CRISPR/Casシステムは極めて効率的な遺伝子編集ツールとして実用化され、ZFNとTALENに続く第３世代のゲノム部位特異的編集技術の地位を占めている。また、Cas12とCas13による核酸の無差別トランス切断活性（コラテラル活性）をベースにした「単一の標的分子を膨大なレポーター分子」へと変換するバイオセンサーCRISPR Dxとして次世代分子診断をリードしつつある。
しかし、CRISPR技術にも課題はある。CRISPR Dxにおいて、極めて微量の標的核酸を検出するために等温増幅を組み合わせると、CRISPRによるシグナル増幅反応と標的核酸の等温増幅反応との競合により検出性能が低下する [補足の項参照]。また、CRISPRは生体内での遺伝子操作に必須な精密な制御手法を欠いている。
非侵襲性、低ダメージ、高精度な時空間制御能力を持つ光は、CRISPR技術のこれらの問題に対処する理想的な解決策になり得る。
このレビューでは、光制御CRISPRの技術的基礎、光ケージ群の種類と特性、そして、核酸およびタンパク質の光制御修飾法について紹介する。さらに、この技術のin vitro診断（等温増幅技術との組み合わせなど）およびin vivo操作（遺伝子編集、転写発現制御、モデル構築、がん治療など）への応用についても概説する。最後に、光感受性基の性能最適化、技術互換性のボトルネックの打破、時空間制御の精度向上、分野横断的な応用の拡大といった今後の開発方向性を展望する。
[補足] CRISPR/Casシステムの活性を時空間制御する必要性
1. CRISPR Dxにおける課題
CRISPR-Casのトランス切断活性（以下、CRISPR反応）はナノモル（nmol）レベルの検出を実現しているが、それでも、微量な低濃度のバイオマーカーの検出には不十分である。その結果、CRISPR Dxでは通常、CRISPR反応の前に、標的核酸を等温増幅することになる。また、等温増幅反応とCRISPR反応の２段階の反応に伴うコンタミネーションのリスクを回避するために、両反応をワンポットで進行させることが試みられているが、ワンポットシステム内での双方の増幅反応の競合を回避することが課題になっている。
等温増幅反応は、DNAポリメラーゼが一本鎖テンプレートに結合し、それを二本鎖産物に伸長することに依存している。対照的に、CRISPR反応は、標的核酸領域（二本鎖または一本鎖）にガイドRNA（gRNA）と複合体を形成したCasタンパク質が結合することに依存している。さらにこの増幅産物（二本鎖DNA）はCas-gRNA結合を立体的に阻害する可能性がある一方で、Casを介した切断は等温増幅に不可欠なテンプレートを損傷する可能性があるため、根本的な矛盾が生じることになる。加えて、両反応はMg2+やdNTPなどの重要な反応成分を巡って競合する。
2. in vivo遺伝子操作における課題
これまでのCRISPR技術は、生体内で「全体的、不可逆的、かつ制御不能」に機能することが多く、オフターゲット効果、意図しない組織損傷、不十分な動的制御を伴っていた。これは、2 つの重要な欠陥として現れる。
- 時間制御が限られている。CRISPR コンポーネントが細胞内に入ると、編集が自律的に開始されるため、必要に応じて特定の時点に活動を制限することが困難になる。
- 空間制御が不十分である。現在の送達方法では、送達ベクターがコンポーネントを周囲の正常細胞に運び、オフターゲット損傷を引き起こす可能性があるため、遺伝子編集が標的細胞または組織でのみ行われることを保証できない。この制御性の欠如は、予測できない副作用のリスクを大幅に高め、潜在的な臨床治療の安全性と有効性に深刻な影響を与える。
[出典] Review "Photoactivation/regulation of CRISPR systems: From in vitro diagnosis to in vivo gene manipulation" Jiang H [..] Lv X. Trends Anal. Chem. 2025-09-27. https://doi.org/10.1016/j.trac.2025.118477 [所属] 北京理工大学 (CN)
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