コンデンシン
コンデンシン(condensin)は、分裂期の染色体凝縮(chromosome condensation; 図1)と分離に中心的な役割を果たすタンパク質複合体である。細胞分裂期の染色体を構成する主要なタンパク質として、アフリカツメガエル (Xenopus leavis) の卵抽出液(カエル卵抽出液)から初めて同定された。
多くの真核生物では、現在コンデンシン I とコンデンシン II と呼ばれる2つの複合体の存在が知られており、それぞれ5つのサブユニットから構成される(図2)。そのコアとなるサブユニット(SMC2とSMC4)は、SMCタンパク質と総称されるATPアーゼのファミリーに属する。コンデンシン I とコンデンシン II は、この2つの SMC サブユニットを共有する一方、それぞれに固有なセットの制御サブユニット(2つのHEATリピートサブユニットとひとつのkleisinサブユニット)を持つ。CAP-D2と-D3、CAP-Gと-G2、CAP-Hと-H2は、互いにparalogous関係にあるが、それぞれのペアの中での一次構造上の相同性は極めて低い。これらの制御サブユニットは、non-SMC サブユニットと総称されることもある。いずれのコンデンシンも、総分子量650-700 kDa程度の巨大なタンパク質複合体である。
コンデンシンのコアサブユニット(SMC2とSMC4)は、これまで調べられた全ての真核生物に保存されている。コンデンシン I に固有の制御サブユニットも同様であるが、コンデンシン II に固有のサブユニットを保持しているかどうかは種によって大きく異なる。
例えば、ショウジョウバエ (Drosophila melanogaster) のゲノムには、コンデンシン II の制御サブユニット CAP-G2 の遺伝子が欠けている。また、昆虫では、CAP-G2に限らずCAP-D3やCAP-H2の遺伝子を失っている種が頻繁にみられる。コンデンシン II に固有のサブユニットは進化の過程で大きな淘汰圧に晒されているらしい。
線虫 (Caenorhabditis elegans) はコンデンシン I と II を有するが、中期染色体における両者の局在パターンが他の生物とは大きく異なっている。これはこの生物がホロセントリック(染色体腕部全長に沿って多数のセントロメアが散在する)という特殊な染色体構造をもつためと考えられている。また線虫は、コンデンシン I に類似した第3の複合体(コンデンシン I DC:5つのサブユニットのうちSMC-4がDPY-27と置き換わっている)を有し、これは遺伝子量補償 (dosage compensation [DC]) の主要な制御因子として働いている。
菌類(出芽酵母Saccharomyces cerevisiaeや分裂酵母Schizosaccharomyces pombe)のように、コンデンシン II に固有のサブユニットを全て失っている種も存在する。しかし、単細胞性の原始紅藻 (Cyanidioschyzon merolae) では、そのゲノムは酵母とほぼ同一のコンパクトサイズであるにもかかわらず、コンデンシン I と II を共にもっている。すなわち、ゲノムの大きさとコンデンシン II の保持との間に強い相関関係はない。
繊毛虫テトラヒメナ (Tetrahymena thermophila) は、コンデンシン I のみを有する。しかし、二つの制御サブユニット(CAP-D2とCAP-H)にはそれぞれ複数のパラログが存在し、その中には大核(遺伝子発現機能を有する)と小核(生殖機能を有する)に特異的に局在するものがある。すなわち、この種では、異なる制御サブユニットをもち異なる細胞内局在を示す複数のコンデンシン I 複合体が存在する。これは、他の生物種では観察されないユニークな特徴である。
コンデンシンに類似したタンパク質複合体は原核生物にも存在し、やはり染色体(核様体)の構築と分離に関与している。それらは大きくSMC-ScpABとMukBEFという2つの複合体に分類することができる。原核生物型コンデンシンは、真核生物型に比べて、より単純なつくりをしている。例えば、真核生物型のSMCサブユニットがヘテロ2量体であるのに対し、原核生物型のSMCサブユニット(あるいはMukBサブユニット)はホモ2量体である。制御サブユニットのうち、ScpAとMukFはkleisinファミリーに分類されるため、SMC-kleisin3量体の基本構造は真核細胞と原核細胞の間で保存されているといってよい。一方、ScpBとMukEはkiteファミリーに分類され、真核細胞型のHEATリピートサブユニットとは大きく異なる。
多くの真正細菌と古細菌がSMC-ScpABを有するのに対し、MukBEFはガンマ・プロテオバクテリア(γ-proteobacteria)と呼ばれる一部の真正細菌(大腸菌を含む)のみに見られる。SMC-ScpAB とMukBEFのサブユニットを比較したとき、一次構造レベルで類似性を見いだすことは困難であるが、電子顕微鏡像や変異体が示す欠損表現型から判断すると、2つの複合体は機能的なホモログであると推測することができる。両者は原核生物型(あるいはバクテリア型)コンデンシンと総称されることもある。
より最近になってMukBEFに似た第3の複合体(MksBEF)の存在も報告されている。緑膿菌(Pseudomonas aeruginosa)は、SMC-ScpABとMksBEFを有し、両者は異なる様式で染色体構築と分離に貢献している。一方、放線菌(Corynebacterium glutamicum)では、SMC-ScpABが染色体構築と分離を担い、MksBEFの機能はプラスミド維持に特化している。
コンデンシン複合体のコアとして働くSMC2量体は、極めて特徴的なV字構造を形成する(図3;SMCタンパク質の項を参照)。その形状は、原核生物型・真核生物型ともに電子顕微鏡によって捉えられている。SMC2量体の腕部の長さは ~50 nmにも達する(これは2重鎖DNA~150 bpに相当する)ことからも、コンデンシンがいかに巨大なタンパク質複合体であるかがわかる。真核細胞型では、kleisinサブユニットがSMCサブユニットのヘッドドメインに結合し、SMC2量体とHEATリピートサブユニットの相互作用を橋渡ししている(図2)。
タンパク質X線結晶構造解析は、大腸菌型MukBEFや枯草菌型SMC−ScpAB が先行している。真核生物型では、SMC2量体(SMC2-SMC4)の一部(ヒンジとロッドドメイン)に加え、CAP-G/CAP-Hのサブ複合体およびそのDNAとの共結晶、さらにCAP-D2/CAP-Hのサブ複合体の構造が報告されている。また、コンデンシン I のATP結合と加水分解に伴う大きなコンフォメーション変化の一端がcryo-EM (cryo-electron microscopy) によって捉えられている。一方、高速AFM (atomic force microscopy) 観察によると、SMC2量体の腕部はこれまで予想されていた以上にフレキシブルな構造をとっているらしい。
アフリカツメガエル卵から精製されたコンデンシン I は、ATP加水分解活性をもち、その活性は DNA への結合によって促進される。さらに重要なことに、ATP加水分解に依存して 2重鎖DNA に正のねじれを導入することができる(この活性は、正のDNA超らせん化活性、あるいはポジティブ・スーパーコイリング [positive supercoiling] 活性と呼ばれることも多いが、コンデンシンはDNAを切断・再結合することはできないので、いわゆるトポイソメラーゼ活性とは異なることに注意したい)。また、この活性は、Cdk1キナーゼを介したリン酸化によって分裂期特異的に促進されることから、分裂期の染色体凝縮に直接関与する本質的な反応のひとつであると考えられている。コンデンシンは、この活性を通してDNAの折り畳みに関与するとともに、II 型トポイソメラーゼによる姉妹染色分体の分割と分離を促進しているのかもしれない。一方、単分子DNA操作技術を用いると、コンデンシンがATPの加水分解に依存してDNAを凝縮させることをリアルタイムで観察することも可能である。また最近になって、出芽酵母のコンデンシン I が、ATP加水分解に依存して2重鎖DNA上を移動するモーター様活性を持つこと、DNAを「押し出して」ループを形成する(loop extrusion)活性を持つことが相次いで報告されている。
コンデンシンによるループ押出し活性の分子メカニズムについては現在活発に研究されているが、未だコンセンサスが得られるには至っていない。SMCサブユニットのATPaseサイクルとカップルして複数のサブユニットが複数の様式でDNAと相互作用することが示されており、その分子メカニズムは極めて複雑なものであるらしい。ループ押出し活性がスーパーコイリング活性とどのような関係にあるのかという問題についても解析が始まっている 。一方、2つのHEATリピートサブユニットの拮抗作用とコンデンシン間相互作用がダイナミックな染色体軸の構築制御に関与しているという報告もある。
コンデンシンはヌクレオソーム繊維に対してどのように作用するのであろうか?精製タンパク質を用いた試験管内再構成系によると、染色体構築にはヒストンシャペロンFACTが必須であることが示されている。コンデンシンがヌクレオソーム繊維に対して働く際、(DNA複製や転写の過程と同様に)ヌクレオソームの一過的な不安定化と再形成が起こっているのかもしれない。また、リンカーヒストンがコンデンシンと競合的に働いていることも報告されている。一方、カエル卵抽出液中では、ヌクレオソーム形成を抑えた条件下においても、コンデンシンに依存して染色体に似た構造を作ることが可能である。この観察は、コンデンシンがヌクレオソーム構造を持たないDNAに対して生理学的活性を有していることを示している。
コンデンシン I とコンデンシン II の分子活性は、どの程度似ており、どの程度異なっているのであろうか? 両者は2つのSMCサブユニットを共有するが、それぞれに固有の3つのnon-SMCサブユニットを持つ(図2)。これらnon-SMCサブユニットの作用バランスが微妙に異なることが、2つの複合体のループ形成スピードや染色体形成能の違いに反映されているらしい。
最近では、コンデンシンの分子活性をもとに、分裂期染色体構築の数理モデリングとコンピュータ・シミュレーションが盛んに行われつつある。代表的なものとして、ループ押出し(loop extrusion)モデルをもとにした試み、コンデンシン結合部位の確率的な相互作用を仮定した試み、ループ形成とコンデンシン間相互作用を併せた試みが発表されている。
体細胞分裂の細胞周期において、コンデンシン I とコンデンシン II は異なる時空間制御を受けている。例えばヒト培養細胞では、コンデンシン II が細胞周期を通じて核内あるいは染色体上に局在するのに対し、コンデンシン I は間期では細胞質に存在する。このことから予想されるように、前期核内での染色体凝縮は主にコンデンシン II によって担われている(図4)。前中期にはいって核膜が崩壊すると、コンデンシン I は初めて染色体と接触することができるようになる。前中期以後の染色体凝縮には、2つのコンデンシンが必須である。こうした2つのコンデンシンの細胞内局在制御は、カエル卵抽出液を用いた再構成系やマウスの卵母細胞や神経幹細胞においても同様に観察されることから、生物種や細胞種を超えた普遍的な制御機構のひとつであるらしい。その生理学的意義については今後の解析を待たなくてはならないが、2つのコンデンシンの作用順序(まずコンデンシン II が働き始め、次にコンデンシン I が働く)を規定している可能性が指摘されている。
ヒトの中期染色体では、コンデンシン I とコンデンシン II は共に染色分体の中心軸上に局在するが、その分布は重複しないように見える(図5)。生細胞内における発現抑制実験やカエル卵抽出液中での免疫除去実験によると、2つのコンデンシンは独自の機能をもちながらも協調して中期染色体の構築に貢献していることが示されている。また、コンデンシンの機能に欠損が生じても細胞周期は特異的なステージで停止するわけではない。染色体構築に異常をもったまま後期に進入した細胞は、後期ブリッジ(anaphase bridge)と呼ばれる分離異常を顕在化しつつ、そのまま細胞質分離へと突入することが多い。
体細胞分裂における2つのコンデンシンの必須性は種によって異なる。マウス(Mus musculus)ではコンデンシン I と II のそれぞれが体細胞分裂に必須の役割を果たしている。両者は重複する機能を持つと共に、それぞれ独自の機能も有する。一方、原始紅藻やシロイヌナズナ(Arabidopsis thaliana)はコンデンシン I と II の両方を有するにもかかわらず、コンデンシン II は必ずしも体細胞分裂に必須ではない。面白いことに、線虫の初期胚では両者の関係が逆転している。すなわち、コンデンシン II が主要な役割を果たしており、コンデンシン I はマイナーな貢献をするのみである。これはホロセントリック染色体という特殊な構造をとっているためかもしれない。また、出芽酵母や分裂酵母をはじめとする菌類はもともとコンデンシン II をもたない。こうした種間の違いは、染色体構築やゲノムサイズの進化を考える上で大きな示唆を与えてくれるものである(「進化的考察」の項参照)。
最近では、細胞周期における染色体の構造変換が Hi-C (High-throughput chromosome conformation capture) の手法を通して解析されるようになっている。さらに、コンデンシンの欠損が分裂期の染色体構築に与える影響についても、出芽酵母、分裂酵母、ニワトリ(Gallus gallus)DT40細胞において相次いで報告されている。特に、DT40細胞の解析から得られた描像(まずコンデンシン II が大きなループを形成し、次にコンデンシン I がそれを分割するように小さなループを形成する)は、これまでの細胞生物学・生化学的手法から推測されていた描像とよく一致する。さらには、定量的画像解析から、ヒト細胞の分裂期染色体上に局在するコンデンシン I と II の数を推定する試みも報告されている。
コンデンシンは、減数分裂期の染色体構築とその動態制御においても重要な役割を担っている。これまでに出芽酵母、ショウジョウバエ、線虫において遺伝学的手法を用いた解析が報告されている。マウスでは、抗体による機能阻害実験および条件的遺伝子ノックアウト解析が報告されている。哺乳類の減数第一分裂では、コンデンシン II の貢献がコンデンシン I のそれに比べてより大きいようにみえる。また、体細胞分裂で示されているのと同様に、減数分裂においても2つの複合体の機能が一部重複している。減数第一分裂と体細胞分裂の間で、スピンドルチェックポイントに対する二つのコンデンシンの関わりが異なることは、両者の染色体構造の違いを考えたとき大変興味深い。なお、コヒーシンとは異なり、コンデンシンには減数分裂期に特異的に働くサブユニットは見つかっていない。
最近の研究によれば、コンデンシンは細胞分裂期以外の時期においても多彩な染色体機能に関わることが明らかになっている。
出芽酵母では、rDNA反復配列のコピー数制御やtRNA遺伝子のクラスタリングに関わっている。
分裂酵母では、複製チェックポイント制御やRNAポリメラーゼ III によって転写される遺伝子群をセントロメア付近へ集合させる現象に関与することが報告されている。
線虫では、コンデンシン I に類似した第3の複合体が遺伝子量補償の主要な制御因子としてX染色体の高次構造変換に関わっている。
渦鞭毛藻(Dinoflagelate)Crypthecodinium cohniiは、非ヌクレオソームからなる液晶 (liquid crystal) 状の巨大な染色体を有する。この生物では、SMC4がS期の進行に必須の役割を示すとともに、液晶状染色体のコンパクションにも関わっている。
マラリア原虫(Plasmodium)では、SMC2/SMC4がこの寄生虫の増殖と感染に必須の役割を果たしている。
ショウジョウバエでは、コンデンシン II のサブユニットが、多糸染色体の解体とトランスベクション(相同染色体の対合を介した転写制御の抑制])、および染色体テリトリーの形成に関与する。ショウジョウバエで観察されるこれらの現象はすべて染色分体間の相互作用が弱められる結果として起こるものであり、その背景には共通のメカニズムの存在が想定されている。
シロイヌナズナでは、コンデンシン II がDNA損傷を緩和してホウ素過剰ストレスを軽減する分子機構に関わっている。
哺乳動物細胞においても、コンデンシン II が間期ゲノムの組織化と機能発現に大きな役割を果たしている可能性が高い。実際、ヒト細胞ではコンデンシン II による染色体凝縮の準備過程(複製が完了した領域を組織化して分割していく過程)は、既にS期の間から始まっている。
マウスの間期核では、セントロメア周辺のヘテロクロマチン領域が集合してクロモセンター(chromocenter)という核内構造が形成されることが知られている。興味深いことに、コンデンシン II を欠いた細胞ではクロモセンターが過集合している様子が観察される。すなわち、コンデンシン II は間期核内においてヘテロクロマチン領域の集合を抑制する機能をもっているらしい。
コンデンシンのサブユニットは細胞周期依存的に様々な翻訳後修飾を受ける。なかでも分裂期におけるリン酸化が一番よく研究されている。
コンデンシン I のスーパーコイリング活性と染色体構築活性にはCdk1によるリン酸化が必須である。しかし、活性化に必須なリン酸化のターゲットとなるサブユニットや部位(およびそれらの数)は明らかになっていない。Cdk1の主なターゲットであるS/TP配列はコンデンシンサブユニットの末端に位置する天然変性領域(intrinsically disordered regions: IDRs)に集中する傾向にあるが、その分布や生体内制御における貢献は種によって大きく異なる。例えば、分裂酵母ではSMC4サブユニットN末端のリン酸化が分裂期におけるコンデンシンの核内移行を制御する。出芽酵母のコンデンシンは細胞周期を通じて核内に局在するが、SMC4サブユニットN末端のリン酸化は染色体結合のダイナミクスの制御に関わる。脊椎動物では、コンデンシン I のCAP-HサブユニットのN末端のリン酸化が分裂期特異的な染色体結合制御の一端を担っているらしい。Cdk1以外にも、aurora Bやpoloによる正の制御やCK2 (Casein kinase 2)による負の制御が報告されている。
コンデンシン II の制御については、Cdk1、polo、およびMps1の関与が示唆されている。また、CAP-D3サブユニットはプロテインフォスファターゼPP2A-B55の基質として同定されている。(コンデンシン I と同様)コンデンシン II のリン酸化・脱リン酸化による制御の全貌はまだ見えていない。
一方、ショウジョウバエでは、SCFSlimbユビキチンリガーゼの働きを通してコンデンシン II のCAP-H2サブユニットが分解されることが報告されている。
ヒト小頭症の原因タンパク質のひとつMCPH1はコンデンシン II の抑制因子として働くことが報告されている。このタンパク質に欠損をもつ患者から採取した細胞では、コンデンシン II の過剰な活性化が引き起こされ、非分裂期においても凝縮した染色体が観察される。さらに最近になって、コンデンシン I 及び II のサブユニットのhypomorphic変異(遺伝子機能の一部を低下させるマイルドな変異)そのものが小頭症の原因になっていることも報告されている。しかし、コンデンシンの精密な制御と小頭症発症の間にどのような関係があるかについては不明な点が多い。一方、マウスでは、コンデンシン II サブユニットのhypomorphic変異がT細胞の分化に特異的な影響を及ぼすことに加え、T細胞リンパ腫を引き起こすことが報告されている。このように、神経幹細胞やT細胞など特殊な分裂様式をもつ細胞種においてコンデンシン変異の影響が検出されやすいという観察は大変興味深い。
原核生物にも単純なつくりをしたコンデンシン複合体が存在することから、コンデンシンの進化的起源はヒストンのそれよりも古いことになる。また、コンデンシン I とコンデンシン II の両者が現存する真核生物に広く保存されていることは、真核生物の最後の共通祖先(last eukaryotic common ancestor: LECA)が既に2つのコンデンシン複合体を有していたことを示唆する。一部の生物種(酵母等)では進化の過程でコンデンシン II が失われたと考えるのが妥当である。
では、なぜ多くの真核細胞には2つのコンデンシン複合体が存在するのであろう。上記のように、体細胞分裂に対する2つのコンデンシンの貢献の重みは種によって異なる。哺乳類では両者が同程度の重みをもっているものの、多くの生物種ではコンデンシン I がより重要な役割を果たしている。そうした種では、コンデンシン II は(体細胞分裂への関与が軽減され)他の様々な染色体機能に関わることが可能になったのではないかと考えられる。コンデンシン II の保持とゲノムサイズに見かけ上の相関はないが、ゲノムの巨大化に伴ってコンデンシン II の重要性が増しているようにも見える。また、Hi-C技術を駆使した最新の研究では、コンデンシン II の機能と間期クロマチンの組織化の型(テリトリー型とRabl型)の関連が進化の視点から議論されている。一方、初期胚と体細胞の間でもコンデンシン I と II の重みは変化しており、分裂期染色体の形状の違いにも影響を与えている。このように、2つのコンデンシンの発現と機能のバランスは、真核生物の進化や発生の過程において大きく変化するとともに精妙に制御されているらしい。LECAが2つのコンデンシンを有していたことが、その後の染色体構造と機能の進化に大きな可能性と可塑性を生み出したのではないかと推測することができる。