　慶應義塾大学は2018年9月14日、タンパク質「CTCF」が、ゲノムDNAへのある特定の結合パターンに従ってDNAの3次元構造を多層的に制御する機構を、最先端のゲノム編集技術を用いて解明したと発表した。同大学医学部・大学院医学研究科iPS細胞エピジェネティクス研究医学寄附講座特任准教授の菱川慶一氏らの研究グループによる成果だ。

　個々の遺伝子は、「エンハンサー」という遺伝子制御DNA領域の活性によって発現が制御され、個々の細胞で特異的に機能する。近年の研究では、遺伝子とエンハンサーとの3次元的位置関係が重要であること、特にCTCFの結合がゲノムDNAの3次元構造の区切りに関わることが判明している。一方で、ゲノムDNAの3次元構造の区切りに関与しないCTCF結合サイトもゲノム中には多くあり、個々のゲノム領域における実態には不明な点が多くあった。

　同研究では、マウスES細胞の隣接する2つの遺伝子「Tfap2c」「Bmp7」からなるDNA領域に注目した。次世代シークエンサーを用いて、この領域で網羅的なゲノム編集と3次元構造解析を繰り返し、ゲノムDNAの3次元構造とエンハンサーの機能がどのように規定されるのかを解析した。

　その結果、2つの遺伝子間には、約8万塩基対という広領域にわたって複数のCTCF結合サイトが存在していることが判明。このCTCF結合サイトがゲノムDNAの3次元構造に区切りを入れることで、エンハンサーが標的の遺伝子のみに作用することがゲノム編集によるCTCFクラスタ欠失によって明らかになった。この8万塩基対のゲノムの区切りは、区切られた両遺伝子周辺のゲノムDNA領域と3次元的には均等に近い距離に位置していた。この区切り領域の内部には、DNA配列が多く含まれており、区切りとしての機能以外に、ゲノム情報を統括する未知の機能を持つことが推察された。

　また、ゲノムDNAの3次元構造の区切りに関与しないTfap2c遺伝子周辺のCTCF結合にも着目した。こうした部位でのCTCF結合は弱く、単独に近い形で存在するため、区切りとしての作用が弱くなっていると考えられた。一方、ゲノム編集でこのような非分断CTCF結合の方向を変えることにより、3次元的折り畳みの方向性が変換した。つまり、区切りとして弱い作用しか持たないCTCF結合でも、周辺のゲノムDNA領域の3次元的折り畳みの方向性を決定することが分かった。

　これらの成果から、ゲノムDNAへの特異的なCTCF結合パターンにより、DNAの3次元構造が多層的に制御され、それによってエンハンサーの活性も緻密に制御されていることが明らかになった。この知見を発展させることで、ゲノムDNAの3次元構造と遺伝子の機能を操作する全く新しい遺伝子機能操作技術開発が可能となり、再生医療や医薬品開発、がん治療などへの応用が期待される。

Tfap2c-Bmp7遺伝子座のCTCF結合サイトとエンハンサー制御の模式図（クリックで拡大）出典：慶應義塾大学

ゲノム編集によるCTCF結合サイトの欠失・方向転換とその3次元構造への効果（クリックで拡大）出典：慶應義塾大学

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