新しい小型ゲノム編集ツールを純国産で開発

タンパク質の予測立体構造モデルに基づき、新たなDNA切断タンパク質を実用レベルに改良

概 要　

  国立研究開発法人産業技術総合研究所（以下「産総研」という）バイオものづくり研究センター 中村 彰良 主任研究員、菅野 茂夫 上級主任研究員、山本 宏 招聘研究員、光田 展隆 研究センター付と、TOPPANホールディングス株式会社（以下「TOPPANホールディングス」という）、株式会社インプランタイノベーションズ（以下「インプランタ」という）らの研究チームは、小型の「ゲノム編集ツール（DNAを狙った位置で切断するための“ガイド役”と“ハサミ役”のセット）」の開発に成功しました。

  ゲノム編集とは、生物の設計図であるゲノムDNAの狙った位置を改変する技術です。従来の遺伝子治療や品種改良では難しかった精密な改変が可能なことから、医療や農業に革新をもたらす基盤技術として期待されています。現在、CRISPR-Cas9をはじめとするゲノム編集ツールが世界中で用いられていますが、分子サイズが大きく、細胞内に効率よく送り届けることが難しいといった技術的な課題があります。また、ゲノム編集ツールの多くが海外で開発されたものであることから、日本国内での技術活用や事業展開にあたっては、ライセンス交渉や権利処理など知的財産面での対応が参入のハードルになることもあります。

  今回、研究チームは、植物に感染するバクテリアのゲノム情報をもとに、DNAを切断するハサミとしてはたらくタンパク質候補を探索しました。その結果、ハサミ役のタンパク質1分子と、切断箇所を指定するガイド役RNA1分子からなる、「TnpB-L（TnpB様RNA誘導型ヌクレアーゼ）」を新たに見出しました。さらに、見出した複数のTnpB-Lのうち「AsaTnpB-L」に対して、タンパク質の立体構造の予測に基づき改良を加えることで、実用レベルのゲノム編集効率を実現しました。AsaTnpB-Lは、非常に小型であることが特徴です（CRISPR-Cas9におけるハサミ役のSpCas9タンパク質が1368アミノ酸であるのに対し、AsaTnpB-Lのタンパク質は約600アミノ酸）。また、この改良型AsaTnpB-Lは特許調査に基づき、日本国内における既存の他者特許に抵触しないよう独自に設計・開発されたものです。純国産の新たなゲノム編集ツールとして、医薬品開発や農作物の品種改良、バイオものづくりなど幅広い分野への応用が期待されます。

  なお、本研究成果は日本において特許出願済みで、一部は特許登録済み（特許第7821459号）です。技術の詳細は、第43回日本植物バイオテクノロジー学会（2026年9月4日〜6日、鳥取）、BioJapan（2026年10月7日〜9日、横浜）、BMB2026合同大会（2026年12月1日～4日、横浜）で発表予定です。

下線部は【用語解説】参照

研究の社会的背景

  ゲノム編集は、生物が持つDNAの特定の塩基配列を狙って改変すること、およびその技術です。2020年のノーベル化学賞の受賞対象となった「CRISPR-Cas9」の開発をきっかけに急速に発展し、新しい薬の開発や病気に強い作物の育成など、さまざまな分野で大きな変革をもたらしています。

ゲノム編集技術は、目的のDNA配列を見つけるガイド役とDNAを切断するハサミ役で構成されます。切断されたDNAを自ら修復する生物の仕組みを利用することで、切断箇所を含む遺伝子を機能しないようにしたり、新たな機能を持たせるために別の遺伝子を組み込んだりすることができます。しかし、現在使用されているハサミ役の分子の多くはサイズが大きいために細胞内に送り届けにくいほか、37 ℃以上で活性が高くなるため、生育温度が20 ℃〜30 ℃と比較的低い植物では本来のゲノム編集効率が発揮されないなど、技術的な課題も少なくありません。また、ゲノム編集の基盤技術の多くが海外で開発されたものであることから、日本企業が商業利用する際には海外機関とのライセンス契約や権利処理といった知的財産面での対応が求められ、参入のハードルとなることもありました。

研究の経緯

  産総研とTOPPANホールディングス、インプランタは、国内でも使いやすいゲノム編集技術の社会実装に向けて、共同研究を進めてきました。産総研は新しいゲノム編集ツールの探索や分析・改良・動物細胞での実用性確認、TOPPANホールディングスは配列解析等のバイオインフォマティクス、インプランタは植物細胞での実用性確認をそれぞれ担っています。これまでに、植物ゲノム編集のための分子導入法であるウイスカー超音波RNP法（2023年9月7日 産総研プレス発表）や、ゲノム編集ツール「AalCas9」（2023年11月30日 産総研プレス発表）などを開発し、さまざまな生物種に対するゲノム編集技術の適用に取り組んできました。今回、研究チームは、海外特許に依存しない小型で使いやすいゲノム編集ツールの開発を目指し、既存のゲノム編集ツールとは異なる新たなDNA切断タンパク質の探索に取り組みました。

研究の内容

  研究チームは、植物でも使いやすい小型のゲノム編集ツールの開発を目指し、植物と同じ環境で生育する植物感染性バクテリアに着目して新たなゲノム編集ツールの探索を行いました。その際、一般的に行われているタンパク質のアミノ酸配列に基づく探索では既存特許の権利範囲内の分子が候補として上がってくる可能性が高くなるため、AIを活用した立体構造予測プログラムを用いた探索を実施しました。まず、植物感染性バクテリアゲノムデータベースに含まれる全ての「機能未知遺伝子」をタンパク質の予測立体構造モデルに変換した上で、その中から既知のゲノム編集ツールのハサミ役に特徴的なかたち（立体構造）と似た構造を持つものを選別しました。その結果、RNA誘導型ヌクレアーゼ（ハサミ役となるDNA切断タンパク質）の一種である「TnpB」と構造的に類似する一群のタンパク質「TnpB-L」とそのガイドRNAを見出しました。

  TnpBは一般的に、DNAを切断する効率、すなわちゲノム編集効率がCRISPR-Cas9ほど高くなく、標的にできるDNA配列も限られているため、ゲノム編集ツールとしては改良が必要とされる場合が多く、一方で、分子サイズが小さいことからその利点を活かした研究開発が進められています。今回見出されたTnpB-Lも、TnpBと同様に分子サイズが小さいという特徴を持ちます。そして、TnpB-Lの多くは植物感染性バクテリアであるAgrobacterium/Rhizobium属のバクテリアに存在していることが公共のアミノ酸配列データベースを用いた配列解析から明らかになりました。

  産総研は、上記の探索で見出された複数のTnpB-Lに対応するガイドRNAを調製し、機能を調査しました。同時に、産総研とTOPPANホールディングスは共同で「TAM（標的隣接モチーフ）配列」も解析しました。TAM配列とは、ハサミ役であるDNA切断タンパク質が、ガイドRNAの示す標的DNA上で切断箇所を認識するための目印となる短いDNA配列のことです。任意の配列で設計できるガイドRNAとは異なり、TAM配列はDNA切断タンパク質ごとに決まっているため、個別に解析する必要があります。機能解析の結果、トマトの根などから単離される細菌の一種であるAgrobacterium salinitoleransのTnpB-L（AsaTnpB-L）が、「5’-TTCAT-3’」という配列をTAM配列として認識し、ガイドRNA依存的に標的のDNA配列に対してDNAの切断、つまりゲノム編集を引き起こすことを見出しました（概要図）。AsaTnpB-LはSpCas9と同様にDNA切断タンパク質1分子とガイドRNA1分子で機能しますが、DNA切断タンパク質の分子サイズはSpCas9（1368アミノ酸）と比較すると半分以下の約600アミノ酸と非常に小型です。さらに、AsaTnpB-Lの立体構造情報を基に機能改良を行い、AsaTnpB-LとガイドRNAの相互作用部位を中心に複数のアミノ酸変異を導入した結果、ヒト培養細胞において60 %程度のゲノム編集効率が得られました（図1）。また、インプランタが植物への適用可能性を検証し、ゲノム編集に使用可能であることを実証しました。加えて、AsaTnpB-Lをアミノ酸置換することにより、TAM配列を「5’-TBAT-3’（BはT、C、Gのいずれか）」に変更することにも成功しました。一般に、TAM配列を構成する塩基数が多いほど、認識の特異性は高まるものの標的にできるDNA配列の選択肢が狭くなります。TAM配列を変更するには、ハサミ役であるDNA切断タンパク質を改変する必要があり、その操作は容易ではありません。今回のAsaTnpB-LにおけるTAM配列の変更は、標的DNAの選択肢を広げるもので、ゲノム編集ツールとしての汎用化につながるものです。

   今回、植物感染性バクテリアのDNAから見出したAsaTnpB-Lについて、改良を経て実用レベルの効率で標的DNAを切断できることを実証し、TAM配列の変更によりゲノム編集ツールとしての汎用化の可能性を示しました。ガイドRNAを設計するだけで標的DNAを指定できる簡便さに加え、比較的低温な環境で生育する植物にも適用できる可能性と、小型であることから細胞導入における優位性を持つため、AsaTnpB-Lは従来技術が苦手とする対象にもゲノム編集を適用できると期待できます。

図1　 AsaTnpB-Lの立体構造情報に基づく改良      左：ヒト培養細胞のAAVS1遺伝子に対するAsaTnpB-Lオリジナルと改良後のゲノム編集効率     右：AsaTnpB-L、ガイドRNA、標的DNAの予測立体構造モデル

今後の予定

  三者は今回見出したAsaTnpB-Lについて、まずは本技術が医薬品の開発や農作物の品種改良などを支える基盤（プラットフォーム）となることを目指し、独自の知的財産に基づく日本発のゲノム編集技術として広く利用可能な体制を整えていきます。

また、医療や農業にとどまらず、環境・素材などさまざまな産業分野への展開を見据えた実証研究を本格化させ、得られた成果を迅速に事業化へと結びつけることを目指していきます。

特許情報

特許番号：特許第7821459号

発明の名称：TnpB様RNAガイドヌクレアーゼ複合体

発明者：中村 彰良1,  菅野 茂夫1,  山本 宏1,  光田 展隆1,  寺川 輝彦2,  矢野 翼2,  長谷川 玲花2,  伊藤 誠一郎3,  白井 尚美3,  二宮 佑里3

1国立研究開発法人産業技術総合研究所、2株式会社インプランタイノベーションズ、3TOPPANホールディングス株式会社

学会情報

学会名：第43回日本植物バイオテクノロジー学会

開催日時：2026年9月4日から9月6日

開催場所：鳥取市民会館、とりぎん文化会館（鳥取県鳥取市）

発表タイトル：「アグロバクテリア由来小型RNA誘導型ヌクレアーゼを用いたゲノム編集ツール開発」

著者： 中村彰良1、山本宏1、長谷川玲花2、矢野翼2、光田展隆1、寺川輝彦2、伊藤誠一郎3、菅野茂夫1

1国立研究開発法人産業技術総合研究所、2株式会社インプランタイノベーションズ、3TOPPANホールディングス株式会社

学会名：第43回日本植物バイオテクノロジー学会

開催日時：2026年9月4日から9月6日

開催場所：鳥取市民会館、とりぎん文化会館（鳥取県鳥取市）

発表タイトル：「小型RNA誘導型ヌクレアーゼを用いたゲノム編集ツールの植物への適用性」

著者： 長谷川玲花1、中村彰良2、菅野茂夫2、山本宏2、矢野翼1、伊藤誠一郎3、光田展隆2、寺川輝彦1

1株式会社インプランタイノベーションズ、2国立研究開発法人産業技術総合研究所、3TOPPANホールディングス株式会社

学会名：BMB2026合同大会

開催日時：2026年12月1日から12月4日

開催場所：パシフィコ横浜 （神奈川県横浜市）

発表タイトル：「アグロバクテリア由来小型RNA誘導型ヌクレアーゼを用いた新規ゲノム編集技術」

著者： 中村彰良1、山本宏1、長谷川玲花2、矢野翼2、光田展隆1、寺川輝彦2、伊藤誠一郎3、菅野茂夫1

1国立研究開発法人産業技術総合研究所、2株式会社インプランタイノベーションズ、3TOPPANホールディングス株式会社

展示会情報

展示会名称：Biojapan2026

日程：2026年10月7日から10月9日

会場：パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）

参考情報

産総研マガジン：2024年ノーベル化学賞「タンパク質設計と立体構造予測」

https://www.aist.go.jp/aist_j/magazine/20241211.html

産総研マガジン：日本発のゲノム編集ツールで新たな道を開く！

https://www.aist.go.jp/aist_j/magazine/20240501.html

用語解説

CRISPR-Cas9

  バクテリアに存在する免疫システムCRISPR-Cas9を活用したゲノム編集ツールの総称。ゲノム編集ツールの中で最もよく用いられている。ゲノムを切断するCas9タンパク質と、切断箇所を指定するガイドRNAが複合体を形成して機能する。

TnpB

  TnpBはトランスポゾン（転移因子：DNAの中を自分で移動（コピーや切り貼り）できる“動く遺伝子”）にコードされるRNA誘導型DNAヌクレアーゼ。トランスポゾンのコピー・維持を助ける役割を担うと考えられている。

RNA誘導型ヌクレアーゼ

  ガイドRNAの塩基配列と相補的な配列のDNAに結合し、その場所を切断するDNA切断タンパク質。

SpCas9

  SpCas9（Streptococcus pyogenes Cas9）は、細菌 Streptococcus pyogenes 由来のCas9タンパク質。現在最も広く利用されているゲノム編集ツールである。

DNA配列

  DNAはアデニン（A）、チミン（T）、グアニン（G）、シトシン（C）の4種類の塩基で構成されている。この塩基の並び（配列）によって細胞が作るタンパク質や遺伝子の働き方が決まっている。

ガイドRNA

  RNA誘導型ヌクレアーゼと複合体を形成し、標的となるDNA配列を指定するRNA。RNAの配列を変更することで、ゲノム上のさまざまな場所を指定して編集することが可能となる。