遺伝子発現の調節

遺伝子発現の制御、または遺伝子調節^[1]には、細胞が特定の遺伝子産物（タンパク質またはRNA）の産生を増加または減少させるために使用する幅広いメカニズムが含まれます。遺伝子発現の洗練されたプログラムは、たとえば発達経路をトリガーしたり、環境刺激に反応したり、新しい食料源に適応したりするなど、生物学で広く観察されています。転写開始からRNAプロセシング、タンパク質の翻訳後修飾まで、遺伝子発現の事実上すべてのステップを調節できます。多くの場合、1つの遺伝子調節因子が別の遺伝子調節因子を制御し、遺伝子調節ネットワーク内でこれを繰り返します。

遺伝子調節は、細胞が必要なときにタンパク質を発現できるようにすることで生物の汎用性と適応性を高めるため、ウイルス、原核生物、真核生物にとって不可欠です。 1951年には早くもバーバラ・マクリントックがトウモロコシの種子の色形成における2つの遺伝子座、活性化因子（Ac）と解離因子（Ds ）の相互作用を示しましたが、遺伝子調節システムの最初の発見は、フランソワ・ジャコブとジャック・モノが1961年に発見したラックオペロンであると広く考えられています。このオペロンでは、ラクトース代謝に関与するいくつかの酵素が、ラクトースが存在しグルコースが存在しない場合にのみ大腸菌によって発現されます。

多細胞生物では、遺伝子調節が胚の細胞分化と形態形成を促進し、同じゲノム配列から異なる遺伝子発現プロファイルを持つ異なる細胞タイプの作成につながります。これは遺伝子調節がどのように始まったかを説明するものではありませんが、進化生物学者はこれを分子レベルで進化がどのように機能するかの部分的な説明として含めており、進化発生生物学（「evo-devo」）の科学の中心となっています。

シグナル伝達から転写、タンパク質の翻訳後修飾まで、遺伝子発現のあらゆる段階が調節される可能性があります。以下は遺伝子発現が調節される段階のリストです。最も広く利用されているのは転写の最初の段階である転写開始です。^{[引用が必要]}

• シグナル伝達
• クロマチン、クロマチンリモデリング、クロマチンドメイン
• 転写
• 転写後修飾
• RNA輸送
• 翻訳
• mRNA分解

真核生物では、DNA の大きな領域へのアクセスは、DNA のクロマチン構造に依存する可能性があり、 DNA メチル化、ncRNA、またはDNA 結合タンパク質によって指示されるヒストン修飾の結果として変化する可能性があります。したがって、これらの修飾は遺伝子の発現をアップレギュレーションまたはダウンレギュレーションする可能性があります。遺伝子発現を制御するこれらの修飾の一部は遺伝性であり、エピジェネティック制御と呼ばれます。^{[引用が必要]}

DNAの転写はその構造によって決まります。一般的に、DNAのパッキング密度は転写の頻度を示します。ヒストンと呼ばれる八量体タンパク質複合体と、8つのヒストンタンパク質の周りに巻かれたDNAセグメント（まとめてヌクレオソームと呼ばれます）は、DNAのスーパーコイルの量に関与しており、これらの複合体は、リン酸化などのプロセスによって一時的に変更されることもあれば、メチル化などのプロセスによってより永続的に変更されることもあります。このような変更は、遺伝子発現レベルの多かれ少なかれ永続的な変化の原因であると考えられています。^[2]

DNA のメチル化は、遺伝子サイレンシングの一般的な方法です。DNA は通常、CpG ジヌクレオチド配列 (密集している場合は「CpG アイランド」とも呼ばれます) のシトシンヌクレオチド上のメチルトランスフェラーゼ酵素によってメチル化されます。DNA の特定の領域 (プロモーターである可能性があります) のメチル化パターンの分析は、亜硫酸水素塩マッピングと呼ばれる方法で行うことができます。メチル化されたシトシン残基は処理によって変化しませんが、メチル化されていないシトシン残基はウラシルに変化します。違いは、DNA シーケンシング、または SNP を定量化するために開発された方法 (たとえば、Pyrosequencing ( Biotage ) や MassArray ( Sequenom )) によって分析され、CG ジヌクレオチドでの C/T の相対量を測定し、異常なメチル化パターンが腫瘍形成に関与していると考えられています。^[3]

ヒストンのアセチル化も転写の重要なプロセスです。CREB​​結合タンパク質などのヒストンアセチルトランスフェラーゼ酵素 (HAT)も DNA をヒストン複合体から分離し、転写を進行させます。多くの場合、DNA メチル化とヒストン脱アセチル化は遺伝子サイレンシングで連携して作用します。この 2 つの組み合わせは、DNA をより密集させ、遺伝子発現を低下させるシグナルであると思われます。^{[引用が必要]}

したがって、転写の調節は、転写が起こるタイミングと生成される RNA の量を制御します。RNAポリメラーゼによる遺伝子の転写は、いくつかのメカニズムによって調節できます。 特異性因子は、特定のプロモーターまたはプロモーター セットに対する RNA ポリメラーゼの特異性を変更し、それらに結合する可能性を高めたり低くしたりします (つまり、原核生物の転写で使用されるシグマ因子)。 リプレッサーは、プロモーター領域に近いか重複している DNA 鎖上の配列をコードしているオペレーターに結合し、鎖に沿った RNA ポリメラーゼの進行を妨げて、遺伝子の発現を妨げます。右の図は、lac オペロンのリプレッサーによる調節を示しています。 一般的な転写因子は、 RNA ポリメラーゼをタンパク質コード配列の開始位置に配置し、次にポリメラーゼを解放して mRNA を転写します。 アクティベーターは、 R​​NA ポリメラーゼと特定のプロモーターとの相互作用を強化し、遺伝子の発現を促進します。アクティベーターは、R​​NAポリメラーゼのサブユニットとの相互作用を介して、または間接的にDNAの構造を変更することによって、プロモーターに対するRNAポリメラーゼの誘引力を高めることによってこれを行います。エンハンサー は、特定のプロモーターを開始複合体に導くためにDNAをループさせるためにアクティベーターが結合するDNAらせん上の部位です。エンハンサーは、原核生物よりも真核生物ではるかに一般的であり、原核生物では（現在のところ）ほんの数例しか存在しません。^[4]サイレンサーは、特定の転写因子が結合すると、遺伝子の発現をサイレンシングできるDNA配列の領域です。

RNA は、例えばマイクロ RNA (miRNA)、アンチセンス RNA、または長鎖非コード RNA (lncRNA) などによって、遺伝子活性の重要な調節因子となり得る。lncRNA は、細胞内の特定の位置と機能を持つという点でmRNAと異なる。これらは、核とクロマチンに位置することが最初に発見され、現在ではその位置と機能は多様化している。一部は現在でもクロマチンに存在し、タンパク質と相互作用する。この lncRNA は、最終的にはパーキンソン病、ハンチントン病、アルツハイマー病などの神経疾患における遺伝子発現に影響を与えるが、PNCTR (ピリミジンリッチ非コード転写因子) などの他のものは、肺がんにおいて役割を果たしている。疾患におけるその役割を考えると、lncRNA は潜在的なバイオマーカーであり、薬剤や遺伝子治療の有用なターゲットとなる可能性があるが、lncRNA をターゲットとする承認済みの薬剤はまだない。ヒトゲノム中のlncRNAの数は明確に定義されていないが、16,000～100,000個のlnc遺伝子が存在すると推定されている。^[5]

エピジェネティクスとは、DNAやRNAの配列を変えない遺伝子の改変を指します。エピジェネティックな改変は、遺伝子発現に影響を与える重要な要素でもあります。エピジェネティックな改変はゲノムDNAとヒストン上で起こり、その化学修飾によって遺伝子発現がより効率的に制御されます。哺乳類細胞では、DNAの改変（通常はメチル化）が複数あり、RNAの改変は100以上あります。これらの改変により、DNAへのタンパク質結合が変化し、RNAの安定性と翻訳効率が変化します。^[6]

脊椎動物では、遺伝子プロモーターの大部分に多数のCpG部位を持つCpGアイランドが含まれています。^[7] 遺伝子のプロモーターCpG部位の多くがメチル化されると、遺伝子はサイレンシングされます。^[8] 大腸がんには通常、3〜6個のドライバー変異と33〜66個のヒッチハイカーまたはパッセンジャー変異があります。^[9] しかし、がんの進行を引き起こす上で、転写サイレンシングは変異よりも重要な場合があります。たとえば、大腸がんでは、約600〜800個の遺伝子がCpGアイランドのメチル化によって転写サイレンシングされています（がんにおける転写の制御を参照）。がんにおける転写抑制は、マイクロRNAの発現変化など、他のエピジェネティックなメカニズムによっても発生する可能性があります。^[10] 乳がんでは、BRCA1プロモーターの過剰メチル化よりも、過剰発現したマイクロRNA-182によってBRCA1の転写抑制がより頻繁に起こる可能性がある（ 「乳がんおよび卵巣がんにおけるBRCA1の低発現」を参照）。

依存症の基本的な特徴の 1 つは、その持続性です。持続的な行動の変化は、脳の特定の領域内で遺伝子発現に影響を与えるエピジェネティックな変化から生じる長期的な変化によるものと思われます。 ^[11] 乱用薬物は、脳内で 3 種類のエピジェネティックな変化を引き起こします。これらは、(1)ヒストンのアセチル化とヒストンのメチル化、(2) CpG 部位での DNA メチル化、(3)マイクロ RNAのエピジェネティックなダウンレギュレーションまたはアップレギュレーションです。^{[11] [12]} (詳細については、 「コカイン依存症のエピジェネティクス」を参照してください。)

マウスにおける慢性的なニコチン摂取は、ヒストンのアセチル化を介して脳細胞の遺伝子発現のエピジェネティック制御を変化させる。これにより、依存症において重要なタンパク質FosBの脳内発現が増加する。^[13] タバコ依存症は、非喫煙者、現在喫煙者、および最大30年間喫煙をやめている人を含む約16,000人の人間でも研究された。 ^[14] 血液細胞では、（ゲノム内で分析された約450,000のCpGサイトのうち）18,000を超えるCpGサイトが、現在喫煙している人々の間で頻繁にメチル化が変化していた。これらのCpGサイトは7,000を超える遺伝子、つまり既知のヒト遺伝子の約3分の1に発生していた。差異的にメチル化されたCpGサイトの大部分は、禁煙後5年以内に非喫煙者のレベルに戻った。しかし、942の遺伝子のうち2,568のCpGは、元喫煙者と非喫煙者で差異的にメチル化されたままであった。このような残存するエピジェネティックな変化は、遺伝子発現に影響を及ぼす可能性のある 「分子の傷跡」 ^[12]として捉えることができる。

げっ歯類モデルでは、コカイン^[15]、メタンフェタミン^{[16] 、 [17]、}アルコール^[18]、タバコの煙^[19]などの乱用薬物はすべて脳内でDNA損傷を引き起こします。DNA損傷の修復中に、いくつかの個別の修復イベントがDNAのメチル化や損傷部位のヒストンのアセチル化またはメチル化を変化させ、クロマチンにエピジェネティックな傷跡を残すことに寄与する可能性があります。^[20]

このようなエピジェネティックな傷跡は、依存症に見られる持続的なエピジェネティックな変化に寄与している可能性が高い。

哺乳類では、DNA中のシトシンのメチル化（図参照）が主要な調節因子である。メチル化されたシトシンは、主にシトシンの後にグアニンが続くジヌクレオチド配列、つまりCpG部位に発生する。ヒトゲノム中のCpG部位の総数は約2800万である。 ^[21]そして一般的に、すべてのCpG部位の約70％にメチル化されたシトシンがある。^[22]

ラットでは、痛みを伴う学習体験、文脈的恐怖条件付けにより、一度の訓練で生涯にわたる恐怖の記憶が形成される可能性があります。^{[23]短時間の}恐怖条件付け体験 を受けたラットの海馬ニューロンDNAでは、全遺伝子の約9.17%のプロモーター領域でシトシンのメチル化が変化しています。^[24] 海馬は新しい記憶が最初に保存される場所です。

遺伝子のプロモーター領域におけるCpGのメチル化は転写を抑制します^[25]が、遺伝子本体におけるCpGのメチル化は発現を増加させます[ ^{26] 。TET} 酵素はメチル化シトシンの脱メチル化において中心的な役割を果たします。TET酵素活性による遺伝子プロモーターにおけるCpGの脱メチル化は遺伝子の転写を増加させます^{[27] 。}

ラットに文脈的恐怖条件付けを適用すると、海馬での条件付けから 1 時間後と 24 時間後に、ラットの海馬神経ゲノムに 5,000 を超える差異的メチル化領域(DMR) (それぞれ 500 ヌクレオチド) が発生します。 ^[24] これにより、約 500 個の遺伝子がアップレギュレーションされ (多くの場合、プロモーター領域の CpG 部位の脱メチル化が原因)、約 1,000 個の遺伝子がダウンレギュレーションされます (多くの場合、プロモーター領域の CpG 部位で新たに形成された 5-メチルシトシンが原因)。ニューロン内で誘導および抑制された遺伝子のパターンは、ラットの脳の海馬でこのトレーニング イベントの最初の一時的記憶を形成するための分子的基礎を提供するようです。^[24]

DNA が転写され、mRNA が形成された後、mRNA がタンパク質に翻訳される量には何らかの制御が必要です。細胞は、キャッピング、スプライシング、ポリ (A) テールの追加、配列固有の核外輸送率、およびいくつかの状況では RNA 転写物の隔離を調整することでこれを行います。これらのプロセスは真核生物では発生しますが、原核生物では発生しません。この調整は、タンパク質または転写物の結果であり、タンパク質または転写物は制御され、特定の配列に対して親和性を持つ場合があります。

メッセンジャーRNA（mRNA）の3'-UTR（3プライム非翻訳領域）には、多くの場合、転写後に遺伝子発現に影響を与える調節配列が含まれています。 ^{[28]このような3'-UTRには、多くの場合、}マイクロRNA （miRNA）の結合部位と調節タンパク質の結合部位の両方が含まれています。 miRNAは3'-UTR内の特定の部位に結合することで、翻訳を阻害するか、転写産物を直接分解させることで、さまざまなmRNAの遺伝子発現を低下させることができます。 3'-UTRには、mRNAの発現を阻害するリプレッサータンパク質に結合するサイレンサー領域もある場合があります。

3'-UTR には、多くの場合、miRNA 応答エレメント (MRE)が含まれます。MRE は、miRNA が結合する配列です。これらは、3'-UTR 内でよく見られるモチーフです。3'-UTR 内のすべての調節モチーフ (サイレンサー領域など) のうち、MRE がモチーフの約半分を占めています。

2014年現在、miRNA配列と注釈のアーカイブであるmiRBaseウェブサイト^[29]には、233生物種の28,645のエントリが掲載されています。これらのうち、1,881のmiRNAは注釈付きのヒトmiRNA遺伝子座にありました。miRNAは平均で約400の標的mRNA（数百の遺伝子の発現に影響を与える）を持つと予測されています。^[30] Freidmanら^[30]は、ヒトmRNA 3'-UTR内の45,000を超えるmiRNA標的部位がバックグラウンドレベルを超えて保存されており、ヒトタンパク質コード遺伝子の60％以上がmiRNAとの対合を維持するために選択圧を受けていると推定しています。

直接的な実験では、単一のmiRNAが数百のユニークなmRNAの安定性を低下させる可能性があることが示されています。^[31]他の実験では、単一のmiRNAが数百のタンパク質の生成を抑制する可能性があるが、この抑制は比較的軽度（2倍未満）であることが示されています。^{[32] [33]}

miRNAによる遺伝子発現の調節異常の影響は癌において重要であると思われる。^[34]例えば、2015年の論文では、消化器癌において、9つのmiRNAがエピジェネティックに変化し、DNA修復酵素のダウンレギュレーションに効果的であることが特定された。^[35]

miRNAによる遺伝子発現の調節異常の影響は、統合失調症、双極性障害、うつ病、パーキンソン病、アルツハイマー病、自閉症スペクトラム障害などの神経精神疾患においても重要であると考えられる。^{[36] [37] [38]}

mRNA の翻訳も、主に開始レベルで、いくつかのメカニズムによって制御できます。小さなリボソームサブユニットのリクルートは、mRNA の二次構造、アンチセンス RNA 結合、またはタンパク質結合によって実際に調整できます。原核生物と真核生物の両方に、多数の RNA 結合タンパク質が存在し、多くの場合、転写の二次構造によってターゲット配列に誘導されます。二次構造は、温度やリガンド (アプタマー) の存在などの特定の条件に応じて変化する可能性があります。一部の転写はリボザイムとして機能し、その発現を自己制御します。

• 酵素誘導とは、分子（例えば、薬物）が酵素の発現を誘導（開始または増強）するプロセスです。
• ショウジョウバエ（Drosophila melanogaster）における熱ショックタンパク質の誘導。
• Lacオペロンは、遺伝子発現がどのように制御されるかを示す興味深い例です。
• ウイルスは、遺伝子がわずかしかないにもかかわらず、抗ターミネーター（ラムダファージ）またはスプライシングモジュレーター（HIV）によって制御される共線システムを使用して、典型的には初期段階と後期段階にわたって遺伝子発現を制御するメカニズムを備えています。
• Gal4はGAL1、GAL7、GAL10（いずれも酵母におけるガラクトースの代謝をコードする）の発現を制御する転写活性化因子である。GAL4 /UASシステムは、さまざまな門のさまざまな生物において遺伝子発現の研究​​に使用されている。 ^[39]

研究されている調節システムの多くは発生生物学に由来しています。例としては次のようなものがあります。

• Hox遺伝子クラスターの共線性と前後方向の入れ子構造
• 手（指 - 指間）のパターン生成：四肢の分極活動領域からのソニックヘッジホッグ（分泌誘導因子）の勾配が活性Gli3の勾配を作り出し、それがグレムリンを活性化し、それがまた四肢で分泌されるBMPを阻害し、この反応拡散システムの結果として交互の活動パターンの形成をもたらします。
• 体節形成は、均一な組織（前体節中胚葉）から体節（体節）を形成する過程である。体節は前方から後方へと順に形成される。有羊膜類では、この過程は、おそらく2つの反対の勾配、前方（波面）のレチノイン酸と後方のWntとFGFによって達成され、逆位相のFGF + NotchとWntからなる振動パターン（分節クロック）と結合している。^[40]
• ショウジョウバエの体細胞における性別決定には、常染色体遺伝子と性染色体にコードされた遺伝子の比率を感知する必要があり、その結果、雌では無性スプライシング因子が生成され、その結果、雌のアイソフォームであるdoublesexが生じる。^[41]

アップレギュレーションは、細胞の内部または外部から発生するシグナルによって引き起こされる細胞内で発生するプロセスであり、1 つ以上の遺伝子の発現が増加し、その結果、それらの遺伝子によってコードされるタンパク質が増加します。逆に、ダウンレギュレーションは、遺伝子および対応するタンパク質の発現が減少するプロセスです。

• アップレギュレーションは、例えば、細胞に何らかの受容体が欠乏している場合に発生します。この場合、より多くの受容体タンパク質が合成され、細胞膜に輸送されるため、細胞の感受性が正常に戻り、恒常性が回復します。
• ダウンレギュレーションは、例えば、細胞が神経伝達物質、ホルモン、または薬物によって長期間過剰に刺激され、細胞を保護するために受容体タンパク質の発現が減少した場合に発生します（タキフィラキシーも参照）。

遺伝子制御は、それぞれのシステムの応答によって要約できます。

• 誘導システム - 誘導システムは、遺伝子発現を可能にする分子 (誘導因子と呼ばれる) が存在しない限り無効です。この分子は「発現を誘導する」と言われています。これが起こる方法は、制御メカニズムと、原核細胞と真核細胞の違いによって異なります。
• 抑制可能なシステム - 抑制可能なシステムは、遺伝子発現を抑制する分子 (コリプレッサーと呼ばれる) が存在する場合を除いてオンです。この分子は「発現を抑制する」と言われています。これが起こる方法は、制御メカニズムと、原核細胞と真核細胞の違いによって異なります。

GAL4 /UASシステムは誘導性と抑制性の両方のシステムの例です。Gal4は上流活性化配列（UAS）に結合して、GAL1/GAL7/GAL10カセットの転写を活性化します。一方、グルコースの存在に対するMIG1応答はGAL4を阻害し、GAL1/GAL7/GAL10カセットの発現を停止します。^[42]

• リプレッサー/インデューサー: センサーの活性化により遺伝子の発現が変化する
• 負のフィードバック：遺伝子産物が直接的または間接的に自身の生産を低下させ、その結果、
  • 転写レベルを一定/係数に比例して維持する
  • 正のフィードバックループと組み合わせることで暴走反応を抑制
  • mRNAとタンパク質の半減期が短いことを考慮して、転写と翻訳の時間遅延を利用して発振器を作成する。
• 正のフィードバック：遺伝子産物が直接的または間接的に自身の生産を増加させ、その結果、
  • 信号増幅
  • 2つの遺伝子が互いに抑制し合い、両方が正のフィードバックを持つ場合の双安定スイッチ
  • パターン生成

一般的に、差次的発現を調査する実験のほとんどは、定常状態レベルと呼ばれる RNA の全細胞抽出物を使用して、どの遺伝子がどの程度変化したかを判断します。ただし、これらは調節がどこで発生したかに関する情報を提供せず、矛盾する調節プロセスを隠す可能性があります (転写後調節を参照)。しかし、これは依然として最も一般的に分析されています (定量的 PCRおよびDNA マイクロアレイ)。

遺伝子発現を研究する場合、さまざまな段階を観察する方法がいくつかあります。真核生物の場合、これには次の方法が含まれます。

• この領域の局所的なクロマチン環境は、RNAポリメラーゼII、ヒストン3修飾、トリソラックスグループタンパク質、ポリコームグループタンパク質、または適切な抗体が利用可能なその他のDNA結合要素をプルダウンすることによるChIPチップ分析によって決定できます。
• エピスタシス相互作用は合成遺伝子アレイ解析によって調査できる
• 転写後制御により、転写速度と総RNAレベルは大きく異なります。転写速度を測定するために核ランオンアッセイを行うことができ、放射能の代わりにチオール標識を使用する新しいハイスループット法が開発されています。^[43]
• 核内で重合したRNAのうち5%のみが放出され、^{[44]イントロン、}不完全産物、ナンセンス転写産物のみが分解される。したがって、穏やかな溶解によって2つの画分を分離することにより、核レベルと細胞質レベルの違いを見ることができる。^[45]
• 選択的スプライシングは、スプライシングアレイまたはタイリングアレイ（DNAマイクロアレイを参照）を使用して分析できます。
• 生体内のRNAはすべてRNPとして複合体を形成します。特定のタンパク質に結合した転写産物の量もRIP-Chipで分析できます。たとえば、DCP2は隔離されたタンパク質の指標を示し、リボソーム結合は転写中の転写産物の指標を示します（ただし、ポリソーム分画と呼ばれるより古い方法が、一部の研究室ではまだ人気があります）。
• タンパク質レベルは質量分析によって分析できますが、マイクロアレイデータは相対的であり絶対的ではないため、定量的 PCRデータとのみ比較できます。
• RNA およびタンパク質の分解速度は、それぞれ転写阻害剤 (アクチノマイシン Dまたはα-アマニチン) または翻訳阻害剤 (シクロヘキシミド)によって測定されます。

• 人工転写因子（転写因子タンパク質を模倣した小分子）
• 細胞モデル
• 保存された非コードDNA配列
• エンハンサー（遺伝学）
• 遺伝子構造
• 時空間遺伝子発現
• 調節遺伝子グルコシルトランスフェラーゼ（Rgg/SHP）システム

• ラッチマン、デビッド・S. (2005)。遺伝子調節：真核生物の視点。心理学出版。ISBN 978-0-415-36510-9。

• 植物転写因子データベースと植物転写制御データおよび解析プラットフォーム
• 米国国立医学図書館の遺伝子発現制御 (MeSH)医学件名標目(MeSH)
• ChIPBase ChIP-seq データから非コード RNA とタンパク質コード遺伝子の転写制御ネットワークをデコードするためのオープン データベース。