染色体構造とDNAパッキング

染色体構造とDNAパッキングは、ゲノムの長いDNA分子がどのようにして核内でコンパクトにされ、組織化され、アクセス可能になるかを説明します。パッキングは、DNAがヒストンタンパク質に巻き付いてヌクレオソームを形成することから始まり、クロマチンへの高次折り畳み、そして細胞分裂時には凝縮された染色体へと続きます。

Definition

染色体パッキングとは、ゲノムDNAとタンパク質との階層的な組織化であり、ヌクレオソーム（ヒストン八量体に巻き付いたDNA）から始まり、コンパクトなクロマチン繊維、そして凝縮された染色体へと及びます。これら全体でゲノムを核内に収めつつ、DNAへのアクセスを調節しています。

Scope

この項目では、クロマチンの繰り返し単位としてのヌクレオソーム、ヒストンタンパク質とヒストン八量体、リンカーヒストンと高次折り畳み、よりコンパクトなクロマチン状態とそうでない状態の区別、および核内での大規模なゲノム折り畳みについて扱います。これは構造に関する参照トピックであり、臨床的なガイダンスを提供するものではありません。

Key concepts

• ヌクレオソーム（クロマチンの繰り返し単位）
• ヒストン八量体（H2A、H2B、H3、H4）
• リンカーヒストンH1
• クロマチン繊維と高次折り畳み
• ユークロマチンとヘテロクロマチン
• トポロジカル結合ドメイン
• 有糸分裂期染色体凝縮

Mechanisms

基本的なパッキング単位はヌクレオソームであり、約147塩基対のDNAが、ヒストンH2A、H2B、H3、H4のそれぞれ2コピーからなるコア八量体にほぼ2回巻き付いています。この「ビーズ・オン・ア・ストリング」状の繰り返し配列は、コーンバーグによって同定され、オリンズ夫妻によって視覚化されました。リンカーヒストン（H1）は、DNAがヌクレオソームに出入りする部位に結合し、よりコンパクトなクロマチン繊維への折り畳みを促進します。連続的な折り畳みとループ形成によってクロマチンはドメインに組織化され、Hi-Cなどの染色体コンフォメーション解析法は、間期ゲノムが自己相互作用するトポロジカルドメインとコンパートメントに区画されていることを明らかにしています。コンパクト化の程度は、転写活性のあるより開いたクロマチンと、凝縮されて一般的に抑制されているクロマチンとの間で異なり、ゲノム全体は有糸分裂中に最大限に凝縮されて個別の染色体となり、正確な分離を可能にします。

Clinical relevance

DNAがどのようにパッキングされるかは、どの遺伝子がアクセス可能であるか、そしてゲノムがどのように安定的に遺伝するかを左右し、クロマチン組織化は分子医学および発生生物学における主要なテーマです。この項目は参照のための構造を記述するものであり、個々の臨床的決定の根拠となるものではありません。

History

1970年代初頭、生化学的消化パターンと電子顕微鏡画像が収束し、1974年にコーンバーグによって提唱され、同年オリンズ夫妻によって繰り返される球状単位として視覚化されたヌクレオソームモデルが確立されました。その後の研究でリンカーヒストンと高次折り畳みが特徴づけられ、2009年からは染色体コンフォメーションキャプチャー法によって、ゲノム全体が三次元的にどのように折り畳まれるかのマッピングが始まりました。

Key figures

• Roger Kornberg
• Ada Olins
• Donald Olins
• Tom Misteli

Seminal works

• kornberg-1974
• olins-olins-1974
• lieberman-aiden-2009

Frequently asked questions

ヌクレオソームとは何ですか？

ヌクレオソームはクロマチンの基本的な繰り返し単位であり、8つのヒストンタンパク質のコアにDNAが巻き付いたものです。ヌクレオソームの連なりは、よりコンパクトなクロマチン繊維へと折り畳まれます。

なぜDNAはパッキングされる必要があるのですか？

単一のヒト細胞内のDNAは約2メートルもの長さがあり、微細な核内に収まる必要があります。パッキングはDNAをコンパクトにし、保護し、必要なときに適切な遺伝子にアクセスできるように組織化します。