セルラーメモリモジュール

細胞記憶モジュールは、一連の細胞分裂と発達過程を経ても細胞が本来のアイデンティティを維持することを可能にするエピジェネティック遺伝の一形態である。細胞記憶モジュールは、転写記憶を通じてこれらの保存された特性を転移した環境に実装する。^{[1]細胞記憶モジュールは主に}ショウジョウバエに見られる。

細胞記憶モジュールは、 1961年にパリのパスツール研究所でフランソワ・ジャコブとジャック・モノによって発見されました。この発見により、ジャコブとモノは、アンドレ・ルヴォフとともに、酵素とウイルス合成の遺伝子制御に関する発見により、1965年にノーベル生理学・医学賞を受賞しました。これらの実験結果は、自己調節プロセスが遺伝子を発現または抑制する複雑なプロセスをマッピングしました。モノとジャコブは、タンパク質の構築中に遺伝情報の変換がRNAを示すメッセンジャーを介して行われることを証明しました。^[2]ルヴォフはノーベル賞を受賞した実験に協力しましたが、細胞記憶モジュールの発見につながった一連の実験には携わっていなかったため、その発見は彼の功績として認められていません。

細胞記憶モジュールは、遺伝子が転写を受けるという同じ一般的なプロセスをたどり、これらの遺伝子は未知の環境に移され、その後、これらの遺伝子は転写記憶によって保存された元の特徴に戻ります。細胞記憶モジュールは、単なるDNA配列であるポリコーム応答要素とトリソラックス応答要素を使用して、ポリコームグループ（PcG）タンパク質とトリソラックスグループ（trxG）タンパク質の抑制されたクロマチン状態と活性なクロマチン状態を保存します。 ^[3]転写は、PcGタンパク質とtrxGタンパク質によって制御される染色体記憶要素のエピジェネティックマークをリセットおよび変更します。 ^{[4] PcG遺伝子は}Hox遺伝子の発生中にサイレント発現状態を維持し、trxGタンパク質はHox遺伝子の発現パターンを維持します。PcGタンパク質はポリコーム応答要素（PRE）に結合して標的遺伝子を抑制し、転写活性化因子を排除して遺伝子がRNA合成を受けないようにすることで転写をサイレント化します。^{[5 [6]}細胞記憶モジュール間のメカニズムの基礎は同じですが、メカニズムを開始するものとそれを実行する特定のタンパク質は、遺伝子内の細胞記憶モジュールの位置によって異なります。これらの特定のメカニズムと遺伝子の位置のいくつかは実験から分析されており、以下に概説されています。

この実験では、 Abdominal-B遺伝子を制御するショウジョウバエの Fab-7領域に由来する 219 bp の最小細胞メモリ モジュールを特定することができました。trxG タンパク質のリクルートメントにより、Zeste タンパク質のDNA 結合部位への結合が可能になり、Zeste の Brahma (BRM) タンパク質の必要性が無視され、アクティブ クロマチンの継承が開始されます。研究者はその後、この Zeste タンパク質の結合部位を変異させ、PcG 依存性サイレンシングにおける役割を高めました。保存された DNA 配列 Ab- Fab はBRM および trxG タンパク質をリクルートし、胚形成を活性化し、PcG と Zeste タンパク質の結合を弱めます。Ab- Fabの効果により、Zeste タンパク質は変異後にアクティブ クロマチン状態に戻ることができました。これらの応答要素は、DNA の重複があり、両方の要素が細胞分裂を使用してサイレント クロマチンとアクティブ クロマチンの両方のメモリを表現するため、細胞メモリ モジュールであると判断されました。^[3] 

ポリコーム抑制複合体（PRC）1と2は、ショウジョウバエの胚発生の初期に見られるH3K27me3遺伝子に結合するためにリクルートされます。その後、 PRC2は遺伝子のメチル化を触媒し、PCR2のリクルートを誘導してクロマチンを圧縮します。研究では、PRC2のリクルートはH2AKub配列の存在に依存していることがわかりました。しかし、H3K27残基の変異後でも、PcGはリクルートされ、元の表現型に戻ることができ、H3K27残基の転写変化を示しています。^[7]

細胞メモリモジュールは転写メモリの一種であるため、合成生物学者にとって非常に有益です。転写はよく理解されている生物学的プロセスであり、細胞の情報処理の大部分を完了します。このため、合成生物学者は、細胞プロセスに対する理解を深める実験で使用される合成メモリデバイスを開発できます。これらのデバイスは、刺激への曝露を記録し、遺伝子発現を維持し、特定のイベントに反応する細胞集団を特定し、応答中の進行を追跡できます。この情報は疾患研究に持ち込むことができます。イベントの反応が将来の細胞行動と相関する場合、科学者は癌などの細胞遺伝に起因する疾患をより深く理解できるためです。^[8]実験者は、これらの合成メモリデバイスを使用して、潜在的な疾患リスク要因への曝露などの特定のイベントをシミュレートし、その生理学的影響を早期に判断できます。これは、通常は数十年の曝露と疾患形成を経て初めて得られる情報を、かなり早い段階で受け取ることができるため、命を救う意味を持つ可能性があります。この研究は、これらのリスク要因に関する推奨事項と規制について公衆衛生当局と政策立案者を導く可能性があります。さらに、メモリモジュールは、その出力を新しい機能を実行するための調節入力として使用することで、望ましいタンパク質レベルの長期的な維持を達成することができます。これにより、メモリモジュールは遺伝子治療を支援し、病気を治癒するか、病気と闘う能力を向上させることができます。^[8]

細胞記憶モジュール内のPcGの誤調節は、多くの場合、癌性腫瘍の発生につながります。PcGの役割は、細胞周期の進行、分化、または幹細胞の可塑性などのプロセスを伴う発達遺伝子の転写を制御することです。生物学的プロセスにおける重要な役割のため、PcGの変異は腫瘍形成を開始します。PcG変異は、これらのタンパク質がホルモン受容体と直接相互作用するホルモン依存性癌でより顕著です。これらのPcGタンパク質は、腫瘍微小環境の代謝と免疫応答を調整し、癌の発達に影響を与えることが発見されました。PcGと癌の発達との関連は広く認められていますが、腫瘍形成におけるPcGの役割は完全には理解されていません。^[9]