酵母におけるコヒーシン分布が保存電流ループ押し出しを介して染色体組織化を予測する

Core Concepts

コヒーシンによる染色体ループ押し出しが、CTCF非依存的な生物種においても染色体の空間的構造形成の主要メカニズムである。

Abstract

本研究では、染色体の空間的構造形成における「ループ押し出し」メカニズムの普遍性を検討している。 ループ押し出しモデルでは、コヒーシンタンパク質が染色体上を移動しながら、ループを形成・押し出していくことで、染色体の空間的構造が決まると考えられている。これまでは、脊椎動物ではCTCFタンパク質がループ押し出しの障壁として機能すると考えられていた。 しかし、CTCF非発現生物種や、CTCF結合サイトが少ない生物種においても、明確な染色体ドメイン(TAD)構造が観察される。そこで本研究では、CTCF非依存的な「保存電流ループ押し出し(CCLE)」モデルを提唱した。 このモデルでは、コヒーシンの染色体上の分布パターンから、ループ押し出しの速度を推定することができる。この推定値を用いて、出芽酵母とシゾ酵母のHi-Cデータを再現することに成功した。 つまり、コヒーシンによるループ押し出しが、CTCF非依存的な生物種においても染色体構造形成の主要メカニズムであることが示された。また、モデルから得られたループ押し出しパラメータは、独立した実験データとも整合的であった。

Stats

コヒーシンの染色体上の分布から推定したループ押し出し速度は、出芽酵母とシゾ酵母の染色体ドメイン構造を再現することができた。

Quotes

"コヒーシンによるループ押し出しが、CTCF非依存的な生物種においても染色体構造形成の主要メカニズムである" "モデルから得られたループ押し出しパラメータは、独立した実験データとも整合的であった"

Key Insights Distilled From

Cohesin distribution alone predicts chromatin organization in yeast via conserved-current loop extrusion.

by Yuan,T., Yan... at www.biorxiv.org 10-06-2023

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.10.05.560890v3

Deeper Inquiries

ループ押し出しメカニズムは、生物種間でどのように進化してきたのだろうか?

ループ押し出しメカニズムは、生物種間で進化してきた可能性があります。例えば、脊椎動物においてTADの境界はCTCFによって制御されるとされていますが、他の生物種ではCTCFに相当する因子が存在しないため、ループ押し出しメカニズムが異なる可能性があります。提案されたCCLEモデルでは、コヒーシンによるループ押し出しがほぼ保存された確率カレントとして解釈され、生物種間で共通のメカニズムとして機能する可能性が示唆されています。したがって、ループ押し出しメカニズムは進化の過程で生物種によって異なる要素が取り入れられ、適応されてきたと考えられます。

CTCF以外の、ループ押し出しを制御する因子はどのようなものが存在するのだろうか?

CTCF以外の、ループ押し出しを制御する因子は、他の転写因子やクロマチン修飾因子などが考えられます。例えば、酵母などの生物種ではCTCFに相当する因子が存在せず、代わりに他の転写因子やクロマチン修飾因子がループ押し出しを制御する可能性があります。CCLEモデルでは、コヒーシンによるループ押し出しは位置依存性のループ押し出し率として解釈され、ゲノム全体で連続的に変化するループ押し出し率が含まれることが示唆されています。したがって、CTCF以外の因子がループ押し出しを制御する可能性があり、その特定や理解が今後の研究課題となるでしょう。

ループ押し出しメカニズムは、染色体構造形成以外にどのような生物学的機能を持っているのだろうか?

ループ押し出しメカニズムは、染色体構造形成以外にもさまざまな生物学的機能を持っている可能性があります。例えば、ループ押し出しは遺伝子の発現制御やゲノムの安定性維持に関与していると考えられています。コヒーシンによるループ押し出しは、遺伝子のプロモーターとエンハンサーの相互作用を調節し、遺伝子の発現を制御する重要な役割を果たしています。また、ループ押し出しはゲノム内の染色体間相互作用を調節し、ゲノムの3次元構造を維持することで染色体の安定性を確保しています。したがって、ループ押し出しメカニズムは染色体構造形成だけでなく、遺伝子発現やゲノムの機能にも重要な影響を与えていると考えられます。