背景

CRISPR遺伝子ハサミシステムの起源は、細菌がウイルス侵入に対抗する防御機構である。これまで、自然界の微生物ゲノムからCas9やCas12などの核酸分解酵素を発見し、使用するレベルに留まっていた。しかし、天然酵素は細胞への送達効率が低い、または標的としない部位を切断するオフターゲット効果という致命的な欠点がある。タンパク質配列を修正して性能を改善しようとしても、わずかな変化で活性が完全に失われることが多かった。分子ハサミの精巧なメカニズムのため、従来の方式では新しいカスタム酵素の設計に到達することが困難だった。

主要な発見

ジェニファー・ダウドナ（Jennifer Doudna）氏率いるカリフォルニア大学バークレー校の研究チームは、人工知能（AI）に基づいて自然界に存在しない遺伝子ハサミを設計するアプローチを開発した。研究チームが標的とした核酸分解酵素「TnpB」は、分子サイズが小さく、細胞内への送達に有利である。彼らは、タンパク質の3D立体構造に基づいてアミノ酸配列を逆追跡するAIモデル「ESM-IF1」を分析ツールとして採用した。機能維持に不可欠な進化的な配列保存条件をアルゴリズムに統合することで、設計の成功率を大幅に向上させた。

実際に設計された約2,000個の候補群のうち、約25%が活性を持つ遺伝子ハサミであることが実験で確認された。研究チームが合成した人工タンパク質変異体の名称は「SynTnpB」である。SynTnpB変異体は、ヒト、植物、細菌の細胞において、野生型酵素を上回る遺伝子編集性能を示した。その後、クライオ電子顕微鏡を用いて、野生型配列と構造的差異が非常に大きい高活性変異体の3D構造を精密に解明した。分析の結果、人工ハサミは天然酵素には存在しないRNA-DNA接合部の新しい安定化結合ネットワークを独自に構築していた。機能に最適化された非天然の分子構造をAIが自律的に創出できることを実験的に証明した結果である。

意義と展望

遺伝子治療薬の商業化段階で直面する課題は、大きなサイズの遺伝子ハサミを細胞内に安全に送達するためのベクターの不在であった。最も一般的なCas9酵素は、ゲノム受容容量が狭いアデノ随伴ウイルス（AAV）ベクターにまとめて搭載するには大きすぎる。これとは対照的に、SynTnpBはCas9の半分以下のサイズに縮小されており、単一のAAVベクターに治療用遺伝子とともに搭載して送達することが容易になった。送達性能の低下を克服し、効率を最大化するための適切な代替手段が提供された。

ただし、この技術を臨床に応用する前に、免疫原性の問題を事前に解決する必要がある。ヒトの免疫系が自然界に存在しないアミノ酸配列を異物として認識し、免疫攻撃を加える可能性があるためである。したがって、非ヒト霊長類など、さまざまな動物実験を組み合わせて、毒性検証と体内安定性を証明する長い検証段階が不可欠である。