エピジェネティクス
哺乳類におけるDNAメチル化は、少なくとも3つの独立したDNAメチル基転移酵素 (DNMT1, DNMT3A, DNMT3B) の相互作用によって付加または維持される。体細胞で最も多いメチル基転移酵素であるDNMT1は、DNA複製部位に局在してヘミメチル化DNAを優先的に修飾することにより、複製後の新規DNA鎖にメチル化のパターンを写す。この酵素は適切な胚発生・インプリンティングおよびX染色体不活性化のために不可欠である。シロイヌナズナでも同様の維持メチル化機能を持つ酵素MET1が存在し、哺乳類DNMT1と同じ起原を持つ遺伝子(オーソログ)であることが分かっている。また、シロイヌナズナのde novo型DNAメチル化酵素は、哺乳類のDMNT3のオーソログにあたるDRM2である。なお、植物で知られているRNA指令型DNAメチル化 (RNA-directed DNA methylation: RdDM) については、非翻訳性RNAによる制御#RdDMで後述する。また、植物種子に対し大気圧プラズマを照射することでDNAの脱メチル化が起こることが報告されている。
クロマチンはヒストンにDNAが巻き付いたヌクレオソーム構造を持つ複合体である。もしDNAがヒストンに巻き付いている状態が変われば、 クロマチンリモデリング(再構築・再構成)がおき、遺伝子発現もまた変化する。ヒストンのメチル化は1964年に発見されたが、その生理的意義は長い間不明であった。その後の研究によって数多くの化学修飾が発見され、それら翻訳後修飾の役割は酵母・動物・植物で共通していることが多いことも判明してきている。ヒストン修飾はアミノ酸配列全体を通して発生するが、ヒストンのN末端(ヒストンテールと呼ばれる)が特に高頻度で修飾される(左図)。これらの修飾には、アセチル化、メチル化、ユビキチン化、リン酸化およびSUMO化が含まれる(ヒストンの項参照)。
よく研究されている化学修飾としてアセチル化がある。たとえば、ヒストンアセチル基転移酵素 (histone acetyltransferase [HAT]) によるヒストンH3のテールのK9とK14のリジンのアセチル化は、一般的に高い転写能力と相関している(表3)。ヒストンのリジン残基は、正に荷電した窒素原子を含むアミノ基を側鎖に持ち、DNA骨格の負に帯電したリン酸基と結合しやすい。リジン残基のアセチル化はアミノ基の正荷電を中和し、ヒストンとDNA間の相互作用を弱めることにより、転写因子がDNAに接近することを可能にする。このようにヒストン修飾がヌクレオソームの構造を変化させることによって転写に影響を与えるという説明を「シス」モデルという。
ヒストン修飾による機能のもう一つのモデルは、「トランス」モデルである。ヒストン修飾酵素が作用して他のタンパク質との結合部位を作り、そのタンパク質がクロマチンに会合することによって転写を制御する。例えば、トランスモデルの概念は、H3K9メチル化により裏付けされている。長い間、H3K9のメチル化は恒常的な転写不活性クロマチン(構造的ヘテロクロマチン)と関連付けられてきた。メチル化されたH3K9は、クロモドメイン(メチルリジン特異的結合ドメイン)を持つ転写抑制タンパク質HP1をリクルートする。
リジン残基メチル化は、修飾を受ける残基・同一残基が受けるメチル化状態(モノ, ジ, トリ)の種類が多く、作用も転写の活性化と抑制の双方があり、他のヒストン修飾に比べて複雑である。前述のH3K9メチル化とHP1の関係は、ショウジョウバエの位置効果による斑入り (PEV) でのヘテロクロマチン領域の拡大とも関連していると考えられている。他方、H3K4のメチル化はユークロマチンでの遺伝子発現の活性化と関連しており、複数の因子がH3K4トリメチル化を誘導することが知られている。
ヒストンリジンメチル基転移酵素 (lysine methyltransferase [KMT]) は、ヒストンH3およびH4に対してメチル化活性を担っていることが示されている。この酵素はSETドメイン (Suppressor of variegation, Enhancer of zeste, Trithorax) と呼ばれる触媒活性部位を利用している。SETドメインは遺伝子活性の調整に関与する130アミノ酸配列である。このドメインはヒストンテールに結合し、ヒストンのメチル化を引き起こすことが示されている。ヒストンH3とH4は、ヒストン脱メチル化酵素 によって脱メチル化されることもある。この酵素は十文字ドメイン (JmjC) と呼ばれる触媒活性部位を持っている。十文字ドメインが複数の補因子を使ってメチル基をヒドロキシル化して除去したとき、脱メチル化が起きる。十文字ドメインは、メチル基を1-3個持つ基質を脱メチル化することが可能である。
複数かつ動的なヒストンの化学修飾による遺伝子制御の概念は、ヒストンコード仮説と呼ばれる。この仮説は、「ヒストン化学修飾の特定の組み合わせが、あたかも暗号(コード)のように働くことにより、多種多様な反応を誘導してクロマチン機能を制御する」というものである。個別のヒストン修飾の影響が明らかになってきている一方で、複数の修飾が協調的あるいは対立的な影響を持ちながら共存する例や、同一の修飾が存在する条件によって異なる影響をもたらす例が知られている。このことから、数種類のヒストン修飾に制御されるエピジェネティックな過程の複雑さを理解するためには、ヒストンコード仮説が有効であると認める考え方もある。
クロマチンリモデリングとは、DNAとヒストンの間の位置関係が変化すること、およびそれによって遺伝子発現が促進あるいは抑制されることである。ヒストン修飾とATP依存リモデリング因子(SWI/SNFなど)によるクロマチンの変化を指す。
非翻訳性RNAとは、タンパク質へ翻訳されずに機能するRNAのことであり、塩基数(分子量)や鎖の形状(1本鎖, 2本鎖)が異なるものを一括した総称である。非翻訳性RNAは、RNA干渉 (RNAi)、ヘテロクロマチン形成への関与、および植物におけるRNA指令型DNAメチル化 (RNA-directed DNA methylation: RdDM) など、さまざまな過程を通じてエピジェネティックな遺伝子制御に関わっている。また、従来その構造から遺伝子発現が不活性化されていると考えられていたセントロメアなどのヘテロクロマチンにおいても、RNAが転写がされていることが判明し、非翻訳性RNAを通しての遺伝子発現制御が注目されている。
RNA干渉 (RNAi) は、非翻訳性RNAによる転写後遺伝子サイレンシングである。何らかの原因により二本鎖RNA (dsRNA) が存在するとき、Dicerと名づけられた酵素によってdsRNAは切断されて20数塩基以下の短い二本鎖RNA(低分子干渉 (small interfering) RNA, siRNA)となる。そのsiRNAと共通の塩基配列を持つmRNAが分解される現象を狭義のRNAiとする。しかしながら、翻訳型を含めてsiRNAが関与する遺伝子サイレンシング全般をRNAiとする場合や、あるいはRNAサイレンシングという用語をRNAiと同義語として使用する場合もある。狭義のRNAi現象は、植物・線虫・哺乳類を含め広範囲の生物で保存されている現象であることから、現在ではRNAiは広く遺伝子ノックダウン技術としての利用されている。RNAiの発見者アンドリュー・ファイアーとクレイグ・メローは、その功績で2006年ノーベル生理学・医学賞を受賞している。
RNA指令型DNAメチル化 (RdDM) は、植物で観察されるsiRNAによる翻訳型遺伝子サイレンシングであり、広い意味でのRNAiに含めることもある。動物においてRdDMと同等の機能があるかについては判明していない。RdDMはsiRNAと相同なDNA塩基配列のシトシン残基がメチル化される現象であり、siRNAの元になるRNAが核内DNAの転写産物でもあっても外来RNAであってもこの現象は発生する。イネへの遺伝子導入の実験においては、導入した遺伝子のプロモーターをRdDMによって不活性化したところ、同時にヒストンにおいてH3K9のジメチル化およびH3とH4の脱アセチル化が起きている(いずれも発現抑制化の変化・表2参照)ことが報告されている。RdDMによる遺伝子発現の不活性化は、外来遺伝子がゲノムに侵入した場合にゲノム内移動を抑える防御作用を持つものと推定されている。
プリオンは感染可能なタンパク質の形態である。一般に、タンパク質は異なる細胞機能を受け持つ立体構造をとる。一部のタンパク質は、複数の立体構造をとるように変化でき、その一例としてプリオンがある。プリオンは多くの場合、感染症(伝達性海綿状脳症)の関連で言及される。しかしながら、より一般的には、同じアミノ酸配列のタンパク質を自然状態から感染性立体構造へ触媒的に変換するタンパク質をプリオンと定義する。この後者の意味合いにおいてプリオンは、ゲノムを変更せず表現型の変化を誘導することができるエピジェネティックな媒介物と見ることができる。
菌類プリオンは、引き起こされる感染性表現型がゲノムの変更なく継承されるため、エピジェネティクス的と考えられている。1965年と1971年に出芽酵母で発見されたPSI (prion)とURE3は、二つの最も研究されているこのタイプのプリオンである。プリオンは、凝集中のタンパク質の表現型を転換させる効果を持つことができ、オリジナル型のタンパク質の活性を低下させる。PSI+細胞では、翻訳終結に関与する正常型タンパク質Sup35pの消失が、リボソームの高率の終止コドンの読み飛ばしと他の遺伝子のナンセンス突然変異の抑制をする効果を引き起こす。Sup35がプリオンを形成する能力は、進化的に保存された形質かもしれない。これは、PSI+状態に切り替え、早期終止コドン変異させ、通常は機能していない遺伝的特徴を発現させる適応的優位性を酵母に与えている可能性がある。
テトラヒメナやゾウリムシといった繊毛虫では、遺伝的に同一な細胞が、細胞表面の繊毛の並びのパターンの継承される違いを示す。実験的に変えられたパターンは娘細胞に伝達されうる。既存の構造は新しい細胞構造のテンプレートとして機能するようである。このような継承のメカニズムは不明であるが、理由として想定されるのは、多細胞生物にもある新しい構造を作るために既存の細胞構造を利用することである。