条件付き遺伝子ノックアウト

条件付き遺伝子ノックアウトは、肝臓などの特定の組織で特定の遺伝子を除去するために使用される技術です。^{[1] [2]}この技術は、生体内の個々の遺伝子の役割を研究するのに役立ちます。これは、生命の初めから削除されるのではなく、特定の時期に特定の遺伝子をターゲットにするため、従来の遺伝子ノックアウトとは異なります。条件付き遺伝子ノックアウト技術を使用すると、従来の遺伝子ノックアウトの多くの副作用が排除されます。従来の遺伝子ノックアウトでは、遺伝子変異による胎児の死が発生する可能性があり、これにより科学者は成人の遺伝子を研究することができません。一部の組織は単独で適切に研究できないため、遺伝子は特定の組織では不活性である一方、他の組織では活性のままである必要があります。この技術により、科学者は特定の発達段階で遺伝子をノックアウトし、1つの組織での遺伝子のノックアウトが他の組織の同じ遺伝子にどのように影響するかを研究することができます。^{[3] [4]}

最も一般的に使用されている技術は、Cre-lox組換えシステムです。Cre組換え酵素は、DNA内の2つのlox（組換え部位）部位を特異的に認識し、それらの間で組換えを引き起こします。組換え中、2本のDNA鎖が情報を交換します。この組換えにより、2つのlox部位間の遺伝子の方向に応じて、遺伝子の削除または反転が引き起こされます。遺伝子全体を除去して不活性化することができます。 ^{[1] [3]}このシステム全体は誘導性であるため、特定の時間に化学物質を追加して遺伝子をノックアウトすることができます。最も一般的に使用される化学物質の2つは、Cre組換え酵素遺伝子の転写を活性化するテトラサイクリンと、Cre組換え酵素タンパク質の核への輸送を活性化するタモキシフェンです。^[4] Cre組換え酵素を発現する細胞タイプはごくわずかで、哺乳類細胞はこれを発現しないため、哺乳類で条件付き遺伝子ノックアウトを使用する場合、lox部位が誤って活性化されるリスクはありません。 Creリコンビナーゼを生物内でどのように発現させるかを理解することがこの技術の最も難しい部分である。^[3]

条件付き遺伝子ノックアウト法は、他の哺乳類でヒトの病気をモデル化するためによく使用されます。^[2]これにより、特定の細胞タイプまたは発達段階で発生する癌などの病気を研究する科学者の能力が向上しました。^[4] BRCA1遺伝子の変異は乳癌に関連していることが知られています。科学者は条件付き遺伝子ノックアウトを使用してマウスの乳腺組織でBRCA1対立遺伝子を削除し、それが腫瘍抑制に重要な役割を果たすことを発見しました。^[3]

アルツハイマー病の発症に関係すると考えられている、サイクリン依存性キナーゼ5 （Cdk5）という酵素をコードするマウスの脳内の特定の遺伝子がノックアウトされた。このようなマウスは、通常のマウスよりも「賢く」、研究室で飼育された「通常の」マウスと比較して複雑なタスクをより知的に処理できることがわかった。^[5]

マウスの条件付き遺伝子ノックアウトは、多くの遺伝子が両種で類似した表現型を生み出すため、ヒトの疾患の研究によく使用されます。過去100年間、マウスは定性的なテストを生成できるほどヒトと生理学的に類似した哺乳類であるため、実験室でのマウス遺伝学がこの研究に使用されてきました。これら2つの動物は非常に類似した遺伝子を持っているため、研究された4000個の遺伝子のうち、一方の種にのみ存在し、もう一方の種には存在しない遺伝子はわずか10個でした。すべての哺乳類は約8000万年前に同じ共通の祖先を共有していました。技術的に言えば、哺乳類のすべてのゲノムは比較的類似しています。ただし、マウスとヒトを比較すると、ゲノムのタンパク質コード領域は85％同一であり、相同遺伝子の99％に類似点があります。これらの類似点により、2つの種間で同様の表現型が表現されます。[8][12] マウスの遺伝子はヒトの遺伝子と非常に似ており、相同遺伝子の99％が類似しています。同様の表現型を生成するとともに、条件付き遺伝子ノックアウトの非常に有望な候補となっている。[8] KOMPの目標は、マウスの20,000個のタンパク質コード遺伝子のそれぞれについて、胚性幹細胞にノックアウト変異を作成することである。^[2]遺伝子をノックアウトするのは、これが遺伝子の機能の研究とヒトの疾患における役割についてより詳しく知るための最良の方法であるためである。条件付き遺伝子ノックアウトには、遺伝子ターゲティングまたは相同組換えと遺伝子トラッピングの2つの主な戦略がある。どちらの方法も通常、人工DNAを標的ES細胞に輸送する手段として、改変されたウイルスベクターまたは線状フラグメントを使用する。その後、細胞は数日間ペトリ皿で成長し、初期段階の胚に挿入される。最後に、胚は成体の雌の子宮に配置され、そこで子孫に成長することができる。[9] このプロジェクトの一部の対立遺伝子は、従来の方法ではノックアウトできず、条件付き遺伝子ノックアウト技術の特異性を必要とする。最後に残った対立遺伝子をノックアウトするには、他の組み合わせ法が必要です。条件付き遺伝子ノックアウトは時間のかかる手順であり、残りのマウス遺伝子をノックアウトすることに焦点を当てた追加のプロジェクトがあります。^[6] KOMPプロジェクトの貢献者であるオリバー・スミシーズは、おそらくこの遺伝子ターゲティングに最大の科学的影響を与えました。オリバーは、遺伝子の機能を特定できる技術と、特定の遺伝子を削除するために「ノックアウト」方法を使用する方法により、ノーベル医学賞を受賞しました。残念ながら、遺伝子ターゲティングの先駆者である彼は、2017年1月10日に91歳で亡くなりました。[11] KOMPプロジェクトは2006年に開始され、現在も継続しています。^[7] KOMPリポジトリは、プロジェクトに参加している人々にフィードバックを返すインセンティブを提供し、特定の基準を満たす人には研究細胞のコストの50％を返金することができます。[10]

8. Austin, CP, Battey, JF, Bradley, A., Bucan, M., Capecchi, M., Collins, FS, Dove, WF, Duyk, G., Dymecki, S., Eppig, JT, Grieder, FB, Heintz, N., Hicks, G., Insel, TR, Joyner, A., Koller, BH, Lloyd, KC, Magnuson, T., Moore, MW, Nagy, A., ... Zambrowicz, B. (2004). ノックアウトマウスプロジェクト. Nature genetics, 36(9), 921–924. https://doi.org/10.1038/ng0904-921

9. ノックアウトマウスファクトシート。(nd) https://www.genome.gov/about-genomics/fact-sheets/Knockout-Mice-Fact-Sheet から取得

10. Lloyd KC (2011)。生物医学研究コミュニティのためのノックアウトマウスリソース。ニューヨーク科学アカデミー紀要、1245、24-26。https://doi.org/10.1111/j.1749-6632.2011.06311.x

11. ノーベル賞受賞者のオリバー・スミシーズ博士が 7 月 10 日にアール H. モリス寄付講演を行う。(nd) https://medicine.wright.edu/about/article/2009/smithieslecture から取得

12. NIH. (nd). マウスが重要な理由。https://www.genome.gov/10001345/importance-of-mouse-genome から取得