Frontiers for Young Minds

Abstract

バクテリアとウイルスの戦いは、地球上で最も古い戦いの1つである。 ある種のウイルスは繁殖するために細菌に感染する必要があるが、細菌は感染することを望まない。 ウイルスに感染しても生き延びた細菌は、どのようにして二度と感染しないようにするのでしょうか。 多くの種類の細菌は、以前に見たウイルスを記憶するためのCRISPRと呼ばれるプロセスを発達させてきました。 CRISPRはまた、細菌がウイルスに破壊されないようにすることも可能です。 人間はCRISPRを細胞内に持っていませんが、研究室ではCRISPRを利用するエキサイティングな方法をいくつか見つけ出しています。 また、人間が抗生物質でどのように細菌と戦っているか、ワクチンでどのように細菌とウイルスの両方の感染を防いでいるかについてもご存知かもしれません。 しかし、細菌とウイルスも非常に長い間、互いに戦ってきました。この戦い方を研究することで、生物が時間とともにどのように変化するかについて多くのことがわかり、また、非常に興味深い研究ツールの発見にもつながっています。

Cracking the DNA Code

DNAは、アデニン、チミン、グアニン、シトシン（略してA、T、G、C）という4つの小さな分子の組み合わせからなる長い分子で、図1に示すように、この4つの分子が結合しています。 A、T、C、Gの4つの分子は、さまざまな順番でつなぎ合わせて長い鎖を作ることができる。 そのAs、Ts、Gs、Csの特定の組み合わせは、暗号のようなものだ。 1本のDNA鎖だけでは細胞内であまり長持ちしないので、鎖は特定の規則に従って対になっています。 AsはTsとしか組めませんし、CsはGsとしか組めないので、2本の鎖は互いに正反対のもののようになります。 DNA分子の2本の鎖は相補的です。

DNAの一部には、遺伝子と呼ばれる、タンパク質を作るための命令が含まれています（図1）。 タンパク質は、細胞内で物事を行う主要な分子です。 タンパク質は、食物をエネルギーに変え、細胞内や細胞間で物を動かし、細胞がコミュニケーションをとるのに役立っています。 遺伝子のタンパク質産物とその仕事によって、目の色や直毛、巻き毛といった身体的形質が遺伝子によってもたらされるのです。 DNAの他の部分の多くは、細胞が特定のタンパク質をいつ作るか、そのタンパク質をどれだけ作るべきかを知るのに役立ちます。

But What Has DNA Got to Do With It? 細菌が繁殖するためには、別の細胞のために十分なタンパク質と分子を作り、新しい細胞が必要な情報を得られるようにDNAをコピーし、さらに大きくなって分裂する必要があります。 それに比べてウイルスはもっと単純で、タンパク質の被膜の中にいくつかのDNAがあるだけです。 バクテリアもウイルスも、生殖に必要なすべてのタンパク質を作るための指示書を持っています。 8851>

私たちは、タンパク質がどのように作られるのか、この話の重要な部分を見逃してないか？ それはRNAと呼ばれる分子の助けによって起こるのです。 RNAはDNAと非常によく似ていますが、鎖が1本しかありません。 特殊なタンパク質は、遺伝子のRNAバージョンを作る（または「転写」する）ことができ、それを細胞内の機械が「読み取り」、RNAコードを「翻訳」してタンパク質を構築します（図1）。 RNAとDNAの違いは、このように考えることができます。 DNAは、取扱説明書や設計図、料理本のようなものです。 しかし、誰かがこの説明書を使って何かを作ろうとすれば、小さな部分をコピーして、適切な材料から製品を作ることができる場所に送ります。 それがRNAの仕事です。 ウイルスやバクテリアが問題になるのは、このRNAの中間段階である。 バクテリアはタンパク質を作るための命令と道具を持っているが、ウイルスは命令だけで、道具は持っていない。

これを補うために、一部のウイルスはバクテリアを乗っ取ってその道具を使っている（図2）。 この種のウイルスは、バクテリアの外側に着陸して付着し、そのDNAをバクテリアに注入する。 細菌は、ウイルスのDNAが自分のものでないことに気づかなければ、ウイルスのDNAの指示に従って、さらにウイルスを作ってしまう。 バクテリアは、ウイルスDNAのコピーとたくさんのウイルスタンパク質を作り、新しいウイルスがバクテリアの中で集合するようにします。 最後に、新しいウイルスは細菌を破裂させ、より多くの細菌に感染するために出て行きます。

見たこともないウイルスに感染したバクテリアは、ほとんどが死んでしまう。 しかし、ごくまれに、ウイルスに感染しても死なない細菌がいる。 これは、その細菌のDNAに変異があるために起こるかもしれない。 突然変異とは、遺伝子のDNA配列に対する小さな間違いのようなもので、バクテリアの中では、次の世代のためにDNAをコピーする際に常に起こっています。 このような間違いの中には、細菌が死んでしまい、突然変異を次の世代に受け継ぐ機会を失ってしまうものもあります。 しかし、その他の突然変異は、気づかれずに通り過ぎてしまうかもしれません…細菌がウイルスに侵されるまで 突然、その突然変異が、細菌がウイルスを撃退するのに役立つことが判明した。 この有用な突然変異を持つ少数の幸運なバクテリアは、繁殖のために生き残り、その子孫にその有用な突然変異を受け継がせます。 その子孫もまた繁殖し、最終的には、その集団のほとんどの細菌に有用な突然変異が存在するようになります。 このように、ある遺伝子の有用な新バージョンがバクテリアのグループ全体に導入されることが、進化の一例です。 ウイルスを覚えて細菌を守る

この時点で、細菌におけるウイルスへの耐性がどのようなものか気になったかもしれませんが、ここでCRISPRの登場です（図3）。 CRISPRとは、Clustered Regularly InterSpaced Palindromic Repeatsの略です。 というととても派手に聞こえますが、実は、バクテリアのDNAのいくつかの特殊な領域の説明に過ぎません。 この領域では、リピータとスペーサという2種類のDNA配列が交互に繰り返されています。 リピートは同じ文字の集まりが何度も繰り返されますが、その間のスペーサーはすべて異なります。

科学者が最初にこれらの DNA の特殊領域を見つけたとき、その目的が何であるかは分かりませんでした。 しかしすぐに、このスペーサーはしばしばウイルス DNA と非常によく似ていることに気づきました。 このウイルスDNAはどこから来たのでしょうか？ 8851>

2007年、ロドルフ・バラングーと彼の研究室は、このアイデアを探求することにしました（面白いことに、バランゴーはヨーグルトの会社で働いていたのです！）。 ヨーグルトを作るには細菌が必要ですが、その細菌がウイルスに駆逐されることがあるのです。 ヨーグルトを作るには細菌が必要ですが、その細菌がウイルスによって全滅してしまうことがあるのです。） バランゴーは、ウイルスに耐性のない種類のバクテリアのCRISPR領域と、ウイルスに耐性のある同じ種類のバクテリアのCRISPR領域を比較したところ、両者の違いは、ウイルス耐性版にはいくつかの余分なスペーサーがあることだけであることが判明した。 そこで、この余分なスペーサーがどこから来たのかを調べるために、実験を行いました。 その結果、耐性菌と非耐性菌のCRISPR領域を比較したところ、耐性菌には通常1～4個の新しいスペーサーがあり、それらの新しいスペーサーは、菌がさらされたウイルスのDNAと類似していることがわかりました。 このことから、研究者たちは、スペーサーはウイルスのDNAから作られたのではないかと考えた。

Barrangou とその研究室は、異なるウイルスに一致するいくつかのスペーサーを削除して挿入した。 彼らは、ウイルスに耐性を持つ細菌からスペーサーを削除すると、その細菌は適合するウイルスに対する耐性を失い、スペーサーを追加すると、その細菌が以前にそのウイルスを見たことがなくても、適合するウイルスに耐性があることを発見した。 Barrangouと彼の研究室は、CRISPR領域のスペーサーは、ウイルスDNAの一部を保存することによってウイルスに対する抵抗力を与え、それによって細菌がそれらを「記憶」することができると結論付けた。

ウイルスに対する抵抗力（免疫）は、感染に反応して発生する。 通常、免疫は子孫に引き継がれることはありませんが、CRISPRを使えば、免疫が実際にDNAにコード化されているため、世代を超えて引き継ぐことができます .

バランゴーが最初のCRISPR実験を行って以来、CRISPRがウイルスによる細胞破壊を防ぐ仕組みについて多くのことがわかってきています。 細菌はウイルスのDNAを少し切り取り、それを自分自身のDNAのCRISPR領域に追加します。 ウイルスが戻ってくると、細菌はそのウイルスに特異的なCRISPRの領域からRNAを作る。 これらのRNAは、cas（CRISPR-associated）タンパク質と対になる。 RNAはcasタンパク質を侵入したウイルスのDNAに誘導し、タンパク質はそれを破壊することができる。 ウイルスDNAはなくなり、新たなウイルスも発生しない。 これらのRNAコピーは、cas遺伝子から作られるいくつかのcas（CRISPR-associated）タンパク質とペアリングします。 研究室におけるCRISPR

このメカニズムが発見されたとき、科学者はすぐに、CRISPRは研究室で多くの興味深い、刺激的な用途があることに気づきました 。 人々は、casタンパク質に、見つけてほしいDNAの任意の部分のRNA版を与えれば、RNAの助けを借りて、タンパク質がそこに行き、DNAに変更を加えることができることを理解したのです。 8851>

このことから、CRISPRは遺伝学にとって素晴らしいツールであり、遺伝する形質を研究する学問です。 遺伝学者が遺伝子の働きを解明する方法の1つは、遺伝子を削除したり不活性化したりして、生物に何が起こるかを見ることです。 8851>

また、CRISPRは、人間の病気の原因となる有害な変異を修正するために使われる可能性がありますが、これには深刻な倫理的問題があります。 この技術をいつ使うか、どのように判断するのでしょうか。 また、同意していない人に遺伝するような遺伝子の変更を加えてもいいのでしょうか。 ヒトへのCRISPR導入はまだ先のことですが、こうした問いを早く投げかけることが重要です」

Author Contributions

MC は原稿を書き、すべての図を作成した。 JJは作業を監督し、すべての段階で原稿にコメントした。

Glossary

DNA:

DNA：デオキシリボ核酸、4つの小さな分子（A、C、T、G）の組み合わせからなる長い分子で、細胞内のすべての情報をコードしています。

二重らせん：DNAの分子の2つの相補鎖が対になってねじれたときにできる形です。

RNA:多くの細胞活動を担う大型で構造的に複雑な分子の一種。 リボ核酸は、As、Gs、Cs、Usからなる一本鎖の分子。 RNAはDNAとタンパク質を作る細胞機構をつなぐメッセンジャーとして機能するが、他の機能も持っている。

突然変異：A、C、T、またはGの付加、交換、または欠失など、生物のDNA配列に生じる変化。 細菌ゲノムのうち、スペーサー配列と繰り返し配列が交互に並ぶ特殊な領域の名称である。 また、細菌がウイルス感染から身を守るためのプロセスや、遺伝子を編集するための実験技術の名称でもあります。 スペーサーやリピートのCRISPR遺伝子座に隣接するCRISPR関連遺伝子。cas9はcas遺伝子である。

利益相反声明

著者らは、本研究が潜在的利益相反と解釈できるいかなる商業的または金銭的関係もない状態で行われたことを宣言する

Salmond, G. P. C. and Fineran, P.C. 2015. ファージの一世紀：過去、現在、未来。 Nat. Rev. Microbiol. 13:777-86. doi: 10.1038/nrmicro3564

Zimmer, C. 2015. バクテリアから生まれた画期的なDNAエディター。 クアンタマガジン. にてオンライン公開。 https://www.quantamagazine.org/crispr-natural-history-in-bacteria-20150206/ (accessed November 26, 2017).

Barrangou, R., Fremaux, C., Deveau, H., Richards, M., Boyaval, P., Moineau, S., et al.2007.。 CRISPRは原核生物にウイルスに対する獲得耐性を与える。 Science 315:1709-12. doi: 10.1126/science.1138140

Barrangou, R., and Marraffini, L. A. 2014. CRISPR-Casシステム：原核生物は適応免疫にアップグレードする。 Mol. Cell 54:234-44. doi: 10.1016/j.molcel.2014.03.011

.