「ヒストン脱メチル化酵素」の版間の差分

{{box|text=　ヒストン脱メチル化酵素とは、メチル化されたヒストン尾部から、メチル基を除去する脱メチル化反応を触媒する酵素である。これまでに同定されたヒストン脱メチル化酵素として、lysine-specific demethylase (LSD) family と jumonji-C (JmjC) domain-containing protein familyが知られている。神経系においては、胎生期神経前駆細胞や神経幹細胞の増殖及び分化の制御や、ニューロンの成熟や保護などへ関与し、様々な神経疾患との関連が報告されている。}}

　LSD1と[[LSD2]]が属し、共にヒストン脱メチル化酵素活性を持つ。LSD familyは、アミンオキシダーゼ様（AOL）ドメインと、クロマチン関連タンパク質に特有のSWIRM（SWI3、RSC8、Moira）ドメインを持っている。AOLドメインは、FAD結合ドメインと基質結合ドメインに分かれており、触媒活性を持っている。LSD1はTowerドメインを、LSD2は2種類のzinc finger（ZFs）ドメインを特異的に持っている（'''表'''）。また、LSD2のSWIRMドメインには、LSD1には無いAOLに隣接するcoil loop（residues 273-278）が存在しており、LSD2の酵素活性に必要であることが報告されている<ref name=Fang2013><pubmed>23260659</pubmed></ref>（ref 8）。

|style="background-color:#fff;"|'''FBXL11 (KDM2A)''' ||style="background-color:#fff;"|H3K36me2 || style="background-color:#fff;"|低 (多くの組織) ||style="background-color:#fff;"rowspan="2"|[[ファイル:Nakashima Histon Demethylase table3.png|フレームなし]]

|style="background-color:#fff;"|'''FBXL10 (KDM2B)''' ||style="background-color:#fff;"|H3K36me1, me2<br>H3K4me3||style="background-color:#fff;"| 低 (多くの組織)  

[[ファイル:Nakashima Histon Demethylase legend ZF.png|12px|フレームなし]] :Zinc Fingerドメイン

　LSD1はヒストン尾部上のメチル化リジンのほかに、[[転写因子]][[p53]]（K370）、[[E2F1]] （K185）、 [[DNAメチルトランスフェラーゼ1]]（[[DNMT1]]; K1096）のメチル化リジンを脱メチル化することが報告されている<ref name=Huang2007><pubmed>17805299</pubmed></ref><ref name=Kontaki2010><pubmed>20603083</pubmed></ref><ref name=Wang2009><pubmed>19098913</pubmed></ref>（ref 11-13）。

　LSD1は、SWIRMドメインを介して他のタンパク質と相互作用するが、相互作用分子依存的に脱メチル化のターゲットが変化する。例えば、[[アンドロゲン受容体]]（AR）と結合すると、前立腺特異抗原 (prostate specific antigen, PSA)遺伝子座の[[プロモーター]]領域におけるH3K9me2及びH3K9me1の脱メチル化を誘導し<ref name=Metzger2005><pubmed>16079795</pubmed></ref>（ref 14）、[[CoREST]]と複合体を形成するとH3K4me2及びH3K4me1の脱メチル化を誘導することが知られている<ref name=Shi2005><pubmed>16140033</pubmed></ref>（ref 15）。

　Lsd1欠損[[ES細胞]]では、[[リン酸化]][[Dnmt1]]の脱メチル化が減少することで[[DNAメチル基転移酵素1]] (DNA methyltransferase 1, Dnmt1)の安定性が低下し、ゲノム全体のDNAメチル化レベルが減少する<ref name=Wang2009><pubmed>19098913</pubmed></ref>（ref 13）。この結果から、Lsd1は間接的にDNAのメチル化レベルも制御していると考えられる。

　[[下垂体]]前駆細胞マーカー遺伝子である[[paired like homeodomain 1]] ([[Pitx1]])を発現した細胞特異的にLsd1を欠損させたマウスでは、正常の下垂体が形成されるが、終末分化のマーカーである[[成長ホルモン]]、[[甲状腺刺激ホルモンβ]]、[[性腺刺激ホルモン]]と、[[副腎皮質]]細胞のマーカーである[[黄体形成ホルモンβ]]、[[プロオピオメラノコルチン]]などの発現が、消失もしくは減少する。したがって、Lsd1は下垂体ホルモンの正しい発現に必須であると考えられている<ref name=Wang2007><pubmed>17392792</pubmed></ref>（ref 16）。

　ES細胞でLsd1は、ニューロン分化に重要な遺伝子 ([[paired box 3]] ([[Pax3]]), [[achaete-scute family bHLH transcription factor 1]] ([[Ascl1]]), [[Zic family member 1]] ([[Zic1]]), [[Zic4]], [[neurogenin 1]] ([[Neurog1]]))の[[プロモーター]]のH3K4me2やH3K4me1を脱メチル化し、これらの遺伝子の発現を抑制することでES細胞の未分化性を維持している<ref name=Han2014><pubmed>25018020</pubmed></ref>（ref 17）。またこのLsd1による未分化性の維持機能は、[[E3ユビキチンリガーゼ]]である]]jade family PHD finger 2]] ([[Jade2]])によってLsd1がユビキチン―[[プロテアソーム]]経路を介して分解されることで解除され、ES細胞が神経系[[細胞系譜]]に分化可能になる<ref name=Han2014 />（ref 17）。

　Lsd1は、[[神経幹細胞]]や胎生期[[神経前駆細胞]]における機能がいくつか報告されている。神経幹細胞でLsd1は、[[核内受容体]]である[[nuclear receptor subfamily 2 group E member 1]] ([[NR2E1]]/[[Tlx]])の標的遺伝子のプロモーターに[[histone deacetylase 5]] ([[Hdac5]])と共に誘引され、それらの遺伝子の発現を抑制し神経幹細胞の増殖を維持している<ref name=Sun2010><pubmed>20123967</pubmed></ref>（ref 18）。胎生期マウス神経前駆細胞でLsd1は、[[recombination signal binding protein for immunoglobulin kappa J region]] ([[Rbpjk]])及びCoRESTと複合体を形成し[[hes family bHLH transcription factor 1]] ([[Hes1]])プロモーターに結合している。しかし[[Notchシグナル]]が活性化されると、Notchの細胞内領域（Notch intracellular domain; NICD）がタンパク質切断により[[細胞膜]]から遊離し、Rbpjkに結合することで、Lsd1とRbpjkの結合を解離させる（'''図3'''）。また、Lsd1とCoRESTのノックダウンによってHes1陽性細胞や神経前駆/幹細胞マーカーである[[SRY-box transcription factor 2]] ([[Sox2]])及び[[eomesodermin]] ([[Tbr2]])陽性細胞の割合が増加し、ニューロン分化を誘導する[[Neurog2]]の陽性細胞の割合が減少する。これらの結果から、Lsd1は胎生期神経前駆細胞において、Notchシグナルを抑制しニューロンの分化を促進するように働いていると考えられている<ref name=Lopez2016><pubmed>27112428</pubmed></ref>（ref 19）。

 

　分化したニューロンでは、[[選択的スプライシング]]により4アミノ酸から成るexonを特異的に含んだアイソフォーム（Lsd1-E8a）の発現が増加する。Lsd1-E8aは成熟中のニューロンにおいて、ニューロン特異的エクソン（E8a）内の2番目の[[トレオニン]]がリン酸化されてCoRESTと[[Hdac2]]との複合体から解離し<ref name=Toffolo2014><pubmed>24111946</pubmed></ref>（ref 21）、神経突起の分岐と伸長を促進する<ref name=Toffolo2014 /><ref name=Zibetti2010><pubmed>20164337</pubmed></ref>（ref 21, 22）。さらにこのLsd1-E8aは会合するパートナーによって、脱メチル化する標的ヒストンを変える。成熟中のニューロンでは、Lsd1-E8aは[[Supervillin]]（[[Svil]]）と相互作用することにより、H3K9me2の脱メチル化活性を得る。そして、ニューロン分化過程で発現が増加する遺伝子のプロモーターのH3K9me2の脱メチル化を誘導し、それらの遺伝子の発現を促進している<ref name=Laurent2015><pubmed>25684206</pubmed></ref>（ref 23）。一方、Svilがほとんど発現していない成熟したニューロンでは、Lsd1-E8aは[[cAMP responsive element binding protein ]]([[CREB]])と相互作用することにより、H4K20me2の脱メチル化活性を得て、ニューロンの活性化に反応する遺伝子の転写の開始及び伸長を誘導している（'''図4'''）。加えて、LSD1-E8aを神経系細胞特異的にノックアウトし、ニューロンでこのアイソフォームを発現しないようにしたマウス（Nestin-CRE: loxP-Lsd1(exon 8a)-loxPマウス）は、[[空間学習]]及び[[記憶]]能力が減少する<ref name=Wang2015><pubmed>26214369</pubmed></ref>（ref 24）。

 

　成体マウスの全身性にLsd1を欠損させた場合、[[海馬]]や[[大脳皮質]]のニューロンに重度の変性がみられ、麻痺などの運動障害が観察された<ref name=Christopher2017><pubmed>28993646</pubmed></ref>（ref 25）。しかし、大脳の他の神経系細胞や[[小脳]]の[[プルキンエニューロン]]には影響がみられず、さらに、肝臓の[[肝細胞]]や[[腎臓]]の[[ネフロン]]細胞も[[細胞死]]などの形態的な兆候を示さなかったことから、Lsd1は海馬や大脳皮質のニューロン特異的に細胞を保護する機能を持っているのではないかと推測された<ref name=Christopher2017 />（ref 25）。

　Lsd2を欠損した母親マウスの卵母細胞では[[インプリンティング]]異常が起こり、Lsd2欠損母親マウスゲノムを受け継いだ仔マウスは、重度の[[胎盤]]欠陥と成長障害、[[神経管]]欠損、心膜水腫など様々な胚異常を示し、E10.5日を超えて生存できない<ref name=Ciccone2009><pubmed>19727073</pubmed></ref>。（ref 26）

　水酸化反応により脱メチル化を触媒する水酸化酵素である。JmjC ドメイン含有タンパク質は，[[補酵素]]として Fe（II）とアルファケトグルタル酸を用いて，[[水酸基]]をメチル基に導入する（'''図5'''）。この結果生成された不安定な[[カルビノールアミン]]中間体は[[ホルムアルデヒド]]を放出し脱メチル化が完了する（'''図5'''）。この反応は LSD familyのように，トリメチル化リジンからは脱メチル化できないという制限は無い。

　ES細胞において、各細胞種への分化に必要な遺伝子のプロモーターでは、転写促進型ヒストン修飾であるH3K4me3と転写抑制型ヒストン修飾H3K27me3が共存しており、各遺伝子は低発現状態に保たれている（bivalent state）。Jmjd3（Kdm6b）は、マウスES細胞が神経系細胞に分化する際、神経前駆/幹細胞マーカーである[[Nestin]]プロモーターのH3K4me3とH3K27me3のうち、H3K27me3を脱メチル化することが報告されている。このことから、Jmjd3はNestinプロモーターのbivalent state を解き、神経系への分化過程の適切な時期にNestinが発現するために必要であると考えられている<ref name=Burgold2008><pubmed>18716661</pubmed></ref>（ref 30）。Jmjd3 (Kdm6b)は他にも、ニューロン新生を制御することが報告されている<ref name=Estaras2012><pubmed>22782721</pubmed></ref><ref name=Park2014><pubmed>25176653</pubmed></ref>（ref 31, 32）。ニワトリ脊髄の胎生期神経前駆細胞では、ニューロン分化を促進する[[transforming Growth Factor-β]]（[[TGFβ]]）シグナルの下流因子[[Smad3]]と共に、標的遺伝子のプロモーター領域のH3K27me3を脱メチル化し、ニューロン分化に重要な遺伝子の転写を活性化させ、ニューロン分化を誘導する（ref 31）。また、成体マウス大脳皮質[[脳室下帯]] ([[subventricular zone]], [[SVZ]])の神経幹細胞では、ニューロン分化関連遺伝子（[[myelin transcription factor 1]] ([[Myt1]]), [[solute carrier family 32 member 1]] ([[Slc32a1]]), [[gap junction protein beta 6]] (G[[jb6]]))のプロモーター領域や、SVZ神経幹細胞のニューロン分化に重要な[[distal-less homeobox 2]] ([[Dlx2]])の[[エンハンサー]]領域のH3K27me3を脱メチル化し、ニューロン分化を誘導する<ref name=Park2014 />（ref 32）。

　FBXL10（KDM2B）とヒストンメチル化酵素SET domain containing 1B, histone lysine methyltransferase, ([[SETD1B]])の両方を含むゲノム領域である12a24.31の欠失が知的障害を引き起こし<ref name=Labonne2016><pubmed>27106595</pubmed></ref>(ref 36)、JMJD1C（KDM3C）の複数の変異が、自閉スペクトラム症、[[レット症候群]]、[[知的障害]]の患者においてみられることが報告されている<ref name=Saez2016><pubmed>26181491</pubmed></ref>（ref 37)。