ループ押し出し

ループ押し出しは、核構造形成における主要なメカニズムの一つである。これは、染色体構造維持（SMC）タンパク質複合体がDNAまたはクロマチンのループを徐々に成長させる動的なプロセスである。このプロセスでは、コンデンシンやコヒーシンなどのSMC複合体がDNA/クロマチンに結合し、ATP駆動型モーター活性を用いてDNAを巻き取り、その結果、集めたDNAをループとして押し出す。

DNAの構造は、驚くべき生物学的課題を提示しています。ヒトのDNAは2メートルにも達し^{[ 1 ]}、直径5～20μmの核内に詰め込まれています^{[ 2 ]} 。同時に、重要な細胞プロセスには、転写、複製、組換え、DNA修復、細胞分裂など、高度に圧縮されたDNA上での複雑なプロセスが関わっています。

ループ押し出しは、 DNAをループ状に組織化し、効率的な凝縮と機能的な組織化を可能にする重要なメカニズムです。例えば、試験管内実験では、コヒーシンがDNAを80%凝縮できることが示されており^{[ 3 ]} 、一方、コンデンシンは、顕微鏡観察、 Hi-C、およびポリマーシミュレーションによって証明されているように、有糸分裂染色体を10,000倍も凝縮するという驚くべき成果を上げています^{[ 4 ] 。}

もう一つの課題は、数十万塩基対に及ぶ長距離ゲノム通信を確立することである。^{[ 5 ]}ゲノム要素間の物理的な遭遇は、それを促進するメカニズムがなければ本質的にランダムで無差別である。^{[ 6 ]}ループ押し出しは、不要な遺伝子座との接触を制限しながら標的要素を近接させることで接触を制御する効果的な解決策として提案されている。^{[ 7 ]}

ループ押出成形プロセスの主要構成要素は以下のとおりです。

• 押出機の移動の基質となるDNA分子
• エクストルーダー（通常はSMC複合体）は、ATP依存的にDNAに沿って移動する。
• 付属品の要素
  • エクストルーダーのローダーは、DNAへのエクストルーダーのロードを促進する因子である（NIPBL /MAU2はDNAへのエクストルーダーのロードにおいて重要な役割を果たすと考えられている^{[ 8 ]}）。
  • エクストルーダーのアンローダー、DNAからエクストルーダーの分離を促進する分子（例えば、WAPL ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}）
  • DNA上に存在する障害物は、押出機の動きを妨げ、押出機の停止につながる。

SMCタンパク質によるDNAループ押し出しの分子メカニズムはまだ完全には解明されていませんが、最近の構造研究により、スクランチングモデル^{[ 41 ]}、ブラウンラチェットモデル、DNAセグメント捕捉モデル/DNAポンピングモデル[ ^{42 ] 、ホールドアンドフィードモデル、スイングアンドクランプモデル[ 43 ]}など、いくつかの作業モデルの開発において大きな進歩が見られました^。

ループ押し出しは生命の系統樹全体にわたって発見されており、免疫応答、DNA修復、エンハンサー・プロモーター相互作用、および有糸分裂において役割を果たしていると考えられている。

• 真核生物の有糸分裂：有糸分裂では、コンデンシンによるループの押し出しが姉妹染色分体の分離と分離後の構造的剛性の確保に重要である。コンデンシンIは入れ子状の内側ループのサイズと配置を調節し、コンデンシンIIはループが伸びる骨格を組織化することがわかっている。 ^{[ 4 ]}
• 細菌の細胞分裂：細菌では、SMCタンパク質がセントロメアにロードされ、末端まで押し出されることによって染色体腕の隣接を維持することがわかっています^{。 [ 61 ]}
• エンハンサーとプロモーター間のコミュニケーション：間期には、コヒーシンを介したループ押し出しが、遺伝子転写を制御する遠位エンハンサーとプロモーター間のコミュニケーションを促進すると考えられている^{[ 62 ]}。コヒーシンがクロマチンのループを押し出すと、数十キロベースから数百キロベース離れた制御要素を一時的に近接させることができ、エンハンサーに結合した転写因子がプロモーター関連の転写機構と相互作用できるようになる。CTCF結合部位は、押し出しを阻害または安定化させることでこのプロセスを調節し、どのエンハンサーがどのプロモーターと接触できるかを制限することができる^{[ 63 ] [ 64 ]}。このメカニズムを通じて、CTCFとコヒーシンは複雑な発生および制御プログラムを可能にすることが示されている。
  • V(D)J組換え：コヒーシンによるループ押し出しは、抗体およびT細胞受容体の多様性を生み出すV(D)J組換えにおいて重要な役割を果たすことがわかっている^{[ 65 ] [ 66 ]}。コヒーシンの枯渇はV(D)J組換えを阻害する^{[ 67 ]} 。組換え領域全体にCTCFモチーフが存在し、その向きの反転またはモチーフの変異は、ループ押し出しによって予測されるものと一致する組換え確率の変化をもたらす^{[ 68 ] [ 69 ] 。}
  • プロトカドヘリンプロモーターの選択：プロトカドヘリンは、ニューロンの細胞接着に関与する哺乳類タンパク質であり、^{プロトカドヘリン遺伝子座にある複数の類似遺伝子のDNAにコードされています。ニューロンは通常、プロトカドヘリンのサブセットのみを発現し、ニューロン間の相互作用の多様性を可能にしています。 [ 70 ]}プロトカドヘリンの選択は、CTCF依存的にプロトカドヘリンの代替プロモーターとエンハンサーを橋渡しするコヒーシンに依存しています。 ^{[ 71 ]このプロセスには、CTCF [ 72 ]とWAPL [ 73 ]}による複雑な制御が関与しています。
• トポロジカル関連ドメイン(TAD)：間期には、染色体はサブメガベース規模で局所的に凝縮され、いわゆる TAD を形成します。一般的に、TAD は CTCF のモチーフによって境界付けられており、コヒーシンまたは CTCF のいずれかが分解されると完全に消失します。 ^{[ 50 ]} TAD 境界の CTCF 部位はループ押し出しの障壁として機能し、コヒーシンがドメイン境界を越えてループを押し出すのを防ぎます。その結果、異なる TAD に位置するエンハンサーとプロモーターは、コヒーシンを介したループ形成によって接近する可能性が低くなり、TAD は同じドメイン内のエンハンサーとプロモーターのコミュニケーションを制限する制御領域として機能します。

ループ押出の数理モデルでは、ループ押出係数（LEF）の2つの要素は、異なる押出方針に従って変化する1次元線上の点として表されます。

• LEF転座： これらはLEFがクロマチンに沿ってどのように移動するかを決定します。これには、両方の脚が反対方向に移動する対称押し出しと、片方の脚が停止したままもう片方の脚が移動する片側押し出しが含まれます。コヒーシンは対称押し出しでモデル化されることが多い一方、コンデンシンは片側押し出し機構に従うと考えられています。^{[ 74 ]}
• 確率的な結合と解離：LEFは、鎖に沿ったランダムな時間と位置でクロマチンに結合し、一定の時間が経過すると解離する。
• LEF-LEF間の相互作用：LEF同士が遭遇すると、異なる相互作用ポリシーが実装される可能性があります。LEFは衝突時に停止したり、一部の状況で観察されるように互いに迂回したりする場合があります。^{[ 27 ] [ 4 ]}
• 押し出し障壁：CTCFやRNAポリメラーゼIIなどの結合タンパク質は障害物として働き、LEFの動きを遅らせたり停止させたりすることがあります。

LEFの動態の正確な様式は依然として不明確であるため、これらのモデルはLEFのさまざまな仮説的な挙動を探求するための柔軟な枠組みを提供する。

これらのモデルでは、LEFの統計は2つの重要な物理パラメータによって特徴付けられます。^{[ 27 ]}

• プロセス性（${\textstyle \lambda =2v\tau }$): 障害物のないLEFによって押し出されたループが解離する前に生じる平均ループサイズ。この特徴的なループサイズは押し出し速度に依存します。${\displaystyle v}$滞留時間$\displaystyle \tau }$クロマチン上のLEFの。
• 分離（${\displaystyle d=L/N}$) :クロマチン繊維上のLEF間の平均距離。LEFの総数によって決定されます。${\displaystyle N}$クロマチンの長さ${\displaystyle L}$間隔が短いほどループの密度が高くなり、間隔が長いほどループ間に隙間ができます。

これら2つのパラメータの相互作用は、無次元パラメータによって要約される。${\displaystyle \lambda /d}$は、クロマチン構造の2つの状態を定義する。

• スパース状態（${\displaystyle \lambda /d\ll 1}$LEFは独立して機能し、大きな隙間のある孤立したループを形成する。この状態により、クロマチン繊維の凝縮は最小限に抑えられる。
• 高密度状態（${\displaystyle \lambda /d\gg 1}$LEFは、連続的で隙間のないループ配列を形成するのに十分な量が存在する。これにより、有糸分裂中に見られるような、顕著なクロマチン凝縮が起こる。