遺伝子編集革命は、新たな天然酵素を発見するのではなく、ゼロから設計することで、強力なアップグレードを得ようとしている。UCバークレーのInnovative Genomics Instituteの研究者らは、ノーベル賞受賞者Jennifer Doudnaの指導の下、人工知能を用いて、自然界が生み出したものよりも効率的な合成版CRISPR酵素を創り出した。
Scienceに発表されたこの研究は、CRISPR-Cas12ファミリーの古代進化祖先であるTnpBタンパク質に焦点を当てた。これらは超コンパクトなヌクレアーゼで、約400アミノ酸長であり、遺伝子治療のためのAAVベクターで送達できるほど小さい。しかし、天然TnpBには問題がある：ヒト細胞では非効率的であり、通常30パーセントをはるかに下回る編集率しか達成できない。
AIアプローチ
チームは、もともとMeta AIで開発された構造誘導型タンパク質設計モデルであるESM Inverse Folding（ESM-IF1）を使用した。標的の3Dタンパク質構造が与えられると、モデルはその形状に折り畳まれるべきアミノ酸配列を予測する。しかしチームは重要な制約を追加した：16,335のTnpB配列で訓練されたPottsモデルからの進化的保存データに基づいて、核酸インターフェースの機能的に重要な残基を固定したままマスクした。
「そのような制約がなければ、AIは完全に折り畳まれているがDNAやRNAに結合できないタンパク質を生成する可能性がある」と、研究の共同主著者であるPetr Skopintsevは述べた。
Deinococcus radioduransのISDra2 TnpB足場から、AIは数千の候補配列を生成した。E. coliでテストされた1,980の設計のうち、466（24パーセント）が機能的なヌクレアーゼであり、約8パーセントが野生型活性を超えた。上位9つのバリアント（SynTnpB v1〜v9）は、ヒト細胞と植物細胞でテストされた。
ヒト細胞での性能
最も優れたバリアントであるSynTnpB v1とv5は、ヒト胎児腎臓（HEK293T）細胞で劇的な改善を示した。BFPレポーター遺伝子座では、野生型ISDra2 TnpBが約28パーセントの編集を達成した。SynTnpB v5は50パーセントに達した。内在性EMX1遺伝子座では、改善率は3.8倍であった。他の複数の遺伝子座（RUNX1、NIBAN1、AGBL1）でも、合成バリアントは一貫して天然酵素を上回り、野生型の一桁台の率に対して20〜35パーセントの編集を達成した。
合成タンパク質は天然のものと顕著に異なっている。SynTnpBバリアントと天然ISDra2 TnpBの配列同一性はわずか50〜60パーセントであり、本質的に新しいタンパク質ファミリーとなっている。クライオ電子顕微鏡法により、AI設計のタンパク質が予測された構造に折り畳まれ、RNA-DNAインターフェースで新規の安定化コンタクトを形成することが確認された。
バリアントは植物細胞（Arabidopsis thalianaプロトプラスト）でも機能し、ほとんどの標的部位で野生型TnpBを上回った。
依然としてCas9には及ばず
SynTnpBバリアントは、ヒト細胞で日常的に80パーセントを超える編集を達成する最適化されたCas9システムよりも効率が低いままである。しかし、その小さなサイズ（Cas9の160 kDaに対して約45キロダルトン）は、AAVベクターの積載容量が限られている遺伝子治療において送達上の利点をもたらす。
PAM（TnpB用語ではTAM）は依然として制限要因である：合成バリアントは依然として5ヌクレオチドのTTGATモチーフを認識しており、標的可能な配列の範囲を制限している。研究者らは、将来の研究でPAM特異性を操作できる可能性があると指摘している。オフターゲット効果もさまざまで、v5とv7は野生型よりも多くのオフターゲット部位を示した。
出典
- Skopintsev P, Esain-Garcia I, DeTurk EC, et al. 「Structure and evolution-guided design of minimal RNA-guided nucleases.」 Science 393(6808):313-318, 2026. DOI：10.1126/science.aed6123
- Nature News：CRISPR gets a power boost from AI-designed molecular scissors
雅子 訳