このシステムは、遺伝子治療の微調整や、治療用細胞をより効率的にリプログラミングするために使用される可能性があります。何十年もの間、合成生物学者たちは、幹細胞を神経細胞にリプログラミングしたり、脆弱X症候群のような疾患の治療に役立つ可能性のあるタンパク質を生成したりするなど、様々な応用のために細胞に移植できる遺伝子回路を開発してきました。これらの遺伝子回路は通常、非病原性ウイルスなどのキャリア（運び屋）によって細胞内に送達されます。
しかし、これらの細胞が最終的に、合成遺伝子によってコードされるタンパク質を「正しい量」だけ生産するように保証することは困難でした。その障害を克服するため、MITのエンジニアたちは、あらゆる遺伝子回路に対して、望ましいタンパク質レベル、すなわちセットポイント（目標値）を確立できる新しい制御メカニズムを設計しました。このアプローチにより、回路が送達された後でもセットポイントを編集することが可能になります。
「これは非常に安定した、多機能なツールです。このツールはモジュール性が非常に高いため、このシステムで制御できるトランスジーン（導入遺伝子）は数多くあります」と、MITの化学工学助教であり、この新しい研究の上級著者であるケイティ・ギャロウェイ博士（Katie Galloway, PhD）は述べています。
この戦略を用いて、研究者たちは細胞を誘導し、標的タンパク質を一定のレベルで生成させられることを示しました。彼らが実証した応用例の一つでは、マウス胚線維芽細胞の変換を促進する遺伝子を高レベルで送達することにより、それらを運動ニューロンに変換しました。
MITの大学院生であるスネハ・カバリア氏（Sneha Kabaria）が、2025年10月13日に Nature Biotechnology 誌に掲載されたこの論文の筆頭著者です。他の著者には、ユンビーン・バエ氏（Yunbeen Bae）、MIT大学院生のメアリー・エーマン氏（Mary Ehmann）、ブリタニー・レンデ＝ドーン氏（Brittany Lende-Dorn）、エマ・ピーターマン氏（Emma Peterman）、ケイシー・ラブ氏（Kasey Love）、アダム・バイツ博士（Adam Beitz, PhD）、そして元MITポスドクのデオン・プレッセル氏（Deon Ploessl）が含まれます。論文のタイトルは「Programmable Promoter Editing for Precise Control of Transgene Expression（トランスジーン発現の精密な制御のためのプログラム可能なプロモーター編集）」」です。この記事には、「「Promoter Editing Generates Stable Setpoints of Gene Expression（プロモーター編集が遺伝子発現の安定したセットポイントを生み出す）」と題された研究概要が添付されています。
遺伝子発現の「ダイヤル」を上げる
合成遺伝子回路は、目的の遺伝子だけでなく、プロモーター領域も含むように設計されています。この部位には、転写因子やその他の制御因子が結合し、合成遺伝子の発現をオンにすることができます。
しかし、細胞集団内のすべての細胞に、目的の遺伝子を均一なレベルで発現させることは、必ずしも可能ではありませんでした。その理由の一つは、回路のコピーを1つだけ取り込む細胞もあれば、はるかに多くのコピーを受け取る細胞もあるためです。さらに、細胞が生産するタンパク質の量には、自然なばらつきがあります。
このことは、細胞のリプログラミングを困難にしてきました。なぜなら、例えば皮膚細胞の集団内のすべての細胞が、神経細胞や**iPS細胞（人工多能性幹細胞）**のような新しい細胞アイデンティティへの移行を成功させるために必要な転写因子を、十分に生産することを保証するのが難しいからです。
新しい論文で、研究者たちは、合成遺伝子とそのプロモーターとの間の距離を変えることによって、遺伝子発現レベルを制御する方法を考案しました。彼らは、プロモーター領域と遺伝子の間に長いDNA「スペーサー」があると、遺伝子の発現レベルが低下することを発見しました。この余分な距離が、プロモーターに結合した転写因子が遺伝子の転写を効果的にオンにする可能性を低下させることを、彼らは示しました。
次に、編集可能なセットポイントを作成するために、研究者たちはスペーサー内にCreリコンビナーゼ（Cre recombinase）と呼ばれる酵素によって切除され得る部位を組み込みました。スペーサーの一部が切り出されると、転写因子が目的の遺伝子に近づきやすくなり、遺伝子発現が上昇します。
研究者たちは、それぞれ異なるリコンビナーゼによって標的とされる複数の切除ポイントを持つスペーサーを作成できることを示しました。これにより、彼らは「DIAL」と呼ぶシステムを構築し、遺伝子発現に「高」「中」「低」「オフ」のセットポイントを設定するために使用することができました。
遺伝子とそのプロモーターを運ぶDNA断片が細胞に送達された後、リコンビナーゼを細胞に添加することができ、これによりセットポイントをいつでも編集することが可能になります。
研究者たちは、異なる蛍光タンパク質や機能性遺伝子の遺伝子を送達することによって、マウスおよびヒトの細胞で彼らのシステムを実証し、細胞集団全体で標的レベルの均一な発現が得られることを示しました。
「私たちは、均一で安定した制御を達成しました。均一で安定した制御の欠如は、合成生物学において信頼性の高いシステムを構築する私たちの能力を制限してきた要因の一つであったため、これは私たちにとって非常にエキサイティングなことです。システムに影響を与える変数が多すぎると、そこに通常の生物学的なばらつきが加わるため、安定したシステムを構築することは非常に困難です」とギャロウェイ博士は述べています。
細胞のリプログラミング
DIALシステムの潜在的な応用例を実証するため、研究者たちは次に、このシステムを用いて遺伝子HRasG12Vを異なるレベルでマウス胚線維芽細胞に送達しました。このHRas変異体は、以前から線維芽細胞から神経細胞への変換率を高めることが示されていました。MITのチームは、より高用量の遺伝子を受け取った細胞では、より高い割合の細胞が神経細胞への変換に成功することを発見しました。
このシステムを使用して、研究者たちは現在、細胞を異なる細胞タイプに移行させることができる様々な転写因子について、より体系的な研究を行いたいと考えています。そのような研究により、それらの因子のレベルの違いが成功率にどのように影響するか、そして転写因子のレベルを変えることが、生成される細胞タイプを変化させる可能性があるかどうかを明らかにできるかもしれません。
進行中の研究で、研究者たちは、DIALが、細胞が治療用遺伝子を過剰発現するのを防ぐためにフィードフォワードループを使用する、彼らが以前に開発した「ComMAND」として知られるシステムと組み合わせることができることを示しています。
これらのシステムを併用することで、個々の患者の標的細胞において、特定の、一貫したタンパク質レベルを生産するように遺伝子治療を調整することが可能になるかもしれない、と研究者たちは述べています。
「DIALとComMANDはどちらもモジュール性が高いため、集団に対してある程度一般的な、十分に制御された遺伝子治療を行えるだけでなく、理論的には、特定の個人や特定の細胞タイプに合わせてそれを調整することも可能になるため、私たちはこのことに興奮しています」とギャロウェイ博士は語っています。
この記事は、MIT Newsのアン・トラフトン氏（Anne Trafton）によるリリースに基づいています。
写真；ケイティ・ギャロウェイ博士（Katie Galloway, PhD）
