Press Release
⽂部科学記者会・科学記者会
熊本県内報道機関

同時発表

2022 年 8 ⽉ 18 ⽇
横熊浜

市⽴

本⼤⼤学
学

感染防御やがん免疫に重要な樹状細胞の分化成熟におけるDNA 折り畳み構造を初めて解明
横浜市⽴⼤学⼤学院医学研究科免疫学 ⽥村智彦教授および熊本⼤学国際先端医学研究機構 ⿊滝⼤翼特任准教授らの研究グループは、国⽴感染症研究所、⽶国国⽴衛⽣研究所との共同研究で、感染防御やがん免疫に関わる樹状細胞＊1 の分化成熟における DNA 折り畳み構造の変化とその分⼦メカニズムを解明しました。
本研究成果は、⽶国科学アカデミー紀要「Proceedings of the National Academy of Sciencesof the United States of America」に掲載されました。（⽶国東部時間 2022 年 8 ⽉ 15 ⽇）

研究成果のポイント


樹状細胞の分化成熟過程における DNA の折り畳み構造の変化を全ゲノム規模で明らかにした

転写因⼦＊2 IRF8 が樹状細胞の前駆細胞 (もとになる細胞) における DNA 折り畳み構造の変化に必須であることを発⾒した



感染防御に関わる遺伝⼦を含むゲノム領域では感染の前に DNA の折り畳み構造が準備されていることがわかった

研究背景
ヒトの細胞 1 個に含まれる DNA を繋ぎ合わせると約 2 m もの⻑さになります。この極めて⻑い分⼦は 5 から 10 μm ほどの⼩さな核内に収納され、様々な⼤きさ・形状をもつクロマチン＊3 ⾼次構造を形成しています。しかし、これらクロマチン⾼次構造の形成の仕組みやその機能については不明な点が多く残されています。
樹状細胞は、ウイルスなどの病原体やがん細胞に対する免疫応答において司令塔とも呼ばれる必須の細胞です。樹状細胞の数が少ないと、病原体に感染しやすくなり、がん細胞の排除を⼗分に⾏うことができなくなります。そのため、私たちの体の中で樹状細胞がどのように産⽣されるのかを理解することはとても重要です。実際、樹状細胞を発⾒したラルフ・
スタインマン博⼠は 2011 年にノーベル⽣理学・医学賞を受賞しています。
樹状細胞は⾻の中の⾻髄に存在する造⾎幹細胞＊4 という細胞に由来します。造⾎幹細胞が複数の前駆細胞段階を介して樹状細胞を産⽣することが知られています。このような細胞分化＊5 の過程で、その細胞に特徴的な遺伝⼦発現パターンが形成されることが重要です。

1

Press Release
そのためには、転写因⼦と呼ばれる DNA 結合性のタンパク質が、DNA の「エンハンサー＊6」と呼ばれる遺伝⼦発現を制御する領域に結合する必要があります。エンハンサーは遺伝⼦から離れて存在する場合も多く、エンハンサーが遺伝⼦の発現を調節するにはクロマチン⾼次構造の変化を介して遺伝⼦と物理的に近接する必要があります。そのためエンハンサーによる遺伝⼦発現制御機構を理解するにはクロマチン⾼次構造の解析が必須になります。
しかし、樹状細胞が⽣体内で分化する過程において、クロマチン⾼次構造がどのように変化するのかについては全くわかっていませんでした。
研究内容
最近の次世代シーケンス技術＊7 の発展により、Hi-C 法（染⾊体⽴体配座捕捉法）などによって細胞核内のクロマチン⾼次構造を全ゲノム規模で解析できるようになりました。本
研究ではマウス⽣体に由来する樹状細胞と複数段階の⾻髄前駆細胞を⽤い、Hi-C 法でクロマチン⾼次構造の変化を網羅的に解析しました。その結果、樹状細胞に特徴的に発現する遺伝⼦を含む DNA 領域では、樹状細胞前駆細胞の段階でエンハンサーの活性化が起こり、その後核内コンパートメント＊8 と呼ばれるクロマチン⾼次構造が活性化型に変化し、最終的に樹状細胞に分化する段階でトポロジカル関連ドメイン＊9 と呼ばれる構造が強く形成されることがわかりました（図 1）。
樹状細胞の分化経路

造⾎幹細胞

単球樹状細胞
前駆細胞

多能性前駆細胞B
樹状細胞
特異的遺伝⼦DNA

エンハンサー活性化

図1AB

活性化
クロマチン

樹状細胞

樹状細胞前駆細胞

A

転写因⼦
IRF8
核内コンパートメントの変化 (活性化型)

トポロジカル関連ドメインの相互作⽤増加

樹状細胞分化に伴うクロマチン⾼次構造の変化（上段）樹状細胞は造⾎幹細胞から複数の前駆細胞段階を介して産⽣される。
（下段）前駆細胞の段階で樹状細胞に特徴的に発現する遺伝⼦のゲノム DNA 領域に転写因⼦ IRF8 が結合して、エンハンサーの活性化とその後の核内コンパートメントの活性化型への変化 (B から A) を誘導する。さらに樹状細胞に分化する段階でトポロジカル関連ドメイン内の相互作⽤の増加が引き起こされ、樹状細胞特異的遺伝⼦が発現する。

次に、樹状細胞前駆細胞の段階で核内コンパートメントの変化を誘導する転写因⼦の同定 に 挑 戦 し ま し た 。 バ イ オ イ ン フ ォ マ テ ィ ク ス 解 析 ＊ 10 を ⾏ っ た と こ ろ 、 interferon
regulatory factor-8（IRF8）が関与する可能性が⽰されました。以前の研究において、IRF8 が2

Press Release
樹状細胞前駆細胞で⾼発現し、樹状細胞関連遺伝⼦のエンハンサーを活性化することを⽰しています（Kurotaki et al. Blood 133:1803-1813, 2019; Murakami et al. Nature Immunology
22:301-311, 2021 など）。そこで、IRF8 ⽋損マウスから前駆細胞を単離して Hi-C 法で解析しました。その結果、IRF8 ⽋損マウスの樹状細胞前駆細胞では、核内コンパートメントの活性化型への変化が誘導されないことがわかりました。
樹状細胞は感染が起こると⽣体防御に関わる様々な遺伝⼦を発現することが知られています。そこで、次にこれら感染防御に関与する遺伝⼦のクロマチン⾼次構造が樹状細胞の分化においてどのように変化するのか Hi-C 法で解析しました。その結果、これらの遺伝⼦を含む DNA 領域は樹状細胞の分化を通して、感染刺激を受ける前から活性化型の核内コンパートメントに含まれていることがわかりました（図 2）。さらに、トポロジカル関連ドメインについても、感染刺激前の樹状細胞においてすでに⼗分に強く形成され、感染刺激後にも⼤きな変化が認められませんでした。以上の結果から、⽣体防御関連遺伝⼦のクロマチン⾼次構造は感染の前にはすでに準備されており、それによって樹状細胞が病原体に対し素早く反応して必要な遺伝⼦発現が誘導できるのではないかと考えています。

多能性前駆細胞

活性化樹状細胞

樹状細胞

樹状細胞前駆細胞

サイトカイン

感染刺激

ケモカイン

A

⽣体防御関連遺伝⼦

DNAAA

活性化
クロマチン
エンハンサー
活性化

図2

A

トポロジカル関連ドメインの相互作⽤増加

⽣体防御関連遺伝⼦の発現誘導

⽣体防御関連遺伝⼦を含むゲノム DNA 領域のクロマチン⾼次構造変化（上段）樹状細胞は感染刺激によりサイトカインやケモカインなど⽣体防御関連分⼦を発現する。（下段）
⽣体防御関連遺伝⼦は樹状細胞分化全体を通して常に活性化型コンパートメント A に存在している。これ
ら遺伝⼦の DNA 領域は感染が起こっていない樹状細胞の段階でトポロジカル関連ドメイン内の相互作⽤の増加が⽣じ、これは感染後に遺伝⼦が発現しても⼤きく変化しない。このことから樹状細胞が感染時に迅速に⽣体防御関連遺伝⼦を発現するためにクロマチン⾼次構造の確⽴が重要である可能性がある。

今後の展開
今回の解析結果から、細胞が分化していく過程において、その細胞にとって重要な遺伝⼦のクロマチン⾼次構造が⼤きく変化することがわかりました。この知⾒を応⽤することで、例えば⽩⾎病細胞など病的な前駆細胞のクロマチン⾼次構造を解析し、その性状を正しく理解することで、新たな診断・治療法開発につなげられる可能性があります。また、樹状細胞は病原体やがんに対する免疫応答に必須の役割を担いますが、その過剰あるいは異常な3

Press Release
活性化は⾃⼰免疫疾患を引き起こしたりがんを増悪させたりすることも知られています。
本研究における解析データは、それらの疾患の理解や治療法の開発に役⽴つことも期待されます。
研究費
本研究は、⽂部科学省、⽇本学術振興会、⽇本ワックスマン財団、ノバルティス科学振興財団、化学及⾎清療法研究所、東京⽣化学研究会、⽇本⾎液学会、ホーユー科学財団、⽇本ジェネティクス、上原記念⽣命科学財団による研究助成と、熊本⼤学病院研究活性化プロジ
ェクト並びに横浜市⽴⼤学先端医科学研究センターが認定されている⽂部科学省共同利⽤・共同研究拠点「マルチオミックスによる遺伝⼦発現制御の先端的医学共同研究拠点」の⽀援を受けて⾏われました。
論⽂情報
タイトル： Chromatin structure undergoes global and local reorganization during murine
dendritic cell development and activation
著者： Daisuke Kurotaki, Kenta Kikuchi, Kairong Cui, Wataru Kawase, Keita Saeki, Junpei
Fukumoto, Akira Nishiyama, Kisaburo Nagamune, Keji Zhao, Keiko Ozato, Pedro P. Rocha,
Tomohiko Tamura
掲載雑誌： Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America
119(34): e2207009119, 2022
DOI： https://doi.org/10.1073/pnas.2207009119

⽤語説明
1 樹状細胞：T 細胞に抗原提⽰して獲得免疫を誘導する極めて重要な免疫細胞。感染など＊の際にサイトカインと呼ばれる物質を産⽣し、⽣体防御に働くことも知られている。
2 転写因⼦：それぞれ特徴的な DNA 配列を認識して様々なゲノム部位に結合すること
で、遺伝⼦から RNA の転写を制御するタンパク質。ヒトでは 1,500 種類以上あると⾔われ＊ている。
3 クロマチン：DNA とそれに結合したタンパク質の複合体のこと。

＊4

Press Release
4 造⾎幹細胞：⾻髄内に存在し、全ての⾎液細胞に分化する能⼒と、細胞分裂しても⾃ら＊を維持する⾃⼰複製能を有する組織幹細胞の⼀種。
5 細胞分化：幹細胞が特定の機能を持つ細胞になる現象。

＊

6 エンハンサー：遺伝⼦の転写開始点から離れた領域に存在し、転写因⼦が結合すること＊で遺伝⼦の発現を調節するゲノム DNA 領域。
7 次世代シーケンス技術：DNA 断⽚の配列を並列的に極めて短時間で解析する技術。この＊⽅法を応⽤することで、クロマチン⾼次構造の状態を調べること (Hi-C) が可能となった。
8 核内コンパートメント：類似の性質を持つクロマチン同⼠が細胞核内で寄り集まって形＊成されるクロマチン⾼次構造。活性化型の A コンパートメントと不活性化型の B コンパートメントに分けられる。
9 トポロジカル関連ドメイン：ゲノム DNA に結合する CTCF とコヒーシン複合体により＊形成されるクロマチン⾼次構造。
＊

10 バイオインフォマティクス解析：様々な⽣物学的データを情報科学によって解析する技術。

5