25 September, 2020

人間の遺伝子(DNA)編集とは何ですか? 5分間で理解する魔法の遺伝子はさみ CRISPR!

人間の遺伝子を編集することは、人間のDNAを変えることを意味します。主な動機は、遺伝子変異によって引き起こされる病気を治すことです。

「しかし、病気を治療するために遺伝子編集が本当に必要なのでしょうか?」

DNAは生命の青写真であり、タンパク質を生成するように細胞に指示し、人体の成長と働きを維持します。 DNAの重要な位置に変異が生じると、「細胞工場」の運営が暴走し、生理障害や白血病などの主要な遺伝子病を引き起こす可能性があります。

「普通の病気なら薬で治りますが。遺伝子変異によって引き起こされる病気の場合、薬は病気の進行を阻止し、現状をキープすることしかできません。」「DNAの設計図が間違っているため、細胞は間違ったタンパク質を作ることしかできません。根本的な治療法が必要な場合は、設計図を直接修正してDNAを修正するのが最善です。」と凌嘉鴻氏が続けてこう説明しました。

遺伝子編集は根源間違ったDNA断片を見つけ、分子「はさみ」でそれをカットして間違った遺伝子を削除するか、正しいDNA断片を「貼り付け」ます。

かつて、遺伝子変異に引き起こす病気は薬では治せず、一生、薬を服用しなければなりませんでした。 現代の遺伝子編集技術は、遺伝子の欠陥を完全に根から治ることができます。ソフトウェアを使用してエラーを修正するように、間違った単語を見つけ(変異した遺伝子を発見)、それを削除し(変異した遺伝子を切り取り)、正しい単語を追加します(正しい遺伝子を貼り付けます)。
したがって、まず最初に、DNAの二重らせんを切断できるハサミが必要です。現在では、CRISPRが最適な選択肢です。面白いことに、それはバクテリアの免疫システムから来たものです。

バクテリアの中の遺伝子はさみ

1987年、科学者は大腸菌のゲノムに奇妙な規則的な配列を発見しました。小さなDNAの断片(Repeat)は常に繰り返され、繰り返された断片の間には同じ長さ空きスペースがあります。目的は不明です。この DNA断片がCRISPRと呼ばれます(clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats)。 後に多くの細菌がCRISPRを持っていることが発見しました。これは、以前のウイルスをメモリすることができる細菌の免疫システムのメカニズムです。

意外なところ、この一見何でもないDNAは、遺伝子編集の世界に大きな衝撃を与えます!

物語の始まりはこうでした:ウイルスが細菌に侵入すると、「細菌工場」の資源を占有して新しいウイルスをコピーしようとして、細菌に自分のDNAを注入します。 しかし、バクテリアはそのままやられることはなく、その免疫システムはウイルスのDNAを認識して破壊することができます。 これはミクロ世界の戦争です。生き残るために、細菌の反撃は十分な速さと正確さが必要です。

一部の細菌が生き残った後、ウイルスの「犯罪データベース」を構築するように、ウイルスのDNA断片を選択し、独自のCRISPR配列(スペースを追加)に挿入します。 ウイルスが2度目に侵入した場合、細菌はCRISPR配列によってウイルスをすばやく認識し、即座に殺して生存率を向上させることができます。

細菌がウイルスの侵入に遭遇すると、細菌のCas9はウイルスDNAの一部を切り取り、それを自身のゲノムに挿入します。これは、ウイルスの「犯罪データベース」を構築するのと同じです。

細菌はどのようにウイルスを認識するのですか? まず、細菌は古いウイルスDNA断片(Spacer)をテンプレートとして使用して、1つの補完しあうRNAを作成します。たとえば、ウイルスDNAのベースはT、RNAはA、DNAはG、RNAはC、または相互に逆になります。 誘導RNAは、この補完しあう関係を再利用して、新しいウイルスのDNA断片を比較します。補完しあう場合、古いウイルスと新しいウイルスが同じであることを意味します。

次に、DNAを切断できる酵素でCas9がこの誘導RNAを取得し、新しいウイルスのDNAを「チェック」して、誘導RNAに補完しあう断片があるかどうかを確認します。 今度は逆でRNAがAで、DNAがT、RNAがCで、DNAがG、または互いに逆になります。見つかったら、Cas9はすぐに「認識された」DNA断片をカットします。 DNAが切り取られて破壊され、ウイルスは消えます。 この細菌の免疫メカニズムはCRISPR-Cas9と呼ばれます。

魔法な遺伝子ハサミCRISPR

この基本的な細菌免疫学は遺伝子編集とどのような関係があるのでしょうか?遺伝子編集の鍵は、DNAを思うように切断できる分子レベルのはさみを見つけることです。 細菌のCas9酵素は、一つの誘導RNAによって、指定されたDNA断片を正確に切ることができます。 素晴らしいのではありませんか?
操作方法は非常に簡単です:最初にCas9を準備して冷蔵庫に入れます。特定のDNAを切断したい場合は、補完しあう誘導RNAを注文します。 次に、Cas9を解凍し、誘導RNAと融合し、電気ショックで細胞に入り、間違った遺伝子を切断できるようにします。
悪い遺伝子は切り取られましたが、どうやって良い遺伝子を貼り付けるのですか? 細胞は損傷したDNAを自動的に修復できるため、正しい遺伝子を細胞核に送り、細胞はCas9によって切断された部分を修復し、遺伝子編集を完了させます!

遺伝子編集技術の大きな飛躍

CRISPRは最初の遺伝子はさみではありません。 1990年代には、科学者たちはDNAを「切り離す」ことができるさまざまな種類の酵素を開発しました。 各酵素には独自の構造があり、特定のDNA断片とのみ融合して、標的遺伝子を正確に切断します。 研究者が別のDNAを切断したい場合、たとえ配列がわずかに異なっていても、新しい酵素を再設計して組み立てるのに2〜3か月かかります。技術は複雑で、時間がかかり、高価です。

2012年まで、科学者たちは魔法のはさみCRISPRを発見しました! これは1つ遺伝子を切り取るのに、0から酵素さみを設計して組み立てる従来の酵素はさみとは異なり、CRISPRは、最初から最後までCas9プラス1つの誘導RNAだけで、すべてのDNAをカットします。 ターゲット遺伝子が変更された場合は、誘導RNAを注文するだけで、複雑な酵素を再設計する必要がなくなりました。技術の要求と価格が非常に低くなります。

したがって、CRISPRが登場するとすぐに、細菌、真菌、動物、植物、および人間の医学に応用されました。 2010年にはCRISPRに関する論文は50篇未満でしたが、2015年までに1,100篇に急増しました。

免疫疾患を治療するための遺伝子編集

「CRISPRはこんなに使いやすいなら、すべての遺伝子疾患を治ることができますか?」残念ながら、このはさみには多くの技術的なボトルネックがあり、人間の細胞の直接使用には適していません。
「最も重要なボトルネックの1つ:人間のDNAに細菌遺伝子ハサミの使用するには100%正確ではありません。」凌嘉鴻(リン・ジアホン氏)は警告しました。
・Cas9が認識できる配列は23塩基ですが、人間のDNAには65億の塩基配列があります。Cas9は正しい配列を見つけるのは、干し草の山から針を探すようなものです。

統計的な方法で計算すると、65億の塩基配列から1つの配列を見つけるには、長さは少なくとも28になります。この数値より下では、類似した配列しか見つからない可能性があります。そのため、Cas9はすべてのカットの正しい位置を保証できません。 Cas9を間違った位置でカットすると、想像を絶する副作用が発生する可能性があります。

「現在ではより安全な方法は、最初に患者の体から細胞を取り除き、それを修正し、次に問題がないことを確認した後、それを体内に戻すことです。」凌嘉鴻(リン・ジアホン氏)は言いました。しかし、ほとんどの細胞や組織を勝手に取り出すことはできず、採血によっていつでも血液中に浮いている免疫細胞しか得られません。生まれつきで免疫細胞に欠陥がある人は、体外に取り出して遺伝子を変えることができます。たとえば、T細胞を取り出してがん細胞の様子を「教え」てから、「スマート」になったT細胞を体内に戻し、がん細胞を見つけて破壊します。

近年、多くの医学または癌研究がCRISPRに転向しました。CRISPRを免疫療法に取り入れることは早くからも行われています 。また、CRISPRは幹細胞にも使用できます。まず患者の体から幹細胞を取り出され、体外で遺伝子編集された後、体内に戻されてさまざまな健康な細胞に分解します。治療の可能性は無限大です!

2020年3月5日、遺伝子編集技術の分野は大きな進歩を遂げました。 Editas Medicine(EDIT.US)会社とAllergan(AGN.US)会社は共同で、CRISPR遺伝子編集技術に基づく治療薬AGN-151587(EDIT-101)が臨床試験で最初の患者への投与を完了したことを発表しました 。 治療薬AGN-151587を患者に投与されるのは世界初のCRISPR遺伝子編集療法であるため、このことにより、CRISPRが製薬業界で注目を集めました。

細胞内のゲノムを簡単に制御可能で編集により、CRISPR遺伝子編集技術は、科学研究者が基礎研究でゲノムを編集するための強力なツールになりました。 現在、世界中の多くの企業が、CRISPR遺伝子編集技術に基づく革新的な治療法と診断技術を開発しています。 この記事では、「医药观澜」が研究中のいくつかの企業の製品の進捗状況と、彼らが焦点を当てている疾患領域の概要を説明します。

1、Editas Medicine

Editas Medicineは、有名な学者であるZ博士によって設立された業界をリードするゲノム編集会社で、CRISPR / Cas9およびCRISPR / Cas12a(Cpf1とも呼ばれる)ゲノム編集システムの機能と可能性を世界中の重篤な疾患の治療薬に変えることに専念しています。 Editasの研究開発は、主に治療方法がほとんどまたはまったくない疾患に焦点を当てています。現在、眼疾患、デュシェンヌ型筋ジストロフィー、神経疾患、鎌状赤血球疾患、β-サラセミア、癌および他の適応症を対象とした11の研究プロジェクトがあります。
現在、Editasは、Allerganを含め、AskBio、BlueRock、Bristol-Myers Squibb(BMS)など複数の会社と提携関係を結んでいます。Allerganと共同開発したAGN-151587(EDIT-101 )はEditasのリサーチ製品ラインで最も急成長している製品です。 AGN-151587はCRISPRテクノロジーに基づく遺伝子編集療法です。Cas9遺伝子と2つの誘導RNA(gRNA)をAAV5ウイルスに融合します。現在、これはレーバー先天性黒内障10(LCA10)患者で2段階臨床試験を実施されています。 3月5日、両当事者はAGN-151587が試験で最初の患者への投与を完了したことを発表しました。これは、世界初患者に投与されるCRISPR遺伝子編集療法です。

2、CRISPR Therapeutics

CRISPR Therapeutics(CRSP.US)は、独自のCRISPR / Cas9プラットフォームを使用して深刻な疾患を治療するための遺伝子治療薬を開発することに焦点を当てた遺伝子編集会社です。 CRISPR Therapeutics(CRSP.US)は、ヘモグロビン症、腫瘍学、再生医療、希少疾患などの幅広い疾患をカバーする一連の製品ラインを確立しています。 CRISPRの公式ウェブサイト情報によると:同社は、ヘモグロビン症の分野で、臨床試験段階に入った開発中の製品CTX001を持っています。免疫腫瘍学の分野では、CTX110、CTX120、CTX130の3つの製品が開発されており、CTX110とCTX120が臨床試験段階に入っています。再生医療の分野では、前臨床研究段階に入っているI型糖尿病の製品があります。さらに、グリコーゲン蓄積症Ia型(GSD-Ia)、デュシェンヌ型筋ジストロフィー(DMD)、筋強直性ジストロフィー1型 (DM1)、嚢胞性線維症(CF)の4つの研究プロジェクトを抱え、 前臨床研究段階にあります。
現在、CRISPR TherapeuticsはBayer AG、Vertex Pharmaceuticals、ViaCyteなどの企業と戦略的パートナーシップを確立しています。2019年11月、CRISPR TherapeuticsとVertex Pharmaceuticalsは、CRISPR / Cas9遺伝子編集療法CTX001が進行中の第1/2相臨床試験でポジティブなデータを得ました。輸血依存型β-サラセミア(TDT)患者と 重度の鎌状赤血球貧血(SCD)患者は、CTX001治療を受けた後、輸血に頼るのをやめる効果を達成しました。

3、Intellia Therapeutics

Intelliaは、CRISPR / Cas9テクノロジーを使用して、命に脅かす深刻な遺伝性疾患、腫瘍、免疫疾患を治療する革新的な治療法を開発しています。 Intelliaは独自の遺伝子編集体内および体外治療プラットフォームによって、さまざまな疾患をカバーする研究製品ラインを確立しており、2020年に最初の遺伝子編集薬を臨床実験段階に持ち込みする予定です。

Intelliaの公式Webサイトの情報によると、その体内治療製品ラインには、トランスサイレチンアミロイドーシス(ATTR)、多発性神経障害および心筋症、遺伝性血管性浮腫(HAE)などの3つの適応症の項目が含まれています。中でも、トランスサイレチンアミロイドーシス、多発性神経障害及び心筋症の治療薬として開発中の製品であるNTLA-2001は、IntelliaとRegeneronが共同で開発したもので、Intellia初の臨床実験段階に入るCRISPR / Cas9療法となることが期待されています。

体外治療に関して、IntelliaはCRISPRを使用して細胞を改造し、血液癌と固形腫瘍の治療法を開発しています。現在の体外療法製品ラインには、鎌状赤血球症、急性骨髄性白血病(AML)、固形腫瘍などの適応症を含む複数の項目が含まれています。さらに、IntelliaはCAR-Tおよび造血幹細胞(HSC)やその他の治療法を開発するためにノバルティス(Novartis) 生物医学研究所と協力しています。

4、Beam Therapeutics

Beamは2017年に設立されました。その創設者は、ハーバード大学のDavid Liu博士、マサチューセッツ総合病院のKeith Joung博士、Broad 研究所のFeng Zhang博士です。同社は、CRISPRの塩基編集技術を使用してゲノムの単一塩基を正確に変更し、単一遺伝子の突然変異によって引き起こされる遺伝性疾患を治療することを目指しています。

Beamは、CRISPR単一塩基編集技術を使用して新しい治療法を開発した最初の企業であり、そのコアテクノロジーは、DNAまたはRNA上の単一塩基を正確に編集することです。 Beamによると、単一塩基編集技術はCRISPR遺伝子編集ツールの新しい応用です。このテクノロジーには2つ重要な部分があります。1つは変異したゲノムの任意の部位を標的とすることができるCRISPR酵素、もう1つは塩基を変更できる酵素です。従来のCRISPR遺伝子編集テクノロジーとは異なり、この酵素は主に塩基に化学作用し、DNAやRNAを切断せず、理論的にはより安全です。

Beamの公式ウェブサイトの情報によると、同社はβ-サラセミア、鎌状赤血球貧血、急性リンパ芽球性白血病(ALL)、急性骨髄性白血病(AML)およびその他の疾患をカバーする12の研究プロジェクトを持っています。さらに、そのラインには、肝疾患、眼、中枢神経系疾患の潜在的な治療法も含まれています。これまでのところ、同社のすべての研究プロジェクトは臨床前の段階にあります。

5、Caribou Biosciences

Caribouは、CRISPR-Cas9のパイオニアの1人であり、カリフォルニア大学バークレー校の教授Jennifer Doudna博士によって2011年に設立されました。CRISPR-Cas9を使用して、疾患の治療やその他の分野で新しいバイオテクノロジーを開発することに力を入れています。 IntelliaはCRISPR-Cas9遺伝子編集技術を使用して、体内および対外で人間の遺伝子および細胞治療を開発しています。 最近の体外療法プロジェクトには、血液疾患と癌の治療が含まれます。 2015年1月、IntelliaはCAR-Tおよび造血幹細胞(HSC)を使用してCRISPR-Cas9に基づく新しい体外治療法の開発を加速するために、ノバルティスと5年間の研究開発協力を発表しました。

6、KSQ Therapeutics

KSQは、2015年末に設立された臨床前段階のバイオテクノロジー企業です。 同社はCRISPRテクノロジーに基づく薬テクノロジープラットフォームを確立します。独自のCRISPRomics®プラットフォームを使用して、KSQは腫瘍学、免疫腫瘍学、自己免疫疾患および希少疾患の分野で研究を行っています。

現在、KSQには12の医薬品開発プロジェクトがあります。 KSQはCRISPRomicsテクノロジーをT細胞に応用し、機能分析を通じてすべての遺伝子を全面的にチェックし、がん免疫におけるT細胞療法および薬物療法を強化できるいくつかの遺伝子標的を確認しました。 KSQ R&Dラインの最初のプロジェクトは、T細胞ゲノム分析に基づくCAR-Tに類似するT細胞療法です。 T細胞のこの標的化された形質転換は、複数の動物モデルにおいてPD-1耐性固形腫瘍に対して高い活性を示しています。

7、Emendo Biotherapeutics

CRISPR遺伝子編集技術はゲノム内の任意の配列を正確かつ容易に変更できますが、それでも人間の病気の治療法として的から外れるの可能性があります。さらに、CRISPRテクノロジーもヌクレアーゼの特異性のために制限されます。 Emendoは、次世代のCRISPR企業の先駆者です。同社の開発戦略は、対立遺伝子特異性、高活性、「的から外れる」のないOMNIと呼ばれるテクノロジーを通じてこの制限を解消することです。 OMNIテクノロジーは、高効率を維持しながら正確な遺伝子編集を実現し、重症先天性好中球減少症(SCN)などの好中球エラスターゼ遺伝子ELANの変異によって引き起こされる先天性疾患を解決します。

Emendoは、この技術に基づいて、標的配列以外のDNAを切断しない高精度のCRISPRヌクレアーゼを開発しています。現在、Emendoは血液疾患と眼疾患の治療法を開発しており、重症先天性好中球減少症、原発性免疫不全症候群、骨髄不全疾患を対象に血液疾患の分野で開発中の製品は5つあります。遺伝性眼疾患を対象とした眼疾患分野で開発中の2つの製品があります。さらに、Emendoはこのテクノロジーの癌への応用も模索しています。 Emendoはシアトル子供病院との協力に達し、現在、重度の先天性好中球減少症の治療のための臨床前開発を進めており、原発性免疫不全症、骨髄不全および遺伝性眼疾患の治療も計画されています。

8、eGenesis

米国では、110,000人以上の人が命を救うために臓器移植を待っており、10分ごとに新しい患者が追加されます。中国では毎年30万人の患者さんが臓器移植治療に適していますが、臓器移植で治療できるのはただ1万人弱です。米国科学、工程学アカデミーの二重の学者、ハーバード大学のGeorge Church教授、および合成生物学者の杨璐菡によって共同設立されたeGenesis会社と启函生物は、世界の高度な遺伝子編集技術を使用して豚のゲノムを編集し、人間の移植のために安全で効果的な細胞、組織、臓器のゲノムを生産することを目指しています。深刻な世界の臓器移植ドナーの不足の問題を解決します。
2013年の初めに、アメリカのチームである启函のチームメンバーは、CRISPRCas9を人間および他の哺乳動物細胞にの遺伝子編集を成功しました。 2019年12月、启函生物とeGenesisは、10頭弱の子豚3.0がCRISPR遺伝子編集に成功したと発表しました。これらの遺伝子編集に成功したPERVウイルスを含まない豚は、人間の免疫適合性が向上し、豚の臓器移植による免疫拒絶反応と血液凝固の軽減に役立ちます。

9、Sherlock Biosciences

Sherlockは、CRISPR技術と癌および感染症診断技術の分野における张锋(Zhang Feng)と他の専門家によって共同設立され、より速く、より良く、より低価格の遺伝子診断技術の提供に取り組んでいます。同社のコアテクノロジーは、マサチューセッツ工科大学とハーバード大学によって承認されており、遺伝子編集テクノロジーCRISPR診断テクノロジープラットフォームであるSHERLOCK™と、合成生物学に基づく分子診断プラットフォームであるINSPECTR™に基づくものです。

SHERLOCKは、张锋(Zhang Feng)博士のチームによって開発されたCRISPRベースの診断ツールです。複数の生物またはサンプルタイプの遺伝的「指紋」を診断し、1桁のMOLレベルに達するまで検出できます。サンプル内の単一のDNAまたはRNA分子の存在を数示します。最近、Zhang Feng教授のチームはCRISPRテクノロジーを使用して、新型コロナウイルスのRNAを検出する方法を開発しました。純化された核酸分子サンプルのみ使用して、3つの簡単なステップで1時間で検出を完了することができます。 ただし、この技術はまだ比較的予備的なものであり、実際の患者のサンプルではテストされておらず、新しいコロナウイルス感染の臨床診断には使用できません。

10、Mammoth Biosciences

Mammothは、CRIPSR研究のパイオニアであるJennifer Doudna博士が、CRISPR技術を疾患の診断と遺伝子編集に適用することを目的として設立されました。MammothがCRISPRシステムの診断ツールは、Cas酵素とガイドRNA(guide RNA))システムを使用して、疾患に関連する特定のDNAまたはRNA配列を見つけます。Cas酵素がこれらの特定の配列を見つけると、これらの配列を切り取りと同時にレポーター分子を切り取ります。レポーター分子が蛍光を発します。この診断方法は、DNAまたはRNAを生成するあらゆるサンプルに使用でき、幅広い用途があります。

現在、Mammothは3つのCRISPRタンパク質、すなわちCas12、Cas13、Cas14を使用しています。たとえば、Cas12は二本鎖DNAを切断でき、Cas13は一本鎖RNAを切断でき、Cas14(これまでに見つかった最小のCRISPRタンパク質)は一本鎖DNAを切断できます。これらのタンパク質の発見により、Mammothは診断テストをより柔軟性を持ち、特定の診断目的に対応するCas酵素を使用することができます。 2020年1月、同社は、治療と診断用の世代CRISPR製品の開発のために、シリーズBの4500万ドルの融資をしました。

上記から、CRISPR遺伝子編集技術に基づいて開発された革新的な治療法および診断技術のほとんどは、まだ研究開発の比較的初期の段階にあることがわかります。科学者、企業、および他の関係者の努力により、人間はできる限り早く画期的な技術としてのCRISPRを使用できる患者さんが使用でき、メリットのある革新的な治療法の開発を成功すると期待しています。

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