CRISPR-Cas9(クリスパーキャスナイン)の仕組みをわかりやすく解説

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CRISPRというゲノム編集技術を耳にする機会が増えました。

CRISPRについて調べようにも、さまざまな専門用語で理解しづらい・・・と思いませんか?

今回は、必要最低限の単語を使って、CRISPRをシンプルに解説します。

仕組みの全体像をつかむヒントになればうれしいです。

 

今回のキーワード

ガイドRNA(sgRNA

クリスパーRNA(crRNA)

トレーサーRNA(tracrRNA)

Cas9(キャスナイン)

回文配列/スペーサー配列/反復配列(リピート配列)

 

CRISPRの基本構造

CRISPRとは、狙ったDNA配列を正確に切り貼りする技術です。

とてもシンプルに説明すると、次の2つの要素から構成されています。

 

CRISPRの構成要素

ハサミ + ガイド

 

CRISPRが行うのは2つのステップ

●探して

●切断します

 

探し役は、ガイドRNA。

カット役は、Cas9(キャスナイン)。Cas9はハサミですね。

 

両者の働きをイメージ図にするとこんな感じ。

探したい情報が書かれたチケットをもとに、DNAの塩基配列の中から同じ配列を探します。

チケットを持ったハサミが、チケットと同じ塩基配列を見つけると、その塩基配列をカットします。ここでチケットがガイドRNA、ハサミがCas9です。

 

ガイドRNAは敵の配列を持っていることになります。

上記のように、CRISPRは、ガイドRNAとCas9が合体してコラボレーションして、狙った配列を探し出して切断します。

 

CRISPRは細菌が持つ「獲得免疫」システム

そもそもCRISPRってなにか?というと、

細菌がウイルスの侵入に対抗するための免疫システムです。

 

CRISPRは自然界にもとから存在する仕組みなのです。

それを実験室で再現できるようにしたのが、ゲノム編集技術としてのCRISPRです。

ここを分けて考えないと、いろいろなRNAが登場して混乱してしまいます(わたしは混乱しました)。

 

私たちの身体が、過去に身体に侵入した病原体を覚えておいて、2度目に侵入してきたときに直ちにやっつけるように、細菌も、侵入してきたウイルスの遺伝子を切り刻み、自分のDNAに組み込んで記憶しています。

CRISPRは私たちがもっている獲得免疫に相当するわけですね。

 

細菌に侵入するウイルスのことをファージといいます。

細菌が記憶している、さまざまなファージの塩基配列はスペーサー配列と呼ばれます。

 

スペーサー配列

敵の情報を記憶している保管庫

 

CRISPRの配列にはある特徴があります。

それは、敵の配列情報を記憶したスペーサー配列の間に、反復配列(リピートともいいます)という同じ配列があることです。

スペーサー配列=細菌が記憶している敵の塩基配列

反復配列=スペーサー配列の間にある同じ配列

CRISPR=スペーサー配列 + 反復配列 +スペーサー配列 +反復配列 + ・・・・

となっているわけです。

 

ちょっと補足しておくと、反復配列は、回文配列を含んでいます。

回文配列というのは、

片方から読んだ鎖と、それと対をなす鎖を逆から読んだ場合が一致する配列をいいます。

下の例では、

片方から読んだ鎖=CTAG・・・・・①

対をなす鎖=GATC・・・・・・・・②

対をなす鎖を逆から読む=CTAG・・③

➡①=③ですよね。

このような配列を回文配列といいます。

 

CRISPRの仕組みをもう少し詳しく

CRISPRの仕組みをもう少し詳しく解説します。

先ほど、CRISPRはガイドRNAとCas9がコラボして、狙った配列を探し出してカットする、と書きました。

ガイドRNAは一般に、sgRNAと表記されます。

 

おさらい

ガイドRNA=敵の配列情報をもったチケット

Cas9=ハサミ

 

ガイドRNA(sgRNA)は、2つのRNAをつないだ呼び名です。

これを頭においてもらって、まず自然界におけるCRISPRの仕組みを簡単に説明します。

細菌、古細菌など自然界のCRISPRの仕組みは次のとおりです。

 

①過去に侵入したファージCが再度侵入する

②CRISPR領域のうち、過去に感染したファージCの配列を持つ領域が転写されて、クリスパーRNA(crRNA)が合成される

※クリスパーRNA(crRNA)は敵(ファージC)とペアになる配列を持っている

 

③クリスパーRNA(crRNA)とトレーサーRNA(tracrRNA)が複合体をつくり、クリスパーRNAと同じ配列をもつ場所までCas9をまでガイド

※トレーサーRNA(tracrRNA)は別の配列から転写されてできる

④クリスパーRNA(crRNA)とペアになる塩基配列をCas9が切断

 

上記の通り、細菌では2つのRNAとタンパク質(Cas9)がコラボして働きます。

これを人工的に使いやすくするために、クリスパーRNAとトレーサーRNAを1本につなげました。

これがガイドRNAです。

 

人工CRISPRで使うガイドRNA(sgRNA)

=クリスパーRNA(crRNA)とトレーサーRNA(tracrRNA)を組み合わせたもの

 

CRISPRがすごいのは、

クリスパーRNAの配列を人工的に設計することで、狙ったところでDNAを切断できることです。

つまり、チケットに書く内容を変えるだけで、ハサミがそれをもとに望みの場所を切断してくれるのです。

 

CRISPRを発表したダウドナ、シャルパンティエは、2っのRNAをつないだガイドRNAとCas9を組み合わせ、狙った配列を切断できる実験も成功させています。

 

とても興味深い技術ですので、CRISPRについては今後も記事で紹介していきますね。

 

【参考】

CRISPR-Cas9 基本の「き」

 

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