ゲノム編集技術「CRISPR」に新しい技術が追加された。PASTEと呼ばれるこのシステムは、ウイルス酵素を使ってDNAの大きな部分をゲノムに「ドラッグ＆ドロップ」するもので、さまざまな遺伝病の治療に役立つと考えられている。

この新しいツールは、CRISPR-Cas9（もともと細菌防御システムに由来する分子群）と、ウイルスが自身の遺伝物質を細菌ゲノムに挿入するために使用するインテグラーゼと呼ばれる酵素の正確なターゲティングを組み合わせたものだ。

CRISPR-Cas9はもともと、ファージ感染に対する細菌の免疫システムを明らかにする研究の中で生まれた。Cas9というDNA切断酵素と、この酵素をゲノムの特定領域に誘導する短いRNA鎖からなり、Cas9が切断する場所を指示する。Cas9と疾患遺伝子を標的とするガイドRNAが細胞に送達されると、ゲノムに特定の切り口が作られ、細胞のDNA修復プロセスによって切り口が接着され、通常はゲノムの小さな部分が削除される。

DNAテンプレートも受け継がれれば、細胞は修復の過程で修正されたコピーをゲノムに取り込むことができる。しかし、この過程では、細胞にDNAの二重鎖切断を起こさせる必要があり、細胞が意図したとおりに修復することが難しく、意図しない改変や編集された細胞の発がんリスクが高くなる可能性があるのだ。

MITのチームは、二本鎖DNAの切断を起こすことなく、欠陥のある遺伝子を切り取って新しい遺伝子に置き換えることができるツールを開発したいと考えていた。そして今回、彼らはインテグラーゼに注目したのだ。インテグラーゼとは、ファージと呼ばれるウイルスが細菌のゲノムに挿入する際に利用する酵素群である。

今回、研究者らは、5万塩基対という巨大なDNAブロックを挿入できるセリン・インテグラーゼに注目した。セリン・インテグラーゼは、ウイルスが細菌に感染し、標的のゲノムに自分のDNAを挿入する際に使用する酵素である。CRISPRの起源が、まさにこうした攻撃に対する細菌の防御であることを考えると、皮肉ではある。このインテグラーゼは、標的ゲノム内の特定の配列を自然に探し出す。そのため、PASTEシステムは、インテグラーゼが探している小さな「ランディング・サイト」配列を挿入し、優しく切り取った後に、その配列を挿入する。最後に、インテグラーゼは、そのDNAペイロードをその部位でゲノムに挿入する。

「これは、プログラム可能なDNA挿入という夢の実現に向けた大きな一歩だと考えています」とこの研究の筆頭著者であるJonathan Gootenberg（ジョナサン・グーテンベルク）は述べている。「この技術は、統合したいサイトや貨物に簡単に合わせることができます。」

研究チームは一連のテストで、ヒトの肝細胞、T細胞、リンパ芽細胞でPASTEシステムを作動させ、13種類の遺伝子をゲノムの9カ所に挿入することに成功した。成功率は60%に達し、挿入部位でのエラーはほとんど発生しなかった。しかし、肝臓を「ヒト化」したマウスでのテストでは、約2.5%の細胞でしか機能しなかった。

この技術は、より穏やかで安全性が高いだけでなく、一度に大量のDNAを挿入することが可能で、テストでは最大36,000塩基対まで挿入できたという。このため、嚢胞性線維症やハンチントン病の原因となるような欠陥のある遺伝子を置き換えるのに、特に有効であると考えられる。

この研究のもう一人の筆頭著者であるOmar Abudayyeh（オマール・アブダイェ）氏は、「これは、治療が本当に難しい病気をターゲットとする可能性のある新しい遺伝学的方法です。我々は、遺伝子治療が、単に個々の突然変異を修正するだけではなく、遺伝子を置き換えるという、その当初の目的に向かって取り組みたかったのです。」と語る。

PASTEが、これらの病気の治療に使われるようになるには、まだたくさんの改良作業が残されているが、CRISPRの他の優しいバリエーションが開発中であることに変わりはない。CRISPR-Combo、MAGESTIC、RLR、バクテリオファージやジャンピング遺伝子を用いたシステムなどである。

また、研究者たちは、自分たちの遺伝子構造を他の科学者が利用できるように、オンラインで公開している。

研究の要旨

ゲノム編集において、露出したDNA二本鎖切断のDNA修復を行わずに、大規模で多様なDNAカーゴをプログラム可能にゲノムに組み込むことは、依然として未解決の課題である。我々は、CRISPR-Cas9ニッカーゼと逆転写酵素およびセリンインテグラーゼを融合させた、部位特異的標的要素によるプログラム可能な付加（PASTE）を発表し、ゲノムの標的化と目的のペイロードの統合に利用する。我々は、3つのヒト細胞株、初代T細胞、非分裂の初代ヒト肝細胞において、複数のゲノム遺伝子座に約36キロバースの大きな配列が組み込まれることを実証している。PASTEを強化するために、メタゲノムから25,614個のセリンインテグラーゼとその結合部位を発見し、より高い活性と短い認識配列を持つオルソログを設計し、効率的なプログラム可能な統合を実現した。PASTEは、相同性指向性修復法や非相同末端結合法に基づく方法と同等以上の編集効率を持ち、非分裂細胞や生体内で活性を持ち、検出可能なオフターゲットイベントが少ない。PASTEは、DNA修復経路に依存しない大規模かつ多重の遺伝子挿入を可能にし、ゲノム編集の可能性を拡大するものである。