2021-05-28 国立遺伝学研究所
染色体が細胞の核のなかでどのように配置されるのかは、細胞生物学の古典的な問題であり、19世紀から議論がありました。染色体の核内配置は、各染色体が核内にそれぞれの領域を保持する「染色体テリトリー」型と、各染色体のセントロメアやテロメアが核内の一部分に集合して配置される「Rabl」型の2つに分けることができます (図A)。例えば、菌類の細胞はRabl型で、ヒト細胞はテリトリー型であることが知られています。しかしながら、両者がどのような分子メカニズムで作り出されるのかは全く不明でした。
オランダガン研究所B.D. Rowlandとボイヤー医科大学E. Lieberman-Aiden(遺伝研・国際戦略アドバイザー)率いる国際共同研究チームは、真核生物全体をほぼカバーする24種の生物のゲノム配列とその核内3次元構造をHi-C法を用いて決定しました (図B)。その結果、染色体の核内配置でRabl型をとる多くの生物は、コンデンシンIIのサブユニットが欠損していることを見出しました。コンデンシンは染色体形成に必須なタンパク質複合体であり、5個のサブユニットから出来ています。セキツイ動物ではコンデンシンIとIIの二種類が存在することが知られています。
実際、国際共同研究チームがヒト培養細胞で、コンデンシンIIを除去すると、各染色体のセントロメアが集合するようになり、Rabl型に近い核内配置となりました (図C)。コンデンシンIIは細胞分裂時の染色体形成において、染色体の長さを短くする機能を持ちます。さらに、計算機シミュレーションをおこない、細胞分裂時に染色体を短くすると、染色体テリトリー型の配置になりやすくなることを示しました。一方、染色体が短くならないと、染色体分配後、セントロメアが集合したままになり、それに付随してテロメアも集合しやすくなり、Rabl型になります(図C)。
またE. Lieberman-Aidenと国立遺伝研の共同研究より、近縁で染色体の長さが大きく異なるホエジカのHi-Cゲノム解析をおこないました。その結果、長い染色体をもつインドホエジカはRabl型で、短い染色体をもつ中国ホエジカはテリトリー型の配置であることが分かり、染色体の長さが核内配置に重要であることのさらなる示唆が得られました。遺伝研の貢献部分は文部科学省科研費 学術変革領域A「ゲノムモダリティ」(20H05936)の支援を受けています。
図:日本語(50-150字程度):(A) Hi-Cマップによる染色体の核内配置の分類。一番上は染色体テリトリー型、下の3つはRabl型で個々の染色体のセントロメア(テロメアの場合もある)が集合している特徴をもつ。(B)真核生物をカバーする24種の生物 (動物 (中央の系統樹の黄領域)、植物(緑)、菌類(青)のHi-Cマップとその生物におけるコンデンシンIIの5つのサブユニットの有無(○有り、●なし)。欠損サブユニットがある場合、Con IIΔと表示している。(C) モデル図。Condensin IIによって細胞分裂中、染色体が短くなるとテリトリー型の配置となり、短くならないとRabl型の配置となる。
3D genomics across the tree of life reveals condensin II as a determinant of architecture type
Hoencamp, C., Dudchenko, O., Elbatsh, A. M.O., Brahmachari, S., Raaijmakers, J. A., van Schaik, T., Cacciatore, Á. S., Contessoto, V., van Heesbeen, R. G.H.P., van den Broek, B., Mhaskar, A. N., Teunissen, H., St Hilaire, B. G., Weisz, D., Omer, A. D., Pham, M., Colaric, Z., Yang, Z., Rao, S. S.P., Mitra, N., Lui, C., Yao, W., Khan, R., Moroz, L. L., Kohn, A., St. Leger, J., Mena, A., Holcroft, K., Gambetta, M. C., Lim, F., Farley, E., Stein, N., Haddad, A., Chauss, D., Mutlu, A. S., Wang, M. C., Young, N. D., Hildebrandt, E., Cheng, H. H., Knight, C. J., Burnham, T. L.U., Hovel, K. A., Beel, A. J., Mattei, P.-J., Kornberg, R. D., Warren, W. C., Cary, G., Gómez-Skarmeta, J. L., Hinman, V., Lindblad-Toh, K., di Palma, F., Maeshima, K., Multani, A. S., Pathak, S., Nel-Themaat, L., Behringer, R. R., Kaur, P., Medema, R. H., van Steensel, B., de Wit, E., Onuchic, J. N., Di Pierro, M., Lieberman-Aiden, E., Rowland, B. D.
Science 372, 984-989 (2021) DOI:10.1126/science.abe2218
