DNA にはいろいろな種類のタンパク質が結合しています。結果、DNA はより組織化した立体構造をしています。
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ヒストン
DNAに結合するタンパク質は、ヒストンとよばれるものや、特異的な短い塩基に結合するものなど、多種多様です。真核生物では、DNAとタンパク質との複合体を染色質 (クロマチン) 言います。クロマチン中にはヒストンが大量に存在していて、生化学的にもよく研究されています。
おもなヒストンには、H1、H2A、H2B、H3、H4 の 5 種類ああります。これらのアミノ酸配列は決定されていて、プラスの電荷をもつ塩基性アミノ酸 (リジンとアルギニン) の割合が多いことが分かっています。つまりヒストンは、どういった塩基配列であれ、マイナスの電荷をもつ DNA のリン酸基と強く結合することができるのです。
また、H3 と H4 は、どの生物においてもそのアミノ酸配列が似ています。たとえばウシとエンドウの間でも、H4のアミノ酸配列はたった 2 個しか違いがありません。このように、真核生物の間で構造がよく似ているヒストンは、実は原核生物でも類似したタンパク質が存在しています。ヒストンは進化的に保存されてきたことが分かりますね。このことから、ヒストンが細胞内で DNA を組織する役割は、大変に重要だと言えます。
ヌクレオソーム
クロマチンの構造をほどき電子顕微鏡で観察すると、ちょうど糸を通したビーズのような構造が見えます。これはヌクレオソームと言われます。ヌクレオソームはクロマチン構造の基本単位です。ヌクレオソームでは、4 つのヒストン (H2A、H2B、H3、H4) が、それぞれ 2 分子ずつ 8 量体になったもの (ヒストンコア) のまわりを DNA が 2 巻きして収納されていて、太さ 11 nm のクロマチン繊維になります。このクロマチン繊維が次の収納段階に入るとヒストン H1 がヌクレオソーム近傍の DNA に結合し、そのはたらきによってヌクレオソームが密に並べられて太さ 30 nm のクロマチン繊維になるのです。ただ、実際の染色体の太さは 30 nm どころではありません。したがって、さらなる数段階の折りたたみがあると考えられています。昆虫のだ液腺における多糸染色体や、両生類の卵母細胞におけるランププラシ染色体では、染色体の主軸から、クロマチンの繊維が直角方向にループ状に伸びているのが観察できます。したがって、30 nm のクロマチン繊維がループ状に折りたたまれ、各ループの基部は特殊なタンパク質で染色体の軸に沿ってまとめられていると考えられています。ただ、このようにまとまっても、 300 nm ほどです。中期染色体では、さらに折りたたむことによって最も凝縮した状態になっています。このようにして、光学顕微鏡でみえる染色体の姿 (太さ約1400 nm ) になります。
ヘテロクロマチン
間期のクロマチンは分裂期のクロマチンはど凝縮されていませんが、濃く染まった不規則な構造が見られます。これをへテロクロマチン (異質染色質) といって、クロマチンが高度に凝縮した構造になっています。それ以外の凝縮していないクロマチンは、ユークロマチン(真正染色質) といいます。
へテロクロマチンは、凝縮しているために遺伝子の転写活性酵素が接近できず、転写されません。逆にユークロマチンは凝縮されていないので転写が可能です。
へテロクロマチンは、一般的に細胞周期の DNA 複製期 (S期) の終わりに形成されますが、これは将来、間期において遺伝子発現を調節するためです。
へテロクロマチンには2種類あります。1 つはテロメアやセントロメアなど染色体の機能に必要な領域を構成していて、ユークロマチンにはみられない DNA の繰返し配列を多く含む構造的へテロクロマチンです。もう 1 つはユークロマチンに散在していて遺伝子も多く存在しているけど、一時的に高度に凝縮して遺伝子発現が抑制されている選択的へテロクロマチンです。例えば、発生の過程で生じるヒトの不活性化 X 染色体は、選択的へテロクロマチンです。
へテロクロマチン構造は、環境的に転写を抑制する効果があります。活発に転写される遺伝子を酵母のヘテロクロマチン領域に挿入したところ、挿入遺伝子が発現しなくなることが知られています。
へテロクロマチンの形成と維持には、ヒストンからしっぽのように飛び出している 20 〜 30 の N 末端アミノ残基 (ヒストンテール) の化学修飾が重要です。修飾を受けるアミノ酸残基の位置と化学修飾の種類 (メチル化やアセチル化、リン酸化など) は決まっています。これらの修飾の組合せは、転写活性やクロマチンに影響をおよぼすことがわかっていて、ヒストンコードともよばれています。
ユークロマチンから選択的ヘテロクロマチンへ
ユークロマチンが選択的にヘテロクロマチン化されている様子をみてみましょう。
ヒストン修飾は多様です。そのため、簡単に表記する方法が定められています。たとえば H3K9me3 とは、「ヒストン H3 の 9 番目のリジン (K) がトリメチル化 (me3) されている」という意味です。
遺伝子発現が抑制されている遺伝子を調べてみると、H3 と H4 のリジンが脱アセチル化されていたり、ヒストン H3 の 9 番目のリジンがメチル化 (H3K9me) 、H3 の 27 番目のリジンのメチル化 (H3K27me)、H4 の 20 番目のリジンのジメチル化 (H4K20me2) やトリメチル化 (H4K20me3) が進んだりしていることが分かります。.逆に、ヒストンテールのアセチル化や H3 の 4 番目のリジンのメチル化 (H3K4me) は、転写を活性化させる化学修飾です。
このようにヒストンのアセチル化はほばすべて転写活性化に関係しています。しかしメチル化は修飾される位置によって効果が違うことがわかります。このように、DNA の塩基配列の変化がない遺伝子の発現制御をエピジェネティクスと言います。
構成的ヘテロクロマチン
テロメアやセントロメアでみられる構成的へテロクロマチンは、H3K9 のメチル化修飾 (H3K9me2、H3K9me3) が非常に重要でよく保存されてます。このようなメチル化 H3K9 にはヘテロクロマチンタンパク質1 (HP1) が作用して強くへテロクロマチン化され、細胞周期を通じて凝縮した状態が維持されています。
