プレスリリース
(研究成果) 大気圧プラズマ処理により植物のゲノム編集に成功

ゲノム編集技術は、タンパク質やRNAから成るゲノム編集酵素を細胞内で働かせて、特定部位のゲノムDNAを改変する技術です。植物のゲノム編集では、細胞に外からタンパク質を導入することが難しく、多くの場合は遺伝子組換え技術を用いていったんゲノム編集酵素遺伝子をDNAの形で導入し、細胞内でゲノム編集酵素を合成させることでゲノム編集を行っています。ただし、目的の形質の植物が得られれば、導入したゲノム編集酵素遺伝子は不要となり、除去する必要があります。通常、自家受粉や交配などにより次世代の植物を取得しこれを選抜することで導入した遺伝子の除去が可能ですが、ライフサイクルの長い樹木や栄養繁殖性の作物では困難です。そのため、ゲノム編集酵素をタンパク質やRNAの形で直接導入してゲノム編集を行う技術の開発が求められています。

農研機構と東京工業大学はプラズマの生命工学分野への応用を目指し、2017年に「温度制御大気圧プラズマを用いて無傷の植物の細胞に外から生体高分子を導入する技術」(Yanagawa et al., 2017. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0171942)を開発しました。この方法では、植物を低温(約25°C)に制御した大気圧プラズマで処理することで、少なくとも分子量400万Daまでの生体高分子であればタンパク質、RNA、DNAを問わず取り込ませることができます。これはプラズマ処理によって、一時的に細胞膜上の膜輸送システム(エンドサイトーシス)が亢進し、細胞外に存在する高分子が積極的に細胞内に取り込まれるためと考えられており、この取り込みは数時間継続することが確認されています。

本研究では、この技術を用いてタンパク質-RNA複合体型のゲノム編集酵素を植物細胞に導入し、ゲノム編集を行うことができることを示しました。

• モデル植物の作出
  期待通りにゲノム編集酵素が植物細胞内に導入され、ゲノム編集が成功したかどうかを簡便に評価できるモデル植物を作出しました。はじめに、化学発光を触媒する酵素遺伝子に挿入変異を持つ遺伝子カセットを作成し、イネのカルス⁷⁾に導入しました。カセット内の遺伝子の挿入変異がゲノム編集によって改変されると、遺伝子が正常に機能し、当該植物による化学発光が検出できる仕組みとなっています。同様に、変異を持つ薬剤耐性遺伝子を利用したカセットを作成し、タバコ葉に導入し、薬剤耐性を指標にゲノム編集の成否を評価しました。
• イネを用いたゲノム編集モデル実験
  変異酵素遺伝子を持つイネのカルスにプラズマを照射した後、ゲノム編集酵素を含む溶液にイネカルスを浸すことで、ゲノム編集酵素を取り込ませました(図1)。処理したカルスを検出装置で撮影したところ、発光が検出された(黒色部分, 図2)ことから、変異酵素遺伝子がゲノム編集によって修復されたと考えられます。これらのカルスに含まれる遺伝子配列を解析し、ゲノム編集が成功したことを確認しました。
• タバコを用いたゲノム編集モデル実験
  変異薬剤耐性遺伝子を導入したタバコの葉片に、同様にプラズマを用いたゲノム編集酵素の導入を行ったところ、薬剤耐性カルスが出現すること、期待通りの塩基配列の編集を確認しました(図3)。 以上のことから、イネカルスあるいはタバコ葉をプラズマ処理することで細胞にゲノム編集酵素を導入でき、植物のゲノムを編集できることを上記のモデル植物を用いて確認しました。これらの結果から、大気圧プラズマ法は様々な植物種のゲノム編集に利用できることが期待されます。
• 大気圧プラズマ法のメリット
  これまでに開発された生体高分子導入法は、植物組織や導入タンパク質に前処理を行う必要がある、RNAは導入できない、適用可能な植物種や組織に制約があるなどの点から、ゲノム編集酵素の導入法として制限がありました。比較的類似の技術として、パーティクルガンを用いて、ゲノム編集酵素を導入してゲノム編集を行う技術が開発されていますが、この方法ではゲノム編集酵素を吸着させた微粒子が撃ち込まれた一部の細胞にしかゲノム編集酵素が導入されません。一方で本研究の大気圧プラズマを利用した技術では、プラズマ照射したのちにゲノム編集酵素溶液に浸漬するという比較的単純な操作で、植物体に障害を与えることなく、植物体の形を保ったまま一定の範囲の細胞の集団にゲノム編集酵素を導入することができるため、これまでより効率的にゲノム編集を行うことが期待できます。