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DNAとRNAプログラミングの最新ツール: 遺伝子工学の未来とプログラマブル医療の展望

“生物学の世紀” を加速させることを使命に持った科学者、作家、投資家の Elliot Hershberg (エリオット・ハーシュバーグ) 氏による、DNAやRNAのスレッドをご紹介します。

遺伝子工学の分野は急速に発展しており、最近のブレークスルーは研究と治療に有望な新しい道を提供している。ここでは、DNAやRNAをプログラミングする最新のツール、そのメカニズム、潜在的な応用例、そしてそれらがプログラマブル医療の未来にもたらす臨床的意味合いについて包括的に概観する。

ここ数週間で、DNAやRNAをプログラミングするための新しいツールが爆発的に増えている。これらの新しい成果について知っておく必要があるすべてのことをまとめたスレッド：

何を取り上げるのか？

– HACE、連続突然変異誘発のための CRISPR ツール
– RNAライティングの進歩
– ブリッジRNA
– 新しいレトロンの数々
– プログラマブル医療の臨床的意義

さあ始めよう！

HACE (Homology-Directed Continuous Evolution)

HACE とは？

HACE (Homology-Directed Continuous Evolution) は、CRISPR 技術を応用した新しい遺伝子編集ツールで、連続的な突然変異（連続的な進化）を可能にします。従来の CRISPR-Cas9 技術が特定のDNA配列を正確にカットして編集するのに対し、HACEはターゲットとなる遺伝子配列の継続的な進化を促進することができます。これにより、有益な突然変異を迅速に発見し、新しい生物学的特性や治療法の開発を加速することが期待されています。

Daniel MacArthur と Tuuli Lappalainen が指摘するように、遺伝的変異はゲノム機能を解読するための最も強力なツールの一つである。自然な遺伝的変異は、新たな創薬標的を発見するための最良のリソースの一つである。

爆発的な成長を遂げた人類は、自ら包括的な飽和突然変異誘発実験を行った。現在では、生命に適合するあらゆる塩基置換が、80億人近い現生人類のどこかに存在すると予想される。こうして人類は、事実上、自らの遺伝子型-表現型マップを理解するために必要な自然実験の多くを行ったのである。このため遺伝学者に残された仕事は、これらの実験結果の目録を作成し、観察的アプローチと実験的アプローチの両方を活用して、変異体が生物学を変化させるメカニズムを理解することである。

研究室で遺伝的変異を研究するツールも役に立つ。

Fei Chen Lab 研究室と Brad Bernstein 研究室の Dawn Chen と Zeyu Chen が率いる新しい研究では、CRISPRベースのツールであるHACEについて述べられている。

これがこの技術の成果である。HACEを使って、著者らは薬剤耐性のメカニズム、RNAスプライシング、免疫系における遺伝的変異の役割について掘り下げた。遺伝的変異をプログラミングするための強力な研究ツールと言えそうだ。

最初の著者の一人による素晴らしいスレッドがある：

内因性ゲノムの標的特異的変異誘発を実現する最新の長距離プログラマブル変異誘発ツールボックス、ヘリカーゼ支援連続編集（HACE）システムをご紹介します。

HACE : 連続変異導入のための CRISPR ツール

HACE (Homology-Directed Continuous Evolution) は、CRISPR 技術の大きな進歩であり、標的DNA配列の連続的な変異誘発を可能にする。従来の CRISPR-Cas9 が特定の場所でDNAを正確に切断して編集するのとは異なり、HACE は遺伝子配列の継続的な進化を可能にし、有益な変異の発見を加速する可能性がある。

このツールは、制御された実験室条件下で遺伝形質の迅速な進化を可能にすることで、遺伝子治療、タンパク質工学、新しい生物学的システムの開発へのアプローチ方法に革命をもたらす可能性がある。

RNAの書き込み

これまでのところ、CRISPR革命はゲノムに永久的な編集を加えるための多種多様なツールを生み出してきた。最近では、細胞の*transcriptome (トランスクリプトーム)*のプログラム可能なエンジニアリングに注目が集まっている。

pdhsuおよび@SKonermann研究室の@sitaritapitaと@cyrus_tauが率いる@arcinituteの新しい研究が、異なるRNA分子の転写産物をつなぎ合わせるためのRESPLICEというツールを導入した。

これはトランス・スプライシングと呼ばれる珍しいプロセスで、異なるプレmRNA分子のエクソンが結合する。このプロセスを制御できるようになると、「病気の原因となるエクソンの置換、切断されたタンパク質の修復、タンパク質の融合」を可能にする。

新しい技術に関する Patrick Hsu 氏の素晴らしいスレッドです：

RNAの送達と治療法の時代において、私たちはメッセンジャーRNAに直接RNA分子を「書き込む」ことで、病気の原因となるエクソンを置き換えたり、合成タンパク質を設計したりすることを追求した。

RESPLICEに関する我々の新しい研究は、完全にプログラム可能で高効率（45-90％）のトランスクリプトーム・エンジニアリングを可能にする。

トランススプライシングの可能性を追求したのは、これらの研究室だけではなかった。

同じ頃、@jgooten + @omarabudayyeh（以下「JOMAR」）研究室のCian Schmitt-Ulmsと@alisankayabolenが率いる研究が、プログラムによるトランススプライシングへの別のアプローチについて述べていた：

これは Omar Abudayyeh による新技術の素晴らしい内訳だ：

DNA書き込みツールはゲノム編集に革命をもたらした。しかし、RNAのあらゆる編集、挿入、欠失を安全に行うにはどうすればよいのだろうか？本日は、RNAのあらゆる編集を可能にする新しいRNA書き込みツール、PRECISE編集について報告する。

雷は2度落ちたのではなく、3度落ちたのだ。その数日後、デューク大学アソカン研究室の@DFiflisが率いる研究が、CRISPRに基づくトランススプライシングへの*3番目の*アプローチを発表した：

これは本当にエキサイティングなことだが、私の言葉を鵜呑みにしてはいけない。Kurian Lab によれば、”RNA生物学者にとって、これはCRISPR/Cas9 に関する最初の報告と同じくらい重要である“。

RNA生物学における2つの革新的技術！おそらく、RNA生物学者にとって、これは CRISPR/ Cas9 に関する最初の報告と同じくらい重要である。

RNAライティング療法にとってエキサイティングな時期だ。Wave Life Sciences (ウェーブ・ライフ・サイエンシズ / WVE) と Ascidian Therapeutics (アシディアン・セラピューティクス / ADXN) の2社は、すでにRNA編集医薬品の臨床試験を準備している。これらの新しいツールは、まだ始まったばかりである。

RNAライティングの進歩

RNAライティングにおける最近の進歩は、細胞内でRNA配列を合成し、新しいRNAメッセージを効果的に “書き込む “ことのできるツールや方法の開発を含んでいる。この技術は、治療用RNA分子をその場で生産するのに用いることができ、細胞自身の機械を利用することによって病気を治療する新しいアプローチを提供する。

RNAライティングは、治療用タンパク質の発現、遺伝的欠陥の修正、あるいはDNAそのものに手を加えることなく遺伝子発現を調節するための汎用性の高いプラットフォームを提供することにより、遺伝子治療を一変させる可能性を秘めている。

ブリッジRNA

バイオエンジニアリングは奇妙な学問である。CRISPR は発明されたのではない。発見されたのだ。細菌ゲノムには他にどんな分子ツールが隠れているのだろうか？

Patrick Hsu の研究室は、この疑問に答えるべく忙しい日々を送っている。

Matt Durrant と Nicholas Perry が率いる新しい研究は、移動性遺伝要素がどのように機能するかをよりよく理解するために、バクテリアのゲノムデータを調べ上げた。

IS110モービルエレメントのノンコーディング領域を注意深く研究した結果、彼らは驚くべきことを発見した：

それは、ターゲットDNAとドナーDNAを認識するRNA分子（現在ではブリッジRNAと呼んでいる）が含まれていることである。

研究チームは、これらのブリッジRNAが、”配列特異的な挿入、切除、逆位を可能にする” ために使用できることを示した。

以下は Patrick Hsu 氏からの全文である：

キーストーン・シンポジウムで、ブリッジRNAリコンビナーゼ機構に関するアーク研究所の新たな発見が発表された：

RNAiやCRISPRのプログラム可能性という重要な特性を保持しつつ、RNAやDNAの切断を超えた大規模なゲノム設計を可能にする、新しいクラスの天然RNAガイドシステムである。

ブリッジRNA

ブリッジRNAは、RNA分子が特定のタンパク質複合体のアセンブリーや、細胞内での分子ペイロードのデリバリーを促進するためのブリッジとして機能するという新しいコンセプトである。このアプローチは、RNAの多用途性とプログラム可能性を活用し、細胞プロセスを高精度で制御する。

ブリッジRNAの使用は、分子レベルで疾患を標的とする革新的な治療法につながる可能性があり、細胞経路の正確な操作や治療薬の標的送達を可能にする。

さらなる retrons (レトロン)

ありふれた風景の中に隠れているゲノム操作ツールといえば、レトロンに注目しよう。CRISPR と同様、レトロンはバクテリアとウイルスの分子戦争の副産物である：

レトロンはバクテリアの中で遺伝的にコードされている。このシステムは、発現するノンコーディングRNA分子から構成されている。同じオペロンには逆転写酵素が存在し、RNA分子をDNAに戻すことによって大量の一本鎖DNA分子（レトロン）を作り出す。現在のところ、ウイルスがこれらの分子を切り刻むことで、宿主細胞の自殺スイッチとなる有毒な副産物が生成されることがわかっている。細胞が死滅するとファージは繁殖できなくなり、近隣の細胞は感染を免れる。

技術的な観点から見ると、レトロンは細胞内で豊富な一本鎖DNAを生成するのに使用できる、 ゲノム工学のための鋳型DNA分子の作成など、多くの応用が考えられる。しかし、われわれはレトロンについて十分な知識を持っていない。

最近、UCSFの Seth Shipman (セス・シップマン) 研究室の研究が「これまでで最も広範なレトロンの特性評価」を行い、100以上の新しいレトロンを合成して実験室でテストした。

この「国勢調査」は、将来のレトロン・エンジニアリングのための金鉱である。すでに、彼らはより効率的なレトロンを発見しているようだ：

CRISPRのようなゲノム工学のツールボックスの標準的な一部にはまだなっていないが、このような詳細な研究が進めば、レトロンは細胞内でプログラム可能なDNA生産のための重要なツールとして確立されるだろう。

新しいレトロン

レトロンは、生体内で一本鎖DNAを産生するバクテリアのDNA配列である。最近の発見により、多様な配列と性質を持つ新しいレトロンが多数発見され、遺伝子工学に利用可能なツールキットが拡大している。

ssDNAを生成するユニークな能力を持つレトロンは、DNA合成、遺伝子編集、新しい遺伝子回路の開発などへの応用が期待されている。レトロンは、従来のプラスミドベースの手法に代わる可能性を提供し、合成生物学から治療開発まで幅広い応用が期待できる。

臨床への影響

バイオテクノロジーでは、低分子化合物や抗体のような特定の疾患治療法である薬剤様式についてよく話題にする。私たちが調べた新しいツールは、どれも数週間のうちに発表されたものだ。10年後の世界はどうなっているのだろうか？100年後？

私たちは、新しい応用のたびに集中的な開発を必要とするモダリティから、全く新しい医薬品を作るために命令だけを更新する必要のあるプログラム可能なモジュールへと移行することができる。2つの病気の間では、ガイドRNAだけが変化する。

#CRISPR は治療のためのプラットフォームである。

Intellia Therapeutics (インテリア・セラピューティクス / NTLA) は、肝臓編集に関する2つ目の「nothing but net」臨床データセットについて、技術的には、別の疾患における以前のそのような取り組み（34215024）のコピーペーストであると述べている。https://nejm.org/doi/10.1056/NEJMoa2309149…私たちはこのプラットフォームを拡大し、このアプローチで治癒可能な重度の代謝性疾患を持つ1000人の新生児（h/t @kiranmusunuru ）を治療しなければならない。
現時点では、営利目的のバイオベンチャーはこれを引き受けないだろう。クラス最高の編集データを持っているインテリアは、スタッフを解雇せざるを得なかった（！！）。 ここで、アカデミック／非営利セクターの出番となる。

プログラマブル・メディシンの臨床的意義

DNAおよびRNAプログラミングツールの進歩は、高度に個別化された医療への道を開くものであり、そこでは個人の遺伝的体質に合わせた治療が可能となり、より効果的で的を絞った治療が提供される。

プログラマブル医療は、新しい病原体と闘うための新しいワクチンや治療法を迅速に開発することで、新興感染症への迅速な対応を可能にする。これらの技術が進歩するにつれて、遺伝子編集、オフターゲット効果の可能性、そしてこれらの最先端治療へのアクセスに関する倫理的な重要問題も浮上してくる。

Fyodor Urnov が指摘するように、これらの技術の可能性を最大限に発揮するためには、試験と商業化を再考する必要がある。これについては、次回のエッセイで取り上げる予定だ。それまでは、CoB ですべてのリンクとより深い説明を見つけることができる：

DNAとRNAをプログラムする新しいツールの爆発的な増加は、遺伝子工学とプログラム可能な医療の分野における重要なマイルストーンである。これらの進歩は、疾病の治療法、生物学的システムの理解、遺伝情報の活用法などに革命をもたらす可能性を秘めている。しかし、私たちがこの新たなフロンティアに踏み出すにあたり、これらの強力な技術に伴う倫理的、規制的、技術的な課題を乗り越えることは極めて重要である。

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