シアトル合成生物学ハブは細胞を小型記録装置に変える計画
アレン研究所、チャン・ザッカーバーグ・イニシアチブ、ワシントン大学は、遺伝子組み換え細胞を使って、時間の経過とともに細胞がどのように変化するかを示すDNAベースの記録を捕捉することを目標に、シアトル合成生物学ハブと呼ばれる共同プロジェクトを立ち上げた。
このプロジェクトが期待通りに成功すれば、細胞プロセスの背後にあるメカニズム（例えば、腫瘍の成長過程など）に対する理解が深まり、病気と闘い、健康な細胞の成長を促進するための新たな方法が見つかるかもしれません。
今後5年間で、シアトル合成生物学ハブはアレン研究所から3,500万ドル、さらにMeta CEOのマーク・ザッカーバーグ氏とその妻プリシラ・チャン氏が設立したチャン・ザッカーバーグ・イニシアチブから3,500万ドルの資金を受け取る予定だ。
ワシントン大学メディシンのゲノム科学教授であるジェイ・シェンデュア氏が、このハブのエグゼクティブディレクターを務めます。リーダーシップチームには、同大学の研究者であるマリオン・ペッパー氏とコール・トラップネル氏、そしてアシディアン・セラピューティクス社とハーバード大学医学部で長年研究に携わってきたジェシー・グレイ氏も参加します。この共同研究は、アレン細胞系統追跡研究センターとブロットマン・バティ精密医療研究所で開拓された技術を基盤としています。
シェンデュア氏は、遺伝子組み換え細胞を飛行機のフライトレコーダーに例え、例えばCAR-T細胞と組み合わせてがん治療の進行を追跡できる可能性があると述べた。
「特定の治療薬を送達する過程で何が起こったかを記録するために、CAR-T細胞にそれらを組み込むことが考えられます」と彼はGeekWireに語った。「そして、これらの細胞の構成要素、あるいはより洗練されたバージョンが、実際に治療の一部として使用されることも考えられます。治療薬のオンオフは、より高度な一連の機構によって、あるレベルで、どこで、いつ、どのように制御されるのでしょうか。」
細胞をチェックするための新しいチャネル
そのような応用はまだ先の話です。SeaHubの研究者たちは、近い将来、細胞の変化を記録するための新たなチャネルの開発を目指しています。このチャネルは、顕微鏡画像や細胞全体のゲノム配列解析に依存する既存の方法とは異なるアプローチを採用する予定です。
シェンデュア氏とワシントン大学の同僚らは、細胞内の遺伝子機構の要素を小型のタイムラプス録画装置に変えるのに役立つ可能性のある2つの技術をすでに開発している。
DNAタイプライターとして知られる技術の一つは、昨年ネイチャー誌に掲載された研究論文の主題となった。このシステムは、遺伝子編集ツールを用いて短いDNA断片を時系列順に並べ、まるで旧式タイプライターのキャリッジのクリック音のように分子鎖に沿って移動させる。
「5塩基対の配列を挿入すると、4の5乗、つまり1024通りになります。つまり、挿入可能な記号は1024通りあるということです」とシェンデュア氏は述べた。「いわばキーを押すと、記号が書き込まれます。つまり、1024通りの挿入方法のうちの1つです。これは情報の記録に似ています。そして、同じ編集操作で『タイプヘッド』がテープ上を1単位移動します。単に紙に文字を打ち込んでいるのではなく、実際に文字を一定の順序で入力しているのです。」
2つ目の技術はエングラムです。「エングラムがなければ、DNAタイプライターはタイプライターの前に立つ猿のように、ただキーを叩くだけです」とシェンデュア氏は言います。「しかしエングラムがあれば、少なくともいくつかのキーについては、特定のシグナル伝達経路が活性化しているならこのキーを入力する可能性が高い、あるいは特定の細胞タイプならこのキーしか入力しない、といったことを判断できます。つまり、キーに意味を割り当て、生物学的シグナルとキーボード上の記号を結びつけるトリガーの語彙を構築する方法を学び始めているのです。」
記録を読むために、研究者は記録細胞の一部を抽出し、時間の経過とともに挿入された DNA 文字の配列を確認することができます。
記録装置が明らかにするもの
細胞記録技術の初期の実用化は、通常の状況下で細胞がどのように増殖し組織に発達するか、また病気によってどのように異常が起こるかを研究することに重点が置かれると思われます。
癌性腫瘍の成長を研究することは、その好例だとシェンデュア氏は述べた。「一つの腫瘍の病歴を調べたい場合――もちろんこれはモデル生物を対象にしますが、マウスに移植されたヒト細胞でも可能です――その病歴を時間をかけて蓄積していくことは、まさに望ましいことです」と彼は述べた。
研究者は、様々な腫瘍の発達を細胞レベルで追跡し、様々な治療戦略が腫瘍の成長にどのような影響を与えるかを研究できる可能性があります。このシナリオでは、細胞記録能力を備えた遺伝子操作されたマウスの系統が考えられます。
「私たちは、基本的にこれらすべての要素を安定的に備えたマウス系統を開発しており、記録装置はいつでも『オン』にすることができます」とシェンデュア氏は述べた。「最初からオンになるように構成的にオンにすることもできますし、ドキシサイクリンのような少量の化学物質を使ってオンにすることもできます。」
こうした方法は、組織工学の微調整にも活用できる可能性がある。「培養皿の中で皮膚を作ろうとする場合など、何がうまくいっているのか、何がうまくいっていないのか。そして、プロセスを改善するためにどのように調整するのか」とシェンデュア氏は述べた。
このような技術を人間の臨床治療に用いることは長期的な戦略です。しかし、どの程度長期的なのでしょうか？「現状を考えると、それほど未来的なものではないと思います」とシェンデュア氏は言います。
科学を共有する
この研究成果は科学界で広く共有されます。「これはすべてオープンサイエンスであり、アレン研究所とCZIの理念に合致するものです」とシェンデュア氏は述べました。
チャン・ザッカーバーグ・イニシアチブによるシアトル合成生物学ハブへの支援は、この慈善団体がこれまで大規模なバイオテクノロジープロジェクトを支援してきた歴史に基づいている。そのプロジェクトには、一世代以内にすべての病気を治療、予防、管理することを目指す30億ドルの取り組みや、2018年に「ヒト細胞アトラス」と呼ばれる世界的な研究活動を支援するために授与された1,500万ドルの助成金などがある。
「細胞が周囲の環境、遺伝子変異、その他の要因によってどのように影響を受けるかなど、時間の経過に伴う細胞の歴史を測定・理解するための新しい技術を開発することで、健康から病気に変化する時に細胞レベルで何が起こるかについての科学者の理解を深め、病気の最も初期の原因を特定することに貢献できます」と、CZIの共同創設者兼共同CEOのプリシラ・チャン氏はニュースリリースで述べた。
アレン研究所の所長兼最高経営責任者（CEO）であるルイ・コスタ氏は、自身と同僚たちが「他者と連携して大規模なムーンショットプロジェクトに取り組むという、この新しい協力の時代に入ることを非常に楽しみにしている」と述べた。
ワシントン大学のアナ・マリ・コーセ学長は、このプロジェクトは「価値観に基づくパートナーシップがもたらす莫大な潜在的影響を示すものであり、科学的な協力を通じていかにしてより迅速かつ効果的に問題を解決できるかという新しい考え方を表している」と述べた。
「我々の共有する価値観と、互いの視点や強みを補い合うことが成功の秘訣であり、このチームが一緒に何を成し遂げるかを見るのが待ちきれません」とコース氏は述べた。
シェンデュア氏は、この取り組みは5年以内に目立った成果を生み出すはずだと述べた。
「これは基本的に、細胞の種類や特定の発現などを工学的に操作するためのツールのライブラリにつながる可能性があります。…この分野で広く役立つ成果物が得られると思います」と彼は述べた。
シェンデュア氏は、シアトル合成生物学ハブの研究者たちが、がん細胞系統を含む細胞系統に関する、従来の技術では不可能な具体的な情報体系を導き出すことを期待している。しかし、彼はさらに大きな目標も念頭に置いている。「DNAを記録媒体として用い、経時的に物事を測定する新しい手法が広く受け入れられること」だ。
「これは技術開発グループにとって、いわばニッチな関心事でした」とシェンデュア氏は述べた。「私たちは、これを本格的に主流へと押し上げようと努力しています。」
