昨年 11 月の夕方、ジェニファー・ダウドナはスタイリッシュな黒のイブニング ドレスを着て、1932 年に飛行船を収容するために建設された NASA のエイムズ研究センターの建物であるハンガー ワンに向かいました。迫り来る格納庫のアーチの下で、ダウドナはベネディクト・カンバーバッチ、キャメロン・ディアス、ジョン・ハムなどの有名人と交流した後、マーク・ザッカーバーグやその他のテクノロジー億万長者が後援する賞である 2015 年の生命科学ブレークスルー賞を受賞しました。カリフォルニア大学バークレー校の生化学者である Doudna と、彼女の共同研究者であるドイツの Helmholtz Center for Infection Research の Emmanuelle Charpentier は、CRISPR として知られる革新的な DNA 編集ツールの発明に対してそれぞれ 300 万ドルを受け取りました。
Doudna は、飛行船が空を支配していた時代に彼女が行った仕事で称賛される白髪の名誉職ではありませんでした。 Doudna、Charpentier、およびその同僚が CRISPR の可能性を初めて実証したのは 2012 年のことでした。彼らは、微生物に侵入し、研究者が選択した場所でその DNA を正確に切断できる分子を作成しました。 2013 年 1 月、科学者たちはさらに一歩進んで、人間の細胞の特定の DNA 断片を切り取り、別のものに置き換えました。
同月、ハーバード大学とブロード研究所の別の科学者チームが、遺伝子編集ツールで同様の成功を収めたと報告しました。科学的な殺到が始まり、過去 2 年間で、研究者は CRISPR に関する何百もの実験を行いました。彼らの結果は、この技術が医学と農業の両方を根本的に変える可能性があることを示唆しています。
一部の科学者は、マウスの欠陥のある DNA を修復し、たとえば遺伝病を治しました。植物科学者は CRISPR を使用して作物の遺伝子を編集しており、より良い食糧供給を設計できるという期待が高まっています。一部の研究者は、毛むくじゃらのマンモスを再現することを最終目標として、ゾウのゲノムを書き換えようとしています。ジャーナル Reproductive Biology and Endocrinology に昨年執筆 、日本の北海道大学の荒木元子と石井哲也は、医師が「近い将来」に CRISPR を使用してヒト胚の遺伝子を変更できるようになると予測しました。
CRISPR 研究のスピードのおかげで、称賛はすぐに得られました。昨年 MIT テクノロジー レビュー CRISPR は「今世紀最大のバイオテクノロジーの発見」と呼ばれています。ブレークスルー賞は、Doudna が CRISPR に関する研究でここ数か月獲得したいくつかの著名な賞の 1 つにすぎません。 National Public Radio は最近、彼女の将来のノーベル賞候補のささやきを報告しました.
新しい科学的進歩を受け入れるのが遅いことが多い製薬業界でさえ、急いで行動を起こしています. CRISPR ベースの医療を開発する新しい企業が参入しています。 1 月、製薬大手ノバルティスは、がん治療の研究に Doudna の CRISPR 技術を使用すると発表しました。免疫細胞の遺伝子を編集して、腫瘍を攻撃できるようにする計画です。
しかし、厳粛な祝賀会や特許出願の中で、CRISPR に関する最も重要な事実を見落としがちです。それは、実際には誰も発明していないということです。
Doudna と他の研究者は、彼らが遺伝子編集に使用する分子をどこからともなく摘み取ったわけではありません。実際、彼らは自然の中にある CRISPR 分子に出くわしました。微生物は何百万年もの間、自分の DNA を編集するためにそれらを使用してきました。今日でも、海の底から私たち自身の体のくぼみまで、地球全体でそれを続けています.
私たちは、CRISPR が自然界でどのように機能するかをほとんど理解し始めていません。微生物はこれを洗練された免疫システムとして使用し、敵を認識することを学習できるようにします。現在、科学者たちは、微生物が他の仕事にも CRISPR を使用していることを発見しています。 CRISPR の自然史は、科学者に多くの疑問を投げかけていますが、それらに対する十分な答えはまだ得られていません。しかし、それはまた大きな約束を持っています。 Doudna と彼女の同僚は、1 つのタイプの CRISPR を利用しましたが、科学者はさまざまなタイプの膨大な動物園を見つけています。その多様性を活用することで、より効果的な遺伝子編集技術につながるか、またはまだ誰も思いつかなかったアプリケーションへの道を開く可能性があります。
「私たち自身を含む多くの研究室が、他の亜種とその仕組みを忙しく調べていることは想像に難くないでしょう」と Doudna 氏は述べています。 「お楽しみに。」
繰り返される謎
CRISPR を発見した科学者たちは、これほど画期的なものを発見したことを知る由もありませんでした。彼らは自分たちが見つけたものを理解していませんでした。 1987 年、日本の大阪大学の石野義純と同僚は、iap と呼ばれる遺伝子の配列を発表しました。 腸内微生物 E.大腸菌 .遺伝子がどのように機能するかをよりよく理解するために、科学者は遺伝子を取り囲む DNA の配列も調べました。彼らは、タンパク質が着地して iap になった場所を見つけたいと考えていました。 オンとオフ。しかし、スイッチの代わりに、科学者たちは不可解なものを発見しました.
iapの近く 遺伝子は、DNA の 5 つの同一セグメントを産みます。 DNA は塩基と呼ばれるビルディング ブロックで構成されており、5 つのセグメントはそれぞれ同じ 29 塩基で構成されていました。これらの反復配列は、スペーサーと呼ばれる DNA の 32 塩基ブロックによって互いに分離されていました。反復配列とは異なり、各スペーサーには固有の配列がありました。
この特異な遺伝子サンドイッチは、生物学者がこれまでに発見したものとはまったく似ていませんでした。日本の研究者が結果を発表したとき、彼らは肩をすくめるしかなかった. 「これらの配列の生物学的意義は不明です」と彼らは書いています。
シーケンスが E に固有のものであるかどうかを知ることは、当時は困難でした。大腸菌 というのは、微生物学者は DNA を解読するための大雑把な技術しか持っていなかったからです。しかし、1990 年代になると、技術の進歩により、配列決定の速度が向上しました。 10 年代の終わりまでに、微生物学者は海水や土壌をすくい上げ、サンプル中の DNA の多くを迅速に配列決定できるようになりました。メタゲノミクスと呼ばれるこの手法は、驚異的な数の微生物種におけるこれらの奇妙な遺伝的サンドイッチを明らかにしました。それらは非常に一般的になったため、科学者は、配列が何のためのものかまだ知らなかったとしても、それらについて話すために名前が必要でした. 2002 年、オランダのユトレヒト大学の Ruud Jansen と同僚は、これらのサンドイッチを「規則的に間隔をあけてクラスター化された短い回文反復」、つまり CRISPR と名付けました。
Jansen のチームは、CRISPR シーケンスについて別のことに気付きました。それらは常に近くにある遺伝子の集合を伴っていました。彼らはこれらの遺伝子をCasと呼んだ 遺伝子、CRISPR 関連遺伝子。遺伝子は DNA を切断できる酵素をコードしていましたが、なぜそうするのか、またなぜ常に CRISPR 配列の隣に座っているのかは誰にもわかりませんでした。
3 年後、科学者の 3 つのチームがそれぞれ、CRISPR スペーサーに奇妙な点があることに気付きました。それらはウイルスの DNA によく似ていました。
「そして、すべてがカチッと音を立てました」と Eugene Koonin は言いました。
当時、メリーランド州ベセスダにある国立生物工学情報センターの進化生物学者であるクーニンは、CRISPR と Cas について頭を悩ませていました。 数年間の遺伝子。彼は、CRISPR スペーサーにウイルス DNA の断片が発見されたことを知るとすぐに、微生物がウイルスに対する武器として CRISPR を使用していることに気付きました.
Koonin は、微生物がウイルス攻撃の受動的な犠牲者ではないことを知っていました。彼らにはいくつかの防御線があります。 Koonin は、CRISPR と Cas 酵素はもう1つ提供します。 Koonin の仮説では、細菌は Cas を使用します。 ウイルスDNAの断片をつかむ酵素。次に、ウイルス断片を独自の CRISPR 配列に挿入します。その後、別のウイルスが出現すると、バクテリアは CRISPR シーケンスをチート シートとして使用して侵入者を認識することができます。
科学者は、CRISPR と Cas の機能について十分に知りませんでした Kooninが詳細な仮説を立てるための酵素。しかし、彼の考えは、Rodolphe Barrangou という名前の微生物学者がそれをテストするのに十分挑発的でした. Barrangou にとって、Koonin のアイデアは魅力的なだけでなく、当時の彼の雇用主であるヨーグルト メーカーの Danisco にとって大きな取引になる可能性がありました。ダニスコは、牛乳をヨーグルトに変換するためにバクテリアに依存しており、バクテリアを殺すウイルスの発生により、培養物全体が失われることもありました. Koonin は、バクテリアがこれらの敵に対する武器として CRISPR を使用できることを示唆していました.
Koonin の仮説を検証するために、Barrangou と彼の同僚は牛乳を発酵させる微生物 Streptococcus thermophilus を感染させました。 2種類のウイルスで。ウイルスは多くのバクテリアを殺しましたが、生き残ったバクテリアもありました。それらの耐性菌が増殖すると、その子孫も耐性を持つことが判明しました。いくつかの遺伝子変化が起こっていました。 Barrangou と彼の同僚は、細菌が 2 つのウイルスの DNA 断片をスペーサーに詰め込んでいることを発見しました。科学者が新しいスペーサーを切り刻むと、バクテリアは耐性を失いました.
現在、ノースカロライナ州立大学の准教授である Barrangou 氏は、この発見により、多くの製造業者が自社の培養でカスタマイズされた CRISPR シーケンスを選択し、細菌がウイルスの発生に耐えられるようになったと述べています。 「ヨーグルトやチーズを食べたことがあるなら、おそらく CRISPR 化された細胞を食べたことがあるでしょう」と彼は言いました。
カット＆ペースト
CRISPR がその秘密を明らかにし始めたとき、Doudna は好奇心をそそられました。彼女はすでに、DNA のいとこである一本鎖 RNA の専門家として名を馳せていました。科学者たちは当初、RNA の主な仕事をメッセンジャーと見なしていました。細胞は RNA を使用して遺伝子のコピーを作成し、そのメッセンジャー RNA をテンプレートとして使用してタンパク質を構築します。しかし、Doudna と他の科学者は、センサーとしての機能や遺伝子の活動の制御など、RNA が行うことができる他の多くの仕事を明らかにしました。
2007 年、Blake Wiedenheft がポスドク研究員として Doudna の研究室に加わり、Cas の構造を研究することに熱心になりました。 酵素がどのように機能するかを理解するために。 Doudna がその計画に同意したのは、CRISPR に実際的な価値があると考えたからではなく、化学がクールかもしれないと考えたからです。 「理解することを除けば、特定の目標を達成しようとしているわけではありません」と彼女は言いました。
Wiedenheft として、Doudna とその同僚は Cas の構造を解明しました。 酵素を研究した後、彼らは分子がシステムとしてどのように連携するかを理解し始めました。ウイルスが微生物に侵入すると、宿主細胞はウイルスの遺伝物質の一部をつかみ、自身の DNA を切り開き、ウイルス DNA の断片をスペーサーに挿入します。
CRISPR 領域がウイルス DNA で満たされると、微生物が遭遇した敵を表す分子最重要指名手配のギャラリーになります。次に、微生物はこのウイルス DNA を使用して Cas を変化させることができます。 酵素を精密誘導兵器に。微生物は、各スペーサーの遺伝物質を RNA 分子にコピーします。 Cas 次に、酵素が RNA 分子の 1 つを取り込み、それを抱きしめます。一緒に、ウイルス RNA と Cas 酵素は細胞内を移動します。 CRISPR RNA と一致するウイルスの遺伝物質に遭遇すると、RNA はしっかりとくっつきます。 Cas その後、酵素は DNA を 2 つに切断し、ウイルスの複製を防ぎます。
CRISPR の生物学が出現するにつれて、他の微生物防御がまったく原始的に見えるようになりました。 CRISPR を使用することで、微生物は事実上、短い DNA 配列を探し出して排他的に攻撃するように酵素をプログラムすることができます。
「プログラム可能な DNA 切断酵素として理解すると、興味深い変化がありました」と Doudna 氏は述べています。彼女と彼女の同僚は、CRISPR の非常に実用的な用途があるかもしれないことに気付きました。 Doudna は、「なんてこった、これはツールかもしれない」と思ったことを思い出します。
科学者が微生物の技を借りて道具を作ったのはこれが初めてではありませんでした。一部の微生物は、制限酵素として知られる分子を使用して侵入から身を守っています。酵素は、分子シールドによって保護されていない DNA を切り刻みます。微生物は自身の遺伝子を保護し、ウイルスや他の寄生虫の裸の DNA を攻撃します。 1970 年代、分子生物学者は制限酵素を使用して DNA を切断する方法を発見し、現代のバイオテクノロジー産業が誕生しました。
その後の数十年間で、遺伝子工学は大幅に改善されましたが、根本的な欠点を免れることはできませんでした。制限酵素は、正確な切断を行うように進化したのではなく、外来 DNA を細断するだけでした。その結果、バイオテクノロジーに制限酵素を使用した科学者は、酵素が DNA を切断する場所をほとんど制御できませんでした。
CRISPR-Cas Doudna と彼女の同僚は、システムがすでにそのような制御を行うように進化していることに気づきました.
DNA 切断ツールを作成するために、Doudna と彼女の同僚は CRISPR-Cas を選択しました 化膿連鎖球菌由来のシステム 、レンサ球菌のどの原因となる細菌。 Cas と呼ばれる主要な酵素の機能を解明したことで、彼らはすでにシステムをかなりよく理解していました。 9. Doudna と彼女の同僚は Cas を供給する方法を見つけました 9 は、切断したい DNA の配列と一致する RNA 分子でした。その後、RNA 分子は Cas を誘導しました 9 DNA に沿って標的部位まで移動し、酵素が切開を行いました。
2 つの Cas を使用する 9 種類の酵素を使用することで、科学者は 1 組のスニップを作成し、必要な DNA の任意のセグメントを切り取ることができました。次に、細胞を誘導して、新しい遺伝子をオープン スペースに縫い付けることができます。このように Doudna と彼女の同僚は、検索と置換の生物学的バージョンを発明しました。これは、彼らが研究対象として選んだほぼすべての種で機能する可能性があります。
これらの結果が重要であったのと同様に、微生物学者は CRISPR のさらに深刻な影響にも取り組んでいました。微生物には誰も想像もしなかった能力があることを彼らに示した.
CRISPR が発見される前は、微生物がウイルスに対して使用することが知られているすべての防御策は、単純で万能の戦略でした。たとえば、制限酵素は、保護されていない DNA の断片を破壊します。科学者は、このスタイルの防御を自然免疫と呼んでいます。私たちにも自然免疫がありますが、それに加えて、病原体と戦うためにまったく異なる免疫システムも使用しています。つまり、敵について学習する免疫システムです。
このいわゆる適応免疫システムは、病原体を飲み込み、抗原と呼ばれる病原体の断片を他の免疫細胞に提示する特別な免疫細胞のセットを中心に構成されています。免疫細胞が抗原にしっかりと結合すると、細胞は増殖します。分裂の過程で、細胞の抗原受容体遺伝子にいくつかのランダムな変化が加えられます。いくつかのケースでは、この変化によって受容体が変化し、抗原をよりしっかりと捕捉できるようになります。受容体が改善された免疫細胞は、さらに増殖します。
このサイクルにより、特定の種類の病原体に迅速かつ緊密に結合できる受容体を備えた免疫細胞の軍隊が形成され、病原体が正確な暗殺者になります。他の免疫細胞は、抗原をつかんで病原体を殺すのに役立つ抗体を産生します。たとえば、適応免疫システムが麻疹ウイルスを認識して一掃することを学習するには、数日かかります。しかし、感染が終息すると、これらの免疫学的記憶を保持することができます。はしかに合わせて調整されたいくつかの免疫細胞 は、生涯にわたって私たちのそばにとどまり、再び攻撃する準備ができています.
CRISPR は、微生物学者が認識したように、適応免疫システムでもあります。これにより、微生物は新しいウイルスのシグネチャを学習し、記憶することができます。そして、病原体を認識することを学習するには、さまざまな種類の細胞とシグナルの複雑なネットワークが必要ですが、単細胞の微生物は、同じ教訓を自分で学習するために必要なすべての機器を備えています.
しかし、微生物はどのようにしてこれらの能力を開発したのでしょうか?微生物学者が CRISPR-Cas を発見し始めて以来 Koonin と彼の同僚は、システムの進化を再構築してきました。 CRISPR-Cas システムは膨大な数の異なる酵素を使用しますが、それらすべてに共通する酵素が 1 つあります。それは Cas と呼ばれます 1. この普遍的な酵素の仕事は、入ってくるウイルス DNA をつかみ、それを CRISPR スペーサーに挿入することです。最近、Koonin と彼の同僚は、Cas の起源と思われるものを発見しました。 1酵素。
微生物は、自身の遺伝子に加えて、寄生虫のように機能する可動要素と呼ばれる DNA のストレッチを持っています。モバイル要素には、独自の DNA の新しいコピーを作成し、宿主のゲノムを切り開き、新しいコピーを挿入するためだけに存在する酵素の遺伝子が含まれています。時々、モバイル要素は、ウイルスで乗り物をヒッチするか、他の手段によって、あるホストから別のホストにジャンプし、新しいホストのゲノムを介して拡散することがあります.
Koonin と彼の同僚は、カスポゾンと呼ばれる可動要素の 1 つのグループが、Cas とほとんど同じ酵素を作ることを発見しました。 1. Nature Reviews Genetics の新しい論文 、パリのパスツール研究所の Koonin と Mart Krupovic は、CRISPR-Cas システムは、突然変異がカスポゾンを敵から友人に変えたときに始まりました。彼らの DNA 切断酵素は家畜化され、免疫防御の一部として捕捉されたウイルス DNA を保存するという新しい機能を引き受けました。
CRISPR の起源は 1 つだったかもしれませんが、途方もなく多様な分子へと開花しました。 Koonin は、ウイルスが原因であると確信しています。 CRISPR の強力で正確な防御に直面すると、ウイルスは回避策を進化させました。それらの遺伝子は配列を変更したため、CRISPR は簡単にそれらに引っ掛かりませんでした。また、ウイルスは、Cas をブロックできる分子も進化させました。 酵素。微生物は順番に進化することで対応しました。彼らは、ウイルスが戦うことができなかった CRISPR を使用するための新しい戦略を獲得しました。何千年もの間、言い換えれば、進化は自然の実験室のように振る舞い、DNA を変更するための新しいレシピを考え出しました。
隠された真実
ラトガース大学とロシアのスコルコボ科学技術研究所で共同研究を行っているコンスタンチン・セヴェリノフにとって、CRISPR に関するこれらの説明は真実であることが判明するかもしれませんが、その完全な謎を説明し始めるのはやっとのことです。実際、セヴェリノフは、ウイルスと戦うことが CRISPR の主な機能であるかどうかを疑問視しています。 「免疫機能はニシンかもしれません」と彼は言いました。
セヴェリノフの疑問は、E のスペーサーに関する彼の研究に端を発しています。大腸菌 .彼と他の研究者は、何万もの E のデータベースを蓄積しました。大腸菌 スペーサーですが、E に感染することが知られているウイルスと一致するものはほんの一握りです。大腸菌 .この不足を私たちが E を知らないせいにすることはできません。大腸菌 セヴェリノフ氏は、ウイルスが 1 世紀にわたって分子生物学の主役であったためだと主張しています。 「それはちょっと気が遠くなるようなものです」と彼は言いました。
スペーサーはウイルスに由来する可能性がありますが、ウイルスは数千年前に姿を消しました.微生物は、これらの敵に直面する必要がなくなったときでも、スペーサーを保持し続けました.代わりに、彼らは他のタスクに CRISPR を使用しました。 Severinov は、CRISPR シーケンスが一種の遺伝子バーコードとして機能する可能性があると推測しています。同じバーコードを共有する細菌は、お互いを親戚として認識し、協力しながら、無関係な細菌集団を撃退することができます.
しかし、CRISPR が他の仕事も行っていたとしても、セヴェリノフは驚かないでしょう。最近の実験では、敵の遺伝子を探すのではなく、CRISPR を使用して自身の遺伝子を沈黙させる細菌がいることが示されています。遺伝子をサイレンシングすることにより、バクテリアは、私たちの免疫システムによって簡単に検出される分子を表面で作るのをやめます.この CRISPR クローキング システムがなければ、バクテリアは隠れ家を吹き飛ばして死んでしまうでしょう。
「これは、さまざまなことに使用できるかなり用途の広いシステムです」とセヴェリノフ氏は述べ、これらすべてのバランスは、システムごと、種ごとに異なる可能性があります.
科学者が CRISPR が自然界でどのように機能するかをよりよく理解できれば、技術革新のための原材料をより多く集めることができるかもしれません。 DNA を編集する新しい方法を作成するために、Doudna と彼女の同僚は CRISPR-Cas を利用しました。 細菌の単一種からのシステム、化膿連鎖球菌 .そのアプリケーションに最適なシステムであると仮定する理由はありません。マサチューセッツ州ケンブリッジに本拠を置く Editas では、科学者が Cas を調査しています。 9 別の細菌種 Staphylococcus aureus によって作られる酵素 . 1 月、Editas の科学者は、DNA の切断効率は Cas とほぼ同じであると報告しました。 化膿レンサ球菌から9種類 .しかし、サイズが小さいなど、細胞への送達が容易になる可能性があるなど、いくつかの潜在的な利点もあります。
Koonin にとって、これらの発見は CRISPR 多様性の海への小さな一歩にすぎません。科学者は現在、遠縁の Cas の構造を解明しています。 9 は、私たちが現在慣れ親しんでいるものとは非常に異なる動作をしているようです。 「これがさらに優れたツールになるかどうかは誰にもわかりません。」クーニンは言った。
そして、科学者が CRISPR が自然界で達成するより多くのタスクを発見するにつれて、それらの機能も模倣できるようになるかもしれません。 Doudna は、CRISPR を診断ツールとして使用することに興味を持っています。たとえば、細胞のがん性変異を検索します。 「それはシークして検出することであり、シークして破壊することではありません」と彼女は言いました。しかし、以前に CRISPR に驚かされたことがある Doudna は、これらの分子の最大の利点が再び私たちを驚かせると予想しています。 「他に何があるか不思議に思う」と彼女は言った。
