核組織

核組織とは、間期における細胞核内のクロマチンの空間的組織化とダイナミクスを指します。核組織化にはさまざまなレベルとスケールがあります。

最小スケールでは、DNA はヌクレオソームと呼ばれる単位にパッケージ化され、DNA は約 7 倍に圧縮されます。さらに、ヌクレオソームは DNA を損傷から保護し、エピジェネティック情報を運びます。ヌクレオソームの位置によって、転写因子への DNA のアクセス可能性が決まります。

中間スケールでは、DNA ループにより、本来は大きな距離で隔てられている DNA 要素を物理的にまとめることができます。これらの相互作用により、制御シグナルが、たとえばエンハンサーからプロモーターまで、ゲノム上の大きな距離を越えて移動できるようになります。

より大きなスケールでは、染色体はA（「アクティブ」）とB（「非アクティブ」）という2つの区画に分かれており、さらにサブ区画に細分化されています。^{[1]最も大きなスケールでは、}染色体 全体が染色体領域と呼ばれる明確な領域に分離しています。

染色体の構成はあらゆるスケールで動的です。^{[2] [3]}個々のヌクレオソームは一定の熱運動とヌクレオソーム呼吸を受けます。中間スケールでは、ループ押し出しの活発なプロセスにより、動的なループとトポロジカル関連ドメイン（TAD） が作成されます。

人間の細胞にはそれぞれ約2メートルのDNAが含まれており、細胞核内に収まるようにしっかりと折りたたまれている必要があります。しかし、細胞が機能するためには、 DNAが密集しているにもかかわらず、タンパク質がDNAに含まれる配列情報にアクセスできなければなりません。そのため、細胞にはDNAの組織化を制御するためのさまざまなメカニズムが備わっています。^[4]

さらに、核組織は細胞のアイデンティティを確立する役割を果たすことができます。生物内の細胞はほぼ同一の核酸配列を持っていますが、異なる表現型を示すことがよくあります。この個性が生じる1つの方法は、ゲノム構造の変化を通じてであり、これにより、さまざまな遺伝子セットの発現が変化する可能性があります。^{[5]これらの変化は、}細胞周期の促進、DNA複製、核輸送、核構造の変化などの細胞機能に下流の影響を及ぼす可能性があります。核組織の制御された変化は、適切な細胞機能に不可欠です。

染色体が核内の異なる領域に分かれて配置されているという考えは、1885年にカール・ラブルによって初めて提唱されました。その後1909年、当時の顕微鏡技術の助けを借りて、テオドール・ボヴェリは染色体が個々に異なる核領域を占めていることを観察し、「染色体領域」という造語を生み出しました。^[6]それ以来、ゲノム構造のマッピングは大きな関心事となっています。

過去10年間で、方法論の急速な発展により、この分野の理解が大きく進みました。^{[4]大規模なDNA組織は、} DNA蛍光in situハイブリダイゼーション（FISH）などの蛍光タグと特殊な顕微鏡を使用したDNAイメージングで評価できます。 ^[7]さらに、染色体コンフォメーションキャプチャベースの方法などのハイスループットシーケンシング技術により、DNA領域が近接している頻度を測定できます。^[8]同時に、ゲノム編集技術（ CRISPR / Cas9、ZFN、TALENなど）の進歩により、特定のDNA領域とタンパク質の組織機能のテストが容易になりました。^[9]また、蛍光相関分光法とその変種によって研究される染色体間空間のレオロジー特性にも関心が高まっています。^{[10] [11]}

構造タンパク質はDNA要素間の物理的相互作用を確立することでクロマチン構造を制御します。^{[12]これらのタンパク質は、真核生物種の大部分で高度に}保存されている傾向があります。^{[13] [14]}

哺乳類における主要な構造タンパク質には以下のものがあります。

• ヒストン：DNAはヒストンに巻き付いてヌクレオソームを形成します。ヌクレオソームはクロマチン構造の基本単位です。各ヌクレオソームは8つのヒストンタンパク質サブユニットで構成され、その周りに約147のDNA塩基対が1.67の左巻きで巻き付いています。ヌクレオソームはDNAの初期線形圧縮を約7倍提供します。^[15]使用されるヒストンの濃度と特定の組成は、局所的なクロマチン構造を決定します。たとえば、ユークロマチンはヌクレオソーム濃度が低いクロマチンの一種で、DNAが露出しており、遺伝子発現、複製、組織化機構との相互作用を促進します。対照的に、ヘテロクロマチンはヌクレオソーム濃度が高く、必要なタンパク質がDNAと相互作用できないため、遺伝子発現と複製の抑制に関連しています。
• クロマチンリモデリング酵素：これらの酵素は、ヒストンテールの修正やヌクレオソームの物理的な移動など、さまざまなプロセスによってユークロマチンまたはヘテロクロマチンの形成を促進する役割を果たします。これにより、遺伝子発現、複製、およびクロマチンが構造因子と相互作用する方法が制御されます。^{[16]クロマチンリモデリング酵素のリストは広範囲にわたり、その多くは核内で特定の役割を果たします。たとえば、2016年にWiechensらは、} CTCF結合の制御に活性があり、したがって多くの遺伝子のゲノム構成と転写に影響を与える2つのヒト酵素、SNF2HとSNF2Lを特定しました。^[17]
• CCCTC結合因子（CTCF）または11-亜鉛フィンガータンパク質は、ゲノム構成と遺伝子発現を結びつける最も重要な役割を担っていると考えられています。^{[14] CTCFは特定のDNA配列や、主にコヒーシン[18]}などのさまざまな構造タンパク質と相互作用します。これらの動作により、CTCFはDNAループを仲介し、転写抑制因子、活性化因子、絶縁体として機能します。さらに、CTCFは自己相互作用ドメイン境界によく見られ、クロマチンを核ラミナに固定することができます。^{[19] CTCFは}V(D)J組換えにも関与しています。^[20]
• コヒーシン: コヒーシン複合体は、当初は有糸分裂において姉妹染色分体を結合して適切な分離を確保する重要な役割を担うものとして発見されました。しかし、コヒーシンはその後、細胞内のより多くの機能と関連付けられました。 [ ^21]コヒーシンは、DNA修復と組み換え、減数分裂染​​色体の対合と配向、染色体凝縮、DNA複製、遺伝子発現、ゲノム構造を促進することがわかっています。^[22]コヒーシンは、SMC1とSMC3タンパク質とSCC1とSCC3タンパク質の組み合わせからなるヘテロ二量体です。複合体全体は、NIPBL-MAU2複合体によってリング状にDNA上にロードされます。^[23]

核内の DNA の構成は、20～60bp のリンカーでつながれたヌクレオソームでできた「ビーズが連なったような」構造^{[24]である 10 nm の繊維から始まります。ヌクレオソームの繊維は、アクセス}可能な DNA領域によって中断されます。アクセス可能な DNA 領域は、ヌクレオソームのない 100～1000bp の長さの領域です。転写因子はアクセス可能な DNA 内に結合してヌクレオソームを置き換え、シス調節要素を形成します。アクセス可能な DNA の部位は、通常、 ATAC-seqまたはDNase-Seq実験方法 によってプローブされます。

30nmの繊維は、クロマチン組織の次の層として長い間提案されてきました。30nmの繊維は、高塩濃度下では試験管内でよく見られますが^[25]、生体内での存在は最近の多くの研究で疑問視されています。^{[26] [27] [28]}代わりに、これらの研究は、幅20〜50nmの無秩序な繊維を示唆しています。

SMC複合体によるループ押し出しのプロセスは、酵母では50～100kb ^[29] 、哺乳類では最大数Mbの大きさのクロマチンループを動的に形成します。 ^{[30]酵母、哺乳類、}線虫ではループ押し出しが強く支持されています。^[31]

哺乳類では、ループ押し出しは、 CTCFサイト間のトポロジカルに関連するドメインとループの形成、およびプロモーターとエンハンサーの結合を担っています。CTCF サイトは、隔離された近傍 またはトポロジカルに関連するドメインの境界として機能します。

ショウジョウバエにおけるループ押し出しの存在については議論があり、DNAループの形成は境界要素の対合という異なるプロセスによって媒介される可能性がある。^[32]

自己相互作用（または自己会合）ドメインは多くの生物に見られる。真核生物では、形成メカニズムに関係なく、通常TADと呼ばれている。TADは、ドメイン内外の染色体接触率が高い。 ^[33]これらは、構造タンパク質の助けを借りて形成される。多くの生物において、TADは遺伝子発現の調節と相関しており、TAD内のエンハンサーとプロモーターはより高い頻度で相互作用する。^[34]

ラミナ関連ドメイン (LAD) と核小体関連ドメイン (NAD) は、それぞれ核ラミナと核小体と相互作用する染色体の領域です。

ゲノムの約 40% を占める LAD は、遺伝子の少ない領域がほとんどで、サイズは 40kb から 30Mb の範囲です。^[19] LAD には、構成的 LAD (cLAD) と条件的 LAD (fLAD) の 2 つのタイプが知られています。cLAD は、ラミナ上に残る AT に富むヘテロクロマチン領域で、多くの種類の細胞や種に見られます。これらの領域が間期染色体の構造形成に重要であるという証拠があります。一方、fLAD はラミナ相互作用が異なり、個々の細胞間で活性化または抑制される遺伝子が含まれており、細胞タイプの特異性を示しています。^[35] LAD の境界は、自己相互作用ドメインと同様に、転写要素と構造タンパク質結合部位が豊富です。^[19]

ゲノムの4%を占めるNADは、LADとほぼすべての物理的特性を共有しています。実際、これら2種類のドメインのDNA分析では、多くの配列が重複していることが示されており、特定の領域がラミナ結合と核小体結合を切り替える可能性があることが示されています。^[36] NADは核小体の機能に関連しています。核小体は核内で最大のサブオルガネラであり、rRNA転写の主要部位です。また、シグナル認識粒子の生合成、タンパク質隔離、ウイルス複製にも作用します。^[37]核小体は、異なる染色体のrDNA遺伝子の周りに形成されます。ただし、一度に転写されるのはrDNA遺伝子のサブセットのみであり、核小体の内部にループすることで転写されます。残りの遺伝子は、サイレンシングされたヘテロクロマチン状態で核内オルガネラの周辺にあります。^[36]

A/Bコンパートメントは、初期のHi-C研究で初めて発見されました。 ^{[38] [39]}研究者は、ゲノム全体を「A」と「B」というラベルの付いた2つの空間コンパートメントに分割できることに気付きました。コンパートメントAの領域は、Bコンパートメント関連領域よりもAコンパートメント関連領域と優先的に相互作用する傾向があります。同様に、コンパートメントBの領域は、他のBコンパートメント関連領域と関連する傾向があります。

A/B コンパートメント関連領域は数 Mb スケールで、オープンで発現活性なクロマチン (「A」コンパートメント) またはクローズで発現不活性なクロマチン (「B」コンパートメント) のいずれかと相関しています。^[38] A コンパートメントは遺伝子が豊富で、GC 含有量が高く、活性転写のヒストン マーカーを含み、通常は核の内部を置き換えます。また、通常は自己相互作用ドメインで構成され、早期複製起点を含みます。一方、B コンパートメントは遺伝子が少なく、コンパクトで、遺伝子サイレンシングのヒストン マーカーを含み、核の周辺部にあります。主に LAD で構成され、後期複製起点を含みます。^[38]さらに、高解像度の Hi-C と機械学習手法を組み合わせることで、A/B コンパートメントをサブコンパートメントに細分化できることが明らかになりました。^{[40] [41]}

区画が自己相互作用するという事実は、核がタンパク質や長鎖非コードRNA（lncRNA）などの他の因子を、それぞれの役割に適した領域に局在させるという考えと一致している。^[要出典]この例として、核内部全体に複数の転写工場が存在することがあげられる。 ^[42]これらの工場は、転写因子（転写タンパク質機構、活性遺伝子、調節要素、新生RNAなど）の高濃度による転写レベルの上昇と関連している。活性遺伝子の約95％は転写工場内で転写される。各工場は複数の遺伝子を転写することができる。これらの遺伝子は類似した生成物機能を持つ必要はなく、同じ染色体上にある必要もない。最後に、転写工場内での遺伝子の共局在は、細胞の種類によって異なることが知られている。^[43]

組織の最後のレベルは、核内の個々の染色体の明確な配置に関するものです。染色体が占める領域は染色体領域 (CT) と呼ばれます。^[44]真核生物では、CT にはいくつかの共通の特性があります。第一に、染色体の位置は集団内の細胞間で同じではありませんが、個々の染色体には特定の領域に対する好みがあります。たとえば、大きくて遺伝子の少ない染色体は通常、核ラミナ近くの周辺部に位置しますが、小さくて遺伝子が豊富な染色体は核の中心近くに集まります。^[45]第二に、個々の染色体の好みは異なる細胞タイプ間で異なります。たとえば、X 染色体は、腎臓細胞よりも肝細胞でより頻繁に周辺部に局在することが示されています。^[46]染色体領域の別の保存された特性は、相同染色体が細胞間期に互いに離れている傾向があることです。最後の特徴は、各細胞周期中の個々の染色体の位置が、有糸分裂の開始まで比較的同じままであることです。^[47]染色体領域の特徴の背後にあるメカニズムと理由はまだ不明であり、さらなる実験が必要です。

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