メダカのセントロメアＤＮＡ配列の部分的解読に成功

2017-12-012021-06-04

染色体の交差部位（セントロメア）が進化のカギ

科学技術振興機構（ＪＳＴ）
東京大学

ＪＳＴ戦略的創造研究推進事業において、東京大学の森下真一　教授らと武田洋幸　教授らは、長いＤＮＡ断片の解読技術を改良し、脊椎動物のモデル生物であるメダカのセントロメアＤＮＡ配列の約１０％（約１００万塩基）を解読することに成功しました。
２１世紀に入りヒトをはじめとする哺乳類を含む、脊椎動物のＤＮＡ配列の解読が進みましたが、完全には解読されておらず、いまだに脊椎動物のＤＮＡ配列には数百から数十万の解読できていない領域が残されています。とりわけ、セントロメア^注１）と呼ばれる長い領域は未解読のままでした。

本研究グループは、数万の塩基のＤＮＡ断片を解読する装置を活用し、DNA断片の解読を行いましたが、１分子のＤＮＡを直接観測するためノイズが入るといった難点がありました。今回、ノイズを取り除くために複数の補完的な手法で補正した結果、脊椎動物のモデル生物であるメダカを対象に、セントロメアのＤＮＡ配列の約１０％（約１００万塩基）を解読することに成功しました。また、セントロメア配列のＣｐＧメチル化^注２）状態の解析技術についても開発し、染色体の中心に近いほど塩基変異が有意に蓄積されることを明らかにしました。ヒトゲノムの約１～２％はセントロメア配列が占めると推定されていますが未解明であり、今回のメダカゲノムの研究はその解明への手がかりにもなると期待されます。

本研究成果は、２０１７年１１月２８日（英国時間午前１０時）発行の国際科学誌「ＮａｔｕｒｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」に掲載されます。

＜参考図＞

今回の成果の概念図

性決定遺伝子および発生生物学などの研究に１世紀近く役立ってきたメダカが、セントロメアDNA配列の生物学的な意義の解明のためにも重要なモデル生物になると期待されている。

図１

（ａ）種分化の過程にある３つの近交系メダカの地理的由来と進化系統樹。ＭＹＡは百万年前を意味する。

（ｂ）３つの近交系メダカの２番染色体でのセントロメア位置が保存されている。●はセントロメアの位置。

（ｃ）セントロメアを蛍光色素で染色した顕微鏡写真。

図２

（ａ）３．２〜３．５億年前の真骨魚類の全ゲノム重複のときに重複した染色体の中で、染色体間の大規模な変化が起こらなかった５つの染色体の組の内、４つ染色体の組において、セントロメアの位置は保存されている。●がセントロメアの位置を示す。番号は染色体番号を示し、染色体中の空白は全ゲノム重複前の領域との対応情報が不足している領域を示す。

（ｂ）セントロメアは染色体の中心だけでなく、末端部分（ａｃｒｏｃｅｎｔｒｉｃ）にも存在するが、中心に近いほど塩基の変異が有意に蓄積されやすい。

＜用語解説＞

注１）セントロメア: 染色体の短腕と長腕が交わる位置。染色体の中心に位置することが多いが、末端に存在する場合もある。ヒトゲノムの場合は１７１塩基前後のαサテライト配列が数千回から数万回繰り返していると考えられているが、未解明である。脊椎動物での繰返し配列の基本単位は種によって異なり多様であると考えられるが、未解明である。他のＤＮＡ領域に比べるとセントロメアの進化速度は非常に速く、５千万年以上前に分岐した生物種のセントロメア配列を比較すると、その相同性は２５％まで落ちることが報告されている。
注２）ＣｐＧメチル化: ＤＮＡ塩基のシトシンのメチル化とは、５位の炭素原子にメチル基が付加する反応である。脊椎動物ではシトシンのメチル化の殆どがＣｐＧ部位で起こるため、特にＣｐＧメチル化と呼ばれる。ＣｐＧメチル化は発生に必須であり、Ｘ染色体の不活性化、トランスポゾンの抑制、遺伝子発現の制御、ゲノム刷り込みなどのさまざまな機能にも関与する。セントロメア領域に代表される繰り返し配列でＣｐＧメチル化を観測することはこれまで難しかった。
注３） αサテライト配列: ヒトゲノムのセントロメア部分を構成する１７１塩基前後の基本単位。数千回から数万回繰り返していると考えられている。
注４）全ゲノム重複: ゲノム全体が重複する現象。例えば脊椎動物が分岐した初期のころ、全ゲノム重複が２回起こり、各遺伝子を４倍に増やし、脊椎動物の繁栄をもたらしたと考えられている。４倍に重複された個々の遺伝子は、進化の過程で新しい機能を獲得することもあり、一方で不要になる場合（偽遺伝子化）もある。哺乳類ゲノムではその痕跡が残り、１つの遺伝子に対して類似度が有意に高い配列が４つ見つかる場合が多い。脊椎動物内では、３．２〜３．５億年前に真骨魚類の祖先でさらにもう１回全ゲノム重複が起こっている。