植物の遺伝子発現を制御するためのCRISPRiベースの回路

学術背景：植物バイオテクノロジーの分野では、従来の遺伝子操作方法は遺伝子を持続的に発現させることで所望の表現型や細胞活性を生産することに焦点を当てています。しかし、強力な持続的プロモーターは、遺伝子サイレンシング、代謝負担、または収量に対するその他の悪影響を引き起こす可能性があり、遺伝子の潜在的な利益を十分に引き出せないことがあります。合成生物学の方法を用いて合成遺伝子回路を構築することは、これらの課題を解決することが期待されており、合成遺伝子回路は複数の入力信号を統合して遺伝子出力を制御し、遺伝子発現の時空的制御を強化します。

著者および出典：この研究はオーストラリア西オーストラリア大学分子科学学院のMuhammad Adil Khan、Gabrielle Herring、Jia Yuan Zhuなど複数の研究者によって行われ、《Nature Biotechnology》誌に発表されました。論文受理日は2022年7月29日、接受日は2024年4月10日、発表日およびオンライン更新については論文を参照してください。

研究フロー： 1）まず、研究グループはシロイヌナズナ（Arabidopsis thaliana）トランスポート結合タンパク質（TCTP）を初期目標として選定し、CRISPR干渉（CRISPRi）に基づく可逆遺伝子回路プラットフォームを開発しました。 2）異なる強度のエンジニアプロモーターを構築し、NOTおよびNOR論理ゲートを作成し、RNA Pol IIプロモーターから単方向誘導RNA（sgRNAs）を発現する最適な処理システムを決定しました。これにより、NORゲートプログラムと生物ホスト制御シーケンスのインターフェースが実現されました。 3）安定した形質転換シロイヌナズナ個体群におけるNORゲートの挙動を実演し、システムのプログラム可能性と可逆性を示し、複数のシロイヌナズナ原形質体におけるクロス種論理ゲートの活性を確立しました。 4）複数のNORゲートを重ねることでOR、NIMPLY、AND論理機能が創造され、システムのモジュール性を示しました。

主要な成果： a) 研究は、CRISPRiを利用して植物細胞にプログラム可能かつ可逆な合成遺伝子回路を構築できることを示しました。 b) 開発された合成プロモーターは、遺伝子発現を制御し、論理ゲートを構築するために有効に使用できることが証明されました。 c) CRISPRiに基づく論理ゲートがシロイヌナズナ、苔植物Physcomitrium patens、小麦（Triticum aestivum）、油菜（Brassica napus）を含む複数の植物種で活性を示すことが証明されました。 d) 複数のNORゲートを接続することで、OR、NIMPLY、ANDなどの複雑な論理機能が構築されました。

結論の意味： a) 科学的価値：この研究は、植物合成生物学の新しいプラットフォームを提供し、遺伝子発現を複雑にプログラム制御することを実現します。これにより、動的な内外環境刺激に応じた植物の応答をプログラムすることが可能になります。 b) 応用価値：この技術は、植物が環境ストレスに対応する能力を向上させ、収量を増加させる可能性があり、将来の作物改良のための新しいツールを提供します。

研究のハイライト： 1) この研究は、CRISPRi論理ゲートの機能および複数の植物種での適用性を紹介し、合成生物学を植物遺伝子工学の分野に拡張しました。 2) 研究方法と作業フロー：高スループットの原形質体トランスフェクション試験プラットフォームを開発し、試験のスループットを増加させ、原形質体トランスフェクション率の変異が論理ゲート機能の解析に及ぼす干渉を減少させました。 3) 提供されるツールキット（エンジニアプロモーターおよび合成遺伝子回路を含む）は、研究者がより高度な時空制御遺伝子発現戦略を開発するのに役立ちます。