クロマチン：種類、特性、構造、機能 - 生物学 - 2025

クロマチンは唯一の真核生物におけるDNAおよびタンパク質によって形成される複合体です。比率では、遺伝物質のほぼ2倍のタンパク質が含まれています。この複合体で最も重要なタンパク質はヒストンです。これは静電相互作用によってDNAに結合する小さな正に帯電したタンパク質です。さらに、クロマチンには、ヒストン以外のタンパク質が1,000以上あります。

クロマチンの基本単位は、ヒストンとDNAの結合からなるヌクレオソームです。この配置は、ネックレスのビーズを連想させます。より高いレベルのDNA構成をすべて通過した後、染色体にたどり着きます。

出典：Chromatin_nucleofilaments.png：クリスウッドコック派生著作：グーテグド

クロマチンの構造は、遺伝子発現の制御と密接に関連しています。ユークロマチンとヘテロクロマチンの2つの主なタイプがあります。

ユークロマチンは、圧縮率が低く、転写レベルが高いことを特徴としています。対照的に、ヘテロクロマチンは、その高度の圧縮により、転写的に不活性です。

構造的には、両方のタイプのクロマチンに典型的なヒストンの特定の後成的痕跡があります。ユークロマチンはアセチル化と関連していますが、ヘテロクロマチンは化学基の減少と関連しています。

テロメアやセントロメアなどの構造機能を持つヘテロクロマチンのいくつかの領域があります。

歴史的展望

遺伝物質とその構造組織の研究は、研究者のロバートブラウンが核について説明した1831年に始まりました。この発見に対する直接の疑問の1つは、この構造の生物学的および化学的性質について調査することでした。

これらの問題は、ヌクレインという言葉を導入したフリードリヒ・ミーシャーの実験によって、1870年から1900年の間に解明され始めました。ただし、ワルサーフレミングはこの用語を変更し、核物質を指すためにクロマチンを使用します。

時間の経過とともに、遺伝物質とその特性についての深い知識を持ち始めます。イタリアの研究者Pasquale Baccariniがクロマチンが均一ではなく、核内の小さな体を視覚化することができたことに気付いたのは、1908年まででした。

クロマチンのタイプ（ユークロマチンとヘテロクロマチン）は、1928年にEmil Heitzによって最初に提案されました。この分類を確立するために、Heitzは染色の使用に依存していました。

1974年、生物学者のロジャーコーンバーグは、ヌクレオソームとして知られている構造における遺伝物質の組織化のモデルを提案しました。

クロマチンとは？

クロマチン成分：DNAおよびタンパク質

クロマチンは、遺伝物質-DNA-の組み合わせによって形成される核タンパク質であり、タンパク質の異種セットが含まれます。この関連付けは非常に動的であり、複雑な3次元コンフォメーションを取得します。これにより、その規制および構造機能を実行できます。

クロマチンで最も重要なタンパク質の1つはヒストンです。ヒストンはDNAとほぼ同じ割合で見つかります。

ヒストンは基本的なタンパク質であり、有機的生物の進化の歴史を通じて著しく保存されています。

ヒストンの電荷は正であるため、静電気力によってDNAに存在するリン酸骨格の負電荷と相互作用できます。ヒストンには、H1、H2A、H2B、H3、H4の5つのタイプがあります。

DNAの圧縮に関与するヒストンとは異なる性質のタンパク質もいくつかあります。

DNAの圧縮：ヌクレオソーム

クロマチンの基本単位はヌクレオソームです。DNAとヒストンで構成される反復構造であり、遺伝物質全体に見られる構造です。

DNAの二重らせんは、ヒストンオクタマーとして知られている8つのヒストンの複合体に巻かれています。分子は約2回転してコイル状になり、次にヌクレオソームを互いに分離する短い領域（20〜60塩基対）が続きます。

この組織を理解するには、DNA分子が非常に長く（約2メートル）、核内に秩序立って巻きつく必要がある（直径が3〜10 µm）ことを考慮する必要があります。さらに、複製と転写に利用できるようにする必要があります。

この目的は、最初の前述のヌクレオソームである、さまざまなレベルのDNA圧縮で達成されます。これらは真珠のネックレスのビーズに似ています。約150塩基対のDNAが家庭で「数えられる」。

バクテリアには実話はありません。対照的に、ヒストンを連想させる一連のタンパク質があり、これらは細菌DNAのパッケージングに寄与していると推定されています。

トップ組織

クロマチンの構成は、ヌクレオソームレベルでは制限されません。このタンパク質とDNAの結合は、約30 nmのより厚い構造にグループ化されます。この厚さのため、「30 nmファイバー」レベルと呼ばれます。

30 nmの厚さで組織化されたクロマチンは、タンパク質の性質（ヒストンではない）の一種の足場に伸びるループの形で組織化されています。

これは現在使用されているモデルですが、より複雑な圧縮メカニズムが予想されます。最終的な組織は染色体で構成されています。

クロマチンの構成の誤り

遺伝物質の圧縮と組織化は、複数の生物学的機能に不可欠です。さまざまな病状がクロマチン構造のエラーに関連付けられており、その中でもX連鎖アルファサラセミア、ルビンスタインタイビ症候群、コフィンローリー症候群、レット症候群などが挙げられます。

クロマチンの種類

細胞には2つのタイプのクロマチンがあり、染色の適用によって明らかになります。ユークロマチン（「真の」クロマチン）とヘテロクロマチンです。前者の場合、染色は弱く観察されますが、後者の場合、染色は強いです。

このDNAの構造組織は真核生物に固有であり、染色体の振る舞いと遺伝子発現の調節に重要です。

インターフェイスにあるセルで両方のタイプのクロマチンの比率を評価すると、約90％のクロマチンがユークロマチンであり、残りの10％がヘテロクロマチンに対応していることがわかります。以下に、各タイプについて詳しく説明します。

I.ヘテロクロマチン

特徴

両方のタイプのクロマチン間に存在する主な違いは、細胞分裂の特定の段階における分子の圧縮または「パッキング」の程度に関連しています。

遺伝物質は界面にランダムに散らばっているように見えますが、そうではありません。

この段階では重要な組織があり、核内で染色体物質の異なる分配が見られます。

染色体のDNAは他の染色体のDNA鎖と絡み合わず、染色体テリトリーと呼ばれる特定の領域に残ります。この組織は遺伝子発現に貢献しているようです。

ヘテロクロマチンは強く凝縮されているため、転写機構にアクセスできません-転写されません。また、持っている遺伝子の数も少ないです。

ヘテロクロマチンの種類

ヘテロクロマチンの特定の領域は、細胞系統全体にわたって持続しています-つまり、常にヘテロクロマチンのように動作します。このタイプのヘテロクロマチンは構成的として知られています。この例は、セントロメアおよびテロメアと呼ばれる染色体の凝縮領域です。

対照的に、発達パターンや環境変数の変化に応じて圧縮のレベルを変えることができるヘテロクロマチンの部分があります。

新しい研究のおかげで、この見方は再定式化されており、構成的ヘテロクロマチンも動的で刺激に応答できるという証拠があります。

構造

クロマチンの構造を決定する要因の1つは、ヒストンの化学修飾です。転写的に不活性であるクロマチンの場合、それらは低アセチル化ヒストンを示します。

アセチル基の数の減少は、遺伝子サイレンシングに関連しています。これは、リジンの正電荷をマスクせず、DNAとヒストン間の強力な静電相互作用を可能にするためです。

別の後成的ブランドはメチル化です。ただし、メチル基の追加はタンパク質の電荷を変更しないため、その結果（遺伝子のアクティブ化または非アクティブ化）はそれほど明白ではなく、マークが見つかったヒストンの領域に依存します。

経験的に、H3K4me3とH3K36me3のメチル化は遺伝子の活性化と、H3K9me3とH3K27me3のメチル化と関連していることがわかっています。

特徴

構成的ヘテロクロマチンの例では、セントロメアについて言及します。この染色体領域には構造的な役割があり、有糸分裂と減数分裂の両方の細胞分裂イベント中の染色体の移動に寄与します。

II。ユークロマチン

特徴

ヘテロクロマチンとは対照的に、ユークロマチンはコンパクトな分子であるため、転写機構は簡単にアクセスでき（特に、RNAポリメラーゼ酵素）、遺伝的経路を介して積極的に発現させることができます。

構造

転写活性クロマチンのヌクレオソームの構造は、アセチル化ヒストンによって特徴付けられます。モノメチル化リジンの存在は、遺伝子の活性化にも関連しています。

これらのヒストンリジン残基へのアセチル基の付加は、前記アミノ酸の正電荷を中和する。この変更の直接の結果は、ヒストンとDNA間の静電相互作用の減少であり、より緩やかなクロマチンを生成します。

この構造改変により、遺伝物質と転写機構との相互作用が可能になります。これは、特にかさばることが特徴です。

特徴

ユークロマチンは、活性化されており、転写に関連する酵素機構によって到達されるように管理されているすべての遺伝子を網羅しています。したがって、機能は関連する遺伝子の機能と同じくらい広いです。

参考文献

1. Grewal、SI、&Moazed、D.（2003）。ヘテロクロマチンおよび遺伝子発現の後成的制御。科学、301（5634）、798-802。
2. Jost、KL、Bertulat、B。、およびCardoso、MC（2012）。ヘテロクロマチンと遺伝子配置：内側、外側、任意の側？Chromosoma、121（6）、555–563。
3. ルウィン・B（2008）。ジーンIX。ジョーンズとバートレットの出版社。
4. Tollefsbol、TO（2011）。エピジェネティクスのハンドブック。アカデミックプレス。
5. Wang、J.、Jia、ST、&Jia、S.（2016）。ヘテロクロマチンの調節への新しい洞察。遺伝学の傾向：TIG、32（5）、284–294。
6. Zhang、P.、Torres、K.、Liu、X.、Liu、CG、&Pollock、RE（2016）。細胞内のクロマチン調節タンパク質の概要。現在のタンパク質およびペプチド科学、17（5）、401–410。