遺伝子の発現を調節するエンハンサー。エンハンサーのDNA配列に変異が起こると、遺伝子自体が無傷でも、発現制御に異常が生じ、その結果、ガンなどの疾患を起こす原因になると、近年数多く報告されている。それだけ非常に重要な機能を持つエンハンサーだが、これまでその基本的なメカニズムは解明されていなかった。そこで、独自のライブイメージング技術を用いて、エンハンサーのメカニズムを解き明かしたのが、東京大学 定量生命科学研究所 深谷 雄志 准教授である。最近では、これまで提唱されていた遺伝子のループモデルとは抜本的に異なる新たな仕組みの存在を実験的に解明した。今回は、深谷准教授にライブイメージングを活用した研究で発見したエンハンサーの新たな作用機序や、今後の展望についてお話を伺った。

転写バーストや転写因子の働き、そして転写ハブの存在を次々と解明した

Q :研究概要について教えてください。

一言でいえば、遺伝子がどのようにオン・オフの制御を行っているかを研究しています。もう少し分かりやすく説明すると、DNAからRNAがつくられる転写の制御メカニズムの解明です。

高校や大学の教科書では、大腸菌におけるラクトースオペロンを学ぶと思います。これは、リプレッサータンパク質が大腸菌DNAのオペレーター配列に結合して、転写のオン・オフを切り替えますが、私たち研究室で取り組んでいるのは、ヒトやショウジョウバエのような真核生物での転写の制御です。「転写」と聞くと、研究し尽くされた古典的な領域のようなイメージを受けるかもしれませんが、実際は解明されていない重要な未解決問題が山ほどあり、その1つが、私たちの研究対象にしている「エンハンサー」というDNAになります。

エンハンサーというのは、ヒトやショウジョウバエのような真核生物のゲノム上での転写のオン・オフを切り替えるスイッチの役割を果たしています。エンハンサーが機能すると、それが制御している遺伝子からの転写が活性化されますし、反対にエンハンサーが適切に機能しないと、転写の活性化に異常が生じます。

このようにエンハンサーの働きは分かっていたものの、それをリアルタイムで、しかも生きた細胞で、遺伝子を活性化している様子をこれまで誰も見たことがありませんでした。今までは、細胞をすり潰して、RNAを抽出し、それをゲルに流して検出したり、あるいは、固定した細胞に存在しているRNAをスナップショット的に可視化するぐらいしかできませんでした。

私が2016年に発表した論文では、エンハンサーが転写を活性化する様子をリアルタイムに可視化できるライブイメージングの実験を構築しました。それによって、培養細胞ではなく、発生中のショウジョウバエの卵の中で、エンハンサーが働いている様子を可視化することに成功しました。

従来、転写という反応は常時「オン」になっていると考えられてきましたが、実は必ず「オン」になっているわけではなく、数分単位で、オン・オフをダイナミックに繰り返していることが、この実験を通じて分かってきました。この現象を「転写バースト」といいます。

さらに、エンハンサーが転写バーストの誘導効率を緻密に調整することによって、遺伝子が、いつ、どの細胞で、どのくらい転写活性化するのかを緻密に制御していることも判明しました。これまで転写バーストが存在することは、現象論として知られていましたが、それがどのように制御されているのかまでは、ほとんど理解されていませんでした。私たちの研究で、この転写バーストが制御されるメカニズムを初めて詳細に理解することができたのです。

Q :ライブイメージングでは「転写バースト」のどういったメカニズムが明らかになったのでしょうか？

最初にショウジョウバエを用いた転写ライブイメージングの実験系の研究が報告されたのは、2013年の論文でした。私はその3年後の2016年に、転写ライブイメージングの技術を活用してエンハンサーによる転写バースト制御メカニズムの研究を発表しました。3年前の最初の実験系では、1つのレポーター遺伝子のみで見ていました。

私たちは、人工的に設計したレポーター遺伝子をシステマティックに作製し、それらをショウジョウバエに導入して、どのパラメーターが変化したことで、転写バーストがどのように変わっていったのか、その因果関係を丁寧に対応づけて研究することで、地道にメカニズムを明らかにしたのです。

前者の研究とのもう1つの違いは、2つの遺伝子を1つの細胞の中で同時に可視化することができるようになったことです。前者の転写ライブイメージングだと、1つの遺伝子しか可視化できないという技術的な制約がありました。私たちは多色の転写ライブイメージングを新たに構築し、2つの遺伝子を1つの細胞の中で同時に見られるようにしました。

これによって、極めて予想外な現象を発見することができました。それは、1つのエンハンサーが2つの遺伝子に対して同時に作用して、2つの遺伝子から同調した転写バーストを生み出せることです。

分子生物学の教科書では、エンハンサーがDNAを折り曲げて、遺伝子とループをつくるモデルが提唱されています。そのループモデルに従えば、1つのエンハンサーの制御下に2つの遺伝子を置いた場合には、エンハンサーはどちらか一方の遺伝子とのみ安定的なループをつくることで、もう片方は転写活性化されないという、相互排他的な転写活性化パターンが予想されました。

ループモデルでは、私たちが発見した同時活性化は、ほとんど起こり得ないと考えられてきました。しかし実際に実験を行うと、2つの遺伝子からの転写バーストが別々に見えるわけではなく、かなりの高頻度で、2つの遺伝子が同時に発火する様子が確認できました。これによって、実はエンハンサーの機能というのは、これまで長年考えられてきたようなDNAを折り曲げて、安定的なループをつくって遺伝子を活性化するといった画一的なモデルでは説明できないことが分かってきました。

Q :研究における独自性を教えてください。

私たちは、遺伝子組換えやゲノム編集ショウジョウバエを自在につくったり、多色で転写バーストがみられるようなオリジナルな実験系を開発したりと、材料づくりも行っています。さらに画像解析やゲノム解析により、定量的なデータを抽出するツールの開発も自分たちで手がけており、これら全てを一貫してできる点が、私たち研究室の独自性になると思います。

最近では、例えば、AIに細胞の形を学習させて、一つひとつ細胞を経時的にトラッキングしていくような最新の技術を自分たちの解析手法に導入しながら、研究も進めています。市販の画像解析ソフトウェアでは、「ショウジョウバエの転写を定量化したい」と思っても、なかなか簡単に適用できないため、用途に合うように、これら解析ツールも自分たちでつくっています。

Q :最新のエンハンサーの研究について教えてください。

メディアでも取り上げてもらいましたが、1つはエンハンサー由来の非コードRNA合成による遺伝子発現制御のメカニズムの発見です。実は、転写を制御するスイッチであるエンハンサー自身からも、RNAが生み出されることが数多く報告されています。それは、タンパク質をコード化しない、いわゆる非コードRNAです。このことは、10年以上前から現象論としては知られていました。しかし、そのエンハンサー由来の非コードRNAがどういう機能を担っているかまでは、実は誰もはっきりとした答えを持っていなかったのです。

研究を進めていくと、転写の発現が過剰に活性化されるのを抑える働きを担っていることが分かりました。自動車のブレーキで考えると分かりやすいと思います。クルマを走らせるためにアクセルは必要ですが、踏み込みすぎて、過剰にスピードを出すと事故を起こす恐れがあります。その危険を防止するためにブレーキがあるのです。それと同じで、遺伝子発現が適切なレベルになるようにエンハンサー由来の非コードRNAが転写の発現を制御し、緻密に調整するメカニズムになっています。

エンハンサーというのは、遺伝子の転写を制御しているDNAの領域ですが、それ単体で働いているわけではなく、実際は、そこに転写因子というタンパク質が結合することによって、はじめて機能を発揮します。

そのため、エンハンサーの働きを理解するためには、そこに結合している転写因子の働きも同時に考えなければなりません。最近発表した論文では、エンハンサーに結合している転写因子の細胞核における振る舞いを超解像ライブイメージングで解析することで、エンハンサーに転写因子が呼び込まれて、転写バーストが生み出されるまでの一連の過程を全て見ることができ、これまでよりも踏み込んだ分子レベルの理解を得ることができました。

具体的には、エンハンサーに転写因子が局所的に濃縮されたクラスター（塊）を一過的につくり、その後に転写バーストが誘導されるという、新しい仕組みが存在することを世界に先駆けて明らかにしました。つまり、細胞核の中で転写因子は均一に存在しているわけではなく、エンハンサー上に集合したり離散したりを動的に繰り返しており、その結果として転写バーストが生み出されているわけです。
こうした、転写の活性化を生み出す反応場を、「転写活性化のハブ（transcription hub）」といいます。そういったハブがあるのではないかというのは、これまで仮説として提唱されてきましたが、今回、エンハンサー上に転写を活性化するハブが動的に形成されていることを実験的に立証することができました。

次は転写反応を担うRNAポリメラーゼの働きを解明していく

Q :この研究における技術的課題は何でしょうか？

先ほどお話しした、transcription hubの形成を初めて見ることができたのは、私たち独自のイメージング手法と、最新の超解像度技術、この2つをうまく組み合わせたからだと思います。

しかし、このtranscription hubの形成については、まだまだ解明できていないところがあります。その解明を実現していくためには、最新の顕微鏡技術を積極的に取り入れていく必要があります。さらに、顕微鏡実験を行うと、膨大な情報が出てくるため、そこをいかに効率的に重要な情報を抽出できるようにできるかが重要になってきます。私たちの研究室では、この画像解析をマニュアル（手動）に頼っているところがあるので、そこをAIなどの技術を導入することでオートマチック（自動化）にして、より作業効率を上げながら、研究を推進していきたいと考えています。

各社顕微鏡メーカーからは、最新技術が次々と出てきています。常にアンテナをはって、今後の研究に適応できる機器であれば、積極的に取り入れていきたいと考えています。将来的に考えているのは、超解像度かつ高時間分解能なライブイメージング手法の導入です。現在の技術も非常にパワフルで、最新の技術ではあるのですが、撮影時間が30秒／コマほどです。これがもっと短くできれば、より時間の解像度が高まるので、エンハンサーが作用する際の詳細な時空間動態が分かるようになります。

Q :企業に対して伝えたいことはありますか？

私の知っているとある研究室では、企業との共同研究だけでなく人材交流を活発に行っています。具体的にどのようなことを行っているかというと、企業の社員が、その研究室に博士課程の学生として入って、3年間ラボの研究テーマにみっちりと打ち込んでいるのです。そして、その後は企業に戻って、ラボで培った知見や問題解決能力を企業や社会に還元していきます。

大学のラボにとっても、研究に取り組んでくれる優秀な人材を常に探しているので、お互いWin-Winの関係で人材交流が図れます。これは、大学にとっても企業にとっても非常によい取り組みだと思います。私たちの研究室では、そこに対して、今はまだ具体的に取り組んでいるわけではないですが、今後このように企業と長期的な視点で人的交流ができればと考えています。やはり、長期的な視点に立って人的交流を密に深めていくことで、初めてわかること・学ぶことも多いと思うので。

Q :この研究を目指している学生さんにメッセージはありますか？

最近の学生はみなさん本当に優秀です。最新のプログラミング技術や機械学習などを貪欲に学習している様子は、自分の学生のときとは大違いです。また、興味のあることはまずやってみる、そういうフットワークの軽さもありますし、さまざまなことに挑戦する貪欲さもあり、心的障壁も感じさせません。非常にいいことだと思います。そういうふうに、新たなことにも臆せずチャレンジをするのは、若い人の特権であり、強みだと思います。ぜひ、その強みを大切に、行動してもらえればと思います。

Q :先生は研究員として海外の経験もありますが、そこで学んだことはありますか？

自分が在籍していた海外でのラボは、非常に優秀な研究者が世界各地から集まっており、毎年誰かが独立して、自分のラボをスタートさせていく様子を目の当たりにしてきました。こうしたことは、日本のラボではなかなか経験できないことかもしれません。そうした環境だったので、自然と「自分も独立できるよう頑張らなくては」という刺激を得られましたし、自分の将来を考える上でのロールモデルを身近に得ることができました。帰国してからも、国外の研究仲間との繋がりを大事にしながら、研究に取り組むようにしています。

Q :最後に今後の展望を教えてください。

今から7年前の2016年に、エンハンサーによる「転写バースト」制御メカニズムを発見し、そこからずっと地道に研究を続けてきて、最近transcription hubの形成も可視化できるようになって、ようやくエンハンサーが働く仕組みの全体像を説明できるようになってきました。さらに、1つのエンハンサーで複数の遺伝子が同時に活性化される現象も見出すことができました。

だた、転写因子も実は単独で働くわけではなく、それと結合する別のタンパク質があったり、転写反応を触媒するRNAポリメラーゼという酵素があったりと、非常に複雑です。つまり転写のすべてを理解しようとすると、転写因子を見ているだけでは必ずしも十分ではありません。転写因子に結合するタンパク質や、RNAを合成する酵素であるRNAポリメラーゼが、どういうふうに核内で、転写活性化するときに働いているのかをリアルタイムに可視化する必要があると考えています。
そして、将来の目標としては、エンハンサーがどういうふうに遺伝子の転写を活性化しているのかを、できるだけシンプルな言葉で、分かりやすく説明できるような、クリアな結果を自分たちの手で発見したいですね。(了）