DNA から染色体をつくるための重要な過程を発見 １．発表者： 須谷 尚史（東京大学分子細胞生物学研究所附属エピゲノム疾患研究センター 助教） 坂田 豊典（東京大学大学院農学生命科学研究科 博士後期課程３年） 白髭 克彦（東京大学分子細胞生物学研究所附属エピゲノム疾患研究センター 教授） ２．発表のポイント： ◆細長い DNA 分子が折り畳まれて染色体（注１）という構造をつくる際に DNA 上で起 きている反応の一つを同定しました。 ◆DNA のもつ二重らせん構造に生じた“ゆるみ”がコンデンシン複合体（注２）により 取り除かれる反応が重要であるとわかりました。 ◆遺伝情報の源である DNA が細胞の中でどのように安全に保管されているかについての 基本的な理解を推し進める発見です。 ３．発表概要： 染色体は、細胞がもつ遺伝情報の源であるひも状の分子、DNA が高度に折り畳まれ束ねられ てできる構造体です。細胞の分裂に際して染色体が形成されないと、子孫細胞へ遺伝情報がう まく受け渡されません。染色体の形成過程ではコンデンシンと呼ばれるタンパク質複合体が機 能することが知られていましたが、どのように DNA 鎖の折りたたみを担っているかはわかっ ていませんでした。 東京大学分子細胞生物学研究所附属エピゲノム疾患研究センターの須谷尚史助教、同大学院農 学生命科学研究科の坂田豊典大学院生、同分子細胞生物学研究所附属エピゲノム疾患研究セン ターの白髭克彦教授らの研究グループは、染色体の中でコンデンシンが結合している部分の DNA を単離・分析することにより、単鎖 DNA（注３）という特殊な構造の DNA にコンデン シンが結合していることを明らかにしました。 単鎖 DNA の量は遺伝子の読み取り反応（転写）によって増加し、逆にコンデンシンの機能に よって減少しました。転写の際に DNA の二重らせん構造が巻き戻されることで単鎖 DNA が 生成し、コンデンシンはその構造を元の二重らせん状態に戻す役割をもつと考えられました。 この成果は、DNA 分子を制御する、今まで見過ごされていた仕組みを発見したものです。ま た、コンデンシンが関わるより高次な生命現象（免疫細胞の維持や発がんの抑制）の理解も推 し進めるものと期待されます。 ４．発表内容： 研究の背景 生命のもつ遺伝情報は DNA と呼ばれる線状の分子の中に保持されています。例えばヒトでは １つの細胞がもつ DNA 分子の総延長は 2m にも及びますが、この長大な DNA が細胞内の直 径わずか 10 μm（=10 万分の 1 m）の核という領域の中にうまく折り畳まれ、格納されていま す。DNA 分子の折り畳まれ方は細胞のおかれた状況によって変化することが知られており、 特に大きな変化が起きるのは細胞が分裂するときです。複製によって倍加した DNA 分子のセ ットを一組ずつ子孫細胞へ分配するのに先立って、DNA 分子は非常に高度に折り畳まれ棒状 の形態をした染色体へと形を変えます。この染色体の形成は遺伝情報を正しく子孫細胞へと分 配するために不可欠なステップであることが知られています。染色体という構造体の発見は古 く１９世紀にさかのぼりますが、この構造の中で DNA がどのように折り畳まれているかとい うことは現在になっても十分に理解されていませんでした。 さまざまな研究により、コンデンシンと呼ばれるタンパク質複合体が染色体形成の過程で不可 欠な役割を果たしていることが見いだされています。これまでのコンデンシン研究は精製した 複合体を用いた試験管内での研究が先行しており、実際の染色体上でコンデンシンがどのよう に機能しているかについては解析手段が限られていることから研究が遅れていました。 研究内容 モデル生物の一つである分裂酵母においてコンデンシン複合体がゲノム DNA 上のどの部位に 結合して機能しているかを ChIP-seq 法（注４）という解析手法を用いて調べました。ChIP-seq 法は次世代 DNA シークエンサー（注５）を活用する最新の解析手法です。その結果、コンデ ンシンは遺伝情報の読み取り（転写）が活発に行なわれている部位に集中して結合しているこ とが明らかになりました。転写とコンデンシン機能の関係について引き続き解析を行なった結 果、次のことがわかりました。 ・DNA は２本の鎖状分子が互いに巻き付いた構造をしていますが、時に二重鎖がばらばらに なった単鎖状態の DNA が作り出されることがあります。コンデンシンが結合する DNA には この単鎖 DNA が含まれていることがわかりました。 ・単鎖 DNA 結合因子というタンパク質の結合を指標として単鎖 DNA の量を計測したところ、 細胞分裂期の核中で単鎖 DNA は転写部位に存在していること、その生成は転写活性によって いること、コンデンシンを欠く細胞では単鎖 DNA の量がさらに増大することがわかりました。 ・コンデンシン機能の低下した細胞では染色体分配が正常に進行しませんが、転写阻害剤の添 加でこの表現型が緩和されることがわかりました。 これらの結果から、転写において DNA 二重らせんが巻き戻されることで単鎖 DNA は作り出 される、単鎖 DNA の存在は染色体形成にとって阻害的である、コンデンシンは単鎖 DNA を 元の二重らせんに戻す働きがある、ことがわかりました。 実は、コンデンシンは試験管内で単鎖 DNA を巻き直し二重鎖 DNA を再生する活性を示すこ とが以前から知られていました。今回の発見は、この活性が細胞内で確かに機能しており染色 体構造の形成にとって重要であることを示します。 以上の発見の普遍性を検討するために、 次に HeLa ヒト培養細胞において解析を行ないました。 ヒトがもつ２種のコンデンシン複合体のうち、コンデンシン I はやはり転写活性の高い遺伝子 に結合していること、結合する DNA 中には単鎖 DNA が含まれることが確認されました。 染色体が形作られる機構を説明するモデルの一つに、DNA 二重らせんの巻き付き方の度合い を高めることで DNA に高次の折り畳み構造が導入されていくというものがあります。単鎖 DNA 領域は二重らせんがほどけた領域であることを考えると、今回の結果は DNA らせん密度 の制御が染色体形成反応の根幹にあるというこのモデルを支持するものだということができま す。 今後の期待 これまで転写等によりほどけた DNA 鎖は自発的に二重鎖に再生すると考えられていましたが、 今回の研究により細胞は生存のために再生反応を積極的に制御していることが明らかになりま した。全く新しい DNA/染色体構造の制御様式が明らかになったといえます。コンデンシン遺 伝子に生じた変異により免疫細胞の機能異常や細胞のがん化が引き起こされうることが近年明 らかになってきています。遺伝子転写の調節や DNA 損傷の修復過程においても DNA 二重鎖 再生反応を通じて機能することで、コンデンシンはこれらの高次生命現象に関わっている可能 性が考えられます。今後のさらなる研究が期待されます。 なお、本研究は科学研究費補助金ならびに科学技術振興機構の支援を受けて行なわれました。 ５．発表雑誌： 雑誌名：「Nature Communications」（６巻 7815 ページ（2015 年）） 論文タイトル：Condensin targets and reduces unwound DNA structure associated with transcription in mitotic chromosome condensation 著者：Takashi Sutani*, Toyonori Sakata, Ryuichiro Nakato, Koji Masuda, Mai Ishibashi, Daisuke Yamashita, Yutaka Suzuki, Tatsuya Hirano, Masashige Bando, Katsuhiko Shirahige*（*, 責任著者） DOI 番号： 10.1038/ncomms8815 アブストラクト URL：http://www.nature.com/naturecommunications ６．注意事項： 日本時間 2015 年 7 月 23 日（木）午後６時（イギリス夏時間 7 月 23 日（木）午前 10 時）以 前の公表は禁じられています。 ７．問い合わせ先： 東京大学 分子細胞生物学研究所 ゲノム情報解析分野 白髭克彦研究室 助教 須谷尚史 TEL: 03-5841-7810 E-mail: tsutani[at]iam.u-tokyo.ac.jp （[at]を@に置き換えてください） ８．用語解説： （注１）染色体 細胞のもつ DNA 分子が高度に折り畳まれてできる棒状の構造体（添付資料図１を参照）。細胞が 分裂を行なうときに形成される。染色体という言葉には細胞中に含まれる DNA のことを指す用法 もあるが、本稿では原義の通り分裂期にみられる構造体をさす言葉として用いた。 （注２）コンデンシン複合体 真核生物（細菌を除くほとんどの生物種からなるグループ）で進化的に保存されているタンパク質 複合体。染色体の形成において不可欠な役割を果たすことが知られる。 （注３）単鎖 DNA DNA は２本の鎖状の分子が互いに巻き付いた二重らせんと呼ばれる構造をとっている。このらせ んがほどけてできる、 離ればなれになった状態の DNA 鎖を単鎖 DNA と呼ぶ （添付資料２を参照） 。 （注４）ChIP-seq 法 解析対象のタンパク質がゲノム DNA 上のどこにどの程度の量、結合しているかを網羅的に明らか にする技術。 （注５）次世代 DNA シークエンサー 大量並列型 DNA シークエンサーとも呼ばれる。従来の DNA シークエンサーに比べ桁違いに 大量の DNA 配列（10 億本以上）を一度の解析で決定できる装置。この新型シークエンサーの 開発と普及によって、ChIP-seq 法のようなゲノム全域を対象とする解析を行なうことが可能 となった。 ９．添付資料： （図１、図２）
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