MITの研究チームは、イーストとヒト細胞を使った研究で、DNAがmRNAに転写される時期を制御することで遺伝子をオン・オフできることを実証した。この研究成果が遺伝子の機能をさらに深く解明する手がかりとなることが期待される。MITのSynthetic Biology Centerで電気工学、コンピュータ・サイエンス、生物工学の教授を務め、2013年8月26日付「ACS Synthetic Biology」オンライン版に掲載された研究論文の首席著者、Dr. Timothy Luは、この分野で新しいアプローチを試みた論文の中で、「このテクニックは、リコンビナント細胞自身が、自らの環境状態を把握し、医薬を生成し、疾患を感知することが容易に行える可能性がある」と述べ、さらに、「合成遺伝子回路の構築もさらに容易になるだろう。
イーストの細胞や哺乳動物の細胞で様々な人工遺伝子回路をより大がかりに、より短時間に創り出すことができるようになるだろう」としている。この新しい手法は、最近、細菌やヒト細胞のゲノム編集に利用されているウイルス・タンパク系を基本にしている。基礎となるCRISPRと呼ばれる系は、DNAに結合したり、DNAを切断したりする働きのあるタンパク質と、そのタンパク質をゲノム上の正しい位置に導く短いRNAという2つの部分で成り立っている。
Dr. Luは、「その面ではCRISPR系はかなり強力で、このようなガイドRNAの記録を元にしてDNAの異なる結合領域をターゲットにすることができる。単にRNA塩基配列をリプログラミングすることで、そのタンパク質をゲノムや合成遺伝子回路のどこにでも導くことができるのだ」と述べている。研究論文の筆頭著者、Fahim Farzadfardは、MITの生物学大学院生である。また、MITの電気工学とコンピュータ・サイエンスの大学院生、Samuel Perliも著者として名を連ねている。
これまでの研究では、CRISPRは遺伝子の働きを止めたり、新しい遺伝子と入れ替えるために、その遺伝子を切り取る操作に用いられていた。Dr. Luと同僚研究者はCRISPR系を他の目的に使うことを考えた。DNAの塩基配列を遺伝子の指示を伝達するmRNAに複写するプロセス、つまり遺伝子転写を制御することであった。この転写は転写調節因子と呼ばれるタンパク質で厳密にコントロールされている。
このようなタンパク質は遺伝子のプロモータ領域の特定のDNA塩基配列に結合し、その遺伝子をmRNAに複製するのに必要な酵素を強化したり、阻止したりする。この研究ではCRISPR系が転写因子として用いられた。
まず、Cas9と呼ばれる一般的なCRISPRタンパクを改造し、このタンパクがDNAと結合した後でDNAを切り取る機能を取り除いた。さらに研究チームは、そのタンパク質に、細胞の転写機能を変化させることで遺伝子発現を活性化したり、阻害したりする機能領域を付加した。研究チームは、Cas9を適正な位置に結合させるため、ターゲットの細胞に活性化させたい遺伝子のプロモータ領域のDNA塩基配列に対応したRNAのガイドとなる遺伝子を送り込んだ。その結果、RNAガイドとCas9タンパクがターゲットの細胞内で結合すると正確に適正な遺伝子に向かい、転写機能をオンにすることができた。
ところが、同じCas9タンパク複合体が同じ遺伝子の異なる位置をターゲットにした場合、遺伝子複写を阻害できることを発見して、研究チームのメンバーも驚いた。Dr. Luは、「同じタンパク質でも異なるガイドRNAでプロモータ領域の異なる位置をターゲットにすれば活性化も阻害もどちらもできるというのは非常に都合がいい」と述べている。
Dr. Luは、「ジンク・フィンガーと呼ばれるDNA結合タンパクや転写活性化物質様作動因子ヌクレアーゼ (TALENs) を基にした2種類の転写制御システムが最近開発されているが、新しいシステムはそれよりもはるかに使いやすいはずだ」と述べている。その2種類の転写制御システムは効果的ではあるが、タンパク質を設計し、組み立てるのは手間も金もかかる作業である。
Dr. Luは、「CRISPRの方がはるかに柔軟であり、もうこれ以上タンパク質の組み換えに時間を使わなくていいというのは何にも優る事実だ。RNAの核酸配列を変えればいいだけなのだから」と述べている。
さらに研究者は、転写制御システムも改造し、ショ糖のような特定の小さな分子を細胞に加えるだけでシステムを誘導することができるようにした。ガイドRNAの遺伝子を組み換え、細胞内に特定の小分子が存在する場合にのみ生成されるようにしたのだ。小分子が存在しなければガイドRNAも生成されず、ターゲットの遺伝子には何の作用も起きない。Dr. Luは、「このような制御手段は、自然の遺伝子を発育段階や疾患進行の特定段階でオン・オフすることでその役割を調べることができるという非常にありがたい特長がある」と述べている。
現在、Dr. Luは、細胞環境の複数の条件に基づいて決定するというようなより先端的な合成遺伝子回路の構築を進めている。Dr. Luは、「この研究の規模をさらに拡大し、イーストや哺乳動物の細胞でこれまで誰も創り出したことがないような複雑な回路の可能性を証明したい」と述べている。(DNA画像提供: Christine Daniloff/IMOL)
■原著へのリンクは英語版をご覧ください： New Method for Turning Genes On and Off Could Enable More Complex Synthetic Biology Circuits
