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ループ形成の謎に挑む研究者たち

DNAはなぜ絡まずに収納されるのか。これはゲノム高次構造に関する最も悩ましい問題の1つだが、「ループ状ドメイン」の形成がその1つの答えとなりそうだ。ただし、ループ形成を推し進めているものの正体については見解が分かれている。

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M. IMAKAEV/G. FUDENBERG/N. NAUMOVA/J. DEKKER/L. MIRNY

Nature ダイジェスト Vol. 14 No. 7 | doi : 10.1038/ndigest.2017.170724

原文:Nature (2017-04-20) | doi: 10.1038/544284a | DNA's secret weapon against knots and tangles

Elie Dolgin

マサチューセッツ工科大学(米国ケンブリッジ)の生物物理学者Leonid Mirnyは、座っていた研究室の椅子をクルリと回転させてデスクに向くと、身を乗り出しラップトップ・パソコンの電源コードをつかんだ。そのコードを反対の手の指の間に通して勢いよく体を椅子に戻す。「これが、絶えずループを押し出すモーターの動的な過程なのです!」と話す。

Mirnyがそう熱く語っているのは、コンピューター付属品の上手な収納法についてではなく、ゲノムを組織化する重要な原理についてである。つまり、2mほどもあるヒトゲノムDNAが、1年ぶりに取り出したクリスマスの電飾のように絡まったりせずに、それぞれの細胞にうまく詰め込まれる仕組みの原理だ。

Mirnyは、DNAが環状のモータータンパク質を絶えず通り抜けてループを作っているのだと主張している。この「ループ押し出し(loop extrusion)」と呼ばれる過程は、DNAの局所的領域をそれぞれまとめておき、ゲノムの他の領域と絡み合わないようにしたり、染色体の形態や構造を決めたりするのに役立っていると考えられている。

これに近い仮説は数十年前から科学者の口に上ってきた。しかし近年、ゲノムの三次元構造の研究が飛躍的に進んだことで、ループ形成機構を分子レベルで詳細に示す仮説が登場した。それが、Mirnyのモデルや、ベイラー医科大学(米国テキサス州ヒューストン)の遺伝学者Erez Lieberman Aidenが提唱する類似のモデルである。これらのモデルによって、ゲノムの異なる部分が物理的に相互作用する仕組みを探る重要なプロジェクトで得られたデータが、ほぼ説明できる。だから、これら2つのモデルにこれほど注目が集まっているのだ。

しかし、こうした単純明快な説明に異論がないわけではない。ゲノムのループ形成が遺伝子発現の調節に関与していることが次第に明らかになっており、おそらく細胞の発生・分化やがんなどの疾患にも関わっていると考えられているが、ループ押し出しモデルによる予想は、これまで実験で確認されたことをはるかに超えているのだ。

一例を挙げると、ループを形成する分子装置の正体はまだ謎のままである。Mirnyが言うように第一候補のタンパク質がモーターのように働くなら、そのタンパク質のエネルギー消費速度は従来知られていたのよりずっと速いだろう。「友人の物理学者は、『これはいうなれば生物学のヒッグス粒子だね』と話していましたよ」とMirny。つまり、こういったタンパク質の存在によって、ゲノム生物学の最も深遠な謎の1つを説明できるが、存在を実証するには何年もかかるということだ。

また、MirnyのモデルとLieberman Aidenのモデルは極めてよく似ているが、両者の違いは奥が深く、どちらか正しい方を選ぶにしても一筋縄ではいかないだろう。もしMirnyが正しければ、「DNA酵素学に完全な革命をもたらします」と、オックスフォード大学(英国)の著名な染色体研究者Kim Nasmythは話す。何がループ形成の原動力になっているのか、それが「まさに現在のゲノム生物学における最大の問題なのです」と彼は付け加えている。

ループバック

遺伝学者らは30年以上前から、ゲノムがループを形成して、遺伝子の近くに対応する調節領域を持ってくることを知っていた。しかし、これらのループがどうやってできるかは明らかでなかった。

そして現在までに、複数の研究者がそれぞれ個別に、独自の「ループ押し出し」説を提唱してきた。最初に唱えたのは、シティーオブホープ・ベックマン研究所(米国カリフォルニア州ドゥアルテ)の遺伝学者Arthur Riggsである。彼は1990年に、知られざる論文の中で「DNA繰り糸機構(DNA reeling)」と名付けた仕組みを初めて提案した1。しかし、「ループ押し出し」という概念の考案者として最も広く認められているのは、Nasmythである。

Nasmythが話すところによると、彼が「ループ押し出し」の着想を得たのは、2000年にイタリアのアルプスで1日、登山をした後のことだ。ほどなくして、彼は同僚と、コヒーシンの環状構造を発見することになる2。コヒーシンは、細胞分裂時に2組の染色体を分離するのに関与するタンパク質複合体だ。Nasmythは登山後に用具をいじっていて、ロープがカラビナ(D字型の登山用金具)を通り抜けてループを形成するのと同じように、染色体が能動的に、コヒーシンもしくはその類似複合体であるコンデンシンを通り抜けるのではないかと考えついた。「それで全てが説明できそうに思えました」と彼は話す。

Nasmythはこの着想を、73ページもの概説論文の中で2〜3にわたる段落に記述した3。しかし「誰にも全く注目されませんでした」と彼は話す。その概説論文が出版された10年以上後の2012年に、ノースウェスタン大学(米国イリノイ州エバンストン)の生物物理学者John Markoが、Nasmythの言葉だけの主張を補完する数理モデルを開発した4が、彼でさえ当時はNasmythの概説論文に注目していなかった。

Mirnyがこの「ループモデル派」に加わったのは、今から5年ほど前のことだ。彼は、なじみの共同研究者であるマサチューセッツ大学医学系大学院(米国ウースター)の生物学者Job Dekkerがまとめたデータセットをうまく説明したいと考えていた。Dekkerは、Hi-C法と呼ばれる技術を使って、染色体上の異なる箇所の間の物理的相互作用を調べていた。Hi-C法では、お互いに近い場所にあるDNA領域の塩基配列を解読し、それぞれの染色体のマップを作る。マップは通常、フラクタル様のチェス盤のように表示され、主対角線上の濃い色の四角は、最も近接して相互作用する箇所を表している。

Dekkerが共同研究者らとHi-C法で捉えたスナップショットから、個別に区切られた複数のループと、それらに付随する、長さ20万〜100万塩基の個別のDNAブロックで生じる相互作用が明らかになった5

こうした「トポロジカル関連ドメイン(topologically associating domain;TAD)」は、混雑している列車の車両に例えることができる。同じ車両にいる乗客らは動き回って互いに出会うことができるが、車両間の貫通扉を通り抜けない限り、隣の車両の乗客と出会うことはできない。ヒトのゲノムは長さが30億塩基といわれるが、大半の相互作用はTADの中で局所的に起こっているのである。

Mirnyのチームは、コンピューター・シミュレーションを使ってTAD形成を説明しようと、1年以上にわたって苦労を重ねた。やがて幸運なことに、Mirnyが出席したある会議で、Markoが当時まだ論文としては未発表だった彼のループ押し出しモデルについて講演した(Markoが「loop extrusion(ループ押し出し)」という用語を作り出し、これが現在も使われている)。そのモデルこそ、Mirnyが探していたパズルの欠片だったのだ。Mirnyらがループ押し出しをシミュレーションで試したところ、いい結果が出た。ループを形成する物理的作用によって、局所的ドメインがうまく組織化された状態になったのだ。このモデルによって、Hi-Cマップの細かい特徴の多くが再現されたのである。

Mirnyらは2015年8月に、プレプリント・サーバー(学術誌掲載前の完成論文を投稿して公開するサイト)であるbioRxivに、論文の完成原稿を投稿した。その際彼らは、このモデルを、一般性のある「ループ押し出し因子(loop-extruding factor)」という言葉で慎重に記述したが、その正体については論文内で踏み込んで推察している。分裂中期ではなく、染色体が緩く詰め込まれているときの細胞では、コヒーシンがループ形成を促進する原動力になっていると述べたのだ6。その後の論文で彼らは、染色体が固く凝縮した細胞分裂中にこの役割を果たすのはコンデンシン(分裂期に染色体凝縮を促進することが既に知られているタンパク質複合体)であると主張した7

重要な手掛かりの1つはCTCFと呼ばれるタンパク質だった。このタンパク質は、凝縮していない染色体の各ループの根元にあるコヒーシンと相互作用することが分かっていた。研究者らは長い間、これらのCTCFタンパク質が互いにランダムにぶつかって組み合うと考えてきた。しかし、2つのCTCFがどれでもペアになれるのなら、ループが局所的にしか形成されず、離れた部位の間には形成されないのはなぜだろうか。

Mirnyのモデルでは、CTCFがコヒーシンに対して「止まれ」の合図として働くと考えている。伸び出るループのそれぞれの端にあるCTCFがコヒーシンにぶつかったときにだけ、ループの押し出しが止まるとすれば、コヒーシンがそれぞれのCTCFを自然と1つにまとめることになる。

ただし、コヒーシンを選んだのは「大いなる賭け」だったと、生物物理学者Geoff Fudenbergは話す。彼はMirnyの研究室で博士号を取得し、現在はカリフォルニア大学サンフランシスコ校(米国)にいる。「これらのモータータンパク質がループ押し出しを行っているところを、生きている細胞内やin vitroで見た者はいないのですから。でも我々は、得られたデータのさまざまな特徴を全て、この原理の下に統一できると考えています」とFudenberg。

例えば実験からは、細胞内のコヒーシン量を減らすと、形成されるループの数が少なくなることが分かっている8。また、コヒーシンを過剰発現させると、ループがたくさんできすぎて、染色体はつぶれて小さい蠕虫のような構造になる9

これらの研究論文の著者らは、実験で得られた結果の意味をなかなか理解できなかった。やがて、Mirnyの論文がbioRxivで発表された。「この分野で、論文のプレプリントが実際に人々の考え方を変えたのは、これが初めての事例でした」と、MRCロンドン医科学研究所(英国)の細胞生物学者Matthias Merkenschlagerは言う(Mirnyのチームは最終的に、この研究をCell Reportsで2016年5月に発表した6)。

並行して発見?

Lieberman Aidenによれば、「ループ押し出し」というアイデアを彼が初めて思い付いたのは、2015年3月の電話会議でのことだったという。彼と、彼の指導教官だったブロード研究所(米国マサチューセッツ州ケンブリッジ)の遺伝学者Eric Landerはすでに、当時入手可能な中で最も詳細で高分解能のヒトゲノムHi-Cマップの一部を発表済みだった10

その電話会議の最中に、Lieberman Aidenはデータに見られる奇妙な現象を説明しようとした。その奇妙な現象とは、ループの根元にあるCTCF到着部位がほぼ全て同じ配向になっていることであった。そこで彼は、CTCFがループ押し出しの「止まれ」の合図として、もともと方向性を備えているのだと気付いた。そして、「一時停止」の標識が手前側を向いていなければドライバーが交差点を走り抜けてしまうのと同様に、ループ押し出し因子は、それに対し止まれの合図が正しい方向に向いていない限りCTCF部位を通過してしまうのである。

Lieberman Aidenの研究室では、このモデルを検証するため、CTCF結合部位を体系的に欠失および回復させて、Hi-C法で染色体を再マッピングした。何度となく繰り返したが、データはモデルと適合した。チームは2015年7月にこの論文を査読のために学術誌に送り、その3カ月後に掲載された11

Mirnyらが2015年8月にbioRxivで公開した論文では、実験的な検証がLieberman Aidenらの論文と同じレベルではなかったが、CTCFの向きの偏りを説明するコンピューター・シミュレーションが含まれていた。実際、どちらのモデルの予測も基本的に同じであることから、アイデアの種をまいたのはMirnyではないかと推測する向きもある。Lieberman Aidenは、自分のモデルを独自に思い付いたと主張しており、「我々はこの論文を、私がMirnyの論文原稿を見る前に投稿しました」と言っている。

絡まりを抑える
ゲノム組織化の「ループ押し出し」モデルは、染色体の特定領域が互いに近くに寄り集まる仕組みや、タンパク質複合体であるコヒーシンの環が、特定のDNA塩基配列と結合するCTCF タンパク質と接して存在することが多い理由を説明するのに役立つ。 | 拡大する

両者のモデルには、わずかな違いがいくつかある。Mirnyが自分のモデルを記述するのに用いた図では、1個のコヒーシンの環がループを押し出す形になっているが、Lieberman Aidenの図では、手錠のようにつながった2個の環になっている(「絡まりを抑える」参照)。押し出し過程におけるコヒーシンの役割を明らかにするには、こうした機構上の微妙な差異の検討が「絶対に欠かせない」と、ロンドン大学ユニバーシティカレッジ(英国)の細胞生物学者Suzana Hadjurは話す。

Lieberman AidenもMirnyも、このシステムが1個の環を使うのか2個の環を使うのかについて強くこだわってはいないと言うが、ループ形成に対するコヒーシンの主要な寄与については意見が異なっている。Mirnyは、コヒーシンがループ形成の動力源だと主張し続けている。一方、Lieberman Aidenはこの考え方を否定しており、コヒーシンは「1個の大きなドーナツ」であって、動力源にはならないと話す。「コヒーシンは開閉可能な構造ですが、コヒーシンそのものはモーターではないと我々は強く確信しています」とLieberman Aiden。

Lieberman Aidenは、何か他の因子がコヒーシンを動かしていると考えており、この分野の研究者の多くがそれに賛同している。エラスムス大学医療センター(オランダ・ロッテルダム)の分子生物物理学者Claire Wymanは、コヒーシンがDNAをつかんで押し出すためのエネルギー消費量が少ないことまでは分かっており、そのため、Mirnyのモデルに必要な速度でコヒーシンが染色体に沿って動くとする考え方には無理があると指摘する。「百歩譲ってその可能性を認めても構いませんが、マジック8ボール(質問をして裏を見ると答えが浮き出てくるという占いのおもちゃ)なら『全ての兆候はノーを示している』と答えるでしょう」と彼女は話す。

DNAの押し出しを担うのではないかと考えられているタンパク質の1つに、DNA鋳型からRNAを作るRNAポリメラーゼという酵素がある。分子病理学研究所(オーストリア・ウィーン)の染色体生物学者Jan-Michael Petersらは、2017年4月19日のNatureオンライン版12で、RNAポリメラーゼが遺伝子をRNAに転写する際に、ゲノム上の長距離にわたってコヒーシンを移動させられることを示した。「RNAポリメラーゼは、ループ押し出しに関与すると考えられるモーターの1つです」とPetersは話す。しかし、データからみて、RNAポリメラーゼのみが原動力というのはあり得ないと彼は付け加えている。

フランシス・クリック研究所(英国ロンドン)の生化学者Frank Uhlmannは、モータータンパク質を全く必要としない別のモデルを提案している。彼の意見によれば、コヒーシン複合体はCTCF部位に突き当たってループを作るまでDNAに沿ってランダムに滑って行くのではないかという。このモデルでは、接近したDNA鎖がランダムに相互作用するだけでよく、ずっと可能性が高いとUhlmannは話す。「実験上の証拠が得られていない働きについては、推測をする必要がないわけです」。

現在、研究者らは、いずれかのモデルの実験的証拠を集めようとしている。例えばローレンス・リバモア国立研究所(米国カリフォルニア州)では、生物物理学者Aleksandr Noyが試験管内でループ押し出しの観察を試みている。彼が試験管内に入れたのは、わずか3つの成分だ。つまり、DNA、エネルギー供給のための多少のATP、そして、コヒーシンやコンデシンに相当する細菌のタンパク質複合体SMCである。

「DNAがこうしたループの花弁を持つ花のような構造にまとめられるという証拠を、我々は実際に観察しました」と、Mirnyと同じプロジェクトで共同研究をしているNoyは話す。この観察結果は、SMC(転じればコヒーシン)がモーター機能を持っている可能性を示唆している。しかしまた一方で、SMCにその機能がない可能性もある。「確かなのは、現時点では分からないということです」とNoyは言う。

細菌で見出された原動力

2017年2月に、コヒーシンがモーターとして働くことをほぼ実証したと思われる実験結果が発表された13。ハーバード大学医学系大学院(米国マサチューセッツ州ボストン)の細菌細胞生物学者David Rudnerらが、枯草菌(Bacillus subtilis)の微速度撮影Hi-Cマップを作成し、それによりSMCが染色体に沿って迅速に動き、毎分5万塩基以上もの速度でループを作ることを明らかにしたのだ。この速度は、Mirnyのモデルをヒト細胞に当てはめた場合に必要だと算定された速度と同じくらいだった。

Rudnerは、SMCがATPを使ってループを作ることまでは実証できていない。しかし、それに近いところまで研究を進めており、もしヒト細胞でのコヒーシンの働き方がSMCと異なっていたら「愕然とするでしょう」と彼は話す。

現在、細胞内でコヒーシンが何をやり、何をやっていないかについての議論が湧き上がっており、カリフォルニア大学バークレー校の細胞生物学者Doug Koshlandをはじめとする多くの研究者は、Mirnyの説に対しては懐疑論がまだかなりあると話す。「ループ押し出しモデルは簡潔でエレガントであるが故に、すでに教科書に登場しつつあります。コヒーシンの問題が解決していないのに早々と定説扱いされることに懸念を感じています」と彼は話す。

またMirnyも、この話は学者同士の論争にすぎないと思われるかもしれないが、もしこのモデルが正しければ、現実世界にも影響が出てくるだろうと指摘する。例えば、がんではコヒーシンがよく変異しており、CTCF部位も変化している。コヒーシンの欠損は、いくつかの希少なヒト発達障害とも関係付けられている。もし、ループ押し出し過程に原因があるのなら、コヒーシンをさらに調べることで問題の解決に近づけるかもしれないとMirnyは話す。

ただし、Mirnyの主な関心は依然として、もっと根本的なものに向けられている。彼はとにかく、DNAの立体構造がなぜ、そのようなやり方で決まるのかを解明したい一心で研究に取り組んでいる。また、Mirnyのモデルではコヒーシンに関する多くのことがまだ推測にすぎないが、それについて彼はこう話す。「問題は、こうしたループの形成過程を考えるとき、私には他に説明のしようがないということです」。

(翻訳:船田晶子)

Elie Dolginは(米国マサチューセッツ州サマービル在住のサイエンスライター)。

参考文献

  1. Riggs, A. D. Phil. Trans. R. Soc. Lond. B 326, 285–297 (1990).
  2. Haering, C. H., Löwe, J., Hochwagen, A. & Nasmyth, K. Mol. Cell 9, 773–788 (2002).
  3. Nasmyth, K. Annu. Rev. Genet. 35, 673–745 (2001).
  4. Alipour, E. & Marko, J. F. Nucleic Acids Res. 40, 11202–11212 (2012).
  5. Nora, E. P. et al. Nature 485, 381–385 (2012).
  6. Fudenberg, G. et al. Cell Rep. 15, 2038–2049 (2016).
  7. Goloborodko, A., Imakaev, M. V., Marko, J. F. & Mirny, L. eLife 5, e14864 (2016).
  8. Zuin, J. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 111, 996–1001 (2014).
  9. Tedeschi, A. et al. Nature 501, 564–568 (2013).
  10. Rao, S. S. P. et al. Cell 159, 1665–1680 (2014).
  11. Sanborn, A. L. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 112, E6456–E6465 (2015).
  12. Busslinger, G. A. et al. Nature 544,503–507 (2017).
  13. Wang, X., Brandão, H. B., Le, T. B. K., Laub, M. T. & Rudner, D. Z. Science 355, 524–527 (2017).

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Nature ダイジェスト Online edition: ISSN 2424-0702 Print edition: ISSN 2189-7778

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