ヒストンのメチル化

ヒストンのメチル化は、 DNAの二重らせんが巻き付いて染色体を形成するヌクレオソームを構成するヒストンタンパク質のアミノ酸にメチル基が転移するプロセスです。ヒストンのメチル化は、ヒストン内のどのアミノ酸がメチル化されているか、およびいくつのメチル基が付加されているかに応じて、遺伝子の転写を増加または減少させます。ヒストン尾部と DNA 間の化学的引力を弱めるメチル化イベントは、DNA がヌクレオソームからほどけて転写因子タンパク質とRNA ポリメラーゼがDNA にアクセスできるようになるため、転写を増加させます。このプロセスは、異なる細胞が異なる遺伝子を発現できるようにする遺伝子発現の調節に重要です。

ヒストンのメチル化はクロマチン構造を修正するメカニズムとして、長期記憶と学習の形成に重要であることが知られている神経経路の刺激に関連しています。 ^{[1]ヒストンのメチル化は}、動物の胚発生のほぼすべての段階で重要です。^[2]

動物モデルでは、メチル化やその他のエピジェネティック制御メカニズムが、老化、神経変性疾患、知的障害などの症状と関連していることが示されています^[1]（ルビンスタイン・テイビ症候群、X連鎖性知的障害）。^[3] H3K4、H3K27、H4K20の調節異常は、がんと関連しています。^{[4]この修飾は}ヌクレオソームの特性を変え、特に遺伝子転写プロセスに関して、他のタンパク質との相互作用に影響を与えます。

• ヒストンのメチル化は、転写の抑制または活性化のいずれかと関連している可能性があります。たとえば、ヒストンH3のリジン4のトリメチル化（ H3K4me3）は転写の活性マークであり、ラットの文脈的恐怖条件付けの1時間後に海馬でアップレギュレーションされます。しかし、転写サイレンシングのシグナルであるヒストンH3のリジン9のジメチル化（H3K9me2）は、恐怖条件付けまたは新しい環境のみにさらされた後に増加します。^[5]
• ヒストンのリジン(K) およびアルギニン(R) 残基の一部がメチル化されると、転写が活性化されます。例としては、ヒストン 3のリジン 4 ( H3K4me1 ) のメチル化や、H3 およびH4のアルギニン (R) 残基のメチル化が挙げられます。
• ヒストンメチルトランスフェラーゼによるヒストンへのメチル基の付加は、メチル化されるアミノ酸とその近傍の他のメチル基またはアセチル基の存在に応じて、転写を活性化するか、さらに抑制することができる。^[6]
• 多くの場合、ヒストンリジンのメチル化では、ヒストンメチルトランスフェラーゼ（メチル化する）は「書き込み側」、脱メチル化酵素は「消去側」と特徴付けられます。^{[2] [4]}

クロマチンの基本単位であるヌクレオソームには、タンパク質八量体に巻き付いた DNA が含まれています。この八量体は、4つのヒストンタンパク質H2A、H2B、H3、およびH4がそれぞれ2つずつ含まれています。これらのタンパク質はそれぞれ尾部が延長しており、これらの尾部がメチル化によるヌクレオソーム修飾の標的となります。DNA の活性化または不活性化は、メチル化された特定の尾部残基とそのメチル化の程度に大きく依存します。ヒストンはリジン (K) およびアルギニン (R) 残基のみでメチル化されますが、メチル化はヒストン尾部 H3 および H4 のリジン残基で最も一般的に観察されます。^[7]ヌクレオソームコアから最も遠い尾部の端がN 末端です(残基はこの端から番号が付けられます)。遺伝子活性化に関連するメチル化の一般的な部位には、H3K4、H3K48、およびH3K79が含まれます。遺伝子不活性化の一般的な部位には、H3K9とH3K27が含まれます。^[8]これらの部位の研究では、さまざまな残基でのヒストンテールのメチル化が、クロマチンの活性化または不活性化を制御するさまざまなタンパク質またはタンパク質複合体のリクルートメントのマーカーとして機能することがわかっています。

リシンとアルギニン残基はどちらもアミノ基を含んでおり、塩基性および疎水性の特性を付与します。リシンは、NH3+基の各水素をメチル基で置換することで、モノメチル化、ジメチル化、またはトリメチル化できます。遊離NH2基およびNH2+基を持つアルギニンは、モノメチル化またはジメチル化できます。このジメチル化は、NH2基で非対称に発生するか、各基で1つのメチル化で対称に発生します。^[9]各残基にメチル基を追加するには、さまざまな基質と補因子を含む特定のタンパク質酵素セットが必要です。一般に、アルギニン残基のメチル化には、タンパク質アルギニンメチルトランスフェラーゼ（PRMT）を含む複合体が必要ですが、リシンには、通常、進化的に保存されたSETドメインを含む特定のヒストンメチルトランスフェラーゼ（HMT）が必要です。 ^[10]

残基のメチル化の程度によって異なる機能が付与される可能性があり、よく研究されているH4K20残基のメチル化がその例です。モノメチル化されたH4K20 ( H4K20me 1) はクロマチンの圧縮に関与しており、したがって転写抑制に関与しています。一方、H4K20me2は損傷したDNAの修復に不可欠です。ジメチル化された残基は、非相同末端結合による二本鎖DNA切断の修復に関与するタンパク質53BP1の結合のためのプラットフォームを提供します。H4K20me3はヘテロクロマチンに集中していることが観察されており、このトリメチル化の減少は癌の進行において観察されています。したがって、H4K20me3はクロマチン抑制において追加の役割を果たしています。^[10] クロマチンにおけるDNA二本鎖切断の修復は相同組み換えによっても起こり、ヒストンのメチル化 ( H3K9me3 )も関与して修復酵素が損傷部位にアクセスしやすくします。^[11]

ゲノムはクロマチンにしっかりと凝縮されており、転写が起こるためにはクロマチンを緩める必要があります。遺伝子の転写を止めるには、DNA をよりきつく巻く必要があります。これは、メチル化によって特定の部位のヒストンを修飾することで実現できます。ヒストン メチルトランスフェラーゼは、S-アデノシルメチオニン(SAM)からメチル基を H3 および H4 ヒストンのリジンまたはアルギニン残基に転移する酵素です。ヒストンのコア球状ドメインがメチル化される例もあります。

ヒストンメチルトランスフェラーゼはリジンまたはアルギニンに特異的です。リジン特異的トランスフェラーゼは、SETドメインの有無によってさらに分類されます。これらのドメインは、酵素がSAMから転移タンパク質、さらにはヒストン残基へのメチル基の転移を触媒する方法を正確に指定します。^[12]メチルトランスフェラーゼは、標的残基に1〜3個のメチル基を追加できます。

ヒストンに付加されるこれらのメチル基は、DNA の転写因子へのアクセスをブロックまたは促進することで転写を制御する働きをします。このように、ゲノムの完全性と遺伝子のエピジェネティックな継承は、ヒストン メチルトランスフェラーゼの作用によって制御されます。ヒストンのメチル化は、ゲノムの完全性と細胞によって発現される遺伝子を区別する鍵となり、細胞にアイデンティティを与えます。

メチル化されたヒストンは転写を抑制したり活性化したりすることができる。^[12]例えば、H3K4me2、H3K4me3、H3K79me3は一般的に転写活性と関連しているが、H3K9me2、H3K9me3、H3K27me2、H3K27me3、H4K20me3は転写抑制と関連している。^[13]

ヒストンに加えられた変更は、細胞内で発現している遺伝子に影響を与えます。これは、ヒストンメチルトランスフェラーゼによってメチルがヒストン残基に追加された場合に当てはまります。^[14]ヒストンのメチル化は、ヘテロクロマチン機構の組み立てと、転写される遺伝子と転写されない遺伝子の間の遺伝子境界の維持に重要な役割を果たします。これらの変化は子孫に受け継がれ、細胞が受ける環境によって影響を受ける可能性があります。エピジェネティックな変化は可逆的であるため、治療のターゲットになり得ます。

ヒストンメチルトランスフェラーゼの活性は、ヒストン脱メチル化酵素の活性によって相殺される。これにより、既存の修飾を逆転させることで転写のオン/オフを切り替えることができる。ヒストンメチルトランスフェラーゼとヒストン脱メチル化酵素の両方の活性を厳密に制御する必要がある。どちらかの誤った制御は、疾患に対する感受性の増加につながる遺伝子発現につながる可能性がある。多くの癌は、誤った制御のメチル化による不適切なエピジェネティック効果から発生する。^[15]しかし、これらのプロセスは時には可逆的であるため、抗癌療法と組み合わせてその活性を利用することに関心がある。^[15]

雌の生物では、 X染色体を含む精子が卵子を受精し、胚にX染色体の2つのコピーが与えられます。しかし、雌は最初はX染色体の両方のコピーを必要としません。なぜなら、用量補償の仮説が示すように、転写されるタンパク質産物の量が2倍になるだけだからです。父方のX染色体は、最初の数回の分裂中にすぐに不活性化されます。^{[16]この不活性X染色体（Xi）は、}ヘテロクロマチンと呼ばれる非常に密集した形のクロマチンに詰め込まれています。^[17]この詰め込みは、異なるヒストンの形成を助ける異なるリジン残基のメチル化によって発生します。ヒトでは、X染色体の不活性化はランダムなプロセスであり、非コードRNA XISTによって媒介されます。^[18]

リジン残基のメチル化は多くの異なるヒストン上で起こるが、Xiの最も特徴的なメチル化は3番目のヒストンの9番目のリジン（H3K9）で起こる。この領域を1回メチル化することで、結合した遺伝子は転写活性を維持できるが、^[19]ヘテロクロマチンでは、このリジン残基は2回または3回メチル化され、それぞれH3K9me2またはH3K9me3となり、結合したDNAが不活性であることが保証される。最近の研究では、H3K27me3とH4K20me1も初期胚で一般的であることがわかっている。DNAの転写活性領域に関連する他のメチル化マークであるH3K4me2とH3K4me3は、多くのアセチル化マークとともにXi染色体から欠落している。特定のXiヒストンメチル化マーキングは種間で比較的一定であることが知られていましたが、最近では異なる生物、さらには単一の生物内の異なる細胞でさえ、X不活性化の異なるマーキングを持つ可能性があることが発見されました。^{[20]ヒストンメチル化を通じて}遺伝的刷り込みが行われ、同じXホモログが染色体複製と細胞分裂を通じて不活性化されたままになります。

ヒストンのメチル化は転写される遺伝子の多くを制御するため、メチル化パターンのわずかな変化でも生物に悲惨な影響を及ぼす可能性があります。メチル化を増加または減少させる変異は遺伝子制御に大きな変化をもたらしますが、メチルトランスフェラーゼやデメチルトランスフェラーゼなどの酵素の変異は、特定の細胞でどのタンパク質が転写されるかを完全に変える可能性があります。染色体のメチル化が過剰になると、正常な細胞機能に必要な特定の遺伝子が不活性化される可能性があります。特定の酵母株であるサッカロミセス・セレビシエでは、3番目のヒストンの3つのリジン残基、H3K4、H3K36、およびH3K79がメチル化される変異により、有糸分裂細胞周期の進行に必要な多くの遺伝子が不活性化されるため、有糸分裂細胞周期が遅れます。この極端な変異は生物の死につながります。最終的にヒストンメチルトランスフェラーゼの生成を可能にする遺伝子を欠失させることで、リジン残基がメチル化されずにこの生物が生存できることが発見されました。^[21]

近年、多くの種類の癌が主にエピジェネティックな要因によって引き起こされることが研究者の注目を集めています。癌は、ヒストンの差次的メチル化によりさまざまな方法で引き起こされます。癌遺伝子と腫瘍抑制遺伝子の発見以来、癌を引き起こしたり抑制したりする大きな要因が私たち自身のゲノム内にあることが分かっています。癌遺伝子の周囲の領域がメチル化されなくなると、これらの癌を引き起こす遺伝子は驚くべき速度で転写される可能性があります。これと反対なのは、腫瘍抑制遺伝子のメチル化です。これらの遺伝子の周囲の領域が高度にメチル化されている場合、腫瘍抑制遺伝子は活性ではなく、したがって癌が発生する可能性が高くなります。メチル化パターンのこれらの変化は、メチルトランスフェラーゼとデメチルトランスフェラーゼの変異によることがよくあります。^[22]イソクエン酸脱水素酵素1（IDH1）やイソクエン酸脱水素酵素2（IDH2）などのタンパク質の他のタイプの変異は、ヒストン脱メチル基転移酵素の不活性化を引き起こし、どの細胞で変異が発生したかに応じて、さまざまな癌、神経膠腫、白血病につながる可能性があります。^[23]

一炭素代謝では、アミノ酸のグリシンとセリンが葉酸回路とメチオニン回路を経てヌクレオチド前駆体とSAMに変換されます。グルコース、セリン、グリシン、スレオニンなど、複数の栄養素が一炭素代謝の燃料となります。メチル供与体SAMの高レベルはヒストンのメチル化に影響を与え、これがSAMレベルが高いと悪性形質転換を防ぐ仕組みを説明できるかもしれません。^[24]

• ヒストンコード
• ヒストンのアセチル化と脱アセチル化
• ヒストンメチルトランスフェラーゼ
• メチル化
• メチルリジン
• 遺伝的刷り込み
• DNAメチル化

• Orouji, Elias & Utikal, Jochen. (2018). 悪性黒色腫へのエピジェネティックな取り組み: ヒストンリジンメチル化。臨床エピジェネティクス 2018 10:145 https://clinicalepigeneticsjournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13148-018-0583-z
• Gozani, O., & Shi, Y. (2014). クロマチンシグナル伝達におけるヒストンのメチル化。In: クロマチンの基礎 (pp. 213–256). Springer New York. doi :10.1007/978-1-4614-8624-4_5
• Shi, Yang; Whetstine, Johnathan R. (2007 年 1 月12日)。「脱メチル化酵素によるヒストンリジンメチル化の動的制御」。 分子細胞。25 ( 1): 1–14。doi : 10.1016/j.molcel.2006.12.010。PMID 17218267。