～生物の発生や分化、様々な疾患発症機構の解明などに役立つことが期待されます～
ポイント
・特定遺伝子の細胞核内局在および転写状態を生きた細胞で観察可能な新規技術を開発
・転写を開始したＲＮＡポリメラーゼを生細胞で観察する技術を開発
・本技術を利用することで、遺伝子の転写状態に応じて特定のタンパク質が遺伝子近傍に集積することを世界ではじめて解明
概要
広島大学大学院統合生命科学研究科の落合 博准教授、大石 裕晃研究員、山本 卓教授、東京工業大学 科学技術創成研究院の木村 宏教授、九州大学 生体防御医学研究所の大川 恭行教授らのグループは、生細胞内の特定内在遺伝子の転写と関連タンパク質の同時イメージングから、転写調節因子と転写活性の時空間的な関係を明らかにしました。本研究成果は、「Nature Communications」オンライン版に令和４年１２月２０日の19 時（日本時間）に掲載されました。
ヒトの身体は30 兆個以上の細胞から構成されています。個々の細胞は、組織や器官によって機能が異なっています。例えば、造血幹細胞は血液細胞を生み出す機能がありますが、毛の成長に関与する毛母細胞は血液細胞を生み出すことはできません。このような細胞の機能の違いは、「遺伝子」の発現の違いによって生み出されます。すべての細胞は同じセットのDNA を核(*1)の中に持っており、DNA 上にはタンパク質を生み出すための情報(遺伝子)が記載されています。ヒトでは約3 万種類の遺伝子があると言われており、細胞の種類によって発現している遺伝子セットが異なっています。遺伝子はRNA へと情報が移され(転写)、RNA からタンパク質が合成(翻訳)されます。すなわち、細胞種によって生み出されるRNA やタンパク質の種類が異なり、それによって細胞の機能が異なります。
遺伝子からRNA への転写を担うのはRNA ポリメラーゼII という酵素です。遺伝子が転写される場合、連続的に転写されるON 状態と、ほとんど転写されないOFF状態が断続的に切り替わることが最近わかってきました。これまで、ON 状態の遺伝子領域の周辺に、転写に関連する因子が集まる様子が観察されていましたが、OFF 状態でのタンパク質因子との関係はわかっていませんでした。
そこで本研究では、遺伝子の機能を阻害することなく、特定遺伝子の細胞核内局在および転写状態を可視化できる技術、Spliced TetO REpeAt, MS2 repeat, and INtein sandwiched reporter Gene tag (STREAMING-tag)システムを確立しました。従来の遺伝子の転写活性を計測する方法では、ON 状態のみを検出するため、OFF 状態では遺伝子が細胞内のどこにあるのか可視化できませんでした。本技術ではOFF 状態でも遺伝子の場所を把握できるため、OFF 状態においてどのようなタンパク質因子が近傍に集積しているのかを調べることができます。また、STREAMING-tag システムでは、転写が開始されてまもなくの状態の遺伝子の細胞核内局在を把握することができます。従来技術で用いられている「タグ」はタンパク質の翻訳に悪影響を与えることが知られており、遺伝子の最も下流の最終的にタンパク質に翻訳されない領域に挿入されることが一般的でした。そのため、実際にRNAポリメラーゼII によって転写が開始してから、「タグ」によって転写活性が可視化されるためには時間的なズレがあり、実際に転写開始した際の遺伝子周辺の状況を把握できないという問題がありました。STREAMING-tag では、挿入による遺伝子機能の阻害効果を最小限に抑えることで、RNA ポリメラーゼII によって転写が開始される領域周辺に挿入することができるため、転写がON になった直後の様子を観察できます。
用語解説
(*1)哺乳類細胞では、DNAは細胞内の核と呼ばれる場所に保管されています。
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