大阪大学大学院理学研究科の中川拓郎准教授、沖田暁子大学院生らの研究グループは、北海道大学の村上洋太教授、東京工業大学の木村宏教授、九州大学の高橋達郎准教授との共同研究でヘテロクロマチンがセントロメア領域のDNA反復配列（セントロメア・リピート）を「のりしろ」にした染色体異常を抑制することを世界で初めて明らかにしました （図1） 。生命の遺伝情報を担う染色体は、DNAがヒストン というタンパク質に巻き付いたヌクレオソーム （図2、灰色） を基本単位とするクロマチン構造を形成します。染色体のセントロメア領域には、DNAの反復配列（セントロメア・リピート）が存在し、凝縮したヘテロクロマチン構造が形成されます。DNA複製の進行停止などによりDNA損傷が自然発生的に起きた際、反復配列を「のりしろ」にして転座などの染色体異常が起こることがあります。こうした染色体異常がセントロメア周辺で起こるロバートソン転座 は、ヒトで最もよく見られる染色体異常ですが、どのように制御されているのか明らかとなっていませんでした。

本研究では、分裂酵母を用いて染色体の安定性におけるヘテロクロマチンの役割を調べました。その結果、ヘテロクロマチンの基盤であるヒストンH3の9番目のリシン残基（H3K9）のメチル化修飾 （図2） が、セントロメア・リピートを「のりしろ」にした染色体異常の抑制に重要であることを発見しました。通常、ヘテロクロマチンを形成するDNA領域では、DNAを鋳型にRNAを合成する転写が不活化されています。ヘテロクロマチンによる染色体異常の抑制メカニズムを明らかにするため、ヘテロクロマチンが形成できない変異株を詳細に調べたところ、転写伸長を促進する転写因子TFIIS が染色体異常を誘発することが明らかになりました （図3） 。本研究により発見した「ヘテロクロマチンの転写制御を介した染色体異常の抑制機構」は、ゲノムの半分以上を反復配列が占めるヒトなどの高等真核生物では、より重要な役割を担っていると考えられます。

本研究成果により、DNA変異を加えることなくクロマチン構造のみを操作することで、人為的に染色体の安定性を高められることが期待されます。

本研究成果は、SpringerNature社の科学誌「Communications Biology」（オンライン）に、2019年1月11日（金）19時（日本時間）に公開されました。

図1　ヘテロクロマチンはセントロメア・リピートを「のりしろ」にした染色体異常を抑制する

図2　Clr4がヒストンH3のK9をメチル化すると複雑なヘテロクロマチンが形成する。赤：メチル化修飾。灰色：ヌクレオソーム。オレンジ：メチル化したヒストンに結合するヘテロクロマチン蛋白。

図3　TFIIS依存的な転写が染色体異常を誘発する

セントロメアは、細胞分裂時に染色体の移動をつかさどる微小管（細い繊維）である紡錘糸が結合する染色体領域です。そのため、セントロメアは染色体を娘細胞に均等分配する上で極めて重要です （図1） 。しかし、セントロメアには反復配列（セントロメア・リピート）が存在するため、それを「のりしろ」にした転座などの染色体異常が生じる危険があります。染色体異常は癌をはじめ様々な遺伝病の要因となりますが、セントロメア領域での染色体異常が、どのように抑制されているのかは明らかとなっていませんでした。

セントロメアはヘテロクロマチンと呼ばれる常に凝縮したクロマチン構造を形成します。クロマチン構造が弛緩したユークロマチン領域と異なり、ヘテロクロマチン領域ではヌクレオソームを構成するヒストンH3のリシン残基（H3K9）がメチル化され、これを目印に様々なタンパク質が集合し、複雑なクロマチン構造を形成します （図2） 。その結果、ヘテロクロマチン領域では転写が起きにくいことが知られています。これまでに、マウスを用いた研究で、H3K9のメチル化酵素Clr4/Suv39を遺伝子破壊すると発癌リスクが大幅に上昇することが報告されています。また、ヒトの癌細胞でもセントロメア・リピートの転写が正常細胞に比べて上昇することが観察されています。しかし、セントロメア領域のヘテロクロマチンと染色体異常の関連は明らかとなっていませんでした。

今回、本研究グループは分裂酵母を用いて染色体の安定性におけるヘテロクロマチンの役割を解析しました。分裂酵母はヒトと類似したヘテロクロマチンを形成しますが、比較的単純な反復配列をもつため詳細な解析に適しています。H3K9のメチル化酵素Clr4/Suv39を遺伝子破壊するとセントロメア・リピートを「のりしろ」にした染色体異常が高頻度で形成されました （図4） 。

また、H3K9のリシン残基を別のアミノ酸に置換することでメチル化修飾が起きないようにした変異株でも、染色体異常が高頻度で起きました。これらの結果から、H3K9のメチル化修飾 （図2、赤） がセントロメア・リピートを「のりしろ」にした染色体異常の抑制に重要であることを明らかにしました。また、H3K9のメチル化修飾を認識するヘテロクロマチン蛋白など （図2、オレンジ） も染色体異常の抑制に必要であったことから、ヘテロクロマチンの複雑な染色体構造が重要であると考えられます。つぎに、ヘテロクロマチン欠損株で起きる染色体異常に必要な因子を探索した結果、転写伸長を促進する転写因子TFIISが染色体異常の引き金であることを明らかにしました （図3） 。TFIISは染色体に結合したタンパク質を押し退けて転写伸長するときに働きます。これらの結果から、我々は、TFIISは転写伸長を活発に起こすことで、染色体からタンパク質の解離やDNA:RNAハイブリッドの形成を促すことで、反復配列を「のりしろ」にした染色体異常を誘発するというモデル （図3） を提唱しました。

図4　メチル化酵素Clr4がないと高頻度で染色体異常が起きる

本研究成果により、今後、クロマチン構造が染色体を維持するメカニズムについての研究が進むと予想されます。また、遺伝子治療への応用も期待されます。

本研究成果は、2019年1月11日（金）19時（日本時間）に科学誌「Communications Biology」（オンライン）に掲載されました。DOI　10.1038/s42003-018-0251-z
【タイトル】“Heterochromatin suppresses gross chromosomal rearrangements at centromeres by repressing Tfs1/TFIIS-dependent transcription”
【著者名】Akiko K. Okita, Faria Zafar, Jie Su, Dayalini Weerasekara, Takuya Kajitani, Tatsuro S. Takahashi, Hiroshi Kimura, Yota Murakami, Hisao Masukata & Takuro Nakagawa.

本研究は、文部科学省科学研究費補助金 新学術領域研究「非コードDNA」、及び、日本学術振興会科学研究費補助金基盤研究Cの一環として行われました。