ゲノム上で遺伝子を高度に増幅する新技術を開発

～実験進化、有用物質生産、遺伝子治療への応用に期待

医学研究院

伊藤　隆司　教授

2025.03.21 研究成果Life & HealthTechnology

発表のポイント

遺伝子の縦列反復による増幅は、神経系や免疫系の進化のみならず、ヒトの多様性や疾患にも重要な役割を果たしていますが、それを実験的に誘導することはできませんでした。

DNA複製の現場である複製フォークを破壊することによって、同一遺伝子が縦列に反復した構造（縦列遺伝子アレイ）を高度に伸長する新しいゲノム編集技術BITRExを開発しました。

BITRExは、実験進化・有用物質生産・遺伝子治療などへの幅広い応用が期待されます。

発表概要

遺伝子の増幅は、生物の進化を駆動してきたのみならず、様々な疾患にも関与することが明らかになりつつあります。しかしながら、近年の目覚ましいゲノム編集技術の発展にもかかわらず、ゲノム上で遺伝子のコピー数を高度に増幅させることはできませんでした。
本研究は、遺伝子が縦列に反復した構造（縦列遺伝子アレイ）を高度に伸長する技術を開発しました。
九州大学大学院医学研究院の武居宏明助教、岡田悟助教、伊藤隆司教授らは、ゲノム編集に用いられるCas9タンパク質の変異体nCas9を縦列遺伝子アレイの隣接部に配置し、DNA複製の現場である複製フォークを崩壊させることによって反復回数を増加させる新技術BITRExを考案しました。出芽酵母をモデルにBITRExの可能性を検討したところ、2千塩基対の反復単位が14回並んだCUP1アレイを反復回数約500回、全長約100万塩基対にまで伸長できました。また、人工DNA断片を設計してBITRExと併用すると、単一コピー遺伝子からでも縦列遺伝子アレイを形成・伸長できることが分かりました。さらに、ヒト培養細胞でもBITRExによる縦列遺伝子アレイの伸長に成功しました。
複製フォーク操作に基づく新しいゲノム編集技術であるBITRExは、これまで不可能だった標的遺伝子の縦列反復によるゲノム上での高度増幅を可能にし、実験進化・有用物質生産・遺伝子治療など、基礎から応用まで生命科学の様々な分野に貢献するものと期待されます。
本研究成果はアメリカ合衆国の雑誌「Cell Genomics」に2025年3月21日（金）午前0時（日本時間）に掲載されました。
伊藤教授からひとこと

図１　BITRExの原理
数年前に、DNAを全く切断しないCas9変異体が複製フォークの進行を阻害する現象を発見しました。以来、複製フォークの操作という新しいコンセプトに基づいて、大型のゲノム構造変化の誘導に取り組んできました。今回開発したBITRExには、様々な応用の可能性があり、縦列遺伝子アレイの短縮が原因となる疾患の研究にも貢献できるのでないかと期待しています。

論文情報

掲載誌：Cell Genomics
タイトル：Strategic targeting of Cas9 nickase expands tandem gene arrays
著者名：Hiroaki Takesue, Satoshi Okada, Goro Doi, Yuki Sugiyama, Emiko Kusumoto, Takashi Ito
DOI：10.1016/j.xgen.2025.100811

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