動物や植物のゲノムは、可動性で増殖する性質の配列（トランスポゾンと呼ばれる）を多量に含み、これがゲノムの不安定化や癌などの疾病の原因になります。このように潜在的に有害なトランスポゾンを鎮静化する機構として、DNAやヒストンのメチル化による抑制が知られています。これらの抑制目印を維持するために、クロマチンリモデリング因子Decrease in DNA methylation 1 (DDM1)が必要であることが、シロイヌナズナを用いた遺伝学的解析によって20年以上前に明らかにされました。DDM1機能を喪失した変異体植物では、さまざまなトランスポゾンの脱抑制や可動化、および隣接遺伝子の発現撹乱が観察されます。一般にクロマチンリモデリング因子は、ATP依存的に、ヌクレオソームの交換や移動などを行います。しかしながら、DDM1がどのようにしてトランスポゾンを鎮静化しているのか、その分子機構はながらく不明でした。また、このクロマチンリモデリングの直接の標的も不明でした。

本研究では、トランスポゾン上に特異的に蓄積することが知られているヒストンの亜種(バリアント)に着目し、DDM1の機能喪失植物を用いてゲノムワイドの解析を行いました。その結果、DDM1の機能喪失によって、凝集したクロマチンに分布するヒストンバリアントH2A.Wがトランスポゾンから失われることを見出しました。さらに、DDM1がこのH2A.Wと直接結合すること、その結合領域がDDM1によるトランスポゾンの鎮静化に重要であることがわかりました。DDM1やこのH2Aバリアントと似た構造のタンパク質が哺乳類でも似た働きを持つことがわかっており、本研究によって明らかになった新規経路は動植物に共通していることが示唆されます。

図：DDM1によるトランスポゾンの抑制機構
野生型植物（左）においてDDM1タンパク質はトランスポゾンを含むゲノム領域へH2A.W（緑）を運び込み、トランスポゾンの発現が抑制されている。一方、ddm1変異体（右）ではH2A.Wがヘテロクロマチン領域から失われ、トランスポゾンが脱抑制される。

Press release

■ 概要

日本列島人（ヤポネシア人）の起源と形成を文理融合で研究する、文部科学省新学術領域研究「ヤポネシアゲノム」の特集号が、日本人類学会の機関誌であるAnthropological Scienceに刊行され、そこに6編の論文が掲載されました。今回はそれらをまとめてご報告します。

これらの研究は、青山学院大学、国立遺伝学研究所、国立科学博物館、国立国際医療研究センター研究所、佐賀市教育委員会、東京大学、新潟医療福祉大学、北海道大学、山梨大学の研究グループ（所属機関名五十音順）の成果です。

■ 成果掲載誌

以下の6論文（原著論文が4編、総説論文が2編）が、Anthropological Scienceに2021年3月31日にオンライン（オープンアクセス）で公開されました。

■ 研究の詳細

● 研究成果
原著論文１：
３種類のデータセット（1642人の日本人のミトコンドリアDNAゲノム配列データ、ジェネシスヘルスケア社から提供をうけた47都道府県総計6万人のミトコンドリアDNAハプロタイプ頻度データ、およびヤポネシアとその周辺6集団（アイヌ人、オキナワ人、ヤマト人、韓国人、北方中国人、南方中国人）の19万カ所のゲノム規模SNPデータ）を解析した結果、どの結果も「うちなる二重構造」モデルを支持していました。

原著論文１の図: ミトコンドリアDNAデータからみた47都道府県の位置関係

原著論文２：
これまで確実に縄文時代のものと言える古代人ゲノムは、三貫地貝塚（福島県）と船泊遺跡（北海道）という東日本からの報告だけでしたが、本論文では、はじめて九州の縄文時代早期（8000年前）の東名遺跡出土の縄文人ゲノムを報告しました。その結果、東名の縄文人も現代日本人とは大きく異なり、東日本の縄文人や、弥生時代になっても縄文文化を継承していた人々のゲノムに類似することが分かりました。このことは、縄文時代を通じて、全国に遺伝的にはひとつのグループとしてまとめることができる集団（縄文人）が住んでいたことを示しています。

原著論文２の図: 東名・船泊・伊川津の３縄文系がまとまっている様子

原著論文３：
分子進化速度の推定は、ヤポネシアに渡来した系統の正しい分岐年代を得るために重要です。ハツカネズミを代表とする小型哺乳類のミトコンドリアDNA配列データと環境変動の情報から、過去1万年における進化速度がそれ以前よりもずっと高かったという以前の推定を確認しました。

原著論文３の図: ミトコンドリアDNA からみたハツカネズミ２亜種系統の移動経路と移動年代

原著論文４：
三国史記（紀元前1世紀から紀元後7世紀に朝鮮半島に鼎立した高句麗・新羅・百済の歴史書）に登場する地名のなかから、日本語で理解できる4種類（川、谷、山、城）の地理的分布を調べ、漢語・ツングース語・韓国語などの成分も区別し、各語ごとに異なるパターンが示されました。

総説論文１：
東アジアにおける現代・古代のヒトゲノムデータを概観するとともに、これらの再解析をおこないました。その結果、縄文時代人のゲノムが弱いながら古代北シベリア集団のゲノムからの影響を受けていたことを発見しました。

総説論文１の図: 現代人と古代人のゲノムを主成分分析で比較した結果

総説論文２：
ハイスループット配列解析技術が古代DNAの配列解析に適用されてから、古代DNA解析は古ゲノム学となりました。東ユーラシアにおける研究は、地理的・環境的条件から、西ユーラシアに比べて遅れをとっていました。しかし近年では、古代DNAを濃縮することができるキャプチャシーケンス技術が用いられ、古ゲノム学がさらに発展してきています。そこでこの総説では、古ゲノム学につながる古代DNA解析の歴史を紹介し、3つの配列解析の段階（部分的、ドラフト、完全ゲノム）とキャプチャシーケンス法の概要を説明し、東ユーラシアの古ゲノム学には高品質な配列解析が必要であることを論じました。

総説論文２の図: 三段階で示した古代DNAの量

● 今後の展望
新学術領域研究「ヤポネシアゲノム」は2018年度にはじまりました。5年計画ですので、2022年度末（2023年3月）まで、あと2年間あります。この3年間に多くの結果を生み出しましたが、残りの2年間のあいだに、6計画研究と20以上の公募研究が、さらに多くの結果を発表してゆきます。ご期待下さい。

■ 研究体制（所属機関名五十音順）

遠藤光暁：　青山学院大学　経済学部　教授
斎藤成也：　国立遺伝学研究所　集団遺伝研究室　教授
ティモシー・ジナム：　国立遺伝学研究所　集団遺伝研究室　助教
篠田謙一：　国立科学博物館　人類研究部　部長（2021年3月31日まで）、同博物館　館長（2021年4月1日より）
神澤秀明：　国立科学博物館　人類研究部　研究員
河合洋介：　国立国際医療研究センター研究所　ゲノム医科学プロジェクト　副プロジェクト長
西田 巌：　佐賀市教育委員会　文化振興課　主査
太田博樹：　東京大学　大学院理学系研究科　生物科学専攻　ゲノム人類学研究室　教授
小金渕佳江：　東京大学　大学院理学系研究科　生物科学専攻　ゲノム人類学研究室　助教
奈良貴史：　新潟医療福祉大学　リハビリテーション学部理学療法学科　教授
鈴木 仁：　北海道大学　大学院地球環境科学研究院　教授
長田直樹：　北海道大学　大学院情報科学研究院　准教授
安達 登：　山梨大学　大学院総合研究部医学域　法医学講座　教授
角田恒雄：　山梨大学　大学院総合研究部医学域　法医学講座　助教

本研究は、文部科学省科学研究費補助金　新学術領域研究（複合領域）「ヤポネシアゲノム」の支援を受けて行われました。

健康な成人期の骨量は、骨の形成と吸収を調節する因子 (骨代謝調節因子)によって緻密にコントロールされており、このバランスが乱れることによって骨粗鬆症が引き起こされてしまいます。近年では骨代謝調節因子としてケモカインが注目されているものの、未だ多くのケモカインと骨との関連は調べられていません。

CCケモカインリガンド28 (CCL28)は腸管免疫などに寄与するケモカインですが、CCL28の受容体であるCCR3が骨代謝を制御することから、骨代謝におけるCCL28の役割を解明することを目的とし、実験を行いました。

Ccl28 欠損マウスの骨組織を解析したところ、Ccl28欠損により骨量が増加し、骨形成を担う骨芽細胞と骨吸収を担う破骨細胞が活性化していることが明らかになりました。これらの結果はCcl28を欠損マウスが骨形成優位の高回転型骨代謝状態にあることを示しています。加えて、培養細胞実験において、リコンビナントCCL28処理により骨芽細胞及び破骨細胞の活性化が直接抑制され、Ccl28欠損マウスを用いた実験結果と矛盾しない結果となりました。

CCL28が骨芽細胞及び破骨細胞の活性化を抑制する骨代謝調節因子であることがはじめて明らかになり、CCL28は生体内で骨代謝回転の制御に寄与する因子であると考えられます。

本研究は、静岡大学教育学部の雪田聡准教授、大学院生の岩本莉奈さんらとの共同研究で、遺伝研側はゲノム編集でCcl28遺伝子欠損マウスの作製を行いました。

図：(a)μCTによって骨構造を解析した結果、Ccl28欠損によって海綿骨量が増加していることが明らかになりました。 (b)生体内及び培養細胞実験により、CCL28は骨組織において骨芽細胞及び破骨細胞の活性化を抑制することで、骨量を負に制御していることが見いだされました。

“性”を持つ生き物は、減数分裂によって精子や卵などを作り、次世代を生み出します。減数分裂では、父親と母親それぞれに由来する相同染色体が“組換え”によって切り貼りされ、遺伝情報の混ぜ合わせが起こります。ヒトやゼブラフィッシュのオスでは、組換えが染色体末端（テロメア）近傍で起こりやすいことが知られていますが、このような極性を持った組換えが起こる仕組みはわかっていません。

本研究では、相同染色体間の物理的な接着（シナプシス）がテロメア近傍での組換えに果たす役割を、ゼブラフィッシュを用いて解析しました。その結果、シナプシスが起こらないゼブラフィッシュでも、テロメア近くで組換えが始まり、これらの領域では相同染色体が近づく“ペアリング”が見られました。しかしながら、ペアリングの多くはその後失われてしまい、精子も作られませんでした。つまり、シナプシスはテロメア近くで組換えの開始には重要ではありませんが、正常に終わらせるために必要であることがわかりました。

テロメア近傍での組換えはヒトの男性にも見られる特徴ですが、ヒトをモデルとした減数分裂の研究は難しいのが現状です。類似した特徴を持つゼブラフィッシュを解析することで、不妊や遺伝的疾患の理解にもつながる減数分裂のメカニズムが明らかになると期待されます。

図：野生型ゼブラフィッシュのオスでは、テロメア近傍のDNA切断により組換えが始まる。ザイゴテン期には、シナプシスがテロメア近傍から始まり、パキテン期には相同染色体が完全にペアリングする。sycp1変異体では、テロメア近傍でDNA切断と局所的なペアリングが起こるが、完全なペアリングは起こらない。

意識や五感が保たれたまま身体が動かなくなる難病、筋萎縮性側索硬化症（きんいしゅくせいそくさくこうかしょう、または、ALS）は、筋肉の収縮をコントロールする神経細胞「運動ニューロン」が、際立って機能を失うことが原因で発症します。ALSにおいて運動ニューロンが機能を失う根本的な原因は解明されておらず、現在、効果的な治療法が存在しません。運動ニューロンは、背骨の中を通っている脊髄の中に遺伝情報を維持し、そこから軸索（じくさく）とよばれる細長いケーブルを伸ばして筋肉と連結する大きく複雑な形をもった細胞です。このような運動ニューロンの性質から、ALSの発症に関連すると予想されるタンパク質のダイナミックな性質を生体内の運動ニューロンで研究することが困難であり、病態の解明の大きな障壁になっています。

この総説では、身体の組織が透明に近いので運動ニューロンの細胞全体をリアルタイムで詳しく観察できるという利点を備えたゼブラフィッシュの運動ニューロンと筋肉との接続様式について解説します。次に、このようなゼブラフィッシュの特性を活かして我々が近年開発した、生体内の運動ニューロンでALSに関連するタンパク質を光を使って会合させ、多量体化、相転移、凝集をコントロールする新しい技術について紹介します。この光遺伝学ALSモデルによって明らかにされたALSの謎や、治療戦略の可能性について議論します。

この総説は、国立遺伝学研究所発生遺伝学研究室（浅川和秀　客員研究員、川上浩一　教授）と東京医科大学ケミカルバイオロジー講座（浅川和秀　准教授、半田宏　特任教授）の共同研究として、せりか基金、文部科学省科研費 (JP19K06933 and JP20H05345)の支援を受けて行われました。

図：ゼブラフィッシュ運動ニューロンにおいて、ALS関連タンパク質TDP-43の相転移を誘導。光遺伝学型TDP-43は、青色光の照射によって凝集体を形成する。

ゲノム情報は、DNAの長い鎖にコード化され、折りたたまれてクロマチンとして小さな核に保存されています。核クロマチンは、DNA、ヒストン、およびさまざまな非ヒストンタンパク質で構成される負に帯電したポリマーです。クロマチンは非常に帯電しているため、周囲の環境（陽イオン、分子混雑など）によってその構造は大きく異なります。過去10年間に開発された生細胞内のクロマチンを理解するための新しい技術によって、クロマチンorganizationの捉えかたは、規則的で静的なものから、より不規則でダイナミックに動くものへと劇的に変化しました。また、このクロマチンの動きは陽イオン、クロマチン結合タンパク質、転写装置など、細胞内の様々な因子で規定されており、この動的な性質が、ゲノムDNAの様々な機能に重要であることがわかってきました。本論考ではゲノミクスと高度なイメージング研究からの新しい証拠に基づいて、混雑した核環境におけるクロマチンの物理的性質とそれがどのように調節されているかについて論じました。Cold Spring Harbor Perspectives in BiologyでFeatured Articleとしてオンライン出版され、モノグラフ「The Nucleus」第二版の第9章としても出版されます。カバーイラストにもなっています。国立遺伝学研究所･ゲノムダイナミクス研究室の前島一博 教授、飯田史織 総研大生、田村佐知子 テクニカルスタッフの共同成果です。

文部科学省科研費 学術変革領域A「ゲノムモダリティ」(20H05936)、科学技術振興機構 (JST) 戦略的創造研究推進事業 (CREST) (JPMJCR15G2)、武田科学振興財団、上原記念生命科学財団の支援を受けました。

図：(A)クロマチンは陽イオン濃度や周囲の分子の混雑具合によって大きく構造を変化させる。生理的条件下では、クロマチン線維は溶けたような構造になる（メルト構造）。細胞内のクロマチンはこの溶けた構造をとると考えられる。(B) 細胞内のクロマチンの単純化した模式図。ヌクレオソーム、10-nm線維、クロマチンドメイン、コンパートメント、染色体と階層構造を形成するが、局所的に大きく揺らぎダイナミックに変化しうる。

人間のダウン症は、21番染色体のトリソミーによって生じます。DSCR4 (ダウン症重要領域4)は、ヒトの21番染色体と類人猿の相同染色体だけに存在する、あらたに誕生したタンパク質コード遺伝子です。医学的に重要なゲノム領域に位置しており、その機能を示唆する多くの証拠があるにもかかわらず、人間の細胞におけるDSCR4遺伝子の役割は不明です。われわれはこの遺伝子の生物学的重要性と細胞内での役割を推定するためにバイオインフォマティクス解析を用いました。その結果、DSCR4遺伝子は、細胞移動、凝固、免疫系に関係する相互に結びついた生物学的パスウェイの制御におそらく関与していることがわかりました。またこれらの予想された生物学的機能は、ヒト胚における顔面形態をかたちづくる神経堤細胞 (NCC)と移動性の免疫系白血球でのDSCR4の組織特異的な発現と一致していることも示しました。免疫系とNCCはどちらもDSCR4の発現異常を生じるダウン症個体が影響を受けることが知られており、このことはさらにわれわれの発見を支持します。人間の細胞におけるDSCR4の重要な役割について、証拠を指摘したことにより、われわれの発見はダウン症の病因におけるDSCR4遺伝子の役割を確認するのに必要となる、さらなる実験研究の基礎付けとなりました。

図：DSCR4遺伝子の過剰発現によって発現に差の生じた遺伝子の制御ネットワーク解析
左：DSCR4の過剰発現によって発現が抑制された遺伝子群は、細胞の移動、運動、改造過程の制御に関与する6種類の相互に結びついたパスウェイの増強を明らかにしました。右：発現が増加した遺伝子群は、頂端と基層部の細胞極性の維持における血液凝固と止血の制御に関与した3種類の相互に結びついたパスウェイを増強することを示しています。

2021年4月1日付けで教授が着任しました．

工樂 樹洋：ゲノム・進化研究系，分子生命史研究室

2021年4月1日付けで森 宙史助教が先端ゲノミクス推進センターの准教授として研究室を開設しました．

森　宙史：先端ゲノミクス推進センター / 森研究室・ゲノム多様性研究室

2021年4月1日付けで助教が着任しました．

斎藤 慧：島本研究室・物理細胞生物学研究室

丹生智也：生命情報・DDBJセンター