エピジェネティクス解析試薬

ヒトをはじめとする個体は種々の役割を担う多様な細胞集団により構成されています。同一のDNA配列を有する細胞が多様な表現型を示す理由として、遺伝子の発現パターンが細胞種によって大きく異なる点が挙げられます。そしてこの遺伝子発現のパターンはDNAメチル化やヒストン修飾といった化学修飾に基づいて決定されます。このようなDNA配列の変化を伴わない遺伝子発現制御の仕組みをエピジェネティクスといいます。また、このような化学修飾を受けたゲノムを「エピゲノム」といいます。

エピジェネティクスに関連した研究は発生学の領域はもちろん、がん領域のような新たな細胞集団の発生の機構を明らかにする分野においても広く取り組まれています。

エピジェネティクスの身近な例として、「三毛猫」が挙げられます。三毛猫は基本的にメスしか存在しません。

哺乳類の性染色体は、オスがXY、メスがXXとなっています。メスの性染色体のうち、片方のX染色体は不活性化されており、どちらが不活性化されるかは細胞によってランダムに決まります。この「X染色体の不活性化」はエピジェネティックな現象です。

猫の毛の色に関する遺伝子は、X染色体上にのみあり、不活性化している部分とそうでない部分があることで斑模様になります。そのため、XX染色体でなければ三毛猫になりません(ただし、XXY染色体を持つオスの三毛猫も例外的に生まれます)。

DNAメチル化は、3’-CG-5’の並びとなる配列(CpG配列)のシトシンにメチル基(-CH3)が付加される現象です。その多くは CpG配列が密に存在する領域(CpGアイランド)のシトシンの5位の炭素(5-メチルシトシン：5-mC)がメチル化されることにより生じます。 DNAのメチル化により、転写因子の染色体上へのリクルートが阻害されます。また、メチル化DNA結合タンパク質(Methyl CpG binding domain(MDB) protein)がリクルートされ、クロマチン構造の凝集を促すことにより、転写が負に制御されます。 このようなDNAメチル化によるエピジェネティックな遺伝子発現制御は、X染色体の不活性化、ゲノムインプリンティング、ゲノム安定性など、生命現象に重要な役割を担っています。

現在、DNA 塩基配列中のメチル化シトシンを測定する方法としては Bisulfite 法が一般的な方法として普及しています。当社では、独自開発したバイサルファイト溶液および反応エンハンサーの添加により鋳型ゲノムDNAの分解を抑制し、かつシトシンのウラシルへの変換効率を向上させたバイサルファイト反応用試薬EpiSight™を取り扱っています。

ヒストンは、真核生物の染色体を構成するタンパク質です。塩基性アミノ酸を多く有しており、負に荷電したリン酸基を持つDNAと安定した複合体を形成します。 ヒストンはH1、H2A、H2、H3、H4の5種類が存在します。 H2A、H2、H3、H4を2分子ずつ含む8量体をヒストンコアといい、これにDNAが巻き付いてヌクレオソームが形成されます。このヌクレオソームが数珠状に連なった構造をクロマチンといいます。ヒストンH1は、ヌクレオソーム間のリンカーDNA領域に結合しており、クロマチン高次構造の形成に深く関与していると考えられています。

ヒストンのアセチル化は、リジン残基の正電荷を弱めることによって、DNAとヒストンの相互作用を変化させ、クロマチン構造を緩めます。クロマチン構造が緩むことによって、RNAポリメラーゼがアクセスでき、転写が促進されます。 逆に、HDACによりアセチル基が除去されると、DNAとヒストンの相互作用により、転写因子のアクセスが阻害され、転写が抑制されます。

ヒストンのメチル化は、転写の促進、抑制の両方に関与します。ヒストンH3では、4、9、27、36番目のリジン、および2、17、26番目のアルギニン、ヒストンH4では、20番目のリジン、および3番目のアルギニンがメチル化修飾を受けます。

ヒストンH3の9番目のリジンがメチル化(H3K9me)されると、ヘテロクロマチンタンパク質(Heterochromatin Protein1: HP1)が結合し、クロマチン構造が凝縮することによって転写が抑制されます。
一方、ヒストンH3の4番目のリジンがメチル化(H3K4me)されると、転写が促進されます。

このように、ヒストンメチル化は、メチル化状態によって遺伝子発現パターンが変化します。

上述したように、エピジェネティクスはDNAのメチル化やヒストン修飾など、化学修飾に基づいた遺伝子発現制御に重要であり、生命の恒常性に深く関わっています。 そのため、エピジェネティクスの異常はがんをはじめとする様々な疾患の原因となります。エピジェネティクスの異常に対して行われる創薬アプローチとしては、エピジェネティック制御に関わるタンパク質の阻害薬を創製することになります。

エピジェネティック制御タンパク質は、主にDNAやヒストンのアセチル化・メチル化修飾を行う「書き込み」酵素、これらの修飾を取り除く「消去」酵素、そして遺伝子上に転写因子などを誘導する「読み取り」タンパク質が知られており、これらを制御することによってエピジェネティックな遺伝子発現をコントロールできます。