研究者らは、基礎となる遺伝暗号を編集することなく、ヒトゲノムの配列をオンまたはオフに切り替える新しい方法の、並外れた特異性を実証した。
もともと細菌における抗ウイルス系として発見されたCRISPR/Cas9は、今日の遺伝学研究において最も注目されているテーマの一つです。そのシステムのバージョンを改変することで、研究者はDNA配列を編集するとともに、どの遺伝子を使用するかを制御できます。
しかし、これまでの研究では、このシステムを用いたヒトDNA配列の編集は、研究者が望むほど常に正確とは限らないことが示されていました。こうした結果は、ヒト疾患の研究におけるCRISPR技術の利用に対する懸念を生じさせました。
潜在的な解決策として、一部の研究者は、どの遺伝子が活性化されるかを制御するDNA領域を標的とするためにCRISPRを用い、システムの汎用性を高めました。ただし、しばしば用いられる遺伝子切断ツールであるCas9を使う代わりに、Cas9の切断機能を不活性化し、ゲノムのパッケージングを制御するタンパク質を結合させました。これらのゲノム領域を解きほぐしたり、きつく束ねたりすることで、効果的にオンとオフを切り替えることができました。
この手法が良好に機能することは示されていたものの、オフターゲット効果があるかどうかは調査されていませんでした。今回、デューク大学の研究チームは、これらの遺伝子制御手法が、基礎科学および医学研究に求められる高い精度を達成できることを示しました。
本研究は2015年10月26日に『Nature Methods』にオンラインで掲載されました。
「CRISPRが従来の技術に対して持つ主な利点は、大槌ではなく精密なメスを使えることにあります」と、 デューク大学の生物医学工学准教授チャールズ・ガースバックは述べた。「世界中の多くの研究室が、特定の効果が得られているという前提でこれらのツールを使用していますが、それを証明する包括的な分析はこれまで存在しませんでした。これらの実験は極めて高い特異性を示し、この技術がゲノム上の単一の配列を標的とできることを実証しています。」
CRISPRによってゲノムのスイッチを制御する力は、ゲノム制御領域の変異によって引き起こされうるがん、心血管疾患、神経変性疾患、糖尿病などのヒト疾患の研究や、将来的な治療において特に重要となるでしょう。このスイッチの一つを上書きすることで、多くの疾患の根本原因を明らかにし、修復できることが期待されています。さらに、異なる人々が薬剤にどのように反応するかを理解し、その反応を変える手助けにもなりえます。
ただし、それはCRISPR技術が十分に特異的である場合に限られます。
CRISPRがヒト遺伝子の編集に初めて用いられることが示された直後、いくつかの論文により、この技術が時にオフターゲット効果を引き起こしうることが明らかになりました。これは、意図しない副作用を生じさせることなく特定の遺伝子の機能を改変したい研究者が取り組む、遺伝子治療や基礎科学のプロジェクトにとって問題となります
DNA配列そのものを一切改変することなく、遺伝子がいつ使用されるかを制御するゲノム領域のオンとオフを切り替えるための代替戦略が開発されました。場合によっては、これらのスイッチは同時に複数の関連遺伝子を制御でき、研究者は個々の音符ではなく和音を奏でることができます。
「これらのツールの特異性を調べることは、技術的に非常に困難です」と、 デューク大学の生物統計学・生物情報学助教ティモシー・レディは述べた。「ゲノムの一つの集中した領域に注目する場合、配列や遺伝子活性の変化を見つけることは比較的単純です。しかし、ゲノム全体の活性や構造に対して一つのエンハンサースイッチを停止させた影響を調べるには、より専門的な技術が必要です。」
ガースバックは、レディと同僚の グレゴリー・クロフォード（いずれも隣接する研究室と事務所で共に勤務している、 デューク大学ゲノム・計算生物学センターの同僚）に、より専門的な技術について支援を求めました。
レディは、ヒトゲノム全体にわたって遺伝子スイッチがどのように働くか、そのスイッチが個人間でどのように異なるか、そしてそれらの知見がヒトの形質や疾患に与える影響の研究に、キャリアを捧げてきました。クロフォード准教授（小児科学）は、ゲノム全体の制御領域を特定し、それらが細胞の種類、発生過程、薬剤治療への反応によってどのように異なるかを明らかにする技術の開発に、10年以上取り組んできました。
「臨床試験で使用されている薬剤を含め、遺伝子スイッチを制御する現在の方法は、ゲノム全体の多数のスイッチの活性を同時に変化させ、数千ものオフターゲット効果を生じさせています」とクロフォードは述べた。「一度に一つの要素を操作する技術が切実に必要とされています。」
ガースバックの研究室の博士課程学生であるプラティクシャ・タコーレが、3つの研究室の専門性を統合し、これらのスイッチを制御する際のCRISPRの特異性を研究する役割を担いました。結果がすべての実験で同じ高い精度が得られることを証明できるわけではないものの、研究者がこれらの効果を評価するための設計図を提供しています。
「ゲノミクスとゲノム工学を統合することで、この遺伝子サイレンシングシステムがどのように機能するかを包括的に検証する方法を開発し、今後この技術をどのように活用できるかについても提案しました」とタコーレは述べた。「また、遺伝子制御に関する新たな知見も得られ、この文脈においてCRISPRは、私たちが予想していたよりもはるかに高い特異性を達成できることがわかりました。」
本記事は デューク大学との協力により掲載されています。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ありません。
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著者：ケン・キンゲリーはデューク大学のために執筆しています。
画像：REUTERS
