生物遺伝資源情報研究室・小原研究室

動物の体は、それぞれに異なる機能を持つ多様な細胞から成り立っています。中でも感覚神経には様々な種類があり、一つ一つがある特定の刺激（味、匂い、温度など）だけを受容するように特殊化しています。このように特殊化した機能を持つためには、それぞれの神経は自身に必要な遺伝子だけを選んで発現(*注1)しなくてはなりません。我々は、この過程で行われる遺伝子の発現制御のしくみを明らかにするため、実験モデル生物：線虫C. elegans (シー・エレガンス)を材料に研究を進めています。C. elegans の体は約1,000個の細胞からなる非常にシンプルな動物ですが、人間と同様に味覚、嗅覚、温度などを感じる感覚神経、記憶や学習を司る中枢神経、筋肉を制御する運動神経を持っており、これら全ての神経細胞の形態や、これらが作る神経接続のネットワークが完全に明らかになっています。

今回の研究で、我々はC. elegans の温度センサーであるAFD温度感受神経細胞に着目しました。この細胞では、温度感受遺伝子の一つ、グアニル酸環状化酵素(*注2) gcy-8とgcy-18が発現しています。我々はgcy-8とgcy-18の発現調節領域で、一組のホメオボックス転写制御因子CEH-14とTTX-1が一緒に遺伝子発現の調節スイッチとして働くことを示しました。次いで、これら二つの転写因子が結合するDNAの配列を明らかにし、これらの配列がAFDでのgcy-8とgcy-18の発現に必須であることを示しました。さらに、嗅覚受容細胞であるAWBに、この一組の転写因子を両方、同時に強制発現させることで、この細胞にgcy-8とgcy-18を発現させることにも成功しました。これは、転写因子CEH-14とTTX-1が、本来AWBになるはずだった細胞の運命をAFDに変更し得ることを示しています。

本研究では、CEH-14とTTX-1が中心となって、AFD神経の分化と機能に必要な温度感受遺伝子の発現を調節している可能性を示しました。我々は、今後この研究が、未熟な神経細胞が温度感受神経に特殊化する運命決定のメカニズムや、生物が温度を感じる機構の解明に繋がるのではないかと考えています。

(*注1) 発現：遺伝情報がmRNAを経て、タンパク質が合成され、細胞内で機能すること。染色体(DNA)上にある遺伝子はそのままでは働けません。細胞は自身に必要な遺伝子を選んで、遺伝情報のコピーであるmRNAを作ります。mRNAを元にタンパク質が合成され、細胞は異なる機能を持つようになります。この一連の流れが遺伝子の「発現」です。この論文では、特に「発現」の一番最初の段階の遺伝情報の選択のメカニズムについて得られた成果を報告しています。

(*注2) グアニル酸環状化酵素：細胞外からのシグナルを細胞核に伝達する過程を仲介する機能タンパク質。

gcy-8、gcy-18プロモーターの中にある、CEH-14とTTX-1の結合配列を破壊すると、GFPレポーターはAFDでの発現を失う。
gcy-8プロモーターとgcy-18プロモーターにある、CEH-14とTTX-1の結合配列を一方(ΔCEH: CEH-14結合配列を破壊、ΔTTX: TTX-1結合配列を破壊)、または両方破壊(ΔCEHΔTTX)して、GFPレポーターの発現の変化を観察した。写真の露光時間は、野生型(A, D)は0.2秒、変異型(B-D, E-H)は2秒。発現が弱い・無いものについては、デジタル増幅を行い、左上の灰色部に示した。

AFD遺伝子の発現には、CEH-14とTTX-1の両方の結合配列が必須である。
転写因子CEH-14とTTX-1は、温度感受神経AFDで働く遺伝子群の調節領域(CEH-14: CTAAT, TTX-1: TAA(T/G)CTT)に結合し、その遺伝子の発現を制御している。一方の転写因子の結合配列が破壊されても、ある程度の遺伝子発現は保たれるが、その両方の結合配列が破壊された場合、遺伝子発現は完全に喪失する。

運動神経回路研究室・平田研究室

私たちは動物の運動能力を規定する遺伝的要因（氏）と環境要因（育ち＝後天的変化＝神経可塑性）の実体解明を目指しています。

動物が運動するためには神経細胞が活動電位を発生させることが必要です。そのためには電位依存性ナトリウムチャネル（Na_V）が神経細胞の中でも軸索起始部とよばれる軸索の根元部分に輸送され、そこでNa電流を発生させなければなりません。これまでNa_VがNa電流を発生させ活動電位を生み出す機構についてはよく研究されてきましたが、Na_Vが合成されて軸索起始部まで輸送される過程は分かっていませんでした。私たちはゼブラフィッシュ個体やヒト細胞を用いた解析から、小胞体に存在するユキチンリガーゼRNF121がNa_Vの品質管理を行い、これが軸索起始部へのNa_Vの輸送、ひいては活動電位の発生や動物の運動に必須であることを明らかにしました。

Na_Vは小胞体で合成され、適切に折りたたまれることで正しい立体構造をとります。その後、ゴルジ体で補助サブユニットNa_Vβと会合することで安定化し、軸索起始部へ輸送されます。Na_Vは膜貫通ドメインが24個ある、折りたたみの難しいタンパク質で、合成されたNa_Vは一定の割合で折りたたみ異常による不良品になると考えられます。RNF121は小胞体でこれらNa_Vをユビキチン化し、プロテアソームによる分解へ仕向けることで、Na_Vの品質管理を行うことが分かりました。RNF121を欠く神経細胞では、折りたたみ異常の不良品Na_Vが小胞体やゴルジ体に蓄積してNa_Vβを差し押さえるため、正常に折りたたまれたNa_Vと会合できるNa_Vβが不足し、Na_Vがゴルジ体から先へ輸送されなくなります。その結果、RNF121を欠く個体では神経細胞が活動電位を作れず、運動能力がなくなり、逃避行動が見られなくなります。

本研究から、運動能力を規定する遺伝的要因として、RNF121による電位依存性ナトリウムチャネルNa_Vの品質管理と局在制御が重要であることが分かりました。これは活動電位の発生とその異常に関する新しい動作原理を提唱するものです。膜貫通ドメインを多くもつイオンチャネルやトランスポーターは神経細胞に多く、他のチャネルやトランスポーターでも同様の品質管理機構が存在し、それが神経活動を支え、動物の運動・行動・情動を規定すると考えられます。

本研究はロックフェラー大学、ミシガン大学、埼玉大学との共同研究で行われました。

小胞体で合成されるNa_Vは一定の確率で折りたたみ異常による不良品（赤色）となりますが、これらはRNF121によりユビキチン化され、プロテアソームにより分解されます。一方、正常に折りたたまれたNa_V（緑色）はゴルジ体でNa_Vβ（紫色）と会合して軸索起始部へ輸送されます。また、Na_Vβは単独でも一定量は細胞膜へ運ばれ、これは細胞接着に寄与します。RNF121を欠く神経細胞では、折りたたみ異常のNa_Vが小胞体やゴルジ体に蓄積し、これらがNa_Vβと会合してNa_Vβを差し押さえるため、正常に折りたたまれたNa_Vと会合できるNa_Vβが枯渇し、Na_Vはゴルジ体から先へ輸送されなくなります。その結果、RNF121を欠く個体では神経細胞で活動電位が作られず、運動能力がなくなります。

プレスリリース資料

生活習慣病の一つである痛風は、激しい関節痛を引き起こすのみならず、高血圧、脳卒中などのリスクとなることが知られています。近年の遺伝子研究により、痛風の発症には遺伝的要因が関与していると考えられていましたが、その全容はまだ明らかとなっておりません。

この度、松尾洋孝（防衛医科大学校講師）、山本健（久留米大学教授）、中岡博史（国立遺伝学研究所特任研究員）、中山昌喜（防衛医科大学校医官）、崎山真幸（同）らの研究グループは、ヒトゲノム全体を調べるゲノムワイド関連解析（GWAS）を行い、新規のものも含め、痛風の発症に関わる５つの遺伝子領域を発見しました。今回の研究は、アンケート用紙などによる自己申告の痛風症例は対象とせず、医師により確実に診断された痛風症例のみを対象とした世界で初めてのGWAS です。このため、痛風の病型ごとの違いを見るような詳細な解析が可能であり、病型ごとに異なる遺伝子領域が関連していることも発見しました。

本研究は、近年増えつつある痛風患者の遺伝的リスクを評価する有用な手段となりうる成果です。この発見により、痛風を発症するリスクの高いヒトを早期に見つけ出し、さらにどの病型になりやすいかを予測でき、個人差に応じた治療薬の選択につながることが期待されます。痛風に対する新たな視点からの予防法や治療薬の選択に有用であり、医療費の削減につながることが多いに期待されます。

本研究は、文部科学省新学術領域研究「ゲノム支援」のサポートを受けて進められました。

日本人男性の痛風患者におけるゲノムワイド関連解析（GWAS）の結果
日本人の痛風患者945人と対照者1,213人についてのGWASの結果（一次解析）で、第1~22番染色体までの約70万か所の一塩基多型（横軸）における痛風との関連の強さ（縦軸）をグラフ化したもので、プロットが上に行くほど痛風との関連が強い一塩基多型であることを表しています。図に示す5か所の遺伝子領域で痛風との強い関連性を認め、別の集団でも関連性が再現（二次解析）されました。

多細胞構築研究室・澤研究室

細胞サイズは細胞周期時間を決定する要因の一つである。トロント大学の増井禎夫教授らは、アフリカツメガエル初期胚における細胞周期時間は、細胞半径の２乗に比例して伸長することを見つけた。この結果を基に、彼らは細胞周期時間が細胞表面の活性によって決定すると言うモデルを提唱した。しかし、この“２乗ベキ則”は脊椎動物であるツメガエル以外の動物胚では検証されていなかった。我々は、無脊椎動物である線虫C. elegans 初期胚でも細胞周期時間と細胞サイズの関係がベキ則に従うことを見つけた。ただし、細胞系譜ごとのベキの値は３つのグループに分類され、いずれの系譜のベキ値もツメガエル胚の値よりも小さかった。興味深いことに、細胞サイズと細胞核サイズの間にもベキ則が成立していた。細胞質と核の相互作用を想定して細胞と核サイズの比のベキ値を求めると、そのベキ値が「最もサイズ—時間の相関が強い細胞系譜」におけるサイズ-時間のベキ値にほぼ一致することを見つけた。この「サイズ—時間」と「細胞体積—核体積」の間のベキ値の一致から、我々は、「C. elegans 初期胚におけるサイズ—時間の関係が、細胞と核サイズの比という幾何的な制約により決定している」という新たなモデルを提案した。他の動物種でも同様の制約により、細胞周期時間が決定している可能性がある。

本研究は理化学研究所および奈良県立医科大学との共同研究で行われました。

細胞周期時間と細胞体積は、両対数グラフ上で直線的な関係（ベキ則）にある。分類された３種のベキ値を示す細胞系譜の内、AB細胞系譜における結果を表示した。

生体高分子研究室・前島研究室

ピロール・イミダゾール(PI)ポリアミド化合物は、DNAの二重らせんの副溝を通して、塩基配列を特異的に認識することができます。この方法は、これまで行われていた、FISHなどの塩基対を認識させる方法に比べ、迅速、簡便、そしてクロマチン構造が維持できるような温和な条件で塩基対認識を行える利点を持ちます。これまでに私たちは、哺乳類のテロメアDNA [(TTAGGG)n]を認識するPIポリアミド(TH59)の合成（Maeshima et al., EMBO J. 2001）および、その大量合成法を開発してきました (Kawamoto et al., JACS. 2013)。

今回、従来のTH59を改良し、テロメア配列への結合特異性を上げることに成功しました。TH59はヘアピン構造が二つヒンジを介して連結し、テロメアリピートに結合します。本論文では、ヒンジの長さを至適化したポリアミド (HPTH59-b, 図A)、ヘアピン構造を三つ連結させ、より長い18bpテロメアリピートを認識するポリアミド (TT59, 図B)を合成しました。これらの改良により、ポリアミドが非特異的配列に結合する頻度を減少させ、テロメア領域以外からのシグナルを飛躍的に減少させることができました。今後、簡便かつ高精度なテロメア長の定量法として、基礎研究のみならず臨床分野において広く用いられることが期待されます。

本研究は、京都大・理学研究科･杉山教授グループおよび株式会社ハイペップ研究所 (京都府)との共同研究です。遺伝研・共同研究Bのサポートを得ておこなわれました。

（A）ヒンジが改良されたHPTH59-bの模式図。改良型ヒンジ領域の化学構造が示されている。
（B）左、ヘアピン構造を三つ連結させたTT59ポリアミドの模式図、および結合様式。右、染色体スプレッドをTT59で標識した画像。青色 (DNA染色)の染色体末端が緑色のドット状に標識されている。

クラフォード賞受賞の発表ページ（Royal Swedish Academy of Sciences）

遺伝学の先達 太田朋子先生インタビュー

生体高分子研究室・前島研究室

真核生物には、大小様々な大きさの転写因子があります。そして、これらの転写因子は、微小な空間に折り畳まれている長いDNAから、必要な遺伝情報を読み出すのに必要です。一般的に、遺伝子特異的な働きをする転写因子のサイズは小さく (~50 kDa)、これらはゲノムDNA中の標的となる調節領域を探して結合します。そして、この小さい転写因子が、基本転写因子、メディエーター、RNAポリメラーゼ、ヌクレオソームリモデラー、ヒストン修飾因子など、巨大タンパク複合体 (1-3 MDa以上) の標的配列への結合を誘導すると考えられています。最近、細胞核内では、ヌクレオソーム線維が凝集することによってできるクロマチンドメイン(topologically associating domains, 図の青ボール集団) が多数形成されていることが分かってきました。私たちは、この凝集したクロマチンドメインにおける転写制御に、転写因子やその複合体の物理的なサイズが重要であるという新しいモデルを提唱しました。

私たちは、まずモンテカルロ・シミュレーションによって、凝集したクロマチンドメイン内部に入ることができる転写因子の物理的なサイズを決定しました。その結果、遺伝子特異的な転写因子群（小さいサイズ）は、ドメイン内部に入り込むことができる一方（図の黄ボール）、サイズが大きな転写複合体群は、ドメイン内部に入ることはできないことが分かりました（図の緑ボール）。

この結果、サイズの小さな転写因子がクロマチンドメイン内の標的配列を探索して結合し（図a）、その転写因子-標的配列複合体がドメイン表面に出てきた際、この転写因子を「目印」として、サイズの大きい転写因子複合体が標的配列に結合すると考えました (図b)。標的配列に結合した巨大な転写因子複合体は、ドメイン内部へと動くことが難しいため、標的配列をドメインの表面に維持する「ブイ（浮き袋）」のような働きができます（図b）。そして、ヌクレオソームリモデラー、ヒストン修飾因子など、他の巨大複合体と共に安定的な転写を可能にするという新しいモデルを提唱しました (図c)。

これらの転写因子の物理的サイズに依存した、標的探索の方法や、標的配列をドメイン表面につなぎ止める性質は、DNA複製や修復、組換えを含む様々なDNA機能に共通するメカニズムと考えられます。

本研究は理研･生命システム研究センター高橋恒一・海津一成、横浜市立大学・古久保哲朗らとの共同研究としておこなわれ、英国Journal of Physics: Condensed matter誌の「Physics of chromatin」特集号に掲載されました。

転写制御における「ブイ（浮き袋）」モデル
凝集したクロマチンドメインは青いボール集団で示している。
(a) 黄色い小さな転写因子は凝集したクロマチンドメイン内部を動くことができるが、緑の大きい転写因子複合体はドメインに入ることができない。 (b) 大きな転写因子複合体がブイ（浮き袋）となって、標的配列がドメイン表面で維持される。(c) ヌクレオソームリモデラー、ヒストン修飾因子など、他の巨大複合体と共に、安定的な転写がおこる。

超分子構造研究室・白木原研究室

DNAを複製する際、2本鎖構造が一時的に解かれます。この2本鎖構造を壊すためには、複数のタンパク質が集まって出来る複合体が必要です。1本鎖が露出した部分に、ヘリカーゼ、プライマー合成酵素、DNA合成酵素等が結合し、DNAの複製が始まります。大腸菌を宿主とするColE2プラスミドの複製開始因子Repは、プラスミド上の複製開始点に特異的に結合し、DNAの2本鎖構造を解き、更にRNAプライマーの合成を行う多機能なタンパク質です。

今回の研究では、Repが持つDNA結合領域と複製開始点との複合体の立体構造を解明しました。RepのDNA結合領域は3つのモジュールで構成され、１分子内の各モジュールが連携して複製開始点へ特異的に結合し、その2本鎖構造を巧みに解く仕組みが明らかになりました。さらに、立体構造および機能が未知であったPriCTと呼ばれる領域が、2本鎖の解裂に重要な役割を果たす事も今回初めて明らかになりました。このドメインは様々なバクテリアを宿主とするプラスミドだけでなく、バクテリアや真核生物のウィルス等でも保存されていることから、今後これらのタンパク質が担う分子機構に対する理解がより深まると期待されます。

本研究は信州大学理学部等との共同研究で行われました。

(A) ColE2 RepのDNA結合領域と複製開始点との複合体の立体構造。DNA分子に沿って細長く巻き付くような形を持つ事で、DNAの構造を壊すに足りる結合力を確保している。
(B) 本研究から提案された複製開始点解裂のモデル。 PriCT領域は2本鎖の解裂と解けた構造の安定化に中心的な役割を持つ。