PRESS RELEASE（2024/03/21）

細胞分化で遺伝⼦が正確に働くための新たな仕組みを初解明
̶がん研究や幹細胞研究、再⽣医療など広い分野での貢献に期待̶ポイント①

細胞が分化する際、必要な遺伝⼦が正確に活性化されるための仕組み（エピゲノム制御(※1)）
は複雑で、その解明が望まれています。

②

ゲノムが巻き付くヒストンタンパク質(※2)の化学修飾の新たな機序を明らかにし、そうしたヒストン修飾による遺伝⼦制御のメカニズムの⼀端を解明しました。

③

エピゲノム制御機構の基礎的な知⾒を新たにするものであり、発⽣や幹細胞研究、再⽣医療など広い分野への貢献が期待されます。

概要
我々哺乳類などの⽣物は、受精卵から ES 細胞などの幹細胞に始まり、多種多様な細胞種で構成されていますが、そうした全く異なる細胞種を形作るためには、緻密な遺伝⼦制御が必要です。そうした遺伝⼦の活性のオン・オフを制御する仕組み（エピゲノム制御）に、エンハンサー(※3)という遺伝⼦とは別のゲノム領域による遺伝⼦制御機構があります。そうしたエンハンサー領域には、ヒストンのH3K4me1 という修飾が観察されることがよく知られていますが、その機能的役割やその修飾が付加される機序の多くが未解明なままでした。
九州⼤学⽣体防御医学研究所の久保直樹特任講師と同⼤学⽣体防御医学研究所・⾼等研究院の佐々⽊裕之特任教授・特別主幹教授、および⽶国 University of California, San Diego の Bing Ren 教授らの研究グループは、代表的なエピゲノム修飾の⼀つである、ヒストン H3K4me1 修飾が付加される新たな機序と、その遺伝⼦発現制御における機能的役割を明らかにしました。精緻な遺伝⼦制御には、ゲノム上のエンハンサー領域の関与が重要とされていますが、同領域に観察されるヒストン H3K4me1 修飾の遺伝⼦制御における機能やその詳細な修飾機序は⻑らく不明でした。同研究グループは、H3K4me1 修飾を付加することで知られる KMT2C/D の機能⽋損 ES 細胞を⽤いて、ゲノムの各エンハンサー領域と遺伝⼦が織りなすゲノム３次元構造の詳細を解析し、遠位のエンハンサーが遺伝⼦の活性に及ぼす影響の変化を観察しました。まず機能⽋損細胞では、予想に反して、H3K4me1 修飾の集積レベルがあまり変わらない KMT2C/D ⾮依存的なエンハンサー領域が数多く存在し、⼀⽅で、ES 細胞から神経前駆細胞に分化させた場合、分化過程で新たに形成されるエンハンサー領域の H3K4me1 修飾は強く阻害されていました。そしてそうした H3K4me1 修飾の消失に伴い、エンハンサーと遺伝⼦のゲノム３次元的近接も無くなっていることが新たに確認されました。さらに上述の、予想に反して多く存在していた
KMT2C/D ⾮依存的な H3K4me1 修飾は、果たして何によって修飾されているのかという新たな疑問に対し、同研究グループは、通常他の種類の修飾（H3K4me3）を⾏うことで知られていた KMT2B タンパク質に着⽬し、KMT2B が KMT2C/D ⾮依存的な H3K4me1 修飾に寄与し、かつエンハンサーとして遺伝⼦の活性化を⼿助けしていることを世界で初めて明らかにしました。
今回の発⾒は、細胞分化過程で遺伝⼦がどのように制御されるのかという、エピゲノム制御機構の基礎的な知⾒を新たにするものであり、将来的に発⽣や幹細胞研究、再⽣医療など広い分野での貢献が期待されます。本研究成果は⽶国の雑誌「Molecular Cell」に 2024 年 3 ⽉ 21 ⽇ (⽊)午前１時 (⽇本時間)に掲載されました。

図) KMT2C/D に拠らない新たな H3K4me1 修飾と遺伝⼦活性化機序【研究の背景と経緯】
我々のような⽣物個体が持つ多種多様な細胞種の形成は、タンパク質をコードする各遺伝⼦を、それぞれ適切な量だけ読み込むことから始まります。⼀⽅でゲノムのほとんどがそうしたタンパク質をコードする遺伝⼦以外の領域で占められており、そこにはエンハンサーという、遺伝⼦を的確に活性化させる働きを持つ領域が数多く散りばめられています。エンハンサーはゲノムの座標上は遺伝⼦と遠く離れていても、３次元空間的に遺伝⼦に近づき、活性化させ、その遺伝⼦由来のタンパク質産⽣をコントロールします。このようにエンハンサーの働きは、あらゆる細胞の精密な遺伝⼦制御に必須の因⼦ですが、そうしたエンハンサー領域に必ずと⾔っていいほど伴って観察されるヒストン H3K4me1 修飾については、エンハンサー領域を⽰す代表的なマーカーとしてエピゲノム研究の重要な観察対象となっているにも関わらず、その遺伝⼦制御における機能や、その修飾付加の詳細な機序など、不明な点が数多く残っていました。
【研究の内容と成果】
同研究グループは、H3K4me1 修飾を付加することで知られる KMT2C/D タンパク質の機能⽋損 ES細胞を⽤いて、H3K4me1 修飾が消失した場合の影響を、ゲノムの詳細な３次元構造解析を含め、様々な⾓度で解析を⾏いました。するとそうした機能⽋損細胞では、予想に反して、H3K4me1 修飾の集積レベルがあまり変わらない KMT2C/D ⾮依存的なエンハンサー領域が数多く存在し、⼀⽅で、ES 細胞から神経前駆細胞に分化させた場合、分化過程で新たに形成されるエンハンサー領域の H3K4me1 修飾付加は強く阻害されていました。そしてそうした H3K4me1 修飾の消失に伴い、エンハンサーと遺伝⼦の空間的相互作⽤も消失していることが新たに確認されました（図１）。しかし上述の、予想に反して多く存在していた KMT2C/D ⾮依存的な H3K4me1 修飾は、代わりに何によって修飾されているのかという疑問が新たに浮上します。そこで同研究グループは、通常他の種類の修飾（H3K4me3）を⾏うことで知られていた KMT2B タンパク質に着⽬し、同タンパク質をさらに⽋損させることで、KMT2B がKMT2C/D ⾮依存的な H3K4me1 修飾に寄与し、かつエンハンサーとして遺伝⼦の活性化を⼿助けしていることを初めて明らかにしました。

（図１）野⽣型と KMT2C/D 機能⽋損細胞の細胞分化過程におけるエンハンサー・プロモーター相互作⽤の変化
⾚⾊の弧は ESC から NPC にかけてエンハンサー・プロモーター相互作⽤の増強を⽰す。機能⽋損細胞では、そうした増強がみられない。

【今後の展開】
本研究で着⽬された KMT2 ファミリータンパクの遺伝⼦変異は急性⽩⾎病などにみられ、今後こうしたがん研究への貢献が期待されます。また今回の発⾒は、細胞分化過程で遺伝⼦がどのように制御されるのかというエピゲノム制御機構の基礎的な知⾒を新たにするものであり、将来的に発⽣や幹細胞研究、再⽣医療など広い分野での貢献も期待されます。
【⽤語解説】(※1)

エピゲノム制御

ゲノムに対して後天的に付加される情報。その実体は DNA およびそれに結合するヒストンタンパク質への化学修飾で、遺伝⼦の働きを調節する。
(※2)

ヒストンタンパク質(ヒストン修飾)

ヒトやマウスの染⾊体を構成する主要なタンパク質。これが 8 分⼦集まったヒストン⼋量体に巻き付いた DNA は、細胞核内にコンパクトに収納される。このタンパク質の⼀部にメチル基などの化学修飾（ヒストン修飾）が施されると、その領域のゲノム領域の働きが活性化されたり、抑制されたりする。
(※3)

エンハンサー

ゲノム領域で、特定の遺伝⼦の活性を座標上で離れていても⾼める役割を持ち、細胞種特異的な遺伝⼦発現制御に寄与する。活性型エンハンサー領域には⼀般的に H3K4me1 や H3K27ac などのヒストン修飾が観察される。
【謝辞】
本研究は、科学研究費新学術領域研究「全能性プログラム」(JP22H04675), 若⼿研究(JP22K15037)、特別推進研究(JP18H05214)、および NIH の 4D Nucleome Research (1U54DK107977-01)などの⽀援を受けました。

【論⽂情報】
掲載誌：Molecular Cell
タ イ ト ル ： H3K4me1 Facilitates Promoter-Enhancer Interactions and Gene Activation during
Embryonic Stem Cell Differentiation
著者名：Naoki Kubo*, Poshen B. Chen, Rong Hu, Zhen Ye, Hiroyuki Sasaki, and Bing Ren*(*Co-corresponding author)
D O I ：10.1016/j.molcel.2024.02.030【お問合せ先】＜研究に関すること＞
九州⼤学 ⽣体防御医学研究所 特任講師 久保 直樹（くぼ なおき）
TEL：092-642-6760
E-mail：naoki.kubo@bioreg.kyushu-u.ac.jp
九州⼤学 ⽣体防御医学研究所・⾼等研究院
特任教授・特別主幹教授 佐々⽊ 裕之（ささき ひろゆき）
TEL：092-642-6760
E-mail：hsasaki@bioreg.kyushu-u.ac.jp＜報道に関すること＞
九州⼤学 広報課
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