エンハンサー（遺伝子）

哺乳類の遺伝子発現は、遺伝子の転写開始部位付近に位置するコアプロモーターやプロモーター近傍エレメントなど、多くのシス調節エレメントによって制御されています。コアプロモーターは転写開始を指示するのに十分ですが、一般的に基礎活性は低いです。 ^{[ 28 ]}他の重要なシス調節モジュールは、転写開始部位から離れたDNA領域に局在しています。これらには、エンハンサー、サイレンサー、インスレーター、テザリングエレメントなどがあります。^{[ 29 ]}これらのエレメント群の中で、エンハンサーとその関連転写因子は、遺伝子発現の制御において主導的な役割を果たしています。^{[ 30 ]}遺伝子のプロモーターから離れたDNA領域に局在するエンハンサーは、遺伝子発現に非常に大きな影響を与える可能性があり、活性化されたエンハンサーによって発現が最大100倍増加する遺伝子もあります。^{[ 31 ]}

エンハンサーは、主要な遺伝子調節要素であるゲノム領域です。エンハンサーは、多くの場合、長い距離をループして標的遺伝子のプロモーターに物理的に近づくことで、細胞型特異的な遺伝子発現プログラムを制御し、制御します。^{[ 32 ]} エンハンサーDNA領域は何十万とありますが、^{[ 2 ]}特定の組織タイプでは、特定のエンハンサーのみが制御対象のプロモーターに近づきます。脳皮質ニューロンの研究では、24,937個のループが見つかり、エンハンサーが標的プロモーターに近づいていました。^{[ 31 ]} 複数のエンハンサーは、それぞれ標的遺伝子から数万または数十万ヌクレオチド離れていることが多く、標的遺伝子のプロモーターにループして、互いに協調して共通の標的遺伝子の発現を制御できます。^{[ 32 ]}

このセクションの模式図は、エンハンサーがループ状に回り込んで標的遺伝子のプロモーターに物理的に近接する様子を示しています。ループはコネクタータンパク質の二量体（例えばCTCFまたはYY1の二量体）によって安定化され、二量体の一方はエンハンサー上の結合モチーフに、もう一方はプロモーター上の結合モチーフに固定されています（図中の赤いジグザグで示されています）。^{[ 33 ]}細胞機能特異的な転写因子（ヒト細胞には約1,600個の転写因子があります^{[ 34 ]}）は一般的にエンハンサー上の特定のモチーフに結合し^{[ 35 ]}、これらのエンハンサーに結合した転写因子の小さな組み合わせがDNAループによってプロモーターに近づくと、標的遺伝子の転写レベルを制御します。 メディエーター（通常、相互作用構造にある約26個のタンパク質からなる複合体）は、エンハンサーDNAに結合した転写因子からの調節シグナルをプロモーターに結合したRNAポリメラーゼII（pol II）酵素に直接伝達します。^{[ 36 ]}

エンハンサーは、活性化されると、通常、DNAの両鎖から転写され、RNAポリメラーゼが2つの異なる方向に作用して、図に示すように2つのエンハンサーRNA （eRNA）を生成します。 ^{[ 37 ]} mRNAと同様に、これらのeRNAは通常、 5'キャップによって保護されています。^{[ 38 ]}不活性エンハンサーには、不活性転写因子が結合している場合があります。転写因子のリン酸化によって転写因子が活性化され、活性化された転写因子が結合しているエンハンサーを活性化する可能性があります（図中のエンハンサーに結合した転写因子のリン酸化を表す小さな赤い星を参照）。^{[ 39 ]}活性化されたエンハンサーは、標的遺伝子からのメッセンジャーRNAの転写を活性化する前に、自身のRNAの転写を開始します。^{[ 40 ]}

HACNS1（CENTG2とも呼ばれ、ヒト加速領域2に位置する）は、「ヒト特有の対向可能な親指の進化、そしておそらくはヒトが二足歩行を可能にする足首や足の変形にも寄与した可能性のある」遺伝子エンハンサーである。これまでの証拠によると、ヒトゲノムで同定された11万個の遺伝子エンハンサー配列のうち、HACNS1はチンパンジーの祖先との分岐後のヒトの進化において最も大きな変化を遂げてきた。

GADD45g遺伝子の近傍にあるエンハンサーは、チンパンジーや他の哺乳類では脳の成長を調節する可能性があるが、ヒトでは調節しない可能性があると報告されている。^{[ 43 ]}マウスとチンパンジーのGADD45G調節因子は、大脳皮質、腹側前脳、視床を形成する細胞が存在する脳領域で活性を示し、さらなる神経新生を抑制する可能性がある。ヒトにおけるGADD45Gエンハンサーの喪失は、特定の神経細胞集団の増加とヒトの前脳の拡大に寄与する可能性がある。

従来、エンハンサーはレポーター遺伝子を用いたエンハンサートラップ法、または比較配列解析と計算ゲノミクスによって同定されてきた。例えば、ショウジョウバエDrosophila melanogasterのような遺伝学的に扱いやすいモデルでは、lacZ遺伝子などのレポーター構築物をP エレメントトランスポゾンを用いてゲノムにランダムに組み込むことができる。レポーター遺伝子がエンハンサーの近くに組み込まれると、その発現はそのエンハンサーによって駆動される発現パターンを反映する。したがって、ハエを LacZ の発現または活性について染色し、組み込み部位周辺の配列をクローニングすることで、エンハンサー配列を同定することができる。^{[ 45 ]}

しかし、ゲノムおよびエピゲノム技術の発展により、シス調節モジュール（CRM）の発見の見通しは劇的に変化しました。次世代シーケンシング（NGS）法によって、ハイスループットな機能的CRM発見アッセイが可能になり、転写因子結合部位（TFBS）モチーフの大規模ライブラリ、注釈付き検証済みCRMのコレクション、多くの細胞種にわたる広範なエピジェネティックデータなど、利用可能なデータ量が大幅に増加したことで、正確な計算によるCRM発見が達成可能な目標となっています。DNase -seqと呼ばれるNGSベースのアプローチの一例として、CRMを含む可能性のあるヌクレオソーム欠乏領域、すなわちオープンクロマチン領域の同定が可能になりました。最近では、出発材料が少なくて済むATAC-seqなどの技術が開発されています。ヌクレオソーム欠乏領域は、 Damメチラーゼの発現によって生体内で同定することができ、細胞種特異的なエンハンサーの同定をより細かく制御できます。^{[ 46 ]} 計算手法には、比較ゲノミクス、既知または予測された転写因子結合部位のクラスタリング、既知のCRMでトレーニングされた教師あり機械学習アプローチなどがあります。これらの手法はすべてCRMの発見に効果的であることが証明されていますが、それぞれに独自の考慮事項と制限があり、それぞれ多かれ少なかれ偽陽性の識別を受ける可能性があります。^{[ 47 ]}比較ゲノミクスアプローチ では、非コード領域の配列保存がエンハンサーの指標となる可能性があります。複数の種の配列が整列され、保存領域が計算によって識別されます。^{[ 48 ]}識別された配列は、緑色蛍光タンパク質やlacZなどのレポーター遺伝子に付加され、胚に注入されたときにエンハンサーによって生成される遺伝子発現のin vivoパターンを決定できます。レポーターのmRNA発現はin situハイブリダイゼーションによって可視化できます。これは、翻訳やタンパク質折り畳みの複雑さの影響を受けないため、エンハンサー活性をより直接的に測定できます。重要な発生促進因子の配列保存性を示す証拠は数多く存在するが、一方で、一次配列の保存性がほとんど、あるいは全くなくても、促進因子の機能が保存されることを示す研究もある。例えば、ヒトのRET促進因子は、ゼブラフィッシュのRET促進因子と配列の保存性が非常に低い。しかし、両種の配列はゼブラフィッシュにおいてほぼ同一のレポーター遺伝子発現パターンを生み出す。^{[ 48 ]}同様に、高度に分岐した昆虫（約3億5000万年前に分岐）においても、いくつかの重要な遺伝子の類似した遺伝子発現パターンが、同様の構成のCRMを介して制御されていることがわかったが、これらのCRMはBLASTなどの標準的な配列アライメント法で検出できるような顕著な配列保存性を示さない。^{[ 49 ]}

ショウジョウバエ胚の初期体節形成を決定するエンハンサーは、最もよく特徴づけられた発生エンハンサーの一つである。初期のハエ胚では、ギャップ遺伝子転写因子が、ペアルール遺伝子などの多数の体節形成遺伝子の活性化と抑制に関与している。ギャップ遺伝子は、他の母性効果転写因子とともに、ハエの前後軸に沿ってブロック状に発現し、異なる組み合わせの転写因子が発現する領域を形成する。ペアルール遺伝子は、発現していない細胞によって互いに隔てられている。さらに、異なるペアルール遺伝子の発現ストライプは、互いに数細胞径だけずれている。このように、ペアルール遺伝子発現の独自の組み合わせが、前後軸に沿って空間領域を形成し、14個の個々の体節をそれぞれ形成する。ペアルール遺伝子even-skipped（eve）のシャープストライプ2を駆動する480 bpのエンハンサーは、よく特徴づけられている。エンハンサーには、母性遺伝子およびギャップ遺伝子の転写因子に対する12種類の結合部位が含まれています。活性化部位と抑制部位は配列上で重複しています。Eveは、このエンハンサー配列の活性化因子が高濃度で抑制因子が低濃度である狭い細胞帯でのみ発現します。他のエンハンサー領域は、胚内の他の6つの細胞帯でeveの発現を促進します。 ^{[ 50 ]}

体軸の確立は動物の発生において重要なステップである。マウスの胚発生において、形質転換成長因子βスーパーファミリーのリガンドであるNodalは、初期胚の前後軸と左右軸の両方のパターン形成に関与する重要な遺伝子である。Nodal遺伝子には、近位上胚葉エンハンサー（PEE）と非対称エンハンサー（ASE）という2つのエンハンサーが含まれている。PEEはNodal遺伝子の上流に位置し、原始線条のうちノード（原始ノードとも呼ばれる）に分化する部分でNodalの発現を促進する。 ^{[ 51 ]} PEEは、Wntシグナル伝達と2番目の未知のシグナルの組み合わせに応答してNodalの発現をオンにする。したがって、LEF/TCF転写因子ファミリーのメンバーがノード内の細胞のTCF結合部位に結合すると考えられる。ノードから離れた方向へのNodalの拡散により勾配が形成され、それが胚の伸長する前後軸のパターンを形成する。^{[ 52 ]} ASEは、フォークヘッドドメイン転写因子Fox1が結合するイントロンエンハンサーです。発生初期には、Fox1によって駆動されるNodalの発現により内臓内胚葉が形成されます。発生後期には、Fox1がASEに結合することで側板中胚葉の左側でNodalの発現が促進され、中胚葉における非対称器官形成に必要な左右非対称性が確立されます。^{[ 53 ]}

原腸形成期に3つの胚葉を確立することは、動物の発生におけるもう1つの重要なステップです。3つの胚葉それぞれに、分化と発達を促進する独自の遺伝子発現パターンがあります。内胚葉は発生初期にGata4の発現によって特定され、Gata4はその後腸の形態形成を誘導します。Gata4の発現は、初期胚では別のフォークヘッドドメイン転写因子であるFoxA2に結合するイントロンエンハンサーによって制御されています。最初はエンハンサーが胚全体に広範な遺伝子発現を誘導しますが、発現はすぐに内胚葉に限定されるようになり、他の抑制因子がその制限に関与している可能性が示唆されます。発生後期には、同じエンハンサーが胃と膵臓になる組織に発現を制限します。腸の発達の中間段階では、別のエンハンサーが内胚葉におけるGata4の発現を維持する役割を担っています。^{[ 54 ]}

重要な発生過程に関与する遺伝子の中には、機能が重複する複数のエンハンサーを含むものがある。二次エンハンサー、または「シャドウエンハンサー」は、一次エンハンサー（「一次」とは通常、最初に発見されたエンハンサーを指し、多くの場合、制御する遺伝子に近い）から何キロベースも離れたところに存在することがある。それぞれのエンハンサーは単独では、ほぼ同一の遺伝子発現パターンを駆動する。2つのエンハンサーは本当に冗長なのだろうか？最近の研究では、複数のエンハンサーによってショウジョウバエが温度上昇などの環境変動に耐えられることが示されている。高温下で飼育すると、単一のエンハンサーでは完全な発現パターンを駆動できない場合があるが、両方のエンハンサーが存在すると正常な遺伝子発現が可能になる。^{[ 55 ]}

最近の研究では、イトヨの形態変化におけるエンハンサーの役割が調査されている。イトヨは海洋環境と淡水環境の両方に生息しているが、淡水個体群の多くでは腹鰭（四肢動物の後肢に相同な付属肢）が完全に失われている。Pitx1 は脊椎動物の後肢発生に関与するホメオボックス遺伝子である。予備的な遺伝子解析では、この遺伝子の発現の変化がイトヨの腹鰭縮小の原因であることが示唆された。Pitx1の淡水アレルのみを発現する魚は腹鰭棘を持たないが、海洋アレルを発現する魚は腹鰭棘を保持している。より詳細な解析により、500塩基対のエンハンサー配列が後鰭芽におけるPitx1の発現をオンにする役割を担っていることが明らかになった。このエンハンサーは染色体脆弱部位の近くに位置している。脆弱部位とは、 DNA修復が不正確であるために切断されやすく、その結果変異を起こしやすいDNA配列のことである。この脆弱部位は、隔離された淡水魚集団において、骨盤棘でのPitx1発現を促進するエンハンサーの繰り返し独立した喪失を引き起こしており、このエンハンサーがないと淡水魚は骨盤棘を発達させることができない。^{[ 56 ]}

色素沈着パターンは、動物の種間で最も顕著で容易に評価できる差異の一つである。ショウジョウバエの翅の色素沈着は、複雑な色素沈着表現型の発達を研究するのに特に適したシステムであることが証明されている。Drosophila guttiferaの翅には、12個の暗い色素沈着斑と4個の明るい灰色の脈間斑がある。色素沈着斑は、黒色メラニンを生成するyellow遺伝子の発現によって生じる。最近の研究では、 yellow遺伝子内の2つのエンハンサーが、まさにこのパターンで遺伝子発現を誘導することが示されている。脈斑エンハンサーは12個の斑点でレポーター遺伝子の発現を誘導し、脈間陰影エンハンサーは4つの異なる斑点でレポーター遺伝子の発現を誘導する。これら2つのエンハンサーはWntシグナル伝達経路に反応し、この経路はすべての色素沈着部位でのwinglessの発現によって活性化される。このように、複雑な色素沈着表現型の進化において、黄色色素遺伝子はwinglessシグナルに反応するエンハンサーを進化させ、winglessの発現は新しい場所で進化して新しい翅の模様を生み出した。^{[ 57 ]}

各細胞は通常、数キロベースの長さのDNA配列にまたがる「スーパーエンハンサー」と呼ばれる特殊なクラスのエンハンサーを数百個含んでいます。^{[ 58 ]}これらのエンハンサーには、配列特異的な誘導性転写因子の結合部位が多数含まれており、細胞分化に関与する遺伝子の発現を制御しています。^{[ 59 ]}炎症時には、転写因子NF-κBがクロマチンのリモデリングを促進し、高占有エンハンサーから補因子を選択的に再分配することで、細胞のアイデンティティの維持に関与する遺伝子の発現を抑制します。同時に、このF-κB駆動のリモデリングと再分配は、炎症による細胞機能の変化を誘導する他のエンハンサーを活性化します。^{[ 60 ] [ 61 ]}その結果、炎症は細胞を再プログラムし、組織の他の部分や免疫系との相互作用を変化させます。^{[ 62 ] [ 63 ]}がんでは、NF-κB活性を制御するタンパク質が調節異常を起こし、悪性細胞が局所組織との相互作用への依存度を低下させ、免疫系による監視を阻害する。^{[ 64 ] [ 65 ]}