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KR20170030729A - Editing CGG triplet repeats using Endonuclease for Targeting Fragile X mental retardation 1 - Google Patents

Editing CGG triplet repeats using Endonuclease for Targeting Fragile X mental retardation 1 Download PDF

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Abstract

본 발명은 FMR1(Fragile X mental retardation 1) 유전자를 타겟으로 하는 엔도뉴클레아제를 이용한 CGG 반복 염기서열 부위의 교정 및 이를 이용한 취약 X 증후군(Fragile X syndrome)의 치료에 관한 것이다. 본 발명의 CGG 반복 염기서열 부위의 교정은 상동재조합을 위한 외인성(exogenous) 기여 서열(donor sequence)의 이용이나 야생형 대립유전자의 이용 없이, 엔도뉴클레아제에 의하여 유도된 NHEJ(non-homologous end joining)를 통한 비정상적인 CGG 반복의 결실-매개 교정(deletion-mediated correction)이다.The present invention relates to the correction of a CGG repeat sequence region using an endonuclease targeted to the FMR1 (Fragile X mental retardation 1) gene and the treatment of Fragile X syndrome using the same. Calibration of the CGG repeat sequence region of the present invention can be accomplished by using an exogenous donor sequence for homologous recombination or using a non-homologous end joining (NHEJ) ) Is a deletion-mediated correction of abnormal CGG repetition.

Description

FMR1 유전자를 타겟으로 하는 엔도뉴클레아제를 이용한 CGG 반복의 교정{Editing CGG triplet repeats using Endonuclease for Targeting Fragile X mental retardation 1}{Editing CGG triplet repeats using Endonuclease for Targeting Fragile X mental retardation 1} using the endonuclease targeting the FMR1 gene.

본 발명은 FMR1(Fragile X mental retardation 1) 유전자를 타겟으로 하는 엔도뉴클레아제를 이용한 CGG 반복 염기서열 부위의 교정 및 이를 이용한 취약 X 증후군(Fragile X syndrome)의 치료에 관한 것이다.The present invention relates to the correction of a CGG repeat sequence region using an endonuclease targeted to the FMR1 (Fragile X mental retardation 1) gene and the treatment of Fragile X syndrome using the same.

취약 X 증후군(Fragile X syndrome, FXS)은 남성에서 3600명 중 한명의 비율로 발생하는 지적장애의 가장 흔한 유전질환으로서, X 염색체에 위치하는 FMR1 유전자의 침묵(silencing)에 의하여 발병한다(1-3). FXS의 원인 돌연변이는 FMR1의 5'-UTR(5'-untranslated region) 내의 트리플 뉴클레오티드 CGG 반복(CGG repeat)의 확대이다(4-5). 정상인은 5 내지 55 카피의 CGG 반복을 갖는 반면, 환자는 200 카피 이상을 가지고 있는 등 완전변이(full mutation)되어 있다(6). 완전 변이를 갖는 환자의 FMR1의 침묵은 비정상적인 DNA 메틸화와 CGG 반복의 후성학적 변화(epigenetic change)와 관련되어 있음이 증명되었다(7-10).Fragile X syndrome (FXS) is the most common genetic disorder of intellectual disability occurring in one out of 3600 men in men and is caused by the silencing of the FMR1 gene located on the X chromosome (1-3 ). The causative mutation of FXS is the expansion of the triple nucleotide CGG repeat (CGG repeat) in the 5'-untranslated region of FMR1 (4-5). Normal persons have CGG repeats of 5 to 55 copies, while patients have more than 200 copies of full mutation (6). The silencing of FMR1 in patients with complete mutations has been demonstrated to be associated with abnormal DNA methylation and epigenetic changes in CGG repeat (7-10).

한편, 병에 걸린 사람 유래의 환자 특이적 iPSC(induced pluripotent stem cell)는 원인 돌연변이의 교정을 통한 유전 질환의 치료 및 연구를 위한 유망한 치료자원으로서 제안되었다.On the other hand, patient-specific iPSC (induced pluripotent stem cells) derived from diseased persons have been proposed as promising therapeutic resources for the treatment and research of genetic diseases through the correction of causative mutations.

본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.Numerous papers and patent documents are referenced and cited throughout this specification. The disclosures of the cited papers and patent documents are incorporated herein by reference in their entirety to better understand the state of the art to which the present invention pertains and the content of the present invention.

Crawford, D.C., Acuna, J.M., and Sherman, S.L. (2001). FMR1 and the fragile X syndrome: human genome epidemiology review. Genet. Med. 3, 359-371 Crawford, D. C., Acuna, J. M., and Sherman, S. L. et al. (2001). FMR1 and the fragile X syndrome: human genome epidemiology review. Genet. Med. 3, 359-371 O'Donnell, W.T., and Warren, S.T. (2002). A decade of molecular studies of fragile X syndrome. Ann. Rev. Neurosci. 25, 315-338. O'Donnell, W.T., and Warren, S.T. (2002). A decade of molecular studies of fragile X syndrome. Ann. Rev. Neurosci. 25, 315-338. Penagarikano, O., Mulle, J.G., and Warren, S.T. (2007). The pathophysiology of fragile x syndrome. Ann. Rev.Ggenomics Hum. Genet. 8, 109-129 Penagarikano, O., Mulle, J. G., and Warren, S. T. (2007). The pathophysiology of fragile x syndrome. Ann. Rev. Ggenomics Hum. Genet. 8, 109-129 Fu, Y.H., Kuhl, D.P., Pizzuti, A., Pieretti, M., Sutcliffe, J.S., Richards, S., Verkerk, A.J., Holden, J.J., Fenwick, R.G., Jr., Warren, S.T., and et al. (1991). Variation of the CGG repeat at the fragile X site results in genetic instability: resolution of the Sherman paradox. Cell67,1047-1058 Fuer, Y. H., Kuhl, D. P., Pizzuti, A., Pieretti, M., Sutcliffe, J. S., Richards, S., Verkerk, A. J., Holden, J. J., Fenwick, R. G., Jr., Warren, S. T., et al. (1991). Variation of the CGG repeat at the fragile X site results in genetic instability: resolution of the Sherman paradox. Cell67,1047-1058 Verkerk, A.J., Pieretti, M., Sutcliffe, J.S., Fu, Y.H., Kuhl, D.P., Pizzuti, A., Reiner, O., Richards, S., Victoria, M.F., Zhang, F.P., and et al. (1991). Identification of a gene (FMR-1) containing a CGG repeat coincident with a breakpoint cluster region exhibiting length variation in fragile X syndrome. Cell65,905-914. Verkerk, A. J., Pieretti, M., Sutcliffe, J. S., Fu, Y. H., Kuhl, D. P., Pizzuti, A., Reiner, O., Richards, S., Victoria, M. F., Zhang, F. P., et al. (1991). Identification of a gene (FMR-1) containing a CGG repeats coincident with a breakpoint cluster region exhibiting length variation in fragile X syndrome. Cell 65,905-914. Pearson, C.E., Nichol Edamura, K., and Cleary, J.D. (2005). Repeat instability: mechanisms of dynamic mutations. Nat. Rev. Genet. 6, 729-742. Pearson, C. E., Nichol Edamura, K., and Cleary, J. D. (2005). Repeat instability: mechanisms of dynamic mutations. Nat. Rev. Genet. 6, 729-742. Urbach, A., Bar-Nur, O., Daley, G.Q., and Benvenisty, N. (2010). Differential modeling of fragile X syndrome by human embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells. Cell Stem Cell6,407-411. Urbach, A., Bar-Nur, O., Daley, G. Q., and Benvenisty, N. (2010). Differential modeling of fragile X syndrome by human embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells. Cell Stem Cell 6,407-411. Eiges, R., Urbach, A., Malcov, M., Frumkin, T., Schwartz, T., Amit, A., Yaron, Y., Eden, A., Yanuka, O., Benvenisty, N., and Ben-Yosef, D. (2007). Developmental study of fragile X syndrome using human embryonic stem cells derived from preimplantation genetically diagnosed embryos. Cell Stem Cell1,568-577. A., Yaron, Y., Eden, A., Yanuka, O., Benvenisty, N., R., Urbach, A., Malcov, M., Frumkin, T., Schwartz, T., Amit, A., and Ben-Yosef, D. (2007). Developmental study of fragile X syndrome using human embryonic stem cells derived from preimplantation genetically diagnosed embryos. Cell Stem Cell 1,568-577. Avitzour, M., Mor-Shaked, H., Yanovsky-Dagan, S., Aharoni, S., Altarescu, G., Renbaum, P., Eldar-Geva, T., Schonberger, O., Levy-Lahad, E., Epsztejn-Litman, S., and Eiges, R. (2014). FMR1 epigenetic silencing commonly occurs in undifferentiated fragile X-affected embryonic stem cells. Stem Cell Rep. 3, 699-706 Eldar-Geva, T., Schonberger, O., Levy-Lahad, S., Altarescu, G., Renbaum, P., E., Epsztejn-Litman, S., and Eiges, R. (2014). FMR1 epigenetic silencing commonly occurs in undifferentiated fragments of X-affected embryonic stem cells. Stem Cell Rep. 3, 699-706 Tabolacci, E., Moscato, U., Zalfa, F., Bagni, C., Chiurazzi, P., and Neri, G. (2008). Epigenetic analysis reveals a euchromatic configuration in the FMR1 unmethylated full mutations. Eur. J. Hum. Genet. 16, 1487-1498 Tabolacci, E., Moscato, U., Zalfa, F., Bagni, C., Chiurazzi, P., and Neri, G. (2008). Epigenetic analysis reveals an euchromatic configuration in the FMR1 unmethylated full mutations. Eur. J. Hum. Genet. 16, 1487-1498

본 발명자들은 FMR1 유전자의 5'-UTR 내 CGG 반복 염기서열 부위에 의해 유발되는 취약 X 증후군에 대한 효율적이고 근원적인 치료방법을 개발하기 위하여 연구 노력하였다. 그 결과, 상기 CGG 반복 염기서열 부위의 위쪽(upstream) 부위를 타겟팅하는 가이드 RNA 및 타겟팅 된 부위를 절단하는 RNA-유도 엔도뉴클레아제를 이용하여 일정 카피수 이상의 CGG 트리뉴클레오티드를 성공적으로 제거할 수 있고, 이러한 CGG 트리뉴클레오티드의 제거가 줄기세포의 능력에는 영향을 미치지 않음을 확인함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.The present inventors have made efforts to develop an efficient and fundamental treatment method for the fragile X syndrome caused by the CGG repeating base sequence region in the 5'-UTR of the FMR1 gene. As a result, it is possible to successfully remove a CGG trinucleotide having a constant copy number or more by using an RNA-inducing endonuclease that cleaves a guide RNA targeting the upstream region of the CGG repetitive base sequence region and a targeted region And confirming that the removal of such CGG trinucleotide does not affect the ability of stem cells, the present invention has been completed.

따라서, 본 발명의 목적은 FMR1 유전자의 CGG 반복 염기서열 부위의 교정용 조성물을 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a composition for correcting the CGG repeating base sequence region of the FMR1 gene.

본 발명의 다른 목적은 FMR1 유전자의 CGG 반복 염기서열 부위가 교정된 유도만능 줄기세포의 제조방법을 제공하는 데 있다.It is another object of the present invention to provide a method for producing induced pluripotent stem cells in which the CGG repetitive base sequence region of the FMR1 gene is corrected.

본 발명의 또 다른 목적은 FMR1 유전자의 CGG 반복 염기서열 부위가 교정된 배아줄기세포의 제조방법을 제공하는 데 있다.It is still another object of the present invention to provide a method for producing embryonic stem cells in which the CGG repeating base sequence region of the FMR1 gene is corrected.

본 발명의 또 다른 목적은 취약 X 증후군 치료용 조성물을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a composition for treating Fragile X syndrome.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.Other objects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the invention, claims and drawings.

본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 다음을 포함하는 FMR1(fragile X mental retardation 1) 유전자의 CGG 반복 염기서열 부위의 교정용 조성물을 제공한다:According to one aspect of the present invention, there is provided a composition for correcting a CGG repetitive base sequence region of an FMR1 (fragile X mental retardation 1) gene comprising:

(a) RNA-유도 엔도뉴클레아제 또는 상기 RNA-유도 엔도뉴클레아제를 암호화하는 뉴클레오티드; 및(a) a nucleotide encoding an RNA-derived endonuclease or the RNA-derived endonuclease; And

(b) 상기 CGG 반복 염기서열 부위의 시작 위치에서부터 위쪽(upstream)에 위치하는 100여개의 뉴클레오티드 서열 내에 존재하는 15-25 bp 길이의 뉴클레오티드 서열 또는 상기 CGG 반복 염기서열 부위의 끝 위치에서부터 아래쪽(downstream)에 위치하는 50여개의 뉴클레오티드 서열 내에 존재하는 15-25 bp 길이의 뉴클레오티드 서열을 특이적으로 인식하는 유도 RNA(guiding RNA), 또는 상기 유도 RNA를 암호화하는 뉴클레오티드.(b) a nucleotide sequence having a length of 15-25 bp existing in 100 nucleotide sequences located upstream from the starting position of the CGG repeating nucleotide sequence region or a nucleotide sequence of 15-25 bp long nucleotide sequence located downstream from the end position of the CGG repeating nucleotide sequence region (Guiding RNA) that specifically recognizes a nucleotide sequence of 15-25 bp in the nucleotide sequence of 50 or more nucleotides located in the nucleotide sequence of SEQ ID NO:

본 발명자들은 FMR1 유전자의 5'-UTR 내 CGG 반복 염기서열 부위에 의해 유발되는 취약 X 증후군에 대한 효율적이고 근원적인 치료방법을 개발하기 위하여 연구 노력하였다. 그 결과, 상기 CGG 반복 염기서열 부위의 위쪽(upstream) 부위를 타겟팅하는 가이드 RNA 및 타겟팅 된 부위를 절단하는 RNA-유도 엔도뉴클레아제를 이용하여 일정 카피수 이상의 CGG 트리뉴클레오티드를 성공적으로 제거할 수 있고, 이러한 CGG 트리뉴클레오티드의 제거가 줄기세포의 능력에는 영향을 미치지 않음을 확인하였다.The present inventors have made efforts to develop an efficient and fundamental treatment method for the fragile X syndrome caused by the CGG repeating base sequence region in the 5'-UTR of the FMR1 gene. As a result, it is possible to successfully remove a CGG trinucleotide having a constant copy number or more by using an RNA-inducing endonuclease that cleaves a guide RNA targeting the upstream region of the CGG repetitive base sequence region and a targeted region , And it was confirmed that the removal of the CGG trinucleotide did not affect the ability of stem cells.

본 발명자들이 확인한 본 발명과 관련된 주요 실험결과는 다음과 같다.The main experimental results confirmed by the inventors of the present invention are as follows.

본 발명자들은 RGEN(RNA-guided endonucleases) 시스템을 사용하여 FMR1의 5′-UTR 내에 위치한 CGG 반복부위를 교정하였으며, CGG 반복의 제거가 FXS 환자 유래의 iPSC(FXS-iPSC)에서 억제(silenced)된 FMR1 유전자 발현의 재활성화를 유도할 수 있음을 규명하였다. 또한, 본 발명자들은 CGG 반복이 교정된 FXS 환자의 세포에서 FMR1 프로모터의 완전한 DNA 탈메틸화가 야기되었음을 규명하였으며, 이러한 결과는 FXS-iPSC의 FMR1 프로모터의 DNA 메틸화 상태가 CGG 반복에 의존적이며, CGG 반복의 메틸화 상태에 따라 계속적으로 유지되고 있음을 보여준다. 이상과 같은 연구는, 교정용 주형 DNA의 사용 없이, 환자 특이적 iPSC에서 CGG 반복부위의 완전 변이를 조작된 뉴클레아제를 사용하여 교정시킬 수 있음을 최초로 규명한 연구이다. 이와 같은 전략은 FXS 치료를 위한 세포 치료에 적용될 수 있다.We used a RNA-guided endonucleases (RGEN) system to calibrate the CGG repeat site located within the 5'-UTR of FMR1 , and the removal of the CGG repeat was silenced by iPSC (FXS-iPSC) It is possible to induce the re-activation of FMR1 gene expression. We also found that complete DNA demethylation of the FMR1 promoter was induced in the cells of the FXS patient with CGG iterations corrected, and these results indicate that the DNA methylation status of the FMR1 promoter of FXS-iPSC is dependent on the CGG repeat, Of the methylation status of the mice. These studies were the first to confirm that complete mutation of CGG repeat sites in patient-specific iPSC can be corrected using engineered nuclease without the use of orthodontic template DNA. This strategy can be applied to cell therapy for FXS treatment.

본 명세서에서 사용된 용어, "뉴클레오티드"는 단일가닥 또는 이중가닥 형태로 존재하는 디옥시리보뉴클레오티드 또는 리보뉴클레오티드이며, 다르게 특별하게 언급되어 있지 않은 한 자연의 뉴클레오티드의 유사체를 포함한다(Scheit, Nucleotide Analogs, John Wiley, New York(1980); Uhlman 및 Peyman, Chemical Reviews, 90:543-584(1990)).As used herein, the term "nucleotide" is a deoxyribonucleotide or ribonucleotide present in single or double stranded form, and includes analogs of natural nucleotides unless otherwise specifically indicated (Scheit, Nucleotide Analogs, John Wiley, New York (1980); Uhlman and Peyman, Chemical Reviews, 90: 543-584 (1990)).

본 명세서에서 사용된 용어, "특이적으로 인식"은 본 발명의 타겟 서열과의 상보성에 기초하여 이를 선택적으로 인식하는 것을 의미하며, 이에 "특이적으로 결합(annealing)"과 동일한 의미로 사용될 수 있다. 상기 용어, "상보적"은 소정의 어닐링 또는 혼성화 조건 하에서 본 발명의 유도 RNA가 타겟 핵산 서열에 선택적으로 혼성화 할 정도로 충분히 상보적인 것을 의미하며, 실질적으로 상보적(substantially complementary) 및 완전히 상보적(perfectly complementary)인 것을 모두 포괄하는 의미를 가진다.As used herein, the term "specifically recognized" means selectively recognizing it based on complementarity with the target sequence of the present invention and may be used interchangeably with "specifically annealing" have. The term "complementary" means that the inducible RNA of the present invention under conditions of annealing or hybridization is sufficiently complementary to selectively hybridize to the target nucleic acid sequence, and is substantially complementary and completely complementary perfectly complementary).

상기 용어, "실질적으로 상보적"은 완전히 일치되는 서열뿐만 아니라, 특정 서열에 어닐링 할 수 있는 범위 내에서, 유도 RNA와 FMR1 유전자의 핵산 서열 사이에 부분적으로 불일치되는 서열이 포함된다는 의미이다.The term "substantially complementary" means not only a fully matched sequence, but also a sequence that is partially inconsistent between the nucleic acid sequences of the inducible RNA and the FMR1 gene, to the extent that it can be annealed to a particular sequence.

본 명세서에서 사용된 용어, "CGG 반복 염기서열 부위"는 FXS의 병인으로 여겨지는 FMR1 유전자의 5'-UTR 내의 CGG 트리뉴클레오티드가 반복적으로 나타나는 부위를 의미한다. FXS 환자는 상기 CGG 반복 염기서열 부위에 200 카피수 이상의 CGG 트리뉴클레오티드를 갖는 것으로 알려져 있다. 본 명세서에서, 상기 "CGG 반복 염기서열 부위"는 "CGG 반복" 또는 "CGG 반복부위"와 실질적으로 동일한 의미로서, 이들 용어는 서로 혼용되어 사용될 수 있다.As used herein, the term "CGG repetitive nucleotide sequence region" refers to a site in which the CGG trinucleotide in the 5'-UTR of the FMR1 gene, which is considered to be a pathogen of FXS, appears repeatedly. FXS patients are known to have over 200 copies of the CGG trinucleotide at the CGG repeat sequence. In the present specification, the "CGG repeating base sequence region" has substantially the same meaning as "CGG repeat" or "CGG repeat region", and these terms can be used interchangeably.

본 명세서에서 사용된 용어, "CGG 반복 염기서열 부위의 교정"은 CGG 반복 염기서열 부위의 위쪽(upstream) 또는 아래쪽(downstream) 뉴클레오티드 서열의 절단에 의한 일정 카피수 이상의 CGG 트리뉴클레오티드(CGG 반복 염기서열 부위에 존재하던)가 제거되는 것을 의미한다. 따라서, 상기 용어 "CGG 반복 염기서열 부위의 교정"은 "CGG 트리뉴클레오티드의 결실(제거)"과 실질적으로 동일한 의미로 볼 수 있다. 이와 같은 일정 카피수의 CGG 트리뉴클레오티드의 결실에 의하여 FXS 환자의 CGG 반복부위에 존재하던, 예를 들어 200 카피수 이상의 CGG 트리뉴클레오티드는 정상인의 범위인 55 카피수 미만으로 교정될 수 있다.As used herein, the term "CGG repetitive nucleotide sequence site" refers to a CGG trinucleotide with a constant number of copies or more by cleavage of the upstream or downstream nucleotide sequence of the CGG repeat nucleotide sequence (Which was present in the region) is removed. Therefore, the term "correction of CGG repeat sequence region" can be regarded as substantially equivalent to "deletion (deletion) of CGG trinucleotide ". Such a deletion of the CGG trinucleotide of a constant copy number, for example, a CGG trinucleotide of 200 copies or more existing in the CGG repeat region of the FXS patient can be corrected to less than 55 copies, which is the range of the normal person.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 CGG 트리뉴클레오티드의 제거에 의하여 FMR1 유전자의 위쪽에 위치하는 CpG 섬(CpG island)의 탈메틸화가 유도된다. 이러한 탈메틸화에 따라 FMR1 유전자의 발현이 가능해진다.Also, according to the present invention, demethylation of a CpG island (CpG island) located above the FMR1 gene is induced by removal of the CGG trinucleotide . This demethylation enables the expression of the FMR1 gene.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 CGG 반복 염기서열 부위의 교정은 CGG 반복 염기서열 부위의 위쪽(upstream) 뉴클레오티드 서열의 절단에 의한 일정 카피수의 CGG 트리뉴클레오티드의 제거이다.According to one embodiment of the present invention, the correction of the CGG repeating base sequence region is the removal of a constant copy CGG trinucleotide by cleavage of the upstream nucleotide sequence of the CGG repeat base sequence region.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 일정 카피수의 CGG 트리뉴클레오티드의 제거에 의하여 FMR1 유전자의 CGG 반복 염기서열 부위에는 5-55 카피수의 CGG 트리뉴클레오티드가 존재하게 된다.According to an embodiment of the present invention, the removal of the CGG trinucleotide of the predetermined number of copies results in the presence of 5-55 copies of the CGG trinucleotide at the CGG repeat sequence region of the FMR1 gene.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 RNA-유도 엔도뉴클레아제는 Cas9(CRISPR associated protein 9)이다.According to one embodiment of the present invention, the RNA-derived endonuclease is Cas 9 (CRISPR associated protein 9).

하기 실시예에서 확인된 바와 같이, FMR1 유전자 내 CGG 반복 염기서열 부위에 인접한 뉴클레오티드 서열의 절단에 의하여 일정 카피수 이상의 CGG 트리뉴클레오티드가 제거될 수 있다. 따라서, 본 발명의 조성물에는 (ⅰ) 상기 CGG 반복 염기서열 부위의 시작 위치에서부터 위쪽(upstream)에 위치하는 100여개의 뉴클레오티드 서열 내에 존재하는 15-25 bp 길이의 뉴클레오티드 서열, (ⅱ) 상기 CGG 반복 염기서열 부위의 끝 위치에서부터 아래쪽(downstream)에 위치하는 50여개의 뉴클레오티드 서열 내에 존재하는 15-25 bp 길이의 뉴클레오티드 서열을 특이적으로 인식하는 유도 RNA(guiding RNA), 또는 (ⅲ) 상기 유도 RNA를 암호화하는 뉴클레오티드가 포함된다.As shown in the following examples, CGG trinucleotides above a certain copy number can be removed by cleavage of the nucleotide sequence adjacent to the CGG repeat sequence region in the FMR1 gene. Therefore, the composition of the present invention includes (i) a nucleotide sequence of 15-25 bp in length which is present in 100 nucleotide sequences located upstream from the starting position of the CGG repeating nucleotide sequence region, (ii) A guiding RNA that specifically recognizes a nucleotide sequence of 15-25 bp in the 50 nucleotide sequence located downstream from the end of the nucleotide sequence, or (iii) the nucleotide sequence of the inducible RNA Encoding nucleotides.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 유도 RNA는 CGG 반복 염기서열 부위의 시작 위치에서부터 위쪽(upstream)에 위치하는 서열인 서열목록 제1서열의 뉴클레오티드 서열 내에 존재하는 15-25 bp 길이의 뉴클레오티드 서열 또는 이의 상보적인 서열을 특이적으로 인식하는 유도 RNA이다.According to an embodiment of the present invention, the inducible RNA comprises a nucleotide sequence of 15-25 bp in the nucleotide sequence of the first sequence of Sequence Listing, which is a sequence located upstream from the start position of the CGG repeat sequence region Or inducible RNA that specifically recognizes a complementary sequence thereof.

보다 구체적인 일구현예에 따르면, 상기 유도 RNA는 CGG 반복 염기서열 부위의 시작 위치에서부터 위쪽(upstream)에 위치하는 서열인 서열목록 제2서열의 뉴클레오티드 서열 또는 이의 상보적인 서열을 특이적으로 인식하는 유도 RNA이다. 서열목록 제2서열은 서열목록 제1서열에 포함된 서열이다.According to one more specific embodiment, the inducible RNA may be a nucleotide sequence of the second sequence of the sequence listing, which is a sequence located upstream from the start position of the CGG repeat sequence region, or an inducible gene that specifically recognizes the complementary sequence thereof RNA. Sequence Listing The second sequence is the sequence contained in the first sequence of the Sequence Listing.

본 발명의 일구현예에 따르면, 본 발명의 조성물에 의하여 교정되는 상기 FMR1 유전자는 FXS 환자의 FMR1 유전자이다.According to one embodiment, the FMR1 gene to be corrected by the composition of the invention is a FXS FMR1 gene in a patient.

본 발명의 다른 일 양태에 따르면, 본 발명은 다음 단계를 포함하는 FMR1 유전자의 CGG 반복 염기서열 부위가 교정된 유도만능 줄기세포의 제조방법을 제공한다:According to another aspect of the present invention, there is provided a method for producing an induced pluripotent stem cell in which a CGG repetitive base sequence region of the FMR1 gene is calibrated, comprising the steps of:

(a) 취약 X 증후군 환자로부터 분리된 체세포를 역분화시켜 유도만능 줄기세포를 수득하는 단계; 및(a) deriving induced somatic cells from patients suffering from fragile X syndrome to obtain induced pluripotent stem cells; And

(b) 상기 유도만능 줄기세포를 본 발명의 조성물과 접촉시키거나, 본 발명의 조성물이 삽입된 유전자 전달체로 형질전환 시키는 단계.(b) contacting the inducible pluripotent stem cell with the composition of the present invention or transforming the composition with the gene carrier into which the composition of the present invention is inserted.

본 발명의 또 다른 일 양태에 따르면, 본 발명은 체외로 분리된 취약 X 증후군 환자 유래의 배아줄기세포를 본 발명의 조성물과 접촉시키거나, 본 발명의 조성물이 삽입된 유전자 전달체로 형질전환 시키는 단계를 포함하는 FMR1 유전자의 CGG 반복 염기서열 부위가 교정된 배아줄기세포의 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for producing embryonic stem cells, comprising contacting embryonic stem cells derived from a patient suffering from fragile X syndrome isolated from an in vitro culture with a composition of the present invention, or transforming a gene carrier into which the composition of the present invention is inserted The present invention provides a method for producing embryonic stem cells in which the CGG repeating base sequence region of the FMR1 gene is corrected.

FXS 환자로부터 분리된 체세포를 역분화시켜 수득한 유도만능 줄기세포는 환자 고유의 FMR1 유전자 내의 CGG 반복부위를 간직하고 있으며, 이는 상술한 본 발명의 방법을 통해 인 비트로에서 교정될 수 있다. 이와 같이 교정함으로써, 정상범위의 CGG 트리뉴클레오티드 카피수를 갖는 환자 맞춤형 유도만능줄기세포를 수득할 수 있다.The induced pluripotent stem cells obtained by reprogramming somatic cells isolated from FXS patients retain the CGG repeat sites in the patient-specific FMR1 gene, which can be calibrated in vitro by the method of the present invention described above. By this calibration, patient-derived guided pluripotent stem cells having a normal range of CGG trinucleotide copy number can be obtained.

본 명세서에서 사용된 용어, "유도만능 줄기세포(induced pluripotent stem cell)"는 분화된 세포들로부터 인위적인 역분화 과정을 통해 다능성 분화능을 가지도록 유도된 세포를 지칭하며, 역분화 유도만능 줄기세포로도 지칭된다. 유도만능 줄기세포는 배아줄기세포와 거의 같은 특성을 가지며, 구체적으로 세포 외형, 유전자, 단백질 발현 패턴이 유사하고, 인 비트로인 비보에서 전분화능을 가지며, 테라토마(teratoma)를 형성하고, 유전자의 생식선 전이(germline transmission)가 가능하다. 본 발명의 유도만능 줄기세포로는 인간, 원숭이, 돼지, 말, 소, 양, 개, 고양이, 생쥐, 토끼 등의 모든 포유류 유래의 역분화 유도만능 줄기세포를 포함하며, 구체적으로는 인간 유래의 유도만능 줄기세포이며, 가장 구체적으로는 FXS 환자로부터 유래한 유도 만능 줄기세포이다.As used herein, the term "induced pluripotent stem cell" refers to a cell induced to have pluripotent differentiation potential through artificial reprogramming from differentiated cells, Quot; Induced pluripotent stem cells have almost the same characteristics as embryonic stem cells, and specifically have similar cell expression patterns, genes, and protein expression patterns, and are capable of differentiation in in vitro and in vivo , forming a teratoma, Germline transmission is possible. The inducible pluripotent stem cells of the present invention include stem cells derived from all mammals such as human, monkey, pig, horse, cow, sheep, dog, cat, mouse and rabbit. Induced pluripotent stem cells, most specifically inducible pluripotent stem cells derived from FXS patients.

본 명세서에서 사용된 용어, "역분화"는 존재하는 분화 세포들을 미분화 상태로 되돌려 새로운 분화 조직 형성이 가능하도록 하는 후성학적인 역행과정을 의미하는 것으로 리프로그래밍 과정이라고도 말하며 세포 유전체의 후성학적인 변형(epigenetic changes)의 가역성에 기초한 것이다. 본 발명에서의 목적에 따라, 상기"역분화"란 0% 이상 내지 100% 미만의 분화능을 가지는 분화된 세포들을 미분화 상태로 되돌리는 과정이라면 모두 이에 포함되고, 예를 들어 0%의 분화능을 가지는 분화된 세포를 1%의 분화능을 가지는 분화된 세포로 미분화시키는 과정도 이에 포함될 수 있다.As used herein, the term " de-differentiation "refers to an epigenetic regression process that enables the formation of new differentiated tissues by returning the existing differentiated cells to an undifferentiated state, which is also referred to as a reprogramming process, and the reversibility of epigenetic changes. According to the object of the present invention, the term " de-differentiation "includes all the processes for returning the differentiated cells having a differentiation ability from 0% to 100% to undifferentiated state. For example, The process of differentiating the differentiated cells into differentiated cells having 1% differentiation potential may also be included.

상기 역분화는 이미 분화된 세포의 분화능을 회복시킬 수 있는 당업계에 알려진 다양한 방법을 통해 수행될 수 있으며, 예를 들어 상기 FXS 환자로부터 분리된 체세포에 OCT4, NANOG, SOX2, LIN28, KLF4 및 c-MYC로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 유전자를 형질전환함으로써 이루어질 수 있다.For example, OCT4, NANOG, SOX2, LIN28, KLF4, and c (a) may be added to somatic cells isolated from the FXS patient, and the differentiation may be carried out through various methods known in the art, -MYC. ≪ / RTI >

유도만능 줄기세포를 얻기 위해 인간 체세포를 배양하는 데에 이용되는 배지는 통상적인 어떠한 배지도 포함한다. 예를 들어, Eagles's MEM(Eagle's minimum essential medium, Eagle, H. Science 130:432(1959)), α-MEM(Stanner, C.P. et al., Nat. New Biol. 230:52(1971)), Iscove's MEM(Iscove, N. et al., J. Exp. Med. 147:923(1978)), 199 배지(Morgan et al., Proc. Soc. Exp. Bio. Med., 73:1(1950)), CMRL 1066, RPMI 1640(Moore et al., J. Amer. Med. Assoc. 199:519(1967)), F12(Ham, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 53:288(1965)), F10(Ham, R.G. Exp. Cell Res. 29:515(1963)), DMEM(Dulbecco's modification of Eagle's medium, Dulbecco, R. et al., Virology 8:396(1959)), DMEM과 F12의 혼합물(Barnes, D. et al., Anal. Biochem. 102:255(1980)), Way-mouth's MB752/1(Waymouth, C. J. Natl. Cancer Inst. 22:1003(1959)), McCoy's 5A(McCoy, T.A., et al., Proc. Soc. Exp. Biol. Med. 100:115(1959)) 및 MCDB 시리즈(Ham, R.G. et al., In Vitro 14:11(1978)) 등이 이용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The medium used for culturing human somatic cells to obtain the induced pluripotent stem cells includes any conventional medium. (Stanner, CP et al., Nat. New Biol. 230: 52 (1971)), Iscove's (Eagle's minimum essential medium, Eagle, H. Science 130: 73: 1 (1950)), 199 medium (Morgan et al., Proc. Soc. Exp. Bio. Med., 73: , CMRL 1066, RPMI 1640 (Moore et al., J. Amer. Med. Assoc. 199: 519 (1967)), F12 (Ham, Proc Natl Acad Sci USA 53: 288 (Dulbecco's modification of Eagle's medium, Dulbecco, R. et al., Virology 8: 396 (1959)), a mixture of DMEM and F12 (Barnes, RG Exp. Cell Res. 29: 515 McCoy ' s 5A (McCoy, TA, et al., ≪ RTI ID = 0.0 > And MCDB series (Ham, RG et al., In Vitro 14: 11 (1978)), and the like, but are not limited thereto no.

본 명세서에서 사용된 용어, "유전자 전달체"는 원하는 타겟 유전자를 대상 세포에 도입하여 발현시키기 위한 매개체를 의미한다. 이상적인 유전자 전달체는 인체 또는 세포에 무해하고 대량생산이 용이하며, 효율적으로 유전자를 전달할 수 있어야 한다.As used herein, the term "gene transporter" means a mediator for introducing and expressing a desired target gene into a target cell. Ideal gene carriers are harmless to humans or cells, are easy to mass-produce, and must be capable of delivering genes efficiently.

상기 용어, "유전자 전달"은 유전자가 세포 내로 운반되는 것을 의미하며, 유전자의 세포 내 침투(transduction)와 동일한 의미를 가진다. 조직 수준에서, 상기 용어 유전자 전달은 유전자의 확산(spread)과 동일한 의미를 가진다. 따라서, 본 발명의 유전자 전달체는 유전자 침투 시스템 및 유전자 확산 시스템으로 기재될 수 있다.The term "gene transfer" means that a gene is transferred into a cell and has the same meaning as transduction of a gene into a cell. At the tissue level, the term gene transfer has the same meaning as the spread of a gene. Accordingly, the gene carrier of the present invention can be described as a gene penetration system and a gene diffusion system.

본 발명의 유전자 전달체를 제조하기 위해, 본 발명의 뉴클레오티드 서열은 적합한 발현 컨스트럭트(expression construct) 내에 존재하는 것이 바람직하다. 상기 발현 컨스트럭트에서, 본 발명의 뉴클레오티드 서열은 프로모터에 작동적으로 연결되는 것이 바람직하다. 상기 용어, "작동적으로 결합된"은 핵산 발현 조절 서열(예: 프로모터, 시그널 서열, 또는 전사조절인자 결합 위치의 어레이)과 다른 핵산 서열 사이의 기능적인 결합을 의미하며, 이에 의해 상기 조절 서열은 상기 다른 핵산 서열의 전사 및/또는 해독을 조절하게 된다.To prepare the gene delivery vehicle of the present invention, the nucleotide sequence of the present invention is preferably present in a suitable expression construct. In such expression constructs, the nucleotide sequence of the invention is preferably operatively linked to a promoter. The term "operably linked" means a functional linkage between a nucleic acid sequence (e.g., an array of promoter, signal sequence, or transcription factor binding site) and another nucleic acid sequence, Will control the transcription and / or translation of the other nucleic acid sequences.

본 발명의 유전자 전달체는 다양한 형태로 제작할 수 있는데, 이는 (ⅰ) 내이키드(naked) 재조합 DNA 분자, (ⅱ) 플라스미드, (ⅲ) 바이러스 벡터, (ⅳ) 상기 내이키드 재조합 DNA 분자 또는 플라스미드를 내포하는 리포좀 또는 니오좀의 형태로 제작할 수 있다.The gene carrier of the present invention can be produced in various forms including (i) naked recombinant DNA molecules, (ii) plasmids, (iii) viral vectors, (iv) naturally occurring recombinant DNA molecules or plasmids Or in the form of a liposome or a niozyme.

본 발명의 뉴클레오티드 서열은 통상적인 동물 형질전환에 이용되는 모든 유전자 전달 시스템에 적용될 수 있으며, 예를 들어, 플라스미드, 아데노바이러스(Lockett LJ, et al., Clin. Cancer Res. 3:2075-2080(1997)), 아데노-관련 바이러스(Adeno-associated viruses: AAV, Lashford LS., et al., Gene Therapy Technologies, Applications and Regulations Ed. A. Meager, 1999), 레트로바이러스(Gunzburg WH, et al., Retroviral vectors. Gene Therapy Technologies, Applications and Regulations Ed. A. Meager, 1999), 렌티바이러스(Wang G. et al., J. Clin. Invest. 104(11):R55-62(1999)), 헤르페스 심플렉스 바이러스(Chamber R., et al., Proc. Natl. Act . Sci USA 92:1411-1415(1995)), 배시니아 바이러스(Puhlmann M. et al., Human Gene Therapy 10:649-657(1999)), 리포좀Human Press 2002) 또는 니오좀에 적용될 수 있다.The nucleotide sequence of the present invention can be applied to all gene delivery systems used for routine animal transformation, including, for example, plasmids, adenoviruses (Lockett LJ, et al., Clin. Cancer Res. 3: 2075-2080 1997), adeno-associated viruses (AAV, Lashford LS., Et al., Gene Therapy Technologies, Applications and Regulations Ed. A. Meager, 1999), retroviruses (Gunzburg WH, et al. Retroviral vectors. Gene Therapy Technologies, Applications and Regulations Ed. A. Meager, 1999), lentivirus (Wang G. et al., J. Clin. Invest. 104 (11): R55-62 Viruses (Puhlmann M. et al., Human Gene Therapy 10: 649-657 (1999)), < RTI ID = 0.0 > ), Liposome Human Press 2002) or niosomes.

본 발명에서, 유전자 전달체가 바이러스 벡터에 기초하여 제작된 경우에는, 상기 접촉시키는 단계는 당업계에 공지된 바이러스 감염 방법에 따라 실시될 수 있다. 바이러스 벡터를 이용한 숙주 세포의 감염은 상술한 문헌에 기재되어 있다.In the present invention, when the gene carrier is prepared based on a viral vector, the contacting step may be carried out according to a virus infection method known in the art. Infection of host cells with viral vectors is described in the above-mentioned documents.

본 발명에서 유전자 전달체가 내이키드(naked) 재조합 DNA 분자 또는 플라스미드인 경우에는, 미세 주입법(Capecchi, M.R., Cell, 22:479(1980); 및 Harland와 Weintraub, J. Cell Biol. 101:1094-1099(1985)), 칼슘 포스페이트 침전법 (Graham, F.L. et al., Virology, 52:456(1973); 및 Chen과 Okayama, Mol. Cell. Biol. 7:2745-2752(1987)), 전기 천공법(Neumann, E. et al., EMBO J., 1:841(1982); 및 Tur-Kaspa et al., Mol. Cell Biol., 6:716-718(1986)), 리포좀-매개 형질감염법(Wong, T.K. et al., Gene, 10:87(1980); Nicolau 및 Sene, Biochim. Biophys. Acta, 721:185-190(1982); 및 Nicolau et al., Methods Enzymol., 149:157-176(1987)), DEAE-덱스트란 처리법(Gopal, Mol. Cell Biol., 5:1188-1190(1985)) 및 유전자 밤바드먼트(Yang et al., Proc. Natl. Acad. Sci., 87:9568-9572(1990)) 방법에 의해 유전자를 세포 내로 도입시킬 수 있다.22: 479 (1980); and Harland and Weintraub, J. Cell Biol. 101: 1094-919), in the case where the gene carrier is a naked recombinant DNA molecule or plasmid in the present invention. 1099 (1985)), calcium phosphate precipitation method (Graham, FL et al., Virology, 52: 456 (1973), and Chen and Okayama, Mol. Cell. Biol. 7: 2745-2752 6: 716-718 (1986)), liposome-mediated transfection (Eugene et al., EMBO J., 1: 841 (1982), and Tur-Kaspa et al., Mol. Cell Biol. 149: 157 (1982), and Nicolau et al., Methods Enzymol., 157: 157 (1982) (1987)) and DEAE-dextran treatment (Gopal, MoI. Cell Biol., 5: 1188-1190 (1985)) and gene bendardment (Yang et al., Proc. Natl. Acad. Sci. 87: 9568-9572 (1990)).

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상술한 방법에 의하여 제조되어 FMR1 유전자의 CGG 반복 염기서열 부위가 교정된 유도만능 줄기세포 또는 배아줄기세포를 제공한다.According to still another aspect of the present invention, there is provided an inducible pluripotent stem cell or embryonic stem cell prepared by the above-described method and having a CGG repeating base sequence region of the FMR1 gene corrected.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 본 발명의 유도만능 줄기세포 또는 배아줄기세포를 유효성분으로 포함하는 FXS 치료용 조성물을 제공한다.According to still another aspect of the present invention, there is provided a composition for treating FXS, comprising the inducible pluripotent stem cell or embryonic stem cell of the present invention as an active ingredient.

본 발명의 유도만능 줄기세포 또는 배아줄기세포는 FXS 환자의 CGG 반복부위가 교정된 세포로서, 적절한 체세포로 분화되어 환자에게 이식되면 교정된 유전자를 발현하기 때문에 난치병인 FXS 대한 유용한 세포 치료용 조성물이 될 수 있다. 본 발명의 조성물은 직접 체내 이식된 채 인 비보에서 목적세포로 분화를 유도할 수도 있고, 혹은 인 비트로에서 목적세포로 분화를 완료한 뒤 체 내에 이식할 수도 있다.Since the inducible pluripotent stem cells or embryonic stem cells of the present invention are cells in which the CGG repetitive site of the FXS patient is corrected, when they are differentiated into appropriate somatic cells and transplanted into the patient, they express the corrected gene. Thus, a useful cell therapy composition for FXS, . The compositions of the present invention may be implanted directly into the body, completing the differentiation may be induced to differentiate into the target cell in the transplanted holding vivo, or in vitro to the desired cell back body.

본 명세서에서 사용된 용어, "치료"는 (a) 질환, 질병 또는 증상의 발전의 억제; (b) 질환, 질병 또는 증상의 경감; 또는 (c) 질환, 질병 또는 증상을 제거하는 것을 의미한다.As used herein, the term "treatment" means (a) inhibiting the development of a disease, disease or condition; (b) relief of the disease, disorder or condition; Or (c) eliminating the disease, disease or condition.

본 발명의 조성물이 약제학적 조성물로 제조되는 경우, 본 발명의 약제학적 조성물은 약제학적으로 허용되는 담체를 포함할 수 있다. 적합한 약제학적으로 허용되는 담체 및 제제는, 예를 들어 Remington's Pharmaceutical Sciences(19th ed., 1995)를 참조할 수 있다.When the composition of the present invention is manufactured from a pharmaceutical composition, the pharmaceutical composition of the present invention may include a pharmaceutically acceptable carrier. Suitable pharmaceutically acceptable carriers and formulations can be found, for example, in Remington's Pharmaceutical Sciences (19th ed., 1995).

본 발명의 약제학적 조성물은 비경구 투여할 수 있으며, 예를 들어 혈관 내(intravascular) 투여할 수 있다.The pharmaceutical composition of the present invention may be administered parenterally, for example, intravascularly.

본 발명의 약제학적 조성물의 적합한 투여량은 제제화 방법, 투여 방식, 환자의 연령, 체중, 성, 병적 상태, 음식, 투여 시간, 투여 경로, 배설 속도 및 반응 감응성과 같은 요인들에 의해 다양하게 처방될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 약제학적 조성물의 일반적인 투여량은 성인 기준으로 1일 당 102-1010 세포이다.The appropriate dosage of the pharmaceutical composition of the present invention may vary depending on factors such as the formulation method, administration method, age, body weight, sex, pathological condition, food, administration time, administration route, excretion rate, . For example, a typical dose of the pharmaceutical composition of the present invention is 10 2 -10 10 cells per day on an adult basis.

본 발명의 약제학적 조성물은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있는 방법에 따라, 약제학적으로 허용되는 담체 및/또는 부형제를 이용하여 제제화함으로써 단위 용량 형태로 제조되거나, 또는 다용량 용기 내에 내입시켜 제조될 수 있다.The pharmaceutical composition of the present invention may be formulated into a unit dose form by formulating it using a pharmaceutically acceptable carrier and / or excipient according to a method which can be easily carried out by a person having ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Or may be manufactured by intruding into a multi-dose container.

본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:The features and advantages of the present invention are summarized as follows:

(ⅰ) 본 발명은 FMR1 유전자를 타겟으로 하는 엔도뉴클레아제를 이용한 CGG 반복 염기서열 부위의 교정 및 이를 이용한 취약 X 증후군의 치료에 관한 것이다.(I) The present invention relates to the correction of a CGG repeat sequence region using an endonuclease targeted to the FMR1 gene and the treatment of the fragile X syndrome using the same.

(ⅱ) 본 발명의 CGG 반복 염기서열 부위의 교정은 상동재조합을 위한 외인성(exogenous) 기여 서열(donor sequence)의 이용이나 야생형 대립유전자의 이용 없이, 엔도뉴클레아제에 의하여 유도된 NHEJ(non-homologous end joining)를 통한 비정상적인 CGG 반복의 결실-매개 교정(deletion-mediated correction)이다.(Ii) Calibration of the CGG repeat sequence region of the present invention can be accomplished by using an exogenous donor sequence for homologous recombination or by using an endonuclease-induced NHEJ (non- homologous end joining (CGCG). This is a deletion-mediated correction.

(ⅲ) 본 발명의 엔도뉴클레아제를 이용한 CGG 반복 염기서열 부위의 교정은 줄기세포의 분화능력에는 영향을 미치지 않는다. 따라서, 본 발명은 FXS 환자 유래 줄기세포를 이용한 세포치료제 개발에 유용하게 활용될 수 있다.(Iii) Calibration of the CGG repeating base sequence region using the endonuclease of the present invention does not affect the differentiation ability of stem cells. Therefore, the present invention can be effectively utilized for developing a therapeutic agent for cells using FXS-derived stem cells.

도 1a-1f는 FMR1의 5'-UTR 서열분석 및 오프-타겟 절단 분석 결과를 보여준다. (1a) FMR1 유전자 5'-UTR의 도식도. 전사 시작부위와 엑손 1 내의 CGG 확장 부위를 나타내었다. 파란색 화살표 머리는 PCR 프라이머 결합 부위를 나타내며, 프라이머에 대한 설명은 표 1에 기재되어 있다. (1b) 각 세포로부터 게놈 DNA를 분리하였다. CGG 확장과 이의 인접 영역의 서열을 Sanger 서열분석 방법으로 분석하였다. FMR1 유전자의 참조 서열(Ref Sep)을 NCBI(NM_001185082.1)에서 추출하였다. 밑줄 쳐진 N은 확인되지 않은 서열을 나타낸다. (1c) RGEN 코딩 플라스미드로 트랜스펙션 된 세포로부터 게놈 DNA를 분리하였다. PCR 산물을 분리하고, 서열을 분석하였다. RGEN 표적 서열을 파란색으로 표시하였고, PAM 서열을 빨간색으로 표시하였다. 빨강 삼각형은 절단 부위를 나타내며, -는 결실된 염기를 나타내고, 소문자 이탤릭채는 삽입된 염기를 나타낸다. 삽입되거나 결실된 염기의 수를 오른쪽 란에 나타내었다. (1d) 실험에 사용한 RGEN의 잠재적인 오프-타겟 서열들을 Cas-OFFinder를 사용하여 계산하여 찾았다. 미스매칭 된 염기를 파란색으로 표시하였다. PAM 서열을 빨간색으로 표시하였다. 관련 있는 유전자들의 이름을 오른쪽 란에 나타내었다. (1e) RGEN 표적 부위와 유사성이 높은 4개의 잠재적인 오프-타겟 부위를 PCR로 증폭하였다. 이들 위치에서의 오프-타겟 절단 활성을 확인하기 위하여, T7E1 분석을 실시하였다. (1f) 대립유전자(Allele) 확장 PCR을 FXS-iPSC 및 교정된 FXS-iPSC 클론 E1과 E3에 대하여 실시하였다. 분석 결과, FXS-iPSC는 200카피 이상의 CGG 반복을 가지고 있는 반면, 교정된 FXS 클론들에서는 반복이 검출되지 않았다.
도 2a-2f는 RGEN 유도 돌연변이 및 FMR1의 재활성화를 보여준다. (2a) RGEN 결합 부위를 FMR1 5'-UTR의 모식도에 나타내었다. PAM 서열은 빨간색으로 표시하였다. (2b) RGEN 표적 부위의 돌연변이를 T7E1 분석으로 HEK-293T 세포에서 추정하였다. 별표는 T7E1에 의하여 잘려진 DNA 밴드 상의 예상된 위치를 나타낸다. (2c) 야생형(WT), 환자(FXS) 및 교정된(E) 세포주의 게놈 DNA의 PCR 분석 결과. (2d) 각 유형의 세포로부터 증폭된 PCR 산물의 서열을 분석하였다. 각 RGEN 표적 서열을 각각 밑줄로 나타내었다. PAM 서열을 빨간색으로 표시하고, 절단된 위치를 빨강 삼각형으로 나타내었으며, 결실된 염기를 /로 표시하였으며, 삽입된 염기를 소문자 이탤릭채로 나타내었다. 야생형 세포(WT), FXS 환자 세포(FXS) 및 교정된 클론(E1 내지 E3)의 FMR1 mRNA 발현을 분석하였다. 미분화 세포(2e) 및 소모성(expendable) NPC(2f)에서의 FMR1 유전자의 발현을 검출하기 위하여 qPCR을 사용하였다. GAPDH 발현을 정규화에 사용하였다. 에러 바는 표준 오차(SE)를 나타낸다. n은 세 번의 독립적인 실험.
도 3a-3f는 WT 및 FXS 클론의 신경 로제트 형성과 FMRP 염색을 보여준다. (3a) 듀얼 Smad 억제에 의하여 세포들로부터 분화된 신경 로제트의 명시야상(Bright-field images). 모세포와 교정된 클론 사이에 신경 로제트 형성능에 차이가 없었다. 스케일 바: 200 ㎛. (3b) FXS와 WT iPSC 내 APRT, CRYAAFMR1의 상대적 발현 수준은 WT와 FXS iPSC의 APRTCRYAA의 발현 수준이 유사하였고, FXS iPSC에 비하여 WT iPSC의 FMR1 발현 수준이 높았다. (3c) 전분화능 마커들의 qPCR 분석은 WT와 FXS-iPSC의 교정된 클론들(E1 또는 E3)과 교정되지 않은 클론들 사이에 주요한 차이가 없음을 보여준다. GAPDH 발현을 정규화를 위하여 사용하였다. 에러 바는 표준 오차(SE)를 나타낸다. n = 세 번의 독립적인 실험. (3d) 면역화학을 통한 야생형 iPSC(WT), 환자 ESC(FX) 및 교정된 ESC 클론 내 FMRP의 검출. 피더가 없는(feeder-free) 배지에서 자란 미분화 세포들을 고정하고 항체로 염색하였다. DAPI 신호(파랑)는 이미지 내의 전체 세포를 나타낸다. 스케일 바: 50 ㎛. (3e) 글루타메이트 수용체 유전자들의 발현 수준은 FXS 유래의 뉴런에서 교정 후 하향 조절되었다. 교정된 FXS iPSC 막대 위의 숫자는 교정되지 않은 세포의 발현 수준에 비례한 발현 수준의 분수를 나타낸다. (3f) 핵심 신경세포 유전자들의 발현 수준은 FXS 뉴런과 교정된 FXS 뉴런 사이에 유사하였다.
도 4a-4d는 FMR1 프로모터의 메틸화 및 크로마틴 구조(conformation) 분석 결과를 보여준다. (4a) 메틸화 분석에 사용하기 위한 22개의 CpG 부위를 유전자 전사 시작부위로부터 -395 내지 -256 염기쌍의 FMR1 프로모터에 나타내었다. (4b) 교정되거나 교정되지 않은 WT과 FXS-NPC(하단 패널)뿐만 아니라, WT, FXS 및 교정된 FXS-iPSC(상단 패널)에 대하여 FMR1 프로모터의 22개의 CpG에 대한 파이로시퀀싱을 실시하였다. FXS-iPSC는 유전자 교정 전 완전한 메틸화를 보였고, 대부분의 위치에서 교정 후 광범위한 탈메틸화를 보였다(상단 패널). NPC의 경우, WT과 교정된 WT-NPCs는 모든 분석 위치에서 프로모터의 저메틸화를 보였고, FXS-NPCs는 과메틸화를 보였다. FXS-NPC와 반대로, 두 교정된 FXS-NPC 클론들은 WT과 유사한 수준의 메틸화를 보이는 등 현저한 저메틸화를 보였다(하단 패널). (4c) 모든 CpG 부위에서의 메틸화 수준의 정량은 각 유형의 세포들의 평균 메틸화 비율을 보여준다. WT-iPSC는 저메틸화를 보였고, FXS-iPSC는 과메틸화를 보였다. CGG 반복의 교정 후, FXS-iPSC는 WT-iPSC와 유사한 저메틸화를 보였다(왼쪽 그래프). 비슷한 메틸화 비율이 앞서 언급한 세포들로부터 분화된 NPC에서 확인되었다(오른쪽 그래프). (4d) FXS-iPSC 및 교정된 FXS-iPSC에 대하여 크로마틴 면역침강을 실시하였다. 그래프는 크로마틴 마커들에 대한 상대적 강화 정도(relative fold enrichment)를 보여준다. APRT는 열린 크로마틴(open chromatin)을 나타내고, CRYAA는 닫힌 크로마틴(closed chromatin)을 나타내며, FMR1APRTCRYAA와 비교하였다. 실험 결과, FXS-iPSC의 FMR1 프로모터는 닫힌 크로마틴 마커와 비슷하였고, 교정 후 상기 프로모터는 열린 크로마틴 마커가 우세하였다. 에러 바는 SE를 나타내며, *p<0.05, **p<0.005(Student's t-test에 의한)이다.
도 5a-5d는 교정된 FXS 세포에서의 FMRP의 회복을 보여준다. (5a) 면역화학을 통한 야생형 iPSC(WT), 환자 유래의 iPSC(FXS) 및 교정된 클론들(E1 및 E3) 내의 FMRP의 검출. 피더가 없는(feeder-free) 배지에서 자란 미분화 세포들을 고정하고 항체로 염색하였다. DAPI 신호(파랑)는 이미지 내의 전체 세포 존재를 나타낸다. 스케일 바: 50 ㎛. (5b) WT, 교정된 WT(E1), FXS 및 교정된 FXS 클론들(E1 및 E3) 내의 FMRP의 면역블랏 분석. GAPDH를 로딩 대조군으로 이용하였다. (5c) 각 유형의 세포들의 NPC 내 FMRP를 면역블랏 분석으로 확인하였다. GAPDH를 로딩 대조군으로 이용하였다. (5d) 면역화학을 통한 야생형(WT), 환자(FXS) 및 교정된 iPSC 클론들(E1 및 E2) 내의 FMRP 검출. 각 세포주로부터 60일 동안 분화된 성숙한 뉴런을 고정하고, 항체로 염색하였다. DAPI 신호(파랑)는 이미지 내의 전체 세포 존재를 나타낸다. 스케일 바: 50 ㎛.
도 6은 FMR1 재활성화 모델을 보여준다. FXS-iPSC에서, FMR1은 CGG 반복의 완전 변이(full mutation)와 이들의 메틸화로 인하여 침묵되고(silenced), 이는 FMR1의 프로모터에 영향을 미친다. RGEN에 의한 CGG 반복의 제거 후, 상기 프로모터는 이의 억압 마커(repressive marker)로부터 방출되고, 완전히 탈메틸화 된다. FMR1 프로모터의 탈메틸화는 상기 유전자가 전사되도록 하며, 이에 따라 FMR1은 재활성화된다.
Figures 1A-1F show 5'-UTR sequence analysis and off-target fragmentation analysis of FMR1 . (1a) Schematic drawing of the FMR1 gene 5'-UTR. And the CGG extension site in exon 1. The blue arrow head indicates the PCR primer binding site, and the description of the primers is given in Table 1. (1b) genomic DNA was isolated from each cell. The sequence of CGG extension and its adjacent region was analyzed by Sanger sequencing method. The reference sequence of the FMR1 gene (Ref Sep) was extracted from NCBI (NM_001185082.1). Underlined N indicates an unidentified sequence. (1c) Genomic DNA was isolated from cells transfected with the RGEN-coding plasmid. The PCR product was isolated and sequenced. The RGEN target sequence was indicated in blue and the PAM sequence in red. The red triangle represents the cleavage site, - represents the deleted base, and the lowercase italic chain represents the inserted base. The number of inserted or deleted bases is shown in the right column. (1d) Potential off-target sequences of RGEN used in the experiment were calculated using Cas-OFFinder. Mismatched bases were labeled in blue. The PAM sequence is indicated in red. The names of related genes are shown in the right column. (1e) Four potential off-target sites with high similarity to the RGEN target site were amplified by PCR. To confirm off-target cleavage activity at these positions, T7E1 assays were performed. (1f) allele extension PCR was performed on FXS-iPSC and calibrated FXS-iPSC clones E1 and E3. The analysis showed that FXS-iPSC had more than 200 copies of CGG repeat, whereas no repeat was detected in the corrected FXS clones.
Figures 2a-2f show RGEN induced mutations and reactivation of FMR1 . (2a) The RGEN binding site is shown in the schematic diagram of FMR1 5'-UTR. PAM sequences are shown in red. (2b) Mutations in the RGEN target site were estimated in HEK-293T cells by T7E1 assay. The asterisk indicates the expected location on the DNA band truncated by T7E1. (2c) PCR analysis of genomic DNA of wild-type (WT), patient (FXS) and calibrated (E) cell lines. (2d) The sequence of amplified PCR products from each type of cell was analyzed. Each RGEN target sequence is shown underlined. The PAM sequence is shown in red, the truncated positions are shown in red triangles, the deleted bases are denoted by / and the inserted bases are shown in lowercase italic. FMR1 mRNA expression of wild-type cells (WT), FXS patient cells (FXS) and calibrated clones (El to E3) was analyzed. QPCR was used to detect the expression of FMR1 gene in undifferentiated cell (2e) and expendable NPC (2f). GAPDH expression was used for normalization. The error bar represents the standard error (SE). n is three independent experiments.
Figures 3a-3f show neurovessel formation and FMRP staining of WT and FXS clones. (3a) Bright-field images of nerve roots differentiated from cells by dual Smad suppression. There was no difference in nerve rosette forming ability between the blastocyst and the calibrated clone. Scale bar: 200 占 퐉. (3b) the relative level of expression in APRT, CRYAA and FMR1 FXS and WT iPSC was similar to the expression level of APRT and CRYAA of WT and FXS iPSC, higher level of expression of the FMR1 WT iPSC than the FXS iPSC. (3c) qPCR analysis of pre-multipotency markers shows no significant difference between calibrated clones (E1 or E3) of WT and FXS-iPSC and uncorrected clones. GAPDH expression was used for normalization. The error bar represents the standard error (SE). n = three independent experiments. (3d) Detection of wild-type iPSC (WT), patient ESC (FX), and FMRP in calibrated ESC clones via immunochemistry. Undifferentiated cells grown in a feeder-free medium were fixed and stained with antibody. The DAPI signal (blue) represents the entire cell in the image. Scale bar: 50 탆. (3e) The expression levels of glutamate receptor genes were down-regulated after calibration in FXS-derived neurons. The number on the corrected FXS iPSC rod represents the fraction of the expression level relative to the level of expression of the uncalibrated cells. Expression levels of (3f) core neuronal genes were similar between FXS neurons and calibrated FXS neurons.
Figures 4A-4D show the results of methylation and chromatin conformation analysis of the FMR1 promoter. (4a) Twenty-two CpG sites for use in methylation analysis are shown in the FMR1 promoter from -395 to -256 base pairs from the gene transcription start site. (4b) Pyrosequencing of 22 CpGs of the FMR1 promoter was performed on WT, FXS and calibrated FXS-iPSC (top panel) as well as WT and FXS-NPC (bottom panel) that were not calibrated or calibrated. FXS-iPSC showed complete methylation before gene correction and showed extensive demethylation after correction at most locations (top panel). For NPC, WT and calibrated WT-NPCs showed hypomethylation of the promoter at all analytical sites and FXS-NPCs showed hypermethylation. In contrast to FXS-NPC, the two calibrated FXS-NPC clones showed marked hypomethylation (lower panel), with similar levels of methylation to WT. (4c) Quantification of the methylation level at all CpG sites shows the average methylation rate of each type of cell. WT-iPSC showed hypomethylation and FXS-iPSC showed hypermethylation. After correction of the CGG repeat, FXS-iPSC showed similar low methylation to WT-iPSC (left graph). Similar methylation ratios were confirmed in NPCs differentiated from the aforementioned cells (right graph). (4d) Chromatin immunoprecipitation was performed on FXS-iPSC and calibrated FXS-iPSC. The graph shows relative fold enrichment for chromatin markers. APRT represents open chromatin, CRYAA represents closed chromatin, and FMR1 is compared to APRT and CRYAA . As a result, the FMR1 promoter of FXS-iPSC was similar to the closed chromatin marker, and after the calibration, the promoter was dominated by the open chromatin marker. Error bars indicate SE, * p < 0.05, ** p < 0.005 (by Student's t-test).
Figures 5A-5D show recovery of FMRP in calibrated FXS cells. (5a) Detection of FMRP in wild-type iPSC (WT), patient-derived iPSC (FXS) and calibrated clones (E1 and E3) via immunochemistry. Undifferentiated cells grown in a feeder-free medium were fixed and stained with antibody. The DAPI signal (blue) indicates the total cell presence in the image. Scale bar: 50 탆. (5b) Immunoblot analysis of FMRP in WT, calibrated WT (El), FXS and calibrated FXS clones (El and E3). GAPDH was used as a loading control. (5c) NPC of FMRP of each type of cells was confirmed by immunoblot analysis. GAPDH was used as a loading control. (5d) FMRP detection in wild type (WT), patient (FXS) and calibrated iPSC clones (E1 and E2) via immunochemistry. Mature neurons differentiated for 60 days from each cell line were fixed and stained with antibody. The DAPI signal (blue) indicates the total cell presence in the image. Scale bar: 50 탆.
Figure 6 shows the FMR1 reactivation model. In FXS-iPSC, FMR1 is silenced by the full mutation of the CGG repeat and their methylation, which affects the promoter of FMR1 . After removal of the CGG repeat by RGEN, the promoter is released from its repressive marker and is fully demethylated. Demethylation of the FMR1 promoter allows the gene to be transcribed, thereby FMR1 is reactivated.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are only for describing the present invention in more detail and that the scope of the present invention is not limited by these embodiments in accordance with the gist of the present invention .

실시예Example

실험재료 및 실험방법Materials and Experiments

세포 배양Cell culture

HEK-293T 세포는 10% 소 태아 혈청과 1% 항생제가 첨가된 Dulbecco's modified Eagle's 배지에서 자라게 하였다. 인간 야생형 iPSC(WT-iPSCs Epi3 line)(Park et al., 2014, Proc. Natl Acad. Sci. USA 111, 9253-9258), 야생형 iPSC1(Urbach et al., 2010, Cell Stem Cell 6, 407-411), FXS-유래 iPSC(Urbach et al., 2010, Cell Stem Cell 6, 407-411), 야생형 ESC(Eiges et al., 2007, Cell Stem Cell1, 568-577), FXS-유래 ESC(Eiges et al., 2007, Cell Stem Cell1, 568-577) 및 상기의 세포주로부터 얻어진 교정된 세포주는 4 ng/㎖의 기본 섬유아세포 성장인자(bFGF; PeproTech)를 포함하는 hESC 배지에서 유지시켰다. NPC를 얻기 위하여, 문헌(Kim et al., 2010, Stem Cell Rev. 6, 270-281)에 기술된 바와 같이, 듀얼 SMAD-억제 프로토콜을 사용하여 iPSC 및 ESC에서 신경 로제트를 유도하였다. 문헌(Kim et al., 2012, PLoS ONE 7, e39715)에 기술된 바에 따라 신경세포(neurons)로 분화시켰다. 피더가 없는 상태에서의 배양(feeder-free culturing)을 위하여, 모든 세포주들을 Essential 8TM 배지(Life Technology)에서 배양하였다.HEK-293T cells were grown on Dulbecco's modified Eagle's medium supplemented with 10% fetal bovine serum and 1% antibiotic. (Urbach et al., 2010, Cell Stem Cell 6, 407-9258), wild-type iPSC (WT-iPSCs Epi3 line) (Park et al., 2014, Proc. Natl Acad Sci . USA 111, 9253-9258) 411), FXS-derived iPSC (Urbach et al., 2010, Cell Stem Cell 6, 407-411), wild type ESC (Eiges et al., 2007, Cell Stem Cell 1, 568-577), FXS- et al., 2007, Cell Stem Cell 1, 568-577) and calibrated cell lines obtained from the cell lines were maintained in hESC medium containing 4 ng / ml basic fibroblast growth factor (bFGF; PeproTech). To obtain NPCs, nerve rosetts were induced in iPSC and ESC using a dual SMAD-inhibition protocol, as described in the literature (Kim et al., 2010, Stem Cell Rev. 6, 270-281). Were differentiated into neurons as described in the literature (Kim et al., 2012, PLoS ONE 7, e39715). For feeder-free culturing, all cell lines were cultured in Essential 8 TM medium (Life Technology).

Cas9 코딩 플라스미드 및 트랜스펙션Cas9 coding plasmids and transfection

Cas9 단백질과 sgRNA를 발현하는 플라스미드를 ToolGen, Inc.(한국)로부터 구입하였다. Cas-OFFinder(http://www.rgenome.net/; Bae et al., 2014a)를 사용하여 잠재적인 오프-타겟 위치를 조사하였다. 7개의 잠재적인 오프-타겟 위치가 조사되었으며, 이중에서 4개는 엑손에 위치하였다. 뉴클레아제 유도 삽입/결손(nuclease-induced indels)을 조사하기 위하여, 상기 4개의 엑손 상의 오프-타겟 위치를 T7E1 어세이로 분석하였다. 돌연변이 유도를 관찰하기 위하여, HEK-293T 세포를 리포펙타민 2000(Invitrogen)을 사용하여, Cas9과 sgRNA를 코딩하는 플라스미드로 공동 트랜스펙션 시켰다. CGG 반복의 교정을 위한, 상기 플라스미드의 iPSC 또는 ESC로의 트랜스펙션을 위하여 microporator 시스템(Neon; Invitrogen)을 사용하였다. STO 세포 피더 층에서 배양된 인간 iPSC 및 ESC를 collagenase type IV를 사용하여 수확하였다. PBS로 세척한 후, 문헌(Desbordes et al., 2008, Cell Stem Cell 2, 602-612)에 따라 세포를 단일세포로 분리하였다. RGEN과 sgRNA 플라스미드를 상기 단일세포들과 혼합한 다음, 30 ms 동안 850 V의 전압을 가하였다. 세포를 피더 층에 재분주한 후 10일간 자라게 하였다. CGG 반복 게놈 교정(CGG repeats genomic editing)을 검출하기 위하여, 세포를 용해시키고, 문헌(Park et al., 2014, Proc. Natl Acad. Sci. USA 111, 9253-9258)에서와 같이 PCR을 실시하였다. 사용한 프라이머 서열을 표 1에 나타내었다.A plasmid expressing Cas9 protein and sgRNA was purchased from ToolGen, Inc. (Korea). Potential off-target locations were investigated using Cas-OFFinder (http://www.rgenome.net/; Bae et al., 2014a). Seven potential off-target locations were investigated, of which four were located in exons. To investigate nuclease-induced indels, the off-target positions on the four exons were analyzed with a T7E1 assay. To observe mutagenesis, HEK-293T cells were co-transfected with a plasmid encoding Cas9 and sgRNA using lipofectamine 2000 (Invitrogen). A microporator system (Neon; Invitrogen) was used for the transfection of the plasmid into iPSC or ESC for the correction of CGG repeat. Human iPSC and ESC cultured in the STO cell feeder layer were harvested using collagenase type IV. After washing with PBS, the cells were separated into single cells according to the literature (Desbordes et al., 2008, Cell Stem Cell 2, 602-612). RGEN and sgRNA plasmids were mixed with the single cells and a voltage of 850 V was applied for 30 ms. The cells were redistributed in the feeder layer and allowed to grow for 10 days. To detect CGG repeats genomic editing, the cells were lysed and PCR was performed as in the literature (Park et al., 2014, Proc. Natl Acad Sci USA 111, 9253-9258) . The primer sequences used are shown in Table 1.

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T7E1 어세이T7E1 assay

Cas9과 sgRNA 플라스미드로 공동 트랜스펙션 한 후 4일째에, DNeasy Tissue 키트(Qiagen)를 사용하여 트랜스펙션 된 세포로부터 게놈 DNA를 분리 정제하였다. 이후, 뉴클레아제 타겟 위치가 포함된 DNA 절편을 표 1의 프라이머 세트를 사용하여 증폭시켰다. 열을 가하여 증폭된 duplex DNA를 변성시키고 어닐링 하여 heteroduplex DNA 절편을 생성하였다(Guschin et al., 2010, Methods Mol. Biol. 649, 247-256). 이후, 샘플에 T7 엔도뉴클레아제 1을 37℃에서 20분간 처리하여 미스매치 위치를 절단시키고, 아가로스 겔 전기영동으로 분석하여 절단되지 않은(교정되지 않은) 절편과 절단된 절편의 밴드 강도를 확인하였다. 수학식, "돌연변이 빈도(%) = (1-parental fraction) x 100"을 사용하여 돌연변이 비율을 계산하였다.Four days after co-transfection with Cas9 and sgRNA plasmids, genomic DNA was isolated and purified from transfected cells using a DNeasy Tissue kit (Qiagen). Then, the DNA fragment containing the nuclease target site was amplified using the primer set of Table 1. (Guschin et al., 2010, Methods Mol. Biol. 649, 247-256). The amplified duplex DNA was denatured and annealed to generate heteroduplex DNA fragments. Thereafter, the sample was treated with T7 endonuclease 1 at 37 占 폚 for 20 minutes to break the mismatch position and analyzed by agarose gel electrophoresis to determine the band intensity of the uncut (uncorrected) section and the cut section Respectively. The mutation rate was calculated using the equation, "(1-parental fraction) x 100 ".

단세포(clonal cells)의 분리 및 PCR 분석Isolation and PCR analysis of clonal cells

교정된 세포들의 단세포 집단(clonal populations)을 분리하기 위하여, CGG 반복에 결실을 갖는 것으로 PCR을 통하여 확인된 각 콜로니를 단일세포로 분리시킨 후, 새로운 피더 층(feeder layer)에 재분주 하였다. 세 번의 계대배양 후, 2 내지 3개의 클론을 서열분석과 추가 실험을 위하여 선택하였다. CGG 반복의 서열을 확인하기 위하여, 업스트림 영역과 다운스트림 영역을 포함하는 게놈 DNA를 Ex-Taq polymerase(Takara)와 표 1의 프라이머를 사용하여 PCR 분석하였다. HEK-293T, WT-iPSC 및 WT-ESC에서의 CGG 반복의 전체 서열을 알아내기 위하여, LA-taq와 GC 버퍼 I(Takara)을 사용하였다. 증폭된 PCR 산물을 전기영동한 후 아기로스 겔로 용출시켰다. PCR 증폭에서 사용한 프라이머를 이용하여 용출된 DNA 절편의 서열을 분석하였다. FXS iPSC 및 교정된 FXS iPSC 클론 E1과 E3의 CGG 반복 길이의 분석을 AmplideX FMR1 PCR 키트(Asuragen)를 사용하여 실시하였다.To isolate clonal populations of calibrated cells, each colony identified by PCR as having deletion in CGG repeat was isolated into single cells and then redistributed into a new feeder layer. After three passages, two to three clones were selected for sequencing and further experiments. In order to confirm the sequence of the CGG repetition, genomic DNA including the upstream region and the downstream region was subjected to PCR analysis using Ex-Taq polymerase (Takara) and the primers shown in Table 1. LA-taq and GC buffer I (Takara) were used to determine the full sequence of CGG repeats in HEK-293T, WT-iPSC and WT-ESC. The amplified PCR product was electrophoresed and then eluted with a baby goethite gel. Sequences of the eluted DNA fragments were analyzed using the primers used in PCR amplification. Analysis of CGG repeat lengths of FXS iPSC and calibrated FXS iPSC clones E1 and E3 was performed using the AmplideX FMR1 PCR kit (Asuragen).

RNA 분리, RT-PCR 및 마이크로어레이RNA isolation, RT-PCR and microarray

전체 RNA를 세포로부터 TRIzol 시약(Invitrogen)을 사용하여 분리하였다. 총 RNA 1 ㎍을 DiaStarTM cDNA 합성 키트(SolGent, 한국)를 이용한 cDNA 합성에 사용하였다. FMR1 발현을 확인하기 위하여, 합성한 cDNA를 주형으로 사용하여 EmeraldAmp PCR Master Mix(Takara)로 PCR을 실시하였다. FMR1 mRNA의 수준을 정량하기 위하여, SYBRPremixEx-Taq(Takara)를 사용하여 qPCR을 실시하였다. FMR1 mRNA의 증폭을 위하여, 엑손 3에 위치하는 정방향 프라이머(FMR1-qF) 및 엑손 4에 위치하는 역방향 프라이머(FMR1-qR)를 사용하였다(Chiurazzi et al., 1999, Hum. Mol. Genet. 8, 2317-2323). qPCR에 사용한 프라이머의 서열은 상기 표 1에 나타내었다.Total RNA was isolated from the cells using TRIzol reagent (Invitrogen). 1 ㎍ of total RNA was used for cDNA synthesis using DiaStar TM cDNA synthesis kit (SolGent, Korea). To confirm FMR1 expression, PCR was performed with EmeraldAmp PCR Master Mix (Takara) using the synthesized cDNA as a template. In order to quantify the level of FMR1 mRNA, using SYBR PremixEx-Taq (Takara) it was subjected to qPCR. For FMR1 mRNA amplification, a forward primer ( FMR1- qF) located in exon 3 and a reverse primer ( FMR1- qR) located in exon 4 were used (Chiurazzi et al., 1999, Hum. Mol. Genet. , 2317-2323). The sequences of the primers used in qPCR are shown in Table 1 above.

마이크로어레이 분석을 위하여, 제조사(Affymetrix)의 프로토콜에 따라 RNA를 추출하였다. RNA를 Human Gene 1.0 ST 마이크로어레이 플랫폼(Affymetrix) 분석에 이용하였고, 세척과 스캐닝을 제조사의 프로토콜에 따라 실시하였다. 어레이를 Affymetrix Expression Console의 Robust Multichip Analysis(RMA)를 사용하여 분석하였다.For microarray analysis, RNA was extracted according to the protocol of the manufacturer (Affymetrix). RNA was used for Human Gene 1.0 ST microarray platform (Affymetrix) analysis, and washing and scanning were performed according to the manufacturer's protocol. The arrays were analyzed using the Robust Multichip Analysis (RMA) of the Affymetrix Expression Console.

DNA 메틸화 분석DNA methylation analysis

DNA 메틸화 분석을 위하여, NucleoSpin Tissue kit(Macherey-Nagel)를 사용하여 게놈 DNA를 분리 정제하였다. FMR1 프로모터의 22개의 CpG 위치를 타겟팅하는 프라이머 세트를 사용하여 EpigenDx(Hopkinton, MA)에 의뢰하여 파이로시퀀싱(Pyrosequencing)을 실시하였다.For DNA methylation analysis, genomic DNA was isolated and purified using the NucleoSpin Tissue kit (Macherey-Nagel). Pyrosequencing was performed with an EpigenDx (Hopkinton, Mass.) Using a primer set targeting the 22 CpG positions of the FMR1 promoter.

ChIP (Chromatin immunoprecipitation)ChIP (Chromatin immunoprecipitation)

ChIP를 위하여, FXS 및 교정된 FXS-iPSC를 모아 고정하고, 포름알데하이드 용액으로 가교결합 시킨 후 용해한 다음 초음파 처리하였다. 연어 정액 아가로스 비드(Millipore)를 4℃에서 1시간 동안 처리하여 크로마틴이 맑아지게 하였다. 크로마틴의 면역침강을 항-아세틸화 히스톤 H3 항체(Millipore 06599), 항-메틸화 히스톤 H3(at lysine 4) 항체(Millipore 17614) 및 항-메틸화 히스톤 H3(at lysine 9) 항체(Millipore 17648)를 사용하여 하룻밤 동안 실시하였다. 하룻밤 동안의 인큐베이션 후, 가교결합을 되돌렸고(reversed), PCR clean-up kit(Qiagen)를 사용하여 DNA를 회복시켰다. 용출된 DNA 절편을 quantitative PCR 분석에 사용하였으며, 상기 PCR 분석에는 FMR1 프로모터, APRT 프로모터(양성 대조군) 및 CRYAA 프로모터(음성 대조군)에 대한 프라이머를 사용하였다. ChIP qPCR에 사용한 프라이머 서열을 표 1에 나타내었다.For ChIP, FXS and calibrated FXS-iPSC were pooled, fixed, crosslinked with formaldehyde solution, dissolved and sonicated. Salmon sperm agarose beads (Millipore) were treated at 4 ° C for 1 hour to clear chromatin. Immunoprecipitation of chromatin was performed with anti-acetylated histone H3 antibody (Millipore 06599), anti-methylated histone H3 antibody (Millipore 17614) and anti-methylated histone H3 (Millipore 17648) &Lt; / RTI &gt; overnight. After overnight incubation, cross-linking was reversed and DNA was recovered using PCR clean-up kit (Qiagen). The eluted DNA fragments were used for quantitative PCR analysis. Primers for the FMR1 promoter, the APRT promoter (positive control) and the CRYAA promoter (negative control) were used for the PCR analysis. The primer sequences used in ChIP qPCR are shown in Table 1.

웨스턴 블랏 분석Western blot analysis

세포를 단백질분해효소 억제제 혼합물(Roche)이 포함된 RIPA 버퍼를 사용하여 얼음에서 20분간 용해시켰다. Bradford assay(Bio-Rad)를 통하여 단백질의 농도를 측정하였다. 이후, 동량의 단백질을 전기영동으로 분리하고, PVDF(polyvinylidene fluoride) 막(Millipore)에 옮겼다. PBS에 용해된 5% 비지방 탈지유로 블로킹 한 후, 막을 항-FMRP 항체(AbFrontier, Korea)와 항-GAPDH 항체(Santa Cruz)와 함께 0.05% Tween 20이 함유되어 있는 Tris-buffered saline(20 mM Tris-HCl 및 500 mM NaCl)에서 상온에서 2시간 동안인큐베이션 하였다. Tris-buffered saline/Tween에서 두 번 세척한 후, 막을 호스래디시 페록시다아제-컨쥬게이트 염소 항-마우스 항체와 함께 Tris-buffered saline/Tween에서 상온에서 1시간 동안 인큐베이션 하였다. 단백질은 enhanced chemiluminescence kit (Amersham Biosciences)를 사용하여 검출하였다.Cells were lysed in ice for 20 minutes using RIPA buffer containing protease inhibitor mixture (Roche). The protein concentration was measured by Bradford assay (Bio-Rad). Then, the same amount of protein was separated by electrophoresis and transferred to PVDF (polyvinylidene fluoride) membrane (Millipore). After blocking with 5% non-fat skimmed milk dissolved in PBS, the membranes were incubated with Tris-buffered saline (20 mM) containing 0.05% Tween 20 with anti-FMRP antibody (AbFrontier, Korea) and anti- GAPDH antibody Tris-HCl and 500 mM NaCl) at room temperature for 2 hours. After two washes in Tris-buffered saline / Tween, the membranes were incubated in Tris-buffered saline / Tween with horseradish peroxidase-conjugated goat anti-mouse antibody for 1 hour at room temperature. Proteins were detected using an enhanced chemiluminescence kit (Amersham Biosciences).

면역염색Immunodiffusion

FMRP의 면역염색을 위하여, 세포를 4% 파라포름알데하이드 용액으로 고정한 다음, 0.2% Triton X-100으로 투과화(permeabilization)를 실시하였다. 5% 정상 염소 혈청과 2% 소 혈청 알부민이 함유된 PBS 용액으로 블로킹 한 후, 세포를 항-OCT3/4(Santa Cruz), 항-FMRP(AbFrontier, Korea) 및 항-MAP2(Millipore)로 구성된 군으로부터 선택된 1차 항체 중 하나의 항체와 상온에서 2시간 동안 인큐베이션 하였다. PBS 용액으로 세 번 세척한 후, 세포를 형광-결합(fluorescence-conjugated) 2차 항체(Alexa Fluor 488 or 594; Invitrogen)와 함께 상온에서 1시간 동안 인큐베이션 하였다. 이후, 0.1% Tween 20이 함유된 PBS 용액으로 세척하고, 핵을 관찰하기 위하여 4′, 6-Diamidino-2-Phenylindole(DAPI; Vector Laboratories)를 포함하는 마운팅 배지(mounting medium)에 올려놓았다. Olympus IX71 현미경 또는 FSX 시스템을 사용하여 이미지를 캡처하고, 분석하였다.For immunostaining of FMRP, cells were fixed with 4% paraformaldehyde solution and then permeabilized with 0.2% Triton X-100. After blocking with PBS solution containing 5% normal goat serum and 2% bovine serum albumin, cells were incubated with anti-OCT3 / 4 (Santa Cruz), anti-FMRP (AbFrontier, Korea) and anti-MAP2 Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 1 &lt; / RTI &gt; After washing three times with PBS solution, cells were incubated with fluorescence-conjugated secondary antibody (Alexa Fluor 488 or 594; Invitrogen) for 1 hour at room temperature. Then, the cells were washed with a PBS solution containing 0.1% Tween 20 and placed on a mounting medium containing 4 ', 6-Diamidino-2-phenylindole (DAPI; Vector Laboratories) for observation of nuclei. Images were captured and analyzed using an Olympus IX71 microscope or FSX system.

통계 분석Statistical analysis

데이터는 평균 ± 표준 오차(SE)로 나타내었다. Student's t test로 데이터의 유의성을 평가하였다. p<0.05를 통계적 유의성이 있는 것으로 간주하였다.Data are expressed as mean ± standard error (SE). The significance of the data was assessed by Student's t test. p <0.05 was considered statistically significant.

실험결과Experiment result

FMR1 유전자의 5'-UTR 서열 분석5'-UTR sequence analysis of FMR1 gene

CGG 반복의 결실을 가능하게 할 FMR1 유전자 내 DNA 서열을 찾기 위하여, 야생형(WT)- 및 FXS-iPSC와 ESC의 CGG 반복과 이들의 인접 영역(CGG 반복의 업스트림과 다운스트림)의 서열을 분석하였다. 먼저 FMR1-F 및 FMR1-R 프라이머 세트를 사용하여 WT 세포주로부터 5'-UTR을 증폭하였다(도 1a). FXS-iPSC와 FXS-ESC의 경우에는, FMR1-F/FMR1-R1 및 FMR1-F1/FMR1-R을 각각 사용하여 CGG 반복의 업스트림 영역과 다운스트림 영역을 개별적으로 증폭시켰다(도 1a). 이와 같이 실시한 이유는, 종래의 PCR 방법으로는 FXS 환자에서 발견되는 200 카피 이상의 완전 돌연변이 된 CGG 반복을 증폭시키는 것이 어렵기 때문이다. 실제로, 본 실험에서 사용한 FXS-iPSC가 450 카피 이상의 CGG 반복을 가지고 있으며, 본 실험에서 사용한 FXS-ESC가 200 카피 이상의 CGG 반복을 가지고 있는 것으로 알려져 있다(Gray et al., 2007, Mol. Cell. Biol. 27, 426-437; Eiges et al., 2007, Cell Stem Cell 1, 568-577). 우리의 WT 세포는 하나의 AGG 트리뉴클레오티드와 연결되거나 되지 않은 9-10개의 CGG 트리뉴클레오티드의 반복된 구조를 가지고 있었다(도 1b, 표 2). 흥미롭게도, WT과 환자 유래 세포에서의 인접한 업스트림 및 다운스트림 영역의 서열은 동일하였다(도 1b).Sequences of CGG repeats of wild-type (WT) - and FXS-iPSC and ESC and their adjacent regions (upstream and downstream of CGG repeat) were analyzed to find DNA sequences in the FMR1 gene that would enable the deletion of CGG repeats . First, the 5'-UTR was amplified from WT cell lines using the FMR1-F and FMR1-R primer sets (FIG. 1A). In the case of FXS-iPSC and FXS-ESC, the upstream and downstream regions of the CGG repeat were individually amplified using FMR1-F / FMR1-R1 and FMR1-F1 / FMR1-R, respectively (FIG. The reason for this is that it is difficult to amplify over 200 copies of completely mutated CGG repeats found in FXS patients by conventional PCR methods. In fact, FXS-iPSC used in this experiment has more than 450 CGG repeats, and FXS-ESC used in this experiment has more than 200 CGG repeats (Gray et al., 2007, Mol. Cell. Biol., 27, 426-437; Eiges et al., 2007, Cell Stem Cell 1, 568-577). Our WT cells had a repeating structure of 9-10 CGG trinucleotides with or without one AGG trinucleotide (Figure 1b, Table 2). Interestingly, the sequences of adjacent upstream and downstream regions in WT and patient derived cells were identical (FIG. 1 b).

세포cell CGG 반복의 카피수The number of copies of the CGG iteration Ref(NCBI # NM_001185082.1)Ref (NCBI # NM_001185082.1) CGG(10) AGG(1) CGG(9)CGG (10) AGG (1) CGG (9) HEK-293THEK-293T CGG(10) AGG(1) CGG(9) AGG(1) CGG(9)CGG (10) AGG (1) CGG (9) AGG (1) CGG (9) WT-iPSCWT-iPSC CGG(9) AGG(1) CGG(19)CGG (9) AGG (1) CGG (19) WT-iPSC1WT-iPSC1 CGG(9) AGG(1) CGG(10) AGG(1) CGG(9)CGG (9) AGG (1) CGG (10) AGG (1) CGG (9) WT-ESCWT-ESC CGG(10) AGG(1) CGG(9) AGG(1) CGG(9)CGG (10) AGG (1) CGG (9) AGG (1) CGG (9) FXS-iPSCFXS-iPSC 200 카피수의 반복 이상*Over 200 copies * FXS-ESCFXS-ESC 200 카피수의 반복 이상**Over 200 copies **

괄호 안의 숫자는 반복된 서열의 수를 나타낸다.Numbers in parentheses indicate the number of repeated sequences.

*FXS-iPSC의 카피수는 문헌 Gray, S.J., et al. An origin of DNA replication in the promoter region of the human fragile X mental retardation (FMR1) gene. Mol. Cell. Biol. 27, 426-437 (2007)에서 분석되었다.The number of copies of FXS-iPSC is described in the literature Gray, SJ, et al . An origin of DNA replication in the promoter region of the human fragile X mental retardation (FMR1) gene. Mol. Cell. Biol. 27, 426-437 (2007).

**FXS-ESC의 카피수는 문헌 Eiges, R., et al. Developmental study of fragile X syndrome using human embryonic stem cells derived from preimplantation genetically diagnosed embryos. Cell Stem Cell 1, 568-577 (2007)에서 분석되었다.** The number of copies of FXS-ESC is described by Eiges, R., et al. Developmental study of fragile X syndrome using human embryonic stem cells derived from preimplantation genetically diagnosed embryos. Cell Stem Cell 1, 568-577 (2007).

HEK-293T 세포에서의 FMR1 유전자 내 RGEN 유도 돌연변이RGEN-induced mutations in the FMR1 gene in HEK-293T cells

다음으로, Cas9 뉴클레아제 및 CGG 반복의 업스트림 서열의 말단을 표적으로 하는 sgRNA로 구성된 RGEN을 제조하였다(도 2a). RGEN의 게놈 교정(genome-editing) 활성을 검증하기 위하여, T7 엔도뉴클레아제 1(T7E1) 분석을 HEK-293T 세포에서 실시하였다. RGEN 활성은 상대적으로 높았는데, 표적 위치에서 41%의 빈도로 돌연변이를 유도하였다(도 2b). 후속 서열분석에서, 작은 삽입과 결실(indels)뿐만 아니라, 크게 결실된 서열이 RGEN 표적 위치에서 확인되었다(도 2c). RGEN 시스템을 사용할 때 오프-타겟 돌연변이가 바람직하지 않은 영향을 미칠 수 있음을 고려하여(Fu et al., 2013, Nat. Biotechnol. 31, 822-826; Hsu et al., 2013, Nat. Biotechnol. 31, 827-832; Pattanayak et al., 2013, Nat. Biotechnol. 31, 839-843; Cho et al., 2014, Genome Res. 24, 132-141), 이러한 돌연변이 유형이 본 실험에서 사용한 RGEN 시스템에 의하여 야기된 것인지 여부를 조사하였다. 인간 게놈 내의 온-타겟 위치와 유사한 4개의 잠재적인 오프-타겟 위치를 Cas-OFFinder 프로그램을 사용하여 조사하였다(도 1d). 이후, 본 실험에서 사용한 RGEN 시스템이 이들 위치에서 어떠한 검출 가능한 오프-타겟 돌연변이를 발생시키지 않았음을 T7E1 분석을 통하여 검증하였다(도 1e).Next, RGEN consisting of sgRNA targeting the Cas9 nuclease and the end of the upstream sequence of the CGG repeat was prepared (Fig. 2a). To verify the genome-editing activity of RGEN, T7 endonuclease 1 (T7E1) assays were performed on HEK-293T cells. RGEN activity was relatively high, leading to a mutation at a frequency of 41% at the target site (Fig. 2b). In subsequent sequencing, large deletion sequences as well as small insertions and indels were identified at the RGEN target site (FIG. 2C). Considering that off-target mutations can have undesirable effects when using the RGEN system (Fu et al., 2013, Nat. Biotechnol. 31, 822-826; Hsu et al., 2013, Nat. 201, Genome Res. 24, 132-141), and these mutant types were used in the RGEN system used in this experiment To determine whether or not it was caused by. Four potential off-target positions similar to the on-target positions in the human genome were examined using the Cas-OFFinder program (Fig. 1d). Thereafter, it was verified by T7E1 analysis that the RGEN system used in this experiment did not produce any detectable off-target mutations at these positions (Fig. 1e).

환자의 iPSC와 ESC에서의 CGG 반복의 표적화(Targeted) 게놈 교정Targeted genomic calibration of CGG repeat in patient's iPSC and ESC

환자 세포에서 FXS를 바로잡기 위하여, 고안한 RGEN을 FXS-iPSC 및 FXS-ESC를 교정하기 위하여 이용하였다. Cas9과 sgRNA 플라스미드를 WT 세포, FXS-iPSC 및 FXS-ESC로 전기천공한 후, 교정된 클론을 스크리닝 하기 위하여 PCR 기반 유전형질 분석(genotyping)을 실시하였다. 모든 교정된 WT-iPSC 및 WT-ESC 중에서 오직 모세포주와 비교하여 약 90 bp의 CGG 반복 결실을 가지고 있는 클론을 후속 실험에 대조군으로 사용하기 위하여 선별하였다(표 2). FXS-iPSC 및 FXS-ESC에서, 오직 90 bp 결실된 WT 세포의 PCR 산물과 유사한 크기의 PCR 산물을 갖는 클론을 선별하였다(도 2c). 스크리닝과 추가적인 계대배양 후, CGG 반복 결실을 갖는 각 세포 유형 유래의 2-3개의 교정된 세포를 약 100개의 콜로니에서 구축하고(2-3% 효율), PCR-기반 유전형질 분석으로 확인하였다(도 2c). 모든 교정된 세포는 FMR1의 5'-UTR에서 CGG 반복 서열의 결실을 보였다(도 2d). 이러한 결과는, CGG 반복의 업스트림의 표적화된(targeted) DSB(DNA double-strand break)가 Cas9 뉴클레아제에 의하여 유도되었고, 비정상적으로 돌연변이된 반복을 크게 결실시킬 수 있음을 보여준다. 끝으로, 선별된 교정된 FXS-iPSC에서의 CGG 반복의 완전한 절제(ablation)를 검증하기 위하여, 교정된 FXS-iPSC 클론 E1과 E3뿐만 아니라 우리의 FXS-iPSC도 AmplideX FMR1 PCR 키트를 사용하여 분석하였다. 분석 결과, 모세포주인 FXS-iPSC가 200개 이상의 CGG 반복을 가지고 있는 반면, 교정된 FXS iPSC 클론에서는 CGG가 검출되지 않았다(도 1f).To correct FXS in patient cells, the designed RGEN was used to calibrate FXS-iPSC and FXS-ESC. Cas9 and sgRNA plasmids were electroporated with WT cells, FXS-iPSC and FXS-ESC, and PCR-based genotyping was performed to screen the calibrated clones. Of all calibrated WT-iPSC and WT-ESC, clones with CGP repeat deletions of approximately 90 bp compared to the parental lines were selected for use as controls in subsequent experiments (Table 2). In FXS-iPSC and FXS-ESC, clones with PCR products of similar size to the PCR products of only 90 bp deleted WT cells were selected (Fig. 2C). After screening and additional passaging, 2-3 calibrated cells from each cell type with CGG repetitive deletion were constructed (~ 2-3% efficiency) in about 100 colonies and confirmed by PCR-based genetic characterization 2c). All calibrated cells showed deletion of the CGG repeat sequence in the 5'-UTR of FMR1 (FIG. 2d). These results demonstrate that targeted DSB (DNA double-strand break) upstream of the CGG repeat was induced by Cas9 nuclease and could significantly delete the abnormally mutated repeat. Finally, the corrected FXS-iPSC clones E1 and E3 Our FXS-iPSC as well as to verify the complete resection of the CGG repeat in the selected corrected FXS-iPSC (ablation) is also using the AmplideX FMR1 PCR Kit Respectively. Analysis showed that the parental FXS-iPSC had more than 200 CGG repeats, whereas no CGG was detected in the corrected FXS iPSC clones (Fig. 1F).

교정된 FXS-iPSC 및 FXS-신경전구세포(NPC)에서의 FMR1 유전자 발현의 재개Resumption of FMR1 gene expression in calibrated FXS-iPSC and FXS-neuronal precursor cells (NPC)

게놈 DNA 교정 결과를 토대로, CGG 반복의 결실이 FMR1의 재활성화를 초래하는지 여부를 분석하였다. 기능하지 않는(silenced) FMR1 유전자의 재활성화를 평가하기 위하여, WT- 및 FXS-iPSC에서, 교정되거나 교정되지 않은 동질유전자(isogenic) 세포주에서 qPCR 분석을 통하여 mRNA 수준을 측정하였다. FXS 환자의 iPSC 모델과 달리, FXS-ESC에서는 FMR1의 발현이 활성인 상태로 남아 있었고, 사일런싱(silencing)은 성숙한 뉴런으로의 아주 긴 분화 후에만 가끔씩 얻을 수 있었다(Urbach et al., 2010, Cell Stem Cell 6, 407-411). 환자 유래의 iPSC와 ESC 사이의 이러한 차이점 때문에, 우리는 iPSC 모델 시스템에서의 게놈 교정에 의한 FMR1 유전자의 재활성화에 초점을 맞추었다. 흥미롭게도, 교정된 FXS-iPSC (FXS-iPSC 클론 E1 및 E3)에서, 침묵된(silenced) FMR1 mRNA의 재활성화가 CGG 반복의 결실 후에 일어났다. 또한, FMR1 mRNA 수준이 대조군 WT 세포에서 관찰된 수준과 유사하게 회복되었다. 나아가, 상기 결실은 교정되지 않은 모세포주와 비교하여 교정된 WT-iPSCs에서는 FMR1의 전사에 어떠한 주요한 변화를 보여주지 못하였다(도 2e).Based on the genomic DNA calibration results, it was analyzed whether deletion of CGG repeat resulted in reactivation of FMR1 . To assess the reactivation of the silenced FMR1 gene, mRNA levels were measured in qPCR assays in calibrated or uncorrected isogenic cell lines in WT- and FXS-iPSC. Unlike the iPSC model of patients with FXS, the expression of FMR1 remained active in FXS-ESC, and silencing was occasionally obtained only after very long differentiation into mature neurons (Urbach et al., 2010, Cell Stem Cell 6, 407-411). Because of these differences between patient-derived iPSCs and ESCs, we focused on the reactivation of the FMR1 gene by genomic correction in the iPSC model system. Interestingly, in the calibrated FXS-iPSC (FXS-iPSC clones E1 and E3), the reactivation of the silenced FMR1 mRNA occurred after the deletion of the CGG repeat. In addition, the level of FMR1 mRNA was restored similar to that observed in control WT cells. Furthermore, the deletion did not show any major change in the transcription of FMR1 in WT-iPSCs calibrated compared to the uncalibrated parental strain (Fig. 2E).

iPSC에서 확인된 재활성화가 신경 분화를 통하여 계속 유지되는지 알아보기 위하여, WT, FXS-교정된 및 FXS-교정되지 않은 동질유전자 세포주로부터 신경 로제트를 유도하였다. 그들의 모세포주와 비교할 때, 교정된 iPSC와 ESC 사이에 신경 로제트 형성율에 차이가 없었으며, 이러한 결과는 본 실험에서 사용한 모든 세포주들이 초기 뉴런 세포로 분화할 수 있는 유사한 잠재력을 가지고 있음을 보여준다(도 3a). FMR1 유전자의 전사는 WT-iPSC의 발현 수준과 유사하게, 모든 교정된 FXS-iPSC 세포주(주로, FXS-iPSC E1, E2 및 E3)로부터 분화된 NPC에서 유지되었다(도 2f).Nerve roots were induced from WT, FXS-calibrated and FXS-uncorrected homozygous cell lines to determine if the reactivation identified in iPSC persisted through neural differentiation. There was no difference in the rate of neural rosette formation between the calibrated iPSC and ESC when compared to their parental cells, and these results show that all cell lines used in this experiment have similar potential to differentiate into early neuronal cells 3a). Transcription of the FMR1 gene was maintained in NPCs differentiated from all calibrated FXS-iPSC cell lines (mainly FXS-iPSC E1, E2 and E3), similar to the expression level of WT-iPSC (Fig. 2f).

FMR1의 프로모터 부위 내 메틸화 상태 분석Analysis of methylation status of promoter region of FMR1

FMR1의 RNA 수준에서의 성공적인 재활성화를 확인한 후, 이러한 mRNA 발현의 변화가 FMR1의 프로모터 부위의 후생적(epigenetic) 변화와 관련되어 있는지 여부를 확인하고자 하였다. 먼저, CGG 반복의 결실이 프로모터의 업스트림에 위치하는 CpG 아일랜드(CpG island)에 영향을 미치는지 알아보기 위하여, iPSC의 FMR1 프로모터의 메틸화 상태를 분석하였다. 파이로시퀀싱을 이용하여, FMR1 전사 시작부위로부터 -395 ~ -256 bp 사이의 22개의 CpG 부위를 분석하였다(도 4a). 그 결과, RGEN에 의한 FXS-iPSC에서의 CGG 반복의 결실 전, 대부분의 CpG 부위가 100%의 메틸화를 보인바와 같이, 모든 CpG 부위는 과하게 메틸화(hyper methylated)되어 있었다(도 4b). 교정된 FXS-iPSC 클론에서의 FMR1 프로모터의 상기와 동일한 위치의 22개의 CpG 부위를 분석한 결과, 많은 CpG 부위의 메틸화 수준이 WT 세포에서 확인된 메틸화 수준과 유사하여 프로모터의 현저한 탈메틸화가 검출되었다(도 4b). 상기 파이로시퀀싱 결과를 정량한 결과, WT-iPSC 프로모터의 평균 메틸화 수준은 0.4%였으며, FXS-iPSC의 평균 프로모터 메틸화는 97.4%에 달하였다. 교정된 FXS-iPSC를 분석한 결과, FXS-iPSC 클론 E1은 10%였고, FXS-iPSC 클론 E3은 단지 0.8%로 WT-iPSC와 유사한 수준을 나타내어, 프로모터의 평균 메틸화가 현저히 감소하였음을 확인하였다(도 4c).After confirming the successful reactivation of the RNA levels of FMR1, it was to determine whether the change in the mRNA expression is related to the welfare enemies (epigenetic) changes in the promoter region of the FMR1. First, the methylation status of the FMR1 promoter of iPSC was analyzed to determine whether the deletion of CGG repetition affects the CpG island (CpG island) located upstream of the promoter. Using pyrosequencing, 22 CpG sites between -395 and -256 bp from the start of FMR1 transcription were analyzed (FIG. 4A). As a result, all CpG sites were hyper-methylated (Fig. 4B), as most CpG sites showed 100% methylation before deletion of CGG repeat in FXS-iPSC by RGEN. Analysis of the 22 CpG sites at the same positions of the FMR1 promoter in the calibrated FXS-iPSC clones revealed that the methylation level of many CpG sites was similar to the methylation level found in WT cells, indicating a significant demethylation of the promoter (Fig. 4B). As a result of quantifying the result of pirosequencing, the average methylation level of the WT-iPSC promoter was 0.4%, and the average promoter methylation of FXS-iPSC reached 97.4%. Analysis of the calibrated FXS-iPSC revealed that the FXS-iPSC clone E1 was 10% and the FXS-iPSC clone E3 was only 0.8%, similar to WT-iPSC, indicating that the mean methylation of the promoter was significantly reduced (Fig. 4c).

상기 WT, FXS, 교정된 WT 및 교정된 FXS-iPSC로부터 얻은 NPC의 FMR1 프로모터 메틸화 수준을 분석하였다. iPCS에서 관찰된 것과 마찬가지로, NPC 또한 교정된 FXS 클론과 교정되지 않은 FXS 클론 사이의 프로모터 메틸화 수준의 현저한 변화가 확인되었다. 비록 WT-NPC와 교정된 WT-NPC는 모든 부위가 거의 비메틸화인 저메틸화를 보였으나, FXS-NPC는 대부분 위치가 거의 100%의 메틸화(과메틸화)를 보였다(도 4b). 교정된 클론에서는, 두 FXS-NPC 클론들은 대부분 위치가 거의 메틸화되지 않아 뚜렷한 저메틸화를 보였다(도 4b). 모든 부위를 정량한 결과, WT과 교정된 WT-NPC의 FMR1 프로모터의 평균 메틸화는 각각 0.2%와 0.7%였다(도 4c). FXS-NPC의 평균 프로모터 메틸화 수준은 87.4%에 달하였고, 교정된 FXS-NPC의 평균 프로모터 메틸화 수준은 WT-NPC의 수준과 유사하게 두 클론에서 모두 겨우 0.2%였다(도 4c).The levels of FMR1 promoter methylation of NPCs from the WT, FXS, calibrated WT and calibrated FXS-iPSC were analyzed. Similar to that observed in iPCS, NPCs also showed marked changes in the level of promoter methylation between the calibrated FXS clones and the uncalibrated FXS clones. Although WT-NPC corrected WT-NPC showed low methylation with almost no methylation at all sites, FXS-NPC showed mostly 100% methylation (hypermethylation) at most sites (FIG. 4b). In the calibrated clones, both FXS-NPC clones were markedly under-methylated with almost no methylation at their positions (FIG. 4B). As a result of quantifying all sites, the mean methylation of the WT-corrected WT-NPC FMR1 promoter was 0.2% and 0.7%, respectively (FIG. 4c). The average promoter methylation level of FXS-NPC was 87.4%, and the average promoter methylation level of the corrected FXS-NPC was only 0.2% in both clones, similar to that of WT-NPC (FIG.

FMR1 유전자의 크로마틴 구조의 변화를 분석하기 위하여, 전사적으로(transcriptionally) 활성인 크로마틴 상태를 보여주는 히스톤 3 테일 아세틸화(histone 3 tail acetylation; H3 Ace) 및 히스톤 3 K4 메틸화(histone 3 K4 methylation; H3 K4meth)에 대한 크로마틴 면역침강, 및 억제된(repressed) 크로마틴 상태를 보여주고 FMR1 사일런싱과 관련된 히스톤 3 K9 메틸화(histone 3 K9 methylation; H3 K9meth)에 대한 크로마틴 면역침강을 실시하였다(Coffee et al., 2002, Am. J. Hum. Genet. 71, 923-932; Coffee et al., 1999, Nat. Genet. 22, 98-101). 활성화된 크로마틴에 대한 두 마커인 H3 Ace 및 H3 K4meth은 CGG 반복의 교정 후에 현저하게 상향 조절되었고, 억제된 크로마틴 마커인 H3 K9meth은 현저히 하향 조절되었다(도 4d). 또한, RT-PCR을 통하여 WT과 FXS-iPSC의 APRT, CRYASAFMR1의 발현 수준을 분석하였다. 상기 발현 분석은 발현과 후생유전적 변경(epigenetic modification) 사이의 상관관계를 확인시켜 주었다(도 3b). 이러한 결과는, CGG 반복의 제거가 FMR1 프로모터의 메틸화 상태와 크로마틴 상태에 대하여 후생유전적 영향을 미침을 보여준다.To analyze the changes in the chromatin structure of the FMR1 gene, histone 3 tail acetylation (H3 Ace) and histone 3 K4 methylation (histone 3 K4 methylation, which shows the transcriptionally active chromatin status) H3 K4meth), and chromatin immunoprecipitation against histone 3 K9 methylation (H3 K9 methylation; H3 K9meth) associated with FMR1 silencing, which showed repressed chromatin status Coffee et al., 2002, Am. J. Hum Genet., 71, 923-932, Coffee et al., 1999, Nat. Genet., 22, 98-101). The two markers for activated chromatin, H3 Ace and H3 K4meth, were significantly up-regulated after the correction of the CGG repeat and the inhibited chromatin marker H3 K9meth was significantly down-regulated (Figure 4d). The expression levels of APRT , CRYASA and FMR1 in WT and FXS-iPSC were also analyzed by RT-PCR. The expression analysis confirmed the correlation between expression and epigenetic modification (Fig. 3B). These results show that the elimination of CGG repeats has a widespread genetic influence on the methylation status and chromatin status of the FMR1 promoter.

교정된 FXS 클론에서의 FMRP 수준의 회복Recovery of FMRP Levels in Corrected FXS Clones

끝으로, 교정된 iPSC 세포주와 이들의 모세포주를 대상으로 면역세포화학 염색을 통하여 FMR1 단백질(FMRP)의 존재를 확인하고자 하였다. 예상과 같이, WT-iPSC 염색이 FMRP에 대하여 양성인 것과 반대로, 미분화 FXS-iPSC의 염색은 FMRP에 대하여 음성이었다(도 5a). 이상의 결과는 FMRP를 보다 더 민감하게 검출할 수 있는 웨스턴 블랏으로 한 번 더 증명되었다(도 5b). 상기에서 설명한 전사 및 후생유전(epigenetic) 결과와 비슷하게, FMRP 수준이 교정된 FXS-iPSC E1과 E3에서 회복되었다. 모든 교정된 세포주들은 그들의 모세포주와 유사한 OCT4 염색을 보였다(도 5a). 나아가, 다른 전분화능(pluripotency) 마커는, qPCR 분석 결과 두 교정 세포주들과 그들의 모세포주에서 비슷한 발현 수준을 보였다(도 3c). 이러한 결과는, CGG 반복의 결실을 초래하는 절차가 교정된 클론들의 전분화능에는 부정적 영향을 미치지 않음을 보여준다. 교정된 ESC 세포주를 추가 분석한 결과, 그들의 동질유전자형(isogenic)의 모세포주(ESC)와 유사한 FMRP 염색을 보였다(도 4d). 다음으로, FXS-iPSC 클론 E1 및 E3로부터 유래된 NPC를 대상으로 웨스턴 블랏으로 FMRP의 존재를 분석한 결과, 높은 수준의 FMRP가 확인되었다(도 5c).Finally, we investigated the presence of FMR1 protein (FMRP) through immunocytochemical staining of calibrated iPSC cell lines and their parental cells. As expected, staining of undifferentiated FXS-iPSC was negative for FMRP as opposed to that WT-iPSC staining was positive for FMRP (Fig. 5A). The above results were further proved by Western blotting, which allows more sensitive detection of FMRP (Fig. 5B). Similar to the transcriptional and epigenetic results described above, FMRP levels were restored in the calibrated FXS-iPSC E1 and E3. All calibrated cell lines showed OCT4 staining similar to their parental cells (Fig. 5A). Further, other pluripotency markers showed similar expression levels in both calf cells and their progenitor cell lines as a result of qPCR analysis (Fig. 3c). These results show that the procedure that results in the deletion of CGG repeats does not adversely affect the ability of the calibrated clones to differentiate. Further analysis of the calibrated ESC cell lines showed FMRP staining similar to their isogenic ESCs (Fig. 4d). Next, the presence of FMRP was analyzed by Western blotting on NPCs derived from FXS-iPSC clones E1 and E3, and a high level of FMRP was identified (FIG. 5C).

FMRP의 존재가 교정된 FXS-iPSC 클론으로부터 유래된 성숙한 뉴런에서도 유지되는지 여부를 조사하였다. 이를 위하여, 동질유전자형의 교정된 세포주 뿐만 아니라, 이들의 WT- 및 FXS-iPSC를 성숙한 뉴런으로 분화시켰다(Kim et al., 2010, Stem Cell Rev. 6, 270-281; Kim et al., 2012, PLoS ONE 7, e39715). 이후, 분화된 뉴런을 FMRP 및 성숙한 뉴런 마커인 MAP2(microtubule-associated protein 2)에 대하여 염색하였다. 모든 분화된 세포주들은 MAP2에 대하여 양성 염색되었으며, 이러한 결과는 성숙한 뉴런으로 성공적으로 분화되었음을 보여준다(도 5d). 다행스럽게도, 모세포주인 교정되지 않은 FXS-iPSC로부터 분화된 뉴런과 달리, FXS-iPSC 클론 E1 및 E2로부터 분화된 성숙한 뉴런은 FMRP에 대하여 양성 염색되었다(도 5d). 재활성화된 단백질(FMRP)의 잠재적인 효과를 조사하기 위하여, 교정된 FXS 성숙한 뉴런의 유전자 발현을 그들의 동질유전자형의 모세포주 유래의 뉴런과 비교하였다. 상기 유전자 발현 분석은 교정된 FXS 뉴런과 교정되지 않은 FXS 뉴런 사이에 차별적으로 발현된 약간의 유전자를 확인시켜 주었으며, 이들 유전자에는 서로 다른 글루타메이트 수용체 유전자들이 많이 포함되어 있었다. 몇몇 글루타메이트 수용체 유전자들은 교정 후 2배 이상의 RNA 수준의 감소를 보인 반면(도 3e), 다른 핵심 뉴런 유전자들은 유사한 발현 수준을 보였다(도 3f). 이러한 결과는 FXS 뉴런에서의 글루타메이트 수용체 활성의 조절 이상(dysregulation)을 보여주는 이전의 연구결과(Dolen et al., 2007, Neuron, 56,955-962)와 관련되어 있다.We investigated whether the presence of FMRP was also maintained in mature neurons derived from calibrated FXS-iPSC clones. To this end, we have differentiated the WT- and FXS-iPSC as well as the calibrated cell line of the homozygous genotype into mature neurons (Kim et al., 2010, Stem Cell Rev. 6, 270-281; Kim et al., 2012 , PLoS ONE 7, e39715). The differentiated neurons were then stained for FMRP and for mature neuron marker MAP2 (microtubule-associated protein 2). All differentiated cell lines were stained positively for MAP2 and these results show successful differentiation into mature neurons (Fig. 5d). Fortunately, mature neurons differentiated from FXS-iPSC clones E1 and E2 were positively stained for FMRP (Fig. 5d), unlike neurons differentiated from unmasked FXS-iPSC. To investigate the potential effects of reactivated proteins (FMRPs), gene expression of calibrated FXS mature neurons was compared to neurons from parental strains of their homozygous genotypes. The gene expression analysis identified some genes differentially expressed between the calibrated FXS neurons and the uncalibrated FXS neurons, and these genes contained many different glutamate receptor genes. Some glutamate receptor genes showed a decrease in RNA levels by more than 2-fold after calibration (FIG. 3E), while other core neuron genes showed similar expression levels (FIG. 3F). These results are related to previous studies (Dolen et al., 2007, Neuron, 56, 955-962) showing dysregulation of glutamate receptor activity in FXS neurons.

종합적으로, 상기의 결과들은 비정상적인 반복의 결실을 통한 유전자형의 수정(correction)이 FMR1 유전자의 발현과, FXS-iPSC 및 그들의 신경 파생물들(neural derivatives)에서의 FMRP 수준을 회복시킬 수 있음을 보여준다.Collectively, the above results show that genetic modification through deletion of abnormal repetitions can restore the expression of the FMR1 gene and the FMRP levels in FXS-iPSC and their neural derivatives.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현 예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limiting the scope of the present invention. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

<110> INDUSTRY-ACADEMIC COOPERATION FOUNDATION, Yonsei University <120> Editing CGG triplet repeats using Endonuclease for Targeting Fragile X mental retardation 1 <130> PN150352 <160> 26 <170> KopatentIn 2.0 <210> 1 <211> 87 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> potential RGEN target site in upstream region of CGG repeat <400> 1 cttccggtgg agggccgcct ctgagcgggc ggcgggccga cggcgagcgc gggcggcggc 60 ggtgacggag gcgccgctgc caggggg 87 <210> 2 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> RGEN target site in upstream region of CGG repeat <400> 2 tgacggaggc gccgctgcca 20 <210> 3 <211> 28 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> FMR1-F <400> 3 tcaggcgctc agctccgttt cggtttca 28 <210> 4 <211> 26 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> FMR1-R <400> 4 aagcgccatt ggagccccgc acttcc 26 <210> 5 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> FMR1-F1 <400> 5 cggcggcggc tgggcctcga g 21 <210> 6 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> FMR1-R1 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Artificial Sequence <220> <223> GAPDH-F <400> 15 gaacatcatc cctgcctcta ctg 23 <210> 16 <211> 24 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> GAPDH-R <400> 16 caggaaatga gcttgacaaa gtgg 24 <210> 17 <211> 23 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> GAPDH-F1 <400> 17 cccctcaagg gcatcctggg cta 23 <210> 18 <211> 24 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> GAPDH-R1 <400> 18 gaggtccacc accctgttgc tgta 24 <210> 19 <211> 23 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> FMR1-qF <400> 19 gtatggtacc atttgttttt gtg 23 <210> 20 <211> 25 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> FMR1-qR <400> 20 catcatcagt cacatagctt ttttc 25 <210> 21 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> FMR1 promoter F <400> 21 aactgggata accggatcga t 21 <210> 22 <211> 18 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> FMR1 promoter R <400> 22 ggccagaacg cccatttc 18 <210> 23 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> APRT promoter F <400> 23 gccttgactc gcacttttgt 20 <210> 24 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<223> FMR1-F <400> 3 tcaggcgctc agctccgttt cggtttca 28 <210> 4 <211> 26 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> FMR1-R <400> 4 aagcgccatt ggagccccgc acttcc 26 <210> 5 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> FMR1-F1 <400> 5 cggcggcggc tgggcctcga g 21 <210> 6 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> FMR1-R1 <400> 6 ccgccgccgc gctgccgcac g 21 <210> 7 <211> 27 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> CDC42BPG-F <400> 7 cctgcgccat ccacgtagat gccagca 27 <210> 8 <211> 27 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> CDC42BPG-R <400> 8 gcagacatct tccaggtggg ggagtgc 27 <210> 9 <211> 27 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> VPS39-F <400> 9 cagggcacaa gatagccagt aatgtcc 27 <210> 10 <211> 27 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> VPS39-R <400> 10 agaattagcc tgaaacctgt tctgatg 27 <210> 11 <211> 27 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> ELAVL1-F <400> 11 caggtgtccc tgcaccccct ttgtgac 27 <210> 12 <211> 24 <212> DNA <213> 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<211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> FMR1 promoter F <400> 21 aactgggata accggatcga t 21 <210> 22 <211> 18 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> FMR1 promoter R <400> 22 ggccagaacg cccatttc 18 <210> 23 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> APRT promoter F <400> 23 gccttgactc gcacttttgt 20 <210> 24 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> APRT promoter R <400> 24 taggcgccat cgattttaag 20 <210> 25 <211> 18 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> CRYAA promoter F <400> 25 ccgtggtacc aaagctga 18 <210> 26 <211> 18 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> CRYAA promoter R <400> 26 agccggctgg ggtagaag 18

Claims (11)

다음을 포함하는 FMR1(fragile X mental retardation 1) 유전자의 CGG 반복 염기서열 부위의 교정용 조성물:
(a) RNA-유도 엔도뉴클레아제 또는 상기 RNA-유도 엔도뉴클레아제를 암호화하는 뉴클레오티드; 및
(b) 상기 CGG 반복 염기서열 부위의 시작 위치에서부터 위쪽(upstream)에 위치하는 100여개의 뉴클레오티드 서열 내에 존재하는 15-25 bp 길이의 뉴클레오티드 서열 또는 상기 CGG 반복 염기서열 부위의 끝 위치에서부터 아래쪽(downstream)에 위치하는 50여개의 뉴클레오티드 서열 내에 존재하는 15-25 bp 길이의 뉴클레오티드 서열을 특이적으로 인식하는 유도 RNA(guiding RNA), 또는 상기 유도 RNA를 암호화하는 뉴클레오티드.
Composition for correcting CGG repeating base sequence region of FMR1 (fragile X mental retardation 1) gene comprising:
(a) a nucleotide encoding an RNA-derived endonuclease or the RNA-derived endonuclease; And
(b) a nucleotide sequence having a length of 15-25 bp existing in 100 nucleotide sequences located upstream from the starting position of the CGG repeating nucleotide sequence region or a nucleotide sequence of 15-25 bp long nucleotide sequence located downstream from the end position of the CGG repeating nucleotide sequence region (Guiding RNA) that specifically recognizes a nucleotide sequence of 15-25 bp in the nucleotide sequence of 50 or more nucleotides located in the nucleotide sequence of SEQ ID NO:
제 1 항에 있어서, 상기 RNA-유도 엔도뉴클레아제는 Cas9(CRISPR associated protein 9)인 것을 특징으로 하는 조성물.
The composition of claim 1, wherein the RNA-derived endonuclease is Cas 9 (CRISPR associated protein 9).
제 1 항에 있어서, 상기 유도 RNA는 CGG 반복 염기서열 부위의 시작 위치에서부터 위쪽(upstream)에 위치하는 서열인 서열목록 제1서열의 뉴클레오티드 서열 내에 존재하는 15-25 bp 길이의 뉴클레오티드 서열 또는 이의 상보적인 서열을 특이적으로 인식하는 유도 RNA인 것을 특징으로 하는 조성물.
3. The method according to claim 1, wherein the inducible RNA comprises a nucleotide sequence of 15-25 bp in length, or a complement thereof, present in the nucleotide sequence of the first sequence of Sequence Listing which is a sequence located upstream from the start position of the CGG repeat sequence region Lt; RTI ID = 0.0 &gt; a &lt; / RTI &gt; sequence.
제 1 항에 있어서, 상기 유도 RNA는 CGG 반복 염기서열 부위의 시작 위치에서부터 위쪽(upstream)에 위치하는 서열인 서열목록 제2서열의 뉴클레오티드 서열 또는 이의 상보적인 서열을 특이적으로 인식하는 유도 RNA인 것을 특징으로 하는 조성물.
[Claim 2] The method according to claim 1, wherein the inducible RNA is a nucleotide sequence of the second sequence of SEQ ID NO: 2, which is a sequence located upstream from the start position of the CGG repeat sequence region or an inducible RNA that specifically recognizes a complementary sequence thereof &Lt; / RTI &gt;
제 1 항에 있어서, 상기 FMR1 유전자는 취약 X 증후군(Fragile X syndrome) 환자의 FMR1 유전자인 것을 특징으로 하는 조성물.
The composition of claim 1, wherein the FMR1 gene is an FMR1 gene in a patient suffering from Fragile X syndrome.
제 1 항에 있어서, 상기 CGG 반복 염기서열 부위의 교정은 CGG 반복 염기서열 부위의 위쪽(upstream) 뉴클레오티드 서열의 절단에 의한 일정 카피수의 CGG 트리뉴클레오티드의 제거인 것을 특징으로 하는 조성물.
2. The composition of claim 1, wherein the calibration of the CGG repeat sequence region is the removal of a constant copy CGG trinucleotide by cleavage of the upstream nucleotide sequence of the CGG repeat sequence region.
제 6 항에 있어서, 상기 일정 카피수의 CGG 트리뉴클레오티드의 제거에 의하여 FMR1 유전자의 CGG 반복 염기서열 부위에는 5-55 카피수의 CGG 트리뉴클레오티드가 존재하게 된 것을 특징으로 하는 조성물.
7. The composition according to claim 6, wherein a CGG trinucleotide of 5-55 copies is present in the CGG repetitive base sequence region of the FMR1 gene by removal of the CGG trinucleotide of the constant copy number.
제 6 항에 있어서, 상기 CGG 트리뉴클레오티드의 제거에 의하여 FMR1 유전자의 위쪽(upstream)에 위치하는 CpG 섬(CpG island)에 탈메틸화가 유도된 것을 특징으로 하는 조성물.
7. The composition of claim 6, wherein demethylation is induced in a CpG island located upstream of the FMR1 gene by removal of the CGG trinucleotide .
다음 단계를 포함하는 FMR1(fragile X mental retardation 1) 유전자의 CGG 반복 염기서열 부위가 교정된 유도만능 줄기세포의 제조방법:
(a) 취약 X 증후군 환자로부터 분리된 체세포를 역분화시켜 유도만능 줄기세포를 수득하는 단계; 및
(b) 상기 유도만능 줄기세포를 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 조성물과 접촉시키거나, 상기 조성물이 삽입된 유전자 전달체로 형질전환 시키는 단계.
A method for producing induced pluripotent stem cells in which a CGG repetitive base sequence region of FMR1 (fragile X mental retardation 1) gene including the following steps is corrected:
(a) deriving induced somatic cells from patients suffering from fragile X syndrome to obtain induced pluripotent stem cells; And
(b) contacting the inducible pluripotent stem cell with the composition of any one of claims 1 to 8, or transforming with the gene carrier into which the composition is inserted.
체외로 분리된 취약 X 증후군 환자 유래의 배아줄기세포를 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 조성물과 접촉시키거나, 상기 조성물이 삽입된 유전자 전달체로 형질전환 시키는 단계를 포함하는 FMR1(fragile X mental retardation 1) 유전자의 CGG 반복 염기서열 부위가 교정된 배아줄기세포의 제조방법.
Comprising contacting a cell with a composition of any one of claims 1 to 8 with an embryonic stem cell derived from an ex vivo separated fragile X syndrome patient or transforming with the gene carrier into which said composition is inserted, fragments X mental retardation 1) A method for producing embryonic stem cells in which the nucleotide sequence of CGG repeats is corrected.
제 9 항의 방법에 의하여 제조된 유도만능 줄기세포 또는 제 10 항의 방법에 의하여 제조된 배아줄기세포를 유효성분으로 포함하는 취약 X 증후군 치료용 조성물.A composition for treating fragile X syndrome comprising the induced pluripotent stem cells prepared by the method of claim 9 or the embryonic stem cells prepared by the method of claim 10 as active ingredients.
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