CRISPR-Cas9とは？革新的な遺伝子編集技術を解説

ごく最近まで、例えば干ばつに強いトウモロコシを作ろうとした場合、選択肢は非常に限られていました。品種改良を試みたり、好ましい変化を期待して種子に放射線を照射したり、あるいは全く別の生物のDNA断片を挿入したりといった選択肢しかなかったのです。

しかし、これらのアプローチは、手間がかかり、不正確で、費用もかさみ、時にはこれら3つを同時に抱えることもありました。そこで登場したのがCRISPRです。正確かつ低コストで製造できるこの小さな分子は、生物のDNAを特定の遺伝子に至るまで編集するようにプログラムすることができます。

安価で比較的容易な遺伝子編集技術の開発は、科学のあらゆる分野に新たな可能性をもたらしました。米国では、CRISPR編集による長寿キノコが既に当局の承認を受けており、他の地域では、スパイシーなトマトや桃風味のイチゴを作るというアイデアが研究者によって検討されています。

しかし、この画期的な技術は、人間の健康に最も大きな影響を与える可能性があります。血友病や鎌状赤血球貧血といった遺伝性疾患を引き起こす厄介な変異を編集で除去できれば、それらの疾患を完全に根絶できる可能性があります。しかしながら、ヒトの遺伝子編集への道のりは、多くの論争と難しい倫理的ジレンマに満ちています。例えば、2018年末には、中国の科学者があらゆる倫理的指針に反して、秘密裏に世界初の遺伝子編集ベビーを誕生させたというニュースが報じられました。

遺伝子編集革命を推進する複雑で、時には物議を醸す技術について知っておくべきことをすべて紹介します。

CRISPR とは何ですか?

CRISPRは、一部の細菌種がウイルスの侵入から身を守る手段として進化しました。細菌は新たなウイルスに遭遇するたびに、そのウイルスのゲノムからDNAの断片を取り込み、自身のDNAに保存するコピーを作成します。「細菌はこれまで接触した一連の配列を収集します」と、セントアンドリュース大学の生物学者マルコム・ホワイトは述べています。「これらの細菌は、ゲノム内に小さなライブラリを持っているようなものです。」

図書館の例えを続けると、これらのウイルスDNA断片は小さな本のようなもので、それぞれに細菌がウイルスを認識し、次に侵入してきた際に速やかに排除するためのデータが含まれています。そして、これらの有用なDNA断片の間には、やや有用性の低い反復DNA断片が挟まっており、それらが互いに隔てられています。まるで分子のブックエンドのようです。

これらのDNAの繰り返しセグメントがCRISPR（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat）という名前を冠していますが、CRISPRを非常に有用なものにしているのは、これらの繰り返しセグメント間の断片です。これらの有用な断片は、やや不親切なことにスペーサーと呼ばれ、それぞれに細菌（またはその祖先）が過去に遭遇したウイルスのDNAへの参照が含まれています。これまで見たことのないウイルスが細菌を攻撃すると、細菌は過去の攻撃のライブラリに新たなスペーサーを追加します。

同じ種のウイルスが再び攻撃すると、そのウイルスのゲノムに対応するスペーサーが活性化します。これは、その年のインフルエンザワクチンを接種したかどうかで、私たちの免疫システムがインフルエンザウイルスを認識するのと少し似ています。スペーサー配列はRNA（DNAからの情報を含む分子）に変換され、対応するウイルスDNA断片を探し出します。標的のDNA断片を見つけると、RNA鎖に付加された酵素が生物学的なハサミのように働き、標的のDNAを切断してウイルスを無害化します。

このシステムは、単にCRISPRだけでなく、CRISPR-Cas9と呼ばれることもあるかもしれません。この場合、Cas9は標的DNAを切断する酵素を指します。「Cas9は、特定のDNA配列を標的にするように非常に簡単にプログラムできるため、配列が似ているものでも切断しないようにすることができます」とホワイト氏は言います。遺伝子編集にはCas12やCpf1など、他の種類の酵素も関与しますが、それらはすべて基本的な仕組みは同じです。

どのように機能しますか?

もちろん、これらはすべて細菌にとってのみ有効です。では、ウイルス対策の防御機構を、人間のゲノムを自由に編集できるものにするにはどうすればいいのでしょうか？

科学者たちは、バクテリアに頼って分子を作り出すのではなく、研究室で独自のCRISPR分子を作り出す方法を編み出しました。まず、標的とするDNA領域を特定する必要があります。鎌状赤血球貧血という、単一遺伝子の異常によって引き起こされる病気の場合、これは比較的容易です。なぜなら、この病気を引き起こす遺伝子の配列は既に解読されており、標的とする遺伝子コードが正確に分かっているからです。

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DNAを解読し、切り刻む作業に入る前に、DNAの構造の基本を理解しておくことが重要です。おなじみのDNAの二重らせん構造を支えているのは、4つの異なる窒素塩基、アデニン（A）、チミン（T）、グアニン（G）、シトシン（C）です。これらの塩基の配列は、遺伝的に言えば、私たちのすべてを決定づけます。目の色、身長の傾向、特定の病気にかかりやすいかどうかなど、すべては遺伝コード内の塩基対に記されています。

ジッパーの歯のように、これらの塩基は常に相補的な塩基と対をなします。Aは常にTと、Gは常にCと対をなします。この繰り返しが、ヒトゲノムを構成する30億塩基対にまで至ります。

しかし、DNAは二重らせん構造に閉じ込められたままでは役に立ちません。情報を細胞外に送り出し、私たちの体のほぼすべての構成要素であるタンパク質を生成するために利用する必要があります。そのために、DNAは自らを解き放ち、塩基対を分解して細胞内を飛び回る状態になります。

これらのバタバタと動いて一時的に対合しない塩基対は、RNAの短い断片（それぞれの塩基を含む）と対合します。RNAはDNAと3つの塩基（G、C、A）を共有していますが、Tは常にU（ウラシル）に置き換えられます。同様の塩基対合のルールが適用されるため、露出したDNAのG塩基はRNAのC塩基と対合し、DNAのA塩基はU塩基と対合します。例えば、露出したDNA配列がGACの場合、RNA配列はCUGになります。

科学者たちはこれらの基本原理を用いて、独自のCRISPR分子を作り出します。これは、上で述べたように、短いRNA鎖です。必要なのは、鎌状赤血球貧血を引き起こす変異を含む部分のような、見た目が興味深いDNA鎖を切り開き、DNA切断酵素を付加した相補的なRNA配列を構築するだけです。これは、ジッパーの片側から始めて、それにぴったり合う反対側のジッパーを構築するようなものです。

CRISPR分子を入手したら、次は標的細胞に到達する必要があります。幸いなことに、ウイルスは他の細胞に物質を注入することを好むため、CRISPR分子を無害なウイルスに注入する方法は、CRISPRを細胞に導入する特に有用な方法の一つであり、マウスを用いた多くの研究で既に実証されています。

CRISPR-Cas9が本格的に機能するようになりました。Cas9酵素はDNA二重らせん構造の一部を解読することから始まり、RNA分子は露出した塩基対に沿って移動し、完全一致の塩基を探します。完全一致が見つかると、Cas9は問題のある遺伝子を切り出し、残りのDNA断片を修復します。他の酵素は遺伝子を削除するのではなく、挿入することができますが、解読、認識、編集という基本的なプロセスは、異なるCRISPR分子間で共通しています。

CRISPR は何に使用されますか?

CRISPRは、病害や天候に強い作物を改良し、収穫量とひいては利益率を向上させる方法を常に模索している農業業界にとって特に魅力的です。2015年10月、米国ペンシルベニア州立大学の植物生物学者は、通常のキノコよりも褐変速度がはるかに遅いように遺伝子操作されたマッシュルームを米国農務省（USDA）の規制当局に提出しました。

1年後、USDA（米国農務省）は、同じキノコが同省の遺伝子組み換え食品に関する規制手続きを経ずに栽培・販売されることを確認しました。確かに、褐色化しないキノコはそれほど魅力的な食品とは言えませんが、このUSDAの発表は、CRISPRで編集された作物が、GMO作物に対する環境からの反発をある程度回避できる可能性を示唆しているため、非常に大きな意味を持ちます。

CRISPRの恩恵を受けているのはキノコだけではありません。オーストラリアでは、すでにある科学者がCRISPRを用いて、世界の果物の収穫量を壊滅させる恐れのある致死性の菌に耐性のあるバナナを作製しています。また、この技術を用いて天然のカフェインレスコーヒーを作ったり、ついには完璧なトマトを遺伝子組み換えで作ろうとしている研究者もいます。

タイムライン: CRISPR はいつ発見されましたか?

2005年：1993年にCRISPRの特徴を明らかにした後、スペインのアリカンテ大学のフランシスコ・モヒカは、DNA配列が細菌の適応免疫システムの一部であるという仮説を初めて立てた。

2007年：デンマークの食品研究会社ダニスコの科学者らは、CRISPRが細菌の免疫システムの一部であり、Cas9が侵入したウイルスを不活性化することを実験的に証明した。

2011年：スウェーデンのウメオ大学のエマニュエル・シャルパンティエのグループは、トレーサーRNAがCas9を細胞標的に誘導する役割を実証しました。

2012年：カリフォルニア大学バークレー校のエマニュエル・シャルパンティエとジェニファー・ダウドナは、異なる要素を単一の合成ガイドに融合することでCRISPRシステムを簡素化した。

CRISPRの実用化は農業分野において最も進んでいる例の一つですが、人間の健康に関わるとなると、その重要性ははるかに大きくなります。鎌状赤血球貧血と血友病の治療にCRISPRを用いる動物実験が既に進行中です。これらの疾患は比較的少数の変異によって発症するため、CRISPR治療の有望な候補となっています。鎌状赤血球貧血の場合、たった1つの遺伝子のたった1つの塩基対の変異によって引き起こされます。

病状に関与する遺伝子の数が増えるほど、CRISPRを潜在的な解決策として用いることは難しくなります。「たった一つの遺伝子だけが変異しているヒトの疾患は多くありません」とホワイト氏は言います。例えば、特定のがんは複数の遺伝子の変異に関連しており、遺伝子変異とがんリスクの関連性は十分に理解されていないことが多いため、たとえCRISPRを使って欠陥遺伝子を修復できたとしても、それががんの万能薬になるという保証はありません。

CRISPR はなぜ物議を醸しているのでしょうか?

昨年末、深圳にある南方科技大学の研究者、賀建奎氏は、世界初のCRISPR編集ヒトゲノムを作成したと発表し、科学界に衝撃を与えた。報道によると、賀氏は父親がHIV陽性で母親がHIV陰性のカップルから胚を採取し、HIVが細胞に侵入する際に使用するタンパク質チャネルを制御する遺伝子をCRISPRで編集したという。

この実験は査読付き学術誌ではなくYouTube動画で詳細が報告され、科学者たちから広く非難された。「この科学はまだ臨床応用できる段階に達していないことは広く認識されています」と、エディンバラ大学メイソン医学・生命科学・法研究所所長で生命倫理学者のサラ・チャン氏は当時述べた。「不確実性を解消し、リスクを理解するために、さらなる努力が必要です」

He氏の研究は明確な倫理的限界を侵害しているものの、CRISPRに関する大きな倫理的難問の一つを提起しています。問題は、成人後にCRISPRを使ってゲノム改変を行うのは容易ではないということです。標的細胞一つ一つに分子を導入する何らかの方法を見つける必要があるのです。

これは、鎌状赤血球貧血のような、赤血球のDNAのみを変化させる必要がある疾患では実現可能かもしれません。CRISPRを用いて赤血球が生成される骨髄を編集することで、比較的少数の細胞を標的にしながらも、疾患を治癒できる可能性があります。

しかし、人のゲノム全体を変更したいのであれば、まだ小さな細胞の集まりに過ぎない段階でDNAを編集する必要があります。これは様々な倫理的問題を引き起こします。例えば、遺伝性疾患を特定して除去するだけでは不十分なのに、受精卵のDNAを微調整することで、生まれてくる赤ちゃんの知能や容姿を向上させることができるのであれば、なぜそれだけで十分なのでしょうか？

「もし私たちが将来の寿命、知能、アルツハイマー病の可能性、あるいは中年期に薄毛になるかどうかを変えたいと思ったらどうでしょうか」とホワイト氏は言う。「社会は私たちの望みを受け入れなければなりません。それは科学者の責任ではありません。」

ヒトの遺伝子編集は倫理的に最も重大な問題のいくつかを提起していますが、農業に関しては状況はそれほど明確ではありません。2018年7月、欧州司法裁判所は、CRISPR編集作物が遺伝子組み換え作物の栽培と販売を制限する既存の規制の適用除外とならないことを確認し、遺伝子編集作物の将来に疑問を投げかけました。

遺伝子組み換え作物（通常、ある生物の遺伝子を別の生物に組み込むことで行われる）は、世界の他の地域では人気があるにもかかわらず、ヨーロッパでは長らく敬遠されてきました。遺伝子組み換え食品は安全に食べられるという科学的コンセンサスがあるにもかかわらず、「フランケンフード」を警告するニュースや環境団体によるロビー活動によって、遺伝子組み換え作物は人間の食用から遠ざけられてきました。

しかし、CRISPRを支持する農業関係者は、この新たな遺伝子編集技術がこのバランスを是正する機会となることを期待していました。ECJの判決は、EU内で栽培または販売されるCRISPR編集食品は、非編集作物（あるいは放射線突然変異などの特定の技術を用いて生産された作物）には課されない厳格な安全性試験に合格しなければならないことを意味します。少なくとも現時点では、CRISPRが直面する最大の障壁の一つは、科学ではなく、広報活動です。

この記事はWIRED UKで最初に公開されました。