核小体繊維のトポロジーが転写因子のエンハンサーへの結合を導く

学術的背景

細胞のアイデンティティの確立は、細胞タイプ特異的な遺伝子のエンハンサーに結合する複数の転写因子（Transcription Factors, TFs）の協調的な作用に依存しています。TFsはアクセス可能なクロマチン内の特定のDNAモチーフを認識しますが、この情報だけではTFsがどのようにエンハンサーを選択するかを説明するには不十分です。本論文では、4つの異なるTFの組み合わせを比較し、それらのゲノム占有率、クロマチンのアクセス可能性、ヌクレオソームの位置、および3次元ゲノム組織をヌクレオソーム解像度で分析し、ヌクレオソーム繊維のトポロジーがどのようにTFsのエンハンサーへの結合を導くかを明らかにしました。

論文の出典

本論文は、Michael R. O’Dwyer、Meir Azagury、Katharine Furlongらによって執筆され、University of Edinburgh、The Hebrew University-Hadassah Medical School、Albert Einstein College of Medicineなどの複数の研究機関から発表されました。論文は2024年11月1日に『Nature』誌にオンライン掲載されました。

研究の流れ

1. 転写因子の組み合わせの過剰発現と細胞運命の変化

研究では、マウス胚性線維芽細胞（MEFs）において4つの異なるTFの組み合わせを過剰発現させ、それぞれ異なる細胞運命を誘導しました。これらの組み合わせは以下の通りです： - OSKM：誘導多能性幹細胞（iPS細胞） - GETM：誘導栄養膜幹細胞（iTS細胞） - GETMR：培養条件に応じてiPS細胞またはiTS細胞を誘導 - BS9G4M：細胞のリプログラミングを誘導しない

2. 転写因子のゲノム結合部位のマッピング

クロマチン免疫沈降シーケンシング（ChIP-seq）を用いて、TF誘導48時間後およびリプログラミング完了後に、すべてのTFsのゲノム結合部位をマッピングしました。結果、初期リプログラミング段階での結合部位は、完全リプログラミング後の結合部位とほとんど重複しておらず、TFsが初期段階でオフターゲット結合していることが示されました。

3. クロマチンのアクセス可能性とヌクレオソーム位置の測定

ATAC-seqおよびMNase-seq技術を用いて、MEFs、iPS細胞、およびiTS細胞におけるクロマチンのアクセス可能性とヌクレオソーム位置を測定しました。結果、ほとんどのTFsは初期リプログラミング段階で主に閉じたクロマチン領域に結合し、リプログラミング完了後にはオープンなクロマチン中の細胞タイプ特異的なシス調節要素に移動することがわかりました。

4. ヌクレオソームアレイのトポロジー分析

Micro-C技術を用いて、単一ヌクレオソーム解像度で3次元クロマチン構造をマッピングしました。結果、TFsは初期リプログラミング段階でヌクレオソームアレイに結合し、これらのアレイはクロマチン繊維レベルで特定の3次元組織を持っていることが明らかになりました。TFsはこれらのヌクレオソームアレイ上の複数のモチーフパターンを認識し、細胞タイプ特異的なエンハンサーへの結合を導くことが示されました。

主な結果

1. 転写因子の協調的結合

研究では、TFsのヌクレオソームアレイ上の協調的結合が特定のモチーフ配置パターンに依存していることが明らかになりました。例えば、OSK（Oct4、Sox2、Klf4）の組み合わせは、ヌクレオソームアレイ上で方向特異的なモチーフ分布を示し、GET（Gata3、Eomes、Tfap2c）の組み合わせは、ヌクレオソームアレイの境界で特定のモチーフ配置を示しました。

2. ヌクレオソーム繊維のトポロジーがTFsの結合を導く

研究では、「ガイド付き探索」モデルを提案し、TFsがヌクレオソーム繊維上のモチーフ配置パターンを認識することで、エンハンサーへの結合を導くことを示しました。ヌクレオソーム繊維のトポロジーは、TFsのゲノム探索プロセスにおいて「道標」として機能し、TFsが探索する必要のあるゲノムの次元を減らすことがわかりました。

3. クロマチンループの形成とTFsの結合

Micro-C技術を用いて、TFsが初期リプログラミング段階でクロマチンループの境界に結合し、リプログラミング完了後にはこれらのループが徐々に解離し、TFsがエンハンサー領域に移動することが明らかになりました。この過程は、クロマチンのアクセス可能性とヒストン修飾の変化を伴っていました。

結論

本研究は、ヌクレオソーム繊維のトポロジーが転写因子のエンハンサーへの結合プロセスにおいて重要な役割を果たすことを明らかにしました。TFsは、ヌクレオソームアレイ上の特定のモチーフ配置パターンを認識することで、細胞タイプ特異的なエンハンサーへの結合を導きます。この発見は、細胞リプログラミングメカニズムの理解を深めるだけでなく、将来のより効率的な細胞リプログラミング戦略の開発に新しい視点を提供します。

研究のハイライト

1. ヌクレオソーム繊維のトポロジーがTFsの結合を導く：研究は初めて、ヌクレオソーム繊維のトポロジーがTFsのエンハンサーへの結合プロセスにおいて重要な役割を果たすことを明らかにしました。
2. ガイド付き探索モデル：TFsがヌクレオソーム繊維上のモチーフ配置パターンを認識することで、エンハンサーへの結合を導く「ガイド付き探索」モデルを提案しました。
3. クロマチンループの形成と解離：Micro-C技術を用いて、TFsのクロマチンループへの結合と解離のプロセスを明らかにし、遺伝子調節におけるクロマチンの3次元組織の理解に新しい視点を提供しました。

研究の意義

本研究は、科学的に重要な価値を持つだけでなく、細胞リプログラミングと再生医学の分野に新しい理論的基盤を提供します。ヌクレオソーム繊維のトポロジーがTFsのエンハンサーへの結合プロセスにおいて果たす役割を明らかにすることで、将来のより効率的な細胞リプログラミング戦略の設計が可能となり、再生医学の発展を促進することが期待されます。