相同組換え

ヒト化モデル、ノックインモデル、およびコンディショナル モデル向けの遺伝子ターゲティング技術

相同組換えとは、2つの類似または同一のDNA分子間でヌクレオチド配列が交換される遺伝的組換えのことである。

この手法は、マウスの遺伝学研究で広く用いられている。「遺伝子ターゲティング」とも呼ばれるこの手法を用いると、元の遺伝子とは異なる遺伝子を組み込むことで、特定の遺伝子のコピーを特異的に置換することができる。

治療上の観点から注目されているのは、胚性幹細胞を用いて人工的な遺伝物質を導入し、標的となるマウスの遺伝子を不活性化させることで、ノックアウトマウスを作出することである。

さらに、この技術により、特定の変異、レポーター、あるいはヒト遺伝子配列を内因性遺伝子座に堅牢かつ効率的にノックインすることが可能となり、正確かつ生理学的により関連性の高いヒト疾患モデルの構築につながります。

こうしたモデルは、ターゲットの検証からADMET試験に至るまでの活動にわたり、研究実験や創薬プログラムに大きな影響を与えています。

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相同組換えを用いた代表的なマウスモデルの作製

化合物試験用ヒト化細胞膜受容体

GPCR、サイトカイン受容体、Ig受容体（FcR）、リガンド依存性陰イオンチャネル、電圧依存性ナトリウムチャネルなどの細胞膜受容体は、重要な創薬ターゲットです。マウスのタンパク質をヒトのホモログに置き換えることで、有効性を確保できるほか、予測可能性と精度を高めた親和性試験の実施が可能になります。
genOwayは、受容体のヒューマナイズ化において豊富な実績（100以上のモデルを成功裏に作成）を有しており、転写、翻訳、発現が効率的かつヒトの状況を忠実に再現されることを保証しています。
細胞膜受容体のヒューマナイズマウスモデルは、創薬プログラムに提供する価値を実証しており、「ヒューマナイズ＆ノックイン技術」は、その目標を達成するための鍵となる技術です。

Case study: Humanization of the cell membrane receptor CCR2 (also called CD192) for in vivo testing of small molecule specificity and efficacy.

Adapted from Prosser et al, DDR 2002, Targeted Replacement of Rodent CCR2 With the Human Orthologue CCR2B: A Mouse Model for In Vivo Analysis of Human Target-Selective Small Molecule MCP-1 Receptor Antagonists.

ヒトのCCR2は機能している

ヒトのCCR2遺伝子は、ヒト化動物において発現し、機能しており、不活性化されたマウス由来のCCR2に取って代わっている。

mRNAを用いた発現解析が行われた（データ未掲載）。
機能性：チオグリコール酸の腹腔内投与に対して、正常な炎症反応が認められた（データ未掲載）。

ヒト化CCR2モデルは、極めて有用なスクリーニングツールである

ヒト選択的CCR2拮抗薬の活性は、野生型モデルよりもヒト化CCR2モデルにおいて、より正確に予測・再現される。

CCR2ノックインマウスの腹腔細胞における日本脳炎ウイルス（JE）刺激による走化性を阻害するSB-399721の効力は（IC50 = 820 ± 83 nM）、同腹の野生型マウスの腹腔細胞における効力（IC50 = 5,500 ± 900 nM）に比べて約7倍高かった。

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Humanized cell membrane molecules for in vivo evaluation of antibodies and biologics

The exponential development of monoclonal antibody and biologics has paved the way for innovative therapies. In vivo evaluation of monoclonal antibodies requires new types of animal models. Because of their high specificity, monoclonal antibodies cannot be properly evaluated on mouse proteins. Evaluation can only occur in a humanized animal model where the antibody will bind to the human antigen. Most of the time, it is required that after humanization the transduction pathway stays functional, which means that the human antigen be able to functionally substitute for the mouse homolog. Availability of a humanized model has become a compulsory step for the evaluation of monoclonal antibodies and biologics. Relying on its experience in humanized models (more than 250 models successfully created), genOway is recognized for its excellence in the development of humanized models for biologics testing.

Case study: Humanization of CTLA-4 (Cytotoxic T-lymphocyte antigen) for in vivo testing of monoclonal antibodies specificity and efficacy.

CD80およびCD86に対する高親和性受容体であるCTLA-4は、T細胞の活性化を抑制することができる。CTLA-4を阻害すると、抗腫瘍免疫が促進されることが示されている。

Luteら（Blood 2005）を基に改変。ヒトCTLA-4ノックインマウスを用いて、抗CTLA-4抗体によって誘導される腫瘍免疫と自己免疫との間の定量的関連性が解明された。

ヒトのCTLA-4遺伝子が発現している

ヒトのCTLA-4遺伝子は、不活性化されたマウス由来のCTLA-4遺伝子に取って代わり、ヒト化動物において発現する。

発現解析は、刺激を受けていないCD4陽性脾細胞を用いて、FACSにより実施した。

ヒトのCTLA-4遺伝子は機能している

ヒトのCTLA-4遺伝子は、マウス由来のCTLA-4遺伝子の機能的代替となる。

ヒト化CTLA-4マウスにおけるリンパ器官の正常な発達。

ヒト化CTLA-4モデルは、極めて有用なスクリーニングツールである

ヒト化CTLA-4マウスにおいて、同一の親和性および同位体を有する抗CTLA-4抗体間の治療効果を確実に区別すること。

抗体3を投与した群では、9匹のマウスのうち2匹で腫瘍の完全消失が認められたほか、腫瘍の増殖遅延も観察された（データ未掲載）。

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ヒト化可溶性分子（免疫グロブリン、輸送タンパク質、インターロイキン、ホルモン）

分泌型タンパク質は、生物医学研究において重要なターゲットおよびバイオマーカーです。これらの可溶性分子をヒト化することで、非常に価値のある研究モデルが得られます。例えば、以下のようなヒト化が挙げられます：

• Immunoglobulin genes for the in vivo development of chimeric and fully human antibodies.
• アルブミンなどの輸送タンパク質を用いて、血液による輸送が化合物の半減期や活性に及ぼす影響を調べる。
• Interleukins and hormones for in vivo studies of NCE or antibodies targeting these soluble molecules.

ヒト化モデルは、特定のヒト抗体アイソタイプに対して耐性を持つモデルを生成し、マウスでの試験において治療用抗体に対するマウスの免疫反応を回避するためにも利用できます。

Case study: Generation of humanized IgG1 model for in vivo assessment of therapeutic humanized IgG1 efficacy and the toxicity.

ジェノウェイではマウス系統を取り扱っております。詳細については、弊社までお問い合わせください。

IgG1免疫グロブリンの軽鎖および重鎖の両方の定常領域は、ヒト化された（赤枠部分）。

可変領域はマウス由来である。

ヒト化IgG1モデルは、抗体の開発および試験において完全に機能する

刺激を受けると、ヒト化IgG1マウスはヒトIgG1を産生するが、マウスIgG1は産生しない。その他のアイソタイプの発現には変化がない。これらのマウスはヒトIgG1に対して耐性を示す。

KLHによる刺激後、ELISA法を用いて体液性免疫応答を評価した。マウスIgG1免疫グロブリンは発現していない。ヒトIgG1は標準レベルで検出された。

このモデルでは、IgM、IgD、IgG3、Ig2a、Ig2b、IgE、IgAを含む、その他のすべてのマウス同位体を産生している（データは示されていない）。

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バイオマーカーの発現モニタリング

バイオマーカーは、生理学的研究において重要なツールとなっています。バイオマーカーにより、以下のことが可能になります：

• 応答カスケードにおける初期事象の検出。
• 生理的反応の定量化。

ノックインモデルは、バイオマーカーの発現をモニタリングするための有用なツールを提供することを目的として設計することができます。このアプローチでは、バイオマーカーと同時にレポーターマーカーが発現されます。バイオマーカーの生物学的活性への干渉を避けるため、genOway社は自社のIRES技術とヒューマナイゼーション・ノックイン技術を組み合わせ、バイシストロン発現を実現しています。これにより、レポーターの発現によってバイオマーカーの発現が影響を受けることがありません。

これにより、その機能ネットワークに干渉することなく、バイオマーカーの発現を効率的かつ容易にモニタリングすることが可能となる。このアプローチは、正常な生理的条件下だけでなく、さらに興味深いことに、病態下、特別な食事療法下、ストレス状態下などにおいても、より信頼性が高く価値のある情報を提供してくれる。

こうしたモデルは、免疫応答を誘導する化合物の評価、防御免疫応答の検出、およびエフェクター機能（細胞傷害性、抗腫瘍性、ヘルパー細胞、抑制細胞）の検出のために開発されてきた。

事例研究：IL-4の発現モニタリング。

ジェノウェイではマウス系統を取り扱っております。詳細については、弊社までお問い合わせください。

Adapted from Mohrs et al. Immunity 2001. Analysis of type 2 immunity in vivo with a bicistronic IL4 reporter.

IL-4は、ナイーブTh細胞をTh2細胞へと分化させ、免疫応答を体液性エフェクター応答へと誘導する。IL-4は、依然としてTh2細胞の代表的なマーカーである。

レポーター遺伝子の発現は、IL4の発現に干渉しない。

IL-4遺伝子の発現モニタリングは、レポーター遺伝子を3'UTRに挿入することで行われます（IRES技術によるバイシストロニック発現）。レポーターの発現量は、IL-4遺伝子の発現量に比例します。

IL-4発現の信頼性が高く高感度のモニタリング

このレポーターはIL4を発現する細胞でのみ検出されるため、IL4の発現を確実に検出・モニタリングすることが可能となる。

GFPの発現はIL-4の発現と相関しており、第2型エフェクター免疫の初期段階の経過をモニタリングすることを可能にする。これは、活性化された脾細胞に対するFACS解析によって確認された。
あらゆる培養条件で細胞分裂（活性化）が誘導されるものの、GFP陽性細胞はTh2分極誘導培養条件下でのみ検出される。 さらに、GFPは培養開始後わずか36時間という早い段階から、また細胞分裂（40～45時間）に先立って検出される。

未修飾IL-4活性を用いたモニタリング

GFPレポーターマウスでは、IL-4の生物学的機能およびエフェクター機能が維持されている。GFPの発現により、IL-4の応答を確実にモニタリングすることができる。

さまざまな臓器から分離したばかりの細胞に対するFACS解析。

Nocardia brasiliensis に対する防御反応は Th2 によって媒介される。効率的な Th2 プライミングにより、10 日以内に寄生虫が排出される。肺、腸間膜リンパ節（MLN）、末梢リンパ節（PLN）、および脾細胞における CD4 陽性細胞のプライミングを解析した。IL-4 産生細胞の出現は、寄生虫の移動経路と一致しており、GFP の存在が防御的な Th2 免疫に影響を与えないことを示している。

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オフターゲット効果のモニタリング

異物（ゼノバイオティクス）は、標的遺伝子の発現や機能を直接的または間接的に調節する可能性があります。こうした非特異的活性を特定し、定量化することは、ADMET試験（例：SXRによるCYP450 3Aファミリーの調節）と同様に、ほとんどの創薬プログラムにおいて重要なステップとなります。

遺伝子改変動物モデルは、非特異的効果の予測や測定に役立つ：

• 動物モデルにおいてこれらの標的遺伝子をヒト化することで、非特異的活性をより予測可能に検出できるようになる。
• バイオマーカーの遺伝子座にレポーターを挿入することで、バイオマーカーの発現誘導や抑制を測定することができる。

事例研究：ヒト化CAR（構成型アンドロスタン受容体）マウスを用いることで、野生型（WT）マウスよりも予測性の高いDMPK研究が可能となる。

Scheerら（J Clin Invest 2008）を基に作成。薬剤反応におけるヒトプレグナンX受容体および構成型アンドロスタン受容体の役割を評価するための新規マウスモデル群。

CARは、薬物代謝の転写調節に関与している。

ヒト化CARモデルは、DMPK研究においてより有用なツールである

CITCOは、ヒト化マウスにおいてhuCARを活性化する、種特異的なCAR誘導剤である。

これは、マウスを用いた環境において、ヒトのみに見られる反応を再現するものである。

CITCO処理を受けた野生型（WT）およびhuCARマウスにおけるミダゾラムおよびブプロピオンの薬物動態。

ヒト化マウスにおける薬剤のクリアランスの増加。

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細胞の移動に関する標識

この「Knockin」技術は、任意の細胞特異的遺伝子にレポーターを挿入することを目的としており、これによりレポーターの発現を厳密に制御し、結果として信頼性の高い細胞標識を実現します。

遺伝子組み換えモデルは、以下の目的で開発されてきた：

• 対象とする細胞系統に特異的な1つのバイオマーカーを用いて、その細胞系統を標識する。
• 特定のバイオマーカーの発現によって定義される、単一細胞系統の1つのサブ集団、すなわち活性化細胞にラベルを付ける。

事例研究 1：Sox9-eGFP ノックインモデルを用いることで、発育中の精巣におけるセルトリ細胞・生殖細胞塊の発生段階ごとの変化を追跡することができる。

Nel-Themaat ら（Dev Dyn 2009）の論文「Sox9-EGFPマウスにおける精索形成の形態計測学的解析」を基に作成。

標識された細胞により、物質輸送の研究が可能になる

E11.5からE12.5にかけて、精巣の厚みが増し、分化の最初の兆候が現れる。

セルトリ細胞・生殖細胞塊の小さな突起の形成。

組織塊内に、はっきりと区別できる非蛍光領域が認められる。

事例研究 2：ヘマグルチニン（HA）エピトープタグが付加されたドーパミン輸送体（DAT）を発現するノックインマウスを用いることで、内因性輸送体の輸送経路を研究することができる。

Raoら（FASEB J 2012）を改変。エピトープタグ付きドーパミン輸送体ノックインマウスにより、ドーパミン作動性軸索における同輸送体の急速なエンドサイトーシスによる輸送およびフィロポディアへの局在化が明らかになった。

標識された小胞による輸送研究

ドーパミン（DA）ニューロンの軸索におけるDATの局在。軸索突起の一部。

細胞内のHA-DAT小胞は、急速な双方向の移動を示した。赤い矢印は逆行方向に移動する小胞を示し、緑色の矢印は順行方向に移動する小胞を示している。時間（秒）が示されている。

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トランスレーショナル・メディシンにおけるモデル：ヒトの疾患を再現する――自殺遺伝子を用いた細胞除去

細胞除去技術を用いることで、生物から対象とする特定の細胞種を必要に応じて除去することが可能になります。細胞除去は強力な研究ツールであり、主に以下の2つの用途があります：

• The mimicry of human diseases or drug side effects. Depleting cell populations in vivo can reliably mimic such physio-pathologies (hepatitis, neurodegenerative diseases, etc.).
• 異種移植の効率向上。また、受容臓器／生体から内因性細胞を部分的または完全に除去することも有用である可能性がある。

この目的のために、ヒューマナイゼーション・ノックイン技術を用いて自殺遺伝子を標的とし、除去対象となる細胞タイプでのみ発現するようにします。この段階では、自殺遺伝子は細胞に何の影響も及ぼしません。使用された自殺遺伝子に特異的な薬剤が動物に投与されると、自殺遺伝子がその薬剤を代謝して有毒な代謝物を生成し、その結果、自殺遺伝子を発現している細胞が死滅します（ただし、その薬剤に反応しない他の細胞は死滅しません）。

事例研究：ジフテリア毒素による細胞ノックアウト。

Adapted from Wu et al. Development 2006. Motoneurons and oligodendrocytes are sequentially generated from neural stem cells but do not appear to share common lineage-restricted progenitors in vivo.

標的細胞集団が死滅する

Olig1+細胞においてジフテリア毒素（DT）を発現するマウス胚（Olig1-DTA）では、運動ニューロンが認められない。

I、J、M、N）野生型マウスの脳切片。運動ニューロンが正常に存在していることが確認できる。

K、L、O、P）DT（Olig1-DTA）を発現するトランスジェニックマウスでは、運動ニューロンが大部分欠如している。

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トランスレーショナル・メディシンにおけるモデル：ヒトの疾患を再現する ― 疾患原因遺伝子の組織特異的および／または時間特異的な発現

一部の疾患モデルでは、特定の細胞集団（炎症、神経変性疾患など）において、あるいは明確に定義された時間枠内で、疾患の原因となる遺伝子の過剰発現が必要となります。こうしたマウスモデルにより、科学者は病態の発症過程を研究し、化合物の有効性を評価することが可能になります。

この目的のために、許容性のある遺伝子座（「セーフハーバー」）または標的遺伝子の遺伝子座のいずれかを利用し、ヒューマナイゼーションおよびノックイン技術を用いてマウスモデルを作製することが可能である。

事例研究：誘導性疾患原因遺伝子の過剰発現により、白血病が発症し、マウスが死亡した。

Carofinoら（Dis Model Mech 2013）を基に改変。Prdm14の誘導性過剰発現を特徴とするマウスモデルでは、急速に発症し、浸透率の高いT細胞急性リンパ芽球性白血病（T-ALL）が生じる。

モデルが人間の疾患を再現

Prdm14遺伝子を過剰発現させたマウスは、ヒトの疾患（急性リンパ性白血病）を効率的に再現し、ヒトの表現型を再現している。

誘導後、マウスでは胸腺や脾臓（矢印）だけでなく、腎臓、肝臓、リンパ節も肥大していた（データは示されていない）。

導入後、マウスでは急性リンパ性白血病が発症し、極めて急速に死亡に至った。

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トランスレーショナル・メディシンに向けたモデル：ヒトの疾患を再現する――ヒトの変異遺伝子を導入したヒト化

ゲノム研究は、変異の存在と病態（発症、進行、致死性など）との間に統計的な相関関係を示すものであり、因果関係の証拠を示すものではない。野生型マウスの遺伝子が（マウスまたはヒト由来の）変異型に置換されたマウスモデルを作成することで、疾患における変異の役割、ひいては疾患の病因や進行メカニズムの解明が可能となる。

事例研究：マウスにおけるヒト疾患の誘導 ― パジェット病様疾患。

Daroszewskaら（Hum Mol Genet 2011）を基に改変。SQSMT1のユビキチン関連ドメインにおける点変異は、マウスにおいてパジェット病様疾患を引き起こすのに十分である。

モデルがヒトの疾患を再現する

ヒトの点変異P394Lを有するマウスは、パジェット病に類似した疾患を発症する。

P394L変異マウスおよび野生型（WT）マウスの長管骨に対するマイクロCT解析。変異マウスでは、皮質骨を貫通する複数の限局性骨溶解病変が認められる（矢印）。

第5腰椎の軸方向マイクロCT画像。

(N) 正常な形態および小柱構造を示すWTマウス。

(O) 椎体の大部分が骨硬化性病変に置き換わっているP394L+/+マウス。

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組織特異的なトランスジーンの発現

トランスジーン（CreまたはFlpリコンビナーゼ、レポーター遺伝子、セーフハーバー、標的遺伝子など）の具体的なパターンおよび発現レベルは、関連するトランスジェニックモデルにおける重要なパラメータである。

トランスジーンを「ノッキングイン」すること、すなわちゲノムの特定のあらかじめ決められた位置への挿入を標的とすることで、その発現を最適に制御することが可能となる。マウスの完全な内因性プロモーター（エンハンサーや、キロ塩基離れた位置にあるリプレッサーを含む、すべての調節要素が存在するもの）が、トランスジーンの発現制御を担うことになる。

このKnockin技術は、トランスジーンの発現パターンとその発現レベルを特定できることから、組織特異的発現におけるゴールドスタンダード技術となっています。これまでに、以下のような多くの種類のモデルが作成されています：

• CreおよびFlpリコンビナーゼの組織特異的発現（⤏部位特異的組換えも参照）
• 蛍光タンパク質などのレポーター遺伝子を用いた遺伝子発現のモニタリング（⤏レポーターマウスや細胞株も参照）
• Rosa26やHprt遺伝子座などのセーフハーバーへのトランスジーンの導入（⤏ 「クイックノックインマウス」または「細胞株」も参照）
• 対象遺伝子のヒト化（⤏ ヒト化ノックインマウスモデルも参照）

事例研究 1：タモキシフェン誘導型 Cre マウスにおける腸管幹細胞の再増殖動態。

Adapted from Sangiorgi et al. Nat Genet 2008. Bmi1 is expressed in vivo in intestinal stem cells.

対象サブ集団で得られた発現

Bmi1+を発現するCre+細胞が、小腸の陰窩を再構築する。

Bmi1+細胞系において、Cre機能が検出された（lacZ染色）。

再増殖は、タモキシフェン注射の2日目（a）から始まる。最初に完全に標識されたクリプトが確認できるのは17日目（i）である。

事例研究 2：ニューロンおよびオリゴデンドロサイトにおける Cre リコンビナーゼ特異的発現。

Battisteら（Development 2007）を改変。Ascl1は、脊髄において順次生成される、特定の系譜に限定された神経前駆細胞およびオリゴデンドロサイト前駆細胞を規定する。

標的細胞系統で得られた発現

Ascl1を発現するCre+細胞は、ニューロンおよびオリゴデンドロサイトへと分化します。

発達中の交感神経細胞において、Cre機能が検出された（lacZ染色）。

E10.5の段階では発現は始まったばかりですが、E11.5の段階でははっきりと確認できます。

事例研究 3：唾液腺におけるCreリコンビナーゼの特異的発現。

Bullardら（Dev Biol 2008）を改変。Ascl3の発現は、マウスの唾液腺における腺房細胞および導管細胞の両方の前駆細胞集団を特徴づける。

バイオマーカーを発現する細胞で得られた発現

Creリコンビナーゼの発現は、内因性Ascl3の発現を再現する。

矢印は、顎下腺のダクト細胞を示しており、その中のAscl3を発現するCre+細胞は、Creリコンビナーゼに対する抗体を用いて赤色で標識されている。

Ac：腺房細胞；Du：導管細胞。

ターゲットの検証およびノックアウトモデル：遺伝子発現パターンのモニタリング機能を備えた恒常的ノックアウトモデル

このKnockin技術を用いると、導入されたレポーター遺伝子が、対象遺伝子の発現パターンを明らかにします。通常の生理的条件下での発現情報は有用ですが、さらに興味深いことに、このモデルを用いることで、病態下や特別な食事、ストレス下などにおける発現を、確実かつ簡便にモニタリングすることが可能になります。

事例研究：肥満の標的としてのMCT1の検証を目的としたMCT1ノックアウト／LacZノックインモデルの作製。

Lengacherらによる論文（PLoS One 2013、「モノカルボキシレート輸送体1のヘテロ欠損マウスにおける食事誘発性肥満および関連する代謝異常に対する抵抗性」）を基に作成。

^{MCT1+/-マウスは}、食事誘発性肥満に対して抵抗性を示す。

通常の飼料を与えた条件下では、MCT1^+/-マウスと ^MCT1+/+マウスはほとんど見分けがつかない。

高脂肪食を与えられた^{MCT1+/+マウスは}、体重が著しく増加し、肥満となった。

対照的に、同じ餌を与えられた^{MCT1+/-マウスは}痩せた状態を維持した。

標的遺伝子の発現の効率的なモニタリング

LacZノックインにより、遺伝子発現のモニタリングが可能となる。

LacZは内因性のMCT1プロモーターの制御下で発現し、その発現からMCT1の発現パターンに関する知見が得られる。

ターゲットの検証およびノックアウトモデル：遺伝子欠損の有効性をモニタリングするコンディショナル モデル

組織特異的あるいは誘導可能なコンディショナル モデルは、現在、遺伝子機能の研究やターゲットの検証において日常的に用いられている。コンディショナル （対象組織のどの程度の細胞において、両方の対立遺伝子が欠失しているか）は、モデルの品質と信頼性を判断する上で重要なパラメータである。この有効性をモニタリングし、モデルの信頼性を検証するために、科学者たちは現在、この技術を用いて、欠失が発生した際に発現が誘導されるレポーター遺伝子を、対象となる遺伝子座に導入している。 レポーター遺伝子の発現を測定することで、組織内または細胞レベルで得られた欠失の程度を定量化し、どの細胞がノックアウトされ、どの細胞がノックアウトされていないかを明らかにします。この技術は、コンディショナル 有効性を検証する手段を提供することで、標的の検証に役立つ信頼性が高く価値のあるコンディショナル 構築を可能にします。

Case study: Tracking of Knockout cells in vivo when no good antibody is available.

Schnütgenら、Nat Biotechnol 2003、「マウスにおいて細胞レベルでCreを介した組換えをモニタリングするための方向性のある戦略」を基に改変。

不活性化された遺伝子の効率的なモニタリング

Creを介した対象遺伝子（レチノイン酸受容体γ）の欠失のモニタリング。

誘導前には、染色は認められなかった（上）。

誘導後、Rarγを発現する細胞においてレポーター活性が検出された（下図）。