マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者らは、新しいがん治療法の標的となりうる突然変異を特定する新しい技術に期待を寄せています。
がんは、数百種類の異なる遺伝子に変異を持ち得ます。これらの遺伝子はそれぞれ異なる方法で変異するのかもしれません。一部の変異では単一のヌクレオチドが別のものに置き換わるだけでなく、DNAの大きな部分が挿入または削除されます。今まで、これらの変異をそれぞれの自然な環境で迅速かつ容易にスクリーニングし、それが腫瘍の発達、進行、および治療応答にどのような役割を果たす可能性があるかを見る方法はありませんでした。
MITの研究者らは、プライム編集として知られるCRISPRゲノム編集の変種を使用し、これらの変異をはるかに容易にスクリーニングする方法を考案しました。
研究者らは、がん患者に見られる腫瘍抑制遺伝子p53の1,000以上の異なる変異を持つ細胞をスクリーニングすることで、この技術を実証しました。この方法は、既存のアプローチよりも簡単かつ迅速で、ゲノムを編集することにより、変異遺伝子の人工版を導入するのではなく、いくつかのp53変異が以前考えられていたよりも有害であることが明らかになりました。
この技術は、他の多くのがん遺伝子にも適用可能であり、最終的には、個々の患者の腫瘍が特定の治療にどのように反応するかを判断するための精密医療に使用される可能性があります。
「一つの実験で、がん患者に見られる数千のジェノタイプを生成し、それらのジェノタイプの一つ以上が、あなたが使用に興味を持っている任意のタイプの治療に対して敏感か抵抗性を持つかどうかを直ちにテストできます」と、マサチューセッツ工科大学生物学部助教授、コッホ統合がん研究所のメンバー、そしてこの研究の主執筆者であるフランシスコ・サンチェス＝リベラ博士（Francisco Sanchez-Rivera, PhD）は言います。
MITの大学院生、サミュエル・グールド氏（Samuel Gould）は、2024年3月12日にNature Biotechnologyで発表された論文の筆頭著者です。このオープンアクセスの論文は「High-Throughput Evaluation of Genetic Variants with Prime Editing Sensor Libraries（プライム編集センサーライブラリーを用いた遺伝子変異のハイスループット評価）」と題されています。
サンチェス＝リベラ博士は、10年前にMITの大学院生としてこの研究を始めました。当時、彼はタイラー・ジャックス博士（Tyler Jacks PhD）、デビッド・H・コッホ生物学教授、そして当時のポスドクであるタレス・パパジャンナコプーロス博士（Thales Papagiannakopoulos, PhD）と共に、CRISPRゲノム編集を使用して、肺がんに関連する遺伝子変異をマウスに導入する方法を開発しました。
その研究で、研究者らは、肺腫瘍細胞でよく失われる遺伝子を削除でき、その結果として生じた腫瘍は、これらの変異を持つ自然発生の腫瘍に似ていたことを示しました。しかし、この技術では、一つのヌクレオチドを別のものに置き換える点変異や挿入を作成することはできませんでした。
「がん患者の一部には特定の遺伝子の削除がありますが、がん患者の腫瘍にある変異の大部分には、点変異や小さな挿入も含まれています」とサンチェス＝リベラ博士は言います。
それ以来、ハーバード大学化学および化学生物学部のデビッド・リュウ博士（David Liu, PhD）、ブロード研究所のコアインスティテュートメンバーは、追加の変異タイプをより容易に生成できる新しいCRISPRベースのゲノム編集技術を開発しました。2016年に開発されたベース編集では、研究者らは点変異をエンジニアリングできますが、すべての可能な点変異を対象とするわけではありません。2019年に、リュウ博士（Nature Biotechnologyの研究にも著者として名を連ねる）は、任意の種類の点変異、および挿入と削除を導入できるプライム編集と呼ばれる技術を開発しました。
「理論上、プライム編集はCRISPRベースの編集の以前の形態にある主要な課題の一つを解決します。それは、あらゆる種類の変異をエンジニアリングできることを可能にすることです」とサンチェス＝リベラは述べています。
このプロジェクトに取り組み始めたとき、サンチェス＝リベラ博士とグールドは、成功すれば、プライム編集はがん患者に見られるすべての小さな変異の99パーセント以上を生成できると計算しました。
しかし、それを達成するためには、CRISPRベースのシステムの編集効率を最適化する方法を見つける必要がありました。CRISPR酵素を特定の場所でゲノムを切断するように誘導するために使用されるプライム編集ガイドRNA（pegRNA）は、効率が異なり、正しい標的変異を生成していないpegRNAからのデータに「ノイズ」をもたらします。MITチームは、合成標的サイトを使用して、テストした各ガイドRNAの効率をどの程度計算できるかを計算する方法を考案することで、そのノイズを減らす方法を考案しました。
「異なる設計特性を持つ複数のプライム編集ガイドRNAを設計し、その後、それらのpegRNAの各々がどれだけ効率的かについての経験的な測定値を得ます。それは、pegRNAがどの程度の確率で正しい編集を実際に導入しているかを私たちに教えてくれます」とグールドは言います。
突然変異の分析
研究者らは、p53という、がん患者の半数以上で変異が見られる遺伝子を使用して、この技術を実証しました。40,000人以上の患者からのシーケンス情報を含むデータセットから、p53で発生可能な1,000以上の異なる変異を特定しました。
「私たちは、p53が人間のがんで最も一般的に変異する遺伝子であるため、p53に焦点を当てたいと思いましたが、p53の中でも特に頻繁に見られる変異は本当に深く研究されています。しかし、p53にはまだ研究が不足している多くの変異があります」とグールドは言います。
新しい方法を使用して、研究者らは人間の肺腺がん細胞にp53変異を導入し、これらの細胞の生存率を測定し、それによって各変異の細胞適応性への影響を判断しました。
その結果、以前考えられていたよりも、いくつかのp53変異が細胞の成長を促進することが示されました。これらの変異は、p53タンパク質がテトラマー（4つのp53タンパク質の集合体）を形成するのを防ぎますが、これまでに行われた研究では、細胞に変異したp53遺伝子の人工コピーを挿入する技術を使用していました。
これらの研究では、これらの変異ががん細胞に生存利点を与えないことが見出されました。しかし、MITチームが新しいプライム編集技術を使用してこれらの同じ変異を導入したとき、彼らは変異がテトラマーの形成を妨げ、細胞が生存することを発見しました。人工的なp53 DNAの過剰発現を使用した研究では、これらの変異は良性と分類されていたでしょうが、新しい研究では、より自然な状況下ではそうではないことが示されています。
「これは、変異をその自然な文脈でエンジニアリングしていなければ、これらの変異誘発表現型を観察することはできなかったであろう事例です。これはただの一例に過ぎませんが、これらの新しいゲノム編集技術を使用することで、新しい生物学にアクセスできるというより広範な原則を示しています」とグールド氏は言います。
腫瘍抑制遺伝子を再活性化することは困難であるため、p53を標的とする薬剤はほとんどありませんが、研究者らは今後、他のがん関連遺伝子で見つかった変異を調査し、それらの変異を標的とする可能性のあるがん治療を発見することを望んでいます。また、この技術がいつの日か、腫瘍を治療するための個別化されたアプローチを可能にすることを期待しています。
「臨床でのシーケンス技術の進歩により、定義された遺伝子構成を持つ腫瘍を持つ患者に対する治療法を、この遺伝情報を使用してカスタマイズすることができるでしょう。プライム編集に基づくこのアプローチは、すべてを変える可能性を秘めています」とサンチェス＝リベラ博士は言います。
この記事は、MITの科学ライター、アン・トラフトン氏（Anne Trafton）のリリースに基づいています。
