エンハンサー

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英：enhancer

　エンハンサーとは、遺伝子の転写量を増加させる作用をもつDNA領域のことをいう。多くの場合、転写活性化因子が結合する。プロモーターからの距離や位置、方向に関係なく働く[1][2][3]。サイレンサー(遺伝子の転写を抑制するDNA領域)とともに、細胞や時期特異的な遺伝子などの発現調節で重要な役割を果たす。

構造と機能

　1981年、アカゲザルのポリオーマウイルスSV40の初期遺伝子の上流に位置する72塩基対の反復配列を欠失させると、初期遺伝子の転写量が著しく低下することが見出された。また、この配列を異種の遺伝子と連結すると、その遺伝子の転写量が増加することも見出され、そのような機能をもつ配列をエンハンサーと呼ぶようになった[4][5]。その後、1983年に、マウス免疫グロブリン遺伝子においてもエンハンサーが報告され[6][7]、様々なウイルスおよび真核生物の遺伝子においてもエンハンサーが同定されている。

　エンハンサーは、イントロンなどの非翻訳領域に存在することが多い。通常多くの遺伝子には複数のエンハンサーが存在し、時期や位置特異的な遺伝子発現が別々のエンハンサーで制御されることが知られている。エンハンサーには転写活性化因子の結合する配列が1個以上存在し、結合する転写活性化因子の多様性と組み合わせにより遺伝子の発現が多様に制御される。

　最近、染色体免疫沈降法(Chromatin Immuno-Precipitation, ChIP)とDNAチップによる検出を組み合わせた方法(ChIP-chip法)や、次世代シークエンサーを組み合わせた方法(ChIP-Seq法)などの技術革新により、網羅的なエンハンサー解析が進んでいる[1][2][3]。

作用機序

　エンハンサーには1個から複数個の転写活性化因子が結合する。プロモーターには転写基本因子(TFIIDなど)が結合し、RNAポリメラーゼIIとともに転写開始複合体が形成される。エンハンサーとプロモーターが離れていても(3Mbpの場合もある)、転写活性化因子と転写開始複合体の両者にコアクチベーターと呼ばれる因子が相互作用することにより、DNAはループを形成しエンハンサーとプロモーターが接近し、転写が促進されると考えられている[8][9]。このループ構造がどのように転写を促進するのかについて完全には解明されていない。細胞核の中では、盛んに転写が起きている領域が存在し、ループ構造が転写の起きている領域への移動に関与するという可能性も考えられている。

エンハンサーとそれに結合した複数の転写活性化因子から成る構造体を、enhanceosomeと呼ぶこともある[10]。

　コアクチベーターには、CBPやp300といったヒストンアセチルトランスフェラーゼ(histone acetyltransferase; HAT)活性を持つものがあり、エンハンサーおよびプロモーターにおけるコアヒストンのN末端をアセチル化する[11][12]。アセチル基は負の電荷を持つため、ヒストンの正の電荷を打ち消してヒストンとDNAの間の結合が弱められ、転写因子がDNAに結合しやすくなると考えられる。また、クロマチン再構成複合体(chromatin remodeling complex)は転写活性化因子に結合し、ATP依存的にヌクレオソームの配置を変更したり、分解する[13][14]。そして、より多くの転写活性化因子がエンハンサーに結合しやすくなったり、転写基本因子とコアクチベーターならびにRNAポリメラーゼIIがプロモーター上で集合しやすくなって、転写が促進される。

　エンハンサーでは、ヒストンの翻訳後修飾や種類が他の領域と異なり、ヒストンH3の4番目のリジンがモノメチル化またはジメチル化されている(H3K4me1/ H3K4me2)[15]。また、H3.3やH2A.Zと呼ばれるヒストンを含むヌクレオソームが存在する[16]。このヌクレオソームは、通常のヌクレオソームより不安定で分解されやすく、転写活性化因子がDNAに結合しやすくなると考えられている。ヒストンH3.3やH2A.Zを含むヌクレオソームは、プロモーターにも存在するが、ヒストンH3の4番目のリジンはトリメチル化されている(H3K4me3)。

　転写の活性化の状態によって、エンハンサーにおけるヒストンの翻訳後修飾が異なる例が報告されている。ヒトES細胞を例にとると、転写が活性化されている遺伝子のエンハンサーでは、ヒストンH3の27番目のリジンがアセチル化されているが(H3K27ac)、転写がおきていない遺伝子のエンハンサーでは、メチル化されている(H3K27me3)[17]。このES細胞を分化させた時、新たに転写が活性化される遺伝子のエンハンサーでは、メチル化されていたヒストンがアセチル化される(H3K27me3 → H3K27ac)。逆に、分化した後に転写が抑制される遺伝子のエンハンサーでは、アセチル化されていたヒストンがメチル化される(H3K27ac → H3K27me3)。他の系においても、様々なヒストンの翻訳後修飾がみつかっており、遺伝子発現制御との関係が調べられている[3]。一般的に、転写の活性化の状態に関わらず、H3K4me1/ H3K4me2はエンハンサー領域にみられる特徴であり、活性化しているエンハンサーではp300の結合と、ヒストンのアセチル化がみられる。

　最近になって、enhancer RNA (eRNA)とよばれるRNAがエンハンサーにおいて双方向に転写されて産生されることが見いだされた[18]。eRNAはタンパク質をコードせず、ポリアデニル化されない。転写活性化因子p53が結合するエンハンサーの中には、その転写活性化能がeRNAに依存的なものがある[19]。しかし、eRNAが一般的にエンハンサーの機能に関与しているかどうかはまだよくわかっていない。一方、100塩基長以上の長さを持つノンコーディングRNA(lncRNA)が転写を調節する場合がある[20]。このlncRNAのほとんどは、一方向に転写されることにより産生され、ポリアデニル化される。このlncRNAのうち、ncRNA-a7と呼ばれるlncRNAをsiRNA法で阻害すると、近傍の遺伝子の転写が抑制される。ncRNA-a7遺伝子をリポーター遺伝子と連結すると、ncRNA-a7遺伝子の方向に関係なくリポーター遺伝子の転写が誘導される。このlncRNAが転写を活性化する詳しいメカニズムはまだよくわかっていないが、siRNA法で阻害すると転写が抑制されることから、ncRNA-a7自身が転写の活性化に必要である。ENCODEプロジェクトによると、これまで「junk DNA」であると考えられてきたヒトゲノムの領域から、9640のlncRNAが転写されることがわかった[21]。これらのlncRNAもまた、ncRNA-a7と同様に遺伝子の発現を制御している可能性がある。eRNAおよびlncRNAの詳しい作用機序については、現時点では不明な点が多く、さらに調べる必要があると思われる。

神経系におけるエンハンサー

Nestinのエンハンサー

　中間径フィラメントの一つであるNestinは、神経幹細胞などで特異的に発現し、分化するとその発現は消失する。トランスジェニックマウスを用いた解析により、Nestin遺伝子の第２イントロン内に神経幹細胞での発現を誘導するエンハンサーが存在することが明らかとなっている[22]。このエンハンサーには、POUファミリーおよびSOXファミリーの転写制御因子の結合する配列が存在する[23][24]。POUファミリーのBrn2とSOXファミリーのSox2は、神経幹細胞で発現し、第２イントロン内のエンハンサーに結合してNestinの発現を誘導する[23]。さらにBrn2は、細胞周期のG2期からM期にリン酸化され、エンハンサーに結合しにくくなるため、Nestinの発現が減少する[25]。G1期からS期ではBrn2が脱リン酸化され、エンハンサーに結合して、Nestinの発現が増加する。このように、Nestinの発現は細胞周期の進行に伴い変動する。

　Nestinは神経幹細胞のよいマーカーであり、そのエンハンサーは神経幹細胞において遺伝子を発現させるのによく用いられる。蛍光タンパク質の遺伝子をNestinのエンハンサーで発現させるトランスジェニックマウスを用い、神経幹細胞を効率よく分離することもできる[25][26][27]。

Mbh1のエンハンサー

　哺乳類には、千種類以上の様々な個性を持つ神経細胞が存在する。プロニューラル因子と呼ばれる転写制御因子は、神経細胞の分化を開始させるスイッチとして働く[28]。プロニューラル因子が直接制御する遺伝子は長らく不明であったが、転写制御因子Mbh1(Mammalian Bar-class homeobox 1)がプロニューラル因子の一つであるAtoh1(Math1, Mammalian atonal homolog 1)によって直接に制御されることが見出された[29]。Mbh1は胎生期の脊髄交連神経細胞で発現しており、in vivo electroporation法によって強制発現させると脊髄背側の細胞を交連神経細胞へ運命転換させる[30]。Mbh1遺伝子の3’側にエンハンサーが存在し、その中のE-box(CAGCTG)にAtoh1タンパク質が結合する[29]。Atoh1タンパク質はこのE-boxを介してMbh1遺伝子の転写を直接活性化すると考えられる。

終脳で機能するエンハンサー

　マウス胎児の終脳で発現する様々な遺伝子のエンハンサーが網羅的に同定され、その発現様式が公開された[31]。塩基配列の種間の比較や、p300の結合を指標にしたCHIP-Seqによって、4600箇所以上のDNA領域がエンハンサーの候補として同定された。そのうち329のエンハンサーの活性がトランスジェニックマウスを用いて調べられた。再現性のある145のエンハンサーの活性が、レポーター遺伝子の発現として多くの切片上に発表された。この結果をもとに、終脳で発現する様々な遺伝子の発現制御のネットワークが今後明らかにされていくものと思われる。

関連項目

転写制御因子

参考文献

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(執筆者：佐藤達也、斎藤哲一郎、担当編集委員：岡野栄之)

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