2007年の生理学・医学のノーベル賞：カペッキ、エヴァンス、スミスーズが遺伝子編集マウスの時代を切り開く
この記事で学ぶこと
2007年の生理学・医学ノーベル賞は、生きた哺乳類において特定の遺伝子を正確に標的化し、編集する方法、すなわちノックアウトマウス技術を開発した3人に授与されました。受賞者は、ユタ大学のMario Capecchi、カーディフ大学のMartin Evans、ノースカロライナ大学チャペルヒルのOliver Smithiesです。カペッキとスミスーズは、相同組換えを用いて哺乳類細胞内の特定の遺伝子を正確な位置で編集できることを独立して証明し、エヴァンスは、この方法で操作できるマウス胚幹（ES）細胞を初めて確立しました。これらの3つの発見の組み合わせにより、1989年に最初のノックアウトマウスが誕生し、その後30年間で数万匹の遺伝子特異的なノックアウトマウスが作成され、人間の病気を研究するための標準的なツールとなりました。
従来の知識とは異なること：私たちは今、生きた哺乳類のソースコードを編集できる
20世紀半ばまで、研究者は特定の遺伝子の機能を理解しようとする際に、限られた選択肢しか持っていませんでした。自然に発生する突然変異を待つか、化学物質を使用してランダムな突然変異を誘発し、目的の表現型を選択するか、細胞培養で遺伝子を発現または抑制することができました。生きた哺乳類の特定の遺伝子を正確に編集することは、長らく夢物語とされていました。
これをコンピュータサイエンスの用語で表現すると、この夢の規模がより明確になります。人間とマウスのゲノムは、約30億塩基対を含むソースコードです。その中で、特定の機能、つまり特定の遺伝子を見つけ出し、正確に削除または置換し、編集されたコードがすべての生きた生物内で確実に機能するようにすることです。テキストエディターの視点から見ると、単純な検索と置換の操作のように見えますが、生きた細胞内の30億個の文字の中から特定の場所を正確に編集することは、全く異なる課題です。
カペッキ、エヴァンス、スミスーズは、この課題を2つのステップに分割することで解決しました。まず、彼らは、DNAを修復するために細胞が自然に行うプロセスである相同組換えを利用して、目的の遺伝子を目的の場所に目的の配列で正確に置き換えました。これが編集の操作そのものです。次に、彼らは、体のすべての細胞にこの変更を伝播できる祖先の細胞である胚幹細胞を使用しました。編集は、単一の細胞から始まり、その後、生きたマウスのすべての組織に伝播し、次の世代にも受け継がれます。これらの2つのステップの組み合わせにより、初めて生きた哺乳類のソースコードを編集することが可能になりました。
当時の状況：iPhoneが登場し、サブプライムが崩壊した年
2007年の世界は、2つの大きな出来事の狭間にありました。1月9日、スティーブ・ジョブズはマックワールド・カンファレンスで最初のiPhoneを発表し、6月29日に正式に発売されました。これは、タッチスクリーンとスマートフォンの概念を一般に紹介し、将来のモバイルコンピューティング時代の文法を定義する転換点となりました。11月には、AmazonがKindleを発売し、電子書籍市場を開始しました。これは、消費者向けインターフェースの新しい時代の始まりでした。
同時に、サブプライム住宅ローン危機は夏の頃から表面化し始めました。いくつかの大手ヘッジファンドが崩壊の兆候を示し、ベア・スターンズは苦境に陥り始めました。2008年の金融危機は、この年に予兆され、世界経済は、これから起こる嵐の兆候を感じ始めていました。コモディティのスーパーサイクルはピークに達し、原油価格は1バレル100ドルに近づきました。
韓国もまた、激動の年を経験しました。10月2日から4日にかけて、盧武鉉大統領は北朝鮮の金正日総書記との2回目の南北首脳会談のため、平壌を訪問しました。10月4日の共同声明では、広範な南北経済協力の枠組みが概説されましたが、そのほとんどは政権交代後に保留されました。12月19日、李明博氏が次期大統領に選出されました。これは、実用主義的な政府の始まりであり、大運河プロジェクト、規制緩和、市場志向の政策が新たな優先事項として浮上しました。
12月7日、韓国の泰安沖で、油タンカーのヘビ・スピリットがクレーンバージと衝突し、大規模な油汚染が発生しました。これは、西海で最悪の海洋汚染事故として記録され、数か月間、数十万人のボランティアが、岩や砂浜から黒い油を除去する作業に従事しました。この事件は、災害に直面した際に市民が動員されるという韓国の特徴を再確認させました。
科学コミュニティでは、ノックアウトマウス技術は2000年代初頭にはすでに標準的なツールとなっていましたが、ノーベル賞は、1989年に最初のノックアウトマウスが作成されてから約20年後に、3人に授与されました。これは、この技術を使用して行われた病気モデルと発見の数が非常に多かったためであり、ノーベル委員会がどの個人に賞を授与し、いつ授与するかを決定するまでに時間がかかりました。
伝記的物語：イタリアの街を彷徨う子供から、ユタ州の研究所へ
**マリオ・カペッキ（1937年 - ）**は、20世紀の科学史において最も劇的な物語を持つ人物の一人です。彼はイタリアのヴェローナで生まれ、母親はアメリカの詩人、ルーシー・ラムバーグ・カペッキでした。第二次世界大戦中、母親は反ナチスの詩を書いたためにダッハウ強制収容所に送られ、若いカペッキは5歳から4年間、イタリアの街で生き延びました。彼は学校に通わず、しばしば入浴することもありませんでした。戦後、母親が彼を見つけ、二人はアメリカのフィラデルフィアに移住しました。
路上で育った彼は、学校に入学すると驚くべき才能を発揮し、その後、アントイオック・カレッジとハーバード大学（ジェームズ・ワトソンの研究室）に進学し、最終的にユタ大学の教授となりました。彼の野心的な問いは、「哺乳類細胞において、特定の遺伝子のみを正確に編集することは可能か？」でした。1970年代後半、異種DNAを細胞に導入すると、ゲノム内のランダムな場所に挿入されるということが一般的な認識でした。カペッキはこれに異議を唱えました。「細胞は、自身のDNAを修復する際に、相同配列を参照として使用する。もし、細胞内の特定の遺伝子に相同な配列を異種DNAに付加すれば、細胞はその配列を参照として使用し、その正確な場所に挿入するだろう」。
NIH（アメリカ国立衛生研究所）はこのアイデアに懐疑的で、カペッキの研究助成金の申請を却下しました。カペッキは他の資金を確保し、実験を続け、1988年、彼のチームは哺乳類細胞における相同組換えによる遺伝子の標的化に成功したと報告しました。後日、NIHの審査委員会は、自分たちが間違っていたことを認め、彼の成功を称える手紙を送りました。この逸話は、科学資金提供システムの謙虚さを示す瞬間として記憶されています。
**オリバー・スミス（1925年 - 2017年）**は、イギリスのヨークシャーで生まれました。彼はオックスフォード大学で学士号と博士号を取得し、ウィスコンシン大学で研究した後、ノースカロライナ大学チャペルヒル校に落ち着きました。スミスは当初、インスリンの構造と遺伝に関する研究で知られており、また、デンプンゲル電気泳法の標準的な方法を開発しました。60歳になると、彼は新たな問題、すなわち相同組換えによる遺伝子ターゲティングに取り組むようになりました。ほぼ同時に、そして完全に独立して、スミスもまた、哺乳類細胞におけるこの技術の原理を実証しました。これら2つの論文は、ほぼ同時期に科学雑誌に掲載され、ノーベル委員会はこれらの独立した発見の両方を評価しました。
マーティン・エヴァンス（1941年 - ）は、イギリスのストロウドで生まれました。彼はケンブリッジ大学で博士号を取得し、カーディフ大学に落ち着きました。彼の問いは、別の方向性を持っていました。「編集された細胞を、どのようにして全身の生物に伝播させることができるか？」。答えは、**胚性幹細胞（ES細胞）**でした。初期胚の内細胞塊から得られたこれらの細胞は、体のすべての細胞に分化することができ、試験管内で無期限に培養することができ、編集後に胚に戻して導入することで、すべての成体マウスの組織に組み込むことができます。1981年、エヴァンスと彼の学生であるマシュー・カウフマンは、マウスES細胞を培養する方法を初めて確立し、この細胞株はノックアウト技術の重要なツールとなりました。
これらの3人の個々の業績の組み合わせにより、1989年にカペッキの研究室で最初のノックアウトマウスが誕生しました。それ以来、人間の病気に関連する遺伝子が次々とマウスで操作され、パーキンソン病、アルツハイマー病、心血管疾患、癌、自己免疫疾患、および発達障害のための数千ものマウスモデルが作成されました。
主要な成果：遺伝子編集デプロイメントパイプラインをコンピュータサイエンスの視点から見る
ノックアウトマウスを作成するプロセスは、パイプラインとして捉えることができます。
- ソースの準備（ターゲティングベクター）： 標的遺伝子の5'相同配列、編集インサート（例えば、耐性遺伝子または遺伝子破壊配列）、および3'相同配列を連続的に連結して、DNA断片を作成します。これが編集命令として機能します。
- 隔離された編集（ES細胞ターゲティング）： このベクターをマウスES細胞に導入します。ほとんどの細胞では、ベクターがゲノム内のランダムな場所に挿入されますが、一部の細胞では、相同組換えが起こり、細胞はベクター内の相同配列を使用して、正確な場所で編集を実行します。編集に成功した細胞は、耐性遺伝子を使用して選択されます。
- 検証： 残りの細胞の編集場所をPCRおよびサザンブロット法で検証します。目的の場所が正確に編集され、他の場所に挿入されていないことを確認します。これは、正常なコンパイルの確認ステップです。
- デプロイメント（キメラ形成）： 編集されたES細胞を、別のマウスの初期胚（桑実胚）に注入し、代理母の子宮に移植します。その結果得られるマウスはキメラであり、一部の組織は編集されたES細胞から、他の組織は元の胚から由来します。
- 継承（生殖細胞系列への伝達）： 編集がキメラの生殖細胞に反映されている場合、その一部の子は、編集された遺伝子をヘテロ接合体として受け継ぎます。これらの子を交配させることで、ホモ接合体のノックアウトマウスが得られます。この生物は、私たちが望んでいた最終的な実用展開です。
このパイプラインの本質は、コンパイル時のソース編集 → サンドボックスでのテスト → 制御されたデプロイメント → 生殖細胞系列への伝播です。自然な細胞プロセスである相同組換えは、DNAを修復するために使用され、編集命令が特定の場所に正確に適用されるようにします。また、祖細胞であるES細胞は、編集されたソースが生物のすべての細胞に伝播するようにするために使用されます。
Cre-loxP条件付きノックアウトは、このアーキテクチャの拡張です。遺伝子全体を削除する代わりに、遺伝子の両端にloxPと呼ばれる短い配列を挿入し、所望のときにCre再コンビナーゼを発現させると、2つのloxPサイト間の遺伝子が削除されます。これにより、特定の組織または特定の時点でのみ遺伝子を削除できるようになり、これはフィーチャーフラグとして機能します。これは、胚発生に不可欠であるが、成体では除去できる遺伝子に対処するために重要です。この技術が確立されたことで、ノックアウトマウスの応用範囲は劇的に拡大しました。
ただし、このアナロジーの限界も認識しておく必要があります。ノックアウトマウスは、人間の疾患の完璧なモデルではありません。 マウスと人間は、6500万年前に分岐した種であり、特定の遺伝子を削除することによって生じる表現型は、2つの種でかなり異なる可能性があります。マウスで重度の疾患を引き起こすノックアウトは、人間では軽度の症状を引き起こす可能性があり、その逆もまた然りです。したがって、ノックアウトマウスから得られた結果は、人間の状態を理解するための参考文献ですが、臨床実践に直接適用できる答えではありません。
なぜ重要なのか：ヒトの疾患に対する理解の地平を広げる
第一に、これはヒトの疾患の標準モデルとなりました。 過去30年間で、数万匹のノックアウトマウスが作成され、国際ノックアウトマウスコンソーシアム（IKMC）は、マウスゲノム内の各遺伝子についてノックアウトマウスを確保するプロジェクトを実施しています。このプロジェクトの目標は、各遺伝子の機能を生きた生物の中で観察することであり、これは遺伝子カタログそのものを実験的に完成させるという野心的な試みです。
第二に、これは医薬品開発パイプラインにおいて不可欠なツールとなりました。 新たに発見された潜在的な薬物標的が実際に疾患を引き起こすかどうかを確認するための最初の実験的なゲートウェイは、その標的のノックアウトマウスです。標的を除去しても疾患が誘発されないか、あるいは予期せぬ副作用が現れた場合、その標的に対する医薬品開発戦略を見直す必要があります。21世紀に開発されたほとんどの新しい医薬品（パルボシクリブ（2001年、CDKストーリー）、ピロリ菌治療、パチシラン（2006年、RNAiストーリー）など）は、開発の初期段階でノックアウトマウスによる検証を行っています。
第三に、これは発生生物学の地図を完成させました。 どの遺伝子がいつ、どこで発現し、特定の組織の発達に不可欠であるかという疑問に答えるための最も信頼できる方法は、条件付きノックアウトです。過去30年間で、心臓、脳、腎臓、免疫系の発生地図が綿密に作成され、再生医療および細胞療法の理論的基盤が提供されました。2012年のノーベル賞（山中先生とガードン先生、iPS細胞）は、この地図の中で理解され、今日のオルガノイド研究もその上で行われています。
第四に、これは遺伝子編集技術の概念的な祖先となりました。 2010年代のCRISPR-Cas9革命は、はるかに効率的な切断ツールを用いた相同組換えの原理に基づいています。Cas9が特定の場所にDNAを切断すると、細胞は相同組換えを活性化して損傷を修復します。カペッチとスミスが作成した相同組換えプロトコルが、ここで再利用されています。CRISPR時代であっても、ノックアウトマウスの概念的なルーツは、これらの3人の科学者の2007年の発見に存在します。
第五に、これは科学における人間的な物語です。 イタリアの街で幼少期を過ごしたカペッチが、ユタ州の研究所でノックアウトマウスを作成し、ノーベル賞を受賞したという事実は、20世紀後半の科学史における最も感動的な物語の一つです。5歳から9歳までの4年間、母親と離れて過ごし、再会したという経験が、彼の人生にどのような影響を与えたのか、そして、極度の精密さを必要とする遺伝子工学のパイオニアになった経緯について、彼は深く考察しています。これは、科学が人間の生活にどのように根付いているかについての真剣な考察です。
ノックアウトマウスを使用して、生きた哺乳類のソースコードを編集することが可能になった瞬間、 ヒトの疾患研究は観察の時代から操作の時代へと移行しました。この変革の3人のパイオニアには、世紀の6回目の生理学・医学分野のノーベル賞が授与され、その後、HPV、テロメア、IVF、iPSなどの物語が、この基盤の上に展開されました。
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