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特 集

明日の診療に役立つ細胞分子生物学

Topics 7
CRISPR/Cas システムを用いたマウスゲノム編集
増子

大輔 / 伊川正人

要旨：人工制限酵素を用いたゲノム編集技術が注目を集めている．これまでは主に，DNA 結合ドメインに FokI エンドヌクレアーゼをつな
いだ融合蛋白質である ZFN，TALEN が用いられてきたが，これらは任意の標的遺伝子座へのアクセスが可能とされるものの，DNA 結合
ドメインのデザインが難しく手間とコストがかかるものであった．一方，RNA により標的 DNA 配列を認識する CRISPR/Cas システムは，
安価で簡単にベクターが構築できることから，特に哺乳類の遺伝子改変で効果を発揮している．本稿では，我々が構築した評価システムと，
遺伝子改変マウス作製や遺伝子治療への応用など，新しい展開について紹介する．
キーワード：ゲノム編集，ノックアウト，ノックイン，点変異，疾患モデル
Genome editing, Knockout, Knockin, Point mutation,
Disease model

連絡先：伊川 正人〒565‑0871 大阪府吹田市山田丘 3‑1
大阪大学微生物病研究所（E-mail: ikawa@biken.osaka-u.ac.jp）

特集

明日の診療に役立つ細胞分子生物学

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ル形式で概説するとともに，最近の CRISPR/Cas を用い

人工制限酵素の開発

た研究の発展について紹介する．

生物の細胞内では DNA が切断された場合に修復が起こる．しかしこの修復も完全ではない．たとえば非相同

CRISPR/Cas プラスミドの構築

末端結合による修復では，切断を受けた DNA 末端を直接つなぎ合わせるが，主に数塩基の欠失や挿入など，一CRISPR/Cas 法では，標的とする DNA20 塩基の後ろ

定頻度でエラーが起こることが知られている．また相同に PAM 配列（NGG：N は A，T，G，C のいずれか）を組換えによる修復では，姉妹染色体などを参照するので含む必要がある．遺伝子破壊が目的であれば，標的遺伝

エラーは少ないが，似た配列として一本鎖 DNA や，二子の翻訳開始点（ATG）の下流におけるフレームシフト

本鎖 DNA を人為的に導入しておくと誤ってゲノム内にをねらう，もしくは活性ドメインを破壊するなどのアプ取り込まれることがある．ゲノム編集技術では，これらローチが考えられる．我々は標的領域内に PAM 配列をの DNA 切断と修復エラーをうまく利用して遺伝子改変

探し，その上流の 20 塩基を pX330 プラスミド（Zhangを行う．

により開発され，gRNA と Cas9 発現カセットを 1 つのゲノム編集には特異的な DNA 配列の切断が不可欠で

プラスミド内に含む．Addgene［http://www.addgene.

あるが，3×10 塩基対といわれるゲノム上の 1ヶ所を規

org/crispr/zhang/］より入手できる）の BbsI 制限酵素9定するためには計算上，最低でも 16 塩基が必要となる

サイトに挿入している（図 2A，下）．プライマーのセン．当初は長鎖 DNA 配列を特異的に認識す（416＝4.3×109）

ス鎖とアンチセンス鎖の 5′側にそれぞれCACC，AAAC

るメガヌクレアーゼの可能性も検討されたが，任意の配を付加して BbsI 切断末端と相補させることで，向きを列を切断するメガヌクレアーゼをデザインすることはで決めて挿入することができる．

きなかった．そこで 1 モチーフで 3 塩基の認識をするzinc

我々はオフターゲット（本来の標的ではないが，gRNAﬁnger モチーフを複数用いて DNA の結合ドメインとし，配列が似ているために誤って切断する可能性のある遺伝

さらに FokI をつなぐことで，長鎖 DNA を認識できる人子座）を切断するリスクを軽減するために，gRNA 設計

工制限酵素としてZFN（zinc ﬁnger nuclease）がつくらの段階で候補配列を 8 つ程度選び，Bowtieなどのソフトれた（図 1A） ．その後，1 モチーフで 1 塩基の認識を

ウェアを用いてゲノム上の相同配列を検索し，候補数のする TALE モチーフを用いた TALEN（transcription

少ない方から 4 つを作製している．Unix/Linuxの知識が3）

activator-like eﬀector nuclease）
が開発された（図 1B）．

必要な Bowtie に対し，簡易法として，Zhang 研究室のしかしながら，いずれも DNA 結合ドメインに FokI エン

CRISPR Design tool（http://www.genome-engineering.

ドヌクレアーゼをつないだ融合蛋白質として機能させる

8）や BLAST（http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/
org/crispr/）必要があるために，発現ベクターの作製には高度な技術

Blast.cgi）などのWebベースでの検索方法がある．オフと労力が必要とされた．

ターゲットの詳細については後述する．

1）
2）

人工制限酵素をさらに身近にしたのが，regularly interspaced, short palindromic repeat（CRISPR）/Casシス
4）5）．このシステムでは，標的配列をテムである（図 1C）

決める guide RNA（gRNA）と CAS9 nuclease を発現さIn vitro における DNA 切断活性評価系の開発せるだけで標的のDNA配列を切断，破壊できる（図 1C）．
オリゴ DNA を合成してプラスミドに入れるだけでベク

ZFN/TALENの活性評価には主に，ミスマッチがある

ター構築できるので，前述の ZFN や TALEN と比較しと切断を起こすCELIヌクレアーゼなどを用いて，変性・てデザイン，作製が簡便であり，瞬く間に利用が広がっ

再アニールさせたPCR産物を処理し，切断産物と非切断た．

産物の濃度比により切断効率を算出するアッセイが用い本稿では，CRISPR/Cas プラスミドをマウス受精卵のられてきた．我々は哺乳類への応用を目指していたこと，前核に顕微注入することで，簡易，迅速かつ高効率にゲ

簡便に活性評価したいということから，HEK293T 細胞についてプロトコー

を用いて green ﬂuorescent protein（GFP）蛍光回復を

ノム編集ができる我々のシステム

6）7）

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図 1 ZFN，TALEN，CRISPRの比較．
（A）人工制限酵素ZFN．1 モチーフで 3 塩基を認識する zinc finger は，その組み合わせによってアフィニティが異なるために活性の良い ZFN を作製することは難しかった．
（B）人工制限酵素 TALEN．1 モチー
フで 1 塩基を認識する TAL-effector は，組み合わせによるアフィニティ低下の問題を解決したが，標的配列ごとに多くのモチーフを組み合わせる煩雑な作業が必要であった．（C）CRISPR/Cas システム．gRNA により相補的な配列を捕捉するので，オリゴ DNA を挿入するだけでベクターが構築できる．

指標に活性評価する系を構築した．まず，CAGプロモー

同性を利用して EGFP 配列が修復される．その結果，

ターの下流にenhanced GFP（EGFP）の前半の約 2/3 とEGFP 発現活性が機能して細胞が緑色蛍光を発するよう後半の約 2/3 を挿入したプラスミド，pCAG-EGxxFP をになり，蛍光細胞数を指標に活性を評価できる（図 2C）
．

構築した
（図2A，
上）
（http://www.addgene.org/50716/）．

我々は実際にノックアウトマウスを得ることができた

次に，標的配列を中ほどに含んだ約 500〜1,000 塩基の標pX330-Cetn1（http://www.addgene.org/50718/）と的領域を PCR によって増幅して，EGFP 断片間の multipCAG-EGxxFP-Cetn1（http://www.addgene.org/50717/）

cloning site（MCS）に挿入し，pCAG-EGxxFP-targetをの組み合わせをポジティブコントロール，
pX330とpCAG-作製した．pCAG-EGxxFP-target プラスミドと，前述のEGxxFP-target をネガティブコントロールとして用いて

pX330-target プラスミドを HEK293T 細胞に同時導入しいる．図 1Cに示すように，蛍光顕微鏡観察により，蛍光（我々は安価なリン酸カルシウム法を用いているが，市販

強度の暗いもの（スコア 1）から明るいもの（スコア 4）の導入試薬でも問題ない），2 日後に緑色蛍光を観察するまでを 4 段階に蛍光強度を分類している（先のポジティことで活性を比較する．その原理は図 2Bに示すように，

ブコントロールはスコア 3）．経験的に，pX330-targetを

pCAG-EGxxFP-target は EGFP が分断されているのでこ

4 つデザインすれば，十分な活性を示すものが 2〜3 個とのままでは緑色蛍光を発しないが，pX330-target から発れる．なお U6 プロモーターの転写終了シグナルとなる

現する gRNA と CAS9 複合体により標的配列部分が切断

TTTTT 配列を含まないようにしている．

されると，EGFP の前半部分と後半部分の 1/3 部分の相

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明日の診療に役立つ細胞分子生物学659

図 2 ベクター構築と活性評価．（A）ベクター構築．上：活性評価用pCAG-EGxxFPベクター．ター
ゲット配列を中ほどに含む 500〜1,000 bp の配列を PCR によって増幅し，挿入する．下：ターゲッ
ト領域付近に PAM 配列（NGG）を探し，その上流 20 塩基を BbsI 切断サイトに挿入する．
（B）活性評価のストラテジー．Aで作製したベクターを細胞に導入すれば，発現したgRNA/CAS9 複合体
が pCAG-EGxxFP-target を切断する．相同組換えにより EGFP 配列の修復が起こると，蛍光が観測される．（C）蛍光のクラス分け．細胞を用いた切断アッセイの後に蛍光を観測し，蛍光強度に応じてスコアをつける．pX330-Cetn1 と pCAG-EGxxFP を導入したときの活性をスコア 3 としている．
（Mashiko ら7）より改変）

標的配列と PAM 配列について

マウス受精卵への前核注入による遺伝子変異マウスの作製

pX330 はヒト U6 プロモーターを用いて gRNA を発現する．pX330 が開発された当初は，U6 プロモーターがゲノム編集の利用法の一つとして，目的細胞に変異を転写開始点として G を好むことから，G で始まる標的配導入して，遺伝子機能を解析する例があげられる．また列，もしくは標的配列の 5′
端にGを追加することが推奨

変異を導入した ES 細胞や iPS 細胞を試験管内で目的細されていた ．しかし GFP 蛍光を指標とした我々の胞に分化させることで，遺伝子機能や表現型を解析する

5）

評価系を用いて調べたところ，G で始まらない標的こともできる（図 3A）．しかし，高次生命現象の多くは，配列でも高い活性が得られるケースや，むしろ最初に G

個体レベルで解析を行わなければならないことも多い．

を付加することで活性が低下するケースもみられた．こもちろん変異を導入した ES 細胞からキメラマウスを作のことから，現在は，標的配列の最初が G である必要は製し，交配により遺伝子破壊（ノックアウト）マウスをないと考えている．また，PAM 配列（NGG）の N と活つくることもできるが，むしろ CRISPR/Cas 法を使うの性の関係についても同様に調べたところ，A，T，G，C

であれば，受精卵に gRNA と CAS 蛋白を発現させるこの塩基において活性の差は認められなかった．現在は，とで，短期間にノックアウトマウスを得る方法が利用で単に標的領域内の NGG を探し，直前の 20 塩基を標的ときる．そのために我々は，受精卵の前核に pX330-target

している．

プラスミドを環状のまま注入している（図 3B）．一般的には RNA を調製してから細胞質に注入する方法もとられているが，プラスミド載せ換えや RNA 合成の手間，RNA ハンドリングによる分解のリスクを軽減できる点

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図 3 CRISPR/Casシステムを用いた遺伝子機能解析．（A）ES細胞を用いた遺伝子機能解析．ES 細胞に CRISPR/Cas を導入し，遺伝子破壊を起こしたうえで，さまざまな細胞に分化させ，表現型を解析する．（B）個体を用いた遺伝子機能解析．細胞での解析だけでは知りえない機能を解析するために個体を作製する．マウス受精卵に
pX330 プラスミドを顕微注入して移植すれば，高率にノックアウトマウスを得ることができる．

でプラスミドが優れている．
得られた産仔からゲノム DNA を抽出し，標的配列領域を PCR 増幅する（pCAG-EGxxFP-target を作製する

CRISPR/Cas プラスミドによる遺伝子破壊

ときに用いたプライマーセットを利用できる）．PCR 産物をダイレクトシークエンスすることで，欠損や挿入がCAS9/gRNA複合体により標的遺伝子座が切断される同定できる．ただし，卵割後に変異が導入されている場と（PAM配列の上流 3 塩基と 4 塩基の間で切断される），

合はモザイクになることや，PCR増幅によって特定のア

修復の過程で数ベースの欠損，挿入が起こることがある．

リルが増幅されやすくなる可能性を考えて，正確な判定

その際にフレームシフトすると，目的蛋白質がつくられは次世代で行うことが望ましい．なお一般に行われていないノックアウトとなる（図 4A）．欠失や挿入が 3 の倍る RNA 注入法と異なり，我々の方法ではプラスミド数になると塩基のフレームが通ってしまうので，実験目

DNA を注入するので，pX330-target 配列そのものがゲ

的にあうマウスを選び，交配によって殖やす必要がある．

ノムに導入されることがある．実際に環状プラスミドが我々のアプローチであれば，活性評価の簡便さ，mRNA

ゲノムに挿入されるリスクを調べると，産仔の 3％で挿合成しないことなどの効率化が功を奏し，立案からホモ入が起こっていた（直鎖 DNA に比べて組み込み効率は欠損マウスの作製まで 1ヶ月以内に行える．この方法を

約 1/10 程度）．この問題はゲノムに挿入されなかった個

用いて我々は約半年の間に50系統のノックアウトマウス

体を利用する，もしくは交配により分離ができた個体をを作製した7）．経験上，得られた産仔の約半数で変異が確用いることで解決できると考える．以下に遺伝子変異マ

認され，その半数で両側染色体に変異が確認されている．

ウスの作製の応用例を示す．

CRISPR/Cas9 システムを用いた遺伝子破壊の特徴として，10塩基以内の欠失もしくは挿入が多くみられる．
我々

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明日の診療に役立つ細胞分子生物学

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図 4 CRISPR/Casシステムによるさまざまなゲノム編集/研究アプローチ．
（A）欠失
変異．CRISPR/Casによる切断と修復エラーにより欠失変異を起こすことができる．
（B）点変異．CRISPR/Cas と同時に，変異を入れた 100 bp ほどの一本鎖 DNA（ssDNA）を導入すれば，ねらった位置に点変異を起こすことができる．図はA to T置換の例．（C）ノックイン．CRISPR/Cas と同時に，両腕 500 bp ほどの二本鎖 DNA（dsDNA）を導入すれば，ねらった位置に EGFP などの長鎖 DNA をノックインできる．（D）転写阻害（CRISPRi）．不活性型 CAS9（dCAS9）では切断が起こらず，
DNA を認識したまま離れない状態になるので，転写阻害ができる．
（E）修飾の導入．DNA 修飾酵素などを dCAS9 との融合蛋白質として発現させれば，認識した部
位の付近にエピゲノム修飾などを導入することができる．
（F）
イメージング．dCAS9に EGFP をつなげることで，認識した配列を可視化することができる．単分子では蛍光を観察することは難しいため，リピート配列を標的とすることが多い．

の経験では，10 塩基以内の欠失が 114 個体の欠損のうち78 個体でみられた（68.4％）．100 塩基を超える欠失もみ

点変異マウスの作製られているが，1 割程度と少ないことから，長領域欠損を目的とする場合には後述のように 2 つのpX330 を注入

CRISPR/Cas システムを活用すれば，ヒトで報告されすることをお勧めする．また切断部位の近辺に 3 塩基程ているSNP症例を模倣したマウスを比較的簡単につくる度の相同性（マイクロホモロジー）があれば，それを利ことができる（図 4B）．そのためには pX330-target と同用した修復も多く，同一の変異が得られることも少なく時に，切断部位をカバーして点変異を有する一本鎖DNAない．

を前核に注入する．その際に，標的変異の両側に約 50 塩基の相同領域をもった一本鎖 DNA をともに注入することで点変異や Flag などのタグ挿入も可能となる．しかし，我々の経験では，単なる遺伝子破壊に比べて効率は
1/10〜1/5 と高くはない結果であった．なお導入するオ

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日呼吸誌

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リゴ DNA 鎖に gRNA がアニールしないように同じ向きにする，点変異を導入した後にもう一度切断が起こらな

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医療への応用いように ssDNA 内にサイレント変異を入れるなどの工CRISPR/Casシステムの医療への応用として，「ゲノム

夫が望ましい．

に入っている変異を取り除く方法」，「ウイルスや細菌なCRISPR/Cas システムにより作製された変異マウスのオフターゲット検索

どの DNA を切断することによる感染の予防，治療」などが考えられる．変異を取り除く例としては，
Fah5981SB
チロシン血症モデルマウスの点変異による遺伝子治療が報告された10）．このマウスはFAH蛋白を生成できないことからチロシンを分解できず，肝障害を起こしてしまう．

ZFN や TALEN が 12〜18 塩基程度を認識するユニッFah を標的とした pX330 プラスミドとともに ssDNA をトを 2 つ必要とするのに対し，CRISPR/Cas システムは静脈注射によってモデルマウスの肝臓に一度導入するこ

20 塩基を 1 つのみ認識することから，オフターゲットのとで一部の肝細胞の遺伝子変異を正常に戻すと，1ヶ月後切断については注意が必要である．しかし，その候補検にはそれらが全肝細胞の 1/3 を占め，投薬治療を行わな索の方法にはコンセンサスが取れていない．Wang らはくてもマウスが生き残れるようになったと報告されていCellの論文 において，Bowtie（http://bowtie-bio.source

る．また，ウイルスの DNA を切断する方法では，HIV-

forge.net/index.shtml）を用いてオフターゲットの候補

LTR を標的とした gRNA 導入による潜伏感染 HIV プロとなる個所を探している．PAM 配列の直近上流 13 塩基ウイルスの破壊が報告されており11），この方法を用いる（標的配列の 3′
側 13 塩基）と NGG（N：A，T，G，C）

ことで潜伏HIVの再活性化を抑制できる可能性が示唆さの配列を作製し，マウスゲノムにその配列が完全に合致れている．しかし医療応用に際しては，先にも述べたオ

するかどうかを調べる．この方法は PAM の上流の約 13

フターゲット切断については，より厳密に考慮されなく塩基が活性に大きく関わるという知見を反映している．

てはならないであろう．

9）

我々も，本法を踏襲してオフターゲット候補数の少ない標的を選んでいる（多くの場合で，候補数 5 個以下を選択できる）．実際に得られた変異マウスについては，オフターゲット配列を中ほどに含むゲノム配列を UCSC Ge-

CRISPR を用いたゲノム編集技術の広がり

nome Browser（http://genome.ucsc.edu/）によって取得し，PCR増幅してシークエンスをすることで切断の有

これまで CRISPR/Cas システムを用いたゲノム編集に

遺伝子に変異のついて述べてきた．このツールを用いることで，今まで入った 8 匹のマウスに対して 4ヶ所のオフターゲット候

はコストや時間の面から研究が進めにくかったSNPの個補を調べた場合にはオフターゲットの切断が起こってい体レベルでの網羅的な解析や，遺伝子破壊による疾患モなかったが（0/32），

遺伝子に変異の入った 16 匹

デルマウスの作製を，容易に行うことができるようにのマウスにおいて 7ヶ所のオフターゲット候補を調べるなった．また，マウスに限らず，ラットやサルにおいてと 1 匹の 1ヶ所でオフターゲットの切断が観察された遺伝子破壊をする試みがなされている12）13）．異なる使い方

6）．これらの結果より，オフターゲットが切断さ（1/112）

として，ノックイン（図 4C）や，CAS9 蛋白を不活性型れる確率は約 1％と低いと考えるが，切断される可能性にすることで切断は起こらないものの転写を阻害するは否定できない．そこで複数ラインのマウスを解析した

14）
や，CAS9 蛋白が片側鎖のみを切断す
CRISPRi（図 4D）

り，交配によりオフターゲット変異を除いたりすることるようにしてセンス側，アンチセンス側の両側を切断しが望ましい．厳密にはオフターゲット配列が異なるたときに初めて遺伝子破壊を起こすことでオフターゲッ

gRNA を用いて追試することなどで，十分な解決策となト切断を軽減する，Nickase タイプ15）も報告されている．

りうると考えられる．

不活性型CAS9 に修飾酵素（図 4E）16）やGFP（図 4F）を無を調べておくとよい．我々がつないで17），配列を修飾したり，可視化するといった全
く異なるアプローチも報告されている．最近では切断蛋

特集

白である CAS9 の立体構造も観察され，原理面の理解も明日の診療に役立つ細胞分子生物学

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827‑32.

進みつつある ．ゲノム編集技術の活用は大きな広がり

9）Wang H, et al. One-step generation of mice carrying

をみせており，今後の生命科学・医学研究への応用が期

mutations in multiple genes by CRISPR/Cas-medi-

待される．

ated genome engineering. Cell 2013; 153: 910‑8.

18）10）Yin H, et al. Genome editing with Cas9 in adult mice
著者のCOI（conﬂicts of interest）開示：本論文発表内容にcorrects a disease mutation and phenotype. Nat
Biotechnol 2014; 32: 551‑3.

関して特に申告なし．

引用文献
1）Kim Y, et al. Hybrid restriction enzymes: zinc ﬁnger fusions to Fok I cleavage domain. Proc Natl
Acad Sci USA 1996; 93: 1156‑60.
2）Bibikova M, et al. Stimulation of homologous recombination through targeted cleavage by chimeric nucleases. Mol Cell Biol 2001; 21: 289‑97.
3）Cermak T, et al. Eﬃcient design and assembly of11）Ebina H, et al. Harnessing the CRISPR/Cas9 system
to disrupt latent HIV-1 provirus. Sci Rep 2013; 3:2510.
12）Li D, et al. Heritable gene targeting in the mouseand rat using a CRISPR-Cas system. Nat Biotechnol
2013; 31: 681‑3.
13）Niu Y, et al. Generation of gene-modiﬁed cynomolgus
monkey via Cas9/RNA-mediated gene targeting in
one-cell embryos. Cell 2014; 156: 836‑43.

custom TALEN and other TAL eﬀector-based con-14）Qi LS, et al. Repurposing CRISPR as an RNA-guided

structs for DNA targeting. Nucleic Acids Res 2011;

platform for sequence-speciﬁc control of gene ex-

39: e82.
4）Cong L, et al. Multiplex genome engineering using
CRISPR/Cas systems. Science 2013; 339: 819‑23.
5）Mali, Prashant, et al. RNA-guided human genome
engineering via Cas9. Science 2013; 339: 823‑6.
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15）Ran F, et al. Double nicking by RNA-guided CRISPR
Cas9 for enhanced genome editing speciﬁcity. Cell
2013; 154: 1380‑9.
16）Voigt P, et al. Epigenome editing. Nat Biotechnol
2013; 3: 1097‑9.

nuclear injection of circular plasmid expressing17）Chen B, et al. Dynamic imaging of genomic loci in

Cas9 and single guided RNA. Sci Rep 2013; 3: 3355.

living human cells by an optimized CRISPR/Cas

7）Mashiko D, et al. Feasibility for a large scale mouse
mutagenesis by injecting CRISPR/Cas plasmid into
zygotes. Dev Growth Diﬀer 2014; 56: 122‑9.
8）Hsu PD, et al. DNA targeting speciﬁcity of RNAguided Cas9 nucleases. Nat Biotechnol 2013; 31:

system. Cell 2013; 155: 1479‑91.
18）Nishimasu H, et al. Crystal structure of Cas9 in complex with guide RNA and target DNA. Cell 2014;
156: 935‑49.

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日呼吸誌

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Abstract
Genome engineering using CRISPR/Cas system
Daisuke Mashiko and Masahito Ikawa
Research Institute for Microbial Diseases, Osaka University
Targeted genome editing using engineered nucleases has attracted attention in the field of gene function analysis andgene therapy. Although ZFN and TALEN fusion proteins that connect the FokI endonuclease with DNA-binding domains
have been developed and used; the labor-intensive and time-consuming process of the construction of a DNA-binding
domain has hindered the spread of their use. Emergence of the clustered, regularly interspaced, short palindromic repeat（CRISPR）/Cas system has changed this situation. This system is far simpler to prepare because of the use of guide RNA（gRNA）to direct the CAS9 enzyme to the target loci―the gRNA can be easily prepared by changing 20 nucleotides of
the 5′region of the gRNA. Thus a prepared, CRISPR/Cas system efficiently works in mammalian cells. Moreover, geneknockout mice can be generated within a month by injecting RNAs or plasmids coding gRNA and Cas9 into fertilized
eggs. Here we introduce our simple evaluation system for gRNAs and our plasmid injection system for generating geneknockout mice. Further applications of the CRISPR/Cas system for point mutation, large deletion, reporter gene knockin,and other advances to the technique, will also be reviewed.