人間の遺伝子の設計図は一見単純です。私たちの遺伝子は、染色体と呼ばれる 46 個の X 字型構造にしっかりと巻き付けられています。進化によって作られたそれらは DNA を運び、細胞分裂時に複製することで、世代を超えたゲノムの安定性を確保します。

1997 年、ある研究が進化論の戦略を台無しにしました。 初めて、チームは遺伝子工学を使用して人工ヒト染色体を作成しました。ペトリ皿内のヒト細胞に人工染色体を導入すると、人工染色体は天然の染色体とほぼ同じように動作しました。細胞が分裂するにつれて複製され、47 本の染色体を持つヒト細胞が誕生しました。

ご安心ください、目的は人類を人為的に進化させることではありません。むしろ、人工染色体は、ヒトの遺伝物質や遺伝子編集ツールの大きな塊を細胞内に運ぶために使用できます。現在の送達システム（ウイルスキャリアやナノ粒子）と比較して、人工染色体ははるかに多くの合成 DNA を組み込むことができます。

理論的には、遺伝性疾患を持つ人々に治療用遺伝子を導入したり、癌に対する保護遺伝子を追加したりするように設計できる可能性がある。

しかし、20年以上の研究にもかかわらず、この技術はまだ主流にはなっていません。課題の 1 つは、連結して染色体を形成する短い DNA セグメントが細胞内に入ると互いにくっついてしまい、遺伝子がどのように動作するかを予測することが困難になることです。

今月、 新しい研究 ペンシルバニア大学の博士らは、25 年前のレシピを変更し、新世代の人工染色体を構築しました。以前の染色体と比較して、新しい染色体は操作が容易で、細胞内で一度も凝集しない長い DNA セグメントを使用します。また、それらは大きなキャリアでもあり、理論的には、酵母の最大の染色体とほぼ同じサイズの遺伝物質をヒトの細胞に運ぶことができます。

「本質的に、私たちはHAC（ヒト人工染色体）の設計と提供に対する古いアプローチを完全に見直しました」と研究著者のベン・ブラック博士は述べた。 と プレスリリースに。

「この研究は、動物と植物の両方で人工染色体を操作する取り組みを再活性化する可能性があります。」 書いた ジョージア大学のR. Kelly Dawe博士はこの研究には関与していなかった。

あなたの形

1997 年以来、人工ゲノムは確立されたバイオテクノロジーになりました。これらは細菌、酵母、植物の DNA を書き換えるために使用されており、その結果、命を救う薬や植物を合成できる細胞が生成されます。 プラスチックを食べる。また、科学者がゲノム全体に点在する謎の DNA 配列の機能をより深く理解するのにも役立つ可能性があります。

この技術はまた、最初の合成生物をもたらしました。 2023 年後半、科学者たちは 酵母細胞が明らかになった 遺伝子の半分が人工 DNA に置き換えられており、研究チームは最終的にはすべての染色体をカスタマイズしたいと考えています。今年の初めに、 別の研究 植物の染色体の一部を再加工し、合成生物の限界をさらに押し広げました。

また、染色体の構造をいじる（たとえば、役に立たないと思われる領域を切り取る）ことによって、染色体が通常どのように機能するかをより深く理解でき、病気の治療につながる可能性があります。

ヒト人工染色体を構築する目的は、合成ヒト細胞を操作することではありません。むしろ、この研究は遺伝子治療を進歩させることを目的としています。治療用遺伝子や遺伝子編集ツールを細胞に導入する現在の方法は、ウイルスやナノ粒子に依存しています。しかし、これらの運送業者の貨物積載量は限られています。

現在の配送手段がヨットに似ているとすれば、人工ヒト染色体は貨物船に似ており、はるかに大量かつ広範囲の遺伝子を運ぶことができます。

問題？構築するのは難しいです。円形の細菌や酵母の染色体とは異なり、私たちの染色体は「X」のような形をしています。それぞれの中心にはセントロメアと呼ばれるタンパク質のハブがあり、細胞が分裂するときに染色体が分離して複製できるようにします。

ある意味、セントロメアは、ほつれた布片、つまり染色体の腕を無傷に保つボタンのようなものです。ヒトの人工染色体を構築するこれまでの取り組みでは、これらの構造に焦点を当て、ヒトの細胞内でタンパク質を発現して染色体を固定できるDNA文字を抽出した。しかし、これらの DNA 配列は両面テープのようにすぐにくっついてしまい、ボール状になってしまい、細胞が追加された遺伝子にアクセスすることが困難になってしまいました。

理由の 1 つは、合成 DNA 配列が短すぎて、ミニ染色体コンポーネントの信頼性が低くなっていることである可能性があります。新しい研究では、以前よりもはるかに大きなヒト染色体アセンブリを操作することで、このアイデアをテストしました。

8 は幸運な数字です

研究チームはヒト人工染色体をX型の染色体ではなく、酵母での複製に適合する円として設計した。この円には 760,000 個の DNA 文字ペアが詰め込まれており、これはヒトの染色体全体のおよそ 1/200 のサイズです。

円の内側には、染色体の構造を無傷に保ち、複製できる「ボタン」である、より丈夫なセントロメアを作るための遺伝的指示があった。ボタンは酵母細胞内で発現されると、酵母の分子機構を動員して健康なヒトの人工染色体を構築します。

合成ヒト染色体は、酵母細胞内の最初の環状の形で、細胞融合と呼ばれるプロセスを通じてヒト細胞に直接受け渡される可能性があります。科学者らは酵母細胞の周囲にある「ラッパー」を化学処理で除去し、人工染色体を含む細胞の成分がペトリ皿内のヒト細胞に直接融合できるようにした。

慈悲深い地球外生命体のように、追加された合成染色体は喜んで人間の宿主細胞に組み込まれました。有害な破片に凝集するのではなく、セントロメアが円をまとめて保持しながら、円は 8 の字型に倍増しました。人工染色体は、通常の機能を変えることなく、天然の X 型染色体とうまく共存しました。

遺伝子治療の場合、細胞が分裂しても、追加された遺伝子が体内に残ることが不可欠です。この特典は、治療にすぐに適応できるがんのような分裂の速い細胞にとって特に重要です。合成染色体に既知のがん抑制遺伝子が詰め込まれていれば、細胞の世代を通じてがんやその他の病気を抑制できる可能性がある。

人工ヒト染色体はテストに合格した。彼らは、細胞が分裂するときに拡散するのを助けるために人間の宿主細胞からタンパク質を動員し、人工遺伝子を世代を超えて保存しました。

復活

最初のヒト人工染色体以来、多くのことが変わりました。

CRISPR などの遺伝子編集ツールにより、遺伝子設計図の書き換えが容易になりました。特定の臓器や組織を標的とする送達メカニズムが増加しています。しかし、合成染色体が再び脚光を浴びつつあるかもしれない。

遺伝子治療や遺伝子編集に最もよく使用される送達媒体であるウイルスキャリアとは異なり、人工染色体はゲノムにトンネルを抜けて正常な遺伝子発現を妨害することができないため、より安全になる可能性があります。

ただし、このテクノロジーには脆弱性があります。操作された染色体は、依然として細胞分裂時に失われることがよくあります。染色体の「ボタン」であるセントロメアの近くに配置された合成遺伝子も、細胞分裂時に複製して分離する人工染色体の能力を妨害する可能性があります。

しかしドー氏にとって、この研究は人間の細胞単独よりも大きな意味を持っているという。この研究で示されたセントロメアの再構築の原理は酵母にも使用でき、生物の「界全体に適用できる」可能性がある。

この方法は、科学者が人間の病気をより適切にモデル化したり、薬やワクチンを製造したりするのに役立つ可能性がある。より広範には、「医療、家畜、食料と繊維の生産に関連する世界的な課題に対処するための拡大するツールキットの一部として人工染色体を組み込むことが間もなく可能になるかもしれない」と同氏は書いている。

画像のクレジット： ウォーレン・ウモー / Unsplash

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• 情報源： https://singularityhub.com/2024/03/26/human-artificial-chromosomes-could-ferry-tons-more-dna-cargo-into-cells/