光誘導性蛋白質送達システムを備えた設計外泌体により、アルツハイマー病におけるCRISPR-Casベースのエピゲノム編集が可能に

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アルツハイマー病におけるCRISPR-Casベースの表現型ゲノム編集：光誘導タンパク質送達システムによって最適化されたエンジニアリングエクソソーム

背景紹介

アルツハイマー病（Alzheimer’s Disease, AD）は、認知機能と記憶力が徐々に低下することを特徴とする一般的な神経変性疾患であり、現在のところこの疾患に対する治療法は限られています。CRISPR-Cas9などのゲノム編集技術や表現型ゲノム編集技術は、様々な疾患の治療において大きな可能性を示しています。しかし、これらの機能性タンパク質を効率的に細胞内に送達することは大きな課題でした。エクソソームは細胞が自然に分泌するナノサイズの小胞であり、治療用生体分子を送達するキャリアとして、安定性、高い生体適合性、低免疫原性などの利点を持っています。

研究ソース

本論文は2024年8月7日の「Science Translational Medicine」に掲載され、タイトルは「Engineered Exosomes with a Photoinducible Protein Delivery System Enable CRISPR-Cas–Based Epigenome Editing in Alzheimer’s Disease」です。この研究はJihoon Han、Jae Hoon Sul、Jeongmi Leeらによって行われ、Sungkyunkwan Universityおよび他のいくつかの研究機関に所属しています。

研究プロセス

エクソソームのエンジニアリングと光誘導タンパク質放出システム

  1. エンジニアリングエクソソームの設計：

    • 研究チームはmMaple3を介したタンパク質ローディングおよび放出システム（MAPLEX）と呼ばれるシステムを設計しました。このシステムは、カーゴタンパク質（目的タンパク質）を光切断可能タンパク質（mMaple3）とエクソソーム膜マーカー（CD9など）と融合させることで、カーゴタンパク質をエクソソームにローディングします。
    • mMaple3は405nmの青色光照射下で切断され、カーゴタンパク質を放出します。

  2. 細胞内実験：

    • in vitro実験では、研究者はまず転写因子オクタマー結合タンパク質4（Oct4）と性決定領域Y-box 2（Sox2）を線維芽細胞に送達し、その転写調節機能を観察しました。
    • 蛍光イメージングとウェスタンブロットの結果は、このシステムがタンパク質をエクソソームから効率的に放出し、受容細胞に成功して入り、核内で機能を発揮できることを示しました。

  3. マウスin vivo実験：

    • in vivo実験では、研究者はCre組換え酵素をCre報告遺伝子マウスに送達し、その遺伝子組換え機能を検証しました。静脈注射と経鼻投与を通じて、このシステムがCreタンパク質を効率的に送達して遺伝子組換えを行えることを確認しました。

  4. 表現型ゲノム編集：

    • 最後に、研究チームはアルツハイマー病マウスモデル（5xFADおよび3xTg-AD）で実験を行い、β-アミロイド前駆体タンパク質切断酵素1（BACE1）プロモーターをターゲットとする単一ガイドRNA（sgRNA）を不活性化Cas9（dCas9）核タンパク質複合体に組み込み、経鼻投与によって表現型ゲノム編集を実現しました。
    • 結果は、ゲノムの特定部位のDNAメチル化レベルが有意に増加し、BACE1発現が低下し、マウスの認知記憶障害が改善され、Aβ病理が減少したことを示しました。

研究結果

  1. ターゲットタンパク質送達：

    • 研究チームは青色光誘導により精密なタンパク質放出を実現し、mMaple3が光照射下で切断され、カーゴタンパク質がエクソソームから放出されました。
    • 蛍光イメージングは、タンパク質が成功して細胞核に送達され、その調節機能を発揮したことを証明しました。

  2. 遺伝子組換え：

    • Cre組換え酵素はCre報告遺伝子マウスの肝臓に成功して送達され、蛍光イメージングはtdTomato遺伝子の発現を示し、遺伝子組換えの成功を証明しました。
    • 経鼻投与もCreを脳の特定部位に成功して送達し、MAPLEXシステムが効果的に血液脳関門を越えられることを示しました。

  3. 表現型ゲノム編集：

    • MAPLEXシステムはsgRNAを含むdCas9-D3A複合体を成功して送達し、BACE1プロモーターのメチル化レベルを上昇させました。
    • グループ内およびグループ間の実験はいずれもBACE1発現量の低下を示し、アルツハイマー病マウスモデルでのAβ病理の減少と認知機能の改善が見られました。

研究の意義と価値

この研究は、エンジニアリングエクソソームと光誘導タンパク質放出システムを利用してアルツハイマー病モデルで表現型ゲノム編集を実現した初めての成功例を示しています。これはアルツハイマー病の治療に新しいアプローチを提供するだけでなく、MAPLEXシステムが他の疾患治療においても潜在的な可能性を持つことを示しています。このシステムを通じて効率的で精密なタンパク質送達が実現でき、これは将来のゲノム編集と表現型ゲノム編集に重要な応用価値があります。

研究のハイライト

  1. 革新的なタンパク質送達システム:
    • mMaple3と光誘導タンパク質放出を利用して、従来のタンパク質送達方法におけるローディングと放出の課題を解決しました。
  2. 多機能アプリケーション：
    • このシステムは転写因子の送達だけでなく、遺伝子組換えと表現型ゲノム編集も実現でき、将来的に多様な疾患の治療の可能性を提供します。
  3. 血液脳関門の通過：
    • 経鼻投与によってタンパク質を脳に成功して送達し、神経系疾患の治療に新しい方法を提供しました。

この論文は、革新的な光誘導タンパク質送達システムを通じて、アルツハイマー病マウスモデルの表現型ゲノム編集を実現し、その広範な応用可能性と重要な臨床転換の展望を示しています。