Chromatin
n, plural: chromatins
定義: 核酸（DNAやRNAなど）とタンパク質（ヒストンなど）の複合体
目次
クロマチン定義
細胞内のクロマチンとは何か？ クロマチンは、核酸（DNAやRNAなど）とタンパク質（ヒストンなど）の複合体です。 1882年に同定されました。 当初は、核の中にある単なる色のついた物質と考えられていたが、その後、クロマチンの特徴はDNAに付着したタンパク質であることがわかり、DNAが遺伝情報の担い手であることが特定された（Ma, Kanakousaki, and Buttitta 2015）。 したがって、クロマチンはDNAとそれに付随するタンパク質（ヒストンと呼ばれる）からなる物質と定義することができます。
ヒストンって何ですか？
ヒストンは正電荷の塩基性タンパク質で、DNAの負電荷のリン酸分子に結合しています。 クロマチンには、細胞のDNAとそれに結合するタンパク質の2つの要素があります。 このうち、ヒストンに結合するタンパク質がヒストンです。 あるいは、クロマチンにはヒストンと呼ばれるタンパク質が含まれていると言うこともできる。
クロマチンはDNAの包装材料である。 うまく梱包されないと、細胞分裂の際に自分の周りに絡まったり、傷ついたりすることがある。 細胞の大きさはマイクロメートル単位ですが、DNAの長さは3メートルにもなります。
ヌクレオソームとは
DNA分子はヒストン蛋白質に巻き付き、ヌクレオソームと呼ばれる緊密なループを形成します。 このクロマチンもまた、タンパク質の助けを借りてループ状に折り畳まれ、染色体を作り出します。 そのため、染色体は生物の遺伝物質の一部または全部を運ぶものとして知られています。 DNAが染色体に凝縮されると、今度はその強固な巻きつき構造によって保護されるようになります。 その構造の詳細については、このセクションを参照してください。
クロマチンもまた、遺伝情報の伝達を制御する重要な役割を担っています。 クロマチンを技術的に定義する前に、クロマチンが何であるかを理解しましょう。 クロマチンを理解するために、次の図を見てみましょう：
クロマチンはどこにあるのか？
クロマチンはどこにあるのですか？ 真核細胞では、クロマチンは核の中に存在します。 ここでは、細胞核内での位置を理解するためのイラストを紹介します。
クロマチン内の遺伝子
クロマチン内に存在する遺伝子は、オフにすることもオンにすることもできます。 つまり、ある細胞では遺伝子のある部分が活性化され（「スイッチオン」）、他の部分は活性化されない（「スイッチオフ」）のです。 遺伝子からタンパク質やmRNAに至るまで、この複雑な情報を制御しているのは何でしょうか？ そう、クロマチンです」
このことを検証するために、研究チームはミバエをモデル生物として、クロマチンにおける遺伝子のオンとオフの状態を調べました。 その結果、タンパク質の存在によって、5種類のクロマチンがあることがわかりました。 緑、黄、黒、青、赤である。 黒は全く不活性、緑と青は部分的に活性、黄色と赤はクロマチン内で完全に活性な遺伝子であった。 その結果、黄色いクロマチンにある遺伝子は、ほとんどすべての細胞でスイッチが入り、細胞の重要な機能を制御していることがわかった。 赤のクロマチンは、より特定の機能を司っていたため、一部の特定の細胞でスイッチがオンになっていた（Serra et al., 2017）＜3800＞＜2545＞＜4568＞＜6895＞クロマチン構造＜8140＞＜5725＞真核生物のクロマチンではヒストンタンパク質とDNAは同じ質量を持っています（ただし代わりに非ヒストンタンパク質がある細胞もあるようです）。 ヌクレオソームはクロマチンの構造単位であり、クロマチンはDNAと（ヒストンまたは非ヒストン）タンパク質から構成されている。 この構造は、生物の遺伝物質全体で繰り返されている。
クロマチンの「ひも付きビーズ」モデルとはどういうことですか。
核内ではDNAとヒストン蛋白質がDNAの第一レベルのコンパクションを担っています。 クロマチンの構造の基本単位はヌクレオソームである。 ヌクレオソームは、DNAがヒストン（タンパク質の核）に巻きついて「ビーズ状」の構造を形成している。 この数珠のような構造がヌクレオソームと呼ばれる。 図3では、上から2番目が「数珠つなぎ」の形のクロマチンです。 ヌクレオソームは146塩基対のDNAの複合体で、8つのタンパク質、すなわちヒストンの外側から巻かれている。 ヒストンにはH1、H2A、H2B、H3、H4という5種類のヒストンがあり、ヒストンに巻きついたDNAがヌクレオソームを形成する。 2つのH2AとH2BがH3とH4タンパク質と結合すると、ヒストンコアが生成される。 このタンパク質構造に約145塩基対のDNAが2回巻き付き、ヌクレオソームが形成される。 リンカーDNAの長さは、種の遺伝子活性によって異なり、10〜95塩基対の間で変化することがある。
顕微鏡で見ると、クロマチンは紐にはめられたビーズのように見える。 このビーズがヌクレオソームと呼ばれるものである。 ヌクレオソーム自体は、ヒストンと呼ばれる8つのタンパク質で構成されている。 ヌクレオソームは、30nmのらせん状に巻きついてソレノイドを形成している。 このソレノイドの中で、さらにヒストン蛋白質がクロマチン構造を形成するのを助ける。 クロマチンはコンパクトな構造になるため、染色体に凝縮する（Baldi, Korber, and Becker 2020）。
DNAとクロマチンの関係は？
クロマチンはDNAを包装するものである。 DNAと関連するタンパク質は、核の中に収まるようにクロマチンの中に詰め込まれている。
DNAはどのようにしてクロマチン構造に組み立てられているのか？
DNAがクロマチンに組み立てられるには、いくつかの段階を経なければならない。 最初のステップでは、H3eとH4タンパク質がDNA上に堆積し、次いでH2AとH2Bが堆積する。 146塩基対のDNAからなるサブヌクレオソーム粒子が形成される。 第2段階は成熟化で、ATPによってヌクレオソームのコアの間隔が一定になる。 次のステップでは、リンカーヒストンの折り畳みが始まり、30 nmの構造のヌクレオフィラメントが形成されます。 最後のステップでは、さらに折り畳みが進み、より高いレベルのパッキングが行われます。
ユークロマチンとヘテロクロマチン
クロマチンには、(1) ユークロマチンと(2) ヘテロクロマチンがあり、ユークロマチンの方がヘテロクロマチンに近いと言われています。 ユークロマチンは凝縮度が低く、転写が可能であるのに対し、ヘテロクロマチンは凝縮度が高く、一般に転写が不可能である。 ヘテロクロマチンはさらに、構成的ヘテロクロマチンとfacultativeヘテロクロマチンに分類される。 構成的ヘテロクロマチンは、生物のすべての細胞に存在するDNA配列である。 構成的ヘテロクロマチンは、高度に繰り返されるDNAに関連している。 同様に、フェイシャルヘテロクロマチンは、すべての細胞に存在するわけではありません。 例えば、動物のβ-グロビンをコードする遺伝子は、ある種の細胞には存在するが、血液細胞には存在しない。 先に説明したように、クロマチンは真核生物細胞におけるタンパク質とDNAの複合体である。 核DNAは直鎖状には存在せず、核内に収まるように核タンパク質に巻きついて強固に凝縮されている
クロマチンの機能
当初、クロマチンは細胞核に色をつける物質と考えられていた。 その後、単なる着色物質ではなく、最も重要なDNA発現制御因子の一つであることが判明した。 また、クロマチンの構造は、DNAの複製にも重要な役割を担っている。 クロマチンやヌクレオソームにおけるDNAのパッケージングにより、DNAの転写、複製、修復を担う酵素がアクセスできない密閉構造となる。
DNA構造のパッケージングは転写抑制的で、基礎レベルの遺伝子発現のみを可能にする。
転写の過程で、クロマチン構造は、RNAと相互作用するいくつかの抑制因子と活性化因子によって変化し、遺伝子活性を制御する。 活性化剤はヌクレオソーム構造を変化させ、RNAポリメラーゼの集合を促進させる。 複製中にも同様のクロマチン構造の制御が行われ、複製機構が複製起点に配置されるようになる。
クロマチンのもう一つの機能は、遺伝子発現の制御である。 位置効果変異のプロセスを利用して、遺伝子をサイレントヘテロクロマチンの近くに位置させることによって、遺伝子を転写不活性に変換することができる。 サイレントヘテロクロマチンと遺伝子の間の距離は1000キロ塩基対にもなる。 この現象は、表現型の変化をもたらすことから、エピジェネティックと呼ばれています。 しかし、隣接する非ヘテロクロマチン領域がどのような影響を受けるかはまだ十分に理解されていない。 研究グループは、クロマチン中のタンパク質が隣接する領域に拡散して、同様の抑制効果を発揮することを発見しました。 また、核内には転写因子が入り込めない領域があり、そこにヘテロクロマチンが存在する可能性も指摘されている。 このように、核内のクロマチンは転写因子に直接アクセスできない可能性がある。
クロマチンの構造はDNA複製に影響を与える。 例えば、ユークロマチンやゲノムの他の活性領域は、より早く複製される。 同様にヘテロクロマチンやその周辺のサイレントな領域では、複製も遅くなる。 クロマチンのその他の重要な機能は以下の通りである。
DNAパッケージング
クロマチンの最も重要な機能は、長いDNA鎖をずっと小さなスペースにパッキングすることである。 DNAの直線的な長さは、それが存在する場所に比べて非常に長いです。 絡まったり傷ついたりせずに安全に収まるように、DNAは何らかの方法で圧縮される必要がある。 DNAが核の中にコンパクトに収まることを「凝縮」と呼びます。 DNAが体内でどの程度凝縮されているかを「充填率」と呼びます。 DNAの充填率は約7000です。 この高い圧縮率のために、DNAはクロマチンという構造体に直接パッケージされていない。 むしろ、いくつかの階層的な組織がある。
最初のパッキングは、ヌクレオソームにDNAを巻き付けることによって達成される。 このパッキングはヘテロクロマチン、ユークロマチンのいずれでも同じである。 第2レベルの圧縮は、有糸分裂期の染色体と間期クロマチンの両方に見られる30nmの繊維でビーズを包むことによって達成される。 この包み込みにより、充填率は6から40に増加する。 第三段階の圧縮は、繊維をさらにループ、ドメイン、スキャフォールドに巻き付けることで達成される。 この最終的なパッキングにより、分裂期染色体ではパッキング比が1万に、間期染色体では1000に増加した。
染色体はメタフェースで最も圧縮される。 真核細胞の細胞分裂の際には、DNAを2つの娘細胞に均等に分ける必要がある。 この時期、DNAは高度に圧縮され、細胞が分裂を完了すると、染色体は再び巻き戻されます。 メタフェースの染色体の長さを直線状のDNAと比較すると、そのパッキング比は10,000：1にもなります。 このような高いレベルのコンパクト化は、ヒストンH1のリン酸化によって達成される。
転写制御
転写とは、遺伝情報をDNAからタンパク質に伝達する過程である。 この情報は次にRNAに転写される。 最終的には、RNAが機能的なタンパク質に翻訳される。 転写のプロセスはクロマチンによって制御されている。 クロマチンが強化され、タンパク質を読み取るためのアクセスが制限されると、転写が停止する。 ヘテロクロマチンは、クロマチンが高度に凝縮されたタイプで、タンパク質はDNAを読み取ることができない。 一方、ユークロマチンは、それほど密に詰まっておらず、タンパク質はDNAの記述のプロセスを行うことができる。 また、クロマチンには活性型と非活性型があり、転写のバーストや中断に寄与している。 この現象は、同系統の細胞間で起こる遺伝子発現の高いばらつきの原因と考えられています。
Chromatin と DNA 修復
DNA に基づくすべてのプロセスは、DNA がクロマチンにパッケージされているかどうかに依存しています。 クロマチンはタンパク質の動的な配列により、その形や構造を変化させる能力を持っている。 DNAが損傷を受けると、クロマチンの弛緩が起こる。 この緩和により、タンパク質がDNAに結合し、それを修復することができる。
有糸分裂におけるクロマチン
有糸分裂とは、結果として生じる2つの細胞（娘細胞）が、親核と同じ種類と数の染色体を持つ細胞分裂のプロセスである。 クロマチンは有糸分裂の4つのステップで重要な働きをしている
- 前段階。 この段階では、クロマチン繊維が巻きついて染色体が形成される。 複製された染色体は、セントロメアで結合した2本の染色体からなる。
- メタフェース。 この時期、クロマチンは非常に凝縮される
- アナフェーズ。 この時期、紡錘体の微小管が2本の同じ染色体を細胞の末端まで引っ張り、分離する
- Telophase: この段階で、新しい染色体はそれぞれの核に分離される。 この時、クロマチン繊維はほぐれ、凝縮度が低下する。
クロマチンと染色体の大きな違いは、クロマチンがDNAとヒストンが繊維状に詰まったものであるのに対し、染色体はクロマチンが凝縮した一本鎖の形をしていることである。 染色体の構造は、クロマチンの細い繊維を利用している。 クロマチンの機能は以上のとおりであるが、染色体の機能は、突然変異、再生、細胞分裂、変異、遺伝の際に重要である。 さらに、細胞分裂の際には、クロマチンが凝縮して染色体を形成し、その染色体はX字型の二本鎖となる。
染色体は細胞内のどこにあるのか？
染色体は、真核細胞の核の中に存在します。 原核生物では、染色体は通常、細菌細胞のヌクレオイドの中にある安定した染色体DNAの単一ループです（例えば、細菌細胞のヌクレオイドなど）。 原核生物のDNAは、非ヒストンタンパク質と結合している。 ウイルスの場合、核がないため、染色体はDNAまたはRNA分子の短い線状または円状の構造として現れ、エンベロープや頭部のキャプシドに包まれた構造タンパク質がないことが多い。
クロマチンと染色体の関係を教えてください。
クロマチンと染色体の関係は、クロマチンがさらに凝縮を経て染色体を形成することです。
クロマチンと染色体
染色体には2本の鎖があり、DNAの充填率はクロマチンの方が高いです。 この一本鎖の染色体をクロマチッドと呼びます。 この染色体が細胞分裂の末期に分離して娘染色体となります。 このように、クロマチンは染色体の一部であるのに対し、クロマチンの主要素はDNAと繊維状の関連タンパク質であるため、クロマチンと全く別のものである。 クロマティドは染色体の一部であるが、クロマチンは染色体の一部であり、クロマチンは染色体の一部である。 クロマチンはタンパク質とDNAの複合体で、核に詰め込むためのDNA凝縮を助ける。
- Anthony T. Annunziato. 2008. “DNAのパッケージング。 ヌクレオソームとクロマチン”. ネイチャーエデュケーション. 2008. https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310/#%0Ahttps://www.scribd.com/document/257368023/DNA-Packaging-Nucleosomes-and-Chromatin-Annunziato-2014.
- Baldi, Sandro, Philipp Korber, and Peter B Becker. 2020. “ビーズオンザストリング-ヌクレオソームアレイの配列とクロマチンファイバーの折り畳み”. Nature Structural & Molecular Biology 27 (2): 109-18.
- Creative-diagnostics.日本学術振興会特別研究員（PD）。 2017. “クロマチンの構造と機能”. 2017. https://doi.org/10.7326/0003-4819-83-3-445_5.
- ヤンセン, A., and K. J. Verstrepen. 2011. “サッカロミセス・セレビシエにおけるヌクレオソームの位置決め”. Microbiology and Molecular Biology Reviews 75 (2): 301-20. https://doi.org/10.1128/mmbr.00046-10.
- Ma, Yiqin, Kiriaki Kanakousaki, and Laura Buttitta. 2015. “How the Cell Cycle Impacts Chromatin Architecture and Influences Cell Fate.”. Frontiers in Genetics 6: 19.
- Serra, François, Davide Baù, Mike Goodstadt, David Castillo, Guillaume J Filion, and Marc A Marti-Renom. 2017. “TADbitを用いたHi-Cデータの自動解析と3D-モデリングにより、ハエのクロマチンカラーの構造的特徴を明らかにした。” PLoS Computational Biology 13 (7): e1005665.
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