背景

エンハンサーは遺伝子転写を調節するDNA領域ですが、同じ細胞集団においても、すべての細胞で常に開いているわけではありません。転写因子は、結合部位にアクセスするためにヌクレオソームと競合し、この過程で細胞ごとにクロマチンのアクセス性が異なります。従来のATAC-seqのような集団レベルの分析は、開いたDNAを見つけるのに役立ちますが、全体の細胞のうち、何パーセントの細胞で特定の調節領域が開いているかは、直接示すことが困難です。研究者らは、マウス胚性幹細胞において、シングル分子フットプリンティングを用いて、エンハンサーとプロモーターが実際に開いている分子の割合を測定し、個々の転写因子とクロマチン環境がアクセス頻度にどのように寄与するかを調査しました。

主要な発見

ほとんどの個々の転写因子は、単独では少数の細胞でのみクロマチンを開く部分的な効果を示しました。一方、1つの調節領域に結合する転写因子の数が増加するにつれて、開いたクロマチンの頻度と幅がともに増加しました。個々の結合モチーフを弱めたり、SOX2を迅速に除去した実験でも、アクセス性は完全に消失するのではなく、一部減少しました。これは、複数の転写因子の累積的な作用モデルを裏付けています。活性化されたエンハンサーは、一般的に細胞の半分未満で開いた状態であり、プロモーターはそれよりも多くの細胞でアクセス可能になる傾向がありました。また、数百のエンハンサーを同じ外部ゲノム位置で試験した結果、完全な活性にはヒストンアセチルトランスフェラーゼp300の活性が必要であることがわかりました。p300の阻害は、ゲノム全体のエンハンサーアクセス頻度を低下させました。

意義と展望

この研究は、エンハンサーが単一の「主要なスイッチ」によってオンにされるのではなく、複数の転写因子の小さな寄与とp300によって作られたクロマチン環境が組み合わさって、活性頻度が決定されるというモデルを提示します。クロマチンのアクセス性が変化すると、RNAポリメラーゼIIの動員とエンハンサーの活性も変化しました。このように、アクセス頻度を測定することで、同じエンハンサーが細胞ごとに異なって機能する現象を定量的に説明することができます。この結果は、マウス胚性幹細胞と研究者の実験系で得られたメカニズム研究であるため、すぐに疾患の治療法に結びつくわけではありません。ただし、細胞ごとの遺伝子発現の違いを解釈し、調節領域の機能を予測するための、より定量的な枠組みを提供します。