Histone H3K9 methylation and Heterochromatin Protein 1 do not limit DNA accessibility in living S. pombe cells

あらゆる生細胞の中で、遺伝暗号は自由に浮遊しているのではなく、タンパク質の紡錘糸にきつく巻き付けられ、「クロマチン」と呼ばれる複雑な構造体を形成しています。このパッケージングには二重の目的があります。それは、長いDNA鎖を保護することと、遺伝的な指示書のどの部分をどの瞬間に読み取ることができるかを制御することです。数十年にわたり、科学者たちは、この巻き付けが「ヘテロクロマチン」として知られる領域において、一種の門番として機能しているという仮定の下で研究を進めてきました。これらはゲノムの中で非常に密に詰まった領域であり、多くの場合、タンパク質の紡錘糸上の化学的なタグによって印が付され、特定のタンパク質によって結合されています。これらは、細胞の機構がDNAに到達できないほどDNAを固く閉じ込めていると考えられてきました。この「封鎖された領域」という概念は、細胞がいかにして遺伝子を制御するかを理解する上で中心的なものであり、これらの化学的な印や結合タンパク質の主な役割は、DNAへのアクセスを物理的に阻止することであると示唆してきました。

研究者たちは、ヒトや出芽酵母を含む様々な生物において、長らくこの現象を研究してきました。これらの生物における隔離された細胞核からの証拠は、ヘテロクロマチンが確かに進入に対する障壁であるという見解を支持していました。しかし、ある科学者チームは、この密に詰まった領域を研究するための強力なモデルとなる単細胞生物である、分裂酵母に注目しました。この酵母において、ヘテロクロマチンはヒストンタンパク質上の特定の化学的な修飾と、HP1として知られる結合タンパク質の存在によって定義されます。従来の理論では、これらの特徴が連携してDNAを封じ込め、アクセスを防いでいるとされてきました。このモデルが、静的なサンプルではなく、生きている、呼吸している細胞の中で本当に成立しているのかを検証するため、研究者たちは生体内のDNAのアクセシビリティ（接近しやすさ）を直接調べる新しい手法を開発しました。彼らは、特定の酵素を活性化してDNAを修飾できるシステムを導入し、その酵素がゲノムの異なる部分にいかに容易に到達できるかをリアルタイムで測定できるようにしました。

実験の結果は、化学的な印や結合タンパク質が物理的な壁として機能するという、長年の信念に疑問を投げかけました。科学者たちが生きている分裂酵母の細胞内でDNAを測定したところ、密に詰まったヘテロクロマチンは、ゲノムのより緩やかに詰まった領域と同じくらい開いており、アクセス可能であることが分かりました。染色体が細胞の内部骨格に付着する特殊な領域であるセントロメアでさえ、この生物においては完全にアクセス可能な状態にありました。これは、セントロメアがしばしばアクセス不能である他の種での知見とは対照的です。この研究は、生きている分裂酵母において、化学的なタグや結合タンパク質は、DNAへの入り口を塞ぐことで機能しているのではないことを示唆しています。むしろ、ゲノムは全体として動的であり、局所的なパッケージングの様式に関わらず、機構がゲノムのほぼあらゆる部分に到達できる状態にあるようです。

しかし、研究者たちが同じ細胞を破壊して核を単離した後に観察すると、物語は一変します。これらの単離されたサンプルでは、クロマチンは大部分がアクセス不能となり、従来のモデルが予測した通りに振る舞いました。研究者たちは、この変化は化学的な印や結合タンパク質の消失によるものではなく、むしろDNA自体の物理的な構造によるものであると判断しました。単離された核の中では、タンパク質の紡錘糸が非常に密に詰め込まれていたため、酵素が入り込むための隙間がほとんど存在しませんでした。細胞がもはや完全な状態ではない時に起こるこの密な間隔が、生きている細胞内には存在しない物理的な障壁を作り出しているのです。したがって、この研究は、この酵母における化学的な印と結合タンパク質のシステムは、DNAへのアクセスを妨げることで遺伝子活動を抑制しているのではないことを示しています。これらのタンパク質が、DNAを隠しておくための「鍵」として機能しているという考えは、細胞が自然な生存状態から取り除かれた時に起こる現象を誤解したものであるようです。