植物が遺伝的記憶をどのように伝えるのかがついに解明される

動物が生まれたり、植物が芽生えたりすると、新しい生物は親の DNA だけでなく、エピジェネティック記憶と呼ばれる遺伝的記憶も受け継いでいます。これらの遺伝的記憶は、過去の環境ストレスによるトラウマや、細胞内の特定の化学マーカーを遺伝コード内でどのように使用すべきかという基本的な指示によって遺伝子発現が変化する形で現れます。エピジェネティック継承は特に植物でよく見られ、その仕組みを理解することで、地球規模の気候変動に直面しても将来の食糧供給を確保できる、より丈夫な植物を生産できるようになります。

科学者たちは、一部の植物におけるエピジェネティックな遺伝の背後にあるプロセスの理解に近づいており、特定のタンパク質がこのプロセスを制御する仕組みを発見した。この発見は、8月28日にCell誌に掲載された研究で詳しく述べられている。

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この研究では、コールド・スプリング・ハーバー研究所とハワード・ヒューズ医学研究所のチームが、植物がトランスポゾンと呼ばれる潜在的に破壊的な遺伝子を不活性化するマーカーをどのように伝達するかを詳しく調査しました。トランスポゾンは「ジャンピング遺伝子」とも呼ばれ、スイッチが入ると動き回り、細胞内の他の遺伝子を妨害します。トランスポゾンを静かにしてゲノムの残りの部分を保護するため、細胞はメチル化と呼ばれるプロセスを使用し、トランスポゾンが飛び回っている特定の DNA 部位に制御マーカーを追加します。

メチル化の過程では、遺伝子をサイレンシングする DDM1 と呼ばれるタンパク質が、植物の新しい DNA 鎖に重要な遺伝的化学マーカーを配置する特定の酵素の道を開きます。植物細胞の DNA は自然に非常に密集しているため、道を開くために DDM1 が必要です。DNA を適切に凝縮するために、細胞はヒストンと呼ばれるパッキング タンパク質の周りに DNA を巻き付けます。

「しかし、それではあらゆる種類の重要な酵素がDNAにアクセスできなくなる」と、研究の共著者で植物生物学者のロブ・マルティエンセン氏は声明で述べた。同氏は、メチル化が起こる前に「ヒストンを除去するか、邪魔にならないようにスライドさせる必要がある」と付け加えた。

ここで DDM1 が機能します。DDM1 は DNA をパッキング タンパク質に沿って滑らせ、植物細胞内のメチル化が必要な部位を露出させます。Martienssen 氏は、このプロセスはヨーヨーが糸に沿って滑るのと似ていると説明しました。ヒストンは「DNA を上下に移動し、一度に DNA の一部を露出させますが、決して落ちません」と彼は言いました。

マルティエンセン氏と元同僚のエリック・リチャーズ氏は30年前に初めてDDM1を発見し、今回の研究はシロイヌナズナまたはシロイヌナズナと呼ばれる植物を使用してその最初の発見を基にしている。

一連の遺伝学的および生化学的実験で、マルティエンセン氏は DDM1 が置換するヒストンを正確に特定しました。次に、研究の共著者であるリーモア・ジョシュア・トール氏は、クライオ電子顕微鏡法と呼ばれる手法を使用して、酵素が DNA と相互作用する様子と、それに関連するパッキングタンパク質の詳細な画像を撮影しました。研究チームは、DDM1 が特定のヒストンをつかんで、パッケージ化された DNA を再配置する様子を観察しました。

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「DDM1を結びつける予想外のつながりが、何年も前に発見された最初の変異に対応していることが判明した」と分子生物学者のジョシュア・トール氏は声明で述べた。

彼らの実験では、DDM1 が特定のヒストンを好むことで、植物の世代を超えてエピジェネティック制御が維持されることも明らかになった。花粉にのみ存在するヒストンは DDM1 に耐性があり、細胞分裂中にプレースホルダーとして機能する。「植物の発達中にヒストンがどこにあったかを記憶し、その記憶を次の世代に保持します」とマルティエンセン氏は言う。この知識は、新しい世代の植物が、飛び跳ねるトランスポゾンがゲノムの残りの部分を乱さないようにするのに役立つだろう。

このプロセスを実行する生物は、植物だけではない可能性があります。人間も DNA のメチル化を維持するために、DDM1 に似たタンパク質に依存しています。エピジェネティクスにおける役割に関するこの新たな理解により、これらのタンパク質が私たち自身のゲノムを無傷かつ機能的に維持する方法が説明される日が来るかもしれませんが、さらなる研究が必要です。