With the development of next-generation sequencing technology, ever-expanding databases of genetic information from various organisms are available to researchers. However, our ability to study the biological meaning of genetic information and to apply our genetic knowledge to produce genetically modified crops and animals is limited, largely due to the lack of molecular tools to manipulate genomes. Recently, targeted cleavage of the genome using engineered DNA scissors called zinc finger nucleases (ZFNs) has successfully supported the precise manipulation of genetic information in various cells, animals, and plants. In this review, we will discuss the development and applications of ZFN technology for genome engineering and highlight recent reports on its use in plants.
Myostatin represses muscle growth by negatively regulating the number and size of muscle fibers. Myostatin loss-of-function can result in the double-muscling phenotype and increased muscle mass. Thus, knockout of myostatin gene could improve the quality of meat from mammals. In the present study, zinc finger nucleases, a useful tool for generating gene knockout animals, were designed to target exon 1 of the myostatin gene. The designed ZFNs were introduced into porcine primary fibroblasts and early implantation embryos via electroporation and microinjection, respectively. Mutations around the ZFNs target site were detected in both primary fibroblasts and blastocysts. The proportion of mutant fibroblast cells and blastocyst was 4.81% and 5.31%, respectively. Thus, ZFNs can be used to knockout myostatin in porcine primary fibroblasts and early implantation embryos.
Myostatin (MSTN) can negatively regulate the growth and development of skeletal muscle, and natural mutations can cause "double-muscling" trait in animals. In order to block the inhibiting effect of MSTN on muscle growth, we transferred zinc-finger nucleases (ZFN) which targeted sheep MSTN gene into cultured fibroblasts. Gene targeted colonies were isolated from transfected fibroblasts by serial dilution culture and screened by sequencing. Two colonies were identified with mono-allele mutation and one colony with bi-allelic deletion. Further, we introduced the MSTN-ZFN mRNA into sheep embryos by microinjection. Thirteen of thirty-seven parthenogenetic embryos were targeted by ZFN, with the efficiency of 35%. Our work established the technical foundation for generation of MSTN gene editing sheep by somatic cloning and microinjection ZFN into embryos.
Programmable nucleases, which include zinc-finger nucleases (ZFNs), transcription activator-like effector nucleases (TALENs), and RNA-guided engineered nucleases (RGENs) repurposed from the type II clustered, regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)-CRISPR-associated protein 9 (Cas9) system are now widely used for genome editing in higher eukaryotic cells and whole organisms, revolutionising almost every discipline in biological research, medicine, and biotechnology. All of these nucleases, however, induce off-target mutations at sites homologous in sequence with on-target sites, limiting their utility in many applications including gene or cell therapy. In this review, we compare methods for detecting nuclease off-target mutations. We also review methods for profiling genome-wide off-target effects and discuss how to reduce or avoid off-target mutations.
Monogenic disease의 치료를 위한 하나의 전략으로 viral vector를 이용한 gene therapy에 비해 독성이 적은 gene targeting 기술을 이용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 이러한 연구의 주된 관점은 자연적인 HR의 낮은 효율을 개선하기 위한 DSB 유도 방법으로, 선택성을 높일 수 있는 긴 염기서열의 인식이 가능한 artificial endonuclease의 개발이다. 본 글에서는 이러한 artificial endonuclease 중, 가장 많이 연구 되고 있는 homing endonuclease와 zinc finger nuclease를 간략히 소개하였다. 전자와 후자 모두, 인식 서열에 대한 일정 수준의 tolerance (인식 서열 일부가 특이적이지 않아 다른 염기로 구성된 경우)가 존재하여, 일정한 비율로 다른 target을 절단할 수 있는 가능성이 존재한다. 이러한 점은, meganucleases를 치료 목적으로 이용할 때 세포 독성을 나타내는 근본원인 중 하나이다. 두 종 모두 이러한 특성을 가짐에도 불구하고, 완전한 비자연적인 후자보다는 전자의 경우가 보다 효과적이며 낮은 세포독성을 보이는 것으로 보고되고 있다. 물론 실험 조건이나 적용되는 세포 종류, 인위적인 단백질의 발현 정도에 따라 세포 독성유무 또는 정도에 차이가 나타남이 확인되고 있다. 이러한 사실들에 근거할 때, gene targeting을 유도하기 위한 artificial endonuclease의 서열 특이성을 증대시키는 것이 가장 중요하나, 그 외 여러 인자들에 대한 복합적인 연구 역시 필요함을 보여준다. 현재까지 실제 치료제로 쓰인 예는 없지만, 시험관내에서 보이는 결과와 모델 개체에서 이루어진 표적화정도, 관련된 단백질 치료제들이 지닌 잠재성을 비교할 때 매우 큰 가능성을 지니고 있음은 충분히 확인할 수 있다.
Chimeric antigen receptor (CAR) T-cell therapy, an emerging immunotherapy, has demonstrated promising clinical results in hematological malignancies including B-cell malignancies. However, accessibility to this transformative medicine is highly limited due to the complex process of manufacturing, limited options for target antigens, and insufficient anti-tumor responses against solid tumors. Advances in gene-editing technologies, such as the development of Zinc Finger Nucleases (ZFNs), Transcription Activator-Like Effector Nucleases (TALENs), and Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR/Cas9), have provided novel engineering strategies to address these limitations. Development of next-generation CAR-T cells using gene-editing technologies would enhance the therapeutic potential of CAR-T cell treatment for both hematologic and solid tumors. Here we summarize the unmet medical needs of current CAR-T cell therapies and gene-editing strategies to resolve these challenges as well as safety concerns of gene-edited CAR-T therapies.
Organophosphorus (OP) pesticides, particularly malathion, parathion, diazinon, and chlorpyrifos, are widely used in both agricultural and residential contexts. This refractory quality is shared by certain organ phosphorus insecticides, and it may have unintended consequences for certain non-target soil species. Bioremediation cleans organic and inorganic contaminants using microbes and plants. Organophosphate-hydrolyzing enzymes can transform pesticide residues into non-hazardous byproducts and are increasingly being considered viable solutions to the problem of decontamination. When coupled with system analysis, the multi-omics technique produces important data for functional validation and genetic manipulation, both of which may be used to boost the efficiency of bioremediation systems. RNA-guided nucleases and RNA-guided base editors include zinc-finger nucleases (ZFNs), transcription activator-like effector nucleases (TALENs), and clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR), which are used to alter genes and edit genomes. The review sheds light on key knowledge gaps and suggests approaches to pesticide cleanup using a variety of microbe-assisted methods. Researches, ecologists, and decision-makers can all benefit from having a better understanding of the usefulness and application of systems biology and gene editing in bioremediation evaluations.
Koo, Ok Jae;Park, Sol Ji;Lee, Choongil;Kang, Jung Taek;Kim, Sujin;Moon, Joon Ho;Choi, Ji Yei;Kim, Hyojin;Jang, Goo;Kim, Jin-Soo;Kim, Seokjoong;Lee, Byeong-Chun
Asian-Australasian Journal of Animal Sciences
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제27권3호
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pp.324-329
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2014
To facilitate the construction of genetically-modified pigs, we produced cloned embryos derived from porcine fibroblasts transfected with a pair of engineered zinc finger nuclease (ZFN) plasmids to create targeted mutations and enriched using a reporter plasmid system. The reporter expresses RFP and eGFP simultaneously when ZFN-mediated site-specific mutations occur. Thus, double positive cells ($RFP^+/eGFP^+$) were selected and used for somatic cell nuclear transfer. Two types of reporter based enrichment systems were used in this study; the cloned embryos derived from cells enriched using a magnetic sorting-based system showed better developmental competence than did those derived from cells enriched by flow cytometry. Mutated sequences, such as insertions, deletions, or substitutions, together with the wild-type sequence, were found in the cloned porcine blastocysts. Therefore, genetic mutations can be achieved in cloned porcine embryos reconstructed with ZFN-treated cells that were enriched by a reporter-based system.
Sung, Young Hoon;Baek, In-Jeoung;Seong, Je Kyung;Kim, Jin-Soo;Lee, Han-Woong
BMB Reports
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제45권12호
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pp.686-692
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2012
Phenotypic analysis of gene-specific knockout (KO) mice has revolutionized our understanding of in vivo gene functions. As the use of mouse embryonic stem (ES) cells is inevitable for conventional gene targeting, the generation of knockout mice remains a very time-consuming and expensive process. To accelerate the large-scale production and phenotype analyses of KO mice, international efforts have organized global consortia such as the International Knockout Mouse Consortium (IKMC) and International Mouse Phenotype Consortium (IMPC), and they are persistently expanding the KO mouse catalogue that is publicly available for the researches studying specific genes of interests in vivo. However, new technologies, adopting zinc-finger nucleases (ZFNs) or Transcription Activator-Like Effector (TALE) Nucleases (TALENs) to edit the mouse genome, are now emerging as valuable and effective shortcuts alternative for the conventional gene targeting using ES cells. Here, we introduce the recent achievement of IKMC, and evaluate the significance of ZFN/TALEN technology in mouse genetics.
The Transgenic livestock can be useful for the production of disease-resistant animals, pigs for xenotranplantation, animal bioreactor for therapeutic recombinant proteins and disease model animals. Previously, conventional methods without using artificial nuclease-dependent DNA cleavage system were used to produce such transgenic livestock, but their efficiency is known to be low. In the last decade, the development of artificial nucleases such as zinc-finger necleases (ZFNs), transcription activator-like effector nucleases (TALENs) and clustered regulatory interspaced short palindromic repeat (CRISPR)/Cas has led to more efficient production of knock-out and knock-in transgenic livestock. However, production of knock-in livestock is poor. In mouse, genetically modified mice are produced by coinjecting a pair of knock-in vector, which is a donor DNA, with a artificial nuclease in a pronuclear fertilized egg, but not in livestock. Gene targeting efficiency has been increased with the use of artificial nucleases, but the knock-in efficiency is still low in livestock. In many research now, somatic cell nuclear transfer (SCNT) methods used after selection of cell transfected with artificial nuclease for production of transgenic livestock. In particular, it is necessary to develop a system capable of producing transgenic livestock more efficiently by co-injection of artificial nuclease and knock-in vectors into fertilized eggs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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