九州大学の伊藤隆司教授が率いる研究チームは今回、先行研究で開発したCas9ニッカーゼ（nCas9）をベースとするBITREx [＃] の並列化（parallel BITREx / パラレルBITREx）の実現とその応用について、Cell Reports Methods 誌刊行論文で紹介しています。
[詳細]
生物学的機能は、複数の遺伝子産物の協働によって生じます。研究チームは、共同する遺伝子の発現量における遺伝的変異は、配列の多様性を超えた多様性のレイヤーを構成することで急速な適応進化の基盤となり、細胞特性の人工的な増強のための強固なプラットフォームに至ると考えました。そこで、研究チームは、遺伝子の発現量を遺伝子コピー数に置き換えてその組み合わせをランダム化することで、機能的異質性と進化の可能性に富んだ細胞集団を生成することで機能空間を拡張することで、望ましいが実現されてない機能や、考えたこともない機能を探索できると、考えました。
研究チームはこうした発想を実装するベースとなる技術をすでに手にしていました。それはCas9ニッカーゼ（nCas9）をベースとする遺伝子増幅法であるBITREx（Break-Induced Replication-mediated gene amplification）であり、今回、これを並列化しました。
パラレルBITRExの仕組みと効果
- nCas9の標的化：Cas9ニッカーゼは、異なる染色体に組み込まれた特定の遺伝子アレイ（または目的遺伝子）に誘導されます。
- DNAニックの誘導：DNAに一本鎖切断（ニック）を生じさせることで、複製フォークの停止と分解が引き起こされます。
- 組換えの誘導：細胞内在のニック修復過程BIR（Break-Induced Replication）を介して、標的領域をタンデムに複製することで切断されたフォークが修復されます。
- 多様性の生成：ニックは異なる染色体上で独立して発生するため、改変されたアレルは細胞分裂時に様々に分離されます。こうして、数回の細胞周期を経るうちに、コピー数と比率が大きく異なる多様なアレルが生成されます。
- したがって、BITRExをm個の遺伝子にN世代にわたって適用すると、集団内で最大(N + 1)^m個の異なる遺伝子型を生成できます。また、膨大な変異株を作出する代わりに、単一の「異質な」集団を利用して、目的に満たす形質をもたらす遺伝子型を同定できます。
実証実験
出芽酵母 Saccharomyces cerevisiae に導入した3つのカロテノイド生合成遺伝子（crtE、crtI、crtYB）にパラレルBITRExを適用することで、絶対コピー数と化学量論比の両方において幅広い変動を示し、代謝産物が極めて多様な細胞集団を得ることができました。この細胞集団から、安定化が困難であったβ-カロテン収量が劇的に向上した優れた遺伝子型を容易に特定することができました。
[＃]
- 2024-07-30/2026-05-31 Cas9ニッカーゼの戦略的ターゲティングによって大規模なゲノム重複を誘導する. ；BITREx (Break-Induced Replication-mediated Tandem Repeat Expansion) と PNAmp (paired nicking-induced amplification)
[出典] "Parallel gene amplification by Cas9 nickase for generating functionally heterogeneous cell populations" Hiroaki Takesue (2), Satoshi Okada (3), Takashi Ito (2). Cell Rep Methods. 2026-05-25. https://doi.org/10.1016/j.crmeth.2026.101467
- Department of Biochemistry, Kyushu University Graduate School of Medical Sciences, Fukuoka 812-8582, Japan
- Present address: Division of Transcriptomics, Medical Institute of Bioregulation, Kyushu University, Fukuoka 812-8582, Japan
- Present address: Department of Biological Science, Faculty of Science and Engineering, Yasuda Women’s University, Hiroshima 731-0153, Japan
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