研究成果の紹介

鍵のかかった遺伝子の活性化に必要な新たな因子を同定: ~遺伝情報書き換えの仕組み解明に期待〜

 GCOE植物生殖遺伝学研究グループの池田陽子特任助教、木下哲特任准教授の研究グループは、DNA脱メチル化により、インプリント遺伝子を活性化するための新たな因子(SSRP1)を突き止めた。この研究は、細胞間情報学講座高山研究室、名古屋大学理学研究科東山研究室、国立遺伝学研究所角谷研究室との共同研究によって行われた。
 同グループが発見した因子は酵母からヒトまで保存されており、今回の世界で初めての成果を手がかりとしてDNAメチル化で制御される遺伝子の遺伝情報書き換え(DNA脱メチル化)の仕組みの全容解明につながると期待される。植物において、DNAメチル化により不活化されている(使われなくなっている)遺伝子を有効に活用し有用作物を作出することにも利用できる可能性がある。この成果は、Developmental Cell (米国Cell press社)のオンライン版で発表され、日経産業新聞、日刊工業新聞、化学工業日報、科学新聞に記事として掲載されました。プレスリリース詳細(大学HP http://www.naist.jp/内コンテンツ)

木下哲特任准教授のコメント

 DNA脱メチル化は遺伝子発現制御に重要な役割を果たしているにも関わらず、その多くの部分が未解明でした。これまでに、基本的な生命現象の一端は遺伝学的な解析により明らかにされてきましたが、遺伝解析に有利な生物(ショウジョウバエ、線虫、酵母等)では、DNAメチル化は殆ど見つかっていませんでした。哺乳動物のモデル生物はマウスですが、マウスの遺伝学は時間と労力が必要です。我々は、植物シロイヌナズナを用いて、DNA脱メチル化に関与する因子SSRP1を突き止めました。SSRP1はクロマチン機能に関与する因子で、酵母からヒトまで多くの生物に存在します。今後、シロイヌナズナを用いてDNA脱メチル化の機構にクロマチン機能変換が必要であることをさらに明らかにすると共に、このような基本的な分子機構がどれ位多くの生物に保存されているかに注目しています。

研究概要

 今回の研究成果(Ikeda et al. Developmental Cell 2011)では、DNAメチル化が書き込まれているか、書き込まれていないかで遺伝子発現が決定されるシロイヌナズナのFWAインプリント遺伝子に着目しました。FWA遺伝子は、動植物を通じて保存された仕組みであるゲノムインプリンティング(遺伝子刷り込み)を受ける遺伝子で、母親から遺伝したか父親から遺伝したかに従って遺伝子発現が決定されます。FWA遺伝子では、胚乳という組織において、母親から遺伝した対立遺伝子のみ遺伝子発現が活性化されます。一方、父親から遺伝子した対立遺伝子は発現しません。私達は、FWA遺伝子の発現をGFP蛍光タンパク質を用いてモニターし、遺伝子が活性化されない植物を選び解析しました。この突然変異体をさらに詳しく解析すると、FWA遺伝子が活性化されないこと以外にも、花粉が受粉していないのに、鞘が伸び、自立的に胚乳が形成されるという異常な表現型も見つかりました(図1)。このような異常は、他のMEDEA,FIS2インプリント遺伝子の変異体にも見られることから、我々の単離した変異体は多くのインプリント遺伝子の活性化に影響があることが予想され、実際にこれを実験により確認することができました。
マップベースドクローニングの結果、このような異常の原因はSSRP1と呼ばれるタンパク質で、SSRP1がDNA脱メチル化を行う酵素DEMETERとともにDNA脱メチル化には不可欠であることを突き止めました。これまでに、ヒト、ショウジョウバエ、酵母などの解析からSSRP1はSPT16 タンパク質とヘテロダイマーを形成し、FACT (facilitates chromatin transcription/transaction)と呼ばれるヒストンシャペロン複合体を形成することが知られています。FACTヒストンシャペロンはヒストンH2A/Bを出し入れする活性を持っており、クロマチン機能変換が必要な様々な局面に関与します。また、SSRP1はSPT16に依存せず、特定の遺伝子の活性化を行うことも知られています。しかしながら、DNA脱メチル化にも必要であることが明らかになったのは今回が初めてであります。さらに、DNAメチル基転移酵素(MET1)、DNA脱メチル化酵素(DEMETER)、SSRP1タンパク質それぞれの変異体を利用した遺伝学的な解析から、SSRP1タンパク質の持つクロマチン機能変換に関する遺伝学的な知見が得られており、これをもとにモデルを構築しました(図2)。
 今回、DNA脱メチル化に関わる因子として、DNA脱メチル化酵素DEMETER以外にもクロマチン機能に関わるSSRP1が同定されたことにより、植物の遺伝情報書き換えの仕組みが今後急速に明らかになることが期待されます。また、このSSRP1は植物だけでなく、酵母のような菌類からヒトまで持っていることが明らかになっています。したがって、植物で理解されたDNA脱メチル化に必要な仕組みが他の生物でも保存されている可能性もあります。
また、植物では、種子の大きさや、様々な成長に関わる遺伝子がDNAメチル化により制御されていることが分かりつつあります。今後、遺伝子の働きを決めるDNAメチル化を自在に書き換えることにより有益な作物を作り出すなど、農業分野への貢献が期待されます。

図1 左上: FWA-GFP の野生型での発現パターン。胚乳核に局在している。
左下:ssrp1ヘテロ変異体では半数の種子内の蛍光が見られない。右:ssrp1ヘテロ変異体(写真右)では、受精がおこらなくても鞘が伸長する(写真左は野生型)。図2.DNA脱メチル化ならびにインプリント遺伝子活性化のモデル



図2.DNA脱メチル化ならびにインプリント遺伝子活性化のモデル

(2011年10月04日掲載)

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