科学者が 2003 年にヒトゲノムの配列決定を完了したとき、多くの研究者は、ヒト遺伝学の謎を理解する方法として、As、Ts、Gs、および Cs の長い文字列を解読することに注意を向けました。しかし、ゲノムは単純な長い文字列として自然界に現れるわけではありません。展開すると、ゲノムは 2 メートル近く伸びますが、直径 10 ミクロン未満の核内に収まるように、コイルとループに折りたたまれます。
近年、研究者たちは、この 3D 遺伝子構造が実際にどれほど重要であるかを理解し始めています。本でアクセスできる唯一の情報が目の前の開いたページにあるものであるのと同じように、ゲノムの命令は、深い折り目の中に隠れていない場合にのみ、細胞によって読み取られます。しかし研究者たちは、重要なビットを読み取ることができるように、細胞がどのように DNA を折り畳むかを理解していません。
今年初め、2 つの独立した研究グループが、DNA フォールディングの謎の解明に向けて大きな一歩を踏み出しました。どちらのグループも、CRISPR として知られる強力な新しい遺伝子編集ツールを使用して、きつく巻かれた DNA の断片をほどきました。彼らの研究は、科学者がゲノムがその 3D 構造を形成する方法と理由の背後にある基本的なルールのいくつかを特定するのに役立つ可能性があります。また、小さな DNA 配列の存在が、ゲノムの編成方法に大きな変化をもたらす可能性があることも明らかにしています。
新しい研究は、X 染色体の謎を解明する試みとして始まりました。ほとんどのオスの哺乳動物は X 染色体と Y 染色体を持っていますが、ほとんどのメスは 2 つの X 染色体を持っています。これは、女性の細胞機構に潜在的な問題をもたらします。両方の X がアクティブのままである場合、X 染色体遺伝子の数の 2 倍がオンになります。これは多くの発育障害を引き起こし、多くの場合、受精直後の胚の死に至ります。
このシナリオを回避するために、X 染色体の 1 つのコピーは、Xist と呼ばれる遺伝子を使用してスイッチをオフにします。 .バー小体として知られる非アクティブな X 染色体は小さいです。 DNA を RNA やタンパク質に変換する細胞機構から、自身の遺伝子のほぼすべてを隠します。
フロリダ州立大学の生物学者であるブライアン・チャドウィックは、「Xの不活化は女性の発達における重要なプロセスです. 「2 つの X の唯一の違いは、パッケージ方法です。」
Chadwick は、体がどのように X 染色体の 1 つのコピーを不活性化するかを理解しようと、キャリア全体を費やしてきました。 Chadwick のバー小体に関する研究は、X 染色体の 1 つのコピーにあるほとんどの遺伝子のスイッチを切るフォールディングの鍵となる可能性があるとして、DXZ4 と呼ばれる DNA 配列に焦点を合わせました。彼のチームが調査した非アクティブな X 染色体を持つ哺乳類はすべて、これらの配列を持っていました。
しかし、チャドウィックは、DXZ4 が本当に X 染色体の折り紙マスターであるかどうかをどのようにテストしたのでしょうか? 2014 年に、20 年以上前に始まった研究に主要な手がかりが現れました。
最初のつながり
1990 年代初頭、ヴァンダービルト大学のマーク セイフレッドの研究室で博士課程の学生だったキャサリン カレンは、プロラクチンと呼ばれるタンパク質を理解したいと考えていました。プロラクチンは、雌の哺乳動物がミルクを作るのを可能にします。 Cullen と Seyfred は、エストロゲンにさらされると一連のイベントが発生し、最終的に DNA の巨大なループが形成されると考えていました。このループは、遺伝子をオンにするスイッチとして機能するプロラクチン遺伝子プロモーターと、スイッチを切り替える比喩的な指として機能するプロラクチンエンハンサーを接続します。彼女の博士号取得のための Cullen の仕事は、これを検証することでした。
彼女は、Seyfred によって最近開発された近接ライゲーション アッセイと呼ばれる手法を使用して、このループを検索しました。最初のステップは、ゲノムをホルムアルデヒドで処理することです。これにより、ゲノムの自然な 3D 形式で互いに近接している DNA セグメント間に架橋が作成されます。このプロセスにより、たとえそれらの配列が線形ゲノム上で互いに遠く離れていても、ゲノムのどの部分が接触しているかが明らかになります。 Cullen は、エストロゲンにさらされると、プロラクチンエンハンサーとプロモーターをつなぐループができることを発見しました。彼女の発見により、1993 年に Science で出版されました。 そして彼女を無事に博士課程に送り出しました。
Cullen の研究は、ゲノムのより大きな 3 次元構造がその機能に関連しているという最初の直接的な証拠のいくつかを提供しました。しかし、彼女の記事はあまり注目されませんでした。 「当時、私はゲノム構造について考えていませんでした。当時、この用語は用語でさえありませんでした」と Cullen 氏は言いました。
10 年後、当時ハーバード大学の客員研究員だった Erez Lieberman Aiden から、彼女が使用したライゲーション アッセイについてさらに詳しい情報を求めて電話がありました。エイデンには大きな野望がありました。彼は、このアッセイを 1 つの遺伝子だけに使用したくはありませんでした。代わりに、彼はゲノム全体を検索して、ループを 1 つだけでなく、潜在的に何千ものループを特定したいと考えました。
現在ライス大学とベイラー医科大学の計算生物学者である Aiden は、その後数年間、マサチューセッツ大学医学部の生物学者である Job Dekker の研究に基づいて、Hi-C システムを作成しました。ゲノムの 2 つの断片が互いに接触している確率。
「私たちは、外国に住んでいる人よりも隣人にぶつかることが多いです。ここでも同じ考えです」とエイデンは言いました。 「ゲノムの通常の日に誰が誰にぶつかるかがわかれば、これらの領域がどれだけ近いか、その結果、ゲノムが 3 次元でどのように見えるかを知ることができます。」
Aiden と同僚は、2009 年に最初の Hi-C 実験の結果を発表しました。これらの結果は、100 万塩基対の解像度でゲノム アーキテクチャを明らかにしました。これは、ゲノムのまばゆいばかりの複雑さを明らかにし始めた点描の輪郭です。 「結果は、大陸のあいまいな輪郭だけを示した世界地図のようなものでした」と、Aiden の研究室で働く大学院生の Suhas Rao は述べています。 「彼らと一緒にナビゲートすることはできませんでしたが、それは出発点でした。」
Aiden ラボは、その後数年間 Hi-C の改良に費やし、2014 年に Cell で論文を発表しました。 DNA のすべてのループとコイルを 1,000 塩基対の解像度で図にしました。 2009 年の論文が北米のぼやけた輪郭を明らかにした場合、新しい Hi-C はマンハッタンのストリート グリッドを明らかにしました。この詳細により、科学者はゲノムが折り畳まれる規則についての最初の手がかりを得ることができました。
Aiden の Hi-C が生成した DNA 間の数十億の接触の中で、ゲノムの 1 つの領域が際立っていました。 Rao、Aiden らは、XX 女性細胞で、1 つの X が残りの染色体とループのパターンを共有している一方で、非アクティブな X は非常に異なって見えることを発見しました。約 200,000 塩基対の複数のループを持つ代わりに、不活性な X には、最大 7,700 万塩基対の複数の「スーパーループ」を特徴とする 2 つの巨大な「スーパードメイン」がありました。スーパーループを固定していたのは何ですか? DXZ4 と呼ばれる DNA 配列 — Chadwick が X 染色体の折り畳みの鍵として以前に特定したものと同じもの。チャドウィックはその紙を読み、エイデンに連絡を取った。ペアは協力することに同意しました.
遺伝子カット
分子の構造とその機能の関係を理解することは、生化学の古典的な問題です。タンパク質を研究している科学者は、1960 年代から、タンパク質の 1 つのアミノ酸ビルディング ブロックを変更し、それがタンパク質の機能をどのように変化させるかを測定することによって、この調査分野を習得しました。 Chadwick と Aiden は、DNA 配列とゲノム構造の関係を理解するために、同様のことをしたいと考えていました。多くの遺伝学研究室と同様に、彼らはゲノム編集ツール CRISPR に注目しました。CRISPR は生体分子のハサミとして機能します。
DXZ4 が実際にゲノムの折り畳みに影響を与えることを証明するために、チームはヒト細胞を採取し、CRISPR を使用して DXZ4 セクションを切り取った.次に、Hi-C を使用して、切断が染色体ループにどのように影響するかを測定しました。 DXZ4 を削除すると、「巨大なループが消えました。染色体は通常の常染色体のように見え始めます」と Aiden 氏は述べています。 「それは、ゲノムがどのように折り畳まれるかを細かく制御できることを示しました。」
独立して、デッカーの研究室は同様に、マウスの不活性 X 染色体の折り畳みにおける DXZ4 の重要な役割を示していました。彼らはまた、Xist が 遺伝子 - 非アクティブな X 染色体を巻き上げる分子スイッチ - は、その染色体上の 2 つの大きなスーパードメイン間の境界を作成するのに役立ちます。両方のデッカーの論文 (Nature に掲載) ) および Aiden と Chadwick の (全米科学アカデミー紀要に掲載) ) は、ゲノムフォールディングのゴルディアンノットを解くのに役立ちました.
オランダのユトレヒト大学の生物医学遺伝学者である Wouter de Laat は、次のように述べています。
これらの論文は、ゲノムがどのように折り畳まれ、どのように機能するかの間の密接な関係についての私たちの知識を広げている、と de Laat は述べた。科学者たちは、異常なゲノムの折り畳みが病気を引き起こす可能性があると長い間疑っていました.いくつかの新しい研究は、ゲノム構造と生物学的発達の間のリンクを特定しました.ベルリンのマックス プランク分子遺伝学研究所のステファン ムンドロスと彼の同僚による 2016 年の研究では、ゲノムの非コード領域における DNA の再編成が、クロマチン フォールディングの変化によって発生中に四肢の奇形を引き起こすことが示されました。他の研究者は、CRISPR を使用して、ゲノム構造の変化が トリパノソーマ のような寄生虫の能力に影響を与えるかどうかを調査しています 、アフリカ睡眠病の原因、免疫システムを回避する.
Dekker 氏が言うように、ゲノムでは「3 次元でなければ意味がない」ことが明らかになりつつあります。
