ゲノム編集のためのガイドRNA設計ソフトウェアCRISPRdirectを公開

報道発表資料

2014年11月21日
大学共同利用機関法人情報・システム研究機構 ライフサイエンス統合データベースセンター
東京大学大学院理学系研究科

[PDF版資料(情報・システム研究機構)]
[東京大学大学院理学系研究科プレスリリース]

ポイント

  • ゲノム編集(注1)において有力な手法として注目されているCRISPR/Cas9システム(注2)に用いるガイドRNA(注3)を設計するソフトウェアとして「CRISPRdirect」を開発した.
  • CRISPRdirectを用いることにより,目的以外の部位で誤ってゲノム編集の起こる「オフターゲット効果」の少ないガイドRNAを効率よく設計できるようになった.
  • 優れたガイドRNAの設計がきわめて容易になることから,ゲノム編集のための強力なツールとして生命科学および医学研究への幅広い貢献が期待される.

発表概要

ゲノム編集(注1)は,生命の設計図であるゲノムDNAの任意の部位を切断することにより,その位置の配列を削除したり,あるいは逆に,任意の配列を挿入したりする手法であり,遺伝子の機能を解析するのに有効な手法としてさまざまな場面で利用され,医療分野への応用も期待されています.近年,新しいゲノム編集の手法として急速に普及しているCRISPR/Cas9システム(注2)は,ゲノム編集を行う部位を見つける役割を担うガイドRNA(注3)と,その部位を切断するはさみの役割をもつCas9ヌクレアーゼとを組み合わせることによりゲノム編集を行います.この方法は,ガイドRNAの塩基配列を変えることによりゲノム編集を行う部位を自在に決めることができるという特徴があります.

ところが,ガイドRNAの塩基配列によっては,ゲノム編集を行いたい部位以外の位置で意図せずゲノム編集が起こってしまうことが知られています.この現象はオフターゲット効果とよばれ,ゲノム編集を行ううえで大きな課題となっています.オフターゲット効果を防ぎ,目的とする部位だけでゲノム編集を行うためには,ガイドRNAの設計が重要な鍵となります.

このたび,情報・システム研究機構 ライフサイエンス統合データベースセンター(DBCLS)の内藤雄樹特任助教,坊農秀雅特任准教授,東京大学大学院理学系研究科の日野公洋助教,程久美子准教授の研究グループは,CRISPR/Cas9システムのために最適なガイドRNAを効率よく設計することのできるソフトウェア「CRISPRdirect」(http://crispr.dbcls.jp/)を開発しました.このソフトウェアにより,オフターゲット効果の少ない優れたガイドRNAをきわめて容易に設計することが可能となり,ゲノム編集のための強力なツールとして生命科学および医学研究に幅広く貢献することが期待されます.

発表内容

1.研究の背景

生命の設計図であるゲノムDNAの任意の部位に配列の削除や挿入を起こすゲノム編集は,遺伝子の機能を解明するうえで強力な技術であり,これまでにもZinc finger nucleaseやTALENとよばれる人工のヌクレアーゼ(DNA切断酵素)が用いられてきました.最近では,原核生物のもつ獲得免疫機構であるCRISPR/Cas9システムを利用した新しいゲノム編集の手法が開発され,急速に普及しています.この手法では,ガイドRNAがその塩基配列と相補的なゲノムDNAの部位を認識し,ヌクレアーゼであるCas9がガイドRNAと共同してこの部位を切断します.このため,ガイドRNAの塩基配列を変えるだけで,ゲノムDNAの任意の部位を切断することができるという特徴があります.その結果,従来の手法と比較して簡便に任意の部位におけるゲノム編集を行うことが可能になりました.

ところが,ここで用いられるガイドRNAが認識するゲノムDNAの長さは約20塩基と短いため,標的とする部位以外のゲノムDNAを誤って認識してしまう場合のあることが明らかになってきました.この現象はオフターゲット効果とよばれ,ゲノム編集を行ううえで大きな課題となっています.オフターゲット効果を防ぎ,ゲノムDNAにおいて目的とする部位だけでゲノム編集を行うためには,標的とする部位に対する特異性の高いガイドRNAを設計することが重要であると考えられます.

2.研究の成果

情報・システム研究機構 ライフサイエンス統合データベースセンター(DBCLS)の内藤雄樹特任助教,坊農秀雅特任准教授,東京大学大学院理学系研究科の日野公洋助教,程久美子准教授の研究グループは,オフターゲット効果に関する最新の知見を反映し,最適なガイドRNAを効率よく設計することのできるソフトウェア「CRISPRdirect」(http://crispr.dbcls.jp/)を開発しました(図1).

特異性の高いガイドRNAを設計するためには,ゲノム全体の塩基配列を探索し,ゲノムのほかの領域とは塩基配列が一致せず,標的とする部位とだけ塩基配列が完全に一致するようなゲノムDNAの領域を見つける必要があり,この領域に対しガイドRNAを設計します.さらに,ガイドRNAとゲノムDNAとのあいだに不一致や挿入・欠失があってもオフターゲット効果の起こりうることが実験的に報告されていることから,CRISPRdirectでは,そのような塩基配列を精度よく探索し,オフターゲット効果のリスクを評価します.

また,CRISPRdirectは直感的で優れたユーザーインターフェースを備えており,簡単な操作によりガイドRNAを設計することが可能です.特異性の高いガイドRNAの候補が緑色にハイライトされるほか,候補となるそれぞれのガイドRNAによりオフターゲット効果の起こる可能性のあるゲノムの部位を表示します.

DBCLS報道発表資料.Fig1

図1 ゲノム編集のためのガイドRNA設計ソフトウェア「CRISPRdirect」

3.社会的意義・今後の予定

本研究の成果により,標的となる部位に対する特異性が高くオフターゲット効果の少ない優れたガイドRNAの設計がきわめて容易になることから,ゲノム編集のための強力なツールとしてライフサイエンス研究に幅広く貢献することが期待されます.現時点で,CRISPRdirectは代表的なモデル生物を含む16種の生物種(ヒト,マウス,ラット,マーモセット,ブタ,ニワトリ,ツメガエル,ゼブラフィッシュ,ホヤ,ショウジョウバエ,カイコ,線虫,シロイヌナズナ,イネ,ソルガム,出芽酵母)に対応しており,生命科学系および医学系の多彩な分野の研究者の利用が見込まれます.対応する生物種は今後も追加していく予定です.CRISPRdirectはウェブブラウザ上で利用でき,すべての機能は無償で自由に利用できます.

本研究は,科学技術振興機構バイオサイエンスデータベースセンター,科学研究費助成事業,革新的細胞解析研究プログラム(セルイノベーション)などの支援を受けて行われました.

掲載論文

Yuki Naito*, Kimihiro Hino*, Hidemasa Bono and Kumiko Ui-Tei.
(内藤 雄樹*,日野 公洋*,坊農 秀雅,程 久美子.*は共同筆頭著者)
CRISPRdirect: software for designing CRISPR/Cas guide RNA with reduced off-target sites.
Bioinformatics(平成26年11月20日付 オンライン版公開)
http://bioinformatics.oxfordjournals.org/content/early/2014/11/17/bioinformatics.btu743.abstract

用語解説

注1 ゲノム編集

生命の設計図であるゲノムDNAの任意の部位に切断を引き起こし,その切断部位の修復機構を利用して配列の挿入や欠失を引き起こすゲノムDNAの改変手法.この手法には標的とするゲノムDNAの領域を認識して切断するヌクレアーゼ(DNA切断酵素)が必要であり,Zinc finger nucleaseやTALENなどの人工ヌクレアーゼが用いられてきた.最近,CRISPR/Cas9システムという,設計が簡単な新しい人工ヌクレアーゼが登場し,これを用いたゲノム編集が大きな注目を集めている.

注2 CRISPR/Cas9システム

原核生物に由来する獲得免疫機構で,細胞内に侵入してきた核酸(ファージDNAやプラスミドなど)を切断および分解する.この機構において中心的な役割を果たすヌクレアーゼがCas9である.Cas9は単独ではDNA切断活性を示さず,細胞内で合成されるガイドRNAと相互作用することにより,細胞外から侵入してきた核酸を認識し切断できるようになると考えられている.そのため,このガイドRNAを人工的に改変するだけで,任意の配列を認識し切断する人工ヌクレアーゼを設計することが可能である.

注3 ガイドRNA

原核生物のゲノムから転写・合成されるRNA分子で,CRISPR/Cas9システムにおいて,その塩基配列と相補的なゲノムDNAの部位を認識する役割をもつ.ガイドRNAを人工的に設計することにより,Cas9を任意の部位を認識し切断することが可能な人工ヌクレアーゼとして機能させることが可能になる.

発表者

内藤 雄樹(ライフサイエンス統合データベースセンター 特任助教)
日野 公洋(東京大学大学院理学系研究科生物科学専攻 助教)
坊農 秀雅(ライフサイエンス統合データベースセンター 特任准教授)
程 久美子(東京大学大学院理学系研究科生物科学専攻 准教授)

問い合わせ先

研究内容について
  • 大学共同利用機関法人情報・システム研究機構
    ライフサイエンス統合データベースセンター 特任助教 内藤 雄樹
    電話:04-7135-5508 FAX:04-7135-5534 E-mail:y-naito [at] dbcls.rois.ac.jp
  • 東京大学大学院理学系研究科生物科学専攻 准教授 程 久美子
    電話:03-5841-3044 FAX:03-5841-3044 E-mail:ktei [at] bs.s.u-tokyo.ac.jp
報道について
  • 大学共同利用機関法人情報・システム研究機構
    リサーチ・アドミニストレーター(広報) 池谷 瑠絵
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  • 東京大学大学院理学系研究科・理学部
    特任専門職員 武田 加奈子,広報室副室長(准教授) 横山 広美
    電話:03-5841-8856 E-mail:kouhou [at] adm.s.u-tokyo.ac.jp