生命科学・医学系

2018年2月2日

研究成果のポイント

・DNA2本鎖を切断せずに、DNA配列を意図通りに編集する手法を開発した
・ゲノム編集過程で発生する遺伝子変異の発生率を大きく抑制することに成功した
・安全性の確保が重要な遺伝子治療への応用に期待

概要

大阪大学高等共創研究院・大学院医学系研究科の中田慎一郎教授(細胞応答制御学)らの研究グループは、従来法よりも遺伝子変異の発生率を大きく抑制することが可能な新しいゲノム編集法を開発しました。

CRISPR/Cas9※1システムは、遺伝子配列を効率よく書き換えるゲノム編集技術として注目を集め、遺伝子治療といった臨床応用も期待されています。しかし、DNA2本鎖切断部位に新たな遺伝子変異をおこしやすいことが問題となっていました。

今回、中田教授らの研究グループは、ゲノム編集の鋳型(コピーの基になるもの)として用いられるドナープラスミドと、ゲノム上の標的遺伝子の両方にDNA1本鎖切断(ニック)を発生させることにより、変異発生を抑制し、かつ、高効率にゲノム編集が行えることを発見しました。遺伝性疾患における遺伝子変異を安全に修正する技術の開発へと発展することが期待されます。

本研究成果は、米国科学誌「Genome Research」に、2月2日(金)(日本時間)に公開されました(オンライン版は12月22日に掲載済)。

図1 DNA2本鎖を起こしてゲノム編集を誘導する従来法では、編集がうまくいかなかった場合に、DNAの挿入や欠失といった新たな遺伝子変異が発生する危険が高い。本法(SNGD法)を用いることで、ゲノム編集に起因する遺伝子変異の発生頻度を大きく低下させることができる。

研究の背景

遺伝性疾患の中には、原因となる遺伝子機能を回復させる遺伝子治療により、症状の改善が期待できるものがあります。さまざまな手法が考案され、既に実用化されている治療法もあります。中でも、原因遺伝子上の変異した部分を正常なDNA配列に修正する方法は、理想的な遺伝子治療法の1つです。数年前に開発されたCRISPR/Cas9は遺伝子配列の書き換え効率を飛躍的に上昇させました。これにより、この理想的な遺伝子治療がいよいよ実現的なものとなってきました。

しかし、臨床応用には、まだ多くの問題が残されています。1つには、ゲノム編集の過程で、新たに遺伝子変異が発生しやすいことがあります。Cas9を用いたゲノム編集では、ゲノムの遺伝子にDNA2本鎖切断を入れ、このDNAの傷を細胞外から導入した修復鋳型を用いて修復させます。この過程で、ゲノム上のDNA配列は修復鋳型の配列に書き換えられます。この仕組みを用いて、疾患原因遺伝子の変異部分を野生型(正常の)配列に書き直すことで遺伝子配列を修正することができます。しかし、細胞内では修復鋳型を用いたDNA修復は起こりにくく、大多数のDNA2本鎖切断は直接再結合されることになります。再結合される際に、DNAの挿入や欠失を伴うことが多く、このタイプのDNA修復が起こると遺伝子上に新たな変異が加わることになります。

また、ゲノムDNAの1本鎖だけを切断すれば、この問題を回避できると考えらますが、この方法では、高いゲノム編集効率を得ることができませんでした。

本研究の成果

中田教授らの研究グループでは、DNA2本鎖切断を起こさずに効率的なゲノム編集を達成するために、ゲノムDNAおよび、修復の基になるドナープラスミドの様々な場所に一本鎖切断(ニック)を起こして検討を重ねました。その結果、修復鋳型を含むドナープラスミドとゲノムの標的遺伝子との両方にニックを入れてゲノム編集を誘導する手法(SNGD法:A combination of single nicks in the target gene and donor plasmid 法)を開発しました。ヒト由来細胞株において、SNGD法によるゲノム編集を行うと、標的遺伝子にだけにニックを入れる手法よりも、常に高効率であり、また、多くの場合、2本鎖切断を入れる従来法よりも高効率でした。また、標的部位における遺伝子変異の発生は、2本鎖切断を入れる従来法よりも遙かに低く抑えられていました。このように、SNGD法は、安全かつ高効率と利点を兼ね備え、また、特殊な材料を必要としない簡便なゲノム編集法となっています。

本研究成果が社会に与える影響(本研究成果の意義)

本研究成果は、遺伝性疾患の遺伝子治療にむけ、安全な遺伝子治療法を実現するための礎となりうる技術です。今後、様々な遺伝子や様々な種類の細胞において試験を行うことで、新たな遺伝子変異の発生リスクを抑えた細胞内遺伝子修復が可能になることが期待されます。

特記事項

本研究成果は、2018年2月2日(金)(日本時間)に米国科学誌「Genome Research」に掲載されました(オンライン版は12月22日に掲載済)。
タイトル:“Precise and Efficient Nucleotide Substitution near Genomic Nick via Non-Canonical Homology-DirectedRepair”
著者名:Kazuhiro Nakajima, Yue Zhou, Akiko Tomita, Yoshihiro Hirade, Channabasavaiah B. Gurumurthy, andShinichiro Nakada

なお、本研究は、日本学術振興会 科学研究費助成事業、日本医療研究開発機構、武田科学振興財団、内藤記念科学振興財団、住友財団の研究助成により行われました。

用語説明

※1 CRISPR/Cas9(クリスパー・キャス・ナイン)
ゲノムDNA上の標的の塩基配列を認識して切断するゲノム編集技術。Cas9によりDNA2本鎖を切断し、その切断部位に新たなDNA配列を挿入したり、切断部位周囲のDNA配列を細胞外から導入したDNA配列に置き換えたりする技術。従来用いられてきた遺伝子改変技術とくらべ、簡便かつ高効率であるため、遺伝子改変動物・細胞の作製技術として急速に普及してきた。

研究者のコメント<中田教授>

ゲノム編集は新しい技術で、問題点も数多く残されています。ゲノム編集技術を改良すべく、世界中で多くの研究者が様々な方法を開発しています。私どもの成果も含め、これらの成果を結集していくことで、安全性の高いゲノム編集法、そして遺伝子治療法が開発される日がそう遠くなく訪れるのではないかと期待しています。私たちもより安全なゲノム編集法を開発するべく、研究を発展させていきます。

参考URL

大阪大学 大学院医学系研究科研究科 細胞応答制御学
http://www.bcr.med.osaka-u.ac.jp/

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