Doudna研究室のPeter H. Yoon博士候補生とKenneth Loi研究助手が主導し、クラス1 CRISPRのcas5-7 [crisp_bio 2024-08-27] の祖先と思われる標題システムを発見し、VIPR（Viral Interference Programmable Repeat：ウイルス干渉プログラマブル・リピート）として、bioRxivプレプリント [＃1] にて紹介しています。また、そのクライオ電顕法による構造解析も同時配信のbioRxivプレプリント [＃2] にて紹介されています。
[詳細]
研究チームはCIRPSRの起源を構造に基づいて探索した結果、ファージ由来のRAMP（epeat-associated mysterious protein）様タンパク質を発見しました。生成生物学のAIモデルであるEvo2 [crisp_bio 2025-02-22/2026-03-26] を用いた解析した結果、VIPRのガイドRNA（vrRNA）は、保存されたGGYセグメントと極めて可変性の高いNN塩基（GGY/NNモチーフ）が交互にならんだアレイで構成されており、この超可変領域NNに標的情報がコードされていました。
VIPRタンパク質は、9～16個のYNNGG vrRNAタンデム反復配列内のギャップを挟んだNNジヌクレオチド配列という形でこのコードを利用し、RNA-DNAヘテロ二重鎖の大部分が未対合のまま、周期的な1ヌクレオチドのスキップを伴う非連続DNA標的認識を行います。すなわち、VIPR-vrRNAは、CRISPR、CRISPR、RNAi、アルゴノートなどに伴うほとんどのガイドRNAとは異なり、標的を連続した配列として認識しません。
VIPRタンパク質は、9～16個のYNNGG vrRNAタンデム反復配列内のギャップを挟んだNNジヌクレオチド配列という形でこのコードを利用し、RNA-DNAヘテロ二重鎖の大部分が未対合のまま、周期的な1ヌクレオチドのスキップを伴う非連続DNA標的認識を行います。すなわち、VIPR-vrRNAは、CRISPR、CRISPR、RNAi、アルゴノートなどに伴うほとんどのガイドRNAとは異なり、標的を連続した配列として認識しません。
バクテリオファージおよび原核生物ゲノム内に少なくとも7種類の異なるVIPRシステムが発見されましたが、その多くが他のファージを標的としていました。しかし、NNの位置を調節することで、GFPの転写抑制が可能になることが確認されました。
こうして、VIPRは、ウイルス間の進化的軍拡戦争の産物であることが示唆されましたが、細菌がこれを獲得し、Cas1様インテグラーゼとの結合を経て、ウイルスとの遭遇を遺伝可能な免疫記憶へと変換したストーリーが浮かび上がって来ました。
クライオ電顕法で再構成したVIPRの構造も、想定を超えていました。VIPRはタンパク質フィラメントとしてDNAに巻き付き、ガイドRNAと2本のDNA鎖を三重らせん構造のコアに保持してていたのです。
VIPRプロトマーはvrRNAに沿ってオリゴマー化し、右巻きらせん状フィラメントを形成します。このフィラメントが各GGYモチーフを隔離し、隣接するNN塩基を標的塩基対形成に適した位置に配置します。3番目のヌクレオチドごとにスキップされるDNA結合により、標的鎖が回転し、ギャップのあるvrRNA-DNAハイブリッドらせんが形成されます。このハイブリッドらせんが非標的DNA鎖を包み込み、構造的なトリプレックスを形成します。
これらの発見は、VIPRにおける非連続的なRNA誘導型DNA結合の構造基盤を提供し、三重らせん構造を介した標的鎖の受け渡しが、プログラム可能な核酸認識の洗練されたメカニズムであることを提示している。
VIPRシステムは、わずか1つの小さなタンパク質（約20 kDa）と1つのガイドRNA（100ヌクレオチド未満）だけで構成されています。また、PAM制約なしに遺伝子のDNA鎖上の標的配列を認識し、容易に再プログラム可能です。これらの特性により、VIPRはこれまで報告されているRNA誘導型DNA認識プラットフォームの中で最も最小限の構成で、かつ汎用性の高いものの一つとなっています。転写調節に加えて、合成VIPR融合タンパク質は、ゲノム編集、DNA遺伝子座イメージング、エピジェネティック修飾などの応用を可能にする可能性があります。さらに広く言えば、RNAを介した配列認識のための新たなコードの発見は、プログラム可能な遺伝子制御の既知の設計空間を拡大し、RNA誘導型認識のさらなる様式がまだ発見されていないことを示唆しています。
[注] 研究チームは、今回発見したファージ由来のVIPRからCRISPRシステムへの進化過程のモデルも提唱しています [出典＃1のFigure 5 B 参照]。
VIPRは、少なくとも一部では、標的転写サイレンシングによってファージの増殖を制御する抗ファージシステムとして機能することが確認されました。原理的には、ファージは同義コドンの3番目のヌクレオチド（ウォブル位置）に変異が生じることで、直接的な配列標的化に対する耐性を獲得できます。注目すべきは、VIPRシステムでは、標的DNA認識にあたりスキップされたヌクレオチドが一般的にコドン・ウォブル位置に対応することである。このスキップ機構により、VIPRシステムは同義コドン置換によるウイルスの耐性を克服できると考えられます。これらの観察結果に基づき、細菌は宿主防御のために、ファージ間戦争で使用されていた祖先型のVIPR様システムを転用したと考えられます。
このような防御関連VIPRとCas1様トランスポザーゼの結合により、遺伝可能な免疫記憶が獲得され、最初のCRISPRシステム（ancestral CRISPR）が誕生したと考えられます。その後、祖先型RAMPの複製と多様化によって、特殊なクラス1 CRISPR RAMP（Class 1 CRISPR; cas5-7）が生成され、さらに、RAMPエフェクターが非RAMPエフェクターに置き換えられることで、クラス2 CRISPRシステム（cas9/12/13）が誕生したと想定されます。
[＃] 出典
- "A Noncontiguous Code for RNA-Guided DNA Recognition Preceded CRISPR" Yoon PH [..] Loi K [..] Doudna JA. bioRxiv 2026-04-27 (preprint) https://doi.org/10.64898/2026.04.26.720920 [所属] UC Berkeley, Lawrence Berkeley National Laboratory, Gladstone Institutes/UCSF
- "Triplex formation drives noncontiguous VIPR RNA-guided DNA recognition" Yoon PH, Docter TA, Zhang Z [..] Doudna JA. bioRxiv. 2026-04-27 (preprint). https://doi.org/10.64898/2026.04.26.720927 [所属]University of California, Berkeley, Gladstone Institutes/UCSF, Lawrence Berkeley National Laboratory
コメント