コンデンシンと分裂期染色体
tetsu
遺伝子発現制御理論物理学研究室
染色体の秘密は変異体から
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分裂期染色体形成に関して私が思っていたこと
前の記事で、分裂期染色体の形成の必須因子がコヒーシン、トポイソメラーゼII、ヌクレオソームであること、コヒーシンのループ押出し活性を持ち、分裂期染色体形成の主要な機構であるようであるということをお話ししました。
2026年5月現在でも、これが分裂期染色体形成に関して、世界中の研究者が持っている基本的な考え方です。
私がこれまで研究してきた遺伝子発現は、分裂期の間の期間である間期に起きます。
間期には、それぞれの染色体が核内の決まった領域を占めています（染色体テリトリー）。
この構造は、熱平衡状態の高分子とは非常に異なる構造です。
つい最近まで、分裂期染色体が間期の間に緩和しきらないことが染色体テリトリーができる原因だと考えられていました。
私は、DNAの構造や運動によって、どのように遺伝子発現が制御されるかということを知りたかったので、分裂期染色体の形成やその緩和を知っておくことは重要だろうと思っていました
しかし、分裂期染色体の形成の研究は、コンデンシンのループ押出しの発見で少なくとも本質的の部分はできてしまっていて、何をしても後追いになってしまうように思えます。
そもそも、単純に構造形成の問題なので、非常に物理学のセンスともマッチしすぎているので、何かアイデアを思い浮かんだとしても似たアイデアを思い浮かぶ人がいるだろうと思ってしまいます。
そのため、私にとって、分裂期染色体形成の分野は、知っておく必要はあるけれども、自身で研究するべきではない分野だと思っていました。
しかし、転機が訪れたのは、2020年に学術変革領域A「ゲノムモダリティ」に参加し、平野達也さんと共同研究を始めたことです。
コンデンシンのループ押出しだけでは分裂期染色体は形成されない
前の記事で、平野さんはカエル卵抽出液にマウス精子核を加え、分裂期染色体を再構成することに成功していました。
また、分裂期染色体形成の主要な因子がコンデンシンであること、その他にもトポイソメラーゼIIとヌクレオソームが分裂期染色体の必須因子であることを見つけられたこともお話ししました。
真核生物のDNAはヒストンとの複合体であるクロマチンを形成していますが、ヌクレオソームはその繰り返し単位であり、DNAがヒストンの８量体に巻き付いた構造を取っています。
トポイソメラーゼIIは、DNAを一時的に切り、また連結することによって、DNAの絡み合いをほどく活性を持つタンパク質です。
カエル卵抽出液からトポイソメラーゼIIとヌクレオソーム形成に必要な因子を取り払った場合、コンデンシンのループ押出しだけで分裂期染色体は形成されるでしょうか。
平野さんと彼のグループの新富圭史さんはその実験を行い、分裂期染色体の代わりに「スパークラー」と呼ばれる構造が形成されることを発見されました[1]。
スパークラーは、マウスの12本のDNAが凝集したコアから複数の突起が伸びている構造を形成しています。
分裂期染色体形成の主要因子であるコンデンシンIの濃度は突起先端で高く、他の部分では比較的低くなっています。
コアの部分ではリンカ―ヒストンH1.8と呼ばれるヌクレオソーム形成に直接かかわらないヒストンの濃度が高いことが分かりました。
リンカ―ヒストンをDNAと混ぜると、凝集体を形成することが知られています。
スパークラーのコアでDNAが凝集している理由は、リンカ―ヒストンの凝集性にあると考えられます。
ループ押出し活性のないコンデンシンでも分裂期染色体形成能が全くないわけではない
平野さんのグループは京大の西山朋子さんのグループと共に、カエル卵抽出液からコンデンシンを取り除き、代わりにループ押出し活性のないコンデンシンを加えた抽出液にマウス精子核を加え、DNAの構造を調べられました[2]。
この変異体コンデンシン抽出液では、少しぼやけた繊維ができるのですが、それでも分裂期染色体のような構造が顕微鏡で観察されています。
変異体コンデンシン抽出液からさらにトポイソメラーゼIIを取り除いた抽出液にマウス精子核を加えると、12本のマウスDNAは非常にコンパクトな「ビーン」と呼ばれる構造を形成します。
ビーンはDNAが凝集したコアの周りにDNA濃度の比較的低いハローが形成されます。
変異体コンデンシンは、コアで濃度が高く、ハローで濃度が高くなっています。
ヌクレオソームはその逆で、コアでは濃度が低く、ハローでは濃度が高くなっています。
変異体実験が与えた示唆
これらの実験結果は、分裂期染色体形成の主要な機構はループ押出しかもしれないが、それで終わりではないことを示唆しています。
コンデンシンのループ押出しが観察されたのは、精製タンパク質とDNAからなる希薄な系です[3]。
コンデンシンが混雑環境の中、ヌクレオソームやトポイソメラーゼIIと相互作用しながらどのように構造形成をするのかということが分からなければ、分裂期染色体の本質はつかめないのでしょう。
参考文献
[1] K. Shintomi & T. Hirano, Guiding functions of the C-terminal domain of topoisomerase IIα advance mitotic chromosome assembly, Nat. Comm., 12: 2917 (2021). doi: https://doi.org/10.1038/s41467-021-23205-w
[2] K. Kinoshita, Y. Tsubota, S. Tane, Y. Aizawa, R. Sakata, K. Takeuchi, K. Shintomi, T. Nishiyama, & T. Hirano, A loop extrusion–independent mechanism contributes to condensin I–mediated chromosome shaping, J. Cell. Biol., 221: e202109016. doi: https://doi.org/10.1083/jcb.202109016
[3] M. Ganji, I. A. Shaltiel, S. Bisht, E. Kim, A. Kalichava, C. H. Haering, & C. Dekker, Real-time imaging of DNA loop extrusion by condensin. Science, 360, 102-105 (2018). doi: https://doi.org/10.1126/science.aar7831
ABOUT ME
電子工学で学位を取得後、理論物理学者になるため、ドイツ、イスラエル、中国で修行。現在は、習得した理論物理学を使って遺伝子発現制御のメカニズムを明らかにする研究をしています。研究だけでなく、趣味やいろいろ考えていることなどお話ししたいと思います。