Crispr遺伝子編集とは？WIRED完全ガイド

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遺伝子編集の黎明期、生物学者たちは印刷機に似た分子ツールキットしか持っていませんでした。つまり、DNAの改変は、標的細胞に標的を定めるウイルスに遺伝子を組み込むという、煩雑で手間のかかるプロセスでした。そこには、かなりの数の「運のいい悪い」が伴いました。今日、科学者たちは遺伝子編集におけるMicrosoft Wordに相当するツールを手にし、ソフトウェアエンジニアがコードを修正するのとほぼ同じくらい簡単にDNAを編集し始めています。そのきっかけとなった出来事は何でしょうか？2012年の「Crispr大地震」とでも言いましょうか。

「Crisprって何？」と聞かれたら、簡単に答えると、科学者があらゆる種類の遺伝物質を正確に標的とし、切断できる革新的な新しい分子ツールです。Crisprシステムは、地球上のあらゆる生物、人間を含むあらゆる生物の生命コードを操作するために、科学者がこれまでに得た中で最も速く、簡単で、安価な方法です。まさに、私たちの本質的な化学構造を真に変えることができる最初のテクノロジーと言えるでしょう。

長い答えは、CrisprとはClustered Regularly Interspaced Palindromic Repeats（クラスター化された規則的間隔を持つ回文反復）の略称です。Crisprシステムは、配列を切り取る能力を持つタンパク質と遺伝子のGPSガイドで構成されています。このようなシステムは、侵入するウイルスを記憶し、防御する方法として、細菌界全体で自然に進化しました。しかし最近、研究者たちは、この原始的な免疫システムを再利用してゲノムを正確に改変できることを発見し、DNAハッキングの数十億ドル規模のブームを引き起こしました。

製薬、農業、エネルギー、素材製造など、あらゆる業界が Crispr に莫大な資金をつぎ込んでいる。大麻の業者でさえも参入したがっている。企業はこれを活用して、気候変動対策の作物、バイオ燃料を分泌する藻類、自己消滅する蚊、そしてもちろん、新型コロナウイルス感染症の治療薬候補の開発に取り組んでいる。学術研究者は、モデル生物の生物学をより深く理解するために、ほぼ例外なく Crispr を採用している。このバイオハッキングの大ブームを支えているのは、ますます混雑する Crispr のバックエンドサプライチェーンである。企業は遺伝子編集設計ツールを構築し、合成ガイド RNA または Crispr 処理前の細胞株をこれらの企業に出荷している。しかし、今のところ Crispr 強化製品が実際に消費者の手に渡っているのはごくわずかだ。その代わりに、誇張された見出しが、絶滅危惧種の救済からスーパーベビー軍拡競争の火付け役まで、この技術に対する社会の最大の希望と不安を煽っている。

2018年11月、何建奎という名の中国人科学者が、倫理違反を伴う実験でCRISPRを用いて最初の人間を誕生させたと主張し、世界に衝撃を与えました。急速に広まったこのスキャンダルは、世界中の科学者や政府関係者を刺激し、このような強力な技術をいかに規制するかという、今や喫緊の課題に取り組ませました。CRISPRは、誰もが想像していたよりも早くデザイナーベビーを生み出したかもしれません。しかし、病気や飢餓、気候変動を終わらせるには、まだ遠い道のりです。もしかしたら、永遠に終息しないかもしれません。しかし、CRISPRはすでに、私たちの周りの物理的な世界を、はるかに緩やかな方法で、塩基対を一つずつ変え始めています。

Crisprの歴史

すべてはヨーグルトから始まった。乳製品メーカーはヨーグルトを作るために、牛乳に含まれる乳糖を分解して乳酸を排出する細菌、ストレプトコッカス・サーモフィルス（Streptococcus thermophilus）を長年利用してきた。しかし、2005年になって初めて、ロドルフ・バランゴーという若い微生物学者が、ストレプトコッカス・サーモフィルスに奇妙なDNA配列の繰り返し部分（Crispr）が含まれており、その配列がウイルスの攻撃からヨーグルトを守っていることを発見した。（サーモフィルスが死滅すると、より厄介な細菌が侵入して乳糖を餌にし、ヨーグルトを台無しにしてしまう可能性がある。）

間もなくデュポン社は、バランゴ氏が勤務していたデンマーク企業を買収し、この天然由来のCrisprを持つ菌株を自社のヨーグルトとチーズの培養液の保護に使用し始めました。デュポン社は世界の乳製品培養液市場の約50%を所有しているため、皆さんもすでにピザにCrisprで最適化されたチーズを味わったことがあるかもしれません。

その間、遺伝子配列のコストは急落し、世界中の研究者が細菌のゲノムを組み立てていきました。その過程で、至る所でCRISPRが発見され、細菌界の半数以上がCRISPRを持っていることが判明しました。多くの場合、これらの配列は、エンドヌクレアーゼと呼ばれる鎖切断酵素をコードする遺伝子群に挟まれていました。科学者たちは、CRISPRがこの原始的な免疫システムに関与しているのではないかと考えましたが、具体的にどのように関与しているのでしょうか？

鍵となる知見は、特に厄介な細菌、連鎖球菌性咽頭炎を引き起こす細菌から得られた。その細菌のCrisprシステムは、Cas9と呼ばれるハマグリの形をしたエンドヌクレアーゼに結合する2つのRNA配列を作成した。遺伝子のGPSのように、これらの配列は酵素をRNA配列と相補的なDNA鎖に誘導した。そこに到達すると、Cas9は形を変え、DNAをつかんで2つに切断する。この発見をした分子生物学者のジェニファー・ダウドナとエマニュエル・シャルパンティエは、試験管内に浮かぶ環状のDNA上でCrisprのプログラム可能な切断を実証した。彼らは2012年にこの研究をサイエンス誌に発表したが、その前に遺伝子工学のツールとしてこの技術の特許を取得していた。RNAガイドを交換するだけで、Cas9をどこにでも、例えばハンチントン病を引き起こす遺伝子に送り、切り取ることができる。彼らはCrisprが分子生物学者のワープドライブになることに気づいた。

6ヶ月後、MITとハーバード大学に設立されたブロード研究所の分子生物学者、フェン・チャン氏が、Crispr-Cas9がヒト細胞も編集できることを示す論文をScience誌に発表した。実際、適切な遺伝子ガイドがあれば、ほぼあらゆるものをCrisprで編集できる。これは、遺伝子欠陥の消去や、がんに対する体の自然な防御力の強化といった次世代医薬品の開発にCrispr-Cas9が活用される可能性があることを意味し、それは巨額の利益を意味した。

予想通り、特許をめぐる争いが勃発し、それは現在も続いています。Crisprの初期のパイオニアたちは、Crispr/Cas9をヒトの疾患治療に利用する独占的ライセンスを持つ3つの企業を設立しました。そのうち1社は2019年初頭に最初のヒト臨床試験を開始しました。この技術の最終的な所有権が誰になるのかという不確実性は、Crisprに関するあらゆるものへの関心を鈍らせることにはほとんど役立ちませんでした。むしろ、Crisprの既に豊富な可能性をさらに洗練・拡大することを約束する、競合するツールや関連ツールの開発への関心が一気に高まりました。

この分野の創始者の多くは、遺伝子編集に伴うコストと労力を削減し、誰もが利用できるようにするための企業を設立したり、現在顧問を務めたりしている。しかし、2018年11月、少なくとも彼らの一部は、CRISPRの民主化が実際にはどのようなものかを思い知らされた。

第2回ヒト遺伝子編集国際サミットの前夜、同サミットで講演予定だった中国人科学者の賀建奎氏が、初のCRISPRベビーを誕生させるべくカップルを募集しているというニュースが報じられた。数時間後、賀建奎氏自身がYouTubeに巧妙に制作された5本のプロモーションビデオを投稿し、既にCRISPRベビーを誕生させたと主張した。「数週間前、二人の美しい中国の少女、ルルとナナが、他の赤ちゃんと同じように健康に泣きながらこの世に誕生しました」。唯一の違いは、双子がまだ胎児の頃にCRISPRを注入され、CCR5と呼ばれる遺伝子を除去してHIV耐性を持たせるという点だった。数日後のサミットでのプレゼンテーションで、賀氏は実験のさらなる証拠を提示した。この実験は主に秘密裏に行われていたとみられ、二人目の妊娠が進行中であることを明らかにした。彼の臨床書類の中には、賀氏が米国のバイオテクノロジー企業にCRISPRコンポーネントを注文したことを示すメモが隠されていた。これは同社の「研究用途限定」ポリシーに違反していたためだ。

これらの企業は、賀氏の研究に対する科学界の嫌悪感、憤り、そしてほぼ全員一致の非難に加わった。ジェニファー・ダウドナ氏は「恐怖を感じた」と述べ、馮張氏は遺伝子編集胚の移植を即時停止するよう求め、100人以上の中国人科学者がこの研究を「狂気の沙汰」と非難する書簡に署名した。数日のうちに賀氏は大学の職を解任され、すべての研究活動が停止された。その後の政府当局による調査で、賀氏は中国の法律に違反したことが判明し、現在3年の懲役刑に服している。

新たな暴露が次々と明らかになる中、政策立案者たちは、この新たなクリスパーベビーの世界における基本ルールを定めようと奔走している。賀氏の事件を受け、中国はあらゆる高リスク医療バイオテクノロジーに対する広範な権限を持つ新たな国家倫理委員会を設置した。この委員会は、2月に発表された中国の新たな臨床研究ガイドラインの施行を任務とする。世界保健機関（WHO）は、各国政府が遵守すべき国際基準を策定するための専門委員会を設置した。昨年末、ロシア政府はこの専門委員会の助言に基づき、ロシア人科学者によるクリスパーベビーの作製を禁止した。

米国の現行規制では、食品医薬品局（FDA）は遺伝子組み換え胚を用いた妊娠開始につながる研究の検討を禁じられています。しかし、この文言は毎年議会によって更新される必要があり、昨年は一時的に削除されたものの、最終的に復活しました。この技術を責任ある形で発展させる方法について世界的な合意を得ることは困難であるため、この作業は各国の責任となる可能性が高く、すべての国が同様に厳格な規制を制定することは考えにくいでしょう。

しかし、将来の人類の遺伝子改変を進めたいと願う科学者たちは、政治的な問題以外にも懸念すべきことがあるかもしれない。3つの別々の研究チームが、Crisprをヒト胚の遺伝子改変に使用した場合、DNAの大きな断片を消去するなど、壊滅的で意図しない影響を及ぼす可能性があることを実証した。これらの結果はまだ査読を受けていないものの、科学者がヒト胚を安全に、そして倫理的に編集できるようになるまでには、まだ長い道のりがあることを示唆している。

Crisprの未来

ルルとナナの登場にもかかわらず、Crisprは依然として生物学者の間での流行語に過ぎない。しかし、コンピューターが数学オタクのためのニッチなツールから、私たちの体のどこにでもある目に見えない延長へと進化したように、Crisprもいつか私たちの物理的な現実にシームレスに溶け込むだろう。もしその問題が少しでも遺伝的性質を持つならば、それは問題を解決する手段となるだろう。

例えば、産業発酵を考えてみましょう。科学者たちは既に、昔ながらの遺伝子工学技術を用いて、大腸菌やビール酵母といった微生物を、インスリンからエタノールまであらゆるものを生産できる工場へと再プログラムしています。Crisprは、バイオ精製所で生産できるデザイナー化学物質、分子、そして素材の種類を急速に拡大させるでしょう。自己修復コンクリート？アルミニウムよりも軽い耐火性の植物由来建材？完全に生分解性のプラスチック？Crisprはこれらすべてを可能にするだけでなく、大規模生産も可能にします。

しかし、現在私たちが持っているツールではそこまで到達することはできません。だからこそ、研究者たちは今、Crisprの宇宙の全容を解明しようと競い合っているのです。彼らは今、世界中をくまなく捜し回り、未知の細菌の配列を解析し、すでに発見されているシステムを改良しています。有望な新ヌクレアーゼに出会うたびに特許を申請しており、今後10年間でそのリストは確実に拡大していくでしょう。新たな酵素が発見されるたびに、Crisprの遺伝子編集能力は向上するだけでなく、DNA操作をはるかに超える可能性を秘めています。DNAに施す興味深い作業は、スライスやダイスカットだけではありません。改良された新しいCrisprシステムは、遺伝子のオンオフを一時的に切り替えたり、ゲノムを監視して突然変異をリアルタイムで修正したりすることが可能になり、DNAを切断する必要はありません。前者によって、科学者は特定の物質（例えばインスリン）の過剰または不足によって生じるヒトの疾患を、患者のDNAを永久的に変化させることなく治療できるようになります。 2つ目は、将来的にはがんなどの疾患の発生を完全に予防できる可能性を秘めています。Crisprの特異性は、おそらくその切断メカニズムそのもの以上に、私たちがまだ想像もできないような応用を刺激するでしょう。

現時点で、Crisprの医療応用に取り組む科学者たちは、既に人間に実質的な影響を与える印象的な成果をいくつか達成しています。人生の大半を鎌状赤血球貧血に苦しんできた34歳の女性、ビクトリア・グレイさんは、ちょうど1年間症状が消失したことを祝いました。彼女の衰弱性疾患を治療するため、研究者たちは彼女の幹細胞の一部を抽出し、Crisprを用いて健康な血液細胞を生成するように再プログラム化し、彼女の体内に戻しました。科学者たちは同様のアプローチでがんやHIVの治療に取り組んでおり、その安全性は確立されていますが、有効性はまだ確立されていません。

しかし、これらの試験のいずれも、患者の体内に Crispr を直接挿入するものではありません。針や注射器が届かない特定の臓器や組織に Crispr を送達することが困難な場合があるためです。科学者たちはそのためのいくつかの方法を考案してきましたが、これらのアプローチは潜在的に有害な結果をもたらす可能性があります。この方法で投与された Crispr は、そもそも存在するはずのないゲノムの部分に壊滅的な被害を与える可能性があります。オフターゲット効果と呼ばれるこれらの意図しない変更は、理論的には組織が適切に機能するのを妨げたり、がんを促進したりする可能性があります。これらのオフターゲット効果を制限する方法を見つけることが、現在の Crispr 研究の主な目標です。そして、科学者たちはいくつかの重要な進歩を遂げました。ジョンズホプキンス大学のチームは最近、光で活性化する Crispr を作成しました。これを不活性化することで、オフターゲット効果を制限することができます。科学者たちは、体内の特定の場所に Crispr を送達するための他のアプローチを実験している。ある人は、失明を治すために Crispr を網膜に直接注入した。

一方、消費者はまもなく、Crisprで設計された食品が食料品店の棚に並ぶのを目にすることになるだろう。Crisprは植物病原体を用いてDNAを操作する（従来のGMO生成方法）必要がないため、米国農務省（USDA）は遺伝子編集作物に規制上の自由を与えており、干ばつ耐性大豆やデンプン質の多いトウモロコシが、追加の表示なしに、お気に入りの加工食品に容易に混入される可能性がある。特産品となる果物や野菜も、コモディティ作物に追随する可能性が高い。規制負担の軽減とCrisprの低コスト化により、農家の利益よりも消費者の感覚を優先する企業が市場に参入できるようになるだろう。既に10数社のスタートアップ企業が誕生し、バイエル／モンサント、ダウ・デュポン／パイオニアといった世界の大企業に挑戦している。

Crisprベースの技術のこの民主化の側面と、ほぼ無限の商業的可能性が相まって、今日は分子生物学者にとって素晴らしい時代となっています。マイクロバイオーム全体を死滅させることなく、有害な細菌だけを標的とする抗生物質を開発したいですか？企業は既にそれを行っています。デング熱、ジカ熱、さらには新型コロナウイルスなどの疾患の検査に、医師が現場に持ち込める紙ベースの診断薬を開発したいですか？研究機関やスタートアップ企業も同様に取り組んでいます。そして、より多くのツールがオンライン化されるにつれて、バックエンドのCrisprエコシステムは、それらをサポート、供給、そして最適化するために継続的に拡大していくでしょう。

一部の科学者が Crispr を新しい意外な生物学的問題に適用しようとしている一方で、他の科学者たちはより強力で精密な遺伝子編集ツールを生み出すべく研究している。これらの発明の中には、私たちがよく知っている Crispr を改良したものがある。たとえばプライムエディターは Cas9 と逆転写酵素を組み合わせて DNA の一部を正確に修正できるツールにしている。しかし、Crispr を完全に無視する科学者もいる。今年、研究者たちはミトコンドリア DNA を編集するまったく新しいシステムを設計した。ミトコンドリア DNA は細胞内で残りの DNA とは独立して存在し、母子間でさまざまな病気を伝染させる可能性がある。Crispr と同様に、この新システムは細菌の自然の防御機構、この場合は細菌が競合する菌株を殺すために使用できる毒素を利用する。また、あるスタートアップ企業はゲノムに長い DNA を挿入する技術を先導しているが、これは現時点では Crispr の能力を超えている。

Crisprをはじめとする遺伝子編集ツールはますます強力になり、そうなれば当然のことながら、より厳しい監視と、おそらくはより厳しい規制を招くことになるだろう。科学者や規制当局は、保全の名の下に特定の種を絶滅させ、他の種を絶滅から蘇らせることが許されるのかどうか、判断を迫られるだろう。彼らは、遺伝子編集ツールが計り知れない破壊力を持つ生物兵器の製造に利用される可能性とも向き合わなければならない。ルルとナナは、デザイナーベビーの現実的な可能性、あるいは必然性について、すでに難しい議論を巻き起こしている。遺伝子変異の修正はいつ許容されるのか？特徴の追加はどうなのか？どこで線引きするのか？Crispr、そして将来Crisprの世界を構成するであろうあらゆるツールは、科学者だけでなく社会全体に、これらの問いに向き合い、最も古い問いである「人間であることの意味」について深く考えさせるだろう。

もっと詳しく知る：

Crispr遺伝子編集について知っておくべきことすべて
さて、Crisprが大きな話題になっていることはお分かりいただけたでしょう。しかし、その仕組みを詳しく知りたいと思いませんか？今世紀の分子マルチツールであるこの技術の仕組みを、ステップバイステップで解説するので、微生物学者でなくても理解できます。
CRISPR技術で生まれた子牛。間違いなく男の子だ。
カリフォルニア大学デービス校の科学者たちは、牛の胚に性別決定遺伝子を組み込む作業に何年も費やしてきた。4月、コスモが誕生した。コスモは、主にオスの子孫を産むことができる初の雄牛だ。しかし、コスモのDNAを詳しく調べると、この研究はまだ道半ばにあることが分かる。
初のヒト・ブタキメラは、カスタム臓器への一歩を踏み出した。
科学者たちは長年、異種移植（動物の臓器をヒトに移植すること）を、現在のヒト臓器不足の解決策の一つとして夢見てきた。しかし、その試みはほぼすべて失敗に終わっている。Crisprが動物臓器農場の夢に新たな希望をもたらしている様子を、ここで紹介する。
遺伝子編集ベビーを誕生させた科学者が自身の倫理規定に反する
中国人研究者の賀建奎氏は、倫理上のあらゆる境界線を越え（おそらくいくつかの法律も破った）、世界初の遺伝子編集ベビーを誕生させた。彼が犯した過ちとは？
米国のバイオテクノロジー企業が Crispr ベイビーを可能にした
ここで初めて聞いたと思いますが、Crispr ベイビーにも世界的なサプライチェーンがあります。
クリスパー編集蚊でマラリアを撲滅する計画
ビル・ゲイツ氏が支援する団体は、アフリカ大陸でマラリアを媒介する蚊を駆除することで、マラリアを根絶することを目指している。しかし、種の運命を操作する際には、ゆっくりと進めることが美徳となる。
排除のプロセス
　自然保護活動家たちは何十年もの間、ネズミなどの島嶼部に侵入した捕食動物を駆除するために中世の手法を用いてきました。しかし、罠や銃、毒物といったあらゆる手段を用いても、いまだに効果は見られません。在来種は依然として絶滅の危機に瀕しています。今、一部の科学者はCrispr遺伝子ドライブに注目しています。これは、自然を支配する私たちの力を永遠に変える可能性のある、非常に強力な遺伝子ツールです。エマ・マリスは、この技術が野生でどのように機能するかを確かめるため、ガラパゴス諸島を訪れました。
Crispr'd Cells、米国初のヒト安全性試験で有望性示す遺伝子編集された細胞を用いて免疫システムを強化したが、がん患者に副作用は見られなかった。安全性が証明された今、科学者たちの次の疑問は、これが治療法となり得るのか、ということだ。
簡単なDNA編集が世界を変える。シートベルトを締めて。
まだCrisprに飽きていない？エイミー・マックスメンによる2015年の特集記事は、この遺伝子編集技術の決定版。そのささやかな細菌の誕生から、熾烈な特許争いの最前線、そしてCrisprが生み出す未来に向けて動き出す企業の内部まで、余すところなく掘り下げています。