皆さんは、パンに生えるカビや足の指に感染する菌が、新しいがん治療薬の宝庫かもしれないと聞いたら驚きませんか？ ペンシルベニア大学（University of Pennsylvania）の研究チームが、これまで見過ごされがちだった「真菌（キノコやカビの仲間）」から、がん治療の可能性を秘めた全く新しい分子を発見しました 。
真菌ゲノミクスの「開かずの扉」を開ける
何十年にもわたり、研究者たちは数十億ドルを投じて動物や農作物のゲノム解読を行ってきました 。しかし真菌は、パンをダメにしたり足に感染したりする時くらいしか注目されない、ゲノム研究において歴史的に「忘れられた存在」でした 。
「真菌が現代医学をどれほど形作ってきたかを考えると、この無視されぶりは驚くべきことです」と、化学・生体分子エンジニアであるシュエ・“シェリー”・ガオ（Xue "Sherry" Gao）博士は述べています 。ガオ博士は続けて、「ペニシリンの偶然の発見からコレステロール低下薬のスタチンまで、近年の寿命延命における画期的な進歩の多くは真菌の化学的性質のおかげです。それにもかかわらず、真菌界の大部分は依然としてブラックボックスのままなのです」と指摘します 。
この謎の主な原因は、無菌の実験室環境で真菌を培養すると、野生環境で細菌を撃退するために合成している「薬効を生み出す遺伝子経路」を自らオフにしてしまうことにあります 。
ガオ博士は、「沈黙してしまったこれらの経路を再びオンにするには、マスター制御遺伝子を編集するなど、真菌のゲノムを正確に操作する強力な方法が必要でしたが、従来のツールでは力不足でした」と語っています 。
画期的なゲノム編集ツール「fPE7max」の開発
そこでガオ博士率いるペンシルベニア大学のチームは、糸状菌（アスペルギルスや、ペニシリンを生み出したペニシリウムなど）の複雑な遺伝構造をナビゲートし、この見過ごされてきた界の秘密を解き明かすための「fPE7max」と呼ばれる新しいゲノム編集ツールを開発しました 。この研究成果は『Nature Biotechnology』誌に掲載されました 。
同研究室のポスドク研究員であり筆頭著者のチュンシャオ・スン（Chunxiao Sun）博士は、「私たちは18種類の異なる複雑な分子を単離し、そのうちの8種類は科学的に全く新しい化学構造を持っていました」と述べています 。「発見された分子のうち3種類は有望な抗がん特性を示しました。これらの分子は疾患治療のリード化合物となり、創薬のための極めて重要な新しいパイプラインを提供する可能性があります」とスン博士は続けます 。スン博士によると、ある新規分子は、ヒトの乳がん、肝臓がん、白血病のがん細胞に対して選択的な毒性を示したといいます 。
真菌のためのゲノミクスを書き換える
過去10年間、ゲノム編集技術（CRISPR-Cas9: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats-Cas9）が遺伝子スプライシングツールの主役でした 。しかしガオ博士は、抗菌化合物の宝庫である糸状菌においては、これが大雑把なツールとなってしまい、意図しない突然変異を引き起こす可能性があると説明しています 。
そこで研究チームは、二本鎖切断を完全に回避し、デオキシリボ核酸（DNA: Deoxyribonucleic acid）配列を正確に制御できる「プライム編集」と呼ばれる新しい技術に注目しました 。しかし、プライム編集を真菌界に適応させることは困難でした 。
第一に、遺伝子の指示書が細胞内を移動する間、確実に生き残るようにする必要がありました 。プライム編集は、ツールの行き先と書き込むべき新しいコードを指示する分子の取扱説明書であるガイドリボ核酸（RNA: Ribonucleic acid）に依存しています 。しかし、大規模な編集を行おうとすると、この指示書が異常に長くなり、もろくなって編集作業が完了する前に分解されやすくなります 。
これを回避するため、チームはツールに「fLa」という特別なタンパク質を組み込みました 。fLaは壊れやすいRNAの指示書を保護する頑丈なバインダーとして機能し、他のツールが壊れてしまうような大規模なDNAの挿入や欠失を「fPE7max」が処理できるようにします 。
第二に、真菌細胞が新しい編集をエラーとして検出し、DNAを元の配列に戻すのを防ぐ必要がありました 。これを出し抜くために、チームは新しい遺伝暗号が永久に定着するまでの間だけ、真菌の自然な修復システムをミュートする特殊なタンパク質を組み込みました 。
古代の生物から新しい科学へ
こうして完成したプラットフォーム「fPE7max」は、90％に近い編集効率を達成しました 。そして、このツールを使って沈黙していた真菌の遺伝子クラスターのスイッチを入れることで、これまで知られていなかった化合物を発見したのです 。
新しいツールをテストするため、研究者たちは広範な生合成経路のネットワークを制御する「laeA」と呼ばれるマスター遺伝子の制御配列を標的にしました 。fPE7maxを使用して、この遺伝子の翻訳を自然に抑制している分子の障害物を正確に編集して取り除くことで、いくつかの異なる真菌種にわたって沈黙していた遺伝子クラスターを呼び覚ますことに成功し、有望な抗がん特性を持つ分子を発見しました 。
ガオ博士は、「これは、次世代の救命治療薬がすでに自然界に存在するかもしれないことを示す、説得力のある概念実証です」と付け加えています 。
今後、チームはfPE7maxをさらに多様な真菌種に展開し、新しい天然物の探索を続ける予定です 。研究者たちは、有用な薬を生み出すかもしれない野生の真菌を探すという「宝探し」のようなアプローチから、体系的な最適化の時代へと移行したいと考えています 。
なお、本研究の論文は「「Prime editing for precise genome engineering and modulation of fungal metabolism（真菌代謝の精密なゲノム工学と制御のためのプライム編集）」」と題され、発表されています 。
