バイオエンジニアは「機能しない」とされていたCRISPRシステムを再利用し、ゲノム編集ツールの小型版を作り出した。
この新技術により、遺伝子治療のためにヒトの細胞へ届けることが容易になる可能性がある。
CRISPRについてよく使われるたとえは、分子のハサミのようなものだというものだ。
バイオエンジニアは「機能しない」とされていたCRISPRシステムを再利用し、ゲノム編集ツールの小型版を作り出した。
その小ささにより、遺伝子治療のためにヒトの細胞、組織、体内へ届けやすくなると期待される。
CRISPRによるゲノム編集についてよく使われるたとえは、DNAの特定の部分を切り取る分子のハサミのように機能するというものだ。スタンリー・チー（Stanley Qi）はこのたとえを気に入っているが、CRISPRをスイスアーミーナイフとして捉え直すべき時が来たと考えている。
「CRISPRは、切断するだけの単純なものにもなれば、調節、編集、標識付け、画像化を行うより高度なものにもなり得る。この刺激的な分野からは、多くの応用が生まれつつある」とチー氏は語る。同氏はスタンフォード大学の生物工学および スタンフォード大学医学部の化学・システム生物学の助教授である。
様々な異なるCRISPRシステムは、目、肝臓、脳の疾患に対する遺伝子治療として使用されている、あるいは臨床試験が行われているが、いずれも同じ欠陥を抱えているため、その適用範囲は依然として限られている。すなわち、サイズが大きすぎるため、細胞、組織、生物個体へ届けることが困難なのである。
学術誌Molecular Cellに掲載された論文で、チー氏と共同研究者らは、CRISPRにおける大きな前進と考えるものを報告している。それは、効率的で多目的な小型CRISPRシステムである。一般的に使用されているCRISPRシステム（Cas9やCas12aといった名称は、CRISPR関連（Cas）タンパク質の各種バージョンを示す）は約1,000～1,500個のアミノ酸で構成されているのに対し、「CasMINI」は529個である。
研究者らは実験により、CasMINIが、より大型の同類と同様に遺伝子配列を削除、活性化、編集できることを確認した。そのサイズが小さいため、ヒトの細胞や体内へ届けやすいと考えられ、目の疾患、臓器の変性、そして遺伝性疾患全般を含むさまざまな病気の治療に役立つ可能性がある。
システムをできるだけ小型にするため、研究者らはCRISPRタンパク質Cas12f（Cas14とも呼ばれる）から着手することにした。これは約400～700個のアミノ酸しか含まれていないためである。しかし、他のCRISPRタンパク質と同様に、Cas12fは自然には古細菌（単細胞生物）に由来する。そのため、哺乳類の細胞はもちろん、ヒトの細胞や体内にも適していない。改変を加えずに哺乳類の細胞で機能することが知られているCRISPRタンパク質はごくわずかである。残念ながら、CAS12fはそのうちの一つではない。このため、チー氏のようなバイオエンジニアにとって、魅力的な挑戦となっている。
「私たちは、『数百万年の進化を経ても、このCRISPRシステムを人体で機能するものに変えることはできなかった。では、わずか1～2年でそれを変えられるだろうか』と考えました」とチー氏は語る。「私の知る限り、機能しないCRISPRを機能するものに変えたのは、これが初めてです」
実際、チー研究室のポスドク研究員で論文の筆頭著者であるXiaoshu Xu（シャオシュ・シュー）氏は、天然のCas12fがヒトの細胞で活性を示さないことを確認した。シュー氏とチー氏は、その原因はヒトのゲノムDNAが微生物のDNAよりも複雑で、アクセスしにくいことにあり、そのためCas12fが細胞内で標的を見つけにくいのではないかと仮説を立てた。
計算によって予測されたCas12fシステムの構造を分析し、シュー氏は、この制約を回避できる可能性のあるタンパク質の変異を約40箇所慎重に選び出し、多数のタンパク質変異体を同時に試験する手順を確立した。機能する変異体であれば、理論上、そのゲノム内で緑色蛍光タンパク質（GFP）を活性化させ、ヒトの細胞を緑色に光らせるはずである。
「最初の1年間、このシステムはまったく機能しませんでした」とシュー氏は語る。「しかし、バイオエンジニアリングを繰り返すうちに、いくつかの改変タンパク質が魔法のように作動し始めたのです。これにより、合成生物学とバイオエンジニアリングの力を本当に実感することができました」
最初に成功した結果は控えめなものだったが、システムが機能していることを意味したため、シュー氏は心を動かされ、さらに研究を進める意欲を得た。その後も多くの反復を重ね、タンパク質の性能をさらに向上させることができた。「最初は、緑のシグナルを示す細胞がわずか2個しか見られませんでした。それが、改良を経て、今では顕微鏡で見るとほぼすべての細胞が緑色になっています」とシュー氏は語る。
「ある時点で、私は彼女を止めなければなりませんでした」とチー氏は振り返る。「『今はこのくらいでいい。とても良いシステムができたのだから、この分子をどのように応用できるかを考えるべきだ』と私は言いました」
タンパク質の改変に加え、研究者らはCasタンパク質を標的DNAへ導くRNAにも改変を加えた。両方の構成要素への改変が、CasMINIシステムをヒトの細胞で機能させる上できわめて重要であった。研究者らは、実験室で培養したヒトの細胞において、CasMINIが遺伝子を削除・編集する能力を試験した。対象には、HIV感染症、抗腫瘍免疫応答、貧血に関連する遺伝子が含まれた。試験した遺伝子のほぼすべてで機能し、いくつかでは強い応答が見られた。
研究者らはすでに、遺伝子治療を進めるため、他の科学者との共同研究の体制づくりに着手している。また、mRNACOVID-19ワクチンの開発に用いられたようなRNA技術の進歩にも、どのように貢献できるかに関心を寄せている。こうした分野でも、サイズが制約要因となり得る。
「こうしたシステムを設計できる能力は、CRISPRの初期の頃から本分野で求められてきたものであり、私たちは自分たちなりの役割を果たしたと感じています」とチー氏は語る。「そして、この設計アプローチは非常に幅広く役立ちます。そこに私はわくわくしています。新たな可能性への扉を開くことです」
この研究はLi Ka Shing Foundationの資金提供を受けた。
出典：スタンフォード大学
