TED日本語 - ジェニファー・カーン: 1つの生物種全体を永久に変えてしまう遺伝子編集技術


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TED日本語 - ジェニファー・カーン: 1つの生物種全体を永久に変えてしまう遺伝子編集技術

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Gene editing can now change an entire species -- forever


Jennifer Kahn






So this is a talk about gene drives, but I'm going to start by telling you a brief story. 20 years ago, a biologist named Anthony James got obsessed with the idea of making mosquitos that didn't transmit malaria.

It was a great idea, and pretty much a complete failure. For one thing, it turned out to be really hard to make a malaria-resistant mosquito. James managed it, finally, just a few years ago, by adding some genes that make it impossible for the malaria parasite to survive inside the mosquito.

But that just created another problem. Now that you've got a malaria-resistant mosquito, how do you get it to replace all the malaria-carrying mosquitos? There are a couple options, but plan A was basically to breed up a bunch of the new genetically-engineered mosquitos release them into the wild and hope that they pass on their genes. The problem was that you'd have to release literally 10 times the number of native mosquitos to work. So in a village with 10,000 mosquitos, you release an extra 100,000. As you might guess, this was not a very popular strategy with the villagers.


Then, last January, Anthony James got an email from a biologist named Ethan Bier. Bier said that he and his grad student Valentino Gantz had stumbled on a tool that could not only guarantee that a particular genetic trait would be inherited, but that it would spread incredibly quickly. If they were right, it would basically solve the problem that he and James had been working on for 20 years.

As a test, they engineered two mosquitos to carry the anti-malaria gene and also this new tool, a gene drive, which I'll explain in a minute. Finally, they set it up so that any mosquitos that had inherited the anti-malaria gene wouldn't have the usual white eyes, but would instead have red eyes. That was pretty much just for convenience so they could tell just at a glance which was which.

So they took their two anti-malarial, red-eyed mosquitos and put them in a box with 30 ordinary white-eyed ones, and let them breed. In two generations, those had produced 3,800 grandchildren. That is not the surprising part. This is the surprising part: given that you started with just two red-eyed mosquitos and 30 white-eyed ones, you expect mostly white-eyed descendants. Instead, when James opened the box, all 3,800 mosquitos had red eyes.

When I asked Ethan Bier about this moment, he became so excited that he was literally shouting into the phone. That's because getting only red-eyed mosquitos violates a rule that is the absolute cornerstone of biology, Mendelian genetics. I'll keep this quick, but Mendelian genetics says when a male and a female mate, their baby inherits half of its DNA from each parent. So if our original mosquito was aa and our new mosquito is aB, where B is the anti-malarial gene, the babies should come out in four permutations: aa, aB, aa, Ba. Instead, with the new gene drive, they all came out aB. Biologically, that shouldn't even be possible.

So what happened? The first thing that happened was the arrival of a gene-editing tool known as CRISPR in 2012. Many of you have probably heard about CRISPR, so I'll just say briefly that CRISPR is a tool that allows researchers to edit genes very precisely, easily and quickly. It does this by harnessing a mechanism that already existed in bacteria. Basically, there's a protein that acts like a scissors and cuts the DNA, and there's an RNA molecule that directs the scissors to any point on the genome you want. The result is basically a word processor for genes. You can take an entire gene out, put one in, or even edit just a single letter within a gene. And you can do it in nearly any species.

OK, remember how I said that gene drives originally had two problems? The first was that it was hard to engineer a mosquito to be malaria-resistant. That's basically gone now, thanks to CRISPR. But the other problem was logistical. How do you get your trait to spread? This is where it gets clever.

A couple years ago, a biologist at Harvard named Kevin Esvelt wondered what would happen if you made it so that CRISPR inserted not only your new gene but also the machinery that does the cutting and pasting. In other words, what if CRISPR also copied and pasted itself. You'd end up with a perpetual motion machine for gene editing. And that's exactly what happened. This CRISPR gene drive that Esvelt created not only guarantees that a trait will get passed on, but if it's used in the germline cells, it will automatically copy and paste your new gene into both chromosomes of every single individual. It's like a global search and replace, or in science terms, it makes a heterozygous trait homozygous.

So, what does this mean? For one thing, it means we have a very powerful, but also somewhat alarming new tool. Up until now, the fact that gene drives didn't work very well was actually kind of a relief. Normally when we mess around with an organism's genes, we make that thing less evolutionarily fit. So biologists can make all the mutant fruit flies they want without worrying about it. If some escape, natural selection just takes care of them.

What's remarkable and powerful and frightening about gene drives is that that will no longer be true. Assuming that your trait does not have a big evolutionary handicap, like a mosquito that can't fly, the CRISPR-based gene drive will spread the change relentlessly until it is in every single individual in the population. Now, it isn't easy to make a gene drive that works that well, but James and Esvelt think that we can.

The good news is that this opens the door to some remarkable things. If you put an anti-malarial gene drive in just 1 percent of Anopheles mosquitoes, the species that transmits malaria, researchers estimate that it would spread to the entire population in a year. So in a year, you could virtually eliminate malaria. In practice, we're still a few years out from being able to do that, but still, a 1,000 children a day die of malaria. In a year, that number could be almost zero. The same goes for dengue fever, chikungunya, yellow fever.

And it gets better. Say you want to get rid of an invasive species, like get Asian carp out of the Great Lakes. All you have to do is release a gene drive that makes the fish produce only male offspring. In a few generations, there'll be no females left, no more carp. In theory, this means we could restore hundreds of native species that have been pushed to the brink.

OK, that's the good news, this is the bad news. Gene drives are so effective that even an accidental release could change an entire species, and often very quickly. Anthony James took good precautions. He bred his mosquitos in a bio-containment lab and he also used a species that's not native to the US so that even if some did escape, they'd just die off, there'd be nothing for them to mate with. But it's also true that if a dozen Asian carp with the all-male gene drive accidentally got carried from the Great Lakes back to Asia, they could potentially wipe out the native Asian carp population. And that's not so unlikely, given how connected our world is. In fact, it's why we have an invasive species problem. And that's fish. Things like mosquitos and fruit flies, there's literally no way to contain them. They cross borders and oceans all the time.

OK, the other piece of bad news is that a gene drive might not stay confined to what we call the target species. That's because of gene flow, which is a fancy way of saying that neighboring species sometimes interbreed. If that happens, it's possible a gene drive could cross over, like Asian carp could infect some other kind of carp. That's not so bad if your drive just promotes a trait, like eye color. In fact, there's a decent chance that we'll see a wave of very weird fruit flies in the near future. But it could be a disaster if your drive is deigned to eliminate the species entirely.

The last worrisome thing is that the technology to do this, to genetically engineer an organism and include a gene drive, is something that basically any lab in the world can do. An undergraduate can do it. A talented high schooler with some equipment can do it.

Now, I'm guessing that this sounds terrifying.


Interestingly though, nearly every scientist I talk to seemed to think that gene drives were not actually that frightening or dangerous. Partly because they believe that scientists will be very cautious and responsible about using them.


So far, that's been true. But gene drives also have some actual limitations. So for one thing, they work only in sexually reproducing species. So thank goodness, they can't be used to engineer viruses or bacteria. Also, the trait spreads only with each successive generation. So changing or eliminating a population is practical only if that species has a fast reproductive cycle, like insects or maybe small vertebrates like mice or fish. In elephants or people, it would take centuries for a trait to spread widely enough to matter.

Also, even with CRISPR, it's not that easy to engineer a truly devastating trait. Say you wanted to make a fruit fly that feeds on ordinary fruit instead of rotting fruit, with the aim of sabotaging American agriculture. First, you'd have to figure out which genes control what the fly wants to eat, which is already a very long and complicated project. Then you'd have to alter those genes to change the fly's behavior to whatever you'd want it to be, which is an even longer and more complicated project. And it might not even work, because the genes that control behavior are complex. So if you're a terrorist and have to choose between starting a grueling basic research program that will require years of meticulous lab work and still might not pan out, or just blowing stuff up? You'll probably choose the later.

This is especially true because at least in theory, it should be pretty easy to build what's called a reversal drive. That's one that basically overwrites the change made by the first gene drive. So if you don't like the effects of a change, you can just release a second drive that will cancel it out, at least in theory.

OK, so where does this leave us? We now have the ability to change entire species at will. Should we? Are we gods now? I'm not sure I'd say that. But I would say this: first, some very smart people are even now debating how to regulate gene drives. At the same time, some other very smart people are working hard to create safeguards, like gene drives that self-regulate or peter out after a few generations. That's great. But this technology still requires a conversation. And given the nature of gene drives, that conversation has to be global. What if Kenya wants to use a drive but Tanzania doesn't? Who decides whether to release a gene drive that can fly?

I don't have the answer to that question. All we can do going forward, I think, is talk honestly about the risks and benefits and take responsibility for our choices. By that I mean, not just the choice to use a gene drive, but also the choice not to use one. Humans have a tendency to assume that the safest option is to preserve the status quo. But that's not always the case. Gene drives have risks, and those need to be discussed, but malaria exists now and kills 1,000 people a day. To combat it, we spray pesticides that do grave damage to other species, including amphibians and birds.

So when you hear about gene drives in the coming months, and trust me, you will be hearing about them, remember that. It can be frightening to act, but sometimes, not acting is worse.


これから遺伝子ドライブについて 話しますが まず簡単に 背景を説明しましょう 20年前 アンソニー・ジェームズという 生物学者が マラリアを媒介しない蚊を作る というアイデアに 取り付かれました

素晴らしいアイデアですが まったく成功しませんでした 1つには マラリア耐性のある 蚊を作るのが 極めて難しいためでしたが 最後には 彼はやってのけました ほんの数年前のことです ある遺伝子を組み込むことで マラリア原虫が蚊の体内で 生きられないようにしたのです

ただこれにより 別の問題が持ち上がりました マラリア耐性のある蚊は できましたが それをどうやって マラリアを媒介する蚊と置き換えるのか? いくつか選択肢があります プランAは基本的に その新しい 遺伝子組み換えの蚊を 大量に育てて 野に放ち その遺伝子が受け継がれることを 期待するというものです 問題は これが うまくいくためには 天然の蚊の10倍の数の蚊を 放つ必要があるということです だから1万匹の 蚊がいる村なら 10万匹の蚊を 放つことになります お分かりになると思いますが これは住人にはあまり 歓迎されないやり方でした


去年の1月 アンソニー・ジェームズは イーサン・ビアという生物学者から メールを受け取りました ビアと その院生の ヴァレンティノ・ギャンツは 特定の遺伝形質が 受け継がれるだけでなく 極めて速やかに 広まるようにできる ツールを見出したというのです それが本当なら ジェームズが 20年間取り組んで来た問題が 解決することになります

彼らは試しに マラリア耐性遺伝子と 遺伝子ドライブという新しいツールを 組み込んだ蚊を 2匹作ってみました 遺伝子ドライブについては 後ほど説明します それから彼らは マラリア耐性遺伝子を受け継いだ蚊の眼が 通常の白色ではなく 赤色になるように仕組みました これはどっちがどっちか 一目で分かるようにという便宜のためです

そのマラリア耐性のある 赤目の蚊2匹を 普通の白目の蚊30匹が入った箱に入れ 繁殖させました 2世代の後 孫が 3,800匹生まれました これは驚くところ ではありません 驚くのはここからです たった2匹の赤目の蚊と 30匹の白目の蚊でスタートしたら 子孫は ほとんどが白目になると 思うでしょう ところが ジェームズが 箱を開けてみると 3,800匹の蚊のすべてが 赤目だったのです

私がイーサン・ビアに この時のことを聞くと 彼はあまりに興奮して 電話の向こうで叫んでいたほどです というのも 赤目の蚊だけが できるというのは 生物学の基本中の基本である メンデル遺伝学に反しているからです 簡単に説明しますが メンデル遺伝学によると オスとメスが交尾すると 子供はそれぞれの親から DNAの半分を受け継ぎます 元の蚊がaa型で 新しい蚊が マラリア耐性遺伝子Bを持つ aB型だとすると 4種の順列に従った 子供ができます aa型 aB型 aa型 Ba型 しかし遺伝子ドライブを使うと すべてがaB型になったのです 生物学的には あり得ないはずですが

どうして そうなったのでしょう? 第1に CRISPRという 遺伝子編集ツールが 2012年に登場したことが挙げられます CRISPRについては 聞いたことのある人が多いと思うので ここでは簡単に CRISPRは 研究者が簡単に素早く正確に 遺伝子を編集できるツールだと言っておきましょう 元々バクテリアの中に存在していた メカニズムを利用していて 基本的には DNAを切り取るハサミとして機能するタンパク質と ゲノム上の好きな場所に ハサミを差し向けるための RNA分子からなっています 結果として得られるのは 遺伝子のワープロのようなものです 遺伝子をまるごと 取り出したり 埋め込んだりでき 遺伝子を1文字だけ 編集することさえできます しかも ほぼどんな種に 対しても使えます

遺伝子ドライブには元々2つの難問がある と言ったのを思い出してください 1つ目は マラリア耐性のある 蚊を作るのが 難しいということですが これはCRISPRのおかげで 基本的には解決しました もう1つは物流の問題です どうやって形質を 広めたらいいのか? 巧妙な方法が必要です

2年前 ハーバード大の生物学者 ケヴィン・エスヴェルトは 対象の新しい遺伝子だけでなく カット&ペーストの機構も CRISPRに埋め込ませたら どうなるだろうと考えました 言い換えると CRISPR に自分自身も コピー&ペーストさせるということです 止まることを知らない遺伝子編集マシンが できることでしょう そしてそれが まさに起きたことでした エスヴェルトの作った CRISPR遺伝子ドライブは 形質が受け継がれることを 保証するだけでなく 生殖細胞に使われると 新しい遺伝子を すべての子の両方の染色体に 自動的にコピーするんです 一括置換のようなものです 科学用語で言うなら ヘテロ接合形質のホモ接合化です

これが意味するのは どういうことでしょう? 1つには 非常に強力であるとともに 懸念を感じる新しいツールを 私たちは手に入れた ということです これまでのところ 遺伝子ドライブが そんなに上手く機能していないことに むしろ安堵を感じます 生物の遺伝子を いじりまわすと 通常 進化的な適応度は 下がることになります だから生物学者は 特に心配することなく 突然変異のショウジョウバエを作れます 何匹か逃げたところで 自然淘汰が後始末してくれます

遺伝子ドライブが 注目に値し 強力で 恐ろしくもあるのは それが もはや成り立たない ところです 与えた形質が 飛べない蚊のような 大きな進化的欠点を 持つのでない限り CRISPR遺伝子ドライブは その形質が 集団のすべての個体に行き渡るまで 容赦なく広まり続けます うまく働く遺伝子ドライブを作るのは 簡単ではありませんが ジェームズやエスヴェルトは 可能だと考えています

良い知らせは これが極めて素晴らしい ことへの扉を開くということです マラリアを運ぶ ハマダラカの ほんの1パーセントに マラリア耐性遺伝子ドライブを入れると 研究者の見積もりでは 1年で集団全体に広まることになります たった1年でマラリアを 撲滅できるかもしれないのです 実際的には そうできるまで 何年かかかるでしょうが 毎日千人もの子供が マラリアで死んでいるのを 1年でほとんど ゼロにできるのです 同じことが デング熱 チクングニア熱 黄熱にも言えます

もっとあります 侵略的外来種の排除 ― たとえば北米の五大湖から アジア産のコイを駆逐したいなら オスだけが生まれるようにする 遺伝子ドライブを 放てばいいだけです 数世代の後にはメスがいなくなり コイは消え失せます 理論的には それによって 絶滅の危機に追いやられていた 何百種という在来種が 回復するでしょう

それが良い知らせですが 悪い知らせもあります 遺伝子ドライブは 極めて効果が高く 誤って放ってしまうと 生物種全体を変えてしまう危険があります それもごく速やかに アンソニー・ジェームズは 十分な予防措置を取っていました 生物学的封じ込めを施した 実験室内で蚊を繁殖させ アメリカにはいない種を 使っていました だから逃げ出したとしても つがう相手がいなくて ただ死に絶えるだけです しかしオスだけを生む遺伝子ドライブを 持つアジア産のコイが 何かの手違いで10匹ほど 五大湖からアジアにもたらされたとしたら アジアの天然のコイを 払拭してしまうかもしれません 現在の繋がり合った世界では ありそうにないこととは言えません そもそも侵略的外来種の問題があるのも そのためなんですから 魚はまだ良いとして 蚊やショウジョウバエだと 閉じ込めようがありません 国境だろうと海だろうと 越えてしまいます

別の悪い知らせは 遺伝子ドライブが 標的種の中に留まるとは 限らないことです 遺伝子流動のためです 近縁の種は 異種交配することがあるということです そうなると遺伝子ドライブが 種を越えて広まるかもしれません アジア産のコイから 他の種のコイへというように 遺伝子ドライブが 目の色のような形質を 広めるだけなら まだいいでしょう 実際 近い将来 すごく奇妙なショウジョウバエの発生を 目にする可能性は 少なからずあります 遺伝子ドライブが 種を抹殺するようデザインされていたなら とんでもない災厄になりかねません

懸念すべき最後の点は 遺伝子組み換えして 遺伝子ドライブを組み込む技術というのは 基本的に世界のどの実験室でも できるようなものだということです 学部学生でもできるし 出来の良い高校生でも しかるべき設備があればできるでしょう

少し怖い気がしてきたんじゃ ないでしょうか


面白いことに 私が話した科学者のほとんどは 遺伝子ドライブが 怖いとも 危険だとも 思っていないようでした ある部分では 彼らが科学者なら 責任をもって 注意深くやるはずだと信じているためです


これまでのところは 裏切られていません しかしまた 遺伝子ドライブには 制限もあります 1つには 有性生殖を行う種にしか 使えないということがあります だから ありがたいことに ウイルスやバクテリアを作るのには使えません また形質は 世代ごとにしか 広まりません 種全体を変えたり 抹殺したりといったことは 生殖周期がごく短い種でしか 実際には起きないでしょう 昆虫とか ネズミや魚のような小型脊椎動物などです ゾウや人間では 問題になるほど形質が広まるには 何世紀もかかるでしょう

また CRISPRを使おうと 本当に壊滅的な 形質を作り出すのは たやすくありません たとえばアメリカの農業に 打撃を与えるために 腐った果物でなく 普通の果物を食べる ショウジョウバエを 作ろうと思ったとします まず ハエが食べたいものを制御する 遺伝子を特定する 必要があります これだけでもかなり長期の 難しいプロジェクトになるでしょう それからハエの行動を変えるために その遺伝子を変更する必要がありますが これは さらに長期の 難しいプロジェクトになるでしょう それに うまくいかない 可能性もあります 行動を制御する遺伝子は 複雑なためです だからもしテロリストが 失敗する可能性のある 何年もかかる細心の 基礎研究に着手するか 単に爆弾で吹き飛ばすかを 選ぶとしたら たぶん後者を選ぶでしょう

ことに「リバーサル・ドライブ」と 呼ばれるものを作るのが 理論的には ごく簡単であることを 考えると なおさらです リバーサル・ドライブは 遺伝子ドライブの 引き起こした変化を上書きします だから遺伝子ドライブによる変化が 気に入らなければ それをなかったことにする 第2のドライブを放てばいいだけです 少なくとも理論的には

私たちは どういう地点に いるのでしょう? 今や私たちは種を丸ごと 変えてしまう力を手に入れました それはすべきことなのでしょうか? 我々は神になったのか? それは分かりませんが こうは言えます 第1に 非常に賢明な人々が 今も遺伝子ドライブを どう規制するか議論しています 同時に 他の非常に賢明な人々が 遺伝子ドライブが自主規制したり 数世代で減少に転じ消滅するといった 保護策を作ろうと取り組んでいます これは素晴らしいことです それでも この技術については 対話が必要です 遺伝子ドライブの 性質を考えれば この対話は世界的なもので ある必要があります ケニアは使いたいけど タンザニアは使いたくなかったとしたら? 空を飛べる遺伝子ドライブを放つ判断は 誰が下すのでしょう?

私はこの問への答えを 持ち合わせていません 今 私たちに進める道は リスクと利益について 率直に話し合い 自らの選択に 責任を持つことでしょう この選択には 遺伝子ドライブを 使うという選択だけでなく 使わないという 選択もあります 人は 現状維持が 最も安全な選択だと 思う傾向があります しかし そうとは限りません 遺伝子ドライブにはリスクがあり 議論が必要ですが 一方で マラリアは現に存在し 毎日千人 殺し続けています それに対して 殺虫剤散布で対処するのは 両生類や鳥類を含む他の種に 多大なダメージを及ぼします

だからこの先何ヶ月かの間に 遺伝子ドライブについて耳にしたら ― きっと耳にすることに なると思いますが そのことを 思い出してください 行動するのは 怖いかもしれませんが 行動しない方が悪い結果に なることも多いのです


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