共同発表：細胞固有の性質が遺伝する仕組みを解明〜ＤＮＡメチル化酵素の正確な配置と活性化を制御する仕組み〜

ポイント

ＤＮＡメチル化酵素ＤＮＭＴ１と、ＤＮＡメチル化部位へＤＮＭＴ１を呼び込む目印となるユビキチン化されたヒストンＨ３との複合体の立体構造を解明し、その制御の仕組みを明らかにしました。
ＤＮＭＴ１とユビキチン化されたヒストンＨ３との結合が、ＤＮＭＴ１のＤＮＡメチル化酵素活性を上昇させることを発見しました。
この成果により、細胞の性質を遺伝する分子メカニズムの一端が明らかとなったのに加え、新たなＤＮＭＴ１活性化阻害剤の開発にもつながることが期待されます。

横浜市立大学大学院生命医科学研究科構造生物学研究室　有田恭平　准教授、石山怜（博士前期課程）、東京大学医科学研究所　中西真　教授、西山敦哉　講師らの研究グループは、ＤＮＡメチル化^注１）の維持に関与するＤＮＡメチル化酵素ＤＮＭＴ１^注２）が、ユビキチン化^注３）されたヒストン^注４）Ｈ３を認識する機構を解明しました。

本研究は、２０１７年１０月１９日（米国東部時間）に「ＭｏｌｅｃｕｌａｒＣｅｌｌ」オンライン版に掲載されます。

本研究は、科学技術振興機構（ＪＳＴ）戦略的創造研究推進事業個人型研究（さきがけ）「ライフサイエンスの革新を目指した構造生命科学と先端的基盤技術」研究領域の一環で行われました。

＜研究の背景＞

生体内に存在する２００種類以上の細胞は、一部の例外を除いてすべて同じゲノム情報を持ちながらそれぞれ固有の性質を持ちます。これは細胞分化の過程で確立されるＤＮＡメチル化によって、細胞の種類固有の遺伝子発現パターンが決まっているからです。

ゲノムＤＮＡは細胞分裂の前に正確に複製されますが、ＤＮＡメチル化も親細胞から娘細胞に正確に受け継がれていきます。これをＤＮＡ維持メチル化といいます。ＤＮＡ維持メチル化が破綻すると、細胞のがん化など様々な不具合が生じるので、ＤＮＡメチル化のパターンは厳密に制御され受け継がれるようになっています。

ＤＮＡ維持メチル化には２つのタンパク質、ＵＨＲＦ１^注５）とＤＮＭＴ１が必須です。ＵＨＲＦ１はＤＮＡ複製後に生じた片鎖メチル化ＤＮＡを認識して、近傍のヒストンＨ３をユビキチン化します。ＤＮＭＴ１はユビキチン化ヒストンＨ３を認識することで作用の場である片鎖メチル化ＤＮＡへと呼び込まれます。しかし、ＤＮＭＴ１が、ユビキチン化されたヒストンＨ３をどのような分子機構で認識するのかはよくわかっていませんでした。

＜研究の内容＞

今回研究グループは、ＤＮＡ維持メチル化の過程を再現する試験管内染色体複製系と質量分析解析を組み合わせることで、ＤＮＭＴ１がＮ末尾部の２か所にモノユビキチン化を受けたヒストンＨ３と特異的に結合することを発見しました。また、このヒストンＨ３の複数個所のモノユビキチン化はＵＨＲＦ１に依存的であり、Ｈ３のリジン１４，１８，２３を標的とするものであることもわかりました。

一般的にタンパク質のユビキチン化は、付加されたユビキチンがつながってポリマー化（＝ポリユビキチン化）されることで様々な生命現象のシグナルとして働くことが知られていました。しかし、今回の研究成果から、ＤＮＡ維持メチル化の過程では、ポリユビキチン化ではなく複数個所のモノユビキチン化がシグナルとして働き、これらをＤＮＭＴ１のＲＦＴＳドメイン^注６）が同時に認識することを明らかにしました（図１）。

この珍しいユビキチン化修飾の認識機構の詳細を明らかにするために、リジン１８とリジン２３がモノユビキチン化されたヒストンＨ３とＤＮＭＴ１のＲＦＴＳドメインの複合体の立体構造をＸ線結晶構造解析法で決定しました。その結果、ヒストンＨ３上の２つのモノユビキチンは、ＲＦＴＳドメインによって同時に認識されることがわかりました。ユビキチンは他のタンパク質と結合するときにＩ４４パッチという分子表面を例外なく使います。今回決定した立体構造によると、ＲＦＴＳドメインは、これに加えて、ユビキチン認識ループ（ｕｂｉｑｕｉｔｉｎｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｌｏｏｐ：ＵＲＬ）によってユビキチンの他の分子表面も認識しており、非常に広範囲に渡って相互作用していることがわかりました。このＲＦＴＳドメインのＵＲＬは‘左手’のような特徴的な形をしており、‘手のひら’でリジン１８に付加されたユビキチンを、‘手の甲’でリジン２３に付加されたユビキチンを認識するという特徴を持っていました。さらに、ユビキチン化されたヒストンＨ３は２－２０番目までのアミノ酸がＲＦＴＳドメインと相互作用しており、今まで見られないような非常に広範囲に渡ってＲＦＴＳドメインと相互作用していることが分かりました（図２）。

ＤＮＭＴ１は、通常の状態ではＲＦＴＳドメインとＤＮＡメチル化活性を持つ触媒ドメインが相互作用しており、活性阻害型の立体構造をとることが知られていました。しかし、今回の研究でさらに大阪大学蛋白質研究所　末武准教授らの生化学的な実験により、ＤＮＭＴ１はユビキチン化ヒストンＨ３に結合するとＤＮＡメチル化活性が大幅に亢進されることが分かりました。さらに、横浜市立大学大学院生命医科学研究科　木寺教授らの分子動力学計算によって、ユビキチン化ヒストンＨ３が結合するとＤＮＭＴ１のＲＦＴＳドメインと触媒ドメインの相互作用が弱くなる過程をシミュレーションでき、ユビキチン化ヒストンＨ３によるＤＮＭＴ１の新規の酵素活性化機構を解明しました（図１）。

＜今後の展開＞

この研究成果は、ＤＮＡメチル化維持機構の仕組みの一端を詳細に解明するとともに、細胞のがん化や脱分化などの生命現象の理解と、その制御に重要な知見を与えます。例えば、ＤＮＭＴ１の触媒ドメインを標的にした抗がん剤はありますが、その使用は限定的であり副作用が生じる問題があります。しかし、ＤＮＭＴ１に特徴的であるＲＦＴＳドメインを標的に高選択的な薬剤を開発できれば、がん細胞や神経変性疾患で見られる異常なＤＮＡメチル化を制御できる可能性があります。今回の研究成果はＤＮＡ維持メチル化という重要な生命現象の解明に加えて、この分野の応用に寄与するものと期待されます。

＜参考図＞

図１　本研究で明らかになったこと

図２　ＤＮＭＴ１　ＲＦＴＳドメインとＫ１８／Ｋ２３ユビキチン化ヒストンＨ３の複合体構造

ＲＦＴＳをピンク、ＵＲＬをマジェンタ、Ｈ３を黄色、１８、２３番目のリジン残基に付加されたユビキチンを水色、黄緑で示す。右図はＵＲＬによるユビキチンの認識を拡大して示しており、左手のような形をしたＵＲＬが２つのユビキチンを完全に隔てて認識している。

＜用語解説＞

注１）ＤＮＡメチル化: ＤＮＡに含まれるシトシン塩基にメチル基（ＣＨ３－）が付加される反応。ＤＮＡメチル化により、遺伝子の発現が抑制されると考えられている。生物の体を形成するために必須である。
注２）ＤＮＭＴ１: ＤＮＡにメチル基を転移する反応を触媒する酵素。ＤＮＭＴ１はＤＮＡ２重らせんの片方の鎖のみがメチル化された片鎖メチル化ＤＮＡを反応の基質として好む。
注３）ユビキチン（化）: ７６アミノ酸からなるタンパク質で、基質となるタンパク質のリジン残基に共有結合を介して付加される。基質に付加されたユビキチンはさらにユビキチンが付加されていくことによってポリマー化し、タンパク質分解やＤＮＡ損傷修復、炎症などの様々な生命現象を制御する。
注４）ヒストン: ヒストンＨ１、Ｈ２Ａ、Ｈ２Ｂ、Ｈ３、Ｈ４の５種類からなる。ゲノムＤＮＡはヒストンタンパク質に巻き付き、ヌクレオソームという構造体を形成することで、核の中で折りたたまって収納される。ヒストンはアセチル化、メチル化などの様々な化学修飾を受け、遺伝子発現を調節すると考えられている。
注５）ＵＨＲＦ１: ＤＮＡメチル化維持に必須の役割をするタンパク質。片鎖メチル化ＤＮＡへの結合や、ヒストンＨ３のユビキチン化など様々に機能することで、ＤＮＡメチル化パターンの複製を誘導する。
注６）ドメイン: タンパク質中に存在する独立に立体構造を持ち機能する領域。

＜論文情報＞

タイトル	“Structure of the Dnmt1 reader module complexed with a unique two-mono-ubiquitin mark on histone H3 reveals the basis for DNA methylation maintenance”
著者名	Satoshi Ishiyama, Atsuya Nishiyama, Yasushi Saeki, Kei Moritsugu, Daichi Morimoto,Luna Yamaguchi, Naoko Arai, Rumie Matsumura, Toru Kawakami, Yuichi Mishima, Hironobu Hojo, Shintaro Shimamura, Fuyuki Ishikawa, Shoji Tajima, Keiji Tanaka, Mariko Ariyoshi, Masahiro Shirakawa, Mitsunori Ikeguchi, Akinori Kidera, Isao Suetake, Kyohei Arita, and Makoto Nakanishi
doi	10.1016/j.molcel.2017.09.037