遺伝子編集技術「ClvR」で作物を守る新たな方法が登場
雑草は家庭菜園でも厄介な存在ですが、大規模な農業では特に深刻な問題となります。例えば、アマランサス・パルメリ（Palmer's pigweed）は、現代の除草剤に完全に耐性を持つよう進化し、トウモロコシや大豆などの重要な作物の畑を占拠します。この問題を解決するためには、遺伝子を変える必要があります。遺伝子ドライブは、特定の遺伝的特徴を集団に広める技術であり、その特徴がその集団に利益をもたらさなくても、その目的を達成します。遺伝子ドライブは、集団修正と集団抑制という2つの大きなカテゴリに分けられます。集団修正は、蚊をマラリアに対して免疫にし、病気の拡散を防ぐことや、作物を気候変動に備えて耐熱性にすることが含まれます。集団抑制は、雑草や外来種の局所的な減少や根絶を目的とします。しかし、遺伝子編集プログラムには、変更を特定の地域に限定し、他の種が偶然に修正された遺伝子を受け継がないようにするための厳格な内蔵制御が必要です。
カリフォルニア工科大学の研究者らは、クロス花粉交配の状況で偶発的な遺伝子編集を防ぐために、植物種に特化した新しい遺伝子ドライブ技術「ClvR（クレーバー）」を開発しました。重要なのは、この技術が自己制限的であり、特定の世代数にわたってのみ目的の遺伝子を広めるように設計できることです。この研究は、植物における初のエンジニアード遺伝子ドライブであり、種特異的な修正を可能にする初の技術であり、植物の生殖細胞レベルで作用する初の技術でもあります。
この研究に関する論文は、2024年6月17日にNature Plants誌に掲載されました。研究は、カリフォルニア工科大学の生物学・生物工学教授であるブルース・ヘイ博士（Bruce Hay, PhD）の研究室で行われました。論文のタイトルは「Cleave and Rescue Gamete Killers Create Conditions for Gene Drive in Plants（植物における遺伝子ドライブの条件を作り出すクレーブとレスキューの配偶子キラー）」です。
どのようにして植物を遺伝子工学的に改良し、その子孫に確実に特定の遺伝子を持たせることができるのでしょうか？植物や動物の交配では、親に存在する遺伝子のうちの1つがランダムに子孫に継承されます。遺伝子ドライブは、この継承の確率を遺伝子ドライブをもたらすDNAが存在するコピーに有利に傾けます。これにより、時間の経過とともに集団内で高頻度にその遺伝子が広まります。
ClvRは、植物の生殖細胞（配偶子）に作用することで、目的の遺伝子が継承されることを保証します。ClvRシステムは、CRISPR/Cas9遺伝子編集技術を使用して、目的の遺伝子を含まない配偶子が生存しないようにします。これにより、将来の子孫は目的の遺伝子を持つ配偶子からのみ生まれることになります。
このシステムは、「毒/解毒剤」パラダイムを使用して機能します。Cas9（「毒」）は、配偶子の生存に必要な遺伝子を成人期に破壊するようにプログラムされており、基本的にその死を保証します。しかし、ClvRを持つ配偶子には同じターゲット遺伝子の損傷していないバージョン（「レスキュー」または「解毒剤」）も提供されており、これが配偶子の生存を保証します。そのレスキュー—配偶子の生存の鍵—は、研究者が植物集団に広めたい遺伝子（「貨物」遺伝子）と連携しています。つまり、貨物遺伝子はレスキュー遺伝子と共に広まります。これにより、両方を含む配偶子のみが生存し、基本的に貨物遺伝子を集団に強制的に導入します。
「レースに勝つには、他の競争者よりも優れているか、他の競争者を転ばせるかのどちらかです」とヘイ博士は言います。この場合、ClvRシステムは、子孫に継承される可能性のある他の競争する染色体をすべて転ばせ、目的の貨物を持つ生殖細胞のみが生存するようにします。
重要なのは、ClvRシステムが異なる状況に合わせてカスタマイズできることです。毒と解毒剤の遺伝子は、特定の植物種に特有のものを選択できるため、遺伝情報が他の種に伝わっても何も起こりません。さらに、貨物遺伝子は様々な目的のために設計できます。例えば、この遺伝子は雑草を再び除草剤に感受性にすることや、絶滅危惧種の植物を耐熱性や病害抵抗性にする進化的救助の一形態とすることができます。最後に、ClvRシステムは、雌不妊の高頻度を作り出すことで雑草や外来種の局所的な抑制や根絶をもたらすように設計することもできます。
「ClvRシステムは、食料安全保障や絶滅危惧種の生物や生態系の回復力に貢献するための一般的な種特異的ツールを提供します」とヘイ博士は言います。「これらの問題に関して他者と協力できることを楽しみにしています。」
この研究の筆頭著者は、元ポスドク研究員（現在は研究科学者）のゲオルグ・オーベルホーファー博士（Georg Oberhofer, PhD）です。オーベルホーファー博士、ヘイ博士に加え、カリフォルニア工科大学の共著者には、研究技術者のミシェル・L・ジョンソン（Michelle L. Johnson）、元大学院生のトビン・アイビー（Tobin Ivy, PhD ’24）、およびカリフォルニア工科大学ゲノミクス施設のディレクター、イゴール・アントシェチキン博士（Igor Antoshechkin, PhD）が含まれます。
カリフォルニア工科大学の研究者らは、植物の遺伝子を特定の世代にわたって制限された範囲で広めることができる新しい遺伝子ドライブ技術「ClvR」を開発しました。この技術は、雑草を再び除草剤に感受性にしたり、絶滅危惧種の植物を病害に強くするなど、様々な応用が期待されます。特に、植物の生殖細胞に作用する点で、他の種に遺伝情報が広がるリスクを低減し、局所的な問題解決に役立つとされています。この研究は、食品安全保障や生態系保護に大きな貢献をする可能性があります。
