Compact type II-D Cas9 nucleases for efficient and specific genome editing

医師が、他に治療法のない病気を治すために、生きた人間の細胞内にある遺伝的な指示を書き換えることができる世界を想像してみてください。これを行うには、微小な配送車両（例えば、顕微鏡レベルのトラックのようなもの）の中に収まるほど小さく、かつDNAの修正が必要な正確な箇所だけを切り取れるほど精密なツールが必要です。長年、科学者たちはこのようなツールを探し求め、強力かつコンパクトな分子のハサミを見つけようとしてきました。このツールの最も有名なバージョンはCas9と呼ばれるタンパク質で、特定のDNA配列を見つけて切断する誘導ミサイルのように機能します。しかし、このタンパク質の最も一般的なバージョンはかなり大きく、ヒトの治療に使用される配送車両に詰め込むことが困難です。このサイズの制限は大きな障壁となっており、研究者たちは、高い精度を維持しながらその役割を果たせる、より小さく効率的な代替品を探すことを余儀なくされてきました。

研究チームは最近、これらの分子のハサミの特定のファミリーである「Type II-D Cas9」に注目しました。これらの酵素は天然で標準的なバージョンよりも小さいため、治療への使用に適した候補となります。科学者たちは、このファミリーの数少ないメンバーがヒト細胞内で遺伝子を編集できることは知っていましたが、その能力が稀な例外なのか、それともグループ全体に共通する一般的な特性なのかは不明でした。これを知るために、研究者たちは環境から収集された膨大なデジタル遺伝データライブラリを精査し、未特性の新しいバージョンのコンパクトな酵素を探し出しました。彼らは、Type II-Dファミリーの主要な構造的特徴を共有し、すべてほぼ同じ小さなサイズを持つ5つの新しい候補を特定し、それらが実際にヒト細胞内で機能するかどうかをテストすることに乗り出しました。

科学者たちは、既存のツールと比較するために、これら新しい酵素の中からCas9d-1とCas9d-4と名付けた2つを選択しました。これらをヒト細胞に導入したところ、両方ともヒトゲノム内の特定のターゲットを見つけて切断できることが証明されました。ある特定のテストでは、この新しい酵素の片方が、広く使われている標準的なバージョンのCas9よりも優れた性能を示し、最大20.1パーセントの切断効率を達成しました。より重要なことに、これらの新しいツールは驚くほど精密でした。これらは、オフターゲット活性として知られる、DNAの他の部分に意図しない損傷を与えるという一般的な問題を引き起こすことなく、目的の切断を行いました。また、これらの酵素が切断を行った際、細胞の修復プロセスは他のタイプの変化ではなく、小さな欠失を生じさせる傾向があることも結果から示され、研究者にとって予測可能な結果をもたらしました。

おそらく最も重要な発見は、これら2つの新しい酵素が、以前にヒト細胞でテストされた唯一の他のファミリーメンバーよりも優れた性能を示したことです。全く同じ条件下で並べて比較した際、新しいバージョンは、既知の古い例よりも効率的にDNAを編集しました。このことは、ヒトの遺伝子を編集する能力が、単一の稀な酵素に限られた偶然の出来事ではなく、このグループのコンパクトなタンパク質が共有する一般的な強みであることを示唆しています。これらの小さな単一タンパク質ツールが堅牢かつ特異的であることを確認したことで、本研究は将来の医療治療のための有望な新しい選択肢を提供しました。これらの知見は、科学者が現在、生物体でのテストに向けた、コンパクトで単一パッケージのツールをより優れた選択肢として持っており、安全で効果的な遺伝子治療という目標の実現に一歩近づいたことを示しています。