植物はDNAの中で、働かせる部分と抑える部分をどう分ける？

生物が持つ膨大なDNAの中には、生命活動に必要な情報を持つ部分（遺伝子）だけでなく、条件によって別の場所へ移動したり、コピーを増やしたりできるトランスポゾン（転移因子）と呼ばれるDNA配列も数多く含まれています。

トランスポゾンは、自らコピーを増やす性質を持ち、長い進化の過程で生物のDNAの中に広がってきました。むやみに活動すると遺伝子の働きを乱すおそれがあるため、植物は普段、その活動を抑えています。

その1つがDNAメチル化と呼ばれる化学反応で、DNAに化学的な目印を付け、トランスポゾンのある領域にヘテロクロマチンと呼ばれる働きにくい構造をつくります。このような仕組みがあることはこれまでの研究から分かっていました。しかし、植物が同じDNAの中からトランスポゾンをどのように見分け、必要な遺伝子まで巻き込まずに抑えているのかは、十分に分かっていませんでした。

東京科学大学（Science Tokyo）の藤泰子（とう・たいこ）准教授と小田頌子（おだ・しょうこ）研究員らの研究チームは、シロイヌナズナという植物を使い、トランスポゾンを抑えているDNAメチル化などが失われた状態をつくり、必要な仕組みを再び働かせたときに、元の状態がどのようにつくられ直すのかを調べました。

その結果、DNAが巻き付くヒストンというタンパク質の仲間であるH2A.WとH2A.Zが、異なる働きをしていることが分かりました。H2A.Wは転移因子のある領域でヘテロクロマチンがつくられるのを助けます。一方、H2A.Zはその形成を抑え、遺伝子のある領域でヘテロクロマチンが広がって必要な遺伝子まで働きにくくなるのを防いでいました。つまり、H2A.WとH2A.Zが異なる場所で反対方向に働くことで、トランスポゾンを抑えながら、その影響が必要な遺伝子にまで及ばないように調節していることが見えてきたのです。

さらに興味深かったのは、トランスポゾンが密集する染色体の領域では、DNAメチル化などを大きく失わせても、必要な酵素を戻すと元の状態がまとまって回復したことです。一方、遺伝子が多くトランスポゾンが少ない領域では、同じようには戻りませんでした。つまり、同じDNAの中でも、染色体のどこにあるかによって元の状態への戻りやすさが異なることが明らかになりました。

今回の研究は、植物がトランスポゾンを選んで抑えながら、必要な遺伝子まで巻き込まないようにしている仕組みの一端を明らかにしました。今後は、H2A.WやH2A.Zがどのように仕組みを調整しているのか、また、同じような仕組みが他の植物や動物にもあるのかがさらに明らかになれば、生物がDNAの働きを使い分ける仕組みへの理解が深まると考えられます。

さらに、こうした仕組みへの理解が進めば、将来的には、DNA配列そのものを変えずに狙った遺伝子の働きを調節する「エピゲノム編集」技術の開発につながる可能性があります。植物の品種改良や病気の治療などへの応用も期待されています。

生物は、同じDNAの中にある遺伝子とトランスポゾンをどうやって見分けるのか、そして、必要なものを働かせながら、どうやって不要なものは抑えているのでしょうか。これは、とても基本的でありながら、まだ多くの謎が残されている問題です。今回の研究で、その仕分けにヒストンの違いや染色体上の環境が関わっていることが見えてきました。こうした仕組みをさらに明らかにしていきたいと考えています。
（藤泰子：東京科学大学 生命理工学院 准教授）

今回の研究では、転移因子を抑えている状態をいったん崩し、そこから元に戻っていく過程を追いました。できあがった状態を調べるだけでは見えにくかったH2A.WとH2A.Zの役割や、染色体の場所によって元の状態への戻りやすさが異なることが分かってきました。状態がつくられていく途中を見ることで、新しい仕組みが見えてきたことが、この研究の面白いところだと思います。
（小田頌子：東京科学大学 生命理工学院 生命理工学系 研究員）

「みんなの科学ニュース」は、Science Tokyoの最先端の科学研究と未来につながる取り組みや可能性を紹介しています。

「みんなの科学ニュース」の最新記事を読む

Xアカウント「研究フロンティア」では、「みんなの科学ニュース」で公開した記事を取り上げ、Science Tokyoのさまざまな研究を定期的に紹介しています。

研究フロンティアでScience Tokyoの研究に触れる