カリフォルニア大学サンフランシスコ校（UCSF）とホワイトヘッド研究所の研究者らはCRISPRの基本的な構造を修正して、ゲノムを超えて、エピゲノム（DNAに引っかかり、遺伝子のスイッチをいつどこで入れるかを制御するタンパク質や小分子）にまでその範囲を広げる方法を見つけ出した。2021年4月9日付のCell誌に掲載された論文で、「CRISPRoff」と呼ばれる新しいCRISPRベースのツールを紹介している。このツールを使えば、遺伝コードに一度も手を加えることなく、ヒト細胞内のほとんどすべての遺伝子のスイッチを切ることができる。エピゲノムは、ウイルス感染から癌まで、多くの疾患で中心的な役割を果たしているため、CRISPRoff技術は強力なエピジェネティック治療法につながる可能性がある。
CRISPRoffは、ゲノムに不要な変化を与える可能性があるDNAの編集を伴わないため、従来のCRISPR治療薬に比べて安全性が高いと考えられている。
UCSFのヘレン・ディラー・ファミリー総合癌センターの教授で、今回の論文の共同執筆者であるLuke Gilbert 博士は、「遺伝子治療や細胞治療は未来の医療だが、ゲノムを恒久的に変化させることには潜在的な安全性の問題があり、そのため我々はCRISPRを使って病気を治療する別の方法を考え出そうとしている」と述べている。このCell誌の論文は「CRISPRを用いたエピゲノム編集によるゲノムワイドなプログラム可能な転写メモリー（Genome-Wide Programmable Transcriptional Memory by CRISPR-Based Epigenome Editing）」と題されている。
従来のCRISPRは、遺伝子編集ツールとして有効な2つの分子ハードウェアを備えている。1つはDNAを切り取る酵素で、これによりCRISPRはDNA配列を変化させることができる。もう1つは、目的のDNA配列に的を絞るようにプログラムできるホーミングデバイスで、編集箇所を正確に制御することができる。
CRISPRoffは、従来のCRISPRにあったDNAを切り取る酵素の機能をなくし、ホーミングデバイスを残したもので、遺伝子の編集はできないが、任意の遺伝子を標的とすることができる、簡素なCRISPRである。そして、この素のCRISPRに酵素を結びつけた。この酵素は、DNAをスプライシングするのではなく、エピゲノムに作用する。
今回開発されたツールは、エピゲノムを構成する数多くの分子のうち、DNAメチル化と呼ばれる特定のエピジェネティックな特徴を標的としている。DNAがメチル化されると、メチル基と呼ばれる小さな化学的タグがDNAに付加され、近くにある遺伝子の発現が抑制される。DNAのメチル化は、すべての哺乳類細胞で自然に行われるが、CRISPRoffは、このプロセスをこれまでになく制御することができる。この論文で紹介されている別のツール「CRISPRon」は、CRISPRoffによって付加されたメチル化マークを除去し、プロセスを完全に可逆的にするものである。
ホワイトヘッド研究所のメンバーで、今回の論文の共同執筆者であり、元UCSFの教員でもあるJonathan Weissman 博士は、「今、我々は、大多数の遺伝子を沈黙させることができるシンプルなツールを手に入れた。遺伝子発現を制御するための素晴らしいツールだ。」と語っている。
"エピジェネティクスの基本概念を覆す"大きな驚き
研究者らは、イタリアのグループによる過去の研究に基づき、CRISPRoffが特定の遺伝子を沈黙させることができると確信していたが、ヒトの遺伝子の約30％はこの新しいツールに反応しないのではないかと考えていた。
DNAは4つの遺伝文字（A、C、G、T）で構成されているが、一般的にメチル化できるのはGの隣にあるCだけである。しかし、複雑なことに、メチル化によって遺伝子を抑制できるのは、ゲノム上のCG配列が集中している「CpGアイランド」と呼ばれる領域だけだと考えられてきた。
ヒトの遺伝子の約3分の1はCpGアイランドを持たないため、研究者らは、メチル化によってこれらの遺伝子がオフになることはないと考えていた。しかし、CRISPRoffの実験は、このエピジェネティックな常識を覆すものだった。
Gilbert 博士は、「この研究以前に考えられていたのは、CpGアイランドを持たない30％の遺伝子は、DNAメチル化によって制御されていないということだった。しかし、今回の研究で、メチル化によって遺伝子をオフにするのにCpGアイランドは必要ないことがはっきりとわかった。これは、私にとって大きな驚きだった。」
エピジェネティックな継承がCRISPROFF 治療の可能性を高める
CRISPRoffのような使いやすいエピジェネティックエディターは、非常に大きな治療の可能性を秘めているが、その理由のひとつは、ゲノムと同様にエピゲノムも遺伝するからだ。CRISPRoffで遺伝子を抑制すると、処理した細胞だけでなく、その細胞が分裂してできた子孫の細胞でも、450世代にもわたって遺伝子が抑制されたままになる。
驚いたことに、これは成熟した幹細胞でも同じことが言える。幹細胞から分化した成体細胞への移行には、エピゲノムの大幅な書き換えが必要であるが、CRISPRoffによって保存されたメチル化マークは、この移行を行った細胞のかなりの部分で忠実に継承されていたのである。
これらの知見は、CRISPRoffが、1回の投与で持続的な治療効果を発揮することを示唆しており、結合組織に影響を及ぼすマルファン症候群、免疫系疾患の一つであるジョブズ症候群、特定の形態の癌など、損傷を受けた1つの遺伝子の働きによって引き起こされる希少な遺伝性疾患の治療に有望なアプローチであると考えられる。
研究者らは、CRISPRoffは非常に有望であるものの、その治療効果を最大限に発揮するためにはさらなる研究が必要であると述べている。CRISPRoffと同様の技術が本当に "医療の未来 "となるかどうかは、時間が解決してくれるのだろう。
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Cell論文のグラフィカルな要約
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BioQuick News:New CRISPR Technology Offers Unrivaled Control of Epigenetic Inheritance and Has Possibly Tremendous Therapeutic Potential, Particularly for Certain Genetic Diseases
