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2022年08月31日
Alchemy of Actor epigenetics 04
Alchemy of Actor epigenetics 04
ノンコーディングRNA（non-coding RNA、ncRNA、非コードRNA）;
ノンコーディングRNAを発現する遺伝子
タンパク質へ翻訳されずに機能するRNAの総称で、非翻訳性RNA（non-translatable RNA）
塩基数（分子量）や鎖の形状（1本鎖, 2本鎖）が異なるものを一括した総称。
非翻訳性RNAは、
RNA干渉 (RNAi)、ヘテロクロマチン形成への関与、
植物におけるRNA指令型DNAメチル化 (RNA-directed DNA methylation: RdDM) など、
さまざまな過程を通じてエピジェネティックな遺伝子制御に関わる。
従来その構造から遺伝子発現が不活性化されていたセントロメアなどのヘテロクロマチンにおいても、
RNAが転写がされていることが判明、非翻訳性RNAを通しての遺伝子発現制御が注目されている。
RNA干渉 (RNAi) は、非翻訳性RNAによる転写後遺伝子サイレンシングである。
何らかの原因により二本鎖RNA (dsRNA) が存在するとき、
Dicerと名づけられた酵素によってdsRNAは切断され
20数塩基以下の短い二本鎖RNA（低分子干渉 (small interfering) RNA, siRNA）となる。
そのsiRNAと共通の塩基配列を持つmRNAが分解される現象を狭義のRNAiとす。
翻訳型を含めてsiRNAが関与する遺伝子サイレンシング全般をRNAiとする場合や、
RNAサイレンシングという用語をRNAiと同義語として使用する場合もある。
狭義のRNAi現象は、
植物・線虫・哺乳類を含め広範囲の生物で保存されている現象で、
現在ではRNAiは広く遺伝子ノックダウン技術として利用されている。
RdDM
RNA指令型DNAメチル化 (RdDM) は、
植物で観察されるsiRNAによる翻訳型遺伝子サイレンシングであり、
広い意味でのRNAiに含める。
動物においてRdDMと同等の機能があるかについては不明。
RdDMはsiRNAと相同なDNA塩基配列のシトシン残基がメチル化される現象であり、
siRNAの元になるRNAが核内DNAの転写産物でもあっても外来RNAであってもこの現象は発生す。
イネへの遺伝子導入の実験においては、
導入した遺伝子のプロモーターをRdDMによって不活性化したところ、
同時にヒストンにおいてH3K9のジメチル化およびH3とH4の脱アセチル化が起きている
（いずれも発現抑制化の変化）。
RdDMによる遺伝子発現の不活性化は、
外来遺伝子がゲノムに侵入した場合にゲノム内移動を抑える防御作用を持つものと推定。
リボ核酸（RNA: Ribonucleic acid）リボースを糖成分とする核酸。
リボヌクレオチドが多数重合したもの、
一本鎖をなし、Aアデニン、Gグアニン、Cシトシン、Uウラシルの四種の核酸塩基を含む。
一般にDNAを鋳型として合成され、その遺伝情報の伝達やタンパク質の合成を行う。
シトシンは DNA にも同じ構造が見られるが、
DNAにおけるチミン (T) がRNAではウラシルに置き換わっており、相補的な塩基はアデニンとなる。
チミンとウラシルは共にピリミジン環を持つ非常に似た塩基である。
シトシンが化学分解されるとウラシルが生成されてしまうため、
DNAではウラシルの代わりにチミンが用いられるようになった。
これによりシトシンの分解により誤って生成してしまったウラシルを検出し、
修復することが可能になる利点が生じた。
ノンコーディングRNAは、タンパク質に翻訳されるmRNAに相対して付けられた、
「それ以外の」RNAの総称に過ぎず、
20ヌクレオチド程度の低分子量のものから
100 kbにも至るような様々なノンコーディングRNAが報告されている。
その分子量の違いから容易に推測されるように、
機能分子としてのノンコーディングRNAに共通点は見られず、従ってその生理機能も多様。
ノンコーディングRNAはしばしば機能性RNA（functional RNA）と言い表される、
一部のアンチセンスRNAでみられるように、
転写産物であるRNA分子それ自体には生物学的な機能がなく、
その遺伝子座で転写が起こることが重要である場合や、
そもそもノンコーディングRNA遺伝子そのものが生体にとって必要でない場合もみられるため、
厳密にはすべてのノンコーディングRNAが機能性RNAであるわけではない。
最も有名で量も多いノンコーディングRNAは、
翻訳過程で機能する転移RNA（tRNA）とリボソームRNA（rRNA）で、
それ以外にも、1980年代初期の低分子量核内RNAの発見や、
1990年代後期のマイクロRNAの発見など、
基本的な代謝から個体発生や細胞分化とう
様々な生命現象に関与するノンコーディングRNAが数多く見出されており、
ノンコーディングRNAは以前考えられたよりもはるかに重要な役割を有すると考えられる。
ヒトゲノム解読とトランスクプトーム解析により、
ヒトゲノムのわずか2％しかタンパク質をコードしていないことが判明。
ncRNAはこれまで転写、
RNAプロセッシング、RNA分解、翻訳など
遺伝子発現の様々な段階に影響を与えることが知られている。
ペンシルバニア大学のTracy L. Baleらは、
精子中のマイクロRNAの発現量が子に伝わり、父の獲得形質が子に受け継がれることを発表。
オスのマウスに過度なストレスを与え、そのマウスをメスのマウスと交配。
生まれたマウスに過度なストレスを与えたところ、ストレスに対する耐性が父マウスよりも高いと出た。
その原因としてマイクロRNAを挙げ 父マウスの精子中のマイクロRNAの発現量が増加していること、
このマイクロRNAが受精卵内のmRNAを破壊していること より、
父が獲得した形質がマイクロRNAを通し子に伝わることを示唆。
DNAとRNAの物理化学的性質；
DNAとRNAはともに紫外線である波長260nm付近に吸収極大を持ち、230nm付近に吸収極小を持つ。
この吸光度はタンパク質の280nmよりもずっと大きいが、
これはDNAとRNAがプリンまたはピリミジンを塩基として有するため。
ノンコーディングRNA（non-coding RNA、ncRNA、非コードRNA）;
ノンコーディングRNAを発現する遺伝子
タンパク質へ翻訳されずに機能するRNAの総称で、非翻訳性RNA（non-translatable RNA）
塩基数（分子量）や鎖の形状（1本鎖, 2本鎖）が異なるものを一括した総称。
非翻訳性RNAは、
RNA干渉 (RNAi)、ヘテロクロマチン形成への関与、
植物におけるRNA指令型DNAメチル化 (RNA-directed DNA methylation: RdDM) など、
さまざまな過程を通じてエピジェネティックな遺伝子制御に関わる。
従来その構造から遺伝子発現が不活性化されていたセントロメアなどのヘテロクロマチンにおいても、
RNAが転写がされていることが判明、非翻訳性RNAを通しての遺伝子発現制御が注目されている。
RNA干渉 (RNAi) は、非翻訳性RNAによる転写後遺伝子サイレンシングである。
何らかの原因により二本鎖RNA (dsRNA) が存在するとき、
Dicerと名づけられた酵素によってdsRNAは切断され
20数塩基以下の短い二本鎖RNA（低分子干渉 (small interfering) RNA, siRNA）となる。
そのsiRNAと共通の塩基配列を持つmRNAが分解される現象を狭義のRNAiとす。
翻訳型を含めてsiRNAが関与する遺伝子サイレンシング全般をRNAiとする場合や、
RNAサイレンシングという用語をRNAiと同義語として使用する場合もある。
狭義のRNAi現象は、
植物・線虫・哺乳類を含め広範囲の生物で保存されている現象で、
現在ではRNAiは広く遺伝子ノックダウン技術として利用されている。
RdDM
RNA指令型DNAメチル化 (RdDM) は、
植物で観察されるsiRNAによる翻訳型遺伝子サイレンシングであり、
広い意味でのRNAiに含める。
動物においてRdDMと同等の機能があるかについては不明。
RdDMはsiRNAと相同なDNA塩基配列のシトシン残基がメチル化される現象であり、
siRNAの元になるRNAが核内DNAの転写産物でもあっても外来RNAであってもこの現象は発生す。
イネへの遺伝子導入の実験においては、
導入した遺伝子のプロモーターをRdDMによって不活性化したところ、
同時にヒストンにおいてH3K9のジメチル化およびH3とH4の脱アセチル化が起きている
（いずれも発現抑制化の変化）。
RdDMによる遺伝子発現の不活性化は、
外来遺伝子がゲノムに侵入した場合にゲノム内移動を抑える防御作用を持つものと推定。
リボ核酸（RNA: Ribonucleic acid）リボースを糖成分とする核酸。
リボヌクレオチドが多数重合したもの、
一本鎖をなし、Aアデニン、Gグアニン、Cシトシン、Uウラシルの四種の核酸塩基を含む。
一般にDNAを鋳型として合成され、その遺伝情報の伝達やタンパク質の合成を行う。
シトシンは DNA にも同じ構造が見られるが、
DNAにおけるチミン (T) がRNAではウラシルに置き換わっており、相補的な塩基はアデニンとなる。
チミンとウラシルは共にピリミジン環を持つ非常に似た塩基である。
シトシンが化学分解されるとウラシルが生成されてしまうため、
DNAではウラシルの代わりにチミンが用いられるようになった。
これによりシトシンの分解により誤って生成してしまったウラシルを検出し、
修復することが可能になる利点が生じた。
ノンコーディングRNAは、タンパク質に翻訳されるmRNAに相対して付けられた、
「それ以外の」RNAの総称に過ぎず、
20ヌクレオチド程度の低分子量のものから
100 kbにも至るような様々なノンコーディングRNAが報告されている。
その分子量の違いから容易に推測されるように、
機能分子としてのノンコーディングRNAに共通点は見られず、従ってその生理機能も多様。
ノンコーディングRNAはしばしば機能性RNA（functional RNA）と言い表される、
一部のアンチセンスRNAでみられるように、
転写産物であるRNA分子それ自体には生物学的な機能がなく、
その遺伝子座で転写が起こることが重要である場合や、
そもそもノンコーディングRNA遺伝子そのものが生体にとって必要でない場合もみられるため、
厳密にはすべてのノンコーディングRNAが機能性RNAであるわけではない。
最も有名で量も多いノンコーディングRNAは、
翻訳過程で機能する転移RNA（tRNA）とリボソームRNA（rRNA）で、
それ以外にも、1980年代初期の低分子量核内RNAの発見や、
1990年代後期のマイクロRNAの発見など、
基本的な代謝から個体発生や細胞分化とう
様々な生命現象に関与するノンコーディングRNAが数多く見出されており、
ノンコーディングRNAは以前考えられたよりもはるかに重要な役割を有すると考えられる。
ヒトゲノム解読とトランスクプトーム解析により、
ヒトゲノムのわずか2％しかタンパク質をコードしていないことが判明。
ncRNAはこれまで転写、
RNAプロセッシング、RNA分解、翻訳など
遺伝子発現の様々な段階に影響を与えることが知られている。
ペンシルバニア大学のTracy L. Baleらは、
精子中のマイクロRNAの発現量が子に伝わり、父の獲得形質が子に受け継がれることを発表。
オスのマウスに過度なストレスを与え、そのマウスをメスのマウスと交配。
生まれたマウスに過度なストレスを与えたところ、ストレスに対する耐性が父マウスよりも高いと出た。
その原因としてマイクロRNAを挙げ 父マウスの精子中のマイクロRNAの発現量が増加していること、
このマイクロRNAが受精卵内のmRNAを破壊していること より、
父が獲得した形質がマイクロRNAを通し子に伝わることを示唆。
DNAとRNAの物理化学的性質；
DNAとRNAはともに紫外線である波長260nm付近に吸収極大を持ち、230nm付近に吸収極小を持つ。
この吸光度はタンパク質の280nmよりもずっと大きいが、
これはDNAとRNAがプリンまたはピリミジンを塩基として有するため。
2022年08月27日
Alchemy of Actor epigenetics 03
Alchemy of Actor epigenetics 03
ヒストン修飾
クロマチンはヒストンにDNAが巻き付いたヌクレオソーム構造を持つ複合体。
DNAがヒストンに巻き付いている状態が変われば、
クロマチンリモデリング（再構築・再構成）がおき、遺伝子発現もまた変化す。
ヒストンのメチル化は1964年に発見されたが、その生理的意義は長い間不明であった。
その後の研究によって数多くの化学修飾が発見され、
それら翻訳後修飾の役割は酵母・動物・植物で共通していることが多いことも判明。
ヒストン修飾はアミノ酸配列全体を通して発生するが、
ヒストンのN末端（ヒストンテール）が特に高頻度で修飾される。
これらの修飾には、アセチル化、メチル化、ユビキチン化、リン酸化 SUMO化が含まれる。
よく研究されている化学修飾 アセチル化
Exc,ヒストンアセチル基転移酵素 (HAT;histone acetyltransferase ) による
ヒストンH3テールのK9、K14のリジン アセチル化は、高い転写能力と相関す。
ヒストンのリジン残基は、(+)に荷電したN窒素原子を含むアミノ基を側鎖に持ち、
DNA骨格の(-)に帯電したリン酸基と結合しやすい。
リジン残基のアセチル化はアミノ基の(+)を中和し、
ヒストンとDNA間の相互作用を弱めることにより、転写因子がDNAに接近することを可能にす。
このように
ヒストン修飾がヌクレオソームの構造を変化させることによって転写に影響を与える説明:「シス」モデル。
ヒストン修飾による機能「トランス」モデル;
ヒストン修飾酵素が作用して他のタンパク質との結合部位を作り、
そのタンパク質がクロマチンに会合することによって転写を制御す。
Exc,トランスモデル概念は、H3K9メチル化により裏付けされている。
H3K9のメチル化は恒常的な転写不活性クロマチン（構造的ヘテロクロマチン）と関連付けられてきた。
メチル化されたH3K9は、
クロモドメイン（メチルリジン特異的結合ドメイン）を持つ転写抑制タンパク質HP1をリクルートする。
リジン残基メチリジン残基メチル化は、
修飾を受ける残基・同一残基が受けるメチル化状態（モノ, ジ, トリ）の種類が多く、
作用も転写の活性化と抑制の双方があり、他のヒストン修飾に比べて複雑。
H3K9メチル化とHP1の関係は、
ショウジョウバエの位置効果による斑入り (PEV) でのヘテロクロマチン領域の拡大とも関連している。
他方、H3K4のメチル化は
ユークロマチンでの遺伝子発現の活性化と関連し、複数の因子がH3K4トリメチル化を誘導する。
ヒストンリジンメチル基転移酵素 (KMT;lysine methyltransferase ) は、
ヒストンH3,H4に対してメチル化活性を担っている。
この酵素は
SETドメイン (Suppressor of variegation, Enhancer of zeste, Trithorax) と呼ばれる触媒活性部位を利用。
SETドメインは遺伝子活性の調整に関与する130アミノ酸配列。
SETはヒストンテールに結合し、ヒストンのメチル化を引き起こす。
ヒストンH3,H4は、
ヒストンリジン脱メチル化酵素 (KDM,lysine demethylase )によって脱メチル化されることも。
この酵素は十文字ドメイン (JmjC) と呼ばれる触媒活性部位を持っている。
十文字ドメインが複数の補因子を使ってメチル基をヒドロキシル化して除去したとき、
脱メチル化が起きる。
十文字ドメインは、メチル基を1-3個持つ基質を脱メチル化することが可能。
ヒストンコード
複数,動的なヒストンの化学修飾による遺伝子制御の概念,仮説
この仮説は、
「ヒストン化学修飾の特定の組み合わせが、あたかも暗号（コード）のように働くことにより、
多種多様な反応を誘導してクロマチン機能を制御する」という。
個別のヒストン修飾の影響が明らかになってきている一方で、
複数の修飾が協調的あるいは対立的な影響を持ちながら共存する例や、
同一の修飾が存在する条件によって異なる影響をもたらす例が知られている。
このことから、
数種類のヒストン修飾に制御されるエピジェネティックな過程の複雑さを理解するには、
ヒストンコード仮説が有効であると考える。
クロマチンリモデリング
クロマチンリモデリングは、DNAとヒストンの間の位置関係が変化すること、
およびそれによって遺伝子発現が促進あるいは抑制されること。
ヒストン修飾とATP依存リモデリング因子（SWI/SNFなど）によるクロマチンの変化を指す。
神経系細胞分化におけるヒストン修飾の役割
哺乳類 中枢神経系は、発生段階に共通の神経幹細胞から分化・産生される
ニューロン、アストロサイト、オリゴデンドロサイトにより構成され、
精妙な相互作用で高度な神経活動が維持される
マウスでは細胞の増殖や神経管形成、心臓の発達が起こらずに胎生致死
神経系遺伝子のプローター領域のヒストンのアセチル化増進を介して神経発生を制御し
マウスでは胎生期の神経発生異常に起因するとする疾病を引き起こす
成体ラット海馬由来の神経幹細胞にニューロン分化促進 中枢神経障害疾患に作用
ヒストンのメチル化やメチル化酵素、脱メチル化酵素の働きが脳機能や多くの精神疾患に関与
ヒストン修飾は脳の発達や機能にさまざまな役割を果たしており、脳において重要な機構。
H3K9のメチル化酵素；
成熟ニューロンにおいて非神経性遺伝子やニューロン前駆遺伝子の働きを抑制し、
この複合体の欠損は、学習や意欲、環境への適応などの脳の高次機能に影響を与える
H3K4のメチル化酵素,変異マウスでは海馬の可塑性やシグナルの異常に伴い、
学習能力と記憶形成能の低下がみられる
H3K27のメチル化は、うつ様行動の発生に関与。
マウスに社会的ストレスを繰り返し与えることにより
ヒトのうつ患者と同様な行動や神経化学的変化を引き起こす。
うつモデルマウスでは海馬の脳由来神経栄養因子遺伝子
（brain-derived neurotrophic factor：BDNF）プロモーターでのH3K27のメチル化が増加
これはうつモデルマウスがストレスのない環境へ移されたとしても持続する。
と たのしい演劇の日々
ヒストン修飾
クロマチンはヒストンにDNAが巻き付いたヌクレオソーム構造を持つ複合体。
DNAがヒストンに巻き付いている状態が変われば、
クロマチンリモデリング（再構築・再構成）がおき、遺伝子発現もまた変化す。
ヒストンのメチル化は1964年に発見されたが、その生理的意義は長い間不明であった。
その後の研究によって数多くの化学修飾が発見され、
それら翻訳後修飾の役割は酵母・動物・植物で共通していることが多いことも判明。
ヒストン修飾はアミノ酸配列全体を通して発生するが、
ヒストンのN末端（ヒストンテール）が特に高頻度で修飾される。
これらの修飾には、アセチル化、メチル化、ユビキチン化、リン酸化 SUMO化が含まれる。
よく研究されている化学修飾 アセチル化
Exc,ヒストンアセチル基転移酵素 (HAT;histone acetyltransferase ) による
ヒストンH3テールのK9、K14のリジン アセチル化は、高い転写能力と相関す。
ヒストンのリジン残基は、(+)に荷電したN窒素原子を含むアミノ基を側鎖に持ち、
DNA骨格の(-)に帯電したリン酸基と結合しやすい。
リジン残基のアセチル化はアミノ基の(+)を中和し、
ヒストンとDNA間の相互作用を弱めることにより、転写因子がDNAに接近することを可能にす。
このように
ヒストン修飾がヌクレオソームの構造を変化させることによって転写に影響を与える説明:「シス」モデル。
ヒストン修飾による機能「トランス」モデル;
ヒストン修飾酵素が作用して他のタンパク質との結合部位を作り、
そのタンパク質がクロマチンに会合することによって転写を制御す。
Exc,トランスモデル概念は、H3K9メチル化により裏付けされている。
H3K9のメチル化は恒常的な転写不活性クロマチン（構造的ヘテロクロマチン）と関連付けられてきた。
メチル化されたH3K9は、
クロモドメイン（メチルリジン特異的結合ドメイン）を持つ転写抑制タンパク質HP1をリクルートする。
リジン残基メチリジン残基メチル化は、
修飾を受ける残基・同一残基が受けるメチル化状態（モノ, ジ, トリ）の種類が多く、
作用も転写の活性化と抑制の双方があり、他のヒストン修飾に比べて複雑。
H3K9メチル化とHP1の関係は、
ショウジョウバエの位置効果による斑入り (PEV) でのヘテロクロマチン領域の拡大とも関連している。
他方、H3K4のメチル化は
ユークロマチンでの遺伝子発現の活性化と関連し、複数の因子がH3K4トリメチル化を誘導する。
ヒストンリジンメチル基転移酵素 (KMT;lysine methyltransferase ) は、
ヒストンH3,H4に対してメチル化活性を担っている。
この酵素は
SETドメイン (Suppressor of variegation, Enhancer of zeste, Trithorax) と呼ばれる触媒活性部位を利用。
SETドメインは遺伝子活性の調整に関与する130アミノ酸配列。
SETはヒストンテールに結合し、ヒストンのメチル化を引き起こす。
ヒストンH3,H4は、
ヒストンリジン脱メチル化酵素 (KDM,lysine demethylase )によって脱メチル化されることも。
この酵素は十文字ドメイン (JmjC) と呼ばれる触媒活性部位を持っている。
十文字ドメインが複数の補因子を使ってメチル基をヒドロキシル化して除去したとき、
脱メチル化が起きる。
十文字ドメインは、メチル基を1-3個持つ基質を脱メチル化することが可能。
ヒストンコード
複数,動的なヒストンの化学修飾による遺伝子制御の概念,仮説
この仮説は、
「ヒストン化学修飾の特定の組み合わせが、あたかも暗号（コード）のように働くことにより、
多種多様な反応を誘導してクロマチン機能を制御する」という。
個別のヒストン修飾の影響が明らかになってきている一方で、
複数の修飾が協調的あるいは対立的な影響を持ちながら共存する例や、
同一の修飾が存在する条件によって異なる影響をもたらす例が知られている。
このことから、
数種類のヒストン修飾に制御されるエピジェネティックな過程の複雑さを理解するには、
ヒストンコード仮説が有効であると考える。
クロマチンリモデリング
クロマチンリモデリングは、DNAとヒストンの間の位置関係が変化すること、
およびそれによって遺伝子発現が促進あるいは抑制されること。
ヒストン修飾とATP依存リモデリング因子（SWI/SNFなど）によるクロマチンの変化を指す。
神経系細胞分化におけるヒストン修飾の役割
哺乳類 中枢神経系は、発生段階に共通の神経幹細胞から分化・産生される
ニューロン、アストロサイト、オリゴデンドロサイトにより構成され、
精妙な相互作用で高度な神経活動が維持される
マウスでは細胞の増殖や神経管形成、心臓の発達が起こらずに胎生致死
神経系遺伝子のプローター領域のヒストンのアセチル化増進を介して神経発生を制御し
マウスでは胎生期の神経発生異常に起因するとする疾病を引き起こす
成体ラット海馬由来の神経幹細胞にニューロン分化促進 中枢神経障害疾患に作用
ヒストンのメチル化やメチル化酵素、脱メチル化酵素の働きが脳機能や多くの精神疾患に関与
ヒストン修飾は脳の発達や機能にさまざまな役割を果たしており、脳において重要な機構。
H3K9のメチル化酵素；
成熟ニューロンにおいて非神経性遺伝子やニューロン前駆遺伝子の働きを抑制し、
この複合体の欠損は、学習や意欲、環境への適応などの脳の高次機能に影響を与える
H3K4のメチル化酵素,変異マウスでは海馬の可塑性やシグナルの異常に伴い、
学習能力と記憶形成能の低下がみられる
H3K27のメチル化は、うつ様行動の発生に関与。
マウスに社会的ストレスを繰り返し与えることにより
ヒトのうつ患者と同様な行動や神経化学的変化を引き起こす。
うつモデルマウスでは海馬の脳由来神経栄養因子遺伝子
（brain-derived neurotrophic factor：BDNF）プロモーターでのH3K27のメチル化が増加
これはうつモデルマウスがストレスのない環境へ移されたとしても持続する。
と たのしい演劇の日々
2022年08月25日
Alchemy of Actor epigenetics 02
Alchemy of Actor epigenetics02
DNAメチル化methylated cytosine
DNA中の塩基の炭素原子にメチル基修飾が付加される化学反応。
真核生物から原核生物、ウイルスに到るまで、生物に広く見られる。
特に真核生物の場合、CpG アイランド部分などのゲノム領域でよく見られ、
エピジェネティクスに深く関わり複雑な生物の体を正確に形づくるために必須の仕組み
DNAメチル化は、
cシトシンのピリミジン環の5位炭素原子 アデニンのプリン環の6位窒素原子への
メチル基の付加反応である（シトシンとアデニンはDNAを構成する4種の塩基のうちの2種）。
この修飾は細胞分裂を経ても受け継がれる。
通常DNAメチル化は、接合体形成の間に除去され、発生の間に続く細胞分裂を介して再建される。
しかし、最近、接合子では
メチル基の完全な除去よりも メチル基のヒドロキシル化が起こっていることが示されている。
DNAメチル化は高等生物において正常な発生と細胞の分化において極めて重要な役割を担っている。
DNAメチル化は、
細胞が「自分がどこにいるのか」を記憶できるように安定的に遺伝子発現パターンを変化させたり、
遺伝子発現を減少させたりする
exs, 胚発生の間に膵臓ランゲルハンス島となるようにプログラムされた細胞は、
ランゲルハンス島であるようにシグナルを受け続けなくても、
生物の一生に渡って膵臓ランゲルハンス島であり続ける。
DNAメチル化は
時間と共に宿主のゲノムに取り込まれたウイルスやその他の有害な要素の遺伝子の発現を抑制する。
DNAメチル化は、クロマチン構造の基礎を形作る。
これにり、細胞は単一不変のDNA配列から多細胞生物に必要な無数の特徴を形成することができる。
DNAメチル化は、ほとんど全ての種類のがんの発達において極めて重要な役割を果たしている
DNAメチル化は、DNAへのメチル基の付加を伴う − 例えば、シトシンのピリミジン環5位炭素原子 −
この場合、遺伝子発現の減少という特異的効果がある。
シトシンの5位のメチル化は、調べられた全ての脊椎動物で発見されている。
成体の体細胞組織では、
DNAメチル化は通常CpGジヌクレオチド部位（シトシン-ホスホジエステル結合-グアニン）で起こる。
非CpGメチル化は、胚性幹細胞で広く行き渡っている
哺乳類のDNAメチル化は、
連続するcシトシン残基と gグアニン残基
(隣接するCとGはホスホジエステル結合によってつながれており、
二重らせんの相補鎖において、水素結合により対合するC G と区別するため、リン酸を表す"p"を用い、
CpGと示す)
中のシトシン残基において見られる。
シトシン残基のピリミジン環5位の炭素に
DNAメチルトランスフェラーゼ (DNMT; DNMT1, DNMT3A, DNMT3B)によってメチル基が付加され、
5-メチルシトシンが生成される。
ゲノム中CpGが豊富に含まれる領域CpG island、遺伝子のプロモーター領域に多く認められる。
ゲノム中のCpG配列の約60〜70％はメチル化されているが、CpG island中のCpGは一般的に低メチル化状態。
DNAメチル化状態は細胞分裂後も受け継がれる。
DNA複製後、維持メチラーゼDNMT1がヘミメチル化状態のDNA
(メチル化された親DNAとまだメチル化されていない娘DNAの二重鎖)を認識し、
娘DNA鎖に相補的にメチル基を付加する
発生過程では、受精直後に維持メチラーゼ活性が抑制されたり
脱メチル化が生じたりすることによって、ゲノム全体で脱メチル化がおこる。
メチル化されてないDNAの最初のメチル化は、
新規修飾DNAメチラーゼ (de novo DNA methyltransferase; DNMT3AやDNMT3B)によっておこり、
新たにDNAメチル化状態のプロフィールが形成される
と たのしい演劇の日々
DNAメチル化methylated cytosine
DNA中の塩基の炭素原子にメチル基修飾が付加される化学反応。
真核生物から原核生物、ウイルスに到るまで、生物に広く見られる。
特に真核生物の場合、CpG アイランド部分などのゲノム領域でよく見られ、
エピジェネティクスに深く関わり複雑な生物の体を正確に形づくるために必須の仕組み
DNAメチル化は、
cシトシンのピリミジン環の5位炭素原子 アデニンのプリン環の6位窒素原子への
メチル基の付加反応である（シトシンとアデニンはDNAを構成する4種の塩基のうちの2種）。
この修飾は細胞分裂を経ても受け継がれる。
通常DNAメチル化は、接合体形成の間に除去され、発生の間に続く細胞分裂を介して再建される。
しかし、最近、接合子では
メチル基の完全な除去よりも メチル基のヒドロキシル化が起こっていることが示されている。
DNAメチル化は高等生物において正常な発生と細胞の分化において極めて重要な役割を担っている。
DNAメチル化は、
細胞が「自分がどこにいるのか」を記憶できるように安定的に遺伝子発現パターンを変化させたり、
遺伝子発現を減少させたりする
exs, 胚発生の間に膵臓ランゲルハンス島となるようにプログラムされた細胞は、
ランゲルハンス島であるようにシグナルを受け続けなくても、
生物の一生に渡って膵臓ランゲルハンス島であり続ける。
DNAメチル化は
時間と共に宿主のゲノムに取り込まれたウイルスやその他の有害な要素の遺伝子の発現を抑制する。
DNAメチル化は、クロマチン構造の基礎を形作る。
これにり、細胞は単一不変のDNA配列から多細胞生物に必要な無数の特徴を形成することができる。
DNAメチル化は、ほとんど全ての種類のがんの発達において極めて重要な役割を果たしている
DNAメチル化は、DNAへのメチル基の付加を伴う − 例えば、シトシンのピリミジン環5位炭素原子 −
この場合、遺伝子発現の減少という特異的効果がある。
シトシンの5位のメチル化は、調べられた全ての脊椎動物で発見されている。
成体の体細胞組織では、
DNAメチル化は通常CpGジヌクレオチド部位（シトシン-ホスホジエステル結合-グアニン）で起こる。
非CpGメチル化は、胚性幹細胞で広く行き渡っている
哺乳類のDNAメチル化は、
連続するcシトシン残基と gグアニン残基
(隣接するCとGはホスホジエステル結合によってつながれており、
二重らせんの相補鎖において、水素結合により対合するC G と区別するため、リン酸を表す"p"を用い、
CpGと示す)
中のシトシン残基において見られる。
シトシン残基のピリミジン環5位の炭素に
DNAメチルトランスフェラーゼ (DNMT; DNMT1, DNMT3A, DNMT3B)によってメチル基が付加され、
5-メチルシトシンが生成される。
ゲノム中CpGが豊富に含まれる領域CpG island、遺伝子のプロモーター領域に多く認められる。
ゲノム中のCpG配列の約60〜70％はメチル化されているが、CpG island中のCpGは一般的に低メチル化状態。
DNAメチル化状態は細胞分裂後も受け継がれる。
DNA複製後、維持メチラーゼDNMT1がヘミメチル化状態のDNA
(メチル化された親DNAとまだメチル化されていない娘DNAの二重鎖)を認識し、
娘DNA鎖に相補的にメチル基を付加する
発生過程では、受精直後に維持メチラーゼ活性が抑制されたり
脱メチル化が生じたりすることによって、ゲノム全体で脱メチル化がおこる。
メチル化されてないDNAの最初のメチル化は、
新規修飾DNAメチラーゼ (de novo DNA methyltransferase; DNMT3AやDNMT3B)によっておこり、
新たにDNAメチル化状態のプロフィールが形成される
と たのしい演劇の日々
2022年08月24日
Alchemy of Actor epigenetics01
Alchemy of Actor epigenetics01
具体的なエピジェネティック過程
エピジェネティクスは、
DNAメチル化 と ヒストンの化学的修飾の重要性が解説されるが、
多くの生物で RNA干渉 などの 非翻訳性RNA による制御も知られており、
ヒストンバリアント（変異体）の関与 や
クロマチンモデリング因子などのヒストン以外のタンパク質の関与も知られている。
DNAメチル化・ヒストン修飾・非翻訳性RNAはそれぞれ別の事象として発見されたが、
これら3種類の事象が互いに連携しあって
クロマチン構造の変化・遺伝子発現制御 に関わる例も多く、その典型として X染色体不活化 がある。
エピジェネティックな遺伝子発現の制御は 促進と抑制 に大別される
抑制は
遺伝子サイレンシングとほぼ同じ。
遺伝子サイレンシングは、さらに転写型遺伝子サイレンシング (transcriptional gene silencing) と
転写後遺伝子サイレンシング (post-transcriptional gene silencing) に分けられる。
DNAメチル化は 転写抑制（脱メチル化は転写促進）
ヒストンの化学的修飾を中心としたクロマチン構造の変化は 転写促進と転写型遺伝子サイレンシングに、
非翻訳性RNAによる制御は 転写型遺伝子サイレンシング 転写後遺伝子サイレンシング と関係す。
分子レベルの機能
DNAメチル化;
DNAメチル化 脱メチル化により、塩基配列情報自体には変化なく遺伝子発現のオン/オフが切り替わる
ヒストンの化学的修飾 ;
メチル化・アセチル化・リン酸化などの修飾によりヌクレオソーム中のヒストンに物理化学的な変化がおき、遺伝子発現に直接的（シス型） 間接的（トランス型）に影響す
非翻訳性RNAによる制御
細胞機能に影響する変化
細胞記憶;
細胞自体が経歴・位置に依存した遺伝子発現状態を維持している
X染色体の不活性化;
哺乳類では性染色体 X染色体の本数が雌雄で異なるため（雌2本・雄1本）、
1本のX染色体の活性を残して他のX染色体の遺伝子発現を抑制する
ゲノムインプリンティング;
哺乳類などの配偶子で雄雌それぞれ特異的なDNAメチル化がなされ、
受精後の個体で父性・母性の遺伝子の使い分けがなされる
リプログラミング;
細胞（細胞核）の記憶を初期化する
（分化能を狭められた体細胞が分化能を再獲得するために必要な過程）
その他（より広範囲な現象・より限定された現象）
遺伝子サイレンシング;
転写レベル 翻訳レベルで 遺伝子発現を抑制・中断する
位置効果;
遺伝子が存在する位置の上流域の構造が与える発現抑制 発現活性化の効果
催奇形物質の影響;
催奇性物質の中にはDNA塩基配列自体の変異ではなく、エピジェネティック効果で異常をもたらすものがある
発がん過程;
発がんには複数の遺伝子の変異が必要、その内 ピジェネティックな発現制御が異常化した遺伝子
プリオン；
出芽酵母には突然変異発生を制御するプリオンが存在す
パラ変異；
ある対立遺伝子がヘテロ状態のときに、同じ遺伝子座の対立遺伝子の発現を変えてしまう。
発現が変わった対立遺伝子は、その状態のまま数世代に渡って遺伝しえる
と たのしい演劇の日々
具体的なエピジェネティック過程
エピジェネティクスは、
DNAメチル化 と ヒストンの化学的修飾の重要性が解説されるが、
多くの生物で RNA干渉 などの 非翻訳性RNA による制御も知られており、
ヒストンバリアント（変異体）の関与 や
クロマチンモデリング因子などのヒストン以外のタンパク質の関与も知られている。
DNAメチル化・ヒストン修飾・非翻訳性RNAはそれぞれ別の事象として発見されたが、
これら3種類の事象が互いに連携しあって
クロマチン構造の変化・遺伝子発現制御 に関わる例も多く、その典型として X染色体不活化 がある。
エピジェネティックな遺伝子発現の制御は 促進と抑制 に大別される
抑制は
遺伝子サイレンシングとほぼ同じ。
遺伝子サイレンシングは、さらに転写型遺伝子サイレンシング (transcriptional gene silencing) と
転写後遺伝子サイレンシング (post-transcriptional gene silencing) に分けられる。
DNAメチル化は 転写抑制（脱メチル化は転写促進）
ヒストンの化学的修飾を中心としたクロマチン構造の変化は 転写促進と転写型遺伝子サイレンシングに、
非翻訳性RNAによる制御は 転写型遺伝子サイレンシング 転写後遺伝子サイレンシング と関係す。
分子レベルの機能
DNAメチル化;
DNAメチル化 脱メチル化により、塩基配列情報自体には変化なく遺伝子発現のオン/オフが切り替わる
ヒストンの化学的修飾 ;
メチル化・アセチル化・リン酸化などの修飾によりヌクレオソーム中のヒストンに物理化学的な変化がおき、遺伝子発現に直接的（シス型） 間接的（トランス型）に影響す
非翻訳性RNAによる制御
細胞機能に影響する変化
細胞記憶;
細胞自体が経歴・位置に依存した遺伝子発現状態を維持している
X染色体の不活性化;
哺乳類では性染色体 X染色体の本数が雌雄で異なるため（雌2本・雄1本）、
1本のX染色体の活性を残して他のX染色体の遺伝子発現を抑制する
ゲノムインプリンティング;
哺乳類などの配偶子で雄雌それぞれ特異的なDNAメチル化がなされ、
受精後の個体で父性・母性の遺伝子の使い分けがなされる
リプログラミング;
細胞（細胞核）の記憶を初期化する
（分化能を狭められた体細胞が分化能を再獲得するために必要な過程）
その他（より広範囲な現象・より限定された現象）
遺伝子サイレンシング;
転写レベル 翻訳レベルで 遺伝子発現を抑制・中断する
位置効果;
遺伝子が存在する位置の上流域の構造が与える発現抑制 発現活性化の効果
催奇形物質の影響;
催奇性物質の中にはDNA塩基配列自体の変異ではなく、エピジェネティック効果で異常をもたらすものがある
発がん過程;
発がんには複数の遺伝子の変異が必要、その内 ピジェネティックな発現制御が異常化した遺伝子
プリオン；
出芽酵母には突然変異発生を制御するプリオンが存在す
パラ変異；
ある対立遺伝子がヘテロ状態のときに、同じ遺伝子座の対立遺伝子の発現を変えてしまう。
発現が変わった対立遺伝子は、その状態のまま数世代に渡って遺伝しえる
と たのしい演劇の日々
2022年08月14日
Alchemy of Actor エピジェネティクスEpigenetics 00
Alchemy of Actor, Epigenetics00
「活動状態変化を記録し、伝え、永続させるような、染色体領域の構造的な順応」
Conrad Hal Waddington (1905 – 26 1975)
エピジェネティクスとは「遺伝物質からはじまり最終的な生物を形づくるすべての制御された過程」
「遺伝子が表現型を作るために周辺環境とどのように相互作用するのか」と表現
脳科学とエピジェネティクス
神経活動との関連
初代培養神経細胞へKCl投与し脱分極を誘導すると、
Bdnf遺伝子のプロモーターIV領域のCpGが脱メチル化される。
脱メチル化に伴いMeCP2が解離しプロモーターIVからの転写量上昇が認められる。
神経細胞における長期増強(LTP)の誘導は
、神経伝達に関わる遺伝子のプロモーター領域におけるヒストンH3およびH4のアセチル化と関連す
脳部位 細胞種類との関連
脳内の部位により、DNAメチル化状態が異なる。
脳の特徴は、種々の神経細胞やグリア細胞が混在した組織である。
神経細胞と非神経細胞では、DNAメチル化状態に違いが見られ そのため、
脳のDNAのメチル化を調べた場合、
その変化は細胞種の変化の反映か、特定の細胞におけるDNAメチル化変化の反映か 区別がつかない
脳神経系細胞内シトシン修飾状態と機能
メチルシトシンが
ten-eleven translocation (TET)タンパク質によって酸化された
ヒドロキシメチルシトシン (5-hydroxymethylcytosine; 5-hmc)が
脳神経系細胞に豊富に含まれる。
TET存在下で
カルボキシルシトシン（5-carboxylcytosine; 5-cac）
、フォルミルシトシン (5-formylcytosine; 5-fc) が生成される。
これら多様なシトシン修飾は
、分裂しない神経細胞における 脱メチル化過程の中間産物であろう。
盛んに分裂する細胞では、
維持メチラーゼの活性が抑制され
、メチル化されていない細胞が増加することによる脱メチル化passive demethylation
に対し、5-hmcを介したシトシンへの脱メチル化active demethylation、は哺乳類では確認されていなかった。
現在提唱されているモデルでは、
5-fcから5-cacに変換された後、未同定のcarboxylaseによって再びシトシンに変換されるか
、5-fc／5-cacがactivation-induced cytidine deaminase (AID)や
apolipoprotein B mRNA editing enzyme catalytic polypeptide (APOBEC)の作用により
チミンに変換され
、thymine-DNA glycosylase (TDG)や
他のDNA修復関連酵素群による塩基除去修復系によって シトシンに戻るモデルが提案されている。
、近年MeCP2が5-hmcに結合することが明らかにされ
また、5-hmc結合タンパク質のスクリーニングも進み
脱メチル化過程の中間産物以外の機能を持つことを示唆す。
と たのしい演劇の日々
「活動状態変化を記録し、伝え、永続させるような、染色体領域の構造的な順応」
Conrad Hal Waddington (1905 – 26 1975)
エピジェネティクスとは「遺伝物質からはじまり最終的な生物を形づくるすべての制御された過程」
「遺伝子が表現型を作るために周辺環境とどのように相互作用するのか」と表現
脳科学とエピジェネティクス
神経活動との関連
初代培養神経細胞へKCl投与し脱分極を誘導すると、
Bdnf遺伝子のプロモーターIV領域のCpGが脱メチル化される。
脱メチル化に伴いMeCP2が解離しプロモーターIVからの転写量上昇が認められる。
神経細胞における長期増強(LTP)の誘導は
、神経伝達に関わる遺伝子のプロモーター領域におけるヒストンH3およびH4のアセチル化と関連す
脳部位 細胞種類との関連
脳内の部位により、DNAメチル化状態が異なる。
脳の特徴は、種々の神経細胞やグリア細胞が混在した組織である。
神経細胞と非神経細胞では、DNAメチル化状態に違いが見られ そのため、
脳のDNAのメチル化を調べた場合、
その変化は細胞種の変化の反映か、特定の細胞におけるDNAメチル化変化の反映か 区別がつかない
脳神経系細胞内シトシン修飾状態と機能
メチルシトシンが
ten-eleven translocation (TET)タンパク質によって酸化された
ヒドロキシメチルシトシン (5-hydroxymethylcytosine; 5-hmc)が
脳神経系細胞に豊富に含まれる。
TET存在下で
カルボキシルシトシン（5-carboxylcytosine; 5-cac）
、フォルミルシトシン (5-formylcytosine; 5-fc) が生成される。
これら多様なシトシン修飾は
、分裂しない神経細胞における 脱メチル化過程の中間産物であろう。
盛んに分裂する細胞では、
維持メチラーゼの活性が抑制され
、メチル化されていない細胞が増加することによる脱メチル化passive demethylation
に対し、5-hmcを介したシトシンへの脱メチル化active demethylation、は哺乳類では確認されていなかった。
現在提唱されているモデルでは、
5-fcから5-cacに変換された後、未同定のcarboxylaseによって再びシトシンに変換されるか
、5-fc／5-cacがactivation-induced cytidine deaminase (AID)や
apolipoprotein B mRNA editing enzyme catalytic polypeptide (APOBEC)の作用により
チミンに変換され
、thymine-DNA glycosylase (TDG)や
他のDNA修復関連酵素群による塩基除去修復系によって シトシンに戻るモデルが提案されている。
、近年MeCP2が5-hmcに結合することが明らかにされ
また、5-hmc結合タンパク質のスクリーニングも進み
脱メチル化過程の中間産物以外の機能を持つことを示唆す。
と たのしい演劇の日々