AAV CRISPRベクター(シングルSagRNA)

CRISPR/Cas9ベクターは新しく開発されたゲノム編集ツールのひとつで、素早く効率的にゲノムの標的DNA配列に変異を導入できます（同様にZFNやTALENなどもよく利用されます）。

Cas9はRNA誘導性DNAヌクレアーゼの一種で、プラスミドやバクテリオファージなど外来遺伝子の侵入を防ぐ原生生物の自然免疫システムの一部です。Cas9は18‐22ntの標的配列と配列特異的な相互作用をするガイドRNA（gRNA）と複合体を形成します。gRNAの標的配列へのハイブリダイゼーションによってCas9はゲノムの標的配列を切断します。

CRISPRによる遺伝子ターゲティングには細胞内で標的配列特異的なgRNAとCas9が共発現している必要があります。Cas9とgRNAをひとつのベクター(all-in-oneベクター)から発現させるか、Cas9とgRNAをそれぞれ独立したベクターから発現させることによって共発現が可能になります。all-in-oneベクターを使うメリットは、CRISPRゲノム編集に必要なすべてのコンポーネントをひとつのベクターのみで供給でき、技術的に簡便である点です。独立したgRNAベクターとCas9ベクターの同時導入を試みても、両ベクターがすべての細胞に同時に導入される確率は大変低くなります。別の方法として、Cas9を安定して大量に発現する細胞もしくは生体にgRNAを発現させる方法がありますが、かなりの時間と労力が必要になります。当社のall-in-oneベクターはCas9とgRNAをAAVベクターから発現できるため、上記の困難を回避できます。

当社のAAV CRISPRベクターはStaphylococcus aureus由来のSaCas9を利用しています。SaCas9は従来のStreptococcus pyogenes由来のSpCas9よりも1kb以上小さい遺伝子サイズを持ちます。組み込み可能なDNAサイズが限定されるAAVベクターでは遺伝子サイズが大きいSpCas9よりもSaCas9の方が適しています。SaCas9とSpCas9はgRNAのscafold配列に違いがあります。SaCas9に対応しているgRNAはSagRNAと呼ばれます。またSaCas9のPAMはNNGRR（NNGRRTのほうが好ましい）であり、SpCas9のPAMがNGGまたはNAGである点も異なります。

AAV CRISPRベクターはE.coliのプラスミドとして作製されています。AAV CRISPRベクターがヘルパープラスミドと共にパッケージング細胞に導入されると、ITRのあいだのDNA領域がウイルスとしてパッケージングされます。ウイルスが標的細胞に感染するとCas9とgRNA発現カセットはウイルスゲノムと一緒に細胞内に導入されます。gRNAはヒトU6プロモーターから発現されてCas9を標的ゲノムサイトへ誘導します。

AAV野生株のゲノムはssAAVとして知られ、線状の一本鎖DNA（ssDNA）であり、両端にヘアピン構造を持つITRを持ちます。ssAAV上の遺伝子が発現するためにはまず、2つの経路によって二本鎖DNAに変換される必要があります。１）DNAポリメラーゼがssDNAゲノムをテンプレート、3' ITRを複製開始サイトとして相補鎖を複製する。２）ssAAVゲノムのあいだで＋鎖と－鎖のあいだの分子間ハイブリダイゼーションによって2本鎖DNAを作り出す。１）が主な経路になります。

AAVゲノムDNAは宿主細胞の核内でエピソーム状のコンカテマーとして維持されます。非増殖細胞ではAAVゲノムは宿主細胞内で維持されますが、増殖細胞ではエピソームDNAは宿主ゲノム内で複製されないので細胞分裂によって希釈され、消失します。AAVゲノムが宿主ゲノムへ挿入されることは非常に稀です。それゆえ、AAVベクターはベクターの挿入による細胞の癌化の心配がある遺伝子治療などの用途に理想的です。

AAVが実用的である主な理由として、AVVは複製不能でヒトに対して炎症反応などの疾患の原因にほとんどならないために、バイオセーフティレベル1の施設で扱うことができます。抗原性の低さからAAV CRISPRベクターはin vivoでCRISPRを使用する用途に最適です。

自然界から単離された複数のAAV株は、ウイルス表面のカプシドタンパク質の抗原性に基づいた血清型で分類できます。血清型によってウイルスの親和性（感染の組織特異性）が変わります。AAVベクターをパッケージングする際には異なるカプシドタンパク質を選択することでウイルスの血清型を変更することができます。当社が提供する血清型は1, 2, 3, 4, 5, 6, 6.2, 7, 8, 9, rh10, DJ, DJ/8, PHP.eB, PHP.S, AAV2-retro and AAV2-QuadYFとなります。クローニングの際、特異性に影響を与えないためにこの分野では一般的であるAAV2由来のITRが使用されています。パッケージング用のヘルパープラスミドにはRep/Capプラスミドがあり、AAV2由来の複製遺伝子と選択した血清型のカプシドタンパク質を含み、指向性を決定します。AAVの血清型と組織親和性の対応については下記の表をご覧ください。

当ベクターシステムに関する詳細な情報ついては下記の論文を参照してください

当社のAAVベクターシステムはE.coliでの高コピー数複製、高タイターのウイルス作製、広範囲な細胞タイプへの高効率な導入および導入遺伝子の高い発現量を実現します。AAVベクターは高い安全性とパッケージング時にすべてのカプシドタンパク質の血清型を選択できるため、非常に高効率な遺伝子導入を実現できます。

AAVベクターによるCRISPR用途に適している: 当社のAVV CRISPRベクターはStreptococcus pyogenes由来のSpCas9よりも遺伝子サイズが1kb以上小さいStaphylococcus aureus由来のSaCas9を利用しています。組み込み可能なDNAサイズが限定されるAAVベクターでは遺伝子サイズが大きいSpCas9よりもSaCas9の方が適しています。

安全性:  AAVは複製不能であり、ヒトの疾患の原因とならないので、最も安全なウイルスベクターシステムです。

宿主ゲノムの損傷リスクが低い: 宿主細胞への導入後、AAVベクターはエピソームDNAとして細胞核に存在します。宿主ゲノムへの挿入が起こらないので癌化の原因となりうる宿主ゲノムの損傷リスクを減らすことができ、ヒトへのin vivo用途に理想的です。

高ウイルスタイター：当社のAAVベクターは高いタイターのウイルスを作製できます。当社のウイルス作製サービスを利用すれば10¹³ GC/ml(genome copy per ml)以上が可能です。

幅広い親和性：適切な血清型でウイルスを作製することによってヒト、マウス、ラットなど一般的に使用される哺乳類動物由来の幅広い細胞及び組織タイプに遺伝子を導入できます。ただし、血清型によっては遺伝子導入が難しい細胞タイプがあります。

In vitroとin vivoで有効：培養細胞と生体内の細胞に対しても使用できます。

特定の細胞タイプへの形質転換が困難：AVVベクターは適切な血清型を選択することで非増殖細胞を含む数多くの細胞タイプへの遺伝子導入が可能になります。しかし、それぞれの血清型は異なる組織親和性があり、どの血清型を使っても遺伝子導入が難しい細胞タイプも存在します。

技術的な複雑さ：AVVベクターはパッケージング細胞によるウイルス作製とタイターの正確な計測などの操作が必要になります。従来のプラスミドを使った遺伝子導入と比べてこれらは高い技術の習熟が必要となり、時間もかかります。

PAMが必要：CRISPR/Cas9システムはgRNA認識配列の3’末端のすぐ隣にPAMと呼ばれる配列が必要です。SaCas9によるCRISPRターゲティングにはPAMとしてNNGRR（NNGRRTのほうが好ましい）がgRNAの標的配列3‘末端の直後に必要になります。

5' ITR: 5' inverted terminal repeat. 野生株の5' ITR と3' ITRは基本的に同じ配列を持つ。ウイルスゲノムの両端に逆向きに配置され、ウイルスゲノムの複製起点として機能する。

U6 promoter: ヒトU6 snRNAのプロモーター。small RNAの転写をするRNAポリメラーゼIIIによってgRNAを高レベルで発現する。

Guide sequence: Specifies the target sequence for the SaCas9 nuclease.

gRNA scaffold: Structural portion of the gRNA to allow complexing with SaCas9.[廣瀬1] 

Terminator: gRNAの転写を停止する。

CMV promoter: ヒトCMV immediate earlyプロモーター。SaCas9遺伝子を普遍的に発現する。

Kozak: Kozak配列。真核生物での翻訳開始を促進すると考えられているためORFの開始コドンの前に配置される。

SaCas9: Staphylococcus aureus由来のCas9遺伝子。

BGH pA: ウシ成長因子ポリアデニレーションシグナル。上流ORFの転写を停止する。

3' ITR: 3' inverted terminal repeat。

Ampicillin: アンピシリン耐性遺伝子。　E.coliへのアンピシリン耐性によるプラスミドの維持を可能にする。

pUC ori: pUC複製起点。E.coliでプラスミドを高コピーで維持する。