From the smallest single-celled organism to the largest creatures on earth, every living thing is defined by its genes. The DNA contained in our genes acts like an instruction manual for our cells. Four building blocks called bases are strung together in precise sequences, which tell the cell how to behave and form the basis for our every trait. But with recent advancements in gene editing tools, scientists can change an organism’s fundamental features in record time. They can engineer drought-resistant crops and create apples that don’t brown. They might even prevent the spread of infectious outbreaks and develop cures for genetic diseases. CRISPR is the fastest, easiest, and cheapest of the gene editing tools responsible for this new wave of science. But where did this medical marvel come from? How does it work? And what can it do?
最小の単細胞生物から 地球最大の生物まで 全ての生物は遺伝子によって 形作られています 遺伝子に含まれるDNAは 細胞の設計図のような働きをします 塩基と呼ばれる4種類の基本的な構成要素が 正確な順序で並んでおり 細胞の振る舞いを定め 私たちのあらゆる特徴を 基本的な部分で形作ります しかし 最近の遺伝子編集技術の 進歩によって 科学者たちは生物の基本的な性質を 記録的な速さで変えられるようになりました 乾燥に強い農作物や 色の褪せないリンゴを 作り出せるようになったのです 感染症の突発的な発生を防ぐことや 遺伝子病の治療方法の開発さえも できるかもしれません CRISPRは最も高速、簡便で安価な 遺伝子編集技術であり この新しい科学分野の流行の 原動力となっています でも この驚くべき医療技術は どこから来たのでしょう? その仕組みは? そして これを用いて 何ができるのでしょう?
Surprisingly, CRISPR is actually a natural process that’s long functioned as a bacterial immune system. Originally found defending single-celled bacteria and archaea against invading viruses, naturally occurring CRISPR uses two main components. The first are short snippets of repetitive DNA sequences called “clustered regularly interspaced short palindromic repeats,” or simply, CRISPRs. The second are Cas, or “CRISPR-associated” proteins which chop up DNA like molecular scissors. When a virus invades a bacterium, Cas proteins cut out a segment of the viral DNA to stitch into the bacterium’s CRISPR region, capturing a chemical snapshot of the infection. Those viral codes are then copied into short pieces of RNA. This molecule plays many roles in our cells, but in the case of CRISPR, RNA binds to a special protein called Cas9. The resulting complexes act like scouts, latching onto free-floating genetic material and searching for a match to the virus. If the virus invades again, the scout complex recognizes it immediately, and Cas9 swiftly destroys the viral DNA.
驚くべきことに CRISPRは 自然界で起きている作用であり 遠い昔から細菌の免疫系で 機能していました もともとは単細胞生物や古細菌が ウイルスの侵入から 防御するシステムとして発見され 自然界で起こるCRISPRは 2つの構成要素を利用します 1つ目は 短く同じ配列が 繰り返されるDNAの断片であり 「クラスター化され、規則的に間隔があいた 短い回文構造の繰り返し」 縮めてCRISPR(クリスパー)と言います 2つ目は Cas(キャス) CRISPR関連タンパク質というもので 分子でできたはさみのように DNAを切断します ウイルスが細菌内に侵入すると Casタンパク質はウイルスのDNAから 一部分を切り取り それを細菌のCRISPR領域に埋め込み 感染の"化学的証拠写真"として 保持します このウイルスのコードは その後 断片的なRNAに複製されます RNAは私たちの細胞内で 様々な役割を果たします しかしCRISPRの場合 RNAはCas9と呼ばれる 特殊なタンパクに結合します 生成された複合体は 偵察兵のように働き 浮遊している遺伝物質にくっつき ウイルスと一致するものを 探し出すのです もしウイルスが再び侵入すると 偵察を担う複合体は迅速にそれを認識し Cas9はすばやくウイルスのDNAを 破壊します
Lots of bacteria have this type of defense mechanism. But in 2012, scientists figured out how to hijack CRISPR to target not just viral DNA, but any DNA in almost any organism. With the right tools, this viral immune system becomes a precise gene-editing tool, which can alter DNA and change specific genes almost as easily as fixing a typo.
多くの細菌が この種の防衛機構を持ちます しかし 2012年に科学者は CRISPRの機構を人為的に利用することで ウイルスのDNAだけではなく ほぼすべて生物の あらゆるDNAを 標的とする方法が発見しました 適切な手段を用いることで ウイルスに対する免疫機構は 遺伝子を正確に編集する手段となり DNAの改変や 特定の遺伝子を狙った 組み換えが可能になりました 誤植を訂正するのと同じくらい 簡単なのです
Here’s how it works in the lab: scientists design a “guide” RNA to match the gene they want to edit, and attach it to Cas9. Like the viral RNA in the CRISPR immune system, the guide RNA directs Cas9 to the target gene, and the protein’s molecular scissors snip the DNA. This is the key to CRISPR’s power: just by injecting Cas9 bound to a short piece of custom guide RNA scientists can edit practically any gene in the genome.
実験室で行う方法を説明します 編集したい遺伝子に対応する ガイド役のRNAを作り出し それをCas9に結合させます CRISPRの免疫機構で見られた ウイルス由来のRNAと同じように ガイドRNAは Cas9を標的の遺伝子へ誘導し たんぱく質でできた分子のはさみが DNAを切断します ここにCRISPRの力の秘訣があります 単に短いガイドRNAを Cas9に組み込むだけで 事実上 ゲノムに存在するあらゆる遺伝子を 編集できるのです
Once the DNA is cut, the cell will try to repair it. Typically, proteins called nucleases trim the broken ends and join them back together. But this type of repair process, called nonhomologous end joining, is prone to mistakes and can lead to extra or missing bases. The resulting gene is often unusable and turned off. However, if scientists add a separate sequence of template DNA to their CRISPR cocktail, cellular proteins can perform a different DNA repair process, called homology directed repair. This template DNA is used as a blueprint to guide the rebuilding process, repairing a defective gene or even inserting a completely new one.
ひとたびDNAが切断されれば 細胞はそれを修復しようとします 一般的には ヌクレアーゼというタンパクが 壊れた末端部分を切り取り 再びつなげます しかし この手の修復過程は 非相同末端結合と呼ばれますが ミスをしがちで 塩基の数が 合わなくなる可能性があるのです 修復された遺伝子は しばしば 役に立たなくなり もはや使われません しかし もしCRISPRのカクテルに 別の鋳型となるDNAを 一緒に加えると 細胞内のタンパク質は 異なる方法でDNAを修復します これを相同組換え修復といいます この鋳型DNAは再構築の過程を示す 計画書のように利用され 欠陥のある遺伝子を修復し 全く新しい遺伝子の 挿入さえも行います
The ability to fix DNA errors means that CRISPR could potentially create new treatments for diseases linked to specific genetic errors, like cystic fibrosis or sickle cell anemia. And since it’s not limited to humans, the applications are almost endless. CRISPR could create plants that yield larger fruit, mosquitoes that can’t transmit malaria, or even reprogram drug-resistant cancer cells. It’s also a powerful tool for studying the genome, allowing scientists to watch what happens when genes are turned off or changed within an organism.
DNAの修復が可能であるということは CRISPRが病気の新しい治療法も 開発しうることも意味しています 嚢胞性線維症や鎌状赤血球症といった 特定の遺伝子の異常による病気の治療です そしてそれは人間のみならず あらゆることに応用が可能です CRISPRは大きな果実を実らせる 植物を作り出し マラリアを媒介しない蚊を生み出し さらには 薬剤耐性をもった癌細胞の 再プログラムも可能となるかもしれません これはゲノムを研究するうえで 強力な道具であり 遺伝子が活性化しなくなったとき あるいは細胞の中で変異したときに 何が起こるかを観察することができます
CRISPR isn’t perfect yet. It doesn’t always make just the intended changes, and since it’s difficult to predict the long-term implications of a CRISPR edit, this technology raises big ethical questions. It’s up to us to decide the best course forward as CRISPR leaves single-celled organisms behind and heads into labs, farms, hospitals, and organisms around the world.
しかしCRISPRは まだ完璧ではありません 必ずしも思惑通りに 遺伝子を変えるとは限らず しかも CRISPRによる遺伝子編集の 長期的な影響の予測は困難なため このテクノロジーは 重大な倫理的議論を提起します CRISPRが 単細胞生物の枠組みを離れて 実験室、農園、病院 そして世界中の生物へと広がる中で 最善を求めてどう発展させるかは 私たちの意思決定にかかっています