An integration-free CRISPR platform for genetic dissection of respiratory virus host dependencies in human nasal epithelium
本研究は、ヒト鼻腔基底細胞を遺伝子工学的に改変して気液界面培養を作成するための、インテグレーションフリーなCRISPR/Cas9ワークフローを確立し、それを用いて、生理学的に関連性の高いモデルにおいてACE2およびTMPRSS2がSARS-CoV-2およびhCoV-NL63感染の重要な宿主因子であることを検証した。
原論文は CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは査読を受けていないプレプリントのAI生成解説です。医学的助言ではありません。この内容に基づいて健康上の判断をしないでください。 免責事項の全文を読む
風邪から深刻なパンデミックに至るまで、呼吸器疾患を引き起こすウイルスは、鼻の粘膜に降り立つことからその旅を始めます。鼻上皮として知られるこの薄い組織の層は、体の第一防衛線として機能しており、さまざまな種類の細胞が共に働く複雑なバリアとなっています。これらのウイルスがどのようにしてこのバリアを突破するのかを理解するために、科学者たちはウイルスが細胞に侵入するために使用する特定の道具を研究する必要があります。数十年にわたり、研究者たちは、ウイルスがヒトを感染させるためにどのヒトタンパク質を必要とするかをテストするために、皿の中で育てられた単純な単層の細胞培養に頼ってきました。しかし、これらの人工的な細胞は、生身のヒトの鼻に見られるような、実際の多層構造を持つ組織とは異なる挙動を示すことがよくあります。科学者たちは近年、実際の鼻の裏地の構造を模倣したより優れたモデルを開発してきましたが、これらの現実的なモデルを遺伝子操作することは困難でした。これらの現実的なモデルにおいて、特定のヒト遺伝子を簡単にオンまたはオフにする能力がなければ、ウイルスが感染を開始するためにヒトの体のどの部分を乗っ取るのかを正確に証明することは困難でした。
シンガポールのデューク・NUS医科大学の研究チームは、これらの現実的な鼻細胞の遺伝子を編集する新しい手法を開発することで、この問題を解決しました。彼らは、精密な分子ツールであるCRIS・Rを使用して、鼻の裏地へと成長する幹細胞内の特定の遺伝子を切り出す方法を開発しました。外来の遺伝物質を細胞に挿入する必要があり、それが予期せぬ変化を引き起こす可能性のある従来の方法とは異なり、この新しいアプローチは「インテグレーションフリー（非統合型）」であり、編集ツールの恒久的な痕跡を残しません。科学者たちはまず、ドナーから健康な鼻細胞を培養し、次に、編集ツールと光るマーカーの一次的な混合物を使用して、特定の遺伝子を切り出しました。その後、編集ツールを正常に受け取った細胞を選別して増殖させ、それらが完全で現実的な鼻の組織層へと成熟するようにしました。このプロセスにより、特定のヒト遺伝子が欠落した組織モデルを作成することができ、それらの特定の道具がない状態でウイルスが鼻に感染しようとしたときに、何が起こるのかを正確に観察することができました。
この新しいプラットフォームを用いて、研究者たちは2種類のコロナウイルス、すなわちCOVID-19を引き起こすものと、もう一つの一般的な風邪のウイルスが、どのようにヒトの鼻に感染するかをテストしました。彼らはまず、これらのウイルスが細胞に入るための主要なドアとして機能するACE2と呼ばれるタンパク質の遺伝子を除去しました。編集された組織に感染させたところ、ウイルスは侵入することができず、ACE2が両方のウイルスがヒトの鼻に感染するために絶対不可欠であることが確認されました。次に、彼らはTMPRSS2と呼ばれる、ウイルスが表面に到達した後にドアを解錠する鍵のような役割を果たす第2のタンパク質について調査しました。これまでの研究では、細胞の種類によってウイルスが異なる鍵を使用する可能性があることが示唆されてきましたが、この新しい研究は、現実的な鼻の組織において、ウイルスはほぼ完全にTMPRSS2に依存していることを示しました。研究者がTMPRSS2の遺伝子を除去すると、ウイルスは組織に感染できず、この特定のタンパク質こそが、ウイルスがヒトの鼻細胞に侵入するために必要な決定的な鍵であることを証明しました。
また、本研究はウイルスが利用する可能性のある他の経路についても否定しました。研究者たちは、細胞内部の機構に関わる別のルートを通じてウイルスが細胞内に侵入できるかどうかをテストしましたが、このルートをブロックしても感染に影響を与えないことがわかりました。これにより、ヒトの鼻においては、ウイルスがこれらの代替的な侵入方法を使用しないことが確認されました。これらの知見は異なるドナー間でも一貫しており、これらの2つのタンパク質への依存が、これらのウイルスがヒトに感染する際の根本的な特徴であることを示しています。ウイルスが鼻に侵入するために特定のヒトタンパク質に依存していることを実証したこの研究は、将来の医学的治療のための明確な標的を提供します。もし科学者が、ドアまたは鍵のいずれかをブロックする薬を開発できれば、ウイルスが体内に侵入する前に阻止できる可能性があります。現実的な鼻組織を編集するこの新しい手法は、他の多くのウイルスをテストし、それらがどのように私たちに感染するかを正確に理解するための扉を開き、将来の呼吸器系の脅威に対して備えるための強力なツールを提供しています。
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