自然保護論者や生命倫理学者は、「遺伝子ドライブ」と呼ばれる遺伝子操作された DNA のパッケージを、驚き、興奮、恐怖が入り混じったものと見なすことがよくあります。遺伝子ドライブは、宿主生物の子孫の半分だけでなく、すべての子孫に受け継がれるようにすることで、通常の遺伝規則に違反します。したがって、それらは人口を急速かつ取り返しのつかないほど変化させる恐ろしい可能性を秘めています。遺伝子ドライブに関する論争の多くは、遺伝子ドライブが機能することが示されている唯一の動物であったため、危険な害虫を制御するためにそれらを使用することの実用性 (および傲慢さ) に集中しています。
それが今では変わりました。今日 Nature に掲載された論文で 、カリフォルニア大学サンディエゴ校の生物学者は、現在の遺伝子駆動技術が、哺乳類であるマウスでも機能することを初めて実証しました。彼らの調査結果は、遺伝子ドライブを現実の世界で機能させることの可能性だけでなく、重大な制限も浮き彫りにしています。少なくともしばらくの間、この種の「能動的遺伝学」技術は、自然を作り直すための道具としてよりも実験室の道具として役立つかもしれません.
ノースカロライナ州立大学の昆虫学者であり進化生物学者でもあるフレッド・グールドは、遺伝子ドライブをカート・ヴォネガットの小説 Cat's Cradle に登場する架空の物質アイスナインになぞらえています :接触する他のすべての水を凍らせる奇妙な形の氷。遺伝子ドライブは、母親の染色体から一致する父親の染色体に、またはその逆に自発的にコピーする遺伝要素のセットであるため、急速に広がります。自身をコピーする過程で、遺伝子ドライブはその挿入ポイントで遺伝子を追加、削除、または変更することもできます。 2003 年に、遺伝子ドライブは理論的な可能性として提案されましたが、2012 年に CRISPR/Cas9 ゲノム編集が登場したことで、突然、はるかに実現可能になりました。
法的制限、倫理的懸念、意図しない結果への恐れが組み合わさって、遺伝子ドライブが実際にテストされることはありませんでしたが、遺伝子ドライブが行う可能性のある仮説上の善の魅力により、科学者はそれらを研究し続けることを余儀なくされました.適切に制御された遺伝子ドライブは、例えばハマダラカをレンダリングすることで、間違いなく何百万もの命を救うことができます マラリア原虫による感染に耐性のある蚊.
侵入種として野生生物を深刻に脅かすことが多いラットやマウスを抑制するための遺伝子ドライブの開発にも関心が寄せられています。北太平洋における重要なアホウドリの繁殖地であるミッドウェイ島では、アホウドリは約 100 年前に侵入した捕食性ネズミによってほぼ全滅させられました。 1995 年には、大規模な毒殺キャンペーンによってネズミが駆除され、アホウドリが救われました。 (1 年前の報告によると、ミッドウェイ島のネズミが鳥にとって新たな脅威になりつつあります。)
しかし、発生生物学者のキンバリー・クーパーが最初にマウスの遺伝子駆動技術に手を出したのは、保存ではなく進化でした。 UCSD の彼女の研究室で、彼女と彼女の同僚はトビネズミの進化を研究しています。トビネズミは、何千万年も前にマウスの系統から分岐した、跳躍する二足歩行の脚の長いげっ歯類です。クーパーと彼女の同僚は、実験用マウスにトビネズミの特徴を徐々に持たせることにより、その進化的変化の原因となる遺伝的変化の未知の組み合わせを見つけようとしています.
しかし、この種のプロジェクトは、従来の育種によって個々の動物に目的の遺伝子を導入するために必要なすべてのことから、哺乳動物にとって厄介です。遺伝子実験では一般に、ある形質についてホモ接合体である動物が必要です。つまり、母方の染色体と父方の染色体の両方に関連する遺伝子のコピーを持っています。対象となる 3 つの変異だけがホモ接合のマウスを作成するには、研究者は単一の染色体変異を持つマウスを数百または数千匹交配する必要がある場合があります。 Cooper のジャーボア プロジェクトでは、10 個以上の遺伝子がホモ接合であるマウスが必要であることが容易に判明する可能性があります。
「複数のものを組み合わせる遺伝学はマウスではめちゃくちゃなので、私はいつもそれは不可能だと思っていました」と彼女は言いました. 「たくさんの動物が必要です。非常に多くの時間と費用がかかります。」
しかし 3 年前、彼女は、UCSD の同僚である Valentino Gantz と Ethan Bier の先導に従うように促されました。これらの生物学者は最近、ショウジョウバエの「能動遺伝学」と呼ばれるものを実証しました。能動的遺伝学とは、グレゴール・メンデルが最初に観察した通常の 50 パーセントを超えて、特定の形質の継承を促進するための遺伝的要素の使用を指します。 Gantz と Bier は、遺伝子ドライブを能動的遺伝学の自己永続的な形態として分類しています。
「私は、遺伝子の操作されたバージョンの継承率を理想的に高めるために、同じ技術を実験室で使用できることを認識しました」と Cooper 氏は述べています。また、マウス以外の種から遺伝子を持ち込むこともできます。 「以前は作れなかった遺伝的に複雑な動物を作ることができるかもしれません。」
彼らが新しい論文で説明しているように、クーパーと彼女のチームは、「マーカー」遺伝子がマウスの系統を通じて急速に広がることを可能にする能動遺伝学メカニズムを設計しました。 Cooper 氏は、彼らが作ったものは技術的には遺伝子ドライブではなかったことを強調しています。安全対策として、彼女のメカニズムの 2 つの構成要素 (1 つは DNA を切断する役割を担い、もう 1 つは切断を標的にする役割を担っています) は、ゲノムの異なる部分に分離されました。この分離により、メカニズムが複数の世代に制御不能に広がるのを防ぎました。それにもかかわらず、その成功は哺乳類の遺伝子ドライブの概念実証として役立ちました.
それでも、その成功には注意が必要でした。意外なことに、クーパーの能動遺伝学システムはオスのマウスでは機能せず、メスでしか機能しませんでした。そして、女性の間でさえ、メカニズムはせいぜい約 70% の時間しか機能しませんでした.
「誰かがこのタイプのメカニズムを使用して遺伝子ドライブを構築しようとすると、集団全体に急速に広がることはなく、おそらく存続しないでしょう」と Cooper 氏は述べています。雌への制限は、実験動物の新しい系統を開発するための遺伝子ドライブの効率も低下させますが、少なくとも繁殖プロセスをスピードアップすることができます.
彼女と彼女の同僚は、精子と卵子が作られる方法の微妙な違いのために、遺伝子複製メカニズムが男性と女性で異なって機能したのではないかと疑っている.卵を作る細胞では、生産プロセスの早い段階で染色体のペアが互いに整列する可能性があり、染色体の 1 つが切断された場合に、細胞がパートナーからの目的の DNA で修復する可能性が高くなります。 「適切なタイミングを得ることができれば、効率を改善して男性でも機能させることができるかもしれません」と Cooper 氏は述べています。
カリフォルニア大学アーバイン校の分子遺伝学者であるアンソニー・ジェームズは、いくつかの改善により、能動的遺伝学は最終的に、さまざまな分野が遺伝子研究に必要とする複雑な実験動物を生産するのに役立ち、今日のよりはるかに効率的な代替手段を提供するはずであると述べました。テクニック。 (James は 2015 年にガンツとビアと協力して、蚊の抗マラリア遺伝子ドライブの実験を行った。) 多くの遺伝子の特定の組み合わせを持つマウスの従来の繁殖は、過去 10 年かかったかもしれない、と彼は言った。アクティブな遺伝学により、それが 1 年または 2 年に短縮される可能性があります。
CRISPR を使用してマウスに遺伝子を 1 つずつ挿入することも別の方法ですが、アクティブ ジェネティクスはそれよりも優れていると彼は考えています。 「通常の古い CRISPR は、すでにそこにある遺伝子を変更するのに適しています」と彼は言いました。 「しかし、遺伝子を追加したり、交換して置き換えたりしたい場合は、遺伝子駆動システムの方がはるかに優れています。」
Nature に関するクーパーの研究について解説を書いた、サンフランシスコのグラッドストーン研究所の遺伝学者であるブルース・コンクリンが表明した熱意 、より測定されます。 「これは価値がありますが、CRISPR を使用すると、[すでに] 非常に複雑なモデルを非常に迅速に作成できます」と彼は言いました。それでも彼は、男性と女性の細胞生物学における見過ごされてきた違いを浮き彫りにした研究を称賛し、それが支持する能動的遺伝学のアプローチは、分子生物学における DNA 修復やその他の基本的なメカニズムの理解に役立つかもしれないと考えています。
Cooper は、潜在的な用途をめぐる論争を考えると、遺伝子ドライブは昆虫よりも哺乳類で作成するのが難しいように見えるという事実に明るい面を見ています.哺乳類の能動遺伝学の効率を改善するには、数年かかるでしょう。 「それまでの間、私たちは自然界で[遺伝子ドライブを使って]何ができるか、何をすべきかについて真剣に話し合うことができます」と彼女は言いました.
この記事は ScientificAmerican.com に転載されました。
