細胞の核は、子猫でいっぱいの段ボール箱と共通点があります。人々は内容物に夢中になり、容器を見落とします。核自体は、生命力に満ちたダイナミックな遺伝物質を保持するための特徴のない膜状の袋に過ぎないものとして扱われることがよくあります。しかし実際には、それには特殊な部分と独自の内部構造があり、科学者たちは長い間、これらの部分に関して DNA が正確にどのように配置されているかが非常に重要であると推測してきました.
現在、研究者チームは、これが真実であり、遺伝子発現に重要な影響を与える可能性があるという信頼できる証拠を見つけています.彼らは、ゲノム編集ツール CRISPR に基づく新しい技術を使用して、細胞の DNA の一部を核内のさまざまな領域に人為的に固定し、何が起こったのかを観察しました。先月 Cell に掲載された作品 、原因またはファシリテーターとして、さまざまな核近傍が遺伝子発現にどのように関連している可能性があるかについて、興味深い洞察を生み出し始めています.
人間の細胞の小さな核内に複雑に束ねられた 6 フィートの DNA は、スパゲッティの玉や糸のもつれのように混沌として見えることがあります。しかし、その DNA が 3 次元空間にどのように配置されるかは重要であり、まったくランダムではありません。パッキングとフォールディングの程度により、遺伝子が適切な場所で適切なタイミングでアクセスできるようになり、細胞の機構がそれらを見つけて解読し、活動を調整して、すべてを正常に機能させ続けることができます。これらの再編成はまた、ゲノムの特定の部分を核内のランドマークの近くまたは遠くに置きます。
これらの核の位置での DNA の配置が偶然ではない可能性があるという興味をそそる証拠があります。しっかりと巻き付けられたサイレント遺伝子は核の周辺に位置する傾向があり、開いたアクティブな DNA は内部に向かってそのホームを作ります。発生中、細胞が分化するにつれて、DNA 自体が再編成されます。一部の遺伝子が抑制された状態から活性化された状態に移行すると、周辺から離れることもわかっています。とはいえ、通常は周辺近くに見られる他の遺伝子領域のいくつかは常にそこにあるわけではなく、それらが移動するときでも同じレベルの活動を示します.
したがって、生物学者は、DNA の凝縮構造と発現がその核の位置とどのように関連しているか、また何が結果ではなく原因であるかについて議論してきました。特定のプロファイルを持つ非アクティブな遺伝子が周辺に引き寄せられるか、周辺自体がそれらをサイレンシングする原因となる可能性があります。これらの考慮事項は、核小体 (タンパク質産生のためにリボソームを組み立てる) やカハール体 (RNA のスプライシングを助ける) など、さまざまな核小体によって定義される多くの異なるドメインを含む核の中心に向かってさらに複雑になります。それらの機能もまた、区別するのが困難でした。繰り返しになりますが、相関関係はたくさんありますが、因果関係を特定することは別の話です.
カリフォルニア工科大学の生物学者である Mitchell Guttman は、次のように述べています。
そこで、スタンフォード大学の生物工学者であるスタンレー・チーと彼の同僚たちは、過去 4 年間、科学者がこれらの疑問に答え始める道を切り開くことに取り組んできました。彼らは、遺伝子の編集、転写の調節、細胞プロセスの画像撮影に広く使用されているシステムである CRISPR に目を向けました。現在、彼らはそれを利用してゲノムを空間的に制御する方法を革新しています。彼らはこのプロセスを CRISPR-GO (GO は「ゲノム組織」の略) と呼んでいます。 「これは CRISPR 技術の広範な拡張です」と Qi 氏は説明しました。
この方法は、研究者が移動させたい遺伝子にベルクロのストリップを配置し、遺伝子を移動させたい核体に別のストリップを配置するのと少し似ています。 DNA が通り過ぎると、対応する 2 つのベルクロ片がくっつきます。
より具体的には、科学者は分子複合体 CRISPR/Cas9 (ゲノムを切断する能力が不活性化されている) を使用して、特定の DNA 配列を標的にしています。タンパク質の一部は複合体に結合し、2 番目の部分は核内の選択された構造に結合します。 DNA が通常のように動き、移動するにつれて、研究者は両方のタンパク質フラグメントに結合する「インデューサー」分子を追加し、それらを結合して DNA を新しい場所につなぎます。インデューサーを除去すると、DNA が解放されて再び離れます。
以前は、研究者は別の手法を使用してこの結果を達成しようとしていました。しかし、彼らは、目的の遺伝子の隣に長くて非常に反復性の高い細菌配列または合成配列を組み込むために、特別な細胞株を設計する必要がありました。このシステムは使いにくく、範囲も限られていました。また、この方法の侵襲的な性質により、実験自体が結果に影響を与える可能性がありました。そのような研究で一貫性のない結果が得られたとき (たとえば、DNA を核周辺に動員すると遺伝子サイレンシングが生じると結論付けた人もいれば、そのような効果は見られなかったと結論付けた人もいました)、研究者はそれらを解釈するのに苦労しました。
しかし、CRISPR-GO では、科学者がゲノムを変更する必要はなく、DNA の任意の領域を正確に標的にすることができます。 「ある意味では、はるかに穏やかなアプローチです」と、ニューヨークのコールド スプリング ハーバー研究所の分子生物学者である David Spector 氏は述べていますが、彼はこの研究には関与していません。 「そしてよりエレガントに。」
CRISPR-GO により、科学者は現在、核体が実際に何をしているのかを調査するためのツールボックスを手に入れました。例えば、核体が特定の遺伝子の活動にどのように影響している可能性があるのか、または影響していないのか、健康や病気でどのような役割を果たしているのかなどです。
Qi と彼のチームは、それがどのように機能するかを示しました。彼らは最初に、異なる核体が独自のダイナミクスを示すことに注目しました。たとえば、彼らが DNA を核周辺に再配置した場合、移動を行ったのは DNA であり、プロセスにはほぼ 1 日かかりました。しかし、彼らがゲノムの一部をカハール体に再配置すると、後者はわずか数分で前者に移動しました。 Qi によると、これらの発見は、核の特定の部分でどの程度持続的または一時的な活性化と抑制が行われているか、および DNA 相互作用がどの程度活発に維持されているかについての情報を明らかにする可能性があります。
以前の研究でも示されているように、Qi と彼の同僚は、ある遺伝子には空間的関係が存在し、他の遺伝子には存在しないように見えることを観察しました。それでも、彼らは長距離効果を含むいくつかの驚くべきリンクを発見しました.たとえば、一部のタンパク質コード遺伝子をカハール体に移動すると、その活性が抑制され、数百キロベース離れた DNA の活性も抑制されました。
チームはまた、遺伝子の非コード領域、DNA の大部分を構成する調節機能またはその他の機能を持つ配列にも注目しました。彼らは、細胞の寿命に関連する染色体の先端に位置する DNA のセクションであるテロメアに特に注目しました。テロメアが核周辺に再配置されると、細胞分裂はほぼ停止します。しかし、テロメアをカハール体の近くに移動すると、逆の効果があり、細胞の成長と分裂がはるかに速くなります.
「これは、細胞が適切な細胞周期を完了するために、核内のテロメアの位置が重要であることを意味します」と Qi 氏は述べています。彼は、カハール体がテロメアの長さを維持するのに役立つ酵素を生成することが以前に示されているため、この効果があった可能性があると推測しています. 「私たちは、製造工場を消費者市場と共存させていた可能性があると考えています」と彼は言いました。
しかし、研究者は、これらの効果が発生した理由を突き止める必要があります.彼らはさらなる実験を行う必要があります。さまざまな細胞タイプのさまざまな遺伝子と核体をターゲットにし、遺伝子発現への影響だけでなく、ゲノムの安定性やその他の要因についてもテストして、ゲノムがなぜ、どのように構成されているかを調べます。は。少なくとも、「余分なレベルのコントロールが組み込まれている」ように見えると Guttman 氏は述べています。 「活性な領域と不活性な領域を作り出すことにより、核は、転写を沈黙させるタンパク質が、オンにする必要のある遺伝子を異常にオフにすることを防ぐことができます。また、その逆も同様です。」
スイスのフリードリッヒ・ミーシャー生物医学研究所の分子生物学者であるスーザン・ガッサーは、専門家は核内の位置が DNA 修復などの非常に特定のプロセスにとって重要であることを発見するだろうと考えています。 -遺伝子発現を調整します。」 DNA自体の開いた状態または凝縮された状態は、より影響力がある可能性があります。それでも、CRISPR-GO はそのアイデアをテストするために使用できると彼女は言いました。
また、発生と疾患における核組織の役割を調査するのにも役立ちます。病理学者は、核の形態学を診断ツールとして長い間使用してきました。DNA の変化した状態と分布は、特定の核体の数の増加と同様に、がんやその他の状態と相関しています。しかし、それが病気の結果なのか、それとも原因なのかは不明です.
今、Qi は、彼と他の人たちが見つけ出す立場にあると感じています。いつの日か、このシステムは探査や基礎研究だけでなく、治療手段としても使用されるかもしれない.
それでも、一部の専門家はまだ留保しています。イリノイ大学アーバナ シャンペーン校の細胞生物学者アンドリュー ベルモントは、研究者は、自分たちの技術が細胞内の自然なプロセスを正確に反映していることを確認する必要があり、テザリング手順の人為的な結果ではないことを確認する必要があると警告しています。彼と彼の同僚は、他のいくつかのグループとともに、その懸念を回避するための代替システムを開発しました。これには、通常、核体または別の核体にすでに通常関連付けられている標的 DNA 領域に天然の配列を挿入することが含まれます。それでも、彼は CRISPR-GO が大きな前進であることに同意します。
グットマンは同意した。 「これは、この分野の多くの人にとって、本当に古くて本当に重要な問題を解読し始めるための信じられないほど強力なツールになると期待しています」と彼は言いました.
