2007年ノーベル生理学・医学賞
受賞理由
胚性幹細胞を用いたマウスへの特異的な遺伝子改変導入の原理の発見
受賞者
アメリカ合衆国
イギリス
アメリカ合衆国
解説
わたしたちの体は「遺伝子」という設計図でできています。2007年にノーベル賞を受けた3人の科学者は、この設計図の一部をねらって書き換える方法をマウスで見つけました。カギになるのは赤ちゃんの細胞のもとになる「胚性幹細胞」です。この細胞は体のどんな部分にも変われる特別な細胞です。研究者はここに新しい遺伝子を入れてからマウスのお母さんのおなかに戻しました。すると、生まれてきた赤ちゃんマウスは狙った遺伝子だけが変わっていました。これで病気のしくみを安全に調べられるようになり、薬づくりにも役立っています。
関連キーワード
胚性幹細胞
受精卵が着床する前の胚から取り出される多能性細胞。自己複製しながら神経・筋肉などあらゆる細胞へ分化できる。遺伝子改変に強い耐性を示し、染色体異常が少ない。ES細胞を用いた相同組換えは特定遺伝子座を選択的に改変するうえで不可欠である。生殖系列に寄与するため、変異を次世代へ伝えられる。
相同組換え
DNAの相同（似た）配列同士が組換わり遺伝情報を交換する反応。哺乳類細胞ではDNA二本鎖切断修復の一経路として機能する。外来DNAを供給すると、標的遺伝子と相同領域で置換が起こり高精度の編集が可能になる。本研究では1,000細胞あたり1イベント程度の頻度でES細胞内で起こることが示された。後のCRISPR/Cas9技術でも最終的な編集は細胞の相同組換え機構に依存する。
ノックアウトマウス
特定遺伝子を欠失または機能停止させたマウス系統。遺伝子の役割を生体レベルで検証できる最重要モデル動物である。受賞研究の技術により1990年前後から大量作製が始まり、現在は全遺伝子の半数以上が対象となった。表現型解析は発生学・免疫学・行動学など多分野に波及した。人の病気モデルとして創薬スクリーニングにも用いられる。
遺伝子ターゲティング
相同組換えを利用し、あらかじめ設計した変異をゲノム上の特定座位に導入する技術。ポジティブ・ネガティブ選択を組み合わせることで効率的に標的クローンを取得できる。ノックアウトのみならずノックイン、条件付きアレルの作製も含む。マウスのほかラット・ニワトリ・ヒトiPS細胞でも応用されている。正確性の高さがゲノム編集時代の基準となった。
ポジティブ・ネガティブ選択
ターゲティングベクターに薬剤耐性遺伝子（neo）と感受性遺伝子（HSV-tk）を配置する選抜法。相同組換えが起きるとneoは残りtkは失われるため、G418耐性かつガンシクロビル耐性クローンを選べば正しい組換えが濃縮される。非特異的な無作為統合はtkを保持するためガンシクロビルで除去される。これによりHR/RI比が大幅に向上し、非選択遺伝子の改変が実現した。現在でも条件付きアレル設計で頻用される基盤的手法である。
生殖系列伝達
改変ES細胞が胚に寄与し、配偶子を形成して遺伝子変異を次世代へ受け渡すこと。キメラ個体の毛色やPCRで判定し、子孫に均一な変異アレルを固定する。確立した系統は世界中のマウスバンクで共有される。生殖系列伝達の効率はES細胞株の品質や注入技術に依存する。ヒト治療用の遺伝子修復研究にも重要な概念である。
Cre-loxPシステム
細菌由来のCreリコンビナーゼがloxP配列間で特定DNAを切除または反転する仕組み。ノックインでloxPを挿入した“floxed”アレルとCre発現マウスを交配すれば、組織特異的・時期特異的に遺伝子を改変できる。薬剤誘導型CreERT2を用いれば成体マウスでの時限的制御も可能。受賞技術の発展形として、多段階疾患モデルや遺伝子ネットワーク解析に不可欠となった。現在ではCRISPRと組み合わせた複合的編集も検討されている。
トランスジェニック技術
精子や受精卵に外来DNAをランダムに導入して過剰発現させる古典的手法。1980年代初頭のマイクロインジェクション法が起点となり、遺伝子機能解析の扉を開いた。ただし挿入位置が予測不能でコピー数もばらつくため、表現型解釈が困難になる欠点があった。受賞研究で開発された遺伝子ターゲティングはこの課題を克服し、精密な遺伝子改変を可能にした。現在はトランスジェニックとターゲティングを組み合わせて複雑な遺伝子ネットワークを操作する研究が一般化している。