医学研究院
伊藤 隆司 教授
複製フォークの操作によるゲノム構造の大規模改変
ポイント
・遺伝子重複は進化や疾患において重要な役割を果たしていますが、それを実験的に誘導することはできませんでした。
・DNA複製の現場である複製フォーク(※1)を破壊することによって、狙い通りの遺伝子重複を誘導する新しいタイプのゲノム編集技術PNAmpを開発しました。
・PNAmpは、実験進化・疾患モデル作成・有用物質生産等への幅広い応用が期待されます。
概要
遺伝子重複は、様々な生物の進化を駆動してきたのみならず、様々な疾患への関与も明らかになりつつあります。しかしながら近年、ゲノム編集技術が目覚ましい発展を遂げても、遺伝子を含むゲノム領域を狙い通りに重複させることはできませんでした。
本研究では、標的ゲノム領域の縦列反復を誘導する新しい手法「PNAmp（Paired Nicking-induced Amplification）」を開発しました。
九州大学大学院医学研究院の伊藤隆司教授、杉山友貴大学院生（研究当時）、岡田悟助教らとがん研究会がん研究所の大学保一プロジェクトリーダーの共同研究グループは、ゲノム編集に用いられるCas9タンパク質の変異体nCas9(※2)を複製起点の両側に配置して、DNA複製の現場である複製フォークを崩壊させることによって、配置点に挟まれた領域の縦列反復を誘導する手法PNAmpを考案しました。出芽酵母をモデルにPNAmpの可能性を検討したところ、約100万塩基対（1 Mb）に及ぶ領域であっても、その両末端部が互いに相同な配列であれば、10%超の効率で縦列に反復させることができました。さらに、両末端部に全く相同性がないゲノム領域であっても、両末端部の配列から構成した人工的DNA断片を共存させることによって、PNAmpによる縦列反復を誘導できることが分かりました。また、ヒト培養細胞にもPNAmpが適用可能であることを示しました。
複製フォーク操作に基づく新しいゲノム編集技術であるPNAmpは、従来は不可能だった遺伝子重複を可能にし、実験進化学・疾患研究・育種など、生命科学の幅広い分野に貢献するものと期待されます。
本研究成果はアメリカ合衆国の雑誌「Cell Genomics」オンライン版に２０２４年７月２５日（木）午前0時（日本時間）に公開されました。
研究者からひとこと
数年前に、DNAを全く切断しないCas9変異体が複製フォークの進行を阻害して局所的にゲノムを不安定化する現象を発見しました。それ以来、複製フォークの操作による構造多型の人為的誘導の可能性を追求しています。実際の進化においても類似の機構が働いた可能性もあると考えています。
用語解説
(※1) 複製フォーク
DNA複製の現場とも云うべき複製装置が進行してゆく先端部では、二本鎖DNAの水素結合が解離してY字型構造が形成されます。その形状にちなんで、この部分を複製フォークと呼びます。
(※2) nCas9
ゲノム編集では細菌由来のCas9タンパク質がよく使われます。Cas9は、ガイドRNAと複合体を形成して、ガイドRNAと同一配列を持つDNA（標的DNA）に２本鎖切断を起こします。Cas9のアミノ酸残基を一つ置換することによって、標的DNAの一方の鎖しか切断できなくなった変異体をnCas9（Cas9ニッケース）と呼びます。
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