内在性レトロウイルスを抑え込む普遍的な仕組み~抑制性ヒストン修飾の体細胞での機能を解明~

ad
ad

2018-05-08 理化学研究所,京都大学

理化学研究所(理研)眞貝細胞記憶研究室の加藤雅紀協力研究員(研究当時)、開拓研究本部眞貝細胞記憶研究室の眞貝洋一主任研究員と京都大学ウイルス・再生医科学研究所竹本経緯子助教らの共同研究チームは、哺乳動物の体細胞で内在性レトロウイルス(ERV)[1]の発現を抑制する普遍的な仕組みを明らかにしました。

本研究成果は、ERVの発現が引き起こす自己免疫疾患[2]などの原因解明に役立つと期待できます。

哺乳動物のゲノム中、ERV由来の配列は約10%存在します。ERVの異常な発現は、近傍遺伝子の発現への影響や、ERV由来RNAに対する免疫応答反応を引き起こします。体細胞におけるERVの抑制には、DNAのメチル化[3]が重要な役割を果たしています。今回、共同研究チームは、ヒストンの9番目のリジンのトリメチル化(H3K9me3)修飾を担うヒストンメチル化酵素Setdb1遺伝子をさまざまな種類のマウス体細胞でノックアウト[4]し、ERVの脱抑制を網羅的に検証しました。その結果、Setdb1ノックアウト体細胞ではERV領域のH3K9me3修飾が一様に低下するが、それぞれの細胞に特徴的なERVの種類が脱抑制することが明らかになりました。また、DNAのメチル化はERVの抑制には限定的であること、組織特異的な転写因子[5]がERVの発現に重要であることが分かりました。本研究により、H3K9me3は従来の見解と異なり、どの細胞種においても普遍的な抑制エピゲノムとしてERVの抑制に寄与する可能性を提示しました。

本研究は、国際科学雑誌『Nature Communications』(4月27日付)に掲載されました。

※研究支援

本研究は、日本医療研究開発機構(AMED)国際科学技術共同研究推進事業(戦略的国際共同研究プログラム「細胞移植治療の実現に向けた細胞アイデンティティー制御」)による支援を受けて行われました。

背景

哺乳動物のゲノムの約半分は、動く遺伝子とも呼ばれるトランスポゾン[6]由来の配列で占められています。なかでも内在性レトロウイルス(ERV)由来の配列は、ゲノムの約10%存在しています。ERVの異常発現は、近傍遺伝子の発現への影響やゲノムの不安定性、ERV由来RNAに対する免疫応答反応を引き起こすことが知られています。このため、エピジェネティック修飾[7]と呼ばれるDNAのメチル化やヒストン修飾[8]によって、ERVの発現は抑制されています。

DNAのメチル化は酵素Dnmt1によって維持されており、Dnmt1遺伝子のノックアウトマウスの胎児では、ERVの一種であるIAP(intracisternal A particles)の転写が劇的に上昇します注1)。このことから、体細胞におけるERVの抑制にはDNAのメチル化が重要であると考えられてきました。

一方、胚の発生初期や始原生殖細胞の発生時期には、DNAのメチル化が大きく低下します。そのため、DNAのメチル化に代わるバックアップ機構として、ヒストンH3の9番目のリジンのトリメチル化(H3K9me3)およびその修飾を行うヒストンメチル化酵素Setdb1が重要な役割を果たすことが報告されています注2)

しかし、これまで体細胞のERV領域におけるH3K9me3修飾の役割については明らかになっていませんでした。

注1)Walsh C P, Chaillet J R & Bestor T H. Transcription of IAP endogenous retroviruses is constrained by cytosine methylation. Nat Genet. 20, 116-7.(1998)
注2)Matsui T, Leung D, Miyashita H, Maksakova I A, Miyachi H, Kimura H, Tachibana M, Lorincz M C & Shinkai Y. Proviral silencing in embryonic stem cells requires the histone methyltransferase ESET. Nature 464, 927-31.(2010)

研究手法と成果

共同研究チームは、H3K9me3修飾を担うヒストンメチル化酵素の一つであるSetdb1遺伝子をマウスES細胞[9]およびさまざまな体細胞でノックアウトし、ERVが脱抑制するか、次世代シーケンサー[10]を用いて網羅的に検証しました。その結果、ES細胞のみならず、体細胞においても、それぞれの細胞に特異的なERVの種類が脱抑制することが明らかになりました(図1)。

さらに、マウス線維芽細胞[11]Setdb1ノックアウト細胞を作製し、それぞれのERV領域におけるH3K9me3の量を網羅的に検証したところ、ほぼ全てのERV領域でH3K9me3の減少が見られました。ただし、マウス線維芽細胞では主にVL30ファミリー[12]に属するERVのみが脱抑制することから、H3K9me3はほぼ全てのERVの発現を抑制しうるが、それに加えて発現を調節する仕組みが存在する可能性が考えられます。

共同研究チームは、このVL30ファミリーに注目し、Setdb1ノックアウトマウス線維芽細胞では、LTR[13]のクラスによって4種類ある中でもクラス1のみしか脱抑制しないことを見いだしました。マウスゲノム中に存在するVL30クラス1は71コピーですが、コピーごとに脱抑制度合いが異なります。脱抑制の弱いコピーのDNA配列に注目すると、MAPK経路[14]の下流に位置する転写因子の結合配列が破壊されていることから、MAPK経路がVL30クラス1の発現に重要であることが明らかになりました。

また、DNAのメチル化を担う酵素であるDnmt1をマウス線維芽細胞でノックダウン[15]したところ、予想に反してほとんどのERVは脱抑制せず、IAPファミリーのみ脱抑制することが明らかとなりました。またSetdb1のノックアウトによってもDNAのメチル化は減少しませんでした。これらの結果から、DNAのメチル化はERVの抑制に対して限定的であること、ヒストンH3K9me3がどの細胞種においても普遍的にERVの抑制に寄与しうること、しかしERVが脱抑制するためにはそれぞれの細胞種においてそれぞれのERVに必須な転写因子の活性化が必要であることを示しています(図2)。

今後の期待

これまで、DNAのメチル化が体細胞においては一般的にERVの発現抑制に重要であると考えられていましたが、本研究の結果から、ヒストンH3K9me3修飾がERVの抑制に普遍的な役割を持つ可能性が明らかとなりました。

ERVの異常な発現は自己免疫疾患を引き起こすことが示されており、ERVの抑制機構についての研究は、将来的には自己免疫疾患の発症メカニズムの解明につながると期待できます。

原論文情報
  • Masaki Kato, Keiko Takemoto, Yoichi Shinkai, “A somatic role for the histone methyltransferase Setdb1 in endogenous retrovirus silencing”, Nature Communications, 10.1038/s41467-018-04132-9
発表者

理化学研究所
開拓研究本部 主任研究員研究室 眞貝細胞記憶研究室
協力研究員(研究当時) 加藤 雅紀(かとう まさき)
(現 生命医科学研究センター トランスプリクトーム研究チーム 上級研究員)
主任研究員 眞貝 洋一(しんかい よういち)

タイトルとURLをコピーしました