CRISPR（クラスタ化された等間隔短パリンドロミック反復配列）とは：適応免疫と遺伝子編集の定義と応用
CRISPRの基礎と適応免疫から医療・農業での遺伝子編集応用まで、仕組みと最先端研究を分かりやすく解説。
CRISPRとは、微生物学で使われる用語で、英語の "Clustered Regularly Interpaced Short Palindromic Repeats" の頭文字をとったものです。日本語では「クラスタ化された等間隔短パリンドロミック反復配列」と訳され、原核生物の遺伝暗号の一部として、ほとんどの細菌と古細菌に見られます。これらはゲノム上に短い繰り返し配列（repeats）とそれらの間に挟まれた配列（spacers）が規則的に並ぶ特徴的な配列クラスターです。
構造と基本的な役割
CRISPR配列は、短い反復配列と、そこに挟まれたスペーサー配列から構成されます。スペーサーは通常、以前にその微生物を攻撃したウイルス（バクテリオファージなど）やプラスミド由来のDNA断片に対応しており、これが 適応免疫システムの記憶として機能します。具体的には：
- 新たな外来DNAが侵入すると、その一部がスペーサーとして取り込まれる（獲得）。
- CRISPR配列は転写され、前駆crRNAが生成される。tracrRNAなどと相互作用して成熟したcrRNA（標的配列に相補的なガイド配列）になる。
- crRNAはCas（CRISPR関連）タンパク質と複合体を作り、対応する配列を持つ外来DNAやRNAを認識して切断する。
Casタンパク質と代表例
CRISPRシステムの実働部分はCasタンパク質群で、種類により働きや標的が異なります。よく知られたものに以下があります：
- Cas9：DNA二本鎖切断を行う酵素。ガイドRNA（gRNA）と結合して相補的配列を認識し、PAM（protospacer adjacent motif）と呼ばれる隣接配列を必要とする。
- Cas12（Cpf1）：Cas9と似るがPAM特異性や切断様式が異なり、一本鎖切断や二本鎖切断を担う。
- Cas13：標的をRNAとして認識・切断するタイプ。
遺伝子編集としての応用
CRISPR/Casシステムを用いた遺伝子編集では、人工的に設計したガイドRNAとCasタンパク質を細胞に導入することで、ほぼ任意の配列を標的にして切断を起こせます。切断後は細胞の修復機構により以下のような結果が得られます：
- NHEJ（非相同末端結合）：しばしば短い欠失や挿入（インデル）が入り、遺伝子の機能喪失（ノックアウト）を引き起こす。
- HDR（相同組換え修復）：外部のドナーDNAを供給すると特定の塩基や配列を正確に挿入できる（ただし効率は条件による）。
さらに、切断を伴わないベースエディティング（特定の塩基を化学的に変換）やプライムエディティング（改変ガイドを用いた高精度な置換）など新しい技術も開発されています。これらにより、ほぼすべての生物の遺伝子を改変できる可能性が広がりました。農業や基礎研究だけでなく、医療分野での治療応用も急速に進んでいます。特に一部の遺伝性疾患やがん免疫療法、ウイルス性疾患への応用研究が行われています。
主な応用例
- 医療：遺伝性疾患の遺伝子修復、がん免疫細胞の改変、ウイルス感染細胞の標的化など。
- 農業：病害耐性作物や生産性の高い作物の育種。
- 基礎研究：遺伝子機能の解析、疾患モデル動物の作成。
- バイオテクノロジー：微生物の代謝改変やバイオ製品の生産性向上。
「遺伝子組み換え（GM）」技術の一つとして、特定の配列を正確に狙って切断・挿入するツール群の核になる技術です（遺伝子組み換え）。
技術的課題と倫理的論点
CRISPRは強力ですが、課題も多くあります：
- オフターゲット（標的外切断）：設計した配列以外の場所を誤って切断する可能性がある。
- デリバリー手法：目的の細胞・組織に安全かつ効率的にCasとgRNAを届ける方法（ウイルスベクター、脂質ナノ粒子、電気穿孔など）の最適化が必要。
- 免疫反応：Casタンパク質に対する免疫が治療効果や安全性に影響する可能性がある。
- 遺伝的多様性やモザイク状態：胚での編集では個体内で編集が不均一になることがある。
- 倫理・規制：特にヒトの生殖細胞系列（胚の遺伝子改変）に対する倫理的懸念と規制が厳しい。医療応用に際しては長期安全性評価と社会的合意が必要。
発見の歴史と重要な節目
- 1990年代：繰り返し配列の存在が報告される。
- 2005年頃：スペーサー配列がウイルス由来であることが示され、免疫機構としての役割が示唆される。
- 2012年：Emmanuelle Charpentier と Jennifer Doudna の研究により、Cas9を用いたプログラマブルな遺伝子切断が示され、遺伝子編集ツールとしての可能性が確立。
- 2020年：Charpentier と Doudna にノーベル化学賞が授与され、CRISPR/Cas9 の重要性が国際的に認められる。
まとめ
CRISPRは原核生物の適応免疫機構に由来する配列とその関連タンパク質群を指し、これを応用したCRISPR/Cas技術は高精度な遺伝子編集を可能にする革新的ツールです。研究・医療・産業など幅広い分野で応用が期待される一方、オフターゲットやデリバリー、倫理的課題など解決すべき問題も残っています。今後の技術改良と社会的議論によって、安全で有益な利用が進むことが求められます。
CRISPR遺伝子座の図。大きく分けて3つの部分がある。 1.cas遺伝子、 2.リーダー配列、 3.リピートスペーサー配列。 3つの構成要素の配置は必ずしも図の通りではない。
仕組み
この繰り返しには、過去に細菌ウイルスやプラスミドに暴露された「スペーサーDNA」の短い断片が続きます。CRISPRのスペーサーは、真核生物におけるRNA干渉のような方法で、外来遺伝要素を認識し、切り刻む。
つまり、このスペーサーは、過去にこの細胞株を攻撃しようとしたウイルスのDNA断片である。スペーサーの出所が外国であることは、研究者にとって、CRISPR/casシステムが細菌の適応免疫に関与する可能性を示唆するものであった。
実際に切断を行うのは、Cas9と呼ばれるヌクレアーゼである。Cas9は2つの活性切断部位を持ち、DNAの二重らせんの各鎖に1つずつある。Cas9は、外来DNAをほどき、それがガイドRNAの20塩基対のスペーサー領域（スペーサー領域RNA）と相補的であるかどうかをチェックすることによって、これを行う。もし相補的であれば、外来DNAは切り刻まれる。
アプリケーション
この技術は、ヒトの細胞株や細胞の遺伝子をオフにすること、カンジダ・アルビカンスの研究、バイオ燃料の製造に用いられる酵母の改変、作物株の遺伝子組み換えなどに利用されている。
質問と回答
Q: CRISPRとは何の略ですか?
A: CRISPRはClustered Regularly-Interspaced Short Palindromic Repeatsの略です。
Q: CRISPRはどこにあるのですか?
A: CRISPRは原核生物の遺伝暗号に含まれており、ほとんどの細菌や古細菌が含まれています。
Q: CRISPRを発見した目的は何ですか?
A: CRISPRを発見した目的は、ウイルスの攻撃から身を守るための構造と機能を理解することでした。
Q:CRISPRはどのように機能するのですか?
A:CRISPRの仕組みは、原核生物の適応免疫システムとして働く短い繰り返し配列を持っていることで、原核生物が自分を捕食するバクテリオファージを記憶し、それに対抗できるようにすることです。これにより、細菌は獲得免疫を得ることができます。
Q: CRISPRを使うと何ができるのですか?
A: CRISPRを使えば、ほぼすべての生物の遺伝子を改変することができ、遺伝子組み換え（GM）において遺伝子を切り取ったり挿入したりする道具として使うことができます。さらに、人間のウイルス性疾患を攻撃する方法（遺伝子治療）にも利用できるのではないかと研究が進められています。
Q:CRISPRはいつ発見されたのですか?
A:CRISRPの発見は、21世紀に入ってからです。
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