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HMGN（高移動度群ヌクレオソーム結合）タンパク質は、転写、複製、組換え、DNA修復の調節に関与する、より広範な高移動度群（HMG）染色体タンパク質のクラスに属する。
HMGN1とHMGN2（当初はそれぞれHMG-14とHMG-17と命名）は、1970年代初頭にEW Johns研究グループによって発見されました。[ 1 ] HMGN3、HMGN4、HMGN5は後に発見され、存在量は少ないです。HMGNはヌクレオソーム結合タンパク質であり、転写、複製、組換え、DNA修復に関与しています。また、クロマチンエピジェネティックランドスケープを変化させ、細胞のアイデンティティの安定化にも役立っています。[ 2 ] その構造と機能については、まだほとんど分かっていません。[ 1 ] HMGNタンパク質はすべての脊椎動物に存在し、クロマチン構造とヒストン修飾に関与しています。[ 3 ] HMGNは長いアミノ酸鎖で構成されており、HMGN1-4では約100個、HMGN5では約200個のアミノ酸が含まれています。[ 3 ] HMGNファミリーに関する最近の研究は、細胞のアイデンティティへの影響、およびHMGNの減少がマウス胚線維芽細胞（MEF）の誘導リプログラミングにどのように関連しているかに焦点を当てています。[ 2 ]
HMGNタンパク質に関する研究の多くは試験管内で行われており、生体内でのHMGNタンパク質の機能や役割に関する研究は比較的少ない。
これらのタンパク質は主に高等真核生物に存在するため、微生物やその他の下等真核生物の使用は、HMGNタンパク質の生体内での役割を決定するには不十分であると考えられてきた。[ 4 ] HMGNタンパク質が生物全体レベルで何らかの影響を及ぼすかどうかを調べるために、ノックアウトマウスを用いた研究が行われた。その結果、マウスは正常レベルよりもHMGN(2)が少ない場合に紫外線に対する感受性が増加することが示された。これは、HMGNが紫外線による損傷の修復を促進する可能性があることを示唆している。ガンマ線に曝露されたマウスでも同様の感受性の増加が観察されたが、いずれの場合もDNAを修復する細胞プロセスは大きく異なるため、HMGNタンパク質が生体内でDNA修復を促進するかどうかは結論が出ていない。[ 5 ]
HMGN1とHMGN2は生細胞内で共局在しない。[ 4 ]これは、それぞれのHMGNが異なる役割を担っている可能性を示唆している。[ 4 ]
HMGNタンパク質は、高移動度群染色体（HMG）タンパク質と呼ばれるより広いタンパク質群の一部です。この大きなグループは、ポリアクリルアミドゲルでの高い電気泳動移動度からこの名前が付けられ、3つの異なるが関連するグループに分かれており、そのうちの1つがHMGNタンパク質です。[ 7 ] HMGNファミリーは、HMGN1、HMGN2、HMGN3、HMGN4、およびHMGN5という特定のタンパク質にさらに分けることができます。タンパク質の全体的なサイズはそれぞれ異なりますが、HMGN1-4は平均100アミノ酸です。[ 1 ]一方、より大きなHMGN5タンパク質は、マウスでは300アミノ酸以上、ヒトでは約200アミノ酸の長さです。[ 3 ]
HMGN1とHMGN2は、最も一般的なHMGNタンパク質です。主な目的と機能は、ヌクレオソーム結合による細胞クロマチンの凝縮を減少させることです。[ 8 ] NMRの証拠は、タンパク質がクロマチンの凝縮に関与する主要な要素を標的にすると、凝縮の減少が起こることを示しています。[ 1 ]これらの発現率は、それが存在する細胞の分化と相関しています。分化を経験した領域では、HMGN1とHMGN2が高発現している未分化領域と比較して、発現レベルが低下しています。[ 8 ]
HMGN3にはHMGN3aとHMGN3bの2つのバリアントがあります。[ 1 ] HMGN1およびHMGN2タンパク質とは異なり、HMGN3の2つの形態は組織および発生に特異的である傾向があります。[ 1 ]これらは特定の発生段階の特定の組織でのみ発現します。HMGN3タンパク質の2つのバリアントによって特定の組織への優先性はありません。特定の高発現HMGN3組織にはどちらも存在する可能性が等しくなります。[ 8 ]特に脳と眼は、成体膵島細胞と同様にHMGN3が高発現している領域です。[ 1 ]マウスでHMGN3が欠損すると、インスリン分泌不全により軽度の糖尿病が発症することが示されています。[ 9 ]
HMGN4の発見は、GenBankがデータベース検索中に行い、「新しいHMGN2様転写産物」として同定し、HMGN4がHMGN2と密接に関連していることを示しました。[ 1 ] HMGN4タンパク質に関する研究はほとんど行われていません。HMGN4の産生に関連する遺伝子は、第6染色体の統合失調症に関連する領域に位置しています。[ 8 ]これまで、脊椎動物ではあらゆる種類のHMGNが同定されていますが、HMGN4は霊長類でのみ確認され、同定されています。[ 1 ]ヒトでは、HMGN4は甲状腺、胸腺、リンパ節で高レベルの発現を示しています。[ 1 ]
HMGNタンパク質ファミリーに最近加わったのはHMGN5です。これは、種によって異なる長いC末端ドメインを持つため、以前のHMGNよりも大きく、300以上のアミノ酸を含んでいます。これが、マウスとヒトでHMGN5のサイズが異なる理由です。[ 1 ]その生物学的機能は不明ですが、胎盤の発達で発現していることが示されています。[ 8 ]また、前立腺癌、乳癌、肺癌など、ヒトの腫瘍にHMGN5が存在するケースもあります。[ 1 ]このため、HMGN5は癌と何らかの関連があり、将来的に癌治療の潜在的な標的になる可能性があると考えられています。
有糸分裂中の HMGN の位置は、いくつかの研究の対象となっています。細胞周期のさまざまな段階における核内組織化の時期を特定することは非常に困難です。既知の DNA 配列なしにクロマチンに結合する、豊富で遍在する核タンパク質のスーパーファミリーがあり、これは HMGA、HMBG、および HMGN ファミリーで構成されています。HMGA は細胞周期全体を通してクロマチンと関連しており、中期染色体の足場に位置しています。HMGB と HMGN の両方は有糸分裂染色体と関連しています。すべての HMG とクロマチンの相互作用は非常に動的であり、タンパク質は核内を絶えず移動しています。
サンプルヌクレオソームを潜在的な結合部位について「停止と進行」方式で調べ、「停止」ステップが「進行」ステップよりも長い。免疫蛍光研究、生細胞イメージング、ゲル移動度シフトアッセイ、および二分子蛍光補完法を用いて、野生型およびHMGN変異タンパク質のクロマチン結合特性を比較することにより、上記が決定された。結論として、HMGNは有糸分裂クロマチンと結合することができる。しかし、HMGNの有糸分裂クロマチンへの結合は、機能的なHMGNヌクレオソーム結合ドメインに依存しておらず、HMGNがヌクレオソームと特異的な複合体を形成する間期ヌクレオソームへの結合よりも弱い。[ 10 ]
ヌクレオソームは、DNAが巻き付くためのタンパク質コア（8つのヒストンから構成される）として機能し、染色体のより大きく凝縮したクロマチン構造の基盤として機能します。HMGNタンパク質は、ヌクレオソーム結合部位をめぐってヒストンH1（コアヌクレオソームの一部ではないリンカーヒストン）と競合します。[ 11 ]いったん一方のタンパク質が占有されると、もう一方のタンパク質を置き換えることはできません。しかし、両方のタンパク質はヌクレオソームに永久的に結合しているわけではなく、転写後修飾によって除去される可能性があります。HMGNタンパク質の場合、プロテインキナーゼC（PKC）は、すべてのHMGNバリアントに存在するヌクレオソーム結合ドメインのセリンアミノ酸をリン酸化することができます。[ 12 ]これにより、HMGNは細胞内環境とシグナル伝達に応じてヌクレオソームに継続的に結合および解離できるため、可動性を持つことになります。
HMGNとH1間の活発な競合は、クロマチンリモデリングにおいて重要な役割を果たし、その結果、細胞周期や細胞分化にも関与する。クロマチンの凝縮と脱凝縮によって、特定の遺伝子が発現するかどうかが決まる。ヒストンアセチル化は通常、開いたクロマチンと関連しており、ヒストンメチル化は通常、閉じたクロマチンと関連している。
ChIPシーケンス法を用いることで、DNAとタンパク質のペアを研究し、ヌクレオソームがH1またはHMGNのいずれかに結合しているときにどのようなヒストン修飾が存在するかを調べることが可能です。この方法を用いると、H1の存在はH3K27me3とH3K4me3の高レベルに対応しており、これはH3ヒストンが高度にメチル化されていることを意味し、クロマチン構造が閉じていることを示唆しています。[ 13 ]また、HMGNの存在はH3K27acとH3K4me1の高レベルに対応しており、これは逆にH3ヒストンのメチル化が大幅に減少していることを意味し、クロマチン構造が開いていることを示唆しています。[ 13 ]
While the role of HMGNs are still being researched, it is clear that the absence of HMGNs in knock out (KO) and knock down (KD) studies result in a significant difference of a cell's total transcriptional activity. Several transcriptome studies have been conducted which show various other genes are either unregulated or down regulated due to HMGN absence.
Interestingly in the case of HMGN1&2 only knocking out HMGN1 or HMGN2 results in changes for just few genes. But when you knock out both HMGN1&2 there is far more pronounced effect with regard to changes in gene activity. For example, in mice brain when only HMGN1 was knocked out only 1 gene was up-regulated, when only HMGN2 was knocked out 19 genes were up-regulated and 29 down-regulated. But when both HMGN1&2 are knocked out 50 genes were up-regulated and 41 down-regulated.[13] If you simply tallied the totals for the HMGN1 and HMGN2 knock outs you would not get the same results as an HMGN1&2 DKO (double knock out).
This is described as functional compensation since both HMGN1 and HMGN2 are only slightly different in terms of protein structure and essentially do the same thing. They have largely the same affinity for nucleosomal binding sites. That means a lot of times if HMGN1 is absent, HMGN2 can fill in and vis versa. Using ChIP-seq it was found in mice chromosomes there were 16.5K sites were both HMGN1&2 could bind, 14.6K sites that had HMGN1 preference and only 6.4K sites that had HMGN2 preference. Differences in HMGN1 and HMGN2 activity are pronounced in the brain, thymus, liver, and spleen suggesting HMGN variants also have specialized roles in addition to their overlapping functionality.[13]
This overlapping functionality may seem redundant or even deleterious, however these proteins are integral to various cellular processes, especially differentiation and embryogenesis as it provides a means for dynamic chromatin modeling. For example, in mice embryo, during ocular development HMGN1,2&3.[14] HMGN1 expression is elevated during initial stages of eye development in progenitor cells, but is decreased in newly formed and fated cells, such as lens fiber cells. HMGN2 in contrast stays elevated in both embryonic and adult eye cells. HMGN3 was found to be especially elevated at 2 weeks (for an adult mouse) in the inner nuclear and ganglion cells. This shows there is an uneven distribution of HMGNs in pre-fated and adult cells.
ヒトの脳の発達において、HMGNは神経分化の重要な構成要素であり、神経幹細胞（神経前駆細胞）で増加していることが示されています。例えば、ノックダウン研究では、HMGN1、2、3の欠損により、アストロサイト細胞の数が減少し、神経前駆細胞の数が増加しました。[ 15 ]
オリゴデンドロサイトの分化においてHMGNは重要であり、HMGN1&2の両方をノックアウトすると脊髄組織のオリゴデンドロサイトの集団が65%減少した。[ 16 ]しかし、機能的補償により、HMGN1またはHMGN2のみをノックアウトした場合はこの効果は観察されない。この観察は単なる相関関係ではない。ChIP-seq解析により、OLIG1&2遺伝子（オリゴデンドロサイトの分化に関与する転写因子）のクロマチンモデリングは開いたコンフォメーションであり、HMGNがヌクレオソームに結合していることが示されている。
この冗長性は実際には有益であると推測できる。なぜなら、少なくとも1つのHMGN変異体が存在することで、組織の分化と発達が大幅に改善されるからである。これらの知見は右の図にまとめられている。