TET酵素

3 つのTET遺伝子は、TET1 の少なくとも 2 つのアイソフォーム、TET2 の 3 つのアイソフォーム、および TET3 の 3 つのアイソフォームを含む、異なるアイソフォームとして発現します。 ^{[ 2 ] [ 6 ]} TET遺伝子 の異なるアイソフォームは、異なる細胞および組織で発現します。全長標準 TET1 アイソフォームは、初期胚、胚性幹細胞、および始原生殖細胞(PGC) にほぼ限定されているようです。少なくともマウスでは、ほとんどの体細胞組織で優勢な TET1 アイソフォームは、代替プロモーターの使用により短い転写産物と TET1s と呼ばれる切断されたタンパク質が生じることから生じます。TET2 の 3 つのアイソフォームは、異なるプロモーターから生じます。これらは、胚発生および造血細胞の分化で発現し、活性を示します。 TET3のアイソフォームは、全長型TET3FL、短型スプライスバリアントTET3s、および卵母細胞で発現するTET3oと呼ばれる形態である。TET3oは代替プロモーターの使用によって生成され、11個のアミノ酸をコードする追加のN末端エクソンを含む。TET3oは卵母細胞と接合子の1細胞期にのみ発現し、胚性幹細胞や試験した他の細胞型または成体マウス組織では発現しない。TET1の発現は卵母細胞と接合子ではほとんど検出されず、TET2の発現は中程度であるのに対し、TET3バリアントTET3oは卵母細胞と接合子で非常に高いレベルの発現を示すが、2細胞期ではほとんど発現しない。卵母細胞や単細胞期の接合子で高発現しているTET3oは、受精直後、DNA複製が始まる前に父親ゲノムでほぼ100%の急速な脱メチル化が起こる際に利用される主要なTET酵素であると考えられる（DNA脱メチル化を参照）。

多くの異なるタンパク質が特定のTET酵素に結合し、TETを特定のゲノム位置にリクルートします。いくつかの研究では、相互作用自体がリクルートを媒介するのか、それとも相互作用するパートナーがTET結合に好ましいクロマチン環境を確立するのに役立つのかを判断するために、さらなる分析が必要です。TET1欠損細胞とTET2欠損細胞は、これら2つの酵素の異なる標的選択性を示し、TET1が優先するプロモーターと、TET2が優先する高発現遺伝子とエンハンサーの遺伝子本体が明らかになりました。^{[ 7 ]}

3種類の哺乳類DNAメチルトランスフェラーゼ（DNMT）は、5'→3'方向の塩基配列においてシトシンヌクレオチドの後にグアニンヌクレオチドが続く場合（CpG部位）、シトシンの5位炭素にメチル基を付加することを強く好む。 ^{[ 8 ]}これにより5mCpG部位が形成される。哺乳類の体細胞 では、DNAメチル化の98%以上がCpG部位で起こる。^{[ 9 ]} したがって、TET酵素は主に5mCpG部位で脱メチル化を開始する。

オキソグアニングリコシラーゼ（OGG1）は、TET酵素をリクルートするタンパク質の一例です。TET1は、ROSが最初にグアニンに作用して 8-ヒドロキシ-2'-デオキシグアノシン（8-OHdGまたはその互変異性体8-オキソ-dG）を形成し、5mCp-8-OHdGジヌクレオチドを生成した場合に、5mCpGに作用することができます（図を参照）。^{[ 10 ]} 5mCp-8-OHdGの形成後、塩基除去修復酵素OGG1は、直ちに除去することなく8-OHdG病変に結合します（図を参照）。OGG1が5mCp-8-OHdG部位に結合するとTET1がリクルートされ、TET1が8-OHdGに隣接する5mCを酸化できるようになります。これにより脱メチル化経路が開始されます。

EGR1はTET酵素をリクルートするタンパク質のもう1つの例です。^{[ 11 ]} EGR1は学習と記憶において重要な役割を果たしています。^{[ 12 ] [ 13 ]}恐怖条件付け などの新しい出来事が記憶の形成を引き起こすと、EGR1メッセンジャーRNAは 、学習と記憶の形成に関連する特定の脳領域のニューロンのサブセットで迅速かつ選択的にアップレギュレーションされます。^{[ 14 ]} TET1sは、ニューロンで発現するTET1の主要なアイソフォームです。^{[ 15 ]} EGR1タンパク質が発現すると、ニューロンゲノムの約600箇所にTET1sを誘導するようです。^{[ 11 ]}その後、EGR1とTET1は協力して、DNAのEGR1結合部位の下流にある遺伝子の脱メチル化を 行い、それによって遺伝子発現を活性化するようです。^{[ 11 ]}

TETのプロセス性は、物理的、化学的、遺伝的レベルの3つのレベルで考察できます。物理的プロセス性とは、TETタンパク質がDNA上をあるCpG部位から別のCpG部位へと滑走する能力を指します。in vitro研究では、DNAに結合したTETが同じDNA分子上の他のCpG部位を優先的に酸化しないことが示されており、TETは物理的にプロセス性を持たないことを示しています。化学的プロセス性とは、TETが基質を放出することなく5mCを5caCに繰り返し酸化する触媒能力を指します。TETは、反応条件に応じて、化学的にプロセス性のあるメカニズムとプロセス性を持たないメカニズムの両方で機能するようです。遺伝的プロセス性とは、酸化された塩基のマッピングによって示されるように、ゲノムにおけるTET媒介酸化の遺伝的結果を指します。マウス胚性幹細胞では、多くのゲノム領域またはCpG部位が修飾され、5mCが5hmCに変化するが5fCや5caCには変化しないのに対し、他の多くのCpG部位では5mCが5fCや5caCに修飾されるが5hmCには変化しないことから、5mCはゲノム領域またはCpG部位によって異なる状態に処理されることが示唆される。^{[ 7 ]}

TET酵素は、α-ケトグルタル酸依存性ヒドロキシラーゼファミリーに属するジオキシゲナーゼです。TET酵素は、α-ケトグルタル酸（α-KG）依存性ジオキシゲナーゼであり、分子状酸素（ _O₂ ）から単一の酸素原子を基質であるDNA中の5-メチルシトシン（5mC）に取り込む酸化反応を触媒し、DNA中の5-ヒドロキシメチルシトシンを生成します。この変換は、補基質であるα-KGのコハク酸と二酸化炭素への酸化と共役しています（図を参照）。

最初のステップでは、α-KGと5-メチルシトシンがTET酵素の活性部位に結合します。TET酵素はそれぞれ、Fe(II)/α-KG依存性オキシゲナーゼファミリーに見られる重要な金属結合残基を含む二本鎖βヘリックス構造を持つコア触媒ドメインを有しています。^{[ 16 ]} α-KGは二座配位子（2点で結合）としてFe(II)に配位し（図参照）、5mCは非共有結合力によって近接して保持されます。TET活性部位には高度に保存された三量体モチーフがあり、触媒的に必須のFe(II)は2つのヒスチジン残基と1つのアスパラギン酸残基によって保持されています（図参照）。三量体はFe中心の1面に結合し、α-KGと_O2が結合できる3つの不安定な部位を残します（図参照）。 TETは5-メチルシトシンを5-ヒドロキシメチルシトシンに変換する働きをし、α-ケトグルタル酸はコハク酸とCO2に変換さ_れる。

TETタンパク質は、DNA脱メチル化とは独立した活性も有している。^{[ 17 ]} 例えば、TET2はO結合型N-アセチルグルコサミン（O-GlcNAc）トランスフェラーゼと相互作用し、ヒストンO-GlcNアシル化を促進して標的遺伝子の転写に影響を与える。^{[ 18 ]}

マウスの精子ゲノムは、DNA中のCpG部位で80～90％メチル化されており、メチル化部位は約2000万個に上る。^{[ 20 ]}受精 後、胚発生の最初の日の早い段階で、DNA複製が始まる前に、TET依存性の活性プロセスによって6時間以内に父親の染色体がほぼ完全に脱メチル化される（図の青線）。

母体ゲノムの脱メチル化は、別のプロセスで起こる。成熟卵母細胞では、DNA中のCpG部位の約40%がメチル化されている。着床前胚から胚盤胞期までの胚（図参照）では、存在する唯一のメチルトランスフェラーゼはDNMT1oと呼ばれるDNMT1のアイソフォームである。^{[ 21 ]} 母体染色体の脱メチル化は、8細胞期のごく短い期間を除いて、メチル化酵素DNMT1oが核に入るのを阻害することによって大部分が起こっていると考えられる（DNA脱メチル化を参照）。したがって、母体由来のDNAは、複製中にメチル化された母体DNAが希釈されることによって受動的に脱メチル化される（図の赤線）。桑実胚（16細胞期）では、 DNAメチル化はごくわずかである（図の黒線）。

マウスでは、着床した胚に新たに形成された始原生殖細胞（PGC）は、胚発生の約7日目に体細胞から分化する。この時点でPGCは高レベルのメチル化を示す。これらの細胞は上胚葉から生殖腺隆起に向かって移動する。Messerschmidtら^{[ 22 ]}のレビューによると、 PGCの大部分は胚発生7.5日目から8.5日目にかけて後腸に向かって移動する間、細胞周期のG2期で停止する_。その後、 PGCの脱メチル化が2つの波で起こる^{[ 22 ]} 。 始原生殖細胞には、受動的および能動的なTET依存性脱メチル化の両方がある。9.5日目には始原生殖細胞は急速に複製を開始し、胚発生9.5日目の約200個のPGCから12.5日目には約10,000個のPGCに増加する。^{[ 23 ]} 9.5日目から12.5日目の間、DNMT3aとDNMT3bは抑制され、DNMT1は核内に高レベルで存在します。しかし、UHRF1遺伝子（ NP95としても知られる）が抑制されているため、DNMT1は9.5日目から12.5日目の間、シトシンをメチル化できません。UHRF1は、維持DNAメチル化が行われる複製焦点にDNMT1をリクルートするために必要な必須タンパク質です。^{[ 23 ]} これは、受動的な希釈型の脱メチル化です。

さらに、胚発生9.5日目から13.5日目にかけては、脱メチル化が活発に行われます。上記の脱メチル化経路の図に示すように、2つの酵素が活発な脱メチル化の中心となります。これらは、10-11転座（TET）メチルシトシンジオキシゲナーゼとチミン-DNAグリコシラーゼ（TDG）です。特定のTET酵素であるTET1とTDGは、胚発生9.5日目から13.5日目にかけて高レベルで存在し^{[ 23 ]}、配偶子形成中の活発なTET依存性脱メチル化に利用されます^{[ 22 ]} 。PGC ゲノムは、胚発生13.5日目までに、マウスの全ライフサイクルのどの細胞よりも低いレベルのDNAメチル化を示します^{[ 24 ] 。}

学習と記憶には永続性があり、思考、言語、意識といった一時的な性質を持つ他の精神プロセスとは異なります。学習と記憶は、ゆっくりと蓄積される場合（九九）もあれば、急速に蓄積される場合（熱いストーブに触れる）もありますが、一度獲得すると、長期間にわたって意識的に使用できます。文脈的恐怖条件付けを一度受けたラットは、特に強力な長期記憶を形成します。訓練後24時間で、ラット海馬ニューロンのゲノム内の遺伝子の9.17%がメチル化状態が異なることが判明しました。これには、訓練後24時間で2,000以上のメチル化状態が異なる遺伝子が含まれ、500以上の遺伝子が脱メチル化されていました。^{[ 25 ]} ラット海馬と同様の結果が、文脈的恐怖条件付けを受けたマウスでも得られました。^{[ 26 ]}

脳の海馬領域は、文脈恐怖記憶が最初に保存される場所です（図を参照）。しかし、この保存は一時的なもので、海馬には残りません。ラットでは、条件付けのわずか1日後に海馬切除を行うと文脈恐怖条件付けは消失しますが、海馬切除を4週間遅らせると、ラットはかなりの量の文脈恐怖を保持します。^{[ 27 ]} 条件付けから4週間後に検査したマウスでは、海馬のメチル化と脱メチル化が逆転していました（海馬は記憶の形成に必要ですが、記憶はそこに保存されません）。一方、記憶の維持中に皮質ニューロンでかなりのCpGメチル化と脱メチル化の差異が生じました。文脈恐怖条件付けから4週間後のマウスの前帯状皮質には、1,223個の差次的メチル化遺伝子がありました（図を参照）。このように、記憶が形成された直後には海馬に多くのメチル化が見られたが、わずか4週間後にはこれらの海馬のメチル化はすべて脱メチル化されていた。

Liら^{[ 28 ]}は、消去訓練を用いてTETタンパク質の発現、脱メチル化、記憶の関係の一例を報告した。消去訓練とは、行動が強化されない場合に、以前に学習した行動が消失することである。

聴覚刺激に対する恐怖を学習させたマウスと消去訓練を受けたマウスから採取した下辺縁前頭前野（ILPFC）ニューロンサンプルを比較したところ、学習に対する反応としてILPFCにおける5-hmCの蓄積に、経験依存的なゲノムワイドな劇的な差異が認められた。消去訓練は、皮質ニューロン内のTET3メッセンジャーRNAレベルの有意な増加をもたらした。TET3は、成体新皮質において経験依存的に選択的に活性化された。

ショートヘアピンRNA （shRNA）は、 RNA干渉を介して標的遺伝子の発現を抑制するために使用できる、タイトなヘアピンターンを持つ人工RNA分子です。TET3を標的としたshRNAの存在下で訓練されたマウスは、恐怖消去記憶に著しい障害を示しました。^{[ 28 ]}

側坐核（NAc）は依存症において重要な役割を果たしている。マウスの側坐核では、コカインへの反復曝露によりTET1メッセンジャーRNA （mRNA）とTET1タンパク質発現が減少した。同様に、死後検査されたヒトのコカイン中毒者のNAcでは、TET1 mRNAが約40%減少していた。 ^{[ 29 ]}

学習と記憶の項で述べたように、短いヘアピンRNA（shRNA）は、RNA干渉を介して標的遺伝子の発現を抑制するために使用できる、タイトなヘアピンターンを持つ人工RNA分子です。Fengら^{[ 29 ]は}、マウスのNAcにTET1を標的としたshRNAを注入しました。これは、コカイン曝露によるTET1発現の減少と同様に、TET1発現を減少させる可能性があります。次に、中毒の間接的な指標である条件付け場所嗜好を使用しました。条件付け場所嗜好は、動物がコカイン曝露に関連付けられた領域で過ごす時間を測定でき、これはコカイン中毒を示す可能性があります。NAcに注入されたshRNAによって引き起こされたTet1発現の減少は、コカイン場所条件付けを強力に増強しました。

記事「侵害受容」で説明されているように、侵害受容とは、組織に有毒な化学物質が塗布されるなどの有害な刺激に対する感覚神経系の反応です。侵害受容では、侵害受容器と呼ばれる感覚神経細胞への化学的刺激によって信号が生成され、脊髄を通って神経線維の連鎖を伝わり脳に伝達されます。侵害受容は様々な生理的および行動的反応を引き起こし、通常は痛みという主観的な経験、つまり知覚につながります。

Pan ら^{[ 3 ]}の研究により、TET1 および TET3 タンパク質がマウスの脊髄に通常存在することが初めて示されました。彼らは、マウスの後肢の背側表面に 5% ホルマリンを足底内注射する疼痛誘発モデルを使用し、誘発された疼痛の指標として後肢を舐める時間を測定しました。TET1 および TET3 のタンパク質発現は、ホルマリン注射後 2 時間でそれぞれ 152% および 160% 増加しました。ホルマリン注射前に 3 日間連続してTet1-siRNAまたは Tet3-siRNA を脊髄注射することにより、TET1 または TET3 の発現を強制的に減少させると、マウスの疼痛知覚が軽減されました。一方、2 日間連続して TET1 または TET3 を強制的に過剰発現させると、マウスの熱痛閾値の低下によって示されるように、疼痛様行動が有意に発生しました。

さらに、侵害受容性疼痛効果は、 miR-365-3pと呼ばれるマイクロRNAのプロモーターにおける5-メチルシトシンから5-ヒドロキシメチルシトシンへのTETを介した変換によって生じ、その結果、miR-365-3pの発現が増加することを示した。このマイクロRNAは、通常、Kv11.1またはKCNH2として知られるタンパク質をコードするKcnh2のメッセンジャーRNAを標的（発現を減少）する_。KCNH2は、中枢神経系のカリウムイオンチャネルのαサブユニットである。siRNAの前注射によるTET1またはTET3の発現の強制的な減少は、ホルマリン処理マウスにおけるKCNH2タンパク質の減少を逆転させた。

2025年のiScienceの研究では、培養ヒト線維芽細胞および末梢血単核細胞におけるα-ケトグルタル酸（AKG）-TET軸の実験的抑制により、活性酸素種の増加、炎症シグナル伝達、DNA損傷マーカー、増殖の低下など、複数の老化関連特徴が誘導されることが報告された。同じ研究では、AKGの利用可能性を回復させるか、TET1の発現を増加させると、これらの老化関連マーカーが減少し、in vitroでの増殖活性が部分的に回復した。^{[ 30 ]}

これらの知見は細胞培養で得られたものであるため、そのより広範な生理学的意義はまだ確立されていない。