CRISPR

CRISPR（クリスパー、clustered regularly interspaced short palindromic repeatの略）は、真正細菌や古細菌といった原核生物が持つ独特の「獲得免疫システム」です。これは、短い反復配列（リピート）と外来の遺伝子断片（スペーサー）が交互に並んだDNA領域と、複数のCas（CRISPR-associated）遺伝子群から構成されます。主な機能は、ウイルス（バクテリオファージ）やプラスミドなど、外部から侵入する遺伝子を認識し排除することで、宿主を感染から守ることです。

発見から機能解明

CRISPRに関連する反復配列は、1987年に日本の石野良純らによって大腸菌で初めて報告されました。フランシスコ・モヒカらが他の原核生物にも同様の配列を見出し、2002年に「CRISPR」と命名。Cas遺伝子の存在も明らかになりましたが、機能は不明でした。2005年、スペーサー配列が過去に感染したファージ由来であることが発見され、2007年にはロドルフ・バラングーらの実験で、バクテリオファージ耐性獲得機能が証明されました。

構造と基本メカニズム

CRISPR座位はCas遺伝子群と、リピート・スペーサー列が連なる領域から構成され、構成要素の違いでI型、II型、III型などに分類されます。外来DNAが侵入するとCasタンパク質で断片化され、新しいスペーサーとしてCRISPR座位に取り込まれ「免疫記憶」となります。感染時には、CRISPR座位から転写されたRNAが加工されcrRNAとなり、Casタンパク質と複合体を形成。この複合体がスペーサー配列と一致する外来DNA（またはRNA）を探し出し、切断・分解して無効化します。

ゲノム編集技術への発展

CRISPR-Casシステムの標的DNA切断能力は、ゲノム編集技術として応用されました。特にII型のCas9は、ガイドRNAで誘導される簡便なDNA切断酵素として注目され、2012年に機能が実証されると、翌年には哺乳類細胞でのゲノム編集に成功しました。この技術は生命科学、医学、農学など広範な分野に革新をもたらし、エマニュエル・シャルパンティエとジェニファー・ダウドナは2020年にノーベル化学賞を受賞しました。ゲノム編集以外にも、遺伝子発現制御などに応用されています。

多様なCasタンパク質と応用

Cas9以外にもCas12aやCas13などが発見されています。Cas13は一本鎖RNAを標的とし、標的認識後に周囲の他のRNAも無差別に切断する「コラテラル切断」という性質を持ちます。この性質はSHERLOCK法など、微量の核酸を高感度に検出する診断技術に応用され、感染症やがん診断への活用が期待されています。また、CARVERのように特定のウイルスRNAを標的とする治療法や、薬剤耐性菌対策としての抗菌作用への応用研究も進んでいます。

感染症診断への貢献（特にCOVID-19）

近年、CRISPR-CasシステムはCOVID-19の迅速・高感度診断法開発に貢献しています。Cas13aなどを用いたSARS-CoV-2 RNA検出プロトコルは、高精度かつ迅速、安価な検査法として注目されました。日本でもCas13aを用いたSATORI法やCas3を用いたCONAN法など、ユニークな高速・高精度検出技術が開発されています。実際に、SHERLOCK法やDETECTR法を基にしたSARS-CoV-2診断キットは米国で緊急使用許可を受けるなど、実用化が進んでいます。

進化と広がる可能性

CRISPR-Casシステムは水平伝播によって広まったと考えられています。このシステムによる外来遺伝子の記憶と遺伝は、進化論における興味深い側面を示唆します。ゲノム編集、診断、治療以外にも、産業利用や研究ツールとして、その応用範囲は拡大を続けており、生命科学やバイオテクノロジーの様々な分野で革新をもたらすツールとして重要性を増しています。

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