Cohesin promotes genomic stability by suppressing unequal sister chromatid exchange

あらゆる生細胞の内部では、遺伝的な設計図が染色体と呼ばれる長く糸のような構造体に格納されています。細胞が分裂の準備をするとき、それぞれの染色体の正確なコピーを作成し、その結果、姉妹クロマトイド（姉妹染色分体）として知られる2本の同一の鎖が生じます。これらのコピーが新しい娘細胞へと正しく分配されることを確実にするため、細胞はコヒーシンと呼ばれる分子機械を使用します。コヒーシンを、姉妹クロマトイドを囲み、それらが作られた瞬間から細胞がそれらを引き離す準備ができるまで、それらを繋ぎ止めておく一連の小さく柔軟なリングであると考えてください。この繋ぎ止めは、細胞が誤った数の染色体を持つことにつながるエラーを防ぐために不可лоです。しかし、コヒーシンの役割は単に鎖を繋ぎ止めるだけではありません。それは遺伝コードの守護者としても機能し、細胞が損傷を修復する際、正しいテンプレートを使用し、DNAを誤ってかき混ぜることがないようにしています。

科学者たちは、コヒーシンが細胞が正しい修復テンプレートを選択するのを助けることを以前から知っていましたが、カリフォルニア大学バークレー校とマサチューセッツ大学医学部の研究者による新しい研究は、より微細で決定的な役割を明らかにしました。研究チームは、コヒーシンがいかにして「不等姉妹クロマトイド交換」と呼ばれる特定の種類の遺伝的エラーを防いでいるのかを調査しました。このエラーは、ゲノム全体に散在している反復的なDNA配列が、修復中に誤って互いに場所を入れ替えることで発生します。もし入れ替えが近くにあるリピート間で行われた場合、その損傷は通常軽微です。しかし、リピートが遠く離れている場合、その交換は遺伝物質の大規模な欠失や重複を引き起こし、遺伝子を破壊したり有害な変異を生じさせたりする可能性があります。研究者たちは、コヒーシンがいかにしてこれら離れたリピート同士が互いを見つけ出し、場所を入れ替えるのを阻止しているのかを理解するために研究を行いました。

このプロセスを観察するために、チームは基本的な生物学の研究によく用いられる単純な生物である酵母細胞を、特定の遺伝的トラップを用いて設計しました。彼らは、抗生物質への耐性を付与する遺伝子の壊れた2つの断片を、同じ染色体腕に挿入しました。一方の断片はもう一方の近く、わずか4,000塩基対の場所に配置され、一方で他の細胞では、2つ目の断片は68,000塩基対離れた遠くに配置されました。もし細胞の修復機構が、壊れた遺伝子を直すために遠くの断片を誤って使用した場合、機能的な抗生物質耐性遺伝子が生成され、その薬を含むプレート上で細胞が生存できるようになります。生存した細胞の数を数えることで、研究者たちは、近いリピート間と遠いリピート間での不等交換がどの程度の頻度で起こるかを測定することができました。

正常で健康な酵母細胞において、研究者たちは、近いリピートの方が遠いリピートよりも約15倍頻繁に場所を入れ替えることを見出しました。これは、細胞内の何かが、遠く離れたDNA配列が相互作用することを自然に困難にしていることを示唆していました。チームは次に、コヒーシンの機能を阻害すると何が起こるかをテストしました。彼らは、姉妹クロマトイドを繋ぎ止めるタンパク質の能力を弱めたり、DNAへのロード方法を変えたりする様々な変異を用いました。これらの変異細胞では、遠いリピート間の交換率が劇的に跳ね上がり、正常な細胞と比較して4倍から7倍増加しました。驚くべきことに、近いリピート間の交換率は変化しませんでした。これは、コヒーシンがすべてのDNAの入れ替えを止めているのではなく、むしろ、近い配列が正常に相互作用することを自由にする一方で、遠い配列が相互作用するのを防ぐ障壁として特異的に機能していることを示しています。

研究者たちは、なぜこのような障壁が存在するのかを理解するために、染色体の物理的構造をさらに深く調査しました。高度なイメージング技術を用いて、彼らは正常な細胞において、姉妹クロマトイドがその長さに沿って非常に密接に保持されており、単一のユニットとして動く様子を観察しました。コヒーシンのリングは染色体腕に沿って間隔を持って配置されており、密なテザー（繋ぎ止め）のネットワークを作り出しています。このテザーの高密度な配置がDNAの動きを制限し、遠く離れたセクションをそれぞれのローカルな近傍に閉じ込めています。研究者がコヒーシンを弱めると、これらのテザーの間隔が広がり、姉妹クロマトイドの可動性が高まりました。DNAの鎖はより遠くまで漂うことができるようになり、遠くのリピートが同じ空間へと漂い込み、場所を入れ替えることが可能になりました。研究は直接的な相関関係を示しました。つまり、コヒーシンの機能が損なわれるほど、姉妹クロマトイドは分離し、遠くの遺伝的エラーの発生率が高まるということです。

おそらく最も驚くべき発見は、チームが複製フォーク（DNAがコピーされる場所）でコヒーシンと共に働くタンパク質に影響を与える変異を調べた時に得られました。Ctf4およびCtf18というタンパク質を阻害するこれら2つの変異は、遠くの交換において壊滅的な増加を引き起こしました。これらの特定の変異体では、遠くの入れ替えの割合は単に高いだけでなく、正常な細胞よりも100倍も高くなっていました。さらに驚くべきことに、遠くのリピートが近いリピートよりも入れ替わりやすい状態となり、通常のパターンが逆転しました。研究者たちは、これらの変異が単にコヒーシンの保持力を弱めるだけでなく、DNAの複製プロセスと姉妹を保持するプロセスをデカップリング（分離）させているように見えることを発見しました。このデカップリングは、姉妹クロマトイドが整列を乱した異常な構造を作り出し、それによって遠くのリピートを近接させ、それらを格好の標的へと変えてしまったのです。

本研究は、コヒーシンが細胞分裂のために染色体を保持するだけでなく、姉妹クロマトイドの内部構造を整理することで、DNAが移動できる範囲を制限することによってゲノムの安定性を維持していると結論付けています。鎖を頻繁な間隔でしっかりと繋ぎ止めることで、コヒーシンはDNA損傷が発生した際に、修復機構が直近の近傍に限定され、切断箇所のすぐ隣にある正しい一致する配列を見つけられるようにしています。この繋ぎ止めシステムが損なわれると、DNAの鎖は動きやすくなり、遠くの反復配列が衝突して遺伝物質を交換することになり、大規模な欠失や重複につながります。この研究は、DNA複製とコヒーシン・ローディングの精密な結合が、これらの構造的エラーを防ぐために不可欠であることを示しており、細胞が反復的なDNAの混沌に対して、いかにして遺伝コードの完全性を保っているのかという新たな説明を提示しています。