エンハンサー（遺伝学）

遺伝学において、エンハンサーとは、タンパク質（活性化因子）が結合して特定の遺伝子の転写が起こる可能性を高めることができる短い（50～1500 bp）DNA領域である。 ^{[1] [2]これらのタンパク質は通常、}転写因子と呼ばれる。エンハンサーはシス作用性である。遺伝子から最大1 Mbp（1,000,000 bp）離れた場所、開始部位の上流または下流に配置できる。^{[2] [3]}ヒトゲノムには数十万のエンハンサーが存在している。^[2]エンハンサーは原核生物と真核生物の両方に見られる。^[4]活性エンハンサーは通常、エンハンサーまたは調節性非コードRNAとして転写され、その発現レベルは標的遺伝子のmRNAレベルと相関する。^{[5] [6]}

真核生物のエンハンサーが最初に発見されたのは、1983年の免疫グロブリン重鎖遺伝子でした。 ^{[7] [8] [9]}大きなイントロンに位置するこのエンハンサーは、再配置されたVh遺伝子プロモーターの転写活性化と、再配置されていないVhプロモーターの転写活性化を説明できました。^{[10]最近、エンハンサーは}骨髄抑制などの特定の病状に関与していることが示されています。^[11] 2022年以来、科学者は人工知能を使用して合成エンハンサーを設計し、最初は細胞株で、^[12] 1年後には生体内でも、動物システムに適用しています。^{[13] [14]}

真核細胞では、DNAのクロマチン複合体の構造は、原核生物DNAの超らせん状態の特徴を機能的に模倣するように折り畳まれているため、エンハンサーDNAは直線的には遺伝子から離れているかもしれませんが、空間的にはプロモーターおよび遺伝子に近いです。これにより、一般的な転写因子およびRNAポリメラーゼIIと相互作用することができます。^[15]同じメカニズムが真核生物ゲノムのサイレンサーにも当てはまります。サイレンサーはエンハンサーの拮抗薬であり、リプレッサーと呼ばれる適切な転写因子に結合すると、遺伝子の転写を抑制します。サイレンサーとエンハンサーは互いに近接している場合もあれば、結合する転写因子によってのみ区別される同じ領域内にある場合もあります。

エンハンサーは、それが制御する遺伝子の上流または下流に位置し得る。さらに、エンハンサーは転写に影響を与えるために転写開始部位の近くに位置する必要はなく、開始部位の数十万塩基対上流または下流に位置するものが見つかっている。 ^[16]エンハンサーはプロモーター領域自体には作用せず、in vivo競合実験で初めて示されたように活性化タンパク質によって結合される。 ^{[17] [18]}その後、分子研究により、ポリメラーゼIIと一般転写因子をリクルートし、遺伝子の転写を開始するメディエーター複合体を含む転写因子および補因子との直接的な相互作用が示された。 ^{[19] [20]}エンハンサーはイントロン内にも存在する。エンハンサーの方向は、その機能に影響を与えずに反転することさえある。さらに、エンハンサーは切り取られて染色体の他の場所に挿入され、それでも遺伝子の転写に影響を与える可能性がある。^{[9]これが、イントロン}多型が翻訳されなくても影響を与える可能性がある理由の1つである。^[要出典]エンハンサーは無関係な遺伝子のエクソン領域にも存在し^{[21] [22] [23] 、別の}染色体上の遺伝子に作用することもある^[24]。

エンハンサーはp300-CBPに結合しており、その位置はこのコアクチベーターファミリーに対するChIP-seqによって予測することができる。 ^{[25] [26] [27] [28]}

哺乳類における遺伝子発現は、遺伝子の転写開始部位付近に位置するコアプロモーターやプロモーター近位要素など、多くのシス調節要素によって制御されている。コアプロモーターは転写開始を指示するのに十分であるが、一般的に基礎活性は低い。^[29]その他の重要なシス調節モジュールは、転写開始部位から離れた DNA 領域に局在している。これらには、エンハンサー、サイレンサー、インシュレーター、テザリング要素などがある。^[30]この一連の要素のうち、エンハンサーとそれに関連する転写因子は、遺伝子発現の制御において主導的な役割を果たしている。^[31]遺伝子のプロモーターから離れた DNA 領域に局在するエンハンサーは、遺伝子発現に非常に大きな影響を与える可能性があり、一部の遺伝子では、活性化されたエンハンサーにより発現が最大 100 倍に増加する。^[32]

エンハンサーはゲノムの領域で、主要な遺伝子調節要素である。エンハンサーは細胞型特有の遺伝子発現プログラムを制御しており、多くの場合、長距離をループして標的遺伝子のプロモーターと物理的に近接する。^[33] エンハンサーDNA領域は何十万もあるが、^[2]特定の種類の組織では、特定のエンハンサーのみが制御対象のプロモーターと近接する。脳皮質ニューロンの研究では、エンハンサーを標的プロモーターに導く24,937個のループが見つかった。^[32] 複数のエンハンサーは、それぞれが標的遺伝子から数万または数十万ヌクレオチド離れたところにあることが多く、標的遺伝子プロモーターにループし、互いに連携して共通の標的遺伝子の発現を制御することができる。^[33]

このセクションの模式図は、エンハンサーがループして標的遺伝子のプロモーターと物理的に近接する様子を示している。ループはコネクタタンパク質の二量体（CTCFまたはYY1の二量体など）によって安定化され、二量体の1つはエンハンサーの結合モチーフに固定され、もう1つはプロモーターの結合モチーフに固定される（図では赤いジグザグで表されている）。^[34]いくつかの細胞機能特異的転写因子（ヒト細胞には約1,600の転写因子がある^[35]）は、通常、エンハンサーの特定のモチーフに結合し^[36]、これらのエンハンサー結合転写因子の小さな組み合わせがDNAループによってプロモーターに近づくと、標的遺伝子の転写レベルを制御する。 メディエーター（相互作用構造の約26個のタンパク質からなる複合体）は、エンハンサーDNA結合転写因子からの調節シグナルを、プロモーターに結合したRNAポリメラーゼII（pol II）酵素に直接伝達する。^[37]

エンハンサーは、活性化されると、通常、2つの異なる方向に作用するRNAポリメラーゼによってDNAの両鎖から転写され、図に示すように2つのエンハンサーRNA （eRNA）を生成します。 ^[38] mRNAと同様に、これらのeRNAは通常、5'キャップによって保護されています。^[39]不活性なエンハンサーは、不活性な転写因子によって結合される場合があります。転写因子のリン酸化により転写因子が活性化され、活性化された転写因子は、結合しているエンハンサーを活性化する場合があります（図中のエンハンサーに結合した転写因子のリン酸化を表す小さな赤い星を参照）。^[40]活​​性化されたエンハンサーは、標的遺伝子からのメッセンジャーRNAの転写を活性化する前に、そのRNAの転写を開始します。^[41]

2005年現在^{[アップデート]}、エンハンサー上で行われる情報処理については2つの異なる理論がある。^[42]

• エンハンソソーム– 高度に協力的で協調的な動作に依存しており、個々のタンパク質の結合部位を移動または削除する単一の点突然変異によって無効にすることができます。
• 柔軟なビルボード - 統合性が低く、複数のタンパク質が独立して遺伝子発現を制御し、それらの合計が基礎転写機構によって読み取られます。

HACNS1 ( CENTG2としても知られ、ヒト加速領域2に位置する) は、遺伝子エンハンサーであり、「ヒトの 親指の独特な対向性の進化に貢献した可能性があり、また、ヒトが二足歩行できるようにする足首や足の修正にも貢献した可能性がある」。これまでの証拠によると、ヒトゲノムで特定されている 110,000 の遺伝子エンハンサー配列のうち、チンパンジーの祖先との分岐後のヒトの進化において、HACNS1 が最も大きな変化を遂げたことが示されている。^{[引用が必要]}

GADD45g遺伝子の近くにあるエンハンサーは、チンパンジーや他の哺乳類の脳の成長を制御する可能性があるが、ヒトでは制御できないことが報告されている。^[43]マウスとチンパンジーのGADD45G調節因子は、皮質、腹側前脳、視床を形成する細胞が存在する脳の領域で活性化し、さらなる神経新生を抑制する可能性がある。ヒトのGADD45Gエンハンサーの喪失は、特定のニューロン集団の増加とヒトの前脳の拡大に寄与する可能性がある。^[要出典]

細胞や組織の発達、分化、成長には、遺伝子発現の正確に制御されたパターンが必要です。エンハンサーはシス制御要素として機能し、特定の細胞で転写を開始したり、他の細胞で転写を抑制したりすることで、空間的および時間的な発達の制御を仲介します。したがって、発達中の組織における転写因子と他の DNA 結合タンパク質の特定の組み合わせが、その組織でどの遺伝子が発現するかを制御します。エンハンサーにより、同じ遺伝子が空間的および時間的にさまざまなプロセスで使用できるようになります。^{[要出典] [44]}

従来、エンハンサーはレポーター遺伝子を用いたエンハンサートラップ技術、または比較配列解析と計算ゲノム学によって同定されてきた。例えばショウジョウバエのDrosophila melanogasterのような遺伝的に扱いやすいモデルでは、lacZ 遺伝子のようなレポーター構築物はP要素 トランスポゾンを用いてゲノムにランダムに組み込むことができる。レポーター遺伝子がエンハンサーの近くに組み込まれると、その発現はそのエンハンサーによって駆動される発現パターンを反映する。したがって、ハエをLacZ発現または活性について染色し、組み込み部位の周囲の配列をクローニングすることで、エンハンサー配列を同定することができる。^[45]

しかし、ゲノムおよびエピゲノム技術の発達により、シス制御モジュール（CRM）発見の見通しは劇的に変化しました。次世代シーケンシング（NGS）法によって、ハイスループットの機能的 CRM 発見アッセイが可能になり、転写因子結合部位（TFBS）モチーフの大規模ライブラリ、注釈付きの検証済み CRM のコレクション、多くの細胞タイプにわたる広範なエピジェネティックデータなど、利用可能なデータの量が大幅に増加したため、計算による正確な CRM 発見が達成可能な目標になりつつあります。DNase -seqと呼ばれる NGS ベースのアプローチの例では、CRM を含む可能性のあるヌクレオソーム枯渇領域、またはオープンクロマチン領域の特定が可能になりました。最近では、開始材料をより少なく必要とするATAC-seqなどの手法が開発されました。ヌクレオソーム枯渇領域は、 Dam メチラーゼの発現を通じて体内で特定できるため、細胞タイプ固有のエンハンサー識別をより細かく制御できます。^[46] 計算手法には、比較ゲノミクス、既知または予測された TF 結合部位のクラスタリング、および既知の CRM でトレーニングされた教師あり機械学習アプローチが含まれます。これらの方法はすべて CRM の発見に有効であることが証明されていますが、それぞれに独自の考慮事項と制限があり、それぞれが多かれ少なかれ偽陽性の識別の影響を受けます。^[47]比較ゲノミクスアプローチ では、非コード領域の配列保存がエンハンサーの指標となる場合があります。複数の種の配列が整列され、保存された領域が計算によって識別されます。^{[48]次に、識別された配列を}緑色蛍光タンパク質や lacZなどのレポーター遺伝子に結合して、エンハンサーを胚に注入したときに生成される遺伝子発現のin vivoパターンを決定できます。レポーターのmRNA発現は、 in situハイブリダイゼーションによって視覚化できます。これは、翻訳やタンパク質フォールディングの複雑さの影響を受けないため、エンハンサー活性のより直接的な測定値を提供します。多くの証拠が重要な発達エンハンサーの配列保存を示唆しているが、他の研究では、エンハンサーの機能は一次配列の保存がほとんどまたは全くなくても保存できることが示されている。例えば、ヒトのRETエンハンサーは、ゼブラフィッシュのRETエンハンサーとほとんど配列保存されていない。 、しかし、両種の配列は、ゼブラフィッシュにおいて、ほぼ同一のレポーター遺伝子発現パターンを生み出している。^[48]同様に、高度に分岐した昆虫（約3億5000万年離れている）では、いくつかの重要な遺伝子の類似した遺伝子発現パターンが、同様に構成されたCRMを介して制御されていることが判明したが、これらのCRMは、BLASTなどの標準的な配列アライメント法で検出できる顕著な配列保存性を示さない。^[49]

キイロショウジョウバエの胚の初期分節を決定するエンハンサーは、最もよく特徴付けられている発生エンハンサーの 1 つです。ハエの初期胚では、ギャップ遺伝子転写因子が、ペアルール遺伝子などのいくつかの分節遺伝子の活性化と抑制を担っています。ギャップ遺伝子は、他の母性効果転写因子とともにハエの前後軸に沿ってブロック状に発現し、転写因子の異なる組み合わせが発現するゾーンを作り出します。ペアルール遺伝子は、非発現細胞によって互いに分離されています。さらに、異なるペアルール遺伝子の発現のストライプは、互いに数細胞直径分だけずれています。このように、ペアルール遺伝子発現の固有の組み合わせによって、前後軸に沿って空間ドメインが形成され、14 個の個々の分節が設定されます。ペアルール遺伝子even-skipped ( eve ) の鋭いストライプ 2 を駆動する 480 bp エンハンサーは、十分に特徴付けられています。エンハンサーには、母性遺伝子およびギャップ遺伝子転写因子の12の異なる結合部位が含まれています。活性化部位と抑制部位は配列内で重複しています。EVEは、このエンハンサー配列の活性化因子の濃度が高く、抑制因子の濃度が低い狭い帯状の細胞でのみ発現します。他のエンハンサー領域は、胚内の他の6つの帯状領域でEVEの発現を促進します。 ^[50]

体軸の確立は、動物の発生において極めて重要なステップです。マウスの胚発生において、形質転換成長因子ベータスーパーファミリーのリガンドであるNodal は、初期胚の前後軸と左右軸の両方のパターン形成に関与する重要な遺伝子です。Nodal遺伝子には、近位上胚葉エンハンサー (PEE) と非対称エンハンサー (ASE) という 2 つのエンハンサーが含まれています。PEE はNodal遺伝子の上流にあり、原始条の節 (原始節とも呼ばれる) に分化する部分でNodal の発現を促進します。^[51] PEE は、Wnt シグナル伝達と 2 番目の未知のシグナルの組み合わせに応答して Nodal の発現をオンにします。したがって、LEF/TCF 転写因子ファミリーのメンバーが節の細胞内の TCF 結合部位に結合すると考えられます。節から Nodal が拡散すると勾配が形成され、それが胚の前後軸の伸長パターンを形成します。^{[52] ASEは}フォークヘッドドメイン転写因子Fox1に結合するイントロンエンハンサーである。発生初期には、Fox1駆動によるNodal発現が内臓内胚葉を確立する。発生後期には、ASEに結合するFox1が側板中胚葉の左側でNodal発現を促進し、中胚葉における非対称な器官発達に必要な左右非対称を確立する。^[53]

胚葉形成中に3つの胚葉を確立することは、動物の発生におけるもう1つの重要なステップです。3つの胚葉はそれぞれ、分化と発達を促進する独自の遺伝子発現パターンを持っています。内胚葉は、発達の初期にGata4発現によって指定され、その後Gata4は腸の形態形成を指示します。Gata4発現は、別のフォークヘッドドメイン転写因子であるFoxA2に結合するイントロンエンハンサーによって初期胚で制御されます。最初はエンハンサーが胚全体に広範な遺伝子発現を促進しますが、発現はすぐに内胚葉に限定され、他のリプレッサーがその制限に関与している可能性があることを示唆しています。発達後期には、同じエンハンサーが胃と膵臓になる組織に発現を制限します。腸の発達の中間段階では、追加のエンハンサーが内胚葉でのGata4発現を維持する役割を果たします。^[54]

重要な発達過程に関与する遺伝子の中には、機能が重複する複数のエンハンサーを持つものがある。二次エンハンサー、または「シャドウエンハンサー」は、一次エンハンサーから数キロベース離れたところに存在することがある（「一次」は通常、最初に発見されたエンハンサーを指し、それが制御する遺伝子に近いことが多い）。各エンハンサーは、それ自体では、ほぼ同一の遺伝子発現パターンを駆動する。2 つのエンハンサーは本当に冗長なのだろうか？最近の研究では、複数のエンハンサーによってショウジョウバエが温度上昇などの環境変動に耐えられることがわかっている。高温で育てると、1 つのエンハンサーでは完全な発現パターンを駆動できないことがあるが、両方のエンハンサーが存在すると正常な遺伝子発現が可能になる。^[55]

進化発生生物学（「evo-devo」）の研究テーマの 1 つは、種間の発達の違いを通じて形態学的変化を生み出すエンハンサーやその他のシス制御要素の役割を調査することです。^{[引用が必要]}

最近の研究では、イトヨの形態変化におけるエンハンサーの役割が調査されています。イトヨは海洋環境と淡水環境の両方に生息していますが、多くの淡水個体群のイトヨは腹鰭（四肢動物の後肢に相同な付属肢）を完全に失っています。Pitx1
は脊椎動物の後肢の発達に関与するホメオボックス遺伝子です。予備的な遺伝子解析では、この遺伝子の発現の変化がイトヨの骨盤縮小の原因であることが示されました。Pitx1の淡水アレルのみを発現する魚には骨盤棘がありませんが、海洋アレルを発現する魚には骨盤棘が残っています。より徹底した特性解析により、500 塩基対のエンハンサー配列が後鰭芽におけるPitx1発現のオンの原因であることが示されました。このエンハンサーは染色体の脆弱部位の近くに位置している。脆弱部位とは、不正確なDNA修復の結果として壊れやすく、変異しやすいDNA配列である。この脆弱部位は、孤立した淡水個体群の骨盤棘におけるPitx1発現を促進するエンハンサーの繰り返しの独立した喪失を引き起こし、このエンハンサーがなければ淡水魚は骨盤棘を発達させることができない。^[56]

色素沈着パターンは、異なる動物種間における最も顕著で簡単に記録できる差異の 1 つです。ショウジョウバエの羽の色素沈着は、複雑な色素沈着表現型の発達を研究するのに特に適したシステムであることが証明されています。Drosophila guttifera の羽には、12 個の暗い色素斑と 4 個の明るい灰色の静脈間パッチがあります。色素斑は、黒色メラニンを生成する黄色遺伝子の発現によって生じます。最近の研究では、黄色遺伝子の 2 つのエンハンサーがまさにこのパターンで遺伝子発現を引き起こすことが示されています。静脈スポットエンハンサーは 12 個のスポットでレポーター遺伝子発現を促進し、静脈間シェードエンハンサーは 4 つの異なるパッチでレポーター遺伝子発現を促進します。これら 2 つのエンハンサーはWnt シグナル伝達経路に応答し、この経路はすべての色素沈着部位でのwingless発現によって活性化されます。このように、複雑な色素表現型の進化において、黄色色素遺伝子はwinglessシグナルに応答するエンハンサーを進化させ、wingless発現は新しい場所で進化して新しい羽のパターンを生み出した。^[57]

各細胞には通常、数キロベースに及ぶ DNA 配列にまたがる特殊なクラスのエンハンサーが数百個含まれており、「スーパーエンハンサー」と呼ばれています。^[58]これらのエンハンサーには、配列特異的な誘導性転写因子の結合部位が多数含まれており、細胞分化に関与する遺伝子の発現を制御します。^[59]炎症時には、転写因子NF-κBがクロマチンのリモデリングを促進し、高占有率エンハンサーから補因子を選択的に再分配することで、細胞のアイデンティティの維持に関与する遺伝子の発現を抑制します。同時に、この F-κB 主導のリモデリングと再分配により、炎症を通じて細胞機能の変化を導く他のエンハンサーが活性化されます。^{[60] [61]}その結果、炎症によって細胞が再プログラムされ、細胞と組織の残りの部分および免疫系との相互作用が変化します。^{[62] [63]}癌では、NF-κBの活性を制御するタンパク質が調節不全になり、悪性細胞が局所組織との相互作用への依存を低下させ、免疫系による監視を妨げます。^{[64] [65]}

エンハンサーなどの合成調節要素は、有益な遺伝子を活性化したり、異常な細胞状態を停止したりすることで病気を治療するために、遺伝子産物を特定の細胞タイプに誘導する強力なツールとなることが期待されています。

2022年以降、人工知能と転移学習戦略により、調節DNA配列の特徴、予測、合成エンハンサーの設計についての理解が深まりました。^{[66] [67]}

細胞培養の研究を基にして、^[66]合成エンハンサーが2023年に生物全体にうまく適用されるようになりました。科学者たちはディープニューラルネットワークを使用して、DNA配列の進化をシミュレートし、エンハンサー機能の根底にある特徴の出現を分析しました。これにより、ショウジョウバエの脳のさまざまな細胞タイプに対して機能するさまざまな合成エンハンサーの設計と製造が可能になりました。^[14] 2番目のアプローチでは、単一細胞DNAアクセシビリティデータで人工知能モデルをトレーニングし、学習したモデルをショウジョウバエの胚の特定の組織のエンハンサーの予測に転用しました。これらのエンハンサー予測モデルを使用して、神経系、脳、筋肉、表皮、腸の合成エンハンサーを設計しました。^[13]

• シャドウエンハンサー

• 米国国立医学図書館の医学件名標目表(MeSH)における Enhancer+Elements、遺伝学
• TFSEARCH
• ジャスパー
• 再マップ
• ENCODE スレッド エクスプローラー エンハンサーの発見と特性評価。 自然