最初の CRISPR ベースの診断キットは小さな紙片に収まります

ちょうど 30 年ほど前、中田敦夫のグループは、世界中の研究室で使用されている糞便細菌である大腸菌の DNA に奇妙な繰り返しを発見しました。その後の数か月間で、さまざまな研究者グループがさまざまな細菌のゲノム内に同じ反復配列を発見しました。その一人であるスペイン人のフランシス・モヒカは、サンタ・ポーラ（アリカンテ）の塩原の微生物に同じ繰り返しが存在することを突き止めただけでなく、それらに名前も付けました。 CRISPRという頭字語は、微生物のゲノム内で謎めいた方法で繰り返される単位を指し、後に21 世紀の生物学における最大の革命につながります。

これらの奇妙な繰り返しは、実際には細菌がウイルスの攻撃から身を守るために使用する複雑なシステムの一部でした。 CRISPRリピート配列は、微生物がウイルスの遺伝物質を切断して感染を回避できる分子レベルでメスを組むために、他の要素（その中で最も重要なものはCasと呼ばれる）と組み合わされた。彼らはこれを、病原体から身を守るために抗体を生成する高等生物の適応免疫と同様の方法で行いました。このようにして、細菌は攻撃するウイルスを認識し、ゲノムの断片を自らの DNA に保存し、しばらくしてウイルス粒子が再び感染しようとしたときにメスを作動させて攻撃を止めることができます。

CRISPR-Casシステムは、微生物学者の許可を得て 2012 年までほとんどの研究者によって注目されませんでした。ジェニファー・ダウドナとエマニュエル・シャルパンティエという 2 人の科学者が、細菌から得られたこれらのツールはカットアンドペーストにも使用できるという驚くべき結果を発表したのはそのときでした。 DNA。彼のアイデアは、その後のFeng Zhangの研究によって裏付けられ、ゲノム編集、つまりDNA を迅速、正確、安全かつ効果的に改変する可能性への扉を開きました。それ以来、科学者たちはさまざまな分野でのゲノムエディターの適用に焦点を当てており、特に医学に関心があり、CRISPR-Cas はさまざまな病気に対する遺伝子治療の可能性として研究されています。しかし、希望はそこで終わりません。

CRISPR-Cas に基づく医療診断

分子メスを巡る血なまぐさい特許戦争に直面しているジェニファー・ダウドナとフェン・チャンのグループは、カリフォルニアとマサチューセッツのそれぞれの研究室で独立して研究を続けている。ノーベル医学・化学賞の有力候補とみなされている両科学者は、最近、医療診断分野におけるCRISPR-Casの応用に注目している。ゲノム編集は、市場を飛躍的に拡大する可能性のある用途であり、過去には460 億ドルと見積もられていました。

Zhang 氏と Doudna 氏は本日、権威あるサイエンス誌に 2 つの独立した論文を発表し、デング熱、ジカ熱、ヒトパピローマウイルス感染症などのさまざまな疾患を検出するCRISPRの可能性を示しています。最初の研究で、Feng Zhang のグループは、4 つの異なる細菌からの4 つの異なる Cas タンパク質を使用する CRISPR ベースの診断キットを示しています。昨年のサイエンス誌にも発表されたSHERLOCKシステムの可能性を広げる彼らの結果は、4つの異なる標的配列を検出できる薄い紙片で構成されており、検査が陽性の場合には4つの異なる色を表示する。

「これは驚くべき結果であり、新たな展開です」と、この研究には参加していない国立バイオテクノロジーセンター（CNB-CSIC）の研究者ルイス・モントリウ氏は認める。張氏のチームは昨年、ゲノム編集で通常使用されるCas9酵素に似たCas13aタンパク質が「一度使われるとおかしくなる」ということに気づいて以来、「大惨事になるはずだったものをうまく利用する」ことに成功した。が活性化され、RNA 分子を切断し始めます。」 「彼らは、切断されると発光する蛍光色素に接着されたRNA配列を混合しました。 13a が標的配列を特定すると、蛍光も放出しました。その輝きの存在は、標的配列が検出されたことを私たちに示しました」とモントリュー氏はニューロストリームに説明しています。

1 年も前に結果が発表されてから、Feng Zhang 氏はこの方法を複数の診断システムに変換することでこの方法を改善することに成功しました。彼が現在メスとして使用している 4 つのタンパク質は、他の文字よりも先に RNA からいくつかの文字を切り出し、「トラップ分子」を構築することで、配列に応じて 4 つの異なる輝度を持つすべての指示薬を同じチューブ内で混合することに成功しました。システムを検出しました。

「驚くべきことに、妊娠検査や最近のHIV 検査で使用されるものと同様の乾式化学法でも検査が可能です」は、結果が陽性だった場合に備えて、一見すると 1 ～ 2 行表示されるでしょう」と、モントリュー氏は電話で言いました。 Zhang氏が達成した感度も「並外れた」もので、アトモルレベル（10^-18）に達しており、これは遺伝物質の増幅を利用したおかげで達成された結果である。つまり、マサチューセッツ工科大学ブロード研究所とハーバード大学の科学者たちは、診断キットが機能することを証明する前に、より多くの相補的な分子が存在するように配列を「コピー」している。

ジェニファー・ダウドナ、診断が遅れている

本日サイエンス誌に掲載された 2 番目の研究は、ジェニファー ダウドナのグループに対応します。彼のチームは、張氏が発見し、診断キットでも使用している要素であるCas12a タンパク質の「予期せぬ効果」を明らかにしました。この分子メスが DNA の両方の鎖を切断すると、一本鎖の分子も切断できます。この結果は従来のゲノム編集に悪影響を及ぼさず、医療診断に使用できるとダウドナ氏を擁護する。 Zhang が独自に得た結果とまったく同じ結果であり、子宮頸がんなど一部の種類の悪性腫瘍に関連するヒトパピローマウイルスの検出に使用されました。

「私はチャンの作品を特に強調したいと思います。なぜなら、それはダウドナの作品を組み込んでおり、さらに多くのことを追加しているからです」とモントリューは言います。彼の意見では、カリフォルニア大学教授による研究は、ブロード研究所の研究者によって今日発表された研究とは比較にならないだろう…「それがダウドナのせいでなければ」。 「同様の方法で、（タンパク質を）診断システムに変えるのと同じように、蛍光色素も組み込まれているので、（メスが）切ったときに光り始めます」とCNB-CSICの科学者は説明する。ジェニファー・ダウドナのチームは、チャンのチームと同様に、検出を実行する前に遺伝子配列を増幅するというトリックを使用しているが、これがなければ両方の診断方法がまったくうまく機能しないだろう。

「2 つの研究所の裏では多くの仕事が行われています。彼らは天才です。これは純粋な基礎研究です」と、ルイス・モントリウ氏はニューロストリームとの電話での会話で称賛した。ダウドナ氏とチャン氏のグループは、科学分野での研究を通じて、ゲノム編集に直面し永遠に団結し、CRISPR-Cas の可能性を再び実証し、医学に新たな希望をもたらしました。世界中のほぼどこでも使用できるポータブル検出キットを使用して、細菌のような単純な生き物のツールを、簡単かつ安価な方法で病気を診断するための武器に変換することです。