8000万年以上保存されてきた有害エクソンは不可欠であり抗腫瘍活性があることをCRISPRベースの手法で発見

我々はマウスとの共通点はあまり無い。 8000万年に渡る進化による分岐の後、DNAの類似点を見るためには少し目を凝らす必要がある。 進化に抵抗し、マウスとヒト（そしてラットとフグ）の間で同一であり続けたDNA断片は、重要であり、恐らく不可欠であることは明らかだ。シアトルのFred Hutchinson Cancer Research Centerの科学者は、これらの超保存されたDNA要素が不可欠であることを示した。
2020年1月7日にNature Geneticsでオンラインで公開されたこの論文は「RNAアイソフォームのスクリーニングで明らかになった、有害な超保存エキソンの不可欠性と腫瘍抑制活性」と題されている。

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我々はマウスとの共通点はあまり無い。 8000万年に渡る進化による分岐の後、DNAの類似点を見るためには少し目を凝らす必要がある。 進化に抵抗し、マウスとヒト（そしてラットとフグ）の間で同一であり続けたDNA断片は、重要であり、恐らく不可欠であることは明らかだ。
「超保存エレメント」として知られるこれらのDNAセクションは、2003年に最初のヒトゲノムシーケンスが公開されたときに科学的な注目を即座に集めた。科学者はこれらのエレメントの分子機能を発見したが、これまでその本質は示されてこなかった。

2020年1月7日にNature Geneticsでオンラインで公開されたこの新しい研究で、ワシントン州シアトルのFred Hutchinson Cancer Research Centerの科学者は、これらの超保存されたDNA要素は確かに不可欠であることを示した。 この論文は「RNAアイソフォームのスクリーニングで明らかになった、有害な超保存エキソンの不可欠性と腫瘍抑制活性（RNA Isoform Screens Uncover the Essentiality and Tumor-Suppressor Activity of Ultraconserved Poison Exons.）」と題されている。

「有害エキソン」として知られる超保存された要素のサブクラスを見て、特定の有害エキソンが細胞の成長に不可欠であることが分かったという。 これらの発見は、超保存された要素が細胞レベルで動作することを示すことにより、何百万年もの間変化していない理由を明らかにするのに役立つ。 これは「これらの高度に保存されたDNA要素の大規模な重要性を発見した最初の研究だ」と、計算生物学者であり研究の著者であるRob Bradley 博士（写真）は述べた。

マウス、ラット、およびヒトの間で共有された481の超保存DNA要素は、これら3つのゲノム配列が決定されて比較されるとすぐに浮上した。 この発見は「本当に奇妙で、本当に面白かった」とBradley 博士は語った。「誰もがこれらのDNA断片は非常に重要だと思っていた。」 科学者は、マウスゲノムから超保存された要素を除去し、完全に健康なマウスを生産した。

「我々のゲノムで最も保存されているものだが、しかし、それらは重要ではないようだ」とBradley 博士は語った。 「本当に驚いた。 これらの以前の研究は非常に素晴らしかった。」


長年に渡り研究者たちは超保存された要素の控えめな役割を明らかにしてきたが、当初予想されていた劇的な効果とはまったく異なる。
偶然にも、さまざまな種類の超保存要素がある。 多くの科学者が注目していたタイプはエンハンサーと呼ばれていた。 これらは、遺伝子をオンまたはオフにするのに役立つ一連のDNAだ。 研究者は、超保存されたDNA要素が、いわゆる「有害エクソン」をコードするDNAストレッチとしばしば重複していることにも気付いていた。

編集者注：ポイズンエクソンはカセットエクソンであり、通常はスキップされるが、成熟mRNAに含まれるとナンセンス変異依存mRNA分解機構（NMD）を引き起こす。 カセットエクソンは、2つの異なるタンパク質アイソフォームを生成するために含めるかスキップできる、成熟mRNA配列からの2つの他のエクソン間のエクソンである。

遺伝子はタンパク質のレシピのようなものだ。 DNAとタンパク質の間には、細胞のタンパク質産生工場（リボソーム）に遺伝子のタンパク質産生指示を伝える中間分子であるメッセンジャーRNA（mRNA）がある。 しかし、シナモンを必要としないパイのように、または糖分が少なくてもおいしいのと同じように、タンパク質を調整できる。 スワップインまたはスワップアウトできるレシピ「ステップ」は、エクソンと呼ばれる。 細胞は、エクソンをRNA分子から切り取り、次にギャップを貼り付けて（スプライシングとも呼ばれる）エクソンをスキップできる。
「有害エクソン」は、タンパク質生産の遮断スイッチとして機能する。 まるで、砂糖の直後にシナモンを追加するよう料理人に指示するレシピの代わりに、「砂糖を加えろ。 すべてを捨てろ。」と。
有害エキソンは有用だ。 特定のタンパク質を作るべきではない場合がある。そのため、これらのエクソンは細胞のより良い利益のためにタンパク質を害する。

しかし、有害エクソンは非常に重要であるため、数百万年の進化に耐えることができるのは直感に反する。 マウスとヒトが分岐したときに特定のエクソンがどれだけ変化したかを正確に見積もることは困難だ（時間は進化を形作る1つの要因にすぎない）が、おおよその見積もりは200 DNA長のエクソンに対する約80の変更である、 とBradley 博士は述べた。

Bradley 博士の研究グループの主要な焦点は、タンパク質の製造方法とタンパク質の製造方法を劇的に変えることができるRNAスプライシングである。 多くの異なるタンパク質がRNAスプライシングを調節するが、SRタンパク質として知られるRNAスプライシング調節タンパク質の特定のファミリーの12個の遺伝子はすべて、超保存された有害エクソンを含んでいる。

編集者注：セリンおよびアルギニンに富む（SR）タンパク質は、構成的および選択的スプライシングレギュレーターとして知られるRNA結合タンパク質（RBP）だ。 スプライシングは転写および転写後のステップにリンクされているため、SRタンパク質は遺伝子発現プログラムの複数の側面の調節に関与している。
以前の研究では有害エクソンが分子レベルで作用してこれらのタンパク質の量を調節することが明らかになったが、Bradley 博士はSRタンパク質遺伝子および細胞レベルで機能する他の遺伝子の超保存有害エクソンを疑った。 これらのDNA要素が細胞の生存に必要であるかどうかはまだ誰もテストしていない。

ハイスループットでのRNAスプライシングのためのCRISPRの適応
Bradley 博士とBradley 研究室で博士号を取得したJames Thomas 博士は、研究を先導し、CRISPRベースのゲノム編集を活用して、幅広いネットを構築することを決定した。 彼らは、何百もの有害エクソンを同時に除去する効果を調べることができるツールを開発した。これは、ハイスループットスクリーニングとして知られるタイプの実験だ。
このツールは、ガイドRNAと呼ばれる2つの分子を使用して、CRISPRベースのゲノムエディターをスニッピングが必要なDNAの適切な範囲に誘導する。 Thomas 博士とBradley 博士は、これらの分子を設計して、CRISPRに有害エクソンを除去するよう指示した。 彼らは、代替エクソン除去のためのアプローチペアガイドRNA、またはpgFARM（「養豚場」と発音）と名付けた。
PgFARMは以前のアプローチを構築している、とBradley博士は指摘した。
「James がしたことのユニークな点は、アプローチそのものではなく、ハイスループットでそれを行っていることだ」とBradley博士は語った。


有害エクソンの重要な役割

Thomas 博士とBradley 博士は、高度に保存された465個の有害エクソンに注目し、それらを高度に保存されていない91個の有害エクソンと比較した。 Thomas博士は、pgFARMを使用して、実験室のディッシュ上で成長している細胞におけるシーケンスの重要性を最初にテストした。
「特定の超保存有害エクソンを除去すると、細胞は死に至る」とThomas博士は語った。
これは、超保存されたエンハンサーを最初に調査した研究者が予想していたが、見ることはできなかった。
Thomas 博士によると、彼のアプローチのハイスループットな特性が、彼が最初にデータを集めたときに何かに取り組んでいることを明らかにした。

「過去において、人々は本当に1つの超保存された要素に焦点を合わせてきた。 一点だけを見ると、（実験中に）アーティファクトがあるかもしれない」とThomas 博士は語った。 しかし、彼は多くの超保存された有害エクソンが細胞に対して同じ効果を持っていることを見ることができた。スクリーンは彼に一つ一つのアプローチではできなかった全体像を与えた。
Thomas 博士は、実験用のディッシュだけでなく、動物に住む細胞から有害エクソンを除去すると、異なる、そして恐らくより強い効果を引き出すことができるのではないかと疑った。
Fred Hutchinson Cancer Research CenterのBradley 博士の同僚、肺がん研究者のAlice Berger 博士は、チームが肺腫瘍細胞における有害エクソンの役割をテストするのを助けた。 チームは、肺腺癌のマウスを使用して同じ有害エクソンをスクリーニングし、それらのサブセットが除去されると、腫瘍成長の促進に役立つことを発見した。
抗腫瘍毒エクソンの多くはRNAスプライシング因子の遺伝子内にあり、その一部は癌で通常よりも高いレベルで生成される。 調査結果は、いくつかの有害エクソンが腫瘍増殖を促進するRNAスプライシング因子の抑制に役立つことを示唆している。


今後の方向性

高度に保存された有害エクソンに関する多くの質問が残っている。 Thomas 博士は、初期の胚発生、DNA要素の「本質」の究極のテストに重要なものがあるかどうかをさらにテストすることを計画している。
彼はまた、エキソンを標的とした抗がん治療薬の可能性についても強い関心を持っている。 RNAのミススプライシングは、いくつかの筋ジストロフィー、特定の神経疾患、および多くの癌を含む特定の疾患の根底にあり、ミススプライシングに対抗する低分子薬は既に臨床試験中だ。 これらの試験での成功は、がんの同様の問題をターゲットにしたい人にとって朗報である。

「標的を見つけると、治療法に存在する以前の技術を簡単に構築できる」とThomas 博士は語った。
チームはまた、pgFARMはRNAスプライシングの調査のための遺伝子スクリーニングの始まりにすぎないと考えている。 この方法は、特定の病気や異なる生体系だけでなく、細胞内で発生する多くの異なるタイプのRNAスプライシングを研究するために容易に適応させることができる、とThomas博士は述べた。

このBioQuick Newsの記事は、Fred Hutchinson Cancer Research CenterのスタッフライターであるSabrina Richards博士が書いたScientist and OnEarth Magazineの科学研究と環境についてのレポートから引用している。 Richards博士は、ワシントン大学で免疫学の博士号、ジャーナリズムの修士号、ニューヨーク大学の科学・健康・環境報告プログラムの高度な資格を有する。

BioQuick news:Researchers Develop High-Throughput Method to Study Effects of Removing Hundreds of “Poison Exons” at Same Time; With CRISPR-Based Method, Scientists Show That Poison Exons, Conserved for Over 80 Million Years, Are Essential & Have Anti-Tumor Activity

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