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2013/12/28
Category : 未選択

理化学研究所、ポリコム複合体による遺伝子の発現制御の仕組みを解明

遺伝子発現を抑制するポリコム複合体が活性化も制御
－プロモーター、サイレンサー、エンハンサーとの結合で活性・抑制を制御－

＜ポイント＞
　・Meis２遺伝子に着目しポリコム複合体による遺伝子の発現制御の仕組みを解明
　・遺伝子発現は染色体の高次構造に依存している
　・ポリコム複合体が染色体の高次構造を変化させ、遺伝子発現活性化にも関与

＜要旨＞
　理化学研究所（理研、野依良治理事長）は、マウスの胚を用い、遺伝子の発現を抑制すると考えられてきた「ポリコム複合体［１］」が、遺伝子発現の活性化にも関わっていることを明らかにしました。これは、理研統合生命医科学研究センター（小安重夫センター長代行）免疫器官形成研究グループの近藤隆研究生、古関明彦グループディレクター（副センター長）らの研究グループの成果です。

　細胞が未分化の状態から特定の細胞へと分化する運命決定には、どの遺伝子がいつどこで発現（オン）するか、あるいは抑制（オフ）するかといった遺伝子発現の切り換えが深く関わっています。この遺伝子発現のオン・オフの切り換えを管理しているのが、ポリコムタンパク質群です。ポリコムタンパク質群は、その標的となる遺伝子の特定の領域で、巨大なポリコム複合体を形成し、標的遺伝子の発現を抑制することが知られていました。しかし、ポリコム複合体が遺伝子のどの領域に結合し、遺伝子発現を制御しているのかなど、詳細な分子メカニズムは解明されていませんでした。

　研究グループは、中脳の形成に重要なMeis２［２］という遺伝子に着目して、ポリコム複合体による遺伝子の発現制御の仕組みを調べました。その結果、ポリコム複合体は、Meis２が不要な時期には、遺伝子転写に必要な領域「プロモーター［３］」と遺伝子の抑制制御領域「サイレンサー［４］」に結合し、Meis２の発現を抑制していることが分かりました。また一方で、Meis２が必要な時期がくると、ポリコム複合体が染色体の高次構造［５］を変化させて、遺伝子の転写活性化領域「エンハンサー［６］」をプロモーターに引き寄せ、遺伝子発現を活性化していることが明らかになりました。

　これは、ポリコム複合体が、遺伝子の発現を抑制すると同時に、活性化する役割も担っていることを示唆しています。

　本研究成果は、米国の科学雑誌『Developmental　Cell』（２０１４年１月１３日号）に掲載されるに先立ち、オンライン版（１２月２６日付け：日本時間１２月２７日）に掲載されました。

＜背景＞
　細胞が未分化の状態から特定の細胞へと分化する運命決定には、どの遺伝子がいつどこで発現（オン）するか、あるいは抑制（オフ）するかといった遺伝子発現の切り換えが深く関わっています。未分化の細胞が、さまざまな細胞へと分化するための多能性を維持するには、分化に関連する遺伝子が活性化できる性質を保ちながらも実際には不活性な状態にとどまっている必要があります。同時に、必要な時期がきたら、必要な細胞において、遺伝子を活性化できるようにしておくことで、正常な個体発生が可能になります。

　このような遺伝子発現のオン・オフ機能を維持するために、重要な役割を果たしているのがポリコムタンパク質群です。ポリコムタンパク質群は巨大な「ポリコム複合体」を形成し、細胞の分化や増殖抑制に関わる遺伝子に結合して、その遺伝子発現を抑制することが報告されています。しかし、ポリコム複合体がどのように遺伝子発現を抑制し、また、どのようにその抑制を解除するのかなど詳細な分子メカニズムは、ほとんど解明されていませんでした。

　研究グループは、これまでに、ポリコム複合体が重合して染色体の高次構造を変化させ、遺伝子発現のオン・オフに関わることを報告してきました（※）。しかし、ポリコム複合体が遺伝子のどの領域に結合し遺伝子発現を制御しているのか、といった詳細なメカニズムの解明には至っていませんでした。

　※２０１３年１０月１日プレスリリース「細胞の運命を左右する新しい分子メカニズムの一端を解明」
　　http://www.riken.jp/pr/press/2013/20131001_1/

＜研究手法と成果＞
　研究グループは、Meis２という遺伝子に着目して、ポリコム複合体による遺伝子発現の制御メカニズムを調べることにしました。Meis２は、発生のさまざまな場面で重要な役割を果たす転写調節因子の１つで、特に中脳の形成に重要なことが知られています。そこで、マウスの胚を用い、中脳を形成する細胞へと分化する未分化細胞において、Meis２の発現を調節する領域同士の相互作用を最新の分子生物学的手法や細胞生物学的手法を使い解析しました。今回、使用した手法の１つ「Immuno－FISH（immunohistochemistry　and　FISH）」は、タンパク質とDNA断片の相互作用を、組織切片において同時に可視化できる手法で、研究グループが独自に開発したものです。

　解析の結果、Meis２が発現しないときは、ポリコム複合体が遺伝子の転写に必要な領域「プロモーター」に結合しているのに対し、Meis２が発現する時期が近づくと、ポリコム複合体がプロモーターから離れていました。このことから、ポリコム複合体は、Meis２のプロモーターに結合して遺伝子発現を調節していることが分かりました。

　次に、プロモーターに加え、Meis２の「サイレンサー（抑制制御領域）」と「エンハンサー（転写活性化領域）」について、ポリコム複合体との結合や立体的な位置関係を解析しました（図１）。その結果、ポリコム複合体は、Meis２が不要な時期には、サイレンサーとプロモーターに結合し、遺伝子発現を抑制していることが分かりました（図１の６．５日胚）。一方、Meis２が必要な時期の直前に（図１の１６体節以降）、ポリコム複合体が染色体の高次構造を変化させて、エンハンサーを引き寄せており、この過程においても、ポリコム複合体が必要なことが分かりました。染色体の高次構造の変化の結果として、エンハンサーがサイレンサーとポリコム複合体をプロモーターからはじき出し、Meis２の発現を活性化することが分かりました（図２）。このように、Meis２の発現は、染色体の高次構造に相関しており、その調節をポリコムタンパク質群からなるポリコム複合体が行なっていることが明らかになりました。

＜今後の期待＞
　今回の研究により、ポリコム複合体が遺伝子発現の抑制を担うだけでなく、発現の活性化も制御していることが分かりました。しかし、遺伝子の発現抑制や活性化において、ポリコム複合体がどのようにサイレンサーやエンハンサーといった転写調節領域をプロモーターに引き寄せるのか、どうやってエンハンサーがポリコム複合体とサイレンサーをプロモーターからはじき出すのかなど、未解決の謎が多く残されています。

　このような遺伝子の発現調節メカニズムは、細胞の正常な分化・脱分化の過程の解明、ES細胞（胚性幹細胞）やiPS細胞（人工多能性幹細胞）の分化のコントロールなど、発生にかかわるさまざまな面で大変重要です。また、細胞のがん化や、がん細胞の抑制制御などにおいても、発現調節機構の解析が重要と考えられ、今回の成果がこれらの課題の解決につながるものと期待できます。

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