細胞が遺伝子発現の記録を保持していたらどうなるでしょうか?

一見すると、大腸菌（E. Coli ）はチートスに似た、ふっくらとした円筒形をしています。しかし、実はチートスそっくりで、驚異的な免疫防御力を備えています。控えめな外見の裏には、外来の侵入者からの攻撃から身を守る複雑なシステムが隠されています。カリフォルニア州サンフランシスコにあるグラッドストーン研究所のバイオエンジニア、セス・シップマン氏は、これらの防御力を活用することで、細胞内の遺伝子発現を記録するための新たな技術的可能性を切り開きました。「私たちは、細菌の様々な部位を取り出し、本来の用途とは異なるバイオテクノロジー用途に再利用しているのです」と彼は言います。

シップマン研究室は、大腸菌などの細菌に実装することで、特定の遺伝子のオンオフを追跡する記録装置として機能するシステムを開発しました。このシステムは、細菌が通常免疫に用いる分子部品をわずかに改変することで、新たな機能を実現しています。「レトロカスコーダー」と名付けられ、最近Nature誌に発表されたこの技術は、遺伝子発現の記録を保存するDNA「レシート」を作成します。科学者たちは、細胞にこの記録機能を持たせることで、細胞が微小な生物学的監視役として機能し、疾患や発達における遺伝子発現パターンに関する正確な知見を提供できると考えています。

これまで、細胞内でどの遺伝子が、そしていつ、どこで発現したのかを解明するためには、科学者は特定の時点でRNAを除去する必要がありました。これは細胞を殺すことを意味していました。「一般的に、生物学で何かを測定するには、生物学的サンプルを破壊する必要があります」と、論文の共著者であり、シップマン研究室の学生であるサンティ・バッタライ＝クライン氏は述べています。

「細胞内のすべての遺伝子を調べるか、細胞を生き続けさせて将来行うことをさせるか、そのどちらかしかできない。両方を同時にすることはできない」と、カリフォルニア大学アーバイン校の生物学者で、この研究には関わっていないテレサ・ラヴレス氏も同意する。

この問題を回避するため、グラッドストーン研究チームをはじめとする研究チームは、細胞の活動を停止させることなく、分子データを経時的に保存する方法を模索してきました。細胞をリアリティ番組のスターと捉え、その転写寿命の記録が保存され、科学者が後世のために調査・分析できると想像してみてください。バッタライ＝クライン氏は、この技術は「複数の異なる種類のイベントとその発生順序を記録し、最終的な時点で過去に何が起こったのかを判断できるようになる」ため、遺伝子発現などの追跡に役立つと述べています。

細胞内で何が起こったのかを振り返りたいという科学者たちの思いが、レトロカスコーダーの着想の源となった。レトロカスコーダーは、レトロン（細菌の小さな遺伝子配列）と、細菌が免疫反応の一環として用いるゲノム編集システム「Crispr-Cas」という2つの主要コンポーネントを使用している。 

レトロンが細菌において通常どのような機能を果たすのか、科学者たちは完全には解明していない。しかし、最近の研究では、レトロンは外来侵入者に対する宿主防御に有用であることが示唆されている。しかし、レトロンには非常に便利な力がある。それは、RNAをDNAに変換するタンパク質を作り出すことだ。（ちなみに、DNAは二本鎖で遺伝情報の保存に用いられるのに対し、RNAは一本鎖でタンパク質をコードする。）このRNAからDNAに変換されたタンパク質は、遺伝子発現の「領収書」として細菌のゲノム内に保存される。

DNAは、レシートなどの保存媒体として適しています。劣化が早いRNAとは異なり、長期間にわたって安定しているからです。「コンパクトで柔軟性があり、扱いやすいコードを持ち、しかも安定しています」とシップマン氏は言います。「非常に長い時間スケールでも、壊れてしまう心配はありません。」

シップマン氏らの研究者たちは、レトロンが非コードRNA配列、つまりタンパク質を生成しないコード列も生成することを発見しました。シップマン氏のチームは、これらの配列を改変することで、RNA配列内に固有の「バーコード」、つまり短い塩基配列を組み込むことができることに気づきました。この塩基配列のサブセットは、遺伝子発現のマーカーとして機能します。まるで郵送された荷物に追跡番号を貼るようなものです。追跡したい遺伝子ごとに異なるバーコードを作成することで、科学者たちはこれらの受領書をチェックし、遺伝子が発現しているかどうかを確認できるのです。

各遺伝子を適切なバーコードに一致させるため、研究者たちは追跡対象の遺伝子のプロモーターの制御下にレトロンを配置しました。こうすることで、遺伝子が発現するたびにレトロンも活性化され、バーコードマーカーを含む非コードRNA配列が生成されます。そして、レトロンは遺伝子特異的なバーコードを含むRNA配列を逆転写します。これにより、元の非コードRNAと相補的な最終的なDNAレシートとバーコードが生成されます。

次に、科学者たちは、それらのレシートを細菌のゲノム内に保存し、将来読み取れるようにする方法を見つける必要があった。そのために彼らは、一連の DNA チャンクを保持するゲノム領域である Crispr アレイを使用した。(通常、細菌は免疫防御の一環として、これらのアレイを使用してウイルスのゲノム情報を保存している。これは、細菌が以前に遭遇したウイルスを記憶し、将来それらのウイルスと戦えるようにするためである。) これらのアレイは Cas タンパク質によって作成され、Cas タンパク質は DNA 断片を拾い上げてアレイ内に蓄積する。重要なのは、科学者たちが Cas タンパク質が DNA 断片を単にランダムに追加するだけではないことに注目していたことだ。「方向性を持って追加するのです」とシップマンは言う。「単に記録するのではなく、順番に記録するのです。」これが重要なのは、時系列の記録を作成するためである。

Crisprアレイをウイルス情報ではなくDNAレシートの保存に利用するため、科学者たちは非コードRNA配列（およびそれに続くDNAレシート）に、Casタンパク質が認識できる「スペーサー」配列も組み込むように設計した。Casタンパク質はスペーサーに結合してレシートを拾い上げ、時系列順にCrisprアレイに挿入する。最初に発現した遺伝子のDNAレシートは、後に発現した遺伝子よりも先に記録される。細胞のCrisprアレイをシーケンシング装置に通し、DNAレシートを読み取ることで、科学者たちはどの遺伝子が発現したかだけでなく、その順序も特定することができ、細胞の遺伝子活動の生きた歴史を解き明かすことができた。

レトロカスコーダーが実際に機能するかどうかを検証するため、研究チームは大腸菌において、特定の化学物質の存在下で活性化する2つの遺伝子の活性を追跡することにしました。それぞれの遺伝子は、固有のバーコードを持つDNAレシートを作成するレトロンの発現を促しました。簡略化のため、科学者たちはこれらのバーコードをAとBと名付けました。

彼らは最初の遺伝子（バーコードAに相当）を活性化する化学物質を24時間添加し、続いて2番目の遺伝子（バーコードBに相当）の化学物質を次の24時間添加した。「理論上は、プロセス全体を通してすべての記録タンパク質がオンになるはずですが、前半はシグナルAのRNAのみ、後半はシグナルBのRNAのみをオンになるはずです」とバッタライ・クライン氏は言う。

科学者たちが大腸菌のゲノムを配列解析したところ、まさにその通りの結果が出た。バーコードAのDNAレシートが最初にCrisprアレイに組み込まれ、続いてバーコードBのレシートが組み込まれたのだ。検証のため、条件を逆にし、バーコードBの化学物質をAの化学物質よりも先に添加した。すると、Crisprアレイは再び予想通りのパターンを読み取り、Retro-Cascorderが両遺伝子の発現を正しい順序で記録したことが明らかになった。

DNAに情報を保存する他の記録システムは開発されているが、シップマンらが開発したシステムは、遺伝子特異的バーコードというさらなる特異性に加え、遺伝子発現を順番に観察する機能も備えている。「これは細胞記録の実に素晴らしいデモンストレーションであり、最適化された手法です」と、マサチューセッツ工科大学の合成生物学者で、この研究には関わっていないティモシー・ルー氏は述べている。

分子記録システムを開発したコロンビア大学の生物学者、ハリス・ワン氏も同意見だ。「この研究は、細胞内部の仕組みに関する情報をどのように収集するかという点で、私たちを新たな領域へと押し進めるものです」と彼は述べ、「記録できる信号をはるかに細かく制御できるようになります」と付け加えた。この研究には関与していないワン氏は、遺伝子発現は常に二値スケールで行われるわけではないため、これらの記録システムが将来、遺伝子のオンオフの程度を追跡できるようになるかどうかに興味を持っている。例えば、エピジェネティック制御（DNAの化学変化）のようなものは、遺伝子の発現を単純にオンまたはオフにするのではなく、様々なレベルで容易に調節することができる。

ルー氏は、このシステムや他の細胞記録システムが将来哺乳類細胞に実装されることに関心を寄せており、シップマン氏と彼のチームもこの関心を共有しています。「私たちの長期的な目標は、哺乳類の発生や疾患状態において、数週間から数ヶ月にわたって起こる非常に複雑な出来事を記録することです」とシップマン氏は言います。そうすれば、がんやパーキンソン病のような病気の進行に伴って、様々な遺伝子がどのようにオンオフになるのかを科学者がより深く理解できるようになるかもしれません。

近い将来、科学者たちはレトロカスコーダーを、細菌をバイオセンサーに変えるちょっとした追加装置として構想しています。これらの細菌は、廃水中の化学物質への曝露を追跡したり、人間の腸内環境を研究したりするために活用できる可能性があります。「細菌は環境と相互作用し、私たちが通常非常に敏感なレベルで感知するような多くのことを感知します」とシップマン氏は言います。「細菌にその情報を記憶させることができれば、監視が難しい環境でも細菌を働かせることができます。」汚染物質や代謝物などの物質はしばしば遺伝子発現の変化を引き起こすため、細菌のDNA記録簿は、どの分子がいつ存在するかを特定するために活用できます。

今のところ、シップマン氏はレトロカスコーダーがうまく機能していることに感謝している。細胞の一部を新しい目的のために適当に改造できることを示しているのだ。「私たちは進化に任せて何か有用なものを見つけ、それを厳選しているんです」と彼は笑いながら言う。

2022年8月12日午後12時11分更新: このストーリーは、セス・シップマン氏の主な所属を修正するために更新されました。