大阪大学大学院生命機能研究科の深川竜郎教授・西村浩平特任助教（常勤）らの研究グループは、ゲノム中のセントロメアを含む領域が細胞核内でどのように配置されているかを世界で初めて明らかにしました。

細胞分裂時における染色体の伝達の過程では、セントロメアと呼ばれるゲノム領域が重要です。一般的にセントロメア領域には、遺伝子が存在せず、一定のDNA配列が広範囲にわたって反復して存在しているため（DNAの反復配列）、ゲノム構造を明らかにすることは困難でした。

一方、研究グループは、これまでに、DNAの反復配列が存在しないセントロメアを持つニワトリの染色体を作ることに成功していました。

今回、研究グループは、「4C法」 というゲノム領域間での立体的な(3Dレベルの)相互作用を解明する方法を適用して、DNAの反復配列が存在しないセントロメアを持つ染色体を解析した結果、細胞核内のセントロメア領域を含むゲノム領域の立体的配置(3Dゲノム構造)の解明に成功しました （図1） 。

さらに、研究グループは、ヘテロクロマチンという、ゲノム中に散在している、遺伝子の発現 が広範囲に渡って抑えられている領域が、直線的なゲノム構成ではセントロメア領域と離れて存在していたとしても、細胞核内では近接し立体的に結合していることも併せて発見しました （図1） 。

セントロメア領域は細胞分裂時における染色体の分配に必要な領域であり、その機能を発揮するために、その周辺を含めて遺伝子発現が抑えられている必要がありますが、今回の研究は、その仕組みを明らかにするもので、正常な細胞分裂のメカニズムの解明に繋がる重要な研究成果です。

本研究成果は、米国科学誌「Journal of Cell Biology」に、11月5日（月）23時（日本時間）に公開されました。

図1　細胞核内におけるゲノムの配置の模式図
一つの細胞に含まれるゲノムDNAを直線的に伸ばすと2mほどになるが、これがわずか直径10μmの細胞核内にコンパクトに収められている。遺伝子が存在しないセントロメア、ヘテロクロマチン領域は、直線的には、遠く離れていても、細胞核内では近接して存在していることが、今回明らかになった。

生物を構成する一つ一つの細胞の遺伝情報(ゲノム)はDNAに書き込まれ、細胞核に収納されています。ヒトの一つの細胞に含まれるDNAを直線的に伸ばすと2m程度の長さですが、それがわずか直径約10μmの細胞核内に収納されています （図2） 。例えるならば富士山の高さに相当する長さの紐が、3～4cmの箱に収納されているようなものです。この収納はランダムでなく一定の規則をもっていると考えられていますが、不明な点も多くあります。特に、直線的に遠く離れた領域にあるDNAが細胞核内では近接していることもあります。

近年、ゲノムDNAの解析が進み、細胞核内でのDNAの立体配置を解析する手法が開発されてきました。しかし、ヒトを含む脊椎動物のゲノムには、遺伝子が存在せず、一定のDNA配列が広範囲にわたって反復して存在しているため、解析が困難な領域が多く存在します。例えば、セントロメアという領域は、細胞分裂に重要な働きを担う重要な機能領域ですが、一定のDNA配列が広範囲にわたって反復して存在しており、ゲノム構造を明らかにすることができていません。

研究グループは、これまでに、DNAの反復配列が存在しないセントロメアを持つニワトリの染色体を作ることに成功していました。今回の研究では、この特別な染色体を活用することで、セントロメアのゲノム領域の解析が可能となりました。この特殊な染色体を使うことに加えて、同じ染色体上でも離れた場所にあるゲノム領域同士の相互作用を解明する4C法という方法を用いて、細胞核内におけるセントロメア領域を含むゲノム領域の立体的配置(3Dゲノム構造)の解明に成功しました。

研究グループは、以前に、 図3 に示すようにDNAの反復配列が存在しないセントロメアを持つ染色体を含むニワトリDT40細胞を作成しました。任意の染色体のセントロメア領域をゲノム工学によって取り除く操作を細胞に行うと、セントロメアを失った染色体を持つ多くの細胞は死滅してしまいます。ただし、ある種の遺伝学的手法を用いることで、そのような条件でも生育してくる細胞を選別し取得することができます。そのような細胞の染色体では、本来のセントロメア領域とは違う場所に新しいセントロメアを形成しています（ 図3 ：新しいセントロメア）。このような細胞の新しいセントロメアには、反復配列が存在しないのでゲノム解析が可能となります。

そこで、このような反復配列が存在しない新しいセントロメアを保有する細胞を対象にして、4C法という特定のゲノム領域の相互作用領域（立体的な構造を想定した近接ポイント）が明らかにできる方法を用いて、全てのセントロメアに共通して相互作用する領域を調べました。その結果、全ての新しいセントロメアは、ヘテロクロマチンという、ゲノム中に散在する、遺伝子の発現が広く抑制された領域と結合していたことが明らかになりました。

ヘテロクロマチン領域がセントロメアに近接していると、遺伝子発現が抑えられて、細胞分裂に必要なセントロメアの機能を果たすことができます。しかし、DNAの反復配列がなくなった新しいセントロメアでは、直線的にはヘテロクロマチン領域と近接していないので、どのように遺伝子の発現が抑えられているか謎でした。

今回の研究によって、セントロメアとヘテロクロマチン領域が立体的な配置を介することで、直線的には近接していなくても相互作用していることが明らかになりました （図1） 。

今回明らかとなった、ヘテロクロマチン領域と新しいセントロメアとの立体的な相互作用の解明は、セントロメア周辺での遺伝子発現抑制を含めて、立体的なゲノム配置自体が細胞分裂時のセントロメアの機能形成に関与していると考えられる極めて重要な知見と言えます。

図2　細胞内でのゲノムDNAの収納
全ゲノム情報はDNAに書き込まれ、細胞核内に収納される。長大なDNAが一定の規則をもってコンパクトに細胞核内に収納されていると考えられている。これは、富士山の高さに相当する長い紐がわずか3-4cmの箱に収納されているイメージ。しかし、この収納のしくみには不明な点も多い。

図3　DNAの反復配列が存在しないセントロメアを持つ染色体を保有する細胞の作成方法
オリジナルの細胞のセントロメア領域近傍に細工を仕込み、本来のDNA反復配列を持つセントロメアを取り除く。こうすると多くの細胞は、セントロメアを失ったことで、染色体が抜け落ちてしまい死滅する。この中から、生き残った細胞を選別・取得する方法を用いると、本来のセントロメア領域とは異なる場所に、DNAの反復配列を持たない新しいセントロメアが形成された染色体を持つ細胞が取得できる。

がんやダウン症を始め、細胞分裂時の染色体の伝達異常が原因となる疾患は多く知られています。その原因の解明には、細胞分裂時の染色体の正確な伝達メカニズムを理解することが不可欠です。そのためには、セントロメアがどのように機能形成されて行くのかを理解することが極めて重要です。本研究成果により、セントロメアの機能形成機構を理解し、その不全で起こる各種疾病の原因解明につながる成果と期待されます。将来的には、セントロメアの機能形成に関わる分子を標的とした薬剤開発にもつながると期待されます。

本研究成果は、2018年11月5日（月）9時（米国東海岸時間）〔11月5日（月）23時（日本時間）〕に英国科学誌「Journal of Cell Biology」（オンライン）に掲載されました。
タイトル：“3D genomic architecture reveals that neocentromeres associate with heterochromatin regions”
著者名：Kohei Nishimura ¹ , Masataka Komiya ² , Tetsuya Hori ¹ , Takehiko Itoh ² , and Tatsuo Fukagawa ^1* ,
1.大阪大学大学院生命機能研究科
2.東京工業大学生命理工学研究科
（*責任著者）

なお、本研究は、日本学術振興会科学研究費補助金基盤研究(S)及び文科省科学研究費補助金新学術領域研究「染色体OS」の一環として行われました。

また、本研究は東京工業大学の伊藤武彦教授のグループとの共同研究です。