HMGN

HMGN (高移動度群ヌクレオソーム結合) タンパク質は、転写、複製、組み換え、およびDNA 修復の調節に関与する、より広範なクラスの高移動度群 (HMG) 染色体タンパク質のメンバーです。

HMGN1とHMGN2（当初はそれぞれHMG-14とHMG-17と命名）は、1970年代初頭にEW Johns研究グループによって発見されました。[1] HMGN3、HMGN4、HMGN5はその後発見され、存在量は少ないです。HMGNはヌクレオソーム結合タンパク質であり、転写、複製、組換え、DNA修復を助けます。また、クロマチンの エピジェネティックランドスケープを変化させ、細胞のアイデンティティを安定化させるのに役立ちます。[2] HMGN の構造と機能については、まだ比較的よく分かっていません。[1] HMGNタンパク質はすべての脊椎動物に存在し、クロマチン構造とヒストン修飾に役割を果たしています。[3] HMGNはアミノ酸の長い鎖で構成されており、HMGN1-4では約100個、HMGN5では約200個で構成されています。[3] HMGNファミリーに関する最近の研究は、細胞のアイデンティティへの影響と、HMGNの減少がマウス胎児線維芽細胞（MEF）の誘導性リプログラミングにどのように関連するかに焦点を当てています。[2]

関数

これまで行われた HMGN タンパク質に関する研究の多くは in vitro で行われてきましたが、HMGN タンパク質の in vivo での機能と役割に関する研究は比較的少ないです。

これらのタンパク質は主に高等真核生物に見られるため、微生物やその他の下等真核生物を用いた研究は、HMGNタンパク質の生体内における役割を明らかにするには不十分であると考えられてきました。[4] HMGNタンパク質が生物全体にどのような影響を及ぼすかを調べるため、ノックアウトマウスを用いた研究が行われました。その結果、マウスはHMGNレベルが正常値よりも低い場合、紫外線に対する感受性が上昇することが示されました(2)。これは、HMGNが紫外線による損傷の修復を促進する可能性を示唆しています。ガンマ線照射を受けたマウスでも同様の感受性の上昇が観察されましたが、いずれの場合もDNAを修復する細胞プロセスは大きく異なるため、HMGNタンパク質が生体内でDNA修復を促進するかどうかは結論が出ていません。[5]

HMGN1とHMGN2は生細胞内で共局在しない。[4]これは、各HMGNが異なる役割を果たしている可能性を示唆している。[4]

家族

HMGNファミリータンパク質。AAはアミノ酸の長さに相当する。古澤隆志とSrujana Cherukuri著『HMGNタンパク質の発達機能』[6]の図から着想を得た。

HMGNタンパク質は、高移動度染色体タンパク質（HMG）と呼ばれるより広範なタンパク質群に属します。この大きなグループは、ポリアクリルアミドゲル中での電気泳動移動度が高いことからHMGと名付けられ、3つの異なるが関連するグループに分類されます。そのうちの1つがHMGNタンパク質です。[7] HMGNファミリーはさらにHMGN1、HMGN2、HMGN3、HMGN4、HMGN5という特定のタンパク質に分類されます。タンパク質の全体の大きさはそれぞれ異なりますが、HMGN1～4は平均100アミノ酸です。[1]一方、より大型のHMGN5タンパク質は、マウスでは300アミノ酸以上、ヒトでは約200アミノ酸長です。[3]

HMGN 1とHMGN 2

HMGN1とHMGN2は、HMGNタンパク質の中でも最も一般的なタンパク質の一つです。主な目的と機能は、ヌクレオソームへの結合によって細胞クロマチンの凝縮を減少させることです。[8] NMR解析によると、これらのタンパク質がクロマチンの凝縮に関与する主要要素を標的とすることで、凝縮の減少が起こることが示されています。[1]これらの要素の発現率は、それが存在する細胞の分化度と相関しています。分化を経験した領域では、HMGN1とHMGN2が高発現する未分化領域と比較して、発現レベルが低下しています。[8]

HMGN 3

HMGN3には、HMGN3aとHMGN3bという2つの変異体がある[1] 。HMGN1およびHMGN2タンパク質とは異なり、HMGN3のどちらの形態も組織および発達特異的である傾向がある[1]。これらは特定の発達段階において特定の組織でのみ発現する。HMGN3タンパク質の2つの変異体によって特定の組織が優先されるわけではない。特定の高発現HMGN3組織では、どちらの変異体も存在する可能性は同等である[8] 。特に脳と眼は、成体膵島細胞と同様に、HMGN3が高発現する部位である[1] 。マウスにおけるHMGN3の欠損は、インスリン分泌不全による軽度の糖尿病の発症につながることが示されている[9] 。

HMGN 4

HMGN4はGenBankによるデータベース検索中に発見され、「HMGN2に類似した新規転写産物」と同定されました。これは、HMGN4がHMGN2と密接に関連していることを示しています。[1] HMGN4タンパク質に関する研究はごくわずかです。HMGN4の産生に関連する遺伝子は、6番染色体上の統合失調症関連領域に位置しています。[8]これまでに、あらゆる種類のHMGNが脊椎動物で同定されていますが、HMGN4は霊長類でのみ確認・同定されています。[1]ヒトにおいて、HMGN4は甲状腺、胸腺、リンパ節で高い発現を示しています。[1]

HMGN 5

HMGNタンパク質ファミリーに最近追加されたのはHMGN5です。HMGN5は、種によって異なる長いC末端ドメインを持つため、300以上のアミノ酸を含み、従来のHMGNよりも大きくなっています。これが、マウスとヒトのHMGN5のサイズが異なる理由です。[1]その生物学的機能は不明ですが、胎盤の発達において発現が示されています。[8]また、前立腺がん、乳がん、肺がんなどのヒトの腫瘍にHMGN5が存在する症例もあります。[1]このため、HMGN5はがんと何らかの関連がある可能性があり、将来的にはがん治療の潜在的な標的となる可能性があると考えられています。

HMGNタンパク質のクロマチンへの結合

Sha, K. および Boyer, LA「多能性細胞のクロマチンシグネチャー」（2009年5月31日）、StemBook、The Stem Cell Research Community 編、StemBook、doi/10.3824/stembook.1.45.1。
クロマチン組織 Sha, K. および Boyer, LA, stemBook 2009

有糸分裂中のHMGNの位置は、多くの研究の対象となっています。細胞周期の様々な段階におけるHMGNの核内構造の年代を特定することは非常に困難です。DNA配列が不明なままクロマチンに結合する、豊富かつ普遍的な核タンパク質のスーパーファミリーが存在し、これはHMGA、HMBG、およびHMGNファミリーで構成されています。HMGAは細胞周期全体を通してクロマチンと関連しており、中期染色体の骨格に位置しています。HMGBとHMGNはどちらも有糸分裂染色体と関連しています。すべてのHMGとクロマチンの相互作用は非常に動的であり、タンパク質は核内を絶えず移動しています。

サンプルヌクレオソームを「ストップ・アンド・ゴー」方式で潜在的な結合部位に誘導する。「ストップ」ステップは「ゴー」ステップよりも長い。免疫蛍光染色、生細胞イメージング、ゲル移動度シフトアッセイ、二分子蛍光相補性解析を用いて、上記の知見を明らかにした。また、野生型およびHMGN変異タンパク質のクロマチン結合特性を比較することでも、この知見を明らかにした。結論として、HMGNは有糸分裂期クロマチンと結合することができる。しかし、HMGNの有糸分裂期クロマチンへの結合は、機能的なHMGNヌクレオソーム結合ドメインに依存せず、HMGNがヌクレオソームと特異的な複合体を形成する間期ヌクレオソームへの結合よりも弱い。[10]

H1競合とクロマチンリモデリング

ヒストンH1が結合したヌクレオソームの図

ヌクレオソームは、DNAが巻き付くタンパク質コア（8つのヒストンから構成される）として機能し、染色体のより大きく凝縮されたクロマチン構造の土台として機能している。HMGNタンパク質は、ヌクレオソーム結合部位をめぐってヒストンH1（コアヌクレオソームの一部ではないリンカーヒストン）と競合する。[11]一旦占有されたタンパク質は、もう一方のタンパク質を置換することはできない。しかし、両方のタンパク質はヌクレオソームに永久的に結合しているわけではなく、転写後修飾によって除去される可能性がある。HMGNタンパク質の場合、タンパク質キナーゼC（PKC）は、すべてのHMGNバリアントに存在するヌクレオソーム結合ドメインのセリンアミノ酸をリン酸化することができる。[12]これにより、HMGNは細胞内環境とシグナル伝達に応じてヌクレオソームに継続的に結合したり解離したりできるため、可動性を持つ。

HMGNとH1の活発な競合はクロマチンリモデリングにおいて積極的な役割を果たし、結果として細胞周期と細胞分化において重要な役割を果たします。細胞周期と細胞分化においては、クロマチンの圧縮と脱圧縮が特定の遺伝子の発現の有無を決定します。ヒストンのアセチル化は通常、オープンクロマチンと関連し、ヒストンのメチル化は通常、クローズドクロマチンと関連します。

ChIPシーケンシングを用いることで、タンパク質と対になったDNAを研究し、ヌクレオソームがH1またはHMGNに結合した際にどのようなヒストン修飾が存在するかを調べることができます。この方法を用いて、H1の存在はH3K27me3とH3K4me3の高レベルと相関することがわかりました。これは、H3ヒストンが高度にメチル化されていることを意味し、クロマチン構造が閉じていることを示唆しています。[13]また、HMGNの存在はH3K27acとH3K4me1の高レベルと相関することがわかりました。これは逆に、H3ヒストンのメチル化が大幅に減少していることを意味し、クロマチン構造が開いていることを示唆しています。[13]

転写活性と細胞分化

機能的補償

HMGNの役割はまだ研究段階ですが、ノックアウト（KO）およびノックダウン（KD）研究においてHMGNが欠如すると、細胞全体の転写活性に大きな差が生じることは明らかです。いくつかのトランスクリプトーム研究では、HMGNの欠失により、他の様々な遺伝子が制御不能またはダウンレギュレーション状態にあることが示されています。

興味深いことに、HMGN1&2の場合、HMGN1またはHMGN2のいずれか一方のみをノックアウトしても、変化はごく少数の遺伝子にしか見られません。しかし、HMGN1と2の両方をノックアウトすると、遺伝子活性の変化に関してはるかに顕著な効果が見られます。例えば、マウスの脳では、HMGN1のみをノックアウトした場合、アップレギュレーションされた遺伝子は1つだけで、HMGN2のみをノックアウトした場合は19の遺伝子がアップレギュレーションされ、29の遺伝子がダウンレギュレーションされました。しかし、HMGN1と2の両方をノックアウトした場合は、50の遺伝子がアップレギュレーションされ、41の遺伝子がダウンレギュレーションされました。[13] HMGN1とHMGN2のノックアウトの合計を単純に集計しても、HMGN1&2のDKO（ダブルノックアウト）と同じ結果は得られません。

これは機能的補償と呼ばれ、HMGN1とHMGN2はタンパク質構造がわずかに異なるだけで、本質的に同じ働きをする。ヌクレオソーム結合部位に対する親和性はほぼ同じである。つまり、多くの場合、HMGN1が欠如している場合でもHMGN2がそれを補うことができ、その逆もまた同様である。ChIP-seqを用いたマウス染色体解析では、HMGN1とHMGN2の両方が結合できる部位が16,500箇所、HMGN1が優先する部位が14,600箇所、HMGN2が優先する部位がわずか6,400箇所であることがわかった。HMGN1とHMGN2の活性の違いは、脳、胸腺、肝臓、脾臓で顕著であり、HMGNバリアントは重複する機能に加えて、特殊な役割も担っていることを示唆している。[13]

目の発達

この重複した機能は冗長、あるいは有害であるように思えるかもしれないが、これらのタンパク質はさまざまな細胞プロセス、特に分化と胚発生に不可欠であり、動的なクロマチンモデリングの手段を提供する。例えば、マウスの胚では、眼の発生中にHMGN1、2、3が発現する。[14] HMGN1の発現は、眼の発生初期段階の始原細胞で上昇するが、水晶体線維細胞などの新しく形成された運命づけられた細胞では低下する。対照的に、HMGN2は胚および成体の眼細胞の両方で上昇を維持する。HMGN3は、特に成体マウスで2週間目に内核細胞および神経節細胞で上昇することが判明した。これは、運命づけられた細胞と成体細胞でHMGNが不均一に分布していることを示す。

脳/中枢神経系の発達

オリゴデンドロサイトの分化はHMGNに依存する

ヒトの脳の発達において、HMGNは神経分化の重要な構成要素であり、神経幹細胞（神経前駆細胞）において増加していることが示されています。例えば、ノックダウン研究では、HMGN1、2、3の欠損によりアストロサイト細胞数が減少し、神経前駆細胞数が増加しました。[15]

オリゴデンドロサイトの分化においてHMGNは極めて重要であり、HMGN1とHMGN2の両方をノックアウトすると、脊髄組織中のオリゴデンドロサイト数が65%減少した[16] 。しかし、機能的補償作用により、HMGN1またはHMGN2のいずれか一方をノックアウトした場合はこの効果は観察されない。この観察結果は単なる相関関係ではない。ChIP-seq解析では、OLIG1およびOLIG2遺伝子（オリゴデンドロサイトの分化に関与する転写因子）におけるクロマチンモデリングはオープンコンフォメーションであり、HMGNはヌクレオソームに結合していることが示された。

少なくとも1つのHMGNバリアントの存在が組織の分化と発達を大幅に改善することから、この冗長性は実際には有益であると推測されます。これらの知見は右の図にまとめられています。

参照

参考文献

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