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细胞が分裂するためには、复製された长いゲノム⁽¹⁾顿狈础が分裂期染色体⁽²⁾として凝缩し、それが2つの娘细胞に正确に分配される必要があります。これにはコンデンシン⁽³⁾というタンパク質が重要な役割を果たすと考えられていますが、コンデンシンがどのようにしてゲノムDNAに働き、染色体を凝縮させるのかは不明でした。このたび、情報?システム研究機構 国立遺伝学研究所 日比野佳代 助教、田村佐知子　テクニカルスタッフ、南克彦　大学院生、島添將誠　大学院生、前島一博　教授のグループ、夏目豊彰　助教、鐘巻将人　教授のグループは、横浜市立大学大学院生命ナノシステム科学研究科 境祐二 特任准教授、理化学研究所 高木昌俊　専任研究員、今本尚子　主任研究員のグループと共同で、分裂するヒト細胞の染色体内をナノメートル⁽⁴⁾レベルで可视化できる超解像蛍光顕微镜⁽⁵⁾を用い、ゲノム顿狈础の动きを観察?解析しました。

その结果、高度に凝缩した分裂期染色体においても、ゲノム顿狈础が揺らいでいることを発见しました。そして染色体が凝缩する过程で、顿狈础の揺らぎが次第に抑えられ、コンデンシンが「クリップ」のように顿狈础同士を结びつけ、顿狈础の揺らぎを抑えていることが分かりました。また、顿狈础がヒストンというタンパク质に巻きついた构造であるヌクレオソーム同士の相互作用も、染色体全体を凝缩させる役割を果たすことが明らかとなりました。これらの実験结果は、计算机シミュレーションで作られたモデル染色体でも再现できました。今回の発见は、细胞が分裂する际、长いゲノム顿狈础から染色体がどのように作られるかを解明するものです。细胞分裂の异常に関连する「がん」などの疾患の理解?治疗につながることが期待されます。

本研究は、2024年8月21日に「Nature Communications」にオープンアクセスとしてオンライン掲載されました。

本研究成果は、国際科学雑誌「Nature Communications」に2024年8月21日（日本時間）にオープンアクセスとしてオンライン掲載されました。

論文タイトル: Single-nucleosome imaging unveils that condensins and nucleosome-nucleosome interactions differentially constrain chromatin to organize mitotic chromosomes.
（1分子ヌクレオソームイメージングにより、コンデンシンとヌクレオソーム间の相互作用がクロマチンを制约し、分裂期染色体を组织化することが明らかになった）
著者: Kayo Hibino, Yuji Sakai, Sachiko Tamura, Masatoshi Takagi, Katsuhiko Minami, Masa A. Shimazoe, Toyoaki Natsume, Masato T. Kanemaki, Naoko Imamoto, Kazuhiro Maeshima* ＊責任著者
（日比野佳代、境祐二、田村佐知子、高木昌俊、南克彦、岛添将诚、夏目豊彰、鐘巻将人、今本尚子、*前岛一博）

顿翱滨：

●　研究の背景

私たちの体を構成する細胞一つ一つには、全長2メートルにおよぶゲノムDNAが収められています。DNAは直径2ナノメートルの細い糸状の物質で、「ヒストン」という樽状のタンパク質に巻き付くことで「ヌクレオソーム」という構造を作ります(図1左)。ヌクレオソームにさまざまなタンパク質が結合することでDNAはさらに折りたたまれ、「クロマチン」と呼ばれる形を取り、細胞の中に収納されます。国立遺伝学研究所の前島教授らは、2008年よりヌクレオソームが不規則に、そしてダイナミックに細胞内に収められていることを提唱してきました。先行研究より、クロマチンが平均直径200ナノメートルほどの不規則に凝縮した「塊」（クロマチンドメイン）を形成していることが明らかとなっています(図１左)。細胞が分裂する際、複製されたクロマチンドメインが束ねられ、染色体 (図1右) として娘細胞に正確に分配される必要があります。これにはコンデンシン⁽³⁾というタンパク质が重要な役割を果たしますが、コンデンシンがどのようにして顿狈础に働き、染色体を构筑するのかは不明でした。

また、分裂している生きた细胞において、染色体をナノメートルのスケールで详细に観察することは困难であったため、染色体のなかでヌクレオソームが局所的にどのように振る舞うのかは、明らかになっていませんでした。

●　本研究の成果

本研究では、まずヒト细胞の染色体のなかのヌクレオソームを特异的に蛍光标识する技术を开発しました（図１右）。そしてヌクレオソーム1个1个を観察できる超解像蛍光顕微镜⁽⁵⁾を駆使し、分裂期染色体のなかの蛍光标识したヌクレオソームの动きを生きた细胞において観察しました。その结果、高度に凝缩した分裂期染色体においても、ヌクレオソームが揺らいでいることを见出しました。そしてこの染色体が凝缩する过程で、ヌクレオソームの揺らぎが次第に抑えられることが分かりました。また、コンデンシンは染色体の中心部分に存在し、染色体轴を作っています(図２左下)。コンデンシンを迅速に除去できる细胞を用いて解析した结果、コンデンシンは染色体の中心付近でクロマチンドメイン同士を「クリップ」のように结びつけ、ヌクレオソームの揺らぎを抑えていることが示唆されました（図２上段）。また、ヒストンのテール（尾部、図１左）を介したヌクレオソーム间の相互作用を薬剤で阻害すると染色体が脱凝缩するため、この相互作用も重要な役割を果たしていることも示されました（図２下段）。ヒストンのテールは、ヌクレオソーム同士の物理的な结びつきを强化し、染色体全体を凝缩させます。さらに、计算机上で再现されたモデル染色体において、コンデンシンの「クリップ」の働きや、ヌクレオソーム同士の相互作用を考虑することで、染色体を正しく构筑することができました。本研究で得られたコンデンシンの「クリップ」の働きと、ヌクレオソーム同士の相互作用は、染色体が正确に娘细胞に分配されるための重要なメカニズムと考えられます。

これらの结果は、生きた细胞の染色体をナノメートルレベルで観察することができる顕微镜により得られた新しい染色体像です（図3）。これまでの方法では、细胞を固定⁽⁶⁾する必要があり、ヌクレオソームの振る舞いの情报が失われてしまうという欠点がありました。今回明らかになった「ヌクレオソームの揺らぎ」は、コンデンシンなどの染色体を构筑するタンパク质の染色体内部への侵入や染色体内の移动を促し、効率的な凝缩反応を可能にすると考えられます。このようなヌクレオソームの振る舞いは、がんの原因となる长いクロマチンの络まり?切断を防ぎ、遗伝情报の维持に贡献することが予想されます。

●　今后の期待

本研究は细胞分裂中の染色体构筑过程のコンデンシンとヌクレオソームの役割を明らかにしました。これにより、遗伝情报を维持し、染色体の正确な分配を理解するための重要な手がかりが得られました。得られた知见は、细胞分裂のメカニズムを解明し、细胞分裂の异常に関连する「がん」などの疾患の理解?治疗につながることが期待されます。



动画の説明：超解像蛍光顕微镜により観察された生きた细胞の核内（左）と染色体（右）におけるヌクレオソームのゆらぎの动画。个々のドットが単一のヌクレオソームを示している。左下は秒表示。

(1) ゲノム
生物の全遗伝情报のセットで顿狈础（一部のウイルスでは搁狈础）にコードされている。木原均（元国立遗伝学研所长）によってその概念が提唱された。
(2) 分裂期染色体
细胞が分裂する际、ゲノム顿狈础が高度に凝缩されてできる棒状の构造体。
(3) コンデンシン
染色体形成に必须とされている5つのタンパク质よりなる复合体。染色体中に轴のように存在する。
現 理研主任研究員?平野達也らのグループによって1997年に発見された。
(4) ナノメートル
1メートルの10の9乗分の１（10-9）。
(5) 超解像蛍光顕微鏡
通常の光（可视光）を用いた顕微镜で観察する场合は、200ナノメートル程度の大きさの构造をとらえるのが限界である（光の回折限界）。しかし、超解像蛍光顕微镜はこの限界を超えて（超解像）、より小さな构造まで観察することができる。本研究では、クロマチンのヌクレオソームをまばらに蛍光标识することで个々のヌクレオソームの动きを観察できるようになった。
(6) 固定
细胞の内部の构造を観察するために安定化（动かなく）すること。化学物质を用いる方法や、细胞を急速冻结する方法などがある。

本研究成果は、国立遺伝学研究所?ゲノムダイナミクス研究室の日比野佳代 助教（JST さきがけ研究員）、田村佐知子 テクニカルスタッフ、南克彦　総研大大学院生（元SOKENDAI特別研究員、現 学振特別研究員DC2)、島添將誠 総研大大学院生(学振特別研究員DC1)、前島一博 教授 、分子細胞工学研究室の夏目豊彰　助教（現　東京都医学総合研究所　研究員）、鐘巻将人　教授、横浜市立大学大学院生命ナノシステム科学研究科の境祐二 特任准教授、理化学研究所の高木昌俊　専任研究員、今本尚子　主任研究員（現　滋慶医療科学大学大学院教授）との共同研究成果です。

本研究は、日本学術振興会(JSPS) 科研费(JP20K06482, JP21H02453, JP23K17398, JP24H00061, JP23KJ0998, JP20K06594, JP21H0419, JP23H04925)、学術変革領域A「ゲノムモダリティ」（JP20H05936）、科学技術振興機構(JST) PRESTO (JPMJPR21ED)、CREST (JPMJCR21E6)、 JST 次世代研究者挑戦的研究プログラム(JPMJSP2104)、武田科学振興財団の支援を受けました。
 

横浜市立大学　広报担当
mail: koho@yokohama-cu.ac.jp