コンデンシン

コンデンシンは、有糸分裂と減数分裂中の染色体の組み立てと分離に中心的な役割を果たす大きなタンパク質複合体です（図1）。^{[1] [2]そのサブユニットはもともと、}アフリカツメガエルの卵抽出物中に組み立てられた有糸分裂染色体の主要成分として同定されました。^[3]

多くの真核細胞は、コンデンシン Iとコンデンシン IIと呼ばれる2種類のコンデンシン複合体を有し、それぞれ5つのサブユニットで構成されています（図2）。^[4]コンデンシン I と II は、SMC2 と SMC4 という同じコアサブユニットのペアを共有しており、どちらもSMC タンパク質（SMC は染色体構造維持の略）として知られる染色体ATPaseの大きなファミリーに属しています。 ^{[5] [6]}各複合体には、SMC 以外の調節サブユニットの異なるセット（クライシンサブユニット^[7]とHEAT リピートサブユニットのペア）が含まれています。^[8]両方の複合体は大きく、総分子量は 650～700 kDa です。

コンデンシンのコアサブユニット（SMC2 および SMC4）は、現在までに研究されたすべての真核生物種で保存されています。コンデンシン I に固有の非 SMC サブユニットも真核生物間で保存されていますが、コンデンシン II に固有の非 SMC サブユニットの出現は種間で大きく異なります。

• 例えば、ショウジョウバエのキイロショウジョウバエはコンデンシンIIのCAP-G2サブユニットの遺伝子を持っていません。^[9]他の昆虫種もCAP-D3やCAP-Hサブユニットの遺伝子を欠いていることが多く、これはコンデンシンIIに特有の非SMCサブユニットが昆虫の進化の過程で高い選択圧を受けてきたことを示しています。^[10]
• 線虫 Caenorhabditis elegansはコンデンシンIとIIの両方を持っています。しかし、この種は、染色体全体の遺伝子調節、すなわち用量補償に関与する第3の複合体（コンデンシンIに密接に関連）を持っているという点で独特です。^{[11]コンデンシンI DC}として知られるこの複合体では、本来のSMC4サブユニットがその変異体であるDPY-27に置き換えられています（図2）。
• 真菌のようないくつかの種（例えば、出芽酵母Saccharomyces cerevisiaeや分裂酵母Schizosaccharomyces pombe）は、コンデンシンIIに特有の調節サブユニットを全て欠いている。^{[12] [13]}一方、ゲノムサイズが酵母と同程度の単細胞の原始的な紅藻Cyanidioschyzon merolae^{は、コンデンシンIとIIの両方を持っている。 [14]}したがって、コンデンシンIIの出現と真核生物のゲノムサイズの間には明らかな関係はない。
• 繊毛虫 テトラヒメナ・サーモフィラはコンデンシンIのみを持っています。しかし、その2つの調節サブユニット（CAP-D2とCAP-H）には複数のパラログがあり、そのうちのいくつかは大核（遺伝子発現を担う）または小核（生殖を担う）のいずれかに特異的に局在しています。^[15]このように、この種は異なる調節サブユニットを持ち、異なる核局在を示す複数のコンデンシンI複合体を持っています。^[16]これは他の種には見られない非常にユニークな特性です。

原核生物種もまた、染色体（核様体）の組織化と分離に重要な役割を果たすコンデンシン様複合体を有する。原核生物コンデンシンは、 SMC-ScpAB ^[17]とMukBEF ^[18]の2種類に分類できる。多くの真正細菌および古細菌種はSMC-ScpABを有するが、大腸菌を含む真正細菌のサブグループ（ガンマプロテオバクテリアとして知られる）はMukBEFを有する。ScpAとMukFは「クライシン」と呼ばれるタンパク質ファミリーに属し、^[7] ScpBとMukEは最近「カイト」と呼ばれる新しいタンパク質ファミリーに分類された。^[19]

SMC-ScpABとMukBEFの対応するサブユニットの一次構造は大きく異なるが、分子構造と欠陥のある細胞表現型に基づいて、2つの複合体が原核生物の染色体の組織化と動態において、同一ではないにしても同様の機能を果たすと考えるのが妥当である。そのため、両方の複合体は原核生物（または細菌）コンデンシンと呼ばれることが多い。最近の研究では、一部の細菌種でMukBEFに関連する3番目の複合体（MksBEFと呼ばれる）の存在が報告されている。^[20]

コンデンシンのコアサブユニットとして機能するSMC二量体は、非常に特徴的なV字型をしており、それぞれの腕は反平行コイルドコイルで構成されています（図3、詳細はSMCタンパク質を参照）。 ^{[21] [22]}コイルドコイルの各腕の長さは約50 nmに達し、これは二本鎖DNA（dsDNA）の約150 bpの長さに相当します。真核生物のコンデンシンIおよびII複合体では、クライシンサブユニットがSMC二量体の2つのヘッドドメインを橋渡しし、2つのHEATリピートサブユニットに結合します（図1）。^{[23] [24]}

初期の研究では、細菌コンデンシンの一部、例えばMukBEF ^{[25] [26]}やSMC-ScpA ^{[27] [28]}の構造が解明された。真核生物複合体では、SMC2-SMC4二量体のヒンジとアームドメイン、^{[29] [30]} CAP-G(ycg1)/CAP-H(brn1)サブ複合体、^{[31] [32]} CAP-D2(ycs4)/CAP-H(brn1)サブ複合体^[24]など、いくつかのサブ複合体とサブドメインの構造が報告されている。最近のクライオ電子顕微鏡研究では、コンデンシンはSMCサブユニットによるATP結合と加水分解と連動して大きな構造変化を起こすことが示された。^[33]一方、高速原子間力顕微鏡では、SMC二量体のアームが予想よりもはるかに柔軟であることが実証されている。^[34]

アフリカツメガエルの卵抽出物から精製されたコンデンシンIは、 DNA刺激性ATPaseであり、 ATP加水分解依存的にdsDNAに正の超らせん張力を導入する能力を示す（正の超らせん活性）。^{[35] [36]}同様の活性は他の生物のコンデンシンでも検出されている。^{[37] [38]}正の超らせん活性はCdk1リン酸化によってin vitroで活性化されることから、有糸分裂染色体組み立てに直接関与する生理活性の1つである可能性が高いことが示唆されている。^{[39]コンデンシンIのこの活性はDNAの折り畳みを助け、}トポイソメラーゼIIを介した姉妹染色分体の分解を促進すると仮定されている。 ^[40]初期の単一DNA分子実験では、コンデンシンIがATP加水分解依存的にDNAを圧縮できることもリアルタイムで実証されている。^[41]

最近では、単分子実験により、出芽酵母コンデンシンIがdsDNAに沿って移動（モーター活性）^[42]し、ATP加水分解依存的にDNAループを「押し出す」（ループ押し出し活性）^[43]ことが実証されている。後者の実験では、DNA上の個々のコンデンシン複合体の活性がリアルタイム蛍光イメージングによって可視化され、コンデンシンIが確かに高速ループ押し出しモーターであり、単一のコンデンシンI複合体が厳密にATP依存的に1秒間に1,500bpのDNAを押し出すことができることが明らかになった。コンデンシンIはYcg1-Brn1サブユニットの間にDNAを固定し^[31]、DNAを非対称に引っ張って大きなループを形成すると提案されている。さらに、コンデンシン複合体は互いに交差して動的なループ構造を形成し、そのサイズを変えることができることが示された。^[44]

コンデンシンがヌクレオソームDNAにどのように作用するかは不明である。最近の再構成システムの開発により、ヒストンシャペロンFACTがコンデンシンIを介したin vitro染色体組み立ての必須成分であることが明らかになり、この問題に対する重要な手がかりが得られた。^[45]また、ヌクレオソーム組み立てが大幅に抑制されている状況下でも、コンデンシンは無細胞抽出液中で染色体のような構造を組み立てることができることが示された。^[46]この観察結果は、生理的状況においてコンデンシンが少なくとも部分的に非ヌクレオソームDNAに作用できることを示している。

コンデンシンIとコンデンシンIIの分子活性はどの程度類似し、どの程度異なるのでしょうか？両者は2つのSMCサブユニットを共有していますが、それぞれ3つの独自の非SMCサブユニットを持っています（図2）。これらの非SMCサブユニットの作用の微調整されたバランスが、2つの複合体のループ押し出し速度^[47]と有糸分裂染色体組み立て活性^{[48] [49] [50] [51]}の違いを決定します。さまざまな変異を導入することで、コンデンシンIをコンデンシンIIのような活性を持つ複合体に変換したり、その逆を行ったりすることができます。^[51]

コンデンシンの分子活性に基づいた有糸分裂染色体組み立ての数学的モデリングとコンピュータシミュレーションの試みがいくつか報告されている。代表的なものとしては、ループ押し出しに基づくモデリング、^[52]、確率的ペアワイズコンタクト^[53]、ループとコンデンシン間引力の組み合わせ^{[54]などがある。}

ヒト組織培養細胞では、2つのコンデンシン複合体は有糸分裂 細胞周期中に異なる制御を受ける（図4）。^{[55] [56]コンデンシンIIは}間期に細胞核内に存在し、前期核内での染色体凝縮の初期段階に関与する。一方、コンデンシンIは間期に細胞質内に存在し、前期の終わりに核膜が崩壊（NEBD）した後にのみ染色体にアクセスできる。前中期および中期には、コンデンシンIとコンデンシンIIが協力して桿状染色体を組み立て、その中で2つの姉妹染色分体が完全に分解される。このような2つの複合体の異なる動態は、アフリカツメガエル卵子抽出物、 [ 57 ]、マウス^卵母細胞、^[58]、および神経幹細胞^[59]で観察されており、これは、異なる生物および細胞型間で保存されている基本的な制御メカニズムの一部であることを示す。このメカニズムにより、2つの複合体、すなわちコンデンシンIIが最初に作用し、コンデンシンIが後に作用する順序が確実になると考えられます。^[60]

中期染色体では、コンデンシンIとIIはともに重なり合うことなく中心軸に濃縮されている（図5）。生体内での除去実験^{[4] [59] [61]}およびアフリカツメガエル卵抽出物での免疫除去実験^[57]は、2つの複合体が中期染色体の組み立てにおいて異なる機能を持つことを示している。コンデンシン機能が欠損した細胞は、細胞周期の特定の段階で停止せず、染色体分離の欠陥（すなわち、後期橋）を示し、異常な細胞質分裂を経る。^{[62] [63]}

コンデンシン I と II の有糸分裂に対する相対的な貢献は、真核生物の種によって異なります。たとえば、コンデンシン I と II はそれぞれ、マウスの胚発生に重要な役割を果たしています。^[59]これらは、有糸分裂細胞周期中に重複する機能と重複しない機能の両方を持っています。一方、コンデンシン II は、原始藻類C. merolae ^[14]と陸上植物A. thalianaの有糸分裂には必須ではありません。^{[64]興味深いことに、コンデンシン II は}C. elegans の初期胚でコンデンシン I よりも優位に働いています。 ^{[11]この特異性は、} C. elegans がホロセントリック染色体と呼ばれる特殊な染色体構造を持っているためである可能性があります。S . cerevisiae ^[13]やS. pombe ^[12]などの真菌には、最初からコンデンシン II はありません。真核生物種間のこれらの違いは、染色体構造の進化に重要な意味合いをもたらします (下記の「進化上の意味合い」のセクションを参照)。

最近では、Hi-C（ハイスループット染色体構造キャプチャー）と呼ばれるゲノミクスベースの方法によって、細胞周期に依存した染色体の構造変化をモニターすることが可能になった。^{[65]コンデンシン欠損が染色体構造に与える影響は、出芽酵母、 [66] [67]}分裂酵母、^{[68] [69]}およびニワトリDT40細胞で研究されている。 ^[70]これらの研究の結果は、コンデンシンが有糸分裂染色体の組み立てに重要な役割を果たし、コンデンシンIとIIがこのプロセスで異なる機能を果たすという考えを強く支持している。さらに、定量的画像解析によって、研究者はヒトの中期染色体に存在するコンデンシン複合体の数を数えることができる。^[71]

コンデンシンは減数分裂における染色体の組み立てと分離にも重要な役割を果たしている。遺伝学的研究はS. cerevisiae ^[72] 、D. melanogaster [ ^{73] [74]}、C. elegans ^[75]で報告されている。マウスでは、減数分裂におけるコンデンシンサブユニットの必要性が抗体媒介阻害実験^[58]と条件付き遺伝子ノックアウト解析によって検討されている。 ^[76]哺乳類の減数分裂Iでは、コンデンシンIIの機能的寄与はコンデンシンIよりも大きいようである。しかし、有糸分裂で示されているように、^[59] 2つのコンデンシン複合体は減数分裂においても重複する機能と重複しない機能の両方を持っている。コヒーシンとは異なり、コンデンシンの減数分裂特異的なサブユニットは今のところ同定されていない。

最近の研究では、コンデンシンが有糸分裂や減数分裂以外にもさまざまな染色体機能に関与していることが示されています。^[60]

• 出芽酵母では、コンデンシンI（この生物では唯一のコンデンシン）がrDNAリピートのコピー数制御に関与している^[77]ほか、tRNA遺伝子のクラスター形成にも関与している^[78]。
• 分裂酵母では、コンデンシンIは複製チェックポイント^[79]とRNAポリメラーゼIIIによって転写された遺伝子のクラスター形成の制御に関与している。^[80]
• C.エレガンスでは、コンデンシンIに関連する第3のコンデンシン複合体（コンデンシンI ^{DC ）が、}用量補償の主要な調節因子としてX染色体の高次構造を制御している。^[81]
• ショウジョウバエでは、コンデンシンIIサブユニットは卵巣ナース細胞における多糸染色体の分解^[82]と染色体領域の形成^{[83]に寄与している。二倍体細胞における}トランスベクションを負に制御するという証拠がある。また、細胞周期終了後のニューロンにおける正しい遺伝子発現を確実にするためにコンデンシンI成分が必要であることも報告されている。 ^[84]
• A. thalianaでは、コンデンシンIIは過剰なホウ素ストレスに対する耐性に不可欠であり、DNA損傷を軽減する可能性がある。^[64]
• 哺乳類細胞では、コンデンシンIIは間期染色体構造と機能の調節に関与している可能性が高い。例えば、ヒト細胞では、コンデンシンIIは、姉妹染色分体が細胞学的に観察可能になる有糸分裂前期よりかなり前のS期に、姉妹染色分体の分解の開始に関与している。^[85]
• マウスの間期核では、異なる染色体上のセントロメリックヘテロクロマチンが互いに会合し、クロモセンターと呼ばれる大きな構造を形成する。コンデンシンIIが欠損しているがコンデンシンIが欠損していない細胞では、クロモセンターのハイパークラスタリングが見られ、コンデンシンIIがクロモセンターのクラスタリングを抑制する特定の役割を果たしていることが示唆される。^[59]
• 初期の研究ではコンデンシンが遺伝子発現の調節に直接関与している可能性が示唆されていたが、最近の研究ではこの仮説に反論する意見もある。^{[86] [87]}
• 分裂酵母シゾサッカロミセス・ポンベの変異体は、温度感受性および/またはDNA損傷感受性表現型を有していた。^[88] これらの変異体のいくつかはコンデンシンのHEATサブユニットに欠陥があり、HEATサブユニットがDNA修復に必要であることを示している。^[88]

コンデンシンサブユニットは細胞周期依存的に様々な翻訳後修飾を受ける。 ^[89]これらのうち、有糸分裂におけるリン酸化は最もよく研​​究されている。^[90]

Cdk1によるリン酸化は、コンデンシンIのスーパーコイル形成活性^{[39] [38]}およびin vitro染色体組み立て活性^[45]に必須である。しかし、活性化に必須のリン酸化の標的サブユニットおよび部位（および数）は不明である。Cdk1の主な標的であるS/TP配列は、コンデンシンサブユニットの末端に位置する天然変性領域（IDR）に豊富に存在する傾向があるが^[90] 、その分布およびコンデンシンの制御への寄与は種によって大きく異なる。例えば、分裂酵母では、SMC4サブユニットのN末端のリン酸化が、有糸分裂中のコンデンシンの核への移行を制御する。^[12]出芽酵母では、コンデンシンは細胞周期を通じて核に局在し、SMC4サブユニットのN末端のリン酸化は、コンデンシンの染色体会合動態の制御に関与している。^{[91] [92]}脊椎動物では、CAP-HサブユニットのN末端リン酸化がコンデンシンIの有糸分裂特異的なローディングを促進することが提案されている。^[93] Cdk1に加えて、Aurora B ^{[94] [95]}およびPolo ^{[38]による正の調節とCK2（カゼインキナーゼ2） [96]}による負の調節が報告されている。

いくつかの有糸分裂キナーゼ、Cdk1、^{[97] [98] [50] [51]} polo ^[99]および Mps1 ^[100]はコンデンシン II の制御に関与している。CAP-D3 サブユニットの C 末端テールは、ヒトコンデンシン II 複合体における Cdk1 リン酸化の主な標的であることが示されている。^{[51]さらに、CAP-D3 は}タンパク質ホスファターゼPP2A-B55の基質として同定されている。^[101]

ショウジョウバエではコンデンシンIIのCAP-H2サブユニットがSCFSlimbユビキチンリガーゼの作用によって分解されることが報告されている。^[102]

ヒトの原発性小頭症の原因タンパク質の1つであるMCPH1は、コンデンシンIIを負に制御する能力があることが実証されています。^[103] mcph1患者細胞では、コンデンシンII（コンデンシンIではない）が過剰に活性化され、G2期（すなわち、有糸分裂に入る前）での未熟な染色体凝縮を引き起こします。^{[104]しかし、コンデンシンIIの誤った制御が}mcph1小頭症の病因に直接関係しているという証拠はありません。最近では、コンデンシンIまたはIIサブユニットの低形質変異がヒトの小頭症を引き起こすことが報告されています。^[105]マウスでは、コンデンシンIIサブユニットの低形質変異がT細胞発達の特定の欠陥を引き起こし、^[106] T細胞リンパ腫につながります。^[107]興味深いことに、神経幹細胞やT細胞などの特殊な細胞分裂モードを持つ細胞型は、コンデンシンサブユニットの変異に対して特に感受性が高い。

原核生物は原始的なタイプのコンデンシンを持っており^{[17] [18]、}これはコンデンシンの進化的起源がヒストンの起源よりも古いことを示している。コンデンシンIとIIが現存する真核生物種の間で広く保存されているという事実は、最後の真核生物の共通祖先（LECA）が両方の複合体を持っていたことを強く示唆している。^[60]したがって、真菌などの一部の種は進化の過程でコンデンシンIIを失ったと推測するのは合理的である。

では、なぜ多くの真核生物は2つの異なるコンデンシン複合体を持っているのでしょうか。上で述べたように、コンデンシンIとIIの有糸分裂への相対的な貢献は生物によって異なります。哺乳類の有糸分裂では、コンデンシンIとIIは同等に重要な役割を果たしますが、他の多くの種では、コンデンシンIがコンデンシンIIよりも優位に働いています。これらの種では、コンデンシンIIが有糸分裂以外のさまざまな非必須機能に適応している可能性があります。^{[64] [82]}コンデンシンIIの出現とゲノムサイズの間には明らかな関係はありませんが、ゲノムサイズが大きくなるにつれて、コンデンシンIIの機能的貢献が大きくなるようです。^{[14] [59]}最近の包括的なHi-C研究では、進化の観点から、コンデンシンIIは有糸分裂後のRabl構成を間期染色体領域に変換する決定因子として作用すると主張しています。^[108] 2つのコンデンシン複合体の有糸分裂染色体構造への相対的な寄与も発生中に変化し、有糸分裂染色体の形態に影響を与える。^[57]このように、コンデンシンIとIIのバランスは進化と発生の両方で微調整されているようだ。

真核細胞には、さらに 2 つのクラスのSMC タンパク質複合体があります。コヒーシンには SMC1 と SMC3 が含まれており、姉妹染色分体の接着に関与しています。SMC5/6 複合体には SMC5 と SMC6 が含まれており、組み換え修復に関与しています。

• 染色体
• 核様体
• 有糸分裂
• 減数分裂
• 細胞周期
• コヒーシン
• SMCタンパク質
• ATPアーゼ
• ヒートリピート
• トポイソメラーゼ II
• DNAスーパーコイル