[出典] "An experimental census of retrons for DNA production and genome editing" Khan A [..] Shipman SL. Nat Biotechnol. 2024-09-17. https://doi.org/10.1038/s41587-024-02384-z [所属] Gladstone Institute of Data Science and Biotechnology, Graduate Program in Bioengineering (UCSF, UC Berkeley), Graduate Program in Neuroscience (UCSF), UCSF, Chan Zuckerberg Biohub San Francisco
レトロン（細菌が自発的に産生する一様な長さのコピー可能な一本鎖DNA）の特徴は、1984年に初めて観察された。その5年後、このDNAが内在性の逆転写酵素（RT）の産物であることが示された。レトロンの逆転写DNA（RT-DNA）の鋳型は、レトロンRTと同じオペロンから産生される短く高度に構造化されたRNAである。RTはこの構造化されたノンコーディングRNA（ncRNA）を認識し、ncRNAの重要な2′ヒドロキシルから重合してRT-DNAに部分的に逆転写する。その結果、転写-逆転写カスケードが形成され、細菌ゲノムの単一遺伝子座が細胞あたり数百コピーのRT-DNAまで増幅される。このRT-DNA産生現象は、その後30年にわたって16の天然レトロンから観察されたが、細胞機能に関する決定的な証拠は得られていなかった。
最近になって、レトロンの細胞内での役割が明らかになってきた。レトロンは細菌にファージ耐性を付与する。その分子機構はまだ詳らかにされていないが、一般的なモデルとして、レトロンのRT-DNAがファージ感染のセンサーになるとされている。直接的または間接的に、ファージはRT-DNAを修飾または分解し、付属のレトロンタンパク質を放出する。このタンパク質は細胞毒素として作用し、感染細胞を除去し、細菌集団を救う。また、個々のレトロンは特定のファージに対して特異的な耐性を持つことが示されている。この特異性は、少なくとも部分的には、レトロンが産生するRT-DNAのユニークな配列によるものである。現在、1,000を超えるレトロンが、既知のレトロンRTとの相同性によって、ゲノムおよびメタゲノム上のデータベースで同定されている。しかし、ncRNAの塩基配列をin silicoに同定することは依然として難しく、各レトロンが産生する正確なRT-DNAを予測することは、今のところ不可能である。
レトロンは、他の多くの細菌免疫系と同様、バイオテクノロジーの構成要素としても価値があることが実証されてきている [＊]。具体的には、レトロンが細胞内で豊富な一本鎖DNAを忠実に生産することで、ゲノム工学用のテンプレート、分子記録装置用の転写レシート、転写因子のデコイの生産に利用されてきた。しかし今日に至るまで、これらの技術は、初期に発見されたごく少数のレトロンのみを用いて構築されてきた。
レトロンの多様性を調査することは、細菌免疫の研究に役立つとともに、レトロンを利用した技術を向上させるためにも極めて重要である。これまでに同定された1,000以上のレトロンのうち、実際にRT-DNAを産生することが示されたのは18件のみで、細菌のリコンビニアリングに使われたのは僅か1件、ヒトゲノム編集に適用されたのは8件に留まっていた。
ここでは、RT-DNAの産生と編集について、複数の細胞内でセンサスを行うことにより、予測される多様なレトロンの実験的検証を充実させた。広い系統樹にわたるレトロンのncRNA配列とRT-DNA産生の検証を行った。
100種類以上の未試験のレトロンを合成し、それらが産生するRT-DNAの天然配列を同定し、そのRT-DNA産生量を定量し、レトロン由来のドナーを用いて細菌、ファージ、ヒトゲノムを編集する相対的有効性をテストした。
その結果、レトロンのRT-DNA産生と編集率に大きな多様性があることを見出し、トップレベルのゲノムエディターをレトロン系統のサブセットから抽出し、既知のエディターを凌駕し、ヒト細胞での正確な編集率が最大40％に達することを発見した。
[＊] レトロンを利用したゲノム編集に関する一連の論文紹介crisp_bio記事参照：
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