エピゲノム

生物学において、生物のエピゲノムとは、 DNAとヒストンタンパク質の化学変化の集合体であり、DNAがいつ、どこで、どのように発現するかに影響します。これらの変化は、世代を超えたエピジェネティックな遺伝によって生物の子孫に受け継がれます。エピゲノムの変化は、クロマチンの構造の変化やゲノムの機能の変化をもたらします。^[1] DNAのメチル化やヒストンの修飾を含むヒトのエピゲノムは、細胞分裂（有糸分裂と減数分裂の両方）を通じて維持されます。 ^{[2]エピゲノムは正常な}発達と細胞分化に不可欠であり、同じ遺伝コードを持つ細胞が異なる機能を果たすことを可能にします。ヒトのエピゲノムは動的であり、食事、ストレス、毒素などの環境要因の影響を受ける可能性があります。

エピゲノムは、遺伝子発現、発達、組織分化、転移因子の抑制の調節に関与しています。個体内でほぼ静的なままである基礎ゲノムとは異なり、エピゲノムは環境条件によって動的に変化する可能性があります。

エピジェネティックな変化の主な種類は以下の通りである^[3]

DNA分子へのメチル基の付加（典型的にはシトシン塩基）。この修飾は一般に、遺伝子発現に必要な転写因子やその他のタンパク質の結合を阻害することで遺伝子サイレンシングにつながる。 ^[3]

DNAは、シトシンのメチル化（ 5-メチルシトシン（5mC）としても知られる）などのさまざまなエピジェネティックマークと機能的に相互作用します。このエピジェネティックマークは広く保存されており、遺伝子発現の調節、転移因子および反復配列のサイレンシングにおいて重要な役割を果たします。^[4]

個人はエピジェネティックプロファイルが異なり、例えば、個人間のCpGメチル化の分散は約42％です。対照的に、各個人のエピジェネティックプロファイル（メチル化プロファイルを含む）は1年間にわたって一定であり、表現型と代謝特性の不変性を反映しています。特にメチル化プロファイルは12か月間で非常に安定していますが、数十年にわたってさらに変化するようです。^[5]

CoRSIV は DNA メチル化における系統的個体間変異の相関領域です。ヒトゲノムのわずか 0.1%を占めるだけなので非常に稀ですが、長いゲノム距離 (>50 kbp) にわたって相互相関している可能性があります。CoRSIV は、腫瘍、精神疾患、心血管疾患など、多くのヒト疾患に関与する遺伝子とも関連しています。疾患関連 CpG サイトは、コントロール領域と比較して CoRSIV で 37% 多く、tDMR (組織特異的な差次的メチル化領域) と比較して CoRSIV で 53% 多くなっていることが観察されています。^[6]

CoRSIVのほとんどは200～300bpの長さで、5～10個のCpGジヌクレオチドを含み、最大のものは数kbに及び、数百個のCpGを含みます。これらの領域はクラスター状に発生する傾向があり、CoRSIV密度の高い2つのゲノム領域は、染色体6の主要組織適合遺伝子（ MHC）遺伝子座と、染色体20の長腕のセントロメア周辺領域に観察されます^。[6]

CoRSIVは遺伝子間領域や静止領域（サブテロメア領域など）に豊富に存在し、多くの転位因子を含みますが、CpGアイランド（CGI）や転写因子結合部位はほとんどありません。CoRSIVは遺伝子の近く、ヘテロクロマチン領域、活性プロモーター、エンハンサーでは十分に表現されていません。また、高度に保存されたゲノム領域には存在しないのが通常です。^[6]

CoRSIVは有用な応用が可能である。ある組織におけるCoRSIVメチル化の測定は、他の組織におけるエピジェネティック制御に関する情報を提供することができ、実際、全身のエピジェネティック変異は一般にすべての組織および細胞型で一貫しているため、関連する遺伝子の発現を予測することができる。^[7]

集団エピゲノム変異の根底にある遺伝的基盤の定量化も、そのシスおよびトランス調節構造を描写するために重要です。特に、ほとんどの研究は、DNAメチル化の個人間差異は主にシス調節配列多型によって決定され、おそらくTFBS（転写因子結合部位）の変異が関与し、下流の局所クロマチン環境に影響を及ぼすと述べています。ヒトにおけるトランス作用多型の希薄性は、そのような影響が非常に有害であることを示唆しています。実際、トランス作用因子は、クロマチン制御遺伝子またはその他の高度に多面的な調節因子の変異によって引き起こされると予想されます。トランス作用バリアントがヒト集団に存在する場合、それらはおそらくまれな対立遺伝子として分離するか、体細胞変異に由来し、多くの癌の場合のように臨床表現型を呈します。^[4]

DNA のメチル化 (特に CpG 領域) は遺伝子発現に影響を及ぼします。高メチル化領域は異なる発現を示す傾向があります。実際、同様のメチル化プロファイルを持つ人は同じトランスクリプトームを持つ傾向があります。さらに、ヒトのメチル化に関する重要な観察結果の 1 つは、CpG メチル化における機能的に関連する変化のほとんどが、エンハンサーなどの調節要素で発生することです。

いずれにしても、差次的発現はメチル化された遺伝子のごく一部にのみ関係しており、CpGメチル化された遺伝子の5分の1だけが、メチル化状態に応じてさまざまな発現を示しています。メチル化が遺伝子制御に影響を与える唯一の要因ではないことに注意することが重要です。^[5]

免疫染色実験により、ヒトの着床前胚では、全体的なDNA脱メチル化プロセスが存在することが明らかになりました。受精後、DNAメチル化レベルは初期の前核で急激に低下します。これは、この段階で活発にDNA脱メチル化が起こっている結果です。しかし、全体的な脱メチル化は不可逆的なプロセスではなく、実際には、初期から中期前核段階、および4細胞段階から8細胞段階にかけて、新たなメチル化が起こります。 ^[8]

DNAメチル化率は卵母細胞と精子で異なります。成熟した卵母細胞は中程度のDNAメチル化レベル（72%）ですが、精子は高いレベルのDNAメチル化（86%）を示します。父親のゲノムの脱メチル化は受精後すぐに起こりますが、母親のゲノムはこの段階での脱メチル化プロセスにかなり抵抗性があります。母親の異なるメチル化領域（DMR）は、着床前脱メチル化の波に対してより抵抗性があります。^[8]

CpGメチル化は、胚小胞（GV）段階、中間中期I（MI）段階、成熟中期II（MII）段階で類似している。非CpGメチル化はこれらの段階で蓄積し続ける。^[8]

生殖細胞系列のクロマチンアクセシビリティは、sc ATAC-seqやsciATAC-seq、scCOOL-seq、scNOMe-seq、sc DNase-seqなどのさまざまなアプローチによって評価されました。アクセス可能なクロマチン領域を持つ段階固有の近位および遠位領域が特定されました。全体的なクロマチンアクセシビリティは、接合子から8細胞期にかけて徐々に減少し、その後増加することがわかりました。親の対立遺伝子特異的分析では、父方ゲノムは後期接合子期から4細胞期にかけて母方ゲノムよりもオープンになることが示されており、これはプロタミンがヒストンに置き換わった父方ゲノムの脱凝縮を反映している可能性があります。^[8]

相同染色体間の DNA メチル化不均衡は、配列依存的な挙動を示します。同じ染色体上の隣接するシトシンのメチル化状態の違いは、染色体間の DNA 配列の違いにより発生します。全ゲノム亜硫酸水素塩シーケンシング(WGBS) は、単一染色体解像度レベルと包括的な全ゲノムカバレッジで、配列依存の対立遺伝子特異的メチル化 (SD-ASM) を調査するために使用されます。49 のメチロームでテストされた WGBS の結果、5% の遺伝子座で 30% を超える CpG メチル化不均衡が明らかになりました。^[9]

転写因子が結合した遺伝子調節遺伝子座の部位では、DNA のメチル化状態と非メチル化状態の間のランダムな切り替えが観察されました。これは確率的切り替えとも呼ばれ、突然変異や遺伝性疾患に対する遺伝子調節回路の選択的緩衝化に関連しています。まれな遺伝子変異のみが確率的タイプの遺伝子調節を示します。

Onuchic らによる研究は、DNA メチル化、遺伝子転写、およびヒストン修飾における対立遺伝子不均衡のマップを作成することを目的としていました。13 人の参加者ドナーからの 36 種類の細胞と組織を使用して、71 のエピゲノムを調べました。49 のメチロームでテストされた WGBS の結果、5% の遺伝子座で 30% を超える CpG メチル化不均衡が明らかになりました。確率的スイッチングは、転写因子に結合した数千のヘテロ接合性調節遺伝子座で発生しました。中間メチル化状態は、メチル化されたエピアレルとメチル化されていないエピアレルの相対頻度を指します。エピアレル頻度の変動は、転写因子に対するアレル親和性と相関しています。

研究の分析によると、ヒトのエピゲノムは平均して約200の有害なSD-ASM変異体をカバーしていることがわかりました。組織特異的な発現パターンを持つ遺伝子の感受性は、遺伝子制御における進化的革新の機会を与えます。^[9]

ハプロタイプ再構築戦略は、さまざまなヒト組織におけるクロマチン化学修飾（ChIP-seqを使用）を追跡するために使用されます。ハプロタイプを分解したエピゲノムマップは、クロマチン構成における対立遺伝子の偏りを追跡できます。異なる組織や個人間で大きな違いが観察されます。これにより、遺伝子と制御配列間のシス制御関係をより深く理解できます。^[10]

ヒストンタンパク質の翻訳後修飾には、メチル化、アセチル化、リン酸化、ユビキチン化、SUMO化が含まれます。これらの修飾は、クロマチン構造と転写機構へのDNAのアクセス性を変化させることで、遺伝子発現を活性化または抑制します。

ヒト組織のエピジェネティックプロファイルは、異なる機能領域で以下の異なるヒストン修飾を明らかにしている：^[10]

ヒストンのアセチル化はヒストンの正電荷を中和します。これにより負に帯電したDNAへの静電気的な引力が弱まり、ヒストンからDNAがほどけ、DNAが転写機構にアクセスしやすくなり、転写が活性化されます。^[11]

メチル化された特定のアミノ酸に応じて、遺伝子発現の活性化または抑制につながる可能性があります。

非コードRNA（ncRNA）遺伝子サイレンシングには、マイクロRNA（miRNA）、長鎖非コードRNA（lncRNA）、低分子干渉RNA（siRNA）など、さまざまな種類の非コードRNAが関与しています。これらのRNA分子は、mRNAの分解、翻訳の阻害、クロマチンリモデリングなど、さまざまなメカニズムによって遺伝子発現を調節することができます。^[3]

ここ数年、クロマチンの構造的、ひいては機能的変化を研究するための方法がいくつか開発されてきた。ヒトゲノムの調節要素を特定するためにエピゲノムプロファイリングを使用した最初のプロジェクトは、細胞株のヒストン修飾のプロファイリングに焦点を当てたENCODE （DNA要素百科事典）であった。数年後、ENCODEは国際的なエピゲノム研究の調整を目的とする国際ヒトエピゲノムコンソーシアム（IHEC）に加わった。^[12]

これらのプロジェクトが研究することを目的としている構造変更は、主に次の 5 つのグループに分けられます。

• 制御遺伝子を含む領域を検出するためのヌクレオソーム占有率。
• クロマチン相互作用とドメイン^[12]

トポロジカル関連ドメインは、細胞のゲノムの構造的組織化の程度です。これらは、100キロベースからメガベースまでの大きさのクロマチン領域によって形成され、高度に自己相互作用します。ドメインは他のゲノム領域によってリンクされており、そのサイズに基づいて「トポロジカル境界領域」または「未組織クロマチン」と呼ばれます。これらの境界領域は、トポロジカルドメインをヘテロクロマチンから分離し、後者の増幅を防ぎます。トポロジカルドメインは哺乳類では分散していますが、同様のゲノムパーティションはショウジョウバエでも特定されています。^[13]

ヒトのトポロジカルドメインは、他の哺乳類と同様に、遺伝子発現や転写制御プロセスに関する多くの機能を持っています。これらのドメイン内では、クロマチンはよく絡み合っていますが、境界領域ではクロマチン相互作用がはるかに少なくなっています。^[14]特にこれらの境界領域は、すべてのトポロジカルドメインの機能を決定するいくつかの特殊性を示しています。

まず、それらには絶縁体領域とバリア要素が含まれており、どちらもRNAポリメラーゼ酵素からのさらなる転写を阻害する働きをします。^{[15]このような要素は、絶縁体結合タンパク質}CTCFが大量に存在することによって特徴付けられます。

第二に、境界領域はヘテロクロマチンの広がりをブロックし、有用な遺伝情報の損失を防ぎます。この情報は、ヘテロクロマチンマークH3K9me3配列が境界配列の近くで明らかに中断するという観察から得られます。^[16]

第三に、転写開始部位（TSS）、ハウスキーピング遺伝子、tRNA遺伝子は境界領域に特に豊富に存在し、他のトポロジカル領域とは異なる構造特性により、これらの領域は転写活性が旺盛であることを示しています。^{[17] [18]}

最後に、トポロジカルドメインの境界領域とその周辺には、Alu /B1およびB2 SINE レトロトランスポゾンが豊富に存在します。近年、これらの配列はCTCFの結合部位を変化させ、一部のゲノム領域の発現を妨害することが指摘されています。^[19]

遺伝子調節と転写制御における役割のさらなる証拠としては、哺乳類の進化全体にわたって境界パターンが大きく保存されていること、異なる細胞型内での小さな多様性のダイナミックレンジが挙げられ、これらのトポロジカルドメインが細胞型特有の制御イベントに関与していることを示唆している。^[14]

4D Nucleome プロジェクトは、哺乳類ゲノムの 3D マップを作成し、エピゲノム修飾と遺伝子変異を相関させる予測モデルを開発することを目的としています。特に、遺伝子修飾とエピゲノム修飾を、3 次元空間で相互作用するエンハンサーとプロモーターとリンクさせ、機能分析と治療標的化の新たな候補として遺伝子セットのインタラクトームとパスウェイを発見することが目標です。

Hi-C ^[20]は、ゲノム全体のスケールで3次元空間におけるDNA断片間の接続をマッピングするために使用される実験的手法です。この技術は、クロマチンの化学的架橋と制限酵素消化および次世代DNAシーケンシングを組み合わせたものです。^[21]

この種の研究は現在、生データの不足または入手不能によって制限されている。^[12]

エピジェネティクスは、現在、がん研究で活発に行われているテーマです。ヒトの腫瘍は、 DNA メチル化とヒストン修飾パターンの大きな破壊を受けます。がん細胞の異常なエピジェネティックな状況は、ゲノム全体の低メチル化、腫瘍抑制遺伝子のCpG アイランドプロモーターの過剰メチル化、重要な遺伝子のヒストンコードの変化、モノアセチル化およびトリメチル化ヒストン H4 の全体的な損失によって特徴付けられます。

DNA損傷が転写とDNA複製を阻害することで老化を促進するという考えは、1980年代に最初に提唱されて以来、広く支持されてきました。^[22] ここ数十年で、DNA損傷と修復が広範囲にわたるエピゲノムの変化を引き起こし、それが老化にも寄与するという追加の考えを支持する証拠が蓄積されてきました（例：^{[23] [24]}）。このようなエピゲノムの変化には、DNAメチル化とヒストン修飾のパターンの加齢に伴う変化が含まれます。^[23]

潜在的なヒトエピゲノムプロジェクトの前段階として、ヒトエピゲノムパイロットプロジェクトは、ヒトゲノム中のメチル化可変位置（MVP）を特定しカタログ化することを目的としています。^[25]シーケンシング技術の進歩により、現在では複数の分子的手法によってゲノム全体のエピゲノム状態を分析することが可能になっています。^[26] エピゲノムを調査するために、マイクロスケールおよびナノスケールのデバイスが構築または提案されています。^[27]

参照エピゲノムを分析する国際的な取り組みは、国際ヒトエピゲノムコンソーシアム（IHEC）の形で2010年に開始されました。 ^{[28] [29] [30] [31] IHECのメンバーは、さまざまな種類の正常および疾患関連のヒト}細胞型から少なくとも1,000の参照（ベースライン）ヒトエピゲノムを生成することを目指しています。^{[32] [33] [34]}

NIH ロードマップ エピゲノミクス プロジェクト (2021-04-08 にWayback Machineでアーカイブ済み) の目標の 1 つは、さまざまな細胞株、一次細胞、一次組織にわたる正常で健康な個人からヒトの参照エピゲノムを生成することです。プロジェクトによって生成されたデータは、ヒト エピゲノム アトラスから閲覧およびダウンロードでき、エピゲノムのさまざまな側面とエピゲノム状態の結果 (遺伝子発現など) を分析する 5 つのタイプに分類されます。

1. ヒストン修飾- クロマチン免疫沈降シークエンシング（ ChIP-Seq）は、修飾に対する抗体を使用してゲノム全体のヒストン修飾パターンを識別します。 ^[35]
2. DNAメチル化- 全ゲノム亜硫酸塩シーケンス、縮小表現亜硫酸塩シーケンス（RRBS）、メチル化DNA免疫沈降シーケンス（ MeDIP-Seq）、およびメチル化感受性制限酵素シーケンス（MRE-Seq）は、塩基対レベルまでのさまざまなレベルの解像度でゲノムの各部分にわたるDNAメチル化を識別します。 ^[36]
3. クロマチンアクセシビリティ- DNase I 高感受性部位シーケンス ( DNase-Seq ) では、DNase I 酵素を使用してゲノム内の開いている領域またはアクセス可能な領域を検索します。
4. 遺伝子発現– RNA-Seqおよび発現アレイは、発現レベルまたはタンパク質コード遺伝子を識別します。
5. 小型 RNA 発現– smRNA-Seq は、主にmiRNAなどの小型非コード RNA の発現を識別します。

健康な個人の参照エピゲノムは、ロードマップエピゲノムプロジェクトの2番目の目標、つまりアルツハイマー病などの病状で発生するエピゲノムの違いを調べることを可能にします。

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