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遺伝子送達は、 DNAやRNAなどの外来遺伝物質を宿主細胞に導入するプロセスです。[1]遺伝子発現を誘導するには、遺伝子送達が宿主細胞のゲノムに到達する必要があります。[2]遺伝子送達が成功するには、外来遺伝子送達が宿主細胞内で安定した状態を維持し、ゲノムに統合されるか、独立して複製される必要があります。[3]これには、外来DNAがベクターの一部として合成される必要があり、ベクターは目的の宿主細胞に入り、その細胞のゲノムにトランスジーンを送達するように設計されています。 [4]遺伝子送達の方法として利用されるベクターは、組換えウイルスと合成ベクター（ウイルスベクターと非ウイルスベクター）の2つのカテゴリに分けられます。[2] [5]
複雑な多細胞真核生物（より具体的にはワイスマン派）では、トランスジーンが宿主の生殖細胞に組み込まれると、宿主細胞はそのトランスジーンを子孫に渡すことができる。トランスジーンが体細胞に組み込まれると、トランスジーンは体細胞株に留まり、宿主生物に残る。[6]
遺伝子送達は、患者の治療効果を促進するために遺伝子を導入または抑制するための遺伝子治療において必要なステップであり、作物の遺伝子組み換えにも応用されています。さまざまな種類の細胞や組織に対して、遺伝子送達にはさまざまな方法があります。[6]
歴史
ウイルスベースのベクターは、1980年代に遺伝子導入のツールとして登場しました。1983年、アルバート・シーゲルは、cDNAクローニングによるウイルス操作はまだ利用できなかったものの、植物の遺伝子導入発現におけるウイルスベクターの使用について説明しました。[7]ワクチンベクターとして使用された最初のウイルスは、 1984年にチンパンジーをB型肝炎から守る方法として使用されたワクシニアウイルスでした。[8]非ウイルス性の遺伝子送達は、1943年にエイブリーらによって初めて報告され、外因性DNAへの曝露 による細胞表現型の変化を示しました。[9]
方法
遺伝子を宿主細胞に送達する方法は様々ある。遺伝子が細菌や植物に送達される場合、そのプロセスは形質転換と呼ばれ、動物に遺伝子を送達するために使用される場合、それはトランスフェクションと呼ばれる。これは、形質転換が動物との関係では異なる意味を持ち、癌状態への進行を示すためである。[10]一部の細菌では、外来DNAを自然に取り込むことができるため、遺伝子を導入するために外部の方法を必要としない。[11]ほとんどの細胞では、細胞膜をDNAに対して透過性にし、DNAが宿主ゲノムに安定して挿入されるようにするために、何らかの介入が必要である。
化学薬品
化学ベースの遺伝子送達法では、天然または合成化合物を使用して、遺伝子を細胞に導入しやすくする粒子を形成することができる。[2]これらの合成ベクターは、DNAまたはRNAを静電的に結合し、遺伝情報を圧縮して、より大きな遺伝子導入に対応する能力を有する。[5]化学ベクターは通常、エンドサイトーシスによって細胞に入り、遺伝物質を分解から保護することができる。[6]
ヒートショック
最も簡単な方法の 1 つは、細胞の環境を変えてから熱ショックを与えてストレスを与えることです。通常、細胞は冷条件下で二価 カチオン(多くの場合塩化カルシウム)を含む溶液中で培養され、その後熱パルスにさらされます。塩化カルシウムは細胞膜を部分的に破壊し、組み換え DNA が宿主細胞に入り込むことを可能にします。冷条件下で細胞を二価カチオンにさらすと、細胞表面の構造が変化または弱まり、DNA の透過性が高まることが示唆されています。熱パルスは細胞膜全体の熱不均衡を生み出し、DNA が細胞孔または損傷した細胞壁のいずれかから細胞内に入り込むようになると考えられています。
リン酸カルシウム
もう一つの簡単な方法は、リン酸カルシウムを使って DNAを結合させ、それを培養細胞にさらすことです。溶液はDNAとともに細胞に包み込まれ、少量のDNAをゲノムに組み込むことができます。[12]
リポソームとポリマー
リポソームとポリマーは、DNAを細胞に送達するためのベクターとして使用できます。正に帯電したリポソームは負に帯電したDNAと結合し、ポリマーはDNAと相互作用するように設計できます。[2]これらはそれぞれリポプレックスとポリプレックスを形成し、細胞に取り込まれます。[13] 2つのシステムを組み合わせることもできます。[6]ポリマーベースの非ウイルスベクターは、ポリマーを使用してDNAと相互作用し、ポリプレックスを形成します。[6]
ナノ粒子
人工的に作られた無機および有機ナノ粒子の使用は、遺伝子送達のためのもう一つの非ウイルス的アプローチである。[14] [15]
物理的な
人工的な遺伝子送達は、細胞膜を通して遺伝物質を導入するために力を使用する物理的な方法によって媒介される。[2]
エレクトロポレーション
電気穿孔法は、コンピテンスを促進する方法です。細胞は 10～20 kV /cmの電界で短時間ショックを受け、これにより細胞膜に穴が開き、そこからプラスミド DNA が侵入できると考えられています。電気ショックの後、穴は細胞の膜修復機構によって急速に閉じられます。
バイオリスティック
植物細胞の形質転換に使用される別の方法はバイオリスティックスであり、金またはタングステンの粒子をDNAでコーティングし、若い植物細胞または植物胚に注入する。[16]一部の遺伝物質が細胞に入り込み、細胞を形質転換する。この方法は、アグロバクテリウム感染の影響を受けない植物に使用することができ、植物プラスチドの形質転換も可能になる。植物細胞は、電気穿孔法を使用して形質転換することもできる。これは、電気ショックを使用して細胞膜をプラスミドDNAに対して透過可能にする。細胞とDNAに生じる損傷のため、バイオリスティックスと電気穿孔法の形質転換効率は、アグロバクテリウムによる形質転換よりも低い。[17]
マイクロインジェクション
マイクロインジェクションとは、DNAを細胞の核膜を通して核内に直接注入するものである。[11]
ソノポレーション
ソノポレーションは、典型的にはガスマイクロバブルの存在下で超音波の助けを借りて細胞膜を一時的に浸透させる技術である。[18]ソノポレーションは遺伝物質を細胞内に侵入させることを可能にする。[19] [20]
フォトポレーション
フォトポレーションとは、レーザーパルスを使用して細胞膜に孔を作り、遺伝物質の侵入を可能にすることです。
マグネトフェクション
マグネトフェクションは、DNA と複合した磁性粒子と外部磁場を使用して核酸粒子を標的細胞に集中させます。
ハイドロポレーション
流体力学的毛細管効果を利用して細胞透過性を操作することができます。
アグロバクテリウム
植物では、DNAはアグロバクテリウム媒介組換え[21]を使用して挿入されることが多く、アグロバクテリウムのT-DNA配列を利用して遺伝物質を植物細胞に自然に挿入します。[22]植物組織を細かく切断し、アグロバクテリウムを懸濁した液体に浸します。細菌は切り口で露出した植物細胞の多くに付着します。細菌は接合を利用して、 T-DNAと呼ばれるDNAセグメントをプラスミドから植物に移します。移されたDNAは植物細胞核に導かれ、宿主植物のゲノムDNAに組み込まれます。プラスミドT-DNAは、宿主細胞のゲノムに半ランダムに組み込まれます。[23]
目的の遺伝子を発現するようにプラスミドを改変することで、研究者は選択した遺伝子を植物ゲノムに安定的に挿入することができます。T-DNAの唯一の必須部分は、2つの小さな（25塩基対）境界反復であり、少なくともそのうちの1つは植物の形質転換に必要です。[24] [25]植物に導入される遺伝子は、プラスミドのT-DNA領域を含む植物形質転換ベクターにクローン化されます。別の方法は、アグロインフィルトレーションです。[26] [27]
ウイルスの配信
ウイルス媒介遺伝子送達は、ウイルスが宿主細胞内にそのDNAを注入する能力を利用し、ウイルス自身の複製能力と遺伝物質の実装能力を利用する。遺伝子送達のウイルス方法は免疫反応を誘発する可能性が高いが、効率は高い。[6] 形質導入は、ウイルス媒介DNAを宿主細胞に挿入するプロセスである。ウイルスは、その構造上、宿主細胞の核に送達するDNAがリソソームによって分解されるのを防ぐため、特に効果的な遺伝子送達形式である。 [28]遺伝子治療では、送達を目的とした遺伝子が複製欠損ウイルス粒子にパッケージ化され、ウイルスベクターが形成される。[29]現在までに遺伝子治療に使用されているウイルスには、レトロウイルス、アデノウイルス、アデノ随伴ウイルス、単純ヘルペスウイルスなどがある。しかし、ウイルスを使用して細胞に遺伝子を送達することには欠点がある。ウイルスは細胞内に非常に小さなDNA断片しか送り込むことができないため、手間がかかり、ランダムな挿入部位、細胞変性効果、突然変異のリスクがある。[30]
ウイルスベクターによる遺伝子送達では、ウイルスベクターを使用して遺伝物質を宿主細胞に送達します。これは、目的の遺伝子を含むウイルスを使用し、ウイルスゲノムの感染性部分を除去することによって行われます。[2]ウイルスは、複製に不可欠な宿主細胞の核に遺伝物質を送達するのに効率的です。[2]
RNAベースのウイルスベクター
RNAベースのウイルスは、感染性RNA転写産物から直接転写できるため開発されました。RNAベクターは処理が不要なため、標的の形で迅速に発現し、発現します[出典が必要]。レトロウイルスベクターには、オンコレトロウイルス、レンチウイルス、ヒト泡沫ウイルスが含まれ、RNAベースのウイルスベクターで、逆転写して宿主ゲノムに組み込まれ、長期にわたる遺伝子発現を可能にします。[2]
DNAベースのウイルスベクター
DNAベースのウイルスベクターには、アデノウイルス科、アデノ随伴ウイルス、単純ヘルペスウイルスなどがある。[2]
アプリケーション
遺伝子治療
遺伝子送達を促進するために使用される方法のいくつかは、治療目的に応用されています。遺伝子治療は、細胞内の疾患または状態を治療することを目的として、遺伝子送達を利用して遺伝物質を送達します。治療環境での遺伝子送達は、細胞特異性があり、望ましい効果をもたらすのに十分な量の遺伝子発現を送達できる非免疫原性ベクターを使用します。 [3]
ゲノミクスの進歩により、さまざまな新しい方法と遺伝子ターゲットを特定して、可能性のある用途に利用できるようになりました。さまざまな次世代シーケンシングで使用されるDNAマイクロアレイは、解析ソフトウェアで遺伝子発現パターンを調べ、モデル種の相同遺伝子を調べて機能を特定することで、数千の遺伝子を同時に特定できます。[31]これにより、遺伝子治療に使用できるさまざまなベクターを特定できるようになりました。新しいクラスのワクチンを作成する方法として、遺伝子送達を利用してハイブリッド生合成ベクターを生成し、ワクチンを送達することができました。このベクターは、大腸菌と合成ポリマーを組み合わせて、プラスミドDNAを維持しながら標的細胞のリソソームによる分解を回避する能力を高めたベクターを作成することで、遺伝子送達の従来の障壁を克服しています。[32]
参照
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さらに読む
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外部リンク
- 第10回日米ドラッグデリバリーシステムシンポジウム
- 自然：遺伝子送達
- 遺伝子科学学習センター: 遺伝子送達
- 遺伝子水平伝播 アーカイブ 2019-11-27 at the Wayback Machine
- ゲノム編集
- NIH: 遺伝子治療はどのように機能するのでしょうか?