CN105647885B - Cas9融合蛋白及其编码序列 - Google Patents
Cas9融合蛋白及其编码序列 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105647885B CN105647885B CN201610038907.6A CN201610038907A CN105647885B CN 105647885 B CN105647885 B CN 105647885B CN 201610038907 A CN201610038907 A CN 201610038907A CN 105647885 B CN105647885 B CN 105647885B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ubiquitin
- cas9
- dna
- sequence
- fusion protein
- 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
- 108091033409 CRISPR Proteins 0.000 title claims abstract description 66
- 108020001507 fusion proteins Proteins 0.000 title claims abstract description 29
- 102000037865 fusion proteins Human genes 0.000 title claims abstract description 29
- 108091026890 Coding region Proteins 0.000 title abstract 2
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 claims abstract description 41
- 238000010363 gene targeting Methods 0.000 claims abstract description 32
- 108090000848 Ubiquitin Proteins 0.000 claims abstract description 27
- 102000044159 Ubiquitin Human genes 0.000 claims abstract description 27
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 24
- 150000001413 amino acids Chemical class 0.000 claims abstract description 16
- 239000012634 fragment Substances 0.000 claims abstract description 14
- 108091028043 Nucleic acid sequence Proteins 0.000 claims abstract description 12
- ROHFNLRQFUQHCH-YFKPBYRVSA-N L-leucine Chemical compound CC(C)C[C@H](N)C(O)=O ROHFNLRQFUQHCH-YFKPBYRVSA-N 0.000 claims abstract description 4
- ROHFNLRQFUQHCH-UHFFFAOYSA-N Leucine Natural products CC(C)CC(N)C(O)=O ROHFNLRQFUQHCH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- ONIBWKKTOPOVIA-UHFFFAOYSA-N Proline Natural products OC(=O)C1CCCN1 ONIBWKKTOPOVIA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 claims description 48
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 23
- 108020004414 DNA Proteins 0.000 claims description 19
- 239000013612 plasmid Substances 0.000 claims description 12
- 239000013604 expression vector Substances 0.000 claims description 8
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 claims description 7
- 201000010099 disease Diseases 0.000 claims description 6
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 4
- 210000004962 mammalian cell Anatomy 0.000 claims description 3
- 238000006062 fragmentation reaction Methods 0.000 claims 7
- 125000002924 primary amino group Chemical group [H]N([H])* 0.000 claims 3
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 claims 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 abstract description 15
- 230000035772 mutation Effects 0.000 abstract description 11
- 239000004475 Arginine Substances 0.000 abstract description 4
- ODKSFYDXXFIFQN-UHFFFAOYSA-N arginine Natural products OC(=O)C(N)CCCNC(N)=N ODKSFYDXXFIFQN-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 4
- 230000013020 embryo development Effects 0.000 abstract description 3
- 210000002308 embryonic cell Anatomy 0.000 abstract description 2
- 210000002257 embryonic structure Anatomy 0.000 abstract description 2
- 230000008685 targeting Effects 0.000 abstract 2
- 210000001161 mammalian embryo Anatomy 0.000 description 23
- 108091027544 Subgenomic mRNA Proteins 0.000 description 13
- 235000018102 proteins Nutrition 0.000 description 12
- 238000010354 CRISPR gene editing Methods 0.000 description 11
- 235000001014 amino acid Nutrition 0.000 description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 9
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 9
- 101000605835 Homo sapiens Serine/threonine-protein kinase PINK1, mitochondrial Proteins 0.000 description 8
- 210000001109 blastomere Anatomy 0.000 description 8
- 101000619542 Homo sapiens E3 ubiquitin-protein ligase parkin Proteins 0.000 description 7
- 238000012239 gene modification Methods 0.000 description 7
- 230000005017 genetic modification Effects 0.000 description 7
- 235000013617 genetically modified food Nutrition 0.000 description 7
- 241000282693 Cercopithecidae Species 0.000 description 6
- 102100038376 Serine/threonine-protein kinase PINK1, mitochondrial Human genes 0.000 description 6
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 6
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 6
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 6
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 6
- 102000045222 parkin Human genes 0.000 description 6
- 108091008146 restriction endonucleases Proteins 0.000 description 6
- 101000900939 Homo sapiens Abnormal spindle-like microcephaly-associated protein Proteins 0.000 description 5
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 description 5
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 5
- 238000012163 sequencing technique Methods 0.000 description 5
- 108091032973 (ribonucleotides)n+m Proteins 0.000 description 4
- KDXKERNSBIXSRK-UHFFFAOYSA-N Lysine Natural products NCCCCC(N)C(O)=O KDXKERNSBIXSRK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010171 animal model Methods 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 230000029087 digestion Effects 0.000 description 4
- 238000000520 microinjection Methods 0.000 description 4
- 230000000869 mutational effect Effects 0.000 description 4
- 239000013600 plasmid vector Substances 0.000 description 4
- 101150034094 ASPM gene Proteins 0.000 description 3
- 102000053602 DNA Human genes 0.000 description 3
- 239000004472 Lysine Substances 0.000 description 3
- 241000288906 Primates Species 0.000 description 3
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 210000001671 embryonic stem cell Anatomy 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 230000006801 homologous recombination Effects 0.000 description 3
- 238000002744 homologous recombination Methods 0.000 description 3
- 238000000338 in vitro Methods 0.000 description 3
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 3
- 230000001404 mediated effect Effects 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 238000013518 transcription Methods 0.000 description 3
- 230000035897 transcription Effects 0.000 description 3
- 230000034512 ubiquitination Effects 0.000 description 3
- 238000010798 ubiquitination Methods 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 208000031873 Animal Disease Models Diseases 0.000 description 2
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 2
- 108020004635 Complementary DNA Proteins 0.000 description 2
- 206010064571 Gene mutation Diseases 0.000 description 2
- 108020005004 Guide RNA Proteins 0.000 description 2
- 238000011558 animal model by disease Methods 0.000 description 2
- 230000000692 anti-sense effect Effects 0.000 description 2
- 239000002585 base Substances 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- YPHMISFOHDHNIV-FSZOTQKASA-N cycloheximide Chemical compound C1[C@@H](C)C[C@H](C)C(=O)[C@@H]1[C@H](O)CC1CC(=O)NC(=O)C1 YPHMISFOHDHNIV-FSZOTQKASA-N 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 238000007877 drug screening Methods 0.000 description 2
- 238000010362 genome editing Methods 0.000 description 2
- 230000008676 import Effects 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 230000017854 proteolysis Effects 0.000 description 2
- 238000012797 qualification Methods 0.000 description 2
- 238000001890 transfection Methods 0.000 description 2
- 238000001262 western blot Methods 0.000 description 2
- 108700028369 Alleles Proteins 0.000 description 1
- 241000024188 Andala Species 0.000 description 1
- 206010068051 Chimerism Diseases 0.000 description 1
- 230000005971 DNA damage repair Effects 0.000 description 1
- 241000252212 Danio rerio Species 0.000 description 1
- 101150060155 Dcc gene Proteins 0.000 description 1
- 102100035102 E3 ubiquitin-protein ligase MYCBP2 Human genes 0.000 description 1
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 1
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 1
- 241000206602 Eukaryota Species 0.000 description 1
- 108700024394 Exon Proteins 0.000 description 1
- 241000282553 Macaca Species 0.000 description 1
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 238000012408 PCR amplification Methods 0.000 description 1
- 208000035106 Primate disease Diseases 0.000 description 1
- 108020004682 Single-Stranded DNA Proteins 0.000 description 1
- 230000004308 accommodation Effects 0.000 description 1
- 101150063416 add gene Proteins 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 201000011510 cancer Diseases 0.000 description 1
- 230000006652 catabolic pathway Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000003113 dilution method Methods 0.000 description 1
- 235000013399 edible fruits Nutrition 0.000 description 1
- 239000000686 essence Substances 0.000 description 1
- 239000013613 expression plasmid Substances 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 238000003198 gene knock in Methods 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 description 1
- 238000009396 hybridization Methods 0.000 description 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 230000006651 lactation Effects 0.000 description 1
- 230000002045 lasting effect Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 108020004999 messenger RNA Proteins 0.000 description 1
- 230000006780 non-homologous end joining Effects 0.000 description 1
- 230000008506 pathogenesis Effects 0.000 description 1
- 229920001184 polypeptide Polymers 0.000 description 1
- 102000004196 processed proteins & peptides Human genes 0.000 description 1
- 108090000765 processed proteins & peptides Proteins 0.000 description 1
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 241000894007 species Species 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
- 230000014621 translational initiation Effects 0.000 description 1
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 1
- 239000013603 viral vector Substances 0.000 description 1
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
- 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 RNAses, DNAses
-
- 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
- C12N15/79—Vectors or expression systems specially adapted for eukaryotic hosts
- C12N15/85—Vectors or expression systems specially adapted for eukaryotic hosts for animal cells
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07K—PEPTIDES
- C07K2319/00—Fusion polypeptide
- C07K2319/95—Fusion polypeptide containing a motif/fusion for degradation (ubiquitin fusions, PEST sequence)
-
- 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
- C12N2800/00—Nucleic acids vectors
- C12N2800/10—Plasmid DNA
- C12N2800/106—Plasmid DNA for vertebrates
- C12N2800/107—Plasmid DNA for vertebrates for mammalian
-
- 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
- C12N2810/00—Vectors comprising a targeting moiety
- C12N2810/10—Vectors comprising a non-peptidic targeting moiety
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Zoology (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Plant Pathology (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Peptides Or Proteins (AREA)
- Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
Abstract
本发明属于生物技术领域,涉及一种融合蛋白及编码融合蛋白的DNA序列。具体地,本发明提供了一种包括Cas9片段及Ubiquitin片段的Cas9融合蛋白及其编码序列。本发明一方面可以使得Cas9蛋白在胚胎细胞中发挥打靶作用之后迅速降解,从而降低了胚胎发育的嵌合突变效应。更重要的是,本发明所提供的Ubiquitin‑i‑Cas9(i为连接Ubiquitin和Cas9的连接子的首位氨基酸,其可以为精氨酸(R)或脯氨酸(P)或亮氨酸(L))蛋白可以提高基因打靶胚胎的纯合效率。尤其是特别优选的Ubiquitin‑R‑Cas9蛋白,其对野生型Cas9蛋白基因打靶效率提高了3.51倍。这是技术人员预期之外的。
Description
技术领域
本发明属于生物技术领域,涉及一种融合蛋白及编码融合蛋白的DNA序列。
技术背景
动物疾病模型在研究人类疾病致病机理和药物筛选中起到了关键作用。非人灵长类动物在生物学、遗传学上与人类高度相似,如猕猴与人类基因组同源性高达93%(Gibbset al.,2007),因而成为人类重大疾病研究和药物筛选的重要动物模型。然而,由于缺乏大动物的胚胎干细胞系,传统的基因打靶技术难于用来建立灵长类动物疾病模型。而近年来发展的基因编辑新技术CRISPR/Cas9在定向对基因进行精确修饰上展现出了巨大的潜力,已被广泛用于不同种属进行基因组改造和基因修饰。同时,该新型技术也被尝试用来治疗一些因基因缺陷导致的疾病(Schwank et al.,2013;Wu et al.,2013)。然而,CRISPR/Cas9技术在基因修饰的精准度上仍有待于提高。
CRISPR/Cas9是一种来源于细菌获得性免疫的由RNA指导Cas蛋白对基因进行编辑和修饰的新技术。Jinek等对CRISPR/Cas9系统进行人工改造使得该系统能够更简单方便地用于基因编辑(Jinek et al.,2013)。Cas9内切酶在向导RNA分子的引导下对特定位点的DNA进行切割,形成双链DNA缺口,然后细胞会借助同源重组机制或者非同源末端连接机制对断裂的DNA进行修复。若细胞通过同源重组机制进行修复,会用另外一段DNA片段填补断裂的DNA缺口,因而会引入一段“新的”遗传信息。目前,RNA介导的Cas9系统能够成功介导细菌、植物细胞、斑马鱼胚胎、小鼠、人源细胞、非人灵长类动物食蟹猴胚胎、甚至人类废弃胚胎等的基因组编辑(Cho et al.,2013;Cong et al.,2013;Jinek et al.,2013;Mali etal.,2013;Niu et al.,2014;Platt et al.,2014;Shan et al.,2013;Chen et al.,2015)。且该技术还可通过基因敲入成功纠正疾病动物的缺陷基因(Schwank et al.,2013;Wu et al.,2013)或者改组为病毒载体建立癌症动物模型(Platt et al.,2014)等,先前的研究成果都为该技术未来应用于人类遗传缺陷疾病的治疗提供了希望。
CRISPR/Cas9系统的飞速发展使得动物疾病模型的建立不再局限于少数的模式生物,使得在所有物种中实现基因组编辑成为可能。该技术使用方便、简单且打靶效率较高,能够实现将一对等位基因进行剪切得到纯合突变,还可在目的基因的多个位点设计多种gRNA以达到完全敲除目的。但该技术目前也存在潜在基因突变嵌合多态性、脱靶效应、基因敲入同源重组效率较低等不足之处。针对基因打靶的嵌合效应问题,由于小动物模型生长周期较短,可通过胚胎干细胞筛选或不断杂交传代而得到纯合突变体,但对于与人类较为接近的灵长类动物而言,其性成熟时间就需要4到5年,妊娠时间高达165天,且目前尚缺乏猴胚胎干细胞系,因此嵌合效应在建立纯合基因突变猴模型上具有巨大挑战性。
嵌合突变效应的发生可能由于注射的Cas9mRNA和sgRNA在受精卵胚胎分裂后仍持续表达,且注射Cas9蛋白也出现此嵌合现象(Platt et al.,2014;Sung et al.,2014)(Sung YH,2014;Kim S,2014),表明Cas9蛋白在细胞内的半衰期较长从而导致受精卵细胞分裂成四细胞、八细胞甚至囊胚时期时,每个细胞因随机分配不同程度的Cas9蛋白而形成不同程度的多种基因修饰类型,所形成的胚胎组织及新生的动物会在不同的细胞或组织中携带不同的基因修饰类型或有不同程度(单链或双链DNA)的基因修饰。此外,细胞自身的DNA损伤修复机制或DNA非同源重组修复等也会影响基因打靶效率及嵌合效应。
在原核和真核生物体内的每种蛋白质都有其寿命特征,又称为半衰期。蛋白质的半衰期与其多肽链N-端特异的氨基酸有关,即N-端法则(Bachmair et al.,1986)。因此可利用N-端法则和带有不同种类氨基酸的泛素融合蛋白(ubiquitin fusion degradation,UFD)降解信号来改变依赖于泛素化降解途径的蛋白质半衰期,比如N端连有Arginine(Ub-R-trageted protein),Leucine(Ub-L--trageted protein),Proline(Ub-P--tragetedprotein)或者Lys(Ub-K--trageted protein)会明显降低目的蛋白的稳定性从而加速降解,而连有Met,Ser,Ala则使得目的蛋白更加稳定(Johnson et al.,1995)。且符合N-端规则的蛋白其降解依赖于第15位或者17位的氨基酸为赖氨酸,因此可在去稳定降解信号和目的蛋白之间插入一段随机氨基酸序列使得目的蛋白的赖氨酸出现在第十七位。而在连接去稳定降解信号和目的蛋白之间的linker上的第三位若为赖氨酸则可进一步增强泛素化效率(Bachmair et al.,1986;Dantuma et al.,2000)。
发明内容
本发明目的在于提供一种Cas9融合蛋白、其编码序列、含有编码序列的质粒及表达载体。
本发明提供的Cas9融合蛋白包括Cas9片段及Ubiquitin片段。Ubiquitin与Cas9的连接子第1位氨基酸不同可获得不同的实验效果。所述的Ubiquitin为Ubiquitin-L、Ubiquitin-P或Ubiquitin-R(L,P,R为Ubiquitin与Cas9的连接子第1位氨基酸的缩写)。
通过质粒改造的方式将Ubiquitin的DNA编码序列连接至Cas9的DNA编码序列上,从而达到加速Cas9蛋白降解的效果。Ubiquitin与Cas9的连接子第1位氨基酸不同可获得不同的实用效果,通过测试我们发现Ubiquitin-R(R表示Ubiquitin与Cas9的连接子第1位氨基酸为精氨酸)效果最佳,Ubiquitin-L、Ubiquitin-P次之。
在本发明的一个优选的实施方案中,Ubiquitin为Ubiquitin-R。
作为优选的实施例,所述的融合蛋白含有如SEQ ID NO.1所示氨基酸序列。发明同时提供了一种Cas9融合蛋白编码序列,其特征在于含有Cas9DNA片段及Ubiquitin DNA片段。
通过测试我们发现Ubiquitin-R(R表示Ubiquitin与Cas9的连接子第1位氨基酸为精氨酸)效果最佳,Ubiquitin-L、Ubiquitin-P次之。
在本发明的一个优选的实施方案中,所述的Ubiquitin为Ubiquitin-R。
作为优选的实施例,所述的编码序列含有如SEQ ID NO.2所示DNA序列。
发明同时提供了包含上述编码序列的质粒、表达载体、或宿主细胞;优选地,所述的载体为Ubiquitin-R-Cas9。
一种基因打靶方法,利用所述融合蛋白或所述编码序列进行基因打靶。优选地,所述基因为哺乳动物基因;更优选地,所述基因为非人类哺乳动物基因;进一步优选地,所述基因为非人类灵长类动物基因。
一种降低动物细胞基因打靶嵌合效应的方法,其利用上述融合蛋白或编码序列进行基因打靶;优选地,所述的细胞为哺乳动物细胞;更优选地,所述的细胞为非人类哺乳动物细胞;进一步优选地,所述的细胞为非人类灵长类动物细胞
作为本发明的一种实施方式,本发明提供了一种显著降低CRISPR/Cas9在非人灵长类动物食蟹猴基因打靶嵌合效应的新方法:即通过添加泛素化降解信号Ubiquitin缩短Cas9蛋白的半衰期以定量控制其仅在受精卵发育早期(二细胞时期或者四细胞时期)发挥基因打靶作用。
在本发明一个特别优选的实施例中,公开了一种含有Ubiquitin特异降解信号的Cas9蛋白序列的改造载体及其在灵长类动物食蟹猴中的应用。具体包括:制备上述改造后的Cas9蛋白序列、构建改造后的质粒载体;设计特异性识别、切割食蟹猴基因组指定位点序列的基因组编辑工具sgRNA,使用共显微注射的方法将所述基因组编辑工具sgRNA、所述改造前(WT-Cas9)和改造后(Ub-i-Cas9)的质粒载体经体外转录生成的Cas9mRNA导入猴单细胞受精卵胚胎,利用单卵裂球分离技术及优化的单细胞PCR技术鉴定基因打靶效率、纯合突变效率。
在下文中,以Ubiquitin-i表示Ubquitin-L、Ubquitin-P或Ubquitin-R任意一种。
基于CRISPR/Cas9介导基因打靶方法,利用本发明提供的融合蛋白进行基因打靶,可以解决CRISPR/Cas9技术存在的基因打靶嵌合效应的问题。我们将此方法具体应用在敲除食蟹猴PINK1,Parkin和ASPM基因的载体构建过程中。我们的实验包括1)改造前Cas9蛋白表达载体MLM3613-Cas9,2)改造后Ubiquitin-i-Cas9蛋白表达载体和携带有PINK1,Parkin和ASPM基因打靶序列的sgRNA表达载体;3)以及使用共具显微注射的方法将所述基因组编辑工具{包括:sgRNA、由所述改造前(WT-Cas9)和改造后(Ub-i-Cas9)的质粒载体经体外转录生成的Cas9mRNA}导入猴单细胞受精卵胚胎;4)利用单卵裂球分离技术及优化的单细胞PCR技术鉴定基因打靶效率、纯合突变效率。
由于嵌合效应的发生与注射后所表达的Cas9蛋白较长的半衰期具有重要联系。通过本发明的方法能够实现在不影响Cas9切割效率的同时通过缩短Cas9蛋白半衰期以定量定时控制其仅在受精卵胚胎发育早期发挥基因打靶作用,从而减少嵌合突变效应,对高效建立非人灵长类动物纯合突变的疾病模型以及基因缺陷修复治疗具有重要意义。
本发明一方面可以使得Cas9蛋白在胚胎细胞中发挥打靶作用之后迅速降解,从而降低了胚胎发育的嵌合突变效应。尤其是特别优选的Ubiquitin-R-Cas9蛋白,纯合打靶突变率比野生型Cas9提高了3.51倍。
更重要的是,本发明所提供的Ubiquitin-i-Cas9蛋白可以提高胚胎基因打靶纯合性。尤其是特别优选的Ubiquitin-R-Cas9蛋白,其对野生型Cas9蛋白胚胎基因打靶纯合性效率提高了350%。这是技术人员预期之外的。
与现有技术相比,本发明的重要性在于:
第一,本发明公开了一种含有Ubiquitin特异降解信号的Cas9蛋白序列的改造载体及其在灵长类动物食蟹猴中的应用,实验证明该改造后的Cas9能够对PINK1,Parkin和ASPM基因进行有效基因打靶,打靶率高达73.83%;并且,与WT-Cas9(8.25%)比较,改造后的Ub-R-Cas9基因打靶纯合突变率高达28.97%,其纯合打靶突变率比WT-Cas9提高了3.51倍。
第二,利用整个胚胎的基因组DNA并不能精确分析Cas9打靶后胚胎中各个细胞的嵌合突变类型和突变率,本发明将注射有打靶RNA的四细胞或者八细胞胚胎分离出单卵裂球,并利用单细胞PCR技术更为精确地分析鉴定同一胚胎来源的不同细胞突变状况和突变率,可靠地证实了Ubiquitin-Cas9融合蛋白在提高打靶纯合突变率方面的显著效果。
第三,为验证本发明所使用的Ub-i-Cas9蛋白因快速降解能力使得受精卵发育至四细胞或者在该时期更早之前便不再发挥打靶作用,本发明利用胚胎单卵裂球分离技术将四细胞胚胎分离而来的单卵裂球再次培养发育为四细胞时进行单细胞PCR,鉴定结果进一步证明Ub-i-Cas9的快速降解可保证四细胞胚胎后期的基因修饰类型的均一性。
本发明所提供的Ub-i-Cas9的使用能够明显降低CRISPR/Cas9所介导的基因打靶嵌合效应,提高其基因修饰精准度,为基因缺陷修复治疗及为高效建立具有纯合突变的大动物模型提供了新方法,具有潜在的重要经济价值和意义。
附图说明
图1为包含有不同氨基酸降解信号(黑体)的Ub-i-Cas9结构示意图。
图2为Ub-i-Cas9质粒构建流程图。
图3为Ub-i-Cas9在293细胞中的表达及半衰期检测;其中,A.Ub-i-Cas9在293细胞中的表达;B.WT-Cas9和UbR-Cas9半衰期;C.图B的相对定量统计。
图4为WT-Cas9和Ub-R-Cas9在食蟹猴胚胎中的表达;其中,a.WT-Cas9和Ub-R-Cas9在食蟹猴胚胎中的表达;b.Ub-R-Cas9在293细胞中基因打靶PCR鉴定及测序结果。
图5为WT-Cas9和Ub-R-Cas9在食蟹猴胚胎中的Parkin基因打靶效率比较;其中,a.WT-Cas9和Ub-R-Cas9在食蟹猴胚胎中打靶效率统计表;b.WT-Cas9和Ub-R-Cas9在食蟹猴胚胎中打靶的PCR代表性结果;c.Ub-R-Cas9在食蟹猴胚胎中打靶测序结果。
图6为单细胞PCR酶切鉴定打靶结果;注射有WT-Cas9和Ub-R-Cas9的受精卵胚胎细胞发育至四细胞时期经单卵裂球分离再培养发育成新四细胞后所分离的单细胞。
具体实施方式
以下对本发明作进一步说明,但本发明的实施方式不局限于以下的实施例介绍,凡依照本发明的原理或理念所作的等同的变化或变通都应视为本发明保护的范畴。
发明涉及的泛素蛋白降解信号Ubiquitin-R-myc序列如SEQ ID NO.3;Ubiquitin-R序列如SEQ ID NO.4;Myc序列如SEQ ID NO.5;Cas9蛋白序列如SEQ ID NO.6。
在具体的实施例中编码本发明的Ubquitin-R-Cas9融合蛋白的编码序列如SEQ IDNO.2.而Ubquitin-L-Cas9、Ubquitin-P-Cas9则是SEQ ID NO.2.第229~231位上的cgc分别替换为cuc、ccc。
实施例1
构建包含不同蛋白降解信号的目的质粒Ub-i-Cas9(i代表R,L,P)表达载体,示意图如图1,所述构建流程方法如下(图2)。
为便于构建,首先用MLM3613Cas9(Addgene,Plasmid#42251,称为WT-Cas9)骨架质粒上的NotI和EcoRI的两酶切位点将含有T7启动子、NcoI克隆酶切位点、翻译起始位点和部分Cas9蛋白序列的片段剪切后连接在pGEX4T-1质粒上(图2a,b),pGEX4T1-NotI-T7-NcoI-Cas9-EcoRI-。随后,设计带有NotI酶切位点以及T7启动子序列I的上游引物和带有Myc-标签序列、L/P/L位点以及NocI酶切位点的下游引物(序列分别如SEQ ID NO.22、SEQ IDNO.23-25所示),在下游引物同时引入L/P/R氨基酸的DNA序列,从HEK293细胞cDNA中扩增出Ubiquitin序列;,将T7-Ubiquitin-L/P/R-myc(由人HEK293细胞cDNA中扩增)序列通过NotI和NcoI克隆酶切位点连接到pGEX4T1-NotI-T7-NcoI-Cas9-EcoRI-载体,如图2c,2d。再将NotI-T7-ubiquitin-L/P/R-Myc tag-Cas9-EcoRI-片段再连接到用NotI和EcoRI两酶切位点线性化的MLM3613-Cas9骨架质粒,成功构建了Ubquitin-R/L/P-Myc tag-Cas9表达载体(图2e)。
SEQ ID NO.22:Ub 5’-1Not1:5’-ATCCGCGGCCGC TAA TAC GAC TCA CTA TAGGGCCATGCAGATCTTCGTGAAGAC-3’T7promoter
3’Primers:
Ub R 3’-204Nco1(SEQ ID NO.23):
5’-ATCCATGGTCTTAGCATGTACCAGATCTTCTTCAGAAATAAG
TTTTTGTTCTTTACCTCGCCCACCTCTGAGACGGAG-3’
Ub L 3’-204Nco1(SEQ ID NO.24):
5’-ATCCATGGTCTTAGCATGTACCAGATCTTCTTCAGAAATAAG
TTTTTGTTCTTTACCTAGCCCACCTCTGAGACGGAG-3’
Ub P 3’-204Nco1(SEQ ID NO.25):
5’-ATCCATGGTCTTAGCATGTACCAGATCTTCTTCAGAAATAAG
TTTTTGTTCTTTACCTGGCCCACCTCTGAGACGGAG-3’
构建好的含有Ub-i-Cas9的表达质粒载体使用引物扩增法对其序列进行测序验证,测序结果验证了构建成功。
实施例2
构建含有PINK1,Parkin和ASPM基因靶序列的CRISPR/Cas9的sgRNA载体。
表1.靶序列位点
注:划线部分序列为sgRNA的PAM序列,即其与目标DNA序列的结合位点。
将上述所构建的sgRNA靶序列载体及改造前、改造后的Cas9质粒载体用PmeI酶线性化后胶回收,体外转录合成RNA。
所述的sgRNA表达载体,含有一个T7启动子控制sgRNA的表达,在用BbsI限制酶切消化后可插入20bp sgRNA的特异靶序列,该特异靶序列的识别位点位于PINK1基因第二外显子,Parkin基因第二外显子,ASPM基因第三外显子和第十外显子。为了筛选能够进行基因编辑且脱靶效应较小的PINK1和ASPM基因的sgRNA序列,申请人利用NCBI的Blast软件在猕猴的PINK1基因和食蟹猴的ASPM基因序列上分别筛选了脱靶效应低且符合CRISPR/Cas9结合基因组特征(5’-G(19N)-NGG3’)或者(5’-CCN(19N)-C-3’)的靶序列位点,如表1,构建方法参考已有文献(Chang et al.,2013)。
实施例3
构建的Ub-i-Cas9(i代表L P,R)质粒半衰期检测。
首先,将WT-Cas9和Ub-i-Cas9质粒转染至293细胞,转染48小时后,Western blot检测Cas9蛋白表达量结果显示,以WT-Cas9为100%计,Ub-L-Cas9、Ub-P-Cas9、Ub-R-Cas9分别降解至84.76%、80.92%和63.89%。
尤其是其中的Ub-R-Cas9,其序列上与Ub-L-Cas9、Ub-P-Cas9相交虽然只有一个碱基的差别,然而惊奇的发现是其降解速率显著地快于其他融合蛋白,达到了非常难得的程度。
随后,我们比较了WT-Cas9和Ub-R-Cas9的半衰期,即在质粒转染24小时后,添加50微摩尔放线菌酮至培养基中,分别在0h,2h,4h,8h,12h,24h收集细胞,Western blot检测结果如图3B,C所示,与WT-Cas9相比,Ub-R-Cas9蛋白半衰期显著缩短,在4小时便降解了约百分之五十。
其次,将WT-Cas9和Ubquitin-R-Cas9体外转录合成mRNA显微注射于食蟹猴胚胎,如表2所示,免疫组化结果显示Ubquitin-R-Cas9在食蟹猴胚胎中比WT-Cas9降解速度明显加快。Ub-R-Cas9在注射48小时后的胚胎中含量比WT-Cas9少了69.18%。
表2.Ubquitin-R-Cas9与WT-Cas9在胚胎中的Cas9残留量比较
注射24h后残留量 | 注射48h后残留量 | |
Ub-R-Cas9 | 63.38 | 18.96 |
WT-Cas9 | 100% | 61.53 |
实施例4
所述成功构建的Ub-R-Cas9基因打靶功能及效率检测。
首先,将WT-Cas9/Pink2-2sgRNA和Ub-R-Cas9/Pink2-2sgRNA质粒分别转染至293细胞,48小时后通过逐级稀释方法挑选单个细胞或者多个细胞进行PCR鉴定,经T7E1检测及测序确认Ub-R-Cas9具有正常基因打靶功能,如图4b。
其次,将WT-Cas9或者Ub-R-Cas9mRNA与sgRNA共显微注射入猴单细胞胚胎。待胚胎发育至四细胞或八细胞时期分出单卵裂球进行单细胞PCR鉴定(PCR扩增引物序列见表3)。此外,可利用胚胎单卵裂球分离方式将注射有WT-Cas9和Ub-R-Cas9的四细胞胚胎分离而来的单卵裂球再次培养发育为四细胞时进行单细胞PCR,鉴定结果如图6。
表3.扩增引物序列
结果表明:该改造后的Ub-R-Cas9载体能够对PINK1,Parkin和ASPM基因进行基因打靶,打靶率高达73.83%。且Ub-R-Cas9与WT-Cas9(8.25%)相比能够明显提高纯合基因敲除的概率高达28.97%,提高了约3.5倍,如图5。此外,图6结果也进一步证明Ub-R-Cas9因具有快速降解能力从而保证四细胞胚胎后期的基因修饰类型的同一性,明显降低了WT-Cas9因半衰期较长而导致的持续打靶所引起的嵌合效应。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均未脱离本发明的内容,都包含在本发明的保护范围内。
Claims (14)
1.一种Cas9融合蛋白,包括Cas9片段及Ubquitin片段,其特征在于所述的Ubiquitin为Ubiquitin-L、Ubiquitin-P或Ubiquitin-R;
当Ubiquitin为Ubiquitin-R时,融合蛋白的氨基酸序列为如SEQ-ID NO.1所示的氨基酸序列;
当Ubiquitin为Ubiquitin-L时,融合蛋白的氨基酸序列为如SEQ-ID NO.1所示的氨基酸序列,其中第77位替换为Leucine(亮氨酸);
当Ubiquitin为Ubiquitin-P时,融合蛋白的氨基酸序列为如SEQ-ID NO.1所示的氨基酸序列,其中第77位替换为Proline(脯氨酸)。
2.如权利要求1所述的融合蛋白,其特征在于其序列为如SEQIDNO.1所示氨基酸序列。
3.一种Cas9融合蛋白编码序列,含有Cas9DNA片段及UbquitinDNA片段,其特征在于所述的UbquitinDNA片段为Ubiquitin-L DNA片段、Ubiquitin-PDNA片段或Ubiquitin-R DNA片段;
当Ubiquitin DNA片段为Ubiquitin-R DNA片段时,融合蛋白编码的DNA序列为如SEQ-ID NO.2所示的DNA序列;
当Ubiquitin DNA片段为Ubiquitin-P DNA片段时,融合蛋白编码的DNA序列为如SEQ-ID NO.2所示的DNA序列,其中第229-231位替换为ccc;
当Ubiquitin DNA片段为Ubiquitin-L DNA片段时,融合蛋白编码的DNA序列为如SEQ-ID NO.2所示的DNA序列,其中第229-231位替换为cuc。
4.如权利要求3所述的编码序列,其特征在于其序列为如SEQIDNO.2所示DNA序列。
5.一种含如权利要求3-4任一所述序列的质粒。
6.一种含如权利要求3-4任一所述序列的表达载体。
7.一种基因打靶方法,其特征在于利用如权利要求1-2任一所述融合蛋白或权利要求3-4任一所述编码序列进行基因打靶,所述方法不用于疾病的诊断或治疗。
8.如权利要求7所述的基因打靶方法,其特征在于所述基因为哺乳动物基因。
9.如权利要求8所述的基因打靶方法,其特征在于所述基因为非人类哺乳动物基因。
10.如权利要求9所述的基因打靶方法,其特征在于所述基因为非人类灵长类动物基因。
11.一种降低动物细胞基因打靶嵌合效应的方法,其特征在于利用如权利要求1-2任一所述融合蛋白或权利要求3-4任一所述编码序列进行基因打靶,所述方法不用于疾病的诊断或治疗。
12.如权利要求11所述的降低动物细胞基因打靶嵌合效应的方法,其特征在于所述的细胞为哺乳动物细胞。
13.如权利要求12所述的降低动物细胞基因打靶嵌合效应的方法,其特征在于所述的细胞为非人类哺乳动物细胞。
14.如权利要求13所述的降低动物细胞基因打靶嵌合效应的方法,其特征在于所述的细胞为非人类灵长类动物细胞。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201610038907.6A CN105647885B (zh) | 2016-01-20 | 2016-01-20 | Cas9融合蛋白及其编码序列 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201610038907.6A CN105647885B (zh) | 2016-01-20 | 2016-01-20 | Cas9融合蛋白及其编码序列 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN105647885A CN105647885A (zh) | 2016-06-08 |
CN105647885B true CN105647885B (zh) | 2017-08-18 |
Family
ID=56487808
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201610038907.6A Active CN105647885B (zh) | 2016-01-20 | 2016-01-20 | Cas9融合蛋白及其编码序列 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN105647885B (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11788088B2 (en) | 2017-09-26 | 2023-10-17 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | CRISPR/Cas system and method for genome editing and modulating transcription |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108998452B (zh) * | 2018-07-11 | 2019-11-19 | 暨南大学 | 一种脑黑质基因敲除快速建立帕金森病动物模型的方法 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103981215A (zh) * | 2014-05-23 | 2014-08-13 | 安徽省农业科学院水稻研究所 | 一种用于基因工程的骨干质粒载体及应用 |
WO2015048690A1 (en) * | 2013-09-27 | 2015-04-02 | The Regents Of The University Of California | Optimized small guide rnas and methods of use |
CN104531632A (zh) * | 2014-11-18 | 2015-04-22 | 李云英 | 快速降解的Cas9-ODC422-461融合蛋白及其应用 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103725712B (zh) * | 2014-01-17 | 2016-03-30 | 上海金卫生物技术有限公司 | 一种无物种限制的条件性基因敲除用中间载体及其制备方法和用途 |
-
2016
- 2016-01-20 CN CN201610038907.6A patent/CN105647885B/zh active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2015048690A1 (en) * | 2013-09-27 | 2015-04-02 | The Regents Of The University Of California | Optimized small guide rnas and methods of use |
CN103981215A (zh) * | 2014-05-23 | 2014-08-13 | 安徽省农业科学院水稻研究所 | 一种用于基因工程的骨干质粒载体及应用 |
CN104531632A (zh) * | 2014-11-18 | 2015-04-22 | 李云英 | 快速降解的Cas9-ODC422-461融合蛋白及其应用 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11788088B2 (en) | 2017-09-26 | 2023-10-17 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | CRISPR/Cas system and method for genome editing and modulating transcription |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN105647885A (zh) | 2016-06-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN105647969B (zh) | 一种基因敲除选育stat1a基因缺失型斑马鱼的方法 | |
CN107058320B (zh) | Il7r基因缺失斑马鱼突变体的制备及其应用 | |
CN104293828B (zh) | 植物基因组定点修饰方法 | |
CN106467909A (zh) | 一种通过核苷酸定点替换获得抗草甘膦水稻的方法 | |
CN111926017B (zh) | 一种csf1ra基因缺失斑马鱼突变体的制备及其应用 | |
CN104611368B (zh) | 重组后不产生移码突变的载体、在爪蛙基因组中进行基因定点敲入的方法及应用 | |
UA119135C2 (uk) | Спосіб отримання трансгенної рослини | |
SA519401668B1 (ar) | نواتج طفرة من الطحالب عالية الإنتاجية لها هوائي تخليقي ضوئي مُخفّض | |
CN112410341B (zh) | 一种可诱导的中性粒细胞特异性剔除的小鼠模型构建方法 | |
CN112760324B (zh) | 一种提高家蚕产丝量的方法 | |
CN105505879B (zh) | 一种培养转基因动物胚胎细胞或转基因动物的方法及培养基 | |
CN109266680A (zh) | 一种应用Cas9技术制备CKO/KI动物模型的方法 | |
CN108103108A (zh) | Cebpa基因缺失斑马鱼突变体的制备及其应用 | |
CN110484549A (zh) | 基因组靶向修饰方法 | |
CN110144004A (zh) | Gmpplcyp8蛋白及其相关生物材料在调控植物固氮能力中的应用 | |
CN104351096A (zh) | 一种大鳞副泥鳅良种选育方法 | |
CN105647885B (zh) | Cas9融合蛋白及其编码序列 | |
CN110078804A (zh) | 一种提高植物和微生物耐低氮胁迫能力的蛋白质及其基因 | |
CN110066805A (zh) | 基因敲除选育adgrf3b基因缺失型斑马鱼的方法 | |
CN107805632A (zh) | OsMKK6蛋白及编码基因在调控植物种子发育中的应用 | |
CN113249362B (zh) | 经改造的胞嘧啶碱基编辑器及其应用 | |
CN108998452B (zh) | 一种脑黑质基因敲除快速建立帕金森病动物模型的方法 | |
CN109929876A (zh) | Vps28基因敲除小鼠动物模型的构建方法和应用 | |
CN108250285A (zh) | 一种与大口黑鲈快速生长相关的单倍型标记及其应用 | |
CN105440111B (zh) | 一对转录激活子样效应因子核酸酶及其编码序列与应用 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |