韓国基礎科学研究所のゲノム工学センターの研究者らは、転写活性化因子様エフェクターリンクデアミナーゼ（TALED）と呼ばれる新しい遺伝子編集プラットフォームを開発した。TALEDは、ミトコンドリア内でAからGへの塩基変換を行うことができる塩基編集酵素である。この発見は、ヒトの遺伝子疾患を治療するための数十年にわたる旅の集大成であり、TALEDは遺伝子編集技術におけるパズルの最後のミッシングピースと考えることができる。
1968年の最初の制限酵素の同定、1985年のポリメラーゼ連鎖反応（PCR）の発明、そして2013年のCRISPRを用いたゲノム編集の実証と、バイオテクノロジーにおける画期的な発見のたびに、生命の設計図であるDNAを操る能力がさらに向上してきた。特に近年、「遺伝子のハサミ」と呼ばれるCRISPR-Casシステムの開発により、生きた細胞のゲノム編集を網羅的に行えるようになった。これにより、ゲノムから変異を編集することで、これまで治すことができなかった遺伝病の治療に新たな可能性が生まれた。
しかし、細胞の核ゲノムでは遺伝子編集がほぼ成功しているのに対し、独自のゲノムを持つミトコンドリアの編集には失敗している。ミトコンドリアは、細胞の発電所と呼ばれる小さな細胞内小器官で、エネルギーを生み出す工場としての役割を担っている。エネルギー代謝に重要な小器官であるため、ミトコンドリアの遺伝子に変異が生じると、エネルギー代謝に関わる重大な遺伝病の原因となる。
ゲノム工学センターのキム・ジンス所長は、「ミトコンドリアDNAの欠陥によって生じる極めて厄介な遺伝病がある。例えば、突然両目が見えなくなるレーバー遺伝性視神経症（LHON）は、ミトコンドリアDNAの単純な一点変異が原因だ。」と述べている。
もう一つのミトコンドリア遺伝子関連疾患は、乳酸アシドーシスと脳卒中様エピソードを伴うミトコンドリア脳筋症（MELAS）で、患者の脳をゆっくりと破壊していく。また、アルツハイマー病や筋ジストロフィーなどの変性疾患にもミトコンドリアDNAの異常が関与している可能性を示唆する研究結果もある。
ミトコンドリアゲノムは母系から受け継がれる。ミトコンドリアDNAには、病気を引き起こす点変異が90個知られており、合計で少なくとも5,000人に1人が影響を受けるとされている。既存のゲノム編集ツールの多くは、ミトコンドリアへの導入方法に制限があるため、使用することができなかった。例えば、CRISPR-Casプラットフォームは、必要なガイドRNAがオルガネラ自体に入ることができないため、ミトコンドリアにおけるこれらの突然変異の編集には適用できない。
「もう一つの問題は、これらのミトコンドリア病の動物モデルが少ないことだ。これは、動物モデルを作るために必要なミトコンドリアの変異を操作することが今のところできないからだ。動物モデルがないために、これらの疾患の治療薬の開発・試験が非常に困難になっている。」とキム所長は付け加えた。
このように、ミトコンドリアDNAを確実に編集する技術は、既知のすべての遺伝病を克服するために探求しなければならないゲノム工学の最後のフロンティアの一つであり、世界の科学者がその実現に向けて何年も努力してきたのである。
2020年、ハーバード大学とMITのブロード研究所のデビッド・リュー博士率いる研究者らは、ミトコンドリア内のDNAからC-T変換を行うことができるDddA-dived cytosine base editor（DdCBEs）という新しい塩基エディターを作り出した。これは、DNAを壊すことなく一塩基を別の塩基に変換する「塩基編集」という新しい遺伝子編集技術を生み出したことで可能になった。しかし、この技術にも限界があった。CからTへの変換に限定されるだけでなく、ほとんどがTCモチーフに限定されるため、事実上TC-TT変換になってしまうのである。つまり、病原性ミトコンドリア点突然変異が確認されている90個のうち9個（10％）しか修正できないのである。長い間、ミトコンドリアDNAのA-G変換は不可能と考えられていた。
筆頭著者のチョ・ソンイク氏は、「我々は、この限界を克服する方法を考え始めたのだ。その結果、A-to-G変換を実現できるTALEDという新しい遺伝子編集プラットフォームを作り上げることができた。この新しい塩基エディターは、ミトコンドリアゲノム編集の幅を飛躍的に広げた。これは、疾患モデルの作成だけでなく、治療法の開発にも大きく貢献することができる。注目すべきは、ヒトmtDNAのA-to-G変換ができることだけでも、既知の90の病原性変異のうち39（43％）を修正できることだ。」と述べている。
研究者らは、3つの異なるコンポーネントを融合させることでTALEDを作り出した。1つ目のコンポーネントは、DNA配列を標的とする転写活性化因子様エフェクター（TALE）である。2つ目のコンポーネントはTadA8eで、AからGへの変換を促進するためのアデニンデアミナーゼである。第3の構成要素であるDddAtoxは、DNAをTadA8eがよりアクセスしやすくするためのシトシンデアミナーゼである。
TALEDの興味深い点は、二本鎖DNA（dsDNA）を持つミトコンドリアにおいて、TadA8eがA-to-G編集を行うことができる点である。TadA8eは一本鎖DNAのみに特異的に作用することが知られているタンパク質であるため、これは不思議な現象である。キム所長は、「TadA8eは一本鎖DNAだけに特異的に作用するはずなので、これまで誰もTadA8eを使ってミトコンドリアの塩基編集を行うことを思いつかなかった。この既成概念にとらわれないアプローチが、TALEDの発明に大きく貢献した。」と述べている。
研究者達は、DddAtoxが、二本鎖を一過性にほどくことで、dsDNAをアクセス可能にするのだと理論付けた。この一瞬の、しかし一時的な時間的余裕が、超速効性酵素であるTadA8eが必要な編集を素早く行うことを可能にしたのである。研究チームは、TALEDの構成要素に手を加えるとともに、AtoGとCtoTの塩基編集を同時に行う技術や、AtoGの塩基編集のみを行う技術も開発した。
研究グループは、この新技術を、所望のmtDNA編集を含む単一細胞由来のクローンを作成することで実証した。さらに、TALEDは細胞毒性がなく、mtDNAに不安定性をもたらさないことも確認された。また、核DNAには望ましくないオフターゲット編集はなく、mtDNAにはオフターゲット効果がほとんどないことが確認された。
研究グループは今後、TALEDの編集効率と特異性をさらに高め、最終的には、胚、胎児、新生児、成人患者において、疾患の原因となるmtDNAの変異を修正する道を開くことを目指している。また、植物の光合成に不可欠な遺伝子をコードする葉緑体DNAのA-to-G塩基編集に適したTALEDの開発にも注力している。
基礎科学研究所の科学コミュニケーターであるウィリアム・イー・スー氏は、「今回の発見の意義は、2014年にノーベル賞を受賞した青色LEDの発明に匹敵すると考えている」と絶賛している。「青色LEDが、いかにエネルギー効率の高い白色LEDの光源を手に入れることができたかの最後のピースであったように、TALEDがゲノム工学の新しい時代を切り開くことが期待される。」と述べている。
この新しい研究成果は、2022年4月25日にCell誌に掲載された。このオープンアクセス論文は「プログラム可能なデアミナーゼによるヒトミトコンドリアDNAの標的A-G塩基編集（Targeted A-to-G Base Editing in Human Mitochondrial DNA with Programmable Deaminases）」と題されている。
