遺伝子ドライブ

遺伝子ドライブは、特定の対立遺伝子が子孫に伝達される確率（メンデルの法則である50%の確率ではなく）を変更することによって、特定の遺伝子群を集団全体に伝播させる自然のプロセス^{[ 1]および遺伝子工学の技術です[2] 。遺伝子ドライブは、さまざまなメカニズムを通じて発生する可能性があります。 [3] [4]}遺伝子ドライブは、特定の集団や種全体を遺伝子改変する効果的な手段を提供すると提案されています。

この技術では、遺伝子の追加、削除、破壊、または改変を行うことができる。^{[5] [6]}

提案されている用途には、病原体を運ぶ昆虫（特にマラリア、デング熱、ジカ熱の病原体を媒介する蚊）の駆除、侵入種の制御、除草剤や殺虫剤耐性の排除などがある。^{[7] [5] [8] [9]}

潜在的に強力な技術が常にそうであるように、遺伝子ドライブはさまざまな方法で悪用されたり、意図しない結果を引き起こしたりする可能性がある。例えば、地元の個体群のみに影響を与えることを意図した遺伝子ドライブが、種全体に広がる可能性がある。外来種の個体群を非在来生息地で根絶する遺伝子ドライブは、在来生息地であっても、種全体の個体群に影響を及ぼす可能性がある。自然の移住、環境破壊（嵐、洪水など）、偶発的な人間の移動、または意図的な移転によって、種の個体が元の生息地に偶然戻った場合、移転した個体が有害な遺伝子ドライブを持っていた場合は、意図せずに種を絶滅させる可能性がある。^[10]

遺伝子ドライブは、さまざまな分子メカニズムを利用する多くの自然に発生する利己的な遺伝子要素から構築できます。 ^[3]これらの自然に発生するメカニズムは、野生で同様の分離歪みを引き起こし、対立遺伝子が通常の50％よりも高い伝達確率を与える分子メカニズムを進化させたときに発生します。

遺伝子ドライブのほとんどは昆虫、特に蚊を対象に開発されており、昆虫媒介病原体を制御する方法として利用されています。最近の開発では、ウイルス、特にヘルペスウイルスに直接遺伝子ドライブを組み込むように設計されました。これらのウイルス遺伝子ドライブは、ウイルスの集団に改変を伝播させ、ウイルスの感染力を低下させることを目指しています。^{[11] [12]}

有性生殖を行う種では、ほとんどの遺伝子が2つのコピー（同じまたは異なる対立遺伝子）で存在し、どちらかが子孫に受け継がれる確率は50％です。特定の改変遺伝子の継承に偏りを持たせることで、合成遺伝子ドライブは集団全体に改変をより効果的に広めることができます。^{[5] [6]}

通常、科学者は CRISPR-Cas9 装置とともに遺伝子ドライブを生物の DNA に挿入します。改変された生物が交配し、その DNA が相手の DNA と混ざると、CRISPR-Cas9 ツールは最初の生物の遺伝子ドライブと同じ場所で相手の DNA を切断します。細胞は最初の生物の遺伝子ドライブを子孫の DNA の対応する場所にコピーすることで、切断された DNA を修復します。つまり、遺伝子の両方のコピー (両親から 1 つずつ) に遺伝子ドライブが含まれることになります。

分子レベルでは、エンドヌクレアーゼ遺伝子ドライブは、ドライブをコードしていない特定の部位で染色体を切断することで機能し、ドライブ配列を損傷した染色体にコピーすることで細胞に損傷を修復するよう誘導します。その後、細胞はドライブ配列のコピーを 2 つ持つことになります。この方法はゲノム編集技術に由来し、相同組換えに依存しています。この動作を実現するために、エンドヌクレアーゼ遺伝子ドライブは 2 つのネストされた要素で構成されています。

• 「ターゲット配列」、つまりライバル対立遺伝子を選択的に切断する エンドヌクレアーゼ。これは次のいずれかです。
  • ホーミングエンドヌクレアーゼは、天然のインテインが増殖するために使用するものです。しかし、再標的化は非常に困難であり、不可能である可能性もあります。^[5]
  • RNA誘導エンドヌクレアーゼ（例：Cas9またはCas12a ^[13]）とそのガイドRNAは、標的を設定するために簡単に変更できます。^[5] Cas9は、2014年のレビューで最も有望な技術であると特定されました。^[5] Cas9遺伝子ドライブは2015年にテストされ、^[14] Cas12aは2023年にテストされました。 ^[15]
  • その他のプログラム可能なエンドヌクレアーゼシステム、例えばモジュラージンクフィンガーヌクレアーゼやTALENなど。^[5]このようなドライブの1つはショウジョウバエでうまくテストされましたが、これらのエンドヌクレアーゼの多数の繰り返しの性質のために進化的に不安定であることが判明しました。^[5]
• ターゲット配列が切断された後に DNA 修復機構によって使用されるテンプレート配列。遺伝子ドライブの自己増殖特性を実現するために、この修復テンプレートには少なくともエンドヌクレアーゼ配列が含まれています。テンプレートは切断部位での二本鎖切断を修復するために使用する必要があるため、その両側はホストゲノムの切断部位に隣接する配列と相同です。遺伝子ドライブを遺伝子コード配列にターゲットすることで、この遺伝子は不活性化されます。遺伝子ドライブに追加の配列を導入して、新しい機能をエンコードすることができます。

その結果、ゲノムへの遺伝子ドライブの挿入は、改変遺伝子のコピー1つと野生型遺伝子のコピー1つを継承する各生物で再び発生します。遺伝子ドライブがすでに卵細胞に存在する場合（たとえば、片方の親から受け継いだ場合）、個体のすべての配偶子が遺伝子ドライブを持ちます（通常の遺伝子の場合は50%）。^[5]

遺伝子ドライブは、世代ごとに頻度が 2 倍以上に増えることはないため、1 個体に導入された遺伝子ドライブが集団のかなりの部分に影響を与えるには通常、数十世代かかります。一方、ドライブを含む生物を十分な数放出すると、数世代以内に残りの個体に影響を与えることができます。たとえば、1,000 個体ごとに導入すると、すべての個体に存在するのに 12 ～ 15 世代しかかかりません。^[16]遺伝子ドライブが最終的に集団内で固定されるかどうか、またその速度は、個体の適応度、対立遺伝子変換率、および集団構造への影響によって異なります。十分に混合された集団で、現実的な対立遺伝子変換頻度 (≈90%) の場合、集団遺伝学では、選択係数が 0.3 未満であれば遺伝子ドライブが固定されると予測されています。^[16]言い換えると、生殖成功が 30% 以上低下しない限り、遺伝子ドライブを使用して改変を広めることができます。これは、適応度を高める場合にのみ大規模な集団に広がることができる通常の遺伝子とは対照的です。

この戦略は通常、改変されていない対立遺伝子と遺伝子ドライブ対立遺伝子が同じ細胞核内に同時に存在することに依存するため、遺伝子ドライブは細菌やウイルスを除く有性生殖生物でのみ操作できると一般的に考えられてきました。しかし、ウイルス感染中、ウイルスは感染細胞内に数百または数千のゲノムコピーを蓄積する可能性があります。細胞は複数のビリオンによって共感染することが多く、ウイルスゲノム間の組み換えは多くのウイルスの多様性のよく知られた広範な原因です。特に、ヘルペスウイルスは大きな二本鎖DNAゲノムを持つ核複製DNAウイルスであり、複製サイクル中に相同組み換えを頻繁に受けます。

これらの特性により、性生殖を伴わず、特定の細胞に自然発生ウイルスと人工ウイルスを共感染させる遺伝子ドライブ戦略の設計が可能になりました。共感染すると、改変されていないゲノムが相同組換えによって切断され修復され、自然発生集団を徐々に置き換えることができる新しい遺伝子ドライブウイルスが生成されます。細胞培養実験では、ウイルスの遺伝子ドライブがウイルス集団に広がり、ウイルスの感染力を大幅に低下させることが示され、ヘルペスウイルスに対する新しい治療戦略が開かれました。^[11]

遺伝子ドライブは切断部位とそれに対応する相同性を含む他の対立遺伝子を置き換えることによって伝播するため、その適用は主に有性生殖種に限定されている（それらは二倍体または倍数体であり、各世代で対立遺伝子が混合されるため）。副作用として、近親交配は原理的には逃避メカニズムとなり得るが、実際にこれがどの程度起こり得るかを評価することは困難である。^[17]

遺伝子ドライブが個体群全体に影響を及ぼすのに必要な世代数のため、普遍性が得られるまでの時間はそれぞれの種の生殖周期によって異なります。無脊椎動物の中には1年未満で済むものもありますが、人間のように誕生から性成熟までに何年もかかる生物の場合は数世紀かかることもあります。^[18]そのため、この技術は繁殖の早い種に最も役立ちます。

実際の実践における有効性は、特に生殖細胞プロモーターの選択によって、技術によって異なります。LinとPotter 2016（a）はプロモーター技術相同性支援CRISPRノックイン（HACK）を公開しており、LinとPotter 2016（b）は実際の使用を実証し、改変されたショウジョウバエの母親から改変された子孫の高い割合を達成しています。^[19]

研究者が指摘した問題点としては、以下のものがある。^[20]

• 突然変異: ドライブの途中で突然変異が発生する可能性があり、望ましくない特性が「そのまま」残る可能性があります。
• 逃避: 交配や遺伝子の流動により、ドライブがターゲットの集団を超えて移動できるようになる可能性があります。
• 生態学的影響: 新しい特性がターゲットに直接与える影響が理解されている場合でも、その駆動力が周囲に副作用をもたらす可能性があります。

MITとハーバード大学のブロード研究所は、企業が追求すべきではないと考える遺伝子編集技術の用途のリストに遺伝子ドライブを追加しました。^{[21] [より良い情報源が必要]}

遺伝子ドライブは将来のすべての世代に影響を及ぼし、生物種においてこれまで考えられなかったほど大きな変化をもたらす可能性を秘めています。^[22]

2015年12月、世界の主要アカ​​デミーの科学者らは、CRISPR-Cas9技術に関連するものを含め、生殖細胞系に影響を与える遺伝性のヒトゲノム編集の一時停止を求めたが^[23]、将来の世代に影響を与えない基礎研究と遺伝子編集の継続を支持した。^[24] 2016年2月、英国の科学者らは、7日以内に胚を破壊するという条件で、CRISPR-Cas9および関連技術を使用してヒト胚を遺伝子改変することを規制当局から許可された。 ^{[25] [26]} 2016年6月、米国の全米科学・工学・医学アカデミーは、遺伝子ドライブに関する「責任ある行動に関する勧告」に関する報告書を発表した。^[27]

2018年の数学的モデリング研究によると、既存の遺伝子ドライブ耐性と進化する遺伝子ドライブ耐性（切断部位の変異によって引き起こされる）にもかかわらず、非効率的なCRISPR「改変型」遺伝子ドライブでも小規模な集団での固定を達成できることが示唆されている。多くの地域集団間での遺伝子流動はわずかだがゼロではないため、遺伝子ドライブは集団外にも逃げ出し、変換することができる。^[28]

ケビン・M・エスヴェルトは、遺伝子ドライブの安全性についてオープンな対話が必要だと述べた。「我々の見解では、侵襲性があり自己増殖する遺伝子ドライブシステムは、世界中の標的種のすべての集団に広がる可能性が高いと想定するのが賢明です。したがって、それらは、マラリアなどの真の疫病と戦うためにのみ構築されるべきです。マラリアに対しては、十分な対策がほとんどなく、影響を受けるすべての国で展開するための国際協定への現実的な道筋を提供するものです。」[ ^29]彼は、ナンタケット島とマーサズ・ヴィニヤード島でライム病を根絶するために遺伝子ドライブを使用するという自身の研究をオープンモデルに移行しました。^[30]エスヴェルトと同僚は、絶滅の危機に瀕した野生生物を絶滅から救うために CRISPR を使用できると示唆しました。エスヴェルトは後に、マラリアを運ぶ蚊などの極めて危険な集団と、ドライブが標的地域を超えて広がるのを防ぐ孤立した島を除いて、このアイデアへの支持を撤回しました。^[31]

インペリアル・カレッジ・ロンドンの進化遺伝学者オースティン・バートは、 2003年に自然のホーミングエンドヌクレアーゼの利己的遺伝要素に基づいた遺伝子ドライブを行う可能性を紹介した。^[6]

研究者らは、そのような遺伝子が利己的に作用して、次の世代に急速に広がる可能性があることをすでに示していた。バートは、遺伝子ドライブが蚊の集団によるマラリア原虫の媒介を防いだり、蚊の集団を激減させたりするのに使用できるかもしれないと示唆した。ホーミングエンドヌクレアーゼに基づく遺伝子ドライブは、実験室で蚊^[32]とショウジョウバエの遺伝子組み換え集団で実証されている。 ^{[33] [34]}しかし、ホーミングエンドヌクレアーゼは配列特異的である。その特異性を変更して他の目的の配列を標的とすることは、依然として大きな課題である。^{[3]遺伝子ドライブの可能な用途は、CRISPRと、関連する}Cas9やCas12aなどのRNA誘導エンドヌクレアーゼが発見されるまでは限られていた。

2014年6月、世界保健機関（WHO）の熱帯病研究訓練特別プログラム^[35]は、遺伝子組み換え蚊の評価に関するガイドライン^{[36]を発行しました。2013年には、}欧州食品安全機関がすべての遺伝子組み換え生物の環境評価に関するプロトコル^[37]を発行しました。

ビル＆メリンダ・ゲイツ財団が資金提供しているプロジェクト「ターゲット・マラリア」は、遺伝子ドライブ技術に7,500万ドルを投資した。同財団は当初、この技術が2029年までにアフリカのどこかで実地使用できるようになると見積もっていた。しかし、2016年にゲイツはこの見積りを2年以内に変更した。^[38] 2017年12月、情報公開法に基づいて公開された文書によると、DARPAは遺伝子ドライブ研究に1億ドルを投資していた。^[39]

科学者たちは遺伝子ドライブの制御を維持するために複数の戦略を考案した。^[要出典]

2020年に研究者らは、2つの活性ガイドRNAのみの要素の開発を報告した。彼らの研究によれば、この要素により、野生の個体群にCRISPR-Cas9遺伝子編集で導入された遺伝子ドライブを停止または削除できる可能性がある。この論文の主任著者は、ケージ試験で実証された2つの中和システムは「野外で実施される遺伝子ドライブに対して誤った安心感を持って使用すべきではない」と警告している。^{[40] [41]}

駆除が必要ない場合は、それほど厳しくない遺伝子ドライブ技術を使用して、意図的に対象個体群を低いレベルで保存することが望ましい場合があります。これは、対象地域に半欠陥個体群を無期限に維持することで機能し、その結果、空白を埋めるために戻ってくる可能性のある近くの野生個体群を排除します。^[42]

CRISPR ^[43]は主要な遺伝子工学手法です。^[44] 2014年、Esveltと同僚らは、CRISPR/Cas9を使用して遺伝子ドライブを構築できる可能性があることを初めて示唆しました。^[5] 2015年、研究者らは、サッカロミセス^[45] 、 ショウジョウバエ^[46]、蚊[ ⁴⁷ ] でCRISPRベースの遺伝子ドライブの設計に成功したと報告しました。 [48 ^]彼らは、連続した世代にわたる効率的な遺伝の歪みを報告し、ある研究では、遺伝子が実験室集団に広がったことを実証しました。^[48]説明した遺伝子ドライブのそれぞれについて、ドライブ抵抗性対立遺伝子が発生することが予想されましたが、抵抗性が深刻な適応度コストを伴うと予想される高度に保存された部位を標的とすることで、これを遅らせたり防いだりすることができます。

CRISPR の標的化の柔軟性により、遺伝子ドライブは理論的にはほとんどあらゆる形質を改変するために使用できます。以前のアプローチとは異なり、複数の配列を標的とすることで、ドライブ耐性の進化を阻止するように調整できます。CRISPR は、集団を排除するのではなく制御する遺伝子ドライブ アーキテクチャも可能にします。^{[引用が必要]}

2022年、t-CRISPRは「tハプロタイプ」遺伝子を子孫の約95％に伝えるために使用されました。このアプローチは、女性の生殖遺伝子の欠陥のあるコピーを子孫に広め、不妊にします。研究者は、モデルによると、256匹の改変された動物を追加すると、20万匹のマウスが生息する島に約25年でその個体群が消滅すると報告しました。毒と罠という従来のアプローチは必要ありませんでした。^[49]

遺伝子ドライブには、それぞれ異なる重要性を持つ 2 つの主な応用分野があります。

• 実験室集団に遺伝子組み換えを導入する。遺伝子ドライブを持つ系統または系統が生成されるやいなや、交配によってそのドライブを他の系統に受け継ぐことができる。ここでは、遺伝子ドライブは、他の技術で達成できるタスクをはるかに簡単に達成するために使用される。
• 野生個体群に遺伝子改変を導入する。遺伝子ドライブは、これまで達成できなかった変化を可能にする大きな進歩です。

前例のない潜在的なリスクのため、セーフガードメカニズムが提案され、テストされました。^{[45] [50]}

一つの応用例としては、蚊やネズミなどの病原体を遺伝子操作して、蚊の場合はマラリアやデング熱、ネズミの場合はダニ媒介性疾患などの病気を媒介できないようにすることが挙げられます。 ^[51]研究者らは、この技術を野生の蚊の1%に適用することで、1年以内にマラリアを根絶できると主張しています。^[52]

遺伝子ドライブは外来種を駆除するために使用することができ、例えばニュージーランドでは外来種を駆除する方法として提案されている。^[53]生物多様性保全を目的とした遺伝子ドライブは、従来の外来種除去技術と比較して、非標的種へのリスクとコストを削減できる可能性があるため、外来げっ歯類の遺伝的生物防除（GBIRd）プログラムの一環として研究されている。以下に説明するようなアプローチのリスクを考慮し、GBIRdパートナーシップは、オーストラリア科学アカデミー、米国科学アカデミー、その他多くの世界有数の遺伝子ドライブ研究者の推奨に従い、公衆の同意を得てのみ進める慎重で段階的なプロセスに取り組んでいる。^[54]遺伝子ドライブ研究の公共の利益のための価値に対する認識を高めるために、遺伝子ドライブ研究のためのより広範なアウトリーチネットワークが存在する。^[55]

科学者の中には、この技術が広まり、在来種の生息地を絶滅させるのではないかと懸念する者もいる。^[56]この遺伝子は変異する可能性があり、予期せぬ問題を引き起こす可能性がある（どの遺伝子でも起こり得る）。^[57]多くの外来種は在来種と交雑することができるため、外来植物や動物が在来種と交雑すると、遺伝子ドライブによって在来種が絶滅する可能性がある。多くの外来種は新しい環境にうまく適応しているため、作物や在来種はそれらに依存するように適応している。^[58]

プレデターフリー2050プロジェクトは、2050年までにニュージーランドから8種の外来哺乳類捕食動物（ネズミ、ショートテールイタチ、ポッサムを含む）を排除するというニュージーランド政府のプログラムである。^{[59] [60]このプロジェクトは、ニュージーランドの}ジョン・キー首相によって2016年に初めて発表され、2017年1月には遺伝子ドライブがこの取り組みで検討されると発表されたが、これはまだ実現していない。^[60] 2017年には、オーストラリアとテキサスのグループが、哺乳類の遺伝子ドライブを使用して「娘のいないマウス」を作成するための予備研究を発表した。^[61]

2017年、カリフォルニア大学リバーサイド校の科学者らは、侵略的な ホシハエを駆除するための遺伝子ドライブを開発した。ホシハエはアジア原産のショウジョウバエの一種で、尾の鋭い産卵管が傷のない果実を食い荒らすため、カリフォルニアのサクランボ農家に年間7億ドルの損害を与えている。主な代替防除戦略は、接触したほぼすべての昆虫を殺すピレスロイドと呼ばれる殺虫剤の使用である。 ^[21]

トランスヒューマニストの哲学者デイビッド・ピアースは、野生動物の苦しみを軽減するためにCRISPRベースの遺伝子ドライブを使用することを提唱している。^[62] 遺伝子ドライブ技術の開発に携わったアメリカの生物学者ケビン・M・エスベルトは、感染した野生動物が生きたまま食べられると計り知れない苦しみを経験するため、そのような技術で新世界ラセンウジバエを駆除することは道徳的に正しいと主張している。 ^[63]

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