卵細胞、精細胞などの生殖細胞は結合して幹細胞を形成し、この幹細胞は成長してどのような組織細胞にでもなることができる。ところで、生殖細胞はどのように発生するのだろうか? 人間は自分がつくり出す生殖細胞をすべて備えて生まれてくる。しかし、植物は少し事情が違う。植物は、まず成熟した成体細胞をつくり、その後に一部を卵細胞や精細胞にリプログラムする。
植物が生殖細胞をつくるためには、エピジェネティック・マークと呼ばれる、ゲノム全体にわたってDNAに付けられている一連のタグであるキー・コードを先に消去しなければならない。このマークは遺伝子の活性、不活性を識別できる。
しかし、このマークには他にも重要な役割がある。エピジェネティック・マークには、損傷を与えるおそれのあるトランスポゾン、別名「ジャンピング遺伝子」を不活性状態にする機能がある。細胞がエピジェネティック・コードを消去してしまうと、トランスポゾンが活性化され、新しく生成されたばかりの生殖細胞が遺伝的損傷を受ける危険が大きい。2014年3月16日、ニューヨークのCold Spring Harbor Laboratory (CSHL) の研究チームは、Howard Hughes Medical Institute (HHMI) 研究者のDr. Robert Martienssenの指導のもとに研究を行い、エピジェネティック・コードが消去されてもトランスポゾンを不活性に保つ経路を発見したことを発表している。
「ジャンピング遺伝子」は、50年以上前にCSHLのDr. Barbara McClintockによってその存在が指摘され、この功績でDr. Barbara McClintockは後にノーベル賞を受けている。その後の研究で、ジャンピング遺伝子 (トランスポゾン = 転移因子) が長い反復的なDNAの一部であることが明らかになった。トランスポゾンは、大昔に宿主のDNAに潜り込んだウイルスにも似ており、活性化すると自分自身を複製し、ゲノムのあちこちに移動し、遺伝子の真ん中にでも入り込み、遺伝子の働きを阻害する。しかも、ヒト・ゲノムの50%以上がトランスポゾンで構成されていることが突き止められている。ところが驚くべきことには、植物の場合には、ゲノムの90%までがこのような反復する塩基配列で構成されている。活性化されたトランスポゾンが重要な遺伝子の中に入り込むとその遺伝子の機能が阻害され、不妊性その他様々な疾患を引き起こす。このような内側からの脅威を防ぐため、細胞はトランスポゾンの活動を厳しくコントロールするメカニズムを備えている。主要なメカニズムとしてエピジェネティック・コードがあり、これはDNA情報をどのように発現するかを決める遺伝子情報として副次的な役目を負っている。
エピジェネティック・マークはヒトのDNAに添えられており、遺伝子の活性、不活性が指示されている。ゲノム中のトランスポゾンが多い領域には不活性をマークしたエピジェネティックが多く見られ、トランスポゾンを「黙らせて」いる。しかし、植物で問題になるのは生殖の過程でほとんどすべてのエピジェニック・マークを消去してしまうことである。2014年3月16日付Nature誌オンライン版に掲載された研究論文の筆頭著者でCSHLポスドク研究員のKate Creasey, Ph.D.は、「このマークを消去してしまうことは植物にとって非常に危険である。特に生殖のように微妙な過程ではなおさらその危険は大きい。危険を避けるためには何かこの徹底的なゲノムの混乱を防ぐメカニズムがなければならないはずだ」と述べている。研究の結果、CSHLチームはまさしくその経路を発見した。この経路は、エピジェネティック・サイレンシングが失われた時にトランスポゾンによる損傷を防ぐためのフェールセーフ機能を備えている。細胞はそのためにmicroRNAと呼ばれる小型のRNAを備えている。MicroRNAは成長時に遺伝子の発現を調節する働きがあることはすでに知られている。Dr. Martienssenは、「私たちの研究から、生殖系列 (生殖細胞) 中で活性化されたmicroRNAが実際にトランスポゾンを標的にすることが突き止められた。MicroRNAがトランスポゾンに対する防衛メカニズムとして進化したことが考えられる」と述べている。Dr. Martienssenと同僚研究チームは、University of DelawareのProfessor Blake Meyersとの共同研究で、microRNAがeasiRNAと呼ばれる新しく発見された小型タイプのRNAを通してトランスポゾンを「黙らせる」ことを突き止めた。Dr. Martienssenは、「動物も同じようなトランスポゾンに対する防衛メカニズムを持っている。私たちが発見した経路は、動物の生殖系列中の小型RNA系と平行関係にあるといえる。この小型RNA系はpiwi-interacting RNAまたはpiRNAと呼ばれ、ゲノムがリプログラムされる際にトランスポゾンに対する防衛機能を果たしている」と述べている。
写真は、Dr. McClintockの革命的な「ジャンピング遺伝子」説を確立するきっかけになったトウモロコシの変異の例。
■原著へのリンクは英語版をご覧ください: MicroRNAs Target Transposons in Plant Reproductive Cells, Protecting Against Genome Damage
