時空間遺伝子発現

時空間的遺伝子発現とは、生物の特定の組織内で発生の特定の時期に遺伝子が活性化することです。遺伝子活性化パターンの複雑さは多種多様です。チューブリンのパターンのように単純で静的なものもあります。チューブリンは、生涯を通じてすべての細胞で常に発現します。一方、非常に複雑で予測やモデル化が難しく、発現が分ごとに、または細胞ごとに大きく変動するものもあります。時空間的変動は、発達した生物に見られる細胞タイプの多様性を生み出す上で重要な役割を果たしています。細胞のアイデンティティはその細胞内で活発に発現している遺伝子の集合によって指定されるため、遺伝子発現が空間的および時間的に均一であれば、細胞はせいぜい 1 種類しか存在し得ません。

Wntファミリーの遺伝子のメンバーであるwingless遺伝子について考えてみましょう。モデル生物であるDrosophila melanogaster（ショウジョウバエ）の初期胚発生では、wingless は3 つの細胞が離れた交互の縞模様で胚のほぼ全体に発現します。このパターンは生物が幼虫に成長する頃には失われますが、wingless は成虫の羽に成長する組織片である羽の成虫原基などのさまざまな組織でまだ発現しています。wingless 遺伝子発現の時空間パターンは、even-skippedやKrüppelなどのさまざまな遺伝子の影響で構成される制御相互作用のネットワークによって決定されます。

単一遺伝子の発現における空間的および時間的な差異の原因は何でしょうか? 現在の発現パターンは以前の発現パターンに厳密に依存しているため、遺伝子発現における最初の差異の原因を説明するという回帰的な問題があります。均一な遺伝子発現が空間的および時間的に異なるようになるプロセスは、対称性の破れとして知られています。たとえば、ショウジョウバエの胚発生の場合、卵が産まれる前に母体細胞がこれらの遺伝子のメッセンジャーRNA (mRNA) を卵の極に沈着させるため、卵母細胞で遺伝子nanosとbicoidが非対称に発現します。

特定の遺伝子の発現パターンを識別する方法の 1 つは、プロモーターの下流にレポーター遺伝子を配置することです。この構成では、プロモーター遺伝子は、目的の遺伝子が発現する場所と時間にのみレポーター遺伝子を発現させます。レポーター遺伝子の発現分布は、視覚化することで判定できます。たとえば、レポーター遺伝子の緑色蛍光タンパク質は、青色光で刺激し、デジタル カメラを使用して緑色蛍光発光を記録することで視覚化できます。

目的の遺伝子のプロモーターが不明な場合、その時空間分布を特定する方法はいくつかあります。免疫組織化学では、目的の遺伝子に関連するタンパク質に特異的な親和性を持つ抗体を調製します。この抗体の分布は、蛍光標識などの技術によって視覚化できます。免疫組織化学は、方法論的に実行可能で比較的安価であるという利点があります。欠点は、抗体の非特異性により、発現の偽陽性の識別につながることです。抗体が標的組織に浸透しにくいと、偽陰性の結果につながる可能性があります。さらに、免疫組織化学では遺伝子によって生成されたタンパク質を視覚化するため、タンパク質産物が細胞間で拡散したり、タンパク質の翻訳に使用されるmRNAに比べて半減期が特に短いか長い場合、どの細胞がmRNA を発現しているかについての解釈が歪む可能性があります。

インサイチューハイブリダイゼーションは、遺伝子の mRNA と相補的な配列を持つ合成核酸である「プローブ」を組織に加える別の方法です。このプローブは、後で視覚化できるように化学的にタグ付けされます。この技術により、免疫組織化学に関連するアーティファクトなしで、mRNA を生成する細胞のみを視覚化できます。ただし、これは非常に難しいことで知られており、対象の遺伝子に対応する DNAの配列に関する知識が必要です。

エンハンサー トラップスクリーニングと呼ばれる方法は、生物における多様な時空間遺伝子発現パターンを明らかにします。この技術では、レポーター遺伝子をコードする DNA がランダムにゲノムに挿入されます。挿入点に近い遺伝子プロモーターに応じて、レポーター遺伝子は特定の組織で特定の発達段階で発現します。エンハンサー トラップから得られる発現パターンは、必ずしも特定の遺伝子の実際の発現パターンを反映しているわけではありませんが、進化に利用できる多様な時空間パターンを明らかにします。

レポーター遺伝子は生きた生物で視覚化できますが、免疫組織化学とin situハイブリダイゼーションはどちらも固定組織で実行する必要があります。組織の固定を必要とする技術では、個々の生物ごとに 1 つの一時的時点しか生成できません。ただし、固定組織の代わりに生きた動物を使用することは、個体の生涯にわたる発現パターンを動的に理解する上で重要です。いずれにしても、個体間の差異により、一時的発現パターンの解釈が混乱する可能性があります。

遺伝子発現を空間的、時間的、およびさまざまな程度に制御するためのいくつかの方法が追求されています。 1つの方法は、遺伝子発現の時間的制御を提供するオペロン誘導因子/抑制因子システムを使用することです。 遺伝子発現を空間的に制御するために、ゲル培養上にリガンドを印刷するためのインクジェットプリンターが開発されています。^[1]他の一般的な方法は、光を使用して時空間的に遺伝子発現を制御することです。 光も空間、時間、および程度で簡単に制御できるため、DNAおよびRNAレベルで遺伝子発現を制御するいくつかの方法^[2]が開発され、研究されています。 たとえば、RNA干渉は光を使用して制御できます^{[3] [4]}また、遺伝子発現のパターン化は細胞単層^{[5]およびケージド}モルフォリノ^[6]またはペプチド核酸^{[7] [8] [9]}を使用してゼブラフィッシュ胚で実行され、時空間的な遺伝子発現の制御を実証しています。最近、遺伝子導入システム^[10]やケージド三重鎖形成オリゴ^[11]を用いたDNAレベルでの光制御が示されている。

ウィキメディア・コモンズには、時空間遺伝子発現に関連するメディアがあります。

• ショウジョウバエにおける無翅発現に関するFlyBaseの報告
• ヒト染色体番号別に整理された時空間遺伝子発現パターンを閲覧する
• Genevestigatorにおける時空間遺伝子発現
• 特定の発現パターンを持つ哺乳類遺伝子の検索
• ショウジョウバエの胚発生中の発現パターンをin situハイブリダイゼーションで推定 2008-08-07にWayback Machineでアーカイブ