遺伝子スケールのクロマチンを設計し再構成する~3次元DNA構造の構築原理に迫る、ゲノム物理の新基盤~

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2025-11-20 理化学研究所,東京大学,立命館大学,科学技術振興機構

理研・生命機能科学研究センターらの共同研究チームは、ヒストン修飾パターンを設計可能な長鎖クロマチン(約2万塩基対・96個のヌクレオソームから構成)を試験管内で再構成する技術を開発しました。この手法により、ヒストンのアセチル化密度や修飾パターンの違いが、ヌクレオソーム間の接触頻度や構造のゆらぎ(ダイナミクス)に直接影響を与えることを一分子レベルで観察・定量化しました。具体的には、アセチル化が高いほど構造のゆらぎが大きく、構造変化に要する時間も長くなる傾向が確認されました。さらに低塩濃度条件下ではこの違いが見えなくなるなど、環境条件との相互作用も明らかになりました。結果として、細胞核内でゲノム構造がどのように設計・制御されているかを理解するための新たな定量的基盤を提供し、将来的にはヒストン修飾パターンからクロマチン構造や遺伝子発現・細胞機能を制御する技術開発につながる可能性を示しています。

遺伝子スケールのクロマチンを設計し再構成する~3次元DNA構造の構築原理に迫る、ゲノム物理の新基盤~
96個のヌクレオソームが数珠つなぎになった再構成「長鎖クロマチン」

<関連情報>

遺伝子規模のin vitro再構成により、ヒストンのアセチル化がクロマチン構造を直接制御することが明らかになった Gene-scale in vitro reconstitution reveals histone acetylation directly controls chromatin architecture

Yohsuke T. Fukai, Tomoya Kujirai, Masatoshi Wakamori, Setsuko Kanamura, […] , and Kyogo Kawaguchi
Science Advances  Published:19 Nov 2025
DOI:https://doi.org/10.1126/sciadv.adx9282

Abstract

Understanding how epigenetic modifications intrinsically shape gene-scale chromatin architecture remains challenging due to difficulties in reconstituting and characterizing sufficiently long arrays with defined modification patterns. Here, we overcome this barrier by reconstituting 20-kilobase (96-nucleosome) chromatin arrays with modification patterns precisely controlled at 12-nucleosome resolution. Single-molecule microscopy reveals the dynamics governed by hydrodynamic interactions, demonstrating that increasing histone H4 acetylation density enhances structural fluctuations and relaxation times. In vitro Hi-C reveals power-law decay of the nucleosome contacts consistent with the Gaussian chain, which is globally reduced by acetylation. We also observe that heterogeneous modification patterns alone are sufficient to create distinct structural domains reminiscent of higher-order chromatin organization. These findings establish how histone modifications modulate chromatin architecture via changes in local stiffness and nucleosome interactions, providing a quantitative framework for genome organization.

細胞遺伝子工学
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