今日の話題

ヒトゲノムの機能解明に向けた ENCODE の試み
ゲノム機能の百科事典作製を目指してヒトゲノムを構成する全塩基配列の解明により，生命ロジェクトによって，哺乳類ゲノムからは膨大な数の機現象を分子レベルで理解するための基盤が築かれた．今

能未知なタンパク質非コード RNA が転写されているこやさまざまな疾患の原因をゲノムレベルで議論できるよとが明らかにされたのである．
「RNA 新大陸（5）」としてうになり，細胞分化や免疫機構などの生命現象の分子基トランスクリプトームの機能探索を進める契機ともなっ盤をも解き明かされつつある．一方で，ヒトゲノムそれた成果である（6〜8）．特に（1）多くの RNA には複数のス自体に対する理解は限定的であり，（1）配列情報をもとプライス・バリアントが存在し，細胞に応じて異なる転に予測されたタンパク質コード遺伝子の総数は 25,000 個

写 開 始 点 が 使 い 分 け ら れ て い る こ と（9），（2） こ れ ら

程度で，線虫のような単純な生物やほかの哺乳類のそれRNA の発現制御にアンチセンス側の非コード RNA がかと大差がないこと，（2）ゲノムの半数近くの領域は特定かわっていること（10, 11），そして（3）細胞の分化過程での配列が繰り返し現れる反復配列であること，さらにはこれら非コード RNA の転写が，コード RNA と同様に（3）ゲノムの 98% もの領域はタンパク質の構造情報を転写因子の制御下にあるとしてモデル化できること（12）担っていないことなどを明らかにするにとどまった（1）．などが明らかとなるにつれて，生命現象の分子基盤を理ヒトゲノムの大部分の領域が担っている役割について解するにはこれらトランスクリプトームの制御にかかわは，その塩基配列だけからは解き明かすことができなるゲノム領域の特定が不可欠であると考えられるようにかったのである．

なった（13）（図 1）．

ゲノム（DNA）はトランスクリプトーム（RNA）の設

国 際 研 究 プ ロ ジ ェ ク ト ENCODE（Encyclopedia of

計図としての一面をもっている（2）．そこで，ゲノムに符DNA Elements）は，ポストゲノム戦略としてヒトゲノ号化（コード）された情報の全体像の理解に先立ち，トムの機能要素とその全体像を明らかにすることを目的にランスクリプトームの全貌を明らかにする試みが行われ組 織 さ れ た（14, 15）．ENCODE で は ゲ ノ ム 上 の 機 能 をた．菅野らはヒトゲノムから転写された mRNA を完全RNA の転写領域と転写制御にかかわる領域とに大別し，長 cDNA として網羅的に収集し，およそ 20,000 種類の転後者についてはさらにプロモーターや転写因子結合領（3）写産物を特定した ．また理化学研究所が中心となった域，エンハンサー，リプレッサーなどの転写制御領域

マウス cDNA 収集と機能アノテーション（FANTOM プと，クロマチン構造の変化やエピジェネティック修飾なロジェクト）では，マウスゲノムからの転写産物を網羅どを受ける領域とに分け，さまざまな細胞株においてヒ的に収集し，その完全長 cDNA をもとに転写開始点やト ゲ ノ ム の 各 領 域 が 担 う 役 割 の 解 明 を 目 指 し た（14）．

終結点の解明に取り組んだ（4）．mRNA だけではなく，個々の細胞株におけるゲノム機能の調査は，（1）CAGE

機能性 RNA をも網羅することを目指した FANTOM プ法や RACE 法，RNA-Seq 法などによる RNA の転写領域

図 1 ■ 転写 RNA の複雑性
個々のゲノム領域からは異なる転写開始点をもつ複数の RNA が転写される．また，タンパク質コード領域の相補鎖（anti-sense）から転写される
非 コ ー ド RNA の 一 部 は， コ ー ド
RNA の発現制御にかかわっている．

化学と生物 Vol. 52, No. 3, 2014139

今日の話題
表 1 ■ ヒトゲノムの機能要素
ゲノムの機能要素

特徴

CTCF-enriched element

転写因子 CTCF の相互作用領域．近接する転写制御因子の影響を絶縁するインシュレーターとして機能している可能性が高い．
Predicted enhancer
ヒストンの H3K4me1 修飾が見られるユークロマチン領域．エンハンサーとして機能する転写因子の相互作用が見られ，近傍領域の転写効率を制御している可能性が高い．
Predicted promoter ﬂanking region
RNA の転写開始点の近傍領域．
Predicted repressed or low-activity region
Polycomb グループなどのタンパク質との相互作用により転写が抑制されている領域．
Predicted promoter region including TSS
主に Gencode 遺伝子モデルの転写開始点近傍で，ヒストンの H3K4me3 修飾が見られる
ユークロマチン領域．また，プロモーターとして機能する転写因子や RNA Pol2/3 との相互作用から，RNA の転写開始点として機能している可能性が高い．
Predicted transcribed region
転写伸張シグナル（H3K36me3）が見られ，RNA として転写されていることが予想される
領域．
Predicted weak enhancer or ope chromatin プロモーターとしての機能が予想される領域．
-regulatory lelementの特定，（2）ChIP-Seq 法や FAIRE 法による転写制御領与）を中心に，10,000 以上の機能性短鎖 RNA が知られ域の特定，そして（3）RRBS 法や Methyl-Seq 法によるている（8）．さらに近年，遺伝子のプロモーターや転写終DNA の化学修飾領域の特定など，次世代シーケンシン結点から転写されている新規の短鎖 RNA，PASR（pro-グ技術を応用したさまざまな実験的手法を用いて行われ

moter-associated shortRNA） お よ び TASR（termini-た．

associated shortRNA）が報告された（17）．今回の解析で転写領域の網羅的な特定は，ゲノム機能を理解するう

特定された短鎖 RNA のうち 40% もの RNA が，これらえで欠かせない行程である．ENCODE ではヒトの細胞新規の RNA と同様の特徴をもつことが示された．タンにおけるトランスクリプトームを網羅的に解明するた

パク質コード RNA の数をしのぐこれら非コード RNA

め，50 以上ものヒト由来細胞種で発現している RNA のの機能解明は，ゲノムの制御機構の一つとして今後も注解析を行った．ゲノムから転写される RNA は，mRNA目されていくだろう．のように比較的長い RNA（長鎖 RNA）と，遺伝子発現そして ENCODE では，ヒストンタンパク質が受けるの制御などにかかわる 200 塩基以下の短い RNA（短鎖12 種類の化学修飾と，ゲノム上に結合している 200 種類RNA）に大別できる．特にタンパク質の構造をもたな以上の転写因子の分布状況をゲノムワイドに同定し，ゲい 長 鎖 の 非 コ ー ド RNA（long non-coding RNA ;ノムが担う調節領域としての機能の特定に取り組ん

lncRNA）の一部には（1）クロマチン制御タンパク質とだ（18）．その結果，ヒトゲノムの 8 割以上の領域につい結合し，特異的なゲノム領域のクロマチン構造の変化をての生化学的機能（biochemical function ; RNA の転写誘導する，（2）相補鎖側から転写されている RNA の分や転写因子の結合，DNA のメチル化修飾など）を明ら解を抑制することで発現の安定化に寄与するなど，ほか

かにし，ゲノムが担う役割の全体像を初めて詳細に描きの RNA の転写制御にかかわる機能をもつことが知られ出したのである．ヒトゲノムの機能領域（functional el-ていることから，ゲノムに備わった制御機構として重要ement）は，その生化学的な状態に基づいて主に 7 つの（8）な役割りを担っていると考えられる ．今回の網羅的な機能要素へと分類され（表 1），HeLa 細胞をはじめとす解析の結果，これまでに RNA への転写が知られていなる代表的な細胞におけるゲノムの機能領域が決定され

い 31% も の ヒ ト ゲ ノ ム 領 域 か ら， 膨 大 な 数 の 新 規 ln-た（19, 20）（図 2）．

cRNA が転写されていることを明らかにした（16）．同様

ヒトの身体は膨大な数の細胞で形作られており，そのに短鎖 RNA にも細胞機能の制御機構として重要な存在

細胞は形態や機能から最低でも 300 種類に分類されていが含まれている．4 つの主要なクラス（miRNA : mRNAる（21）．いずれの細胞でもゲノム配列が同じであることの転写後調節に関与，snoRNA : rRNA の化学修飾など

から，これら細胞の差異は発現している RNA の違い̶に 関 与，snRNA : RNA プ ロ セ シ ン グ な ど に 関 与，すなわちトランスクリプトームの違い̶に起因している

tRNA : リボゾームへのアミノ酸運搬とコドン認識に関と考えられよう．特異性の高いこれら RNA を見落とさ140

化学と生物 Vol. 52, No. 3, 2014

今日の話題図 2 ■ HeLa 細胞のゲノム機能領域ずに特定するためには，ENCODE のように多彩な細胞でヒトゲノムの encyclopedia（百科事典）を作成した．

を対象とした網羅的な解析が有効であると言える．現

この百科事典を有効に活用することで，今後の生命科学

在，理化学研究所が主導で取り組んでいる FANTOM5

研究は大きく飛躍することだろう．

プロジェクトでは，ヒトの身体を構成する 200 種類の細1） International Human Genome Sequencing Consortium :, 431, 931（2004）.
2） F. Crick :, 227, 561（1970）.
3） T. Imanishi:, 2, e162（2004）.
4） P. Carninci:, 309, 1559（2005）.
5） Y. Hayashizaki :, 86, 221（2011）.
6） J. S. Mattick :, 210,1526（2007）.
7） M. U. Kaikkonen:, 90, 430（2011）.
8） M. Esteller :, 12, 861（2011）.
9） S. Gustincich:, 575, 321（2006）.
10） M. A. Faghihi:, 10, 637（2009）.
11） C. Carrieri:, 491, 454（2012）.
12） H. Suzuki:, 41, 553（2009）.
13） P. J. Farnham :, 10, 605（2009）.
14） E. P. Consortium :, 306, 636（2004）.
15） E. Birney:, 447, 799（2007）.
16） S. Djebali:, 489, 101（2012）.
17） P. Kapranov:, 316, 1484（2007）.
18） R. E. Thurman:, 489, 75（2012）.
19） I. Dunham:, 489, 57（2012）.
20） M. M. Hoﬀman:, 41, 827（2013）.
21） B. Alberts : “Molecular Biology of the Cell, 5th ed. Garland Science, New York, 2008.

胞型に由来する初代培養細胞と，150 種類のがん亜型に由来する細胞株，そして 100 種類以上の組織サンプルにおけるトランスクリプトームの網羅的な解析を行っている．生体内のトランスクリプトームの多様性と細胞の多様性を結びつけ，複雑な生命システムの全貌解明に向けた取り組みと言えよう（執筆中）．トランスクリプトー
ムの発現パターンはさまざまな制御機構により逐次的に調節され，細胞の機能に必要な RNA を適切に発現することで生物が作り上げられることから，ENCODE によるゲノム機能の解明と FANTOM によるトランスクリプトームの解明により，生命システムの分子基盤の理解が大きく進むことが期待される．
これまでの生命科学研究は，特定の生命現象を司る未同定の因子の存在を仮定し，その存在を明らかにする仮説検証型のスタイルが一般的であった．しかし今日では，網羅的な分子プロファイリング技術と身近になった情報科学との融合により，膨大なデータの中から生命現象の本質を捉えることを目的としたデータ駆動型の研究が盛んになりつつある．膨大な配列により構成されるヒトゲノム機能の解明は，まさにデータ駆動型研究の典型例である．ENCODE では次世代シーケンシング技術により得られた大規模なデータセットの解析を通して，ゲノムを構成する DNA 配列の役割を整理し，ヒトゲノムの 8 割にも及ぶ領域に機能アノテーションを付けること

化学と生物 Vol. 52, No. 3, 2014

（梶山和浩 *1, 2，林崎良英 *3，川路英哉 *1, 2, 3，*1理化学研究所ライフサイエンス技術基盤研究センター，*2横浜市立大学生命ナノシステム科学研究科，* 3理
化学研究所予防医療・診断技術開発プログラム）

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今日の話題プロフィル
梶山 和浩（Kazuhiro KAJIYAMA）＜略歴＞ 2009 年東京農工大学工学部生命工学科卒業／横浜市立大学大学院生命ナノシステム科学研究科に在籍時，理化学研究所オミックス基盤研究領域においてトランスクリプトーム研究に携わる＜研究テー
マと抱負＞ CAGE 技術を次世代シーケン
サ ー に 応 用 し た deepCAGE 法 を 用 い て，抗がん剤に対する細胞応答を分子レベルで定量化することで，薬剤応答（特に副作用発現）にかかわる分子基盤の解明を目指している＜趣味＞トランペット吹奏
林崎 良英（Yoshihide HAYASHIZAKI）＜略歴＞ 1982 年大阪大学医学部医学科卒
業／1986 年同大学医学部大学院博士課程
内科系卒業医学博士取得／1992 年理化学研究所ライフサイエンス筑波研究センター
ジーンバンク室研究員／1995 年同研究所
ゲノム機能解析研究グループプロジェクトリーダー／1998 年同研究所ゲノム科総合研究センター遺伝子構造・機能研究グルー
ププロジェクトディレクター／2008 年同研究所オミックス基盤研究領域領域長／
2013 年同研究所社会知創成事業予防医療・診断技術開発プログラムプログラムディレ
クター，現在に至る＜研究テーマと抱負＞
オミックス科学の医療転換＜趣味＞ジョギ
ング，建築デザイン，ワイン（飲むこと）

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川路 英哉（Hideya KAWAJI）＜略歴＞ 2003 年大阪大学大学院基礎工学
研 究 科 情 報 数 理 系 修 了， 博 士（工 学）／
NTT ソフトウェア（株）を経て，理化学研
究所オミックス基盤研究領域研究員，同領域ユニットリーダーとしてゲノミクス，特にトランスクリプトームの情報処理・解析に従事．現在は同研究所予防医療・診断技術開発プログラム コーディネーター，横浜市立大学大学院生命医科学研究科客員准教授＜研究テーマと抱負＞私たちの生活に，ゲノミクスの成果が活用されはじめてきています．情報技術・ゲノミクスデータを使って，これをより有効に押し進める研究・開発を行っています＜趣味＞音楽

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