研究プロジェクト

クロマチン・デコーディング
研究代表者

石川 冬木｜京都大学大学院生命科学研究科教授

細胞の中心には核が存在し、その中には生命体の設計図であるDNAが存在する。
約2万個の遺伝子からなるゲノムDNAは、紙に書かれた設計図とは異なり、必要な場合には効率よく読み取られ、必要ないときには奥深くしまっておく動的な出し入れをおこなう。
このようなゲノムの動的制御は、DNAが蛋白質と結合してクロマチンとして振る舞うことで初めて可能である。
本研究では、クロマチンの時空間における制御機構研究の現状と今後の方向性を議論する。

研究目的と方法
クロマチンの最小単位は、約146塩基対のDNAが8個のヒストン蛋白質複合体（ヒストンオクタマー）の周囲に約1.75回巻き付くヌクレオソームである。
ヒストンの研究は半世紀前にさかのぼり、1990年代には、ヌクレオソームの原子レベルでの構造解析が行われた。
一方、同じ頃より、ヒストンのアセチル化をはじめとする化学修飾とクロマチン構造機能との関連がヒストンコードとして提唱され、これまでにヒストンを構成する数多くのアミノ酸の特異的な化学修飾が同定され、それぞれのコードが意味する生物学的意義と、実際に修飾を行う酵素が数多く同定されてきた。
特に、2000年代より格段の進歩を示した高効率DNA塩基配列決定装置（Next generation sequencing、以下NGS）の応用によって、特定の細胞の特定の機能段階で、どのようなヒストン修飾がもたらされるのかをゲ

参加研究者リスト31

ノムワイドで解析することが可能となり、ヒストンの動的変化の解析が大きく進歩した。
ヒストンコードに代表されるDNAと蛋白質の離合集散制御は、クロマチン研

氏名

所属・役職

石川 冬木

京都大学大学院生命科学研究科教授

究の枠組みと方法論は研究の拡がりをもたらす一方で、研究方法が定型化した

有吉 眞理子京都大学大学院工学研究科特任研究員

ことによって研究の深みの重層化に必ずしも大きな貢献をしたとは限らなかった。

五十嵐 和彦東北大学大学院医学系研究科教授

本研究においては、ポスト・ヒストンコードにおける新たなクロマチン研究の方向

石井 俊輔

理化学研究所石井分子遺伝学研究室上席研究員

性を検討した。

岩間 厚志

千葉大学大学院医学研究院教授

上田 泰己

東京大学大学院医学系研究科教授

太田 邦史

東京大学大学院総合文化研究科教授

影山 龍一郎京都大学ウイルス研究所教授／物質−細胞統合システム拠点副拠点長

木村 宏

東京工業大学大学院生命理工学研究科教授

胡桃坂 仁志早稲田大学理工学術院先進理工学研究科教授

定家 真人

京都大学大学院生命科学研究科助教

塩見美喜子

東京大学大学院理学系研究科教授

白髭 克彦

東京大学分子細胞生物学研究所教授

眞貝 洋一

理化学研究所眞貝細胞記憶研究室主任研究員

立花 誠

徳島大学疾患酵素学センター教授

樽本 雄介

京都大学大学院生命科学研究科助教

中西 真

名古屋市立大学大学院医学研究科教授

中山 潤一

名古屋市立大学大学院システム自然科学研究科教授

西田 栄介

京都大学大学院生命科学研究科教授

平岡 泰

大阪大学大学院生命機能研究科教授

深川 竜郎

国立遺伝学研究所分子遺伝研究部門教授
大阪大学大学院生命機能研究科教授

舛本 寛

かずさＤＮＡ研究所細胞工学研究室室長

村上 洋太

北海道大学大学院理学研究院教授

ン修飾を特異的に認識する抗体を用いて解析されてきた（図１）。
しかし、抗体本橋 ほづみ東北大学加齢医学研究所教授を用いた実験は、細胞や組織を生化学的に抽出あるいは固定した後に行われ森川 耿右

京都大学大学院生命科学研究科研究員

研究プロジェクトの総括
本研究では、３回の研究会と１回の高等研カンファランスを開催して討論を行った。

研究会
第１回（2014年３月28〜30日）、第２回（2015年3月19日〜21日）、第３回（2015年12月19日〜20日）の研究会を実施した。研究会で行われた発表の中で特筆すべきものを以下に示す。
クロマチンの基本構造は、ゲノムDNAとヒストン蛋白質からなるヌクレオソームであり、ゲノム機能は、DNA配列によって規定されるだけではなく、ヒストン蛋白質のメチル化、アセチル化、リン酸化、ユビキチン化などのクロマチン蛋白質の化学修飾によって制御される。
たとえば、ヒストンH3の9番目のリジン残基（H3K9）
は、アセチル化もしくはメチル化を受け、アセチル化H3K9は結合DNA遺伝子の活性化、メチル化H3K9は抑制をもたらす（図１）。
これらのヒストン修飾の有無は、従来、アセチル化H3K9などの特定のヒスト

研究活動るため、生きた細胞・組織内で、特定のヒストン修飾がどのような時空する最も重要な生命素反応の様式が原子レベルで解析された成果間的変化を示すのかを経時的に追跡することはできなかった。

が発表される一方、ゲノム機能の網羅的解析、核内染色体空間の3次H3K9のメチル化

H3K9のアセチル化元解析、マウスを用いた中枢神経機能とクロマチンに関する発表があった。
高等研レクチャー「クロマチン・デコーディング」
では、Thomas R

遺伝子発現の制御

遺伝子発現の活性化

図1 ヒストンの化学修飾と遺伝子活性

Cech博士、John Abelson博士、Timothy J Richmond博士による若手研究者、大学院・学部学生向きの講演が行われ、230名にものぼる大勢の聴衆を集めた。講演後の活発な質疑など、今後にクロマチ8個のヒストン蛋白質が複合体（ヒストンオクタマー、図では黄色の円盤で模式的に示されている）を作り、DNAがその周囲に巻き付いている（円盤の周囲の黒線で示されている）。特定のヒストン蛋白質化学修飾（緑四角あるいは赤丸で示されている）は特異抗体で検出できる。

ン研究に携わる若い研究者の本分野に対する知的好奇心を刺激す

木村宏氏
（東工大）
は、アセチル化H3K9を特異的に認識するモノクとをまとめると以下の通りである。

るよい機会となった。
以上の研究会とカンファランスにおける討議から明らかになったこ

ローナル抗体を産生するハイブリドーマから、抗原であるアセチル化１）遺伝子機能を理解する上でヒストン・ヌクレオソーム機能制御をH3K9を認識する抗体認識部位に相当する遺伝子をクローニングし、明らかにすることは益々重要になっている。
ヌクレオソームの静的なそれをGFP蛋白質などの蛍光蛋白質と融合させて細胞内で発現する

スナップショットはこれまでの研究によって十分なデータの蓄積があ（modiﬁcation-speciﬁc intracellular antibody, mintbody）
ことにる。今後、ヌクレオソームのDNAへの取り込み・離脱反応、複数のヌクより、生細胞、正組織における各細胞のアセチル化H3K9量、分布を時レオソームがどのような高次構造をとるのか、各種ヒストンコードの空間にわたって追跡することに成功した（Scientiﬁc Reports, 3:組み合わせの生物学的意義、クロマチン修飾の動的側面の解析など

2436, 2013）。
この成果は、組織・個体の発生、老化、病態における特が重要であると思われた。

定のヒストン化学修飾の変化を追跡することを可能にし、それらの修飾

２）RNAはDNAにコードされた遺伝子が転写によって生み出される。

ヒストンが生理的・病理的生命現象に果たす役割を明らかにする突破

一方、転写されたRNAにはさまざまな因子が結合することができ、口を開いたといえ重要である。

RNAとそれを生み出したDNAの相補性を用いることによって、それら小布施力史氏（北大）
は、プロテオミクス解析とゲノミクス解析を巧の因子を当該遺伝子領域にリクルートすることができる。
このように、みに組み合わせて、ヘテロクロマチン蛋白質HP1の新たな機能を紹

RNAはDNA転写反応を介した最も直接的なフィードバック機構を介した。非相同組換え（NHEJ）と相同組換え（HR）
はDNA損傷修復構成する。今後、それを利用したクロマチン制御機構の更なる解明がにおける二つの主要な経路であり、どちらが優先されるかは細胞が増期待される。

殖する過程で切り替わることが知られている。例えば、NHEJが起こる

３）遺伝子は、「DNA→RNA→蛋白質」のセントラル・ドグマによって際には、DNA切断部位に53BP1タンパク質を介してRIF1タンパク質一方的に環境に働きかけるのではない。遺伝子は、環境の変化を感が集積し、HRが阻害される。小布施氏が同定した新規のHP1結合タ知し生物の生存・再生産を有利におこなうために、環境と双方向性のンパク質は、この53BP1と細胞周期依存的に相互作用することで反応を行っている。今後、老化、がん、脳機能など、画一的な実験環境

Rif1の集積を阻害し、代わりにBRCA1タンパク質の集積を促進する

下ではなく、野生環境下で重要な意味をもつ高次生命現象の理解のことにより、HRを促進することが明らかとなった。
つまり、53BP1をためには、環境→遺伝子の逆方向性作用（retrograde response）軸としたRIF1とHP1のタンパク質結合の切り替えが、NHEJとHRのに注目する必要がある。

どちらの経路を選択するかの分子機構の一つであるというモデルを提唱した。
すなわち、HPとそれに結合する蛋白質の機能に依存して染色体の遺伝子組換え機構が変換される事実が明らかとなった。

おわりに本研究会における討論によって、それぞれの研究者が、今後のクロマチン研究の方向性に関して、それぞれのアイディアを胸に秘めるこ

高等研カンファランス「クロマチン・デコーディング」とができた。本研究会を開催して下さった国際高等研究所に深甚の2014年5月12日〜15日に国際高等研究所にて高等研カンファラン謝意を表するものである。
また、本研究会参加者は、今後同様の活動

ス「クロマチン・デコーディング」、5月16日には東京大学伊東謝恩ホー（大人の染色体ワークショップ）を継続することを誓い、2016年度にルにて高等研レクチャー「クロマチン・デコーディング」を開催した。

はその第１回会議を開催する予定であることを報告したい。
これも本高等研カンファランスには、海外よりThomas R Cech博士（コロ研究会の貴重な成果のひとつである。

ラド大学）、John Abelson博士（UCSF, USA）、Timothy J Richmond博士（ETH Zurich）
をはじめとする9名の研究者、国内より16名の研究者を招へいし、「クロマチン・デコーディング」に関する活発な発表・討論を行った。会議は、“Telomere and centromerechromatin”、“Structural aspects of chromatin decoding”、“Transcriptional decoding of chromatin”、“Chromatin-RNAinterface”、“Molecular decoding”、“Extended phenotypesof chromatin”のセッションに従って行われた。
遺伝子転写反応や蛋白質翻訳反応などのセントラルドグマに相当

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