塩基編集技術により疾患モデルマウス作製の効率化に成功~アルツハイマー病の原因解明へ~

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2018-07-30 理化学研究所,東京医科歯科大学,ハーバード大学

理化学研究所(理研)脳神経科学研究センター神経老化制御研究チームの西道隆臣チームリーダー、笹栗弘貴研究員、永田健一研究員らの共同研究チームは、近年開発されたゲノム編集技術を改変した「塩基編集技術」を用いると、従来法に比べてマウスに遺伝子変異を高効率に導入でき、しかも同時に複数の変異マウス系統を作製できることを発見しました。

本研究成果は、疾患モデル動物作製に新しい選択肢を提供するだけでなく、疾患の発症メカニズムの解明や、未知の病的変異のスクリーニングなど、生命科学のさまざまな研究分野への貢献が期待できます。

今回、共同研究チームは塩基編集技術を利用して、家族性アルツハイマー病[1]に関連する遺伝子変異をマウスに導入することに成功しました。塩基編集技術は、従来のノックイン技法[2]によるモデルマウスの作製に比べて大幅に変異の導入効率が高く、また複数の異なる変異を持つマウス系統を同時に作製できることが分かりました。さらに、作製した変異マウスはアルツハイマー病患者脳内の病的な状態をよく再現しており、疾患モデル動物作製における塩基編集技術の有用性を示しました。

本研究は、英国のオンライン科学雑誌『Nature Communications』(7月24日:日本時間7月24日)に掲載されました。

※研究チーム

理化学研究所 神経老化制御研究チーム
研究員 笹栗 弘貴(ささぐり ひろき)
研究員(研究当時) 永田 健一(ながた けんいち)
テクニカルスタッフI 関元 みさき(せきもと みさき)
テクニカルスタッフI 藤岡 亮(ふじおか りょう)
テクニカルスタッフI 松葉 由紀夫(まつば ゆきお)
基礎科学特別研究員 橋本 翔子(はしもと しょうこ)
研修生 佐藤 香織(さとう かおり)
チームリーダー 西道 隆臣(さいどう たかおみ)

東京医科歯科大学 医学部 脳神経病態学
教授 横田 隆徳(よこた たかのり)

ハーバード大学 分子細胞生物学部
学生 ディーピカ・クルップ(Deepika Kurup)

※研究支援

本研究は、AMED「革新的技術による脳機能ネットワークの全容解明プロジェクト(プロジェクトリーダー:岡野栄之、宮脇敦史)」、JSPS科学研究費助成事業 基盤研究C「ゲノム編集技術を利用した変異プレセニリンによるアルツハイマー病機序の系統的解析(研究代表者:笹栗弘貴)」による支援を受けて行われました。

背景

近年、ゲノムDNAの配列解析技術は著しく発展し、疾患に関連する遺伝子変異の報告数が大幅に増加しています。例えば、家族性アルツハイマー病の原因として知られるプレセニリン遺伝子[3]の点変異[4]には、200以上もの報告例があります。しかし、遺伝子の特定領域を置換する従来のノックイン技法でモデル動物を作製する場合、一つの点変異を持つモデルマウスですら数年かかることがあります(図1左)。そのため、それぞれの点変異が生体にどのような影響を及ぼし、疾患を引き起こすのかを明らかにするのは困難でした。

1990年代後半以降、ゲノムDNAを構成する塩基の配列を特異的に切断する酵素を用いて、ゲノムDNA上の目的の配列に変異を生じさせる「ゲノム編集技術」が次々と開発されています。しかし、2012年に報告されたゲノム編集技術の代表格である「CRISPR/Cas9[5]」は、塩基配列の切断を伴うため、しばしば意図しない点変異が生じたり、切断の痕跡がゲノムDNAに残ったりするという問題がありました。この問題を解消するため、CRISPR/Cas9をもとに「塩基編集技術」という新しいゲノム編集技術が2016年に開発されました注1, 2)(図1右)。この技術は従来のゲノム編集技術と異なり、ゲノムDNAを切断する頻度を著しく減少させた上で、目的の塩基のみを異なる塩基に置換することにより、点変異を導入できます。

今回、共同研究チームは、2016年にハーバード大学のデビッド・リュー博士らが開発した「Base Editor(BE)注1)」と、同年神戸大学の近藤昭彦博士らが開発した「Target-AID注2)」という2種類の塩基編集ツールを用いて、プレセニリン遺伝子に点変異を持つマウス個体(変異プレセニリンマウス)の作製を試みました。

注1)Komor AC, Kim YB, Packer MS, Zuris JA, Liu DR. Programmable editing of a target base in genomic DNA without double-stranded DNA cleavage. Nature 533, 420-424 (2016).
注2)Nishida K, et al. Targeted nucleotide editing using hybrid prokaryotic and vertebrate adaptive immune systems. Science (New York, NY) 353, (2016).

研究手法と成果

まず、プレセニリン遺伝子の1,306番目の塩基であるシトシンの、チミンへの置換を試みました。マウス受精卵にBEかTarget-AIDのいずれかとsgRNA (single guide RNA)を注入した後、個体の誕生を待ってゲノムDNAの配列を解析しました(図2左)。シトシンからチミンへの点変異が生じていれば、プレセニリンタンパク質の436番目のアミノ酸がプロリン(P)からセリン(S)に置換されます(P436S)。

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