50 万個のヒト細胞の核は、すべて 1 つのケシの実の中に収まる可能性があります。しかし、すべての核内には、少なくとも分子の観点からは信じられないほど巨大なゲノム機構が存在します。それには何十億もの部品があり、その多くは遺伝子を活性化して沈黙させるために使用されます。これにより、個々の細胞が脳細胞、心臓細胞、およびその他の約 200 の異なる細胞タイプに特化できるようになります。さらに、各細胞のゲノムは、核全体に群がり、遺伝子プログラムを微調整するためにあちこちに引っかかる何百万もの可動部分を備えたツイッターです。時々、ゲノム マシンは自分自身を複製します。
ヒトゲノムのリリプティアン機構の中心にあるのは、人の 30 億の遺伝文字、つまりヌクレオチドを具現化するのに必要な 2 メートル相当の DNA です。メリーランド州ベセスダにある国立がん研究所のゲノム細胞生物学グループの責任者である Tom Misteli は、体の何兆もの細胞のすべてのゲノムをすべて伸ばすと、太陽まで 50 往復することになると述べています。ジェームズ・ワトソンとフランシス・クリックが DNA の構造を明らかにした 1953 年以来、研究者はこれらの遺伝子文字の綴りにおいて目覚ましい進歩を遂げてきました。しかし、この情報ストレージ ビューでは、特定の遺伝子が異なる時間、異なる組織タイプ、人の 1 日または人生の異なる瞬間にオンまたはオフになる原因についてはほとんど何も明らかになりません。
これらのプロセスを解明するには、これらの遺伝子文字がどのように集合的にらせん状になり、コイル状になり、ピンチオフしてループになり、ドメインや小球に凝集し、そうでなければ核全体の構造を想定するのかを理解する必要があります. 「DNA の美しさのために、人々はゲノムのより大きなスケールの構造を忘れてしまいました」と、マサチューセッツ大学医学部 (ウスター) の分子生物学者で、ゲノム幾何学を明らかにするための最も重要なツールのいくつかを構築した Job Dekker は言いました。 「DNA の 3 次元構造が、細胞が実際に情報をどのように使用しているかを教えてくれることを認識しているため、今度はゲノムの構造の研究に戻ります。ゲノムのすべては、3D でのみ意味を持ちます。」
Dekker のようなゲノム考古学者は、ゲノムの構造を明らかにするための分子発掘技術を発明し、展開してきました。最終的には、そのすべての構造が地球上の生命の調整にどのように役立つかを明らかにすることを望んでいます。過去 10 年ほどの間、彼らは、二重らせんと同様に、各細胞のアイデンティティと活動の要素である、ゲノム内のネストされた構造モチーフの階層を明らかにしてきました。
より良い遺伝子顕微鏡
ゲノムマシンの綿密な調査には長い時間がかかりました。初期の英国の顕微鏡学者ロバート・フックは細胞という言葉を作り出しました 17世紀半ばにコルクの薄い部分を観察した結果です。彼が見た小さな区画は、修道士の住居、つまり独房を思い出させました。 1710 年までに、Antonie van Leeuwenhoek は細胞内の小さなコンパートメントを発見しましたが、nucleus という言葉を作り出したのは、ブラウン運動で有名な Robert Brown でした。 1830年代初頭にこれらのコンパートメントを説明する.半世紀後の 1888 年、ドイツの解剖学者 Heinrich Wilhelm Gottfried von Waldeyer-Hartz は顕微鏡を覗き込み、chromosome という言葉を使うことにしました。 — 「カラー ボディ」を意味します — 彼と他の人々が当時の最高の顕微鏡で核の内部を見ることができた、染料を吸収する小さな糸のためです.
20 世紀に生物学者は、染色体のタンパク質成分ではなく DNA が遺伝情報の分子化身であることを発見しました。 23対の染色体に含まれるDNAの総和がゲノムです。しかし、これらの染色体がどのように結合するかは、ほとんど謎のままでした.
その後、1990 年代初頭に、キャサリン・カレンとヴァンダービルト大学のチームが、核の近くにある DNA の断片を人工的に融合させる方法を開発しました。これは、DNA 配列を読み取るだけで、DNA の超折り畳み構造を分析することを可能にした独創的な偉業です。 .このアプローチは、長年にわたって改善されてきました。 Hi-C と呼ばれる最新のイテレーションの 1 つは、ゲノム全体の折り畳みをマッピングすることを可能にします。
Hi-C 実験の最初のステップは、何百万もの細胞のサンプルをホルムアルデヒドで処理することです。ホルムアルデヒドは、DNA の鎖がたまたま近くにある場所であればどこでも架橋する化学的効果があります。これらの 2 つの近くのビットは、同じ染色体に沿って少し離れた位置にある可能性があり、それ自体が元の位置に戻っているか、別の隣接する染色体上にある可能性があります。
次に、研究者はゲノムを切り刻み、何百万もの架橋されたスニペットを収集し、各スニペットの DNA を配列決定します。シーケンスされたスニペットは、3D ゲノムの DNA-DNA 接点のクローズアップ写真のようなものです。研究者は、これらの断片を既存のゲノム全体の配列データにマッピングして、ゲノムの接触点のリストを作成します。このマッチング作業の結果は、驚くほどデータが豊富なマップであり、染色体の任意の 2 つのセグメント (またはゲノム全体の 2 つのセグメント) が核内で互いに物理的に接近している。
これまでのところ、ほとんどの Hi-C データは、サンプル内のすべてのセルからプールされた接触ヒットを使用した平均的な接触マップを示しています。しかし、研究者たちは、単一細胞からデータを収集できるように、この技術を推し進め始めています。新しい機能は、核内の染色体とゲノムのこれまでで最も正確な 3D レンダリングにつながる可能性があります。
さらに、ゲノム構造のためのベイラー医科大学センターのディレクターであるErez Lieberman Aidenと彼の同僚は最近、以前は核から抽出しなければならなかったDNAではなく、無傷の核におけるDNA-DNA接触をカタログ化しました。データに不確実性を追加します。高解像度のコンタクト マップにより、研究者は 1,000 遺伝子文字のスケールでゲノムの構造的特徴を識別することができます。これは、以前よりも約 1,000 倍細かい解像度です。数ブロック離れたところからエンジンに目を細めるのではなく、車のボンネットの下を見るようなものです。研究者は、2014 年 12 月 18 日発行の Cell で、ヒトとマウスの両方のがん細胞を含む 9 種類の細胞についての見解を発表しました。 .
ループの力
洗練されたアルゴリズムを使用して、これらの細胞内の数億、場合によっては数十億の接触点を分析すると、エイデンと彼の同僚は、これらのゲノムが約 10,000 のループに分かれていることを確認できました。細胞生物学者はゲノムループについて何十年も前から知っていましたが、以前は、現在可能なレベルの分子分解能と詳細でそれらを調べることができませんでした.デッカーが「すべて丸まったヘビ」になぞらえた流体の形をしたこれらのループは、ゲノムの大規模なアーキテクチャが特定の遺伝子のオンとオフを切り替える方法に影響を与える可能性がある、これまでに見られなかった方法を明らかにしていると、ハーバード大学の博士課程の学生で共同研究者のミリアム・ハントリーは述べた。 -セルの作成者
異なる細胞型では、ループは異なる特定の染色体位置で開始および終了するため、各細胞株のゲノムにはループの固有の集団があるように見えます。そして、その分化は、全体的なゲノムが同じであるにもかかわらず、細胞が何百もの異なる細胞型に分化できるかを説明するのに役立つ構造的基盤を提供する可能性があります. 「3D アーキテクチャは、セルが実行するプログラムに関連付けられています」と Aiden 氏は述べています。
これらのループは何をしますか?ミステリは、それらが原子核の流体内部で「そよ風に揺れている」と想像しています。それらが互いに近づいたり遠ざかったりすると、他のタンパク質が急降下して一時的なループ構造を安定させる可能性があります.その時点で、転写活性化因子と呼ばれる特定の種類のタンパク質が、遺伝子がオンになる分子プロセスを開始することができます.
Misteli は、各細胞タイプ (たとえば、肝細胞や脳細胞) が、これらの一時的なループ間相互作用の特徴的なネットワークを持っている可能性があると考えています。ループ構造は、どの遺伝子が活性化され、どの遺伝子が沈黙するかを決定する可能性があります。
しかし、研究者たちは、構造と機能の間の関連性を発見しただけであることに注意を払っています。一方が他方を引き起こしているかどうか、また因果関係の矢印が指す方向を確実に知るのはまだ時期尚早です.
ループ間相互作用に関するデータをマイニングすると、Aiden、Huntley、およびその同僚は、サブコンパートメントと呼ばれるゲノム内の6つのより大きな構造的特徴を識別することもできました。エイデンはそれらを「核内の空間的近隣」と呼んでいます。これは、ニューヨーク市のミッドタウンまたはグリニッジ ヴィレッジの核に相当します。そして、人々がある地域や別の地域に引き寄せられるのと同じように、染色体のさまざまなストレッチが、特定のサブコンパートメントの一種の分子郵便番号を持っており、それらに向かって滑り落ちる傾向があります.
これらの分子の郵便番号は、染色体を構成する DNA とタンパク質の混合物であるクロマチンに書き込まれます。クロマチンは、ヌクレオソームと呼ばれる何百万もの糸巻き状のタンパク質構造に DNA が巻き付いて作られます。 (この曲がりくねった構造が、2 メートルの DNA が直径のちょうど 30 万分の 1 の幅の核の中に詰め込まれる理由です。)
生体分子プレーヤーの大規模なキャストは、この歪んだクロマチンのさまざまな帯を、より閉じたまたは開いた形状に仕上げます。ゲノム マシンのロービング パーツは、オープン セクションによりよくアクセスできるため、そこにある遺伝子をオンにする可能性が高くなります。
Dekker、Misteli、Aiden、およびその同僚のような研究者が構築してきたゲノムのますます詳細な階層図は、次のようになります。ヌクレオチドは、有名な DNA 二重らせんに集合します。ヘリックスはヌクレオソームに巻き付き、クロマチンを形成します。クロマチンは、糸の両端をひねり続けたときに得られるものと同様の構造になります。このすべての中で、クロマチンはあちこちで何千ものループに挟まれます.これらのループは、同じ染色体上でも異なる染色体上でも、サブコンパートメントで互いに関与しています。
研究者がゲノムの構造階層について徐々に理解を深めるにつれて、この巨大分子の驚異がその広大さとメカニズムの詳細のすべてでどのように機能するかを理解することに近づくでしょう。国立衛生研究所は、4D Nucleome と呼ばれる 5 年間で 1 億 2000 万ドルのプログラムを開始しました。これは、核構造研究コミュニティで確実に勢いを増し、同様のイニシアチブがヨーロッパで開始されています。 NIH プログラムの目標は、そのウェブサイトに記載されているように、「空間と時間 (4 次元) における核の 3 次元組織の背後にある原則、遺伝子発現と細胞機能における核組織の役割を理解することです。そして、核組織の変化が正常な発達やさまざまな病気にどのように影響するか.」
または、Dekker が言うように、「最終的に、生きているゲノムの動作を確認できるようになり、最終的には実際にどのように機能するかがわかります。」
