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相分離を駆動する"ヌクレオソームコア"の構造変化

私たちのゲノム情報をのせたDNAは、細胞核の中でヒストンやその他の非ヒストン性タンパク質群と共にクロマチンを構成する。
 
クロマチンは一般に緩い構造を取ると遺伝子発現が活性化しやすく、凝集した構造を取ると遺伝子発現が抑制されやすい。
 
このようにクロマチンの凝集度の制御は、遺伝子発現の制御にとても重要である。
 
これまで、クロマチンの凝集を制御する代表的な因子としてHP1(Heterochromatin protein 1)という因子が知られてきた。
 
HP1は、抑制性のヒストン修飾であるH3K9のメチル化に結合するクロモドメインと、ダイマー化に重要なクロモシャドウドメインという二つのドメインを持つ因子である。
 
古典的には、HP1は二つのH3K9me3を含むヌクレオソーム同士を架橋する構造を取ることで、クロマチンを凝集させると考えられてきた。
 
さらに近年、新たなメカニズムとして、HP1は相分離を引き起こすことでクロマチンの凝集を促進することが分かってきた。
 
しかしながら、HP1がどのような分子メカニズムで相分離を引き起こしているのかは不明である。
 
今回、HP1はなんと、ヌクレオソーム中のヒストンの構造を変化させることで、クロマチンの凝集、相分離を誘導している可能性を明らかにした論文を紹介する。

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今回紹介する論文
HP1がクロマチンを凝集させるメカニズムに迫るため、筆者らはまずHP1とヌクレオソームがどのように相互作用しているかより深く検証しようとした。
 
このために、精製したHP1とヌクレオソームを混ぜてクロスリンク質量分析を行った。
 
クロスリンク質量分析では、タンパク質を混合し、架橋剤で近接したアミノ酸を架橋したのちにタンパク質を切断し、質量分析を行う。
 
これによって、どのアミノ酸とどのアミノ酸が相互作用しているかを明らかにすることができる。
 
この結果、HP1のクロモドメインとH3が相互作用することや、HP1のクロモシャドウドメインH2Bと相互作用することが分かった。
 
このとき興味深いことに、HP1の存在下ではH3とH3、H4とH4のように、コアヒストンの相互作用にも変化が起きていることが分かった。

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クロスリンク質量分析の結果。丸が大きいほど相互作用が大きい。Swi6(HP1の酵母ホモログ)存在下では新たなH3-H3、H4-H4相互作用が生まれていることが分かる。
これは、HP1によってコアヌクレオソームの構造が変化している可能性を示唆する。
 
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そこで、HP1がヌクレオソームの構造変化を起こしている可能性にさらに迫るために、筆者らは水素-重水素交換質量分析と、NMRを用いた解析を行った。
 
説明は大変なので実験手法の詳細は省くが、この結果、HP1によってヌクレオソームは通常では隠されたヒストンのアミノ酸残基が表面に露出するような構造になることが分かった。

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水素-重水素交換質量分析の結果のモデル。通常は表面に露出していない赤く塗られたアミノ酸がHP1存在下では表面に露出してくる。
これは意外にも、クロマチンを凝集させるHP1はヌクレオソームを不安定化させることを示唆する。
 
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では、このヌクレオソームの構造変化はHP1の機能に重要なのだろうか?
 
この問題にアドレスするため筆者らは、H3とH4にシステイン残基を入れる点変異を導入し、S-S結合で架橋することでヌクレオソームの構造変化が起きにくい変異体を作成した。
 
このヌクレオソームを用いてHP1のクロマチン凝集活性能を評価すると、ヌクレオソームの構造変化が起きにくい変異体ではHP1によるクロマチン凝集も起きにくいことが分かった。
 
すなわち、HP1によるヌクレオソームの構造変化がクロマチン凝集能に重要である可能性が示唆された。
 
また構造変化が起きにくいヌクレオソームを用いた場合、HP1による相分離能も低下していることが示された。
 
このことから筆者らは、HP1はコアヌクレオソームの構造を変えることで(おそらくはヌクレオソーム表面の電荷が変化することで)ヌクレオソームの相分離と凝集を制御している、というモデルを提唱している。
 
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これまで非ヒストン性タンパク質やヒストン修飾などによるクロマチン制御メカニズムが多数報告されてきたが、コアヌクレオソームの構造自体はほとんど変わらないと考えられてきた。
 
今回の研究は、コアヌクレオソームの構造自体もクロマチン構造を大きく変化させ得る制御メカニズムの一つであることを提唱している。
 
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コメント
 
・たしかにヌクレオソームの構造自体で凝集状態や相分離の状態が変わるというのは概念的に新しいかも。因果関係はヒストン変異体の実験しかないので、"ヌクレオソームの構造変化→凝集/相分離"がどれだけそれらしいかは疑問が残るが。
 
・細胞内でも同じようなことが起きているのか?というのはとても気になる。今回の場合、"ヌクレオソームの構造変化は起こさないHP1の変異体"が取れるとよいのだが、難しそう。
 
・このようなメカニズムはどれだけHP1特異的な現象なのだろうか?ほかの因子やヒストンバリアントでもヌクレオソームの安定性が変化したりするのだろうか?Generalなメカニズムだともっとすごい。
 
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今回の論文
HP1 reshapes nucleosome core to promote phase separation of heterochromatin, Nature, 2019
S. Sanulli, M. J. Trnka, V. Dharmarajan, R. W. Tibble, B. D. Pascal, A. L. Burlingame, P. R. Griffin, J. D. Gross & G. J. Narlikar