ホーミング遺伝子ドライブの性能を生殖細胞系Cas9プロモーターを利用することで強化 : crisp

[出典] “Germline Cas9 promoters with improved performance for homing gene drive” Du J [..] Champer J. Nat Commun.2024-05-29. https://doi.org/10.1038/s41467-024-48874-1 [所属] 北京大学, 清華大学, Cornell U.

　遺伝子導入は、害虫の個体群を制御し、媒介性疾患の蔓延を抑える有望な方法である。工学的に設計された遺伝子ドライブは、通常の50％のメンデル予想よりも高い遺伝率を持つように設計されているため、頻度が増加し、最終的には集団全体に広がることができる1,2。

　設計目標によって、遺伝子ドライブは改変と抑制の2つのカテゴリーに分類される。改変ドライブでは、目的のカーゴ遺伝子や特性変化を標的生物種のゲノムに拡散させ、抑制ドライブは、衛生、生態学的、あるいは経済的な目的のために、標的生物種の個体数を減少・絶滅させたりするように設計される。

　これまでに数多くの遺伝子ドライブが工夫されてきたが、CRISPRホーミング遺伝子ドライブが最も広く研究されており、また、最も強力と考えられる。ホーミングドライブ・アレルを持つヘテロ接合体では、相同組み換え修復 (HDR) を介して野生型アレルがドライブ・アレルに変換される [Fig. 1引用右図 A の左側参照]。この過程は “ドライブ変換 (drive conversion)"または “ホーミング (homing)”と呼ばれる。

　生殖系列細胞がドライブヘテロ接合体からホモ接合体に変換されると、偏った遺伝が起こる。あるいは、野生型アレルが末端接合修復によって遺伝子ドライブに対する抵抗性アレルに変換される可能性がある。この抵抗性アレルは、主として、ドライブのガイドRNA (gRNA)による認識が妨げられるようなDNA配列変異の生成によって、誘導される。遺伝子ドライブは、Cas9の切断とHDRが減数分裂初期の生殖系列細胞に限定され、最終的に子孫を形成するのが理想的である。

　しかし、ドライブ変換と耐性アレルの形成は、必ずしも生殖細胞内に空間的に限定されるわけではない。gRNAは通常U6プロモーターからユビキタスに発現するため、体細胞におけるCas9の発現によっても起こりうる [挿入図 Aの右側]。一時的に、このような活性は生殖細胞前駆細胞や、親のCas9とgRNAの沈着による接合体や初期胚でも起こりうる。雌性配偶子の相対的サイズが大きいためと思われるが、母性Cas9沈着のみが定期的に起こるようである。さらに、このプロセスは、母親からドライブアレルを、父親から野生型アレルを受け継いだ胚であっても、ドライブ変換は達成されず、抵抗性アレルが形成するだけである。

　胚の抵抗性アレルと体細胞発現は細胞の一部でしか起こらないことが多いため、異なる細胞におけるCas9の切断と修復の結果が変動することにより、個体がモザイク遺伝子型を有する可能性がある。Cas9遺伝子ドライブでは、高いドライブ変換率、低い耐性アレル形成率、および低い体細胞発現レベルをもたらすプロモーターが求められる。

　中国の研究チームは、ショウジョウバエのホーミング遺伝子ドライブ効率を向上させるために、11種類の生殖細胞系列Cas9プロモーターを構築し、異なる構成で試験した [Fig. 2引用右図参照]。いくつかのプロモーターは、より高いドライブ変換率とより低い胚抵抗率をもたらした。しかし、nanosプロモーターとは異なり、体細胞発現を回避できるものはなかった。さらに、3つのCas9コンストラクトが、4-gRNA抑制ドライブを用いたケージ実験のために選択された。これらのうちの1つは、nanosよりも有意に優れた性能を有し、その結果、ケージ集団の排除に成功した [Fig. 7引用左図参照]。　

　本研究で同定されたCas9プロモーターはショウジョウバエにおけるホーミングドライブに有利なことが示され、また、他の生物においても貴重なホモログを持つ可能性がある。