二価（遺伝学）

細胞生物学では、二価染色体は四分体中の1対の染色体（相同染色体）である。四分体 とは、少なくとも1つのDNA交差によって物理的に結合した一対の相同染色体（4つの姉妹染色分体）の結合体である。この物理的結合により、第1減数分裂における相同染色体の整列と分離が可能になる。ほとんどの生物では、複製された各染色体（2つの同一の姉妹染色分体で構成）は、レプトテン期にDNA二重鎖切断の形成を誘発する。これらの切断は、相同染色体を修復のテンプレートとして使用する相同組み換えによって修復される。シナプトネマ複合体と総称される多数のタンパク質の支援による相同標的の探索により、減数分裂Iのレプトテン期とパキテン期の間に、2つの相同体が対になる。

二価染色体の形成は、減数分裂の最初の分裂中（減数分裂前期 1 の接合子期）に起こる。ほとんどの生物では、複製された各染色体（2 つの同一の姉妹染色分体^{[1] [2]}で構成）は、レプトテン期に DNA 二重鎖切断の形成を誘発する。^{[3]これらの切断は、相同染色体を修復のテンプレートとして使用する}相同組み換えによって修復される。シナプトネマ複合体と総称される多数のタンパク質の助けを借りて相同標的が検索され、減数分裂 I のレプトテン期とパキテン期の間に 2 つの相同体が対になる。^[4] DNA 組み換え中間体が交差に解決されると、キアズマ（複数形：キアズマタ）と呼ばれる部位で 2 つの相同染色体間で DNA セグメントが交換される。この物理的な鎖交換と各染色体に沿った姉妹染色分体間の凝集により、ディプロテン期における相同体の堅牢な対合が保証されます。顕微鏡で見える構造は、二価と呼ばれます。^[5] DNA組み換え中間体をクロスオーバーに解決すると、キアズマ（複数形：キアズマ）と呼ばれる部位で2つの相同染色体間でDNAセグメントが交換されます。この物理的な鎖交換と各染色体に沿った姉妹染色分体間の凝集により、ディプロテン期における相同体の堅牢な対合が保証されます。顕微鏡で見える構造は、二価と呼ばれます。複雑な分子機構は、あらゆる細胞における遺伝子発現制御の中核です。生物の発生の初期段階では、多様な転写プログラムの協調的な活性化が重要であり、あらゆる器官や組織を形成するために注意深く実行されなければなりません。二価のプロモーターとポイズドエンハンサーは、正と負の両方の転写結果に関連するヒストンマークで装飾された制御領域です。最後に、二価性と癌との潜在的な関連性を強調し、これが疾患の病因と治療に関する生物医学研究を推進する可能性があると指摘します。

1つの遺伝子の情報は、この多様性の主なプログラムを達成するために、細胞の種類の実行方法において異なる必要があります。クロマチンは指示のキャリアであり、ヒストンに囲まれたDNAは、これが基本単位であることがわかるヌクレオソームの影響を示しています。パックされた情報は、物理的な障壁のヌクレオソームの調節に関する情報を提供し、クロマチンリモデラー部分に影響を与えます。ヒストン粒子のN末端部分、ヒストンテール、共有結合翻訳後修飾、および[PCG]と[TRXG]のエピジェネティクスも作成します。ショウジョウバエの形質転換からグループに引き起こされたこれらの突然変異は、明確な情報を示しています。

二価染色体は、少なくとも 1 つのキアズマと呼ばれる部位で DNA 鎖が交換された、複製された相同染色体 2 本の結合体です。各二価染色体には最低 1 つのキアズマが含まれ、3 つを超えることはめったにありません。この限られた数 (開始された DNA 切断の数よりはるかに少ない) は、クロスオーバー干渉によるものです。これは、すでに存在している別のクロスオーバー結果の近くで修復イベントをクロスオーバーに解決する回数を制限する、あまり理解されていない現象です。これにより、相同染色体ペアあたりのクロスオーバーの総数が制限されます。^[4]二価遺伝子は、この種の同じ領域で H3K4me3 と H3K27me3 の両方のエピジェネティック修飾でマークされた遺伝子であり、胚性幹 (ES) 細胞の多能性に関連して極めて重要な役割を果たすことが提案されています。H3K27me3 と H3K4me3 の両方のヒストン修飾でマークされた二価プ​​ロモーターは、胚性幹 (ES) 細胞のポーズドプロモーターの特徴です。ポーズプロモーターモデルは、ES 細胞の二価クロマチンが分化時に一価に分解されると仮定しています。単一細胞 RNA シーケンス (scRNA-seq) データが利用できるようになったことで、二価プロモーターでの転写状態のその後の切り替えをより詳細に研究できるようになりました。

減数分裂中期 I では、細胞骨格が各相同染色体を反対方向に引っ張ることで二価染色体に張力をかけます (力が各染色分体に及ぼされる有糸分裂とは逆)。細胞骨格の染色体への固定は、動原体と呼ばれるタンパク質複合体によってセントロメアで行われます。この張力により、二価染色体が細胞の中心に整列し、キアズマと姉妹染色分体の遠位の凝集がアンカー ポイントとなって、構造全体に及ぼされる力を維持します。驚くべきことに、ヒトの女性の一次卵母細胞は数十年にわたってこの張力状態を維持しており (胚発生中の中期 I での卵母細胞の確立から、成人期の排卵イベントによって減数分裂が再開されるまで)、二価染色体をまとめるキアズマと凝集の堅牢性が強調されています。細胞転写は発生遺伝子を制御します。scRNA-seqデータから「バイモーダル」遺伝子発現パターンを検出することにより、転写スイッチングを受けている遺伝子を捕捉するアプローチを開発しました。ES細胞分化におけるバイモーダル遺伝子の特定をクロマチン状態の分析と統合し、バイモーダルで二価の遺伝子の明確な細胞状態依存パターンを特定します。バイモーダル遺伝子の2値化を使用して、分数ON/OFF比率から差次的に発現する遺伝子を特定できることを示します。分化細胞の時系列データでは、疑似時間近似を構築し、隠れマルコフモデルを使用して遺伝子活動のスイッチング疑似時間を推測し、これを使用して制御ネットワークを推測します。分化中のスイッチング経路、それらの経路の新しい詳細、および下流のターゲットとの転写因子の調整を特定します。

結論: 従来の scRNA 分析では情報として役に立たないほど発現レベルが低い遺伝子を使用して、転写活性をクロマチン状態に結び付ける転写スイッチング ネットワークを推測できます。クロマチン状態とある種の分析を使用して、バイモーダルでバイバレントな遺伝子の明確な細胞状態依存パターンを特定します。バイモーダル遺伝子の 2 値化を使用して、分数 ON/OFF 比率から差次的に発現する遺伝子を特定できることを示します。分化細胞の時系列データでは、疑似時間近似値を構築し、隠れマルコフ モデルを使用して遺伝子活性スイッチング疑似時間を推測し、これを使用して制御ネットワークを推測します。分化中のスイッチング経路、それらの経路の新しい詳細、および下流ターゲットとの転写因子の調整を特定します。これにより、scRNA-seq データから制御ネットワークを推測する新しい生産的な手段が提供されます。

キーワード: 二峰性、二価性、クロマチン状態、胚性幹細胞、ゲノム制御ネットワーク、隠れマルコフモデル、疑似時間、scRNA-seq。

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