ジェニファー・ダウドナが共同開発した精密ゲノム編集技術である CRISPR の力について、ジェニファー・ダウドナに思い出させる必要はありません。 CRISPR は、「私たち自身を含め、あらゆる生物の進化を最終的に制御する方法を提供してくれます。奥深いものです。人間は自分自身の遺伝子コードについて十分に学び、それを自由に変更できるようになりました」と彼女は言いました。 「考えるのはちょっとクレイジーです。」
昨年 11 月、中国の深圳にある南方科技大学の科学者 He Jiankui 氏が CRISPR を使用して双子の女児の DNA を改変したという報告が出たのはそのためです。 2015 — Doudna はすぐに発言しました。彼女はメディアに対して自分自身を「恐ろしくて唖然とした」と表現し、彼の行動はリスクがあり、時期尚早で不必要であると批判しました.彼女は国際的な科学コミュニティに対し、人間のゲノム編集を許容するためのより良いガイドラインを作成するよう奨励しました。
CRISPR 技術により、科学者はヒトを含むあらゆる種の DNA 配列を意のままに切断および編集できるため、ゲノム編集が非常に簡単になります。これは、多くのバクテリアがウイルスをかわす、長い間見過ごされてきた防御メカニズムに着想を得たものです。バクテリアは、ウイルス DNA の断片を自身のゲノムの特殊な構造 (CRISPR の名前の由来である「クラスター化された規則的に間隔をあけた短い回文反復」) に挿入することによって、彼らの娘細胞は、同様のウイルスによる将来の侵入を認識して迅速に拒絶する方法を備えています。ベルリンにあるマックス プランク感染生物学研究所の Doudna と Emmanuelle Charpentier は、2012 年に細菌システムが編集ツールとして適応できることを示しました。 (Broad Institute の Feng Zhang とビリニュス大学の Virginijus Šikšnys を含む他の数人の科学者も CRISPR の開発に貢献したとされており、複数の特許訴訟が知的財産の所有権をめぐって行われています。)
しかし Doudna は、何世代にもわたって受け継がれる可能性のある変更を検討する際には注意が必要だと主張していますが、彼女は依然として基礎研究における CRISPR の可能性と、その医療およびバイオテクノロジーへの応用を強力に支持しています。 「物事がどのように機能するかを理解すると、より効果的に適用できると思います。そして、それらを適用すると、そのシステムの基本的な生物学について理解していなかったことが必ず明らかになります」と Doudna 氏は述べています。 「私はそのような相互作用が大好きです。」
クォンタ マガジン カリフォルニア大学バークレー校の化学および分子および細胞生物学の教授である Doudna と対談し、CRISPR が基礎生物学研究をどのように促進しているかについて話し合いました。そのインタビューとその後のやり取りは、わかりやすくするために要約および編集されています。
CRISPR が公の場で議論されるとき、多くの場合、CRISPR が病気の治癒と治療にどのように使用されるかについて議論されます。 CRISPR は基礎生物学の研究をどのように発展させ、さらに発展させると思いますか?
過去には不可能だった、現在人々が行っている創造的なことのいくつかを示しているので、私が楽しいと思う 2 つの例を紹介します。その一つが、二足歩行の起源を探るプロジェクトです。このプロジェクトでは、2 種類のげっ歯類の遺伝学を比較します。標準的な四足歩行マウスと、後ろ足で飛び跳ねるトビネズミと呼ばれる二足歩行のげっ歯類です。
二足歩行のげっ歯類から他のげっ歯類に遺伝子を入れ始めたらどうなりますか?最終的に二足歩行のフィールド マウスを作成できますか?これは、CRISPR で現在可能なプロジェクトです。
私が強調したいもう 1 つの CRISPR 実験は、ネアンデルタール人のゲノムの内容を調査するものです。私たちの多くは、私たちのバックグラウンドにネアンデルタール人の DNA がわずかに含まれていることを知っていますが、現生人類とネアンデルタール人の本当の違いは何でしたか?なぜネアンデルタール人は絶滅したのですか?それは私たち自身の進化について何を教えてくれますか?
それをどのように調べますか?
現在進行中の実験では、ネアンデルタール人のゲノムから遺伝子を取り出し、脳オルガノイドの形で実験室で培養されているヒト細胞にそれらを入れています.オルガノイドは、実験皿の中で器官のような構造を形成する組織のボールです。小さな脳のようなものだとは言いたくありませんが、これらのオルガノイドには、脳に見られるニューロンの集まりの特性がいくつかあります.
問題は、これらの人間の脳オルガノイドにネアンデルタール人固有の遺伝子を導入し始めるとどうなるかということです。それらの細胞や組織の球には、どのような生理学的変化が見られるのでしょうか?ネアンデルタール人のニューロン発達の遺伝学について、人間で起こることとは異なるかもしれない何かを学ぶことができますか?
この研究はまだ始まったばかりで、オルガノイドは脳と同じではないので、データが何を意味するのかについては何らかの解釈が必要になるでしょうが、それは実行できなかった種類の実験だと思います.
なぜですか?
ほとんどの場合、ゲノムに正確に変更を導入する方法がありませんでした。遺伝子治療が最初に行われた方法は、人間の DNA に組み込まれるウイルスを使用することでしたが、ウイルスは目的の場所に組み込まれますが、必ずしも DNA に変更を加えたい場所ではありません。
遺伝子編集の初期の技術も、多くの環境で使用するのが非常に困難でした。ゲノムに必要な変更を加えるために特定のタンパク質を操作するなど、開発には多くの足がかりが必要でした。確かに、これらのテクノロジーでは一度に複数の変更を行うことは困難でした。 CRISPR を使用すると、実験者はゲノム内の複数の遺伝子を 1 回で変更できます。
CRISPR の医療への応用自体が基礎科学に情報を提供できると思いますか?
確かに。 CRISPR テクノロジーは、私のような人々を含むあらゆる種類の科学者に広く採用されています。 CRISPR が登場するまで、私はゲノム編集に関して何もしていませんでした。
私の研究室では、ここ数年、退行性神経疾患であるハンチントン舞踏病に取り組むプロジェクトを行ってきました。この病気の原因となる突然変異は、何度も繰り返される単一のコドン (DNA の 3 つの塩基対) です。コドンが何度も繰り返されると、この病気を引き起こす欠陥のあるタンパク質につながります.それは長い間知られていましたが、課題は、どのように修正するかということでした。
私たちは、必要な編集を行うために CRISPR をマウス神経細胞に送達する方法に取り組んできました。しかし、この一連の作業から得られた興味深いことの 1 つは、アストロ サイトと呼ばれる [支持グリア] 細胞ではなく、マウスの脳内の神経細胞のみが編集されていることを発見したことです。
これらの細胞ははるかに小さいため、CRISPR タンパク質を効率的に取り込むのに十分な表面積がない可能性があります。あるいは、他の細胞と同じように DNA の切断や編集に反応しないのかもしれません。
つまり、脳内のすべての細胞が同じように CRISPR 治療に反応するわけではありません。
また、CRISPR 分子をマウスの脳の 1 か所に注入すると、注入部位からかなり離れた場所にある細胞も編集されることがわかりました。針が刺さる場所のすぐ隣ではない領域に脳を介して分子を輸送する何らかの方法があることを示唆しているため、これは驚きでした.
認識されていない脳内の分子輸送のメカニズムはありますか?これは生物学における非常に基本的な問題です。これは、「脳はどのように機能するのか?」という問いに戻ります。現在、これらの質問に対する答えを探っています。
私の研究室でのこの例は、さまざまな研究室で何が起こっているかを象徴していると言わざるを得ません。 CRISPR は非常に応用的な実験を可能にしますが、これらの実験は非常に基本的な問題を提起し、戻って対処する必要があります。
CRISPR の使用は生物学でどの程度普及すると思いますか?すでに生物医学研究所のいたるところにあるようです。たとえば、生態学などの分野での応用があると思いますか?
絶対。生態学の定義にもよりますが、CRISPR 技術を早期に採用した人の中には、蝶の発生の遺伝学を理解しようとしていた人もいました。非モデル生物 (科学者が実験室で何十年も研究しておらず、代わりに野生で収集された生物) の遺伝子操作を可能にするツールを持つことで、以前にはなかった方法で実際の実験の可能性が開かれます。
事実上、どの生物もモデル生物、つまり実験を行うための遺伝的に扱いやすいシステムになります。私たちは研究室で、人間を酵母に変えていると冗談を言っています。以前は、酵母やショウジョウバエで実験を行い、それらのデータが人間の細胞について何を意味するかを推測しなければなりませんでした。人間の細胞を遺伝的に操作して遺伝的機能を理解することは容易ではありません。 CRISPR を使えば、それが可能になります。
CRISPR は、細菌がウイルスに対して使用する防御メカニズムとして最初に発見されました。細菌に関する他の発見から、他の新しい研究ツールが生まれると思いますか?
私はそう思う。 DNA を増幅するためのポリメラーゼ連鎖反応や分子クローニングなど、過去数十年の間に登場した技術を見ると、それらはすべて、微生物がウイルスを撃退したり、刺激に反応したりする方法を研究することから生まれました。
また、現在、細菌の世界についてもほとんどわかっていません。科学者が特定したり、実験室で培養したりしたことがない生物は膨大な数にのぼり、その生活様式に関連した興味深い生態を持っているに違いありません。これらの生物がさらに研究され、特定されるにつれて、新しい技術に役立つものが見つかることは間違いありません.
何らかの研究ツールにつながると思われるバクテリアの特定の謎はありますか?
それを予測するのは常に困難です。そうは言っても、興味深い現象の例を挙げましょう。信じられないほど小さいこの新しいカテゴリーのバクテリアの発見です。これはまったく新しい生物門であり、現在、候補門放射 (CPR) 細菌と呼ばれています。それらは、細胞とは何か、ウイルスとは何かという概念にほとんど挑戦しています。
これらの生物の多くは、おそらく他の昆虫と共生的に成長し、重要な分子、さらには DNA、RNA、タンパク質のビルディング ブロックを共有しています。しかし、彼らはどのようにして分子を輸入するのでしょうか?他の種類のバクテリアが繁殖しすぎて群がらないように、バクテリアはどのように環境を制御しているのでしょうか?
これらはすべて未回答の質問です。分子的な意味での彼らの基本的な生物学については何も理解していません。これらの質問への答えは、新しいテクノロジーにつながるのでしょうか?わかりませんが、興味深い生物学につながることは間違いありません。
では、新しい研究ツールを探す場所は、いわば非定型の生物ではないでしょうか?
しかし、どのように非定型を定義しますか?この古いスティーブ フォーバートの歌があります。
これらの小さな CPR バクテリアは、あなたとカリフォルニア大学バークレー校のジリアン・バンフィールドが最近、CRISPR 技術で使用できる [DNA の鎖を切断するための] 新しい Cas 酵素を発見したものですよね?これらの Cas 酵素が潜在的に非常に興味深く有用である理由は何ですか?
私たちが特定した新しい酵素の 1 つは「CasX」と呼ばれます。それは、多くの従来の細菌が CRISPR 防御に使用し、CRISPR 技術で一般的に使用されている酵素である Cas9 とはまったく異なる働きをしているように見えるため、特に興味深い.しかし、いくつかの主要な成分は同じです。これにより、CRISPR 切断タンパク質の基本的なレシピについての洞察が得られます。これらのタンパク質を理解すればするほど、より適切に操作できるようになります。 CasX は、Cas9 よりもはるかに小さいため、治療用ゲノム編集のために細胞に侵入しやすくなる可能性があるため、魅力的でもあります。
CRISPR-GO、DNA イメージング、抗 CRISPR など、CRISPR-Cas9 から開発された他の新しいスピンオフ技術もあります。それらは基礎生物学にどのように役立つでしょうか?
それでは、それらについて見ていきましょう。 CRISPR-GO は、CRISPR 酵素を使用してゲノムの特定の部分を物理的に近接させる巧妙な方法です。遺伝子が細胞内で一緒に発現されると、細胞内の同じ場所に物理的にまとめられることが多く、特定の遺伝子から生成されるタンパク質のレベルに根本的な影響を与える可能性があるという証拠があります。 CRISPR-GO が行っているのは、そのような物理的なテザリングを行うための技術を提供することです。ただし、細胞が制御するのではなく、科学者が制御できるようになりました。これは、ゲノムの 3D アーキテクチャと遺伝子間のコミュニケーションとの関係、およびそれらの遺伝子から作られるタンパク質や RNA 分子のレベルの関係を分析し始める機会を生み出すと思います。とてもエキサイティングです。染色体の 3D アーキテクチャを制御し、それがゲノムからの出力にどのように影響するかを調べることは、これまでまったく不可能でした。
あなたはDNAイメージングについて言及しました。そこには「染色体ペインティング」と呼ばれるものがあり、CRISPR-Cas9 タンパク質が DNA の特定の場所に結合し、基本的に長時間留まるようにプログラムすることができます。 CRISPR-Cas9 タンパク質をさまざまな色の色素で修飾して、これらの小さな RNA タンパク質複合体で並べるだけで、特定の遺伝子やゲノムのセクション、さらには染色体全体を照らすことができます。つまり、それは画像化の方法です。
抗 CRISPR の場合、これらは CRISPR システムの調節に関与する小さな天然タンパク質です。ウイルスに感染しているバクテリアでは、時間の経過とともに、ウイルスは CRISPR による排除を回避する方法を進化させてきたと想像できます。その方法の 1 つは、抗 CRISPR と呼ばれるこれらの小さな阻害剤を使用することです。遺伝子編集の結果を制御する可能性があるため、これらに関心が寄せられています。これらの種類のタンパク質を使用して、細胞内の遺伝子編集タンパク質をオフにして、ゲノムが意図しない方法で変更されるのを防ぎます。現在、CRISPR 経路の天然の調節因子と阻害因子を調べ、それらを技術目的に利用できるかどうかを問う一連の研究が行われています。
CRISPR-Cas9 が意図したとおりに機能しない場合にスイッチをオフにすることができれば、抗 CRISPR の開発により、人間や他の生物のゲノム編集に対する恐怖が鎮められるでしょうか?
それはまさに人々が考えていることです。実際、DARPA (米国防総省高等研究計画局) が資金を提供しているプログラム全体があり、「安全な遺伝子」というタイトルで、遺伝子とゲノムを安全に操作する方法について書かれています。グループがそれを行うために使用している戦略の 1 つは、これらの抗 CRISPR を使用することです。
CRISPR は、細胞内のすべての断片が個別にではなく、どのように連携しているかを理解するのに役立つと思いますか?
今後ますますそのような役割を担うようになると思います.
神経科学の話に戻りましょう。CRISPR が脳の発達の研究で注目を集めた事例があるからです。研究者は、脳内にいくつの異なる種類の細胞があるかを把握できていません。また、脳がその 3D アーキテクチャの意味でどのように発達するかもわかっていません。幹細胞または数個の幹細胞から始めた場合、それはどのようにして脳全体に発展し、脳の地図は何ですか?
現在、CRISPR を使用して系統マッピングと呼ばれるものを行うことに多くの関心が寄せられています。単一の細胞または細胞の小さなコレクションから発生する細胞の集団がある場合、それらの DNA に小さな編集を導入してそれらをマークすることにより、その開始集団からの細胞がどのように子孫を生み出すかを追跡できます。
いくつかの研究チームは、この方法で CRISPR を使用して、これらの娘細胞が脳内のどこに行き着くか、さらにはどのような種類の細胞になるかを解明しています。この種の実験は、組織の発達、特に脳の発達について、これまで不可能だった、より根本的な理解につながると思います。
有望ですね。
別の例を挙げます。興味深いケースがあります — そして人々が DNA シーケンスを行うにつれて、ますます多くのケースが見つかっています — 家族全員が特定の対立遺伝子、遺伝子の特定の DNA シーケンスを持っていますが、それらの一部だけが関連する病気を持っています。その対立遺伝子で。他の人はしません。つまり、影響を受けていない人々のDNAには、その遺伝子の悪影響を抑制し、癌やその他の病気にかかりにくくする何かがあることを知っています.それらのサプレッサーは何ですか?
この種の遺伝的相互作用を理解することは、今後非常に強力になると思います。第一に、人々は自分のゲノムの配列決定を広く行っていなかったからです。それはますます起こり始めており、これを提供する企業とコストが下がっています.それから、患者由来の細胞の遺伝子操作を可能にする技術もある。ですから、誰かが診療所に来て、診断された病気にかかっている場合、その人から細胞を採取し、研究室で培養することができます.それはしばらくの間可能でしたが、以前は不可能だったのは、それらの細胞で遺伝学を行うことでした.今では、実際の患者に関連する生きた細胞でそれを行うことができます.
これはシーケンシング技術の予想外の利点のように思えます.
私はいつも、科学にはある種の偶然性があることを指摘したいと思っています。それは素晴らしいことですが、結果を予測できないということでもあります。 CRISPR テクノロジーはその好例です。 10 年前に、バクテリアはあらゆる DNA 配列を見つけて切断するようにプログラムできるタンパク質を進化させたと教えてくれていたら、私はただ笑っていたでしょう。 「ええ、それは間違いなくサイエンス フィクションです」と思っていたでしょう。
これが多くの科学がどのように行われるかを人々が理解することが重要だと思います.
