High-resolution single-molecule replication profiling of the human genome

あなたの体が、巨大で活気ある都市であり、一つ一つの細胞が、24時間体制で働く小さな建設チームだと想像してみてください。この都市を動かし続けるためには、すべてのチームが都市のマスター設計図、すなわちDNAの完璧なコピーを作る必要があります。このコピー作業は「複製」と呼ばれ、生物学において最も重要な仕事の一つです。しかし、ここには難しい問題があります。設計図があまりにも長く複雑であるため、建設チームは端から端まで一列になって進むわけではありません。代わりに、彼らは一度に何千もの異なる地点からスタートし、コピーが行われている小さな「フォーク（分岐点）」を作り出し、互いにぶつかるまで異なる方向にレースを進めていくのです。

長い間、科学者たちはこのプロセスを、ぼやけた集合写真としてしか捉えることができませんでした。彼らは建設チームの平均速度を知ることはでき、どこからスタートしたかを推測することはできましたが、個々の作業員がそれぞれのルートをどのように走っているかまでは見ることができなかったのです。それは、個々の車や突然の停止、あるいは回り道を無視して、地図上の平均的な交通量だけを見て国全体の交通状況を理解しようとするようなものでした。近年、ロングリード・シーケンシングのような新しいツールによって個々のDNA鎖を見ることができるようになりましたが、ヒトのような巨大なゲノムの場合、それは動いている干し草の山の中から針を探すようなものでした。私たちは、ノイズに紛れることなく、個々の建設チームの正確な経路を追跡できる方法を必要としていたのです。

ここで、この新しい研究が登場します。この研究は、ヒトゲノム全体にわたって、これらの微細な建設チームを追跡するための巧妙な解決策を提示しています。研究者たちは、ヒトの大腸癌細胞（HCT116）を用いて、「マルチパルス（多重パルス）」というタグ付け戦略を開発しました。DNAを長い白いハイウェイだと考えてください。科学者たちは、建設チームがどのくらいの速さで走行し、どこで始まり、どこで止まったのかを見るために、道路に小さな色の付いた縞模様を描こうとしました。彼らは、DNAがコピーされている時にのみ混入する特殊な塗料として機能する、BrdUと呼ばれる化学物質を使用しました。

道路に一度だけ色を塗るのではなく、彼らは短い休憩を挟みながら、24回連続で塗装を行いました。30分ごとに、細胞に対して4分間の「塗装作業」を行い、次の作業の前にそれを洗い流しました。これにより、DNA鎖に一連の明確な色の縞模様が作られました。細胞はそれぞれ異なる速度で成長していたため（非同期）、早いスタートを切るチームもいれば、遅れてスタートするチーム、あるいは進行の途中にいるチームもいました。繰り返し塗装を行うことで、科学者たちはほぼすべてのDNA鎖にこれらの縞模様をカバーさせることができ、コピーが行われている「フォーク」を特定することが非常に容易になりました。

これらの縞模様のあるDNA鎖を入手した後、彼らはナノポア・シーケンサーと呼ばれるハイテク顕微鏡を使用しました。この装置はDNAを一本の鎖として読み取ります。BrdUの塗料は電気信号をわずかに変化させるため、装置は縞模様を「見る」ことができるのです。チームは、ForkMLと呼ばれるスマートなコンピュータプログラムを使用して、これらの信号を地図へと翻訳しました。それは、動いている車のぼやけた写真から、ソフトウェアを使って、その車が毎秒どこにいて、どちらを向いていて、どのくらいの速さで動いていたかを特定するようなものです。

結果は画期的なものでした。この24パルス法を用いることで、研究者たちは、わずか2回のパルスを用いた場合よりも約12倍多くの複製トラックを発見しました。彼らはヒトゲノム全体にわたって、890万個以上の個別の複製トラックをマッピングすることに成功しました。これにより、コピーがどこで始まり（起点）、どこで終わるか（終止）を、わずか1,000個のDNA構成単位（1キロベース）という精度で示す高解像度マップを作成することができました。

最もエキサイティングな発見の一つは、個々のフォークが時間の経過とともにどのように動くかを観察できたことです。研究は、一部のフォークは一定で信頼できるペースで移動する一方で、他のフォークはコピープロセスが進むにつれて加速したり減速したりすることを示しました。例えば、右方向に移動するあるフォークは非常に一定した速度を維持しましたが、左方向に移動する別のフォークは、最初はゆっくりと始まり、後にスピードを上げました。これは、「DNAコピーの交通ルール」がすべての建設チームに対して同じではないこと、つまり、あるチームは一貫しており、別のチームは動的であることを示唆しています。

また、彼らの新しいマップを、GLOE-seqと呼ばれる既存の手法と比較しました。彼らの「マルチパルス」マップは古いものと非常によく似ており、自分たちの手法が機能していることを証明しましたが、彼らのマップの方がはるかに鮮明で、より詳細な情報を示していました。新しい手法により、一部の領域では、細胞集団全体に対してコピーが厳密に一方通行であることが明らかになりました。これは、以前には見ることが困難だったレベルの詳細です。

要するに、この研究は単なるスナップショットを撮ったのではなく、DNA複製の動きを捉えた高精細な映画を作ったのです。DNAを24回塗装し、スマートなソフトウェアを使って結果を読み取ることで、科学者たちはついに、群衆の平均的な行動を見るのと、群衆の中の個々の動きを追跡するとの間の溝を埋めることに成功しました。彼らは、私たちが今や、ヒトゲノム全体におけるDNA複製の速度、方向、および開始点を、かつてないほどの明晰さで追跡できることを示したのです。これにより、私たちの細胞がどのように自らを構築しているのかについて、より深い理解が得られるようになりました。