujon B. Site-specific recombination determined by I-SceI, a mitochondrial group I intron-encoded endonuclease expressed in the yeast nucleus // Genetics. 1992. T. 130. №3. C. 451-460.; Rouet P., Smih F., Jasin M. Introduction of double-strand breaks into the genome of mouse cells by expression of a rare-cutting endonuclease. // Mol. Cell. Biol. 1994. T. 14. №12. C. 8096-106.; Rudin N., Sugarman E., Haber J.E. Genetic and physical analysis of double-strand break repair and recombination in Saccharomyces cerevisiae. // Genetics. 1989. T. 122. №3. C. 519-34].
В связи с этим было разработано множество специфичных ДНК-связывающих белков для внесения двунитевых разрывов в геном. Из них доминирующую роль на данный момент занимает система CRISPR-Cas9, специфичность которой задается короткой последовательностью гидовой РНК (sgRNA) [Cho S.W., Kim S., Kim J.M., Kim J.-S. Targeted genome engineering in human cells with the Cas9 RNA-guided endonuclease // Nat. Biotechnol. 2013. T. 31. №3. C. 230-232.; Cong L., Ran F.Α., Cox D., Lin S., Barretto R., Habib N., Hsu P.D., Wu X., Jiang W., Marraffini L.Α., Zhang F. Multiplex Genome Engineering Using CRISPR/Cas Systems // Science. 2013. T. 339. №6121. C. 819.; Jinek M., East Α., Cheng Α., Lin S., Ma E., Doudna J. RNA-programmed genome editing in human cells // Elife. 2013. T. 2. С.e00471].
Репарация внесенного эндонуклеазой двунитевого разрыва ДНК может проходить несколькими путями. Среди них путь гомологичной репарации может привести к встраиванию интересующей последовательности ДНК в геном, так как в этом пути в качестве матрицы может использоваться внесенная в клетку донорная ДНК.
Одним из способов повышения эффективности вставки интересующей последовательности в геном является увеличение вероятности прохождения репарации двуцепочечного разрыва по пути гомологичной репарации. Для этого можно использовать искусственные системы, привлекающие к области ДНК разрыва белки, благоприятствующие гомологичной репарации.
Среди белков, принимающих участие на ранних этапах гомологичной репарации, особый интерес вызывает CtIP белок, который связывает концевые участки ДНК и активирует резекцию 5' концов, взаимодействуя с MRN комплексом и Exol/Dna2 нуклеазами [Yeh С.D., Richardson С.D., Corn J.E. Advances in genome editing through control of DNA repair pathways // Nat. Cell Biol. 2019. T. 21. №12. C. 1468-1478].
Было показано, что использование spCas9 белка, связанного через короткий линкер с эффекторным CtIP белком, может повышать эффективность встраивания интересующей последовательности в два раза [Charpentier Μ., Khedher Α.Η.Υ., Menoret S., Brion Α., Lamribet Κ., Dardillac Ε., Boix С, Perrouault L., Tesson L., Geny S., Cian A. De, Itier J. M., Anegon I., Lopez В., Giovannangeli C., Concordet J. P. CtIP fusion to Cas9 enhances transgene integration by homology-dependent repair // Nat. Commun. 2018. T. 9. №1. C. 1-11]. Однако повышение эффективности в такой системе значительно зависит от выбранного для редактирования участка ДНК и может полностью пропадать для некоторых вариантов sgRNA [Charpentier Μ., Khedher Α.Η.Υ., Menoret S., Brion Α., Lamribet K., Dardillac Ε., Boix С, Perrouault L., Tesson L., Geny S., Cian A. De, Itier J.M., Anegon I., Lopez В., Giovannangeli C., Concordet J.P. CtIP fusion to Cas9 enhances transgene integration by homology-dependent repair // Nat. Commun. 2018. T. 9. №1. С.1-11]. Разработка новой, более стабильной и эффективной системы позволяет расширить возможности применения геномного редактирования.
На момент подачи заявки из открытых источников было известно о следующих наиболее близких аналогах.
Известна система редактирования генома, использующая сшивку CtIP белка через короткий линкер с Cas9 белком (WO 2018162702, А1). Однако она показала ограниченную эффективность на клетках млекопитающих, что может объясняться конформационными ограничениями, которые накладывает прямая сшивка белков.
В качестве прототипа нами выбрана система, предполагающая привлечение эффекторных белков репарации с помощью MS2 системы адаптеров [Tran N.-T., Bashir S., Li X., Rossius J., Chu V.Т., Rajewsky K., 
R. Enhancement of Precise Gene Editing by the Association of Cas9 With Homologous Recombination Factors // Front. Genet. 2019. T. 10. C. 2-5].
Использование MS2 адаптеров для привлечения белков увеличивает эффективность вставки интересующей последовательности, однако ограничивает применение этой системы клеточными линиями, в которых не используются широко применяемые MS2 адаптеры.
Проблемой, на решение которой направлено данное изобретение, является расширение арсенала средств для увеличения эффективности вставки целевых конструкций в геном человека.
Технический результат заключается в расширении арсенала средств для увеличения эффективности вставки целевых конструкций в геном человека.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Предложен рибонуклеопротеиновый комплекс для редактирования генома человека, исключая клетки зародышевой линии человека, путем вставки в него интересующей последовательности, включающий белок spCas9, связанный с sgRNA-PP7, кодируемой последовательностью SEQ ID NO: 1, которая связана с эффекторным химерным белком, кодируемым последовательностью SEQ ID NO: 2.
Разработанный рибонуклеопротеиновый комплекс может быть доставлен в клетку с помощью трансфекции или электропорации в виде двух векторов.
В нашей работе последовательность химерного эффекторного белка (SEQ ID NO: 2) была получена за счет сшивки последовательности белка РСР - белка адаптерной системы, полученной из бактериофага РР7 (123 а.о.), через линкер с NLS последовательностью для локализации белка в ядре (34 а.о.), с последовательностью гена человеческого CtIP белка (897 а.о.). Для облегчения считывания успешной экспрессии химерного эффекторного белка к его концу через Р2А-Т2А разрезающиеся последовательности был добавлен репортерный красный флуоресцентный белок mRuby. Эта конструкция была клонирована в pCS2+ вектор по сайтам рестрикции BamHI/XbaI. Карта вектора, несущего последовательность химерного эффекторного белка, представлена на фиг.1.
Конструкция, несущая sgRNA-PP7 последовательность (SEQ ID NO: 1), которая была получена внесением двух РР7 шпилек в последовательность sgRNA, под U6 промотором, была клонирована в lentiCRISPR v2 вектор по сайтам рестрикции KpnI/NheI. Карта бицистронного вектора, несущего последовательность spCas9 белка и последовательность sgRNA-PP7 представлена на фиг.2.
Для изменения места вставки интересующей последовательности в геном, целевой участок sgRNA из первых 20 нуклеотидов может быть клонирован в вектор по сайтам рестрикции BsmBI. Последовательность целевой части sgRNA может быть получена отжигом двух олигонуклеотидов. При дизайне олигонуклеотидов для отжига следует использовать 20 нуклеотидов непосредственно перед РАМ участком в выбранном для вставки месте в геноме. При отсутствии G нуклеотида в начале целевой последовательности, этот нуклеотид нужно внести перед целевой частью sgRNA для успешной транскрипции с U6 промотора. Для клонирования по BsmBI сайтам к олигонуклеотиду прямой направленности следует добавить САСС последовательность и к олигонуклеотиду обратной направленности -АААС последовательность.
Для успешного проведения вставки в геном требуется донорный вектор, несущий интересующую последовательностью. В качестве донора использовали конструкцию, несущую левое плечо гомологии к AAVS1 локусу (804 п.н.), SA сигнал акцептора сплайсинга, Т2А разрезающуюся последовательность, флуоресцентный зеленый EGFP белок (239 а.о.), сигнал полиаденилирования bGH poly(A) и правое плечо гомологии к AAVS1 локусу (804 п.н.). Эта конструкция была клонирована в pQE30 вектор по сайтам рестрикции XhoI/XbaI. Карта вектора, несущего донорную последовательность EGFP к AAVS1 локусу, представлена на фиг.3.
При изменении места вставки интересующей последовательности в геном плечи гомологии должны быть подобраны так, чтобы совпадать с последовательностями, окружающими место для вставки. При этом рекомендуется выбирать плечи гомологии так, чтобы участок генома, попадающий в область вставки между плечами гомологии, не превышал 100 п.н., в идеале не превышал 10 п.н. Плечи гомологии не должны содержать целевой последовательности sgRNA или не должны содержать РАМ участка после него. При изменении последовательности, выбранной для встраивания в геном, она должна быть помещена в донорный вектор на место EGFP последовательности.
В качестве примера использовали комплекс для проведения вставки EGFP гена в AAVS1 локус клеточной линии HEK293T. В качестве целевой последовательности был выбран TGTCCCTAGTGGCCCCACTG участок AAVS1 локуса. Для проверки эффективности комплекс был использован в сравнении с существующей MS2 системой адаптеров. Векторы, кодирующие комплексы и донорный вектор, несущий последовательность EGFP, были доставлены в клетку методом электропорации. После электропорации клетки проходили отбор пуромицином в течении трех дней. На четвертый день клетки подвергались анализу на проточном цитофлуориметре. Результаты проточной цитофлуориметрии редактируемых клеток представлены на фиг.4 и в таблице.
R2 областью обозначены EGFP/mRuby положительные клетки, которые прошли геномную вставку EGFP последовательности в AAVS1 локус и содержат химерный эффекторный белок. R3 областью обозначены mRuby положительные клетки, которые не прошли геномную вставку и содержат химерный эффекторный белок. Эффективность вставки рассчитывалась как отношение количества клеток в области R2 к общему количеству клеток в областях R2 и R3.
Клетки, успешно получившие компоненты предлагаемой системы, встраивают интересующую последовательность в клеточный геном, что может быть использовано для моделирования наследственных заболеваний.
Отдельно стоит отметить, что увеличенная эффективность встраивания интересующей последовательности в геном позволит с большей легкостью изучать модели полигенетических заболеваний, вызванных изменениями в нескольких генах, среди которых различные формы диабета, рака и болезней сердца.
Настоящее изобретение не предназначено для модификации генетической целостности клеток зародышевой линии человека, не предполагает использование человеческих эмбрионов.
--->
Перечень последовательностей
<110> Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования «Российский национальный исследовательский
медицинский университет имени Н.И. Пирогова» Министерства здравоохранения
Российской Федерации (Federalnoe gosudarstvennoe autonomnoe obrazovatelnoe
uchrezhdenie vysshego obrazovaniya «Rossijskij natsionalnyj issledovatelskij
meditsinskij universitet imeni N.I. Pirogova» Ministerstva zdravookhraneniya
Rossijskoj Federatsii)
<120> Рибонуклеопротеиновый комплекс для редактирования генома человека
<160> 2
<210> SEQ ID NO: 1
<211> 165
<212> ДНК
<213> Искусственная
<220>
<223> Последовательность, кодирующая sgRNA-PP7
<400> 1
caccggagac gggataccgt ctctgtttta gagctaggcc taaggagttt atatggaaac 60
ccttaggcct agcaagttaa aataaggcta gtccgttatc aacttggcct aaggagttta 120
tatggaaacc cttaggccaa gtggcaccga gtcggtgctt ttttt 165
<210> SEQ ID NO: 2
<211> 3162
<212> ДНК
<213> Искусственная
<220>
<223> Последовательность, кодирующая химерный эффекторный белок
<400> 2
atgggttcca aaaccatcgt tctttcggtc ggcgaggcta ctcgcactct gactgagatc 60
cagtccaccg cagaccgtca gatcttcgaa gagaaggtcg ggcctctggt gggtcggctg 120
cgcctcacgg cttcgctccg tcaaaacgga gccaagaccg cgtatcgcgt caacctaaaa 180
ctggatcagg cggacgtcgt tgattccgga cttccgaaag tgcgctacac tcaggtatgg 240
tcgcacgacg tgacaatcgt tgcgaatagc accgaggcct cgcgcaaatc gttgtacgat 300
ttgaccaagt ccctcgtcgc gacctcgcag gtcgaagatc ttgtcgtcaa ccttgtgccg 360
ctgggccgtc gtctcctggc aagcgctgga ggaggtggaa gcggaggagg aggaagcgga 420
ggaggaggta gcggacctaa gaaaaagagg aaggtggctg ctgctaccgg tatgaacatc 480
tcgggaagca gctgtggaag ccctaactct gcagatacat ctagtgactt taaggacctt 540
tggacaaaac taaaagaatg tcatgataga gaagtacaag gtttacaagt aaaagtaacc 600
aagctaaaac aggaacgaat cttagatgca caaagactag aagaattctt caccaaaaat 660
caacagctga gggaacagca gaaagtcctt catgaaacca ttaaagtttt agaagatcgg 720
ttaagagcag gcttatgtga tcgctgtgca gtaactgaag aacatatgcg gaaaaaacag 780
caagagtttg aaaatatccg gcagcagaat cttaaactta ttacagaact tatgaatgaa 840
aggaatactc tacaggaaga aaataaaaag ctttctgaac aactccagca gaaaattgag 900
aatgatcaac agcatcaagc agctgagctt gaatgtgagg aagacgttat tccagattca 960
ccgataacag ccttctcatt ttctggcgtt aaccggctac gaagaaagga gaacccccat 1020
gtccgataca tagaacaaac acatactaaa ttggagcact ctgtgtgtgc aaatgaaatg 1080
agaaaagttt ccaagtcttc aactcatcca caacataatc ctaatgaaaa tgaaattcta 1140
gtagctgaca cttatgacca aagtcaatct ccaatggcca aagcacatgg aacaagcagc 1200
tatacccctg ataagtcatc ttttaattta gctacagttg ttgctgaaac acttggactt 1260
ggtgttcaag aagaatctga aactcaaggt cccatgagcc cccttggtga tgagctctac 1320
cactgtctgg aaggaaatca caagaaacag ccttttgagg aatctacaag aaatactgaa 1380
gatagtttaa gattttcaga ttctacttca aagactcctc ctcaagaaga attacctact 1440
cgagtgtcat ctcctgtatt tggagctacc tctagtatca aaagtggttt agatttgaat 1500
acaagtttgt ccccttctct tttacagcct gggaaaaaaa aacatctgaa aacactccct 1560
tttagcaaca cttgtatatc tagattagaa aaaactagat caaaatctga agatagtgcc 1620
cttttcacac atcacagtct tgggtctgaa gtgaacaaga tcattatcca gtcatctaat 1680
aaacagatac ttataaataa aaatataagt gaatccctag gtgaacagaa taggactgag 1740
tacggtaaag attctaacac tgataaacat ttggagcccc tgaaatcatt gggaggccga 1800
acatccaaaa ggaagaaaac tgaggaagaa agtgaacatg aagtaagctg cccccaagct 1860
tcttttgata aagaaaatgc tttccctttt ccaatggata atcagttttc catgaatgga 1920
gactgtgtga tggataaacc tctggatctg tctgatcgat tttcagctat tcagcgtcaa 1980
gagaaaagcc aaggaagtga gacttctaaa aacaaattta ggcaagtgac tctttatgag 2040
gctttgaaga ccattccaaa gggcttttcc tcaagccgta aggcctcaga tggcaactgc 2100
acgttgccca aagattcccc aggggagccc tgttcacagg aatgcatcat ccttcagccc 2160
ttgaataaat gctctccaga caataaacca tcattacaaa taaaagaaga aaatgctgtc 2220
tttaaaattc ctctacgtcc acgtgaaagt ttggagactg agaatgtttt agatgacata 2280
aagagtgctg gttctcatga gccaataaaa atacaaacca ggtcagacca tggaggatgt 2340
gaacttgcat cagttcttca gttaaatcca tgtagaactg gtaaaataaa gtctctacaa 2400
aacaaccaag atgtatcctt tgaaaatatc cagtggagta tagatccggg agcagacctt 2460
tctcagtata aaatggatgt tactgtaata gatacaaagg atggcagtca gtcaaaatta 2520
ggaggagaga cagtggacat ggactgtaca ttggttagtg aaaccgttct cttaaaaatg 2580
aagaagcaag agcagaaggg agaaaaaagt tcaaatgaag aaagaaaaat gaatgatagc 2640
ttggaagata tgtttgatcg gacaacacat gaagagtatg aatcctgttt ggcagacagt 2700
ttctcccaag cagcagatga agaggaggaa ttgtctactg ccacaaagaa actacacact 2760
catggtgata aacaagacaa agtcaagcag aaagcgtttg tggagccgta ttttaaaggt 2820
gatgaaagag agactagctt gcaaaatttt cctcatattg aggtggttcg gaaaaaagag 2880
gagagaagaa aactgcttgg gcacacgtgt aaggaatgtg aaatttatta tgcagatatg 2940
ccagcagaag aaagagaaaa gaaattggct tcctgctcaa gacaccgatt ccgctacatt 3000
ccacccaaca caccagagaa tttttgggaa gttggttttc cttccactca gacttgtatg 3060
gaaagaggtt atattaagga agatcttgat ccttgtcctc gtccaaaaag acgtcagcct 3120
tacaacgcaa tattttctcc aaaaggcaag gagcagaaga ca 3162
<---
Рибонуклеопротеиновый комплекс для редактирования генома человека, исключая клетки зародышевой линии человека, путем вставки в него интересующей последовательности, включающий белок spCas9, связанный с sgRNA-PP7, кодируемой последовательностью SEQ ID NO: 1, которая связана с эффекторным химерным белком, кодируемым последовательностью SEQ ID NO: 2.
