CRISPRと原核生物の防御

原核生物は、制限修飾系からCRISPR-Casの獲得免疫に至るまで、様々なシステムを通じてウイルスや外来DNAから身を守っており、CRISPR-Casはゲノム編集のための革新的なツールともなっています。

Definition

原核生物の防御システムとは、細菌や古細菌がバクテリオファージやその他の外来遺伝因子を認識し、無力化するための分子メカニズムであり、制限修飾系やCRISPR-Cas獲得免疫システムなどが含まれます。

Scope

このトピックでは、外来DNAを切断しつつ自身のDNAを保護する制限修飾系、CRISPRアレイとCasタンパク質の構造と機能、CRISPRに基づく獲得免疫の段階（獲得、発現、干渉）、および原核生物における抗ウイルス防御の広範な状況について扱います。また、CRISPR-Casがプログラム可能なゲノム編集にどのように応用されたかについても言及します。

Core questions

• 原核生物はどのようにして外来DNAと自身のDNAを区別するのでしょうか？
• CRISPR-Casはどのようにしてファージに対する獲得免疫を提供するのでしょうか？
• CRISPR免疫の段階は何ですか？
• CRISPR-Casはどのようにしてゲノム編集ツールとして再利用されたのでしょうか？

Key concepts

• 制限修飾系
• CRISPRアレイとスペーサー
• Casタンパク質
• 獲得、発現、干渉
• CRISPRベースのゲノム編集

Key theories

CRISPR獲得免疫

過去の侵入者由来のスペーサー配列が散在するクラスター化された繰り返し配列と、関連するCasタンパク質が連携することで、原核生物は外来核酸を記録し標的とすることができ、獲得免疫システムを構成しています。

Mechanisms

制限修飾系は、制限酵素を用いて非メチル化の外来DNAを切断する一方で、メチルトランスフェラーゼが宿主ゲノムを自己として標識します。CRISPR-Casシステムは、侵入DNAの短い断片をリピート配列内のスペーサーとして捕捉します。これらは転写され、ガイドRNAに加工され、再感染時にCasヌクレアーゼを誘導して一致する配列を認識・切断し、記憶に基づく防御を提供します。

Clinical relevance

微生物防御における本来の役割を超えて、制限酵素は組換えDNA技術の基礎ツールとなり、CRISPR-Casシステムは生命科学全般にわたる幅広い応用を持つゲノム編集プラットフォームとして広く利用されるようになりました。

History

制限酵素は20世紀半ばに発見され、分子クローニングに不可欠なツールとなりました。細菌ゲノム中のクラスター化された繰り返し配列は2000年代初頭に注目され、CRISPRと命名されました。その後の研究により、それらが獲得免疫において果たす役割が明らかになり、CRISPR-Casゲノム編集の開発につながりました。

Key figures

• Werner Arber
• Francisco Mojica

Seminal works

• jansen2002
• madigan2018

Frequently asked questions

CRISPRは本来、防御システムですか、それとも編集ツールですか？

CRISPR-Casは、バクテリオファージやその他の外来DNAから身を守る獲得免疫システムとして、細菌や古細菌で進化しました。研究者たちは後に、その標的化機構を、多くの種類の生物のゲノムを編集するためのプログラム可能なツールとして応用しました。