今年のノーベル化学賞はゲノム編集技術「CRISPR-Cas9」を開発した二人の女性研究者が受賞した(下の写真)。スェーデン王立科学アカデミーは、受賞理由は遺伝子編集技法の開発とし、CRISPR-Cas9を「遺伝子を切るハサミ(Genetic scissors)」と表現している。この技法を使うことで、ヒトや動物や植物の遺伝子を容易に書き換えることができ、ライフサイエンスの分野で革新的なインパクトがあると評価している。
| 出典: Nobel Media AB 2020 |
受賞内容
ノーベル化学賞受賞の理由は遺伝子の編集技術「CRISPR-Cas9」の開発(for the development of a method for genome editing)。受賞者はマックスプランク感染生物学研究所(Max Planck Unit for the Science of Pathogens)のEmmanuelle Charpentierとカリフォルニア大学バークレー校(University of California, Berkeley)のJennifer Doudna。
受賞理由
CRISPR-Cas9とはバクテリアなど原核生物(Prokaryote)が持つ免疫機構で、その存在は早くから知られていた。Doudna教授らは、これを植物や動物の細胞に適用し、遺伝子を切断・編集する技法を開発し、これが今回の受賞に繋がった。バクテリアが持つ防衛機能を動植物の遺伝子編集に適用する発想と技法が評価された。
CRISPR-Cas9の機能
CRISPR-Cas9は遺伝子を切るハサミと表現されるように、遺伝子を切断する機能を持つ。切断された遺伝子は自己修復する機能があり、再び繋がるが、その際に元の配列とは異なる配列で繋がる。このため、この遺伝子が機能しなくなる。また、接続した部分に別の配列を付加すると、遺伝子の配列を編集できる。これにより、新たな機能を持つ遺伝子を作り出すことができる。つまり、CRISPR-Cas9で特定の遺伝子の機能を止め、また、新たな遺伝子を生成できる。
| 出典: The Royal Swedish Academy of Sciences |
ライフサイエンス革命
CRISPR-Cas9により全ての生き物の遺伝子を自在に編集でき、ライフサイエンスに革命をもたらす。農水産物物をCRISPR-Cas9で改良し、乾燥に耐性のあるトウモロコシや血圧を下げるトマトの開発が進んでいる。また、家畜の遺伝子を編集し、雄雌を産み分ける技術の開発が進んでいる。また、これを医療に応用し、ガン治療(CAR T-cell Therapy)や遺伝性貧血(鎌状赤血球症、Sickle cell disease)の治療で効果をあげている。一方、ヒトの受精卵をCRISPR-Cas9で編集し、他人より優れた能力を持つ赤ちゃん「CRISPR Baby」を生むことに関してはコンセンサスは無く、各国が独自で研究を進め、世界で混乱が広がっている。
牛の受精卵の遺伝子を編集
このような状況の中、今年7月、カリフォルニア大学デービス校(University of California, Davis)は牛の受精卵遺伝子をCRISPR-Cas9で編集し、雄の牛を生ませることに成功した(下の写真、生まれた雄の子牛、名前はCosmo)。この研究では牛の受精卵の17号染色体(Chromosome 17)に雄の牛を生成する遺伝子(SRY Gene)を挿入した。この牛が育ち、この牛で繁殖させると75％の確率で雄の牛が生まれる。因みに、雄の牛を生ませる理由は一頭当たりの肉の量が牝牛に比べて多いため。ただし、米国においては遺伝子編集で誕生した食肉を販売することはアメリカ食品医薬品局(FDA)の認可が必要で、この子牛の肉を販売することはできない。遺伝子編集された食肉が安全であることを証明する必要性の他に、この研究は動物の生殖細胞の遺伝子を編集することに対し、倫理的な課題も提示している。
| 出典: University of California, Davis |
ヒト受精卵の遺伝子編集
CRISPR-Cas9をヒトの受精卵に適用し遺伝子を書き換えることに関しては社会の理解が得られていない。しかし、2018年、中国の研究者He Jiankuiはヒト受精卵をCRISPR-Cas9で編集し、HIVに感染しない双子の女の子を作り出した。この研究は、欧米の研究者コミュニティ―と交流を持たず、中国国内に閉じて実施された。その結果が学会で報告され、世界は衝撃を受けた。
CRISPR-Cas9の危険性と国際規制
CRISPR-Cas9でヒト受精卵の遺伝子を編集することが危険な理由は、その技術が未成熟なことにある。CRISPR-Cas9は生まれたての技術で常に正確に遺伝子を編集できるわけではない。意図しない個所の遺伝子を書き換えるケース(off-target edits)が少なくない。上述のケースでも対象とする遺伝子(CCR5 Gene、HIV発症に関与する遺伝子)だけでなく、その他の遺伝子も書き換えられたとされる。未熟な技術でヒト受精卵の編集をすることの危険性が指摘されるなかで、各国でこの研究が進んでおり、国際的な規制やルールの制定が求められている。しかし、CRISPR-Cas9で優秀な国民を生み出すことは国の繁栄や安全保障と深くかかわり、世界共通の規制を制定することは容易なことではない。
選ばれなかった研究者
Charpentier博士とDoudna教授が受賞したが、CRISPR-Cas9開発では多くの研究者が関与している。その一人がマサチューセッツ工科大学Broad InstituteのFeng Zhang教授で、ノーベル賞候補とされてきたが、受賞には至らなかった。Zhang教授はCRISPR-Cas9を改良し、ヒトやマウスの遺伝子を編集することに成功した。Zhang教授が受賞しなかったことが最大のサプライズとなった。
CRISPR-Cas9の特許を巡る争い
Zhang博士が属するBroad InstituteとDoudna教授が属するUC BerkeleyはCRISPR-Cas9の特許について法廷で争っている。巨大な富を生み出すCRISPR-Cas9の特許は誰に属すのか審理が続いている。先月、米国特許裁判所(US Patent Trial and Appeal Board)は、Broad Instituteに有利な意見を公開した。
| 出典: Science |
Doudna教授らは試験管の中でCRISPR-Cas9が遺伝子を切断できることを示し(上の写真)、世界の研究者がCRISPR-Cas9に着目する切っ掛けとなった。一方、その後、Zhang教授らはCRISPR-Cas9を改良し、ヒトやマウスなどの遺伝子を編集することに成功した。このため、裁判所は、真核生物(Eukaryotes、ヒトや動物や植物など)の遺伝子を編集する特許はBroad Instituteにあるとの見解を示した。つまり、Doudna教授らはDNA切断の基礎機能の特許を持つが、これを動物に適用する特許はZhang教授らに属すとの判断を示した。
ノーベル委員会の判断
法廷闘争が続く中で、ノーベル委員会はZhang教授を加えないでDoudna教授らを選考した。ノーベル賞枠は最大三人であり敢えてDoudna教授らを選んだ形となった。発表文の中に、Doudna教授らを選んだ理由を、CRISPR-Cas9を使えば「動物や植物や微生物のDNAを書き換えることができる」との記述があり、試験管で遺伝子を切断できれば、これを動物などに応用できることは自明であるとも解釈できる。
| 出典: UC Berkeley News |
受賞の言葉
UC Berkeleyは受賞が決まったその朝にDoudna教授にインタビューし、その様子をビデオで配信した(上の写真)。Doudna教授は、受賞はバクテリアの免疫機構を遺伝子編集に適用したことが評価されたとの見解を示し、「イノベーションは思ってもみなかった方向から訪れる」と述べた。自然が長い年月にわたり培ってきた機能は人間の想像力を遥かに上回るという意味となる。
[技術情報: CRISPR-Cas9の仕組み]
バクテリアが備えているCRISPR-Cas9
バクテリアは体内に侵入するウイルスをCRISPR-Cas9で防御する。CRISPR-Cas9はバクテリアが持つウイルスに対する免疫機構となる(下のグラフィックス)。
- バクテリア内部に放出されたウイルスのDNA(VIRAL DNA)をCRISPR(CRISPR DNA)に保管する。VIRAL DNA間はREPEATED SEQUENCEという配列で結ばれる。CRISPRは過去に感染したウイルスDNAの保管倉庫となる。
- CRISPR DNAはそのコピーCRISPR RNAを生成する。
- 目印の役割を果たすtracrRNAがREPEATED SEQUENCEと結合し、ハサミの機能を持つCas9がCRISPR RNAに結合する。
- CRISPR RNAは侵入したウイルスのDNAと配列を比較し、それが同じであればCas9がウイルスのDNAを切断する。つまり、CRISPR-Cas9は過去に侵入したウイルスのDNAを記憶しており、再度侵入したときにそれを切断する。
| 出典: The Royal Swedish Academy of Sciences |
CRISPR-Cas9で動物や植物の遺伝子を編集する方法
CRISPR-Cas9はハサミの機能を持ちDNAを切断する。その際に、研究者がCRISPR RNAを生成する。これはガイドの役割を持ち切断する箇所に導く。そしてCas9がDNAを切断する。 (下のグラフィックス)。
A. 切断した個所は細胞により修復されるが、前とは異なる塩基対が挿入され、その結果その遺伝子は機能しなくなる。
B. 切断した個所に新たな塩基対を加えると、新たな遺伝子を生成できる。
つまり、CRISPR-Cas9で、特定の遺伝子の機能を停止させる操作と、新たな遺伝子を生成する操作ができる。
| 出典: The Royal Swedish Academy of Sciences |
CRISPRの発見と名前の由来
CRISPRは遺伝子の一部で、バクテリアなどに存在し、この構造は日本の石野良純博士により1987年に大腸菌の中で発見された。しかし、当時はその役割について分かっていなかった。スペインの微生物学者Francisco Mojica博士は、1993年、古細菌(archaea)の中でこの構造を見つけ、2005年に、これは免疫システムであるとの仮説を発表。Mojica博士はこの構造をclustered regularly interspaced short palindromic repeats = CRISPRと命名。
(下のグラフィックス：バクテリア内部のCRISPRで、同じ配列(黒色の部分、Repeat)が規則正しく繰り返される。しかも、この部分の配列は回文構造(palindromic、左から読んでも右から読んでも同じ配列)をしている。CRISPRは回文構造の配列が繰り返されるという意味を持つ。)
| 出典: The Royal Swedish Academy of Sciences |
Emerging Technology Review 