前回に引き続き、2019年度の15号目のネイチャーのハイライトより。
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分子生物学：分解に依存したロバスト性
Nature 568, 7751
2019年4月11日
機能喪失変異から生じる表現型は、他の遺伝子群の発現上昇によって無効化される場合があり、この過程は遺伝的補償として知られている。今回D StainierとJ Chenがそれぞれ率いる2つのグループが、この過程には、変異を持つ遺伝子の転写と、ナンセンス変異依存分解経路による変異型転写産物の分解の両方が必要であることを示している。分解が起こらないと、変異表現型は増悪する。また、発現が上昇した遺伝子のかなりの割合で、変異のある遺伝子とのある程度の塩基配列類似性が認められ、発現が上昇した遺伝子では、その発現が転写開始部位でのH3K4トリメチル化の上昇と相関することも分かった。変異型転写産物の分解が関連遺伝子群の転写を引き起こす仕組みを理解するためには、さらなる研究が必要である。
NEWS & VIEWS p.179
ARTICLE p.193
LETTER p.259
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この2つの論文はネイチャーのニュースにも取り上げられました。
ネイチャーの日本語版本誌では、「分子生物学：遺伝子のパラドックスを解くナンセンス変異」と題されました。
見出しにおいては、「コードされたタンパク質を短くする遺伝子変異は、関連遺伝子の発現を引き起こすことがある。今回、この補償応答に関する発見が、ヒトとモデル生物の遺伝学研究に関する考えを変えた。」と取り上げられています。
本文を直訳しますと・・・
ナンセンスによって説明される遺伝的パラドックス
となり、見出しを直訳しますと・・・
コードされたタンパク質を切り詰める遺伝子変異は、関連する遺伝子の発現を引き起こす可能性があります。この代償反応の発見は、人間とモデル生物の遺伝子研究についての私たちの考え方を変えます。
となります。
本文を直訳しますと・・・
コードされたタンパク質を切り詰める遺伝子変異は、関連する遺伝子の発現を引き起こす可能性があります。この代償反応の発見は、人間とモデル生物の遺伝子研究についての私たちの考え方を変えます。
従来の通念では、コードされたタンパク質を不活性にするために遺伝子を改変すること、つまり遺伝子を「ノックアウト」することは、単に遺伝子の発現レベルを低下させるよりも深刻な影響を与えると考えられています。ただし、逆の場合が多いです。実際、遺伝子のノックアウトは認識できる影響を与えないことがありますが、同じ遺伝子の発現の低下（ノックダウン）は大きな欠陥を引き起こします[1]。遺伝子ノックダウンに使用される試薬の標的外または毒性作用が原因であることが判明することがあります[2]が、常にではありません[3]。他に何が原因であるのか疑問に思う人がいます。Natureの中で取り上げられた、El-Brolosy etal.[4]とMaet al.[5]は、このパラドックスに対する興味深い解決策を提供します。
著者らは、不活化された遺伝子に関連する遺伝子の転写を活性化し、それによってノックアウトを補償する分子メカニズムを特定しています。このような遺伝的補償応答の存在は、初期の研究、特にゼブラフィッシュのegfl7遺伝子のノックアウトがegfl7によってコードされるタンパク質に関連するタンパク質をコードする遺伝子の発現をアップレギュレートするという発見[3]によって最初に示唆されました。このアップレギュレーション応答は、egfl7の変異によってのみトリガーされ、egfl7ノックダウンによってはトリガーされなかったため、ノックダウンが生物学的欠陥を引き起こしたのに対し、ノックアウトはほとんど発生しませんでした。他の遺伝子についても同様の観察がなされており[3,6]、一般的な代償メカニズムの存在を示唆しています。
補償メカニズムはどのように機能するのでしょうか？ゼブラフィッシュの胚におけるさまざまな突然変異の影響を研究することによって、El-Brolosyら、およびMaetalらは、代償性遺伝子のアップレギュレーションは、早期終止コドン（PTC）として知られる短いヌクレオチド配列を生成する突然変異によって特異的に引き起こされることを発見しました。これらの配列（ナンセンスコドンとしても知られています）は、メッセンジャーRNAのタンパク質への翻訳の早期停止を示します。したがって、このアップレギュレーション応答の適切な名前は、ナンセンス誘導転写補償（NITC）です。
NITCにおけるPTCの役割は、NMDもPTCによってトリガーされるため、ナンセンス媒介RNA崩壊（NMD）と呼ばれるRNA分解経路の関与を示唆しました[7]。この考えを支持して、El-Brolosyらは、NMDに関与する主要な要因の1つであるUpf1と呼ばれるタンパク質がNITCに必要であることを観察しました。 NMDをトリガーしないPTCもNITCを引き出すことができなかったという、Maと同僚の発見からさらなるサポートが得られました。
2つの論文は、NITCをトリガーする薬剤が、変異遺伝子から生成されたPTCを含むmRNAであることを示唆するいくつかの証拠を提供しています（図1）。たとえば、両方のグループは、変異遺伝子の転写が損なわれると、NITCが大幅に防止されることを発見しました。 PTCを含むmRNAがNITCを誘発するためにNMDによって分解されなければならないという証拠として、El-Brolosy等。本質的に不安定な「キャップされていない」mRNAをゼブラフィッシュの胚に注入するとNITCが誘発されたのに対し、「キャップされた」（安定した）mRNAは誘発されなかったことがわかりました。
両方のグループは、NITCが突然変異遺伝子に祖先的に関連している遺伝子の転写の増加によって媒介されることを発見しました。これらの遺伝子パラログの転写の増加は、H3K4me3（ヒストンH3と呼ばれるDNA結合タンパク質の転写誘導型[8]）による遺伝子のプロモーター領域の占有の増加を伴いました。 2つのグループは、NITCがH3K4me3の形成を触媒するCOMPASSタンパク質複合体8に依存していることを発見し、それによってこのH3修飾が遺伝子パラログの転写の増加に役割を果たしているというさらなる証拠を提供しました。
腐敗しているmRNAは、それ自体に類似しているが、無関係の遺伝子ではない遺伝子の転写アップレギュレーションをどのように特異的に引き起こすことができるでしょうか？細胞質内のRNAの崩壊に必要ないくつかの要因が、核内の転写調節因子としても「月光」であるという発見に基づいて[9]、El-Brolosy らは、 PTCを含むmRNAに関連する細胞質RNA崩壊因子が核に移動し、ヒストン修飾因子を動員して関連遺伝子の転写を活性化するモデルを仮定します。特異性は、遺伝子パラログの相補的なヌクレオチド配列に結合するNMDによって生成されたRNAフラグメントによって提供されます（図1）。このモデルはまた、遺伝子の変異体と野生型コピーの両方を持っているヘテロ接合ゼブラフィッシュが野生型遺伝子の発現をアップレギュレートすることを予測しています。確かに、両方の研究グループはこれが事実であることを発見しました。
2つの論文の主な不一致は、El-Brolosy らは、 upf1遺伝子のノックアウトがNITCを妨げることを発見しました、一方、Maらは、 NITCは、Upf1のノックダウンによっても、NMDファクターUpf2およびUpf3bのノックダウンによっても損なわれなかったことが観察されました。この明らかな不一致が、Upf1を混乱させるためのさまざまなアプローチの使用、さまざまな遺伝子へのPTCの導入、または他の要因の結果であるかどうかは不明です。
Maらによってなされた興味深い発見は、 NITCはUpf3aタンパク質を必要とします。これは、分解の対象となるmRNAに応じて、NMDを抑制または適度に促進することが以前に示された謎のNMD因子です[10]。著者らは、Upf3aがCOMPASS複合体のいくつかの成分と相互作用し、アップレギュレートされたパラログ遺伝子のプロモーター領域でH3K4me3の占有率を増加させることを発見しました。これらの発見はMa等を導きました。 Upf3aがCOMPASS複合体を遺伝子パラログプロモーターに動員して、遺伝子転写の活性化に関与するH3K4me3マークを生成することを提案します。
NITCの発見は、おそらく将来の遺伝子研究の解釈と実施の方法を変えるでしょう。たとえば、健康な人間には通常、いくつかの機能喪失型変異があるという予期せぬ発見[11]は、NITCによって与えられた補償によって説明できる可能性があります。遺伝子操作されたモデル生物を構築する場合、生物学的欠陥がマスクされるのを避けるために、NITCをトリガーしない変異体を作成することが重要になります。実際、NITCは、多くのノックアウトがマウスに生物学的変化をほとんどもたらさない理由を説明するかもしれませんが、同じ標的をブロックまたは活性化する化学薬品は大きな影響を及ぼします[12,13]。
El-Brolosy らは、 NITCは、ゼブラフィッシュの胚だけでなく、マウスの細胞株でも保護補償を提供することを実証しました。多様な生物における遺伝子ノックアウトは、対応する遺伝子ノックダウンよりも深刻度の低い欠陥を生み出すことが示されていることを考えると、NITCの到達範囲はこれよりもはるかに広がる可能性があります1。 NITCは特定の生物でどのくらい広く作用するでしょうか？ El-Brolosy等、およびMa等は、一緒に8つのゼブラフィッシュ遺伝子と4つのマウス遺伝子を同定しました。これらは変異するとNITCメカニズムを引き起こしますが、これがほとんどの遺伝子の特性であるかどうかは不明です。また、NITCの強みと特異性を決定付けるものも不明です。両方の研究グループは、NITCを弱くしかトリガーしないいくつかの特定の突然変異遺伝子と突然変異を特定しました。これは、NITCを調節するまだ理解されていない要因があることを意味します。
NITCは、突然変異に応答して生物に堅牢性を与えるメカニズムの武器を追加します。確かに、NITCは、遺伝子が突然変異によって完全に不活性化された場合でも希望を提供します。作家ヘンリー・デイヴィッド・ソローの言葉によれば、「私たちが静かで十分な準備ができていれば、すべての失望の中で補償を見つけるでしょう。」
・・・となります。
フルテキストは下記です。
Full Text：NEWS & VIEWS p.179
Genetic paradox explained by nonsense
1つ目の論文・・・。
日本語版本誌では、「分子生物学：変異型mRNAの分解により引き起こされる遺伝的補償」と題されています。
直訳しますと・・・
変異mRNA分解によって引き起こされる遺伝的補償
となり、Abstractを直訳しますと・・・
遺伝的頑健性、または有害な突然変異の存在下で健康を維持する生物の能力は、タンパク質フィードバックループを介して達成することができます。以前の研究は、生物が転写適応によって突然変異に応答する可能性があることを示唆しています。これは、関連する遺伝子がタンパク質フィードバックループとは無関係にアップレギュレートされるプロセスです。ただし、転写適応の有病率とその基になる分子メカニズムは不明です。ここでは、ゼブラフィッシュとマウスの転写適応のいくつかのモデルを分析することにより、変異型mRNA分解の要件を明らかにします。変異遺伝子の転写に失敗した対立遺伝子は転写適応を示さず、これらの対立遺伝子は変異mRNA崩壊を示す対立遺伝子よりも深刻な表現型を引き起こします。変異型mRNA崩壊を示す対立遺伝子のトランスクリプトーム分析は、変異型遺伝子のmRNAとの配列類似性を示す遺伝子のかなりの割合のアップレギュレーションを明らかにし、配列依存性メカニズムを示唆しています。これらの発見は、病気の原因となる突然変異の理解に影響を及ぼし、最小限の転写適応由来の補償を伴う突然変異対立遺伝子の設計に役立ちます。
となります。
フルテキストは下記です。詳細が必要な方はご購入をお願いいたします。
Full Text：ARTICLE p.193
Genetic compensation triggered by mutant mRNA degradation
Data availabilityによりますと・・・
ATAC-seqおよびRNA-seqデータは、アクセッションコードGSE107075およびGSE114212で遺伝子発現オムニバス（GEO）に寄託されました。
Change historyによりますと・・・
2019年4月17日この記事では、補足表とソースデータファイルが元々間違った順序でアップロードされていました。
2つ目の論文は・・・
日本語版本誌では、「分子生物学：PTCを持つmRNAが、Upf3aとCOMPASS複合体構成要素を介して遺伝的補償応答を引き起こす」と題されました。
直訳しますと・・・
PTCを含むmRNAは、Upf3aおよびCOMPASSコンポーネントを介して遺伝的補償応答を誘発します
となり、Abstractを直訳しますと・・・
遺伝子ノックアウトと遺伝子ノックダウンの間の表現型の不一致の考えられる説明として、遺伝的補償応答（GCR）が最近提案されました[1,2]。ただし、GCRの基になる分子メカニズムは特徴付けられていないままです。ここでは、capn3aおよびnid1a遺伝子のゼブラフィッシュノックダウンおよびノックアウトモデルを使用して、早期終止コドン（PTC）を持つmRNAがUpf3aおよびCOMPASS複合体のコンポーネントを含むGCRを即座にトリガーすることを示します。小さな肝臓を持つcapn3aノックダウン胚や体長が短いnid1aノックダウン胚[2]とは異なり、capn3a-nullおよびnid1a-null変異体は正常に見えます。これらの表現型の違いは、同じ家族の他の遺伝子のアップレギュレーションに起因しています。 6つの独自に設計された導入遺伝子を分析することにより、GCRがPTCの存在と、代償性内因性遺伝子に相同な導入遺伝子mRNAのヌクレオチド配列の両方に依存していることを示します。 upf3a（ナンセンス変異依存mRNA崩壊経路のメンバー）およびwdr5を含むCOMPASS複合体の成分がGCRで機能することを示します。さらに、GCRは、代償遺伝子の転写開始部位領域でヒストンH3 Lys4トリメチル化（H3K4me3）の強化を伴うことを示しています。これらの発見は、GCRの潜在的なメカニズムの基礎を提供し、変異遺伝子にPTCを作成するか、PTCを含む導入遺伝子を導入してGCRをトリガーすることにより、遺伝性疾患に関連するミスセンス変異を治療する治療戦略の開発につながる可能性があります。
となります。
フルテキストは下記です。詳細が必要な方はご購入をお願いいたします。
Full Text：LETTER p.259
PTC-bearing mRNA elicits a genetic compensation response via Upf3a and COMPASS components
Data availabilityによりますと・・・
著者は、この研究の結果を裏付けるすべてのデータが、記事内、その拡張データ、または合理的な要求に応じて対応する著者から入手できることを宣言します。この研究で生成されたすべてのゼブラフィッシュ変異体、トランスジェニック系統、およびプラスミド構築物は、著者から容易に入手できます。
究極に溜まりに溜まりまくっているネイチャー。次回は、「天文学：連星中性子星合体の印かもしれないX線トランジェント」を取り上げます。
※今まで以上に巡回等更新が遅れて申し訳ありません。データの洪水にまみれながら、リアルの方も重視して対処しての、主治医の指示に従ってのものなので大変遅れております。申し訳ございません(´・ω・`)