カリフォルニア大学サンフランシスコ校(UCSF)の科学者による新しい研究によると、新しい治療法の開発や、ヒトや他の生物の正常な機能だけでなく、病気の研究のための遺伝子編集は、細胞のゲノムからDNAの大きな断片を切り取るための新しいツールを使用して、より迅速に進むかもしれない。

2020年10月19日の「Nature Methods」誌に掲載されたUCSFの研究の発表は、CRISPR-Cas9として知られているDNAの「はさみ」を最初に使用した2人の研究者が今年のノーベル化学賞を受賞した後、2週間も経たないうちに行われた。

現在では世界中の研究室で研究ツールとして使用されているが、CRISPRは数百年前にバクテリオファージとして知られる多数のウイルスと戦うための手段としてバクテリアの中で進化した。バクテリオファージに遭遇した細菌は、ウイルスDNAの一部を自分のDNAに取り込み、それを鋳型としてファージのウイルスDNAに結合するRNAを作る。その後、CRISPR酵素がファージを標的にし、無効化し、殺す。

UCSF准教授のJoseph Bondy-Denomy博士は、科学者Bálint Csörg、Lina Leónらと協力し、新しいCRISPRツールを開発し、テストした。すでに有名なCRISPR-Cas9アンサンブルは、標的とする部位のわずかなDNAを迅速かつ正確に切除し、その後、他の方法で新しいDNAを挿入することができる。しかし、UCSFの科学者たちが適応させた新しいCRISPR-Cas3システムは、異なる細菌免疫システムを採用している。このシステムのキーとなる酵素であるCas3は、分子の木こりのような働きをして、より長く伸びたDNAを素早く正確に除去する。

「Cas3は、モーターを搭載したCas9のようなもので、特定のDNAターゲットを見つけた後、DNA上を走り、パックマンのようにそれを噛み砕く」とBondy-Denomyは声明の中で述べている。この新しい能力により、研究者は、機能が不確定なDNA配列を含むゲノム領域の重要性をより効率的に評価することが可能になるという。

Bondy-Denomyによると、バクテリアや他の種類の細胞は、低分子やタンパク質ベースの医薬品の製造によく使われているため、CRISPR-Cas3を利用することで、バイオテクノロジー産業の科学者は、これらの細胞から病原性のあるDNAや役に立たないDNAをより簡単に除去することができるようになるという。

Bondy-Denomyは「細菌のDNAの大部分は、生存に必要のない未知の機能を持ち、十分に理解されていない」と述べている。「さらに、細菌のDNAには、他のソースから輸入されたDNAの大規模なストレッチが含まれており、細菌のヒト宿主に病気を引き起こしたり、細菌の代謝を流用したりする可能性がある」。

Bondy-Denomyは、さまざまな細菌、バクテリオファージ、CRISPRシステムを研究し、それらがどのように機能するかをより深く知り、有用な分子ツールを見つけるために研究している。CRISPR-Cas3は、自然界で最も一般的なCRISPRシステム。Cas9システムを使用しているのと比較しても、約10倍の細菌種がCas3システムを使用している。ファージのDNAを細断するので、Cas3の方が細菌の免疫システムとしては優れているのかもしれない。

Cas9とは異なり、Cas3が正確なDNAターゲットに結合すると、一本鎖が露出したまま、二本鎖DNAの一本鎖を両方向に噛み砕き始める。UCSFの実験で得られた欠失の大きさは様々で、多くの場合、100個もの細菌の遺伝子が含まれていた。また、CRISPR-Cas3のメカニズムは、削除されたDNAを新しいDNA配列に簡単に置き換えることができるはずである、と論文は主張している。

研究室でDNAの削除や編集を行う場合、科学者たちはCRISPRシステムをプログラムして、任意のガイド配列を用いて、目的の生物のゲノム内の特定のDNAを標的にしている。

新しいCRISPR-Cas3の研究では、欠失を修復するために細菌に提供されるDNAの配列を操作することで、研究者たちは、CRISPR-Cas9では達成できなかった、これらの大規模なDNA修復の境界を正確に設定することができた。

Bondy-Denomyは以前、ファージが細菌に反撃するために進化した抗CRISPR戦略を発見しており、これらは、副作用が生じる前に人間の治療薬として使用されるCas酵素によって駆動される遺伝子編集反応を停止させるために有用であることを証明するかもしれない、または腸内に生息している不要な細菌を除去するためにファージを使用することができるかもしれないと述べた。大腸菌と他の種のカップルから離れて、比較的少しは通常そこに存在する1,000ほどの細菌種について知られている。

「非モデル微生物は遺伝学の世界では主に取り残されており、それらを研究するための新しいツールが非常に必要とされている」と彼は言った。

参考文献

  1. Bálint Csörgő, Lina M. León, Ilea J. Chau-Ly, Alejandro Vasquez-Rifo, Joel D. Berry, Caroline Mahendra, Emily D. Crawford, Jennifer D. Lewis, Joseph Bondy-Denomy. A compact Cascade–Cas3 system for targeted genome engineering. Nature Methods, 2020; DOI: 10.1038/s41592-020-00980-w

Photo: "Scissors"by Spin Spin is licensed under CC BY-ND 2.0