双方向エピジェネティック編集が遺伝子制御の階層構造を明らかにする

背景と研究動機

ヒトゲノムにおいて、エンハンサーなどの非コード要素が遺伝子制御に果たす役割は広く認識されています。しかし、現在一般的に用いられているCRISPR干渉法は、非コード要素と遺伝的相互作用の研究においていくつかの限界があります。主に、従来のCRISPR手法、例えばCRISPR干渉（CRISPRi）やCRISPR活性化（CRISPRa）は、一度に単一の遺伝子座を編集することしかできないため、遺伝子制御ネットワークにおける相互作用の理解が制限されています。したがって、本研究はこれらの問題を解決するために、二方向のエピジェネティック特性を編集できるシステムを開発することを目指します。

出典と著者情報

この論文「Bidirectional Epigenetic Editing Reveals Hierarchies in Gene Regulation」は、《Nature Biotechnology》誌に掲載されました。主な著者は、Naomi M. Pacalin、Zachary Steinhart、Quanming Shi、Julia A. Belk、Dmytro Dorovskyi、Katerina Kraft、Kevin R. Parker、Brian R. Shy、Alexander Marson、およびHoward Y. Changです。著者らはスタンフォード大学、カリフォルニア大学サンフランシスコ校およびCartography Biosciences, Inc.に所属し、研究はエピジェネティクスおよびゲノミクスなどの多くの領域に関わっています。

研究内容

研究方法とプロセス

本研究では、CRISPRaiと呼ばれる新しいシステムを開発しました。このシステムは単一細胞において、2つの遺伝子座を同時に活性化（CRISPRa）および抑制（CRISPRi）することができます。研究者らはまず、K562およびJurkat細胞株にCRISPRaiシステムを安定的に発現させ、次に単細胞RNAシーケンシング技術を用いて高スループット遺伝子発現解析を行いました。具体的な手順は以下の通りです：

1. システム検証と初期実験：

   • CRISPRaiシステムの安定した細胞株における構築および発現を検証しました。
   • 体細胞実験を使用して、異なるCRISPR発現レベルでの遺伝子活性化および抑制効果を確認しました。

2. 高スループットな二重干渉実験の設計と実行：

   • 双方向ガイドRNA（gRNA）を設計して単細胞で双方向のエディティング実験を行いました。
   • 一組のコード関連転写因子（TF）および原癌遺伝子の遺伝子組み合わせを検出しました。
   • 液滴ベースの直接gRNAシーケンス検出法を拡張して単細胞データを捕捉しました。

3. データ解析と結果の解釈：

   • 単細胞RNAシーケンシングデータを用いて、二重干渉遺伝子を特定し、細胞内の発現変化を解釈しました。
   • これらのデータをさらに利用して、例えばSPI1とGATA1の相互作用など、遺伝子間の相互作用を研究しました。

研究結果

1. システム検証と効果評価：

   • K562細胞において、双方向干渉がターゲット遺伝子の発現を確実に調節できることを発見し、干渉の強度は単一の遺伝子干渉と基本的に一致しました。
   • 双方向CRISPRai干渉の安定した発現および高効率性を確認しました。

2. 遺伝子間相互作用の深掘り：

   • 双方向干渉を利用して、SPI1とGATA1の遺伝的相互作用を特定しました。研究者は、双方向干渉によって下流のターゲット遺伝子の制御効果を著しく強化できることを発見しました。
   • これらの2つの転写因子が異なるモードで遺伝子占位に対して異なる制御方法を持つことを示しました。

3. エンハンサー-プロモーター制御階層の定義：

   • Jurkat T細胞において、IL2遺伝子のエンハンサーとプロモーター間の制御関係を解析しました。
   • 研究はIL2遺伝子に強力な機能を持つ「ゲーティング」エンハンサーが存在し、これらのエンハンサーがプロモーターの発現に著しく影響を与えることを明らかにし、場合によってはプロモーターがエンハンサーの干渉効果に対して強力であることを示しました。

結論と研究の意義

本研究で開発されたCRISPRaiシステムは、エピジェネティクス研究ツールキットを大幅に拡張し、特に遺伝的相互作用および非コード遺伝子要素の研究において役立ちます。具体的には：

1. 科学的および応用価値：

   • このシステムはヒト細胞内の遺伝子および非コード要素を精密に制御することができ、ゲノム制御ネットワークの研究に新たな視点を提供します。
   • CRISPRaiシステムは、血液形成過程におけるSPI1とGATA1の複雑な相互作用を明らかにし、遺伝子ネットワークの制御を理解する上での双方向干渉の独自の利点を示しました。
   • IL2遺伝子の研究において、「ゲーティング」エンハンサーの存在およびその遺伝子発現への制御メカニズムを解明し、非コード疾患関連変異のさらなる研究に新しい視点を提供しました。

2. 研究のハイライトと革新点：

   • 本研究は、双方向エピジェネティック編集（CRISPRai）の高効率性と実用性を初めて示しました。
   • 高スループット単細胞RNAシーケンシング技術を組み合わせることで、複雑な遺伝子制御ネットワークを深く解析し、複数の遺伝子間の新しい相互作用を特定することができました。

3. 将来の展望：

   • このシステムは、疾患関連の非コード変異の機能効果を探るためのより大規模な遺伝的相互作用研究に応用できます。
   • 多層データを組み合わせることで、将来的には遺伝子制御ネットワークの複雑な相互作用をより包括的に解析し、個別化医療および精密医療の発展を促進することができます。

本研究を通じて、CRISPRaiシステムは遺伝子制御および非コード要素の研究における巨大な可能性を示し、エピジェネティクスおよびゲノミクスの研究に強力なツールと新しい方法を提供しました。将来的には、CRISPRaiシステムがさらに多くの遺伝的相互作用や疾患メカニズムの研究において重要な役割を果たすことが予見されます。