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ヒトゲノムの構造「液体や固体などと異なる物理的性質に依存」

ヒトゲノムの構造は、液体や固体などの異なる物質の物理的性質に依存していることを、科学者チームが発見しました。

The findings, which reveal how the physical nature of the genome changes as cells transform to serve specific functions, point to new ways to potentially better understand disease and to create improved therapies for cancer and genetic disorders.

参照元：https://www.nyu.edu/about/news-publications/news/2021/june/how-is-the-genome-like-an-open-book–new-research-shows-cells—.html
– ニューヨーク大学 New York University. Jun 2, 2021 –

この発見は、細胞が特定の機能を果たすために変化する際に、ゲノムの物理的性質がどのように変化するかを明らかにしたもので、病気の理解を深め、がんや遺伝性疾患の治療法を改善するための新たな方法を示しています。

ゲノムとは、生命維持に不可欠な遺伝情報のライブラリーです。

各細胞には、このライブラリ全体が含まれているが、その情報の一部しか利用していません。

白血球や神経細胞のような特殊な細胞は、その機能に関連する情報を含む特定の「本」しか開いていません。

研究者たちは、ゲノムがどのようにしてこれらの巨大な図書館を管理し、必要な「本」へのアクセスを可能にし、使用しない「本」を保管しているのかを長年にわたって解明してきました。

今回、Physical Review Letters誌に掲載された研究では、細胞内でこれがどのように行われているかが明らかにされました。

ニューヨーク大学物理学科の助教授で本研究の上席執筆者であるアレクサンドラ・ジドフスカ氏は話します。

「私たちは、使われているゲノムの部分は液体で、使われていない部分は固体のような島を形成していることを発見しました。これらの固体状の島は、現在使用されていない遺伝子が書かれた本を保管する図書館の本棚のような役割を果たしています。一方、液体状のゲノム部分は「開かれた本」のような役割を果たしており、すぐにアクセスでき、細胞の生命や機能に利用されます。」

ゲノムの遺伝情報は、DNA分子にコード化されています。

この情報を適切に読み取り、処理することは、人間の健康や老化にとって重要です。

人間の細胞では、遺伝暗号を含むゲノムは細胞核に収められています。

わずか10マイクロメートル、髪の毛の幅の約10倍の大きさの核には、約2メートルのDNAが格納されている。

このように膨大な量の遺伝情報を小さな空間に格納するには、必要なときにそれぞれのDNA、つまり遺伝暗号に簡単にアクセスできるようにパッキングする必要があります。

しかし、これまであまり理解されていなかったのは、この情報がどのようにして保存されているのか、それに物理学がどのような役割を果たしているのかということでした。

この現象を解明するため、ニューヨーク大学の博士課程に在籍するIraj EshghiとJonah Eatonを含む研究者たちは、細胞が特殊化する前と後を比較しました。

具体的には、マウスの幹細胞（まだ特定の機能を持たず、神経細胞や白血球などのあらゆる種類の細胞になる準備をしている細胞）の核内のゲノムの動きをマッピングした後、これらの細胞を神経細胞に分化させてから、再びゲノムの動きをマッピングしたのです。

そうすることで、細胞分化の前後におけるゲノムの動きのマップを世界で初めて作成したのです。

ここでは、幹細胞がゲノムを「オープン」にしていること、つまり、開かれた本のように、「遺伝子のページ」に簡単にアクセスできるようにしていることがわかりました。

しかし、幹細胞が神経細胞などの特殊な細胞になると、その特殊な細胞は、自分の特定の機能に必要なゲノムの一部だけを、すぐにアクセスできるようにしておくこともマッピングでわかりました。

使わないゲノムの部分は「本棚」にしまってしまいます。

これにより、活発に読み出され、処理される情報のためのスペースが確保されます。

ジドフスカ氏は話します。

「これらの動きは、細胞核内の特定の場所でゲノムにどれだけアクセスできるかを正確に教えてくれます。さらに、これらの動きは、ゲノムのさまざまな部分の物理的な状態を明らかにしてくれる。液体の部分はDNAがゆるく詰まった状態に対応し、固体のような部分はDNAがしっかりと詰まったゲルに対応する。これらの異なる物質状態におけるゲノムのパッキングは、ゲノムのアクセス性に直接影響します。驚くべきことに、この組織化は、液体と固体という異なる物質の状態の物理学に依存しているのです。」

「ゲノムの異なる部分の動きを測定することで、ゲノムの異なる部分の異なる物理的特性を示すことができ、細胞の “図書館システム “ともいえるゲノムの構成を理解することができました。」

適切な細胞ファイリングシステムは、人間の健康に不可欠であると研究者らは指摘します。

ジドフスカ氏は説明します。

「人体には膨大な種類の細胞が存在するため、この細胞図書館で本が欠けたり置き忘れたりすると、情報が不足したり不要になったりして、発達障害や遺伝性疾患、さらにはがんなどの病気につながる可能性があります。したがって、細胞核の中でゲノムがどのように構成されているかを明らかにすることは、これらの症状や病気を理解する上で非常に重要です。さらに、このような知識は、これらの疾患の将来の治療法や診断法の設計にも役立つでしょう。」

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