アメリカ合衆国カリフォルニア州ラ・ホラのSalk Institute for Biological Studiesで研究する科学者達はエピゲノムの多様性にある種のパターンを解明した。このエピゲノム多様性は、植物が様々な環境に適応するカギを握っているだけでなく、作物栽培やヒトの疾患研究にも役立つ可能性がある。Nature誌2013年3月6日付オンライン版に掲載されたこの論文は、世界中の植物に見られる遺伝子の多様性に加えて、そのエピゲノム構成も植物の分布する環境に合わせて様々な変化があることを突き止めている。
エピゲノミクスは、DNA塩基配列上に存在しその発現を調節している化学物質のマーカー・パターンを研究する学問分野である。分布地域の条件によって、植物がその環境に素早く適応できるようになるのはエピゲノムの差異によって調節されるているようだ。エピゲノミックな修飾は、DNA配列(A-T-C-G)を変えずに遺伝子の発現を変更することができ、それによって、遺伝子には、細胞機構を微調節する機能が可能になる。このような変化は植物だけでなく人間の体内でも行われている。
この論文の首席著者、Dr. Joseph R. Ecker は、SalkのPlant Biology Laboratory教授とSalk International Council Chair in Geneticsを務めており、この論文で、「世界中から集められた植物を調べた結果、そのエピゲノムに驚くほどの変化があることを突き止めた。様々な環境への植物の迅速な適応を可能にしているのはこのようなエピゲノムの多様性ではないか。これがDNA内の遺伝子の変異を待っていたのでは途方もなく時間がかかることになる」と述べている。Howard Hughes Medical Institute とGordon and Betty Moore Foundation Investigatorも務めるDr. Eckerは、「植物内のエピゲノムの変化を理解することができれば、エピゲノムを人工的に操作し、バイオ燃料に適した植物栽培、あるいは旱魃などのストレスに耐性の強い作物品種を作り出すなどが可能になるかも知れない。作物のエピゲノム変化が分かれば、農家もどのような品種を栽培すべきかが予想でき、特定の条件でも生存でき、環境的なストレス要因にも適応できる作物を判定するのにも大きな力になる」と語っている。
研究チームは、Dr. Eckerが開発したエピゲノム変化マッピング技法のMethylC-Seqを利用し、シロイヌナズナの個体群のメチル化パターンを分析した。この目立たないナズナ科の雑草は、植物生物学研究にとって、動物生物学における実験用ハツカネズミと同じ位置を占めるようになった。この植物は、ヨーロッパからアジアまで、スエーデンからケープ・ベルデ群島まで北半球の様々な気候に分布している。Dr. Eckerのチームは、シロイヌナズナのゲノムとメチロームを対象に双方の遺伝子コードとエピゲノム・コードの完全な構成を調べ上げた。これは、シロイヌナズナの物理的特性や環境適応能力に対するエピゲノム変化の影響を理解する第一歩だった。
Dr. Ecker研究室の博士研究員で、論文共同第一著者のDr. Robert J. Schmitzは、「世界中から集められた植物グループの間でメチル化パターンに違いがあるのではないかと予想した。しかし、その量は私たちの予想をはるかに超えていた」と語っている。チームは、このパターンを解析し、シロイヌナズナのゲノム内のメチル化が遺伝子活動に及ぼす影響をチャート化することができた。メチル化で遺伝子が不活性化されることは知られているが、DNAの突然変異とは異なり、メチル化反応は可逆反応であり、植物は遺伝子を一時的に活性化することができる。後成遺伝学的に調節される遺伝子を突き止めることで、環境適応に重要な役割を果たしている遺伝子捜索範囲を狭めることができた。遺伝子のメチル化によって発現が抑えられる仕組みは人体内でも起きており、がんは腫瘍抑制遺伝子が不活性になることが主要な原因である。Dr. Ecker研究室の大学院生で論文の共同第一著者でもあるMatthew Schultz氏は、「これらの遺伝子がエピゲノムで不活性になっていても、DNAメチル化を外すことで活性化できるはずだ」と述べている。自然の中でこのようなメチル化の変異がどのようにして起きるのかを理解できれば、エピゲノムの操作もさらに向上するはずである。
Dr. Eckerのチームは、今後、メチル化が植物の形質に与える影響を研究課題にしている。チームは、ストレスによるエピゲノムの変化を調べ、植物にとってもっとも重要となる変化を突き止める手がかりを探すことになる。この研究チームの他のメンバーとして、Salk InstituteのMark A. Urich、Joseph R. Nery、Mattia Pelizzola、Andrew Alix、Richard B. McCosh、Huaming Chen、The Scripps Research InstituteのOndrej Libiger、Nicholas J. Schork各氏が参加している。
■原著へのリンクは英語版をご覧ください：High Level of Epigenomic Diversity May Aid Plant Adaptation
