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神户大学初创企业利用“无需剪切的基因组编辑”技术开展业务

2019年02月28日 产学研合作
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以CRISPR/Cas 9为代表的基因组编辑技术是通过切断DNA的双链来改变目标基因的技术,但日本神户大学确立了“无需剪切的基因组编辑®”技术,该校成立的初创企业Bio Palette计划使其商业化。“无需剪切的基因组编辑®”技术与以往的基因组编辑技术有何不同?又该如何实现商业化?

◆ 无需剪切的基因组编辑®

Bio Palette公司成立于2017年2月,目标是利用无需剪切DNA即可置换基因的新型基因组编辑技术开展业务。这项技术是神户大学研究生院科学技术创新研究科的西田敬二教授在该研究科主任近藤昭彦教授的实验室研发出来的。成立于2016年的科学技术创新研究科还致力于创业教育,Bio Palette是从该研究科诞生的第一家生物初创企业(照片1)。

神户大学初创企业利用“无需剪切的基因组编辑”技术开展业务

照片1:Bio Palette的实验室

人们熟悉的基因组编辑技术有CRISPR/Cas9,这是以基因组序列上的特定位点为靶点,用核酸酶切断DNA的双链,从而改变目标基因的技术。而Bio Palette的技术是在使核酸酶失去活性的CRISPR系统中添加碱基转化酶,得到人造的酶复合物,利用这种酶复合物,无需剪切DNA即可精准置换DNA的构成要素碱基,进行基因组编辑,被称为“无需剪切的基因组编辑®”技术(图1)。

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图1:无需剪切的基因组编辑®技术的概要

◆ Target-AID®和Target-G®

该公司保有的“无需剪切的基因组编辑®”技术有“Target-AID®”和“Target-G®”两种(表1)。

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表1:无需剪切的基因组编辑®技术的特点

Target-AID®是可以用特定模式精确置换单个碱基的技术。由于无需切断DNA,因此发生不确定的缺失和插入的概率极低。Target-G®则是随机置换某个区域的碱基的技术。

CRISPR/Cas9、转录激活因子样效应物核酸酶(TALEN:Transcription Activator-Like Effector Nuclease)及锌指核酸酶(ZFN:Zinc Finger Nucleases)等“剪切基因组编辑”需要切断DNA的双链。即使切断,DNA也会利用细胞的修复功能恢复原样,但如果反复重复这一动作,就会有一定概率发生DNA碱基缺失或插入等修复错误。利用这种错误诱导靶基因突变就是“剪切基因组编辑”的主要概念。或者也可以通过切断靶DNA序列的双链,同时向基因组中提供拥有同源序列的模板DNA来更换DNA序列,这种情况也会发生缺失或插入。也就是说,“剪切基因组编辑”的编辑效果是在一定程度的不确定性下取得的。另外,切断DNA对细胞来说有时会形成压力。例如某些微生物,切断DNA双链后,可能会因为无法修复而导致细胞死亡。另外,关于多靶点编辑(同时编辑多个位点),切断位点增加的话,毒性也会增强,因此,能利用“剪切基因组编辑”技术同时编辑的位点数量有限。

如上所述,“剪切基因组编辑”利用的是通过切断DNA诱导的细胞机制,由于其特性的原因,这样的技术存在一定的限制。而“无需剪切的基因组编辑®”技术无需切断DNA,所以不会受到剪切带来的限制。也就是说,几乎不会发生意外的缺失或插入,可以实现细胞毒性较低的编辑,在多靶点编辑中,还成功实现了数十个位点的同时编辑。不过,在插入新的DNA片段等方面,“剪切基因组编辑”的经验更丰富(图2)。

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图2:无需剪切的基因组编辑®技术的特点**1

◆ 解决“剪切基因组编辑”课题获得商机

基因组编辑技术的医疗相关应用要求准确进行基因编辑,不能发生非预期的突变。在CRISPR/Cas9等“剪切基因组编辑”中,尤其是在体内进行基因编辑时(in vivo疗法),如何抑制非预期突变成为一大课题。为此,针对一些疾病开发了先将细胞提取到体外进行编辑,然后再筛选正确完成编辑的细胞放回体内的方法(ex vivo疗法)。“无需剪切的基因组编辑®”有望实现更加准确和精密的编辑,因此有可能解决“剪切基因组编辑”技术在医疗应用中存在的课题。

另外,基因组编辑技术在植物和微生物育种中的应用也备受期待,目前正在以大量植物为对象,推进利用CRISPR/Cas9进行品种改良的研究。“剪切基因组编辑”试着通过切断靶DNA序列来删除特定基因的功能或插入DNA片段,从而增加新的功能。而Target-AID®和Target-G®比较适合扩展生物原有功能的用法。另外,高效制作对育种至关重要的多样化突变体时,细胞毒性较低的“无需剪切的基因组编辑®”也更具优势。

“‘剪切基因组编辑’与‘无需剪切的基因组编辑®’是特征明显不同的技术,各自都有适合的用途,可以根据目的区分使用这两种技术。另一方面,从基因组编辑整体来看,必须时刻意识到伦理和法规等。正如Bio Palette公司代表董事村濑所言,二者各有利弊,在商业化中似乎还存在应该将二者结合在一起思考的课题。

该公司的“无需剪切的基因组编辑®”技术要想开拓新市场,就要寻找与“剪切基因组编辑”不同的需求。前文已经提到,在医疗和新药开发领域、农业水产领域及微生物领域等广泛领域都存在新的可能性(表2)。

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表2:无需剪切的基因组编辑®的市场优势

“无需剪切的基因组编辑®”技术作为源自日本的核心基因组编辑技术备受关注,今后要从长远角度出发,依照相关法律开展业务,未来的业务开展应该会面临不少困难。

文《产学研合作月刊》总编辑 山口泰博
翻译编辑 JST 客观日本编辑部

参考文献
**1:
Nishida, K. et al., Targeted nucleotide editing using hybrid prokaryotic and vertebrate adaptive immune systems. Science. 2016, vol.353, issue 6305, aaf8729.

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