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島根医学 第)/巻 第 )号 $〜2頁('0/)1月)

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【第122回生涯教育講座】!"#$%&'(%)*+,-%-./'0123456
か加とう藤ひろ太

あき陽

うら浦の野たけし健

キーワード：熱ショックタンパク質, エピジェネティクス,
3"#4, ヘテロクロマチン

要旨

真核生物は, !"#の配列変化によらず細胞の形質を変化させる仕組みである エピジェ
ネティクスをもっている｡ 電子顕微鏡観察により密度の高い染色質として知られるヘテロクロマチンは, その中に含まれる遺伝子の発現をエピジェネティックに抑制する染色体構造である｡ その構造の形成には !"#のシトシン残基のメチル化やヒストンの翻訳後修飾が関与する｡ ヘテロクロマチン構築メカニズムの理解は, 分裂酵母やハエなどの単純なモデル生物で先行している｡ 分裂酵母には, 非コード 3"#を用いた 3"#干渉 (3"#4)
によってヘテロクロマチンを形成する 3"#4依存的ヘテロクロマチン形成経路が存在する｡ 著者らは最近, この経路に関わる因子として, +つの熱ショックタンパク質 (&5610と 7859) を発見した｡ 本総説では, 3"#4依存的ヘテロクロマチン形成経路について概論し, その制御因子として熱ショックタンパク質が発見された意義について考察する｡!. はじめに質 (&'#, &'(, &), &*) が+分子ずつ集合した,量体に, 約*.塩基対の !"#が超らせんと真核生物と原核生物の細胞学的な違いは, 遺伝して巻き付いた構造である｡ ヒストン分子は, 中情報の本体である染色体 !"#を核に収めている央の顆粒形成領域 (ヒストンコア) ばかりではなかどうかである｡ 更に微細なスケールで眺めると,く, そのコア領域から突出したＮ末端やＣ末端部

真核生物の染色体は原核生物にない特徴をもって分にも塩基性アミノ酸を豊富に含む尾部 (ヒストいる｡ それは, ヌクレオソームである (図$)｡ンテイル) をもっている｡ これらの塩基性アミノヌクレオソームとは, %種類のヒストンタンパク酸は骨格にリン酸をもつ !"#と強い親和性をも"#$%&'()*+,- %.#/
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島根大学医学部病態生化学
連絡先：〒:1);/90-出雲市塩冶町/1;
島根大学医学部病態生化学

つ｡ このため, 転写調節因子の認識配列を含む!"#領域にヌクレオソームが形成されると, その転写調節因子が !"#に作用できず, 転写を開: ( 5::)島根医学 第<>巻

第 <号 :65>(平成<6年 ?月)

図". ヌクレオソーム@種類のヒストン分子, !:" (黄色), !:A(赤), !<(青) および !7(緑) をB分子ずつ含むC量体が作るヒストンコアに 12" (橙) が巻き付き, ヌクレオソームを形成する｡ この図は, 公共データベース D1Aに登録された 5"EFを元に作成した｡ !:"と !:AのＮ末端とＣ末端のテイル, !<と !7のＮ末端テイルの付け根が位置する部分を点線で示す｡ これらのヒストンテイルは決まった構造をとらないため構造を解くことが難しい｡

始することができない｡ ヒストンアセチル化酵素

エピジェネティクスが深く関与することから容易(!"#, $%&'()*+,*'-.
'/+)&
0*/+&*) によるヒスに推察されるように, がん細胞においてはエピトンのアセチル化は, ヒストンの塩基性を中和し,ジェネティックな異常が頻繁に観察される｡ よく12"との親和性を弱める｡ 一方, ヒストン脱ア知られる 12"メチル化の異常に加え, ヒストンセチル化酵素 (!1"3, $%&'()*4*+,*'-.
+&*) は翻訳後修飾の異常も既に56年以上前から議論されアセチル化ヒストンからアセチル基を取り除き,ている｡ 特にがんに特徴的な異常として有名なのヒストンと 12"の相互作用を強固にする｡ ヒスは, ヒストン !7の5
8番目のリジンのアセチル化

トンはアセチル化以外にも, メチル化, リン酸化(!7958",) と:6番目のリジンのトリメチル化やユビキチン化などの翻訳後修飾を受けることが(!79:6;*<) の大幅なレベル低下である5)｡ また,知られており, これらのヒストンの翻訳後修飾は!1"3阻害剤とがんとの関係は:6年も前に遡る

クロマチンのエピジェネティック制御と密接に関ことができる｡ がん細胞の増殖を抑制する天然化係する｡

合物トリコスタチンＡの発見は, その阻害対象タ!. がんとエピジェネティクス

ンパク質である !1"3が発見される以前の出来事であった:)｡ 近年は次世代シーケンシング技術

細胞は, その分化状態に見合った遺伝子発現パの目覚ましい発展により, !1"3や !=#などターンを確立し維持する｡ この遺伝子発現制御にのエピジェネティクス制御因子をコードする遺伝島根医学 第"P巻

第 "号 %QK
P(平成"Q年 @月)

(K%")

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子の変異が, がんゲノムに頻繁に見つかるように分裂酵母はもうひとつの重要なモデル生物であなった｡ また, 脳腫瘍を誘発するドライバー変異る出芽酵母 (!(""#()&*+",'",),/$'$(,) と混同として, ヒストン !"バリアントのひとつである

されることがあるが, このEつの酵母は進化上極

ヒストン !"#"の変異 ($%&', (")*, (")+)めて離れた関係にある｡ 分裂酵母が出芽酵母と進が見つかっており, ヒストンの翻訳後修飾を介し化上分岐したのはF〜G億年前だと見積もられてたエピジェネティク制御の乱れが細胞のがん化とおり, この距離は哺乳類と真菌の距離に匹敵す密接に関連することが示唆されている")｡ これらる))｡ ヒトと出芽酵母の間では保存されていないの変異とがんの関係を理解するためには, 転写が多くの遺伝子がヒトと分裂酵母の間で保存されて活発あるいは不活発な個々のクロマチン構造がどいるなど, ヒトと分裂酵母は様々な生物学的側面のように確立され, 維持されるかを理解する必要において類似している｡ 出芽酵母は分子生物学のがある｡ しかしながら, ヒトを対象とした研究の発 展 に 大 き く 貢 献 し た 生 物 だ が , !"$@01やみでその全容を把握するのは困難であり, モデル!"$%&01を介さない独特の遺伝子サイレンシン生物における知見との照らし合わせによって徐々グ機構を採用しているため, 残念ながらヒトにおに理解が深まってきているのが実情である｡

けるヘテロクロマチン形成メカニズムを理解する!. ヘテロクロマチンを理解するためのモデル生物としての分裂酵母ためのモデル生物とは言えない｡ 一方, 分裂酵母
で見つかるヘテロクロマチン形成因子の多くがヒトにも見つかっており, 分裂酵母はヒトとよく似ヒトのヘテロクロマチンは, ,-.がメチル化た分子メカニズムでヘテロクロマチンを形成する

され, ヒストンが脱アセチル化されるだけでなく,と考えられている｡ ただし, 分裂酵母のヘテロク

ヒストン !"の/番目あるいは%&番目のリジン残ロマチンはヒトと違い ,-.がメチル化されない基のメチル化によって特徴づけられる｡ %&番目のので, この点には注意が必要である｡

メチル化 (!"$%&01) はポリコーム複合体に含まれる 23ファミリーのヒストンメチル化酵素(!'4, 56
789:10185;<8=>:7?
1=>71) によって". 分裂酵母における #$%&依存的ヘテロクロマチン形成触媒される｡ この !"$%&
01修飾をもつヘテロク

分裂酵母のヘテロクロマチンは, ヒトと同じで,ロマチンは, ハエからヒトまで観察され, 主に発ヒストンの脱アセチル化と !"$@01修飾によっ生制御に寄与する｡/番目のメチル化

01修飾は, それを特て特徴づけられるH)｡ !"$@(!"$@01) は AB(C>=)"D@ファミリーの !'4に異的に結合するクロモドメインをもつタンパク質

よって触媒される｡ !"$@01修飾をもつヘテロ(I5JK, I5J%, I<=), AL6M) によって認識され&*+",'ク ロ マ チ ン は 分 裂 酵 母 (!"
#$%
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る｡ このうち I5J%と AL6
Mはヒトにも保存され-&*.,) からヒトまで観察され, ヒトでは, センた !NK(5181=9O
5=90>86:J=98
16:K) ファミリー

トロメア周縁部などの構成的ヘテロクロマチンや,に属するタンパク質であり, 周囲のヒストンを脱発生段階等に応じて形成される条件的ヘテロクロアセチル化する !,.Iのリクルートメント等にマチンとして存在する｡

寄 与 す る ｡ I<=)は AB(C>=)"D@フ ァ ミ リ ー のE ( ,CE)

島根医学 第$B巻 第 $号 CD,B(平成$D年 &月)!"#であり, 自身のクロモドメインによって造が形成される｡ ヘテロクロマチン形成は複数の!$%&'(修飾を認識するだけでなく, 未修飾ヒ経路によって達成されるが, ここではセントロメストンのメチル化を触媒することで, ヘテロクロア 周 縁 部 で 主 要 な 役 割 を 果 た す -01 干 渉

マチンの構築と拡張に貢献している｡ )*+,は後(-013) 依存的ヘテロクロマチン形成について

述 の -.
#/ (-01234567(589:4;
793+83<4:=;32述べる (図@)｡=(4734>) 複合体の構成因子のひとつである｡ 分ヘテロクロマチンは転写の起きない不活性なク

裂酵母は?本の染色体をもち, それぞれの染色体ロマチン領域とされているが, 分裂酵母の -013のセントロメア周縁部とテロメア近傍, それに加依存的ヘテロクロマチン形成経路では, 転写それえて性決定遺伝子座に明確なヘテロクロマチン構自体が重要な役割を果たしているA)｡ セントロメ

図!. 分裂酵母の "#$%依存的ヘテロクロマチン形成機構と熱ショックタンパク質の想定作用点;
3-01を含む 1-)複合体と -.
#/複合体の形成は, 分裂酵母セントロメア周縁部における -013依存的ヘテロクロマチン形成における重要なステップである｡ これらの@つの複合体では, 19><4:68(ファミリータンパク質 1><,が, それぞれ二本鎖(1-)) と一本鎖 (-.
#/) の ;
3-01を保持する｡ クロマチンに結合しない 1-)複合体のサブユニット (19F,と 19FC) は, 1><,への ;3-01のローディングに関わる｡ 1><,はサブユニット構成を変えてクロマチン結合型のエフェクター因子である-.
#/複合体となる｡ -.
#/は, 1><,が保持する ;3-01 による相同性によって,-01ポリメラーゼⅡ (G<=Ⅱ) が転写した =47-01に結合し, )*+,がもつクロモド
メインによって !$%&'(を認識することで, 標的クロマチン領域に留まる｡ -.
#/は
更に, ;
3-01生産のために -5-) (-5-G 7<'+=(H) を呼び込み, I.
" ドメインタ
ンパク質 /87,を介して )=9E!"#複合体を呼び込んで未修飾ヒストンの !$%&'(修飾に貢献する｡ 細胞内の ;3-01生産と !$%&'(の維持は熱ショックタンパク質である !;+&Dと ":;
Aを必要とする｡ !;+&Dと ":;
Aの変異によって 1><,に結合した;3-01が検出できなくなり, 1><,のクロマチン局在が損なわれる｡ また, 1><,と )*+,をつなぐ #:;$サブユニットの細胞内安定性は ":;Aに依存している｡ これらのことから, !;+&Dと ":;
Aは分裂酵母の -013依存的ヘテロクロマチン形成に必要であると言える｡ この図は, クリエイティブ・コモンズー表示 EJ
D国際 ())KLEJD) ライセンスで保護された文献B) (*88+;
M
NN5<3J<9>N,D
J,,BON;,$DPC
2D,B2D,&&2B)
から引用した｡

島根医学 第AL巻

第 A号 8J7
L(平成AJ年 F月)

(78K)

K

ア周縁部では !"#ポリメラーゼⅡが非コード長経路に関わることを報告してきたI)｡ しかしなが鎖 !"# ($%&!"#'$(%)%(%&(*+%)!"#) をら, !"#ポリメラーゼⅡによる $%&!"#の転写転写する｡ この転写産物は !"#依存的 !"#ポと !"#+依存的ヘテロクロマチン形成経路の共リメラーゼ (!*!,, !"#*.
/.
%*.
%0!"# /(-役についての詳細は未だに明らかになっておらず,

$
12.
345.
) によって複製され, 6+&.
3ファミリー

新規因子の発見による現状打開が期待されていた｡に属する二本鎖 !"#切断酵素 6&37が, 生じた

このような背景のもと, 新規に同定したのが熱二本鎖 !"# を 8789%0の長さに切断する｡ こショックタンパク質の D5/FJと, 熱ショックタの 短 鎖 二 本 鎖 !"# の う ち 片 方 の 鎖 が 5+!"#

ンパク質 D5/9Jファミリーに属する G45Kであ(524$$+%0.
3:.
3+%) !"#) として働く｡ #3)(-/FJは, ヘテロクロマチン形成異常を指るL)｡ D5.ファミリーに属するガイド !"#依存的エ%4;0標とする順遺伝学的スクリーニングで発見した｡

ンドリボヌクレアーゼ #)(7は, <つの付随タン

G45
Kは, C/0H相互作用因子の質量分析によるパク質 (#3=7と #3=8) と共に, 6&37が生産し探索の過程で, 遺伝子破壊によりヘテロクロマチた二本鎖 5+!"#を取り込み, #!> (#3)(%4;0.

ン形成異常を引き起こす因子として発見した｡

5+!"# &?4/.
3(%.
) 複合体を形成する｡ 次に,D5/FJや G45Kに変異をもつ細胞では, セント#)(7から #3=7と #3=8が離れて >?/7と @45
A

ロメア周縁部における !"#+依存的ヘテロクロが結合し, 片方の鎖を遊離して一本鎖となったマチン形成経路の異常が観察される｡ 即ち,5+!"#を含む !B@C複合体が形成される｡ !B@C

5+!"# を生産することができず, #)(7が標的複合体は, #)(7が保持する 5+!"#との相補性遺伝子座に留まれない｡ その上, DAEF2.修飾を利用して, クロマチンに留まる $%&!"# に結が減少し, 本来抑制するべき転写が起きてしまう｡

合し, >?/7のクロモドメインによって付近のまた, これらの変異をもつ細胞では, #)(7やDAEF2.を認識する｡ !B@Cはこの領域に >$3
9@45
Aのタンパク質量の減少が認められるほか,DG@複合体を連れてきて, 未修飾のヒストン#!>複合体の形成不全も認められる｡ これらのDAを修飾する｡

表現型は, D5/F
Jと D5/9Jが !"#+依存的ヘテ!. ヘテロクロマチン制御因子としての熱ショッ
クタンパク質 "#$%&と '(#)の同定

ロクロマチン形成経路で重要な役割を果たすことを示している｡!"#+と熱ショックタンパク質の関係について

我々は, 主に順遺伝学的アプローチによってこは, 主に試験管内の再構成系を用いた研究で以前の分野の発展に貢献してきた｡ 例えば, !"#+依から議論されてきたF'7J'77)｡ これまでに試験された存的ヘテロクロマチン形成のために !"#ポリメすべての生物種において, #3)(%4;0.タンパクラーゼⅡが必須の役割を果たすことを世界に先駆

質に 5+!"#をローディングして !"#+エフェクけて示し, ヘテロクロマチン形成経路が転写と共ター複合体を構築するために D5/FJが必要であ役するというアイデアの構築に貢献したH)｡ そのることが示されている｡ また, ハエにおいて,後も, !"#ポリメラーゼⅡに結合するヒストン

G45
Kと 同 じ D5/9Jサ ブ フ ァ ミ リ ー に 属 す る

シャペロンである C/0
Hやメディエーターがこの63(M8というタンパク質が !"#+エフェクターJ ( !"J)

島根医学 第8V巻

第 8号 "?!
V(平成8?
年 >月)

複合体構築の促進機能をもつことが明らかになっ載したエフェクター複合体がトランスポゾンをヘている!")｡ しかしながら, 以前の研究は細胞質でテロクロマチン化して抑制する機構が存在し, 哺クロマチン制御とは独立に働く #$%& (#'()

乳類にも保存されている｡ 興味深いことに, 試験

*+,-.
/,0*
1/+.
*+2 .
3451/6) の形成に注目して管内での 7*<*への 5*#'( 前駆体のローディン

おり, #'(*依存的ヘテロクロマチン形成に熱グやマウス細胞内での 5*#'( 合成に =05>?がショックタンパク質が関与することが明らかに必要であることが判明している!@A!B) ｡ これらの知なったのは今回が初めてである｡

見を総合すると, 低分子 #'(によって標的を決める #'(*や 7*<*のシステムはエピジェネティ!. おわりに

クス制御に大きく貢献しており, これらの制御シ

これまで述べてきたとおり, 分裂酵母の #'(*ステムにおいて熱ショックタンパク質は普遍的に依存的ヘテロクロマチン形成機構においては,重要な働きをしていると考えられる｡ 今回我々が#,#7による二本鎖 #'(の生産が重要な位置を分裂酵母をモデルとして明らかにしたように,占める｡ 哺乳類において分裂酵母と同様の #'(*=05>?等の熱ショックタンパク質の機能欠損や依存的ヘテロクロマチン形成機構が存在するかど阻害は, クロマチンレベルでエピジェネティックうかについては, 哺乳類のゲノム中に #,#7の制御の大幅な乱れを引き起こす｡ 同様の事象は,ホモログが見つからないことから懐疑的な見方もヒトを含む哺乳類や他のモデル生物においても見ある一方, ウイルス由来の #,#7や, テロメラーつかる可能性が高く, 今後の研究動向が注目されゼがもつ #,#7活性が関与する可能性がある!8)｡る｡

この他にも, (923+:-;/タンパク質に 0*#'(を搭載するシステムとは若干異なるが, ハエには". 利益相反7*<*ファミリーに属する (923+:-;/類似タンパ

本稿に関し開示すべき利益相反はありません｡

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