生命の設計図を自在に書き換える「ゲノム編集」。この革命的な技術は、これまで治療が難しかった病気に大きな希望をもたらしましたが、一つの大きな壁がありました。それは、編集ツールが「大きすぎて」、目的の細胞に届けにくいという問題です。今回、ゲノム編集のパイオニアの一人である研究者が、その「大きな」問題を、細菌が持つ「小さな」タンパク質を巧みに再設計することで解決し、遺伝子治療の新たな扉を開きました。
MITマクガバン脳研究所およびMIT・ハーバードブロード研究所の科学者たちが、細菌から発見したコンパクトなRNA誘導型酵素を再設計し、効率的でプログラム可能なヒトDNA編集ツールを創り出しました。彼らが「NovaIscB（ノヴァイスクビー）」と名付けたこのタンパク質は、遺伝コードに正確な変更を加えたり、特定の遺伝子の活動を調節したり、その他の編集作業を行うために応用できます。その小さなサイズが細胞への送達を容易にするため、NovaIscBの開発者たちは、病気の治療や予防のための遺伝子治療法を開発する上で有望な候補であると述べています。
この研究は、MITのジェームズ・アンド・パトリシア・ポイトラス神経科学教授であり、マクガバン研究所およびハワード・ヒューズ医学研究所の研究員、そしてブロード研究所のコアメンバーでもあるフェン・チャン博士（Feng Zhang, PhD）によって主導されました。チャン博士と彼のチームは、2025年5月7日に科学誌『Nature Biotechnology』でそのオープンアクセスの研究成果を報告しました。論文のタイトルは、「Evolution-Guided Protein Design of IscB for Persistent Epigenome Editing In Vivo（生体内での持続的なエピゲノム編集のためのIscBの進化誘導型タンパク質設計）」です。
NovaIscBは、チャン博士の研究室が2021年に発見したIscBと呼ばれるタンパク質ファミリーに属する細菌のDNA切断酵素に由来します。IscBは、チャン博士らが強力なゲノム編集ツールへと発展させた細菌のCRISPRシステムの一部であるCas9の進化的祖先、OMEGAシステムの一種です。Cas9と同様に、IscB酵素はRNAガイドによって指定された部位でDNAを切断します。そのガイドを再プログラムすることで、研究者は酵素を自分の選んだ標的配列に誘導することができます。
IscBがチームの注目を集めたのは、CRISPRのDNA切断酵素Cas9の主要な特徴を共有しているだけでなく、そのサイズが3分の1であるためでした。これは、将来の遺伝子治療において利点となります。コンパクトなツールは細胞への送達が容易であり、小さな酵素であれば、研究者は臨床使用には大きすぎるツールを作ることなく、新たな機能を追加するなど、より柔軟に手を加えることができます。
チャン博士の研究室の研究者たちは、IscBの初期研究から、ファミリーの一部のメンバーがヒト細胞内のDNA標的を切断できることを知っていました。しかし、どの細菌タンパク質も治療的に展開できるほど性能が良くはなく、チームはゲノムの他の部分を乱すことなくヒト細胞の標的を効率的に編集できるよう、IscBを改変する必要がありました。
その設計プロセスを開始するため、チャン博士の研究室の大学院生（現在はハーバード・ソサエティ・オブ・フェローズのジュニアフェロー）であるサウミャ・カナン博士（Soumya Kannan, PhD）と、ポスドクのシュウ・ジュ博士（Shiyou Zhu, PhD）は、まず良い出発点となるIscBを探しました。彼らは細菌に見られる約400種類の異なるIscB酵素をテストし、そのうち10種類がヒト細胞でDNAを編集する能力を持つことを見出しました。
しかし、その中で最も活性の高いものでさえ、有用なゲノム編集ツールとするには改良が必要でした。課題は、酵素の活性を高めつつ、その活性をRNAガイドによって指定された配列のみに限定することでした。もし酵素の活性が無差別に高まれば、意図しない場所でDNAを切断してしまいます。「鍵は、活性と特異性の両方の向上を同時にバランスさせることです」とジュ博士は説明します。
ジュ博士は、細菌のIscBは比較的短いRNAガイドによって標的配列に誘導されるため、酵素の活性をゲノムの特定の部分に限定することが難しいと指摘します。もしIscBがより長いガイドを認識できるように設計できれば、意図した標的以外の配列に作用する可能性は低くなります。
ヒトゲノム編集のためにIscBを最適化するため、チームは、大学院生（現在はワシントン大学のポスドク）であるハン・アルテ-トラン氏（Han Altae-Tran）が細菌のIscBの多様性とその進化について学んだ情報を活用しました。例えば、研究者たちは、ヒト細胞で機能するIscBには、他のIscBにはない「REC」と呼ばれるセグメントが含まれていることに気づきました。彼らは、酵素がヒト細胞のDNAと相互作用するためにそのセグメントが必要かもしれないと推測しました。その領域を詳しく調べると、構造モデリングにより、タンパク質の一部をわずかに拡張することで、RECがIscBにより長いRNAガイドを認識させることも可能になる可能性が示唆されました。
これらの観察に基づき、チームは異なるIscBやCas9からRECドメインの一部を交換する実験を行い、それぞれの変更がタンパク質の機能にどのように影響するかを評価しました。IscBとCas9がDNAとRNAガイドの両方とどのように相互作用するかについての理解に導かれ、研究者たちは効率と特異性の両方を最適化することを目指して追加の変更を加えました。
最終的に、彼らは「NovaIscB」と名付けたタンパク質を生成しました。これは、彼らが最初に用いたIscBよりもヒト細胞での活性が100倍以上高く、標的に対して良好な特異性を示しました。
カナン博士とジュ博士は、NovaIscBに到達するまでに数百の新しいIscBを構築し、スクリーニングしました。そして、元のタンパク質に加えたすべての変更は戦略的なものでした。彼らの努力は、IscBの自然な進化に関するチームの知識と、「AlphaFold2」という人工知能ツールを用いて行われた、各変更がタンパク質の構造に与える影響の予測によって導かれました。タンパク質にランダムな変更を加えてその効果をスクリーニングする従来の方法と比較して、この合理的な設計アプローチは、チームが求める特徴を持つタンパク質を特定する能力を大幅に加速させました。
チームは、NovaIscBが多様なゲノム編集ツールの優れた足場（スキャフォールド）であることを実証しました。「それは生化学的にCas9と非常によく似た機能を持つため、すでにCas9の足場で最適化されていたツールを簡単に移植できます」とカナン博士は言います。異なる修飾を加えることで、研究者たちはNovaIscBを用いてヒト細胞のDNAコードの特定の文字を置換したり、標的遺伝子の活性を変化させたりしました。
重要なことに、NovaIscBベースのツールは、患者に遺伝子治療を安全に送達するために最も一般的に使用されるベクターであるアデノ随伴ウイルス（AAV）一つの中に容易にパッケージ化できるほどコンパクトです。より大きいCas9を用いて開発されたツールは、より複雑な送達戦略を必要とすることがあります。
NovaIscBの治療応用の可能性を実証するため、チャン博士のチームは、DNAに化学的なマーカーを付加して特定の遺伝子の活性を抑制する「OMEGAoff」というツールを作成しました。彼らはOMEGAoffをプログラムしてコレステロール調節に関わる遺伝子を抑制させ、AAVを用いてそのシステムをマウスの肝臓に送達し、動物の血中コレステロール値の持続的な低下をもたらしました。
チームは、NovaIscBがほとんどのヒト遺伝子を標的とするゲノム編集ツールに利用できると期待しており、他の研究室がこの新技術をどのように展開するかを楽しみにしています。彼らはまた、他の研究者たちが進化誘導型の合理的タンパク質設計アプローチを採用することも望んでいます。「自然界には多様性があり、そのシステムにはそれぞれ長所と短所があります」とジュ博士は言います。「その自然な多様性について学ぶことで、私たちが設計しようとしているシステムをより良くしていくことができるのです」。
写真：フェン・チャン博士（Feng Zhang, PhD）
