細胞が絡み合ったDNAを整然とした染色体にまとめる仕組み

ヒトの細胞は核の中に長さ2メートルのらせん状のDNAを抱えており、これは染色体という46本の細い二重らせん分子に分割されている。DNAはたいてい、もつれた毛糸玉のようで、拡散し、無秩序で、混沌としている。しかし、その乱雑さが有糸分裂の際に問題を引き起こす。有糸分裂では、細胞は遺伝物質のコピーを作り、2つに分裂する必要がある。その準備として、細胞はDNAをソーセージのような密集した棒状に詰め込むことで整理する。この棒状の染色体は最もよく知られた形だ。科学者たちは、このプロセスを何十年も顕微鏡で観察してきた。DNAは凝縮して個別のユニットに組織化し、徐々に短く、広くなる。しかし、ゲノムがその構造の中でどのように折り畳まれるのか（単純に収縮するだけではないことは明らか）は謎のままだった。 「これはまさに遺伝学の核心であり、遺伝の基本的な側面であり、常に大きな謎となってきた」とマサチューセッツ大学医学部の生化学者ジョブ・デッカー氏は語った。

この謎を解くため、デッカー氏はマサチューセッツ工科大学の生物物理学者レオニード・ミルニー氏と、スコットランドのエディンバラ大学の生物学者ウィリアム・アーンショー氏と共同研究を行いました。彼らは同僚とともに、画像解析、モデリング、ゲノム解析といった手法を組み合わせ、細胞分裂中に凝縮した染色体がどのように形成されるかを解明しました。この研究結果は最近サイエンス誌*に発表され、今週号の同誌に掲載されたヨーロッパの研究チームによる実験的証拠によって部分的に裏付けられています。この研究結果は、2つのタンパク質複合体がDNAをらせん状の背骨に沿って密集したループの配列へと順次組織化する様子を描き出しています。

研究者たちは、染色体の変化を観察するための顕微鏡と、ゲノム中の配列のペアが互いに相互作用する頻度を示すマップを提供するHi-Cと呼ばれる技術を用いて、染色体に関する1分ごとのデータを収集した。そして、そのデータと照合する高度なコンピューターシミュレーションを作成し、染色体が凝縮する際に描く3次元的な経路を計算した。

彼らのモデルによれば、有糸分裂に至る過程で、2つのモーターが結合したコンデンシンIIと呼ばれる環状タンパク質分子がDNA上に着地する。それぞれのモーターは互いに結合したまま鎖に沿って反対方向に移動し、ループを形成する。モーターが動き続けると、ループはどんどん大きくなる。（ミールニーは、コンピューターの電源コードを両手で握り、指の関節を合わせ、そのコードにループを押し込むという方法で、このプロセスを実演してくれた。）数万個のこれらのタンパク質分子が働くことで、一連のループが形成される。各ループの基部に位置する環状タンパク質は、ループが広がる中央の足場を作り、染色体全体が短く硬くなる。

これらの結果は、DNAがどのようにパッケージ化されるかについての以前の提案であるループ押し出しの考えを裏付けるものとなった。（ミルニー氏によると、ループ押し出しは重複した染色体が結びついて絡まるのを防ぐ役割も担っている。ループ構造の仕組みにより、姉妹染色分体は互いに反発する。）しかし、科学者たちが次に観察したものはより驚くべきものであり、ループ押し出し仮説をさらに詳細に検証することができた。

約10分後、染色体を束ねていた核膜が崩壊し、2つ目のリング状モータータンパク質であるコンデンシンIがDNAにアクセスできるようになりました。これらの分子は、既に形成されているループに対してループ押し出しを行い、各ループを平均5つ程度の小さなループに分割しました。このようにループをネストすることで染色体は細くなり、最初のループが混ざり合ったり相互作用したりするほど大きくなるのを防ぎました。

約15分後、これらのループが形成されるにつれて、Hi-Cデータは研究者たちがさらに予想外のことを示しました。通常、DNA鎖に沿って近接する配列は相互作用する可能性が最も高く、離れた配列は相互作用する可能性が低いとされています。しかし、チームの測定結果は、「物事は（その後）ある種、円を描いて再び戻ってきました」とミルニー氏は述べています。つまり、配列間の距離がさらに広がると、再び相互作用の可能性が高くなるということです。「このデータを一目見ただけで、このようなことはかつて見たことがないと明らかでした」と彼は言います。彼のモデルは、コンデンシンII分子が、フランスのシャンボール城にある有名なレオナルドの階段のように、らせん状の足場を形成することを示唆していました。DNAの入れ子状のループは、そのらせん状の足場から階段のように放射状に広がり、染色体の特徴である円筒形の構成にぴったりと収まっていました。

「つまり、このたった一つのプロセスで、3つの問題が即座に解決されるのです」とミルニー氏は述べた。「まず足場を作り、次に染色体を直線状に整列させ、そしてそれを圧縮して細長い形状にするのです。」

「本当に驚きました」とデッカー氏は述べた。らせん軸に沿ったループの回転を観察したことがなかっただけでなく、この発見がより根本的な議論に繋がるからだ。つまり、染色体は単なるループの連続なのか、それともらせん状になっているのか？もしらせん状になっているとしたら、染色体全体がコイル状にねじれているのか、それとも内部の足場だけがねじれているのか？（今回の研究では後者を指摘している。研究者たちは、前者のらせん状に関する仮説は、過剰ならせん状化を促すような方法で染色体を分離した結果、実験上のアーティファクトに起因すると考えている。）「私たちの研究は、長年にわたり人々が収集してきた数多くの観察結果を統合するものです」とデッカー氏は述べた。

「この分析は革命的なレベルの明確さをもたらしました」と、ハーバード大学の分子生物学者ナンシー・クレックナー氏は述べた。「この分析は、染色体がこの後期段階においてどのように構成されているかを理解するための新たな時代へと私たちを導くものです。」

この分野の他の専門家たちは、これらの結果にそれほど驚きはせず、むしろ、この研究が提供した詳細な情報こそが注目に値すると考えた。フランスのソルボンヌ大学の生物物理学者、ジュリアン・モッツィコナッチ氏によると、研究者らが説明した染色体全体の集合体に関するヒントは、すでに「漠然としていた」という。モッツィコナッチ氏によると、この研究のより斬新な点は、研究者らがHi-Cデータを時間の関数として収集し、ループやらせんの回転の大きさといった具体的な制約を正確に特定できた点にあるという。「これは、人々が考えていたことを初めて明らかにする、技術的な偉業だと思います」と彼は述べた。

それでも、デッカー氏は、コンデンシンがこの過程に関与していることは以前から知られており、また同氏のグループが現在では「細胞が染色体を折りたたむのに使う分子の手」のより具体的な役割を特定しているにもかかわらず、科学者たちはその仕組みをまだ正確には理解していないと警告した。

「コンデンシンがこのように有糸分裂期の染色体を組織化しているとしたら、それはどのようにして行うのでしょうか？」と、オックスフォード大学の生化学者でループ押し出し仮説の先駆者であるキム・ナスミス氏は述べた。「分子メカニズムが解明されるまでは、コンデンシンが本当にこれらすべてを駆動しているのかどうか、確かなことは言えません。」

ここで、ドイツの欧州分子生物学研究所の生化学者クリスチャン・ヘリング氏と、オランダのデルフト工科大学の生物物理学者（ジョブ・デッカー氏とは無関係）の二人が登場する。昨年、二人は同僚と共に、コンデンシンが試験管内でDNAに沿って移動することを初めて直接実証した。これはループ押し出しが成立するための前提条件である。そして今週号のScience誌で、彼らは酵母内で単離されたコンデンシン分子がDNAループを押し出す様子をリアルタイムで観察したと報告した。「ついに、これが起こっているという視覚的な証拠が得られたのです」とヘリング氏は述べた。

そして、ミルニーと彼のチームがより大きなループの形成について予測した通り、ほぼ正確に現象が起きた。ただし、試験管内実験ではループが非対称に形成された。コンデンシンはDNAに着地し、ミルニーが当初想定した両方向からの巻き込みではなく、片側からのみDNAを巻き込んだのだ。（実験では酵母由来のコンデンシンが使用され、一度に1つの分子しか調べられなかったため、ミルニーのモデルの他の側面、すなわち入れ子状のループとらせん状の骨格については、確認も反証もできなかった。）

研究者たちがその生化学を完全に解明し、染色体がどのようにほどけるかについても同様の研究を実施すれば、ジョブ・デッカーとミルニーは、その研究が幅広い実用的・理論的応用につながると考えている。例えば、この研究は将来のがん治療に役立てられる可能性がある。がん細胞は分裂が速く、頻繁に起こるため、「そのプロセスについて私たちが知っていることはすべて、がん細胞を特異的に標的とするのに役立ちます」とデッカーは述べた。

この研究は、分裂していない細胞の染色体で何が起こっているかを解明する手がかりとなる可能性もある。「細胞が染色体に対して行う他のあらゆる活動にも、より広範な影響を与えると私は考えています」とジョブ・デッカー氏は述べた。彼と同僚が研究しているコンデンシンには、コヒーシンと呼ばれる近縁種があり、DNAが圧縮されていない時でもゲノムの組織化とループ形成を助けている。この折り畳み過程は遺伝子発現に影響を与える可能性がある。ループ押し出しは、基本的に、拡大または縮小するループの基部で、たとえ短時間であっても、遺伝子座のペアを接近させる。これは、遺伝子が染色体上のかなり離れた位置にある調節因子と物理的に接触しなければならない遺伝子調節において、まさに起こっている可能性がある現象である。「私たちは今、この過程を研究するための非常に強力なシステムを手に入れました」とデッカー氏は述べた。

「細胞周期のさまざまな段階で学べることの間には、信じられないほどの相乗効果があると思います」と、カリフォルニア大学サンフランシスコ校のポスドク研究員で、以前はミルニーの研究室で働いていたジェフ・フデンバーグ氏は付け加えた。染色体が有糸分裂中にどのようにしてこのような「劇的な変化」を遂げるのかを理解することで、細胞が分裂しておらず、特定の活動や挙動があまり明らかでないときに、染色体が「表面下」で何をしているのかについても多くのことが明らかになる可能性があると彼は述べた。

ミルニー氏は、この種のフォールディングは、細胞内の形状や構造の能動的な変化を伴う他のプロセスについても知見をもたらす可能性があると指摘する。タンパク質は主に相互作用によってフォールディングされるが、細胞質内では運動プロセスによって細胞骨格が形成される。「染色体はその中間的な存在である可能性があると、私たちは今や気づきました」とミルニー氏は述べた。「こうした能動的なシステムがどのように自己組織化して複雑なパターンや重要な構造を作り出すのか、より深く理解する必要があります。」

それが可能になる前に、研究者たちは、ジョブ・デッカー氏が「大きな謎」と呼ぶものに対して、自らが提案した解決策を確認し、具体化する必要がある。クレックナー氏もまた大きな期待を抱いている。「この研究は、何が起こっているのかを考えるための全く新しい方法の基盤を築くものです」と彼女は述べた。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。