近年，生命の設計図であるゲノム情報（DNAの塩基配列）を書き換える「ゲノム編集」（注1）技術が注目されています。細菌のもつDNA切断酵素CRISPR-Cas9（注2）を応用したゲノム編集技術は，基礎研究から臨床応用に至る多岐にわたる生命科学分野において広く利用されています。
　今回，東京大学 大学院理学系研究科 西増 弘志 助教，濡木 理 教授，金沢大学 新学術創成研究機構 革新的統合バイオ研究コア 高速バイオＡＦＭ応用研究ユニット 柴田 幹大 准教授，金沢大学 理工研究域バイオAFM先端研究センター 古寺 哲幸准教授，安藤 敏夫 特任教授，名古屋大学 大学院理学研究科 内橋 貴之 教授らは，高速AFM（高速原子間力顕微鏡）（注3）を用いることにより，CRISPR-Cas9がDNAを切断する一連の様子を動画として撮影することに成功しました。
　今後，CRISPR-Cas9によるDNA切断メカニズムの深い理解につながるとともにゲノム編集技術の高度化の基盤となることも期待されます。　
　本研究成果は，日本時間2017年11月10日午後7時に，イギリスのオンライン限定の学際的ジャーナル「Nature Communications」に掲載されました。


【用語解説】：
注1　ゲノム編集：生命の設計図であるゲノムDNAの塩基配列を改変する技術。CRISPR-Cas9（clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR associated proteins）を利用することにより効率的なゲノム編集が可能になった。

注2　CRISPR-Cas9：微生物のもつ獲得免疫機構の１つ。CRISPR-Cas系において、Cas9はガイドRNAと結合し、ガイドRNAの一部（20塩基のガイド配列）と相補的なDNAを選択的に切断する。ガイド配列を変更することにより、様々な塩基配列をもつDNAを選択的に切断することができる。Cas9-RNA複合体をCRISPR-Cas9と呼ぶこともある。

注3　高速AFM（高速原子間力顕微鏡）：柔らかい板バネの先に付いた針の先端で試料に触れ、試料の表面形状を可視化する顕微鏡。針と試料の水平方向の相対位置を変えながら試料表面の高さを計測することにより、試料の表面形状を可視化する。試料の表面を高速（最速33フレーム/秒）にスキャンすることにより試料の動きを可視化することができる。

図1　CRISPR-Cas9によるDNA切断メカニズム
Cas9はいくつかの部分（ドメイン）から構成される。HNHおよびRuvCと呼ばれるドメインが「ハサミ」としてはたらき二本鎖DNAを切断する。


図2　CRISPR-Cas9の結晶構造

図 7 CRISPR-Cas9 による DNA 切断のダイナミクス

　Cas9 はガイド RNA と結合し Cas9-RNA 複合体を形成する。Cas9-RNA 複合体は DNA と衝突 を繰り返すことにより，ガイド RNA と相補的な標的配列を見つけ出し強固に結合する。 Cas9-RNA 複合体が標的配列に結合すると，DNA の巻き戻しが起こり，HNH ドメインは DNA の近傍に移動し，相補鎖 DNA を切断する。一方，RuvC ドメインは一本鎖となった非相補鎖 DNA を切断する。

　本研究は，日本学術振興会科学研究費助成事業，金沢大学新学術創成研究機構ユニット研究推進経費，花王芸術・科学財団花王科学奨励賞，ブレインサイエンス振興財団研究助成（研究代表者：柴田 幹大），科学技術振興機構（JST） 戦略的創造研究推進事業　さきがけ「立体構造にもとづく次世代ゲノム編集ツールの創出」（研究者：西増 弘志），科学技術振興機構（JST） 戦略的創造研究推進事業　さきがけ「新規高速原子間力顕微鏡で解き明かすミオシンVの化学-力学エネルギー変換機構」（研究者：古寺 哲幸），CREST「ATP/GTPが駆動するタンパク質マシナリーの動的構造生命科学」（研究代表者：安藤 敏夫），科学研究費助成事業、新学術領域「理論と実験の協奏による柔らかな分子系の機能の科学」，「生命システムにおける動的秩序形成と高次機能発現」（研究代表者：内橋 貴之），文部科学省（2014年度）・日本医療研究開発機構（AMED）（2015年度以降）革新的バイオ医薬品創出基盤技術開発事業「新規CRISPR-Cas9システムセットの開発とその医療応用」（研究代表者：濡木 理）の一環として行われました。

詳しくはこちらのWebサイトをご覧ください。
・金沢大学トップページ > 研究トピック
・ジャーナル掲載Webサイト 「Nature Communications」
　Title: Real-space and real-time dynamics of CRISPR-Cas9 visualized by high-speed atomic force microscopy.
　Authors: Mikihiro Shibata, Hiroshi Nishimasu, Noriyuki Kodera, Seiichi Hirano, Toshio Ando, Takayuki Uchihashi & Osamu Nureki
　DOI: 10.1038/s41467-017-01466-8
・金沢大学 新学術創成研究機構 革新的統合バイオ研究コア 高速バイオＡＦＭ応用研究ユニット
・金沢大学 理工研究域 バイオAFM 先端研究センター