東京大学大学院理学系研究科の西増 弘志助教、濡木 理教授、金沢大学新学術創成研究機構の柴田 幹大准教授、金沢大学理工研究域バイオAFM先端研究センターの古寺 哲幸准教授、安藤 敏夫特任教授、名古屋大学大学院理学研究科の内橋 貴之教授らの研究グループが成功。
近年、生命の設計図であるゲノム情報（DNAの塩基配列）を書き換える「ゲノム編集」技術が注目されている。その1つである「CRISPR-Cas9（clustered regularly interspaced short palindromic repeats／CRISPR associated proteins）」を利用することで、より効率的なゲノム編集が可能になった。CRISPR-Cas9は微生物が持つ獲得免疫機構の1つであり、Cas9はガイドRNAと結合し、ガイドRNAの一部（20塩基のガイド配列）と相補的なDNAを選択的に切断する。
Cas9はガイドRNAと結合し、ガイドRNAの一部（ガイド配列）と相補的なDNAを選択的に切断する働きを持つ。Cas9はDNAを切る「ハサミ」として働く一方、ガイドRNAは「案内役」としてCas9を標的となるDNAへと導くという。
今回、研究グループは高速AFMを用いることで、CRISPR-Cas9が働く一連の様子を動画撮影することに成功した。高速AFMは、金沢大学が世界に先駆けて開発してきた顕微鏡技術で、水溶液中の生体分子をナノメートル（10億分の1メートル）の空間分解能で、リアルタイムに撮影することができる。高速AFMを用いて、これまでに様々なタンパク質や生きた細胞のダイナミックな動きが明らかにされてきた。そこで、結晶構造から明らかになっている「スナップショット」に加え、水溶液中での「ダイナミクス」を明らかにすることで、CRISPR-Cas9の働く仕組みの深い理解を目指して研究を行った。
まず、高速AFMを用いてCas9単体を観察したところ、Cas9単体の柔軟な構造はRNAとの結合に重要であること、RNAはCas9の立体構造の安定化に貢献していることが示唆された。次に、標的配列を1つだけ含むDNAとCas9-RNA複合体を混合し高速AFM観察をしたところ、Cas9-RNA複合体はDNAと衝突を繰り返すことで標的配列を見つけ出し、安定に結合する様子が明らかになった。さらに、DNAに結合したCas9-RNA複合体を詳細に観察すると、DNAを切断する「ハサミ」としてはたらく部分（HNHドメイン）が大きく揺らいだ構造を取ることが分かった。
また、研究グループは、Cas9-RNA-DNA複合体を高速AFM観察している間に、切断反応に必要なマグネシウムイオンを添加したところ、HNHドメインがDNAの切断部位に移動したのち、切断されたDNAがCas9から離れる様子を撮影することに成功した。これまでも生化学的解析や結晶構造解析、蛍光プローブを用いた1分子観察の結果から、DNA切断の際にHNHドメインが動くことが示唆されていたが、どのように動くのかは不明だった。研究グループによると、今回の高速AFM動画はCas9の「ハサミ」の動きをリアルスペースかつリアルタイムで可視化した画期的な研究成果だと説明する。
Cas9単体、Cas9-RNA複合体、Cas9-RNA複合体によるDNAの探索と切断といった一連の過程を撮影した高速AFM動画から、CRISPR-Cas9によるDNA切断のダイナミクスが明らかになった。今回の研究により得られた動的な構造情報は、より高効率・高精度なゲノム編集ツールの開発基盤となることが期待される。