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2013年3月21日 (木) 03:19時点における版
CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat; クリスパー)は数十塩基対の短い反復配列を含み、原核生物における一種の獲得免疫系として働く座位である。配列決定された原核生物のうち真正細菌の4割と古細菌の9割に見出されており[1][2]、プラスミドやファージといった外来の遺伝性因子に対する抵抗性に寄与している[3][4] 。
歴史
今日CRISPRと呼ばれている反復クラスターは、石野良純らによって1987年に大腸菌で初めて記載された[5]。2000年になって、類似の反復クラスターがその他の真正細菌や古細菌で見つけられ、この時はShort Regularly Spaced Repeats (SRSR)と名付けられたが[6]、2002年にCRISPRと命名された[7]。またCRISPRリピート近傍にはヌクレアーゼやヘリカーゼをコードするCRISPR-associated (cas)遺伝子群が存在することが示された[7]。
構造
大抵のCRISPR座位には、cas遺伝子群、先行配列、リピート・スペーサー列の3要素が存在している。しかしその順序はここに示したとおりとは限らない[8][9]。
リピートとスペーサー
CRISPRリピートの要素は24から48塩基対で[10]通常はパリンドロームにならない二回転対称性の配列であり、したがってstem-loopヘアピン構造を形成することが想起される[11]。このリピート要素の間に似たような長さのスペーサーが介在している[10]。スペーサーの配列はプラスミドやファージの持つ配列と同一であったり[12][13][14]、あるいは自身のゲノム中の配列と同一(self-targeting spacers)であったりする[15]。ファージが感染すると、速やかに新たなスペーサーが追加される[16]。
cas遺伝子群
| CRISPR associated protein | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 crystal structure of a crispr-associated protein from thermus thermophilus | |||||||||
| 識別子 | |||||||||
| 略号 | CRISPR_assoc | ||||||||
| Pfam | PF08798 | ||||||||
| Pfam clan | CL0362 | ||||||||
| InterPro | IPR010179 | ||||||||
| CDD | cd09727 | ||||||||
| |||||||||
cas遺伝子群（CRISPR関連遺伝子群）は、リピート・スペーサー列の近傍に見出されることの多い遺伝子群で、これまでに40以上のファミリーが見出されている[10]。なかでもCas1ファミリーはCRISPR/Casシステムに共通しているようである。cas遺伝子やリピート構造の組み合わせにより8種のサブタイプ(Ecoli, Ypest, Nmeni, Dvulg, Tneap, Hmari, Apern, Mtube)が定義されており、なかにはさらにrepeat-associated mysterious proteins (RAMPs)とよばれる追加の要素が見出されているサブタイプもある[10]。また1種のゲノム中に複数のCRISPRサブタイプが存在する例もある。
メカニズム
外来DNAはcas遺伝子群のいずれかにコードされているタンパク質によって30塩基対ほどの長さに分断され、それがCRISPR座位に何らかの方法で挿入されることで免疫記憶として機能する[9]。CRISPR座位は普段からRNAが転写されており、Casタンパク質によって各々外来配列を含む小さなRNAに分断されている。このRNAは、別のCasタンパク質を外来DNA（またはそれに由来するRNA）に導き、真核生物のRNAiに類似した機構でその機能を抑制する[8][17]。
サブタイプによって機能的にも多様化していると考えられている。EcoliサブタイプのCseタンパク質群はCascadeとよばれる複合体を形成し、RNA産物をスペーサーとリピートからなる単位へ分断して複合体に取り込む[18]。別の生物ではCas6がRNAを分断している。大腸菌において、CRISPRによるファージの不活化にはCascadeとCas3が必要であるが、Cas1とCas2は必要でない。
進化
CRISPRサブタイプは原核生物の系統上で混在しているので、このシステムは水平転移によって伝播してきたものと考えられる。
CRISPR/Casシステムにより、原核生物は特定のファージにたいする免疫を獲得し、ファージの伝播を阻止することができる。そこでこれがラマルク進化であると唱える研究者もいる[19]。
応用
CRISPR/Casシステムの応用として以下のようなものが提唱されている。[20]
- 発酵に利用するなど産業的に重要な細菌に対して人為的に改変したCRISPR座位を導入し、有害なファージに対する免疫を与える
- 内在性の遺伝子に対応するスペーサーを含むCRISPR座位を導入し、その遺伝子発現をノックダウンする
- CRISPRのスペーサー配列を比較することによって菌株の分別を行う
参考文献
- ^ 71/79 Archaea, 463/1008 Bacteria CRISPRdb, Date: 19.6.2010
- ^ Grissa I, Vergnaud G, Pourcel C (2007). “The CRISPRdb database and tools to display CRISPRs and to generate dictionaries of spacers and repeats”. BMC Bioinformatics 8: 172. doi:10.1186/1471-2105-8-172. PMC 1892036. PMID 17521438.
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