Precise templated editing using endogenous DNA polymerases
本論文は、DNAテイルを備えたガイドを用いて内因性DNAポリメラーゼを動員することで、多様な標的および細胞モデルにおいて、外因性ポリメラーゼを用いない精密なゲノム編集を実現する、CRISPR-Cas9ベースの技術であるTHORを紹介するものである。
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
ヒトゲノムは、私たちの体がどのように成長し機能するかを規定する化学コードで書かれた、膨大な指示書のライブラリとしばしば形容されます。時として、このコードの中のたった一つの文字が間違っていることがあり、それが疾患へとつながります。長年、科学者たちはこれらのエラーを見つけ出し、修正するためのツールを開発してきました。それがゲノム編集と呼ばれる分野です。これらの中で最も有名なツールは、分子のハサミのように機能し、特定の場所でDNAを切断します。切断が行われると、細胞の自然な修復機構が働き、鎖を再び縫い合わせます。しかし、この自然な修復プロセスは往々にして乱雑であり、ランダムな欠失や挿入を引き起こし、かえって害をもたらすことがあります。精密な修正を実現するために、科学者たちは以前、正しいテンプレートをDNAに直接コピーするための専用の酵素を外部から持ち込む必要がありました。これは複雑さを増大させ、ツールをより大きく、細胞へのデリバリーを困難なものにしていました。研究者たちの中心的な問いは、細胞が自身の遺伝物質をコピーし修復するために日々使用している内部の機構そのものを、外部の追加酵素を必要とせずに、この精密な編集タスクを実行するように誘導できるのではないか、というものでした。
アストラゼネカおよび共同研究機関の研究チームは、この問いに答えるために、「THOR（Template Homology-Oriented Repair：テンプレート相同性指向修復）」と呼ばれる新しいアプローチを開発しました。この手法は、修正をコピーするために外来の酵素に頼るのではなく、末端に短いDNA断片が付着した修飾ガイド分子を使用します。ガイドがゲノム内の標的を見つけると、小さなニック（切れ込み）または切断を作成します。すると、付着したDNA断片がプライマーとして機能し、細胞がすでに保有し通常のメンテナンスに使用している天然のDNAポリメラーゼ（酵素）を呼び寄せ、ガイドからゲノムへと目的の編集内容を結合・コピーさせます。研究者たちは、このシステムがヒト細胞において効果的に機能し、外部のコピー用酵素を供給することなく、複数の箇所に特定の遺伝的変化を正常に導入できることを実証しました。この発見は、適切な開始点さえ与えられれば、細胞の内部修復ツールが精密な編集を行うのに十分であることを示唆しています。
チームは、RNAからDNAへとコピーする酵素である逆転写酵素に依存する既存の手法と比較することで、この概念をテストしました。実験では、ラボで培養されたヒト細胞を用い、鎌状赤血球症に関連する遺伝子を含むいくつかの異なる遺伝子を標的としました。その結果、細胞自身のDNAポリメラーゼを使用するTHORシステムは、既存の最高水準のツールに匹敵する精度で精密な編集を導入できることがわかりました。決定的なのは、このシステムは複雑な外部酵素を必要としないため、ガイド分子の製造とパッケージングがより簡便であることです。また、研究者たちは、ガイド分子の一部が誤ってゲノムにコピーされてしまうという、他のシステムで見られる特定の種類の望ましくない副産物が、この方法では回避されることも観察しました。ガイドにDNAテール（尾部）を使用することで、細胞の自然な酵素が指示の終端に達した際にコピーを停止するようにし、これらのエラーを防いでいます。
さらなる調査により、異なる条件下や異なる種類の細胞におけるシステムの挙動が明らかになりました。研究者たちは、血液疾患の治療に不可欠な造血幹細胞を用いてこの手法をテストし、編集が行われる前に細胞を増殖刺激した場合に、この技術がうまく機能することを発見しました。また、細胞の乱雑な修復経路をブロックすることで、編集の質を向上させることができるか検討するため、化学的阻害剤の添加についても探求しました。その結果、特定の修復酵素を阻害することで精密な編集の割合が増加し、よりクリーンな結果が得られることを発見しました。しかし同時に、このシステムは、細胞内の構成要素の可用性に関する他のツールの制限に悩まされることはなく、異なる細胞環境においても堅牢であることがわかりました。また、チームは脂質ナノ粒子（遺伝物質を細胞内に運ぶための小さな脂肪の泡）を用いたシステムのデリバリーについてもテストし、細胞へ直接注入した場合よりも効率はわずかに低くなるものの、細胞に直接注入せずとも機能が維持されることを確認しました。
この新しい手法は大きな期待を集めていますが、研究者たちは、あらゆる状況において既存のすべてのツールに代わる完璧なものではないことも指摘しています。ゲノム内の特定の場所においては、このシステムは他の手法よりも効率が低く、その性能は行われる編集の種類によって変動します。この研究は、手法の成功がガイド分子の具体的な設計と、ガイドおよび細胞の自然な酵素との相互作用に大きく依存していることを示唆しています。研究者たちはまた、システムをより効果的にするために、ガイド分子の安定性を改善できる可能性についても指摘しました。全体として、この研究は、細胞の生物学に抗うのではなく、それを活用する精密なゲノム編集の新しい経路を確立しました。内因性のDNAポリメラーゼが精密なテンプレート編集を行うよう誘導できることを証明したことで、この研究は、より単純で汎用性の高い、遺伝的エラーを修正するためのツールへの扉を開き、将来的にこれらの治療法の開発と提供を容易にする可能性を示しています。
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