CRISPR/Cas9技術の開発史：登場と同時に遺伝子革命を引き起こした

導入

前回は主に遺伝と遺伝子についてお話しました。今回は、主に遺伝子編集技術について、その開発の歴史、分類、原理、そして遺伝子編集技術の応用など、皆さんが関心のある問題についてお話します。

今回は上海パスツール研究所の研究員、チャオ・ヤンジエ氏をお招きしました。チャオ教授は博士課程在学中に、ノーベル賞受賞につながる基礎実験に参加しました。彼は20本以上の影響力の大きい論文を発表しており、それらは6,000回以上引用されています。彼はこの分野における「学問上の新星」だ。

01 遺伝子編集技術の開発の歴史

葉水松：遺伝子が私たちの特徴を決定します。多くの科学者は、遺伝子に問題があった場合、それをどのように修復すればよいのかを考えてきました。チャオ教授、遺伝子編集技術の発展の歴史についてお話しいただけますか？

チャオ・ヤンジエ：遺伝子編集技術には実に長い歴史があります。 CRISPR/Cas9 が登場する以前から、研究室ではすでに多くの科学的研究が行われていました。

これまでも、特に大腸菌や酵母などの下等生物においては多くの試みやツール開発が行われてきましたが、効率は高くなく、人体への応用レベルには程遠いものでした。

第一世代は、非常に非効率的な、より大きなジンクフィンガーヌクレアーゼでした。第 2 世代は転写活性化因子様エフェクター ヌクレアーゼです。

CRISPR が登場する前、最も有用かつ効率的な遺伝子編集ツールの世代は、タンパク質を使用して DNA を認識したり遺伝子編集を実行したりする「ジンクフィンガータンパク質」遺伝子編集ツールでした。精度は高いのですが、効率はまだ低いです。最新世代の遺伝子編集技術が利用可能になったのは、約10年前にCRISPR/Cas9が発明されてからのことでした。

CRISPR/Cas9の発見により、遺伝子編集技術の効率は非常に高いレベルにまで向上し、人間の研究、哺乳類の研究、さらには臨床研究や治療にも実際に応用できるようになりました。

これまで、遺伝子編集技術は比較的長い歴史と基盤を持っていました。 CRISPR/Cas9の発見が新たなブレークスルーを達成し、「スターテクノロジー」となったのは、近年になってからのことである。

02 CRISPR/Cas9技術の原理

葉水松： 2012年にCRISPR/Cas9技術が登場した後、多くの人が「なぜこの技術がこれほど大きな影響を与えるのか」と懸念していました。この技術の原理を紹介していただけますか？

チャオ・ヤンジエ：CRISPR/Cas9 テクノロジーの登場は、実はジェニファー・ダウドナとエマニュエル・シャルパンティエが 2012 年に Science 誌に発表した論文によるものです。

エマニュエル・シャルパンティエ

ジェニファー・ダウドナ

2人の女性科学者は、遺伝子編集が試験管内または大腸菌内で実行可能であることを実証し、科学界にまったく新しい技術を提供し、その後大きな注目を集めました。

しかしその後、科学者のチャン・フェン氏とジョージ・チャーチ氏は、CRISPR/Cas9技術を初めて使用してヒト細胞や哺乳類細胞で大規模な遺伝子編集を行ったという2つの論文をサイエンス誌に発表した。これは実際にテクノロジーを応用したものなので、さらに注目を集めています。

中国の学者張鋒

この技術が大きな影響を与えたのは、非常に短期間（数か月から1年未満）でヒト細胞における効率的かつ大規模な遺伝子編集を実現できるからです。これにより、遺伝子編集技術の応用の大きな可能性と価値が人々に認識されるようになりました。

この技術の原理は、新しいタイプのヌクレアーゼである Cas9 タンパク質を使用することです。

このヌクレアーゼは、自分の意志で切断することができず、ガイドとして核酸に頼らなければならないという特徴があります。このガイドは CRISPR またはガイド RNA です。このRNAとタンパク質が複合体を形成すると、タンパク質が特定の部位で正確に切断されるように誘導することができます。

この方法でのみ、遺伝子編集は高い効率と精度を達成し、潜在的な臨床治療への応用が可能になります。したがって、ダウドナとシャルパンティエがこの分野の先駆者であったと言えます。

03 CRISPR/Cas9技術の利点

葉水松：他の遺伝子編集技術と比較して、CRISPR/Cas9技術の利点と欠点は何ですか？

Chao Yanjie: CRISPR/Cas9 には多くの利点があります。シンプルで実現可能、効率的であるため、最短時間で「世界を統一する」状況を実現できます。 CRISPR/Cas9 ガイドは、無限の可能性を秘め、非常に高い効率と低コストで in vitro で合成できる核酸または RNA を使用します。

数日以内に何千ものガイドを合成し、無数の部位、あらゆる人間の遺伝子、あらゆる種の遺伝子を編集することができます。この技術の効率は他の方法とは比べものになりません。

同時に、CRISPR/Cas9 の時間と経済コストは非常に低いです。ガイドRNAはわずか数日で合成でき、哺乳類細胞内で編集を完了できます。編集効率も非常に高く、短時間で大まかなスクリーニングを行って編集された細胞や産物を得ることができます。

もうひとつの利点は、CRISPR/Cas9 では多くの遺伝子を同時に編集できることです。ガイド RNA は無限に組み合わせることができるため、複数のガイド RNA を使用して細胞内の複数の遺伝子を同時にターゲットにすることができます。この利点は他の方法に匹敵するものはありません。

利点があれば、当然欠点もあります。臨床実践において、CRISPR/Cas9 の欠点は、編集によって特定のオフターゲット効果が生じ、目的の編集が 100% のサイトで完了しないことです。これはすべての編集技術に存在する問題です。

これらの欠点にもかかわらず、技術開発者は現在この技術の改善に取り組んでおり、多くの科学者がこの技術を絶えず最適化し開発しています。

04 CRISPR/Cas9の創始者

葉水松：当時、あなたはノーベル賞受賞者のエマニュエル・シャルパンティエともコラボレーションしており、彼女の先駆的な作品のいくつかにあなたの名前も載っていたと聞いています。この技術の先駆者たちの話を聞かせていただけますか?シャルパンティエ氏はサイエンス誌の論文を発表する前に何に取り組んでいたのでしょうか。また、その論文は現在ほど注目を集めたのでしょうか。

チャオ・ヤンジエ：私はノーベル賞受賞者のエマニュエル・シャルパンティエについてよく知っています。私たちは同じ小さな分野「原核生物RNA生物学」に属しており、彼女は成功する前から私たちの研究室と共同研究を始めました。

実は、CRISPR/Cas9 を初めて発見した論文は、私が共著者となったものです。

研究者のチャオ・ヤンジエもその一人だ

この記事で有名になる前、彼女はウィーンで研究グループを率いるのに苦労していた下級研究グループリーダーでした。

当時、彼女の興味の対象の一つは病原菌の中でも連鎖球菌でした。彼女は連鎖球菌の中に、新しいタイプの非コード小RNAを発見したいと考えていました。

その後、彼女はRSシーケンシング（一分子リアルタイムシーケンシング）技術と非コード小RNAの研究基盤を持つ私たちの研究室と協力し始めました。その後、私たちは彼女の病原性細菌種の中に小さな非コードRNAを発見しました。

当時、この基礎研究は純粋に興味から始まったものでした。この研究が Nature に掲載されるとは思ってもいませんでしたし、CRISPR/Cas9 のように世界を変えるような大きな研究を生み出すことになるとは思ってもいませんでした。

当時、私たちはこの仕事のためにできる限りの実験を行い、連鎖球菌で新しいタイプの小さな非コードRNAを発見しました。偶然にも、この小さな RNA は CRISPR に関連しており、CRISPR/Cas9 と相互作用します。

この仕事のおかげで、シャルパンティエの学業の発達も非常に順調になりました。彼女はウィーン大学を離れ、新しい研究室を設立するためにスウェーデンに行き、その後ドイツに戻ってさらに大きな研究室を設立しました。このプロセスの間、私たちは全員コミュニケーションをとりました。

シャルパンティエ氏は現在も病原細菌のRNA生物学の分野で傑出した研究を続けており、ベルリンのマックス・プランク研究所に新たな研究ユニットを設立した。

05 中国学者の主な貢献

葉水松：ですから、独創的な革新技術は、生まれる前に難しいことが多いのです。興味は最高の教師です。中国の科学者たちがこの分野で非常に重要な貢献を果たしてきたことは周知の事実です。たとえば、張鋒はガードナー賞などの重要な賞を受賞しています。この分野における彼と他の数人の中国学者の主な貢献を紹介していただけますか?

チャオ・ヤンジエ：実際、中国の科学者たちはこの分野、特に国内の生命科学の発展と成長に非常に大きな貢献をしてきました。この分野では、私たち中国の貢献が反映されています。

代表者の一人は、遺伝子編集の分野に携わってきた張鋒氏だ。 CRISPR/Cas9が発見される前から、彼はすでに米国で、おそらくチャーチ研究所で遺伝子編集に取り組んでいた。彼は遺伝子編集にジンクフィンガータンパク質を使用しています。

CRISPR/Cas9が登場したとき、彼は記事を書いている最中にもそのツールについて聞き、それが未来の方向だと信じて非常に興味を持ち、衝撃を受けたそうです。したがって、彼は CRISPR 研究に携わる世界初の科学者の一人である可能性があります。

そのため、ダウドナ氏とシャルパンティエ氏が2012年にサイエンス誌に論文を発表した時点で、彼らはこれらのツールを使って1年以内に哺乳類細胞での遺伝子編集を実現していたことになる。

したがって、張鋒氏はCRISPR/Cas9の応用における先駆的な科学者であると言える。その後、彼は、この 1 つの作品やこの 1 つのアプリケーションが 1 位を獲得しただけでなく、この分野に根付いて多くの新しい貢献をした一連の作品を生み出しました。たとえば、シャルパンティエとダウドナは遺伝子編集に CRISPR/Cas9 というタンパク質を使用しました。しかし、張鋒氏は、このタイプのタンパク質はたくさんあるはずだと考えています。自然界には多種多様な生物が存在し、より優れ、より効率的で、より応用価値のある他のタンパク質が存在する可能性があります。

その後、米国のNCBIでバイオインフォマティクスによる遺伝子発見を行っている人物と共同研究を行い、培養が困難なさまざまな微生物から機能特異的なCasタンパク質を多数発見した。その後、これらの Cas タンパク質を使用して、さらなる遺伝子編集技術やより洗練された編集技術が発見されました。遺伝子編集は可能であるだけでなく、遺伝子診断や遺伝子検査にも使用できることを発見した。

06 中国における遺伝子編集分野における優れた取り組み

葉水松：チャオ先生、中国におけるこの分野の仕事のハイライトについて簡単にお話しいただけますか？

チャオ・ヤンジエ：実は中国には優秀な科学者がたくさんいます。我が国では、農業において動物や植物の遺伝子組み換えに CRISPR/Cas9 を利用しており、いくつかの農業大学では動物の育種において比較的優れた成果を上げています。遺伝子編集はサルでも行われており、臨床研究や疾患研究のための多くのモデルを提供しています。

さらに、北京大学の一部の学者は、HIVや感染症の治療など、病気の治療にCRISPRを使用することができ、非常に大きな貢献を果たしています。

07 遺伝子編集技術の最適化

葉水松：現時点では、CRISPR/Cas9によるヒト遺伝子編集にはオフターゲット効果の可能性があり、AAVベクターの送達や免疫原性などの問題もあります。この技術を将来臨床応用する場合、どのような点を最適化する必要があるとお考えですか?

チャオ・ヤンジエ：CRISPR/Cas9 は依然として細菌由来の物質、つまり人体外の物質であるため、送達システムは最適化が必要な領域だと思います。 CRISPR/Cas9 をヒト細胞に送達し、理想的な組織細胞で理想的な編集を実行するには、いくつかのプロセスが必要です。

現在の応用は、特に網膜および視神経の疾患に対する局所編集に限定されています。これは、目の細胞に局所的に注入することによって行われる編集方法です。これはすべての種類の病気に当てはまるわけではありません。たとえば、血液疾患の場合、血液細胞は抽出され、体外で編集されてから体内に再注入されるしかありません。

したがって、CRISPR/Cas9 が理想的な臓器や細胞で任意に編集できるようにするには、理想的な標的細胞への標的の侵入を実現できるようにするための送達に関する関連研究がまだ必要です。

もう一つは遺伝子オフターゲットです。この研究は世界中のすべての科学者が取り組んでいる方向です。人間の治療や遺伝子編集のツールとして、オフターゲット現象が発生した場合、それはヒトゲノムに組み込まれ、次世代、さらにその次の世代へと受け継がれ、人類の遺伝子の歴史の中に永久に存在することになります。したがって、潜在的なオフターゲットの可能性は広範囲にわたる影響を及ぼすことになります。

現在、この分野で研究している世界中の科学者は皆、遺伝子編集の効率と精度をさらに最適化したいと考えています。

08 遺伝子編集は今後どのように発展していくのでしょうか？

葉水松：遺伝子治療の今後の発展方向はどうなるとお考えですか？

チャオ・ヤンジエ：生物学に携わる人々は、自然の多様性を評価したり理解したりするでしょう。こうしたさまざまなツールの出現は、実際にはバイオテクノロジーの発展です。各ツールには、最も理想的または最も適したアプリケーション シナリオがあります。

将来、遺伝子治療が他の治療法に置き換えられるとは思いません。代わりに、どの疾患とどのような特定のシナリオを遺伝子治療で治療する必要があるかを考える必要があります。私が思いつくのは、いくつかの希少疾患や遺伝性疾患の研究です。これらの疾患は DNA の欠陥やゲノムの欠陥によって引き起こされるからです。したがって、DNA レベルで編集すると、たった 1 回の編集で問題を完全に解決できます。これは遺伝子治療では代替できず、最も適切な治療シナリオです。

そして、mRNAワクチンやタンパク質分解実験はまだ発展途上の技術です。 COVID-19の過程でワクチンの前例として使われてきたが、特に遺伝性疾患の治療においてはまだ十分に成熟していない。

これらがどのようなシナリオに最も適しているか、またはどのような問題を解決しているかについては、さらなる研究が必要です。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトチーム/著者：ディープスタディ科学レビュー：中国科学院生物物理研究所准研究員タオ・ニンの支援を受けています。

制作：中国科学技術協会科学普及部 制作：中国科学技術出版社、北京中科星河文化メディア株式会社