CN1622993A - 使用锌指核酸酶的定向染色体诱变 - Google Patents

使用锌指核酸酶的定向染色体诱变 Download PDF

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Abstract

本发明提供宿主细胞或生物体中定向遗传重组或诱变的方法，以及用于实现该方法的组合物。本发明的定向方法利用了遗传物质中同源重组和断裂双链修复的内源细胞机制。本发明提供了先前诱变方法的许多改进，这种优势包括该方法通常适用于广泛的生物体种类，该方法是定向的以使得消除了伴随DNA随机***宿主遗传物质中的缺陷，并且一些实施方案只需要相对较少的宿主遗传物质的操作就能成功。另外，它提供了在短期时间内生产具有特定基因改变的生物体的方法。

Description

使用锌指核酸酶的定向染色体诱变
                    相关申请的相互参照
本申请要求2002年1月23日申请的，申请号为60/351,035的美国临时专利申请的优先权。
                    联邦研究支持的承认
基于基金项目RO1 GM 58504的部分支持，美国政府对本发明拥有某些权利。
发明背景
定向基因转移是通过同源重组或突变的基因置换方法。这种方法是非常有用的，但在诱导宿主细胞的遗传物质所需变化时一般效率很低。只有当应用高效靶产物筛选时，所需变化的恢复才是可能的。在许多情况下，用于改进定向基因转移效果的常规方法是有价值的可使该工具用于更广范围的生物体。
模型实验已经证实：在宿主DNA中导入双链断裂(DSB)极大地增强了定位重组的频率。然而，那些试验需要在诱导断裂前***该内切核酸酶的特定识别位点。相似的，在果蝇(Drosophila)中通过P-元件切除产生的DSBs是重组诱发剂，但需要P-元件预先存在于靶位点。
尽管遗传转化方法先前已显示很成功，但无定向重组的转化也伴随随机***所导入DNA的相关问题。随机整合可导致必需基因的失活，或导入基因的异常表达。其他与遗传转化相关的问题包括多重整合导致的镶嵌现象和制备复制缺陷重组病毒载体的技术困难。
由于许多生物体的完整基因组序列已被确定，并且每天还在获得更多的序列，细胞或生物体的定向基因重组或突变现在已是可能的。定向遗传重组导向的特定遗传基因座突变的能力不仅极大地帮助了那些研究特定基因功能的人员，而且也具有治疗和农业上的用途。定向遗传重组方法作为比现有技术更普遍、有效和/或可再生产的技术是符合需要的。
发明概述
本发明提供进行定向遗传重组或突变的组合物和方法。细胞或生物体中内源核酸的任何片段都可通过本发明的方法改变，只要靶区域的序列，或靶区域的部分是已知的，或如果有分离的与靶区域同源的DNA。
在某些实施方案中，这些组合物和方法包含宿主生物体的转化，该转化通过将编码嵌合锌指核酸酶的核酸分子导入细胞和生物体并通过选择内源DNA序列断裂并显示突变来确定所得到的细胞或生物体。
在优选的实施方案中，该方法包括选择能够优选结合将被突变的特定宿主DNA基因座的锌指DNA结合域；进一步选择能够在被可操作地连接至所述结合域时切割双链DNA的非特异DNA切割域并导入宿主细胞中；进一步选择能够在宿主细胞内诱导表达的可诱导启动子区域；以及进一步可操作地连接编码结合域和切割域和可诱导启动子区域的DNA以产生DNA构建体。然后将该DNA构建体导入靶宿主细胞并鉴定在宿主DNA的靶基因座显示重组的至少一种宿主细胞。在特定的实施方案中，DNA结合域包含三个Cis2His2锌指结合域。在另一个实施方案中，切割域包含衍生自限制性内切核酸酶类型II FokI的切割域。在一个实施方案中，可诱导的热休克启动子被可操作地连接到编码嵌合锌指核酸酶的DNA上。
另外的实施方案包括通过同源重组所选择的DNA序列(供体DNA)而定向***的方法。供体DNA可包括编码在宿主细胞内生产的产物的序列。所述产物可以是有利于宿主细胞或生物体而生产的产物(例如基因治疗)，或可以是用于宿主细胞或生物体外而生产的产物(例如该产物可选自，但不限于药物、激素、用于制造有用物品或装置的蛋白质产品、营养药、用于化学制造或合成的产品等)。
在某些实施方案中，本发明可用于破坏体细胞中的靶基因。这种基因可能是在致病的一种或多种细胞类型中过表达的。这种基因的破坏可能只在少数体细胞中成功，但这种破坏却可促进由于该基因的过表达而患病的个体恢复健康。
在另一个实施方案中，可利用本发明破坏生殖细胞中的靶基因。可筛选携带这种破坏的靶基因的细胞以产生无该靶基因功能的生物体。在这种细胞中靶基因的功能可被完全敲除。
在另一个实施方案中，可利用本发明通过将调控元件***体细胞增强特定基因的表达。该调控元件可选自，但不限于组成性激活的、可诱导的、组织特异性或发育阶段特异性的启动子。这种调控元件可导向染色体基因座，在该基因座这种元件将影响在该细胞或宿主生物体中负责有治疗效果的产物的特定基因的表达。本发明可进一步提供含有基因的供体DNA的***，其中所述基因编码当其表达时对宿主细胞或生物体具有治疗效果的产物。这种治疗方法的实例是利用本发明的定向遗传重组影响可操作地连接有活性启动子的含有胰岛素基因的供体DNA***胰腺细胞。然后含有供体DNA的胰腺细胞将产生胰岛素从而帮助糖尿病患者。此外，可将供体DNA构建体***农作物基因组以影响药物相关基因产物的生产。将编码例如胰岛素或血红蛋白的药用蛋白质产物的基因功能性地连接到调控元件上，例如组成性激活的、可诱导的、组织特异性或发育阶段特异性的启动子，再***宿主植物中以在宿主植物中生产大量的药用蛋白质产物。该蛋白质产物可随后从植物中分离。上述方法可变通用于生殖细胞。
本发明可用于体细胞和生殖细胞以影响任何染色体靶基因座的改变。
本发明的方法可适用于广泛范围内的细胞类型和生物体。本发明可应用于任何下列细胞  (尽管本发明的方法不只限于在此列出的细胞和生物体)：单细胞或多细胞生物体；***；配子；培养物或宿主生物体中的生殖系细胞；培养物或宿主生物体中的体细胞；昆虫细胞，包括选自鞘翅目、双翅目、半翅目、同翅目、膜翅目、鳞翅目或直翅目的昆虫，包括果蝇、蚊子和地中海果蝇；植物细胞，包括单子叶植物细胞和双子叶植物细胞；哺乳动物细胞，包括但不限于选自小鼠、大鼠、猪、牛、羊、狗或猫的细胞；禽类细胞，包括但不限于选自鸡、火鸡、鸭或鹅的细胞；或鱼细胞，包括但不限于斑马鱼、鳟鱼或鲑鱼细胞。
下边陈述许多变通的本发明的方法。
本发明举例说明了在昆虫、果蝇和植物、拟南芥中进行定向遗传重组。在果蝇和拟南芥中，大部分基因组的核苷酸序列是已知的。其他生物体基因组序列的大片段很快也将是已知的。在此公开的实现本发明方法的必需元件可被修改以适用于任何细胞或生物体。因此本发明提供用于任何细胞或生物体的定向遗传重组的通用方法。
表1：显示根据本发明的一个实施方案所恢复的生殖系突变体的数量。这些生殖系突变体是通过受到热休克的雄性与并连X[C(1)DX]的雌性杂交和将来自热休克的雌性与FM6(y)雄性杂交而诱致。产生至少一种生殖系突变体与所有筛选的热休克亲本的百分比显示在#给出的y栏的括号中。恢复的突变果蝇的总数量在总的y栏中给出并且以所有候选子代的百分数(在括号中)表示。每个果蝇突变子代的变化数量有1-15个。ND数据来自M.Bibikova等人(2002)遗传学(Genetics)161：1169-1175，该文献在此引用作为参考。
发明详述
本发明涉及用于进行定向遗传重组或突变的方法和组合物。与以前已知用于定向遗传重组的方法相比，本发明实行起来有效而便宜并适合于任何细胞或生物体。细胞或生物体的任何双链核酸片段都可通过本发明的方法改变。本方法开发了所有细胞内源的同源和非同源的重组方法。
本发明提供用于定向DNA***和定向DNA缺失的方法。该方法涉及用含有最少编码嵌合锌指核酸酶(ZFN)的DNA核酸构建体来转化细胞。在一个特定的实施方案中，该方法进一步涉及用包含供体DNA的核酸构建体转化细胞。其他基于这些总体概念的方案都在本发明的范围和精神内并且对本领域的技术人员来说是显而易见的。
本发明可用于体细胞和生殖细胞以便在特定的遗传基因座进行遗传操作。
在一个特定的实施方案中，本发明被用于中断体细胞中的表达过多和/或表达出对细胞或生物体有害的产物的基因。这种基因可能在一种或多种导致疾病的细胞类型中过表达。通过本发明的方法来断裂这种基因可促进由于这种基因的表达而患病的个体恢复健康。换句话说，即使该基因只在很小百分比的细胞中断裂，也能降低表达水平以获得治疗的效果。
在另一个实施方案中，可使用本发明在生殖细胞中断裂基因。可筛选具有该断裂的特定基因的细胞以产生缺乏这种基因功能的生物体。在这种细胞中该基因可被完全敲除。该特定细胞中功能的缺失可具有治疗的效果。
在另一个实施方案中，可使用本发明通过将调控元件***体细胞增强特定基因的表达。这种调控元件可以是组成性激活的、可诱导的或发育阶段特异性的启动子。它也可以是能够只在特定的细胞类型中影响表达的组织特异性的启动子。这种调控元件可以以这样的方式置入来影响该细胞中负责具有治疗效果的产物的特定基因的表达。
本发明可进一步用于***供体DNA。该DNA编码当其组成性表达时具有治疗效果的基因产物。该实施方案的实例是将这种DNA构建体***患糖尿病的个体以影响活性启动子和在胰腺细胞群中***编码胰岛素基因的供体DNA。这些含有外源DNA的胰腺细胞群随后将产生胰岛素从而帮助该糖尿病患者。此外，可将这种DNA构建体***农作物中以影响药物相关基因产物的生产。例如胰岛素、脂肪酶或血红蛋白的蛋白质产物的基因，可以和像组成性激活或可诱导的启动子一类的调控元件一起***植物以在植物中大量生产这些药物。这种蛋白质产物可随后从植物中分离。转基因植物或动物可用这种方法通过核移植技术生产(McCreathK.J.等人(2000)自然(Nature)405：1066-1069；Polejaeva，I.A.等人(2000)自然(Nature)407：86-90)。也可使用组织或细胞类型特异性的载体以用于只在特定的细胞中的表达。
为了使所有后来***的细胞能产生具有所需遗传变化的细胞，上述方法可变通用于生殖细胞中来选择那些以设计的方式进行***的细胞。。
如在此所使用的，其中发生遗传操作，外源DNA片段或基因经人工导入的细胞被称为重组细胞。因此，重组细胞可与其中不含有重组导入的外源DNA片段或基因的天然存在的细胞区分开来。重组细胞包括具有导入的cDNA或基因组基因的细胞，并且也包括位置邻近非天然伴随该特定导入基因的异源启动子的基因。
为了表达突变体或野生型的重组编码的蛋白质或肽，根据本发明制备包含在一种或多种启动子调控下或可操作地连接到该启动子上的分离核酸的表达载体，其中启动子可以是例如可诱导的、组成性激活的或组织特异性的。为了使编码序列“在启动子的调控下”，一般将转录阅读框的转录起始位点的5′末端置于选择的启动子“下游”(即3’)约1-约50个核苷酸的位置。“上游”启动子刺激DNA的转录并且促进编码的重组蛋白质的表达。这就是本文中“重组表达”的含义。
影响蛋白质表达的方法在本领域中是众所周知的。本领域的技术人员能够根据本发明表达他或她选择的蛋白质。
本发明的方法可应用于完整生物体或培养的细胞或组织或核，包括可用于再生为完整生物体的细胞、组织或核，或可用于不同发育阶段的配子，例如卵或***。由于DSBs基本上刺激所有细胞或生物体中的诱变修复，经ZFNs的切割可用于任何细胞或生物体。本发明的方法可用于取自任何生物体的细胞，包括但不限于昆虫、真菌、啮齿类、牛、绵羊、山羊、鸡和其他农业上重要的动物以及其他哺乳动物，包括但不限于狗、猫和人。
此外，本发明的组合物和方法可用于植物。该组合物和方法可尝试用于任何植物种类，例如单子叶植物或双子叶植物。在某些实施方案中，本发明可用于植物，例如禾本科植物、豆科植物、淀粉原料、芸苔科成员、草本植物和香料、油料作物、观赏植物、木材和纤维、果类、药用植物、有毒植物、谷物、棉花、蓖麻子和任何其他农作物种类。在备选的实施方案中，本发明可用于植物，例如甘蔗、小麦、稻、玉米、马铃薯、甜菜、木薯、大麦、大豆、甘薯、油棕果实、番茄、高粱、橙、葡萄、香蕉、苹果、卷心菜、西瓜、椰子、洋葱、棉籽、油菜籽和薯蓣。在一些实施方案中，本发明可用于茄科种类成员，例如烟草、番茄、马铃薯和胡椒。在其他的实施方案中，本发明可用于有毒观赏植物，例如夹竹桃，任何紫杉种类和北美杜鹃。在一个特定的实施方案中，芸苔科的种类是拟南芥。
禾本科植物包括，但不限于，小麦、玉米、稻、黑麦、黑小麦、燕麦、大麦、高粱、粟、甘蔗、草坪草和禾本科牧草。禾本科牧草包括，但不限于，草地早熟禾、猫尾草、羊茅、大须芒草、小须芒草和blue gamma。豆科植物包括、但不限于、类似大豆的豆类、蚕豆或温莎豆、菜豆、利马豆、斑豆、莞豆、黄荚种菜豆、青豆、棉豆和绿豆；类似豌豆类的嫩豌豆、裂荚的老豌豆、豇豆、鹰嘴豆、小扁豆和青豆；花生；其他的豆科植物如角豆树、苦豆、野葛、靛蓝、甘草、牧豆树、copaifera、红木、相思子、番泻实、罗望子和鱼藤酮；以及如紫花苜蓿的饲料农作物。淀粉原料包括，但不限于、任何种类的马铃薯包括白薯、甘薯、木薯和薯蓣。芸苔科包括，但不限于，卷心菜、茎椰菜、花椰菜、抱子甘蓝、芜菁、散叶甘蓝、羽衣甘蓝和萝卜。油料作物包括，但不限于，大豆、棕榈、油菜籽、向日葵、花生、棉籽、椰子、橄榄棕榈仁。木材和纤维包括，但不限于，棉花、亚麻和竹子。其他的农作物包括，但不限于，奎藜籽、苋菜、tarwi、树番茄(tamarillo)、圆齿酢酱草、咖啡、茶叶和可可树。
定义：
为了本发明的目的，下列术语应具有下述的含义：
如在此所使用的，术语“定向遗传重组”指其中重组发生在存在于宿主细胞或宿主生物体中的DNA靶基因座内部的方法。重组可包括同源或非同源的DNA。同源定向遗传重组的一个实例是通过锌指核酸酶(ZFN)切割所选择的宿主DNA的基因座，然后通过将切割的DNA与外源或内源的同源DNA同源重组。非同源定向遗传重组的一个实例是经ZFN切割所选择的宿主DNA的基因座，然后是被切割的DNA的非同源末端连接(NHEJ)。
如在此所使用的，术语“宿主细胞”或“宿主生物体”或简称，“目标宿主”指已被选择用于基因转化携带表达本发明方法中功能的一种或多种基因的细胞或生物体。宿主可进一步是已通过本发明的定向遗传重组或突变方法转化的生物体或细胞。
术语“靶”或“靶基因座”或“靶区域”在此指被选择用于通过本发明的定向遗传重组方法而修饰的基因或DNA片段。通常，这种靶是宿主生物体的内源基因、编码片段、调控区域、内含子、外显子或其部分。然而，靶也可以是宿主DNA的一部分或任何部分。
为了本发明的目的，术语“锌指核酸酶”或“ZFN”指包含有效地连接到至少一个能够切割DNA的核酸酶上的至少一个锌指DNA结合域的嵌合蛋白质分子。通常，ZFN在靶基因座的切割导致该基因座的双链断裂(DSB)。
为了本发明的目的，术语“标记”指其存在或缺少使得宿主细胞或生物体表现可检测表型的基因或序列。多种类型的标记包括，但不限于，选择性标记、筛选标记和分子标记。选择性标记通常是其被表达后使生物体表现对特定的一组环境条件具有抗性或敏感的表型的基因。筛选标记也可以表现为易观察和可分辨特性的表型，例如绿色荧光蛋白(GFP)、GUS或β-半乳糖苷酶。分子标记是如只被寡核苷酸探针唯一鉴定的序列特性，如RFLP(限制性片段长度多态性)，或SSR标记(简单序列重复)。
如在此所使用的，术语“供体”或“供体构建体”指全部的一组DNA片段作为功能组被导入宿主细胞或生物体。在此所使用的术语“供体DNA”指与靶基因座区域充分同源的DNA片段以参与靶DSB位点处的同源重组。
为了本发明的目的，术语“基因”指包括编码蛋白质的翻译序列(“外显子”)、不翻译的间插序列(“内含子”)、5′和3′不翻译的区域和任何结合的调控元件。
为了本发明的目的，术语“序列”指任何核酸碱基或氨基酸残基系列，并且可能或未必指编码或表示基因或蛋白质的序列。在此所使用的许多遗传构建体是根据多种遗传因子彼此间的相对位置描述的。为了本发明的目的，术语“邻近的”用来表明两个元件彼此相邻而不是指两个元件的实际融合。此外，为了本发明的目的，“侧面”用来表明存在于给定序列两侧的相同、相似或相关的序列。以“侧面的”描述的片段不是必须直接与其侧面的片段融合，而是在给定的序列和其侧面的序列之间可***非特异的DNA。这些术语和其他术语根据遗传学领域中常规可接受的用法来描述相对位置。
为了本发明的目的，术语“重组，”用来表明通过其中由于与其他遗传物质相互作用的结果，遗传物质在给定的基因座被修改的方法。为了本发明的目的，术语“同源重组”用来表明重组以同源或同一的遗传物质片段之间相互作用的结果的形式发生。相对应的，为了本发明的目的，术语“非同源重组”用来表明重组以非同源或相同的遗传物质片段之间相互作用的结果的形式发生。非同源末端连接(NHEJ)是非同源重组的实例。
此外，为了本发明的目的，术语“一种”实体指一种或多种实体；例如，“一种蛋白质”或“一种核酸分子”指一种或多种该化合物，或至少一种化合物。因而，术语“一种”，“一种或多种”和“至少一种”在此可互换使用。还必须注意术语“包含，”“包括，”和“具有”也可互换使用。此外，化合物“选自”指随后所列出的一种或多种化合物，包括两种或多种化合物的混合物(即组合物)。根据本发明，分离的或生物学上纯的化合物是已经从其自然环境中移出的化合物。因而，“分离的”和“生物学上纯的”未必反映该化合物已被纯化的程度。本发明的分离化合物可以是从天然来源获得的，也可以是利用分子生物学技术或通过化学合成生产的。
锌指核酸酶
本发明的锌指核酸酶(ZFN)是能够在宿主细胞内通过促进靶基因座处的双链断裂(DSB)指导定向遗传重组或定向突变的嵌合蛋白质分子。本发明的ZFN包括DNA结合域和DNA切割域，其中该DNA结合域由至少一个锌指组成并且可操作地连接到DNA切割域上。该锌指DNA结合域在嵌合蛋白质分子的N-末端并且该DNA切割域位于所述分子的C-末端。
在此描述的ZFN具有至少一个锌指。在一个优选的实施方案中本发明的ZFN具有至少三个锌指以在用于宿主细胞或生物体的定向遗传重组中具有充分的特异性。包含多于三个锌指的ZFN在本发明的范围内。具有多于三个锌指的ZFN，尽管需要更多耗时地构建，但随着每个增加的锌指其具有逐渐增大的特异性。在一个特定的实施方案中，DNA结合域由三个可操作地连接到DNA切割域上的锌指肽组成。
本发明的锌指结构域可衍生自任何种类或类型的锌指。在一个特定的实施方案中，该锌指结构域包含Cis2His2类型的锌指，该锌指通常由例如锌指转录因子TFIIIA或Sp1表示。在一个优选的实施方案中，该锌指结构域包含三个Cis2His2类型的锌指。可以改变ZFN的DNA识别和/或结合特异性以在细胞DNA的任何选择位点实现定向遗传重组。这种改变可利用已知的分子生物学和/或化学合成技术(参见例如，M.Bibikova等人(2002)遗传学(Genetics)161：1169-1175)实现。包含具有对多种DNA识别和/或结合特异性的锌指的ZFNs都在本发明的范围内。
ZFN DNA-切割域衍生自非特异的DNA切割域种类，例如限制性内切酶类型II的DNA-切割域。在一个特定的实施方案中该DNA-切割域衍生自限制性内切酶类型II，FokI。
在一个优选的实施方案中，ZFN包含三个Cis2His2类型的锌指，并且DNA-切割域来源于限制性内切酶类型II，FokI。根据该优选的实施方案，每个锌指接触3个连续的DNA碱基对而形成9bp的ZFN DNA的识别序列。该优选实施方案中的DNA-切割域需要两个ZFN DNA切割域形成的二聚体以有效切割双链DNA。(参见例如，J.Smith等人(2000)核酸研究(NucleicAcids Res.)28：3361-3369)。这需要两个紧密相邻的转化识别(靶DNA)位点以用于有效的定向遗传重组。如果该靶位点的所有位置都是特异接触的，这些需要总共18个碱基对进行识别。在两个位点之间可以有间隔。本发明ZFNs识别位点之间的间隔可以是相当于6-35bp的DNA。两个识别位点之间的DNA在此被认为是“间隔”。
如果在ZFN的切割和识别结构域之间存在接头，则该接头包含选定的氨基酸残基序列以使得所得的接头是可变的。或者为了最大的靶位点特异性，构建无接头的构建体。无接头的构建体具有结合6bp间隔的识别位点并随后对其进行切割的强烈倾向。然而，具有接头长度为0-18个氨基酸长度的ZFN-介导的切割发生在5-35bp间隔的识别位点之间。对于给定的接头长度，符合结合和二聚体形成的识别位点之间的距离是有限制的(M.Bibikova(2001)分子细胞生物学(Mol.Cell.Biol.)21：289-287)。在一个优选的实施方案中，切割域和识别结构域之间没有接头，并且靶基因座包含通过一个6核苷酸间隔分开的相互之间方向相反的两个9核苷酸识别位点。
为了根据本发明的优选实施方案定向遗传重组或突变，两个9bp锌指DNA识别序列必须在宿主DNA中被鉴定出来。这些识别位点彼此之间是相反方向的并且被大约6bp的DNA分隔。然后设计产生ZFNs以及产生在靶基因座特异地结合DNA的锌指组合物，然后将该锌指连接到限制性内切酶类型II的切割域上。
定向遗传重组或突变
本发明的方法可用于任何细胞或者生物体的定向遗传重组或突变。最低要求包括：将遗传物质导入细胞或生物体(稳定或瞬时的转化)的方法，关于内源靶区域的序列信息，以及识别并切割靶基因座的ZFN构建体。根据本发明的一些应用，例如同源重组，供体DNA可能也是需要的。
根据本发明的另一个应用，编码可识别标记的DNA也包括在DNA构建体内。这种标记可包括其存在或缺少使宿主细胞或生物体表现可检测表型的基因或序列。多种类型的标记包括，但不限于，选择性标记、筛选标记和分子标记。选择性标记通常是其被表达后使生物体表现对特定的一组环境条件具有抗性或敏感的表型的基因。筛选标记也可以表现为易观察和可分辨特性的表型，例如绿色荧光蛋白(GFP)、β-葡糖醛酸酶(GUS)或β-半乳糖苷酶。标记也可能是阴性或阳性选择标记。在一个特定的实施方案中，这种阴性选择标记是codA。分子标记是，例如，只被寡核苷酸探针鉴定出的序列特性，例如RFLP(限制性片段长度多态性)，或SSR标记(简单序列重复)。
给定宿主的细胞中内源同源重组的效率在不同种类细胞或生物体中是不同的。然而利用有效的选择方法或敏感的筛选法可以弥补重组的低效率。因此，将实现本发明的基本工具用于广范和多样的细胞或生物体对于本领域的普通技术人员来说是可行的。而且将这种工具成功应用于任何给定的宿主细胞或生物体都是可轻易预测的。本发明的组合物和方法可设计用于将定向突变或遗传重组导入任何宿主细胞或生物体。本发明的适应性容许为了建立疾病的遗传模式或研究基因功能的遗传操作。
本发明的组合物和方法还可用于影响哺乳动物细胞中的定向遗传重组或突变。此外，可设计ZFN用于切割特定的基因或染色体基因座，然后该基因在再植入雌性体内前被注射入分离的胚胎中。ZFN介导的DNA切割可在有或没有供体DNA时发生。子代可随后用于筛选所需的遗传变化。
本发明的组合物和方法还可用于在哺乳动物中实现生殖系基因治疗。在一个实施方案中，ZFNs可设计用于导向所感兴趣的特定基因。可收集卵子和***并进行体外受精。在偶线期，胚胎可用设计用于导向特定序列的ZFN和携带无有害突变的序列的供体DNA片段处理。该胚胎随后可回到雌性个体或备选的子宫内以用于剩余的妊娠期。在一个特定的实施方案中，例如，囊性纤维化(CF)等位基因δF508是常见的有害基因。根据本发明的方法使用ZFNs和供体DNA以减轻由突变基因所引起的疾病。根据该方法，从已知携带基因的亲本收集卵子和***并进行体外受精。体外受精后，该受精卵可与设计的导向δF508等位基因的ZFNs和携带野生型等位基因的供体DNA一起注射。该转化的受精卵随后可再植入母体。使用本发明的组合物和方法，这种基因置换将允许子代和所有后代免于CF突变。
在另一个实施方案中，同源重组可用如下步骤使用。首先，在宿主细胞内选择整合位点。然后将与整合位点同源的序列包括到遗传构建体内，位于将被整合到基因组中的所选择的基因的侧面。本文中，侧面，简单地指定向同源序列定位于所选择基因的上游(5’)和下游(3’)。这些序列应相应于靶基因的一些上游和下游序列。该构建体随后被导入细胞，从而允许细胞序列和构建体之间的重组。
实际上，该遗传构建体一般不止作为将基因***基因组中的载体。例如，能够选择重组体是很重要的，因此，通常在构建体内包括可选择的标记基因。该标记容许选择具有将构建体整合入其基因组DNA的细胞。另外，同源重组可用于“敲除”(删除)或断裂特定的基因。因此，另一个用于抑制基因表达的途径包括使用同源重组或  “敲除技术”。这是通过包括在构建体内侧面区域之间异源基因的突变或许多缺失的形式而实现的。因此，有可能在单个重组事件中达到以下目的(i)“敲除”一个内源基因，(ii)提供用于鉴定该事件的选择标记以及(iii)导入用于表达的转基因。
在任何给定的细胞中同源重组的频率受许多因素的影响。不同细胞或生物体随细胞内发生的同源重组的数量不同而变化，并且发生同源重组的相对比例也是随种类而变的。供体和靶之间同源区域的长度影响同源重组事件的频率，同源区域越长，频率越大。必须符合同源重组的同源区域的长度也是种间特异的。然而，同源重组事件频率的差异可被用于筛选重组确实发生的选择的灵敏性所抵销。对供体-靶同源的长度或供体-靶同源的程度的绝对限制不能固定是可以理解的，但潜在事件可记分的数目以及用于同源重组事件的筛选的灵敏度是可靠的。其中有可能筛选109个事件，例如，培养细胞中，在109个细胞中鉴定1个重组的选择就能产生有用的结果。如果生物体较大或具有较长的裂殖时间，因而在单个试验中只能记录100个个体，该重组频率必须是较高的并且选择的灵敏度就不要求那么严格了。本发明的方法在染色体外供体DNA存在时显著增加同源重组的效率(参见实施例)。本发明在存在具有快速裂殖时间或适用敏感的选择***的细胞或生物体，或存在单细胞生物体或存在可培养生长并可再生或并入成熟生物体的多能细胞系的情况下可最轻易地进行。本发明中快速的裂殖时间已证实是果蝇具有的优势。植物细胞，拟南芥是可培养生长并随后可再生或并入完整生物体的多能细胞的实例。这些细胞或生物体代表他们各自的种类并且本说明书说明如何将本发明应用于那些种类。本领域的技术人员可以理解本发明是不依赖于过去转化生物体的常规方法而实施的。进一步地，本发明适用于像植物和昆虫这些完全不同的生物体的事实证明本发明普遍用于活生物机体的广泛适用性。
核酸递送
转化可通过多种依赖于每个细胞或生物体的特定必要条件的已知技术进行。这种技术已被用于许多生物体和细胞，并且可不需要过多的实验而被修改以用于所有其他的细胞。稳定的转化包括DNA进入细胞和细胞核。对于单细胞生物体和可从单个细胞再生的生物体(其中包括所有植物和一些哺乳动物)，转化可在体外培养中进行，随后进行转化体的选择和转化体的再生。通常用于将DNA或RNA转化入细胞的方法包括形成DNA或RNA与阳离子类脂、脂质体或其他载体材料的复合物，微量注射、粒子枪轰击、电穿孔和将转化DNA或RNA并入病毒载体。其他技术是本领域众所周知的。
用于实现本发明的一些递送***的实例
脂质体制剂：
在本发明的某些宽泛的实施方案中，寡或多核苷酸和/或包含ZFNs和其中适当包含供体DNA的表达载体可包载于脂质体中。脂质体是以磷脂双分子层膜和其内在的水介质为特征的泡状结构。多层脂质体具有被水介质分隔的多重类脂层。当磷脂悬浮于过量的水溶液时它们自发地形成。经过自我重排的类脂成分在形成闭合结构前包载水和溶解在脂双分子层之间的溶解物。也考虑阳离子类脂-核酸复合物，例如脂质转染胺-核酸复合物。本发明适用的类脂可从商业来源处获得。本发明所使用的脂质体可通过不同的方法生产并且这些方法是本领域已知的。脂质体的大小根据合成的方法而不同。
微量注射：将DNA注入包括卵或胚胎细胞的多种细胞的直接微注射，已经被用于有效地转化许多种类。在小鼠中，转化的小鼠已经利用存在的体外培养的多能胚胎干(ES)细胞产生。ES细胞可在培养基中转化，然后微注射入小鼠囊胚泡，其中该细胞整合入发育的胚胎并且最终产生生殖系嵌合体。通过异种交配杂合的姊妹体，可获得携带所需基因的纯合动物。
腺病毒：人类腺病毒是具有大约36Kb大小基因组的双链DNA肿瘤病毒。作为用于真核基因表达的模型***，腺病毒已被广泛地研究并很好地表征，这使得它们成为在将腺病毒作为基因转移***的开发中成为有吸引力的***。该组病毒容易生长并操作，并且它们显示体外和体内的广泛的宿主范围。在溶胞感染的细胞中，腺病毒能够切断宿主蛋白质合成，指导细胞组织合成大量病毒蛋白质，并且生产多拷贝数量的病毒。
腺病毒***递送编码异种蛋白的DNA至细胞的特殊优势包括(i)用外来DNA取代较大片段病毒DNA的能力；(ii)重组腺病毒的结构稳定性；(iii)腺病毒对人类给药的安全性；以及(iv)没有任何已知的伴随腺病毒感染的癌症或恶性肿瘤；(v)能够获得高滴定度的重组病毒；以及(vi)腺病毒的高感染性。
通常，腺病毒基因转移***是基于重组工程的腺病毒，其中通过缺失其基因组的一部分，例如E1，而使得其复制减弱，但是还保留其感染的能力。当在腺病毒基因组中产生附加的缺失时而编码较大异种蛋白的序列可以表达。例如，在E1和E3区域都缺失的腺病毒能够携带多达10kB的外来DNA并且可在293细胞中生长至较高的滴定度。
作为表达构建体的其他病毒载体。其他病毒载体可在本发明中用作表达构建体。可使用来源于例如牛痘病毒、腺伴随病毒(AAV)、和疱疹病毒的载体。有缺陷的乙型肝炎病毒可用来转化宿主细胞。体外研究显示病毒即使缺失多达80％的本身的基因组，还可保留帮助或决定包装和逆转录的能力。病毒基因组的大部份可潜在地用外来遗传物质替换。趋肝性和持久性(整合)是用于肝定向的基因转移的尤其有吸引力的特性。氯霉素乙酰转移酶(CAT)基因已经被成功地导入鸭乙型肝炎病毒基因组而替代了病毒聚合酶、表面和原表面编码序列。将有缺陷的病毒与野生型病毒共转染入鸟类的肝癌细胞系，并且使用包含高滴定度重组病毒的培养基感染初级幼鸭肝细胞。随后检测稳定的基因表达。
非病毒的方法。本发明考虑到几种用于将编码ZFNs和适当时编码供体DNA的DNA构建体转入宿主细胞的非病毒方法。这些方法包括磷酸钙沉淀、脂质转染胺-DNA复合物，和受体介导的转染。可成功地改变上述一些技术以适于体内或来自体内的使用。
在本发明的一个实施方案中，表达构建体可简单地由裸露的重组DNA组成。构建体的转移可通过上述物理或化学地透过细胞膜的任何DNA转移方法进行。例如，以CaPO4沉淀物的形式将多瘤病毒DNA成功注射入成熟小鼠和新生小鼠的肝和脾中，然后证明活化的病毒复制和急性感染。此外，CaPO4沉淀的质粒表达载体的直接腹膜内注射导致转化基因的表达。
植物的转化：转化的植物通过转化完整植株，或通过转化培养的单个细胞或组织样品并从转化细胞再生完整植株的方法获得。当转化生殖细胞或种子时不必再生完整植株，因为转化的植物可直接从种子生长出来。可通过本领域已知的任何方式生产转基因植物，包括但不限于根瘤土壤农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)介导的DNA转移(与切开的T-DNA载体一起转移更合适)，电穿孔、直接的DNA转移，以及粒子轰击。本领域众所周知的用于将DNA导入单子叶植物和双子叶植物的技术，是用于培养这种植物组织和再生这些组织的方法。从转化细胞或组织再生完整的转化植物已经在单子叶植物和双子叶植物，包括所有农业经济学上重要农作物的大多数植物种属中实现。
突变的筛选
根据特定的情况，可用遗传筛选的方法精确地检测基因组DNA、eDNA或RNA样品中的突变。许多不同的方法已被用于检测点突变，包括变性梯度凝胶电泳(“DGGE”)，限制性内切酶多志性分析，化学和酶切方法等。目前较为普遍使用的方法包括通过PCRTM扩增的靶区域的直接测序和单链构象多态性分析(“SSCP”)。SSCP依赖于不同序列的单链核酸分子在凝胶电泳中的不同迁移率。用于SSCP分析的技术是本领域众所周知的。
另一个用于筛选点突变的方法是以核糖核酸酶切割RNA/DNA和RNA/RNA异源双链体中错配的碱基对为基础的。如在此所使用的，术语“错配”定义为双链RNA/RNA、RNA/DNA或DNA/DNA分子中一个或多个不成对或错配的核苷酸的区域。因此该定义包括由于***/缺失突变的错配以及单个和多重的碱基点突变。
实施案例
下列实施案例被包括在内以证明本发明的优选实施方案。本领域的技术人员应该意识到下列实施例中公开的技术代表了在本发明的实施中实行得很好的由本发明人发现的技术，并且因此可被认为构成了其实施的优选模式。然而，本领域的技术人员应根据所公开的，意识到在公开的特定实施方案中可作出许多变化并且仍然得到不背离本发明的精神和范围的相似或相同的结果。
实施案例1：定向突变的诱导
锌指设计
设计一对锌指并用于果蝇黄色(y)基因染色体靶基因座的构建。锌指一般优选地结合DNA富含G的区域，并且已经进行了结合所有5’-GNN-3’三联体的指状结构的详尽研究(Segal等人(1992)PNAS美国96：2758-2763)。因为结合位点必须是以考虑相互之间利于ZFNs有效切割的反下向序列(Bibikova等人(2001)分子细胞生物学Mol.Cell.Biol.21：289-297)，搜寻果蝇(y)染色体靶基因座(NNC)3...(GNN)3形式的反向识别序列。这样的位点在外显子2鉴定出来，与元件9-部分识别位点之间相隔6-bp，这是被ZFNs特异识别和切割的最佳间隔，而不必在结合域和切割域之间加入接头或间隔(M.Bibikova等人(2001)分子细胞生物学(Mol.Cell.Biol.)21：289-287)。两种ZFNs的特异识别序列在Bibikova等人2002，遗传学(Genetics)161：1169-1175中有描述。编码识别DNA序列，5’-GCGGATGCG-3’(SEQ ID NO：1)和5’-GCGGTAGCG-3’(SEQ ID NO：2)的锌指的DNAs从David Segal博士和Carlos Barbas(Scripps ResearchInstitute，La Jolla，CA)(Segal，D.J.等人(1999)PNAS 96，2758-2763)处获得。编码锌指的DNAs随后利用突变的PCR引物修饰，并且分别产生了两组三锌指：一组指定为yA，识别y基因靶的一个元件9-部分(5’-GTGGATGAG-3’(SEQ ID NO：3))，而另一组指定为yB，识别y基因靶的另一个元件9-部分(5’-GCGGTAGGC-3’(SEQ ID NO：4))。修饰yA中的两个指状结构，但只修饰yB中的一个。编码每组所得3-指锌指的DNA都在pET15b表达质粒中伴随FokI DNA切割域读框克隆，而在DNA识别和切割域之间无间插接头DNA。嵌合的ZFN蛋白都被表达，经Ni-亲和色谱纯化，并通过先前描述的方法(Smith，J.等人(2000)核酸研究(Nucleic Acids Res.)28，3361-3369；和Bibikova，M.等人(2001)分子细胞生物学(Mol.Cell.Biol.)21，289-297)，利用携带完整y基因的pS/G质粒(Geyer，P.K.& Corces，V.G.(1987)基因进展(Genes Dev.)I，996-1004)体外测试切割活性。两种ZFNs一起在携带y基因的10.7-kb的质粒DNA的预期位点形成了单个的双链断裂(DSB)。
P元件载体和果蝇幼虫的转化
yA和yB ZFN编码序列随后通过将ZFN DNA***修饰的phsp70质粒(Peterson，R.B.&Lindquist，S.(1989)细胞调控(Cell.Regul.)1，135-149)的BamHI和SalI位点之间在果蝇Hsp70热休克启动子后分别克隆。携带热休克启动子的片段和ZFN DNA序列通过HindIII部分消化和ApaI的完全消化被切除并在商业化使用的克隆载体pBluescript的这些相同的核酸内切酶位点之间克隆。在确认***序列后，它用NotI消化切除并***ry+P元件载体pDM30(Mister，D.&Rubin，G.M.(1987)遗传学(Genetics)116，565-578)。所得yA和yB质粒分别注入v ry胚胎，同时注入P-转座酶表达质粒pπ25.1wc，并且将孵化的成体进行交配以筛选ry+生殖系转化体。对ry***的每个ZFN多重独立转化体作特定染色体的图谱。创建了平衡和纯合的原种以用于建立携带yA和yB并在多数情况下无存活问题的几个品系。两种ZFNs的基因伴随成熟果蝇的适当杂交而协同(如下述实施例中所描述的)，并且子代在开始交配后通过将含有果蝇的玻璃小瓶浸泡于35°的水浴中1小时而被热休克4天。当成体孵化后它们被用于筛选体细胞y突变的证据。来自涉及每个核酸酶杂交的对照小瓶分别受到热休克，并且未被热休克的yA+yB果蝇也被筛选。
生殖系突变的恢复。
将出自热休克过程和携带yA和yB核酸酶的所有果蝇进行杂交以显示潜在的生殖系突变。雄性与2或3个并连X的[C(1)DX]雌性杂交，并筛选所得雄性子代体色为黄色。雌性与2或3个y(FM6)雄性杂交，并筛选所得所有性别的子代。鉴定突变体并且所有突变体都是来源于雄性亲本的雄性。这些鉴定过的突变雄性子代随后与C(1)DX雌性杂交以产生更多携带相同突变的后代。
DNA分析
靶DNA的存在或缺失是通过DNA分析鉴定。单个果蝇在100μl预热至60°的1∶1的苯酚和缓冲液(7M尿素，2％SDS，10mM Tris，pH8.0，1mM EDTA，0.35M NaCl)混合物中研磨匀浆。每个样品用50μl氯仿抽提，有机相用100μl研磨缓冲液反抽提，并且复合水相用50μl氯仿再抽提。DNA用乙醇沉淀并重溶于20μl 10mM Tris，pH8.5。600-bp的DNA片段用yA+yB识别位点侧面的引物经PCR扩增。该引物被称为YF2(5’ATTCCTTGTGTCCAAAATAATGAC-3’(SEQ ID NO：5))和YR3(5’-AAAATAGGCATATGCATCATCGA3’(SEQ ID NO：6))。对于较大的缺失，YR3与更远的序列联合使用，YF1(5’ATTTTGTACATATGAACTTAAGCAG-3’(SEQ IDNO：7))。扩增片段在凝胶电泳后回收，并且DNA序列在犹他大学DNA测序中心实验室用ABI3700毛细管测序仪和YR3引物确定。
从双链断裂和非同源末端连接得到定向y突变的诱导
在几个独立的转化体中当在幼虫和胚胎阶段实现表达时被发现37°诱导的yA表达水平是致死的。缓和热休克至35°就容许很大部分携带yA的果蝇存活。yB ZFN在任何温度测试中都不影响存活。
对在相同染色体上携带yA和yB核酸酶的单个果蝇进行杂交并且它们的后代被热休克后，子代证实y是镶嵌的，并且在雄性子代中观察到生殖系突变。在雄性(除了紧随DNA复制的)中，只有简单的再连接或NHEJ在DSB后用于修复损伤。在果蝇中，如同在其他许多真核生物中，NHEJ经常在连接位点产生缺失和/或***。既然在y+中DSB定向于蛋白质编码序列，大多数这种变化将导致移码或基本密码子的缺失，这可导致y突变组织的斑点表型。
在多重yA+yB雄性中鉴定体细胞黄色镶嵌体。大多数斑点是在腹部末梢表皮和刚毛，但也可观察到在腿、翅膀和小盾刚毛的一些实例。正常情况下未见到其他表型缺陷。体细胞镶嵌体的频率很高。在从包括许多独立的yA和yB品系的杂交汇集的数据中，228个候选雄性的105个(46％)显示明显的y斑点。对于一些yA+yB的联合体频率大于80％。在有单个核酸酶或未热休克的对照中没有观察到黄色镶嵌。这表明yA+yB ZFNs能够在其设定的目标诱导体细胞突变。
生殖系y突变的特性
为了分离生殖系y突变体，将来自热休克试验的所有yA+yB雄性与携带并连X染色体[C(1)DX/Y]的雌性杂交，以产生已知只接受其父本的X染色体的雄性子代。总共228个雄性父本产生了5870个雄性子代；来自13个不同父本的26个雄性子代其整个躯体非常清楚地为黄色。因此，5.7％的yA+yB雄性父本产生了至少一个生殖系突变。13个父本中，6个已被鉴定具有黄色y体细胞斑点，同时另外7个在诊断特征中显示完全为y+。没有在125个与y雄性杂交的热休克yA+yB雌性的7050个子代中分离出y果蝇。ZFNs在NHEJ大多生效的雄性生殖系的诱导突变中显示为很有效。
从上述鉴定的13个父本和另外5个雄性中分离DNA以分析其中每个靶DNA的存在。包括预期切割位点的600-bp的片段通过PCR被扩增。18个雄性果蝇中的3个，结合位点的一个引物已被检测到，同时必须形成另一个新的引物以完成扩增。该新的引物定位于更远的位置。所有片段的序列分析显示唯一的变化正好是在靶位点。9个测序的突变有简单的缺失；5个有伴随***的缺失；而3个是简单的、短的重复。3个缺失在靶位的一侧延伸了几百个bps，而这就是需要新的引物设计的三个样本。这些恰好就是在被yA+yB ZFNs切割后由NHEJ导致的预期的突变类型，并且它们与P元件切除后产生的突变非常相似。一些移码y突变在变化的短距离内形成了一个终止密码子，同时有一个突变向正常阅读框中***了一个天冬酰胺密码子。
定向切割和诱变
该实施案例证明可设计ZFNs在典型的基因组的靶染色体基因座产生DSBs以产生持久的遗传变化。观察到的体细胞突变的频率是非常高的，而体细胞镶嵌体的实际数量可能更高，因为y突变对许多可见的特征没有影响。这通过有表型的y+亲本生殖系突变的恢复确证。
在该特定的实施例中，生殖系突变只在雄性中恢复并且比体细胞镶嵌体的频率低。
实施案例2：存在同源供体DNA时ZFN诱导的双链断裂刺激定向遗传重组。
锌指和供体DNA设计
如实施案例1中所述设计一对锌指并用于果蝇黄色(y)基因染色体靶基因座的构建。
为了产生用于果蝇基因y的可以确认的供体DNA，yA和yB的锌指识别位点用2个符合读框的终止密码子和一个XhoI位点替换。这些变化通过使用携带所需序列的PCR引物扩增导入。相应于野生型y，缺失了21bp只剩下yA识别位点的3bp，9bp的替换物***了2个符合读框的终止密码子并***了一个XhoI位点。该突变(yM)携带了总共8kb的y基因座同源物。它被***P元件载体并导入果蝇基因组。该yM序列侧邻识别位点以利于FLP重组酶(FRT)和大范围核酸酶I-SceI进行供体的切除和线性化。已经显示通过这种方式在原处形成线性的染色体外的供体DNA，增强了其在重组中的效能(Y.S.Rong和K.G.Golic，科学(Science)288，2013-2018(2000))。
实验设计
定向遗传重组试验的设计如下：
y+靶在X染色体上。yA和yB ZFNs的转基因在一条染色体2上，同时FLP和/或I-SceI的转基因(当存在时)在另一条染色体2上。供体DNA(yM)位于染色体3上，在携带白色基因(W+)的p元件载体中。每个这些***基因都在果蝇HSP70启动子的调控下。在热休克诱导中，ZFNs在y切割其靶位点。该断裂的染色体可恢复成野生型，或可通过NHEJ或通过同源重组获得y突变。当FLP或I-SceI都不存在时，供体保持整合状态。当FLP表达时，供体被切除成为染色体外的环。当I-SceI也表达时，它将供体转换为可与切割的靶基因座重组的两末端外带DSBs的线性分子。实验还在缺失yA和yB时只利用线性供体进行(并因此无靶的切割)。
产卵后0-4天携带这些导入DNA元件单个拷贝的幼虫于35°热休克1小时。该实验包含如下例证的5组：
ND，无供体：只有yA+yB；
ID，整合的供体：yA+yB+供体，无FLP或I-SceI；
CD，环状的染色体外供体：yA+yB+FLP+供体；
LD，线性的染色体外供体：yA+yB+FLP+I-SceI+供体；
DO，只有线性的供体：FLP+I-SceI+供体，但是无ZFNs。
出自热休克过程的成体将进行杂交以显示生殖系y突变。热休克处理导致的生殖系y突变的频率显示在表1的第3栏中。存在供体的雄性和雌性中突变的频率都升高了，并且该频率进一步随染色体外DNA和线性的DNA升高。有了线性的染色体外DNA，接近20％的雄性和14％的雌性产生了至少一个突变子代。
y突变在进一步的杂交中增殖，恢复了染色体DNA。生殖系y突变的频率和由于NHEJ或与供体DNA的同源重组的比例通过PCR扩增包括y基因靶区域600bp的DNA，并随后用XhoI消化扩增产物而确定。供体和靶之间同源重组的产物通过用XhoI消化PCR片段识别；对这些片段和许多抗XhoI的产物测序。后者显示小的缺失和/或***以及偶尔的大的缺失，所有这些都是NHEJ的特性。
表1的第4栏报告了生殖系突变的恢复占所有子代的百分率。由于NHEJ或与供体同源重组导致的那些突变的部分，在当供体DNA参与同源重组时变得更有效时而升高：线性的供体DNA比环状的供体DNA更有效，环状的供体DNA比整合的供体DNA更有效。定位于染色体3上的整合供体在作为y处断裂的修复模板时不是非常有效并且多数突变的恢复是由于NHEJ。环状供体更为有效并且确定所有突变的大约1/3是由于基因替换物。对于线性供体，雄性的所有雄性子代的多于2％是突变体，并且其中6 3％是同源重组的产物。在雌性生殖系中73％的y突变是同源替换物。经嵌合ZFNs的定向切割实质上刺激了定向遗传重组，而将供体DNA整合到宿主生物体基因组中的最有效的方法是使用线性的供体DNA。
ZFN诱导的定向遗传重组结果在几个方面与无定向切割获得的结果不同。首先，可在雄性和雌性生殖系中都发现诱导的突变，而在其他研究者以前的实验中只有雌性产生很好的频率错误！书签未定义.。显然目标中存在DSB激活了雄性的重组过程，但它在完整的染色体上并不有效。在雌性中观察到的较低的定向频率可反映出通过与未切割的同源X染色体重组修复断裂的可能性。其次，在雄性的线性DNA和环状DNA实验中诱导突变的总频率比先前在y雌性的末端内带DSBs的供体中所见到的高出约10倍：大约1/50个配子，相比于1/500个配子。甚至在雌性生殖系中ZFN诱导突变的频率是1/200个配子，而其中3/4是基因替换物。因此，同源供体的存在并未排除与染色体外供体的相互作用。第三，除了定向同源重组外也可观察到由于NHEJ的缺失和***。这些产物并未在缺乏定向切割的情况中预期或观察到。
实施案例3：
拟南芥中表达嵌合ZFNs以刺激诱导定向突变
实验设计：本发明的方法将用于定向和敲除拟南芥透明光滑种皮TRANSPARENT TESTA GLABRA1基因(TTG1，基因号AT5G24520(GenBank号AJ133743))。该基因的EST已被测序(GenBank号F20055，F20056)。该基因编码含有WD40重复的蛋白质(Walker等人(1999)植物细胞(Plant Cell)11，1337-1349)。
形成两种嵌合的DNA构建体，由(1)编码来自拟南芥HSP18.2基因的启动子区域的核酸序列和(2)编码特异于TTG1基因的锌指蛋白的核酸序列组成，其中该TTG1基因被可操作地连接到编码非特异性内切核酸酶的核酸序列上。HSP18.2启动子使得基因能在拟南芥中表达并且基因表达可通过热休克所得的植株而加以调控。嵌合的基因被指定为HS::ZnTTG1 A和HS::Zn TTG1 B。这两种基因可引入相同的农杆菌载体。
我们所有的实验使用模式遗传生物拟南芥进行，是因为该***有许多令人满意的特性包括小的规模，小的基因组和快速生长。ttg1突变具有使之成为优良的示范模型的明显表型。例如，ttg1突变体是光滑无毛的并且突变植株的叶片和茎干上都缺少茸毛。茸毛是从表皮上类似毛发一样长出的。
此外，ttg1突变体在类黄酮生产中有缺陷。类黄酮是包括紫色花青苷色素和鞣酸的一类复杂化合物。TTG1蛋白质正调节二氢黄酮醇还原酶的酶合成，该酶需要花青苷和鞣酸的生产(Shirley等人(1995)植物杂志(PlantJournal)8：659-671；Pclletier和Shirley(1996)植物生理学(PlantPhysiology)111：339-345)。
这些ttg1突变体也具有透明的种皮。在野生型中，种皮(内珠被的内层)具有稠密的棕色鞣酸而ttg1突变体缺乏这种色素。结果是从ttg1突变体收集的种子的种皮是透明的，而从ttg1突变体收集的种子是黄色的，因为黄色的胚透过透明的种皮显示出来。
这些ttg1突变体也缺乏花青苷。在野生型中，幼苗、茎干和叶片尤其是在应激时产生微红色/紫色的花青苷色素。这些色素在ttg1突变体中缺乏。
此外，ttg1突变体产生额外的根毛。在野生型中，根毛只从生毛细胞产生。在ttg1突变体中，相比较而言，根毛由生毛细胞和无毛细胞产生。结果是根部表现为更多毛(Galway等人(1994)发展的生物学(Developmental Biology)166，740-754)。
ttg1突变体也不能在种皮的外层产生粘液。粘液是复杂的糖类，有时候也被称为包覆种皮的粘质。最后ttg1突变体具有变化的休眠并且ttg1种子不需要干燥或冷处理而萌发。
所有存在的7个特性使得直观筛选该突变遗传型成为容易的工作。
锌指的设计
TTG1基因以下列序列的形式搜寻：NNY NNY NNY NNNNNN RNN RNN RNN，其中Y是T或C，R是A或G，以及N为任意碱基。该鉴定的序列包括相反方向以A或G起始-即在相反链上-并且准确地以6bp分隔的三联体。这已经显示为是用于锌指核酸酶识别和切割的优选结构(M.Bibikova等人(2001)分子细胞生物学(Mol.Cell.Biol.)21：289-287)。
在1中鉴定的三联体元件序列随后根据其中是否有已知与其特异结合的锌指而分类。鉴定了TTG1中两个位点作为潜在的ZFN结合和切割位点：5’-TCC GGT CAC AGA ATC GCC GTC GGA-3’(SEQ ID NO：8)和5’-ACT TCC TTCGAT TGG AAC GAT GTA 3’(SEQ ID NO：9)(TTG1序列中核苷酸第406位处)。
包含设计用于结合这些位点中的第一个的结合域的锌指可通过寡核苷酸合成和延伸(Segal，D.J.(2002)方法(Methods)26：76-83)，或通过诱变引物的PCR(M.Bibikova等人(2002)遗传学(Genetics)161：1169-1175)构建。所得到的编码序列以FokI核酸酶域符合读框地***质粒载体以产生2种ZFN编码序列，ZnTTG1A和ZnTTG1B。编码的蛋白质在大肠杆菌中表达和部分地纯化(M.Bibikova等人(2002)遗传学(Genetics)161：1169-1175)。恢复的ZFNs在体外测试切割编码TTG1基因的质粒DNA的能力。该测定的成功证明了单独的任意一种ZFN不能切割，但是2种ZFNs的混合物可在预期位点进行切割。
转化：
将HS::ZnTTG1A和HS::ZnTTG1B基因利用农杆菌介导的转化导入拟南芥基因组。为此，将HS::ZnTTG1A和B基因***具有潮霉素抗性选择标记的农杆菌T-DNA转化载体(pCAMBIA1380)。pCAMBIAHS::ZnTTG1克隆随后使用标准的农杆菌转化方法导入农杆菌细胞，并且随后HS::ZnTTG1A和HS::Zn TTG1B基因利用常规的菌群浸泡方法导入拟南芥植株(参见Clough，S.和Bent，A(1999)植物杂志(Plant Journal)16：735-743)。
宿主细胞中ZFNs表达的诱导
收集来自浸泡植株的T1代的种子。为了筛选转化的幼苗，T1种子在含有抗生素潮霉素的琼脂平板上萌发。萌芽大约4天后，含有萌发幼苗的平板用塑料纸包裹并浸泡于40的水中2小时以诱导ZFN基因的表达。萌发大约两周后，将潮霉素抗性转化的幼苗转移到泥土中。
筛选基因定向事件：
筛选方法1：将HS::ZnTTG1基因导入野生型拟南芥植株并如上述使T1植株受热。热处理后1-2周，从热处理的植株收获组织的样品，并从该组织中提取DNA。使用锌指靶位点侧面(靶位点每一侧的25bp)的20bp引物进行PCR扩增以确定是否存在HS::ZnTTG1基因。来自未经热处理的对照植株PCR条带应为大约90bp大小。来自经热处理植株的PCR条带应包括由于锌指靶位点周围存在缺失而导致的小于90bp的产物。为了验证小缺失的存在，我们克隆并确定较小的PCR产物的DNA序列。
筛选方法2：将HS::ZnTTG1A和HS::ZnTTG1B基因导入野生型拟南芥植株并如上述热处理T1植株。T1植株生长至成熟，进行自花授粉并收集T2种子。T2种子生长于琼脂平板并对其幼苗表型记分，包括如上所述的无毛叶片(光滑表型)、增亮叶片(花青苷减少表型)、以及多毛根部。将突变植株转移至泥土中并进一步生长。收获来自突变植株的组织并制备提取DNA用于如上所述的PCR筛选。简而言之，用锌指靶位点侧面的引物进行PCR，显示大约90bp产物的样品未被转化，而显示小于90bp产物的样品则是已转化的。这是由于锌指靶位点周围存在缺失。此外，小的缺失或更大的缺失也可能存在于锌指靶位点周围。为了验证这些事件的存在，我们克隆并确定较小的PCR产物的DNA序列。
筛选方法3：将HS::ZnTTG1A和HS::ZnTTG1B基因导入杂合的ttg1突变体(即遗传型ttg1/TTG1)。将雄性不育1(ms1)植株导入农杆菌溶液(注意：ms1和ttg1基因座是连接的，6cM分开在染色体5上)。浸泡的植株随后用来自纯合的ttg1-1植株的花粉授粉。杂交的植株生长成熟，收集所得的T1/F1种子，并使T1/F1种子在潮霉素存在的条件下萌芽。存活的T1/F1种子将含有HS::ZnTTG1转基因并且在ttg1基因座是杂合的(即遗传型MS1-ttg1-1/ms1-TTG1)。T1/F1植株如上所述进行热休克。在细胞亚型中，野生型等位基因被敲除，导致了一部分纯合的ttg1(即遗传型ttg1-1/ttg1-ko)细胞。这些突变体部分是可通过肉眼观察的几种表型检测的(并且因此，定向遗传重组事件)，例如无毛叶片(光滑表型)、增亮叶片(花青苷减少表型)、以及黄色种子(透明种皮表型)。从突变体部分收集组织并利用上面讨论的PGR克隆测序策略验证定向。从突变体部分收集T2种子并生长成T2植株。在T2代中，验证表型：敲除的等位基因(即ttg1-ko)纯合的植株也是ms1突变纯合的，并且，因此是雄性不育的(即遗传型ms1-ttg1-ko/ms1-ttg1-ko)。收获来自双突变的组织(表型地ttg1和ms1)并利用上面讨论的PCR克隆测序策略验证定向。
在此公开和要求的所有组合物、方法和设备可根据现有的公开不需要不适当的实验法就能制备和实行。同时本发明的组合物和方法已经在优选的实施方案中描述，对本领域的技术人员来说不背离本发明的概念、精神和范围，对在此描述的组合物、方法和设备以及方法的步骤或步骤的顺序施加变化是显而易见的。更特定地，很明显一些化学和物理相关的试剂可替换在此描述的试剂，同时仍能获得相同或相似的结果。所有这些对本领域技术人员来说显而易见的相似的替换和修饰，如所附的权利要求所定义的，被认为是在本发明的精神、范围和概念之内的。
表1.生殖系y突变的恢复
1        2          3               4
雌性：
供体    #筛选     #给出的y       总的y
ND       125        0(0％)          0
ID       188        9(4.8％)        15(0.16％)
CD       309        31(10％)        59(0.38％)
LD       503        68(13.5％)      135(0.54％)
DO       158        1(0.6％)        2(0.02％)
雄性：
ND       228        13(5.7％)       24(0.42％)
ID       218        24(11％)        40(0.73％)
CD       261        49(19％)        104(1.59％)
LD       522        94(18％)        292(2.24％)
DO       177        1(0.6％)        1(0.02％)
序列表
<110>The University of Utah
     Carroll，Dana
     Bibikova，Marina
     Drews，Gary N
<120>使用锌指核酸酶的定向染色体诱变
<130>Docket Number To Be Assigned
<140>Not Yet Assigned
<141>2003-01-22
<150>60/351,035
<151>2002-01-23
<150>PCT/US03/020 12
<151>2003-01-22
<160>9
<170>PatentIn version 3.2
<210>1
<211>9
<212>DNA
<213>人工的
<220>
<223>合成引物
<400>1
gcggatgcg                                                           9
<210>2
<211>9
<212>DNA
<213>人工的
<220>
<223>合成引物
<400>2
gcggtagcg                                                           9
<210>3
<211>9
<212>DNA
<213>黄果蝇(Drosophilia melanogaster)
<400>3
gtggatgag                                                           9
<210>4
<211>9
<212>DNA
<213>黄果蝇(Drosophila melanogaster)
<400>4
gcggtaggc                                                           9
<210>5
<211>24
<212>DNA
<213>人工的
<220>
<223>合成引物
<400>5
attccttgtg tccaaaataa tgac                                        24
<210>6
<211>23
<212>DNA
<213>人工的
<220>
<223>合成引物
<400>6
aaaataggca tatgcatcat cgc                                         23
<210>7
<211>25
<212>DNA
<213>人工的
<220>
<223>合成引物
<400>7
attttgtaca tatgttctta agcag                                       25
<210>8
<211>24
<212>DNA
<213>拟南芥(Arabidopsis thaliana)
<400>8
tccggtcaca gaatcgccgt cgga                                        24
<210>9
<211>24
<212>DNA
<213>拟南芥(Arabidopsis thaliana)
<400>9
acttccttcg attggaacga tgta                                        24

Claims (89)

1.一种在宿主细胞中定向遗传重组的方法，包括：
将编码定向至选择的宿主靶基因座的锌指核酸酶的核酸分子导入宿主细胞；
诱导ZFN在宿主细胞内表达；以及
鉴定其中所选择的宿主DNA序列在宿主靶基因座显示突变的宿主细胞。
2.权利要求1的方法，其中突变是遗传物质的缺失。
3.权利要求1的方法，其中突变是遗传物质的***。
4.权利要求1的方法，其中突变是遗传物质的缺失和***。
5.权利要求1的方法，进一步包括导入供体DNA至宿主细胞中。
6.权利要求5的方法，其中供体DNA提供编码在宿主细胞中生产的产物的基因序列。
7.权利要求6的方法，其中供体DNA提供编码选自药物、激素、蛋白质、营养药或化学药品的产物的基因序列。
8.权利要求1的方法，其中宿主细胞是单细胞生物体。
9.权利要求1的方法，其中宿主细胞是来自多细胞生物体的细胞。
10.权利要求1的方法，其中细胞是***。
11.权利要求9的方法，其中宿主细胞是昆虫细胞。
12.权利要求11的方法，其中昆虫是按顺序选自鞘翅目(Coleoptera)、双翅目(Diptera)、半翅目(Hemiptera)、同翅目(Homoptera)、膜翅目(Hymenoptera)、鳞翅目(Lepidoptera)或直翅目(Orthoptera)的成员。
13.权利要求12的方法，其中昆虫是果蝇。
14.权利要求12的方法，其中昆虫是蚊子或地中海果蝇。
15.权利要求9的方法，其中生物体是植物。
16.权利要求15的方法，其中植物是单子叶植物。
17.权利要求16的方法，其中植物选自玉米、水稻或小麦。
18.权利要求15的方法，其中植物是双子叶植物。
19.权利要求18的方法，其中植物选自番茄、大豆、马铃薯、芸苔(Brassica)科成员或拟南芥(Arabidopsis)。
20.权利要求15的方法，其中植物是树。
21.权利要求9的方法，其中生物体是哺乳动物。
22.权利要求21的方法，其中哺乳动物选自小鼠、大鼠、猪、羊、牛、狗或猫。
23.权利要求9的方法，其中生物体是禽类。
24.权利要求23的方法，其中禽类选自鸡、火鸡、鸭或鹅。
25.权利要求9的方法，其中生物体是鱼。
26.权利要求25的方法，其中鱼是斑马鱼、鳟鱼或鲑鱼。
27.权利要求9的方法，其中突变发生在生物体的生殖系细胞中。
28.权利要求9的方法，其中突变发生在生物体的体细胞中。
29.一种在宿主细胞中定向遗传重组的方法包括：
选择能够优选结合将被突变的特定宿主靶基因座的锌指DNA结合域；
选择能够在被可操作地连接至所述结合域时切割双链DNA的非特异DNA切割域并导入宿主细胞；
选择能够在宿主细胞内诱导表达的可诱导调控元件；
可操作地连接编码结合域和切割域和可诱导调控元件的DNA以产生DNA构建体；
将该DNA构建体导入靶宿主细胞；以及
鉴定在宿主DNA的靶基因座显示重组的至少一种宿主细胞。
30.权利要求29的方法，进一步包括将供体DNA导入宿主细胞。
31.权利要求30的方法，其中供体DNA提供编码在宿主细胞中生产的产物的基因序列。
32.权利要求31的方法，其中供体DNA提供编码选自药物、激素、蛋白质、营养药或化学药品的产物的基因序列。
33.权利要求29的方法，其中DNA结合域包含三个锌指。
34.权利要求29的方法，其中锌指选自Cis2His2锌指。
35.权利要求29的方法，其中切割域选自限制性内切核酸酶类型II。
36.权利要求29的方法，其中限制性内切核酸酶类型II是FokI。
37.权利要求29的方法，其中可诱导的调控元件选自热休克诱导的调控元件。
38.权利要求29的方法，其中可诱导的调控元件选自热休克诱导的调控元件。
39.权利要求29的方法，其中宿主细胞是单细胞生物体。
40.权利要求29的方法，其中靶细胞是宿主生物体的配子细胞。
41.权利要求30的方法，其中靶细胞是宿主生物体的配子细胞。
42.权利要求29的方法，其中宿主细胞是来自多细胞生物体的细胞。
43.权利要求29的方法，其中细胞是***。
44.权利要求42的方法，其中宿主细胞是昆虫细胞。
45.权利要求44的方法，其中昆虫是按顺序选自鞘翅目、双翅目、半翅目、同翅目、膜翅目、鳞翅目或直翅目的成员。
46.权利要求45的方法，其中昆虫是果蝇。
47.权利要求45的方法，其中昆虫是蚊子或地中海果蝇。
48.权利要求42的方法，其中生物体是植物。
49.权利要求48的方法，其中植物是单子叶植物。
50.权利要求49的方法，其中植物选自玉米、水稻或小麦。
51.权利要求48的方法，其中植物是双子叶植物。
52.权利要求51的方法，其中植物选自番茄、大豆、马铃薯、芸苔科成员或拟南芥。
53.权利要求48的方法，其中植物是树。
54.权利要求42的方法，其中生物体是哺乳动物。
55.权利要求54的方法，其中哺乳动物选自小鼠、大鼠、猪、羊、牛、狗或猫。
56.权利要求42的方法，其中生物体是禽类。
57.权利要求56的方法，其中禽类选自鸡、火鸡、鸭或鹅。
58.权利要求42的方法，其中生物体是鱼。
59.权利要求58的方法，其中鱼是斑马鱼、鳟鱼或鲑鱼。
60.权利要求42的方法，其中突变发生在生物体的生殖系细胞中。
61.权利要求42的方法，其中突变发生在生物体的体细胞中。
62.权利要求30的方法，其中DNA结合域包含三个锌指。
63.权利要求30的方法，其中切割域选自限制性内切核酸酶类型II。
64.权利要求30的方法，其中可诱导的调控元件选自热休克诱导的调控元件。
65.权利要求30的方法，其中宿主细胞是单细胞生物体。
66.权利要求30的方法，其中宿主细胞是来自多细胞生物体的细胞。
67.权利要求30的方法，其中细胞是***。
68.权利要求30的方法，其中宿主细胞是昆虫细胞。
69.权利要求68的方法，其中昆虫是按顺序选自鞘翅目、双翅目、半翅目、同翅目、膜翅目、鳞翅目或直翅目的成员。
70.权利要求69的方法，其中昆虫是果蝇。
71.权利要求69的方法，其中昆虫是蚊子或地中海果蝇。
72.权利要求66的方法，其中生物体是植物。
73.权利要求72的方法，其中植物是单子叶植物。
74.权利要求73的方法，其中植物选自玉米、水稻或小麦。
75.权利要求72的方法，其中植物是双子叶植物。
76.权利要求75的方法，其中植物选自番茄、大豆、马铃薯、芸苔科成员或拟南芥。
77.权利要求72的方法，其中植物是树。
78.权利要求66的方法，其中生物体是哺乳动物。
79.权利要求78的方法，其中哺乳动物选自小鼠、大鼠、猪、羊、牛、狗或猫。
80.权利要求66的方法，其中生物体是禽类。
81.权利要求80的方法，其中禽类选自鸡、火鸡、鸭或鹅。
82.权利要求66的方法，其中生物体是鱼。
83.权利要求82的方法，其中鱼是斑马鱼、鳟鱼或鲑鱼。
84.权利要求66的方法，其中突变发生在生物体的生殖系细胞中。
85.权利要求66的方法，其中突变发生在生物体的体细胞中。
86.权利要求30的方法，其中DNA构建体进一步包含编码一种或多种选择标记的DNA。
87.权利要求86的方法，其中选择标记提供用于细胞表达标记的阳性筛选。
88.权利要求86的方法，其中选择标记提供用于细胞表达标记的阴性筛选。
89.权利要求86的方法，其中选择标记提供用于细胞表达标记的阳性和阴性筛选。
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