「バックトラッキング」と呼ばれる分子事象が、あらゆる種の遺伝物質（ゲノム）全体でどのくらいの頻度で、そして正確にどこで起こるかを、ある技術によって初めて特定できることが、新たな研究で示された。
2月9日にオンラインで公開 分子細胞、 この研究結果は、バックトラッキングは広範な遺伝子制御の形態を表しており、子宮内での細胞分裂や発生などの基本的な生命プロセスに関与する遺伝子を含む数千のヒト遺伝子に影響を与えるという理論を裏付けている。
ニューヨーク大学グロスマン医科大学の研究者らが率いるこの研究は、ほとんどの生物の設計図をコード化するために特定の順序 (配列) で配置された DNA 分子の「文字」のストレッチである遺伝子を中心に展開されています。 人間でも細菌でも、遺伝子発現の最初のステップである転写は、RNA ポリメラーゼ II と呼ばれるタンパク質「機械」が DNA 鎖を刻みながら進行し、遺伝的指示を一方向に読み取ります。
1997年、エフゲニー・ナドラー博士らは、RNAポリメラーゼが読み取っている鎖に沿って逆方向にスリップする場合があり、この現象を「バックトラッキング」と名付けたことを示す論文を発表した。 それ以降の研究では、RNAポリメラーゼがRNA合成を開始した直後、または入ってくる修復酵素のための場所を作るために損傷したDNAに遭遇した際に、生細胞内でバックトラッキングが時折起こることが示されている。 その後の研究では、後退と修復の機構が迅速に動作して消滅する必要があり、そうでないとDNAポリメラーゼと衝突してDNA鎖に細胞死を誘発する切断を引き起こす可能性があることが示唆された。
今回、NYU Langone HealthのNudler氏のチームが主導した新しい研究により、彼らの新しい技術であるLong Range Cleavage Sequencing（LORAX-seq）が、バックトラッキングイベントの開始位置と終了位置を直接検出できることが明らかになった。 新しい手法は、間接的または限定的であった過去のアプローチを補完することにより、そのような出来事の多くがこれまで考えられていたよりもさらに後退し、そうすることでより長く続くことを明らかにしました。 この結果は、持続的なバックトラッキングがゲノム全体で頻繁に発生し、特定の遺伝子型の近くでより頻繁に発生し、DNA 修復をはるかに超えた機能を持っていることも示唆しています。
長距離でのバックトラッキングの驚くべき安定性は、バクテリアから人間に至るまでの種における遺伝的調節の普遍的な形態を表している可能性を示唆しています。 さらなる研究により、私たちの発見がさまざまな発達プログラムや病理学的状態に拡張される場合、バックトラッキングはエピジェネティクスに似ている可能性があり、その発見により、DNAコードを変更することなく遺伝子制御の驚くべき新しい層が明らかになりました。」
エフゲニー・ナドラー博士、研究の主任著者、ニューヨーク大学ランゴン大学生化学・分子薬理学学部のジュリー・ウィルソン・アンダーソン教授
生活の中心?
RNA ポリメラーゼ II は、DNA コードを RNA と呼ばれる関連物質に翻訳し、その後タンパク質の構築を指示します。 そのために、複合体は DNA 鎖を一方向に下降しますが、特定のシナリオでは後戻りします。 過去の研究では、RNAポリメラーゼIIが後戻りすると、DNAコードに基づいて構築してきたRNA鎖の先端を内部チャネルから押し出す（押し出す）ことが示されている。 長時間のバックトラッキングは有害な衝突を引き起こす傾向があるため、押し出された「バックトラックされた」RNA の切断 (切断) を促進する転写因子 IIS (TFIIS) によって転写がすぐに回復すると考えられています。 これにより、RNA ポリメラーゼ II が順方向コード読み取りを再開できるようになります。
しかし、他の初期の研究では、ポリメラーゼが一定の距離（たとえば、20核酸塩基DNA構成要素）を超えてバックトラックすると、バックトラックしたRNAが押し出されるチャネルに付着し、より長く所定の位置に保持されることが示されています。 ロックされバックトラックされた複合体は、TFIIS による切断によって救出される可能性が低く、関与する遺伝子の転写が遅延する可能性が高くなります。 このことから、バックトラッキングは DNA 修復経路で重要な役割を果たすことに加えて、主要な調節機構として遺伝子の作用を調整したり調整したりする可能性があるという理論が生まれました。
研究者らによると、TFIIS は生細胞内で低濃度で発生する可能性が高く、転写を継続できるようにバックトラックされた RNA に到達して切断するために他の何百ものタンパク質と競合します。 今回の研究では、チームは代わりに高濃度の精製TFIIS（競合タンパク質なし）を使用して、細胞の遺伝暗号のどこにでもバックトラックされたRNAの断片を正確に切り出した。 これにより、切り取られたスニペットは、コードシーケンスを読み取り、その位置と機能に関する手がかりを提供するテクノロジーで利用できるようになりました。
研究チームはまた、ヒストンを制御する遺伝子（遺伝子発現を組織するクロマチン内でDNA鎖が巻き付くタンパク質の「スプール」）が、持続的なバックトラッキングを起こしやすいことも発見した。 著者らは、これが起こる程度と、特定の遺伝子の転写における関連変化が、細胞分裂中にクロマチンを再構築するために必要な大規模なヒストン蓄積のタイミングを制御する可能性があると理論づけている。 彼らはまた、持続的なバックトラッキングが組織の発生に不可欠な遺伝子のタイムリーな転写に影響を与える可能性があることを示唆しています。
ナドラー博士の研究室の大学院生で、研究の筆頭著者であるケビン・ヤン氏は、「その潜在的に有用な機能に加えて、持続的なバックトラッキングは、DNA損傷やその他の遺伝子機能不全を引き起こし、病気の原因となる可能性もある」と述べている。 「例えば、老化やがんに関連したバックトラッキングの測定は、なぜ細胞ストレス反応や細胞複製に異常が起こるのかを理解し、新たな治療アプローチを提案するのに役立つのではないかと私たちは推測しています。」
ヤン氏とナドラー氏のほか、ニューヨーク大学ランゴンヘルスの生化学・分子薬理学部門の研究著者は、アビラム・ラスーリー氏、ヴィタリー・エプシュテイン氏、クリセイダ・マルティネス氏、タオ・グエン氏、イリヤ・シャモフスキー氏であった。 ナドラーは、ハワード・ヒューズ医学研究所の研究者でもあります。 この研究は、ブラヴァトニク家族財団、ハワード・ヒューズ医学研究所、国立衛生研究所の助成金 R01GM126891 および T32 AI007180 によって資金提供されています。
ソース：
ニューヨーク大学ランゴンヘルス / ニューヨーク大学グロスマン医科大学
参考雑誌:
ヤン、KB、 他。 （2024年）。 ヒト RNA ポリメラーゼ II によるバックトラッキングの持続。 分子細胞。 doi.org/10.1016/j.molcel.2024.01.019。
1707533237
#画期的な技術が遺伝子制御におけるバックトラッキングの秘密を明らかにする
2024-02-10 02:26:00