共同発表：ゲノム編集のための新たな「はさみ」のかたち～CRISPR-Cpf1の構造解明～

ポイント

新たなゲノム編集ツールとして注目されるＣＲＩＳＰＲ－Ｃｐｆ１の分子構造を世界で初めて明らかにした。
ゲノム編集ツールとして普及しているＣＲＩＳＰＲ－Ｃａｓ９との機能の違いを原子レベルで明らかにした。
ＣＲＩＳＰＲ－Ｃｐｆ１を利用したゲノム編集技術の高度化および効率化が期待される。

近年、生命の設計図である遺伝情報（ゲノムＤＮＡの塩基配列）を書き換える「ゲノム編集^注１）」技術が注目されています。微生物のもつＣａｓ９タンパク質^注２）（ＤＮＡ切断酵素）の発見により効率的なゲノム編集が可能になり、医学・生命科学研究に革命がもたらされました。さらに、昨年、Ｃｐｆ１^注３）とよばれる新規のタンパク質もゲノム編集に利用できることが報告されました。しかし、Ｃｐｆ１がはたらく分子機構は不明でした。今回、東京大学大学院理学系研究科の山野峻　大学院生、西増弘志　助教、石谷隆一郎　准教授、濡木理　教授の研究グループはＭａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙのＦｅｎｇ　Ｚｈａｎｇ博士らとの共同研究により、Ｃｐｆ１の分子構造を決定し、そのはたらきを原子レベルで解明することに成功しました。本研究結果から、Ｃｐｆ１を用いたゲノム編集技術の効率化が期待されます。

＜発表内容＞

近年、生命の設計図であるゲノムＤＮＡの塩基配列を書き換える「ゲノム編集」とよばれる技術が大きな注目を集めています。ゲノム編集技術は革新的な実験技術として医学・生命科学研究の現場において瞬く間に普及し、すでに多くの画期的な研究成果を生み出しています。さらに、動植物の品種改良や遺伝子治療といった応用も期待されています。現在、ゲノム編集にはＣａｓ９とよばれるタンパク質が利用されています。昨年、Ｃａｓ９に加え、Ｃｐｆ１とよばれる新規のタンパク質もゲノム編集に利用できることが報告されました。Ｃｐｆ１はＣａｓ９と同様にガイドＲＮＡと結合し、ガイドＲＮＡの一部（ガイド配列）と相補的な２本鎖ＤＮＡを見つけ出して切断します（図１）。したがって、ガイド配列を変更することによりゲノムＤＮＡのねらった場所を切断することができます。Ｃｐｆ１とＣａｓ９はどちらもガイドＲＮＡと協働して標的ＤＮＡを切断するはたらきをもちますが、ＤＮＡの「切り口」が異なります。すなわち、Ｃａｓ９は２本鎖ＤＮＡを切断し平滑末端^注４）をつくるのに対し、Ｃｐｆ１は突出末端^注５）をつくります（図１）。また、Ｃｐｆ１はＣａｓ９よりも短いガイドＲＮＡと結合してはたらきます。これまでに本研究グループはＣａｓ９の分子構造を決定し、そのＤＮＡ切断機構を明らかにしてきました。しかし、Ｃｐｆ１がＤＮＡを切断する分子機構は謎に包まれていました。

本研究グループはＣｐｆ１、ガイドＲＮＡ、標的ＤＮＡからなる複合体を結晶化し、大型放射光施設ＳＰｒｉｎｇ－８^注６）（兵庫県）およびＳｗｉｓｓ　Ｌｉｇｈｔ　Ｓｏｕｒｃｅ（スイス）においてＸ線回折データを取得し、その立体構造を解明しました。その結果、Ｃｐｆ１はＣａｓ９と大きく異なる立体構造をもつことが明らかになりました（図２）。特に、ＤＮＡの「はさみ」としてはたらく部分の構造はＣｐｆ１とＣａｓ９において大きく異なっていました。この構造の違いはＣｐｆ１とＣａｓ９によるＤＮＡの「切り口」の違いとよく一致していました。これまでに立体構造を基にＣａｓ９の分子構造を改変した新規の研究ツールが開発されてきました。したがって、今回の研究成果は、Ｃｐｆ１を改変した新規のゲノム編集ツールの開発につながることが期待されます。

本研究は、文部科学省（２０１４年度）・日本医療研究開発機構（ＡＭＥＤ）（２０１５年度以降）革新的バイオ医薬品創出基盤技術開発事業「新規ＣＲＩＳＰＲ－Ｃａｓ９システムセットの開発とその医療応用」（研究代表者：濡木理）、科学技術振興機構（ＪＳＴ）戦略的創造研究推進事業「立体構造にもとづく次世代ゲノム編集ツールの創出」（研究代表者：西増弘志）の一環で行われました。

＜参考図＞

図１　Ｃｐｆ１とＣａｓ９によるＤＮＡ切断機構

図２　Ｃｐｆ１－ガイドＲＮＡ－標的ＤＮＡ複合体の結晶構造

ＲｕｖＣ、Ｎｕｃとよばれる部分がＤＮＡを切断する「はさみ」としてはたらく。

＜用語解説＞

注１）ゲノム編集: 生命の設計図であるゲノムＤＮＡの塩基配列を改変する技術。ＣＲＩＳＰＲ－Ｃａｓ９（ｃｌｕｓｔｅｒｅｄ　ｒｅｇｕｌａｒｌｙ　ｉｎｔｅｒｓｐａｃｅｄ　ｓｈｏｒｔ　ｐａｌｉｎｄｒｏｍｉｃ　ｒｅｐｅａｔｓ／ＣＲＩＳＰＲ　ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ　ｐｒｏｔｅｉｎｓ）の発見により迅速・簡便なゲノム編集が可能になった。
注２）ＣＲＩＳＰＲ－Ｃａｓ９、Ｃａｓ９タンパク質: 微生物のもつ獲得免疫機構のひとつ。Ｃａｓ９はガイドＲＮＡと結合し、ガイドＲＮＡの一部（ガイド配列）と相補的な２本鎖ＤＮＡを切断する機能をもつ。したがって、ガイド配列を交換することにより任意の塩基配列をもつＤＮＡを切断することができる。Ｃａｓ９の機能は２０１２年に解明された。Ｃａｓ９タンパク質をＣＲＩＳＰＲ－Ｃａｓ９とよぶこともある。
注３）ＣＲＩＳＰＲ－Ｃｐｆ１、Ｃｐｆ１タンパク質: 微生物のもつ獲得免疫機構のひとつ。２０１５年に発見された。Ｃｐｆ１タンパク質はガイドＲＮＡと結合し、ガイドＲＮＡの一部（ガイド配列）と相補的な２本鎖ＤＮＡを切断する。したがって、ガイド配列を交換することにより任意の塩基配列をもつＤＮＡを切断することができる。Ｃｐｆ１タンパク質をＣＲＩＳＰＲ－Ｃｐｆ１とよぶこともある。
注４）平滑末端: ２本鎖ＤＮＡを形成するＤＮＡ鎖のどちらも突出していない末端構造。
注５）突出末端: ２本鎖ＤＮＡを形成するＤＮＡ鎖の片方が突出している末端構造。
注６）ＳＰｒｉｎｇ－８: 兵庫県の播磨科学公園都市にある、理化学研究所が所有する放射光施設で、その運転管理はＪＡＳＲＩが行っている。ＳＰｒｉｎｇ－８の名前はＳｕｐｅｒ　Ｐｈｏｔｏｎ　ｒｉｎｇ－８ＧｅＶに由来する。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する、細く強力な電磁波のこと。ＳＰｒｉｎｇ－８では、この放射光を用いて、ナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究を行っている。

＜論文情報＞

タイトル	“Crystal Structure of Cpf1 in Complex with Guide RNA and Target DNA”
著者名	Takashi Yamano, Hiroshi Nishimasu, Bernd Zetsche, Hisato Hirano, Ian M. Slaymaker, Yinqing Li, Iana Fedorova, Takanori Nakane, Kira S. Makarova, Eugene V. Koonin, Ryuichiro Ishitani, Feng Zhang, and Osamu Nureki
掲載誌	Ｃｅｌｌ
doi	10.1016/j.cell.2016.04.003

＜お問い合わせ先＞

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濡木理
東京大学大学院理学系研究科生物科学専攻　教授
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戦略研究推進部ライフイノベーショングループ
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