Introducing a tyrosinemia-related SNP in hiPS cells
À¯ÀüÀÚ ÆíÁý¿¡¼ °¡Àå °·ÂÇÑ ¹æ¹ý Áß Çϳª´Â homology-directed repair (HDR) pathway¸¦ ÀÌ¿ëÇÏ¿© ¼¼Æ÷ÀÇ Æ¯Á¤ À¯ÀüÀÚ ºÎÀ§¸¦ Á¤È®ÇÏ°Ô ¹Ù²Ù´Â °ÍÀÌ´Ù. ÀÌ ¹æ¹ýÀ» ÀÌ¿ëÇϸé, ´ÜÀÏ ¿°±â º¯Çü(single-nucleotide polymorphisms, SNPs)ºÎÅÍ fusion tag³ª ¹ßÇöÇÏ°íÀÚ ÇÏ´Â DNA¿Í °°Àº ±ä ±æÀÌÀÇ »ðÀÔ±îÁöµµ °¡´ÉÇÏ´Ù. °Ç°ÇÑ »ç¶÷°ú ȯÀڷκÎÅÍ À¯ÀüÇüÀÌ º¸Á¸µÈ Human induced pluripotent stem cells (hiPSCs)À» Á¦ÀÛÇϸé, ƯÁ¤ÇÑ À¯ÀüÀÚ º¯ÇüÀÌ À¯ÀüÀÚ ±â´É¿¡ ¹ÌÄ¡´Â ¿µÇâÀ» ºñ±³¿¬±¸ÇÒ ¼ö ÀÖ´Ù.
¿¹¸¦ µé¸é, ¸ÕÀú °Ç°ÇÑ »ç¶÷À¸·ÎºÎÅÍ hiPSC¸¦ Á¦ÀÛÇÏ¿© ¸ñÀû ¼¼Æ÷·Î ºÐȵǴ Áö±îÁö È®ÀÎÇÑ´Ù. ±× ÈÄ¿¡, Áúº´°ú À¯°üÇÏ´Ù°í ¾Ë·ÁÁ® Àְųª ÀǽɵǴ À¯ÀüÀÚ¸¦ À¯ÀüÀÚ ÆíÁýÀ» ÅëÇØ hiPSC¿¡ »ðÀÔÇϸé Áúº´°ú ¿¬°üµÈ ¼¼Æ÷ÁÖ¸¦ ±¸ÃàÇÒ ¼ö ÀÖ´Ù. ¶Ç ´Ù¸£°Ô´Â, ȯÀڷκÎÅÍ Áúº´ À¯ÀüÀÚ¸¦ Æ÷ÇÔÇÏ´Â hiPSC¸¦ Á¦ÀÛÇÏ°í, ÇØ´ç Áúº´À» Ä¡·áÇÒ ¼ö ÀÖµµ·Ï À¯ÀüÀÚ¸¦ ÆíÁýÇÏ¿© ¼¼Æ÷ÁÖ¸¦ ±¸ÃàÇÑ´Ù. ÀÌ·¸°Ô Á¦ÀÛÇÑ hiPSCs¸¦ ÀÌ¿ëÇϸé, À¯ÀüÀÚ ´Ù¾ç¼º¿¡ µû¸¥ Áúº´ ¿¬±¸¿Í Ä¡·áÁ¦¿¡ È°¿ëÇÒ ¼ö ÀÖ´Ù.
´ÙÄ«¶ó¹ÙÀÌ¿À´Â CRISPR/Cas9À» ÀÌ¿ëÇØ Áúº´°ú °ü·ÃµÈ SNP¸¦ ¼¼Æ÷¿¡ µµÀÔÇÑ ÈÄ, single cell cloning°ú ½ºÅ©¸®´× °úÁ¤À» ÅëÇØ ÆíÁýµÈ ¼¼Æ÷ÁÖ¸¦ ±¸ÃàÇÏ´Â ¹æ¹ýÀ» ÃÖÀûÈÇß´Ù (±×¸² 1). ÀÌ °úÁ¤¿¡¼ tyrosinemia¿¡ °ü¿©ÇÏ´Â SNP°¡ µµÀÔµÈ ¼¼Æ÷ÁÖ¸¦ ¾ò¾úÀ¸¸ç, ÀÌ ¼¼Æ÷ÁÖ°¡ pluripotency¿Í Á¤»ó ÇÙÇüÀ» À¯ÁöÇÏ°í ÀÖÀ½À» È®ÀÎÇÏ¿´´Ù. ¶ÇÇÑ, ÀÌ·¸°Ô ÆíÁýµÈ hiPSC¸¦ °£¼¼Æ÷·Î ºÐÈÇÏ¿© tyrosinemia ¿¬±¸¸¦ À§ÇÑ Áúº´ ¸ðµ¨ ¿¬±¸ÀÇ °¡´É¼ºµµ È®ÀÎÇÏ¿´´Ù.
±×¸² 1. CRISPR/Cas9·Î ÆíÁýÇÑ hiPSCs¸¦ ÀÌ¿ëÇØ Áúº´ ¸ðµ¨ ±¸Ãà
0. Experimental workflow
¸ÕÀú,
Cellartis¢ç DEF-CS¢â 500 Culture SystemÀ» ÀÌ¿ëÇØ ¹ÌºÐÈ »óŸ¦ À¯ÁöÇÏ´Â homogeneousÇÑ hiPSC¸¦ ¹è¾çÇÏ¿´´Ù. ÀÌÈÄ, Tyrosinemia¿Í °ü·ÃµÇ¾î ÀÖ´Â
FAH (fumarylacetoacetate hydrolase) À¯ÀüÀÚÀÇ c.786G>A (p.Trp262Ter) À§Ä¡¿¡ SNP¸¦ µµÀÔÇÒ ¼ö ÀÖµµ·Ï 200 nt Á¤µµÀÇ
ssDNA HDR template¸¦ Á¦ÀÛÇÏ¿© Cas9, sgRNA¿Í ÇÔ²² electroporation ½ÃÄ×´Ù. ÀÌ ¶§, Cas9°ú sgRNA´Â off-target effect¸¦ ÁÙÀ̱â À§ÇØ, ribonucleoprotein (RNP) ÇüÅ·Π¼¼Æ÷ ³» µµÀԵǾú´Ù. Electroporation ÀÌÈÄ,
SNP °ËÃâ Á¦Ç°À» ÀÌ¿ëÇÏ¿© ÆíÁýµÈ hiPSC¸¦ È®ÀÎÇÏ¿´°í, single cell·Î ºÐ¸® ¹è¾çÇÏ¿© ¼¼Æ÷ÁÖ·Î ±¸ÃàÇÏ¿´´Ù. °¢ ¼¼Æ÷ÁÖµéÀº º°µµÀÇ ¼±º° °úÁ¤ ¾øÀÌ c.786G>A·Î ġȯµÇ¾úÀ½ÀÌ È®ÀÎ µÇ¾úÀ¸¸ç, ÀÌÈÄ °£¼¼Æ÷·Î ºÐÈÇÏ¿© Á¤»ó °£±â´ÉÀ» À¯ÁöÇÏ´ÂÁö ºÐ¼®ÇÏ¿´´Ù.
±×¸² 2. Tyrosinemia¿Í °ü·ÃÇÑ SNP¸¦ µµÀÔÇÑ ¼¼Æ÷ÁÖ ±¸Ãà°ú hepatocyte·ÎÀÇ ºÐÈ °úÁ¤
1. sgRNA and ssDNA design
¼º°øÀûÀÌ°í È¿À²ÀûÀÎ À¯ÀüÀÚ ÆíÁýÀ» À§Çؼ´Â ½ÇÇè µðÀÚÀÎÀÌ ¸Å¿ì Áß¿äÇϱ⿡, sgRNAÀÇ scaffold ¼¿À» ÃÖÀûÈÇÔÀ¸·Î½á Cas9°úÀÇ Ä£È·ÂÀ» ³ô¿© ´õ ¾ÈÁ¤ÀûÀÎ º¹ÇÕü·Î ±¸¼ºÇÏ°íÀÚ Çß´Ù. À̸¦ À§ÇØ,
FAH À¯ÀüÀÚÀÇ 10¹ø exon ³» ¿øÇÏ´Â À§Ä¡¸¦ Àý´ÜÇÒ ¼ö ÀÖ´Â µÎ Á¾·ùÀÇ sgRNA¸¦ ¼±ÅÃÇÏ¿´´Ù. ÀÌ ÈÄ, ElectroporationÀ» ÀÌ¿ëÇØ hiPSC¿¡ 2Á¾ÀÇ Cas9-sgRNA RNP º¹ÇÕü¸¦ ġȯÇÏ°íÀÚ ÇÏ´Â SNP ¿°±â¿Í 99 ntÀÇ ÂªÀº homology armÀ¸·Î ±¸¼ºÇÑ
ssDNA ÇüÅÂÀÇ HDR template¸¦ ÇÔ²² µµÀÔÇÏ¿´´Ù (±×¸² 3).
±×¸² 3. sgRNA¿Í HDR template µðÀÚÀÎ
2. Analysis and characterization
À¯ÀüÀÚ ÆíÁý ÈÄ,
SNP °ËÃâ Á¦Ç°À» ÀÌ¿ëÇÏ¿© µÎ sgRNAÀÇ À¯ÀüÀÚ ÆíÁý È¿À²À» ºñ±³ÇÏ¿´´Ù. Çü±¤ °ªÀÌ ³ôÀ»¼ö·Ï Ÿ°Ù À§Ä¡¿¡ SNPÀÇ µµÀÔ È¿À²ÀÌ ³ô´Ù´Â °ÍÀ» ÀǹÌÇϸç, hiPSC¿¡¼ÀÇ ÀüüÀûÀÎ À¯ÀüÀÚ ÆíÁý È¿À²À» È®ÀÎÇßÀ» ¶§, sgRNA 1·Î ÆíÁýµÈ ¼¼Æ÷¿¡¼ ¿øÇÏ´Â SNP¸¦ È®ÀÎÇÒ ¼ö ÀÖ¾ú´Ù (±×¸² 4).
±×¸² 4. sgRNA 1, 2¸¦ ÀÌ¿ëÇßÀ» ¶§ À¯ÀüÀÚ ÆíÁý È¿À² È®ÀÎ
sgRNA 1À» ÀÌ¿ëÇØ ÆíÁýµÈ ¼¼Æ÷¿¡¼ ¸ñÀû SNP¸¦ È®ÀÎÇÑ ÈÄ, ¼¼Æ÷¸¦ single cell·Î ºÐ¸®ÇÏ¿©
DEF-CS¢â single-cell cloning systemÀ» ÀÌ¿ëÇØ È®´ë ¹è¾çÇÏ¿´´Ù. ¹è¾ç 5ÀÏ ÈÄ, 96 well¿¡¼ ºü¸£°í Á¤È®ÇÏ°Ô ´Ù¼öÀÇ cloneÀ» È®ÀÎÇϱâ À§ÇØ
Çü±¤ ±â¹Ý SNP °ËÃâ Á¦Ç°À» ÀÌ¿ëÇÏ¿´À¸¸ç, °¢°¢ÀÇ ¼¼Æ÷ÁÖ¿¡¼ c.786G>A SNP¸¦ ³ªÅ¸³»´ÂÁö Á¶»çÇÏ¿´´Ù. Çü±¤ ½Ã±×³ÎÀ» ÅëÇØ ¼¼Æ÷ÁÖÀÇ ¾à 19%¿¡¼ SNP »ðÀÔÀÌ Àß ÀÌ·ç¾îÁ³À½À» È®ÀÎÇÏ¿´´Ù.
±×¸² 5. Çü±¤À» ÅëÇÑ SNP È¿À² È®ÀÎ (*Nonclonal sample)
ÀÌ ÈÄ, ÆíÁýµÈ ¼¼Æ÷ÁÖ¸¦ Sanger sequencing°ú flow cytometry¸¦ ÀÌ¿ëÇÏ¿© Ư¼º ºÐ¼®ÇÏ¿´´Ù. Sanger sequencingÀ» ÅëÇØ ¼¼Æ÷ÁÖ°¡ °¡Áö´Â SNP°¡ homozygousÇÑÁö, heterozygousÇÑÁö¸¦ È®ÀÎÇÏ¿´À¸¸ç, homozygousÇÑ SNP¸¦ °¡Áö´Â ¼¼Æ÷µéÀº È®´ë ¹è¾çÇÑ ÈÄ, flow cytometry¿¡¼ pluripotency markerÀÎ Oct-4, TRA-1-60, SSEA-4ÀÇ ¹ßÇöÀ» È®ÀÎÇÏ¿´´Ù. ¸ðµç ¹è¾ç ¼¼Æ÷µéÀº ¼¼ ¸¶Ä¿ ¸ðµÎ ³ô°Ô ¹ßÇöÇÔÀ¸·Î½á, À¯ÀüÀÚ ÆíÁý ÈÄ¿¡µµ pluripotency¸¦ Àß À¯ÁöÇÏ°í ÀÖÀ½À» È®ÀÎÇÏ¿´´Ù (±×¸² 6).
±×¸² 6. ÆíÁýµÈ ¼¼Æ÷ÁÖÀÇ Æ¯¼º ºÐ¼®
3. Differentiation of edited cells to hepatocytes
°£ÁúȯÀÎ Tyrosinemia¸¦ ¿¬±¸Çϱâ À§ÇØ, ÆíÁýµÈ ¼¼Æ÷ÁÖ #181¸¦
Cellartis¢çÀÇ °£¼¼Æ÷ ºÐÈ kit¸¦ ÀÌ¿ëÇÏ¿© °£¼¼Æ÷·Î ºÐÈÇß´Ù. 22ÀÏ°£ ºÐÈÇÑ ÈÄ, ´ëÁ¶±º°ú ÆíÁýµÈ hiPSC À¯·¡ °£¼¼Æ÷ ¸ðµÎ ÀüÇüÀûÀÎ °£¼¼Æ÷ ÇüÅÂÀÓÀ» È®ÀÎÇßÀ¸¸ç, 29ÀÏ Â°¿¡ ¸é¿ªÇü±¤¿°»öÀ» ÅëÇØ 92% ¼¼Æ÷°¡ °£¼¼Æ÷ ¸¶Ä¿ÀÎ HNF¥áÀ» È®ÀÎÇÏ¿´´Ù.
±×¸² 7. ÆíÁýµÈ hiPSCÀÇ °£¼¼Æ÷ ºÐÈ ¹× È¿À² È®ÀÎ
°£ÀÇ Áß¿äÇÑ ±â´ÉÀÎ ¾à¹°´ë»ç¸¦ È®ÀÎÇϱâ À§ÇØ, cytochrome P450 (CYP) family ´ë»ç¿¡ °ü¿©ÇÏ´Â ¾à¹°À» ó¸®ÇÏ¿´´Ù. ºÐÈ 29ÀÏ Â°¿¡ LC/MS¸¦ ÀÌ¿ëÇÏ¿© ÀÓ»ó ¾à¹° ´ë»ç¿¡ °ü¿©ÇÏ´Â CYP1A, CYP3A, CYP2C9, CYP2B6, CYP2D6 È¿¼Ò È°¼ºÀ» ÃøÁ¤ÇÏ¿´À¸¸ç, ´ëÁ¶±º°ú ÆíÁýµÈ hiPSC À¯·¡ °£¼¼Æ÷¿¡¼ 80-90% Á¤µµÀÇ À¯»çÇÑ °á°ú¸¦ È®ÀÎÇÏ¿´´Ù.
±×¸² 8. ÆíÁýµÈ hiPSC À¯·¡ °£¼¼Æ÷¿¡¼ÀÇ CYP È¿¼Ò È°¼º È®ÀÎ
[¿ø¹®] Introducing a tyrosinemia-related SNP in hiPS cells