Development of innovative gene editing technology in non-human primates

• Project/Area Number: 19K16023
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 42040:Laboratory animal science-related
• Research Institution: Shiga University of Medical Science
• Principal Investigator: Nakaya Masataka 滋賀医科大学, 動物生命科学研究センター, 特任助教 (90805459)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2020: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 非ヒト霊長類 / カニクイザル / 生殖工学 / 発生工学 / ゲノム編集 / モデル動物 / 初期胚

Outline of Research at the Start

世代交代に約5年を有するカニクイザルにおいては、F0世代で再現性ある遺伝子疾患モデルを作出しなければならない。その為にはモザイク変異を回避し、的確に変異を誘導することが必須である。この課題を解決するためにはCas9が1-cellで機能し直ぐさま消失する必要がある。本研究は、細胞周期関連因子であるGemininと卵子の特徴的な細胞周期を利用することで、Cas9の動態を制御し再現性あるモデル動物をF0世代で作出することを可能とする新規ゲノム編集技術の確立を目指すものである。

Outline of Final Research Achievements

We investigated genome editing techniques, transgenic techniques, and knock-in (KI) techniques to efficiently create disease models in Cynomolgus monkeys. (1) With the aim of creating a model for Autosomal Dominant Polycystic Kidney Disease (ADPKD), we examined mutation induction (KO) of the PKD1 gene, the causative gene of the disease, using the CRISPR/Cas9 method. We successfully generated PKD1 KO Cynomolgus monkeys that replicate the human disease phenotype. (2) We identified the introduction conditions of the piggyBac transposon system that minimize mosaicism of reporter gene expression in both mouse and Cynomolgus monkey embryos. (3) We constructed a vector system expressing homologous recombination-related factors and attempted its application to KI. However, we did not observe significant improvements and further technological development needs to be considered.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究成果により、小型げっ歯類では再現が困難であった疾患について、ヒトへの外挿性が高いカニクイザルにおいて、ノックアウト技術を用いた疾患モデル動物の作出が可能となった。またトランスジェニック技術においては、胚レベルではあるもののレポーター遺伝子の発現が認められたことから、導入遺伝子の過剰発現によるモデルサル作出の実現可能性が示唆された。これらの結果から、基礎医学研究に資するモデルカニクイザルリソースの開発が飛躍的に効率化することが期待される。

Research Products

• [Journal Article] <i>Ex vivo</i> reconstitution of fetal oocyte development in humans and cynomolgus monkeys (2022)
  • Author(s): Mizuta Ken、Katou Yoshitaka、Nakakita Baku、Kishine Aoi、Nosaka Yoshiaki、Saito Saki、Iwatani Chizuru、Tsuchiya Hideaki、Kawamoto Ikuo、Nakaya Masataka、Tsukiyama Tomoyuki、Nagano Masahiro、Kojima Yoji、Nakamura Tomonori、Yabuta Yukihiro、Horie Akihito、Mandai Masaki、Ohta Hiroshi、Saitou Mitinori
  • Journal Title: The EMBO Journal Volume: 41 Issue: 18
  • DOI: 10.15252/embj.2022110815
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Chromosomal-scale de novo genome assemblies of Cynomolgus Macaque and Common Marmoset (2021)
  • Author(s): Jayakumar Vasanthan、Nishimura Osamu、Kadota Mitsutaka、Hirose Naoki、Sano Hiromi、Murakawa Yasuhiro、Yamamoto Yumiko、Nakaya Masataka、Tsukiyama Tomoyuki、Seita Yasunari、Nakamura Shinichiro、Kawai Jun、Sasaki Erika、Ema Masatsugu、Kuraku Shigehiro、Kawaji Hideya、Sakakibara Yasubumi
  • Journal Title: Scientific Data Volume: 8 Issue: 1 Pages: 59-59
  • DOI: 10.1038/s41597-021-00935-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] GATA transcription factors, SOX17 and TFAP2C, drive the human germ-cell specification program (2021)
  • Author(s): Kojima Yoji、Yamashiro Chika、Murase Yusuke、Yabuta Yukihiro、Okamoto Ikuhiro、Iwatani Chizuru、Tsuchiya Hideaki、Nakaya Masataka、Tsukiyama Tomoyuki、Nakamura Tomonori、Yamamoto Takuya、Saitou Mitinori
  • Journal Title: Life Science Alliance Volume: 4 Issue: 5 Pages: 202000974-202000974
  • DOI: 10.26508/lsa.202000974
  • NAID: 120006979739
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Generation of transgenic cynomolgus monkeys overexpressing the gene for amyloid-β precursor protein (2020)
  • Author(s): Seita Y, Morimura T, Watanabe N, Iwatani C, Tsuchiya H, Nakamura S, Suzuki T, Yanagisawa D, Tsukiyama T, Nakaya M, Okamura E, Muto M, Ema M, Nishimura M, Tooyama I.
  • Journal Title: Journal of Alzheimer's Disease Volume: - Issue: 1 Pages: 45-60
  • DOI: 10.3233/jad-191081
  • NAID: 120006859791
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Monkeys mutant for PKD1 recapitulate human autosomal dominant polycystic kidney disease (2019)
  • Author(s): Tsukiyama T, Kobayashi K, Nakaya M, Iwatani C, Seita Y, Tsuchiya H, Matsushita J, Kitajima K, Kawamoto I, Nakagawa T, Fukuda K, Iwakiri T, Izumi H, Itagaki I, Kume S, Maegawa H, Nishinakamura R, Nishio, Nakamura S, Kawauchi A, Ema M
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 10 (1) Issue: 1 Pages: 5517-5517
  • DOI: 10.1038/s41467-019-13398-6
  • NAID: 120006773159
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] マウス受精卵におけるCyclin T1, T2の過剰発現が転写活性に及ぼす影響． (2022)
  • Author(s): 山中康平, 岡崎祐樹, 妻木孝憲, 杉浦麻妃瑠, 大下莉奈, 大矢部和胡, 山本真穂子, 種子田妃良, 和田奈那美,曾炫凱, 黒坂哲, 中家雅隆, 三谷匡
  • Organizer: 第40回日本受精着床学会総会・学術講演会
• [Presentation] マウス受精卵におけるCyclin T2a, T2bの発現解析． (2022)
  • Author(s): 杉浦麻妃瑠, 岡﨑祐樹, 山中康平, 妻木孝憲, 大下莉奈, 大矢部和胡, 山本真穂子, 種子田妃良, 和田菜那美, 曾炫凱, 黒坂哲, 中家雅隆, 三谷匡
  • Organizer: 第40回日本受精着床学会総会・学術講演会
• [Presentation] piggyBacトランスポゾンシステムを利用したトランスジェニックカニクイザルの作出 (2022)
  • Author(s): 中家雅隆, 築山智之
  • Organizer: 日本繁殖生物学会第115回大会
• [Presentation] ゲノム編集による遺伝性腎疾患モデルカニクイザルの作出 (2019)
  • Author(s): 中家 雅隆, 築山 智之, 小林 憲市, 岩谷 千鶴, 土屋 英明, 清田 弥寿成, 松下 淳, 北島 郁, 河本 育士, 中川 孝博, 福田 浩司, 岩切 哲平, 和泉 博之, 板垣 伊織, 中村 紳一朗, 河内 明宏, 依馬 正次
  • Organizer: 第112回日本繁殖生物学会大会
• [Remarks]
  • URL: http://www.rcals.jp/