2000年代初頭のヒトゲノム計画中に、私たち人間にはタンパク質をコードする遺伝子が約20,000万個しかないという発見は、土壌に生息する小さな線虫とほぼ同数、イネの半分にも満たないという衝撃的なものだった。 。しかし、ヒトゲノムには調節的な関連性が豊富にあるという考えによって、私たちのプライドへの打撃は和らげられました。私たちの遺伝子は密なネットワーク内で相互作用しており、その中で DNA の断片とそれがコードする分子 (RNA とタンパク質) が他の遺伝子の「発現」を制御し、それぞれの RNA とタンパク質を作るかどうかに影響を与えます。ヒトゲノムを理解するには、この遺伝子制御のプロセスを理解する必要がありました。

しかし、その作業はゲノム配列を解読するよりもはるかに難しいことが判明しつつある。

当初、遺伝子調節は、ある遺伝子産物がデジタル方式で別の遺伝子のオン/オフスイッチとして機能するという単純な問題であると疑われていました。 1960年代、フランスの生物学者フランソワ・ジャコブとジャック・モノーが初めて解明した。 遺伝子調節プロセス 機構の詳細: 大腸菌 細菌では、リプレッサータンパク質が DNA の特定のセグメントに結合すると、糖ラクトースを消化するための酵素をコードする隣接する一連の遺伝子の転写と翻訳がブロックされます。モノーとジェイコブがこの調節回路と呼んだものは、 湖 オペロンは、きちんとした透明なロジックを持っています。

しかし、複雑な後生動物（複雑な真核細胞を持つ人間のような動物）における遺伝子制御は、一般にこのようには機能していないようだ。代わりに、タンパク質、RNA、染色体全体の DNA 断片などの分子群が関与し、何らかの形で協力して遺伝子の発現を制御します。

真核生物におけるこの調節プロセスには、細菌や他の単純な原核細胞で通常見られるよりも多くの関与者がいるというだけではありません。それは決定的に異なるプロセスであり、より曖昧なものであるように思えます。

生物物理学者と生物工学者が率いるスタンフォード大学のチーム ポリー・フォーダイスは現在、遺伝子制御のこのあいまいなモードの構成要素を明らかにしているようです。 彼らの作業、昨年9月に出版されました 科学は、遺伝子の近くの DNA が、多様な調節分子を捕捉する一種の浅い井戸として機能し、必要に応じて遺伝子を活性化するかどうかの決定に発言力を加えられるように、それらの調節分子をいつでも使える状態に保つことができることを示唆しています。

これらの調節井戸は、明らかに奇妙な DNA の広がりから作られています。それらは、1 ～ 6 塩基対の長さの短い DNA が何度も繰り返される配列で構成されます。これらの「短いタンデムリピート」(STR) のコピーを数十個、同じ小さな「単語」を何度も繰り返し書くかのように、これらのシーケンスにつなぎ合わせることができます。

STR はヒトゲノムに豊富に存在し、全 DNA の約 5% を占めます。 STR だけで構成される反復的な DNA の「テキスト」は、たとえば、文を構成する不規則な文字の並びほど意味のある情報を保持できないため、これらはかつては「ジャンク」 DNA の典型的な例であると考えられていました。記事。

それでも、STR は明らかに重要ではありません。STR は、ハンチントン病、球脊髄性筋萎縮症、クローン病、一部の癌などの病気と関連付けられています。過去数十年にわたって、それらが何らかの形で遺伝子制御を強化または阻害できるという証拠が蓄積されてきました。謎は、情報量が非常に少ないのに、どうしてこれほど強力な力を発揮できるのかということでした。

複雑なセルの複雑な制御

STR が遺伝子制御の全体像にどのように適合するかを理解するために、一歩下がってみましょう。遺伝子は通常、RNA やタンパク質をコードしていないが調節機能を持つ DNA 片に隣接しています。細菌の遺伝子には、ポリメラーゼ酵素が結合して隣接する DNA から RNA への転写を開始できる「プロモーター」領域があります。また、彼らは日常的に「オペレーター」領域を持っており、リプレッサータンパク質が結合して転写をブロックし、遺伝子をオフにすることができます。 湖 オペロン。

ヒトやその他の真核生物では、制御配列はさらに多数、多様で、複雑になる可能性があります。たとえば、エンハンサーと呼ばれる領域は、遺伝子が転写される確率に影響を与えます。エンハンサーは転写因子と呼ばれるタンパク質の標的となることが多く、結合して遺伝子発現を促進または阻害することができます。奇妙なことに、一部のエンハンサーは、それらが制御する遺伝子から数万塩基対離れており、圧縮された染色体内の DNA ループの物理的再配列を通じてのみ遺伝子に近づけられます。

真核生物の遺伝子制御には、通常、これらの DNA の多くの多様な制御ブロックと、1 つ以上の転写因子やその他の分子が関与しており、これらすべてが、何をすべきかを決定するために招集される委員会のように、遺伝子の周りに集まります。それらは緩やかで密なクラスターに集まります。

多くの場合、分子の参加者は、分子生物学で一般的な高度に選択的な「ロックとキー」の組み合わせを通じて相互作用するようにも見えません。その代わり、彼らはあまり好みを選ばず、まるで歩き回って互いに短い会話を始めるかのように、かなり弱々しく無選択に対話します。

実際、真核生物において転写因子がどのように DNA に結合するのかは、謎のようなものでした。転写因子の一部は、ジグソーパズルのピースのように、DNA 内の結合「モチーフ」配列に厳密に一致するに違いないと長い間考えられていました。しかし、そのようなモチーフのいくつかは特定されているものの、それらの存在は、科学者が細胞内のDNAに付着している転写因子を発見した場所と必ずしもよく相関しているわけではありません。場合によっては、転写因子がモチーフのない領域に残っていることもありますが、転写因子と強く結合するはずのモチーフが空のままであることもあります。

「伝統的にゲノミクスにおける目標は、ゲノム部位を転写因子によって『結合』または『非結合』のいずれかに[二元的]方法で分類することであった」とフォーダイス氏は述べた。 「しかし、この写真はそれよりもはるかに微妙です。」これらの遺伝子規制「委員会」の個々のメンバーは、会議に常に出席するか欠席するわけではなく、出席するかどうかの確率が異なるようです。

真核生物における遺伝子調節は、大きな分子複合体間の非常に多様で弱い相互作用に依存する傾向があり、「理論的に把握することが非常に難しいことで知られている」と生物物理学者は述べた。 トーマス・クールマン カリフォルニア大学リバーサイド校の博士は次のように書いています。 解説 フォーダイス研究所の論文について 科学。この一見混沌としたプロセスから、遺伝子のオンとオフに関する正確な決定がどのようにして現れるのかは、深い謎です。

その決定プロセスの謎のあいまいなロジックを超えて、委員会のメンバー全員がどのようにして適切な部屋への道を見つけ、そこに留まるのかという問題もあります。分子は通常、拡散によって細胞内を移動し、水などの周囲のすべての分子に衝撃を受け、ランダムな方向にさまよいます。こうした緩い委員会が急速にバラバラになり、規制上の役割を果たすことができなくなると予想されるかもしれない。

そこでフォアダイス氏らは、STR が登場すると考えている。STR は、DNA 上のエンハンサー部位内で驚くほど一般的である。研究者らは論文の中で、STRは転写因子を呼び寄せ、転写因子の逸脱を阻止する粘着パッチとして機能すると主張している。

粘りを微調整する

Fordyceらのグループは、STR配列の違いが転写因子の結合モチーフへの付着にどのような影響を与えるかを体系的に調査した。彼らは、特定の 6 塩基モチーフに固執する 2 つの要因 (1 つは酵母由来、もう 1 つはヒト由来) を調べました。研究者らは、その結合の強さ（または親和性）と、モチーフがランダムな配列ではなくSTRに隣接している場合の転写因子の固着と固着の解除の速度（動態）の両方を測定した。比較のために、彼らはこれらの因子がSTR単独と完全にランダムなDNA配列にどれだけ容易に結合するかを調べた。

「この分野の最大の課題の1つは、ゲノムの特定の位置での[転写因子]結合に影響を与える無数の変​​数を解きほぐすことです」と同氏は述べた。 デビッド・スーター、スイス連邦工科大学ローザンヌ校の分子生物学者。 DNA の形状、他の DNA セグメントとの近接性、および DNA 分子の物理的張力はすべて、転写因子の結合に影響を及ぼします。これらのパラメーターの値はおそらくゲノム内のすべての位置で異なり、おそらく細胞タイプ間で、また単一細胞内でも特定の位置で時間の経過とともに変化する可能性があります。 「これは未知の変数が存在する広大な空間であり、定量化するのは非常に困難です」とスーター氏は語った。

だからこそ、スタンフォード大学のチームのようなよく管理された実験が非常に役立つのだとクールマン氏は付け加えた。通常、このような弱い相互作用を測定する必要がある場合、研究者には 2 つの選択肢があります。非常に詳細で非常に正確な測定をいくつか行い、そこから一般化するか、または非常に多くの簡単な測定を行って数学的に複雑な計算を使用するかです。結果を推定するための統計的手法。しかし、フォーダイス氏とその同僚たちは、「両方の長所を活かすため」、ハイスループット実験中に正確な測定を行うために自動化されたマイクロ流体チップベースの手順を使用した、とクールマン氏は述べた。

スタンフォード大学のチームは、STR 配列が異なると転写因子の DNA への結合親和性が 70 倍も変化する可能性があることを発見しました。場合によっては、結合モチーフ自体の配列を変更するよりも、転写因子の結合により大きな影響を与えることがあります。そして、彼らが調べたXNUMXつの異なる転写因子では、その効果は異なっていました。

したがって、STRは転写因子がDNA部位にドッキングして遺伝子を調節する能力を微調整できるようだ。しかし、具体的にはどうやって？

遺伝子の近くの待合室

研究者らは、DNAに結合する転写因子の部分はSTRと弱く相互作用する可能性があり、その親和性の正確な強さはSTR配列に依存すると考えた。このような結合は弱いため、特異性はあまりありません。しかし、転写因子が STR によって何度も緩く掴まれて解放されると、累積的な効果として転写因子が遺伝子の近くに留まり、必要に応じてモチーフ領域にしっかりと結合する可能性が高くなります。

フォアダイスらは、STR が、たとえ一時的であっても、調節結合部位の近くに転写因子が集まる「ロビー」または井戸として機能すると予測した。 「STR の反復的な性質により、STR を構成する単一の結合部位の弱い効果が増幅されます。」 コナー・ホートン、この研究の筆頭著者であり、現在はカリフォルニア大学バークレー校の博士課程の学生です。

逆に、一部のSTRは転写因子を調節配列から引き離し、スポンジのように転写因子を他の場所に吸収するように作用することもあると同氏は付け加えた。このようにして、遺伝子発現を阻害することができます。

この研究は、「STRがインビトロで転写因子の結合に直接影響を与えることを説得力を持って示している」とSuter氏は述べた。さらに、スタンフォード大学のチームは、機械学習アルゴリズムを使用して、インビトロ実験で見られた効果が生きた細胞（つまり、生体内）でも発生しているようであることを示しました。

だけど ロバート・ティアンバークレー大学の生化学者でハワード・ヒューズ医学研究所の研究者でもある同氏は、特定のSTRと転写因子の組み合わせが実際の細胞における遺伝子発現にどのような影響を与えるかを確信するには時期尚早かもしれないと考えている。

ティアン、 ザビエル・ダルザック バークレーで一緒に運営している研究室の同僚らは、STRが遺伝子調節部位の近くに転写因子を集中させる方法を提供するようであることに同意している。しかし、転写を活性化するには因子がどの程度接近する必要があるのか​​が分からなければ、その結果の機能的重要性を理解することは困難です。 Tjian氏は、STRを生細胞に導入することで、標的遺伝子の発現に予測通りの影響を与えるかどうかを確認したいと述べた。同氏は、現時点では「STRが生体内での[調節]機構の主要な側面となるとは必ずしも確信していない」と述べた。

組み合わせ文法

STR ウェル内での転写因子結合の強度と選択性はどちらも弱いため、このような機構がどのようにして細胞に必要な正確な遺伝子制御を確実に提供するのかという、依然として残る謎の 1 つが挙げられます。フォアダイスは、そのような影響の特異性は多くの原因から来ている可能性があると考えています。STR 配列の違いだけでなく、転写因子と調節に関与する他のタンパク質との間の協力的な相互作用からも来ているのではないかと考えています。

これらすべてを考慮すると、特定の STR と転写因子の組み合わせが遺伝子の発現に及ぼす影響を簡単に予測できるかどうかは明らかではないと、ホートン氏は述べています。このプロセスのロジックは確かに曖昧です。そして、影響の「文法」はおそらく組み合わせによるものだとホートン氏は付け加えた。結果は転写因子と他の分子のさまざまな組み合わせに依存する。

スタンフォード大学のチームは、転写因子のおそらく 90% が STR に敏感であるが、ヒトゲノムには STR の種類よりもはるかに多くの種類の転写因子が存在すると考えています。 「STR配列の変異は、その細胞型における20種類の異なる転写因子の結合に影響を及ぼし、特定の転写因子に関与することなく、近くの遺伝子の転写全体の減少を引き起こす可能性がある」とホートン教授は述べた。

つまり、スタンフォード大学の研究チームは、生細胞における遺伝子調節は単一の単純なメカニズムによって動かされるわけではないという点で、Tjian 氏の意見に事実上同意していることになる。むしろ、転写因子、その DNA 結合部位、およびその他の調節分子が密集して集まり、集合的に影響を与える可能性があります。

「現在、DNA要素が転写因子を補因子との凝縮物を形成するまで密集させる可能性があるという考えを裏付ける例が複数ある」と同氏は述べた。 リチャード・ヤング、マサチューセッツ工科大学ホワイトヘッド研究所の細胞生物学者。エンハンサーは多くの転写因子に結合して、その混雑を引き起こします。 STR は、転写因子を集めて遺伝子の近くに集めるのに役立つ成分である可能性がありますが、それだけですべてが決まるわけではありません。

なぜ、原核生物で優勢である調節タンパク質と DNA 部位との間の強力で特異的な相互作用に依存せずに、この複雑な方法で遺伝子を調節するのでしょうか?このようなあいまいさこそが、そもそも大きく複雑な後生動物を可能にしたのかもしれない。

生物が生存可能な種となるためには、進化し、変化する状況に適応できる必要があります。もし私たちの細胞が、遺伝子調節相互作用の巨大ではあるが厳密に規定されたネットワークに依存しているとしたら、機構全体を破壊することなくそれに何らかの変更を加えるのは難しいでしょう。それはちょうどスイスの時計が、何かを取り除いたり（あるいはわずかに移動させたりすると）動かなくなってしまうのと同じです。その無数の歯車。しかし、調節分子の相互作用が緩やかで、かなり非特異的である場合、システムには有益な余裕が生じます。それは、委員会のメンバーの 1 人が病気で欠勤している場合でも、委員会は通常、適切な決定を下すことができるのと同じです。

フォアダイス氏は、細菌のような原核生物では、検索対象のゲノムが小さいため、転写因子が結合部位を見つけるのは比較的簡単かもしれないと指摘している。しかし、ゲノムが大きくなるにつれて、それは難しくなります。真核生物の大きなゲノムでは、「『間違った』結合部位に一時的に留まってしまうリスクはもはや容認できない」とフォーダイス氏は述べた。なぜなら、それが環境条件の変化に迅速に対応する能力を損なうことになるからである。

さらに、STR 自体は非常に進化可能です。それらの配列の延長または短縮、あるいは「転写因子の井戸」のサイズと深さの変化は、DNAの複製や修復における事故、あるいは染色体の性的組換えによって容易に起こる可能性があります。フォアダイス氏によれば、STRは「したがって、動物や植物の発生を制御するような、新しい調節要素を進化させたり、敏感な転写プログラムのための既存の調節モジュールを微調整したりするための原料として機能する可能性がある」と示唆している。

弱い相互作用の力

このような考慮事項により、分子生物学者はゲノム内の弱く比較的非選択的な相互作用にさらに注目するようになりました。これらの多くは、固定された正確な構造を持たず、ゆるくてふわふわした、生化学者が言うところの「本質的に無秩序な」タンパク質を含んでいます。もしタンパク質が剛直な構造ドメインを通じてのみ機能するとしたら、制御システムがどの程度うまく進化できるかだけでなく、生命で見られる種類の動的な制御も制約されることになる、とヤング氏は説明した。 「スイスの時計のような安定した構造要素だけで機能する生物、さらにはウイルスさえも見つけることはできないでしょう」とヤング氏は言う。

おそらく進化は、このような複雑な、しかし最終的には真核生物の遺伝子制御に対するより効果的な解決策の構成要素としての STR に偶然出会っただけかもしれません。 STR 自体はさまざまな方法で発生します。たとえば、DNA 複製のエラーや、ゲノム全体にコピーを作成する転移因子と呼ばれる DNA セグメントの活動などです。

「たまたま、タンパク質と反復配列の間に新たに出現した弱い相互作用が、それが起こった細胞に選択的利点をもたらす可能性があるものでした」とクールマン氏は語った。彼の推測では、このあいまいさはおそらく真核生物に強制されたものだが、「その後、彼らは自分たちの利益のためにそれを利用できるようになった」のではないかとのことだ。細菌やその他の原核生物は、それらの細胞が動き回ったり複製したりするような、いくつかの単純で明確な状態でのみ存在する傾向があるため、明確に定義された「デジタル」制御ロジックに依存することができます。

しかし、後生動物のさまざまな細胞状態は「はるかに複雑で、場合によっては連続体に近い」ため、よりファジーな「アナログ」制御の方が適切であるとスーター氏は述べた。

「細菌と真核生物の遺伝子制御システムは、かなり大きく分岐しているようです」とTjian氏も同意した。モノーはかつて次のように述べたと言われているが、「何が真実なのかは、 E. 大腸菌の 象にも当てはまります」というと、必ずしもそうとは限らないようです。