背景

真核生物のDNAはヒストンタンパク質に巻き付いてクロマチンを形成する。ヒストン翻訳後修飾（hPTM）は、遺伝子発現、エピジェネティックな記憶、トランスポゾンの抑制を調節する重要なメカニズムである。H3K4me3、H3K9me3、H3K27me3などの多くのhPTMは、動物、植物、菌類、さらには単細胞真核生物でも見られる。

しかし、マーカー自体が長い間保存されているからといって、その機能も同じであるとは限らない。従来のクロマチン免疫沈降シーケンス（ChIP-seq）は、多くの細胞と抗体が必要であり、種ごとに実験を個別に行う必要があり、系統間の比較が困難であった。研究が、ヒト、マウス、酵母、シロイヌナズナなどの少数のモデル生物に偏っていたため、アメーバ類、リザリア、ディスコバ、クリプトモナスのクロマチン状態はほとんど知られていなかった。今回のNature Genetics論文は、互いに遠縁の真核生物において、同一の実験系を用いてhPTMの位置と機能を比較することを目的とした。

主要な発見

研究者らは、低投入型の組み合わせインデックス化ChIP-seqであるiChIP2を開発した。これは、種ごとのクロマチンに最初にバーコードを付与し、次にサンプルをまとめて免疫沈降し、抗体を識別するための2番目のインデックスを追加する方法である。複数の種を同じ反応で処理するため、抗体性能と実験バッチ間のばらつきを低減できる。研究者らは、25種類の抗-hPTM抗体を同時に評価し、ターゲットごとに最適な抗体を選択した後、系統的に異なる12種類の真核生物において、12種類のhPTMをマッピングした。110ナノグラムと440ナノグラムのクロマチンを対象に、バーコーディング条件も検証した。

各種のChIP-seqデータには、RNAシーケンスと遺伝子・トランスポゾンアノテーションを組み込んだ。次に、クロマチン状態予測モデルであるChromHMMを適用し、種間で共通のhPTMの組み合わせを比較して、19個の「メタ状態」に整理した。メタ状態1〜9は主にプロモーター周辺のヒストンアセチル化とH3K4me2・H3K4me3で構成され、10〜16は活性遺伝子本体のH3K36me3とH3K79メチル化で構成された。この活性クロマチンの配置は、系統全体で比較的一貫していた。

一方、抑制性クロマチンは大きく異なっていた。サイレント遺伝子とトランスポゾンには、H3K9me3、H3K27me3、H3K79me1・me2・me3が種ごとに異なる組み合わせで存在した。アメーバの一種であるアカンタメーバ・カステラニでは、H3K9me3を中心とした2つの異なる抑制状態が、ディクティオステリウム・ディスコイデウムでは、H3K79メチル化を含む3つの状態が確認された。クリプトモナスのギエルディア・セタは、トランスポゾンに関連するH3K9me1状態を示した。ナグレリア・グルーベリのH3K9me3・H3K27me3の組み合わせは、トランスポゾンにのみ集中していたが、ビグロウィエラ・ナタスでは、同じ組み合わせがトランスポゾンと低発現遺伝子の両方に関連していた。

意義と展望

今回の結果は、真核生物の「ヒストンコード」が固定された辞書というよりも、古い化学的マーカーを系統ごとに異なる組み合わせで配置した文法に近いことを示唆している。特に、活性遺伝子の調節は深い進化的な起源を維持している一方で、抑制システムはトランスポゾンと宿主との間の競争に合わせて急速に再編成された可能性がある。トランスポゾン抑制機構が、その後の系統特異的な遺伝子調節に利用された可能性も考えられる。

iChIP2は、少ない量の生体サンプルで複数の種と抗体を同時に比較できるため、非モデル生物のエピゲノム研究の範囲を広げる。ただし、ChIP-seqシグナルは、マーカーと機能の関連性を示すだけであり、因果関係を証明するものではない。培養段階と細胞組成、ゲノム・トランスポゾンアノテーションの品質の違いも、種間比較に影響を与える可能性がある。今後の研究では、マーカー酵素の遺伝的除去、ライフサイクル中の分析、シングルセルクロマチン測定によって、各抑制状態の実際の機能と進化経路を検証する必要がある。