細胞の中にある巨大な図書館

細胞の中にある巨大な図書館 生物学
©Courtesy of Inna-Marie Strazhnik

ヒトゲノムは巨大な図書館と考えることができ、2万種類以上の「取扱説明書」が含まれています。

例えば、脳細胞、皮膚細胞、白血球などを作るための情報が書かれた遺伝子や、図書館の整理の仕方が書かれた本のように、ゲノムを制御するための情報が書かれた遺伝子もあります。

筋肉細胞や脳細胞など、細胞の形態や機能が異なるのは、遺伝子の発現を制御する能力、つまり、さまざまな遺伝子の組み合わせをオンにしたりオフにしたりする能力があるからです。

図書館が読者の役に立つためには、簡単に検索できるように整理されている必要があります。

例えば、世界史に関する本は1つの棚にあり、料理の本は全く別の場所にあるかもしれません。

細胞核の中には、髪の毛の幅の50分の1の空間に、6フィート(約1.82m)以上もの遺伝物質が詰まっています。

核の中の「図書館」はどのように構成されているのでしょうか?

細胞が特定の遺伝子を制御する必要があるとき、細胞機構は2万個の遺伝子の中からどのようにして適切なものを見つけ出すのでしょうか?

生物学の教授であるMitchell Guttman氏の研究室から発表された新しい論文では、これらの疑問に対する答えを見つけるために、細胞の遺伝物質(DNAおよびRNA)の世界を覗き見ることができる強力な新しいツールを使用しています。

Guttman氏の研究室の元大学院生で、現在はプリンストン大学の博士研究員であるSofia Quinodoz氏(20歳で博士号取得)が率いるチームは、ノンコーディングRNAの分子が、核内に「区画」を作り、重要な分子をゲノムの正確な領域に運ぶ役割を果たしていることを発見しました。

ノンコーディングRNAとは、タンパク質をコードしていない分子で、生物学者にとってはいまだに謎の多いさまざまな機能を持っています。

図書館に例えると、ノンコーディングRNA分子は、さまざまな遺伝子群やそれらと相互作用する機械を整理する「棚」の役割を果たしています。

遺伝物質が空間的にどのように構成されているかを理解することは、生命の基本的な仕組みを理解する上で非常に重要なことです。

核内の機能障害は、がんや神経変性疾患など、多くの疾患の特徴です。

このモデルでは、それぞれの領域が異なる色のジェリービーンの形で示されている。

このモデルでは、それぞれの領域が異なる色のジェリービーンの形で示されている。©Courtesy of Inna-Marie Strazhnik

今回の研究を可能にしたのは、Guttman氏の研究室が開発したRD-SPRITE(RNA and DNA Split-Pool Recognition of Interactions by Tag Extension)と呼ばれる、RNAの世界を詳細に見ることができる強力なツールです。

RD-SPRITEは、RNAやDNAの分子に、その位置に応じた極小のユニークなバーコードをタグ付けし、そのバーコードを分析することで、どの分子が細胞内のどの位置にあったかを知ることができるというものです。

「このツールは、私が大学院生のときから夢見ていたもので、Quinodoz氏がこれを実現したことは驚くべきことです」とGuttman氏は言います。

「RNAの世界で見ることができるものが変わります。それは、新しい顕微鏡を開発するようなもので、これまで見えなかったものが見えるようになります。今回のRNAと組織に関する発見は、これらのデータから何を見つけられるかという点では、氷山の一角といえるでしょう。」

研究チームは、RD-SPRITEを用いて、健康な細胞と病気の細胞の核の空間的な構成を比較し、病気の状態で遺伝子の発現や核の物理的な構造がどのように影響を受けるかを理解することを計画しています。

論文のタイトルは、『RNA promotes the formation of spatial compartments in the nucleus』。Sofia Quinodoz氏は本論文の第一著者であり、共同第二著者として、カリフォルニア工科大学の博士研究者Joanna Jachowicz氏、大学院生のPrashant Bhat氏、元博士研究者のNoah Ollikainen氏が名を連ねています。

また、Guttman氏以外の共著者は、元大学院生のAbhik Banerjee氏、大学院生のIsabel Goronzy氏、研究員のMario Blanco氏、元博士研究員のPeter Chovanec氏、上級研究員のAmy Chow氏、UCLAのYolanda Markaki氏、元研究技術者のアシスタントJasmine Thai氏、UCLAのKathrin Plath氏です。

Published by California Institute of Technology. Sofia A. Quinodoz et al, RNA promotes the formation of spatial compartments in the nucleus, Cell (2021). DOI: 10.1016/j.cell.2021.10.014