WO2025063625A1 - Engineered retron comprising dna binding protein-specific binding site, and use thereof - Google Patents
Engineered retron comprising dna binding protein-specific binding site, and use thereof Download PDFInfo
- Publication number
- WO2025063625A1 WO2025063625A1 PCT/KR2024/013902 KR2024013902W WO2025063625A1 WO 2025063625 A1 WO2025063625 A1 WO 2025063625A1 KR 2024013902 W KR2024013902 W KR 2024013902W WO 2025063625 A1 WO2025063625 A1 WO 2025063625A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- protein
- retron
- dna
- region
- engineered
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07K—PEPTIDES
- C07K14/00—Peptides having more than 20 amino acids; Gastrins; Somatostatins; Melanotropins; Derivatives thereof
- C07K14/435—Peptides having more than 20 amino acids; Gastrins; Somatostatins; Melanotropins; Derivatives thereof from animals; from humans
- C07K14/46—Peptides having more than 20 amino acids; Gastrins; Somatostatins; Melanotropins; Derivatives thereof from animals; from humans from vertebrates
- C07K14/47—Peptides having more than 20 amino acids; Gastrins; Somatostatins; Melanotropins; Derivatives thereof from animals; from humans from vertebrates from mammals
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
- C12N15/00—Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
- C12N15/09—Recombinant DNA-technology
- C12N15/11—DNA or RNA fragments; Modified forms thereof; Non-coding nucleic acids having a biological activity
- C12N15/113—Non-coding nucleic acids modulating the expression of genes, e.g. antisense oligonucleotides; Antisense DNA or RNA; Triplex- forming oligonucleotides; Catalytic nucleic acids, e.g. ribozymes; Nucleic acids used in co-suppression or gene silencing
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
- C12N15/00—Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
- C12N15/09—Recombinant DNA-technology
- C12N15/63—Introduction of foreign genetic material using vectors; Vectors; Use of hosts therefor; Regulation of expression
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
- C12N15/00—Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
- C12N15/09—Recombinant DNA-technology
- C12N15/63—Introduction of foreign genetic material using vectors; Vectors; Use of hosts therefor; Regulation of expression
- C12N15/70—Vectors or expression systems specially adapted for E. coli
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
- C12N9/00—Enzymes; Proenzymes; Compositions thereof; Processes for preparing, activating, inhibiting, separating or purifying enzymes
- C12N9/10—Transferases (2.)
- C12N9/12—Transferases (2.) transferring phosphorus containing groups, e.g. kinases (2.7)
Definitions
- the present invention relates to engineered retrones comprising a DNA binding protein specific binding site and uses thereof.
- DNA-protein, RNA-protein, RNA-RNA, and protein-protein interactions have been extensively designed and used to create genetically encodeable synthetic biological devices in a myriad of applications, including gene regulation and editing biosensors, self-assembling nanostructures, complex logic computation, and metabolic engineering.
- These molecular interactions can be dynamically controlled, primarily by modulating gene expression or by changing the molecular structure of the RNA or protein components, thereby controlling the number or state of copies of the participating molecules.
- DNA in living cells is difficult even in relatively simple bacteria.
- the subunits of the genome are covalently linked within larger DNA molecules such as chromosomes or plasmids. This limits the independent control of specific functional parts of the DNA, such as short ( ⁇ 20 bp) protein-binding sequences.
- DNA-protein interactions have played a central role since the beginning of synthetic biology due to their reliable modularity, tunability, orthogonality, and signaling responsiveness, their use in vivo remains limited to molecular events in the genome.
- Retrons (Fig. 1a), a widespread prokaryotic simple reverse transcription system consisting of a non-coding template RNA and a reverse transcriptase (RT) pair, have recently attracted attention due to their small genome size, simple mechanism, programmability, and ability to produce up to 50,000 single-stranded DNA units per cell. Because of these engineerable properties, retrons have been reused to generate template DNA for homologous recombination and CRISPR-Cas adaptation, advancing dynamic genome engineering in bacteria, yeast, and even human cells. Retron-derived DNA (retron-DNA) has a little-known feature, a double-stranded hairpin structure, which is common to most retrons discovered so far. The lack of evolutionarily conserved sequences in this domain suggests that retron-DNA could be reprogrammed to mediate sequence-specific protein binding.
- RT reverse transcriptase
- the inventors of the present invention completed the present invention by developing pretroDNA ( P protein-binding small DNA in situ generated by engineered RETRO n) by reprogramming the double-stranded domain of retron-DNA specific protein binding (Fig. 1b), thereby designing a new method to control, design, and utilize the interaction network of DNA and proteins in living cells (Figs. 1c and 1d).
- pretroDNA P protein-binding small DNA in situ generated by engineered RETRO n
- the purpose of the present invention is to provide an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising a DNA-binding protein specific binding site; and a region encoding reverse transcriptase, an expression vector comprising the engineered retron, and a host cell transformed with the expression vector.
- Another object of the present invention is to provide a gene expression system comprising a nucleic acid construct comprising an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising a DNA-binding protein-specific binding site; and a region encoding a reverse transcriptase; and a base sequence encoding a DNA-binding protein, an expression vector comprising the gene expression system, and a host cell transformed with the expression vector.
- Another object of the present invention is to provide a gene expression system comprising a nucleic acid construct comprising an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising a DNA-binding protein-specific binding site; and a region encoding a fusion protein comprising a cargo protein and a reverse transcriptase; and a base sequence encoding a fusion protein comprising a DNA-binding protein and a protein that is localized within a cell, an expression vector comprising the gene expression system, and a host cell transformed with the expression vector.
- Another object of the present invention is to provide a composition for regulating the intracellular localization or activity of a cargo protein, comprising a gene expression system comprising a nucleic acid construct comprising a base sequence encoding a fusion protein comprising a DNA binding protein and a protein having a designated intracellular localization; and a method for regulating the intracellular localization or activity of a cargo protein, comprising a step of expressing the gene expression system.
- Another object of the present invention is to provide a gene expression system comprising an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising first and second DNA binding protein specific binding sites; and a region encoding a reverse transcriptase; a nucleic acid construct comprising a base sequence encoding a fusion protein comprising a first DNA binding protein and the first protein; and a nucleic acid construct comprising a base sequence encoding a fusion protein comprising a second DNA binding protein and the second protein; and a method for co-localization between proteins comprising a step of expressing the same.
- the present invention provides an engineered retron comprising an msr region; an msd region including a DNA binding protein specific binding site; and a region encoding a reverse transcriptase, an expression vector comprising the engineered retron, and a host cell transformed with the expression vector.
- the present invention provides a gene expression system comprising a nucleic acid construct comprising an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising a DNA-binding protein-specific binding site; and a region encoding a reverse transcriptase; and a base sequence encoding a DNA-binding protein, an expression vector comprising the gene expression system, and a host cell transformed with the expression vector.
- the present invention provides a gene expression system comprising a nucleic acid construct comprising an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising a DNA-binding protein-specific binding site; and a region encoding a fusion protein comprising a cargo protein and a reverse transcriptase; and a base sequence encoding a fusion protein comprising a DNA-binding protein and a protein that is localized within a cell, an expression vector comprising the gene expression system, and a host cell transformed with the expression vector.
- the present invention provides a composition for regulating the intracellular localization or activity of a cargo protein, comprising a gene expression system comprising an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising a DNA-binding protein-specific binding site; and a region encoding a fusion protein comprising a cargo protein and a reverse transcriptase; and a nucleic acid construct comprising a base sequence encoding a fusion protein comprising a DNA-binding protein and a protein having a cell-localized location; and a method for regulating the intracellular localization or activity of a cargo protein, comprising a step of expressing the gene expression system.
- the present invention provides a gene expression system comprising an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising first and second DNA binding protein specific binding sites; and a region encoding a reverse transcriptase; a nucleic acid construct comprising a base sequence encoding a fusion protein comprising a first DNA binding protein and the first protein; and a nucleic acid construct comprising a base sequence encoding a fusion protein comprising a second DNA binding protein and the second protein; and a method for co-localization between proteins comprising a step of expressing the same.
- the present invention relates to an engineered retron comprising a DNA-binding protein-specific binding site and uses thereof, and by using the engineered retron comprising a DNA-binding protein-specific binding site, not only transcription control but also a self-regulating feedback circuit is implemented, and a system for regulating the intracellular localization and function of a protein is developed, and therefore, it can be utilized as a biosensor, a memory device, an artificial adaptive circuit, a system for regulating the intracellular localization of a protein, and a system for controlling the function and localization at the post-translational level of a protein.
- Figure 1a shows the transcriptional mechanism of bacterial retrons, which consists of msr-msd and reverse transcriptase (RT) genes.
- msr-msd is transcribed into a noncoding template RNA with a characteristic structure, and the long hairpin domain of the template RNA encoded by msd is converted into retron-DNA by RT and RNase H.
- the final product is a DNA/RNA/protein complex, in which the noncoding RNA is covalently linked to retron-DNA via a 2',5'-phosphodiester linkage, and RT remains bound to retron-DNA after reverse transcription is completed.
- Figure 1b shows pretroDNA with reprogrammed msd region.
- the number of copies of pretroDNA in a cell can be controlled by controlling expression using pretroDNA encoding specific protein binding sequences in a fully double-stranded hairpin domain and a stimuli-inducible promoter.
- Figure 1c shows an automatic feedback circuit using pretroDNA encoding a transcription factor binding “operator” sequence.
- Figure 1d shows the mechanism of regulating the intracellular localization and function of proteins using allosteric transcription factors and pretroDNA.
- Figure 2a shows the pRetro plasmid encoding the IPTG-inducible retron-DNA production genetic circuit.
- the red box indicates the hairpin region to be reprogrammed.
- Figure 2b shows the results of quantitative PCR analysis showing that the number of copies of retron-DNA is increased by IPTG in E. coli harboring pRetro.
- Figure 2c shows the results of capillary electrophoresis analysis of retron-DNA mutants produced in E. coli to analyze the programmability of the hairpin region. Peak areas indicate relative intracellular productivity compared to WT retron-DNA. 0.5 mM IPTG was used (nd, not detected).
- Figure 2d shows pretroDNA_tetO and pretroDNA_luxO, which encode TetR and LuxR binding sequences, respectively, in the hairpin region.
- Figure 2e shows the results of capillary electrophoresis analysis of pretroDNA produced in E. coli using 0.5 mM IPTG.
- Figure 2f shows dynamic fine-tuning of the aTc-responsive TetR/P LtetO-1 genetic circuit by pretroDNA_tetO-mediated TetR decoding.
- Figure 2g shows the results of confirming GFP expression using the circuit of Figure 2f.
- Figure 2h shows dynamic fine-tuning of the 3OC6HSL-responsive LuxR/P35LB10 genetic circuit by pretroDNA_luxO-mediated LuxR decoying.
- ASV is a degradation tag to rapidly synchronize the tuned transcriptional activity of P 35LB10 with measured GFP levels.
- Figure 2i shows the results of confirming GFP expression using the circuit of Figure 2h.
- Figure 2j shows the co-expression mechanism of pretroDNA_tetO and pretroDNA_luxO.
- Figure 2k shows that co-expression of pretroDNA_tetO and pretroDNA_luxO demonstrates parallel TF-decoding functions without crosstalk.
- Figure 3a shows the integration of pretroDNA_tetO-based positive feedback and TetR/P LtetO-1- based aTc biosensor circuits.
- Figure 3b shows that the A1/A2 region of the template RNA was expanded to increase pretroDNA production and enhance feedback.
- Figure 3c shows that positive feedback maintains activation of P LtetO-1 after aTc removal, thereby converting transient exposure to aTc into long-term GFP expression.
- Figure 3d shows the pretroDNA_luxO based negative feedback and its integration with the LuxR/P 35LB10 circuit.
- FIG. 3e shows the results showing that negative feedback imparts signal recovery response dynamics to the LuxR/P 35LB10 circuit.
- FIG. 3f shows the results showing that negative feedback imparts signal recovery response dynamics to the LuxR/P 35LB10 circuit.
- Figure 4a shows the results of evaluating PretroDNA_tetO generated by mCherry fusion RT in E. coli.
- Figure 4b shows the binding of Tar-TetR-GFP localized to the membrane pole and mCherry-RT with the pretroDNA_tetO tag.
- Figure 4c shows the results confirming co-localization of mCherry-RT with the PretroDNA_tetO tag and Tsr-TetR-GFP at the inner membrane pole.
- Figure 4d shows the results confirming co-localization of mCherry-RT with the PretroDNA_tetO tag and Tsr-TetR-GFP at the inner membrane pole.
- Figure 4e shows the co-localization of mCherry-RT with the PretroDNA_tetO tag and PopZ-TetR-GFP, which forms condensates at the poles.
- Figure 5a is a schematic diagram to confirm that the subcellular localization of mCherry-RT with pretroDNA_tetO tag is reversed by aTc from the inner membrane pole with Tar-TetR-GFP to a uniform distribution throughout the cell.
- Figure 5b shows the results of fluorescence microscopy observation according to the concentration of aTc.
- Figure 5c shows the results of analyzing the Im/Ic ratio according to the concentration of aTc.
- Figure 5d shows the results of time-dependent fluorescence microscopy observations upon exposure to aTc.
- Figure 5e shows the results of analyzing the Im/Ic ratio over time when exposed to aTc.
- Figure 5f shows that Cre monomers form a catalytically active tetrahedral complex to perform cleavage, reconstituting the reporter plasmid to constitutively express RFP.
- Figure 5g shows the activity regulation mechanism of petroDNA_tetO-tagged Cre.
- PretroDNA_tetO-tagged Cre which is locally concentrated in PopZ-TetR-GFP condensates, can promote cleavage, which can be counteracted by aTc. Cleavage activity can be confirmed by measuring RFP expression in subcultured cells.
- Figure 5h shows RFP levels of subcultured cells measured by a plate reader.
- P lux was activated by 100 nM 3OC 6 HSL and Ptac was activated by 0.025 mM IPTG.
- Figure 5i shows the results of flow cytometry analysis of subcultured cells to determine whether cells were exposed to aTc.
- P lux was activated by 100 nM 3OC 6 HSL
- P tac was activated by 0.025 mM IPTG.
- NC represents the negative control without IPTG
- PC represents the positive control with 0.25 mM IPTG.
- Figure 5j shows a representative image of Figure 5i.
- Figure 6a is a schematic diagram showing the reassembly of ZF fused split YFPs (PBSII-nYFP and Zif268-cYFP) onto the petroDNA_ZF scaffold containing BSII and Zif268 binding sequences.
- PBSII-nYFP and Zif268-cYFP are expressed by the arabinose-inducible P BAD promoter.
- Figure 6b shows the results of fluorescence analysis of cells expressing each retron-DNA scaffold or control as described below.
- PBSII-nYFP and Zif268-cYFP expression were induced by 0.01% arabinose, and retron-DNA including pretroDNA_ZF expression was induced by 0.5 mM IPTG (**P ⁇ 0.01, ***P ⁇ 0.001, ****P ⁇ 0.0001).
- the present invention provides an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising a DNA binding protein specific binding site; and a region encoding a reverse transcriptase.
- retron is a unique genetic element found in the bacterial genome, and retron DNA controls the transcription of a simple operon consisting of three loci: msr, msd, and ret .
- Retron encodes reverse transcriptase (RT) and ncRNA (non-coding RNA), and when retron ncRNA (msr-msd) is transcribed, it folds into a typical structure recognized by reverse transcriptase. Then, reverse transcriptase reversely transcribes a portion of ncRNA (msd) starting from the 2′ end of a conserved guanosine residue found immediately after the double-stranded RNA structure in ncRNA.
- RT reverse transcriptase
- ncRNA non-coding RNA
- RNA-DNA hybrid multicopy single-stranded DNA, msDNA
- the msr gene, msd gene and ret gene used in the engineered retron can be derived from bacterial operons, preferably Escherichia coli retron (e.g., Ec48, E67, Ec73, Ec78, EC83, EC86, EC107, and Ec107), myxobacterial retron such as Myxococcus xanthus retron (e.g., Mx65, Mx162) and Stigmatella aurantiaca retron (e.g., Sa163); Salmonella enterica; Vibrio cholerae retron (e.g., Vc81, Vc95, Vc137); Vibrio parahaemolyticus (e.g., Vc96); and Nannocystis exedens letrone (e.g., Ne144).
- Escherichia coli retron e.g., Ec48, E67, Ec73, Ec78, EC83, EC86, EC107, and Ec107
- DNA binding protein is a protein having a DNA binding domain and a specific or non-specific affinity for single- or double-stranded DNA.
- DNA binding proteins are composed of many kinds of proteins that can physically interact with DNA. These proteins perform various functions, such as chromosomal DNA organization/compaction (e.g., histones), initiation and regulation of transcription, DNA replication, and/or DNA recombination (e.g., transcription factors, polymerases), and DNA modification (e.g., endonucleases, demethylases). Some DNA binding proteins exhibit DNA sequence-specific interactions, while others have no or minimal sequence recognition functions.
- DNA binding proteins contain a DNA binding domain necessary for physical interaction between the protein and DNA, while enzymatic or regulatory functions are generally performed through separate domains within the protein.
- DNA binding proteins include domains such as zinc fingers, helix-turn-helix, and leucine zippers to further strengthen binding to nucleic acids.
- DNA binding proteins may include transcription factors that regulate the transcription process, various polymerases, nucleases that cleave DNA molecules, and histone proteins involved in chromosome condensation and transcription in the cell nucleus, and preferably, the DNA binding protein may be a transcription factor, but is not limited thereto.
- a "transcription factor” is a DNA binding protein that regulates transcription by binding to a specific DNA sequence near or within the coding region of a gene.
- a transcription factor that promotes the initiation of transcription is called an activator, and a protein that prevents a transcription factor from binding to the transcription initiation site is called a repressor.
- the "allosteric transcription factor” regulates transcription by undergoing a conformational change that changes its affinity for an operator DNA sequence in response to specific allosteric stimuli such as biomarkers, heavy metals, antibiotics, light, and heat.
- the conformational change of the transcription factor causes it to detach from or bind to a DNA sequence upstream of a target gene to activate or repress its expression.
- the transcription factor can be assembled with other DNA segments commonly used in synthetic biology, such as promoters, ribosome binding sites (RBSs), terminators, and reporter genes, to create a transcription factor-based biosensor circuit.
- RBSs ribosome binding sites
- allosteric transcription factor may be, but is not limited to, TetR, LuxR, LacI, NahR, DmpR, XylR, AraC, PobR, TlpA, cI, EL222, ArsR or QacR.
- the msr region which is not reverse transcribed, forms 1 to 3 short stem loops or various sizes ranging from 3 to 10 bp, while the msd region folds into single/double long hairpins and exists in a wide variety of long stem forms ranging from 10 to 50 bp in length, which are also included in the final msDNA form.
- the stem region of the msd region can be completely hybridized. "Hybridization” refers to the formation of a complex between nucleotide sequences that are sufficiently complementary to form a complex through Watson-Crick base pairing.
- the length of the stem region may be 10-50 bp, and preferably 21 bp or more, but is not limited thereto.
- the engineered retron can be operably linked to a promoter and can be implemented as a self-feedback circuit.
- the allosteric transcription factor TetR binds to tetO of P LtetO-1 in the absence of anhydrotetracycline (aTc), which is an allosteric inducer, to repress a downstream gene.
- the allosteric transcription factor LuxR is normally dissociated from LuxO in P 35LB10 , and 3OC 6 HSL (P35LB1039, 3-oxohexanoyl-homoserine lactone) causes LuxR to bind to LuxO to repress a downstream gene.
- the present invention provides an expression vector comprising the engineered retron.
- the "vector” is a composition of matter that can be used to deliver a nucleic acid of interest into the interior of a cell.
- the retron msr gene, the msd gene, and the ret gene can be introduced into a cell with a single vector or introduced in multiple separate vectors to produce msDNA in a host subject.
- the vector typically includes control elements operably linked to the retron sequences, which enable in vivo production of msDNA in a subject species.
- the retron msr gene, the msd gene, and the ret gene can be operably linked to a promoter to allow expression of retron reverse transcriptase and the msDNA product.
- the expression vector is a viral vector or a non-viral vector (e.g., a plasmid).
- the present invention provides a host cell transformed with the expression vector.
- an isolated host cell comprising an engineered retron or vector system as described herein.
- the host cell is a prokaryotic, archaeon, or eukaryotic host cell.
- the host cell can be a bacterial, protist, fungal, animal, or plant host cell.
- the host cell is a mammalian host cell.
- the host cell can be a human or non-human mammalian host cell.
- the host cell is an artificial cell or a genetically modified cell.
- Methods for introducing nucleic acids into host cells are well known in the art.
- Commonly used methods include chemically induced transfection, typically using divalent cations (e.g., CaCl 2 ), dextran-mediated transfection, polybrene-mediated transfection, lipofectamine and LT-1-mediated transfection, electroporation, protoplast fusion, encapsulation of nucleic acids in liposomes, and direct microinjection of nucleic acids containing engineered retrons into the nucleus of cells.
- the present invention also provides a gene expression system comprising a nucleic acid construct comprising an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising a DNA binding protein specific binding site; and a region encoding a reverse transcriptase; and a base sequence encoding a DNA binding protein.
- the region encoding the reverse transcriptase may be linked to a base sequence encoding a cargo protein.
- the cargo protein may be linked to the N-terminus or the C-terminus of the reverse transcriptase.
- the cargo protein and the reverse transcriptase may be linked via a linker, and the linker may be, but is not limited to, GGGGS, (GGGGS) 2 , (GGGGS) 3 , EAAAK, (EAAAK) 2 , or (EAAAK) 3 .
- the cargo protein is a functional regulatory substance that has biological activity that regulates all physiological phenomena in a living body by being delivered into cells, and refers to a chemical substance such as a compound that can regulate the function of a cell.
- the base sequence encoding the DNA binding protein can be linked to a base sequence encoding a protein having a designated intracellular location.
- the protein having a designated intracellular location can be any one selected from the group consisting of Tar, Tsr, TatA, mreB, ftsZ, and PopZ, but is not limited thereto.
- the present invention provides an expression vector comprising the gene expression system.
- the engineered retron and nucleic acid constructs can be introduced into cells with a single vector or introduced into multiple separate vectors.
- the present invention provides a host cell transformed with the expression vector.
- the present invention also provides a gene expression system comprising a nucleic acid construct comprising an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising a DNA binding protein specific binding site; and a region encoding a fusion protein comprising a cargo protein and a reverse transcriptase; and a base sequence encoding a fusion protein comprising a DNA binding protein and a protein that is localized within a cell.
- the present invention provides an expression vector comprising the gene expression system.
- the present invention provides a host cell transformed with the expression vector.
- the present invention also provides a composition for modulating the intracellular localization or activity of a cargo protein.
- the composition can include a gene expression system comprising a nucleic acid construct comprising an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising a DNA binding protein specific binding site; and a region encoding a fusion protein comprising a cargo protein and a reverse transcriptase; and a base sequence encoding a fusion protein comprising a DNA binding protein and a protein having a designated intracellular localization.
- the present invention also provides a method for regulating the intracellular localization or activity of a cargo protein.
- the method can include the step of expressing a gene expression system comprising a nucleic acid construct comprising an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising a DNA binding protein specific binding site; and a region encoding a fusion protein comprising a cargo protein and a reverse transcriptase; and a base sequence encoding a fusion protein comprising a DNA binding protein and a protein having a designated intracellular localization.
- the present invention also provides a gene expression system comprising an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising first and second DNA binding protein specific binding sites; and a region encoding a reverse transcriptase; a nucleic acid construct comprising a base sequence encoding a fusion protein comprising a first DNA binding protein and the first protein; and a nucleic acid construct comprising a base sequence encoding a fusion protein comprising a second DNA binding protein and the second protein; and a method for co-localization between proteins comprising a step of expressing the same.
- Cells were cultured in LB (Formedium) at 37°C with appropriate antibiotics and inducers. All antibiotics were purchased from GoldBio and used at concentrations of ampicillin 100 ⁇ g/ml, kanamycin 50 ⁇ g/ml, chloramphenicol 25 ⁇ g/ml, and spectinomycin 100 ⁇ g/ml.
- a single colony from an LB plate was inoculated into 3 ml of LB and shaken overnight at 240 rpm.
- the culture was then diluted 1:100 into 6 ml of LB and cultured for 2 h. After 0.5 mM IPTG was added, the culture was further cultured for 5 h. The culture was then centrifuged to pellet, stored at -20°C, and used for retron-DNA extraction.
- the overnight seed culture was diluted 1:100, aTc was added, and cultured in 200 ⁇ l of LB medium for 3 h. Then, the fluorescence and cell density of the culture were measured.
- the overnight seed culture was diluted 1:100 in 200 ⁇ l of LB medium, 100 ng/mL aTc was added, and cultured for 3.5 h. After that, the cells were pelleted and washed with fresh LB medium. The cells were then diluted 1:100 again in fresh LB medium and cultured for 5–6 h. Then, they were diluted 1:100 again, and this process was repeated four times. The GFP level and OD were measured immediately before each dilution.
- Plasmids were constructed using standard molecular cloning techniques and Gibson assembly. The gene sequences used in the present invention are shown in Table 3. All primers (Table 4) were purchased from Bionics (Korea).
- the Eco1 retron sequence of pFF753, the Ptac sequence (BBa_K864400), PJ23106 (BBa_J23106), and the terminator sequence of pXW117Ptet2-gfp (Addgene #160818) were cloned into pCDFDuet-1 to generate pRetro.
- the dRT sequence of pFF758 was cloned into pRetro to generate pRetro_dRT.
- pFF753 (Addgene #61453) and pFF758 (Addgene #61454) were generously provided by T. Lu at MIT.
- msd variant sequences were cloned into pRetro to generate mutants of pRetro, including pPretro_tetO and pPretro_luxO.
- pRetro_str_1, pRetro_str_2, and pRetro_str_3 were generated by site-directed mutagenesis in pRetro.
- the P LtetO-1 sequence of pXW117Ptet2-gfp, the pretroDNA_tetO gene sequence of pPretroDNA_tetO, and the RT sequence of pFF753 were cloned into pCDFDuet-1 to generate pTet_pretroDNA_tetO.
- the dRT sequence of pFF758 was cloned into pTet_pretroDNA_tetO to generate pTet_pretroDNA_tetO_dRT.
- the pretroDNA_tetO sequence PCR amplified with the extended a1/a2 region was cloned into pTet_pretroDNA_tetO and Tet_pretroDNA_tetO_dRT, generating pTet_pretroDNA_tetO_a23 and pTet_pretroDNA_tetO_a23_dRT, respectively.
- the P J23115 sequence (BBa_J23115) was cloned into pRetro, pPretro_tetO, and pPretro_luxO, generating pRetro_115, pPretro_tetO_115, and pPretro_luxO_115, respectively.
- pretroDNA_tetO was PCR amplified with the substituted a1/a2 region and cloned into pPretro_luxO_115, generating pPretro_tetO_luxO_J
- the tar sequence was PCR amplified from E. coli MG1655, and the tetR and gfp sequences from pXW117Ptet2-gfp and the luxR and P lux sequences from pXW101Plux2-gfp were cloned into pCDFDuet-1, generating pTar-TetR-GFP.
- NSSCP NSSCP was provided by H. Huang, National Taiwan University.
- the retron cassette sequence of pRetro_115 and the mCherry sequence were cloned into the pACYCDuet-1 plasmid to generate pRetro_mCherry-RT and pRetro_RT-mCherry.
- retroDNA was separated by agarose electrophoresis and gel extraction, and then amplified using a PCR extender and Seq_1/2/3 primers (Table 3). Specifically, the extracted retroDNA and Seq_1 were annealed to each other, extended by a polymerase reaction, and then amplified by PCR using Seq_2/3 primers. The generated PCR products were analyzed by Sanger sequencing.
- the relative copy number of retron-DNA to the intracellular encoding plasmid was measured by qPCR analysis using two sets of primers.
- the region outside the msd site that was present only in the plasmid was analyzed using primer set 1 (qPCR_plasmid_F/R), and the region within the msd site that was present in both retron-DNA and the plasmid was analyzed using primer set 2 (qPCR_rtDNA_F/R) (Table 4).
- the difference in cycle threshold (Ct) between primer sets 1 and 2 was used as the ⁇ Ct value.
- qPCR of a mixture of synoligo_rtDNA and purified pFF758 plasmid at a range of copy number ratios was performed to generate a standard curve of ⁇ Ct values against copy number ratios.
- 5 ⁇ l of cell culture was collected, mixed with 5 ⁇ l of dilution water, and incubated at 95 °C for 5 min.
- the heated culture was diluted 1:100 with water, and 1 ⁇ l of it was used in a 20 ⁇ l reaction with 2X qPCR premix (highQu ORA qPCR Green ROX L Mix) and 0.4 ⁇ M of each primer.
- qPCR was performed using a CFX Opus RealTime PCR system (Bio-rad). The copy number ratio was calculated using a standard curve from the measured ⁇ Ct values.
- GFP, mCherry, and cell density were measured using a plate reader (Agilent BioTek Synergy H1).
- the excitation and emission wavelengths for GFP are 479/520 nm, and for mCherry, 587/620 nm.
- the absorbance at 600 nm was measured as optical density to determine the cell density.
- Each measurement was performed with an equal volume of blank LB medium control for normalization.
- Fig. 3b a well of empty vector without aTc was used as a blank to distinguish subtle differences.
- fluorescence and optical density levels were measured every 10 min while shaking at 800 rpm and incubating at 37°C in a plate reader.
- Agarose pads were prepared using TE buffer containing 1% agarose and placed on slide glasses. To observe live cells, 1 ⁇ l of cell culture was pipetted onto the agarose pad and covered with a cover glass.
- GFP signals were detected using Zeiss filter set 38 (470/40 nm excitation filter, 495 nm beam splitter, 525/50 nm emission filter), and mCherry signals were detected using Zeiss filter set 20 (546/12 nm excitation filter, 560 nm beam splitter, 575-640 emission filter).
- Digital images were captured using an AxioCam HRm camera.
- Fig. 5 For dynamic control of protein subcellular localization (Fig. 5), cultured cells were pelleted and washed twice with M9 minimal medium (Difco M9 Minimal salts, 5x). The cells were then incubated with aTc and observed using a microscope.
- M9 minimal medium Difco M9 Minimal salts, 5x
- the ratio of retron to plasmid DNA in E. coli treated with IPTG reached 538 ( ⁇ 31.8 SD) (Fig. 2b), which was 84-fold higher than that in the case not treated with IPTG (6.4 ⁇ 1.7 SD), indicating that the copy number of retron-DNA can be dynamically controlled.
- the copy number of plasmids with CloDF13 replication origin is known to be 20–40 per cell
- the number of retron-DNA copies per cell amounts to 10,760–21,520.
- TetR binds to tetO of P LtetO-1 in the absence of the allosteric inducer anhydrotetracycline (aTc) and represses downstream genes.
- aTc allosteric inducer anhydrotetracycline
- LuxR is normally dissociated from LuxO in P 35LB10 , and 3OC 6 HSL (P35LB1039, 3-oxohexanoyl-homoserine lactone) causes LuxR to bind to LuxO and repress downstream genes.
- pretroDNA_tetO and pretroDNA_luxO which encode tetO (19 bp) or luxO (20 bp) sequences that bind to TetR and LuxR, respectively, in the hairpin region, were produced.
- Sanger sequencing analysis of the pretroDNA produced in E. coli confirmed that the designed sequence (top) and the analyzed sequence (bottom) were identical (Fig. 2d).
- pretroDNA_tetO for TetR
- P LtetO-1 We implemented the TetR/P LtetO-1 circuit, in which GFP is repressed by TetR under operation (Fig. 2f).
- pretroDNA_tetO can be used to dynamically control the copy number of a target gene.
- dRT and empty vector controls showed a rapid decrease in GFP to basal levels 5 h after aTc removal (Fig. 3c), but the positive feedback circuit (a12) showed a much slower decay, maintaining 82% and 29% at 5 and 22 h, respectively.
- Another circuit with stronger feedback (a23) showed an extended memory with no significant decrease in GFP up to 18 h.
- the ratio of the maximum intensity (I m ) to the center intensity (I c ) was calculated from the line-scan plot profiles of each cell (Fig. 5a).
- the I m /I c ratio is higher than 1 at the poles and equal to 1 for a uniform distribution. This ratio gradually decreased from 3.9 ( ⁇ 2.5, SD) when no aTc was used to 1.1 ( ⁇ 0.43, SD) when 10 ng/ml aTc was used (Fig. 5c).
- Cre monomers sequentially bind to loxP sequences and then assemble into a catalytically active tetrahedral complex, where locally concentrated Cre promotes tetrahedralization and enhances recombination function.
- PopZ condensates have been repurposed as molecular scaffolds to locally concentrate the separase enzyme and enhance its catalytic activity in E. coli .
- Cre tagged with pretroDNA_tetO showed higher RFP levels than the control without pretroDNA_tetO (Fig. 5h). Although the increase was offset by the addition of aTc, the RFP level was still slightly higher than the control without pretroDNA_tetO, possibly because post-reverse transcription reverse transcriptase dimerization partially promotes tetramerization.
- aTc can function as a recording device that converts immediate exposure to aTc for as short a time as 1 min into a genetic memory of readable fluorescence output changes in resource-poor environments.
- PBSII and Zif268 were fused to the N-terminal and C-terminal parts of split YFP, respectively.
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Zoology (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Plant Pathology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Gastroenterology & Hepatology (AREA)
- Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
- Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
Abstract
Description
본 발명은 DNA 결합 단백질 특이적 결합 부위를 포함하는 조작된 레트론 및 이의 용도에 대한 것이다.The present invention relates to engineered retrones comprising a DNA binding protein specific binding site and uses thereof.
DNA, RNA, 단백질 간의 프로그래밍 가능한 생체 분자 상호작용은 합성 생물학적 시스템의 주요 구성 요소이다. 특히 DNA-단백질, RNA-단백질, RNA-RNA, 단백질-단백질 간의 상호작용은 유전자 조절 및 편집 바이오센서, 자가조립 나노구조 복합 논리 계산, 대사 공학 등 무수한 응용 분야에서 유전적으로 인코딩 가능한 합성 생물학적 장치를 만드는 데 광범위하게 설계되고 사용되어 왔다. 이러한 분자 간 상호작용은 주로 유전자 발현 조절이나 RNA 또는 단백질 성분의 분자 구조 변화를 통해 참여 분자의 복제본 수 또는 상태를 조절하여 동적으로 제어할 수 있다.Programmable biomolecular interactions among DNA, RNA, and proteins are key building blocks of synthetic biological systems. In particular, DNA-protein, RNA-protein, RNA-RNA, and protein-protein interactions have been extensively designed and used to create genetically encodeable synthetic biological devices in a myriad of applications, including gene regulation and editing biosensors, self-assembling nanostructures, complex logic computation, and metabolic engineering. These molecular interactions can be dynamically controlled, primarily by modulating gene expression or by changing the molecular structure of the RNA or protein components, thereby controlling the number or state of copies of the participating molecules.
그러나 살아있는 세포의 DNA에 대한 유사한 접근 방식은 비교적 단순한 박테리아에서도 어렵다. 작은 하위 단위가 물리적으로 분리되어 있는 프로테옴 (proteome)과 전사체 (transcriptome)와는 달리, 게놈의 하위 단위는 염색체나 플라스미드와 같은 큰 DNA 분자 내에 공유 결합되어 있다. 이는 짧은 (~20bp) 단백질 결합 서열과 같은 DNA의 특정 기능 부분을 독립적으로 제어하는 데 제한을 준다. DNA-단백질 상호작용은 신뢰할 수 있는 모듈성 (modularity), 조정 가능성, 직교성 (orthogonality), 신호 반응성으로 합성 생물학이 시작된 이래로 중요한 역할을 해왔지만, 생체 내에서의 사용은 여전히 게놈의 분자적 사건으로 제한되어 있다. 반면, 이러한 제한이 없는 시험관 내 조건에서는 DNA-단백질 상호작용의 포괄적인 특성 분석, 실시간 바이오센서, DNA-단백질 하이브리드 나노구조 등 더 폭넓은 응용이 가능해졌다. J. 엘바즈 등 (Nat Commun 7, 11179, 2016)의 선구적인 연구는 진핵생물 레트로바이러스 역전사 시스템을 설계하여 프로그래밍 가능한 서열로 DNA 올리고뉴클레오티드를 세포 내에서 생산함으로써 세포 DNA의 제약을 해제하는 것을 입증하였다. 그러나 이 시스템은 상대적으로 무거운 유전적 구성 요소를 필요로 하고 낮은 안정성과 기능성을 해결하기 위해 복잡한 DNA 나노구조를 구축해야 한다. However, a similar approach to DNA in living cells is difficult even in relatively simple bacteria. Unlike the proteome and transcriptome, where small subunits are physically separated, the subunits of the genome are covalently linked within larger DNA molecules such as chromosomes or plasmids. This limits the independent control of specific functional parts of the DNA, such as short (~20 bp) protein-binding sequences. Although DNA-protein interactions have played a central role since the beginning of synthetic biology due to their reliable modularity, tunability, orthogonality, and signaling responsiveness, their use in vivo remains limited to molecular events in the genome. In contrast, in vitro conditions, which do not require such limitations, have enabled a wider range of applications, including comprehensive characterization of DNA-protein interactions, real-time biosensors, and DNA-protein hybrid nanostructures. The pioneering work of J. Elbaz et al. (Nat Commun 7, 11179, 2016) demonstrated that the eukaryotic retroviral reverse transcription system can be designed to release the constraints of cellular DNA by producing DNA oligonucleotides with programmable sequences intracellularly. However, this system requires relatively heavy genetic components and requires the construction of complex DNA nanostructures to address low stability and functionality.
비코딩 템플릿 RNA (non-coding template RNA)와 역전사효소 (reverse transcriptase, RT) 쌍으로 구성된 광범위한 원핵생물 단순 역전사 시스템인 레트론 (도 1a)은 최근 유전자 크기가 작고 메커니즘이 간단하며 프로그래밍이 가능하고 세포당 최대 50,000개의 단일 가닥 DNA를 생산할 수 있어 주목받고 있다. 이러한 엔지니어링 가능한 특성으로 인해 레트론은 상동 재조합 및 CRISPR-Cas 적응을 위한 템플릿 DNA의 생성에 재사용되어 박테리아, 효모, 심지어 인간 세포에서 동적 게놈 엔지니어링을 발전시키고 있다. 레트론 유래 DNA (retron- DNA)는 지금까지 발견된 대부분의 레트론에서 흔히 볼 수 있는 이중 가닥 헤어핀 구조라는 잘 알려지지 않은 특징을 가지고 있다. 이 도메인에는 진화적으로 보존된 서열이 없기 때문에 레트론-DNA가 서열 특이적 단백질 결합을 매개하도록 재프로그래밍될 수 있음을 시사한다. Retrons (Fig. 1a), a widespread prokaryotic simple reverse transcription system consisting of a non-coding template RNA and a reverse transcriptase (RT) pair, have recently attracted attention due to their small genome size, simple mechanism, programmability, and ability to produce up to 50,000 single-stranded DNA units per cell. Because of these engineerable properties, retrons have been reused to generate template DNA for homologous recombination and CRISPR-Cas adaptation, advancing dynamic genome engineering in bacteria, yeast, and even human cells. Retron-derived DNA (retron-DNA) has a little-known feature, a double-stranded hairpin structure, which is common to most retrons discovered so far. The lack of evolutionarily conserved sequences in this domain suggests that retron-DNA could be reprogrammed to mediate sequence-specific protein binding.
이에 본 발명자들은 레트론-DNA 특이적 단백질 결합의 이중 가닥 도메인을 재프로그래밍하여 pretroDNA (Protein-binding small DNA in situ generated by engineered RETROn)을 개발하여 (도 1b), 살아있는 세포에서 DNA와 단백질의 상호작용 네트워크를 제어, 설계 및 활용하는 새로운 방법을 설계함으로써 본 발명의 완성하였다 (도 1c 및 도 1d). Accordingly, the inventors of the present invention completed the present invention by developing pretroDNA ( P protein-binding small DNA in situ generated by engineered RETRO n) by reprogramming the double-stranded domain of retron-DNA specific protein binding (Fig. 1b), thereby designing a new method to control, design, and utilize the interaction network of DNA and proteins in living cells (Figs. 1c and 1d).
본 발명은 목적은 msr 영역; DNA 결합 단백질 (DNA-binding protein) 특이적 결합 부위를 포함하는 msd 영역; 및 역전사효소를 코딩하는 영역을 포함하는 조작된 레트론, 상기 조작된 레트론을 포함하는 발현 벡터, 상기 발현 벡터로 형질전환된 숙주세포를 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to provide an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising a DNA-binding protein specific binding site; and a region encoding reverse transcriptase, an expression vector comprising the engineered retron, and a host cell transformed with the expression vector.
본 발명의 다른 목적은 msr 영역; DNA 결합 단백질 특이적 결합 부위를 포함하는 msd 영역; 및 역전사효소를 코딩하는 영역을 포함하는, 조작된 레트론; 및 DNA 결합 단백질을 암호화하는 염기 서열을 포함하는 핵산 컨스트럭트를 포함하는 유전자 발현 시스템, 상기 유전자 발현 시스템을 포함하는 발현 벡터, 상기 발현 벡터로 형질전환된 숙주세포를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a gene expression system comprising a nucleic acid construct comprising an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising a DNA-binding protein-specific binding site; and a region encoding a reverse transcriptase; and a base sequence encoding a DNA-binding protein, an expression vector comprising the gene expression system, and a host cell transformed with the expression vector.
본 발명의 또 다른 목적은 msr 영역; DNA 결합 단백질 특이적 결합 부위를 포함하는 msd 영역; 및 카고 (cargo) 단백질 및 역전사효소를 포함하는 융합 단백질을 암호화하는 영역을 포함하는 조작된 레트론; 및 DNA 결합 단백질 및 세포 내 위치가 지정된 단백질을 포함하는 융합단백질을 암호화하는 염기 서열을 포함하는 핵산 컨스트럭트를 포함하는 유전자 발현 시스템, 상기 유전자 발현 시스템을 포함하는 발현 벡터, 상기 발현 벡터로 형질전환된 숙주세포를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a gene expression system comprising a nucleic acid construct comprising an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising a DNA-binding protein-specific binding site; and a region encoding a fusion protein comprising a cargo protein and a reverse transcriptase; and a base sequence encoding a fusion protein comprising a DNA-binding protein and a protein that is localized within a cell, an expression vector comprising the gene expression system, and a host cell transformed with the expression vector.
본 발명의 또 다른 목적은 msr 영역; DNA 결합 단백질 특이적 결합 부위를 포함하는 msd 영역; 및 카고 (cargo) 단백질 및 역전사효소를 포함하는 융합 단백질을 암호화하는 영역을 포함하는 조작된 레트론; 및 DNA 결합 단백질 및 세포 내 위치가 지정된 단백질을 포함하는 융합단백질을 암호화하는 염기 서열을 포함하는 핵산 컨스트럭트를 포함하는 유전자 발현 시스템을 포함하는 카고 (cargo) 단백질의 세포 내 위치 또는 활성 조절용 조성물 및 상기 유전자 발현 시스템을 발현시키는 단계를 포함하는 카고 (cargo) 단백질의 세포 내 위치 또는 활성 조절 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a composition for regulating the intracellular localization or activity of a cargo protein, comprising a gene expression system comprising a nucleic acid construct comprising a base sequence encoding a fusion protein comprising a DNA binding protein and a protein having a designated intracellular localization; and a method for regulating the intracellular localization or activity of a cargo protein, comprising a step of expressing the gene expression system.
본 발명의 또 다른 목적은 msr 영역; 제1 및 제2 DNA 결합 단백질 특이적 결합 부위를 포함하는 msd 영역; 및 역전사효소를 코딩하는 영역을 포함하는, 조작된 레트론; 제1 DNA 결합 단백질과 제1 단백질을 포함하는 융합단백질을 암호화하는 염기 서열을 포함하는 핵산 컨스트럭트; 및 제2 DNA 결합 단백질과 제2 단백질을 포함하는 융합단백질을 암호화하는 염기 서열을 포함하는 핵산 컨스트럭트;를 포함하는 유전자 발현 시스템 및 이를 발현시키는 단계를 포함하는 단백질 간의 공동 위치화 (co-localization) 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a gene expression system comprising an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising first and second DNA binding protein specific binding sites; and a region encoding a reverse transcriptase; a nucleic acid construct comprising a base sequence encoding a fusion protein comprising a first DNA binding protein and the first protein; and a nucleic acid construct comprising a base sequence encoding a fusion protein comprising a second DNA binding protein and the second protein; and a method for co-localization between proteins comprising a step of expressing the same.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 msr 영역; DNA 결합 단백질 특이적 결합 부위를 포함하는 msd 영역; 및 역전사효소를 코딩하는 영역을 포함하는 조작된 레트론, 상기 조작된 레트론을 포함하는 발현 벡터, 상기 발현 벡터로 형질전환된 숙주세포를 제공한다.To achieve the above object, the present invention provides an engineered retron comprising an msr region; an msd region including a DNA binding protein specific binding site; and a region encoding a reverse transcriptase, an expression vector comprising the engineered retron, and a host cell transformed with the expression vector.
또한, 본 발명은 msr 영역; DNA 결합 단백질 특이적 결합 부위를 포함하는 msd 영역; 및 역전사효소를 코딩하는 영역을 포함하는, 조작된 레트론; 및 DNA 결합 단백질을 암호화하는 염기 서열을 포함하는 핵산 컨스트럭트를 포함하는 유전자 발현 시스템, 상기 유전자 발현 시스템을 포함하는 발현 벡터, 상기 발현 벡터로 형질전환된 숙주세포를 제공한다.In addition, the present invention provides a gene expression system comprising a nucleic acid construct comprising an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising a DNA-binding protein-specific binding site; and a region encoding a reverse transcriptase; and a base sequence encoding a DNA-binding protein, an expression vector comprising the gene expression system, and a host cell transformed with the expression vector.
또한, 본 발명은 msr 영역; DNA 결합 단백질 특이적 결합 부위를 포함하는 msd 영역; 및 카고 (cargo) 단백질 및 역전사효소를 포함하는 융합 단백질을 암호화하는 영역을 포함하는 조작된 레트론; 및 DNA 결합 단백질 및 세포 내 위치가 지정된 단백질을 포함하는 융합단백질을 암호화하는 염기 서열을 포함하는 핵산 컨스트럭트를 포함하는 유전자 발현 시스템, 상기 유전자 발현 시스템을 포함하는 발현 벡터, 상기 발현 벡터로 형질전환된 숙주세포를 제공한다.In addition, the present invention provides a gene expression system comprising a nucleic acid construct comprising an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising a DNA-binding protein-specific binding site; and a region encoding a fusion protein comprising a cargo protein and a reverse transcriptase; and a base sequence encoding a fusion protein comprising a DNA-binding protein and a protein that is localized within a cell, an expression vector comprising the gene expression system, and a host cell transformed with the expression vector.
또한, 본 발명은 msr 영역; DNA 결합 단백질 특이적 결합 부위를 포함하는 msd 영역; 및 카고 (cargo) 단백질 및 역전사효소를 포함하는 융합 단백질을 암호화하는 영역을 포함하는 조작된 레트론; 및 DNA 결합 단백질 및 세포 내 위치가 지정된 단백질을 포함하는 융합단백질을 암호화하는 염기 서열을 포함하는 핵산 컨스트럭트를 포함하는 유전자 발현 시스템을 포함하는 카고 (cargo) 단백질의 세포 내 위치 또는 활성 조절용 조성물 및 상기 유전자 발현 시스템을 발현시키는 단계를 포함하는 카고 (cargo) 단백질의 세포 내 위치 또는 활성 조절 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a composition for regulating the intracellular localization or activity of a cargo protein, comprising a gene expression system comprising an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising a DNA-binding protein-specific binding site; and a region encoding a fusion protein comprising a cargo protein and a reverse transcriptase; and a nucleic acid construct comprising a base sequence encoding a fusion protein comprising a DNA-binding protein and a protein having a cell-localized location; and a method for regulating the intracellular localization or activity of a cargo protein, comprising a step of expressing the gene expression system.
또한, 본 발명은 msr 영역; 제1 및 제2 DNA 결합 단백질 특이적 결합 부위를 포함하는 msd 영역; 및 역전사효소를 코딩하는 영역을 포함하는, 조작된 레트론; 제1 DNA 결합 단백질과 제1 단백질을 포함하는 융합단백질을 암호화하는 염기 서열을 포함하는 핵산 컨스트럭트; 및 제2 DNA 결합 단백질과 제2 단백질을 포함하는 융합단백질을 암호화하는 염기 서열을 포함하는 핵산 컨스트럭트;를 포함하는 유전자 발현 시스템 및 이를 발현시키는 단계를 포함하는 단백질 간의 공동 위치화 (co-localization) 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a gene expression system comprising an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising first and second DNA binding protein specific binding sites; and a region encoding a reverse transcriptase; a nucleic acid construct comprising a base sequence encoding a fusion protein comprising a first DNA binding protein and the first protein; and a nucleic acid construct comprising a base sequence encoding a fusion protein comprising a second DNA binding protein and the second protein; and a method for co-localization between proteins comprising a step of expressing the same.
본 발명은 DNA 결합 단백질 특이적 결합 부위를 포함하는 조작된 레트론 및 이의 용도에 관한 것으로, DNA 결합 단백질 특이적 결합 부위를 포함하는 조작된 레트론을 이용하여 전사 제어 뿐만 아니라, 자가 조절 피드백 회로를 구현하였으며, 단백질의 세포 내 위치 조절 및 기능 조절하는 시스템으로 발전시켰으므로, 바이오센서, 메모리 장치, 인공적인 적응 회로, 단백질의 세포 내 위치 조절 시스템, 단백질의 번역 후 수준에서 기능과 위치를 제어하는 시스템으로 활용될 수 있다.The present invention relates to an engineered retron comprising a DNA-binding protein-specific binding site and uses thereof, and by using the engineered retron comprising a DNA-binding protein-specific binding site, not only transcription control but also a self-regulating feedback circuit is implemented, and a system for regulating the intracellular localization and function of a protein is developed, and therefore, it can be utilized as a biosensor, a memory device, an artificial adaptive circuit, a system for regulating the intracellular localization of a protein, and a system for controlling the function and localization at the post-translational level of a protein.
도 1a는 msr-msd와 역전사효소 (RT) 유전자로 구성된 박테리아 레트론의 전사 기작을 나타낸다. msr-msd는 특징적인 구조를 가진 비코딩 템플릿 RNA로 전사되고, msd로 코딩된 템플릿 RNA의 긴 헤어핀 도메인은 RT와 RNase H에 의해 레트론-DNA로 변환된다. 최종 생성물은 DNA/RNA/단백질 복합체로, 비코딩 RNA는 2',5'-포스포디에스테르 연결을 통해 레트론-DNA에 공유 결합되고 RT는 역전사가 완료된 후에도 레트론-DNA에 계속 결합되어 있다. Figure 1a shows the transcriptional mechanism of bacterial retrons, which consists of msr-msd and reverse transcriptase (RT) genes. msr-msd is transcribed into a noncoding template RNA with a characteristic structure, and the long hairpin domain of the template RNA encoded by msd is converted into retron-DNA by RT and RNase H. The final product is a DNA/RNA/protein complex, in which the noncoding RNA is covalently linked to retron-DNA via a 2',5'-phosphodiester linkage, and RT remains bound to retron-DNA after reverse transcription is completed.
도 1b는 msd 영역이 재프로그래밍된 pretroDNA를 나타낸다. 완전 이중가닥 헤어핀 도메인에서 특정 단백질 결합 서열을 코딩하는 pretroDNA와 자극 유도 프로모터를 사용하여 발현을 조절함으로써 세포 내 pretroDNA의 복사 수를 조절할 수 있다.Figure 1b shows pretroDNA with reprogrammed msd region. The number of copies of pretroDNA in a cell can be controlled by controlling expression using pretroDNA encoding specific protein binding sequences in a fully double-stranded hairpin domain and a stimuli-inducible promoter.
도 1c는 전사인자 결합 "오퍼레이터" 서열을 코딩하는 pretroDNA를 이용한 자동 피드백 회로를 나타낸다.Figure 1c shows an automatic feedback circuit using pretroDNA encoding a transcription factor binding “operator” sequence.
도 1d는 알로스테릭 전사인자와 pretroDNA을 이용한 단백질의 세포 내 위치 및 기능 조절 기작을 나타낸다.Figure 1d shows the mechanism of regulating the intracellular localization and function of proteins using allosteric transcription factors and pretroDNA.
도 2a는 IPTG 유도성 retron-DNA 생성 유전자 회로를 코딩하는 pRetro 플라스미드를 나타낸다. 빨간색 상자는 리프로그래밍할 헤어핀 영역을 나타낸다. Figure 2a shows the pRetro plasmid encoding the IPTG-inducible retron-DNA production genetic circuit. The red box indicates the hairpin region to be reprogrammed.
도 2b는 정량적 PCR 분석 결과로 pRetro를 보유한 대장균에서 IPTG에 의해 레트론-DNA의 복제본 수가 증가함을 나타낸다.Figure 2b shows the results of quantitative PCR analysis showing that the number of copies of retron-DNA is increased by IPTG in E. coli harboring pRetro.
도 2c는 헤어핀 영역의 프로그래밍 가능성을 분석하기 위해 대장균에서 생성된 retron-DNA 변이체의 모세관 전기영동 분석 결과를 나타낸다. 피크 면적은 WT retron-DNA와 비교한 상대적인 세포 내 생산성을 나타낸다. 0.5mM IPTG를 사용하였다 (nd, 검출되지 않음).Figure 2c shows the results of capillary electrophoresis analysis of retron-DNA mutants produced in E. coli to analyze the programmability of the hairpin region. Peak areas indicate relative intracellular productivity compared to WT retron-DNA. 0.5 mM IPTG was used (nd, not detected).
도 2d는 헤어핀 영역에서 각각 TetR 및 LuxR 결합 서열을 코딩하는 pretroDNA_tetO 및 pretroDNA_luxO를 나타낸다.Figure 2d shows pretroDNA_tetO and pretroDNA_luxO, which encode TetR and LuxR binding sequences, respectively, in the hairpin region.
도 2e는 0.5mM IPTG를 사용하여 대장균에서 생성된 pretroDNA의 모세관 전기영동 분석 결과를 나타낸다.Figure 2e shows the results of capillary electrophoresis analysis of pretroDNA produced in E. coli using 0.5 mM IPTG.
도 2f는 pretroDNA_tetO 매개 TetR 디코이딩에 의한 aTc 반응성 TetR/PLtetO-1 유전자 회로의 동적 미세 조정을 나타낸다.Figure 2f shows dynamic fine-tuning of the aTc-responsive TetR/P LtetO-1 genetic circuit by pretroDNA_tetO-mediated TetR decoding.
도 2g는 도 2f의 회로를 이용하여 GFP 발현을 확인한 결과를 나타낸다.Figure 2g shows the results of confirming GFP expression using the circuit of Figure 2f.
도 2h는 pretroDNA_luxO-매개 LuxR 디코잉에 의한 3OC6HSL-반응성 LuxR/P35LB10 유전자 회로의 동적 미세 조정을 나타낸다. ASV는 P35LB10의 튜닝된 전사 활성을 측정된 GFP 수준과 빠르게 동기화하기 위한 분해 태그이다. Figure 2h shows dynamic fine-tuning of the 3OC6HSL-responsive LuxR/P35LB10 genetic circuit by pretroDNA_luxO-mediated LuxR decoying. ASV is a degradation tag to rapidly synchronize the tuned transcriptional activity of P 35LB10 with measured GFP levels.
도 2i는 도 2h의 회로를 이용하여 GFP 발현을 확인한 결과를 나타낸다.Figure 2i shows the results of confirming GFP expression using the circuit of Figure 2h.
도 2j는 pretroDNA_tetO와 pretroDNA_luxO의 동시 발현 기작을 나타낸다.Figure 2j shows the co-expression mechanism of pretroDNA_tetO and pretroDNA_luxO.
도 2k는 pretroDNA_tetO와 pretroDNA_luxO의 동시 발현은 크로스토크 없이 병렬 TF-디코이징 기능을 보여줌 나타낸다. Figure 2k shows that co-expression of pretroDNA_tetO and pretroDNA_luxO demonstrates parallel TF-decoding functions without crosstalk.
도 3a는 pretroDNA_tetO 기반 포지티브 피드백 및 TetR/PLtetO- 1 기반 aTc 바이오센서 회로와의 통합을 나타낸다.Figure 3a shows the integration of pretroDNA_tetO-based positive feedback and TetR/P LtetO-1- based aTc biosensor circuits.
도 3b는 템플릿 RNA의 A1/A2 영역을 확장하여 pretroDNA 생산이 증가하고 피드백이 강화된 결과를 나타낸다.Figure 3b shows that the A1/A2 region of the template RNA was expanded to increase pretroDNA production and enhance feedback.
도 3c는 포지티브 피드백이 aTc 제거 후에도 PLtetO-1의 활성화를 유지하며, 이를 통해 aTc에 대한 일시적 노출이 장기적인 GFP 발현으로 전환됨을 확인한 결과이다.Figure 3c shows that positive feedback maintains activation of P LtetO-1 after aTc removal, thereby converting transient exposure to aTc into long-term GFP expression.
도 3d는 pretroDNA_luxO 기반 네거티브 피드백 및 LuxR/P35LB10 회로와의 통합을 나타낸다.Figure 3d shows the pretroDNA_luxO based negative feedback and its integration with the LuxR/P 35LB10 circuit.
도 3e는 네거티브 피드백이 LuxR/P35LB10 회로에 신호 회복 반응 역학을 부여함을 나타낸 결과이다. Figure 3e shows the results showing that negative feedback imparts signal recovery response dynamics to the LuxR/P 35LB10 circuit.
도 3f는 네거티브 피드백이 LuxR/P35LB10 회로에 신호 회복 반응 역학을 부여함을 나타낸 결과이다. Figure 3f shows the results showing that negative feedback imparts signal recovery response dynamics to the LuxR/P 35LB10 circuit.
도 4a는 대장균에서 mCherry 융합 RT에 의해 생성된 PretroDNA_tetO를 평가한 결과를 나타낸다.Figure 4a shows the results of evaluating PretroDNA_tetO generated by mCherry fusion RT in E. coli.
도4b는 막 극에 국한된 Tar-TetR-GFP와 pretroDNA_tetO 태그가 있는 mCherry-RT의 결합을 나타낸다.Figure 4b shows the binding of Tar-TetR-GFP localized to the membrane pole and mCherry-RT with the pretroDNA_tetO tag.
도 4c는 PretroDNA_tetO 태그가 있는 mCherry-RT와 내막 극에 Tsr-TetR-GFP와 공동 위치화됨을 확인한 결과이다.Figure 4c shows the results confirming co-localization of mCherry-RT with the PretroDNA_tetO tag and Tsr-TetR-GFP at the inner membrane pole.
도 4d는 PretroDNA_tetO 태그가 있는 mCherry-RT와 내막 극에 Tsr-TetR-GFP와 공동 위치화됨을 확인한 결과이다.Figure 4d shows the results confirming co-localization of mCherry-RT with the PretroDNA_tetO tag and Tsr-TetR-GFP at the inner membrane pole.
도 4e는 PretroDNA_tetO 태그가 있는 mCherry-RT와 극에 응축물을 형성하는 PopZ-TetR-GFP와 공동 위치화됨을 확인한 결과이다.Figure 4e shows the co-localization of mCherry-RT with the PretroDNA_tetO tag and PopZ-TetR-GFP, which forms condensates at the poles.
도 5a는 pretroDNA_tetO 태그가 있는 mCherry-RT의 세포 내 위치가 Tar-TetR-GFP가 있는 내막 극에서 세포 전체에 균일한 분포로 aTc에 의해 역전됨을 확인하기 위한 개략도이다.Figure 5a is a schematic diagram to confirm that the subcellular localization of mCherry-RT with pretroDNA_tetO tag is reversed by aTc from the inner membrane pole with Tar-TetR-GFP to a uniform distribution throughout the cell.
도 5b는 aTc의 농도에 따른 형광 현미경 관찰 결과를 나타낸다.Figure 5b shows the results of fluorescence microscopy observation according to the concentration of aTc.
도 5c는 aTc의 농도에 따른 Im/Ic 비율을 분석한 결과를 나타낸다.Figure 5c shows the results of analyzing the Im/Ic ratio according to the concentration of aTc.
도 5d는 aTc에 노출된 시간별 형광 현미경 관찰 결과를 나타낸다.Figure 5d shows the results of time-dependent fluorescence microscopy observations upon exposure to aTc.
도 5e는 aTc에 노출된 시간별 Im/Ic 비율을 분석한 결과를 나타낸다. Figure 5e shows the results of analyzing the Im/Ic ratio over time when exposed to aTc.
도 5f는 Cre 단량체가 촉매 활성 사면체 복합체를 형성하여 절단을 수행하여 리포터 플라스미드를 재구성하여 RFP를 구성적으로 발현함을 나타낸다.Figure 5f shows that Cre monomers form a catalytically active tetrahedral complex to perform cleavage, reconstituting the reporter plasmid to constitutively express RFP.
도 5g는 petroDNA_tetO-태그 Cre의 활성 조절 기작을 나타낸다. PopZ-TetR-GFP 응축물에 국소적으로 농축된 pretroDNA_tetO-태그 Cre는 절단을 촉진할 수 있으며, 이는 aTc에 의해 상쇄될 수 있다. 절단 활성은 하위 배양된 세포에서 RFP 발현을 측정하여 확인할 수 있다.Figure 5g shows the activity regulation mechanism of petroDNA_tetO-tagged Cre. PretroDNA_tetO-tagged Cre, which is locally concentrated in PopZ-TetR-GFP condensates, can promote cleavage, which can be counteracted by aTc. Cleavage activity can be confirmed by measuring RFP expression in subcultured cells.
도 5h는 플레이트 판독기로 측정한 하위 배양 세포의 RFP 수준을 나타낸다. Plux는 100nm 3OC6HSL에 의해 활성화되었고 Ptac은 0.025mM IPTG에 의해 활성화되었다. Figure 5h shows RFP levels of subcultured cells measured by a plate reader. P lux was activated by 100 nM 3OC 6 HSL and Ptac was activated by 0.025 mM IPTG.
도 5i는 세포가 aTc에 노출되었는지 확인하기 위해 하위 배양된 세포의 유세포 분석 결과를 나타낸다. Plux는 100nm 3OC6HSL에 의해 활성화되었고, Ptac은 0.025mM IPTG에 의해 활성화되었다. NC는 IPTG를 사용하지 않은 음성 대조군, PC는 0.25mM IPTG를 사용한 양성 대조군을 나타낸다. Figure 5i shows the results of flow cytometry analysis of subcultured cells to determine whether cells were exposed to aTc. P lux was activated by 100 nM 3OC 6 HSL, and P tac was activated by 0.025 mM IPTG. NC represents the negative control without IPTG, and PC represents the positive control with 0.25 mM IPTG.
도 5j는 도 5i의 대표이미지를 나타낸다.Figure 5j shows a representative image of Figure 5i.
도 6a는 BSII 및 Zif268 결합 서열을 포함하는 petroDNA_ZF 스캐폴드에 ZF 융합 분할 YFP (PBSII-nYFP 및 Zif268-cYFP)의 재조립을 보여주는 도이다. 아라비노스 유도성 PBAD 프로모터에 의해 PBSII-nYFP 및 Zif268-cYFP가 발현된다.Figure 6a is a schematic diagram showing the reassembly of ZF fused split YFPs (PBSII-nYFP and Zif268-cYFP) onto the petroDNA_ZF scaffold containing BSII and Zif268 binding sequences. PBSII-nYFP and Zif268-cYFP are expressed by the arabinose-inducible P BAD promoter.
도 6b는 하단에 설명된 각 retron-DNA 스캐폴드를 발현하는 세포 또는 대조군의 형광 분석 결과를 나타낸 도이다. PBSII-nYFP 및 Zif268-cYFP 발현은 0.01% 아라비노스에 의해 유도되었고, pretroDNA_ZF 발현을 포함한 레트론-DNA는 0.5mM IPTG에 의해 유도되었다 (**P<0.01, ***P<0.001, ****P<0.0001).Figure 6b shows the results of fluorescence analysis of cells expressing each retron-DNA scaffold or control as described below. PBSII-nYFP and Zif268-cYFP expression were induced by 0.01% arabinose, and retron-DNA including pretroDNA_ZF expression was induced by 0.5 mM IPTG (**P<0.01, ***P<0.001, ****P<0.0001).
이하 본 발명을 상세히 설명한다.The present invention is described in detail below.
본 발명은 msr 영역; DNA 결합 단백질 특이적 결합 부위를 포함하는 msd 영역; 및 역전사효소를 코딩하는 영역을 포함하는 조작된 레트론을 제공한다.The present invention provides an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising a DNA binding protein specific binding site; and a region encoding a reverse transcriptase.
본 발명에 있어서, 레트론은 박테리아 게놈에서 발견되는 독특한 유전적 요소로, 레트론 DNA는 msr, msd, ret의 세 가지 유전자좌로 구성된 단순한 오페론의 전사를 제어한다. 레트론은 역전사효소 (RT)와 ncRNA (non-coding RNA)를 암호화하는데, 레트론 ncRNA (msr-msd)가 전사되면 역전사효소에 의해 인식되는 전형적인 구조로 접히게 된다. 그런 다음 역전사효소는 ncRNA 내의 이중 가닥 RNA 구조 직후에 발견되는 보존된 구아노신 잔기의 2′ 끝에서 시작하여 ncRNA의 일부 (msd)를 역전사한다. 역전사 과정에서 세포 RNase H는 주형 역할을 하는 ncRNA의 세그먼트는 분해하지만 ncRNA의 다른 부분 (msr)은 분해하지 않아 성숙한 RNA-DNA 하이브리드 (multicopy single-stranded DNA, msDNA)를 생성한다. In the present invention, retron is a unique genetic element found in the bacterial genome, and retron DNA controls the transcription of a simple operon consisting of three loci: msr, msd, and ret . Retron encodes reverse transcriptase (RT) and ncRNA (non-coding RNA), and when retron ncRNA (msr-msd) is transcribed, it folds into a typical structure recognized by reverse transcriptase. Then, reverse transcriptase reversely transcribes a portion of ncRNA (msd) starting from the 2′ end of a conserved guanosine residue found immediately after the double-stranded RNA structure in ncRNA. During reverse transcription, cellular RNase H degrades the segment of ncRNA that serves as a template, but does not degrade the other portion of ncRNA (msr), thereby generating a mature RNA-DNA hybrid (multicopy single-stranded DNA, msDNA).
본 발명에 있어서, 조작된 레트론에 사용된 msr 유전자, msd 유전자 및 ret 유전자는 박테리아 오페론으로부터 유래될 유래될 수 있고, 바람직하게 대장균 (Escherichia coli) 레트론 (예를 들어, Ec48, E67, Ec73, Ec78, EC83, EC86, EC107, 및 Ec107), 믹소박테리아 레트론 예컨대 믹소코쿠스 크산투스 (Myxococcus xanthus) 레트론 (예를 들어, Mx65, Mx162) 및 스티그마텔라 아우란티아카 (Stigmatella aurantiaca) 레트론 (예를 들어, Sa163); 살모넬라 엔테리카; 비브리오 콜레라에 레트론 (예를 들어, Vc81, Vc95, Vc137); 비브리오 파라하에몰리티쿠스 (Vibrio parahaemolyticus) (예를 들어, Vc96); 및 난노시스티스 엑세덴스 (Nannocystis exedens) 레트론 (예를 들어, Ne144)을 포함을 포함할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다.In the present invention, the msr gene, msd gene and ret gene used in the engineered retron can be derived from bacterial operons, preferably Escherichia coli retron (e.g., Ec48, E67, Ec73, Ec78, EC83, EC86, EC107, and Ec107), myxobacterial retron such as Myxococcus xanthus retron (e.g., Mx65, Mx162) and Stigmatella aurantiaca retron (e.g., Sa163); Salmonella enterica; Vibrio cholerae retron (e.g., Vc81, Vc95, Vc137); Vibrio parahaemolyticus (e.g., Vc96); and Nannocystis exedens letrone (e.g., Ne144).
본 발명에 있어서, 상기 "DNA 결합 단백질"은 DNA 결합 도메인과 단일 또는 이중 가닥 DNA에 특이적 또는 비특이적 친화력을 가진 단백질이다. DNA 결합 단백질은 DNA와 물리적으로 상호작용할 수 있는 많은 종류의 단백질로 구성되어 있다. 이러한 단백질은 염색체 DNA 조직/압축(예: 히스톤), 전사, DNA 복제 및/또는 DNA 재조합의 개시 및 조절(예: 전사 인자, 중합 효소), DNA 변형(예: 엔도뉴클레아제, 탈메틸화 효소) 등 다양한 기능을 수행한다. 일부 DNA 결합 단백질은 DNA 서열 특이적인 상호작용을 보이는 반면, 다른 단백질은 서열 인식 기능이 없거나 최소한의 기능만 가지고 있다. 일반적으로 DNA 결합 단백질은 단백질과 DNA의 물리적 상호작용에 필요한 DNA 결합 도메인을 포함하고 있는 반면, 효소 또는 조절 기능은 일반적으로 단백질 내의 별도의 도메인을 통해 수행된다. DNA 결합 단백질은 징크 핑거 (Zinc Finger), 나선-회전-나선 (Helix-Turn-Helix) 및 류신 지퍼 (Leucine Zipper)와 같은 도메인을 포함하여 핵산에 대한 결합을 더욱 강하게 한다. DNA 결합 단백질에는 전사 과정을 조절하는 전사 인자, 다양한 중합효소, DNA 분자를 절단하는 핵산분해효소 및 세포핵의 염색체 응축 및 전사에 관여하는 히스톤 단백질이 포함될 수 있고, 바람직하게 DNA 결합 단백질은 전사인자일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.In the present invention, the "DNA binding protein" is a protein having a DNA binding domain and a specific or non-specific affinity for single- or double-stranded DNA. DNA binding proteins are composed of many kinds of proteins that can physically interact with DNA. These proteins perform various functions, such as chromosomal DNA organization/compaction (e.g., histones), initiation and regulation of transcription, DNA replication, and/or DNA recombination (e.g., transcription factors, polymerases), and DNA modification (e.g., endonucleases, demethylases). Some DNA binding proteins exhibit DNA sequence-specific interactions, while others have no or minimal sequence recognition functions. In general, DNA binding proteins contain a DNA binding domain necessary for physical interaction between the protein and DNA, while enzymatic or regulatory functions are generally performed through separate domains within the protein. DNA binding proteins include domains such as zinc fingers, helix-turn-helix, and leucine zippers to further strengthen binding to nucleic acids. DNA binding proteins may include transcription factors that regulate the transcription process, various polymerases, nucleases that cleave DNA molecules, and histone proteins involved in chromosome condensation and transcription in the cell nucleus, and preferably, the DNA binding protein may be a transcription factor, but is not limited thereto.
본 발명에 있어서, "전사 인자"는 DNA 결합 단백질로서 유전자의 암호화 (coding) 영역 근처나 암호화 영역 내의 특정한 DNA 서열에 결합함으로써 전사를 조절한다. 전사의 개시 (initiation)를 촉진하는 전사 인자를 활성인자 (activator)라고 하고, 전사 인자가 전사 개시 부위 (initiation site)와 결합하는 것을 막는 단백질은 억제인자 (repressor)라고 한다. In the present invention, a "transcription factor" is a DNA binding protein that regulates transcription by binding to a specific DNA sequence near or within the coding region of a gene. A transcription factor that promotes the initiation of transcription is called an activator, and a protein that prevents a transcription factor from binding to the transcription initiation site is called a repressor.
본 발명에 있어서, "알로스테릭 전사인자"는 바이오마커, 중금속, 항생제, 빛, 열과 같은 특정 알로스테릭 유발 자극에 의해 오퍼레이터 DNA 서열에 대한 친화력을 변경하는 형태 변화를 겪게 됨으로써 전사를 조절한다. 전사인자의 형태적 변화로 인해 표적 유전자의 업스트림에 있는 DNA 서열에서 떨어지거나 결합하여 그 발현을 활성화하거나 억제하게 된다. 전사인자는 프로모터, 리보솜 결합 부위 (ribosome binding sites, RBSs), 터미네이터 및 리포터 유전자와 같이 합성 생물학에서 일반적으로 사용되는 다른 DNA 부분과 함께 조립하여 전사인자 기반 바이오센서 회로를 만들 수 있다. 따라서 이러한 유전자 장치는 다양한 세포 내 또는 환경 리간드 농도를 감지하고 이에 반응하는 데 사용할 수 있다. 상기 "알로스테릭 전사인자"는 TetR, LuxR, LacI, NahR, DmpR, XylR, AraC, PobR, TlpA, cI, EL222, ArsR 또는 QacR일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. In the present invention, the "allosteric transcription factor" regulates transcription by undergoing a conformational change that changes its affinity for an operator DNA sequence in response to specific allosteric stimuli such as biomarkers, heavy metals, antibiotics, light, and heat. The conformational change of the transcription factor causes it to detach from or bind to a DNA sequence upstream of a target gene to activate or repress its expression. The transcription factor can be assembled with other DNA segments commonly used in synthetic biology, such as promoters, ribosome binding sites (RBSs), terminators, and reporter genes, to create a transcription factor-based biosensor circuit. Thus, such genetic devices can be used to sense and respond to various intracellular or environmental ligand concentrations. The above “allosteric transcription factor” may be, but is not limited to, TetR, LuxR, LacI, NahR, DmpR, XylR, AraC, PobR, TlpA, cI, EL222, ArsR or QacR.
본 발명에 있어서, 역전사되지 않는 msr 영역은 1~3개의 짧은 줄기 고리 또는 3~10bp 범위의 다양한 크기를 형성하는 반면, msd 영역은 단일/이중 긴 헤어핀으로 접혀서 10 내지 50bp 길이의 매우 다양한 긴 줄기 형태로 존재하며 최종 msDNA 형태에도 포함된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 msd 영역의 줄기 부분 (stem region)은 완전 혼성화될 수 있다. "혼성화"는 왓슨-크릭 염기 쌍 형성을 통해 복합체를 형성하기에 충분히 상보적인 뉴클레오티드 서열 간의 복합체의 형성을 지칭한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 줄기 부분의 길이는 10-50 bp일 수 있고 바람직하게 21bp 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the present invention, the msr region, which is not reverse transcribed, forms 1 to 3 short stem loops or various sizes ranging from 3 to 10 bp, while the msd region folds into single/double long hairpins and exists in a wide variety of long stem forms ranging from 10 to 50 bp in length, which are also included in the final msDNA form. In one embodiment of the present invention, the stem region of the msd region can be completely hybridized. "Hybridization" refers to the formation of a complex between nucleotide sequences that are sufficiently complementary to form a complex through Watson-Crick base pairing. In one embodiment of the present invention, the length of the stem region may be 10-50 bp, and preferably 21 bp or more, but is not limited thereto.
본 발명에서 있어서, 상기 조작된 레트론은 프로모터에 작동가능하게 연결될 수 있으며, 자가 피브백 회로로 구현될 수 있다. 본 발명의 일실시에 있어서, 알로스테릭 전사인자 TetR은 알로스테릭 유도제인 안하이드로테트라사이클린 (anhydrotetracycline, aTc)이 없을 때 PLtetO-1의 tetO에 결합하여 다운스트림 유전자를 억제한다. 또 다른 실시예에서 알로스테릭 전사인자 LuxR은 정상적으로 P35LB10 내에서 LuxO로부터 분리되어 있으며, 3OC6HSL (P35LB1039, 3- oxohexanoyl-homoserine lactone)은 LuxR이 LuxO와 결합하여 다운스트림 유전자를 억제하게 한다.In the present invention, the engineered retron can be operably linked to a promoter and can be implemented as a self-feedback circuit. In one embodiment of the present invention, the allosteric transcription factor TetR binds to tetO of P LtetO-1 in the absence of anhydrotetracycline (aTc), which is an allosteric inducer, to repress a downstream gene. In another embodiment, the allosteric transcription factor LuxR is normally dissociated from LuxO in P 35LB10 , and 3OC 6 HSL (P35LB1039, 3-oxohexanoyl-homoserine lactone) causes LuxR to bind to LuxO to repress a downstream gene.
또한, 본 발명은 상기 조작된 레트론을 포함하는 발현 벡터를 제공한다. Additionally, the present invention provides an expression vector comprising the engineered retron.
본 발명에 있어서, 상기 "벡터"는 세포의 내부로 관심 핵산을 전달하기 위해 사용될 수 있는 물질의 조성이다. 레트론 msr 유전자, msd 유전자, 및 ret 유전자는 숙주 대상체에서 msDNA를 생산하기 위해 단일 벡터를 가진 세포 내로 도입되거나 다수의 별도의 벡터에 도입될 수 있다. 벡터는 전형적으로 레트론 서열과 작동 가능하게 연결된 제어 요소를 포함하며, 이는 대상체 종에서 msDNA의 생체내 생산을 가능하게 한다. 예를 들어, 레트론 msr 유전자, msd 유전자 및 ret 유전자는 레트론 역전사효소 및 msDNA 산물의 발현을 허용하기 위해 프로모터에 작동 가능하게 연결될 수 있다. In the present invention, the "vector" is a composition of matter that can be used to deliver a nucleic acid of interest into the interior of a cell. The retron msr gene, the msd gene, and the ret gene can be introduced into a cell with a single vector or introduced in multiple separate vectors to produce msDNA in a host subject. The vector typically includes control elements operably linked to the retron sequences, which enable in vivo production of msDNA in a subject species. For example, the retron msr gene, the msd gene, and the ret gene can be operably linked to a promoter to allow expression of retron reverse transcriptase and the msDNA product.
본 발명에 있어서, 상기 발현 벡터는 바이러스 벡터 또는 비-바이러스 벡터 (예를 들어, 플라스미드)이다.In the present invention, the expression vector is a viral vector or a non-viral vector (e.g., a plasmid).
또한, 본 발명은 상기 발현 벡터로 형질전환된 숙주세포를 제공한다.In addition, the present invention provides a host cell transformed with the expression vector.
본 발명에 있어서, 단리된 숙주 세포가 제공되며, 이러한 숙주 세포는 본원에 기재된 조작된 레트론 또는 벡터 시스템을 포함한다.In the present invention, an isolated host cell is provided, wherein the host cell comprises an engineered retron or vector system as described herein.
본 발명에 있어서, 숙주 세포는 원핵, 아키온 (archeon), 또는 진핵 숙주 세포이다. 예를 들어, 숙주 세포는 박테리아, 원생생물, 진균, 동물 또는 식물 숙주 세포일 수 있다. 일부 실시양태에서, 숙주 세포는 포유류 숙주 세포이다. 숙주 세포는 인간 또는 비인간 포유류 숙주 세포일 수 있다. 다른 실시양태에서, 숙주 세포는 인공 세포 또는 유전자 변형된 세포이다.In the present invention, the host cell is a prokaryotic, archaeon, or eukaryotic host cell. For example, the host cell can be a bacterial, protist, fungal, animal, or plant host cell. In some embodiments, the host cell is a mammalian host cell. The host cell can be a human or non-human mammalian host cell. In other embodiments, the host cell is an artificial cell or a genetically modified cell.
숙주 세포 내로 핵산을 도입하는 방법은 관련 기술분야에 널리 공지되어 있다. 통상적으로 사용되는 방법은 전형적으로 2가 양이온 (예를 들어, CaCl2)을 사용하는 화학적으로 유도된 변환, 덱스트란 매개 형질감염, 폴리브렌 매개 형질감염, 리포펙타민 및 LT-1 매개 형질감염, 전기천공법, 원형질 융합, 리포솜에서의 핵산의 캡슐화, 및 조작된 레트론을 포함하는 핵산을 세포핵에 직접 미세 주입하는 것을 포함한다.Methods for introducing nucleic acids into host cells are well known in the art. Commonly used methods include chemically induced transfection, typically using divalent cations (e.g., CaCl 2 ), dextran-mediated transfection, polybrene-mediated transfection, lipofectamine and LT-1-mediated transfection, electroporation, protoplast fusion, encapsulation of nucleic acids in liposomes, and direct microinjection of nucleic acids containing engineered retrons into the nucleus of cells.
또한, 본 발명은 msr 영역; DNA 결합 단백질 특이적 결합 부위를 포함하는 msd 영역; 및 역전사효소를 코딩하는 영역을 포함하는, 조작된 레트론; 및 DNA 결합 단백질을 암호화하는 염기 서열을 포함하는 핵산 컨스트럭트를 포함하는 유전자 발현 시스템을 제공한다.The present invention also provides a gene expression system comprising a nucleic acid construct comprising an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising a DNA binding protein specific binding site; and a region encoding a reverse transcriptase; and a base sequence encoding a DNA binding protein.
본 발명에 있어서, 상기 역전사효소를 코딩하는 영역은 카고 (cargo) 단백질을 암호화하는 염기 서열과 연결될 수 있다. 상기 카고 단백질은 역전사효소의 N-말단 또는 C-말단에 연결될 수 있다. 상기 카고 단백질과 역전사효소는 링커를 통해 연결될 수 있으며, 상기 링커는 GGGGS, (GGGGS)2, (GGGGS)3, EAAAK, (EAAAK)2, 또는 (EAAAK)3일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the present invention, the region encoding the reverse transcriptase may be linked to a base sequence encoding a cargo protein. The cargo protein may be linked to the N-terminus or the C-terminus of the reverse transcriptase. The cargo protein and the reverse transcriptase may be linked via a linker, and the linker may be, but is not limited to, GGGGS, (GGGGS) 2 , (GGGGS) 3 , EAAAK, (EAAAK) 2 , or (EAAAK) 3 .
본 발명에 있어서, 상기 카고 단백질은 세포 내로 전달됨으로써 생체 내의 모든 생리 현상을 조절하는 생물학적 활성을 갖는 기능조절 물질로서, 세포의 기능을 조절할 수 있는 화합물 등과 같은 화학 물질을 의미한다.In the present invention, the cargo protein is a functional regulatory substance that has biological activity that regulates all physiological phenomena in a living body by being delivered into cells, and refers to a chemical substance such as a compound that can regulate the function of a cell.
본 발명에 있어서, 상기 DNA 결합 단백질을 암호화하는 염기 서열은 세포 내 위치가 지정된 단백질을 암호화하는 염기 서열과 연결될 수 있다. 상기 세포 내 위치가 지정된 단백질은 Tar, Tsr, TatA, mreB, ftsZ, 및 PopZ로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.In the present invention, the base sequence encoding the DNA binding protein can be linked to a base sequence encoding a protein having a designated intracellular location. The protein having a designated intracellular location can be any one selected from the group consisting of Tar, Tsr, TatA, mreB, ftsZ, and PopZ, but is not limited thereto.
또한, 본 발명은 상기 유전자 발현 시스템을 포함하는 발현 벡터를 제공한다. Additionally, the present invention provides an expression vector comprising the gene expression system.
본 발명에 있어서, 상기 조작된 레트론과 핵산 컨스트럭트는 단일 벡터를 가진 세포 내로 도입되거나 다수의 별도의 벡터에 도입될 수 있다.In the present invention, the engineered retron and nucleic acid constructs can be introduced into cells with a single vector or introduced into multiple separate vectors.
또한, 본 발명은 상기 발현 벡터로 형질전환된 숙주세포를 제공한다.In addition, the present invention provides a host cell transformed with the expression vector.
또한, 본 발명은 msr 영역; DNA 결합 단백질 특이적 결합 부위를 포함하는 msd 영역; 및 카고 (cargo) 단백질 및 역전사효소를 포함하는 융합 단백질을 암호화하는 영역을 포함하는 조작된 레트론; 및 DNA 결합 단백질 및 세포 내 위치가 지정된 단백질을 포함하는 융합단백질을 암호화하는 염기 서열을 포함하는 핵산 컨스트럭트를 포함하는 유전자 발현 시스템을 제공한다.The present invention also provides a gene expression system comprising a nucleic acid construct comprising an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising a DNA binding protein specific binding site; and a region encoding a fusion protein comprising a cargo protein and a reverse transcriptase; and a base sequence encoding a fusion protein comprising a DNA binding protein and a protein that is localized within a cell.
또한, 본 발명은 상기 유전자 발현 시스템을 포함하는 발현 벡터를 제공한다.Additionally, the present invention provides an expression vector comprising the gene expression system.
또한, 본 발명은 상기 발현 벡터로 형질전환된 숙주세포를 제공한다.In addition, the present invention provides a host cell transformed with the expression vector.
또한, 본 발명은 카고 (cargo) 단백질의 세포 내 위치 또는 활성 조절용 조성물을 제공한다. 예를 들어 상기 조성물은 msr 영역; DNA 결합 단백질 특이적 결합 부위를 포함하는 msd 영역; 및 카고 (cargo) 단백질 및 역전사효소를 포함하는 융합 단백질을 암호화하는 영역을 포함하는 조작된 레트론; 및 DNA 결합 단백질 및 세포 내 위치가 지정된 단백질을 포함하는 융합단백질을 암호화하는 염기 서열을 포함하는 핵산 컨스트럭트를 포함하는 유전자 발현 시스템을 포함할 수 있다.The present invention also provides a composition for modulating the intracellular localization or activity of a cargo protein. For example, the composition can include a gene expression system comprising a nucleic acid construct comprising an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising a DNA binding protein specific binding site; and a region encoding a fusion protein comprising a cargo protein and a reverse transcriptase; and a base sequence encoding a fusion protein comprising a DNA binding protein and a protein having a designated intracellular localization.
또한, 본 발명은 카고 (cargo) 단백질의 세포 내 위치 또는 활성 조절 방법을 제공한다. 이러한 방법은 msr 영역; DNA 결합 단백질 특이적 결합 부위를 포함하는 msd 영역; 및 카고 (cargo) 단백질 및 역전사효소를 포함하는 융합 단백질을 암호화하는 영역을 포함하는 조작된 레트론; 및 DNA 결합 단백질 및 세포 내 위치가 지정된 단백질을 포함하는 융합단백질을 암호화하는 염기 서열을 포함하는 핵산 컨스트럭트를 포함하는 유전자 발현 시스템을 발현시키는 단계를 포함할 수 있다.The present invention also provides a method for regulating the intracellular localization or activity of a cargo protein. The method can include the step of expressing a gene expression system comprising a nucleic acid construct comprising an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising a DNA binding protein specific binding site; and a region encoding a fusion protein comprising a cargo protein and a reverse transcriptase; and a base sequence encoding a fusion protein comprising a DNA binding protein and a protein having a designated intracellular localization.
또한, 또한, 본 발명은 msr 영역; 제1 및 제2 DNA 결합 단백질 특이적 결합 부위를 포함하는 msd 영역; 및 역전사효소를 코딩하는 영역을 포함하는, 조작된 레트론; 제1 DNA 결합 단백질과 제1 단백질을 포함하는 융합단백질을 암호화하는 염기 서열을 포함하는 핵산 컨스트럭트; 및 제2 DNA 결합 단백질과 제2 단백질을 포함하는 융합단백질을 암호화하는 염기 서열을 포함하는 핵산 컨스트럭트;를 포함하는 유전자 발현 시스템 및 이를 발현시키는 단계를 포함하는 단백질 간의 공동 위치화 (co-localization) 방법을 제공한다.In addition, the present invention also provides a gene expression system comprising an engineered retron comprising an msr region; an msd region comprising first and second DNA binding protein specific binding sites; and a region encoding a reverse transcriptase; a nucleic acid construct comprising a base sequence encoding a fusion protein comprising a first DNA binding protein and the first protein; and a nucleic acid construct comprising a base sequence encoding a fusion protein comprising a second DNA binding protein and the second protein; and a method for co-localization between proteins comprising a step of expressing the same.
중복되는 내용은 본 명세서의 복잡성을 고려하여 생략하며, 본 명세서에서 달리 정의되지 않은 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 사용되는 의미를 갖는 것이다.Duplicate contents are omitted in consideration of the complexity of this specification, and terms not otherwise defined in this specification have meanings commonly used in the technical field to which the present invention belongs.
이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples and experimental examples.
이들 실시예 및 실험예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that these examples and experimental examples are only intended to illustrate the present invention and that the scope of the present invention is not to be construed as being limited by them.
<실시예 1> 실험방법<Example 1> Experimental method
균주 및 성장 조건Strains and growth conditions
모든 복제, 레트론-DNA 생합성, 유전자 회로 특성 분석 및 형광 현미경 관찰 실험은 대장균 DH5a를 사용하여 실시하였다. 본 실험에 사용된 플라스미드는 표 1에 자세히 나와 있으며, 각 실험에 사용된 플라스미드의 조합은 표 2에 나와 있다.All cloning, retron-DNA biosynthesis, genetic circuit characterization, and fluorescence microscopy experiments were performed using E. coli DH5a. The plasmids used in this experiment are detailed in Table 1, and the combinations of plasmids used in each experiment are listed in Table 2.
[표 1][Table 1]
[표 2][Table 2]
세포는 적절한 항생제 및 유도제와 함께 37℃의 LB (Formedium)에서 배양하였다. 모든 항생제는 골드바이오에서 구입하였고, 암피실린 100 μg/ml, 카나마이신 50 μg/ml, 클로람페니콜 25 μg/ml, 스펙티노마이신 100 μg/ml의 농도로 사용하였다.Cells were cultured in LB (Formedium) at 37°C with appropriate antibiotics and inducers. All antibiotics were purchased from GoldBio and used at concentrations of
레트론-DNA의 생합성 및 추출을 위해 (도 2b, 2c, 2e, 도 4a), LB 플레이트의 단일 콜로니를 3ml의 LB에 접종하고 240rpm으로 밤새 흔들어주었다. 그런 다음 배양액을 LB 6ml에 1:100 비율로 희석하여 2시간 동안 배양한 후 0.5mM IPTG를 추가하고 배양액을 5시간 동안 더 배양하였다. 그런 다음 배양액을 원심분리하여 펠렛화하여 -20℃에서 보관하고 레트론-DNA 추출을 위해 사용하였다. For biosynthesis and extraction of retron-DNA (Figs. 2b, 2c, 2e, and 4a), a single colony from an LB plate was inoculated into 3 ml of LB and shaken overnight at 240 rpm. The culture was then diluted 1:100 into 6 ml of LB and cultured for 2 h. After 0.5 mM IPTG was added, the culture was further cultured for 5 h. The culture was then centrifuged to pellet, stored at -20°C, and used for retron-DNA extraction.
유전자 회로 특성화, qPCR 분석 및 현미경 관찰을 위해 LB 플레이트에 형질 전환된 단일 콜로니의 형질전환체를 통기성 밀봉 필름이 있는 딥 웰 플레이트에 LB 300 ul에 접종하고 밀봉 필름을 씌우고 하룻밤 동안 1000rpm으로 흔들었다. 그런 다음 배양액을 바닥이 투명한 96 웰 블랙 플레이트(SPL)에 LB 200 ul로 1:100 희석하여 80분간 배양한 후 적절한 유도제를 추가하고 추가로 배양하였다. 형광 및 세포 밀도 측정은 유도제 첨가 후 3시간 후에 수행하였다 (도 2g, 2i, 2k). qPCR 분석을 위한 세포 수집 은 5시간에 수행하였다 (도 2b). 현미경 관찰은 8시간(그림 4B, C), 2시간(그림 4D), 6시간(그림 4E)에 수행하였다 (도 4b, 도 4c), 동적 단백질 세포 내 위치 조절은 8시간에 수행되었다 (도 5b 내지 5e).For genetic circuit characterization, qPCR analysis, and microscopic observation, transformants from single colonies transformed on LB plates were inoculated into 300 μl of LB in deep-well plates with breathable sealing films, covered with sealing films, and shaken at 1000 rpm overnight. Then, the culture was diluted 1:100 with 200 μl of LB in 96-well black plates (SPL) with transparent bottoms, cultured for 80 min, and then appropriate inducers were added and further cultured. Fluorescence and cell density measurements were performed 3 h after the addition of inducers (Figs. 2g, 2i, and 2k). Cell collection for qPCR analysis was performed at 5 h (Fig. 2b). Microscopic observations were performed at 8 h (Fig. 4b, c), 2 h (Fig. 4d), and 6 h (Fig. 4e) (Fig. 4b, c), and dynamic protein subcellular localization was performed at 8 h (Figs. 5b to 5e).
aTc 바이오센서 감도 향상을 위한 포지티브 피드백 특성화 (도 3b)에서는 하룻밤동안 배양한 종자 배양액을 1:100 비율로 희석하여 aTc를 첨가하고 200μl의 LB 배지에 넣어 3시간 동안 배양하였다. 그 후, 배양액의 형광과 세포 밀도를 측정하였다. 메모리 특성 분석 (도 3c)을 위해, 하룻밤 동안 배양한 종자 배양액을 200μl의 LB 배지에 1:100 비율로 희석하고 100ng/ml의 aTc를 넣고 3.5시간 동안 배양한 후 세포를 펠렛화하여 신선한 LB 배지로 세척하였다. 그런 다음 세포를 신선한 LB 배지에 1:100 비율로 다시 희석하고 5~6시간 더 배양하였다. 그 후 다시 1:100으로 희석하고 이 과정을 4회 반복하였다. 각 희석 직전에 GFP 수준과 OD를 측정하였다. For positive feedback characterization to enhance aTc biosensor sensitivity (Fig. 3b), the overnight seed culture was diluted 1:100, aTc was added, and cultured in 200 μl of LB medium for 3 h. Then, the fluorescence and cell density of the culture were measured. For memory characteristic analysis (Fig. 3c), the overnight seed culture was diluted 1:100 in 200 μl of LB medium, 100 ng/mL aTc was added, and cultured for 3.5 h. After that, the cells were pelleted and washed with fresh LB medium. The cells were then diluted 1:100 again in fresh LB medium and cultured for 5–6 h. Then, they were diluted 1:100 again, and this process was repeated four times. The GFP level and OD were measured immediately before each dilution.
네거티브 피드백의 특성화 (도 3e 및 3f)에서, 하룻밤동안 배양한 종자 배양을 200μl의 LB 배지에 1:100 비율로 희석한 후, 2.5시간 동안 배양하고 3OC6HSL을 처리하였다. 그런 다음 세포를 16시간 동안 더 배양하였다. GFP 수준 및 OD를 10분마다 모니터링하였다.In the characterization of negative feedback (Fig. 3e and 3f), overnight seed cultures were diluted 1:100 in 200 μl of LB medium, cultured for 2.5 h, and treated with 3OC 6 HSL. The cells were then further cultured for 16 h. GFP levels and OD were monitored every 10 min.
플라스미드 제작Plasmid production
플라스미드는 표준 분자 복제 기술과 깁슨 어셈블리를 사용하여 제작하였다. 본 발명에 사용된 유전자 서열은 표 3에 나타내었다. 모든 프라이머 (표 4)는 바이오닉스 (한국)에서 구입하였다.Plasmids were constructed using standard molecular cloning techniques and Gibson assembly. The gene sequences used in the present invention are shown in Table 3. All primers (Table 4) were purchased from Bionics (Korea).
[표 3][Table 3]
[표 4][Table 4]
pFF753의 Eco1 레트론 서열, Ptac 서열(BBa_K864400), PJ23106(BBa_J23106), pXW117Ptet2-gfp(Addgene #160818)의 터미네이터 서열을 pCDFDuet-1에 복제하여 pRetro를 생성하였다. pFF758의 dRT 서열을 pRetro에 복제하여 pRetro_dRT를 생성하였다. pFF753(Addgene #61453) 및 pFF758(Addgene #61454)은 MIT의 T. Lu로부터 제공받았다. pPretro_tetO 및 pPretro_luxO를 포함한 pRetro의 변이체를 생성하기 위해 msd 변이체 서열을 pRetro에 복제하였다. pRetro_str_1, pRetro_str_2 및 pRetro_str_3은 pRetro에서 위치 지정 돌연변이 유발을 통해 만들었다. The Eco1 retron sequence of pFF753, the Ptac sequence (BBa_K864400), PJ23106 (BBa_J23106), and the terminator sequence of pXW117Ptet2-gfp (Addgene #160818) were cloned into pCDFDuet-1 to generate pRetro. The dRT sequence of pFF758 was cloned into pRetro to generate pRetro_dRT. pFF753 (Addgene #61453) and pFF758 (Addgene #61454) were generously provided by T. Lu at MIT. The msd variant sequences were cloned into pRetro to generate mutants of pRetro, including pPretro_tetO and pPretro_luxO. pRetro_str_1, pRetro_str_2, and pRetro_str_3 were generated by site-directed mutagenesis in pRetro.
pXW117Ptet2-gfp는 TetR/PLtetO-1 회로 플라스미드 pTet_GFP로 사용되었다. ASV 분해 태그와 P35LB10 서열을 pXW117Ptet2-gfp(Addgene #160819)에 복제하여 LuxR/P35LB10 플라스미드 pLux_GFP를 생성하였다. pXW117Ptet2-gfp와 pXW101Plux2-gfp는 에든버러 대학의 B. Wang으로부터 제공받았다. Cherry 서열을 pSC101 플라스미드에 복제하여 pTet_mCherry를 생성하였다. pXW117Ptet2-gfp의 PLtetO-1 서열, pPretroDNA_tetO의 pretroDNA_tetO 유전자 서열 및 pFF753의 RT 서열을 pCDFDuet-1에 복제하여 pTet_pretroDNA_tetO를 생성하였다. pFF758의 dRT 서열을 pTet_pretroDNA_tetO에 복제하여 pTet_pretroDNA_tetO_dRT를 생성하였다. pXW117Ptet2-gfp was used as the TetR/P tetO-1 circuit plasmid pTet_GFP. The ASV cleavage tag and P 35LB10 sequences were cloned into pXW117Ptet2-gfp (Addgene #160819) to generate the LuxR/P 35LB10 plasmid pLux_GFP. pXW117Ptet2-gfp and pXW101Plux2-gfp were generous gifts from B. Wang, University of Edinburgh. The Cherry sequence was cloned into the pSC101 plasmid to generate pTet_mCherry. The P LtetO-1 sequence of pXW117Ptet2-gfp, the pretroDNA_tetO gene sequence of pPretroDNA_tetO, and the RT sequence of pFF753 were cloned into pCDFDuet-1 to generate pTet_pretroDNA_tetO. The dRT sequence of pFF758 was cloned into pTet_pretroDNA_tetO to generate pTet_pretroDNA_tetO_dRT.
확장된 a1/a2 영역으로 증폭된 pretroDNA_tetO 시퀀스 PCR을 pTet_pretroDNA_tetO 및 Tet_pretroDNA_tetO_dRT로 복제하여 각각 pTet_pretroDNA_tetO_a23 및 pTet_pretroDNA_tetO_a23_dRT를 생성하였다. PJ23115 서열 (BBa_J23115)을 pRetro, pPretro_tetO 및 pPretro_luxO에 복제하여 각각 pRetro_115, pPretro_tetO_115 및 pPretro_luxO_115를 생성하였다. pretroDNA_tetO를 치환된 a1/a2 영역으로 PCR 증폭하고 pPretro_luxO_115에 복제하여 pPretro_tetO_luxO_J115를 생성하였다.The pretroDNA_tetO sequence PCR amplified with the extended a1/a2 region was cloned into pTet_pretroDNA_tetO and Tet_pretroDNA_tetO_dRT, generating pTet_pretroDNA_tetO_a23 and pTet_pretroDNA_tetO_a23_dRT, respectively. The P J23115 sequence (BBa_J23115) was cloned into pRetro, pPretro_tetO, and pPretro_luxO, generating pRetro_115, pPretro_tetO_115, and pPretro_luxO_115, respectively. pretroDNA_tetO was PCR amplified with the substituted a1/a2 region and cloned into pPretro_luxO_115, generating pPretro_tetO_luxO_J115.
대장균 MG1655에서 tar 서열을 PCR 증폭하고, pXW117Ptet2-gfp에서 tetR 및 gfp 서열을, pXW101Plux2-gfp에서 luxR 및 Plux 서열을 pCDFDuet-1에 클로닝하여 pTar-TetR-GFP를 생성하였다. 대장균 MG1655의 tsr 및 tatA 서열과 NSSCP (Addgene #183190)의 popZ 서열을 pTar-TetR-GFP에 복제하여 각각 pTsrTetR-GFP, pTatA-TetR-GFP 및 pPopZ-TetR-GFP를 생성하였다. NSSCP는 국립대만대학교의 H. Huang이 제공하였다. pRetro_115 및 mCherry 시퀀스의 레트론 카세트 서열을 pACYCDuet-1 플라스미드에 복제하여 pRetro_mCherry-RT 및 pRetro_RT-mCherry를 생성하였다. The tar sequence was PCR amplified from E. coli MG1655, and the tetR and gfp sequences from pXW117Ptet2-gfp and the luxR and P lux sequences from pXW101Plux2-gfp were cloned into pCDFDuet-1, generating pTar-TetR-GFP. The tsr and tatA sequences of E. coli MG1655 and the popZ sequence of NSSCP (Addgene #183190) were cloned into pTar-TetR-GFP, generating pTsrTetR-GFP, pTatA-TetR-GFP, and pPopZ-TetR-GFP, respectively. NSSCP was provided by H. Huang, National Taiwan University. The retron cassette sequence of pRetro_115 and the mCherry sequence were cloned into the pACYCDuet-1 plasmid to generate pRetro_mCherry-RT and pRetro_RT-mCherry.
레트론-DNA 추출 및 분석Retron-DNA extraction and analysis
레트론-DNA 변이체의 상대적 생산성을 세포당 WT 레트론-DNA의 생산성과 비교하기 위해, 각 실험마다 OD600 측정을 기준으로 동일한 양의 세포를 수확하였다. 플라스미드 미니프렙 키트 (Enzynomics)를 사용하여 펠렛화된 세포에서 DNA를 추출한 다음 37℃에서 30분 동안 RNase A/T1 혼합물 (Thermo Fischer)로 처리하였다. 추출된 레트론DNA를 모세관 전기영동으로 분석하기 위해 Qsep-1 (Bioptic) 기기와 함께 표준 정량 카트리지 (S2) 및 Q-분석기 소프트웨어 (도 2c, 2e; 도 4a)를 사용하여 모세관 전기영동으로 분석하였다. 25/100 bp Mixed DNA Ladder (Bioneer D-1020)를 마커로 사용하였다. 시퀀싱 분석을 위해 레트론DNA를 아가로스 전기영동과 젤 추출로 분리한 후, PCR 확장기 및 Seq_1/2/3 프라이머를 사용하여 증폭했다(표 3). 구체적으로, 추출된 레트론DNA와 Seq_1을 서로 어닐링하고 중합효소 반응으로 연장한 다음, Seq_2/3 프라이머를 사용하여 PCR로 증폭하였다. 생성된 PCR 산물을 Sanger 시퀀싱으로 분석하였다.To compare the relative productivity of retron-DNA mutants with that of WT retron-DNA per cell, equal amounts of cells were harvested for each experiment based on OD600 measurements. DNA was extracted from pelleted cells using a plasmid miniprep kit (Enzynomics) and then treated with RNase A/T1 mixture (Thermo Fischer) for 30 min at 37°C. Extracted retron-DNA was analyzed by capillary electrophoresis using a Qsep-1 (Bioptic) instrument with a standard quantitation cartridge (S2) and Q-Analyzer software (Figs. 2c, 2e; 4a). 25/100 bp Mixed DNA Ladder (Bioneer D-1020) was used as a marker. For sequencing analysis, retroDNA was separated by agarose electrophoresis and gel extraction, and then amplified using a PCR extender and Seq_1/2/3 primers (Table 3). Specifically, the extracted retroDNA and Seq_1 were annealed to each other, extended by a polymerase reaction, and then amplified by PCR using Seq_2/3 primers. The generated PCR products were analyzed by Sanger sequencing.
Quantitative PCRQuantitative PCR
세포 내 인코딩 플라스미드에 대한 레트론-DNA의 상대적 복사 수는 두 세트의 프라이머를 사용한 qPCR 분석으로 측정하였다. 플라스미드에만 존재하는 msd 부위 외부의 영역은 프라이머 세트 1 (qPCR_plasmid_F/R)을 사용하여 분석하고 레트론-DNA와 플라스미드 모두에 존재하는 msd 부위 내 영역은 프라이머 세트 2(qPCR_rtDNA_F/R)를 사용하여 분석하였다 (표 4). 프라이머 세트 1과 2 사이의 사이클 임계값 (Ct)의 차이를 ΔCt 값으로 사용하였다. 다양한 범위의 복제 횟수 비율로 synoligo_rtDNA와 정제된 pFF758 플라스미드 혼합물의 qPCR을 수행하여 복제 횟수 비율에 대한 ΔCt 값의 표준 곡선을 생성하였다. 대장균 세포의 복제 수 비율 분석을 위해 세포 배양액 5 ul을 채취하여 5 ul의 희석수와 혼합한 다음 95℃에서 5분간 배양하였다. 가열 배양액을 물로 1:100 희석하고, 그 중 1 ul을 2X qPCR 프리믹스 (highQu ORA qPCR Green ROX L Mix) 및 각 프라이머 0.4 uM과 20 ul 반응에 사용하였다. qPCR은 CFX Opus RealTime PCR 시스템(Bio-rad)을 사용하여 수행하였다. 측정된 ΔCt 값에서 표준 곡선을 사용하여 복제본 수 비율을 계산하였다. The relative copy number of retron-DNA to the intracellular encoding plasmid was measured by qPCR analysis using two sets of primers. The region outside the msd site that was present only in the plasmid was analyzed using primer set 1 (qPCR_plasmid_F/R), and the region within the msd site that was present in both retron-DNA and the plasmid was analyzed using primer set 2 (qPCR_rtDNA_F/R) (Table 4). The difference in cycle threshold (Ct) between primer sets 1 and 2 was used as the ΔCt value. qPCR of a mixture of synoligo_rtDNA and purified pFF758 plasmid at a range of copy number ratios was performed to generate a standard curve of ΔCt values against copy number ratios. For analysis of copy number ratios in E. coli cells, 5 μl of cell culture was collected, mixed with 5 μl of dilution water, and incubated at 95 °C for 5 min. The heated culture was diluted 1:100 with water, and 1 μl of it was used in a 20 μl reaction with 2X qPCR premix (highQu ORA qPCR Green ROX L Mix) and 0.4 μM of each primer. qPCR was performed using a CFX Opus RealTime PCR system (Bio-rad). The copy number ratio was calculated using a standard curve from the measured ΔCt values.
플레이트 판독기 (plate reader)를 사용한 광학 밀도 및 형광 측정Optical density and fluorescence measurements using a plate reader
플레이트 판독기 (Agilent BioTek Synergy H1)를 사용하여 GFP, mCherry 및 세포 밀도를 측정하였다. GFP의 여기 및 발광 파장은 479/520 nm, mCherry의 파장은 587/620 nm이다. 세포 밀도를 결정하기 위해 600nm에서의 흡광도를 광학 밀도로 측정하였다. 각 측정은 정규화를 위해 동일한 부피의 빈 LB 배지 대조군으로 수행되었다. 도 3b에서는 미묘한 차이를 구분하기 위해 aTc가 없는 빈 벡터의 웰을 블랭크로 사용하였다. 연속적인 시간 경과 분석 (도 3c, 3e)을 위해 형광 및 광학 밀도 수준을 800rpm으로 흔들고 플레이트 판독기에서 37℃에서 배양하면서 10분마다 측정하였다.GFP, mCherry, and cell density were measured using a plate reader (Agilent BioTek Synergy H1). The excitation and emission wavelengths for GFP are 479/520 nm, and for mCherry, 587/620 nm. The absorbance at 600 nm was measured as optical density to determine the cell density. Each measurement was performed with an equal volume of blank LB medium control for normalization. In Fig. 3b, a well of empty vector without aTc was used as a blank to distinguish subtle differences. For continuous time course analysis (Fig. 3c, 3e), fluorescence and optical density levels were measured every 10 min while shaking at 800 rpm and incubating at 37°C in a plate reader.
형광 현미경 분석Fluorescence microscopy analysis
1% 아가로스가 포함된 TE 버퍼를 사용하여 아가로스 패드를 준비하고 슬라이드 글라스에 놓았다. 살아있는 세포를 관찰하기 위해 1μl의 세포 배양액을 아가로스 패드에 피펫팅하고 커버 글라스로 덮었다. 현미경 관찰에는 100배 Plan-Neofluar 오일 침지 대물렌즈가 장착된 Zeiss Axioscope A1 형광 현미경을 사용하였다. GFP 신호는 Zeiss 필터 세트 38 (470/40nm 여기 필터, 495nm 빔 스플리터, 525/50nm 방출 필터)을 사용하여 검출했고, mCherry 신호는 Zeiss 필터 세트 20 (546/12nm 여기 필터, 560nm 빔 스플리터, 575-640 방출 필터)을 사용하여 검출했다. 디지털 이미지는 AxioCam HRm 카메라를 사용하여 촬영하였다. 단백질 서브 세포 위치의 동적 조절을 위해 (도 5) 배양된 세포를 펠렛화하고 M9 최소 배지 (Difco M9 Minimal salts, 5x)로 두 번 세척하였다. 그런 다음 세포를 aTc와 함께 배양한 후 현미경을 사용하여 관찰하였다. Agarose pads were prepared using TE buffer containing 1% agarose and placed on slide glasses. To observe live cells, 1 μl of cell culture was pipetted onto the agarose pad and covered with a cover glass. A Zeiss Axioscope A1 fluorescence microscope equipped with a 100x Plan-Neofluar oil immersion objective was used for microscopic observation. GFP signals were detected using Zeiss filter set 38 (470/40 nm excitation filter, 495 nm beam splitter, 525/50 nm emission filter), and mCherry signals were detected using Zeiss filter set 20 (546/12 nm excitation filter, 560 nm beam splitter, 575-640 emission filter). Digital images were captured using an AxioCam HRm camera. For dynamic control of protein subcellular localization (Fig. 5), cultured cells were pelleted and washed twice with M9 minimal medium (Difco M9 Minimal salts, 5x). The cells were then incubated with aTc and observed using a microscope.
이미지의 밝기 조정, 임계값 설정 및 병합은 Adobe Photoshop을 사용하여 처리하였다. 같은 도면은 동일한 조건에서 처리되었다. 도 4b의 세포 분포는 내측 축을 따라 mCherry 형광의 세포 내 분포를 나타내는 것으로 MicrobeJ를 사용하여 생성되었다. 정규화된 강도 프로파일이 사용되었다. 서로 다른 시야각에서 최소 10개의 이미지 (n=3개의 생물학적 복제본)를 분석하였다. 분석을 용이하게 하기 위해 군집된 세포와 잘못 감지된 반점 (면적 <0.01)은 수동으로 제외하였다. 그런 다음 검출된 세포를 길이가 긴 순서대로 정렬하였다. 각 세포의 축을 따라 MicrobeJ를 사용해 생성된 정규화된 mCherry 강도 프로파일의 절반에서 Im 및 Ic 값을 결정하였다. n=3개의 생물학적 복제본에서 3개의 이미지를 분석하였다.Brightness adjustment, thresholding, and merging of images were processed using Adobe Photoshop. The same drawings were processed under identical conditions. The cell distribution in Fig. 4b represents the intracellular distribution of mCherry fluorescence along the medial axis and was generated using MicrobeJ. Normalized intensity profiles were used. At least 10 images (n = 3 biological replicates) from different fields of view were analyzed. To facilitate the analysis, clustered cells and falsely detected spots (area <0.01) were manually excluded. The detected cells were then sorted in ascending order of length. Im and Ic values were determined from half of the normalized mCherry intensity profile generated using MicrobeJ along the axis of each cell. Three images from n = 3 biological replicates were analyzed.
<실험예 1> retron-DNA의 재프로그래밍<Experimental Example 1> Reprogramming of retron-DNA
서열 특이적인 DNA-단백질 상호작용을 유도하기 위하여 retron-DNA의 줄기영역 (stem region)을 프로그래밍하기 위한 실험을 수행하기 위하여, IPTG 유도성 Ptac에 의해 작동되는 템플릿 RNA와 구성적으로 발현되는 역전사 효소를 가진 대장균 BL21에서 유래하는 조작된 Eco1-retron을 코딩하는 플라스미드를 이용하였다 (도 2a). To perform experiments to program the stem region of retron-DNA to induce sequence-specific DNA-protein interactions, we used a plasmid encoding an engineered Eco1-retron derived from E. coli BL21 with a constitutively expressed reverse transcriptase and a template RNA driven by IPTG-inducible Ptac (Fig. 2a).
<1-1> retron-DNA의 카피 수 평가<1-1> Evaluation of copy number of retron-DNA
먼저, 플라스미드에 대한 retron-DNA의 상대적 카피 수 (copy-number)의 비율을 결정하기 위해 2개의 프라이머 세트를 사용하여 정량적 PCR 분석을 수행하였다. 첫 번째 프라이머는 플라스미드의 레트론-DNA와 msd 영역 모두에 어닐링하고 두 번째 프라이머는 플라스미드에만 어닐링한다. First, quantitative PCR analysis was performed using two primer sets to determine the relative copy-number ratio of retron-DNA to plasmid. The first primer anneals to both the retron-DNA and msd regions of the plasmid, and the second primer anneals only to the plasmid.
그 결과, IPTG를 처리한 대장균에서 플라스미드 DNA 대비 레트론의 비율은 538 (± 31.8 SD)에 달했으며 (도 2b), 이는 IPTG를 처리하지 않은 경우 (6.4 ± 1.7 SD)보다 84배 높은 것으로 retron-DNA의 카피 수를 동적으로 조절 가능함을 나타낸다. CloDF13 복제 기원을 가진 플라스미드 카피 수가 세포당 20~40개로 알려져 있다는 점을 감안하면, retron-DNA는 세포당 10,760~21,520카피에 이르게 된다.As a result, the ratio of retron to plasmid DNA in E. coli treated with IPTG reached 538 (±31.8 SD) (Fig. 2b), which was 84-fold higher than that in the case not treated with IPTG (6.4 ± 1.7 SD), indicating that the copy number of retron-DNA can be dynamically controlled. Considering that the copy number of plasmids with CloDF13 replication origin is known to be 20–40 per cell, the number of retron-DNA copies per cell amounts to 10,760–21,520.
<1-2> retron-DNA의 프로그래밍 가능성 평가<1-2> Evaluation of programmability of retron-DNA
다음으로, 줄기영역 (stem region)의 프로그래밍 가능성을 조사하기 위해 retron-DNA 변이체를 생성하고 생산성을 평가하였다 (도 2c). Next, we generated retron-DNA mutants and evaluated their productivity to investigate the programmability of the stem region (Fig. 2c).
그 결과, 구조적 변화 없이 염기서열을 임의로 변이시킨 경우에는 야생형 retron-DNA와 비슷한 생산성을 보인 반면, 내부 루프의 염기를 혼성화된 염기쌍으로 변이시킨 경우 생산성이 감소함을 확인하였다. 이러한 결과는 retron-DNA의 카피수가 염기서열 자체보다는 구조적 요인에 의해 주로 결정된다는 것을 시사한다.As a result, it was confirmed that when the base sequence was randomly mutated without structural change, the productivity was similar to that of the wild-type retron-DNA, whereas when the bases of the internal loop were mutated into hybridized base pairs, the productivity decreased. These results suggest that the copy number of retron-DNA is mainly determined by structural factors rather than the base sequence itself.
대부분의 단백질 결합 DNA는 완전한 이중 가닥이기 때문에, 완전한 혼성화를 유지하되, 줄기 길이를 다양하게 변화시켜 (17~25bp) 생산성의 변화를 확인하였다.Since most protein-bound DNAs are completely double-stranded, we confirmed changes in productivity by varying the strand length (17–25 bp) while maintaining complete hybridization.
그 결과, 21bp 이상일 경우에는 야생형 retron-DNA에 비해 생산성이 90% 감소하였다. 그러나, 90% 감소된 카피수 수는 세포당 1,076~2,125개로 대장균의 평균 단백질 카피수 수 (세포당 ~1,000개)보다 여전히 높은 수치이다. 또한 대부분의 전사인자(TF) 결합 서열이 5~20 bp 범위인 것을 고려할 때, 사용 가능한 줄기 길이 범위는 충분한 것으로 보인다. As a result, when it was 21 bp or longer, the productivity was reduced by 90% compared to the wild-type retron-DNA. However, the 90% reduced copy number was 1,076–2,125 per cell, which is still higher than the average protein copy number of E. coli (~1,000 per cell). In addition, considering that most transcription factor (TF) binding sequences are in the range of 5–20 bp, the available stem length range seems to be sufficient.
상기 결과들은 retron-DNA의 이중 가닥 도메인이 특정 단백질 결합 서열로 다시 인코딩될 수 있는 충분한 프로그래밍 가능성을 가지고 있음을 보여준다.These results demonstrate that the double-stranded domain of retron-DNA has sufficient programmability to be re-encoded with specific protein-binding sequences.
<실험예 2> 전사인자에 결합하는 서열을 코딩하는 pretroDNA의 제작<Experimental Example 2> Production of pretroDNA encoding a sequence that binds to a transcription factor
전사인자 (transcription factor. TF)에 결합하는 서열을 코딩하는 pretroDNA를 이용하여 동적으로 카피 수를 조절할 수 있는 지 조사하기 위한 실험을 수행하기 위해, 표적 전사인자로 TetR과 LuxR을 이용하였다. TetR은 알로스테릭 유도제인 안하이드로테트라사이클린 (anhydrotetracycline, aTc)이 없을 때 PLtetO-1의 tetO에 결합하여 다운스트림 유전자를 억제한다. 이와는 대조적으로, LuxR은 정상적으로 P35LB10 내에서 LuxO로부터 분리되어 있으며, 3OC6HSL (P35LB1039, 3- oxohexanoyl-homoserine lactone)은 LuxR이 LuxO와 결합하여 다운스트림 유전자를 억제하게 한다. To investigate whether the copy number can be dynamically controlled using pretroDNA encoding a transcription factor (TF)-binding sequence, we used TetR and LuxR as target transcription factors. TetR binds to tetO of P LtetO-1 in the absence of the allosteric inducer anhydrotetracycline (aTc) and represses downstream genes. In contrast, LuxR is normally dissociated from LuxO in P 35LB10 , and 3OC 6 HSL (P35LB1039, 3-oxohexanoyl-homoserine lactone) causes LuxR to bind to LuxO and repress downstream genes.
구체적으로, 헤어핀 영역에서 각각 TetR 및 LuxR에 결합하는 tetO (19bp) 또는 luxO (20 bp) 서열을 코딩하는 pretroDNA_tetO 및 pretroDNA_luxO를 생산하였다. 대장균에서 생산된 pretroDNA의 생어 시퀀싱 분석을 통해 설계된 서열 (상단)과 분석된 서열 (하단)이 동일함을 확인하였다 (도 2d). Specifically, pretroDNA_tetO and pretroDNA_luxO, which encode tetO (19 bp) or luxO (20 bp) sequences that bind to TetR and LuxR, respectively, in the hairpin region, were produced. Sanger sequencing analysis of the pretroDNA produced in E. coli confirmed that the designed sequence (top) and the analyzed sequence (bottom) were identical (Fig. 2d).
또한, 0.5mM IPTG를 사용하여 대장균에서 생성된 pretroDNA의 모세관 전기영동 분석을 수행하여 세포 내 생산 (도 2e)을 확인하였으며, 단백질 결합에 충분한 카피수가 생산되는 것을 확인하였다.Additionally, capillary electrophoresis analysis of pretroDNA produced in E. coli using 0.5 mM IPTG was performed to confirm intracellular production (Fig. 2e), confirming that sufficient copies were produced for protein binding.
<실험예 3> pretroDNA의 decoy 능력 검증<Experimental Example 3> Verification of decoy ability of pretroDNA
<3-1> pretroDNA_tetO의 decoy 능력 검증<3-1> Verification of decoy ability of pretroDNA_tetO
TetR에 대한 pretroDNA_tetO의 decoy 능력을 검증하기 위해, pretroDNA_tetO와 PLtetO-1의 작동 하에 GFP가 TetR에 의해 억제되는 TetR/PLtetO-1 회로를 구현하였다 (도 2f). pretroDNA_tetO for TetR To verify the decoy ability, pretroDNA_tetO and P LtetO-1 We implemented the TetR/P LtetO-1 circuit, in which GFP is repressed by TetR under operation (Fig. 2f).
그 결과, IPTG에 의해 유도된 pretroDNA_tetO는 GFP 발현을 초래하고, IPTG 농도 변경만으로도 aTc-GFP 용량 반응과 같은 다양한 프로파일이 생성되는 것을 확인하였다 (도 2g).As a result, we confirmed that pretroDNA_tetO induced by IPTG resulted in GFP expression, and that various profiles, such as aTc-GFP dose response, were generated simply by changing the IPTG concentration (Fig. 2g).
이를 통해, pretroDNA_tetO를 사용하여 목적 유전자의 카피수를 동적으로 조절할 수 있음을 확인할 수 있다.This demonstrates that pretroDNA_tetO can be used to dynamically control the copy number of a target gene.
<3-2> pretroDNA_luxO의 decoy 능력 검증<3-2> Verification of decoy ability of pretroDNA_luxO
LuxR에 대한 pretroDNA_luxO의 decoy 능력을 검증하기 위해, pretroDNA_luxO와 P35LB10의 작동 하에 GFP가 3OC6HSL와 결합된 LuxR에 의해 억제되는 LuxR/P35LB10 회로를 구현하였다 (도 2h). P35LB10의 조정된 전사 활동을 측정된 GFP 수준과 빠르게 동기화하기 위해 ASV 분해 태그된 GFP를 사용하였다.To verify the decoy ability of pretroDNA_luxO for LuxR, we implemented a LuxR/P3 5LB10 circuit in which GFP is repressed by LuxR bound to 3OC 6 HSL under the operation of pretroDNA_luxO and P 35LB10 (Fig. 2h). ASV degradation-tagged GFP was used to rapidly synchronize the coordinated transcriptional activity of P35LB10 with the measured GFP level.
그 결과, IPTG에 의해 유도된 pretroDNA_luxO는 GFP 발현을 초래하고, 회로의 동적 미세 조정은 IPTG 농도를 변화시킴으로써 달성됨을 확인하였다 (도 2i). As a result, we confirmed that pretroDNA_luxO induced by IPTG leads to GFP expression, and dynamic fine-tuning of the circuit is achieved by varying the IPTG concentration (Fig. 2i).
<3-3> pretroDNA의 호환성과 직교성 검증<3-3> Verification of compatibility and orthogonality of pretroDNA
mCherry를 발현시키는 TetR/PLtetO-1 회로와 GFP를 발현시키는 LuxR/P35LB10 회로를 사용하여 두 pretroDNA의 호환성과 직교성을 조사하기 위한 실험을 수행하였다 (도 2j). Experiments were performed to investigate the compatibility and orthogonality of the two pretroDNAs using the TetR/P LtetO-1 circuit expressing mCherry and the LuxR/P 35LB10 circuit expressing GFP (Fig. 2j).
그 결과, 두 pretroDNA가 함께 발현된 경우에만 mCherry와 GFP 출력이 모두 켜진 반면, pretroDNA_tetO 또는 pretroDNA_luxO만 발현된 경우에는 각각 mCherry 또는 GFP 출력 신호만 발생함을 확인하였다 (도 2k). As a result, we confirmed that both mCherry and GFP outputs were turned on only when both pretroDNAs were expressed together, whereas only mCherry or GFP output signals were generated when only pretroDNA_tetO or pretroDNA_luxO was expressed, respectively (Fig. 2k).
전반적으로 이러한 결과는 pretroDNA가 표적 단백질과 특이적으로 상호작용할 수 있으며, 전사인자에 결합하는 pretroDNA가 전사인자 기반 유전자 네트워크의 동적 미세 조정을 위한 번역 후 전사인자 조절자로서 일반화 가능한 역할을 할 수 있음을 확인시켜준다.Overall, these results confirm that pretroDNA can specifically interact with target proteins and that pretroDNA binding to transcription factors may play a generalizable role as a post-translational transcription factor regulator for the dynamic fine-tuning of transcription factor-based gene networks.
<실험예 4> pretroDNA/aTF를 이용한 동적 피드백 회로 구성<Experimental Example 4> Dynamic feedback circuit configuration using pretroDNA/aTF
pretroDNA decoy의 동적 카피 수 조정 기능을 활용하여 pretroDNA decoy를 표적 전사인자 반응 프로모터에 다시 연결하여 자동화된 피드백 루프를 구축하였다 (도 1c).Taking advantage of the dynamic copy number regulation capability of the pretroDNA decoy, we re-linked the pretroDNA decoy to the target transcription factor-responsive promoter to establish an automated feedback loop (Fig. 1c).
<4-1> 포지티브 피드백 (positive feedback loop) 루프 설계 <4-1> Positive feedback loop design
먼저, PLtetO-1에 의해 작동가능하게 연결된 pretroDNA_tetO가 aTc에 의해 유도되고 이후 TetR을 decoy하여 자체 발현을 증폭하는 포지티브 피드백 루프를 설계하였다 (도 3a). 포지티브 피드백은 바이오센서 개발에서 누출을 제어하여 감도를 향상시키는 데 유용하므로 도 2f 및 2g에 사용된 최적화된 TetR 기반 aTc 바이오센서에 pretroDNA_tetO 기반 피드백을 통합하였다. 이 결합된 바이오센서는 dRT 대조군에 비해 감도가 최대 0.14 ng/ml로 크게 향상되었다 (도 3b). First, we designed a positive feedback loop in which pretroDNA_tetO, which is operably linked to P LtetO-1 , is induced by aTc and then decoys TetR to amplify its own expression (Fig. 3a). Since positive feedback is useful for controlling leakage in biosensor development to improve sensitivity, we integrated pretroDNA_tetO-based feedback into the optimized TetR-based aTc biosensor used in Figs. 2f and 2g. This combined biosensor showed a significant improvement in sensitivity up to 0.14 ng/ml compared to the dRT control (Fig. 3b).
<4-2> a1/a2 영역 엔지니어링을 통한 피드백 강도 조정<4-2> Adjusting feedback strength through a1/a2 area engineering
또한, retron-DNA 생산성에 영향을 미치는 것으로 알려진 템플릿 RNA의 a1/a2 영역을 엔지니어링하여 피드백 강도를 조정하려고 시도하였다. 확장된 a1/a2 (23bp)로 피드백을 강화한 결과 백그라운드 노이즈 (background noise)도 증가한 반면, 감도가 ~0.05ng/ml로 더욱 개선되었다. Additionally, we attempted to tune the feedback strength by engineering the a1/a2 region of template RNA, which is known to affect retron-DNA productivity. Strengthening the feedback with an extended a1/a2 (23 bp) resulted in increased background noise, while further improving the sensitivity to ~0.05 ng/ml.
이러한 결과는 pretroDNA 기반 포지티브 피드백이 TF 기반 바이오센서의 감도를 향상시킬 수 있으며 피드백 강도의 미세 조정을 통해 추가 최적화를 달성할 수 있음을 시사한다.These results suggest that pretroDNA-based positive feedback can enhance the sensitivity of TF-based biosensors, and further optimization can be achieved through fine-tuning of the feedback strength.
<4-3> 포지티브 피드백을 이용한 장기 기억 유도<4-3> Inducing long-term memory using positive feedback
pretroDNA_tetO 기반 포지티브 피드백이 일시적인 aTc 노출을 장기 기억으로 전환할 수 있는지 여부를 조사하였다. We investigated whether pretroDNA_tetO-based positive feedback could convert transient aTc exposure into long-term memory.
이를 테스트하기 위해 먼저 세포를 100 ng/ml aTc로 3.5시간 동안 배양한 다음 세척하고 aTc가 없는 신선한 배지로 정기적으로 희석하였다. To test this, cells were first cultured with 100 ng/ml aTc for 3.5 h, then washed and regularly diluted with fresh medium lacking aTc.
그 결과, dRT 및 빈 벡터 대조군은 aTc 제거 후 5시간이 지나자 GFP가 기저 수준까지 빠르게 감소하는 것으로 나타났으나 (도 3c), 포지티브 피드백 회로 (a12)는 5시간과 22시간에 각각 82%와 29%를 유지하며 훨씬 더 느린 감쇠를 보였다. 피드백이 더 강한 또 다른 회로 (a23)는 최대 18시간까지 GFP의 감소가 뚜렷하지 않고 메모리가 확장된 것으로 나타났다. As a result, dRT and empty vector controls showed a rapid decrease in GFP to basal levels 5 h after aTc removal (Fig. 3c), but the positive feedback circuit (a12) showed a much slower decay, maintaining 82% and 29% at 5 and 22 h, respectively. Another circuit with stronger feedback (a23) showed an extended memory with no significant decrease in GFP up to 18 h.
<4-4> 네가티브 피드백 (negative feedback loop) 루프 설계 <4-4> Negative feedback loop design
pretroDNA_luxO와 LuxR을 사용하여 네가티브 피드백 루프를 구성하고 이를 LuxR/P35LB10 회로와 통합하였다 (도 3d). 이 결합 회로에서 3OC6HSL은 P35LB10 작동에 의해 GFP를 억제하고 동시에 3OC6HSL에 결합된 LuxR에 의해 활성화되는 프로모터인 Plux 아래에서 pretroDNA_luxO를 유도한다. 우리는 이 회로가 GFP의 즉각적인 억제와 지연된 pretroDNA_luxO 매개 탈억제 사이의 시간 차이로 인해 GFP 발현에서 역동적인 "감소 후 회복" 반응을 보일 것으로 예상하였다(그림 3f). 예상되는 반응 역학은 네가티브 피드백이 있는 세포에서 관찰된 반면, dRT 제어는 회복 없이 감소만 나타났다 (그림 3e 및 3f). We constructed a negative feedback loop using pretroDNA_luxO and LuxR and integrated it with the LuxR/P 35LB10 circuit (Fig. 3d). In this coupled circuit, 3OC 6 HSL represses GFP by P 35LB10 operation and simultaneously induces pretroDNA_luxO under the promoter P lux , which is activated by LuxR bound to 3OC 6 HSL. We expected that this circuit would exhibit a dynamic “decay-then-recovery” response in GFP expression due to the timing difference between immediate repression of GFP and delayed pretroDNA_luxO-mediated derepression (Fig. 3f). The expected response kinetics were observed in cells with negative feedback, whereas the dRT control only exhibited decay without recovery (Figs. 3e and 3f).
이러한 결과를 종합하면, pretroDNADNA의 동적 복제본 수 조절 능력이 조절 전사 시스템과 결합하여 자동화된 피드백 회로를 구성하는 데 활용될 수 있음을 보여준다.Taken together, these results demonstrate that the dynamic copy number controllability of pretroDNA can be utilized in combination with regulatory transcription systems to form automated feedback circuits.
<실험예 5> pretroDNA/aTF를 이용한<Experimental Example 5> Using pretroDNA/aTF 단백질의 세포 내 위치 조절Regulation of protein localization within cells
<5-1> 세포 내 위치 조절<5-1> Control of intracellular location
알로스테릭 전사인자 (aTF)와 preroDNA를 이용하여 단백질 세포 내 위치를 조절하기 위한 실험을 수행하였다. Experiments were performed to control protein subcellular localization using allosteric transcription factors (aTFs) and preroDNA.
역전사효소는 역전사가 완료된 후에도 레트론-DNA에 결합되어 있는 것으로 알려져 있으며 (도 1a), 이는 retron-DNA가 임의의 단백질 "카고 (cargo)"에 태그를 붙일 수 있음을 시사한다 (도 1d). 이 개념을 입증하기 위해 역전사효소와 카고 단백질인 mCherry를 (GGGGS)2 링커로 융합하고, 융합 단백질의 역전사효소 성능을 평가하였다 (도 4a). N- 및 C- 말단 역전사효소 융합 mCherry 모두에서 pretroDNA_tetO가 생성됨을 확인하였으며, 이는 카고 단백질이 역전사효소의 양쪽 끝에서 모두 융합 가능함을 나타낸다.It is known that reverse transcriptase remains bound to retron-DNA even after reverse transcription is completed (Fig. 1a), suggesting that retron-DNA can tag arbitrary protein “cargo” (Fig. 1d). To verify this concept, reverse transcriptase and cargo protein mCherry were fused with a (GGGGS) 2 linker, and the reverse transcriptase performance of the fusion proteins was evaluated (Fig. 4a). We confirmed that pretroDNA_tetO was generated from both N- and C-terminal reverse transcriptase fusion mCherry, indicating that cargo proteins can be fused to both ends of reverse transcriptase.
그런 다음, mCherry (cargo)를 pretroDNA_tetO (prey)의 안내에 따라 미리 세포 내 위치한 TetR (bait)과 동일한 곳에 위치시킬 수 있는지 확인하였다. 미리 세포 내 위치한 TetR로 Tar-TetR-GFP 융합 단백질을 사용했는데, 여기서 Tar는 극에 집중된 내막에 위치하는 화학수용체 (chemoreceptor) 단백질이다. 극막에서 GFP와 mCherry의 동일한 위치 조절은 pretroDNA_tetO 및 mCherry-RT를 발현하는 세포에서 관찰된 반면 (도 4b), WT retorn-DNA 또는 mCherry-dRT를 사용한 대조군에서는 mCherry 신호가 세포질 전체에 균일하게 분포되어 있었다. We then verified whether mCherry (cargo) could be colocalized with the pre-localized TetR (bait) under the guidance of pretroDNA_tetO (prey). We used a Tar-TetR-GFP fusion protein as the pre-localized TetR, where Tar is a chemoreceptor protein localized at the poles. Colocalization of GFP and mCherry at the poles was observed in cells expressing pretroDNA_tetO and mCherry-RT (Fig. 4b), whereas in the controls using WT retorn-DNA or mCherry-dRT, the mCherry signal was uniformly distributed throughout the cytoplasm.
이러한 결과는 mCherry의 위치 조절이 TetR 도메인과 pretroDNA_tetO 사이의 특정 결합에 의해 유도된다는 것을 보여준다. RT-mCherry에서도 유사한 결과가 관찰되었으며, 이는 pretroDNA가 단백질의 양쪽 끝에서 기능적으로 태그될 수 있음을 시사한다. These results demonstrate that mCherry localization is induced by specific binding between the TetR domain and pretroDNA_tetO. Similar results were observed for RT-mCherry, suggesting that pretroDNA can be functionally tagged at both ends of the protein.
그런 다음 모듈성을 조사하기 위해 Tar과 유사한 또다른 극에 집중된 내막에 위치하는 화학수용체인 Tsr, 막 전체에 고르게 분포하는 것으로 알려진 내막 단백질인 TatA, 극에 위치하는 응축물 형성 (condensate-forming) 단백질인 PopZ를 포함한 다른 위치에 존재하는 단백질도 테스트하였다. 각각의 단백질을 TetR-GFP와 융합하고 pretroDNA_tetO 및 RT-mCherry와 공동 발현시켰다. WT retron-DNA와 달리, 세 가지 경우 모두에서 예상되는 위치에 GFP와 mCherry의 공동 위치화가 관찰되었다 (도4c 내지 4e).To investigate modularity, we then tested proteins present at other localizations, including Tsr, another inner membrane chemoreceptor similar to Tar, TatA, an inner membrane protein known to be evenly distributed throughout the membrane, and PopZ, a polar condensate-forming protein. Each protein was fused to TetR-GFP and co-expressed with pretroDNA_tetO and RT-mCherry. In contrast to WT retron-DNA, co-localization of GFP and mCherry at the expected locations was observed in all three cases ( Figures 4C–E ).
<5-2> 세포 내 위치의 동적 조절<5-2> Dynamic regulation of intracellular location
알로스테릭 전사인자 (aTF)와 preroDNA를 이용하여 특정 자극 반응성 단백질의 세포 내 위치를 동적으로 전환하기 위한 실험을 수행하였다.We performed experiments to dynamically switch the subcellular localization of specific stimulus-responsive proteins using allosteric transcription factors (aTFs) and preroDNA.
구체적으로, Tar-TetR-GFP, pretroDNA_tetO 및 mCherry-RT를 선택하여 Tar-TetR-GFP와 pretroDNA_tetO/mCherry-RT 복합체 사이의 특정 결합이 aTc에 의해 번역 후 역전될 수 있는지 테스트하였다 (도 5a).Specifically, we selected Tar-TetR-GFP, pretroDNA_tetO, and mCherry-RT to test whether the specific binding between Tar-TetR-GFP and pretroDNA_tetO/mCherry-RT complex could be post-translationally reversed by aTc (Fig. 5a).
이를 위해 모든 성분을 발현시키기 위해 LB 배지에서 세포를 배양한 다음, aTc 첨가 전 추가 성장과 유전자 발현을 약화시키기 위해 탄소원이 없는 M9 최소 배지에서 1시간 동안 배양하고 형광 현미경으로 관찰하였다.To this end, cells were cultured in LB medium to express all components, then cultured for 1 h in M9 minimal medium without carbon source to attenuate further growth and gene expression before addition of aTc, and observed under a fluorescence microscope.
그 결과, aTc의 농도가 증가함에 따라 극에 집중되어 있던 mCherry 신호가 균일한 분포로 재위치화되는 것을 확인할 수 있었다 (도 5b). As a result, it was confirmed that the mCherry signal, which was concentrated at the poles, was relocated to a uniform distribution as the concentration of aTc increased (Fig. 5b).
이를 정량적으로 분석하기 위해 각 세포의 라인 스캔 플롯 프로파일 (line-scan plot profiles)에서 최대 강도 (Im)와 중심 강도 (Ic)의 비율을 계산하였다 (도 5a). Im/Ic 비율은 극점에서 1보다 높고 균일한 분포의 경우 1과 같다. 이 비율은 aTc를 사용하지 않은 경우 3.9 (± 2.5, SD)에서, 10 ng/ml aTc를 사용한 경우 1.1 (± 0.43, SD)로 점차 감소하였다 (도 5c). To quantitatively analyze this, the ratio of the maximum intensity (I m ) to the center intensity (I c ) was calculated from the line-scan plot profiles of each cell (Fig. 5a). The I m /I c ratio is higher than 1 at the poles and equal to 1 for a uniform distribution. This ratio gradually decreased from 3.9 (±2.5, SD) when no aTc was used to 1.1 (±0.43, SD) when 10 ng/ml aTc was used (Fig. 5c).
다음으로, 재위치화에 필요한 시간을 조사하기 위해 aTc를 첨가한 후 5분 부터 세포를 관찰하였다. 그 결과, 도 5d 및 도 5e에 나타난 바와 같이, 5분 만에 재위치화가 거의 완료되었고 그 이후에는 눈에 띄는 변화가 없음을 확인하였다. 이는 번역 후 수준에서 거의 즉시 전환이 발생한다는 것을 나타낸다. Next, to investigate the time required for relocalization, cells were observed starting 5 minutes after the addition of aTc. As a result, as shown in Figures 5d and 5e, it was confirmed that relocalization was almost complete within 5 minutes and there was no noticeable change thereafter. This indicates that the transition occurs almost immediately at the post-translational level.
전반적으로 이러한 결과는 aTF/pretroDNA 쌍의 특정 자극-반응성을 단백질 세포 내 위치의 동적 조절을 위해 사용될 수 있음을 보여준다.Overall, these results demonstrate that the specific stimulus-responsiveness of the aTF/pretroDNA pair can be used to dynamically regulate protein subcellular localization.
<실험예 6> pretroDNA/aTF를 이용한<Experimental Example 6> Using pretroDNA/aTF 단백질의 기능 조절Regulation of protein function
<6-1> 단백질 기능의 조절<6-1> Regulation of protein function
알로스테릭 전사인자 (aTF)와 pretroDNA를 이용하여 단백질 기능을 조절할 수 있는지 확인하기 위한 실험을 수행하기 위해, 부위 특이적 Cre 재조합효소를카고 단백질로, RFP 인코딩 리포터 플라스미드를 Cre의 기질로, PopZ-TetR-GFP condensate를 분자 허브로 사용하였다. Cre는 두 loxP 부위 사이에 위치한 터미네이터 서열을 절제하여 리포터 플라스미드가 구성적으로 RFP를 발현하도록 변형시킨다.To determine whether protein function can be regulated using an allosteric transcription factor (aTF) and pretroDNA, site-specific Cre recombinase was used as a cargo protein, an RFP-encoding reporter plasmid was used as a substrate for Cre, and PopZ-TetR-GFP condensate was used as a molecular hub. Cre excises the terminator sequence located between two loxP sites, modifying the reporter plasmid to constitutively express RFP.
Cre 단량체는 loxP 서열에 순차적으로 결합한 다음 촉매 활성 사면체 복합체로 조립되어 국소적으로 농축된 Cre가 사면체화를 촉진하여 재결합 기능을 향상시킨다. 최근 PopZ condensate는 분리 효소를 국소적으로 농축하여 대장균에서 촉매 활성을 높이는 분자 발판으로 용도가 변경되었다. 이에, pretroDNA_tetO 태깅을 통해 PopZ-TetR-GFP condensate에 Cre를 국소적으로 농축하면 절제 활성이 향상되는지 조사했으며, 이는 배양된 세포의 RFP 수준을 측정하여 확인하였다(도 5g).Cre monomers sequentially bind to loxP sequences and then assemble into a catalytically active tetrahedral complex, where locally concentrated Cre promotes tetrahedralization and enhances recombination function. Recently, PopZ condensates have been repurposed as molecular scaffolds to locally concentrate the separase enzyme and enhance its catalytic activity in E. coli . Here, we investigated whether locally concentrating Cre in PopZ-TetR-GFP condensates via pretroDNA_tetO tagging would enhance excision activity, as confirmed by measuring RFP levels in cultured cells ( Fig. 5g ).
그 결과, pretroDNA_tetO 태그가 부착된 Cre는 pretroDNA_tetO가 없는 대조군에 비해 더 높은 RFP 수준을 보였다 (도 5h). aTc를 추가하면 증가가 상쇄되지만, 역전사 후 역전사효소 이량체화가 부분적으로 사량체화를 촉진하기 때문에 pretroDNA_tetO가 없는 대조군보다 RFP 수준이 여전히 약간 높았다. As a result, Cre tagged with pretroDNA_tetO showed higher RFP levels than the control without pretroDNA_tetO (Fig. 5h). Although the increase was offset by the addition of aTc, the RFP level was still slightly higher than the control without pretroDNA_tetO, possibly because post-reverse transcription reverse transcriptase dimerization partially promotes tetramerization.
이러한 결과는 pretroDNA/aTF 시스템을 통해 카고의 위치화 뿐만 아니라 aTF 유도제에 반응하는 기능도 사후적으로 제어할 수 있음을 보여준다. These results demonstrate that the pretroDNA/aTF system can be used to post-transcriptionally control not only cargo localization but also its ability to respond to aTF inducers.
<6-2> 단백질 번역 후 수준에서 기능과 위치 제어<6-2> Function and location control at the post-translational level of proteins
pretroDNA_tetO 매개 Cre 제어 시스템이 탄소원이 없는 최소 배지에서 발생하는 짧은 aTc 노출 이벤트를 기록할 수 있는지 확인하는 실험을 수행하였다. 이를 위해 aTc가 없는 상태에서 모든 구성 요소를 발현하도록 세포를 배양한 다음 M9 배지로 옮기고 다양한 노출 시간에서 aTc에 노출시켰다 (도 5i 및 5j). We performed experiments to determine whether the pretroDNA_tetO-mediated Cre control system can record brief aTc exposure events occurring in minimal medium without carbon sources. To do this, cells were cultured expressing all components in the absence of aTc, then transferred to M9 medium and exposed to aTc for various exposure times (Fig. 5i and 5j).
그 결과, aTc에 노출된 세포의 배양물은 aTc에 노출되지 않은 대조군에 비해 현저히 낮은 RFP 수준을 보였는데, 이는 aTc 노출이 pretroDNA_tetO 태그된 Cre의 번역 후 기능 상태를 거의 비가역적으로 전환시킨다는 것을 나타낸다. 특히, 단 1분 노출만으로도 RFP 수준이 거의 두 배 가까이 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 자원이 부족한 환경에서 1분이라는 짧은 시간 동안의 aTc에 대한 즉각적인 노출을 판독 가능한 형광 출력 변화의 유전적 메모리로 변환하는 기록 장치로 기능할 수 있음을 확인시켜 준다. As a result, cultures of cells exposed to aTc showed significantly lower RFP levels compared to controls that were not exposed to aTc, indicating that aTc exposure almost irreversibly switches the post-translational functional state of pretroDNA_tetO-tagged Cre. In particular, a mere 1-min exposure was found to decrease RFP levels by nearly twofold. These results confirm that aTc can function as a recording device that converts immediate exposure to aTc for as short a time as 1 min into a genetic memory of readable fluorescence output changes in resource-poor environments.
전반적으로 이러한 결과는 pretroDNA/aTF를 적용하면 유도성 전사 시스템을 특정 트리거 자극에 의해 즉시 활성화되고 자원이 부족한 환경에서도 미리 정의된 작업을 수행할 수 있는 번역 후 빠른 작동 장치로 변형시킬 수 있음을 시사한다.Overall, these results suggest that application of pretroDNA/aTF can transform the inducible transcription system into a post-translational rapid effector that is readily activated by specific trigger stimuli and can perform predefined tasks even in resource-poor environments.
<실시예 7> PretroDNA를 이용한 여러 단백질의 공동 위치화<Example 7> Co-localization of multiple proteins using pretroDNA
각각 9bp DNA 결합 서열을 가진 대표적인 Zinc-fingers (ZF)인 PBSII와 Zif268을 표적으로 선정하고, 두 ZF 결합 서열을 단일 분자 내에 암호화하는 pretroDNA_PZ를 설계하고, pretroDNA_PZ가 두 표적과 동시에 상호작용할 수 있는지 확인하기 위해 분할 YFP 재조립 분석 (split YFP reassembly assay)을 수행하였다 (도 6a). PBSII와 Zif268은 각각 분할된 YFP의 N-말단과 C-말단 부분에 융합되었다. We selected PBSII and Zif268, representative zinc-fingers (ZFs) each having a 9-bp DNA-binding sequence, as targets, designed pretroDNA_PZ encoding two ZF-binding sequences in a single molecule, and performed a split YFP reassembly assay to verify whether pretroDNA_PZ can simultaneously interact with the two targets (Fig. 6a). PBSII and Zif268 were fused to the N-terminal and C-terminal parts of split YFP, respectively.
그 결과, 도 6b에 나타난 바와 같이, pretroDNA_PZ를 발현하는 세포는 dRT 대조군에 비해 YFP 형광 수준이 6.4배 증가하였는데, 이는 pretroDNA_PZ에 대한 공동 위치화가 YFP의 근접 유도 재조립을 초래함을 시사한다. 흥미롭게도 각각의 ZF 결합 서열을 코딩하는 pretroDNA를 발현했을 때 약간의 형광 증가가 관찰되었는데, 이는 pretroDNA 결합으로 인해 단백질의 안정성 또는 수명이 향상되었기 때문일 수 있다. As a result, as shown in Fig. 6b, cells expressing pretroDNA_PZ showed a 6.4-fold increase in YFP fluorescence level compared to the dRT control, suggesting that co-localization with pretroDNA_PZ leads to proximity-induced reassembly of YFP. Interestingly, a slight increase in fluorescence was observed when pretroDNA encoding each ZF binding sequence was expressed, which may be due to enhanced stability or lifetime of the protein due to pretroDNA binding.
이러한 결과는 pretroDNA가 ZF와 상호작용할 뿐만 아니라 두 개의 다른 단백질과 동시에 상호작용할 수 있음을 확인하여 pretroDNA가 여러 단백질의 공동 위치화를 위한 프로그래밍 가능한 분자 스캐폴드 역할을 할 수 있음을 시사한다.These results demonstrate that pretroDNA can not only interact with the ZF but also interact with two other proteins simultaneously, suggesting that pretroDNA may serve as a programmable molecular scaffold for co-localization of multiple proteins.
Claims (22)
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR10-2023-0124070 | 2023-09-18 | ||
| KR20230124070 | 2023-09-18 | ||
| KR1020240124808A KR20250042094A (en) | 2023-09-18 | 2024-09-12 | Engineered retrons comprising DNA-binding protein-specific binding sites and uses thereof |
| KR10-2024-0124808 | 2024-09-12 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2025063625A1 true WO2025063625A1 (en) | 2025-03-27 |
Family
ID=95071734
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/KR2024/013902 Pending WO2025063625A1 (en) | 2023-09-18 | 2024-09-12 | Engineered retron comprising dna binding protein-specific binding site, and use thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| WO (1) | WO2025063625A1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20170128137A (en) * | 2016-05-13 | 2017-11-22 | 연세대학교 산학협력단 | Generation and tracking of substitution mutations in the genome using a CRISPR/Retron system |
| KR20220081988A (en) * | 2019-09-12 | 2022-06-16 | 더 제이. 데이비드 글래드스톤 인스티튜트, 어 테스터멘터리 트러스트 이스타빌리쉬드 언더 더 윌 오브 제이. 데이비드 글래드스톤 | Modified bacterial retrofactors to enhance DNA production |
| WO2023081756A1 (en) * | 2021-11-03 | 2023-05-11 | The J. David Gladstone Institutes, A Testamentary Trust Established Under The Will Of J. David Gladstone | Precise genome editing using retrons |
| US20230235365A1 (en) * | 2022-01-21 | 2023-07-27 | Renagade Therapeutics Management Inc. | Engineered retrons and methods of use |
-
2024
- 2024-09-12 WO PCT/KR2024/013902 patent/WO2025063625A1/en active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20170128137A (en) * | 2016-05-13 | 2017-11-22 | 연세대학교 산학협력단 | Generation and tracking of substitution mutations in the genome using a CRISPR/Retron system |
| KR20220081988A (en) * | 2019-09-12 | 2022-06-16 | 더 제이. 데이비드 글래드스톤 인스티튜트, 어 테스터멘터리 트러스트 이스타빌리쉬드 언더 더 윌 오브 제이. 데이비드 글래드스톤 | Modified bacterial retrofactors to enhance DNA production |
| WO2023081756A1 (en) * | 2021-11-03 | 2023-05-11 | The J. David Gladstone Institutes, A Testamentary Trust Established Under The Will Of J. David Gladstone | Precise genome editing using retrons |
| US20230235365A1 (en) * | 2022-01-21 | 2023-07-27 | Renagade Therapeutics Management Inc. | Engineered retrons and methods of use |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| JIANG WENJUN, SIVAKRISHNA RAO GUNDRA, AMAN RASHID, BUTT HAROON, KAMEL RADWA, SEDEEK KHALID, MAHFOUZ MAGDY M: "High-efficiency retron-mediated single-stranded DNA production in plants", SYNTHETIC BIOLOGY, vol. 7, no. 1, 26 November 2022 (2022-11-26), pages 1 - 9, XP093024993, DOI: 10.1093/synbio/ysac025 * |
| LEE GEONHU, KIM JONGMIN: "Engineered retrons generate genome-independent protein-binding DNA for cellular control", BIORXIV, 1 September 2023 (2023-09-01), Cold Spring Harbor, pages 1 - 14, XP093294151, ISSN: 2692-8205, DOI: 10.1101/2023.09.27.556556 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Leydon et al. | Repression by the Arabidopsis TOPLESS corepressor requires association with the core mediator complex | |
| Meng et al. | A bacterial one-hybrid system for determining the DNA-binding specificity of transcription factors | |
| CN103992393B (en) | Modular DNA binding domains and methods of use | |
| Mattijssen et al. | LARP4 mRNA codon-tRNA match contributes to LARP4 activity for ribosomal protein mRNA poly (A) tail length protection | |
| Gamba et al. | A novel feedback loop that controls bimodal expression of genetic competence | |
| CN108026519A (en) | The composition and method for particular locus protein being directed in genome | |
| JP2018522544A (en) | Thermostable CAS9 nuclease | |
| Fussenegger et al. | Autoregulated multicistronic expression vectors provide one‐step cloning of regulated product gene expression in mammalian cells | |
| Kiuchi et al. | Two CCCH-type zinc finger domains in the Masc protein are dispensable for masculinization and dosage compensation in Bombyx mori | |
| WO2013074911A1 (en) | Blue-light inducible system for gene expression | |
| Bose | Genetic manipulation of staphylococci | |
| Zhang et al. | [5] Yeast three-hybrid system to detect and analyze interactions between RNA and protein | |
| CN106544322A (en) | A kind of reporting system and its construction method for studying Kiss1 gene expression regulations | |
| CN108165551B (en) | An improved promoter and its T vector and application | |
| Miller et al. | Translational repression: biological activity of plasmid-encoded bacteriophage T4 RegA protein | |
| WO2025063625A1 (en) | Engineered retron comprising dna binding protein-specific binding site, and use thereof | |
| EP3737754A1 (en) | Recombination systems for high-throughput chromosomal engineering of bacteria | |
| WO2020091069A1 (en) | Split cpf1 protein | |
| EP1423523B1 (en) | Antibiotic-based gene regulation system | |
| Jones et al. | Interspecific comparisons of the structure and regulation of the Drosophila ecdysone-inducible gene E74. | |
| US6902886B1 (en) | Genetic assay for protein nuclear transport | |
| Zhang et al. | [27] Yeast three-hybrid system to detect and analyze RNA-protein interactions | |
| Kondoh et al. | Dissection of chick genomic regulatory regions | |
| KR20250042094A (en) | Engineered retrons comprising DNA-binding protein-specific binding sites and uses thereof | |
| Lepage et al. | Expression of exogenous mRNAs to study gene function in the sea urchin embryo |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 24868603 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |