クリスパー・キャス 9（CRISPR-Cas9）は、あらゆる細胞の標的ゲノムを自在に編集することができる革新的な技術として、基礎研究分野の飛躍に貢献し、また、医療分野への応用が期待されています。しかし、ゲノム切断の効率を単純に重視した従来型の編集法では、過剰なゲノム切断によって目的以外のゲノム部位に対するオフターゲット変異や細胞毒性が誘導されるなどのリスクをどうしても避けることができません。遺伝子治療などの実用化がなかなか進まない背景には、このような隠れたゲノム編集リスクが大きく影響しており、この問題の解決策が求められてきました。
九州大学生体防御医学研究所の川又理樹 助教、木村亮太（当時、大学院修士課程）、鈴木淳史教授、名古屋大学大学院医学系研究科の鈴木洋 教授の共同研究グループは、ゲノム切断活性を自在に微調整できる新技術を開発し、過剰な活性の抑制により安全性と正確な編集の効率を数百倍オーダーで高めることができる次世代型のゲノム編集プラットフォームの開発に成功しました。
研究グループは、ゲノム編集の結果を１つ１つの細胞で、細胞が生きた状態のまま簡単に判定できる Allele-specific Indel Monitor System (AIMS)^(※2)を構築し、Cas9 酵素（DNAを切断）の活性を簡単、かつ、精密に制御できるガイド RNA(セイフガード gRNA) ^(※3)を開発しました。セイフガード gRNA では RNA の 5’末端へ様々な長さのシトシン(C)を付加することにより、シトシンの長さ依存的に Cas9 活性を段階的に抑制できることを見出しました。また、AIMSを用いた大規模実験データと数理モデルを組み合わせることで、1 塩基置換の精密編集などの様々なゲノム編集の用途について、それぞれの用途にどの程度の Cas9 活性が最適であるか、その全容と法則性を解き明かすことにも初めて成功しました。これにより、多様なゲノム編集実験のそれぞれの目的に対応した最適な Cas9 活性をシミュレーションできるようになり、最適なセイフガード gRNA を用いることで最も安全で効率的なゲノム編集を実施することが可能になります。
本研究の重要なもう一つのポイントとして、セイフガード gRNA が Cas9 のみならず、Cas12a(Cpf1)や CRISPRa/i (activation/interference)といったゲノム・エピゲノム編集の調節にも適応できることを明らかにしました。各種ゲノム編集ツールが抱える問題を解決し、利便性も向上させたことから、セイフガード gRNA は様々な編集ツールへの適用により幅広い分野への産業応用が期待できます。海外で始まったゲノム編集技術を用いた臨床試験では安全性の問題も報告されており、医療応用への懸念が高まっています。私たちは現在、医療分野を中心に本技術を広く使用して頂くため、アメリカでスタートアップを開始し、安全な遺伝子治療の実現を目指して、更なる研究開発を進めております。
本成果は、日本時間 2023 年 4 月 11 日(火)午前 0 時 (英国時間 4 月 10 日(月)午後 4時) に国際学術誌「Nature Biomedical Engineering」オンライン版で公開されました。

【ポイント】

① クリスパー・キャス 9（CRISPR-Cas9）^(※1)は簡便なゲノム編集技術として広く使用されていますが、目的以外の変異や細胞毒性等の副作用を回避できず、実用化のための新しい技術開発が求められています。
② Cas9 の活性を微調整できる手法を見出し、適切な活性のもとで編集効率と安全性を最大化（100 倍以上）できる、次世代型のゲノム編集法の開発に世界で初めて成功しました。
③ 今回開発したゲノム編集最適化法は、安全で効率的な遺伝子治療を行う際の標準化技術として、今後、世界中で利用されることが期待されます。

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【用語説明】

(※1) クリスパー・キャス 9（CRISPR-Cas9）：Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats / CRISPR Associated proteins 9 の略で、細菌や古細菌においてウイルスやプラスミドといった外来 DNA の排除に関わる獲得免疫機構の一部をゲノム編集に応用したもの。DNA の二本鎖切断を原理とする遺伝子改変ツールとして広く利用されている。

(※2) AIMS：Allele-specific Indel Monitor System の略
父母由来の両染色体（アレル）毎の標的ゲノム部位における indel の有無を 1 細胞レベルでリアルタイムに識別できる世界初の細胞計測システム。シークエンス解析を必要とせず、蛍光パターンで両アレルの indel を解析できるため、大規模データを迅速に得ることが可能となる。また、通常のシークエンス法で見逃してしまう巨大変異(数百 bp の large deletion や染色体欠損・転座など)も検出可能なため、99.8%という高精度で indel を判定できる。

(※3) gRNA: guide RNA、ガイド RNA の略。
DNA 切断酵素の Cas9 と結合し、標的 DNA 配列に Cas9 を誘導する RNA 核酸。一方、今回開発したセイフガード gRNA の命名に関しては、gRNA にシトシンを伸長させることで、細胞毒性やオフターゲットの原因となっている過剰な Cas9 活性を抑えることができ、安全性を飛躍的に高める「安全装置」としての効果が得られたことに由来する。

【論文情報】

掲載誌：Nature Biomedical Engineering
タ イ ト ル ： Optimization of Cas9 activity through the addition of cytosine extensions to single-guide RNAs.
著者名：Masaki Kawamata^*, Hiroshi I. Suzuki^*, Ryota Kimura, Atsushi Suzuki^*（^*責任著者）
DOI：10.1038/s41551-023-01011-7

【研究代表者】

大学院医学系研究科　鈴木 洋　教授
https://www.med.nagoya-u.ac.jp/medical_J/laboratory/basic-med/oncology/mol-oncology/