遺伝子制御の基盤となる新しい規則を発見
本研究では、ヒストンH2Aを利用した高精度化学マッピング法を開発し、酵母ゲノム全体における「完全に巻き付いたヌクレオソーム」の位置を塩基対解像度で解析しました。その結果、ヌクレオソームの中心付近の特定の位置に、G・C塩基対の連続する配列（CCやGG）はほとんど存在しないことを見出し、それがヌクレオソームの位置を決定する新しいメカニズムの基盤となることを実証しました。本成果は、遺伝子発現制御の仕組みの理解を促進し、エピジェネティックな多様性とヒト疾患の解明につながると期待されます。
本研究結果は、国際学術誌 Genome Researchに掲載されました。
■本研究におけるポイント― DNA配列によるヌクレオソーム配置決定の新規則を発見
- DNAが完全に巻き付いたヌクレオソームをゲノムワイドに高解像度で検出する技術を開発
- ヌクレオソーム構造の中心付近にG・C塩基対が連続して存在しないことを発見
- このG・C塩基対連続はヌクレオソームの配置を不安定化することを実証
■研究の背景― DNA配列とヌクレオソーム配置との関係解明に向けた課題
DNAがヒストンタンパク質に巻き付いたヌクレオソームは、ヒトを含む真核生物の遺伝子発現を制御する基盤構造体です。ヌクレオソームに含まれるヒストンタンパク質の翻訳後修飾や、ヌクレオソームの配置変化による調節DNA配列の露出と遮蔽は、遺伝子の発現に深く関わっています。
これまでの研究によると、ヒストンタンパク質の種類やDNAの巻付きの程度には多様性があり、細胞内のヌクレオソームはダイナミックに制御されると考えられています。こうしたヌクレオソームの振る舞いを理解するためには、塩基対レベルの解像度で厳密にヌクレオソームの配置を細胞内で検出する必要があります。しかし、従来の方法は、DNAの塩基配列が偏ったヌクレオソームを優先的に検出してしまい、塩基配列の影響を受けずにヌクレオソームを調べることは難しいという問題がありました。
■研究内容と成果― クロマチン構造形成におけるDNA配列の役割を明確化
本研究では、モデル生物として出芽酵母を用いて、ゲノムDNA上のヌクレオソームの配置を把握する化学的マッピング法の新手法を確立しました。化学的マッピング法は、ヌクレオソーム構造の局所で発生させたラジカルによりDNAを切断する方法です。ヒストンH4やH3を用いる従来法ではヌクレオソーム内部のDNAを切断しますが、今回開発した方法ではヌクレオソームDNAの末端でのヒストンH2Aの接触を利用して切断します。
今回、出芽酵母ゲノム上で検出した66,434個のヌクレオソームを解析した結果、ヌクレオソーム中央から±9～11塩基対の部位では、G・C塩基対の連続する配列（CCやGG）はほとんど存在しないことが判明しました。細胞内で回避されるCCやGGを人工的に導入したヌクレオソームを試験管内で作製すると、ヌクレオソームがDNAに沿って移動しやすくなることがわかりました。ヌクレソームの局所におけるG・Cの連続配列の回避は、出芽酵母だけでなく分裂酵母やマウスにも共通しており、進化的に保存された特徴であることが示されました。
以上のことから、G・Cの連続配列はヌクレオソームの局所において極端に嫌われるため、ゲノムにおけるヌクレオソームの位置決定に強く影響を及ぼすことが明らかになりました。
■研究の意義―エピジェネティクス異常や疾患理解への応用に期待
本研究の成果は、真核生物に普遍的な遺伝子制御機構であるエピジェネティクスの基盤となり、ヒト疾患における遺伝子発現の乱れやエピジェネティクス異常の理解につながり、ゲノム創薬研究に貢献することが期待されます。また、農水産物の品種改良等にもつながると考えられます。
■論文情報
- 論文タイトル：Locations of consecutive G•C base-pairs direct genomic nucleosome positioning
- 掲載誌：Genome Research (Cold Spring Harbor Laboratory Press)
- 公開日：6月26日午前3時JST（6月25日午後2時EDT）
- DOI：10.1101/gr.281372.125
■研究者コメント（明星大学理工学部教授 清水 光弘、島根大学医学部教授 加藤太陽）
「DNAのわずか数塩基の違いがゲノム上でのヌクレオソームの位置を支配する、ゲノムに埋め込まれた基本原理を見出しました。本研究は、ゲノムにおいて遺伝子がどのように制御されて読み取られるのかを理解する重要な手がかりになると考えています。」
■用語解説
- ヌクレオソーム：DNAがヒストンタンパク質に巻き付いた構造で、遺伝子制御の基本単位
- エピジェネティクス：DNA配列を変えずに遺伝子の働きを制御する仕組み
■研究内容に関する問い合わせ先
明星大学 理工学部 教授 清水 光弘
TEL：042-591-7483 E-mail：shimizum@chem.meisei-u.ac.jp
島根大学 医学部 教授 加藤太陽
TEL：0853-88-3100 E-mail：hkato@med.shimane-u.ac.jp
本件に関するお問い合わせ先
明星大学アドミッションセンター 学生募集・広報チーム（担当：手塚）
TEL：042-591-5670（平日：9時～12時30分、13時30分～17時） Mail：koho@meisei-u.ac.jp
島根大学 医学部 総務課 企画調査係 広報担当（担当：勝部）
TEL：0853-20-2531 Mail：mga-koho@office.shimane-u.ac.jp