大阪大学(阪大)、東京工業大学(東工大)、九州大学(九大)の3者は11月19日、細胞のG1期の複製開始複合体の「ミニクロモソーム・メンテナンス(MCM)」の形成が、ヒストン修飾の変化によって制御されることが明らかにされたと発表した。

同成果は、阪大大学院 生命機能研究科の林陽子特任助教(常勤)、同・平岡泰教授、東工大 科学技術創成研究院 細胞制御工学研究センターの木村宏教授を中心に、関西医科大学、九大の研究者らも加わった共同研究チームによるもの。詳細は、核酸やタンパク質の物理的・化学的・生化学的・生物学的な題材を扱った学術誌「Nucleic Acids Research」にオンライン掲載された。

細胞が増殖するためには、DNAが複製される必要がある。一般に細胞周期は、G1、S、G2、M期から構成され、DNA複製はS期で、その前の準備の期間がG1期、M期には細胞分裂が行われる。またG1期は、細胞増殖のために複製期に進行するか、そのまま細胞周期の進行を停止するかを決める重要な時期となる。

真核生物のDNA複製は、常にDNAの「複製起点」と呼ばれる領域から始まるが、その開始には、まず複製開始複合体が複製起点に結合する必要があり、さらに複製開始複合体の一因子MCM(シングル六量体)は、DNA複製を行う際にDNAのねじれを解く役割が与えられている。

S期の開始までには、クロマチン上でMCM複合体の六量体単体(シングル)から六量体が2つ連結した状態(ダブル)に遷移することが知られていたが、G1期の長い(～数十時間)ヒト細胞において、どのような過程を経てダブル六量体が形成されるのかは明らかになっていなかったという。

  • ヒストン修飾

    MCMの変化とヒストン修飾の模式図。(出所:阪大Webサイト)

そこで研究チームは今回、「hTERT-RPE1細胞(不死化ヒト網膜色素上皮細胞)を用いて、シングルセルプロット解析法によりクロマチン画分に結合するMCM量が細胞周期の進行に伴って、どのように変化するかを調査することにしたという。

  • ヒストン修飾

    シングルセルプロット解析によるMCMタンパク質の細胞周期における変化 (出所:阪大Webサイト)

その結果、MCM量はG1期初期では少～中程度だったのに対し、G1期後期になると多くなることが判明。その違いについても、G1期初期ではMCMはシングル六量体であり、G1期後期ではダブル六量体を形成することが判明した。

  • ヒストン修飾

    ショ糖密度勾配法によるMCMタンパク質の分画 (出所:阪大Webサイト)

細胞周期のフェーズがどの程度の長さか、複数の細胞での調査から、MCMのクロマチン結合量の多いG1期後期は3～4時間程度だったほか、がん細胞のように増殖が盛んな細胞でも、正常細胞のように細胞周期が長い細胞でも、その長さはほとんど変わりがなかったことも判明。ただし、MCM量が少～中程度のG1期初期は、がん細胞では7～8時間程度だったのに対し、細胞周期の長い細胞では数十時間にも及ぶことも確認。細胞周期の長さはG1期初期の長さに影響を受けることを示唆する結果を得たという。

  • ヒストン修飾

    がん細胞と正常細胞の細胞周期の長さの違い (出所:阪大Webサイト)

さらに、このMCMがシングル六量体からダブル六量体を形成する前に、ヒストン「H4K20me1」が同「me2/me3」になることが判明。ヒストンH4K20me2/me3への変化を阻害すると、MCMはダブル六量体を形成できずシングル六量体で留まったという。

  • ヒストン修飾

    ヒストンメチル基転移酵素の働き (出所:阪大Webサイト)

これらの結果は、ヒストン修飾がエピジェネティクス制御に関わり遺伝子発現に関与するだけではなく、細胞周期のG1期の進行にも重要な働きを持つことを示すものであると研究チームでは説明しており、ヒストン修飾による遺伝子発現制御と細胞周期との関係が注目されることとなるとするほか、がん細胞と正常細胞の細胞周期の長さの違いはG1期初期の状態に依存することから、がん細胞を標的とした創薬への応用も期待されるとしている。