シャペロンはタンパク質が細胞遺伝子を調節するのを助ける

不必要な遺伝子をオフにするすべての細胞の能力に不可欠なタンパク質は、その重要な遺伝子圧縮機能と、変異した場合のがんとの関連性でよく知られています。しかしこれまで科学者たちは、タンパク質がどのようにして必要な場所に到達し、遺伝子が活性化されないように遺伝子を結合させておくのかについてはよくわかっていなかった。

新しい研究で研究者らは、リンカーヒストンH1と呼ばれるこのタンパク質が、最初は明確な目的もなく細胞内を飛び回り、たとえその標的である、巻き取られたDNAのセグメントを含むヌクレオソームの存在下であっても、細胞内を飛び回っていることを発見した。 H1 はヌクレオソームから突き出ている 2 本の DNA 鎖に直接結合しますが、シャペロンタンパク質がヌクレオソーム自体にエスコートするまでは、ヌクレオソーム自体にはなかなか結合しません。

研究チームは、単一分子実験を使用して、H1 が DNA およびヌクレオソームの中心に結合する前、結合中、結合後の個々の H1 タンパク質とそのヌクレオソーム標的を視覚化しました。主著者でオハイオ州立大学物理学教授のマイケル・ポイリエ氏は、「単一分子法は、一度に1分子ずつ分子の運動と相互作用を定量化することにより、標的プロセスへの直接的な洞察を提供する」と述べた。

「多くのタンパク質は動的であり、動的な機構情報を得るには、こうした単一分子の研究を行うことで、個々の分子が何をしているのかを文字通りリアルタイムで観察することができます」とポワリエ氏は語った。

これらの洞察は、細胞機能に多大な影響を与えるタンパク質を研究する場合に特に重要であると同氏は述べた。

「H1は、どの遺伝子が細胞によって使用され、どの遺伝子が使用されないかを制御する重要な調節因子です。遺伝子発現が適切に機能しなくなったために病気がどのように発症するかを理解したい場合は、H1がどのように機能するかを理解する必要があります。それが理解できれば、この病気の原因に対抗するための新しい治療法の可能性が開かれます。」

筆頭著者のイーサン・アクバリ氏はポイリエ研究室の研究者であり、チームの研究を主導した。この研究は、Molecular Cell誌に9月22日に掲載された。

植物、動物、人間のすべての細胞には、生物の全 DNA が含まれています。人間の細胞では、長さ 6 フィートのゲノムが、人間の髪の毛の幅の 1/10 未満である核の内側に収まらなければなりません。これを行うために、ゲノム DNA の一部がヒストンタンパク質の集合体を包み込み、ヌクレオソームを形成します。これは、庭で散水ホースを組み立てる方法と同様です。

次に、ヌクレオソームは互いに折り重なり、集まってクロマチンを形成します。リンカー ヒストン H1 の役割は、クロマチンの圧縮を促進し、細胞が使用しない遺伝子を含む DNA セグメントがコイル状のままで発現に利用できないようにすることです。

「H1がゲノムを圧縮するのに重要であり、それが遺伝子発現の調節に重要であることはわかっています」とポワリエ氏は語った。 「ゲノムでは、圧縮される領域には多くの H1 がロードされますが、よりオープンな領域には H1 が少なくなります。

「ほとんどの遺伝子はオフになっています。どの細胞でも遺伝子のごく一部しか使用しません。そのため、ほとんどの遺伝子は、その発現がオフになるように圧縮された状態に保たれなければなりません。」

Poirierらは、光ピンセットと単一分子蛍光測定を使用して、H1とDNAおよびヌクレオソームとの相互作用を視覚化した。彼らは、H1 が DNA に結合した後も動き続け、タンパク質が DNA を介してヌクレオソームにロードされるのではなく、ヌクレオソームから反射することを観察しました。

「それは動いているのに、ヌクレオソームにすら到達しないのですが、それは私には想像もしていませんでした」とポワリエ氏は語った。次に、シャペロンタンパク質がミッシングリンクである可能性があると予測した研究チームは、3 つの既知のヒストンシャペロンタンパク質を実験に追加しました。

「驚くべきことに、付添人たちは、H1がどのように移動するのか、また実際にどのようにヌクレオソームを見つけて乗ってくるのかを制御するために多くのことを行ってきた。そしてそれが重要な点であり、人々はH1がどのようにしてヌクレオソームに積み込まれ、乗ってくるのかを理解していなかったのだ」と同氏は述べた。 「我々が発見したのは、それが実際に直接充電し、DNAに沿って滑りたがるということだった。それができるとは私たちも知らなかった。しかし、実際のヌクレオソームに到達するには付き添いが必要だ。」

このペーパーは下半期のストーリー全体を説明しているわけではありませんが、段階的な視覚化はプロセスのどこで問題が発生する可能性があるかについての新しい手がかりを提供します。ポワリエの研究室は以前、H1 変異体と、細胞によって製造された後の H1 の標的化と機能の変化である、起こり得る翻訳後修飾を研究していました。

「次に行うべき非常に自然なことは、これらの変異体、翻訳後修飾、そして最も重要なことに、癌関連変異が、現在測定できるようになったH1の特性と機能にどのような影響を与えるかを調べることです」と同氏は述べた。

この研究は、国立衛生研究所と米国国立科学財団から資金提供を受けました。

追加の共著者は、オハイオ州立大学の Nathaniel Burge 氏、チューリッヒ大学の Matti Valdimarsson 氏、Aritra Chowdhury 氏、Benjamin Schuler 氏です。