CRISPRを利用した診断技術：SHERLOCKやDETECTRに代表される原理と応用
CRISPR技術は、その革新的なゲノム編集ツールとしての側面が最もよく知られていますが、標的とする核酸配列を高精度に認識し結合する能力は、診断分野においても新たな地平を切り拓いています。従来の診断法に比べて、より迅速、高感度、そして低コストでの核酸検出を可能にするCRISPRベースの診断技術は、感染症、がん、遺伝性疾患など、幅広い疾患の診断に革命をもたらす可能性を秘めています。
CRISPRが診断に応用されるメカニズム
CRISPRシステムは、Casタンパク質とガイドRNA（gRNA）の複合体によって機能します。この複合体は、gRNAに相補的な特定のDNAまたはRNA配列を標的として認識し、結合します。ゲノム編集では、Cas9などのヌクレアーゼ活性を持つCasタンパク質が標的配列を切断することが主な機能ですが、診断応用においては、この標的認識能力と、一部のCasタンパク質が持つ collateral activity（側副活性）と呼ばれるユニークな機能が鍵となります。
Collateral activityとは、Casタンパク質が標的核酸（DNAまたはRNA）に結合した後、その標的だけでなく、周囲にある非標的の核酸（通常は一本鎖RNAまたはDNA）も非特異的に分解する活性を指します。この側副活性を持つCasタンパク質（例：Cas12a, Cas13aなど）を利用することで、標的核酸の存在を増幅可能なシグナルに変換し、検出することが可能になります。
SHERLOCKとDETECTR：主要なCRISPR診断システム
CRISPRの側副活性を利用した代表的な診断システムとして、「SHERLOCK（Specific High-sensitivity Enzymatic Reporter UnLOCKing）」と「DETECTR（DNA Endonuclease-Targeted CRISPR Trans Reporter）」があります。これらのシステムは、極めて微量の標的核酸でも検出できる高い感度と、特定の配列のみを検出できる高い特異性を兼ね備えています。
SHERLOCK (Cas13a/b/dを使用)
SHERLOCKシステムは主にRNA標的の検出に特化しており、Cas13ファミリーのタンパク質（Cas13a, Cas13b, Cas13dなど）を使用します。検出のプロセスは以下の通りです。
- 核酸増幅: 検出したい標的核酸（例えばウイルスのRNAゲノム）が少量の場合、LAMP（Loop-mediated isothermal amplification）やRPA（Recombinase Polymerase Amplification）といった等温増幅法を用いて、標的核酸またはそのcDNAを増幅します。これにより、検出に必要な量を確保します。
- CRISPR反応: 増幅された標的核酸を含むサンプルに、特定の標的配列を認識するガイドRNAとCas13タンパク質、そして蛍光色素や消光剤で標識されたレポーターRNAプローブを加えます。
- 側副活性によるシグナル発生: Cas13-gRNA複合体が標的核酸に結合すると、Cas13の側副活性が活性化され、周囲にあるレポーターRNAプローブを非特異的に切断します。
- 検出: レポーターRNAプローブが切断されると、蛍光色素と消光剤が離れ、蛍光シグナルが発生します。この蛍光を蛍光リーダーや簡易的な紙ストリップで検出することで、標的核酸の存在を確認できます。
SHERLOCKは、ジカウイルスやデング熱ウイルス、新型コロナウイルス（SARS-CoV-2）など、様々な感染症の診断に利用されています。
DETECTR (Cas12aを使用)
DETECTRシステムは、主にDNA標的の検出に利用され、Cas12a（旧CPF1）タンパク質を使用します。SHERLOCKと同様に、検出のプロセスは側副活性を利用しますが、Cas12aは二本鎖DNAの切断後に一本鎖DNAに対する側副活性を示します。
- 核酸増幅: DNA標的（例えば細菌ゲノムの一部やがん関連遺伝子）が少量の場合、PCRや等温増幅法で増幅します。
- CRISPR反応: 増幅された標的DNAを含むサンプルに、特定の標的配列を認識するガイドRNAとCas12aタンパク質、そして一本鎖DNAで構成され、蛍光色素と消光剤で標識されたレポータープローブを加えます。
- 側副活性によるシグナル発生: Cas12a-gRNA複合体が標的DNAに結合すると、Cas12aの二本鎖DNA切断活性が作動し、さらに一本鎖DNAに対する側副活性が活性化され、レポータープローブを非特異的に切断します。
- 検出: レポータープローブが切断されると、蛍光シグナルが発生し、標的DNAの存在が検出されます。
DETECTRもまた、HPV（ヒトパピローマウイルス）の型判定など、様々なDNAベースの診断に応用されています。
CRISPR診断の応用展望と課題
SHERLOCKやDETECTRに代表されるCRISPRベースの診断技術は、その高感度・高特異性、迅速性、そして比較的安価なコストから、様々な分野での応用が期待されています。
- 感染症診断: ウイルスや細菌などの病原体を迅速かつ正確に検出。特にアウトブレイク時や発展途上国など、リソースが限られた環境でのポイントオブケア診断に適しています。新型コロナウイルスの診断への応用研究や製品開発は急速に進んでいます。
- がん診断: 血液や組織中の微量ながん関連遺伝子変異やエピゲノムマーカーを検出。リキッドバイオプシーへの応用なども期待されます。
- 遺伝性疾患診断: 特定の遺伝子変異や構造異常を検出。出生前診断やキャリアスクリーニングへの応用も考えられます。
- 食品安全・環境モニタリング: 食中毒菌やアレルゲン、環境中の汚染物質などを現場で迅速に検出。
一方で、実用化に向けてはいくつかの課題も存在します。
- 標準化と規制: 診断精度を保証するためのプロトコルの標準化や、臨床応用における規制当局の承認プロセスが必要です。
- コストと拡張性: 研究段階から大量生産・普及に向けたコスト削減や製造プロセスの確立が求められます。
- サンプルの前処理: 複雑な生体サンプル（血液、唾液など）からの核酸抽出・精製は依然として重要であり、簡易化が必要です。
- 新しいCasタンパク質: より高い活性、特異性、あるいは異なる側副活性を持つ新規Casタンパク質の探索・開発が進められています。
結論
CRISPR技術は、ゲノム編集に留まらず、核酸検出という全く異なるアプローチで診断分野に革新をもたらしています。SHERLOCKやDETECTRのようなシステムは、従来の診断法では難しかった高感度・迅速・低コストな核酸検出を可能にし、感染症対策、がん診断、遺伝性疾患スクリーニングなど、広範な医療・非医療分野での応用が期待されています。技術の標準化、コスト削減、そして臨床検証といった課題を克服することで、CRISPRベースの診断技術は、未来の医療や社会の安全確保に不可欠なツールとなる可能性を秘めていると言えるでしょう。今後の技術開発と社会実装の動向に注目が集まっています。