新しいアルゴリズムが環境DNAから大量の遺伝子編集酵素を発見

CRISPR (規則的に間隔をあけてクラスター化された短い回文反復) は、適応免疫に対する微生物界の答えです。 細菌は、私たちと同じように、病原体に侵入されたときに抗体を生成し、同じ病原体に再び遭遇した場合にそれらの抗体をブロックしません。 代わりに、病原体の DNA の一部をゲノムに組み込み、それを病原体の DNA 配列を認識するために使用できる酵素に結合させ、病原体が再び現れた場合にそれを断片に切断します。

切断を行う酵素は、CRISPR にちなんで Cas と呼ばれます。 CRISPR-Cas システムは細菌の防御機構として進化しましたが、実験室研究における遺伝子操作の強力なツールとして研究者によって利用され、適応されてきました。 また、農業用途でも証明されており、英国では鎌状赤血球症と輸血依存性ベータサラセミアの治療に初の CRISPR ベースの治療法が承認されました。

今回、研究者らは、CRISPR-Cas 様システムのゲノムを検索する新しい方法を開発しました。 彼らは、私たちが使用できるツールが他にもたくさんあるかもしれないことを発見しました。

DNA修飾

現在までに、さまざまな微生物で 6 種類の CRISPR-Cas システムが同定されています。 それらは詳細は異なりますが、すべて同じ魅力を持っています。つまり、これまで技術的に困難で、高価で、時間がかかることを達成するのにある程度の特異性を持って、タンパク質を遺伝物質の特定の配列に送達します。 システム内の任意の DNA 配列をプログラムしてターゲットにすることができます。

微生物の本来のシステムは通常、DNA を切断する酵素であるエキソヌクレアーゼを配列に導入し、病原体の遺伝物質を切り刻みます。 この能力は、遺伝子編集のために選択された DNA 配列を切断するために使用できます。 酵素および/または他の DNA 配列と組み合わせて、追加の短い配列を挿入または削除したり、変異遺伝子を修正したりするために使用できます。 一部の CRISPR-Cas システムは、DNA ではなく特定の RNA 分子を切断します。 これらは、一部のウイルスのゲノムなどの病気の原因となる RNA を、天然の細菌で除去されるのと同じ方法で除去するために使用できます。 これは、RNA プロセシングの欠陥を救済するためにも使用できます。

しかし、核酸を修飾する有用な方法は他にもたくさんあります。 追加の修飾を行う酵素が進化したかどうかは未解決の問題です。 そこで何人かの研究者はそれらを探すことにしました。

MIT の研究者らは、変異型 CRISPR アレイを検出する新しいツールを開発し、それを 8.8 テラ (1,012) 塩基対の原核生物のゲノム情報に適用しました。 彼らが発見したシステムの多くは希少で、過去 10 年間にデータセットに登場しただけであり、以前は入手が困難だった環境サンプルをこれらのデータ リポジトリに追加し続けることがいかに重要であるかを強調しています。

この新しいツールが必要となったのは、タンパク質および核酸配列のデータベースが途方もない速度で拡大しており、すべてのデータを分析する技術もそれに追いつく必要があるためです。 それらの解析に使用されるアルゴリズムの中には、各配列を他のすべての配列と比較しようとするものもありますが、数十億の遺伝子を扱う場合、これは明らかに維持できません。 他の研究者はクラスタリングに依存していますが、非常に類似した遺伝子しか見つけられないため、遠縁のタンパク質間の進化的関係を明らかにすることはできません。 しかし、高速で位置に敏感なハッシュタグベースのクラスタリング (「フラッシュ アセンブリ」) は、数十億のタンパク質をわずかに異なる配列のセットにグループ化することで機能し、新しく希少な近縁種を特定します。

FLSHclust を使用した検索により、188 個の新しい CRISPR-Cas システムを抽出することに成功しました。

たくさんのCRISPyness

作品の中からいくつかのテーマが浮かび上がってきました。 1 つは、新たに同定された CRISPR システムの一部が、これまでに見たことのないドメイン、または既知の遺伝子との融合と思われるドメインを持つ Cas 酵素を使用していることです。 科学者らはまた、これらの酵素のいくつかを特徴づけたところ、1つは現在使用されているCRISPR酵素よりも特異的であり、もう1つは完全に新しいタイプ7 CRISPR-Casシステムを含むほど十分に構造的に異なっていると彼らが提唱するRNAを切断することを発見した。

このトピックの当然の結果は、ヌクレアーゼ (DNA と RNA を切断する酵素) だけでなく、さまざまな機能を持つ酵素を CRISPR アレイと結び付けることです。 科学者たちは、CRISPR を他の種類の酵素や蛍光色素などの分子に結合させることで、遺伝子を標的にするという CRISPR の驚くべき能力を利用してきました。 しかしどうやら進化が先にそこに到達したようだ。

たとえば、FLSHclust は、2 つの異なるタイプの CRISPR システムに関連するトランスポザーゼと呼ばれるものを特定しました。 トランスポザーゼは、DNA の特定の部分をゲノムの別の部分に転送するのに役立つ酵素です。 CRISPR RNA による形質転換は以前にも見られましたが、これは別の例です。 膜貫通ドメインやシグナル伝達分子をもつタンパク質など、さまざまな機能を持つさまざまなタンパク質が CRISPR アレイに関連していることが発見されており、これらのシステムの進化の組み合わせの性質が浮き彫りになっています。 さらに、ウイルスによって発現されるタンパク質がCRISPRアレイに結合して不活性化し、ウイルスがウイルスから身を守るために進化したCRISPRシステムを実質的に無効にすることも発見した。

研究者らは、CRISPR アレイに関連する新しいタンパク質を発見しただけでなく、CRISPR に似ているが CRISPR ではない、Cas 酵素に関連していない他の規則的な間隔の反復アレイも発見しました。 彼らは、これらの RNA 誘導システムの機能については不明ですが、CRISPR と同様に防御に関与していると推測しています。

著者らは、「これらのシステムの生物学と進化についての理解を広げ、新しいバイオテクノロジー開発の出発点を提供するRNA誘導タンパク質のリスト」を見つけることを目指した。 「この研究の結果、CRISPR システムの前例のない規制上および機能上の柔軟性とモジュール性が明らかになりました。」と彼らは書いており、さらに次のように結論付けています。それは地球の生物多様性の未開発の可能性の広さを強調しています。」、地球の生物多様性、そして残りの候補は将来の探査のためのリソースとして役立ちます。

記事DOI: 10.1126/science.adi1910