遺伝子ターゲティング

遺伝子ターゲティングは、生物が本来持っている相同組換えというメカニズムを活用し、ゲノム上の特定の遺伝子配列を意図的に改変する分子生物学の手法です。この技術を用いることで、研究者は対象とする遺伝子の機能を調べたり、疾患モデルを作製したりすることが可能になります。

目的と応用範囲

この技術の主な目的は、狙った遺伝子を失わせる（ノックアウト）、外部の遺伝子や改変した遺伝子を導入する（ノックイン）、あるいは特定の点変異を導入するなど、多様な遺伝子操作を行うことです。操作による効果は、生物の生涯にわたって恒久的に影響を及ぼす場合もあれば、特定の発生段階や特定の組織でのみ効果を発揮するように制御することも可能です。遺伝子の働きやサイズに関わらず適用できる汎用性の高さが特徴ですが、標的とする遺伝子ごとに専用の改変用ベクターを設計・作製する必要があるという側面もあります。

具体的な手法

遺伝子ターゲティングの具体的な手順は、対象となる生物種によって異なります。一般的には、まず改変したい遺伝子の配列の一部、選択マーカー遺伝子、そして目的とする改変内容を含む「ターゲティングコンストラクト」と呼ばれるDNA配列を、大腸菌などの細菌内で構築します。これをモデル生物の細胞に導入し、ゲノム上の標的遺伝子と相同組換えを起こさせます。

例えば、マウスを用いた研究では、このコンストラクトを培養した胚性幹細胞（ES細胞）に導入します。正しく相同組換えが起こった細胞を選び出し、これを初期胚に注入してキメラ個体を作製します。さらに、このキメラ個体を交配させることで、全身の細胞が改変されたES細胞由来の遺伝子を持つ個体を選抜します。ヒメツリガネゴケのような植物では、コンストラクトとプロトプラスト（細胞壁を取り除いた細胞）を混ぜて導入し、半数体である配偶体の性質を利用して直接スクリーニングを行うことができます。牛、羊、豚、様々な菌類など、多くの生物種で遺伝子ターゲティングが成功しています。また、近年ではジンクフィンガーヌクレアーゼ（ZFN）、TALEN（転写活性化因子様エフェクターヌクレアーゼ）、あるいはCRISPR-Cas9システムといった人工的な核酸分解酵素（ヌクレアーゼ）を用いることで、相同組換えの効率を大幅に向上させることが可能になり、ショウジョウバエ、タバコ、トウモロコシ、ヒト細胞、マウス、ラットなど、より多様な生物種での応用が進んでいます。

ジーントラップ法との比較

遺伝子ターゲティングは、特定の遺伝子をピンポイントで狙う手法であるのに対し、ジーントラップ法は遺伝子カセットをゲノム上の様々な位置にランダムに挿入する技術です。ジーントラップ法は一つのカセットで多くの遺伝子の機能を破壊できるため、ゲノムワイドな大規模スクリーニングに適しています。しかし、遺伝子ターゲティングは、ジーントラップ法では困難な低発現遺伝子や、イントロンが短くコンパクトな遺伝子でも効率的に改変できる利点があります。また、遺伝子ターゲティングでは相同組換えを利用するため、標的配列に応じてベクター設計を調整する必要がありますが、ジーントラップ法はカセットの設計変更が不要です。

現代科学への貢献

遺伝子ターゲティングは、ヒトの遺伝性疾患の研究に不可欠なツールとなっています。特定の疾患に関連する遺伝子をノックアウトしたり、疾患原因となる変異を導入したりすることで、病気のメカニズム解明や治療法開発のための疾患モデル動物（特にマウス）が広く作製されています。近年では、ヒトの細胞株を用いて、より正確なin vitro（生体外）疾患モデル、特にがん研究における個人化医療や診断法開発のためのモデル作製にも応用されており、その重要性は増しています。

また、農作物の育種分野でも研究が進められています。従来の遺伝子組換え技術では導入遺伝子がゲノムのどこに入るか制御できませんでしたが、遺伝子ターゲティングを用いることで、狙った位置に遺伝子を正確に挿入することが可能になり、導入位置による予期せぬ影響（位置効果）を避けることが期待されています。

歴史的な意義

遺伝子ターゲティング技術の確立は、分子生物学史における重要な出来事でした。2007年には、胚性幹細胞（ES細胞）を用いてマウスの特定の遺伝子を改変する原理を発見した功績により、マリオ・カペッキ博士、マーティン・エバンス博士、オリバー・スミシーズ博士の3名がノーベル生理学・医学賞を受賞しました。彼らの発見は、遺伝子ターゲティングを応用した画期的な研究を可能にし、生命科学研究の発展に大きく貢献しています。

もう一度検索