精密医療から分子育種まで、遺伝子編集は新世代のバイオテクノロジー革命を引き起こした

導入

過去2年間、遺伝子編集技術は非常に人気が高まってきました。これはあらゆる分子研究室にとって不可欠な技術であるだけでなく、分子育種、品種改良、遺伝子治療など、さまざまな分野での数多くの応用を生み出しています。

本日は、湖南師範大学医学部教授であり、「小湘学者」の名誉教授でもある顧鋒先生にインタビューします。顧教授は遺伝子編集技術の応用と将来の発展について説明します。

Q: 遺伝子編集技術の応用展望について紹介していただけますか？

Gu Feng: 現在の遺伝子編集技術の医療への応用には、一般的に次のようなものがあります。

まず、動物モデルです。初期の頃は、動物モデルとしてラットとマウス（主にマウス）のみが使用されていました。遺伝子編集技術が加われば、ウサギ、犬、豚など、私たちが思いつくほとんどの動物を作ることができるようになります。例えば豚であれば、病気に強い品種改良の研究が行えます。たとえば、ある遺伝子を編集すると、豚は特定のウイルスに感染しなくなります。これは農業、食品、動物に応用できます。

世界初のCRSPR/Cpf1遺伝子ウサギとブタのモデル

大豆や米などの植物でも分子育種が行われています。基本的に、私たちが考えつくあらゆる植物は遺伝子編集が可能です。そのため、遺伝子編集技術は育種にとって非常に重要です。

高オレイン酸大豆

医学において最も重要な応用は何ですか?薬物標的のスクリーニングを含む治療です。新型コロナウイルスを例にとると、新型コロナウイルスが細胞とどのように相互作用するかを理解するために、細胞内の遺伝子をノックアウトして、どの遺伝子がコロナウイルスの感染を防ぐのか、感染後に複製を防ぐのか、複製後に放出を防ぐのかを調べることができます。プロセスのいずれかのステップが影響を受ける限り、理論的にはウイルスの毒性は低下します。

もう 1 つのポイントは、ツールを直接使用して特定の細胞に輸送し、遺伝子修復作業を完了することです。ここでより重要な種類の病気としては、目の網膜疾患が含まれます。目は免疫免除臓器であるため、そこに注入された CRISPR/Cas9 などの治療ツールは免疫系によって認識されにくい。カメラのフィルムと同じように、特定の細胞の遺伝子が修復されれば、理論的にはフィルムの有用性は高まり、撮影した写真はより鮮明になり、人々は同じように写真を見ることができるようになるでしょう。

高コレステロール血症などの肝臓疾患もあり、これは非常に大きなカテゴリーの疾患です。心血管疾患は非常に有害であり、多数の患者が関与しているため、突然死を引き起こす可能性もあります。特定のLDLR遺伝子をノックアウトまたは修復することができれば、高コレステロール血症を治療できるようになります。もちろん、高コレステロール血症のさまざまなケースに応じた特別な修復を行うことができます。

もう一つの大きなカテゴリーは血液系です。血液系はサラセミアなどの疾患によって代表されます。現在、中国は非常に好調であり、国際的にその応用と変革は基本的に第一線にあります。

これらは現在、医学において遺伝子編集によって治療されている主な疾患です。

また、CAR-Tと遺伝子編集を利用して特定の分子をT細胞に輸送し、腫瘍を特異的に排除する腫瘍免疫もあります。

それに比べると、非常に有望です。一般的に、私たちの目標は、最新の技術を主要な臨床疾患に適用し、最終的に疾患を解決し、臨床ニーズを満たすことです。

Q: 単一遺伝子疾患の治療における CRISPR/Cas 遺伝子編集技術の応用について紹介していただけますか?

Gu Feng：現在、最も最先端の単一遺伝子治療はサラセミア（治療）です。サラセミアの患者数は多く、効果的な治療法が不足しています。輸血や鉄除去に加え、早期治療方法としては幹細胞移植も含まれます。しかし、幹細胞移植には適合性が必要なため、この 2 つの方法には実は非常に制限があります。稀な単一遺伝子疾患の治療法は、ベータグロビンまたは HBB 遺伝子 (サラセミアを引き起こす遺伝子) を直接修復するのではなく、制御配列を操作して HPFH と呼ばれる疾患をシミュレートすることです。この病気の症状は非常に軽度であり、別の遺伝子のプロモーター領域を操作することで、ベータグロビン遺伝子とβグロビンの非発現を実現できます。

具体的には、グロビンの別の段階を誘導して、緩和の役割を果たせるようにします。したがって、今のところ、その治療効果はまだかなり良好です。

この治療法のもう一つの利点は、病気のあらゆる変異を修正するために使用できることです。これは、遺伝子がどのように制御されるかについてのこれまでの発見のおかげです。先人たちの仕事は、今日の私たちの治療活動に非常に役立っています。

この考え方は他の遺伝性疾患の治療にも非常に有益であると思います。これは、さまざまな変異を持つすべての遺伝子をカバーできる 1 つの薬剤に相当します。

Q: 多重遺伝子疾患に対する遺伝子治療の現状はどうなっていますか?

Gu Feng: 多遺伝子性遺伝病では複数の遺伝子が関与していますが、遺伝子ごとに寄与率が異なる場合があります。理論的には、多重遺伝子治療は実現可能です。しかし、現時点での主な問題の一つは、病気をシミュレートすることが難しいことが多いことです。例えば、遺伝子が 4 つあり、マウスでシミュレーション実験を行う場合、4 つの遺伝子すべてを同時に変異遺伝子に変える必要があり、これは膨大な作業量になります。

さらに、それぞれの遺伝子には貢献があります。人間とマウスの遺伝子を完全にシミュレートして類推できるかどうかは科学的な問題です。そのため、主に作業の実行が難しく、（治療）サイクルが比較的長いため、多重遺伝子治療に関する研究はあまり行われていません。

技術としては、まず突破しやすいところで突破口を開き、その点をゆっくり使って全体をリードしていくことが大事です。理論的には、多重遺伝子治療は単一遺伝子治療と非常に似ていますが、多重遺伝子（治療）にはより高度な技術の研究開発が必要になる場合があります。

Q: 動物や植物の繁殖について教えてください。

Gu Feng：例えば、動物の飼育では、豚がPERVと呼ばれるウイルスに感染する可能性があります。感染後、豚は特に有害な豚内因性レトロウイルス（PERV）と呼ばれる病気を発症します。

一部の研究者は、特定の受容体CD163遺伝子をノックアウトし、この遺伝子をノックアウトすると豚はこのウイルスに感染しなくなる可能性があることを発見しました。理論的には、これにより良好な繁殖効果が達成され、農場全体の動物の感染を防ぐことができます。数年前、アフリカ豚コレラが発生したとき、私たちはアフリカ豚コレラに抵抗できるようにこの特別な（遺伝子編集）を行いました。アフリカ豚コレラウイルスが蔓延しても、豚は生き残ることができ、影響を受けません。遺伝子編集技術を動物の繁殖に応用すると、繁殖コストを大幅に削減できます。

植物についても同じことが言えます。たとえば、耐塩性、耐熱性、耐寒性、成長特性が高い植物など、収穫量が多く品質の良い植物を作りたい場合、これらはすべて技術の進歩に依存します。国家のニーズにテクノロジーを適用することで、私たちは十分に食べることができるだけでなく、健康的な食事もできるようになります。

魚の養殖に関しては、湖南師範大学の劉軍氏と劉少軍氏が素晴らしい仕事をしました。

劉雲（左）と劉少俊（右）の両学者

Q: 動物や植物の繁殖について教えてください。

Gu Feng：例えば、動物の飼育では、豚がPERVと呼ばれるウイルスに感染する可能性があります。感染後、豚は特に有害な豚内因性レトロウイルス（PERV）と呼ばれる病気を発症します。

一部の研究者は、特定の受容体CD163遺伝子をノックアウトし、この遺伝子をノックアウトすると豚はこのウイルスに感染しなくなる可能性があることを発見しました。理論的には、これにより良好な繁殖効果が達成され、農場全体の動物の感染を防ぐことができます。数年前、アフリカ豚コレラが発生したとき、私たちはアフリカ豚コレラに抵抗できるようにこの特別な（遺伝子編集）を行いました。アフリカ豚コレラウイルスが蔓延しても、豚は生き残ることができ、影響を受けません。遺伝子編集技術を動物の繁殖に応用すると、繁殖コストを大幅に削減できます。

植物についても同じことが言えます。たとえば、耐塩性、耐熱性、耐寒性、成長特性が高い植物など、収穫量が多く品質の良い植物を作りたい場合、これらはすべて技術の進歩に依存します。国家のニーズにテクノロジーを適用することで、私たちは十分に食べることができるだけでなく、健康的な食事もできるようになります。

魚の養殖に関しては、湖南師範大学の劉軍氏と劉少軍氏が素晴らしい仕事をしました。

Q: 遺伝子編集作物と遺伝子組み換え作物の違いを説明していただけますか?

Gu Feng：最も初期の GMO 研究は GMO 綿花に焦点を当てていました。 BT遺伝子を転写することで、昆虫は綿の葉を食べることができなくなり、最終的には昆虫に強い綿が生産されました。虫に強い綿花は収穫量が多く、農薬を必要としません。初期の遺伝子組み換え植物の中で、最も成功したのは虫に強い綿花でした。

同じ戦略を使って、イネに遺伝子を移すこともできます。このようにして、米には外来遺伝子によってコード化されたいくつかの産物が含まれることになります。私たちが現在製造している遺伝子編集製品は、遺伝子組み換え製品とは大きく異なります。

遺伝子組み換えには、外来遺伝子を植物や動物に移す必要があり、最終的にはゲノム内に残ります。名前が示すように、この外来遺伝子はトランスジェニックと呼ばれます。

しかし、遺伝子編集に関する限り、RNAとタンパク質を使って（作物に）作用すれば、最終的には配列決定を通じてすべての塩基の配列を解明することができます。最終的には、外来物質はゲノム内に残りません。これらは編集の役割のみを果たし、すぐに劣化します。

宇宙栽培と同じように、神舟宇宙船に稲を乗せて宇宙へ「旅」に出かけます。種子が戻ってくると、突然変異しているのです。突然変異の後、それらを繁殖させ、種子の味が良くなる可能性があることがわかります。これは遺伝子編集と非常によく似ています。

遺伝子編集は編集の役割のみを果たし、動物や植物に外因性物質が侵入することはありません。すべての塩基が明確であることを確認するためにハイスループットシーケンシングが使用されるため、これは遺伝子組み換えとはまったく異なります。遺伝子組み換え生物は動物や植物の中に残留物質を残しますが、遺伝子編集では残留物質は残りません。

そのため、動物、植物、微生物を問わず、病気に強い品種改良や極限条件下での品種改良などが可能になります。したがって、一般の人々はGMOに対して多少の懸念を抱いているかもしれませんが、遺伝子編集技術に関しては、適切な広報活動や関連する科学の普及活動さえ行えば、理論的には誰もが受け入れることができると思います。

Q: 最後に、遺伝子編集技術の将来性について教えてください。

Gu Feng：遺伝子編集技術はこれまで10年ほど存在してきました。初期のツールには程度の差こそあれ問題があるかもしれませんが、全体的には遺伝子編集ツールはますます正確になり、使いやすく、効率的になってきています。

もちろん、これは現在のツールが十分に優れていることを意味するわけではなく、まだいくつか問題が残っています。遺伝子編集ツールを見るときに注目すべき主な点は、それが何のために使用されるかです。たとえば、人間の治療研究に関しては、ツールが完全に正確であることを期待しています。これはまさに走り高跳びのようなものです。以前は2メートルジャンプできたのに、今では2メートル半、あるいは2メートル半、さらにもっと高くジャンプできるようになることを望んでいます。これは継続的な改善のプロセスです。

したがって、遺伝子編集ツールの研究開発はまだ必要であると思います。特に、臨床レベルの遺伝子編集ツールに対する需要は非常に強いです。もちろん、病気によって必要なツールは異なります。例えば、腫瘍。腫瘍に対する治療法は比較的限られており、治療効果も比較的一般的なので、腫瘍ツールの閾値はわずかに低くなります。治療効果が向上し、患者がそれを受け入れる可能性が高ければ、患者にとっての利益は大きくなり、リスクは低くなります。

現在、腫瘍学の分野では、要件はそれほど高くありません。しかし、遺伝性疾患に関しては、できるだけ正確さを求めています。現時点では、当社の技術は、特定の致命的かつ特に有害な病気に対する最初の一連の（治療）作業を実行することが可能です。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

チーム/著者: Deep Science

査読者: タオ・ニン、中国科学院生物物理研究所准研究員

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司