細胞分裂期の染色体凝縮はマグネシウムイオンの増加によって起こる

ポイント

• 高性能蛍光マグネシウムセンサーを開発。
• 生細胞イメージングにより細胞分裂の際のマグネシウムイオンの濃度上昇を観測することに成功。
• ＡＴＰに結合していたマグネシウムイオンがＡＴＰの消費により放出されることでその濃度が上昇。
• マグネシウムイオンが分裂期の細胞内での染色体凝縮に関わっていることを初めて証明。
• 染色体形成の異常が引き起こす疾病の解明への貢献に期待。

＜研究の背景＞

私たちの体は約４０兆個の細胞からできていて、その１個１個に全長約２メートルにも達するゲノムＤＮＡが収められています。ゲノムＤＮＡは、細胞が分裂する際に切れたり、絡まったりするのを防ぐために凝縮し、染色体と呼ばれる４６本のＤＮＡの束になります（図１）。近年、コンデンシン^注３）などの染色体を形作るタンパク質が同定され、染色体レベルでの凝縮メカニズムが明らかにされてきました。

ＤＮＡは直径２ナノメートル^注４）のとても細い糸で、負（マイナス）の電荷を持っています。ＤＮＡは正（プラス）の電荷を有するヒストンと呼ばれる糸巻きに巻かれて、直径約１１ナノメートルのヌクレオソーム線維を作ります。しかしながらヌクレオソームには負の電荷が残っていて、互いに反発するため、細胞などの小さな空間に折り畳むことができません（図２）。そこで、細胞内に多量に存在するＭｇ^２＋がヌクレオソームの負電荷を中和して反発を弱め、染色体の凝縮を引き起こすのではないかと半世紀以上前から予想されていました。しかしながら、細胞内に単独で存在しているＭｇ^２＋の変化を測定する手法がなかったため、本当にＭｇ^２＋が染色体凝縮に働いているのかは長い間謎のままでした。

＜研究の成果＞

本研究では、まず大腸菌が有するＭｇ^２＋輸送タンパク質（ＣｏｒＡ）のＭｇ^２＋結合ドメインに２種類の蛍光タンパク質を組み合わせることによって、単独で存在しているＭｇ^２＋の変化を調べることができる高感度Ｍｇ^２＋センサーＭＡＲＩＯ（ＭＡｇｎｅｓｉｕｍ　Ｒａｔｉｏｍｅｔｒｉｃ　Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ　ｆｏｒ　Ｏｐｔｉｃａｌ　ｉｍａｇｉｎｇ）を開発しました（図３）。従来も蛍光Ｍｇ^２＋センサーが開発されていましたが、細胞内のＭｇ^２＋の濃度を計測するには結合力が強すぎ、かつＭｇ^２＋が結合した時の蛍光シグナルの変化が微少なため、細胞内のＭｇ^２＋の変化を検出できませんでした。一方、ＭＡＲＩＯはＭｇ^２＋の結合によりその蛍光色が青から黄緑に大きく変化し、かつ細胞内のＭｇ^２＋濃度（ｍＭレンジ）に合わせた結合力に調律されました。このＭＡＲＩＯの遺伝子を生細胞内に導入してセンサータンパク質を産生させ蛍光顕微鏡で観察することにより、細胞が分裂する際にＭｇ^２＋濃度が上昇することを発見しました（図１）。一方で、もう１つの細胞内の重要なイオンであるカルシウムイオン（Ｃａ^２＋）の濃度を研究グループが以前開発したＣａ^２＋の変化を調べることができる蛍光センサーＹＣ３．６０で調べたところ、ほとんど変化しませんでした。

それではこの増加したＭｇ^２＋はどこからやってきたのでしょうか？細胞内のＭｇ^２＋の多くはＡＴＰ^注５）やタンパク質と結合していることが知られています。そこで細胞内のＡＴＰ量の変化を調べてみると、細胞が分裂する際に濃度が減少していました。細胞分裂を進めるために、エネルギーを貯蔵しているＡＴＰが多く消費されるからです。その際にＡＴＰに結合していたＭｇ^２＋が放出され、Ｍｇ^２＋濃度が上昇し、染色体の凝縮が促進されると考えられます（図１）。実際に、ＡＴＰ量を減らすとＭｇ^２＋濃度が上昇し、染色体はさらに凝縮を起こしました。逆にＭｇ^２＋濃度を低下させると、染色体は脱凝縮（ゆるむ）しました。Ｍｇ^２＋は反発するヌクレオソームの電荷を弱め、ヌクレオソームを互いに近づけて、染色体凝縮を促進していると考えられます（図２）。本成果は、ゲノムＤＮＡの「新たな凝縮メカニズム」を提唱するものです。

＜今後の展開＞

細胞分裂の際に染色体が正常に作られないと、遺伝情報が均等に受け継がれなくなり、遺伝情報の発現異常が起こります。また、ＤＮＡが損傷することによって細胞死やがん化などのさまざまな異常が起こると考えられています。さらに、Ｍｇ^２＋は細胞内に多量に存在して多くのタンパク質の働きを助けており、欠乏するとさまざまな細胞異常が現れることが知られています。本研究で得られたゲノムＤＮＡが凝縮する仕組みや、蛍光Ｍｇ^２＋センサーＭＡＲＩＯの利用により、細胞機能の破綻によって引き起こされる関連疾病の理解が進むことが期待されます。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１）ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）

ＤＮＡは、生命の設計図であり、２本のごく細い鎖が、同じ軸を中心にらせんを巻いた構造をしている。２本の鎖の外側は負（マイナス）に帯電したリン酸で、その内側に遺伝暗号となる「塩基対のはしご」がかけられている。二重らせんの直径は約２ナノメートルで、ＤＮＡを伸ばすと、ヒトで全長は２メートルにおよぶ。

注２）マグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）

カルシウムイオン（Ｃａ^２＋）と同様に生体に必須な二価の陽（プラス）イオン。細胞内のＡＴＰや多くのタンパク質と結合し、それらの働きを助けている。欠乏する細胞にさまざまな異常が現れることが知られている。また、本研究で明らかになったように、正の電荷を持つため、ゲノムＤＮＡのマイナス電荷を打ち消し、染色体凝縮を助けることができる。

注３）コンデンシン

染色体形成に必須とされている５つのタンパク質よりなる複合体。染色体中に軸のように存在する。現　理研主任研究員　平野 達也らのグループによって１９９７年に発見された。

注４）ナノメートル

１メートルの１０の９乗分の１（１０^－９）。

注５）ＡＴＰ（アデノシン三リン酸）

生体の「エネルギー通貨」と言われ、細胞内のさまざまな営みのエネルギー源となっている。細胞の中ではＭｇ^２＋と結合しＡＴＰ－Ｍｇとして存在している。本研究により、細胞分裂の際、ＡＴＰが消費されるとＭｇ^２＋が放出され、Ｍｇ^２＋濃度の増加につながることが明らかになった。

注６）ＦＲＥＴ（Ｆöｒｓｔｅｒ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｔｒａｎｓｆｅｒ、フレット）

近接した２個の蛍光タンパク質（図３）の間で励起エネルギーが光の放出を伴わずに移動する現象。図３では、青色蛍光タンパク質（供与体）で吸収された光のエネルギーによってもう一方の黄色蛍光タンパク質（受容体）にエネルギーが移動し、蛍光が放出される。図３のＭＡＲＩＯ内の検出タンパク質部分にＭｇ^２＋が結合すると、２種類の蛍光タンパク質が近くに引き寄せられてＦＲＥＴ現象が起こる。

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