ヒストンシャペロンによるヌクレオソーム構造変換とエピジェネティクス
千田俊哉1，夏目 亮2，武藤真祐3，栄徳勝光3，赤井祐介2，
千田美紀2，佐野徳彦3，佐藤 塁3，堀越正美31
独 産業技術総合研究所生物情報解析研究センター

要旨〒1350064 東京都江東区青海 242

2社 バイオ産業情報化コンソーシアム生物情報解析研究センター〒1350064 東京都江東区青海 242

3 東京大学分子細胞生物学研究所〒1130032 東京都文京区弥生 111

高等動物遺伝子の基本構造単位であるヌクレオソーム中に存在するヒストン（H3H4)2 四量体は，30年以上にわたり安定な複合体であると考えられてきた。今回我々は，生化学的手法と X 線結晶構造解析の手法により，CIA と呼ばれる高度に保存されているヒストンシャペロンがヒストン（H3H4)2 四量体を真っ二つに分割することを発見し，関係分野に大きな衝撃を与えた。本稿では，CIA によるヒストン（H3H4)2 四量体分割活性から導かれる生物学的意義，
ヌクレオソーム構造変換機構，ヌクレオソーム構造変換とヒストン化学修飾の関係，そしてエピジェネティック情報の伝達メカニズムに関して説明する。

1. イントロダクション：ヒストンの化学修
飾とエピジェネティクス

生物は，大きく分けて核を持つ生物と核を持たない生物に分けられる。核を持たない生物は主に細菌で，DNA が“裸”に近い状態で細胞内に保管されている（通常，DNA

遺伝子の本体である DNA は，いわゆる二重らせん構造にタンパク質などが結合していない状況を示すのに，“裸を持つ鎖状の分子である。この鎖上には A, T, G, C で表の DNA ”という言葉が用いられる）。これらの生物の転される 4 種類の“塩基”が並んでおり，この配列が遺伝

写の ON / OFF に関するメカニズムは基本的に“裸”の情報として親から子に伝えられる（細胞が増える細胞分裂

DNA と DNA 結合型転写因子，および転写反応を行う酵の場合は，親細胞から娘細胞に伝わるという）。 DNA 上素である RNA ポリメラーゼ等の相互作用制御で説明がなの塩基配列は主として様々なタイプの RNA を合成するたされてきた。一方，いわゆる高等生物は細胞内に核を持ちめの情報である。合成された RNA のうちタンパク質のア

その中に DNA を保持している。もちろん酵母のように微ミノ酸配列をコードするものが mRNA であり， mRNA

生物の中にも核を持つ生物はいる。核を持つ細胞の DNAに“転写”された遺伝情報がリボソーム上で“翻訳”されの存在様式は核を持たない細胞に比べて複雑で，“裸”のることでタンパク質が合成される。 20 世紀末に始まった

DNA の際に用いられた相互作用制御だけでは転写調節機

ヒトゲノム計画により，ヒトの遺伝子全体（30 億塩基対）構を十分に論じることができない。なぜならば，核を持つには，23 万個程度のタンパク質の配列情報が蓄えられて細胞中では DNA が“裸”の状態では存在せず，ヒストンいることが明らかになった。大切なことは，この 2 3 万という塩基性タンパク質と複合体を作りヌクレオソームとともいわれるタンパク質が全ての細胞で発現しているわけいう 基本構造 単位へと折 りたたまれて いるからで あるではないという点である。ヒトの細胞を考えてみれば明ら（ Fig. 1 ）。ヌクレオソームの構造は，ヒストン H2A, H2B,

かなように，最初一つの受精卵であったものが心臓，胃，H3, H4 という 4 種類のヒストンが 2 分子ずつ集合したヒ肝臓というように，細胞が分化することにより同一の遺伝

ストン八量体に DNA が約 1.7 回巻き付いたもので， 1974

子セットを持つにもかかわらず，役割と性質が異なる細胞

年に R. D. Kornberg により発見された1) 。その後 1997 年になってしまうのである。この状況は，基本的には細胞内に T. J. Richmond ら に よ り 結 晶 構 造 が 決 定 さ れ て いで発現するタンパク質が異なるために引き起こされる。しる2)。核を持つ細胞の DNA は，このヌクレオソームが数たがって RNA へと遺伝情報を取り出す ON / OFF の制御

珠繋ぎになった構造をとっており，さらにこの数珠繋ぎの機構は細胞の働きを理解する上で極めて重要で，遺伝子ヌクレオソームが高次構造をとることでクロマチン構造

DNA の発見以来，生物学研究の中心的課題であった。

へ，さらには細胞分裂の際に観察されるような染色体構造

306 ● 放射光 Sept. 2007 Vol.20 No.5
(C) 2007 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

トピックス ■ ヒストンシャペロンによるヌクレオソーム構造変換とエピジェネティクス

基が，細胞の増殖発生分化さらには環境の変化に応じてアセチル化，メチル化，ユビキチン化など様々な化学修飾を受ける。さらに，これらの化学修飾を認識するタンパ
ク質がヒストンに結合したり，ヒストンバリアントという変種のヒストンが存在し化学修飾や認識タンパク質に影響を与えたりして，これらがヌクレオソームに取り込まれていく。これらの反応の総体が転写などの核内反応からクロマチン構造に至るまで広範な影響を与えるのである。このような分子機構の研究は，過去約十年間に欧米を中心に急速に進展し，莫大な量の研究がなされてきたが，核心的な点に関してはまだ完全には理解されていない。例えば，細Fig. 1

Crystal structure of the nucleosome2). Histones H2A, H2B,
H3, and H4 are colored in yellow, red, blue and green,
respectively. The unstructured regions located outside thewrapped DNA strand are histone tails, which are frequently
chemically modiˆed.

胞内シグナル伝達の結果として，DNA 結合型転写因子のDNA への結合やヒストンのアセチル化が起こり特定部位のヌクレオソーム構造が変化して転写活性が変化を受ける
ことは知られているが，その分子メカニズムの詳細は不明である。しかし，これ以上に重要なことは，これらの化学修飾が遺伝子の ON /OFF を制御するだけでなく，細胞分へと折り畳まれていくことが知られている。では，なぜこ裂の際に親細胞から娘細胞へと伝わっていくという点であのような構造を取る必要があるのであろうか。

る。これがいわゆるエピジェネティクスと呼ばれている現第一の理由は，核内に DNA を格納するためであると考象である。エピジェネティクスとは遺伝子の塩基配列によえられている。ヒトの DNA は全長で 2 メートルにもならず細胞の持つ働きが細胞分裂を経て親細胞から娘細胞へ

り，全ての DNA を直径10 mm に満たない核に収納するたと伝達されていくメカニズムのこと（もしくはこれを扱う

めには，DNA 同士が絡まらないようにきれいに小さく折学問領域のこと）で， 21 世紀の生物学における最大の課

り畳み，核内に収納する必要がある。ヒストン八量体は題とされている3)。

DNA の糸巻きのようなもので，巨大な分子である DNA

実は DNA のメチル化の伝達機構に関しては，基本的なを核内に保管するためには必要不可欠だと考えられる。次点は既に決着がついている。J. D. Watson-F. H. Crick がに，これは生物学的に極めて重要であるが，ヌクレオソー

提唱し4)，M. Meselson-F. W. Stahl が証明をしたように5)，ムを基本構 造単位とす るクロマチ ンなどの高 次構造がDNA は半保存的に複製するため，二重鎖 DNA がメチル

DNA の関与する核内の反応制御に関係しているためであ化されている場合は，娘 DNA 鎖上ではメチル化されている。ヌクレオソーム中では，DNA はヒストン八量体に巻る DNA 鎖は一本だけになってしまう。実は一本だけがメき付いているため，ヌクレオソーム中の DNA に対して酵チル化されている DNA 鎖を認識して，メチル化されてい素が反応しようとしても立体障害が生じて反応を実行するない DNA 鎖をメチル化する酵素（Dmnt1）があり，このことが難しい。そこで反応の際にはヌクレオソーム構造を酵素によって DNA の半保存的複製によって失われたメチ

変換して DNA を“裸”に近い状態にしておく必要が生じ

ル化 DNA の情報が回復されることが知られている6)。問る。言い換えれば，ヌクレオソーム構造の形成や破壊を調

題はヒストンである。化学修飾が複雑である上に，複製の節することで，転写等の核内反応を制御できるのである。

単位となるヌクレオソームは DNA と異なり数が膨大で，実際に顕微鏡による観察から，クロマチンの構造には密な4 種類のヒストン 2 個ずつからなるヒストン八量体というところと疎なところがあり，疎な部分の転写が活発で，密内部構造まで持っている。このため，エピジェネティック

な部分は転写が不活発ということが分かっていた。では，情報がどのようにして細胞分裂の際に娘細胞に伝わっていこのクロマチン構造の違いはなぜ生じるのであろうか

くのかという解析は可能性が膨大で極めて困難である。こ

生化学的な解析の結果，クロマチン構造の違いは DNAの難問題に決着をつけることは，遺伝学（ジェネティクス）の塩基配列によって制御されるのではなく，ヌクレオソーとエピジェネティクスの最大の問題，すなわち生物を構成

ム中のヒストンや DNA に対する化学修飾によって制御さする細胞の維持および変換の仕組みの根本的課題を解決すれているということが分かってきた。DNA の化学修飾とることに繋がるのである。

して知られているのはメチル化である。雌細胞の持つ二本以上，核を持つ細胞の DNA がヒストンと複合体を形成の X 染色体のうち一本を不活性化することにメチル化がしてヌクレオソーム構造をとること，ヒストンや DNA の関与していることが知られている。 DNA の化学修飾の単化学修飾がヌクレオソーム構造の変換を通じて転写などの純さに対し，ヒストンの化学修飾は極めて複雑である。リ

核内反応に影響を与えること，これらの化学修飾はエピジ

ジン，アルギニン，セリン，トレオニンなどのアミノ酸残ェネティック情報と呼ばれ細胞の世代を超えて伝達しうる

放射光 Sept. 2007 Vol.20 No.5 ● 307

ことを述べてきた。では，このエピジェネティック情報がkDa である。最初は白血病の原因遺伝子として同定されどのようにヌクレオソーム構造変換と結びつくのであろう

たが，その後ヒストン H3H4 複合体に高い特異性を示す

か

また，細胞分裂に際してヌクレオソームの複製の過ヒストンシャペロンであることが発見された8)。現在では程で起こると考えられるエピジェネティック情報の伝達はヒストンアセチル化酵素の阻害活性，動脈硬化促進活性を

どのように起こるのであろうか

これら長年の謎を解く

示 す DNA 結 合 型 転 写 因 子 KLF5 の 活 性 阻 害9,10) ， ア ポ

鍵は，ヒストンシャペロンというヌクレオソーム構造変換

トーシスへの関与など多くの活性を示すことが明らかになに係わる一群のタンパク質にある。シャペロンというのっている。

は，もともとは，社交界にデビューする若い女性の面倒をCIA (CCG1Interacting factor A) は既知のヒストンシ

みる介添え役婦人の意味である。ヒストンに付き添っていャペロン中では進化的に最も高度に保存されており，ヒスると言うことからこの名が付けられた。ちなみに，現在シトン H3 と H4 とに高い特異性を示す。酵母でサイレンシ

ャペロンというと，タンパク質分子の折りたたみを助ける

ング（ DNA の一部領域の転写活性が深く OFF になる現分子の事を指すことが多いが，元々は現在でいうところの象で，エピジェネティクスの分野での重要研究対象であ

ヒストンシャペロンに対して用いられたのが最初である。

る）の阻害因子 ASF1 (Anti-silencing function 1) として筆者らのグループでは，このヒストンシャペロンの構造と遺伝学的に単離されていたが，筆者らによって転写基本因機能の研究を通じて，エピジェネティック情報とヌクレオ

子 TFIID の最大サブユニットである CCG1 と相互作用すソーム構造変換の関係およびエピジェネティック情報伝達

る因子 CIA として独立に単離された11,12) 。 CIA の生化学

メカニズムの解明を目指して長年研究を行ってきた。そこ的活性を明らかにするために相互作用因子を単離したとこ

で，まずヒストンシャペロンの紹介から始めることとしたろ，ヒストン H3 を含む様々なクロマチン関連因子が CIA

い。

相互作用タンパク質として得られた。この事実から CIAの生化学的活性が予測され，ヒストンシャペロンであるこ

2. ヒストンシャペロンとが示された11) 。その後，様々な研究者の解析により，CIA が転写，複製，DNA 修復などに関与していることがヒストンシャペロンは，ヌクレオソーム構造を形成また示されている。転写との関係では，転写開始反応および転は破壊する活性を示すタンパク質で，これまでに十数種類

写伸長反応において CIA がヌクレオソーム構造変換に関のものが知られている。ちなみにこのうち約半分が日本で与するのではないかという考えに至っている12) 。複製や発見されたもので，生物学研究の中でも日本国内から世界

DNA 修復の際には別のヒストンシャペロンである CAF1

最先端の研究領域を形成し得た数少ない因子群の例である。

や HIRA と協同して，ヌクレオソーム形成に関与するこDNA とヒストンを適切な条件下で混合すれば，ヌクレオとも示されてきた13,14) 。このように CIA は多様なタンパ

ソームの形成がある程度起こるが，この反応はヒストンシ

ク質因子と相互作用することで様々な活性を発揮すること

ャペロンによって促進される。これまでに行われてきた生が明らかになってきているが，それがどのような統一的メ

化学的，遺伝学的な解析から，ヒストンシャペロンはヌク

カニズムによるのかは謎のままであった。いずれにしてもレオソーム構造の形成と破壊という反応を通じて転写，複CIA はヒストンや他のタンパク質因子と複合体を形成し製 ， DNA 修 復 な ど に 関 与 し て い る こ と が 示 さ れ て きて機能を発揮すると考えられるので，作用標的の中心にあた7) 。これは，酵素が DNA を基質として反応をする際にるヒストンとの複合体形成機構の解明が CIA の作用機構

は，通常は DNA が“裸”の状態（もしくはそれに準ずる

解明の鍵であった。

状態）でなければならないからで，ヌクレオソームの構造

今回筆者らのグループでは， TAF Ib および CIA ヒス変換が反応制御の鍵を握っている為である。しかし，ついトン複合体の結晶構造解析に成功した。その結果，ヌクレ

最近までヒストンシャペロンの重要性は一般には認識されオソーム構造変換反応の分子メカニズムに初めて迫るととておらず，ヌクレオソームの形成と破壊の分子メカニズム

もに，エピジェネティック情報とヌクレオソーム構造変換

は長らく不明であった。筆者らはヒストンシャペロンこそ反応との関係に関しても分子レベルの議論が可能となりつが，ヌクレオソーム構造変換反応の中心的プレーヤーであつある。また，ヒストン八量体中のヒストン（ H3 H4 )2るという考えのもと，以前からヒストンシャペロンに注目

四量体の安定性に関して従来の常識を覆し，これを元にエし，様々な相互作用因子の単離と機能解析を通じてヒスト

ピジェネティック情報の伝達メカニズムに関するモデルをンシャペロンの機能的重要性を示してきた。そしてヒスト提出することができた。以下の節では，これらについて概ンシャペロンの作用機構を明らかにするとともに，エピジ

説すると共に，構造解析の際に生じた問題点を如何に解決ェネティクス機構に迫ることを目指して，様々なヒストンしてきたかについても簡単に触れたい。

シャペロンの構造解析に取り組んだ。

TAFIb (Template Activating FactorIb) はホモ二量体のヒストンシャペロンで，サブユニットの分子量は約 33

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トピックス ■ ヒストンシャペロンによるヌクレオソーム構造変換とエピジェネティクス

3. TAFIb の結晶構造解析
TAFIb は高濃度の硫安を沈殿剤として用いて結晶化された15) 。しかし得られた結晶は質が悪く構造解析に 2 年ほど費やした。最初に得られた結晶は 6 Å 分解能程度の回折点しか与えず，構造解析など到底望めない結晶であった。それでも回折データ収集の際の結晶の凍結条件を改善することで 4.5 Å 分解能程度の回折像を得ることができた。その後，種々の変異体を作成し結晶化スクリーニングをすることで，ある変異体が2.5 Å を超える分解能の回折Fig. 2Crystal structure of TAFIb16). TAFIb is a dimeric molecule. Each subunit is composed of the N-terminal helix (notshown in this ˆgure), the backbone helix, and the earmuŠ
domain.

Fig. 3

Active site of TAFIb16). The residues that are involved in histone binding, DNA binding, and histone chaperone activities are shown in red.

点を与えることを見いだした。しかし回折像の異方性が高
く ， 多 波 長 異 常 分 散 （ MAD ） 法 の 解 析 に 十 分 な 質 のMAD データの収集には多大の苦労を要した。試行錯誤の末，クライオプロテクタント（水が凍結する際に結晶性の氷になるのを防ぐ試薬）へのソーキング時間などを最適化することでほとんど異方性のない回折データを収集することに成功した。しかし結晶の質を改善した後でも，構造解析に必要な分解能まで回折点を与える結晶の割合が低いた
め，実験室系の X 線回折計を使用して得られた結晶の分解能をチェックした上で，放射光施設に結晶を持ち込んで測定するということを繰り返した。しかしながら，結晶の質をあらかじめチェックしてから放射光施設へ結晶を持って行くという作業は，結果的には回折データ測定にあまり良い影響は与えなかったようだ。最も質の良い回折データが収集できたのは，このようなチェックをしなかった結晶である。タンパク質結晶に一度 X 線を照射してしまうと時間に応じて結晶の劣化が進むようで，結晶の質や空間群を形 成してお り，ヘッド フォンのよう な構造をし ていの問題で回折データ測定の精度があまり良くない場合にる16) 。二量体中には 2 回回転軸があることから，分子中は，事前の回折像チェックという操作が致命的な場合があに 2 回回転軸を持つヒストン（ H3 H4 )2 四量体に結合するのかもしれない。現在では，結晶自動マウントロボットると考えるのが妥当であるが，実際にどのような複合体をが利用可能になっているので，このような解析を行う際に形成するのかは不明である。次に TAF Ib 分子の活性部

はロボットが極めて重要な役割を果たすことになるであろ

位を明らかにするために，点変異体を用いた実験を行っう。 X 線回折像をチェックした結晶は1,000 個に迫るほどた。分子表面のほぼ全てを覆うように 3 アミノ酸ずつをであったが，最終的には PF AR の NW12A で MAD 法

変異させた点変異体を 18 種類作成し，これらの変異体の解析に利用可能なデータを収集することに成功し，結晶構

ヒストンシャペロン活性と，ヒストンおよび DNA との結造の決定に成功した16) 。結晶構造解析に至る詳しい手順

合活性を解析した。その結果， Fig. 3 の赤色で示した耳当や結晶の質が悪い場合の構造解析法に関しては論文発表すてドメイン（earmuŠ domain）の底の部分が DNA およびる予定であるので，その論文を参照していただけたらと思

ヒストンとの結合のみならず，ヒストンシャペロン活性にう。

も重要であることが判明した。このことから，ヒストンシ
ャペロンがヌクレオソームを形成する際には，DNA とヒ

4. TAF Ib の機能発現様式： DNA とヒストンとの相互作用

ストンとがヒストンシャペロンの働きによって分子集合することで，ヌクレオソームの形成が起こっていると考えられる。但し，具体的にどのような中間体を取っているのか

TAF Ib の C 末端領域は，酸性アミノ酸に富んだテイTAFIb の例からは明らかにすることはできなかった。ヌル（ tail ）領域である。この領域がヒストンシャペロン活

クレオソームの構造変換機構のメカニズムに迫るために性に必要だという指摘もあったが，このテイル領域を欠いは，ヒストンシャペロンとヒストンとの複合体の構造解析

た TAF Ib でもヒストンシャペロン活性を示すことがわが不可欠である。そこで次節以降では，ヒストンシャペロ

かったため16) ，結晶構造解析はテイル領域を除いた変異ン CIA とヒストンの複合体の結晶構造解析の結果を紹介

体を用いて行った。 TAF Ib は， Fig. 2 に示す通り二量体

し，ヌクレオソーム構造変換のメカニズムに迫ってみたい

放射光 Sept. 2007 Vol.20 No.5 ● 309

と思う。

5. CIAヒストン複合体の構造解析
CIA ヒストン複合体の構造解析において，最も困難であった点はヒストンの調製である。遺伝子組換え型ヒストンの発現系は， T. J. Richmond らのグループにより確立されていたが17)，彼らの方法では CIA ヒストン複合体の結晶化実験に十分な量（ 10 100 mg ）のヒストン複合体（この場合はヒストン（H3H4)2 四量体）を調製することができないでいた。ヒストン複合体は，複合体形成に用いるヒストンを変性状態のまま混ぜ合わせて，リフォールデ

Fig. 4

Crystal structure of the CIAhistoneH3H4 complex18).
CIA, histone H3, and histone H4 are shown in red, blue, andgreen, respectively.

ィングさせつつ再構成するのであるが，再構成ヒストン複合体の収率が悪いため，いかに各ヒストンを大量に得るかが実験の成功の鍵であった。そこで筆者らのグループで体の分子量測定に用いるのには最適な方法である。この方は，独自のヒストン精製方法を開発し，各ヒストンを 1 g法を用いて，ヒストン（ H3 H4 )2 四量体， CIA ，およびのオーダーで調製できる系を確立した（論文準備中）。こ両者の混合物の分子量を測定したところ，両者を混合したの結果，結晶化に使うのに十分な量（ 100 mg 程度）のヒ

場合にはヒストン（H3 H4)2 四量体は検出されず CIA がストン（ H3 H4 )2 四量体を作成することが可能になった

ヒストン H3H4 二量体と複合体を形成していることが見ので，CIAH3H4 複合体の結晶化に取りかかった。結晶

いだされた。本実験条件下ではヒストン（ H3 H4 )2 四量化にはTAF Ib の場合と異なりそれ程大きな苦労は無かっ

体は溶液中で安定に存在するので，CIA がヒストン（H3

たが，得られた結晶はごく小粒であり（ 0.075 × 0.075 ×

H4 )2 四量体を分割したことは明らかである。これはヒス0.03 mm3），放射光無しでは解析は困難であった。データ

トン（ H3 H4 )2 四量体が，生体内の因子によって分割さ測定は PF AR の NW 12A で行い， 2.7 Å 分解能のデーれるということを示した初めての例で，溶液中ではヒストタを収集し分子置換法により結晶構造を決定した18)。

ン（ H3 H4 )2 四量体が安定であるという 30 年来の定説を覆すことになった。ちなみに，筆者らとほぼ同時期に J.

6. CIA によるヒストン（ H3 H4 )2 四量体の分割

K. Tyler らのグループが酵母由来の CIA（ASF1）とヒス
トン H3 H4 二量体の複合体の結晶構造を報告しているが19) ，彼らは， CIA がヒストン（ H3 H4 )2 四量体を分割

CIA のヒストンシャペロン活性に C 末端のテイル領域するという生化学的知見を得るに至っておらず， 30 年来は不必要であることが分かっていたため，結晶化は C 末の“ドグマ”が如何に大きなものであったのかを物語ってテイル領域を削った CIA とヒストン（H3H4)2 四量体をいる。両者の間にこのような大きな差を生み出している原用いて行った。 CIA に対して各ヒストンが等モルになる因として，彼らが CIA H3 H4 の複合体を得るために 3

ように混合して結晶化を行ったところ，得られた結晶構造

種類のタンパク質の共発現系を利用している点が挙げられ中にはヒストン（H3 H4 )2 四量体は見られず，CIA はヒる。つまり，彼らの実験系では CIA は最初からヒストン

ストン H3H4 二量体と複合体を形成して三量体構造をとH3 H4 との複合体として精製されてくるため， CIA がヒっていた18)（Fig. 4）。これは，結晶化中にヒストン（H3 ストン（ H3 H4 )2 四量体を分割しているかどうかは全く

H4 )2 四 量 体 が 2 つ の ヒ ス ト ン H3 H4 二 量 体 に 分 割 さ

分からないのである。この点が筆者らとの大きな違いであれ，各々が CIA と結合したことを意味している。 CIA はり，DNA 合成に伴うヌクレオソームの複製機構に関して

溶液中では単量体として存在することから，ヒストン H3も（この点は最も重大な点であるのだが）異なった解釈を

H4 二 量体に 1 分 子の CIA が 結合す ると いう結 合様式することに繋がっていく。

は，分子の対称性から考えても納得のいくものである。しかし，単に化学平衡によって大量に生じたヒストン H3 

H4 二量体に CIA が結合したという可能性もある。そこ

7. ヒ ス ト ン （ H3 H4 )2 四 量 体 の Yawara
split モデル：柔よく剛を制す

で，静的光散乱を用いて， CIA にヒストン（ H3 H4 )2 四量体の分割活性が有るのかどうかを確かめた。
静的光散乱を用いた分子量の測定は近年注目を集めていでは CIA のヒストン（H3H4)2 四量体の分割は，どのようなメカニズムで起こるのであろうかCIAH3 H4る方法で，比較的簡便に測定を行うことが可能な上，ゲル複合体の結晶構造から，CIA とヒストン H3H4 二量体と濾過による分子量測定に比べ極めて精度が高いため，複合は，2 カ所で相互作用をしている事が明らかになった

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トピックス ■ ヒストンシャペロンによるヌクレオソーム構造変換とエピジェネティクス

Fig. 5The position of the CIA-binding sites of histones H3 and H4
in the nucleosome. Histone H3, and histone H4 are shown incyan, and green, respectively. The CIA-binding sites of histones H3 are shown in red and pink. The CIA-binding sitesof histone H4 are shown in blue. In the nucleosome, theresidues in the CIA-binding sites of histones H3 and H4 are
involved in the interactions that are important to the formation of the histone octamer.

Fig. 6

Yawara split model18). Yawara split proceeds in two steps.
CIA initially binds to the bc-strand of histone H4, and thenthe H3H3 interaction is disrupted.

トン H2A H2B が解離した後は，ヒストン H4 の bcスト（ Fig. 4 ）。第一の結合部位では， CIA の“正面”の凹面部

ランドは相互作用の相手を失い溶液中に露出していると考分とヒストン H3 の 3 番目の a へリックス（ a3 へリック

えられる。そこで CIA が，この時点で相互作用可能なヒス）が相互作用をしている。この部分が最も両者が密に結ストン H4 の bcストランドと最初に相互作用すると考え合している部分である。第二の結合部位では， CIA の側るのが妥当であろう。そしてヒストン H4 の bcストラン

面部分とヒストン H4 が相互作用をしている。この部分

ドと CIA の b10ストランドの相互作用によって両者が十は，第一の結合部位に比べて接触面積が狭く，結合エネル分に接近した後に（ Fig. 4 ）， CIA がヒストン H3 の a3 へ

ギーに対する効果は 2 次的であると考えられる。点変異リックスと相互作用することでヒストン（ H3 H4 )2 四量体を用いた解析から，結晶中で CIA とヒストン H3 H4体を分割するというモデルが考えられる（Fig. 6）。このモ二量体との相互作用に重要であると考えられたアミノ酸残デルは，まず弱い相互作用で複合体の前段階を形成してお基は，溶液中においても両者の相互作用に重要であること

き，その後に大きな構造変換（ヒストン（ H3 H4 )2 四量が示された。また，酵母を用いた遺伝学的解析から，CIA体の分割）を誘起するというもので，大きな相手を小さなの第一の結合部位を利用した相互作用が生物学的にも重要力でうまく投げ倒す柔道の心得「柔よく剛を制す」を連想であることも示された18)。

させるため，この分割の仕方を「Yawara split」モデルと両者の相互作用において興味深いのは，ヒストン H3 お
よび H4 が， CIA と相互作用している部分は，ヌクレオ

名付けた18)。
さて，このようにして生じると考えられる CIAH3H4

ソーム中で他のヒストンと相互作用している部分であると三量体の生物学的意味は何であろうか

いう点である（Fig. 5）。ヒストン H3 の CIA 結合部位であヌクレオソーム構造変換に関与していると考えられるたCIA は核内でる a3へリックスは，ヌクレオソーム中のヒストン（H3め，ヒストン（H3H4)2 四量体の分割の結果生じる CIA

H4 )2 四量体において，もう片方のヒストン H3 との相互H3 H4 三量体は，核内でのヌクレオソーム構造変換反応

作用部位となっている。ヒストン H4 は，C 末端部分の b

における反応中間体の一つではないかと考えている。

ストランド（bcストランド）を通じて CIA と相互作用をするが，ヒストン H4 のこの部分はヌクレオソーム中では
ヒストン H2A の b ストランドと平行 b シートを形成して8. シグナル伝達とヌクレオソーム構造変換
モデルの確立いる。つまりこの部位はヒストン（ H3 H4 )2 四量体とヒストン H2A H2B 二量体を結びつける重要な相互作用部

では， CIA がヒストン（ H3 H4 )2 四量体を分割すると位となっている。このような結合部位の重複が CIA のヒいうことは，どのような生物学的な意味があるのであろう

ストン（ H3 H4 )2 四量体分割活性と関係していると考え

か

られる。

より認識されると，このシグナルは細胞内の情報伝達経路

で は ， CIA は ど の よ う な 過 程 を 経 て ヒ ス ト ン （ H3 

H4 )2 四量体を分割するのであろうか

増殖因子などの情報伝達物質が細胞膜上の受容体にを用いて核内に到達し，DNA 結合型転写因子による転写

ヌクレオソーム

領域の決定が起こると考えられている。さらに，DNA 結が破壊される際には，まずヒストン（ H3 H4 )2 四量体か合型転写因子はコアクチベーターといわれる複合体群と相らヒストン H2A H2B 二量体が他のヒストンシャペロン

互作用し，その結果ヒストン化学修飾酵素等によるヒストの作用によって解離すると考えられている。このためヒスンの化学修飾，その化学修飾情報に基づいたヌクレオソー

放射光 Sept. 2007 Vol.20 No.5 ● 311

ムの構造変換が起こり，転写をはじめとする核内反応が起きると考えられるようになってきた。このヒストンの化学
修飾と転写活性化の関連は，現象としては 40 年以上も前から知られていたにもかかわらず20) ，細胞内シグナル伝達とヌクレオソーム構造変換の関係の分子基盤は，残された 謎 と な っ て い た 。 し か し ， ⅰ ) CIA は 転 写 基 本 因 子

TFIID の最大サブユニットである CCG1 中のブロモドメ
インと相互作用すること11,12)，ⅱ)ブロモドメインがアセ
チル化ヒストンを認識するドメインであること21)，ⅲ)ブ
ロモドメインが抗サイレンシングに関与することと，今回の筆者らのグループの結果を合わせて考えると，アセチル
化ヒストンと相互作用するブロモドメインが CIA をリク
ルートし，その結果 CIA がヒストン（H3H4)2 四量体の分割を含むヌクレオソームの構造変換反応を行うことを示唆しており，細胞内シグナル伝達の一つの到達点としてのヌクレオソーム構造変換というモデルが初めて確立されたといえよう。

9. ヌクレオソームの半保存的複製モデルによるエピジェネティック情報の伝達機構

Fig. 7

Three major nucleosome replication models. We propose thesemi-conservative nucleosome replication model on the basisof our recent biochemical and structural studies18).

イントロダクションで述べた通りヒストンの化学修飾はエピジェネティック情報として機能し，この伝達のメカニとなる。また，細胞質中にあるヒストン H3H4 は，二量ズムが重大な問題として残されている。実は今回の CIA 

体として存在していることが最近明らかになってきたた

H3 H4 複 合 体 の 結 晶 構 造 解 析 と CIA に よ る ヒ ス ト ン

め22)，複製の際にヌクレオソームの形成を助ける CAF 1（H3H4)2 四量体の分割活性の発見からエピジェネティッ

という分子上で 2 分子のヒストン H3 H4 二量体が CIA

ク情報の伝達メカニズムの解明に大きな前進がもたらされの助けを借りてヒストン（ H3 H4 )2 四量体を形成するとた。話を簡単にするために，ヒストン八量体からなるヌク

考えれば合理的である。さらに，これまで親ヌクレオソー

レオソームではなく，ヒストン（ H3 H4 )2 四量体に絞っ

ム中のヒストン（ H3 H4 )2 四量体を 2 本の娘 DNA 鎖上て考えてみよう。ヌクレオソームの発見以来，ヒストン

へランダムに分配するというモデルを支持するとされてき（H3 H4 )2 四量体の娘 DNA 鎖への分配には主に 3 つのモ

た過去の実験結果を再検討してみたところ，ヌクレオソー

デルが考えられてきた。ヒストン（ H3 H4 )2 四量体を 2

ム半保存的複製との矛盾点を見いだすことは出来なかっつ の 娘 DNA 鎖 に ラ ン ダ ム に 分 配 す る 方 法 ， ヒ ス ト ン

た。ほとんどが，ヒストン（ H3 H4 )2 四量体が安定で分（ H3 H4 )2 四量体を片方の娘 DNA 鎖だけに分配する方割されないという前提に基づいた実験結果の解釈に依存し法，最後にヒストン（ H3 H4 )2 四量体を 2 つに分割してていたのであった。

2 つの娘 DNA 鎖に等価に分配する方法である（ Fig. 7 ）。

もちろん別の考え方も可能である。 J. K. Tyler らは，ヒストンの化学修飾情報を確実に娘 DNA 鎖に伝達するた

ヒストン H3 H4 二量体が CIA と複合体を形成するといめには，3 番目の方法が最も合理的で良いのであるが，30

うことを認めた上で親ヌクレオソーム上のヒストン（H3

年以上にわたってヒストン（ H3 H4 )2 四量体は安定であH4 )2 四量体がランダムに娘 DNA 鎖上に分配され，新規ると考えられてきたため，この分配方式（ヌクレオソーム

合成ヌクレオソームのみが（新規に合成されたヒストンかの半保存的複製という）はモデルの美しさや理論的妥当性

らなるヌクレオソームという意味）， CIA H3 H4 の中間にもかかわらず実験的根拠がないとされてきた。しかし，体構造を経てヒストン（ H3 H4 )2 四量体を形成しヌクレ

今回筆者らが CIA によるヒストン（H3H4)2 四量体の分オソームに取り込まれていくというモデルを提案してい割活性を示したために，これまでネックとされてきたヒス

る23) 。しかしながら，このモデルはヒストンの化学修飾

トン（ H3 H4 )2 四量体の安定性というモデル中の障害が情報の（細胞の）世代を超えた保持という観点からは不都取り除かれ，全く状況が変わったのである。つまり，親ヌ合で，どのようにして等価な娘細胞を作り出せるのかとい

クレオソーム中のヒストン（H3H4 )2 四量体が CIA によう問いに答えることが出来ない。要するに，親ヌクレオって 2 つに分割され各々が娘 DNA 鎖上にそれぞれが分配

ソームのランダムな分配ということを一端認めると，親細されるのであれば，ヌクレオソームの半保存的複製が可能

胞と娘細胞の間でエピジェネティック情報を正確に伝達す

312 ● 放射光 Sept. 2007 Vol.20 No.5

トピックス ■ ヒストンシャペロンによるヌクレオソーム構造変換とエピジェネティクス

参考文献

ることが困難になってしまうのである。ヌクレオソームの半保存的複製のみがエピジェネティック情報を 2 本の娘

DNA 鎖へと正確に伝達しうる唯一のモデルであるということは，強調してもしすぎることはないであろう。これに加 え ， ヒ ス ト ン 八 量 体 は 4 種 類 の ヒ ス ト ン H2A, H2B,

1)
2)
3)

H3, H4 が 2 セットずつ集まって形成されており，ヌクレ
オソーム自体が半保存的複製に都合が良いように出来ている点も見逃すことが出来ないのではないだろうか。

10. 終わりに

4)
5)
6)
7)
8)

今 回の CIA に関す る結晶学的 ，生化学的研 究から，

CIA のヒストン（ H3 H4 )2 四量体の分割活性の発見，この活性に基づく細胞内シグナル伝達とヌクレオソーム構造
変換の関係，特にブロモドメインとヌクレオソーム構造変9)10)

換因子間の機能的関係の確立， CIA の関与するヌクレオ
ソーム構造変換反応における中間体構造（CIAH3H4 複

11)合体）の決定，そしてヌクレオソームの半保存的複製モデルの提唱と，極めて多岐にわたる重要な結論が導き出された。特に，ヌクレオソームの半保存的複製が可能であるこ

12)
13)

とを初めて分子レベルの実験により示した点は極めて意義深いと考えている。もちろん，エピジェネティック情報は14)

常に伝達しておけば良いわけではなく，細胞の分化などの際にはエピジェネティック情報を消去するというプロセスも必要である可能性は否定できない。この場合は， CIAの活性を制御することで，このようなプロセスが可能にな

15)
16)

ると考えることが出来る。少なくとも，今回の結果は，細胞の増殖の基本的な機構に関して， DNA の半保存的複製に加えて DNA と相互作用するヒストンも半保存的に複製

17)
18)

しうることを支持するという点で極めて重要なモデルで，このモデルを元にしてエピジェネティック情報伝達に新しい見方が導入されたといえる。今後このモデルに基づいて

19)
20)

多くの新しい概念が提出され，エピジェネティクス分野に大きな転換点が訪れるのではないかと考えている。

21)
22)
23)

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放射光 Sept. 2007 Vol.20 No.5 ● 313

● 著者紹介 ●
千田美紀

千田俊哉
独 産業技術総合研究所生物情報解析研究センター
員
E-mail: tsenda＠jbirc.aist.go.jp
専門蛋白質結晶学，生化学，構造生物学

夏目

主任研究

亮

社 日本バイオ産業情報化コンソーシアム生物情報解析研究センター 特別研究員
E-mail: rnatsume＠jbirc.aist.go.jp
専門蛋白質化学社 日本バイオ産業情報化コンソーシアム生物情報解析研究センター 研究員
E-mail: msenda＠jbirc.aist.go.jp
専門蛋白質結晶化，構造生物学

佐野徳彦
東京大学大学院理学系研究科
修士課程 2 年
E-mail: ss66319＠mail.ecc.u-tokyo.ac.jp

佐藤武藤真祐
東京大学分子細胞生物学研究所 博士研究員
E-mail: mutoshin＠ya2.so-net.ne.jp
専門生化学，分子生物学，構造生物学

塁

東京大学大学院理学系研究科
博士課程 1 年
E-mail: ss077142＠mail.ecc.u-tokyo.ac.jp

堀越正美
栄徳勝光
東京大学大学院理学系研究科
博士課程 3 年
E-mail: ss57164＠mail.ecc.u-tokyo.ac.jp

東京大学分子細胞生物学研究所 准教授
E-mail: horikosh＠iam.u-tokyo.ac.jp
専門生化学，分子生物学，遺伝学，構造生物学

赤井祐介
東京大学大学院農学生命科学研究科博士課程 2 年
E-mail: yakai＠jbirc.aist.go.jp

Molecular mechanism of the nucleosome assembly/
disassembly by the histone chaperone
Toshiya SENDA1,
Ryo NATSUME2, Shinsuke MUTO3,
Masamitsu EITOKU3, Yusuke AKAI2, Miki SENDA2,Lui SATO3,
Masami HORIKOSHI3
Norihiko SANO3,
1Biological Information Research Centre (BIRC), National Institute of Advanced Industrial Science andTechnology (AIST), 242 Aomi, Koto-ku, Tokyo 1350064, Japan
2Japan Biological Information Research Centre (JBIRC), Japan Biological Informatics Consortium (JBIC),

242 Aomi, Koto-ku, Tokyo 1350064, Japan
3Laboratory of Developmental Biology, Institute of Molecular and Cellular Biosciences,

The University of Tokyo, 111 Yayoi, Bunkyo-ku, Tokyo 1130032, Japan

Abstract CIA is the most conserved histone chaperone in the eukaryotes. The biochemical and X-ray crystallographic studies have revealed that CIA disrupts the histone (H3H4)2 tetramer into two histone H3H4
dimers through forming the CIAH3H4 complex. Since many researchers have believed that the histone (H3H4)2 tetramer is a stable complex in solution, the histone (H3H4)2 tetramer disrupting activity of CIA gave
an impact on the chromatin research. This activity of CIA gives new insights into the mechanism of the nucleosome assembly/disassembly, the relationship between nucleosome assembly/disassembly and epigenetic
modiˆcations of histones, and the mechanism of the epigenetic information inheritance through the semi-conservative nucleosome replication mode.

314 ● 放射光 Sept. 2007 Vol.20 No.5