クロマチンリモデリング

ヒストン修飾複合体として知られる特定のタンパク質複合体は、ヒストン上のさまざまな化学元素の付加または除去を触媒します。これらの酵素的修飾には、アセチル化、メチル化、リン酸化、およびユビキチン化が含まれ、主にヒストンのN末端テールで起こります。このような修飾は、ヒストンとDNAの結合親和性に影響を与え、それによってヒストンに巻き付いた凝縮DNAを緩めたり締めたりします。たとえば、H3およびH4の特定のリジン残基のメチル化は、ヒストンの周りのDNAのさらなる凝縮を引き起こし、それによって遺伝子抑制につながる転写因子のDNAへの結合を妨げます。逆に、ヒストンのアセチル化はクロマチン凝縮を緩和し、DNAをTF結合のために露出させ、遺伝子発現の増加につながります。^{[ 3 ]}

ATP依存性クロマチンリモデリング複合体は、ヌクレオソームの移動、排出、または再構築によって遺伝子発現を調節します。これらのタンパク質複合体は共通のATPaseドメインを持ち、ATPの加水分解によるエネルギーによって、これらのリモデリング複合体はDNAに沿ってヌクレオソームを再配置（しばしば「ヌクレオソームスライディング」と呼ばれる）したり、DNAからヒストンを排出または組み立てたり、ヒストンバリアントの交換を促進したりして、遺伝子活性化のためのヌクレオソームのないDNA領域を作り出します。^{[ 13 ]}また、いくつかのリモデラーは、特定のリモデリングタスクを実行するためにDNA転座活性を持っています。^{[ 14 ]}

すべてのATP依存性クロマチンリモデリング複合体は、SNF2スーパーファミリーに属するATPaseサブユニットを有している。サブユニットの同一性に関連して、これらのタンパク質は2つの主要なグループに分類されている。これらはSWI2/SNF2グループと模倣SWI（ISWI）グループとして知られている。最近記述された3番目のクラスのATP依存性複合体は、Snf2様ATPaseを含み、脱アセチル化活性も示す。^{[ 15 ]}

既知のクロマチンリモデリング複合体

真核生物には少なくとも4つのクロマチンリモデリング因子ファミリー（SWI/SNF、ISWI、NuRD /Mi-2/ CHD、INO80）が存在し、特に酵母モデルでは最初の2つのリモデリング因子がこれまで非常に詳しく研究されている。すべてのリモデリング因子は共通のATPaseドメインを持つが、その機能はいくつかの生物学的プロセス（DNA修復、アポトーシスなど）に基づいて特異的である。これは、各リモデリング因子複合体が触媒ATPase領域に独自のタンパク質ドメイン（ヘリカーゼ、ブロモドメインなど）を持ち、また異なるサブユニットを動員するためである。

クロマチンリモデリングは、本来は密にパッケージ化されたゲノムに転写機構が動的にアクセスできるようにすることで、遺伝子発現の調節において中心的な役割を果たします。さらに、クロマチンリモデラーによるヌクレオソームの移動は、染色体の組み立てと分離、DNA複製と修復、胚発生と多能性、細胞周期の進行など、いくつかの重要な生物学的プロセスに不可欠です。クロマチンリモデリングの調節異常は、適切な細胞機能に必要なこれらの重要なチェックポイントにおける転写調節の喪失を引き起こし、その結果、癌を含む様々な疾患症候群を引き起こします。

クロマチンの弛緩は、DNA損傷に対する最も初期の細胞応答の1つです。^{[ 16 ]} DNA損傷応答に関与するタンパク質の動員速度論に関するいくつかの実験が行われています。弛緩はPARP1によって開始されるようで、DNA損傷部位へのPARP1の蓄積は、DNA損傷発生後1.6秒で半分完了します。^{[ 17 ]}これに続いて、ADPリボース結合ドメインを持つクロマチンリモデリング因子Alc1が蓄積し、PARP1の産物に素早く引き寄せられます。Alc1の最大動員は、DNA損傷後10秒以内に起こります。^{[ 16 ]}おそらくAlc1の作用によるクロマチン弛緩の約半分は、10秒までに起こります。^{[ 16 ]}二本鎖切断部位でのPARP1の作用により、2つのDNA修復酵素MRE11とNBS1が動員されます。これら2つのDNA修復酵素の最大リクルートメントの半分は、MRE11では13秒、NBS1では28秒かかる。^{[ 17 ]}

DNA二本鎖切断形成後のクロマチン弛緩の別のプロセスでは、H2AXタンパク質のリン酸化型であるγH2AXが利用される。ヒストンバリアントH2AXは、ヒトクロマチン中のH2Aヒストンの約10%を占める。^{[ 18 ]} γH2AX（H2AXのセリン139がリン酸化されたもの）は、細胞への照射（DNA二本鎖切断形成を伴う）後20秒で検出され、γH2AXの最大蓄積量の半分は1分で発生した。^{[ 18 ]}リン酸化されたγH2AXを含むクロマチンの範囲は、DNA二本鎖切断部位で約200万塩基対である。^{[ 18 ]}

γH2AX はそれ自体ではクロマチン脱凝縮を引き起こさないが、照射後数秒以内にタンパク質「DNA 損傷チェックポイント 1 のメディエーター」( MDC1 ) が特異的に γH2AX に結合する。^{[ 19 ] [ 20 ]}これに伴い、MDC1 が γH2AX に結合すると同時に、RNF8 タンパク質と DNA 修復タンパク質 NBS1 が蓄積する。 [ 21 ] RNF8は、ヌクレオソーム^{リモデリングおよび}脱アセチル化複合体NuRDの構成要素であるCHD4タンパク質とのその後の相互作用を介して、広範なクロマチン脱凝縮を媒介する。 ^{[ 22 ]}二本鎖切断部位での CHD4 の蓄積は急速で、照射後 40 秒で最大蓄積量の半分に達する。^{[ 23 ]}

DNA損傷時のクロマチンの急速な初期弛緩（DNA修復の迅速な開始を伴う）に続いて、ゆっくりとした再凝縮が起こり、クロマチンは約20分で損傷前のレベルに近い凝縮状態に戻る。^{[ 16 ]}

クロマチンリモデリングは、細胞周期の進行、DNA修復、染色体分離などの重要な細胞増殖および分裂段階で微調整を行い、腫瘍抑制機能を発揮します。このようなクロマチンリモデリング因子の変異や調節異常な共有結合ヒストン修飾は、細胞増殖における自己充足性や増殖制御細胞シグナルからの逃避を促進する可能性があり、これらは癌の2つの重要な特徴です。^{[ 24 ]}

• 以前はhSNF5/INI1として知られ、ヒトSWI/SNFリモデリング複合体の構成要素であるSMARCB1の不活性化変異は、小児に多く見られる多数の横紋筋様腫瘍で発見されている。^{[ 25 ]}同様の変異は、脈絡叢癌、髄芽腫、および一部の急性白血病などの他の小児癌にも存在する。さらに、マウスノックアウト研究は、SMARCB1が腫瘍抑制タンパク質であることを強く支持している。横紋筋様腫瘍におけるSMARCB1変異の最初の観察以来、ヒトSWI/SNFクロマチンリモデリング複合体のさらにいくつかのサブユニットが、広範囲の腫瘍で変異していることが発見されている。^{[ 26 ]}
• SWI /SNF ATPase BRG1 (またはSMARCA4 ) は、がんにおいて最も頻繁に変異するクロマチンリモデリング ATPase です。^{[ 27 ]}この遺伝子の変異は、肺由来のヒトがん細胞株で最初に認識されました。^{[ 28 ]}がんでは、BRG1 の変異は、ATPase ドメインを標的とするミスセンス変異に異常に高い嗜好性を示します。^{[ 29 ] [ 27 ]変異は、} ATP ポケットや DNA 結合面などの重要な機能面上に位置する高度に保存された ATPase 配列に豊富に存在します。 ^{[ 30 ]これらの変異は、遺伝}的に優性的に作用して、エンハンサー^{[ 29 ]およびプロモーター[ 30 ]}におけるクロマチン制御機能を変化させます。
• びまん性大細胞型B細胞リンパ腫（DLBCL）^{[ 31 ]}および他の血液悪性腫瘍^{[ 32 ]}におけるBCL7Aの不活性化変異
• 急性骨髄性白血病におけるPML - RARA融合タンパク質はヒストン脱アセチル化酵素をリクルートする。これにより骨髄細胞の分化に関わる遺伝子が抑制され、白血病を引き起こす。^{[ 33 ]}
• 腫瘍抑制タンパク質Rbは、SWI/SNF酵素BRG1、ヒストン脱アセチル化酵素、DNAメチルトランスフェラーゼのヒト相同体をリクルートすることによって機能します。BRG1の変異は、Rbの腫瘍抑制作用の喪失を引き起こすいくつかの癌で報告されています。^{[ 34 ]}
• 最近の報告によると、いくつかの癌において、主要な腫瘍抑制遺伝子のプロモーター領域にDNAの過剰メチル化が認められる。ヒストンメチルトランスフェラーゼの変異はまだほとんど報告されていないものの、DNAの過剰メチル化とヒストンH3リジン9メチル化との相関関係は、主に大腸癌や乳癌など、いくつかの癌で報告されている。
• ヒストンアセチルトランスフェラーゼ（HAT）p300の変異（ミスセンス変異および切断型変異）は、大腸癌、膵臓癌、乳癌、胃癌で最も多く報告されている。p300のコード領域（22q13染色体）におけるヘテロ接合性の喪失は、多数の膠芽腫に見られる。
• さらに、HATはヒストンアセチルトランスフェラーゼ活性に加えて、転写因子としても多様な役割を担っており、例えばHATサブユニットであるhADA3は、転写因子と他のHAT複合体を連結するアダプタータンパク質として機能する可能性がある。hADA3が存在しない場合、TP53の転写活性は著しく低下することから、hADA3がDNA損傷に応答してTP53の機能を活性化する役割を担っていることが示唆される。
• 同様に、酵母Tra1のヒト相同体であるTRRAPは、既知の癌タンパク質であるc-MycおよびE2F1と直接相互作用することが示されている。^{[ 35 ]}

• ATRX症候群（αサラセミアX連鎖性精神遅滞）およびαサラセミア骨髄異形成症候群は、 PHDフィンガードメインを持つSNF2関連ATPaseであるATRXの変異によって引き起こされる。^{[ 45 ]}
• CHARGE症候群は常染色体優性疾患であり、最近、 CHDファミリーATPaseであるCHD7をコードするCHD7のハプロ不全と関連付けられている。^{[ 46 ]}

クロマチン構造の再構築は、生物の老化と関連しているが、それとは異なる細胞老化の過程に関与している。複製細胞老化とは、分裂後細胞が代謝的に活性な細胞として存在し続けるが増殖しない、永続的な細胞周期停止を指す。^{[ 47 ] [ 48 ]}老化は、加齢に伴う劣化、テロメアの短縮、早老症、前悪性腫瘍、その他の形態の損傷や疾患によって生じる可能性がある。老化細胞は、損傷した細胞や癌細胞の増殖を防ぐため、クロマチン構造の変化、リモデラー量の変動、エピジェネティック修飾の変化など、特徴的な抑制表現型の変化を受ける。 ^{[ 49 ] [ 50 ] [ 47 ]}老化細胞では、構成的ヘテロクロマチンが核の中心に移動し、ユークロマチンと選択的ヘテロクロマチンが核の端の領域に移動するため、クロマチンランドスケープの変化が起こります。これにより、クロマチンとラミンの相互作用が破壊され、分裂活性細胞で通常見られるパターンが反転します。^{[ 51 ] [ 49 ]}個々のラミン関連ドメイン (LAD) とトポロジカル関連ドメイン(TAD) は、この移動によって破壊され、ゲノム全体にわたるシス相互作用に影響を与える可能性があります。 ^{[ 52 ]}さらに、特にヌクレオソームヒストンH3とH4、およびリンカーヒストンH1に関して、標準的なヒストンの喪失の一般的なパターンがあります。 ^{[ 51 ]} 2つのエクソンを持つヒストンバリアントは老化細胞で発現が亢進し、老化変化に対するクロマチンの許容性を高める修飾ヌクレオソームアセンブリを生成する。^{[ 52 ]}バリアントヒストンタンパク質の転写は亢進する可能性があるが、カノニカルヒストンタンパク質は細胞周期のS期にのみ作られ、老化細胞は分裂後であるため、発現しない。 ^{[ 51 ]}老化中、染色体の一部が核からリソソーム分解のために輸送される可能性があり、その結果、より大きな組織的混乱とクロマチン相互作用の破壊が生じる。^{[ 50 ]}

クロマチンリモデリング因子の豊富さは細胞老化に関与している可能性があり、NuRD、ACF1、SWI/SNPなどのATP依存性リモデリング因子のノックダウンまたはノックアウトは、酵母、 C. elegans、マウス、およびヒト細胞培養においてDNA損傷および老化表現型をもたらす可能性がある。^{[ 53 ] [ 50 ] [ 54 ]} 老化細胞ではACF1とNuRDの発現が低下しており、これはクロマチンリモデリングが有糸分裂表現型の維持に不可欠であることを示唆している。^{[ 53 ] [ 54 ]}老化シグナル伝達に関与する遺伝子は、PRC1/PCR2によるp16のサイレンシングに見られるように、クロマチンコンフォーミネーションとポリコーム抑制複合体によってサイレンシングされる可能性がある。^{[ 55 ] [ 56 ]}特定のリモデリング因子の枯渇は、サイレンシングの維持の失敗により増殖遺伝子の活性化をもたらす。^{[ 50 ]} 一部のリモデリング因子は、特定の遺伝子座ではなく遺伝子のエンハンサー領域に作用し、調節領域の周囲に高密度のヘテロクロマチン領域を形成することで細胞周期への再突入を阻止する。^{[ 56 ]}

老化細胞は、分裂細胞と比較して、特定のクロマチン領域でエピジェネティック修飾の広範な変動を経験する。複製老化を起こしているヒトおよびマウス細胞は、メチル化の全体的な減少を経験するが、特定の遺伝子座は一般的な傾向と異なる場合がある。^{[ 57 ] [ 52 ] [ 50 ] [ 55 ]}特定のクロマチン領域、特に増殖遺伝子座のプロモーターまたはエンハンサー周辺の領域は、抑制的および活性化ヒストン修飾の全体的な不均衡を伴うメチル化状態の上昇を示す可能性がある。^{[ 49 ]}増殖遺伝子は抑制マークH3K27me3 の増加を示す可能性がある一方、サイレンシングまたは異常ヒストン産物に関与する遺伝子は活性化修飾H3K4me3 で富む可能性がある。^{[ 52 ]}さらに、サーチュインファミリーのメンバーなどのヒストン脱アセチル化酵素の発現を亢進させると、クロマチンへのアクセス性を高めるアセチル基を除去することで老化を遅らせることができる。 ^{[ 58 ]}メチル化の全般的な喪失とアセチル基の付加が組み合わさると、有糸分裂活性細胞と比較して、よりアクセスしやすいクロマチン構造となり、無秩序化の傾向が見られる。^{[ 50 ]}ヒストンの全般的な喪失はヒストン修飾の付加を妨げ、老化中のいくつかのクロマチン領域の濃縮の変化に寄与する。^{[ 51 ]}