生命の設計図である「ゲノム」と聞くと、一本の長い糸のようなものを思い浮かべるかもしれません。しかし、実際のゲノムは、細胞の核の中で複雑に折り畳まれた精巧な「立体構造」をしています。この立体的な形こそが、どの遺伝子をいつ働かせるかを決める重要な鍵を握っているとしたらどうでしょう？特に、植物が太陽の光をエネルギーに変える「光合成」のような生命の根幹をなす現象に、このゲノムの3次元（3D）構造が深く関わっていることが、最新の研究で明らかになってきました。今回は、その謎を解き明かす画期的な新技術をご紹介します。
中国の研究者たちが、植物ゲノムの3次元（3D）構造が、特に光合成における遺伝子発現にどのように影響を与えるかを解明する、画期的な技術を開発しました。この研究は、中国科学院遺伝・発育生物学研究所のシャオ・ジュン教授（Prof. Jun Xiao）がBGIリサーチと共同で主導し、2025年5月30日付の科学誌『Science Advances』に掲載されました。このオープンアクセスの論文は、「TAC-C Uncovers Open Chromatin Interaction in Crops and SPL-Mediated Photosynthesis Regulation（TAC-Cは作物における開いたクロマチン相互作用とSPLを介した光合成調節を明らかにする）」と題されています。この革新的な手法は、遺伝子間の複雑な3D相互作用を理解するためのより正確なツールを提供するだけでなく、遺伝子調節における遠距離クロマチン相互作用の重要な役割を浮き彫りにします。
植物の核内では、クロマチン（DNAとタンパク質の複合体）はランダムに配置されているわけではありません。むしろ、クロマチンは慎重に組織化された3D構造を形成し、生物学的プロセスを調節する上で極めて重要な役割を果たしています。
科学者たちは、重要な農業形質に関わる多くの遠距離制御エレメントを特定してきましたが、Hi-C、ChIA-PET、HiChIP、OCEAN-Cといった既存のツールでは、活性なクロマチン相互作用を高解像度かつコスト効率よく、バイアスなく捉えることに苦労していました。さらに、これらの構造がどのように形成・維持され、遺伝子発現にどう影響するのかというメカニズムは、ほとんど解明されていませんでした。
これらの限界を克服するため、研究者たちは、開いた（活性な）クロマチン領域を検出するATAC-seqと、ゲノム全体のクロマチン相互作用をマッピングするHi-Cを統合しました。その結果生まれた「TAC-C法（Transposase-Accessible Chromosome Conformation Capture: TAC-C）」と呼ばれる技術は、アクセス可能なクロマチン領域での相互作用を標的として捉えることを可能にし、従来の方法と比較して、より少ないシークエンシング量で解像度と効率を向上させます。
研究者たちはTAC-C法を用いて、4つの主要な作物種で高品質な3Dクロマチン相互作用マップの構築に成功し、このツールの頑健性を実証しました。彼らの分析により、相互作用のハブとして機能するゲノム領域は、より高い遺伝子発現と低い配列多様性に関連していることが明らかになり、それらが制御エレメントとして重要であることが示唆されました。これらのクロマチンの「アンカー」領域は、量的形質遺伝子座や発現QTLも非常に多く含んでおり、3Dクロマチン相互作用が遠く離れた制御エレメントとその標的遺伝子を結びつけ、表現型の多様性に寄与していることを示す強力な空間的証拠を提供しています。
六倍体コムギでは、研究者たちはA、B、Dの各サブゲノム間で非対称なクロマチン相互作用を観察しました。これは、アンカー領域におけるトランスポゾン挿入と配列の多様性によって引き起こされていました。この非対称性が、サブゲノム間での相同遺伝子の発現に偏りを生じさせていました。
動物では、クロマチンループの形成はCTCF/コヒーシン複合体によって調節されています。対照的に、植物におけるクロマチン構造を支配するメカニズムはよくわかっていませんでした。しかし、この研究で研究者たちは、SBP、MYB、Dof、ERF、GATAといった転写因子ファミリーの結合部位が、クロマチン相互作用のアンカー領域に集中していることを発見しました。これらの中でも、SBP結合モチーフを多く含むクロマチンループはより強い相互作用を示し、機能的に活性な領域に位置していました。
SBP転写因子であるTaSPL7とTaSPL15を欠損させた変異体をさらに分析したところ、TaCKX11-B、TaSGR-5D、TaNRR-A1、TaTK-2Dを含むいくつかの光合成関連遺伝子に関わるクロマチンループが失われていることが明らかになりました。これにより遺伝子発現が変化し、葉の発生と光合成効率に影響が及びました。
SBP転写因子は植物に特有で、葉、花、根、果実の発生、さらには栄養成長から生殖成長への移行において不可欠な役割を果たします。この研究は、SPLを介した3Dクロマチン構造の変化が、植物の発生調節に関与している可能性を示唆しています。
要約すると、この研究は、植物の転写因子がゲノムの3D構造を介して光合成関連遺伝子をどのように調節するかを明確に示した例となります。また、新しいTAC-C技術が、植物における遠距離遺伝子制御のより深い理解への扉を開き、将来の作物改良の取り組みを導く可能性を示しています。
