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遺伝子発現の調節、または遺伝子制御[ 1 ]には、細胞が特定の遺伝子産物（タンパク質またはRNA）の産生を増減するために使用する幅広いメカニズムが含まれます。遺伝子発現の洗練されたプログラムは、生物学において広く観察されており、たとえば、発生経路を誘発したり、環境刺激に応答したり、新しい食物源に適応したりします。転写開始からRNAプロセシング、タンパク質の翻訳後修飾まで、遺伝子発現のほぼすべての段階を調節できます。多くの場合、1つの遺伝子調節因子が別の遺伝子を制御し、遺伝子制御ネットワークでそれが続きます。
遺伝子調節は、ウイルス、原核生物、真核生物にとって不可欠であり、細胞が必要に応じてタンパク質を発現できるようにすることで、生物の多様性と適応性を高めます。1951年には早くもバーバラ・マクリントックがトウモロコシの種子の色形成において、活性化因子（Ac）と解離因子（Ds ）という2つの遺伝子座間の相互作用を示しましたが、遺伝子調節システムの最初の発見は、1961年にフランソワ・ジャコブとジャック・モノによって発見されたlacオペロンの同定であると広く考えられています。lacオペロンでは、ラクトース代謝に関与するいくつかの酵素が、大腸菌によってラクトースが存在しグルコースが存在しない場合にのみ発現されます。
多細胞生物では、遺伝子制御が胚における細胞分化と形態形成を促進し、同じゲノム配列から異なる遺伝子発現プロファイルを持つ様々な細胞型を生み出す。これは遺伝子制御の起源を説明するものではないが、進化生物学者はこれを分子レベルでの進化の仕組みを部分的に説明するものとして捉えており、進化発生生物学（「エボデボ」）の中心的な概念となっている。
遺伝子発現のあらゆる段階、すなわちシグナル伝達から転写、タンパク質の翻訳後修飾に至るまで、調節される可能性がある。以下は遺伝子発現が調節される段階の一覧であり、最も広く利用されているのは転写開始、つまり転写の最初の段階である。
真核生物では、DNAの大きな領域へのアクセス可能性は、 DNAメチル化、ncRNA、またはDNA結合タンパク質によって誘導されるヒストン修飾の結果として変化するクロマチン構造に依存する。したがって、これらの修飾は遺伝子の発現を上方または下方制御する可能性がある。遺伝子発現を制御するこれらの修飾の中には遺伝するものもあり、エピジェネティック制御と呼ばれる。
DNAの転写はその構造によって決まります。一般的に、DNAのパッキング密度は転写頻度を示します。ヒストンと呼ばれる八量体タンパク質複合体と、8つのヒストンタンパク質に巻き付いたDNA断片（これらをまとめてヌクレオソームと呼びます）がDNAの超らせん構造の量を決定し、これらの複合体はリン酸化などのプロセスによって一時的に修飾されたり、メチル化などのプロセスによってより永続的に修飾されたりします。このような修飾は、遺伝子発現レベルの多かれ少なかれ永続的な変化の原因と考えられています。[ 2 ]
DNAのメチル化は、遺伝子サイレンシングの一般的な方法です。DNAは通常、CpGジヌクレオチド配列（密集している場合は「CpGアイランド」とも呼ばれる）のシトシンヌクレオチド上でメチルトランスフェラーゼ酵素によってメチル化されます。DNAの特定領域（プロモーターである場合もある）のメチル化パターンの分析は、ビスルフィットマッピングと呼ばれる方法で行うことができます。メチル化されたシトシン残基は処理によって変化しませんが、メチル化されていないシトシン残基はウラシルに変化します。これらの違いは、DNAシーケンスまたはSNPを定量化するために開発された方法（ Pyrosequencing（Biotage）やMassArray（Sequenom）など）によって分析され、CGジヌクレオチドにおけるC/Tの相対量を測定します。異常なメチル化パターンは、発がんに関与していると考えられています。[ 3 ]
ヒストンアセチル化は転写においても重要なプロセスである。CREB結合タンパク質などのヒストンアセチルトランスフェラーゼ（HAT）酵素は、DNAをヒストン複合体から解離させ、転写の進行を可能にする。DNAメチル化とヒストン脱アセチル化は、遺伝子サイレンシングにおいてしばしば協調して働く。この2つの組み合わせは、DNAをより高密度にパッキングし、遺伝子発現を低下させるシグナルとなるようだ。
転写の調節は、転写が起こるタイミングと生成されるRNAの量を制御します。RNAポリメラーゼによる遺伝子の転写は、いくつかのメカニズムによって調節されます。 特異性因子は、特定のプロモーターまたはプロモーター群に対するRNAポリメラーゼの特異性を変化させ、それらに結合する可能性を高めたり低くしたりします（原核生物の転写で使用されるシグマ因子など）。 リプレッサーは、プロモーター領域に近いか重複するDNA鎖上のコード配列であるオペレーターに結合し、RNAポリメラーゼの鎖に沿った進行を妨げ、遺伝子の発現を阻害します。右の画像は、lacオペロンにおけるリプレッサーによる調節を示しています。 一般転写因子は、 RNAポリメラーゼをタンパク質コード配列の開始位置に配置し、その後ポリメラーゼを解放してmRNAを転写します。 アクチベーターは、 RNAポリメラーゼと特定のプロモーターとの相互作用を強化し、遺伝子の発現を促進します。活性化因子は、RNAポリメラーゼのサブユニットとの相互作用、または間接的にDNAの構造を変化させることによって、プロモーターに対するRNAポリメラーゼの引力を高めることによってこれを行います。 エンハンサーは、DNAらせん上の部位であり、活性化因子が結合してDNAをループさせ、特定のプロモーターを開始複合体に導きます。エンハンサーは、原核生物よりも真核生物ではるかに一般的であり、原核生物では（現在までに）ごく少数の例しか存在しません。[ 4 ]サイレンサーは、特定の転写因子が結合すると遺伝子の発現を抑制できるDNA配列の領域です。
RNAは、マイクロRNA（miRNA）、アンチセンスRNA、長鎖非コードRNA（lncRNA）などによって、遺伝子活性の重要な調節因子となり得る。lncRNAは、特定の細胞内局在と機能を持つという点でmRNAとは異なる。当初は核とクロマチンに存在することが発見されたが、現在ではその局在と機能は非常に多様化している。一部は依然としてクロマチンに存在し、タンパク質と相互作用する。このlncRNAは、パーキンソン病、ハンチントン病、アルツハイマー病などの神経疾患における遺伝子発現に最終的に影響を与えるが、PNCTR（ピリミジンリッチ非コード転写因子）などの他のlncRNAは肺がんに関与している。疾患における役割を考えると、lncRNAは潜在的なバイオマーカーであり、薬剤や遺伝子治療の有用な標的となる可能性があるが、lncRNAを標的とする承認薬はまだ存在しない。ヒトゲノム中のlncRNAの数はまだ明確に定義されていませんが、16,000から100,000個のlnc遺伝子という推定値もあります。[ 5 ]
エピジェネティクスとは、DNAやRNAの配列を変えずに遺伝子を修飾することを指します。エピジェネティック修飾は、遺伝子発現に影響を与える重要な因子でもあります。これらはゲノムDNAとヒストン上で起こり、その化学修飾によって遺伝子発現がより効率的に制御されます。哺乳類細胞には、DNAの修飾（通常はメチル化）がいくつかあり、RNAの修飾は100種類以上あります。これらの修飾は、DNAへのタンパク質結合の変化、 RNAの安定性の変化、翻訳効率の変化をもたらします。[ 6 ]
脊椎動物では、遺伝子プロモーターの大部分は、多数のCpG サイトを含むCpG アイランドを含んでいます。[ 7 ] 遺伝子のプロモーターの CpG サイトの多くがメチル化されると、遺伝子はサイレンシングされます。[ 8 ] 大腸がんでは、通常 3 ～ 6 個のドライバー変異と 33 ～ 66 個のヒッチハイカーまたはパッセンジャー変異があります。[ 9 ] しかし、転写サイレンシングは、がんへの進行を引き起こす上で、変異よりも重要である可能性があります。たとえば、大腸がんでは、約 600 ～ 800 個の遺伝子が CpG アイランドのメチル化によって転写的にサイレンシングされています (がんにおける転写の調節を参照)。がんにおける転写抑制は、マイクロ RNAの発現の変化などの他のエピジェネティックなメカニズムによっても発生する可能性があります。[ 10 ] 乳がんでは、 BRCA1プロモーターの過剰メチル化よりも、過剰発現したマイクロRNA-182によるBRCA1の転写抑制がより頻繁に起こる可能性がある（乳がんおよび卵巣がんにおけるBRCA1の低発現を参照）。
依存症の重要な特徴の一つは、その持続性である。持続的な行動変化は、脳の特定の領域における遺伝子発現に影響を与えるエピジェネティックな変化に起因する、長期にわたる変化によるものと考えられる。 [ 11 ] 乱用薬物は、脳内で3種類のエピジェネティックな変化を引き起こす。これらは、（1）ヒストンアセチル化およびヒストンメチル化、（2）CpG部位におけるDNAメチル化、および（3）マイクロRNAのエピジェネティックなダウンレギュレーションまたはアップレギュレーションである。[ 11 ] [ 12 ] （詳細は「コカイン依存症のエピジェネティクス」を 参照。）
マウスにおける慢性的なニコチン摂取は、ヒストンのアセチル化を介して脳細胞の遺伝子発現のエピジェネティック制御を変化させる。これにより、依存症において重要なタンパク質FosBの脳内発現が増加する。[ 13 ] 喫煙依存症は、非喫煙者、現在喫煙者、および最長30年間禁煙している人を含む約16,000人の人間でも研究された。[ 14 ] 血液細胞では、18,000を超えるCpG部位（ゲノム内の約450,000の解析されたCpG部位のうち）が、現在喫煙者の間で頻繁にメチル化の変化を示した。これらのCpG部位は7,000を超える遺伝子、つまり既知のヒト遺伝子の約3分の1に存在した。差次的メチル化CpG部位の大部分は、禁煙後5年以内に非喫煙者のレベルに戻った。しかし、942の遺伝子のうち2,568のCpGは、元喫煙者と非喫煙者の間で差次的メチル化されたままであった。このような残存するエピジェネティックな変化は、「分子的な傷跡」 [ 12 ]と見なすことができ、遺伝子発現に影響を与える可能性がある。
げっ歯類モデルでは、コカイン[ 15 ]、メタンフェタミン[ 16 ] [ 17 ] 、アルコール[ 18 ]、タバコの煙製品[ 19 ]などの乱用薬物はすべて脳のDNA損傷を引き起こします。DNA損傷の修復中に、個々の修復イベントの一部は、損傷部位のDNAのメチル化および/またはヒストンのアセチル化またはメチル化を変化させる可能性があり、その結果、クロマチンにエピジェネティックな傷跡を残す可能性があります。[ 20 ]
こうしたエピジェネティックな痕跡は、依存症に見られる持続的なエピジェネティックな変化の一因となっている可能性が高い。
哺乳類では、DNA中のシトシンのメチル化（図参照）が主要な調節因子である。メチル化シトシンは主に、シトシンの後にグアニンが続くジヌクレオチド配列、すなわちCpG部位に存在する。ヒトゲノム中のCpG部位の総数は約2800万個である[ 21 ] 。そして一般的に、すべてのCpG部位の約70%にメチル化シトシンが存在する[ 22 ] 。
ラットでは、痛みを伴う学習経験である文脈的恐怖条件付けによって、1回の訓練イベントの後、生涯にわたる恐怖の記憶が生じる可能性がある。[ 23 ]短時間の恐怖条件付け経験 を受けたラットの海馬ニューロンDNA中の全遺伝子の約9.17%のプロモーター領域でシトシンメチル化が変化する。[ 24 ] 海馬は、新しい記憶が最初に保存される場所である。
遺伝子のプロモーター領域のCpGのメチル化は転写を抑制する[ 25 ]一方、遺伝子本体のCpGのメチル化は発現を増加させる[ 26 ] 。TET酵素はメチル化シトシンの脱メチル化において中心的な役割を果たす。TET酵素活性による遺伝子プロモーターのCpGの脱メチル化は遺伝子の転写を増加させる[ 27 ] 。
ラットに文脈的恐怖条件付けを適用すると、条件付け後1時間後と24時間後の両方で、ラット海馬神経ゲノムに5,000を超える差次的メチル化領域（DMR）（それぞれ500ヌクレオチド）が出現する。 [ 24 ] これにより、約500個の遺伝子が上方制御され（多くの場合、プロモーター領域のCpG部位の脱メチル化による）、約1,000個の遺伝子が下方制御される（多くの場合、プロモーター領域のCpG部位に新たに形成された5-メチルシトシンによる）。ニューロン内の誘導および抑制された遺伝子のパターンは、ラット脳の海馬におけるこの訓練イベントの最初の一時的な記憶を形成するための分子基盤を提供するようである。[ 24 ]
DNAが転写されてmRNAが形成された後、mRNAがタンパク質に翻訳される量には何らかの調節機構が必要となります。細胞は、キャッピング、スプライシング、ポリ(A)テールの付加、配列特異的な核外輸送速度、そして場合によってはRNA転写産物の隔離などを調節することで、この調節を行っています。これらのプロセスは真核生物では起こりますが、原核生物では起こりません。この調節は、タンパク質または転写産物によって行われ、そのタンパク質または転写産物自体も調節を受け、特定の配列に対する親和性を持つ場合があります。
メッセンジャーRNA （mRNA）の3つの主要な非翻訳領域（3'-UTR）には、転写後に遺伝子発現に影響を与える調節配列が含まれていることが多い。[ 28 ]このような3'-UTRには、マイクロRNA （miRNA）と調節タンパク質の両方の結合部位が含まれていることが多い。miRNAは3'-UTR内の特定の部位に結合することで、翻訳を阻害するか、転写産物を直接分解することによって、さまざまなmRNAの遺伝子発現を減少させることができる。3'-UTRには、mRNAの発現を阻害する抑制タンパク質が結合するサイレンサー領域も存在する可能性がある。
3'-UTRには、miRNA応答エレメント（MRE）がしばしば含まれています。MREはmiRNAが結合する配列であり、3'-UTR内に広く存在するモチーフです。3'-UTR内のすべての調節モチーフ（サイレンサー領域などを含む）のうち、MREは約半分を占めています。
2014 年現在、miRNA配列と注釈のアーカイブであるmiRBase Web サイト[ 29 ]には、233 種の生物種で 28,645 のエントリがリストされています。これらのうち、1,881 の miRNA は注釈付きヒト miRNA 遺伝子座にありました。miRNA は平均して約 400 個の標的 mRNA (数百個の遺伝子の発現に影響を与える) を持つと予測されています。[ 30 ] Freidman ら[ 30 ]は、ヒト mRNA 3'-UTR 内の 45,000 を超える miRNA 標的部位がバックグラウンドレベルを超えて保存されており、ヒトのタンパク質コード遺伝子の 60% 以上が miRNA とのペアリングを維持する選択圧を受けていると推定しています。
直接実験では、1つのmiRNAが数百種類のmRNAの安定性を低下させることが示されている。[ 31 ]他の実験では、1つのmiRNAが数百種類のタンパク質の産生を抑制する可能性があるが、この抑制は比較的軽度であることが多い（2倍未満）ことが示されている。[ 32 ] [ 33 ]
miRNAによる遺伝子発現の調節異常の影響は、癌において重要であると思われる。[ 34 ]例えば、2015年の論文では、消化器癌において、9つのmiRNAがエピジェネティックに変化し、DNA修復酵素のダウンレギュレーションに効果的であることが特定された。[ 35 ]
miRNAによる遺伝子発現の調節異常の影響は、統合失調症、双極性障害、大うつ病性障害、パーキンソン病、アルツハイマー病、自閉症スペクトラム障害などの神経精神疾患においても重要であると思われる。[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]
mRNAの翻訳は、主に開始段階において、様々なメカニズムによって制御される。実際、小リボソームサブユニットのリクルートは、mRNAの二次構造、アンチセンスRNA結合、またはタンパク質結合によって調節される。原核生物と真核生物の両方において、多数のRNA結合タンパク質が存在し、これらは転写産物の二次構造によって標的配列へと誘導されることが多い。この二次構造は、温度やリガンド（アプタマー）の存在など、特定の条件によって変化する可能性がある。一部の転写産物はリボザイムとして機能し、自己発現を制御する。
研究対象となっている多くの制御システムは、発生生物学に由来する。例としては以下のようなものがある。
アップレギュレーションとは、細胞内外のシグナルによって引き起こされる細胞内で起こるプロセスであり、1つまたは複数の遺伝子の発現が増加し、その結果、それらの遺伝子によってコードされるタンパク質の発現も増加します。逆に、ダウンレギュレーションとは、遺伝子およびそれに対応するタンパク質の発現が減少するプロセスです。
遺伝子制御は、それぞれのシステムの反応によって要約できる。
GAL4 /UASシステムは、誘導性と抑制性の両方を備えたシステムの一例です。Gal4は上流活性化配列（UAS）に結合して、GAL1/GAL7/GAL10カセットの転写を活性化します。一方、グルコースの存在に対するMIG1の応答はGAL4を阻害し、GAL1/GAL7/GAL10カセットの発現を停止させることができます。[ 42 ]
一般的に、差次的発現を調査するほとんどの実験では、定常状態レベルと呼ばれる全細胞RNA抽出物を使用して、どの遺伝子がどの程度変化したかを判断します。しかし、これらは調節がどこで起こったかについての情報を提供せず、相反する調節プロセス（転写後調節を参照）を隠してしまう可能性がありますが、それでも最も一般的に分析されている方法です（定量的PCRおよびDNAマイクロアレイ）。
遺伝子発現を研究する際には、さまざまな段階を調べるための方法がいくつかあります。真核生物では、これには以下のような方法が含まれます。
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