病気や作物被害への対策としてCRISPRで昆虫を遺伝子改変することは、昆虫集団内の遺伝的多様性も一因となり、当初考えられていたより難しい可能性がある。
この研究は、学術誌Science Advancesに掲載され、遺伝子と統計の高度な分析を組み合わせて、蚊など病気を媒介する昆虫の特定の遺伝的・行動的特性が、これらの種を遺伝子操作に抵抗しやすくしていることを示した。
この抵抗性により、マラリアや、米国で毎年約10億ドル相当の作物被害をもたらす侵入種、ウエスタン・コーンルートワームなどの作物害虫への対策にCRISPR-Cas9を用いる試みが複雑化する可能性がある。
2010年代初頭にCRISPR-Cas9システム、通称「CRISPR」が発見され、遺伝子編集の精度はかつてない水準に達した。この手法を使えば、科学者は非常に精密な遺伝子の「はさみ」を設計し、ゲノムの特定部分を切り取って、選んだ配列に置き換えることができる。2015年末には、英国の科学者2人が、この手法で病気を媒介する蚊に不妊を広げられることを初めて示した。
「種内のわずかな遺伝的多様性に加え、多くの昆虫に見られる近親交配の傾向が、CRISPR技術を使って個体数を減らす試みの効果を大きく損なう可能性があることが分かりました」と、インディアナ大学ブルーミントン校の生物学教授、マイケル・J・ウェイドは述べる。「まれではありますが、自然に生じるCRISPR耐性の遺伝的変異があれば、遺伝子技術による個体数制御の試みを阻止するには十分で、野生集団はすぐに以前の『CRISPR以前』の数に戻ってしまいます。」
つまり、雌の蚊が産む卵の数を減らす形質など、昆虫の個体数を制御する遺伝子を導入するための、費用と時間のかかる取り組みは数か月で効果を失うことになる。新しい遺伝子を伝えるために使われる雄の蚊は、刺さないため、寿命が約10日しかないからだ。
自然に生じる遺伝的多様性の保護効果は、CRISPR技術に基づく「遺伝子ドライブ」の利用を覆すほど強い。ただし、特定の標的集団の遺伝的背景に合った遺伝子ドライブを使う場合は別だと、ウェイドは付け加える。遺伝子ドライブとは、遺伝子がほぼ90％の割合で広がる仕組みを指す。これは、有性生殖を行う生物で通常見られる50％の遺伝率を大きく上回る。
遺伝子ドライブと同様に集団内を急速に広がる「利己的遺伝子」を、「超ダーウィン的」な能力の観点から研究するウェイドは、同僚とともに、コクヌストモドキを対象にCRISPRに基づく個体数制御の有効性を調べた。この種は、収穫後に世界の穀物の20％を損なうと推定されている。
研究チームは、インド、スペイン、ペルー、インディアナ州の4地域のコクヌストモドキについて、ゲノム内の3つの領域を標的とするCRISPRベースの介入を設計した。次に、4系統すべてのDNAを分析し、標的とした遺伝子配列に自然に生じた変異を発見した。こうした変異の存在は、CRISPR技術の有効性に影響する可能性がある。
分析の結果、4つすべての系統で、調べたDNA領域のほぼすべてに遺伝的多様性が確認され、ペルーの甲虫では変異率が最大28％に達した。特にウェイドの統計分析では、遺伝的変異率がわずか1％でも、野生の蚊に典型的な近親交配率と組み合わさると、6世代であらゆるCRISPRベースの個体数制御法を無効にするのに十分だと分かった。
この結果は、CRISPR技術で病気を媒介する昆虫を制御する取り組みに先立ち、標的集団の遺伝的多様性を慎重に分析する必要があることを示している。また、一般的な水準の遺伝的多様性が地域間や種間への拡散を自然に妨げるため、改変遺伝子が意図せず世界中に広がる可能性は極めて低いことも示唆している。
「この研究を踏まえると、この方法で昆虫の個体数を減らそうとする人は、変異率を評価するため、標的遺伝子領域を徹底的に遺伝子分析すべきです」とウェイドは述べる。「これにより手法の有効性を予測できるほか、配列特異性を変えたCas9変異体を使い、自然な遺伝的多様性を回避する方法を探る手がかりも得られます。」
本研究は、米国国立衛生研究所と米国国立科学財団から一部助成を受けた。
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