大型放射光施設 SPring-8

公開日

2015年08月28日

2015年8月28日
国立大学法人東京大学
国立研究開発法人日本医療研究開発機構

発表のポイント：
• ゲノム編集^（注1）に利用される小型CRISPR-Cas9^（注2）の結晶構造を解明した。
• 本研究の成果によりゲノム編集の効率化・高度化が期待される。

発表内容：
　生命の設計図であるゲノム情報（ゲノムDNA の塩基配列）の書き換えは長い間、夢の技術と考えられてきました。しかし、2012 年のCas9 タンパク質の発見により、ゲノム情報の書き換えは、もはやSF の世界の話ではなく、日常的に用いられる研究手法として広く普及するまでになっています。Cas9 はガイド鎖RNA と複合体を形成し、DNA を切断する「はさみ」としてはたらきます（図1）。

　ガイド鎖RNA はCas9 をゲノムDNA の特定の場所へと誘導する「案内役」としてはたらきます。したがって、ガイド鎖RNA を交換することにより、ゲノムDNA の任意の場所を切断することができます。ゲノムDNA 中の切断部位は細胞のもつ修復機構によって修復されますが、この過程においてDNA の塩基配列に変異が起こるとゲノム情報が改変されます。このようなゲノム情報の書き換え技術は「ゲノム編集」とよばれ、現在最も注目されている科学技術のひとつとなっています。

　ゲノム編集には化膿レンサ球菌（Streptococcus pyogenes）のもつCas9（SpCas9）が利用されていますが、分子のサイズが大きいため細胞への導入効率が低いという問題点が残されていました。一方、最近の研究から、黄色ブドウ球菌（Staphylococcus aureus）のもつCas9（SaCas9）はSpCas9 よりも分子のサイズが小さく細胞への導入効率が高いことが明らかになっていました。しかし、小型のSaCas9 がDNA を切断するしくみはわかっていませんでした。

　今回、東京大学の濡木 理 教授らの研究グループは、SaCas9、ガイド鎖RNA、標的2 本鎖DNA からなる複合体を結晶化し、大型放射光施設SPring-8^（注3）のBL41XUにおいてX線回折実験を行い、その分子構造を解明しました（図2）。

その結果、SaCas9 がガイド鎖RNA と複合体を形成して、標的DNA を切断するしくみが原子レベルで明らかになりました。これまでに分子構造が明らかになっていたSpCas9と比較して、SaCas9 は無駄の少ないスリムな構造をもっていることが明らかとなりました。さらに、分子構造をもとにSaCas9 を改変し、ねらった遺伝子を活性化させる機能をもつCas9 や薬剤によって切断活性を制御できるCas9 の開発にも成功しました。本研究の成果は、CRISPR-Cas9 を応用したゲノム編集技術のさらなる効率化・高度化につながることが期待されます。

　本研究は、文部科学省（2014 年度）・日本医療研究開発機構（AMED）（2015 年度以降）革新的バイオ医薬品創出基盤技術開発事業「新規CRISPR-Cas9 システムセットの開発とその医療応用」（研究代表者：濡木 理）、科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業（CREST）「炎症の慢性化機構の解明と制御に向けた基盤技術の創出」（研究代表者：濡木 理）、総合科学技術・イノベーション会議 戦略的イノベーション創造プログラム（SIP）「次世代農林水産業創造技術」、科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業（さきがけ）「立体構造にもとづく次世代ゲノム編集ツールの創出」（研究代表者：西増 弘志）、日本学術振興会 基盤研究（B）「RNA サイレンシングの分子機構の解明」（研究代表者：西増 弘志）、日本学術振興会 新学術領域研究「立体構造から理解するRNA タクソノミ」（研究代表者：西増 弘志）の支援を受けて行われました。

用語解説
(注1) ゲノム編集：
　生命の設計図であるゲノムDNAの塩基配列を改変する技術。CRISPR-Cas9を利用することにより迅速・簡便なゲノム編集が可能になった。

(注2) CRISPR-Cas9：
　微生物のもつ獲得免疫機構のひとつ。Cas9はCRISPR-Cas9機構にかかわるRNA依存性DNA分解酵素として2012年に発見された。Cas9はガイド鎖RNAと複合体を形成し、ガイド鎖RNAの一部（ガイド配列）と相補的な2本鎖DNAを切断する機能をもつ。Cas9タンパク質やCas9-ガイド鎖RNA複合体をCRISPR-Cas9とよぶこともある。

(注3) SPring-8：
　兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高クラスの大型放射光施設。