遺伝子のオン・オフを調節するクロマチン構造の謎を解く
図１．分裂酵母（Schizosaccharomyces pombe）。
核のDNAを蛍光色素（DAPI）で染色。細胞が個体を作るための多様性を生み出すためには、決まった時期に適当な遺伝子をオン、あるいはオフにして細胞を特徴づける遺伝子の発現状態を獲得し、また時にはその状態を大きく変化させることで、異なる性質の細胞を生み出す事が重要になります。この際、ＤＮＡの一次配列の変化では説明できない、エピジェネティクスと呼ばれる現象が重要な働きをしていると考えられています。
研究室の研究テーマ
図２．マウスNIH3T3細胞の核。
DNAを染める蛍光色素（PI）で染色した写真。
強く染色されている領域がヘテロクロマチンを示している。私達の研究室では、クロマチンと呼ばれるDNAとタンパク質の複合体のダイナミックな変化を分子のレベルで解析することで、このエピジェネティクスと呼ばれる生命現象の解明を目的としています。具体的には、クロマチン研究の優れたモデル生物として知られる分裂酵母（Schizosaccharomyces pombe:図１）と哺乳類培養細胞（図２）を用いて、以下の３つの研究項目を中心に研究を進めています。
ヘテロクロマチン構造の形成と維持のメカニズムの解明
真核細胞の染色体には、高度に凝集したヘテロクロマチンと呼ばれる構造が存在しています。この高次のクロマチン構造は、転位因子（トランスポゾン）や反復配列など、本来ホストのゲノムにとって不必要な配列の増幅を抑制するために重要な構造です。しかし実際には、セントロメアやテロメアなど、染色体の正確な分配や構造の維持に必要な機能ドメインの形成に寄与するとともに、エピジェネティックな遺伝子発現の制御にも重要な役割を果たしていることが知られています。したがって、この高次のクロマチン構造を形成する分子メカニズムが明らかになれば、複雑なエピジェネティック現象の理解につながると考えられます。また分裂酵母を用いた近年の解析から、このヘテロクロマチンの形成過程に、二本差のRNA によって引き起こされるRNA干渉（RNAi）と呼ばれる現象の関与が明らかにされてきました。しかし、高等真核生物において、RNAi機構とヘテロクロマチン構造形成がどのように結びつくのか、まだまだ沢山の謎が残されています。私達の研究室では、主に分裂酵母を材料にヘテロクロマチン構造の形成メカニズムの解明に取り組んでいます。
図：RNAiとヘテロクロマチン構造形成に関わるモデル
ヒストンメチル化酵素の機能解析
クロマチンの基本単位であるヌクレオソームは、ヒストンと呼ばれる非常に良く保存された塩基性タンパク質の八量体に、DNAが1.75回巻き付く構造をしています。クロマチンの大きな構造変化や、遺伝子の発現調節をもたらすためには、このヌクレオソームの構造を変化させる必要があります。近年の解析から、DNAが巻き付くヒストンのコア領域とは別に、外に飛び出したアミノ末端側の「テイル」と呼ばれる領域が、アセチル化、メチル化、リン酸化など、様々な翻訳後修飾を受け、さらにこの変化が、クロマチンの構造変化を介した様々な生命現象と関わる事が明らかにされてきました。特にヒストンのメチル化修飾は、安定なエピジェネティックマークとして考えられており、そのメチル化修飾の変化を制御している機構の解明は、エピジェネティックな遺伝子発現制御の理解につながると期待されます。私達の研究チームでは、ヒストンのメチル化修飾を触媒するメチル化酵素、特にSETドメインを有する酵素の機能解析と、最近明らかにされた脱メチル化酵素の解析を進めています。
図：ヒストン脱メチル化酵素複合体
哺乳類クロモドメインタンパク質の機能解析
クロモドメインは、クロマチンの構造変化に関わる多くのタンパク質に見いだされる、進化的に保存されたモチーフ構造です。ヘテロクロマチンタンパク質HP1の詳細な研究から、そのクロモドメインがメチル化されたヒストンを特異的に認識して結合する、結合モジュールであることが明らかにされました。この成果より、他の多くのクロモドメインタンパク質も、HP1と同様にメチル化ヒストンを認識する結合タンパク質であることが推測されています。ヒストンのメチル化修飾が持つ生物学的な意味を理解するには、その修飾がどのように他のタンパク質に認識されるかを解析することが重要になると考えられます。私達の研究チームでは、分裂酵母での知見を応用し、未だ機能が明らかにされていない哺乳類クロモドメインタンパク質の機能解析に取り組んでいます。また、ヘテロクロマチンタンパク質HP1が、発生や分化における大きなクロマチン構造の変化に果たす、機能的な役割の解明も併せて進めています。
図：HP1のリン酸化欠如によって引き起こされる染色体異常
テトラヒメナのクロモドメインタンパク質
単細胞真核生物であるテトラヒメナは、モデル生物として利用されており、テロメラーゼ、リボザイム、ヒストンアセチル化酵素の発見に寄与してきました。テトラヒメナは体細胞核（大核）と生殖核（小核）の二核を持つ単細胞生物です。有性生殖時に、小核を元にして大規模なゲノム編成が起こり、新しい大核が形成されます。興味深いことに、進化的に保存されたクロモドメインを有するタンパク質が、このゲノム編成に寄与することが知られています。私たちの研究チームでは、クロモドメインタンパク質の理解を深めるために、生化学的な解析に有用なモデル生物であるテトラヒメナを用いて、H26年度より研究を開始しました。
接合中のテトラヒメナの動画（ダブルクリックで再生）
