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H3K4me3は、 DNAパッケージングタンパク質ヒストンH3のエピジェネティック修飾であり、ヒストンH3タンパク質の4番目のリジン残基のトリメチル化を示し、遺伝子発現の調節に関与することが多い。[1]この名前は、ヒストンH3タンパク質のリジン4に3つのメチル基（トリメチル化）が付加されることを意味します。
H3は真核細胞（ヒト細胞を含む）でDNAをパッケージ化するために使用され、ヒストンの修飾は転写のための遺伝子のアクセス可能性を変化させます。H3K4me3は、通常、近くの遺伝子の転写の活性化に関連しています。H3K4のトリメチル化は、 NURF複合体によるクロマチンリモデリングを介して遺伝子発現を制御します。 [2]これにより、クロマチン内のDNAが転写因子にアクセスしやすくなり、遺伝子が細胞内で転写および発現できるようになります。より具体的には、H3K4me3は、ヒストンアセチル化酵素とヌクレオソームリモデリング酵素（NURF）をもたらすことで転写を正に制御することがわかっています。[3] H3K4me3は、幹細胞の効力と系統の遺伝的制御にも重要な役割を果たしています。[4]これは、このヒストン修飾が、発達と細胞アイデンティティの確立に関連するDNA領域でより多く見られるためです。[5]
命名法
H3K4me3 はヒストン H3 タンパク質サブユニット上のリジン4のトリメチル化を示します。
リジンのメチル化
この図はリジン残基の進行性メチル化を示しています。トリメチル化 (右) は H3K4me3 に存在するメチル化を示します。
H3K4me3 修飾は、リジン特異的ヒストンメチルトランスフェラーゼ(HMT) によって 3 つのメチル基がヒストン H3 に転移することで生成されます。[6] H3K4me3 は、 WD40 反復タンパク質モチーフを含むタンパク質WDR5を含むメチルトランスフェラーゼ複合体によってメチル化されます。[7] WDR5 はジメチル化された H3K4 と特異的に結合し、メチルトランスフェラーゼによるさらなるメチル化を可能にして、H3K4me3 修飾の生成と読み出しを可能にします。[8] WDR5 活性は、ヒストンのメチル化によって制御されるHox 遺伝子などの発生遺伝子に必要であることが示されています。[7]
エピジェネティックマーカー
H3K4me3はよく使われるヒストン修飾です。H3K4me3は最も少ないヒストン修飾の1つですが、転写開始部位（TSS）近くの活性プロモーターに非常に多く存在し[9]、転写と正の相関関係にあります。H3K4me3は、活性遺伝子プロモーターを同定するためのエピジェネティック研究（通常はクロマチン免疫沈降法で同定）においてヒストンコードまたはヒストンマークとして使用されます。
H3K4me3は、PHDフィンガータンパク質モチーフを介してクロマチンを再構築するタンパク質複合体であるNURF複合体の作用を介して遺伝子活性化を促進します。[2]これにより、クロマチン内のDNAが転写因子にアクセス可能になり、遺伝子が細胞内で 転写され、発現できるようになります。
ヒストン修飾を理解する
真核細胞のゲノム DNA は、ヒストンと呼ばれる特殊なタンパク質分子に巻き付いています。DNA のループによって形成される複合体はクロマチンと呼ばれます。クロマチンの基本構造単位はヌクレオソームです。これは、ヒストンのコア オクタマー (H2A、H2B、H3、H4) とリンカー ヒストン、および約 180 塩基対の DNA で構成されています。これらのコア ヒストンには、リジンとアルギニン残基が豊富に含まれています。これらのヒストンのカルボキシル (C) 末端は、ヒストン間相互作用だけでなく、ヒストンと DNA 間の相互作用にも寄与しています。アミノ (N) 末端の荷電テールは、H3K4me1 に見られるような翻訳後修飾の場所です。[10] [11]
幹細胞と胚形成における役割
H3K4me3を介した遺伝子発現の制御は、幹細胞の運命決定と初期胚発生において重要な役割を果たしている。多能性細胞は、ChIP-seqによって識別できる独特のメチル化パターンを持っている。これは、誘導多能性幹細胞の開発において重要である。多能性誘導が成功したかどうかの指標を見つける方法の1つは、エピジェネティックパターンを胚性幹細胞のパターンと比較することである。[12]
二価クロマチンでは、H3K4me3は抑制修飾H3K27me3と共局在し、遺伝子調節を制御します。[13]胚細胞のH3K4me3は二価クロマチンシステムの一部であり、DNAの領域は活性化ヒストンメチル化と抑制ヒストンメチル化で同時にマークされています。[13]これにより、遺伝子は主に抑制されますが、細胞が発達するにつれてH3K4me3により急速に発現される可能性がある、柔軟な遺伝子発現システムが可能になると考えられています。[4]これらの領域は、低レベルで発現する転写因子遺伝子と一致する傾向があります。[4] Hox遺伝子などのこれらの因子の一部は、胚発生中の発達と細胞分化の制御に不可欠です。[2] [4]
DNA修復
H3K4me3はDNA二本鎖切断部位に存在し、非相同末端結合経路による修復を促進する。[14] H3K4me3の結合は、腫瘍抑制因子として作用し、DNA修復機構を作動させる成長タンパク質1阻害因子（ING1）などの遺伝子の機能に必要であることが示唆されている。[15]
DNA損傷が発生すると、クロマチン内のヒストンの修飾の結果としてDNA損傷シグナル伝達と修復が開始されます。メカニズム的には、H3K4me3の脱メチル化は、DNA損傷への特定のタンパク質結合とリクルートメントに必要となります[16]
エピジェネティックな意味合い
ヒストン修飾複合体またはクロマチンリモデリング複合体によるヒストンテールの翻訳後修飾は細胞によって解釈され、複雑で組み合わせた転写出力につながる。ヒストンコードは、特定領域内のヒストン間の複雑な相互作用によって遺伝子の発現を指示すると考えられている。[17]ヒストンに関する現在の理解と解釈は、2つの大規模プロジェクト、ENCODEとエピゲノムロードマップから生まれたものである。[18]エピゲノム研究の目的は、ゲノム全体のエピジェネティックな変化を調査することでした。これにより、異なるタンパク質やヒストン修飾の相互作用をグループ化することでゲノム領域を定義するクロマチン状態が生まれました。ショウジョウバエ細胞におけるクロマチン状態は、ゲノム内のタンパク質の結合場所を見ることで調査されました。ChIPシーケンシングの使用により、異なるバンドを特徴とするゲノムの領域が明らかになりました。[19]ショウジョウバエでも様々な発達段階がプロファイリングされ、ヒストン修飾の関連性に重点が置かれました。[20]得られたデータを調べた結果、ヒストン修飾に基づいたクロマチン状態の定義ができました。[21]特定の修飾がマッピングされ、特定のゲノム領域に濃縮が局在していることがわかりました。5つのコアヒストン修飾が見つかり、それぞれがさまざまな細胞機能に関連していました。
ヒトゲノムはクロマチン状態で注釈付けされました。これらの注釈付き状態は、基礎となるゲノム配列から独立してゲノムを注釈付ける新しい方法として使用できます。DNA配列からのこの独立性は、ヒストン修飾のエピジェネティックな性質を強化します。クロマチン状態は、エンハンサーなどの定義された配列を持たない制御要素を識別するのにも役立ちます。この追加レベルの注釈により、細胞固有の遺伝子制御をより深く理解できます。[22]
方法
ヒストンマーク H3K4me3 はさまざまな方法で検出できます。
1.クロマチン免疫沈降シーケンシング（ChIPシーケンシング）は、標的タンパク質に結合して免疫沈降したDNA濃縮量を測定する。この方法は最適化に優れており、細胞内で起こるDNA-タンパク質結合を明らかにするために生体内で使用されている。ChIP-Seqは、ゲノム領域に沿ったさまざまなヒストン修飾のさまざまなDNA断片を識別し、定量化するために使用できる。[23]
2. ミクロコッカスヌクレアーゼシークエンシング（MNase-seq）は、適切に配置されたヌクレオソームが結合した領域を調べるために使用されます。ミクロコッカスヌクレアーゼ酵素の使用は、ヌクレオソームの位置を特定するために使用されます。適切に配置されたヌクレオソームは、配列が濃縮されていることが見られます。[24]
3. トランスポザーゼアクセスクロマチンシークエンシングアッセイ（ATAC-seq）は、ヌクレオソームのない領域（オープンクロマチン）を調べるために使用されます。これは、ヌクレオソームの局在を強調するために、過剰に活性化したTn5トランスポゾンを使用します。[25] [26] [27]
参照
参考文献
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