哺乳類のゲノム編集にCRISPR-Cas9システムを初めて応用した科学者を含む研究チームは、今回、より単純かつ高精度なゲノム工学を可能にする可能性を秘めた、別のCRISPRシステムを特定した。
本日掲載された 研究 で、『 Cell』誌上にて、Feng Zhang氏らは、MITおよびハーバード大学のBroad Institute、ならびにMITのMcGovern Institute for Brain Researchに所属し、共著者であるNational Institutes of HealthのEugene Koonin氏、Broad InstituteおよびMIT生物学部のAviv Regev氏、ワーヘニンゲン大学のJohn van der Oost氏とともに、この新たなシステムの予想外の生物学的特徴を記述し、それがヒト細胞のゲノムを編集するよう改変可能であることを実証した。
「これは遺伝子工学を前進させる大きな可能性を秘めている」と、Broad Instituteの所長であるEric Lander氏は述べている。「本論文は、これまで特性が明らかにされていなかったCRISPRシステムの機能を明らかにしただけでなく、Cpf1がヒトのゲノム編集に利用可能であり、注目すべき強力な特徴を備えていることも示している。Cpf1システムは、ゲノム編集技術の新世代を代表するものである。」
CRISPR配列は1987年に初めて記載され、その自然界における生物学的機能は2010年および2011年に当初記述された。哺乳類のゲノム編集へのCRISPR-Cas9システムの応用は、2013年にZhang氏によって初めて報告され、また別途ハーバード大学のGeorge Church氏によっても報告された。
今回の研究でZhang氏らは、さまざまな種類の細菌に存在する数百のCRISPRシステムを調べ、ヒト細胞での利用に向けて改変できる有用な特性を持つ酵素を探索した。有望な候補は、細菌種 Acidaminococcus および Lachnospiraceae、 由来のCpf1酵素であり、これらがヒト細胞内のゲノム座位を標的とできることを、Zhang氏らがその後示した。
「研究とヒトの健康の推進に活用できる、まったく異なるCRISPR酵素を発見できて非常に喜ばしい」と、MITの脳・認知科学部に所属する生物医学工学のW.M. Keck Assistant ProfessorであるZhang氏は述べている。
今回記述されたCpf1システムは、以前に記述されたCas9とはいくつかの重要な点で異なり、研究や治療のみならず、事業や知的財産にも重大な影響を及ぼす：
第一に、自然状態では、DNA切断酵素であるCas9は2つの小さなRNAと複合体を形成し、両方が切断活性に必要である。Cpf1システムは、単一のRNAのみを必要とする点でより単純である。また、Cpf1酵素は標準的なSpCas9よりも小さく、細胞や組織に送達しやすい。
第二に、そしておそらく最も重要な点として、Cpf1はCas9とは異なる方法でDNAを切断する。Cas9複合体がDNAを切断する際は、両鎖を同じ位置で切断するため「平滑末端」が生じ、再結合時に変異が起こることが多い。Cpf1複合体では、2本の鎖の切断位置がずれており、露出した末端に短い一本鎖の突出末端が残る。これは精密な挿入に寄与すると期待され、研究者がDNAの断片をより効率的かつ正確に組み込めるようになる。
第三に、Cpf1は認識部位から遠く離れた位置で切断するため、標的遺伝子が切断部位で変異しても、再切断される可能性が高く、正しい編集が起こる機会が複数得られる。
第四に、Cpf1システムは標的部位の選択に新たな柔軟性をもたらす。Cas9と同様、Cpf1複合体はまずPAMと呼ばれる短い配列に結合しなければならず、標的は天然に存在するPAM配列に隣接するよう選ばれなければならない。Cpf1複合体は、Cas9のものとは大きく異なるPAM配列を認識する。これは、マラリア原虫やヒトを含む一部のゲノムを標的とする際に利点となり得る。
「Cpf1の予想外の特性とより精密な編集は、がん研究を含むあらゆる種類の応用への扉を開く」と、Broad Instituteのインスティテュートメンバーであり、Dana-Farber Cancer Institute、Brigham and Women’s Hospital、Broad Instituteによる Joint Center for Cancer Precision Medicineの初代所長であるLevi Garraway氏は述べている。Garraway氏は本研究に関与していない。
研究を支援するオープンなアプローチ
Zhang氏は、Broad InstituteおよびMITとともに、Cpf1システムを広く共有する計画である。従来のCas9ツールと同様に、これらの機関は、プラスミド共有ウェブサイトAddgeneにあるZhang研究室のページを通じて、この技術を学術研究向けに無償で提供する。Zhang研究室はすでにAddgene経由で、世界中の研究者とCas9試薬を2万3000回以上共有し、研究の加速に努めている。Zhang研究室はまた、研究者向けの無料のオンラインツールおよびリソースを、その ウェブサイトを通じて提供している。
Broad InstituteおよびMITは、商業的なツールおよびサービス提供者が、この酵素をCRISPRパイプラインおよびサービスに追加できるよう、非独占的ライセンスを提供する計画である。これにより、研究を支援するこの新たな酵素の入手可能性がさらに確保される。両機関は、適切かつ重要な治療用途における迅速かつ安全な開発を最もよく支えるライセンスを提供する計画である。
「私たちは、CRISPR-Cpf1技術を広く利用可能にすることに全力を尽くしている」とZhang氏は述べる。「私たちの目標は、研究を加速させ、最終的には新たな治療応用につながるツールを開発することだ。Cpf1やCas9を超えて、さらなるゲノム編集の進展のために転用されうる他の酵素によって、まだまだ多くのことが見込まれると考えている。」
本記事は、 MIT Newsとの提携により掲載されたものである。本掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではない。
アジェンダの最新情報を追うには、 週刊ニュースレターに登録してください。
著者：Sarah McDonnellはMIT Newsに寄稿している。
画像：日付不明の芸術家によるイラストに描かれたDNAの二重らせん。 REUTERS/National Human Genome Research Institute/Handout
