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トランスジーンとは、自然に、あるいは様々な遺伝子工学技術によって、ある生物から別の生物へと移された遺伝子のことです。トランスジェネシスと呼ばれるプロセスでトランスジーンを導入すると、生物の表現型が変化する可能性があります。トランスジーンとは、ある生物から分離され、別の生物に導入された遺伝子配列を含むDNA断片のことです。この非天然のDNA断片は、トランスジェニック生物においてRNAまたはタンパク質を生成する能力を保持する場合もあれば、トランスジェニック生物の遺伝暗号の正常な機能を変化させる場合もあります。一般的に、DNAは生物の生殖細胞系列に組み込まれます。例えば、高等脊椎動物では、受精卵の核に外来DNAを注入することでこれを実現できます。この技術は、ヒトの疾患遺伝子やその他の関心のある遺伝子を実験用マウスの系統に導入し、その特定の遺伝子に関連する機能や病理を研究するために日常的に使用されています。
トランスジーンの構築には、いくつかの主要な部分の組み立てが必要です。トランスジーンは、プロモーター（トランスジーンがいつどこで活性化するかを決定する調節配列）、エクソン、タンパク質コード配列（通常は目的タンパク質のcDNAから得られる）、およびストップ配列を含まなければなりません。これらは通常、細菌プラスミドに組み込まれ、コード配列は通常、既知の機能を持つトランスジーンから選択されます。[ 1 ]
遺伝子組み換え生物（細菌、ウイルス、真菌など）は、多くの研究目的で利用されています。遺伝子組み換え植物、昆虫、魚類、哺乳類（ヒトを含む）が作出されています。トウモロコシや大豆などの遺伝子組み換え植物は、一部の国（例えば米国）では農業において野生種に取って代わっています。遺伝子組み換え作物では、2001年以降、遺伝子の漏出が持続的かつ侵略的に発生していることが確認されています。遺伝子組み換え生物は倫理的な問題を提起し、生物安全上の問題を引き起こす可能性があります。
生物を特定のニーズに合わせて形作るという考え方は、決して新しい科学ではない。しかし、1900年代後半までは、農家や科学者は、近縁種からしか植物や生物の新しい系統を育成することができなかった。なぜなら、子孫が繁殖するためには、DNAが適合していなければならなかったからである。
1970年代と1980年代に、科学者たちは遺伝子工学を用いて大きく異なる2種のDNAを組み合わせる手順を発明することでこの難関を克服した。これらの手順によって作られた生物はトランスジェニック生物と呼ばれた。トランスジェネシスは、どちらも特定の目的のために細胞を形質転換するという点で遺伝子治療と同じである。しかし、その目的は全く異なり、遺伝子治療は細胞の欠陥を治すことを目的としているのに対し、トランスジェネシスは特定のトランスジーンをすべての細胞に組み込み、ゲノムを変化させることで遺伝子改変生物を作ろうとする。したがって、トランスジェネシスは、生物が繁殖する際にトランスジーンが子孫に受け継がれるように、体細胞だけでなく生殖細胞も変化させる。トランスジーンは、宿主遺伝子の機能を阻害することでゲノムを変化させる。宿主遺伝子を別のタンパク質をコードする遺伝子に置き換えるか、追加の遺伝子を導入することができる。[ 2 ]
最初の遺伝子組み換え生物は、1974 年に Annie Chang とStanley Cohen が黄色ブドウ球菌の遺伝子を大腸菌で発現させたときに作られました。[ 3 ] 1978 年に、酵母細胞が初めて遺伝子導入を受けた真核生物となりました。[ 4 ]マウス細胞は 1979 年に初めて形質転換され、続いて 1980 年にマウス胚が形質転換されました。初期の形質転換のほとんどは、DNA を細胞に直接マイクロインジェクションすることによって行われました。科学者たちは、レトロウイルスにトランスジーンを組み込んで細胞に感染させる方法、電気注入法（電流を利用して外来 DNA を細胞壁を通して通過させる方法）、バイオリスティクス法（DNA 弾丸を細胞に撃ち込む方法）、受精卵に DNA を導入する方法など、形質転換を行うための他の方法を開発することができました。[ 5 ]
最初の遺伝子組み換え動物は、特定の遺伝子の機能を研究するための遺伝子研究のみを目的としており、2003年までに数千もの遺伝子が研究された。
トウモロコシ、大豆、菜種油、綿、米など、遺伝子組み換え作物を生産するために、農業用にさまざまな遺伝子組み換え植物が設計されてきた。 2012年現在これらの遺伝子組み換え作物は世界中で1億7000万ヘクタールに植えられた 。[ 6 ]
遺伝子組み換え植物種の一例として、ゴールデンライスが挙げられます。20世紀後半、東南アジアでは毎年推定500万人の子どもがビタミンA欠乏症による眼乾燥症を発症していました。 [ 7 ]これらの子どものうち、25万人が失明しました。[ 7 ]これに対処するため、科学者たちはバイオリスティクスを用いて、スイセンのフィトエンシンターゼ遺伝子を在来のイネ品種に挿入しました。[ 8 ]スイセンの挿入によりβ-カロテンの生産量が増加しました。[ 8 ]その結果、ビタミンAが豊富な遺伝子組み換えイネ種であるゴールデンライスが誕生しました。反GMOキャンペーンにより、ゴールデンライスが必要とされる農業システムに本格的に普及していないため、ゴールデンライスが眼乾燥症に及ぼす影響についてはほとんど分かっていません。[ 9 ]
遺伝子組み換え植物の遺伝子が野生近縁種との交雑によって拡散することは、1990年代半ばにメキシコ[ 10 ]とヨーロッパで初めて議論され、調査されました。トランスジーンの拡散は避けられないという点で意見が一致しており、「実際に起こっているという証拠もある」 [ 6 ] 。2008年までは、記録された事例はほとんどありませんでした[ 6 ] [ 11 ] 。
2000年にメキシコ、オアハカ州シエラ・フアレスで採取されたトウモロコシには遺伝子組み換え35Sプロモーターが含まれていたが、2003年と2004年に同じ地域で別の方法で採取された大きなサンプルには含まれていなかった。2002年の別の地域のサンプルにも含まれていなかったが、2004年に採取された特定のサンプルには含まれており、遺伝子組み換え遺伝子の持続または再導入を示唆している。[ 12 ] 2009年の研究では、サンプルの3.1%と1.8%に組換えタンパク質が見つかり、最も多かったのはメキシコ南東部であった。米国からの種子と穀物の輸入は、メキシコ中西部における遺伝子組み換え遺伝子の頻度と分布を説明できるが、南東部では説明できない。また、GM作物のモラトリアムにもかかわらず、メキシコのトウモロコシ在庫のトウモロコシ種子ロットの5.0%が組換えタンパク質を発現していた。[ 13 ]
2011年、遺伝子組み換え綿がメキシコの野生綿の中に混じって発見された。これは遺伝子組み換え綿の栽培開始から15年後のことだった。[ 14 ]
遺伝子組み換えアブラナ（Brassica napus）は、在来種のBrassica rapaと交雑し、2006年にカナダのケベックで修正された後、 2011年に日本で発見された[ 15 ]。[ 16 ]それらは、除草剤による選択圧がなく、野生種との交雑にもかかわらず、6年間の研究期間にわたって存続した。これは、Brassica napusの除草剤遺伝子が野生種の遺伝子プールに安定的に組み込まれること、つまり遺伝子の浸透の最初の報告であった[ 17 ]。
遺伝子組み換えクリーピングベントグラスは、「風媒性で多年生、かつ高度に他家受粉する最初の遺伝子組み換え作物の1つ」としてグリホサート耐性を持つように遺伝子操作され、2003年にオレゴン州マドラス近郊の中央オレゴンで大規模な（約160ヘクタール）圃場試験の一部として植えられました。2004年には、その花粉が最大14キロメートル離れた野生のベントグラスの個体群に到達していることが判明しました。交配したアグロスティス・ギガンテアは21キロメートル離れた場所でも見つかりました。[ 18 ]栽培業者であるスコッツ社は、遺伝子組み換え植物をすべて除去することができず、2007年に米国農務省は規制違反でスコッツ社に50万ドルの罰金を科しました。[ 19 ]
特定の遺伝子の長期的な監視と制御は実現不可能であることが示されています。[ 20 ]欧州食品安全機関は2010年にリスク評価に関するガイダンスを発表しました。[ 21 ]
遺伝子改変マウスは、トランスジェニック研究で最も一般的な動物モデルです。[ 22 ]トランスジェニックマウスは現在、癌、肥満、心臓病、関節炎、不安、パーキンソン病など、さまざまな疾患の研究に使用されています。[ 23 ]遺伝子改変マウスで最も一般的なのは、ノックアウトマウスとオンコミスの2種類です。ノックアウトマウスは、トランスジェニック挿入を使用して既存の遺伝子の発現を阻害するタイプのマウスモデルです。ノックアウトマウスを作成するには、目的の配列を持つトランスジーンをエレクトロポレーションを使用して単離したマウス胚盤胞に挿入します。その後、一部の細胞内で相同組換えが自然に起こり、目的の遺伝子が設計されたトランスジーンに置き換えられます。このプロセスを通じて、研究者は、トランスジーンが動物のゲノムに組み込まれ、細胞内で特定の機能を果たし、将来の世代に受け継がれることを実証することができました。[ 24 ]
オンコミスは、癌に対する感受性を高める遺伝子を導入して作られた、遺伝子組み換えマウスの一種です。癌研究者は、オンコミスを用いて様々な癌のプロファイルを研究し、その知識をヒトの研究に応用しています。[ 24 ]
ショウジョウバエ（Drosophila melanogaster）における遺伝子導入に関する研究は数多く行われてきました。この生物は、その発生パターンがよく理解されているため、100年以上にわたり有用な遺伝学的モデルとして利用されてきました。ショウジョウバエゲノムへの遺伝子導入は、 Pエレメント、Cre-loxP、ΦC31挿入など、さまざまな技術を用いて行われてきました。これまでショウジョウバエゲノムへの遺伝子導入に最も広く用いられてきた方法は、Pエレメントを利用するものです。転移可能なPエレメント（トランスポゾンとも呼ばれる）は、宿主ゲノムに相補配列が存在しない場合でもゲノムに転移する細菌DNAの断片です。Pエレメントは、目的のDNA挿入領域を挟むように2つずつペアで投与されます。さらに、Pエレメントは、Pエレメントトランスポザーゼと呼ばれるプラスミドと、Pトランスポゾンバックボーンと呼ばれるプラスミドの2つの構成要素から成り立っています。トランスポザーゼプラスミド部分は、目的のトランスジーンと多くの場合マーカーを含むPトランスポゾンバックボーンを、トランスポゾンの2つの末端部位間で転移させる。この挿入が成功すると、目的のトランスジーンがゲノムに不可逆的に挿入される。この方法は効果的であることが証明されているが、Pエレメントの挿入部位は制御不能な場合が多く、その結果、トランスジーンがショウジョウバエゲノムに望ましくないランダムな挿入を受けることになる。[ 25 ]
遺伝子導入プロセスの位置と精度を向上させるために、Creと呼ばれる酵素が導入されました。Creは、組換え酵素媒介カセット交換（RMCE）と呼ばれるプロセスにおいて重要な要素であることが証明されています。CreはPエレメントトランスポザーゼよりも遺伝子導入効率が低いことが示されていますが、ランダムなP挿入のバランスをとるという労力を要する作業を大幅に軽減します。Creは、loxP部位として知られる遺伝子挿入部位のマッピングをサポートすることで、目的のDNA遺伝子セグメントの標的遺伝子導入を助けます。これらの部位は、Pエレメントとは異なり、目的の染色体セグメントを挟むように特異的に挿入することができ、標的遺伝子導入を助けます。Creトランスポザーゼは、慎重に配置されたloxP部位に存在する塩基対の触媒的切断において重要であり、目的の遺伝子導入ドナープラスミドのより特異的な挿入を可能にします。[ 26 ]
トランスポゾンを介した形質転換法やCre-loxP形質転換法が抱える限界や収量の低さを克服するため、近年、バクテリオファージΦC31が利用されるようになった。最近の画期的な研究では、バクテリオファージΦC31インテグラーゼのマイクロインジェクションが用いられ、Pエレメント単独では転移できない大きなDNA断片の遺伝子導入効率が向上していることが示されている。この方法は、ファージ内の付着部位（attP）と細菌宿主ゲノム内の付着部位（attB）との組換えを伴う。従来のPエレメントを用いた遺伝子導入法と比較して、ΦC31は細菌配列や抗生物質耐性遺伝子を含む遺伝子ベクター全体を組み込む。しかしながら、これらの付加的な挿入が存在することで、遺伝子発現のレベルや再現性に影響が出ることが分かっている。
農業における応用例の一つは、特定の形質を持つ動物を選択的に繁殖させることである。ミオスタチンmRNAと相同性のある短いヘアピンRNAをRNA干渉を用いて過剰発現させることにより、筋肉表現型が増加した遺伝子組み換え牛が生産されている。 [ 27 ] 遺伝子組み換えは、高タンパク質の牛乳やヤギの乳から絹を生産するためにも利用されている。農業におけるもう一つの応用例は、病気に強い動物やバイオ医薬品生産用の動物を選択的に繁殖させることである。[ 27 ]
遺伝子導入の応用は、分子生物学において急速に発展している分野である。2005年の時点で、今後20年間で30万系統の遺伝子導入マウスが作出されると予測されていた。[ 28 ]研究者たちは、特に医療分野において、遺伝子導入の多くの応用例を特定している。科学者たちは、病気をよりよく理解するためにヒトゲノムの機能を研究するための遺伝子導入の利用、動物の臓器をヒトへの移植用に改良すること、遺伝子導入牛の乳からインスリン、成長ホルモン、血液凝固防止因子などの医薬品を生産することに焦点を当てている。
2004年時点で既知の遺伝性疾患は5000種類あり、遺伝子組み換え動物を用いてこれらの疾患を治療する可能性は、おそらく遺伝子組み換え技術の最も有望な応用例の1つである。遺伝子疾患を治療するために、変異した遺伝子を遺伝子組み換え遺伝子の変異していないコピーに置き換えるヒト遺伝子治療を用いる可能性がある。これは、Cre-Lox法またはノックアウト法を用いて行うことができる。さらに、遺伝子組み換えマウス、ブタ、ウサギ、ラットを用いて遺伝性疾患の研究が行われている。ウサギの心臓はマウスに比べてヒトの心臓に著しく似ているため、遺伝性不整脈を研究するために遺伝子組み換えウサギが作られている。[ 29 ] [ 30 ]最近では、科学者たちは生殖能力に関連する遺伝性疾患を研究するために遺伝子組み換えヤギも使い始めている。[ 31 ]
遺伝子導入は、豚の臓器からの異種移植に利用できる。異種臓器拒絶反応の研究により、移植臓器の内皮細胞上の異物抗体の認識により、移植臓器がレシピエントの血液と接触すると、移植臓器の急性拒絶反応が起こることがわかった。科学者たちは、この反応を引き起こす豚の抗原を特定し、その抗原を除去することで、即時拒絶反応を起こさずに臓器を移植できるようになった。しかし、抗原は後から発現し始め、拒絶反応が起こる。そのため、さらなる研究が行われている。触媒タンパク質や酵素を産生し、工業反応の速度を速めることができる 遺伝子導入微生物。
ヒトにおける遺伝子導入は現在、多くの問題を抱えている。ヒト細胞への遺伝子導入はまだ完全には実現していない。最も有名な例は、X連鎖重症複合免疫不全症（X-SCID）の治療後にT細胞白血病を発症した患者である。[ 32 ]これは、挿入された遺伝子がLMO2プロトオンコジーンの転写を制御するLMO2プロモーターに近接していたためと考えられている。 [ 33 ]