DNAを、細胞の核という小さな空間の中にくしゃくしゃに丸められた長い糸だと考えてみてください。それは無秩序に固まっているように見えるかもしれませんが、その折り畳まれ方には重要な意味があります。DNA鎖のどの部分が塊の奥深くに埋もれているか、どの部分が自由にアクセスできるか、そしてどの部分が互いに近接しているかは、細胞の他の機能や振る舞いと本質的に結びついています。クロマチンと呼ばれる、固く詰め込まれたDNA構造を比較すること、つまり、それらが時間とともにどう変化し、健康時と疾患時でどう異なり、細胞タイプによってどう違うかを調べることは、生物学、発生学、医学における根源的な問いに光を当てます。
近年、DNAの配置をマッピングする理想的な方法としていくつかの手法が登場し、それぞれが「クロマチンコンタクトマップ」と呼ばれる形式でデータを可視化します。しかし、科学者が一度に何百、何千ものマップを比較することは、困難な統計的問題に取り組む必要があるため、非常に厄介でした。
これまで、個々の研究チームが独自に比較手法を考案することが繰り返され、その結果、しばしば矛盾した結果を生む数十もの異なるアプローチが乱立し、科学者たちは自分の特定の生物学的問題にどれが最適か確信が持てない状況でした。ある手法はDNA構造の微細な変化を特定することに長けている一方、他の手法はより大きな変化を示すことに向いています。
今回、グラッドストーン・データサイエンス・バイオテクノロジー研究所の所長であるケイティ・ポラード博士（Katie Pollard, PhD）と、大学院生のケトリン・ジョニ氏（Ketrin Gjoni）が率いるチームは、25種類のクロマチンコンタクトマップ比較手法を分析し、生物学者やデータアナリストに「いつ、どの手法を使うべきか」という指針を提供することを最終目標としました。彼らの研究成果は、2025年3月19日付の学術誌『Nature Methods』に掲載されました。このオープンアクセス論文は「Comparing Chromatin Contact Maps at Scale: Methods and Insights（クロマチンコンタクトマップの大規模比較：手法と洞察）」と題されています。その他の著者には、グラッドストーン研究所のローラ・ガンサラス氏、シュジェン・クアン氏、モーリーン・ピットマン氏、およびカリフォルニア大学サンフランシスコ校のエヴォン・マッカーサー氏とジョン・A・カプラ氏が含まれます。
グラッドストーン研究所の広報担当者がポラード博士とジョニ氏に、この研究から得られた最も重要な知見について話を聞きました。
―― まず、クロマチンコンタクトマップとは何ですか？
ジョニ氏： クロマチンコンタクトマップとは、特定のゲノムにおいて、DNAのどの領域が物理的に相互作用しているか、あるいは互いに近接しているかを示すヒートマップです。
これらのマップによって、私たちはDNAが細胞核内で空間的にどのように配置されているかを解明できます。そして、その配置から、どの遺伝子がいつオンになるのか、あるいは一つの小さなDNAの変化がゲノム全体の構造をどのように変え、一度に多くの遺伝子に影響を及ぼすのかといった多くのことが分かります。
―― そもそも、なぜ研究者はDNAの構造に興味を持っているのですか？
ポラード博士： 多くの科学者が、タンパク質の折り畳まれ方を予測するAlphaFoldのようなプログラムに親しむようになってきています。彼らは、タンパク質が3次元構造に折り畳まれる方法がその機能の鍵であり、一つの変異がまず構造を変化させることによってタンパク質の機能を変える可能性があることを理解しています。
それはDNAでも同じで、構造は非常に重要です。研究者はクロマチンコンタクトマップを用いて、発生段階、疾患状態、または種間といった様々な生物学的文脈でゲノムの折り畳まれ方が異なるかどうかを調査します。彼らは、これらの折り畳みの変化が遺伝子発現、複製、または他の細胞機能に影響を与えるかどうかを明らかにしたいのです。
私の研究室では頻繁にクロマチンコンタクトマップを使用しています。例えば、幹細胞から拍動する心筋細胞への移行を調べることで、心臓の発生中にクロマチン構造がどのように変化するかを研究しました。また、ヒトとチンパンジーでDNAの折り畳まれ方がどのように異なるか、そして自閉症、がん、心臓欠陥などの疾患でこの構造がどのように変化するかも比較してきました。
―― 研究者はクロマチンコンタクトマップを比較するために多くの異なる手法を使用していますが、これらの手法を直接比較検討することが重要だったのはなぜですか？
ポラード博士： 私たちは、機械学習を用いてDNAの折り畳まれ方を予測するという新しいプロジェクトを立ち上げるにあたり、使用するのに最適な比較手法を見極める必要がありました。当初は、自分たちの研究のために情報に基づいた決定を下すため、いくつかの手法を評価するだけのつもりでした。しかし、手法によってどれほど違いがあり、互いに異なる結果を導き出す可能性があるかを見たとき、包括的なベンチマーク（性能評価基準）が必要であることが明らかになりました。それは私たちのためだけでなく、科学界全体のためにです。
―― これら手法の比較で、特に印象に残ったことは何ですか？
ジョニ氏： 私たちは22,000組以上のクロマチンコンタクトマップを評価し、様々な種類の構造変化に対して各手法がどのように反応するかを測定しました。同じ一般的な問い（例えば「これらのマップは異なっているか？」）に答えるために設計された2つの手法が、全く異なる結果を生むことがあるのは衝撃的でした。また、他の分野で学んだ教訓が、クロマチン生物学に完全には当てはまらないことにも驚きました。例えば、画像解析で一般的に使用される構造的類似性指数（acronym: SSIM）は、私たちのベンチマークでは特に性能が低かったです。
―― 他の手法を抑えて、一つの手法が「勝利」したのでしょうか？
ジョニ氏： いいえ、全くそんなことはありません。それは本当に生物学的な問いによります。手法は非常に多様なので、特に複雑で微妙な生物学的問題に答えようとする場合は、複数のアプローチを用いて結果を比較することが重要です。
大規模なデータセットに対しては、まず最も変化の大きいマップを迅速に特定するグローバルな手法から始めることを推奨します。その後、より専門的なツールを使用して、それらのマップをさらに詳細に調べることができます。
私たちは論文の中に、研究者が考慮すべきことを示す要約表を作成しました。また、他の科学者が独自の分析を行いたい場合に使用できる、オープンソースのコードリポジトリとフレームワークも作成しました。私たちが最も望むのは、研究者が使用する手法のバイアスや意味合いについて、より多くの情報を持って判断できるようになることです。
―― 研究室の次のステップは何ですか？
ポラード博士： さまざまな手法がどれくらいうまく機能するかがより明確になったので、それらを疾患、進化、発生に関する興味深い問いに応用できます。私が特に楽しみにしているのは、私たちの機械学習プログラムを使って、疾患に関連する変異のような小さな遺伝的変化がクロマチン構造にどのように影響するかを予測することです。これらの予測が得られたら、細胞に入ってそれらの遺伝的変化を加え、ゲノムの折り畳みをテストして予測が正しかったかどうかを確認できます。
最終的には、ゲノムの折り畳みがどのように変化するかを理解することで、遺伝性疾患、腫瘍形成、発達障害に関する新たな洞察を明らかにし、さらには新しい治療法を導き出せる可能性があると期待しています。クロマチンコンタクトマップをより効果的に比較できるようになることは、その洞察に向けた一歩なのです。
写真；ケイティ・ポラード博士（左）とケットジン・ジョニ博士候補は、3Dゲノムのメカニズムのさらなる発見を可能にする実用的で有用なガイドラインを開発した。
