超高速シークエンサーとバイオインフォマティクスによる科学的発見）
ＪＳＴ バイオインフォマティクス推進事業の一環として、東京大学 大学院新領域創成科学研究科の森下 真一 教授は、スタンフォード大学のアンドリュー・ファイヤー教授らとの共同研究で、ＤＮＡの３次元構造（ヌクレオソーム構造）注１）がＤＮＡの変異に相関するという性質を、メダカのＤＮＡ全体の情報を分析することによって明らかにしました。これはＤＮＡ進化の新たな原理を示す基本的な成果です。
本研究の対象となったメダカは、日本の研究者により２００７年にＤＮＡ塩基配列が解読され、南日本由来系統と北日本由来系統の２系統のＤＮＡ塩基配列の間には１塩基多型(ＳＮＰ)注２）と呼ばれるＤＮＡ変異がＤＮＡ配列全体の３．４％を占める約１６００万個も存在することが分かりました。
今回の研究では、超高速ＤＮＡ解読装置注３）を活用し、メダカのヌクレオソーム構造をＤＮＡ全体にわたって網羅的に分析しました。その結果、遺伝子の転写注４）開始点の下流におけるヌクレオソーム構造がＤＮＡ変異の周期性を引き起こす要因となっていることを突き止めました。ＤＮＡの高次構造や遺伝子の転写メカニズムは多くの生物種にわたって共通する基本的なものであることから、本研究は生命の遺伝的多様性が生まれる過程の一端を明らかにしたものと言えます。
超高速ＤＮＡ解読装置が急速に普及する中で、本研究で開発した大量のデータを解析するためのクラスター型並列計算機上で動作する新たなソフトウエア群は、今後も利用され、新たな生物学的発見へ寄与するものと期待されます。
本研究成果は、ＪＳＴ バイオインフォマティクス推進事業、文部科学省 特定領域研究 ゲノム４領域、米国国立衛生研究所（ＮＩＨ）の研究助成によって得られたもので、２００８年１２月１１日（米国東部時間）に米国科学誌「Science」のオンライン速報版で公開されます。
＜研究の背景と経緯＞
ＤＮＡに起こる変異は、ダーウィンによる自然選択進化説と、元 国立遺伝学研究所 名誉教授の木村 資生による中立進化説の２つの補完する原理により解釈されてきましたが、１９９０年代後半にＤＮＡの３次元的構造（ヌクレオソーム構造、図１）がＤＮＡの変異に影響を与える可能性を示唆する実験結果が報告されました。出芽酵母ＤＮＡの一部の領域に塩基置換を放射線により導入し、修復されるまでの時間を計測したところ、３次元構造の位置によって修復時間が顕著に違うことが観測されたのです。ＤＮＡ３次元構造が進化に影響するという視点は新たな進化の原理として注目されます。
すると自然における進化の過程でも同様に、ＤＮＡの変異する率が３次元構造の位置で異なってくるのか？ という疑問が沸きます。しかし、この疑問に答えるには、ＤＮＡ全体が解読されていること、２つの近縁種のＤＮＡを比較して変異の状態を網羅的に調査できること、ヌクレオソーム構造をＤＮＡ全体にわたって観測できること――などが必要です。
本研究チームは２００７年にメダカの２つの地域集団のＤＮＡを解読し、その後、超高速ＤＮＡ解読装置を利用してＤＮＡ全体のヌクレオソーム構造を描出することによって、ヌクレオソーム構造がＤＮＡの変異に相関するという性質を確認しました。
＜研究の内容＞
メダカは日本をはじめとする東アジアに生息しますが、性質が異なるさまざまな地域集団が存在します。本研究の対象となった南日本由来系統と北日本由来系統は２００７年にＤＮＡ配列が解読されましたが、２系統のＤＮＡ塩基配列の間には１塩基多型（ＳＮＰ)と呼ばれる変異がＤＮＡ配列全体の３．４％を占める約１６００万個も存在することが分かりました。南日本由来系統のメダカと北日本由来系統のメダカは交配可能な集団であるにもかかわらず、チンパンジー・ヒト間のＤＮＡ変異率１．２％をも大きく上回る１塩基多型を持つことから、種内の遺伝的多様性（個体差）が生まれる過程を研究する上で有用なモデル生物として注目されました。
メダカＤＮＡ中には約２万個の遺伝子が存在していますが、これらの遺伝子はＤＮＡ配列から「転写」されて初めて、生命を形作る基本的な構成要素として機能します。そのため、例えば転写開始点周辺に１塩基置換のような変異が起きると、遺伝子の働きに影響して個体差をもたらす可能性があります。そこで、転写開始点周辺で起きた１塩基置換や塩基配列の挿入削除による変異の分布を調べたところ、特徴的な周期的変動が発見されました。転写開始点下流約２００塩基、４００塩基、６００塩基の位置で挿入削除率は上昇し、逆に１塩基置換率は約１００塩基、３００塩基、５００塩基の位置で上昇することが分かりました。このような転写開始点下流に存在する２００塩基の周期性は何を意味するのでしょうか？
本研究は、このＤＮＡ変異の周期的変動が、ＤＮＡが細胞内でコンパクトに折りたたまれる高次構造に相関することを明らかにしたものです。ＤＮＡは「ヌクレオソーム」という構造を単位として折りたたまれコンパクトな３次元構造を取ります。本研究では、メダカの胞胚（受精後６～８時間の卵）からヌクレオソーム構造を取るＤＮＡ塩基配列を抽出し、超高速ＤＮＡ解読装置を用いて大量のデータを収集し、ＤＮＡ中のどの領域がヌクレオソームへと構造化されているかを分析しました。その結果、転写開始点下流約１００塩基、３００塩基、５００塩基の位置を中心としてヌクレオソームコアが存在する傾向にあることが分かり、この構造がＤＮＡ変異の周期性を引き起こす要因となっていることが示されました。
ＤＮＡ配列の高次構造や遺伝子の転写メカニズムは多くの生物種にわたって共通する基本的なものであることから、本研究は生命の遺伝的多様性が生まれる過程の一端を明らかにしたものと言えます。
＜今後の展開＞
ＤＮＡ配列を折りたたむヌクレオソーム構造が遺伝子の転写や遺伝的多様性の創出にどのように関わっているのか、その具体的なメカニズムはまだよく分かっていません。しかし超高速ＤＮＡ解読装置を用いた最近の研究により、動物だけでなく植物や酵母のゲノム解析でもヌクレオソーム構造が遺伝子の転写や発現制御に関わる重要な因子であることが分かってきており、今後の研究の進展が期待されています。
また、２００７年のメダカＤＮＡ解読以降メダカを用いた発生学・遺伝学の研究は飛躍的に発展しつつあり、本研究もそのような例の１つです。これからもメダカの研究から基礎生命科学的な発見につながる研究が生まれてくることが期待されます。
※ヌクレオソーム
ヌクレオソーム(nucleosome)は、すべての真核生物における共通構造であるクロマチンの構成単位である。染色体のタンパク質構造で、細胞核の中でDNAを染色体へと圧縮し、遺伝子の表現を調節する。大部分の古細菌にも似た構造が存在し、顕微鏡下でヒストンにDNAが巻きついている様子が観察されている。
DNAと4対のヒストンと呼ばれるタンパク質構造により成り立ち、電子顕微鏡で観察すると「DNA鎖に絡まるビーズ」のように見える。1974年にアダ・オリンズ、ドナルド・オリンズ夫妻、ロジャー・コーンバーグらによって提唱されたヌクレオソーム説は、真核生物の遺伝子発現の研究の転換地点となった。ヒストンH2A、H2B、H3、H4はヌクレオソームの一部なのに対し、ヒストンH1は二つのヌクレオソームの連結に関与している。
何回読んでも、理解できん…
ＪＳＴ バイオインフォマティクス推進事業の一環として、東京大学 大学院新領域創成科学研究科の森下 真一 教授は、スタンフォード大学のアンドリュー・ファイヤー教授らとの共同研究で、ＤＮＡの３次元構造（ヌクレオソーム構造）注１）がＤＮＡの変異に相関するという性質を、メダカのＤＮＡ全体の情報を分析することによって明らかにしました。これはＤＮＡ進化の新たな原理を示す基本的な成果です。
本研究の対象となったメダカは、日本の研究者により２００７年にＤＮＡ塩基配列が解読され、南日本由来系統と北日本由来系統の２系統のＤＮＡ塩基配列の間には１塩基多型(ＳＮＰ)注２）と呼ばれるＤＮＡ変異がＤＮＡ配列全体の３．４％を占める約１６００万個も存在することが分かりました。
今回の研究では、超高速ＤＮＡ解読装置注３）を活用し、メダカのヌクレオソーム構造をＤＮＡ全体にわたって網羅的に分析しました。その結果、遺伝子の転写注４）開始点の下流におけるヌクレオソーム構造がＤＮＡ変異の周期性を引き起こす要因となっていることを突き止めました。ＤＮＡの高次構造や遺伝子の転写メカニズムは多くの生物種にわたって共通する基本的なものであることから、本研究は生命の遺伝的多様性が生まれる過程の一端を明らかにしたものと言えます。
超高速ＤＮＡ解読装置が急速に普及する中で、本研究で開発した大量のデータを解析するためのクラスター型並列計算機上で動作する新たなソフトウエア群は、今後も利用され、新たな生物学的発見へ寄与するものと期待されます。
本研究成果は、ＪＳＴ バイオインフォマティクス推進事業、文部科学省 特定領域研究 ゲノム４領域、米国国立衛生研究所（ＮＩＨ）の研究助成によって得られたもので、２００８年１２月１１日（米国東部時間）に米国科学誌「Science」のオンライン速報版で公開されます。
＜研究の背景と経緯＞
ＤＮＡに起こる変異は、ダーウィンによる自然選択進化説と、元 国立遺伝学研究所 名誉教授の木村 資生による中立進化説の２つの補完する原理により解釈されてきましたが、１９９０年代後半にＤＮＡの３次元的構造（ヌクレオソーム構造、図１）がＤＮＡの変異に影響を与える可能性を示唆する実験結果が報告されました。出芽酵母ＤＮＡの一部の領域に塩基置換を放射線により導入し、修復されるまでの時間を計測したところ、３次元構造の位置によって修復時間が顕著に違うことが観測されたのです。ＤＮＡ３次元構造が進化に影響するという視点は新たな進化の原理として注目されます。
すると自然における進化の過程でも同様に、ＤＮＡの変異する率が３次元構造の位置で異なってくるのか？ という疑問が沸きます。しかし、この疑問に答えるには、ＤＮＡ全体が解読されていること、２つの近縁種のＤＮＡを比較して変異の状態を網羅的に調査できること、ヌクレオソーム構造をＤＮＡ全体にわたって観測できること――などが必要です。
本研究チームは２００７年にメダカの２つの地域集団のＤＮＡを解読し、その後、超高速ＤＮＡ解読装置を利用してＤＮＡ全体のヌクレオソーム構造を描出することによって、ヌクレオソーム構造がＤＮＡの変異に相関するという性質を確認しました。
＜研究の内容＞
メダカは日本をはじめとする東アジアに生息しますが、性質が異なるさまざまな地域集団が存在します。本研究の対象となった南日本由来系統と北日本由来系統は２００７年にＤＮＡ配列が解読されましたが、２系統のＤＮＡ塩基配列の間には１塩基多型（ＳＮＰ)と呼ばれる変異がＤＮＡ配列全体の３．４％を占める約１６００万個も存在することが分かりました。南日本由来系統のメダカと北日本由来系統のメダカは交配可能な集団であるにもかかわらず、チンパンジー・ヒト間のＤＮＡ変異率１．２％をも大きく上回る１塩基多型を持つことから、種内の遺伝的多様性（個体差）が生まれる過程を研究する上で有用なモデル生物として注目されました。
メダカＤＮＡ中には約２万個の遺伝子が存在していますが、これらの遺伝子はＤＮＡ配列から「転写」されて初めて、生命を形作る基本的な構成要素として機能します。そのため、例えば転写開始点周辺に１塩基置換のような変異が起きると、遺伝子の働きに影響して個体差をもたらす可能性があります。そこで、転写開始点周辺で起きた１塩基置換や塩基配列の挿入削除による変異の分布を調べたところ、特徴的な周期的変動が発見されました。転写開始点下流約２００塩基、４００塩基、６００塩基の位置で挿入削除率は上昇し、逆に１塩基置換率は約１００塩基、３００塩基、５００塩基の位置で上昇することが分かりました。このような転写開始点下流に存在する２００塩基の周期性は何を意味するのでしょうか？
本研究は、このＤＮＡ変異の周期的変動が、ＤＮＡが細胞内でコンパクトに折りたたまれる高次構造に相関することを明らかにしたものです。ＤＮＡは「ヌクレオソーム」という構造を単位として折りたたまれコンパクトな３次元構造を取ります。本研究では、メダカの胞胚（受精後６～８時間の卵）からヌクレオソーム構造を取るＤＮＡ塩基配列を抽出し、超高速ＤＮＡ解読装置を用いて大量のデータを収集し、ＤＮＡ中のどの領域がヌクレオソームへと構造化されているかを分析しました。その結果、転写開始点下流約１００塩基、３００塩基、５００塩基の位置を中心としてヌクレオソームコアが存在する傾向にあることが分かり、この構造がＤＮＡ変異の周期性を引き起こす要因となっていることが示されました。
ＤＮＡ配列の高次構造や遺伝子の転写メカニズムは多くの生物種にわたって共通する基本的なものであることから、本研究は生命の遺伝的多様性が生まれる過程の一端を明らかにしたものと言えます。
＜今後の展開＞
ＤＮＡ配列を折りたたむヌクレオソーム構造が遺伝子の転写や遺伝的多様性の創出にどのように関わっているのか、その具体的なメカニズムはまだよく分かっていません。しかし超高速ＤＮＡ解読装置を用いた最近の研究により、動物だけでなく植物や酵母のゲノム解析でもヌクレオソーム構造が遺伝子の転写や発現制御に関わる重要な因子であることが分かってきており、今後の研究の進展が期待されています。
また、２００７年のメダカＤＮＡ解読以降メダカを用いた発生学・遺伝学の研究は飛躍的に発展しつつあり、本研究もそのような例の１つです。これからもメダカの研究から基礎生命科学的な発見につながる研究が生まれてくることが期待されます。
※ヌクレオソーム
ヌクレオソーム(nucleosome)は、すべての真核生物における共通構造であるクロマチンの構成単位である。染色体のタンパク質構造で、細胞核の中でDNAを染色体へと圧縮し、遺伝子の表現を調節する。大部分の古細菌にも似た構造が存在し、顕微鏡下でヒストンにDNAが巻きついている様子が観察されている。
DNAと4対のヒストンと呼ばれるタンパク質構造により成り立ち、電子顕微鏡で観察すると「DNA鎖に絡まるビーズ」のように見える。1974年にアダ・オリンズ、ドナルド・オリンズ夫妻、ロジャー・コーンバーグらによって提唱されたヌクレオソーム説は、真核生物の遺伝子発現の研究の転換地点となった。ヒストンH2A、H2B、H3、H4はヌクレオソームの一部なのに対し、ヒストンH1は二つのヌクレオソームの連結に関与している。
何回読んでも、理解できん…
