HDR template 내에 PAM이나 sgRNA 인식 부위와 같은 서열을 그대로 포함하고 있는 경우, Cas9-sgRNA RNP는 HDR로 도입된 새로운 genome target에 작용하여 DNA를 절단할 수 있다. 이를 감안해, 일반적으로는 HDR template에 silent mutation을 도입함으로써 Cas9-sgRNA RNP가 HDR template를 인식하지 못하도록 하여 실험 성공률을 높이는 방법이 사용되고 있다.
만약, 실험에 이용하고자 하는 PAM 서열이 코딩 영역에 있고, silent mutation으로 변경할 수 있는 경우라면 이를 진행하여 유전자 편집의 정확도를 높이고, HDR template 내 Cas9 작용과 indel 형성을 방지할 것을 권장한다 (Paquet
et al. 2016). RNP의 결합을 막기 위해 PAM 서열을 mutation시킬 때에는 SpCas9이 비교적 덜 인식하는 서열 (NAG 혹은 NGA)나 다른 서열을 인식하는 Cas12a (i.e., TCTA, TCCA, or CCCA)를 고려할 수 있다 (Zhang
et al. 2014; Hsu
et al. 2013)
이 외에 Protospacer sequence에도 mutation을 도입할 수 있다. 하지만, 일부 sgRNA는 결합하는 서열이 불일치 하더라도 인식하는 경우가 있기에, PAM과 가까이에 위치하고 있는 여러 염기들을 변경할 것을 권장한다 (Paquet
et al. 2016; Kwart
et al. 2017).
아래 그림은 HDR template 내 PAM mutation을 도입함으로써, 편집 효율을 향상시킬 수 있음을 예시로 보여주고 있다.
그림 2. PAM 서열의 mutation 도입을 통한 유전자 편집 효율 향상
UGT1A9 유전자의 C terminus에 위치한 stop codon 바로 앞에 myc tag (노란색)을 표지하는 실험을 진행했다. 타겟으로 하는 유전자 위치를 인식하도록 sgRNA 3종을 디자인한 후 각각의 효율을 확인했다. Myc tag 서열만을 포함하는 HDR template와 insert와 mutation을 포함하는 HDR template 각각을 RNP complex와 함께 ChiPSC18 세포에 electroporation으로 도입했다. Electroporation이 완료된 후, 각각의 샘플군에서 Guide-it™ SNP Screening Kit를 이용해 seamless하게 목적 tag 서열이 삽입 되었는지 5’, 3’ 말단의 형광 시그널을 검출함으로써 HDR 효율을 분석했다. 함께, myc tag가 삽입되면서 생긴 Ndel 제한효소 인식 부위가 형성되는데, 이를 RFLP 방식으로 검출함으로써 HDR 효율을 추가로 분석했다. 이 분석 과정에서는 sgRNA3과 mutation 서열을 포함하는 HDR template를 사용한 실험 군에서만 결과가 확인되었으며, 이 실험군은 Guide-it™ SNP Screening Kit를 이용해 분석했을 때에도 가장 높은 형광 값을 보였다.
/ References
- Hsu, P. D.
et al. DNA targeting specificity of RNA-guided Cas9 nucleases.
Nat. Biotechnol. 31, 827-32 (2013).
- Kwart, D., Paquet, D., Teo, S. & Tessier-Lavigne, M. Precise and efficient scarless genome editing in stem cells using CORRECT.
Nat. Protoc. 12, 329-354 (2017).
- Paquet, D.
et al. Efficient introduction of specific homozygous and heterozygous mutations using CRISPR/Cas9.
Nature 533, 125-129 (2016).
- Yamano, T.
et al. Structural Basis for the Canonical and Non-canonical PAM Recognition by CRISPR-Cpf1.
Mol. Cell 67, 633-645.e3 (2017).
- Zhang, Y.
et al. Comparison of non-canonical PAMs for CRISPR/Cas9-mediated DNA cleavage in human cells.
Sci. Rep. 4, doi: 10.1038/srep05405 (2014).