DNA構造を修飾し癌や他のいくつかの病気で頻繁に変異しているBAF複合体（哺乳類のSWI / SNF複合体）の前例のない3次元構造モデルが作成された。ダナファーバー癌研究所のCigall Kadoch博士（写真）率いる研究チームは、ヒト細胞から直接精製されたBAF複合体の最初の3D構造の『像』を報告した。 これは実験室で人工的に合成されたのではない。ネイティブの状態で、何千もの癌関連の突然変異を複合体内の特定の場所に空間的にマッピングする機会を提供する。「この複合体が実際に細胞の核内でどのように見えるかについての3D構造モデル、つまり『像』は、今まで捉えどころのないままだった。」とKadoch博士は述べた。
新たに得られたモデルは、「これまでに達成されたヒトBAF複合体の最も完全な全体像」を表している、とこの研究者はCell誌で報告した。 この論文は「内因性ヒトBAF複合体の構造モデルが疾患メカニズムに情報を与える（A Structural Model of the Endogenous Human BAF Complex Informs Disease Mechanisms.）」と題されている。
Kadoch博士は、ダナファーバー癌研究所の小児腫瘍学の准教授、ハーバード大学医学部生化学および分子薬理学の教員、MITおよびハーバードのブロード研究所のメンバーおよびエピゲノミクスプログラム共同ディレクターである。 この新しい発見は、「BAF複合体の構成要素におけるヒト疾患に関連する突然変異を理解するための重要な基盤を提供する。これは、ヒトの癌の20％以上、およびいくつかの知的障害と神経発達障害に存在する」と著者は述べている。
これらの洞察は、複合体を構成するタンパク質の変異がDNAの正常な調節の破壊につながり、したがって細胞内の遺伝子の発現につながり、細胞の癌性増殖を引き起こして腫瘍を形成する可能性があることを理解するのに役立つ。 たとえば、BAF複合体の変異は、滑膜肉腫や悪性ラブドイドなどのまれな小児癌の唯一の原因であり、卵巣癌や肺癌などの一般的な癌の一因となっている。
BAF分子マシンはクロマチンリモデリングによって遺伝子発現を調節する
BAF複合体は「分子機械」であり、DNAが細胞内にパッケージされる方法を改造するタンパク質のグループだ。 これは、29の異なる遺伝子によって指定された12のタンパク質サブユニットで構成されている。 BAF複合体の構造3Dモデルを取得する以前の試みは、実験室で組換え操作されたタンパク質分子に基づいていた。「複合体全体を再現することはできなかった」とKadoch博士は語った。
彼女と彼女の同僚は2014年からBAF複合体の3D構造を解こうとしていた。彼女らの主な目標は、突然変異の影響を知らせ、最終的にはBAFの「像」の場所に基づき突然変異を分類するのに役立つ構造モデルだ。 ヒト細胞からBAF複合体を抽出することは、非常に大きな課題だった。「これらの複合体を精製する新しい方法を考案した。これには何年もかかった」と彼女は述べた。
BAFは、DNAとタンパク質で構成される物質であるクロマチンを修飾することによって細胞内の遺伝子の発現を調節するいくつかの分子「機械」の1つだ。 クロマチンは、遺伝子を含む長いDNA鎖をより凝縮されたユニットにパッケージ化する。 単一の細胞には数十万のクロマチン修飾複合体が含まれており、そのうちBAFは1つのタイプだ。 BAFの変異は、遺伝子のDNAコードを変更して癌を引き起こすことはないが、DNAのトポロジーとアクセス可能性を破壊し、異常な遺伝子発現と悪性腫瘍の増殖を引き起こす。
BAFモデルの確立
研究者らは、いくつかの強力な新しい分析ツールを組み合わせ、BAF複合体構造のモデルを、単離した複合体として、およびヌクレオソーム（DNAセグメントが巻かれるクロマチンのスプールのような単位）に結合するときにBAFが取る形式の両方で作成した。 ヌクレオソームへの結合は、BAF複合体がクロマチンをリモデリングして遺伝子発現に影響を与えるために必要だ。
クライオ電子顕微鏡の重要性
ヌクレオソームに結合したBAFの構造を取得するために研究者が使用した最新かつ最も有用なツールの1つは、クライオ電子顕微鏡だ。これは、ネイティブ環境で分子の高解像度モデルを作成できる電子顕微鏡の形式であり、科学者は次のように述べている。 構造生物学の分野に革命をもたらする。 クライオ電子顕微鏡の開発者は、2017年にノーベル化学賞を受賞した。
Kadoch博士の研究では、ヒトBAF複合体は不均一で柔軟性があり、クライオ電子顕微鏡法だけでは高解像度の構造を生成できなかったが、架橋質量分析とホモロジーモデリングとして知られる他の2つの方法と組み合わせると、 サブユニット間の構造的接続性がより明確になった。
癌の突然変異のための「ホットスポット」
Kadoch博士と彼女の同僚は、BAF複合体が「C」字型を形成し、大工のCクランプが木片を一緒に保持するように反対側でヌクレオソームをつかむ3つのモジュールで構成されていると報告している。 彼女らは、ヌクレオソームをつかむBAF構造の2つの領域が、癌を引き起こす突然変異が頻繁に発生する「ホットスポット」であることを発見し、グループは実験を使用して、突然変異がBAF複合体によるクロマチンの正常な調節をどのように妨害するかを示した。 このグループはまた、COSMIC (the Catalogue of Somatic Mutations in Cancer)に含まれる既知の癌の突然変異が構造的に「クラスター化」した、複合体内の他の場所を発見した。
長年の目標が達成; 新しい時代が始まる
「このような変異をBAF複合体の構造にマッピングし、それらの機能的影響を理解することは、何十年もの間、この分野全体の主要な未達成の目標であり続けている」とKadoch博士は述べている。 「これは、特定の腫瘍の特徴を定義し、治療の機会を知らせる変異を機能的に『グループ化』できる時代の始まりを示している。」
BioQucik News: Scientists Develop “Unprecedented” 3-D Model of Molecular Machine (BAF Complex) That Regulates Expression of Genes by Modifying Chromatin; Model Has Enabled Investigators to Map Many Cancer-Related Mutations to Locations in BAF Complex
