精子形成に重要なヒストンによるDNAの新たな折りたたみを解明！

【本研究のポイント】

 

金沢大学ナノ生命科学研究所／新学術創成研究機構の柴田幹大准教授は東京大学定量生命科学研究所クロマチン構造機能研究分野の胡桃坂仁志教授および京都大学複合原子力科学研究所の杉山正明教授らとの共同研究により，精子形成に重要なヒストンタンパク質H2A.Bが，DNA折りたたみの基盤構造であるヌクレオソームをダイナミックに構造変換する様子を世界で初めて解明しました。

精子の形成過程では，DNAの折りたたみによって形成される染色体構造が大きく変化していきます。染色体の基本単位であるヌクレオソームは，ヒストンタンパク質がDNAに巻き付くように結合した円盤状の構造体です。精子形成時には，ヒストンバリアント（※5）であるH2A.Bが発現して，染色体におけるDNA折りたたみ構造の変換に重要な役割を果たすと考えられていましたが，H2A.Bの機能については，いまだ不明な点が多く残されていました。

H2A.Bヌクレオソームの性質の動態を明らかにするためには，解析に必要な大量かつ高純度のヌクレオソームを調製する必要があります。そこで，本共同研究チームは，精製したヒストンとDNAをもとに，H2A.Bを含むヌクレオソームを試験管内で再構成し，その動態を生化学的解析，高速原子間力顕微鏡解析，そしてX線小角散乱解析（※6）によって解明しました。具体的には，H2A.Bを含むヌクレオソームが，ヒストンの複合体の一部が解離したような“開いた”構造を取ること，そしてH2A.Bが主要型のヒストンH2Aと自発的に置き換わるという特異的な性質を持つことを明らかにしました。これらのことから，H2A.Bを含むヌクレオソームが“開いた”構造を取ることで主要型ヒストンが結合しやすくなり，H2A.Bが押し出されてヒストンが置き換わると考えられました。

本研究で得られた知見は精子形成メカニズム解明に必要不可欠な基盤を提供するものであり，精子形成障害のメカニズムの解明?治療へつながることが期待されます。

本研究成果は，2021年2月12日に英国科学誌『Communications Biology』のオンライン版に掲載されました。

 

 図1. 染色体におけるDNA折りたたみのイメージ図

遺伝子の担体であるDNAは，さまざまなタンパク質との複合体として高次に折りたたまれることで染色体を形成し，核内に収納される。染色体は，ヌクレオソームと呼ばれる基本単位が連なって形成される。ヌクレオソームはヒストンH2A-H2B二量体二つとH3-H4二量体二つからなる複合体にDNAが巻き付いた安定な構造である。

 

 図2. H2A.Bヌクレオソームの自発的にヒストンが置き換わる性質

H2A.Bヌクレオソーム中のH2A.B-H2B二量体が，溶液中に存在する主要型のH2A-H2B二量体と自発的に置き換わるという，新規の動態を発見。

 

 図3. H2A.Bヌクレオソームを高速原子間力顕微鏡で観察した像

高速原子間力顕微鏡による解析から，H2A.Bヌクレオソームは，主要型ヒストンでは見られないヌクレオソームが“開いた”構造を取ることが明らかとなった。赤および白矢印は，それぞれヒストン八量体および二量体と考えられるものを指す。高速原子間力顕微鏡像の下に模式図を示す。

 

【用語解説】

※1　ヒストン
　ヌクレオソームを構成する塩基性のタンパク質。ヌクレオソームには四種類のヒストン（H2A，H2B，H3，H4）が各二分子ずつ含まれる。

※2　H2A.B
　ヒストンバリアント（※5）の一種。H2A.Bは精子形成時に発現し，欠損すると精子形成異常につながることから，H2A.Bが正常な精子形成に重要な役割を果たすと考えられている。

※3　高速原子間力顕微鏡
　探針と試料を接触させることで，溶液中の生体分子をナノメートルの分解能かつリアルタイムで観察できる顕微鏡の一種。

※4　ヌクレオソーム
　ヒストン（※1）H2A-H2B二量体二つとH3-H4二量体二つからなる複合体にDNAが巻き付いた安定な構造体（図1）。

※5　ヒストンバリアント
　主要型ヒストンとはアミノ酸配列が異なるヒストンの亜種。主要型ヒストンに代わりヌクレオソームに取り込まれることでクロマチン構造が変化し，それにより転写やDNAの複製?修復などの機能が制御される。

※6　X線小角散乱解析
Ｘ線を物質に照射して散乱したＸ線のうち，散乱角が小さいものを測定することで，溶液中に存在する生体分子の構造情報を得る分析手法。

 

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Communications Biology

研究者情報：柴田 幹大