用于在植物中产生突变的工程化核酸酶的制作方法

文档序号:16997637发布日期:2019-03-02 01:29阅读:451来源:国知局
本申请要求2016年5月25日提交的美国临时专利申请序列号62/341,489的优先权权益,该临时专利申请通过引用并入本文。发明背景近年来,已经将高饱和脂肪含量的饮食与胆固醇水平升高和冠心病风险增加联系在一起。同样,目前的膳食指南表明饱和脂肪摄入量不应超过总热量的10%。基于每天2,000卡路里的饮食,这是每天约20克饱和脂肪。油含有饱和脂肪。例如,菜籽油通常含有约7%至8%的饱和脂肪酸。饱和脂肪酸含量的降低将会改善油的营养特征(nutritionalprofile)。发明概要参与植物油合成的基因,包括调节饱和脂肪酸和油酸含量的基因,已经通过涉及将种子暴露于化学药品或辐射以便产生具有所需性状的突变体的过程进行突变。与用工程化核酸酶修饰的植物不同,其中突变(取代、缺失和/或添加一个或多个核苷酸)可以工程化为出现在植物基因组中的非常特定的位置,通过诱变过程开发的植物常常产生随机的、多种非特异性遗传变化。这些随机的、多种遗传变化全部汇集在一起,以提供突变植物的表型。用工程化核酸酶,可以产生非常特定的突变或一组突变,并且可以确定它们对表型(例如,油特征(oilprofile))的影响。本文提供了突变体fata1、fata2、kas2、kas3和/或fatb的产生,通过使用工程化核酸酶产生的等位基因,包含fata1、fata2、kas2、kas3和/或fatb的所述一个或多个突变等位基因的植物,诸如芸苔属(brassica)植物,以及此类产生较低饱和脂肪酸含量的植物的用途。如本文所述,含有此类突变的芸苔属植物可以产生饱和脂肪酸含量降低的油。本文所述的芸苔属植物对生产用于某些食品应用的菜籽油特别有用,因为所述植物未经基因修饰。本文提供了通过工程化核酸酶在fata1、fata2、kas2、kas3和/或fatb的一个或多个等位基因中包括取代、缺失和/或插入突变的芸苔属植物(例如,甘蓝型油菜(brassicanapus)、芥菜(brassicajuncea)或芜菁(brassicarapa)植物)及其后代(例如种子),其中每个突变等位基因均导致产生相对于相应的野生型fata1、fata2、kas2、kas3和/或fatb多肽活性降低或没有活性的fata1、fata2、kas2、kas3和/或fatb多肽(或者所述取代、缺失和/或插入可导致不产生fata1、fata2、kas2、kas3和/或fatb蛋白/活性)。突变等位基因可包括编码截短的fata1、fata2、kas2、kas3和/或fatb多肽的核酸。突变等位基因可包括与野生型等位基因的核苷酸序列(例如,fata1的seqidno:1)具有至少75%、80%、85%、90%、95%、96%、97%、98%或99%序列同一性的序列。一个实施方案提供了一种产生饱和脂肪酸减少的植物的方法,其包括:a)使植物与对fata1、fata2、kas2、kas3和/或fatb基因具有特异性的工程化核酸酶接触;b)使来自步骤a)的植物生长并从所述植物收集种子;并且c)选择由步骤b)的在一个或多个所述基因中具有取代、缺失和/或插入突变的种子生长的植物;其中其中所述取代、缺失和/或插入突变导致与未通过所述基因编辑突变的相同遗传背景的对照植物相比,所述植物的饱和脂肪酸产量减少。另一个实施方案提供了一种产生饱和脂肪酸减少的植物的方法,其包括:a)使植物细胞或组织与对fata1、fata2、kas2、kas3和/或fatb基因具有特异性的工程化核酸酶接触;b)由步骤a)的植物细胞或组织产生植物;c)选择由步骤b)的在一个或多个所述基因中具有取代、缺失和/或插入突变的种子生长的植物;其中其中所述取代、缺失和/或插入突变导致与未通过所述基因编辑突变的相同遗传背景的对照植物相比,所述植物的饱和脂肪酸产量减少。在一个实施方案中,所述植物为十字花科(cruciferae)植物。在另一实施方案中,所述植物为芸苔属植物。在另一个实施方案中,所述植物为甘蓝型油菜、芥菜或芜菁。在一个实施方案中,所述工程化核酸酶为大范围核酸酶。在一个实施方案中,在fata1的至少一个等位基因中存在取代、缺失和/或插入突变。在另一个实施方案中,在fata2的至少一个等位基因中存在取代、缺失和/或插入突变。在另一个实施方案中,在kas2的至少一个等位基因中存在取代、缺失和/或插入突变。在一个实施方案中,在kas3的至少一个等位基因中存在取代、缺失和/或插入突变。在另一个实施方案中,在fatb的至少一个等位基因中存在取代、缺失和/或插入突变。一个实施方案提供了一种芸苔属植物,其包含fata1、fata2、kas2、kas3和/或fatb的至少一个等位基因的缺失。在一个实施方案中,缺失长度为约1至约350个碱基对。在另一个实施方案中,缺失导致饱和脂肪酸减少。在一个实施方案中,识别/靶序列包含fata1基因的任何连续核苷酸(例如,10个或更多个)序列(seqidno:1)。在另一个实施方案中,本文提供了一种生产油的方法。该方法包括碾碎由本文所述的至少一种植物产生的种子并从碾碎的种子中提取油。一个实施方案提供了一种使芸苔属植物细胞基因组在靶位点突变的方法,其包括:a)在靶位点处诱导双链dna断裂,通过向所述细胞引入双链dna断裂诱导(dsbi)酶而诱导所述双链断裂,所述酶识别fata1、fata2、kas2、kas3和/或fatb基因中在所述靶位点附近或所述靶位点处的识别序列;以及b)选择其中所述双链dna断裂已被修复,在基因组中所述靶位点处产生突变的植物细胞,其中所述突变为至少一个核苷酸的取代、至少一个核苷酸的缺失、至少一个核苷酸的插入或其任意组合。在一个实施方案中,所述植物细胞再生为植物。一个实施方案提供了一种植物细胞,其包含在基因组靶位点处通过本文提供的方法获得的突变。另一个实施方案提供了植物、植物部分、种子或其繁殖材料,其包含在构成植物细胞的基因组靶位点处的突变。一个实施方案提供了一种产生饱和脂肪酸减少的芸苔属植物的方法,其包括:a)在靶位点处诱导双链dna断裂,通过向植物细胞引入双链dna断裂诱导(dsbi)酶而诱导所述双链断裂,所述酶识别fata1、fata2、kas2、kas3和/或fatb基因中在所述靶位点附近或所述靶位点处的识别序列;以及b)选择其中所述双链dna断裂已被修复,在基因组中所述靶位点处产生突变的植物细胞,其中所述突变为至少一个核苷酸的取代、至少一个核苷酸的缺失、至少一个核苷酸的插入或其任意组合;以及c)使b)的所述植物细胞再生成植物;其中所述突变导致与未经所述dsbi突变和修复的相同遗传背景的对照植物相比,所述植物的饱和脂肪酸产量减少。在一个实施方案中,dsbi酶为单链大范围核酸酶或一对大范围核酸酶,其识别或共同识别位点并诱导所述双链断裂。在一个实施方案中,通过本文所述的方法产生的植物与另一植物杂交。一个实施方案提供了植物、植物部分、种子或其繁殖材料,其包含在基因组靶位点处通过本文提供的方法获得的修饰。在一个实施方案中,所述植物为甘蓝型油菜、芥菜或芜菁。在一个实施方案中,n3、n7、13和/或n17上的一个或两个fata1等位基因突变。在另一个实施方案中,n13和/或n17上的一个或两个fata1等位基因突变。在一个实施方案中,n13上的一个或两个fata1等位基因突变。在另一个实施方案中,n3、n7和/或n13上的一个或两个fata1等位基因突变。在一个实施方案中,n7上的一个或两个fata1等位基因突变。在一个实施方案中,所述突变为一个或多个核苷酸缺失,任选地包括至少一个核苷酸的取代。在一个实施方案中,与相同遗传背景的非突变植物相比,通过本文所述的方法产生的植物产生约9%至约35%的硬脂酸(18:0)减少量。在另一个实施方案中,所述植物产生约5%至约15%的总饱和脂肪酸总体减少量。附图简述图1提供了来自公共甘蓝型油菜序列的fata1的全长野生型序列(chalhoub等人,2014):bnaa03g47660d。(seqidno:1)fata1mrna序列的ncbi登录号为xm_013833775.1。图2a至图2e提供a)fata1的部分野生型序列(n13;seqidno:2);b)描绘imc201背景下fata1n13突变体的部分序列(n13中17bp缺失;seqidno:3);c)描绘大范围核酸酶识别位点、部分野生型fata1核苷酸序列(seqidno:4)、部分野生型蛋白序列(seqidno:5)和描绘了缺失的部分突变体序列(seqidno:6);d)描绘美国模式培养物保藏中心(atcc)登录号pta-12314、pta-12315和pta-12316表示的cargill背景下的fata1n13突变体的部分序列(n13中6bp缺失;seqidno:7);并且e)描绘大范围核酸酶识别位点、部分野生型fata核苷酸序列(seqidno:4)、部分蛋白序列(seqidno:5)和描绘了缺失的突变体序列(seqidno:8)。图3a至图3c提供a)fata1的部分野生型序列(n7;seqidno:9);b)描绘imc201背景下fata1n7突变体的部分序列(n7中6bp缺失;seqidno:10);并且c)描绘大范围核酸酶识别位点、部分野生型fata1核苷酸序列(seqidno:11)、部分野生型蛋白序列(seqidno:5)和描绘了缺失的部分突变体序列(seqidno:12)。图4a至图4c提供a)fata1的部分野生型序列(n3;seqidno:13);b)描绘imc201背景下fata1n3突变体的部分序列(n3中24bp缺失;seqidno:14);并且c)描绘大范围核酸酶识别位点、部分野生型fata1核苷酸序列(seqidno:15)、部分野生型蛋白序列(seqidno:16)和描绘了缺失的部分突变体序列(seqidno:17)。图5a至图5c提供a)fata1的部分野生型序列(n17;seqidno:18);b)描绘美国模式培养物保藏中心(atcc)登录号pta-12314、pta-12315和pta-12316表示的cargill背景下的fata1n17突变体的部分序列(n17中24bp缺失和1bp变化(粗体且加有下划线的a);seqidno:19);并且c)描绘大范围核酸酶识别位点、部分野生型fata1核苷酸序列(seqidno:20)、部分野生型蛋白序列(seqidno:16)和描绘了缺失和1bp变化(用蓝色突出显示)的部分突变体序列(seqidno:21)。具体实施方式提供了使用双链dna断裂诱导酶以靶向方式使植物基因组突变的方法。还提供了产生的种子产生饱和脂肪酸含量降低的油的植物,尤其是芸苔属植物,及培育此类植物的方法。本发明提供了使用工程化双链dna断裂诱导酶在植物基因组中精确定位的核苷酸序列处引入靶向突变,包括一个或多个核苷酸的插入、缺失或取代的方法。本发明还提供了包含此类突变序列的植物细胞、植物部分、植物或种子,其中所述突变导致植物的饱和脂肪酸产量减少,并且本发明提供了培育此类植物的方法。本发明基于以下观察:功能性大范围核酸酶可以工程化为特异性识别和裂解植物细胞中的核苷酸序列,诸如fata1(seqidno:1),由所述植物细胞可以产生植物。本文提供了通过本文提供的方法培育的植物,诸如芸苔属植物,包括芸苔属的甘蓝型油菜、芥菜和芜菁,其产生的种子产生饱和脂肪酸含量降低的油。定义:在描述和要求保护本发明时,以下术语将根据下文阐述的定义使用。除非另外定义,否则本文所用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域中的普通技术人员通常所理解的相同含义。与本文描述的那些相似或等效的任何方法和材料都可以用于本发明的实践或试验中。以下列出的自由基、取代基和范围的具体和优选值仅用于说明;它们不排除自由基和取代基的其它限定值或在限定范围内的其它值。如本文中所用,冠词“一”和“一种(一个)”是指一个或一个以上,即至少一个冠词语法对象。举例而言,“一个要素”意指一个要素或一个以上的要素。如本文中所用,术语“约”意指大概、接近、大致或大约。当术语“约”连同数值范围使用时,其通过扩大所述数值的上下界限来修饰该范围。一般而言,术语“约”在本文中用于修饰偏差为20%的高于和低于规定值的数值。如本文中所用,“双链dna断裂内切核酸酶”是能够在称为“识别位点”的特定核苷酸序列处诱导双链dna断裂的酶。归巢内切核酸酶构成内切核酸酶家族,有时也称为大范围核酸酶。它们可以由内含子、独立基因或间插序列编码,并且呈现出将它们与更经典的限制酶,通常与细菌限制-修饰ii型系统区分开的结构和功能特性。本领域技术人员将能够选择识别所选靶核苷酸序列的双链dna断裂诱导(“dsbi”)酶来工程化此类dsbi内切核酸酶。如本文中所用,“位于附近”是指双链dna断裂诱导的位点,即dsbi酶的识别位点,位于距靶标即基因组dna中要突变的位点(靶位点)10bp、20bp、30bp、50bp、60bp、70bp、80bp、90bp、100bp、200、250bp、500bp、1kbp、2kbp、3kbp、4kbp、5kbp至10kbp的距离处。术语“异源”是指源自不同来源的两种或更多种核酸或蛋白序列之间的关系。例如,如果在自然界中通常不存在此类组合,则启动子相对于可操作地连接的核酸序列(诸如编码序列)是异源的。另外,特定序列可相对于其所插入的细胞或生物体是异源的(即不天然存在于该特定细胞或生物体中)。表述“可操作地连接”意指嵌合基因的所述元件以这样的方式彼此连接,使其功能协调并且允许编码序列表达,即它们功能性连接。举例而言,当启动子能够确保转录并最终表达所述其它核苷酸序列时,启动子与另一核苷酸序列功能性连接。无效纯合(nullizygous)生物体携带同一基因的两个突变或缺失等位基因。突变/缺失等位基因都是完全丧失功能或“无效”等位基因,因此纯合无效(homozygousnull)和无效纯合同义。基因敲除(缩写:ko)是一种基因技术,其中使得生物体的等位基因都不起作用(从生物体“敲除”)。术语敲除、灭活和破坏在本文中可互换用于意指改变靶位点,使得基因表达产物被消除或大大减少或表达的产物与对照(例如,野生型蛋白)相比活性降低。也被称为敲除生物体或简单地称为敲除。该术语还指创造此类生物体的过程,如同在“敲除”基因中一样。当量、浓度或其它值或参数作为范围、优选范围或上限优选值和下限优选值的列表给出时,应理解为具体公开由任一对的任何范围上限或优选值和任何范围下限或优选值形成的所有范围,而不管范围是否单独地公开。当在本文中叙述数值范围时,除非另有说明,否则该范围意在包括其端点,以及该范围内的所有整数和分数。不希望本发明的范围限制于定义范围时列举的具体值。如本文中所用,“植物部分”包括任何植物器官或植物组织,包括但不限于果实、种子、胚、分生组织区、愈伤组织、叶、根、芽、花、配子体、孢子体、花粉和小孢子。为了本发明的目的,两个相关核苷酸或氨基酸序列的“序列同一性”,以百分比表示,是指两个最佳比对序列中具有相同残基的位置数(x100)除以比较的位置数。空位,即比对中在一个序列中存在但在另一个序列中不存在残基的位置被视为具有不相同残基的位置。两个序列的最佳比对通过needleman和wunsch算法(needleman和wunsch1970)进行。上述的计算机辅助序列比对可以使用标准软件程序方便地进行,例如gap,其为wisconsinpackage10.1版本(geneticscomputergroup,madison,wis.,usa)的一部分,使用空位创建罚分为50和空位延伸罚分为3的默认评分矩阵。核酸可为单链或双链dna或rna。核酸可以化学合成或通过体外或体内生物表达产生。核酸可以使用受适当保护的核糖核苷亚磷酰胺和常规dna/rna合成仪化学合成。dna包括cdna和基因组dna。本文使用的标准重组dna和分子克隆技术是本领域熟知的,并且在sambrook,j.,fritsch,e.f.和maniatis,t.molecularcloning:alaboratorymanual;coldspringharborlaboratory:coldspringharbor,n.y.(1989);silhavy,t.j.,bennan,m.l.和enquist,l.w.,experimentswithgenefusions,coldspringharborlaboratory:coldspringharbor,n.y.(1984);及ausubel,f.m.等人,currentprotocolsinmolecularbiology,publishedbygreenepublishingassoc.andwiley-interscience,hoboken,n.j.(1987)有更全面的描述。术语“包含”等可以具有美国专利法中赋予它们的含义,并且可以意指“包括”等。如本文中所用,“包括”等意指包括但不限于。芸苔属植物由于fata1、fata2、kas2、kas3和/或fatb的活性降低,本文所述的芸苔属植物种子油中的总饱和脂肪酸水平降低。应理解,在整个公开内容中,对“植物”的提及包括后代,即特定植物或植物系的子代,以及来自该植物的细胞或组织。本植物的后代包括在fl、f2、f3、f4和后几代植物上形成的种子,或在bci、bc2、bc3和后几代植物上形成的种子。植物产生的种子可以生长然后自交(或者异型杂交和自交,或通过二倍体倍增)以获得突变等位基因纯合的种子。术语“等位基因”是指特定基因座处的基因的一种或多种替代形式。通过使一个或多个内源fata1、fata2、kas2、kas3和/或fatb等位基因突变来实现fata1、fata2、kas2、kas3和/或fatb活性降低,包括不存在可检测的活性(这些基因中的每一个都具有一种或多种同种型,例如,fata1具有4种同种型,即染色体n3、n13、n7和n17上各一种)。通过使用工程化核酸酶,可以使fata1、fata2、kas2、kas3和/或fatb等位基因的内源同种型/等位基因突变(缺失、添加和/或取代突变)。可以使用一种或多种工程化核酸酶将基因突变引入例如可再生植物组织内。可以筛选经处理的群体或该群体的后续世代由突变导致的降低的蛋白质活性,例如通过确定群体的脂肪酸特征并将其与相应未诱变群体进行比较。突变可以处于基因的任何部分中,包括编码序列、内含子序列和调控元件,这使得所得基因产物无功能或活性降低。可以进行基因突变的植物是任何植物,包括芸苔科的那些植物,包括任何野生型和突变植物背景。此类芸苔属植物包括但不限于imc201(美国专利第9,334,483号)、imc02(由美国模式培养物保藏中心(atcc)登录号pta-6221表示)、westar(美国专利第6,342,658号)、1904(由美国模式培养物保藏中心(atcc)登录号pta-11273表示,以及指定为1904并且由atcc登录号pta-11273表示的种子的后代)、2558(由美国模式培养物保藏中心(atcc)登录号pta-11274表示,以及指定为2558并由atcc登录号pta-11274表示的种子的后代)、美国公开申请第2013/0081156号、95cb504(美国专利第9,334,483号)、cargill背景(由美国模式培养物保藏中心(atcc)登录号pta-12314、pta-12315和pta-12316表示)、03lcll和作为登录号pta-12314、pta-12315和pta-12316保藏的杂交背景,以及topas(由美国模式培养物保藏中心(atcc)登录号pta-120738表示)。工程化核酸酶工程化核酸酶(geen)的使用是使用工程化核酸酶或“分子剪刀”在生物体基因组中插入、缺失或取代dna的一类基因工程。这些核酸酶在基因组中的所需位置产生定点双链断裂(dsb)。修复诱导的双链断裂,产生靶向突变,例如缺失。目前使用四种工程化核酸酶家族:大范围核酸酶、锌指核酸酶(zfn)、基于类转录激活因子效应物的核酸酶(talen)和crispr-cas系统(esvelt,km.和wang,hh.(2013)."genome-scaleengineeringforsystemsandsyntheticbiology."molsystbiol9(1):641;tan,ws.等人(2012)."precisioneditingoflargeanimalgenomes."advgenet80:37–97;puchta,h.和fauser,f.(2013)."genetargetinginplants:25yearslater."int.j.dev.biol57:629–637;boglioli,e.和richard,m."rewritingthebookoflife:anewerainprecisiongenomeediting"(pdf).bostonconsultinggroup;methodoftheyear2011.natmeth9(1),1-1;www.sciencemag.org/topic/2015-breakthrough-year)。通常在微生物物种中发现的大范围核酸酶具有有长识别序列(>14bp)的独特性质,因此使其具天然特异性(desouza,n.,primer:genomeeditingwithengineerednucleases.natmeth9(1),27-27(2011);smith,j.等人,acombinatorialapproachtocreateartificialhomingendonucleasescleavingchosensequences.nucleicacidsresearch34(22),e149(2006))。这可以用于在基因组编辑中产生定点dsb。已经创建了识别独特序列的大范围核酸酶变体(同上)。还使用各种大范围核酸酶的融合以产生识别新序列的杂合酶(chevalier,b.s.等人,design,activity,andstructureofahighlyspecificartificialendonuclease"molecularcell10(4),895-905(2002))。然而其它人已经改变了大范围核酸酶的dna相互作用氨基酸以在某一方法中设计称为设计合理的大范围核酸酶的序列特异性大范围核酸酶(美国专利8,021,867;wo2007/047859;wo2011/064736)。充分表征的大范围核酸酶为i-scel。i-scel是一种位点特异性内切核酸酶,负责酿酒酵母(saccharomycescerevisea)线粒体中的内含子迁移。该酶由21srrna基因的任选内含子sclsu.1编码,并且在内含子插入位点处引发双链dna断裂,产生具有3'0h突出的4bp交错切口。i-scei内切核酸酶的识别位点延伸超出18bp的非对称序列(colleaux等人1988proc.natl.acad.sci.usa85:6022-6026)。i-scel的氨基酸序列和线粒体i-scel基因的通用代码等效物已由例如wo96/14408提供。wo96/14408还公开了许多仍具有功能性的i-scei蛋白变体。pct申请pct/ep04/013122(通过引用并入本文)提供了i-scei的合成核苷酸序列变体,其已被优化用于在植物中表达。另一种充分表征的设计的大范围核酸酶基于用作支架的天然存在的大范围核酸酶i-crei。i-crei是在莱氏衣藻(chlamydomonasrheinhardti)叶绿体中发现的一种内切核酸酶(thompson等人1992,gene119,247-251)。这种内切核酸酶为同型二聚体,其识别23srrna基因中的假回文22bpdna位点并产生可用于引入内含子的双链dna断裂。i-crei是携带单个laglidadg(seqidno:22)基序的一组内切核酸酶的成员。laglidadg(seqidno:22)酶含有一个或两个拷贝的共有基序。单基序酶,诸如i-crei,起到同型二聚体的作用,而双基序酶是具有两个独立结构域的单体。因此,在设计源自i-crei支架的大范围核酸酶以识别22bp目标核苷酸序列时,设计两个单体单元,每个单体单元识别22bp识别位点的一部分,其需要共同在22bp识别位点处诱导双链断裂(w02007/047859)。可以通过将两个单体单元连接成一个单链大范围核酸酶来实现协同作用,或者也可以通过促进异二聚体的形成来实现协同作用,例如w02007/047859中所述。wo03/004659的表i(第17至20页)(通过引用并入本文)中提供了其它dsb诱导酶及其各自识别位点的列表。这些包括i-seei、i-chui、i-dmoi、i-crei、i-csmi、pi-flii、pt-mtui、i-ceui、i-seeii、i-seeiii、ho、pi-civi、pi-ctri、pi-aaei、pi-bsui、pi-dhai、pi-drai、pi-mayi、pi-mchi、pi-mfui、pi-mfli、pi-mgai、pi-mgoi、pi-mini、pi-mkai、pi-mlei、pi-mmai、pi-mshi、pi-msmi、pi-mthi、pi-mtui、pi-mxei、pi-npui、pi-pfui、pi-rmai、pi-spbi、pi-sspi、pi-faei、pi-mjai、pi-phoi、pi-tagi、pi-thyi、pi-tkoi或pi-tspi。与大范围核酸酶不同,zfn和talen技术背后的概念基于非特异性dna切割酶,其然后可以与特定dna序列识别肽(诸如锌指)连接(此类方法已在例如wo03/080809、w094/18313或w095/09233中和在isalan等人,2001,naturebiotechnology19,656-660;liu等人,1997,proc.natl.acad.sci.usa94,5525-5530中进行了描述),和基于类转录激活因子效应物(tale;baker,m.,gene-editingnucleases.natmeth9(1),23-26(2012);christian等人,2010,genetics186:757-761,wo10/079430和wo10/146121)。在这些技术中,内切核酸酶具有彼此分开的dna识别位点和裂解位点。虽然zfn和talen两种构建体的核酸酶部分具有相似性质(例如,foki),但这些工程化核酸酶之间的差异在于其dna识别肽。zfn依赖于cys2-his2锌指和tale上的talen构建体。这两种dna识别肽结构域均具有它们呈组合天然存在于蛋白质中的特征。cys2-his2锌指通常以间隔3bp的重复序列出现,并且发现在多种核酸相互作用蛋白(诸如转录因子)中呈不同组合。另一方面,在重复序列中发现tale,在氨基酸和识别的核苷酸对之间具有一比一的识别率。因为锌指和tale都以重复模式出现,所以可以尝试不同的组合以产生多种序列特异性(desouza,n.,primer:genomeeditingwithengineerednucleases.natmeth9(1),27-27(2011))。锌指已经在这些术语和方法中更为确定,诸如模块化组装(其中与三联体序列相关联的锌指连接成一行以覆盖所需序列)、open(肽结构域与三联体核苷酸的低严格性选择,接着是细菌系统中肽组合与最终靶标的高严格性选择),并且已经使用锌指文库的细菌单杂交筛选或其它方法来制备位点特异性核酸酶。w02004/067736中描述了通过从变体文库中选择来产生定制大范围核酸酶的另一种方式。序列特异性和dna结合亲和力改变的定制大范围核酸酶也可以通过如w02007/047859中描述的合理设计而获得。此类定制设计的内切核酸酶也称为非天然存在的内切核酸酶。设计的双链断裂诱导酶可以包含但不需要包含核定位信号序列(nls),诸如sv40大t抗原的nls(raikhel,plantphysiol.100:1627-1632(1992)和其中的参考文献)(kalderon等人cell39:499-509(1984))。核定位信号序列可以位于蛋白质的任何位置,但是便利地位于蛋白质的n-末端。核定位信号序列可以置换双链断裂诱导酶的一个或多个氨基酸。便利地,dsbi酶可以通过编码此类酶的植物可表达的重组基因的表达来提供。为此,包含编码(例如)设计的大范围核酸酶或大范围核酸酶单体单元的核苷酸序列的dna区可以与植物可表达的启动子和任选参与转录终止和多聚腺苷酸化的dna区可操作地连接并引入植物、植物部分或植物细胞内。编码dsbi酶的重组基因可以瞬时或稳定地引入。还可以通过将rna分子引入细胞内,该rna分子翻译成dsbi酶,向植物、植物部分或植物细胞中引入dsbi酶。替代地,可以将dsbi酶直接作为蛋白质引入植物、植物部分或植物细胞内。将dna或rna分子或蛋白质引入植物、植物部分、组织或植物细胞内的方法可供技术工作者使用,并在下面进行了简要描述。本文描述的术语“植物操作性启动子”和“植物可表达的启动子”意指能够在植物、植物组织、植物器官、植物部分或植物细胞中驱动转录的启动子。这包括植物来源的任何启动子,但也包括能够在植物细胞中指导转录的任何非植物来源的启动子。可以在这方面使用的启动子为组成型启动子,例如花椰菜花叶病毒(camv)35s转录产物的启动子(hapster等人,1988,md.gen.genet.212:182-190)、camv19s启动子(美国专利第5,352,605号;wo84/02913;benfey等人,1989,emboj.8:2195-2202)、地下三叶草病毒启动子4号或7号(wo96/06932)、rubisco小亚基启动子(美国专利第4,962,028号)、泛素启动子(holtorf等人,1995,plantmal.biol.29:637-649)、t-dna基因启动子诸如来自农杆菌属(agrobacterium)的章鱼碱合酶(ocs)和胭脂碱合酶(nos)启动子,以及本领域技术人员可获得其在植物中的组成型表达的基因的其它启动子。可以在这方面使用的其它启动子为组织特异性或器官特异性启动子,诸如种子特异性启动子,诸如2s白蛋白启动子(joseffson等人,1987,j.biol.chem.262:12196-12201)、菜豆蛋白启动子(美国专利第5,504,200号;bustos等人,1989,plantcell1.(9):839-53)、豆氨酸启动子(shirsat等人,1989,mal.gen.genet.215(2):326-331)、“未知种子蛋白”(usp)启动子(baumlein等人,1991,mal.gen.genet.225(3):459-67)、napin启动子(美国专利第5,608,152号;stalberg等人,1996,planta199:515-519)、拟南芥油质蛋白启动子(wo98/45461)、芸苔bce4启动子(wo91/13980),以及本领域技术人员可获得其在植物中的种子特异性表达的基因的其它启动子。植物基因编辑大范围核酸酶,zfn、crispr和talen的使用为植物中的遗传操纵提供了新策略,并且可以通过使内源基因突变来帮助所需植物性状的工程化。使用工程化核酸酶或技术工作者可用的任何方法,可以使各种基因突变(以便产生缺失突变/截短,添加一个或多个核苷酸和/或使一个或多个核苷酸突变(改变其序列/取代),而不是通过插入外源/非内源dna的突变),包括fata1(脂肪酰硫酯酶a1;moreno-perez等人,2012.reducedexpressionoffatathioesterasesinarabidopsisaffectstheoilcontentandfattyacidcompositionoftheseeds.planta235:629-39;hawkins&kridl.1998.characterizationofacyl-acpthioesterasesofmangosteen(garciniamangostana)seedandhighlevelsofstearateproductionintransgeniccanola.plantj13:743-52);fata2(脂肪酰硫酯酶a2;美国专利第9,334,483号);kas3(dehesh等人2001.overexpressionof3-ketoacyl-acyl-carrierproteinsynthaseiiisinplantsreducestherateoflipidsynthesis.plantphys125:1103-1114;abbadi等人2000.knockoutoftheregulatorysiteof3-ketoacyl-acpsynthaseiiienhancesshort-andmedium-chainacyl-acpsynthesis.plantj24:1-9);kas2(pidkowich等人,2007.modulatingseedβ-ketoacyl-acylcarrierproteinsynthaseiilevelconvertsthecompositionofatemperateseedoiltothatofapalm-liketropicaloil.pnas104:4742-4747;wu等人,1994.amutantofarabidopsisdeficientintheelongationofpalmiticacid.plantphys106:143-150;gupta等人,2012.transcriptionalactivationofbrassicanapusβ-ketoacyl-acpsynthaseiiwithanengineeredzincfingerproteintranscriptionfactor.plantbiotechj10:783-791);和/或植物fatb(酰基-酰基载体蛋白硫酯酶;bonaventure,g.(2003)plantcell.4月15日(4)1020-33;pct/ep2008/005551;pct/us2010/061226),所述植物诸如十字花科(cruciferae)植物,例如芸苔属植物,包括甘蓝型油菜、芥菜或芜菁。在一个实施方案中,所述植物为油料作物,诸如亚麻(亚麻属种(linumsp.))、油菜(芸苔属种(brassicasp.))、大豆(大豆属种(glycinesp.))、向日葵(向日葵属种(helianthussp.))、棉花(棉属种(gossypiumsp.))、玉米(玉蜀黍(zeamays))、橄榄(洋橄榄属种(oleasp.))、红花(红花属种(carthamussp.))、可可(可可(theobromacacoa))、花生(花生属种(arachissp.))、大麻、油棕、椰子、落花生、芝麻、蓖麻子、雷斯克勒(lesquerella)、乌桕、乳木果、罂粟籽和/或荷荷巴籽。因此,本文提供了基因和植物,诸如芸苔属植物,其包括例如fata1、fata2、kas2、kas2和/或fatb的经修饰的等位基因,导致生成的由该基因编码的蛋白质的活性降低或者没有活性(与野生型fata1、fata2、kas2、kas2和/或fatb相比)或导致几乎无蛋白质产物生成。例如,通过使用靶向/设计的大范围核酸酶和内源修复机制,可以在本文所述的任何一种基因中产生插入、取代或缺失突变。缺失突变的长度可为1个核苷酸至400多个核苷酸,包括例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、100、101、102、103、104、105、106、107、108、109、110、111、112、113、114、115、116、117、118、119、120、121、122、123、124、125、126、127、128、129、130、131、132、133、134、135、136、137、138、139、140、141、142、143、144、145、146、147、148、149、150、151、152、153、154、155、156、157、158、159、160、161、162、163、164、165、166、167、168、169、170、171、172、173、174、175、176、177、178、179、180、181、182、183、184、185、186、187、188、189、190、191、192、193、194、195、196、197、198、199、200、201、202、203、204、205、206、207、208、209、210、211、212、213、214、215、216、217、218、219、220、221、222、223、224、225、226、227、228、229、230、231、232、233、234、235、236、237、238、239、240、241、242、243、244、245、246、247、248、249、250、251、252、253、254、255、256、257、258、259、260、261、262、263、264、265、266、267、268、269、270、271、272、273、274、275、276、277、278、279、280、281、282、283、284、285、286、287、288、289、290、291、292、293、294、295、296、297、298、299、300、301、302、303、304、305、306、307、308、309、310、311、312、313、314、315、316、317、318、319、320、321、322、323、324、325、326、327、328、329、330、331、332、333、334、335、336、337、338、339、340、341、342、342、344、345、346、347、348、349、350、351、352、353、354、355、356、357、358、359、360、361、362、363、364、365、366、367、368、369、370、371、372、373、374、375、376、377、378、379、380、381、382、383、384、385、386、387、388、389、390、391、392、393、394、395、396、397、398、399、400个等等(以及涵盖此类数量或整个基因的任何范围)。此类缺失可导致该基因(rna和/或蛋白质)几乎不表达,并且如果蛋白质是由该基因表达的,则与野生型基因相比,将没有活性或活性降低。通过常规方法将工程化核酸酶提供给植物或植物组织(例如,将编码工程化核酸酶的dna插入质粒中(通常可操作地连接的组件包含启动子序列、工程化核酸酶、终止子(终止)序列和任选抗生素抗性基因)),然后通过本领域可用的任何方法将质粒引入植物细胞中,包括例如引入细菌,诸如细菌根癌农杆菌(agrobacteriumtumefaciens)中,而且还可以通过直接dna转移方法。用于将dna递送到细胞/组织(完整植物细胞或部分降解的组织或植物细胞)中的各种方法是本领域已知的,并且包括如美国专利第5,384,253号中说明的电穿孔;如美国专利第5,015,580、5,550,318、5,538,880、6,160,208、6,399,861和6,403,865号中说明的微粒轰击(基因枪);如美国专利第5,635,055、5,824,877、5,591,616、5,981,840和6,384,301号中说明的农杆菌介导的转化;如美国专利第5,508,184号中描述的原生质体转化;电穿孔、化学辅助转化、脂质体介导的转化(参见例如,a.deshayes等人(1985)emboj.4:2731-7.)、碳纤维、碳化硅纤维或硼酸铝纤维(通常称为晶须)(参见例如,j.brisibe,exp.bot.51(343):187-196(2000);dunwell(1999)methodsmo!.biol.111:375-82;和美国专利第5,464,765号)、显微注射(参见例如,tj.reich,ofal.(1986)biotechnology4:1001-1004)和病毒介导的转化(参见例如,s.b.gelvin,(2005)natbiotechnol.23:684-5,wo90/12107、wo03/052108和wo2005/098004);用附着于颗粒的异源外源dna轰击植物细胞、弹道粒子加速、气溶胶束转化(美国专利申请第20010026941号;美国专利第4,945,050号;国际公开第wo91/00915号;美国专利申请第2002015066号、wo01/038514;其全部通过引用并入本文)、led转化、peg转化和各种其它非粒子直接介导转移dna的方法。如本文中所用,“直接dna转移”是将dna引入植物细胞的任何方法,其不涉及使用天然农杆菌属种并且能够将dna引入植物细胞内。还将清楚的是,用于描述方法的术语诸如“dna引入”以及“植物由细胞再生”并不意味着必须通过转化技术引入此类dna。实际上,本领域技术人员将立即清楚,目标dna分子也可以通过育种或杂交技术从一种植物引入另一种植物。因此,与本申请有关的“引入”涉及通过任何已知方法将遗传信息置于植物细胞或植物中。这可以通过本领域已知的用于将rna或dna转化到植物细胞、组织、原生质体或完整植物中的任何方法或通过如下所述将所述rna或dna渗入到植物中来实现。在通过根癌农杆菌将dna引入需要突变的植物、植物组织或植物细胞(例如,油菜植物或植物组织;包括例如十字花科植物的几个品种,包括例如甘蓝型油菜、芜菁、白菜型油菜(b.campestris)或芥菜和突变的芸苔属植物)中时,将所述植物、植物组织或植物细胞暴露于携带工程化核酸酶的细菌。例如,可以将植物浸入含细菌的溶液中,或者可以从植物叶片上(或者可以使用其它植物组织,诸如茎)打出圆片,并与含质粒的根癌农杆菌培养物一起孵育。然后将圆片/植物组织置于在抗生素存在下产生愈伤组织的条件下。只有那些具有来自于质粒的dna(抗性基因)的植物细胞/组织才会具有抗生素抗性。因此,所述条件通过杀伤不含质粒dna的那些来选择植物细胞/组织。在选择抗性愈伤组织后,将其转移到诱导芽生长的培养基中,在那里它们生根,然后转移到土壤中以长成成熟植物。然后选择植物(子代)中在所需基因中具有突变的那些(例如,以上所列的那些)。该选择过程可以寻找目标基因和/或蛋白质活性(通常是由目标基因产生的蛋白质)改变的大小,以及抗生素抗性(插入细菌的质粒中所包括的提供对特定抗生素的抗性的附加dna片段)或序列。与未暴露于工程化核酸酶(具有相同起始背景)的植物相比,所需基因(rna和/或蛋白质的表达)活性降低至无活性的那些植物是特别令人感兴趣的。如果细菌将任何外源dna插入植物中,则可以进一步培育这些植物,直至此类dna不再是突变植物的一部分。还可以培育植物,使其对于突变(例如,缺失)而言为纯合子。还提供了下述方法:使在fata1、fata2、fatb、kas2和/或kas3的一个或多个基因座处含有突变等位基因的一株或多株第一亲本植物与在fata1、fata2、fatb、kas2和/或kas3的不同基因座处含有突变等位基因的一株或多株第二亲本植物杂交,其中每个突变等位基因导致产生相对于相应的野生型(或未如本文所述突变的基因)fata1、fata2、fatb、kas2和/或kas3多肽而言活性降低(或无活性)的多肽(或根本不产生多肽);并且选择在两个或更多个不同的基因座处具有突变等位基因的后代植物,从而获得所需植物。植物产品与未如本文所述突变的植物(与暴露于工程化核酸酶之前的植物相同的遗传背景)相比,由此类植物诸如芸苔属植物获得的油(菜籽油),饱和脂肪酸低或无饱和脂肪酸并且油酸含量改变。种子中的含油量可通过本领域技术人员已知的方法测定。另一方面,提供了一种生产油的方法。该方法包括碾碎由本文所述的至少一种芸苔属植物产生的种子;并从碾碎的种子中提取油。此类油可用于食品组合物、食品喷涂和/或油炸应用中(诸如油炸食品,以便生产油炸食品诸如小吃片(例如玉米或薯片)、炸薯条或其它快餐食品)。在以下实施例中将进一步描述本发明,这些实施例不限制权利要求书中所描述的本发明的范围。实施例实施例1使用大范围核酸酶突变fata1使用对fata1具特异性的大范围核酸酶(所需大范围核酸酶在油菜植物细胞中的表达导致植物基因组中fata1dna的特异性断裂;对其修复导致缺失、插入和/或碱基对变化),产生几种在fat1a中具有缺失的油菜植物(缺失范围从1到350个碱基对)。这样产生与具有和暴露于工程化核酸酶之前的植物相同的遗传背景的植物相比,c18:0饱和脂肪产量从约7%降至约38%,合并的c18:0/c20:0/c22:0/c24:0从约6%降至约33%的表型。因此,fat1a的靶向突变导致饱和脂肪产量显著且意外的降低。实施例2fata1突变和分析在下面提供的表中,按碳链的长度和链内双键的数量来提到脂肪酸。例如,c14:0是指肉豆蔻酸;c16:0是指棕榈酸;c18:0是指硬脂酸;c18:1是指油酸;c18:2是指亚油酸;c18:3是指ala;c20:0是指花生四烯酸;c20:1是指二十碳烯酸;c22:0是指山萮酸;c22:1是指芥酸;c24:0是指二十四烷酸;和c24:1是指神经酸。“总饱和脂肪酸(totalsats)”是指c14:0、c16:0、c18:0、c20:0、c22:0和c24:0的总量。为每个指定样品提供代表性脂肪酸特征(fattyacidprofile)。除非另有说明,否则所有百分比均指基于油中总脂肪酸(即脂肪酸部分)的脂肪酸%。通过使芸苔属植物的细胞经受工程化大范围核酸酶,然后分析序列(图1至图5)和饱和脂肪酸产量(表1和表2),获得具有较低饱和脂肪酸的芸苔属植物。所述突变植物系中饱和脂肪酸产量的平均结果呈现于表1(imc201背景)和表2(cargill背景)中,显示了通过本文所述方法培育的突变植物系的饱和脂肪酸18:0(硬脂酸)减少约9%至约34%,18/20/22/24饱和脂肪酸合并量减少约5%至约37%,并且总饱和脂肪酸减少约6%至约14%。“wt”表示相同遗传背景的非突变(例如,野生型等位基因)植物的平均结果。表1表2参考文献d’halluinetal.2013.targetedmoleculartraitstackingincottonthroughtargeteddouble-strandbreakinduction.plantbiotechj11:933-41.djukanovicetal.2013.male-sterilemaizeplantsproducedbytargetedmutagenesisofthecytochromep450-likegene(ms26)usingare-designedi-creihomingendonuclease.theplantjournal76:888-99.gaoetal.2010.heritabletargetedmutagenesisinmaizeusingadesignedendonuclease.theplantjournal61:176-187.honigetal.2015.transientexpressionofvirallydeliveredmeganucleaseinplantageneratesinheritedgenomicdeletions.molplant8:1292-4.puchta&fauser.2014.syntheticnucleasesforgenomeengineeringinplants:prospectsforabrightfuture.theplantjournal78:727-741.sprinketal.2015.plantgenomeeditingbynoveltools:talenandothersequencespecificnucleases.currentopinioninbiotech32:47-53.tzfiraetal.2012.genomemodificationsinplantcellsbycustom-maderestrictionenzymes.plantbiotechjournal10:373-389.本文引用的所有专利、专利申请、登录号和出版物均通过引用整体并入本文。当前第1页12当前第1页12
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