相分離生物学：相分離メガネのススメ

液−液相分離を介したクロマチン構造と機能の制御
野澤
1．はじめに竜介 1*・原幸大 2・丁大橋 3た．なぜなら，DNA の折りたたみは DNA の遺伝情報の検索や読み取りに影響するためである．DNA は，そ生物の遺伝情報伝達の流れは，DNA から RNA，そしの構造にリン酸基を持つため負の電荷を有し，塩基性アてタンパク質へという，一方向で描かれるセントラルド

ミノ酸を多く含み正の電荷を有するヒストン八量体に巻グマの単純な図式で理解されているが，それだけでは説きつきヌクレオソームを形成する（図 1A）．これまで，明することができない遥かに複雑な仕組みによって制御

そのヌクレオソームを基本単位とするクロマチンは，規されている．DNA 配列に変化がなくても，遺伝情報の則正しく折りたたまれ，それらが階層構造をとり，さら産物である RNA やタンパク質が，遺伝子発現を制御・にコンパクトに折りたたまれていると考えられてきた

維持し，それらを次世代に伝える，といったエピジェネ（図1A）．しかし，超解像顕微鏡を用いた生細胞観察から，ティックなメカニズムがその一例である．またプリオン

クロマチンは流動的で不規則に振る舞う直径約 160 nm

タンパク質は，異常に折りたたまれた自身のタンパク質程の構造体であるというモデルが新たに提案された（図構造を，正常に折りたたまれたタンパク質に伝え，さら1B）8)．このモデルは，クロマチンが遺伝子発現をはじにそれが伝播し，アミロイド繊維の形成を誘導する，とめとする，さまざまな生化学的な反応に適した形に柔軟いったタンパク質間の情報伝達も知られている．これらに構造変換する可塑性を有することを想像させる 9)．の仕組みを制御する原動力の一つとして，液−液相分離

このモデルをサポートするように，ヌクレオソームが．さらに，細胞を構成する細試験管内において液−液相分離することが観察された 1)．

胞小器官の中には，核小体をはじめとして，膜を持たなDNA の持つ負の電荷と，ヒストンテイルの正の電荷とい構造体が数多く存在することが知られているが，それの間の静電相互作用が液−液相分離を誘導する一因であらの形成，維持そして機能制御もまた液−液相分離で説ると思われる．また，DNA の負電荷は，正電荷を持つ明され始めている ．

ヒストン八量体に巻き付いても半分程度にしか中和されが近年注目されている

1–3)

4)

細胞内の液−液相分離は，主に核酸やタンパク質などないとされ 10–12)，この残りの DNA の負電荷が，DNAが持つ電荷の偏りから生じる静電気的に引き合う力にの折りたたみを調節するための のりしろ と考えるこ

よって引き起こされ，多数の分子の集合体や，細胞内構とができる．ヌクレオソーム間の DNA に結合するリン造体の形成を促すとされる．分子の集合のメカニズムやカーヒストン H1 は，ヌクレオソームの液−液相分離を集合体の機能については未だ知見が限られているが，特促進したことから，クロマチンの集合を制御する役割を定のタンパク質や核酸を液−液相分離を介して局所に濃果たすと考えられる．一方で，ヒストンのリシン残基を縮することで，生化学的な反応を効率よく進めるための「場」が作られると考えられる 4–7)．そこで本稿では，遺伝子発現制御，DNA 複製と分配，そして DNA 損傷修復といった細胞の基本機能の土台となるクロマチン構造の制御と，液−液相分離との関係に焦点を当て，最近の知見を紹介する．

2．クロマチン構造の新たなモデル
ヒトの一つの核に含まれるゲノム DNA は，すべてつなぎ合わせると約 2 m にも及ぶ．直径約 10 μm 程の核に，DNA が如何に折りたたまれて収納されているのかという問いに対して，長い年月にわたり研究が進められてき図 1．クロマチン構造の新旧モデル．A：旧モデル．ヌクレオソー
ムは規則正しく折りたたまれファイバー状の構造体を形成す
る．B：新モデル．ヌクレオソームは流動的で不規則に振る舞う構造体を形成する．

公益財団法人がん研究会がん研究所実験病理部（研究員） E-mail: ryusuke.nozawa@jfcr.or.jp
静岡県立大学薬学部（講師） E-mail: khara@u-shizuoka-ken.ac.jp
3
情報通信研究機構未来 ICT 研究所バイオ ICT 研究室（主任研究員） E-mail: ding@nict.go.jp

著者紹介

1

生物工学

第98巻

2第5号（2020）

241

特集

アセチル化すると，ヌクレオソームの液−液相分離が阻モデルが提案されている 18)．加えて，HP1 の RNA への害された．さらに，アセチル化ヒストンを認識する転写親和性もまたヘテロクロマチン形成への寄与に着目され因子 BRD4 を加えると，ヒストン八量体と DNA は新たている 19,20)．またポリマーモデリング解析により，クロに BRD4 と液−液相分離し，アセチル化していないヌマチンはヌクレオソーム同士がタンパク質などにより橋クレオソームとの液−液相分離とは融合せず，独立した渡しされることで，その近傍に橋渡しされやすい環境が液滴を形成した ．この観察は，物理的に近接していてさらに生まれ，その反応が繰り返されて凝縮したクロマも性質や機能的に異なるクロマチン環境を，液−液相分チンの区画が作り出されると説明される（ポリマー−ポ離を介して作り出すことができることを示唆する重要な21,22)．実験で証明するには容易ではないリマー相分離）知見である．

多くのパラメータが，ヘテロクロマチンの形成に関わっ

1)

3．クロマチンの凝縮と脱凝縮の分子メカニズムているものと想像される．

マチン領域として知られ，そのクロマチンの凝縮状態をHP1 による転写抑制機構についても未だ不明な点が多いが，HP1 が形成する集合体は転写因子 TFIIB と親和性が低いことが示されており 17,23)，HP1 が作り出す場周囲に伝播し，また転写に対して抑制的に働く機能がは転写因子が集合しにくい環境であると予想される．ま

如何に制御されているのかが長く注目されてきた．HP1

た，Aurora B キナーゼによるヒストンや HP1 のリン酸（Heterochromatin protein 1）はヘテロクロマチンの主要化は，細胞が分裂期に入る際，クロマチンからの HP1な構成タンパク質の一つとして知られている．HP1 は，の解離を誘導する 24,25)．負の電荷を持つリン酸基により，N 末端側のクロモドメイン（CD）で，ヘテロクロマチンのマークであるヒストン H3 の 9 番目のリシンのメチル化（H3K9me3）を認識し 13)，また C 末端側のクロモシャドウドメイン（CSD）で二量体を形成する（図 2A）14)．
HP1 は二量体形成の際にできる疎水性表面を介して特HP1 同士，HP1 とヒストンとの静電相互作用のバラン
スが変化し，HP1 のクロマチンからの解離を誘導したものと解釈できる．液−液相分離によって形成された集合

定のタンパク質と結合し，ヘテロクロマチンに多くのタヘテロクロマチンが積極的にその凝縮状態を周囲に広ンパク質を呼び込むことが知られ，これまでに Nozawa

げるのであれば，脱凝縮しているユークロマチンはそれ

らはプロテオミクス解析により 82 種類の HP1 結合タンに対して競合，または防ぐシステムを備えていることがヘテロクロマチンは，細胞周期を通して凝縮したクロパク質を同定した．

15)2017 年に，HP1 が液−液相分離することが観察され，体の持つ相互作用の選択性や，その集合と解離がダイナミックに制御される可塑性は，着目すべき特徴である．

予想される．これまでに Nozawa らは，ヒトの細胞核において，転写に伴いクロマチン構造が脱凝縮することをこの現象がヘテロクロマチンの形成に寄与するという仮説が提唱された 16,17)．この報告は液−液相分離の概念をクロマチン研究分野にもたらすきっかけの一つとなった．さらに続報として，分裂酵母の HP1（Swi6）の CSDが，ヒストン H2B に結合することで，ヒストン八量体の立体構造変換を誘導し，その結果，ヌクレオソームの液−液相分離を促進することが示された 2)．HP1 との結合により埋没していたヒストンのアミノ酸残基が露出し，新たな静電相互作用がうまれたものと解釈される．
この発見により，HP1 は液−液相分離を介してヌクレオソームを液滴内に濃縮することが観察された．HP1がクロマチンの凝縮に寄与することを直接的に示す傍証である（図 2A）．
顕微鏡で観察されるような，メガベーススケールのヘテロクロマチン形成の分子メカニズムは未だ説明されていない．HP1 の足場である H3K9me3 を導入するヒスト
ンメチル化酵素 SUV39H を HP1 自らが呼び込むことから，HP1 が積極的にヘテロクロマチンを広げるという242

図 2．クロマチン凝縮モデルと脱凝縮モデル．A：HP1 はクロモシャドウドメインを介して二量体を形成し，ヌクレオソームに結合し液−液相分離を促進する．結果として，集合体内のヌクレオソームの濃度が高くなる．B：SAF-A は RNA とともに繊維状のオリゴマーを形成する．SAF-A/RNA オリゴマー
は，メッシュ状の構造体を形成し，クロマチンの脱凝縮状態の保持に寄与する．

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見いだし，そのメカニズムの一端を明らかにした 26)．か

SMC（structural maintenance of chromosomes）タンパク

つて，核マトリクスと呼ばれる不溶性タンパク質と核内質複合体に，クロマチンが取り込まれてループが形成さのRNAによる構造体が，クロマチンの裏打ち構造として，れ，クロマチンとコヒーシンの間の相対移動によってそして遺伝子発現の制御の足場として重要な役割を果た

ループが拡大し，それが TAD 形成に寄与するという説．しかし，生細胞におである．SMC 複合体は，他にコンデンシン，SMC5/6いて核マトリックスの存在が証明されず，クロマチン構が知られ，コンデンシンもまたループ形成の活性を持つ造の制御メカニズムや，生物学的反応の場の形成原理にことが示されている 34)．以前より，コヒーシンは複製後新たな解釈が必要とされていた．Nozawa らは，核マトの姉妹染色体接着，コンデンシンは分裂期染色体構造の（scaﬀold
リクスの構成因子として同定されていたSAF-A構築に必要であると知られていたが，細胞周期特異的なすというモデルが提唱された

27,28)

attachment factor A）/hnRNP U に着目し，SAF-A が自クロマチン構造構築のメカニズムが解き明かされつつあ身の ATPase ドメインによる ATP との結合と転写に伴っるかもしれない．また，これまでに Hara らは，コヒーた RNA との結合により繊維状のオリゴマーを形成するシンのサブユニットである SA2-SCC1 複合体，および，活性を持つことを見いだした．さらに，SAF-A のオリコンデンシンのサブユニットである CAP-G-CAP-H 複ゴマー化が転写活性領域のクロマチン構造の脱凝縮に必合体の結晶構造を明らかにした 35,36)．どちらの複合体も要であることが明らかとなったことから，SAF-A/RNA

リング状複合体を閉じる留め具にあたり，HEAT リピー複合体はメッシュ状の構造体を形成することでクロマチトと呼ばれる 2 本の両親媒性（親水・疎水）のアルファン構造を制御することが予想された（図 2B） ．続く，ヘリックスが十数回繰り返されてソレノイド状に並んだ

SAF-A の 動 態 解 析 と シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 解 析 に よ り，
SAF-A/RNA 複合体は，実際の核内ではゲルのように振弾力性に富む構造を持つことが示された．構造情報に基る舞うことが予測された．クロマチンの脱凝縮した構造

マチン高次構造への影響を調べたところ，これらの変異は，SAF-A/RNA 複合体によって作りだされる粘度の高体は姉妹染色体の非接着や異常な染色体凝縮を起こし，さらなる解た．HEAT リピートは真核生物型の SMC 複合体にのみ

26)

い局所環境によって保持されると想定し29)析を続けている．

づき SMC 複合体を形成できない変異体を作製し，クロ保存されたサブユニットであり，このことは真核細胞の4．クロマチン高次構造とクロマチン機能クロマチン高次構造の形成機構を考えるうえで興味深
い．天然変性領域がお互いを引き寄せ合い，液−液相分

近年，クロマチンどうしのコンタクト頻度をゲノムワ離するように，HEAT リピートが集合し，ダイナミックイドに決定し，クロマチンの三次元構造を予測する Hi-Cなクロマチン構造変換を誘導する構造体を形成すると技術がブレークスルーとなり，クロマチンの高次構造にいった非常に興味深い予測 37) もされており，SMC 複合関する研究が進んだ．Hi-C 解析により，数 Mb の単位体もまたお互いを引き寄せることでその機能を発揮するのゲノム領域どうしが集まった，コンパートメントと呼ことを予感させる．

ばれるまとまりを形成することが示された 30)．興味深い

クロマチン機能においては，液−液相分離との，より直ことに，転写活性の高い領域どうし，低い領域どうしで接的な関係が見えてきている．転写活性の場の形成は，複コンパートメントを形成していたことから，それぞれ数のエンハンサーがクラスターを形成したスーパーエンA/B コンパートメントと名付けられた．それだけではな
く，1 細胞レベルのゲノムワイド解析から，S 期の前半に複製されるゲノム領域は A コンパートメント，後半に複製されるゲノム領域は B コンパートメントとよく一致す

ハンサーに代表されるように，液−液相分離で説明されている 38)．転写の実行酵素である RNA ポリメラーゼ II（PolII），FET ファミリータンパク質（FUS，EWS，TAF15）をはじめとした転写因子，そしてスーパーエンハンサーを構．クロマチンの高次構造は，成するとされるメディエーター因子 MED1 や転写因子

その形成機構は未だ不明であるが，クロマチン機能の制BRD4 などが，自身らの持つ天然変性領域を介して液−液御と連動していることが明らかになりつつある．

相分離し，また核内にクラスターを形成することが相次いることも明らかとなった31)

さ ら な る 解 析 か ら，A/B コ ン パ ー ト メ ン ト は，TADで報告された 39–41)．核内で集合体どうしが分単位のオー（topologically associated domain）と呼ばれる数百〜 1 Mb

ダーで近づき離れるというダイナミックな挙動も特筆すのドメインで構成されていることがわかってきた 32)．

べき観察である 42)．また上記と同様に，集合体間の相互作

TAD の形成のメカニズムとして，loop extrusion 仮説が提用には選択性があり，リン酸化による制御を受ける．Pol II．コヒーシンと呼ばれるリング状構造のの C 末端ドメインは，7 つのアミノ酸（YSPTSPS）が哺乳唱されている
生物工学33)

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特集類では 52 回繰り返される低複雑性の天然編成領域であり，その集合体形成の中心的な役割を担う．転写伸長に応じて段階的にリン酸化されることが知られているが，そのリン酸化により，転写因子から解離し，スプライシング因子と複合体を形成することが明らかとなった 43)．これらの観察により，Pol II の液−液相分離を中心とした転写のダイナミックな制御メカニズムが見えてきている．

DNA 複製や DNA 損傷修復に関しては，液−液相分離との関連が観察され始めている．複製開始因子（ORC，Cdt1，Cdc6）は DNA 依存的に液−液相分離を引き起こ

図 3．相同染色体の認識・対合に液−液相分離が寄与する．A：
相同染色体は lncRNA を介してリンクされている．lncRNA はsmFISH によって，相同遺伝子座は lacO/LacI-GFP によって可視化した．B：テロメアクラスターによって同じ方向に揃った相同染色体が，同じ位置に形成された lncRNA-Smp の液滴の融合を介して認識・対合を行う．

し，複製オリジン同士の組織化とそれらのコミュニケーションに寄与することが報告された 44)．また，DNA 損
傷修復に寄与する 53BP1 は，液滴様の振る舞いをする

DNA 損傷コンパートメントを形成することが観察された 45)．

的に促進することが示唆された．
興味深いことに，この sme2RNA 集合体は液−液相分離により形成されることがごく最近明らかになった 48)．

クロマチン機能の土台となるクロマチン構造，そしてまず，RNA 転写終結因子であり，複数存在する Smp タン

その機能制御に液−液相分離が密接に関わっていることパク質群（sme2 RNA-associated proteins）が，sme2 RNAは明らかである．

集合体の形成に必要であることが明らかとなった．さら5．相同染色体の認識・対合に液−液相分離が寄与するに解析を進めると，Smp タンパク質群は，sme2 遺伝子座以外にも結合サイトが複数あり，それらのサイトから転写クロマチン構造変化がもっとも激しく変化するのは，される lncRNA もまた Smp タンパク質群と集合体を形成減数分裂期の前期である．減数分裂期前期に DNA 複製，セスが次々に行われる．相同染色体の対合は，親世代かし，対合に必要であることを見いだした．実際に，Singlemolecule RNA ﬂuorescence in situ hybridization（smFISH）を用いて，sme2 RNA および新規に同定された lncRNA

ら承け継いだ相同染色体が互いを見つけて接着する過程が高頻度に相同染色体をリンクしていることを確認してであり，正常な対合が相同組換えに不可欠である．しか．これらの集合体の構成因子は，液−液相分いる（図 3A）

し，相同染色体がどのようにお互いを認識して対合する離を阻害する 1.6-hexanediol 処理によって対合していたのかがほとんど不明である．

相同染色体から可逆的に分離することが観察された．つ相同染色体の対合と組換え，シナプシスなど複雑なプロ

これまでに Ding らは，分裂酵母を用いて対合に非コー

まりこれらの結果は，lncRNA-Smp 複合体は液−液相

ド RNA が重要な役割を果たしていることを明らかにし分離を介して集合体を形成し，その集合体形成が相同染てきた．分裂酵母では，核融合と同時にテロメアがスピ色体を互いに引きつける原動力を生み出していることをンドル極体に集まり，ブーケの形状をとるホーステール示唆している．さらに，異なる lncRNA を含む集合体ど核（horsetail nucleus）と呼ばれる細長い核が形成される．

うしは融合せず，対合も促進しないことから lncRNA が分裂酵母のホーステール期は，減数分裂期前期に相当し，対合の特異性を決めていると思われる（図 3B）．

核が往復運動しながら相同染色体の対合・組換えが行わこのように，RNA をノリとしてバーコード状に染色れる．変異体を用いた生細胞観察により，テロメアクラ体上に配置し，相同染色体を認識対合させるメカニズム

スターの形成と核運動は，相同染色体を空間的に近づかは，まさに進化の過程で獲得した生物の優れた知恵ともせることに必要であり，安定な染色体対合に寄与するこ言えるだろう．ほ乳類の雌では，二つの X 染色体のどちとを示した 46)．続く解析では，第 2 染色体の sme2 遺伝らか一方がランダムに不活性化されるが，その過程で子座が，テロメア付近よりも高い対合頻度を示すことをTsixRNA の発現と X 染色体上への蓄積に依存的に X 染見いだし，そのロバストな対合には，sme2 遺伝子座か色体どうしが一時的に対合することが知られている 49)．

ら転写される長鎖非コード RNA（lncRNA）である sme2RNA が必要であることを明らかにした 47)．sme2 RNAは sme2 遺伝子座に集積することが観察され（図 3A），sme2 RNA が形成する集合体が相同染色体の対合を積極

これに同様のメカニズムが働いている可能性があり，今244後の検証が待たれるところである．

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おわりに
この数年の間に，特にクロマチン研究分野から液−液相分離に関する報告が相次ぎ，クロマチンを構成するタンパク質を中心に，分子が本来持つ性質やそれによる振る舞いについての理解が進んだ．しかしながら，細胞を用いた解析に関しては，核内におけるクロマチンタンパク質の液−液相分離現象の観察の記述に終始しており，その生物学的意義に迫る報告は未だ少ない．それは，細胞内でのタンパク質の液−液相分離を計測・解析する技術が限られていること，加えて，細胞内の液−液相分離を人為的に誘導・阻害といった制御する手法が確立されていないことに起因すると思われる．液−液相分離は多くの学問分野の興味をつなぐ現象である．研究者達がそれぞれの専門性を活かし協同し，液−液相分離の新たな研究の手立ての開発と，その先にある生命現象の理解の進展が大いに期待される．
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