CRISPRゲノム編集入門

CRISPR とは何か、DNA の編集にどのように使用されるか

CRISPR/Cas は、遺伝子治療や診断ツールとして使用される遺伝子編集複合体です。パシーカ/ゲッティイメージズ

遺伝病を治したり、予防したりできると想像してみてください バクテリア から抗生物質への抵抗、蚊を変える マラリアを伝染させることはできません 、がんを予防したり、動物の臓器を拒絶反応なしに人に移植したりすることができます。これらの目標を達成するための分子機構は、遠い未来を舞台にした SF 小説の内容ではありません。これらは、家族によって可能になった達成可能な目標です。 DNA配列 CRISPRと呼ばれます。

CRISPRとは?

CRISPR (「クリスパー」と発音) は、Clustered Regularly Interspaced Short Repeats の頭字語であり、細菌に感染する可能性のあるウイルスに対する防御システムとして機能する、細菌に見られる DNA 配列のグループです。 CRISPR は、細菌を攻撃したウイルスの配列の「スペーサー」によって分割される遺伝暗号です。細菌が再びウイルスに遭遇した場合、CRISPR は一種のメモリ バンクとして機能し、細胞の防御を容易にします。

CRISPRの発見

CRISPR は DNA 配列の繰り返しです。 アンドリュー・ブルックス/ゲッティイメージズ

クラスター化された DNA リピートの発見は、1980 年代と 1990 年代に、日本、オランダ、スペインの研究者によって個別に行われました。 CRISPR という頭字語は、2001 年に Francisco Mojica と Ruud Jansen によって提案されました。これは、科学文献でさまざまな研究チームがさまざまな頭字語を使用することによって引き起こされる混乱を軽減するためです。 Mojica は、CRISPR は細菌の一種であるという仮説を立てました。 獲得免疫 . 2007 年、Philippe Horvath が率いるチームがこれを実験的に検証しました。科学者が実験室で CRISPR を操作して使用する方法を発見するまで、それほど時間はかかりませんでした。 2013 年、Zhang 研究室は、マウスおよび人道的なゲノム編集で使用する CRISPR を操作する方法を初めて公開しました。

CRISPR のしくみ

Streptococcus pyogenes 由来の CRISPR-CAS9 遺伝子編集複合体: Cas9 ヌクレアーゼタンパク質は、ガイド RNA 配列 (ピンク) を使用して、相補的な部位 (緑) で DNA を切断します。 MOLEKUUL/SCIENCE PHOTO LIBRARY /ゲッティイメージズ

本質的に、天然に存在する CRISPR は、細胞を探して破壊する機能を提供します。細菌では、CRISPR は標的ウイルス DNA を識別するスペーサー配列を転写することによって機能します。次に、細胞によって生成される酵素の 1 つ (Cas9 など) が標的 DNA に結合して切断し、標的遺伝子をオフにしてウイルスを無効にします。

実験室では、Cas9 または別の酵素が DNA を切断し、CRISPR がどこを切り取るかを伝えます。ウイルスの特徴を使用するのではなく、研究者は CRISPR スペーサーをカスタマイズして目的の遺伝子を探します。科学者は、Cas9 や Cpf1 などの他のタンパク質を改変して、遺伝子を切断または活性化できるようにしました。遺伝子のオンとオフを切り替えると、科学者が遺伝子の機能を研究しやすくなります。 DNA 配列を切断すると、別の配列に簡単に置き換えることができます。

CRISPR を使用する理由

CRISPR は、分子生物学者のツールボックスに含まれる最初の遺伝子編集ツールではありません。遺伝子編集の他の技術には、ジンクフィンガーヌクレアーゼ (ZFN)、転写活性化因子様エフェクターヌクレアーゼ (TALEN)、および可動遺伝要素からの操作されたメガヌクレアーゼが含まれます。 CRISPR は、費用対効果が高く、ターゲットの膨大な選択を可能にし、他の特定の技術ではアクセスできない場所をターゲットにできるため、用途の広い技術です。しかし、それが重要な主な理由は、設計と使用が信じられないほど簡単だということです。必要なのは、作成可能な 20 ヌクレオチドの標的部位だけです。 ガイドを作成することで .そのメカニズムと手法は非常に理解しやすく、使用しやすいため、学部の生物学カリキュラムの標準になりつつあります。

CRISPRの用途

CRISPR は、遺伝子治療に使用される新薬の開発に使用できます。 デビッド・マック/ゲッティイメージズ

研究者は CRISPR を使用して細胞モデルや動物モデルを作成し、病気の原因となる遺伝子を特定し、遺伝子治療を開発し、生物が望ましい形質を持つように設計しています。

現在の研究プロジェクトは次のとおりです。

• CRISPRを適用する HIVの予防と治療 、がん、鎌状赤血球症、アルツハイマー病、 筋ジストロフィー 、およびライム病。理論的には、遺伝的要素を伴う疾患はすべて遺伝子治療で治療できる可能性があります。
• 失明や心臓病を治療する新薬の開発。 CRISPR/Cas9 は、網膜色素変性症を引き起こす変異を除去するために使用されています。
• 生鮮食品の貯蔵寿命を延ばし、害虫や病気に対する作物の耐性を高め、栄養価と収量を増やします。たとえば、ラトガース大学のチームはこの手法を使用して、 ぶどうをべと病に強くする .
• 豚の臓器移植 （異種移植）拒絶せずにヒトに
• 持ち帰る ケナガマンモス そしておそらく恐竜や他の絶滅種
• 蚊を抵抗力のあるものにする に 熱帯熱マラリア原虫 マラリアを引き起こす寄生虫

明らかに、CRISPR やその他のゲノム編集技術は議論の余地があります。 2017 年 1 月、米国 FDA は、これらの技術の使用を対象とするガイドラインを提案しました。他の政府も、利益とリスクのバランスを取るための規制に取り組んでいます。

参考文献の選択と参考文献

• Barrangou R、Fremaux C、Deveau H、Richards M、Boyaval P、Parrot S、Romero DA、Horvath P (2007 年 3 月)。 「CRISPR は、原核生物のウイルスに対する獲得耐性を提供します」。 化学 . 315 (5819): 1709–12.
• Horvath P、Barrangou R (2010 年 1 月)。 「CRISPR/Cas、バクテリアと古細菌の免疫システム」。 化学 . 327 (5962): 167–70.
• Zhang F、Wen Y、Guo X (2014)。 「ゲノム編集のための CRISPR/Cas9: 進歩、影響、および課題」。 ヒト分子遺伝学 . 23 (R1): R40–6。