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「ヌクレオソーム」の版間の差分

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[[File:Basic units of chromatin structure.svg|thumb|クロマチン構造の基本的単位]]
[[ファイル:Nucleosome 1KX5 colour coded.png|thumb|300px|{{color|AAAA00|H2A}}、{{color|red|H2B}}、{{color|blue|H3}}及び{{color|green|H4}}のコアヒストンからなる染色体粒核の粒子の結晶構造とDNA。らせん軸の上部方向から見たもの。]]


'''ヌクレオソーム'''・'''染色体粒'''<ref>『クロスランゲージ 37分野専門語辞書』</ref> ({{lang-en-short|nucleosome}}) は、すべての[[真核生物]]に共通する'''[[クロマチン]]'''の基本的構成単位である。
'''ヌクレオソーム'''（{{Lang-en-short|nucleosome}}）は、[[真核生物]]における[[デオキシリボ核酸|DNA]]のパッケージングの基本的単位である。ヌクレオソームの構造は8つの[[ヒストン]]タンパク質に巻きついたDNA断片から構成され<ref name="Campbell">
{{cite book|last1=Reece|first1=Jane|last2=Campbell|first2=Neil|name-list-style=vanc|title=Biology|publisher=Benjamin Cummings|location=San Francisco|year=2006|isbn=978-0-8053-6624-2|url-access=registration|url=https://archive.org/details/biologyc00camp}}</ref>、概念的には糸巻きに巻きついた糸に類似している。ヌクレオソームは[[クロマチン]]の基本的サブユニットである。各ヌクレオソームの8つのヒストンタンパク質は{{仮リンク|ヒストン八量体|en|histone octamer}}と呼ばれ、その周囲には2ターン弱のDNAが巻きついている。ヒストン八量体はヒストン[[ヒストンH2A|H2A]]、[[ヒストンH2B|H2B]]、[[ヒストンH3|H3]]、[[ヒストンH4|H4]]各2コピーずつから構成される。
ヌクレオソームは、4種のコア'''[[ヒストン]]'''（H2A、H2B、[[ヒストンH3|H3]]、H4）から構成されるヒストン八量体に146 bpの二重鎖'''[[DNA]]'''が巻き付いた構造をとる。2つの染色体粒をつなぐ部分のDNAは{{仮リンク|連結DNA|en|Linker DNA}}{{sfn|小田|1980}}と呼ばれる。この構造を[[電子顕微鏡]]で観察すると、DNA鎖上に数珠が並んでいるように見える。


DNAは[[細胞核]]の内部に収まるためには、コンパクトなヌクレオソーム構造を形成する必要がある<ref name="AlbertsMBOCp207">{{cite book|last=Alberts|first=Bruce|name-list-style=vanc|title=Molecular biology of the cell|publisher=Garland Science|location=New York|year=2002|page=207|isbn=978-0-8153-4072-0|edition=4th|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?highlight=Nucleosome&rid=mboc4.section.608#630}}</ref>。ヌクレオソームの形成に加えて、真核生物のクロマチンはより複雑な構造へと折りたたまれてさらにコンパクトな形状となり、最終的には[[染色体]]を形成する。ヒトの各細胞には約3000万個のヌクレオソームが含まれている<ref name="howmany">{{cite book|title=Chromosomal DNA and Its Packaging in the Chromatin Fiber|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26834/#:~:text=On%20average%2C%20therefore%2C%20nucleosomes%20repeat,contains%20approximately%2030%20million%20nucleosomes}}</ref>。
アダ・オリンズ、ドナルド・オリンズ夫妻、[[ロジャー・コーンバーグ]]らによって1974年に提唱された染色体粒説は、その後の遺伝子発現研究の基盤をつくった<ref name="pmid4128918">{{cite journal | author = Olins AL, Olins DE | title = Spheroid chromatin units (v bodies) | journal = Science | volume = 183 | pages = 330-332 | year = 1974 | pmid = 4128918}}</ref><ref name="pmid4825889">{{cite journal | author = Kornberg RD | title = Chromatin structure: a repeating unit of histones and DNA | journal = Science | volume = 184 | pages = 868-871 | year = 1974 | pmid = 4825889}}</ref>。[[古細菌]]もヒストン様のタンパク質をもち、染色体粒様の構造が観察されているが、その解析は進んでいない。


ヌクレオソームは、コアヒストンへの[[共有結合]]修飾の形で[[エピジェネティクス|エピジェネティック]]な遺伝情報を運ぶと考えられている。[[ゲノム]]中のヌクレオソームの位置はランダムではなく、各ヌクレオソームの位置によって調節タンパク質のDNAへのアクセシビリティが決定される<ref name=":0">{{cite journal|date=2019|title=Nucleosome Positioning|journal=Encyclopedia of Bioinformatics and Computational Biology|volume=2|pages=308–317|doi=10.1016/B978-0-12-809633-8.20242-2|isbn=9780128114322|vauthors=Teif VB, Clarkson CT}}</ref>。
== 関連項目 ==

* [[染色体]]
ヌクレオソームは1974年にDon OlinsとAda Olinsによって[[電子顕微鏡]]を用いて初めて粒子として観察され<ref name=":1">{{cite journal|date=January 1974|title=Spheroid chromatin units (v bodies)|journal=Science|volume=183|issue=4122|pages=330–2|bibcode=1974Sci...183..330O|doi=10.1126/science.183.4122.330|pmid=4128918|vauthors=Olins AL, Olins DE|s2cid=83480762}}</ref>、約200[[塩基対]]（bp）のDNAに囲まれたヒストン八量体構造は[[ロジャー・コーンバーグ]]によって提唱された<ref name=":2">{{cite journal|date=December 2005|title=Milestone 9, (1973-1974) The nucleosome hypothesis: An alternative string theory|url=http://www.nature.com/milestones/geneexpression/milestones/articles/milegene09.html|journal=Nature Milestones: Gene Expression.|doi=10.1038/nrm1798|vauthors=McDonald D}}</ref><ref name=":3">{{cite journal|date=May 1974|title=Chromatin structure: a repeating unit of histones and DNA|journal=Science|volume=184|issue=4139|pages=868–71|bibcode=1974Sci...184..868K|doi=10.1126/science.184.4139.868|pmid=4825889|vauthors=Kornberg RD}}</ref>。ヌクレオソームの一般的な遺伝子[[リプレッサー]]としての役割は、1987年にLorchらによって''in vitro''で<ref name=":4">{{cite journal|date=April 1987|title=Nucleosomes inhibit the initiation of transcription but allow chain elongation with the displacement of histones|journal=Cell|volume=49|issue=2|pages=203–10|doi=10.1016/0092-8674(87)90561-7|pmid=3568125|vauthors=Lorch Y, LaPointe JW, Kornberg RD|s2cid=21270171}}</ref>、1988年にHanとGrunsteinによって''in vivo''で実証された<ref name=":5">{{cite journal|year=1988|title=Nucleosome loss activates yeast downstream promoters in vivo|journal=Cell|volume=55|issue=6|pages=1137–45|doi=10.1016/0092-8674(88)90258-9|pmid=2849508|vauthors=Han M, Grunstein M|s2cid=41520634}}</ref>。
* [[クロマチン]]

* [[ヒストン]]
ヌクレオソームコア粒子には約146 bpのDNAが含まれ、DNAはヒストン八量体の周囲を左巻きの[[DNA超らせん|超らせん]]で1.67周分巻いている<ref name="autogenerated1">{{cite journal|date=September 1997|title=Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 A resolution|journal=Nature|volume=389|issue=6648|pages=251–60|bibcode=1997Natur.389..251L|doi=10.1038/38444|pmid=9305837|vauthors=Luger K, Mäder AW, Richmond RK, Sargent DF, Richmond TJ|s2cid=4328827}}</ref>。コア粒子は最長で約80 bpの{{仮リンク|リンカーDNA|en|Linker DNA}}によって連結されている。ヌクレオソームは専門的にはコア粒子と1つのリンカー領域として定義されるが、この言葉はしばしばコア粒子と同義に用いられる<ref name="Alberts5edp211">{{cite book|last=Alberts|first=Bruce|name-list-style=vanc|title=Molecular biology of the cell|publisher=Garland Science|location=New York|year=2007|page=211|isbn=978-0-8153-4106-2|edition=5th}}</ref>。現在では、全ゲノムのヌクレオソームの位置マップがマウスの肝臓や脳など多くのモデル生物で利用可能である<ref name="pmid22821566">{{cite journal|date=October 2012|title=Proximity of H2A.Z containing nucleosome to the transcription start site influences gene expression levels in the mammalian liver and brain|journal=Nucleic Acids Research|volume=40|issue=18|pages=8965–78|doi=10.1093/nar/gks665|pmid=22821566|pmc=3467062|vauthors=Bargaje R, Alam MP, Patowary A, Sarkar M, Ali T, Gupta S, Garg M, Singh M, Purkanti R, Scaria V, Sivasubbu S, Brahmachari V, Pillai B}}</ref>。
* [[エピジェネティクス]]

[[ヒストンH1]]とその[[アイソフォーム]]などのリンカーヒストンはクロマチンのコンパクト化に関与しており、これらはヌクレオソームのDNAの入口と出口の近傍に位置してリンカー領域のDNAと結合している<ref name=":6">{{cite journal|date=September 1998|title=Position and orientation of the globular domain of linker histone H5 on the nucleosome|journal=Nature|volume=395|issue=6700|pages=402–5|bibcode=1998Natur.395..402Z|doi=10.1038/26521|pmid=9759733|vauthors=Zhou YB, Gerchman SE, Ramakrishnan V, Travers A, Muyldermans S|s2cid=204997317}}</ref>。リンカーヒストンを含まず凝縮していないヌクレオソームの電子顕微鏡像は、DNAのひもでつながったビーズ（beads-on-a-string）のような外見をしている<ref name=":7">{{cite journal|date=November 1979|title=Involvement of histone H1 in the organization of the nucleosome and of the salt-dependent superstructures of chromatin|journal=The Journal of Cell Biology|volume=83|issue=2 Pt 1|pages=403–27|doi=10.1083/jcb.83.2.403|pmid=387806|pmc=2111545|vauthors=Thoma F, Koller T, Klug A}}</ref>。

ほとんどの真核細胞とは対照的に、成熟した[[精細胞]]はゲノムDNAのパッケージングに主に[[プロタミン]]を利用する。これは、はるかに高いパッケージングを達成するためである可能性が高い<ref name="pmid1297351">{{cite journal|year=1992|title=Nuclear and chromatin composition of mammalian gametes and early embryos|journal=Biochemistry and Cell Biology|volume=70|issue=10–11|pages=856–66|doi=10.1139/o92-134|pmid=1297351|vauthors=Clarke HJ}}</ref>。

[[古細菌]]でもヒストンに対応するものや単純なクロマチン構造が発見されており<ref name="pmid12540921">{{cite journal|date=January 2003|title=Controlling the double helix|journal=Nature|volume=421|issue=6921|pages=448–53|bibcode=2003Natur.421..448F|doi=10.1038/nature01411|pmid=12540921|vauthors=Felsenfeld G, Groudine M|doi-access=free}}</ref>、ヌクレオソームを利用する生物は真核生物だけではないことが示唆されている。

== 構造 ==
=== ヌクレオソームコア粒子の構造 ===
[[Image:Nucleosome 1KX5 colour coded.png|left|thumb|300px|<span style="color:#AAAA00;"> H2A</span>、<span style="color:red;">H2B</span>、<span style="color:blue;">H3</span>、<span style="color:green;">H4</span>コアヒストンとDNAから構成されるヌクレオソームコア粒子。超らせん軸方向から。]]

==== 概要 ====
1980年代のAaron Klugのグループによる先駆的な構造研究により、ヒストンタンパク質八量体の周囲にDNAが左巻き超らせんで約1.7ターン巻き付いているという最初の証拠が得られた<ref>{{Cite journal|last=Richmond|first=T. J.|last2=Finch|first2=J. T.|last3=Rushton|first3=B.|last4=Rhodes|first4=D.|last5=Klug|first5=A.|date=1984 Oct 11-17|title=Structure of the nucleosome core particle at 7 A resolution|url=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/6482966|journal=Nature|volume=311|issue=5986|pages=532–537|doi=10.1038/311532a0|issn=0028-0836|pmid=6482966}}</ref>。1997年には、ヌクレオソームの近原子分解能の[[結晶構造]]がRichmondのグループによって解かれ、粒子の最も重要な詳細が示された。この結晶構造を得るのに重要であったヒト[[サテライトDNA|αサテライト]]の[[回文配列]]DNAは、[[オークリッジ国立研究所]]のBunickのグループによって開発されたものである<ref name=":8">{{cite journal|date=October 1995|title=Preparative separation of nucleosome core particles containing defined-sequence DNA in multiple translational phases|journal=Electrophoresis|volume=16|issue=10|pages=1861–4|doi=10.1002/elps.11501601305|pmid=8586054|vauthors=Harp JM, Palmer EL, York MH, Gewiess A, Davis M, Bunick GJ|s2cid=20178479}}</ref><ref name="pmid8678288">{{cite journal|year=1995|title=Large-scale production of palindrome DNA fragments|journal=Analytical Biochemistry|volume=231|issue=1|pages=109–14|doi=10.1006/abio.1995.1509|pmid=8678288|vauthors=Palmer EL, Gewiess A, Harp JM, York MH, Bunick GJ}}</ref><ref name="pmid15299701">{{cite journal|year=1996|title=X-ray diffraction analysis of crystals containing twofold symmetric nucleosome core particles|journal=Acta Crystallographica Section D|volume=52|issue=Pt 2|pages=283–8|doi=10.1107/S0907444995009139|pmid=15299701|vauthors=Harp JM, Uberbacher EC, Roberson AE, Palmer EL, Gewiess A, Bunick GJ|doi-access=free}}</ref><ref name="pmid11092917">{{cite journal|year=2000|title=Asymmetries in the nucleosome core particle at 2.5 A resolution|journal=Acta Crystallographica Section D|volume=56|issue=Pt 12|pages=1513–34|doi=10.1107/s0907444900011847|pmid=11092917|vauthors=Harp JM, Hanson BL, Timm DE, Bunick GJ}}</ref><ref name="pmid14870658">{{cite journal|year=2004|title=Preparation and crystallization of nucleosome core particle|journal=Methods in Enzymology|volume=375|pages=44–62|doi=10.1016/s0076-6879(03)75003-4|isbn=9780121827793|pmid=14870658|vauthors=Hanson BL, Alexander C, Harp JM, Bunick GJ}}</ref>。これまでに20種類以上の異なるヌクレオソームコア粒子の構造が解かれており<ref name="pmid15680970">{{cite journal|date=February 2005|title=Structure and dynamic properties of nucleosome core particles|journal=FEBS Letters|volume=579|issue=4|pages=895–8|doi=10.1016/j.febslet.2004.11.030|pmid=15680970|vauthors=Chakravarthy S, Park YJ, Chodaparambil J, Edayathumangalam RS, Luger K|s2cid=41706403|doi-access=free}}</ref>、{{仮リンク|ヒストンバリアント|en|Histone variants}}を含むものや異なる生物種のヒストンも含むものも含まれている。ヌクレオソームコア粒子の構造は顕著に保存されており、カエルと酵母のヒストンは100残基以上が異なるが、全体での[[平均二乗偏差]]（RMSD）はわずか1.6 Åである<ref name="pmid11566884">{{cite journal|date=September 2001|title=Structure of the yeast nucleosome core particle reveals fundamental changes in internucleosome interactions|journal=The EMBO Journal|volume=20|issue=18|pages=5207–18|doi=10.1093/emboj/20.18.5207|pmid=11566884|pmc=125637|vauthors=White CL, Suto RK, Luger K}}</ref>。

==== ヌクレオソームコア粒子 ====
ヌクレオソームコア粒子には約146 bpのDNAが含まれ、ヒストンH2A、H2B、H3、H4各2コピーずつからなるヒストン八量体の周囲に左巻き超らせんで約1.67周分巻き付いている。隣接するヌクレオソームとは、リンカーDNAと呼ばれる拘束されていないDNAによって連結されている。リンカーDNAの長さは生物種や組織によって、10–80 bp程度と差がある<ref name="pmid12540921"/>。ヌクレオソームコア粒子の全体構造は、直径11 nm、高さ 5.5 nmの円筒形である。

[[File:Apoptotic DNA Laddering.png|right|thumb|{{仮リンク|アポトーシスによるDNA断片化|en|Apoptotic DNA fragmentation}}。分解されたクロマチンが左のレーン、DNAマーカーが真ん中のレーンである。

]]
[[File:Nucleosome organization.png|right|thumb|220px|ヌクレオソームの構成の模式図<ref name="Stryer95">{{cite book|last=Stryer|first=Lubert|name-list-style=vanc|year=1995|title=Biochemistry|publisher=W. H. Freeman and Company|location=New York - Basingstoke|edition=fourth|isbn=978-0716720096}}</ref>]]
[[File:Nucleosome core particle 1EQZ v.2.gif|thumb|220px|ヌクレオソームコア粒子の結晶構造{{PDB|1EQZ}}<ref name="PDB1EQZ">{{cite journal|date=2000-04-06|title=X-ray structure of the nucleosome core particle at 2.5 A resolution.|url=http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=1EQZ|publisher=RCSB Protein Data Bank (PDB)|doi=10.2210/pdb1eqz/pdb|id=PDB ID: 1EQZ|vauthors=Harp JM, Hanson BL, Timm DE, Bunick GJ|access-date=8 October 2012}}</ref><ref name="Harp00">{{cite journal|date=December 2000|title=Asymmetries in the nucleosome core particle at 2.5 A resolution|journal=Acta Crystallographica Section D|volume=56|issue=Pt 12|pages=1513–34|doi=10.1107/S0907444900011847|pmid=11092917|vauthors=Harp JM, Hanson BL, Timm DE, Bunick GJ|id=PDB ID: 1EQZ}}</ref>]]

ヌクレオソームコア粒子は、[[間期 (細胞分裂)|間期]]のクロマチンを部分的にほどく処理を行った際に観察される。電子顕微鏡によって得られた像は、ひもでつながったビーズ（beads-on-a-string）のような形状をしており、ひもがDNA、ビーズ1つ1つがヌクレオソームコア粒子である。ヌクレオソームコア粒子はDNAとヒストンタンパク質から構成される<ref>{{Cite book|edition=2nd ed|title=Essential cell biology|url=https://www.worldcat.org/oclc/52312215|publisher=Garland Science Pub|date=2004|location=New York, NY|isbn=0-8153-3480-X|oclc=52312215|others=Bruce Alberts}}</ref>。

[[デオキシリボヌクレアーゼ|DNase]]による[[クロマチン]]の部分分解によって、ヌクレオソームの構造は明らかにされる。リンカー部分と比較してヌクレオソームコア粒子のDNAにはDNaseがアクセスしにくいため、DNAはヌクレオソーム間の距離の倍数に等しい長さの断片（180 bp、360 bp、540 bp、…）へと分解される。したがって、部分分解を行ったDNAのゲル電気泳動では、はしご（ラダー）状の非常に特徴的なパターンが観察される<ref name="Stryer95" />。こうした分解は[[アポトーシス]]（プログラム細胞死）時など自然条件下でも生じる。

===== ヌクレオソーム内のタンパク質相互作用=====
コアヒストンタンパク質は{{仮リンク|ヒストンフォールド|en|Histone fold}}と呼ばれる特徴的な構造モチーフが含まれる。ヒストンフォールドは、2つのループ（L1–2）で隔てられた3本の[[αヘリックス]]（α1–3）から構成される。溶液中では、ヒストンタンパク質はH2A-H2Bヘテロ二量体とH3-H4ヘテロ四量体を形成する。ヒストンは長いα2ヘリックスをを介して逆平行方向に二量体化する。さらに2つのH3-H4二量体は、H3どうしの広範囲にわたる相互作用によって安定化された[[ヘリックスバンドル|4ヘリックスバンドル]]を形成する。H2A-H2B二量体は、H4-H2B間の相互作用によってH3-H4四量体に結合する。H4-H2B間の相互作用には疎水的クラスターの形成が含まれる<ref name="autogenerated1"/>。ヒストン八量体は中心となるH3-H4四量体が2つのH2A-H2B二量体の間に挟まれることで形成される。4種類のコアヒストンすべてが高い塩基性を有するため、ヒストン八量体はDNAの存在下か高塩濃度条件下でのみ安定である。

===== ヒストン-DNA間相互作用 =====
ヌクレオソームには120か所以上の直接的なタンパク質-DNA間相互作用と、数百か所の水分子を介した相互作用が含まれている<ref name="pmid12079350">{{cite journal|date=June 2002|title=Solvent mediated interactions in the structure of the nucleosome core particle at 1.9 a resolution|journal=Journal of Molecular Biology|volume=319|issue=5|pages=1097–113|doi=10.1016/S0022-2836(02)00386-8|pmid=12079350|vauthors=Davey CA, Sargent DF, Luger K, Maeder AW, Richmond TJ}}</ref>。直接的なタンパク質-DNA間相互作用は八量体の表面に均等に分布しているのではなく、特定の部位に局在している。これは、八量体内では2種類のDNA結合部位が形成されるためである。α1α1部位では2つの近接するヒストンタンパク質のα1ヘリックスが利用され、L1L2部位はL1とL2のループによって形成される。側鎖の塩基性官能基や[[ヒドロキシル基]]、主鎖の[[アミド]]がDNA骨格の[[リン酸]]基と[[塩橋]]や[[水素結合]]を形成し、DNAとの相互作用の大部分を担う。ヌクレオソームがゲノム上に遍在的に分布することを考えると、それが配列非特異的なDNA結合因子であることは重要である。ヌクレオソームは一部のDNA配列に対して選択性を示す傾向があるが<ref name=":9">{{cite journal|date=August 2006|title=A genomic code for nucleosome positioning|journal=Nature|volume=442|issue=7104|pages=772–8|bibcode=2006Natur.442..772S|doi=10.1038/nature04979|pmid=16862119|pmc=2623244|vauthors=Segal E, Fondufe-Mittendorf Y, Chen L, Thåström A, Field Y, Moore IK, Wang JP, Widom J}}</ref>、実質的にはどのような配列にも結合することが可能である。これは水分子を介した相互作用の柔軟性のためであると考えられている。さらに、タンパク質の側鎖と[[デオキシリボース]]の間では非極性相互作用が形成され、DNAの副溝が八量体表面に面している14か所すべてで[[アルギニン]]側鎖が[[インターカレーション|インターカレート]]している。DNA結合部位の分布と結合強度はヌクレオソームコア内のDNAを変形させる。DNAの屈曲は一様ではなく、ねじれ欠陥（twist defect）を有する。溶液中のB型DNAではねじれは1ターンあたり10.5 bpである。しかし、ヌクレオソーム内のDNAの全体的なねじれは1ターンあたり10.2 bpであり、その値は9.4から10.9まで変動する。

==== ヒストンテールドメイン ====
ヒストンテールはヒストンの質量の最大30%を占るが、高度な柔軟性のためヌクレオソームの結晶構造では可視化されず、大部分は安定な構造を形成しないと考えられている<ref name="pmid12666178">{{cite journal|date=April 2003|title=Structures and interactions of the core histone tail domains|journal=Biopolymers|volume=68|issue=4|pages=539–46|doi=10.1002/bip.10303|pmid=12666178|vauthors=Zheng C, Hayes JJ}}</ref>。ヒストンH3とH2BのN末端テールは2つのDNA鎖の副溝によって形成されるチャネルを通過し、20 bpごとにDNAから突出する。一方、ヒストンH4のN末端テールには高度に塩基性のアミノ酸が並んだ領域（16–25）が存在し、この領域は結晶構造中では他のヌクレオソームのH2A-H2B二量体の酸性表面領域との相互作用を形成しており、ヌクレオソームの高次構造の形成と関係している可能性がある。この相互作用は生理的条件下でも生じると考えられており、H4のテールの[[アセチル化]]はクロマチンの高次構造を歪めることが示唆される。

=== 高次構造 ===
[[Image:Chromatin Structures.png|right|thumb|600px|現在のクロマチンの凝縮のモデル]]
細胞核内で観察されるDNAのパッケージングは、ヌクレオソームによるDNAの組織化だけでは十分に説明することはできない。さらなるクロマチンの凝縮が必要であるが、未だ理解は進んでいない。現在の理解<ref name=pmid15680970/>では、リンカーDNAで隔てられたヌクレオソームの反復単位はひもでつながったビーズ（beads-on-a-string）と表現される10 nm繊維を形成し、約5–10倍にパッキングされる<ref name="pmid12540921"/>。さらにヌクレオソームの鎖は30 nm繊維へと配置される。この構造では約50倍に圧縮され<ref name="pmid12540921"/>、その形成はヒストンH1の存在に依存している。

テトラヌクレオソーム（4ヌクレオソーム）の結晶構造が解かれ、それをもとに30 nm繊維の二条らせん（two-start helix）構造が提唱された<ref name=":10">{{cite journal|date=July 2005|title=X-ray structure of a tetranucleosome and its implications for the chromatin fibre|journal=Nature|volume=436|issue=7047|pages=138–41|bibcode=2005Natur.436..138S|doi=10.1038/nature03686|pmid=16001076|vauthors=Schalch T, Duda S, Sargent DF, Richmond TJ|s2cid=4387396}}</ref>。このモデルは近年の[[電子顕微鏡]]データとは相容れず、いまだに一定の論争がある<ref name="pmid16617109">{{cite journal|date=April 2006|title=EM measurements define the dimensions of the "30-nm" chromatin fiber: evidence for a compact, interdigitated structure|journal=Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America|volume=103|issue=17|pages=6506–11|bibcode=2006PNAS..103.6506R|doi=10.1073/pnas.0601212103|pmid=16617109|pmc=1436021|vauthors=Robinson PJ, Fairall L, Huynh VA, Rhodes D}}</ref>。これ以上のクロマチンの構造についてはほとんど理解されていないが、古典的には、中心となるタンパク質の足場に沿って30 nmの繊維がループ状に配置され、転写活性のある[[ユークロマチン]]を形成すると考えられている。さらに圧縮されると、転写不活性な[[ヘテロクロマチン]]となる。

== ダイナミクス ==
ヌクレオソームは非常に安定なタンパク質-DNA複合体であるが、静的な複合体ではなく、ヌクレオソームスライディング（nucleosome sliding）やDNA の自発的露出など、さまざまな構造的再構成が行われることが示されている。状況に依存して、ヌクレオソームは転写因子の結合を阻害したり促進したりする。ヌクレオソームの配置には3つの主要な要素の寄与によって制御されている。1つ目に、ヒストン八量体の結合親和性はDNA配列に依存する。2つ目に、ヌクレオソームは他のタンパク質因子の競合的結合によって除去されたり、協働的結合によってリクルートされたりする。3つ目に、ヌクレオソームはATP依存性リモデリング複合体によって移動される場合がある<ref name=":11">{{cite journal|date=September 2009|title=Predicting nucleosome positions on the DNA: combining intrinsic sequence preferences and remodeler activities|journal=Nucleic Acids Research|volume=37|issue=17|pages=5641–55|doi=10.1093/nar/gkp610|pmid=19625488|pmc=2761276|vauthors=Teif VB, Rippe K}}</ref>。

=== ヌクレオソームスライディング ===
Bradburyの研究室によって、5S DNA上に再構成されたヌクレオソームは熱を加えることで近接配列へ移動して再配置されることが示された<ref name="pmid2738923">{{cite journal|date=May 1989|title=Formation, stability and core histone positioning of nucleosomes reassembled on bent and other nucleosome-derived DNA|journal=Journal of Molecular Biology|volume=207|issue=1|pages=183–92|doi=10.1016/0022-2836(89)90449-X|pmid=2738923|vauthors=Pennings S, Muyldermans S, Meersseman G, Wyns L}}</ref>。その後の研究では、この再配置にはヒストン八量体の解体は必要なく、ヌクレオソームはDNAに沿って[[シス (分子生物学)|シス]]に「スライド」することが示された。さらに2008年には、[[CTCF]]結合部位がヌクレオソームの配置のアンカー部位として機能することが明らかにされ、さまざまなゲノムシグナルの解析の際のアラインメントに利用することで、隣接して位置する複数のヌクレオソームに関する情報を容易に得られるようになった<ref name="pmid18654629">{{cite journal|date=July 2008|title=The insulator binding protein CTCF positions 20 nucleosomes around its binding sites across the human genome|journal=PLOS Genetics|volume=4|issue=7|pages=e1000138|doi=10.1371/journal.pgen.1000138|pmid=18654629|pmc=2453330|vauthors=Fu Y, Sinha M, Peterson CL, Weng Z|editor1-last=Van Steensel|editor1-first=Bas}}</ref>。ヌクレオソームは本質的に動きやすいものであるものの、真核生物はクロマチン構造を変化させるためにATP依存性[[クロマチンリモデリング]]酵素の大きなファミリーを進化させており、その多くはヌクレオソームスライディングを利用する。2012年、Beena Pillaiの研究室はヌクレオソームスライディングが大規模な組織特異的な遺伝子発現の機構の1つである可能性を示した。この研究では、特定の組織で発現している遺伝子の転写開始部位にはヌクレオソームが存在しないが、その遺伝子が発現していない他の組織ではヌクレオソームが結合していることが示された<ref name="pmid22821566"/>。

=== DNAの露出 ===
Widomの研究室の研究によって、ヌクレオソームのDNAは巻き付いた状態と巻き付いていない状態の平衡にあることが示された。時間分解[[蛍光共鳴エネルギー移動|FRET]]を用いたその速度の測定によって、ヌクレオソーム内のDNAは約250 msの間完全に巻き付いた状態が維持された後に自発的にほどけ、10–50 ms以内に再び巻き付くことが明らかにされた<ref name="pmid15580276">{{cite journal|date=January 2005|title=Rapid spontaneous accessibility of nucleosomal DNA|journal=Nature Structural & Molecular Biology|volume=12|issue=1|pages=46–53|doi=10.1038/nsmb869|pmid=15580276|vauthors=Li G, Levitus M, Bustamante C, Widom J|s2cid=14540078}}</ref>。このことは、DNAをヌクレオソームから能動的に解離させる必要はなく、完全にアクセス可能な時間がかなりあることを意味している。実際、ヌクレオソーム内のDNAにDNA結合タンパク質の結合配列を導入すると、そのタンパク質がDNAに結合して隣接領域のアクセス性が高まるという観察結果が得られている<ref name="pmid15258568">{{cite journal|date=August 2004|title=Nucleosomes facilitate their own invasion|journal=Nature Structural & Molecular Biology|volume=11|issue=8|pages=763–9|doi=10.1038/nsmb801|pmid=15258568|vauthors=Li G, Widom J|s2cid=11299024}}</ref>。このようなヌクレオソーム内のDNAが「呼吸」する傾向は、クロマチン環境で動作するすべてのDNA結合タンパク質にとって重要な機能的影響をもたらす。特に、ヌクレオソームの動的な「呼吸」は、転写伸長時の[[RNAポリメラーゼII]]の前進の制限に重要な役割を果たしている<ref name=":12">{{cite journal|date=July 2009|title=Nucleosomal fluctuations govern the transcription dynamics of RNA polymerase II|journal=Science|volume=325|issue=5940|pages=626–8|bibcode=2009Sci...325..626H|doi=10.1126/science.1172926|pmid=19644123|pmc=2775800|vauthors=Hodges C, Bintu L, Lubkowska L, Kashlev M, Bustamante C}}</ref>。

=== ヌクレオソームを含まない領域 ===
活発な遺伝子の[[プロモーター]]には、ヌクレオソームを含まない領域（nucleosome free region、NFR）が存在する。それによってプロモーターDNAに転写因子などさまざまなタンパク質がアクセスできるようになる。一般的に[[出芽酵母]]''Saccharomyces cereviae''では、NFRは約200ヌクレオチドにわたって存在している。安定した位置にあるヌクレオソーム（well-positioned nucleosome）がNFRの境界を形成する。こうしたヌクレオソームは+1-ヌクレオソーム、−1-ヌクレオソームと呼ばれており、転写開始部位からそれぞれ下流、上流の一定の距離に位置している。+1-ヌクレオソームとその下流のいくつかのヌクレオソームにはヒストンバリアント{{仮リンク|ヒストンH2A.Z|en|Histone H2A.Z|label=H2A.Z}}が組み込まれている傾向がある<ref name="Understanding nucleosome dynamics">{{cite journal|date=September 2017|title=Understanding nucleosome dynamics and their links to gene expression and DNA replication|journal=Nature Reviews Molecular Cell Biology|volume=18|issue=9|pages=548–562|doi=10.1038/nrm.2017.47|pmid=28537572|pmc=5831138|vauthors=Lai WK, Pugh BF}}</ref>。

== ヌクレオソーム構造の調節 ==
真核生物のゲノムはクロマチンを形成しているが、細胞は大量のクロマチンとは無関係に特定の[[遺伝子座]]を空間的・時間的に調節する必要がある。DNA複製、修復、転写などの核内過程の調整に必要な高いレベルの制御を達成するため、細胞はクロマチンの構造と機能を局所的・特異的に調節するさまざま手段を発達させている。これには、ヒストンの共有結合修飾、ヒストンバリアントの組み込み、ATP依存的リモデリング酵素による非共有結合的な再構成などがある。

=== ヒストンの翻訳後修飾 ===
[[File:Histone tails and their function in chromatin formation.svg|thumb|ヒストンテールと、クロマチン形成におけるその機能]]

ヒストン修飾は1960年代半ばに発見されて以降、転写に影響を与えることが予測されてきた<ref name="pmid14172992">{{cite journal|date=May 1964|title=acetylation and methylation of histones and their possible role in the regulation of RNA synthesis|journal=Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America|volume=51|issue=5|pages=786–94|bibcode=1964PNAS...51..786A|doi=10.1073/pnas.51.5.786|pmid=14172992|pmc=300163|vauthors=Allfrey VG, Faulkner R, Mirsky AE}}</ref>。初期に発見された翻訳後修飾の大部分はヌクレオソームのコアから突出したテール部分に集中していたことから、ヒストン修飾の機構に関する2つの主要な仮説が導かれた。1つ目の仮説は、ヒストン修飾はヒストンテールとDNAの間の静電的相互作用に影響を与え、クロマチン構造を緩めるというものである。その後、こうした修飾は他のタンパク質をリクルートするための結合エピトープを形成するという仮説が提唱された<ref name="pmid10638745">{{cite journal|date=January 2000|title=The language of covalent histone modifications|journal=Nature|volume=403|issue=6765|pages=41–5|bibcode=2000Natur.403...41S|doi=10.1038/47412|pmid=10638745|vauthors=Strahl BD, Allis CD|s2cid=4418993}}</ref>。近年、ヒストンの構造領域にも多くの修飾が発見されており、こうした修飾がヌクレオソームコア内部のヒストン-DNA間相互作用<ref name="pmid15523479">{{cite journal|date=November 2004|title=Regulated nucleosome mobility and the histone code|journal=Nature Structural & Molecular Biology|volume=11|issue=11|pages=1037–43|doi=10.1038/nsmb851|pmid=15523479|vauthors=Cosgrove MS, Boeke JD, Wolberger C|s2cid=34704745}}</ref>やヒストン-ヒストン間相互作用<ref name="pmid15808514">{{cite journal|date=April 2005|title=Histone H4 lysine 91 acetylation a core domain modification associated with chromatin assembly|journal=Molecular Cell|volume=18|issue=1|pages=123–30|doi=10.1016/j.molcel.2005.02.031|pmid=15808514|pmc=2855496|vauthors=Ye J, Ai X, Eugeni EE, Zhang L, Carpenter LR, Jelinek MA, Freitas MA, Parthun MR}}</ref>に影響を与えることが提唱されている。[[アセチル化]]や[[リン酸化]]など、ヒストンコアの電荷を減らす修飾はコアとDNAの結合を緩めることが予測される。その影響の大きさはコア内の修飾の位置に依存している<ref name="pmid20816070">{{cite journal|date=September 2010|title=Charge state of the globular histone core controls stability of the nucleosome|journal=Biophysical Journal|volume=99|issue=5|pages=1577–85|bibcode=2010BpJ....99.1577F|doi=10.1016/j.bpj.2010.06.046|pmid=20816070|pmc=2931741|vauthors=Fenley AT, Adams DA, Onufriev AV}}</ref>。一部の修飾は遺伝子の[[遺伝子サイレンシング|サイレンシング]]と相関しており、他のものは遺伝子の活性化と相関しているようである。一般的な修飾としては、[[リジン]]のアセチル化、[[メチル化]]、[[ユビキチン化]]、[[アルギニン]]のメチル化、[[セリン]]のリン酸化である。このようにして保存された情報は、DNAにはコードされていないものの娘細胞に遺伝するため、[[エピジェネティック]]な遺伝とみなされる。遺伝子の抑制状態や活性化状態の維持は、[[細胞分化]]の過程で必要となることが多い<ref name="pmid12540921"/>。

=== ヒストンバリアント ===
ヒストンは進化の過程で顕著に保存されているが、いくつかのバリアントが同定されている。このヒストンの機能の多様化はH2AとH3にほぼ限られており、H2BとH4はほぼ不変である。H2AはH2A.Z（ヌクレオソームの安定性の低下をもたらす）または{{仮リンク|H2AFX|en|H2AFX|label=H2A.X}}（[[DNA修復]]や[[T細胞]]の分化と関係する）によって置き換えられる場合があり、哺乳類の[[X染色体の不活性化|不活性化X染色体]]には{{仮リンク|H2AFY|en|H2AFY|label=macroH2A}}が多く存在する。H3はH3.3（活発な遺伝子や調節エレメントと相関する）に置き換えられる場合があり、[[セントロメア]]ではH3は{{仮リンク|CENPA|en|CENPA}}によって置き換えられる<ref name="pmid12540921"/>。

=== ATP依存性ヌクレオソームリモデリング ===
多数の異なる反応が[[アデノシン三リン酸|ATP]]依存性[[クロマチンリモデリング]]という用語で呼ばれている。リモデリング酵素は、ヌクレオソームをDNAに沿ってスライドさせたり<ref name="pmid10466730">{{cite journal|date=August 1999|title=Nucleosome mobilization catalysed by the yeast SWI/SNF complex|journal=Nature|volume=400|issue=6746|pages=784–7|bibcode=1999Natur.400..784W|doi=10.1038/23506|pmid=10466730|vauthors=Whitehouse I, Flaus A, Cairns BR, White MF, Workman JL, Owen-Hughes T|s2cid=2841873}}</ref>、H2A-H2B二量体を不安定化する程度にヒストン-DNA間の接触を妨げたり<ref name="pmid12620227">{{cite journal|date=February 2003|title=SWI/SNF unwraps, slides, and rewraps the nucleosome|journal=Molecular Cell|volume=11|issue=2|pages=391–403|doi=10.1016/S1097-2765(03)00039-X|pmid=12620227|vauthors=Kassabov SR, Zhang B, Persinger J, Bartholomew B}}</ref><ref name="pmid14690611">{{cite journal|date=December 2003|title=Histone H2A/H2B dimer exchange by ATP-dependent chromatin remodeling activities|journal=Molecular Cell|volume=12|issue=6|pages=1599–606|doi=10.1016/S1097-2765(03)00499-4|pmid=14690611|pmc=3428624|vauthors=Bruno M, Flaus A, Stockdale C, Rencurel C, Ferreira H, Owen-Hughes T}}</ref>、DNAとクロマチンに負の[[DNA超らせん|超らせん]]ねじれを形成したりする<ref name="pmid11163188">{{cite journal|date=December 2000|title=Generation of superhelical torsion by ATP-dependent chromatin remodeling activities|journal=Cell|volume=103|issue=7|pages=1133–42|doi=10.1016/S0092-8674(00)00215-4|pmid=11163188|vauthors=Havas K, Flaus A, Phelan M, Kingston R, Wade PA, Lilley DM, Owen-Hughes T|s2cid=7911590}}</ref>。近年では、Swr1リモデリング酵素がヒストンバリアントH2A.Zをヌクレオソームに導入することが示されている<ref name="pmid14645854">{{cite journal|date=January 2004|title=ATP-driven exchange of histone H2AZ variant catalyzed by SWR1 chromatin remodeling complex|url=https://zenodo.org/record/1230842|journal=Science|volume=303|issue=5656|pages=343–8|bibcode=2004Sci...303..343M|doi=10.1126/science.1090701|pmid=14645854|vauthors=Mizuguchi G, Shen X, Landry J, Wu WH, Sen S, Wu C|s2cid=9881829}}</ref>。現時点では、これらが異なる反応であるのか、それとも共通の機構から生じた異なる結果であるだけなのかは明らかではない。これらの過程すべてに共通し、そしてATP依存性クロマチンリモデリングの特徴となるのは、DNAへのアクセスに変化が生じるということである。

''In vivo''での遺伝子活性化<ref name="pmid14675539">{{cite journal|date=December 2003|title=Estrogen receptor-alpha directs ordered, cyclical, and combinatorial recruitment of cofactors on a natural target promoter|journal=Cell|volume=115|issue=6|pages=751–63|doi=10.1016/S0092-8674(03)00934-6|pmid=14675539|vauthors=Métivier R, Penot G, Hübner MR, Reid G, Brand H, Kos M, Gannon F|s2cid=145525}}</ref>や''in vitro''でのリモデリング<ref name="pmid15099516">{{cite journal|date=April 2004|title=Rapid periodic binding and displacement of the glucocorticoid receptor during chromatin remodeling|journal=Molecular Cell|volume=14|issue=2|pages=163–74|doi=10.1016/S1097-2765(04)00178-9|pmid=15099516|vauthors=Nagaich AK, Walker DA, Wolford R, Hager GL}}</ref>の観察から、クロマチンリモデリングと転写因子の結合は本質的に定期的かつ周期的に生じる現象であることが明らかにされている。このことがクロマチンリモデリングの反応機構に与える影響は明らかではないが、システムの動的な性質は外部からの刺激への迅速な応答を可能にしている。近年の研究では、マウスの[[胚性幹細胞]]の発生過程でヌクレオソームの位置は大きく変化し、こうした変化は発生に関係した転写因子の結合と関係していることが示されている<ref name=":13">{{cite journal|date=November 2012|title=Genome-wide nucleosome positioning during embryonic stem cell development|journal=Nature Structural & Molecular Biology|volume=19|issue=11|pages=1185–92|doi=10.1038/nsmb.2419|pmid=23085715|vauthors=Teif VB, Vainshtein Y, Caudron-Herger M, Mallm JP, Marth C, Höfer T, Rippe K|s2cid=34509771}}</ref>。

=== 酵母ゲノム内での動的なヌクレオソームリモデリング ===
2007年の研究では、酵母ゲノム中のヌクレオソームの位置の一覧が作成され、[[プロモーター]]領域や{{仮リンク|複製起点|en|Origin of replication}}ではヌクレオソームが失われていることが示された<ref name="pmid17392789">{{cite journal|date=March 2007|title=Translational and rotational settings of H2A.Z nucleosomes across the Saccharomyces cerevisiae genome|journal=Nature|volume=446|issue=7135|pages=572–6|bibcode=2007Natur.446..572A|doi=10.1038/nature05632|pmid=17392789|vauthors=Albert I, Mavrich TN, Tomsho LP, Qi J, Zanton SJ, Schuster SC, Pugh BF|s2cid=4416890}}</ref><ref name="pmid17320508">{{cite journal|date=February 2007|title=The role of chromatin during transcription|journal=Cell|volume=128|issue=4|pages=707–19|doi=10.1016/j.cell.2007.01.015|pmid=17320508|vauthors=Li B, Carey M, Workman JL|s2cid=1773333}}</ref><ref name="pmid18075583">{{cite journal|date=December 2007|title=Chromatin remodelling at promoters suppresses antisense transcription|journal=Nature|volume=450|issue=7172|pages=1031–5|bibcode=2007Natur.450.1031W|doi=10.1038/nature06391|pmid=18075583|vauthors=Whitehouse I, Rando OJ, Delrow J, Tsukiyama T|s2cid=4305576}}</ref>。酵母ゲノムの約80％はヌクレオソームで覆われているようであり<ref name="pmid17873876">{{cite journal|date=October 2007|title=A high-resolution atlas of nucleosome occupancy in yeast|journal=Nature Genetics|volume=39|issue=10|pages=1235–44|doi=10.1038/ng2117|pmid=17873876|vauthors=Lee W, Tillo D, Bray N, Morse RH, Davis RW, Hughes TR, Nislow C|s2cid=12816925}}</ref>、ヌクレオソームの位置には転写の調節領域、転写される領域、DNA複製を開始する領域などと関係した特有のパターンが観察された<ref name="pmid17873876" /><ref name="pmid20351051">{{cite journal|date=April 2010|title=Conserved nucleosome positioning defines replication origins|journal=Genes & Development|volume=24|issue=8|pages=748–53|doi=10.1101/gad.1913210|pmid=20351051|pmc=2854390|vauthors=Eaton ML, Galani K, Kang S, Bell SP, MacAlpine DM}}</ref>。最近では、ゲノム全体での転写リプログラミング時のヌクレオソーム配置の動的な変化を調べる研究が行われ、[[出芽酵母]]''Saccharomyces cerevisiae''のゲノム全体でのヌクレオソームの位置変化が明らかにされた<ref name="pmid18351804">{{cite journal|date=March 2008|title=Dynamic remodeling of individual nucleosomes across a eukaryotic genome in response to transcriptional perturbation|url=http://scivee.tv/node/5532|journal=PLOS Biology|volume=6|issue=3|pages=e65|doi=10.1371/journal.pbio.0060065|pmid=18351804|pmc=2267817|vauthors=Shivaswamy S, Bhinge A, Zhao Y, Jones S, Hirst M, Iyer VR}}</ref>。その結果からは、プロモーター領域に局在していたヌクレオソームは、熱ショックなどのストレスに応答して位置が変化することが示唆された。さらに、ヌクレオソームの除去は転写の活性化に、ヌクレオソームの置換は転写の抑制に対応しており、これらはおそらく転写因子の結合部位がアクセスしやすくなったりしにくくなったりするためである。一般的には、プロモーター上の1つか2つのヌクレオソームが再配置されるだけで、こうした転写の変化がもたらされる。しかし、転写変化を伴わない染色体領域でもヌクレオソームの配置変化は観察されており、DNAがヌクレオソームで覆われていたりいなかったり、ということがが必ずしも転写と関連した現象を引き起こすわけではないことが示唆された。また、ヌクレオソームのない領域の保護にはHMGBタンパク質が大きな役割を果たしていることが示唆された<ref name=":14">{{cite journal|date=August 2014|title=DNA bridging and looping by HMO1 provides a mechanism for stabilizing nucleosome-free chromatin|journal=Nucleic Acids Research|volume=42|issue=14|pages=8996–9004|doi=10.1093/nar/gku635|pmid=25063301|pmc=4132745|vauthors=Murugesapillai D, McCauley MJ, Huo R, Nelson Holte MH, Stepanyants A, Maher LJ, Israeloff NE, Williams MC}}</ref><ref name=":15">{{cite journal|date=February 2017|title=Single-molecule studies of high-mobility group B architectural DNA bending proteins|journal=Biophysical Reviews|volume=9|issue=1|pages=17–40|doi=10.1007/s12551-016-0236-4|pmid=28303166|pmc=5331113|vauthors=Murugesapillai D, McCauley MJ, Maher LJ, Williams MC}}</ref>。

== ''In vitro''でのヌクレオソームの組み立て ==
[[Image:Nucleosome structure.png|right|thumb|ヌクレオソームの組み立ての模式図]]
ヌクレオソームは、精製された天然のヒストンまたは組換えヒストンのいずれかを用いて''[[in vitro]]''で組み立てることができる<ref name=":16">{{cite journal|date=May 1997|title=In vitro reconstitution and analysis of mononucleosomes containing defined DNAs and proteins|journal=Methods|volume=12|issue=1|pages=2–9|doi=10.1006/meth.1997.0441|pmid=9169189|vauthors=Hayes JJ, Lee KM}}</ref><ref name=":17">{{cite journal|year=2004|title=Reconstitution of nucleosome core particles from recombinant histones and DNA|journal=Methods in Enzymology|volume=375|pages=23–44|doi=10.1016/s0076-6879(03)75002-2|isbn=9780121827793|pmid=14870657|vauthors=Dyer PN, Edayathumangalam RS, White CL, Bao Y, Chakravarthy S, Muthurajan UM, Luger K}}</ref>。ヒストンの周囲にDNAを巻きつかせる標準的技術は、脱塩[[透析]]を用いるものである。ヒストン八量体と裸のDNAを2 [[モル濃度|M]]の塩濃度の反応溶液で共にインキュベートし、塩濃度を徐々に低下させることで、DNAはヒストン八量体の周囲に巻きついた状態に平衡化され、ヌクレオソームが形成される。適切な条件下でこの再構成過程を行うことによって、特定の配列のヌクレオソーム配置親和性の実験的マッピングを行うことができる<ref name=":18">{{cite journal|date=April 1994|title=Nucleosome positioning on chicken and human globin gene promoters in vitro. Novel mapping techniques|journal=Journal of Molecular Biology|volume=237|issue=4|pages=401–14|doi=10.1006/jmbi.1994.1243|pmid=8151701|vauthors=Yenidunya A, Davey C, Clark D, Felsenfeld G, Allan J}}</ref>。

=== ジスルフィド架橋されたヌクレオソームコア粒子 ===
近年、部位特異的[[ジスルフィド結合|ジスルフィド]]架橋によって安定性が向上したヌクレオソームコア粒子を生産することが可能となっている<ref name=":19">{{cite journal|date=January 2018|title=Site-Specific Disulfide Crosslinked Nucleosomes with Enhanced Stability|journal=Journal of Molecular Biology|volume=430|issue=1|pages=45–57|doi=10.1016/j.jmb.2017.10.029|pmid=29113904|pmc=5757783|vauthors=Frouws TD, Barth PD, Richmond TJ}}</ref>。ヌクレオソームコア粒子には2つの異なる架橋が導入可能である。1つ目はH2AにN38Cの変異を導入することで2つのH2Aの間を架橋するもので、ヌクレオソーム再構成時のH2A-H2B二量体の喪失に対して安定となる。2つ目はH3のN末端テールとヌクレオソームのDNAの末端に導入した改変ヌクレオチドとの間の架橋である<ref name=":20">{{cite book|last1=Ferentz|editor1-last=Eckstein|year=1994|series=Nucleic Acids and Molecular Biology|volume=8|title=Nucleic Acids and Molecular Biology|editor2-last=Lilley|editor2-first=David M. J.|editor1-first=Fritz|first1=A. E.|doi=10.1007/978-3-642-78666-2_2|pages=14–40|chapter=The Convertible Nucleoside Approach: Structural Engineering of Nucleic Acids by Disulfide Cross-Linking|name-list-style=vanc|first2=G. L.|last2=Verdine|isbn=978-3-642-78668-6}}</ref>。DNA-ヒストン八量体間の架橋は、非常に低い粒子濃度や高い塩濃度でのDNAの解離に対して安定となる。

== ''In vivo''でのヌクレオソームの組み立て ==
[[File:Steps in nucleosome assembly.svg|thumb|ヌクレオソームの組み立てのステップ]]

ヌクレオソームは周囲にDNAが巻き付いたヒストンタンパク質から構築される、DNAのパッキングの基本的単位である。ヌクレオソームはより高次のクロマチン構造の形成のための足場となるとともに、遺伝子発現制御の1つの階層を形成している。[[DNA複製]]の過程で解体されたヌクレオソームは、複製フォークの後ろで、新たに合成されたDNA上に迅速に組み立てられる。

=== H3とH4 ===
古いヌクレオソームから解体されたヒストンH3とH4は近接して存在し続け、新たに合成されたDNA上にランダムに分布する<ref name=":21">{{cite journal|year=1990|title=Conservative Segregation of Tetrametric Units of H3 and H4 Histones during Nucleosome Replication|journal=Journal of Biochemistry|volume=170|issue=1|pages=15–20|doi=10.1093/oxfordjournals.jbchem.a122999|pmid=2332416|vauthors=Yamasu K, Senshu T}}</ref>。これらは3つのサブユニット（p150、p60、p48）からなる{{仮リンク|CAF-1|en|Chromatin assembly factor 1}}（chromatin assembly factor 1）複合体によって組み立てられる<ref name=":22">{{cite journal|date=June 1995|title=The p150 and p60 subunits of chromatin assembly factor I: a molecular link between newly synthesized histones and DNA replication|journal=Cell|volume=81|issue=7|pages=1105–14|doi=10.1016/S0092-8674(05)80015-7|pmid=7600578|vauthors=Kaufman PD, Kobayashi R, Kessler N, Stillman B|s2cid=13502921}}</ref>。一方、新しく合成されたH3とH4は、RCAF（replication coupling assembly factor）によって組み立てられる。RCAFには{{仮リンク|ASF1様ヒストンシャペロン|en|ASF1 like histone chaperone|label=ASF1}}サブユニットが含まれ、新しく合成されたH3とH4に結合する<ref name=":23">{{cite journal|date=December 1999|title=The RCAF complex mediates chromatin assembly during DNA replication and repair|journal=Nature|volume=402|issue=6761|pages=555–60|bibcode=1999Natur.402..555T|doi=10.1038/990147|pmid=10591219|vauthors=Tyler JK, Adams CR, Chen SR, Kobayashi R, Kamakaka RT, Kadonaga JT|s2cid=205097512}}</ref>。古いH3とH4ではその化学修飾は保持されており、エピジェネティックな特徴の継承に寄与する。新しく合成されたH3とH4は、クロマチンの成熟の過程でさまざまなリジン残基が徐々にアセチル化される<ref name=":24">{{cite journal|date=April 2006|title=Modifications of H3 and H4 during chromatin replication, nucleosome assembly, and histone exchange|journal=The Journal of Biological Chemistry|volume=281|issue=14|pages=9287–96|doi=10.1074/jbc.M512956200|pmid=16464854|vauthors=Benson LJ, Gu Y, Yakovleva T, Tong K, Barrows C, Strack CL, Cook RG, Mizzen CA, Annunziato AT|doi-access=free}}</ref>。また、新たなヌクレオソームに組み込まれた古いH3とH4は、ヒストン修飾酵素をリクルートして新しいヒストンに標識を付加することで、エピジェネティックな記憶に寄与する。

=== H2AとH2B ===
古いH3やH4の場合とは対照的に、古いH2AとH2Bは放出されて分解される。そのため、新たなヌクレオソームには新たに組み立てられたH2AとH2Bが組み込まれる<ref name=":25">{{cite journal|date=June 1985|title=Exchange of histones H1, H2A, and H2B in vivo|journal=Biochemistry|volume=24|issue=13|pages=3080–5|doi=10.1021/bi00334a002|pmid=4027229|vauthors=Louters L, Chalkley R}}</ref>。H2AとH2Bは二量体へと組み立てられ、その後NAP-1（nucleosome assembly protein-1）によってヌクレオソームにロードされる。NAP-1はヌクレオソームスライディングも補助する<ref name=":26">{{cite journal|date=January 2005|title=Nucleosome assembly protein 1 exchanges histone H2A-H2B dimers and assists nucleosome sliding|journal=The Journal of Biological Chemistry|volume=280|issue=3|pages=1817–25|doi=10.1074/jbc.M411347200|pmid=15516689|vauthors=Park YJ, Chodaparambil JV, Bao Y, McBryant SJ, Luger K|doi-access=free}}</ref>。また、ヌクレオソームはIsw1、Ino80や{{仮リンク|CHD1|en|CHD1|label=Chd1}}などの酵素を含むATP依存性ヌクレオソームリモデリング複合体によって配置され、その後、高次構造へと組み立てられる<ref name=":27">{{cite journal|date=May 2008|title=ATP-dependent chromatin remodeling shapes the DNA replication landscape|journal=Nature Structural & Molecular Biology|volume=15|issue=5|pages=477–84|doi=10.1038/nsmb.1419|pmid=18408730|pmc=2678716|vauthors=Vincent JA, Kwong TJ, Tsukiyama T}}</ref><ref name=":28">{{cite journal|date=April 2016|title=Replication-Coupled Nucleosome Assembly and Positioning by ATP-Dependent Chromatin-Remodeling Enzymes|journal=Cell Reports|volume=15|issue=4|pages=715–723|doi=10.1016/J.CELREP.2016.03.059|pmid=27149855|pmc=5063657|vauthors=Yadav T, Whitehouse I}}</ref>。

== ギャラリー ==
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File:Nucleosome core particle 1EQZ v.3.jpg
File:Nucleosome core particle 1EQZ v.4.jpg
File:Nucleosome core particle 1EQZ v.5.jpg
</gallery>
ヌクレオソームコア粒子の結晶構造（{{PDB|1EQZ}}）<ref name="PDB1EQZ"/><ref name="Harp00"/> - 3つの異なる方向から見たヒストンのフォールディングと構成。それぞれ{{color|#AAAA00|H2A}}、{{color|red|H2B}}、{{color|blue|H3}}、{{color|green|H4}}、{{color|purple|DNA}}と色付けされている。


==引用文献==
== 出典 ==
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==参考図書==
== 参考図書 ==
* {{cite journal|和書
* {{cite journal|和書
|title=SV40クロマチンの構造と機能
|title=SV40クロマチンの構造と機能
31行目: 129行目:
* {{Cite book | 和書 | title =染色体と細胞核のダイナミクス | author = 平岡泰・原口徳子 編 | year = 2013 | publisher = 化学同人}}
* {{Cite book | 和書 | title =染色体と細胞核のダイナミクス | author = 平岡泰・原口徳子 編 | year = 2013 | publisher = 化学同人}}
* {{Cite book | 和書 | title =教科書を書き換えろ！染色体の新常識 | author = 平野達也・胡桃坂仁志 編（実験医学増刊号）| year = 2018 | publisher = 羊土社}}
* {{Cite book | 和書 | title =教科書を書き換えろ！染色体の新常識 | author = 平野達也・胡桃坂仁志 編（実験医学増刊号）| year = 2018 | publisher = 羊土社}}

== 関連項目 ==
* [[染色体]]
* [[クロマチン]]
* [[ヒストン]]
* [[エピジェネティクス]]
* {{仮リンク|染色小粒|en|Chromomere}}


== 外部リンク ==
== 外部リンク ==
* 座間光雄, 市村幸子, 三田和英, [https://doi.org/10.2142/biophys.24.138 ヌクレオソーム]」『生物物理』 24巻 3号 1984年 p.138-145, 日本生物物理学会, {{doi|10.2142/biophys.24.138}}。
* 座間光雄, 市村幸子, 三田和英, [https://doi.org/10.2142/biophys.24.138 ヌクレオソーム]」『生物物理』 24巻 3号 1984年 p.138-145, 日本生物物理学会, {{doi|10.2142/biophys.24.138}}。
* [http://www.mechanobio.info/topics/synthesis/go-0006323#01_go-0006323 MBInfo - What are nucleosomes]
* [https://www.ethz.ch/content/specialinterest/biol/institute-molecular-biology-biophysics/richmond-group/en.html Nucleosomes on the Richmond Lab website]
* {{Proteopedia|Nucleosomes}}
* [https://web.archive.org/web/20090111044350/http://pdb.rcsb.org/pdb/static.do?p=education_discussion%2Fmolecule_of_the_month%2Fpdb7_1.html Nucleosome at the PDB]
* [https://web.archive.org/web/20090803083240/http://www.scivee.tv/node/5532 Dynamic Remodeling of Individual Nucleosomes Across a Eukaryotic Genome in Response to Transcriptional Perturbation]
* [https://generegulation.org/nucleosome-positioning-data-and-prediction-tools/ Nucleosome positioning data and tools online (annotated list, constantly updated)]
* [https://www.mun.ca/biology/scarr/Histone_Protein_Structure.html Histone protein structure]
* [https://www.ncbi.nlm.nih.gov/projects/HistoneDB2.0 HistoneDB 2.0 - Database of histones and variants] at [[National Center for Biotechnology Information|NCBI]]


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2021年5月28日 (金) 20:17時点における版

クロマチン構造の基本的単位

ヌクレオソーム（英: nucleosome）は、真核生物におけるDNAのパッケージングの基本的単位である。ヌクレオソームの構造は8つのヒストンタンパク質に巻きついたDNA断片から構成され[1]、概念的には糸巻きに巻きついた糸に類似している。ヌクレオソームはクロマチンの基本的サブユニットである。各ヌクレオソームの8つのヒストンタンパク質はヒストン八量体（英語版）と呼ばれ、その周囲には2ターン弱のDNAが巻きついている。ヒストン八量体はヒストンH2A、H2B、H3、H4各2コピーずつから構成される。

DNAは細胞核の内部に収まるためには、コンパクトなヌクレオソーム構造を形成する必要がある[2]。ヌクレオソームの形成に加えて、真核生物のクロマチンはより複雑な構造へと折りたたまれてさらにコンパクトな形状となり、最終的には染色体を形成する。ヒトの各細胞には約3000万個のヌクレオソームが含まれている[3]。

ヌクレオソームは、コアヒストンへの共有結合修飾の形でエピジェネティックな遺伝情報を運ぶと考えられている。ゲノム中のヌクレオソームの位置はランダムではなく、各ヌクレオソームの位置によって調節タンパク質のDNAへのアクセシビリティが決定される[4]。

ヌクレオソームは1974年にDon OlinsとAda Olinsによって電子顕微鏡を用いて初めて粒子として観察され[5]、約200塩基対（bp）のDNAに囲まれたヒストン八量体構造はロジャー・コーンバーグによって提唱された[6][7]。ヌクレオソームの一般的な遺伝子リプレッサーとしての役割は、1987年にLorchらによってin vitroで[8]、1988年にHanとGrunsteinによってin vivoで実証された[9]。

ヌクレオソームコア粒子には約146 bpのDNAが含まれ、DNAはヒストン八量体の周囲を左巻きの超らせんで1.67周分巻いている[10]。コア粒子は最長で約80 bpのリンカーDNA（英語版）によって連結されている。ヌクレオソームは専門的にはコア粒子と1つのリンカー領域として定義されるが、この言葉はしばしばコア粒子と同義に用いられる[11]。現在では、全ゲノムのヌクレオソームの位置マップがマウスの肝臓や脳など多くのモデル生物で利用可能である[12]。

ヒストンH1とそのアイソフォームなどのリンカーヒストンはクロマチンのコンパクト化に関与しており、これらはヌクレオソームのDNAの入口と出口の近傍に位置してリンカー領域のDNAと結合している[13]。リンカーヒストンを含まず凝縮していないヌクレオソームの電子顕微鏡像は、DNAのひもでつながったビーズ（beads-on-a-string）のような外見をしている[14]。

ほとんどの真核細胞とは対照的に、成熟した精細胞はゲノムDNAのパッケージングに主にプロタミンを利用する。これは、はるかに高いパッケージングを達成するためである可能性が高い[15]。

古細菌でもヒストンに対応するものや単純なクロマチン構造が発見されており[16]、ヌクレオソームを利用する生物は真核生物だけではないことが示唆されている。

構造

ヌクレオソームコア粒子の構造

H2A、H2B、H3、H4コアヒストンとDNAから構成されるヌクレオソームコア粒子。超らせん軸方向から。

概要

1980年代のAaron Klugのグループによる先駆的な構造研究により、ヒストンタンパク質八量体の周囲にDNAが左巻き超らせんで約1.7ターン巻き付いているという最初の証拠が得られた[17]。1997年には、ヌクレオソームの近原子分解能の結晶構造がRichmondのグループによって解かれ、粒子の最も重要な詳細が示された。この結晶構造を得るのに重要であったヒトαサテライトの回文配列DNAは、オークリッジ国立研究所のBunickのグループによって開発されたものである[18][19][20][21][22]。これまでに20種類以上の異なるヌクレオソームコア粒子の構造が解かれており[23]、ヒストンバリアントを含むものや異なる生物種のヒストンも含むものも含まれている。ヌクレオソームコア粒子の構造は顕著に保存されており、カエルと酵母のヒストンは100残基以上が異なるが、全体での平均二乗偏差（RMSD）はわずか1.6 Åである[24]。

ヌクレオソームコア粒子

ヌクレオソームコア粒子には約146 bpのDNAが含まれ、ヒストンH2A、H2B、H3、H4各2コピーずつからなるヒストン八量体の周囲に左巻き超らせんで約1.67周分巻き付いている。隣接するヌクレオソームとは、リンカーDNAと呼ばれる拘束されていないDNAによって連結されている。リンカーDNAの長さは生物種や組織によって、10–80 bp程度と差がある[16]。ヌクレオソームコア粒子の全体構造は、直径11 nm、高さ 5.5 nmの円筒形である。

アポトーシスによるDNA断片化（英語版）。分解されたクロマチンが左のレーン、DNAマーカーが真ん中のレーンである。
ヌクレオソームの構成の模式図[25]
ヌクレオソームコア粒子の結晶構造PDB: 1EQZ​[26][27]

ヌクレオソームコア粒子は、間期のクロマチンを部分的にほどく処理を行った際に観察される。電子顕微鏡によって得られた像は、ひもでつながったビーズ（beads-on-a-string）のような形状をしており、ひもがDNA、ビーズ1つ1つがヌクレオソームコア粒子である。ヌクレオソームコア粒子はDNAとヒストンタンパク質から構成される[28]。

DNaseによるクロマチンの部分分解によって、ヌクレオソームの構造は明らかにされる。リンカー部分と比較してヌクレオソームコア粒子のDNAにはDNaseがアクセスしにくいため、DNAはヌクレオソーム間の距離の倍数に等しい長さの断片（180 bp、360 bp、540 bp、…）へと分解される。したがって、部分分解を行ったDNAのゲル電気泳動では、はしご（ラダー）状の非常に特徴的なパターンが観察される[25]。こうした分解はアポトーシス（プログラム細胞死）時など自然条件下でも生じる。

ヌクレオソーム内のタンパク質相互作用

コアヒストンタンパク質はヒストンフォールド（英語版）と呼ばれる特徴的な構造モチーフが含まれる。ヒストンフォールドは、2つのループ（L1–2）で隔てられた3本のαヘリックス（α1–3）から構成される。溶液中では、ヒストンタンパク質はH2A-H2Bヘテロ二量体とH3-H4ヘテロ四量体を形成する。ヒストンは長いα2ヘリックスをを介して逆平行方向に二量体化する。さらに2つのH3-H4二量体は、H3どうしの広範囲にわたる相互作用によって安定化された4ヘリックスバンドルを形成する。H2A-H2B二量体は、H4-H2B間の相互作用によってH3-H4四量体に結合する。H4-H2B間の相互作用には疎水的クラスターの形成が含まれる[10]。ヒストン八量体は中心となるH3-H4四量体が2つのH2A-H2B二量体の間に挟まれることで形成される。4種類のコアヒストンすべてが高い塩基性を有するため、ヒストン八量体はDNAの存在下か高塩濃度条件下でのみ安定である。

ヒストン-DNA間相互作用

ヌクレオソームには120か所以上の直接的なタンパク質-DNA間相互作用と、数百か所の水分子を介した相互作用が含まれている[29]。直接的なタンパク質-DNA間相互作用は八量体の表面に均等に分布しているのではなく、特定の部位に局在している。これは、八量体内では2種類のDNA結合部位が形成されるためである。α1α1部位では2つの近接するヒストンタンパク質のα1ヘリックスが利用され、L1L2部位はL1とL2のループによって形成される。側鎖の塩基性官能基やヒドロキシル基、主鎖のアミドがDNA骨格のリン酸基と塩橋や水素結合を形成し、DNAとの相互作用の大部分を担う。ヌクレオソームがゲノム上に遍在的に分布することを考えると、それが配列非特異的なDNA結合因子であることは重要である。ヌクレオソームは一部のDNA配列に対して選択性を示す傾向があるが[30]、実質的にはどのような配列にも結合することが可能である。これは水分子を介した相互作用の柔軟性のためであると考えられている。さらに、タンパク質の側鎖とデオキシリボースの間では非極性相互作用が形成され、DNAの副溝が八量体表面に面している14か所すべてでアルギニン側鎖がインターカレートしている。DNA結合部位の分布と結合強度はヌクレオソームコア内のDNAを変形させる。DNAの屈曲は一様ではなく、ねじれ欠陥（twist defect）を有する。溶液中のB型DNAではねじれは1ターンあたり10.5 bpである。しかし、ヌクレオソーム内のDNAの全体的なねじれは1ターンあたり10.2 bpであり、その値は9.4から10.9まで変動する。

ヒストンテールドメイン

ヒストンテールはヒストンの質量の最大30%を占るが、高度な柔軟性のためヌクレオソームの結晶構造では可視化されず、大部分は安定な構造を形成しないと考えられている[31]。ヒストンH3とH2BのN末端テールは2つのDNA鎖の副溝によって形成されるチャネルを通過し、20 bpごとにDNAから突出する。一方、ヒストンH4のN末端テールには高度に塩基性のアミノ酸が並んだ領域（16–25）が存在し、この領域は結晶構造中では他のヌクレオソームのH2A-H2B二量体の酸性表面領域との相互作用を形成しており、ヌクレオソームの高次構造の形成と関係している可能性がある。この相互作用は生理的条件下でも生じると考えられており、H4のテールのアセチル化はクロマチンの高次構造を歪めることが示唆される。

高次構造

現在のクロマチンの凝縮のモデル

細胞核内で観察されるDNAのパッケージングは、ヌクレオソームによるDNAの組織化だけでは十分に説明することはできない。さらなるクロマチンの凝縮が必要であるが、未だ理解は進んでいない。現在の理解[23]では、リンカーDNAで隔てられたヌクレオソームの反復単位はひもでつながったビーズ（beads-on-a-string）と表現される10 nm繊維を形成し、約5–10倍にパッキングされる[16]。さらにヌクレオソームの鎖は30 nm繊維へと配置される。この構造では約50倍に圧縮され[16]、その形成はヒストンH1の存在に依存している。

テトラヌクレオソーム（4ヌクレオソーム）の結晶構造が解かれ、それをもとに30 nm繊維の二条らせん（two-start helix）構造が提唱された[32]。このモデルは近年の電子顕微鏡データとは相容れず、いまだに一定の論争がある[33]。これ以上のクロマチンの構造についてはほとんど理解されていないが、古典的には、中心となるタンパク質の足場に沿って30 nmの繊維がループ状に配置され、転写活性のあるユークロマチンを形成すると考えられている。さらに圧縮されると、転写不活性なヘテロクロマチンとなる。

ダイナミクス

ヌクレオソームは非常に安定なタンパク質-DNA複合体であるが、静的な複合体ではなく、ヌクレオソームスライディング（nucleosome sliding）やDNA の自発的露出など、さまざまな構造的再構成が行われることが示されている。状況に依存して、ヌクレオソームは転写因子の結合を阻害したり促進したりする。ヌクレオソームの配置には3つの主要な要素の寄与によって制御されている。1つ目に、ヒストン八量体の結合親和性はDNA配列に依存する。2つ目に、ヌクレオソームは他のタンパク質因子の競合的結合によって除去されたり、協働的結合によってリクルートされたりする。3つ目に、ヌクレオソームはATP依存性リモデリング複合体によって移動される場合がある[34]。

ヌクレオソームスライディング

Bradburyの研究室によって、5S DNA上に再構成されたヌクレオソームは熱を加えることで近接配列へ移動して再配置されることが示された[35]。その後の研究では、この再配置にはヒストン八量体の解体は必要なく、ヌクレオソームはDNAに沿ってシスに「スライド」することが示された。さらに2008年には、CTCF結合部位がヌクレオソームの配置のアンカー部位として機能することが明らかにされ、さまざまなゲノムシグナルの解析の際のアラインメントに利用することで、隣接して位置する複数のヌクレオソームに関する情報を容易に得られるようになった[36]。ヌクレオソームは本質的に動きやすいものであるものの、真核生物はクロマチン構造を変化させるためにATP依存性クロマチンリモデリング酵素の大きなファミリーを進化させており、その多くはヌクレオソームスライディングを利用する。2012年、Beena Pillaiの研究室はヌクレオソームスライディングが大規模な組織特異的な遺伝子発現の機構の1つである可能性を示した。この研究では、特定の組織で発現している遺伝子の転写開始部位にはヌクレオソームが存在しないが、その遺伝子が発現していない他の組織ではヌクレオソームが結合していることが示された[12]。

DNAの露出

Widomの研究室の研究によって、ヌクレオソームのDNAは巻き付いた状態と巻き付いていない状態の平衡にあることが示された。時間分解FRETを用いたその速度の測定によって、ヌクレオソーム内のDNAは約250 msの間完全に巻き付いた状態が維持された後に自発的にほどけ、10–50 ms以内に再び巻き付くことが明らかにされた[37]。このことは、DNAをヌクレオソームから能動的に解離させる必要はなく、完全にアクセス可能な時間がかなりあることを意味している。実際、ヌクレオソーム内のDNAにDNA結合タンパク質の結合配列を導入すると、そのタンパク質がDNAに結合して隣接領域のアクセス性が高まるという観察結果が得られている[38]。このようなヌクレオソーム内のDNAが「呼吸」する傾向は、クロマチン環境で動作するすべてのDNA結合タンパク質にとって重要な機能的影響をもたらす。特に、ヌクレオソームの動的な「呼吸」は、転写伸長時のRNAポリメラーゼIIの前進の制限に重要な役割を果たしている[39]。

ヌクレオソームを含まない領域

活発な遺伝子のプロモーターには、ヌクレオソームを含まない領域（nucleosome free region、NFR）が存在する。それによってプロモーターDNAに転写因子などさまざまなタンパク質がアクセスできるようになる。一般的に出芽酵母Saccharomyces cereviaeでは、NFRは約200ヌクレオチドにわたって存在している。安定した位置にあるヌクレオソーム（well-positioned nucleosome）がNFRの境界を形成する。こうしたヌクレオソームは+1-ヌクレオソーム、−1-ヌクレオソームと呼ばれており、転写開始部位からそれぞれ下流、上流の一定の距離に位置している。+1-ヌクレオソームとその下流のいくつかのヌクレオソームにはヒストンバリアントH2A.Z（英語版）が組み込まれている傾向がある[40]。

ヌクレオソーム構造の調節

真核生物のゲノムはクロマチンを形成しているが、細胞は大量のクロマチンとは無関係に特定の遺伝子座を空間的・時間的に調節する必要がある。DNA複製、修復、転写などの核内過程の調整に必要な高いレベルの制御を達成するため、細胞はクロマチンの構造と機能を局所的・特異的に調節するさまざま手段を発達させている。これには、ヒストンの共有結合修飾、ヒストンバリアントの組み込み、ATP依存的リモデリング酵素による非共有結合的な再構成などがある。

ヒストンの翻訳後修飾

ヒストンテールと、クロマチン形成におけるその機能

ヒストン修飾は1960年代半ばに発見されて以降、転写に影響を与えることが予測されてきた[41]。初期に発見された翻訳後修飾の大部分はヌクレオソームのコアから突出したテール部分に集中していたことから、ヒストン修飾の機構に関する2つの主要な仮説が導かれた。1つ目の仮説は、ヒストン修飾はヒストンテールとDNAの間の静電的相互作用に影響を与え、クロマチン構造を緩めるというものである。その後、こうした修飾は他のタンパク質をリクルートするための結合エピトープを形成するという仮説が提唱された[42]。近年、ヒストンの構造領域にも多くの修飾が発見されており、こうした修飾がヌクレオソームコア内部のヒストン-DNA間相互作用[43]やヒストン-ヒストン間相互作用[44]に影響を与えることが提唱されている。アセチル化やリン酸化など、ヒストンコアの電荷を減らす修飾はコアとDNAの結合を緩めることが予測される。その影響の大きさはコア内の修飾の位置に依存している[45]。一部の修飾は遺伝子のサイレンシングと相関しており、他のものは遺伝子の活性化と相関しているようである。一般的な修飾としては、リジンのアセチル化、メチル化、ユビキチン化、アルギニンのメチル化、セリンのリン酸化である。このようにして保存された情報は、DNAにはコードされていないものの娘細胞に遺伝するため、エピジェネティックな遺伝とみなされる。遺伝子の抑制状態や活性化状態の維持は、細胞分化の過程で必要となることが多い[16]。

ヒストンバリアント

ヒストンは進化の過程で顕著に保存されているが、いくつかのバリアントが同定されている。このヒストンの機能の多様化はH2AとH3にほぼ限られており、H2BとH4はほぼ不変である。H2AはH2A.Z（ヌクレオソームの安定性の低下をもたらす）またはH2A.X（DNA修復やT細胞の分化と関係する）によって置き換えられる場合があり、哺乳類の不活性化X染色体にはmacroH2A（英語版）が多く存在する。H3はH3.3（活発な遺伝子や調節エレメントと相関する）に置き換えられる場合があり、セントロメアではH3はCENPAによって置き換えられる[16]。

ATP依存性ヌクレオソームリモデリング

多数の異なる反応がATP依存性クロマチンリモデリングという用語で呼ばれている。リモデリング酵素は、ヌクレオソームをDNAに沿ってスライドさせたり[46]、H2A-H2B二量体を不安定化する程度にヒストン-DNA間の接触を妨げたり[47][48]、DNAとクロマチンに負の超らせんねじれを形成したりする[49]。近年では、Swr1リモデリング酵素がヒストンバリアントH2A.Zをヌクレオソームに導入することが示されている[50]。現時点では、これらが異なる反応であるのか、それとも共通の機構から生じた異なる結果であるだけなのかは明らかではない。これらの過程すべてに共通し、そしてATP依存性クロマチンリモデリングの特徴となるのは、DNAへのアクセスに変化が生じるということである。

In vivoでの遺伝子活性化[51]やin vitroでのリモデリング[52]の観察から、クロマチンリモデリングと転写因子の結合は本質的に定期的かつ周期的に生じる現象であることが明らかにされている。このことがクロマチンリモデリングの反応機構に与える影響は明らかではないが、システムの動的な性質は外部からの刺激への迅速な応答を可能にしている。近年の研究では、マウスの胚性幹細胞の発生過程でヌクレオソームの位置は大きく変化し、こうした変化は発生に関係した転写因子の結合と関係していることが示されている[53]。

酵母ゲノム内での動的なヌクレオソームリモデリング

2007年の研究では、酵母ゲノム中のヌクレオソームの位置の一覧が作成され、プロモーター領域や複製起点ではヌクレオソームが失われていることが示された[54][55][56]。酵母ゲノムの約80％はヌクレオソームで覆われているようであり[57]、ヌクレオソームの位置には転写の調節領域、転写される領域、DNA複製を開始する領域などと関係した特有のパターンが観察された[57][58]。最近では、ゲノム全体での転写リプログラミング時のヌクレオソーム配置の動的な変化を調べる研究が行われ、出芽酵母Saccharomyces cerevisiaeのゲノム全体でのヌクレオソームの位置変化が明らかにされた[59]。その結果からは、プロモーター領域に局在していたヌクレオソームは、熱ショックなどのストレスに応答して位置が変化することが示唆された。さらに、ヌクレオソームの除去は転写の活性化に、ヌクレオソームの置換は転写の抑制に対応しており、これらはおそらく転写因子の結合部位がアクセスしやすくなったりしにくくなったりするためである。一般的には、プロモーター上の1つか2つのヌクレオソームが再配置されるだけで、こうした転写の変化がもたらされる。しかし、転写変化を伴わない染色体領域でもヌクレオソームの配置変化は観察されており、DNAがヌクレオソームで覆われていたりいなかったり、ということがが必ずしも転写と関連した現象を引き起こすわけではないことが示唆された。また、ヌクレオソームのない領域の保護にはHMGBタンパク質が大きな役割を果たしていることが示唆された[60][61]。

In vitroでのヌクレオソームの組み立て

ヌクレオソームの組み立ての模式図

ヌクレオソームは、精製された天然のヒストンまたは組換えヒストンのいずれかを用いてin vitroで組み立てることができる[62][63]。ヒストンの周囲にDNAを巻きつかせる標準的技術は、脱塩透析を用いるものである。ヒストン八量体と裸のDNAを2 Mの塩濃度の反応溶液で共にインキュベートし、塩濃度を徐々に低下させることで、DNAはヒストン八量体の周囲に巻きついた状態に平衡化され、ヌクレオソームが形成される。適切な条件下でこの再構成過程を行うことによって、特定の配列のヌクレオソーム配置親和性の実験的マッピングを行うことができる[64]。

ジスルフィド架橋されたヌクレオソームコア粒子

近年、部位特異的ジスルフィド架橋によって安定性が向上したヌクレオソームコア粒子を生産することが可能となっている[65]。ヌクレオソームコア粒子には2つの異なる架橋が導入可能である。1つ目はH2AにN38Cの変異を導入することで2つのH2Aの間を架橋するもので、ヌクレオソーム再構成時のH2A-H2B二量体の喪失に対して安定となる。2つ目はH3のN末端テールとヌクレオソームのDNAの末端に導入した改変ヌクレオチドとの間の架橋である[66]。DNA-ヒストン八量体間の架橋は、非常に低い粒子濃度や高い塩濃度でのDNAの解離に対して安定となる。

In vivoでのヌクレオソームの組み立て

ヌクレオソームの組み立てのステップ

ヌクレオソームは周囲にDNAが巻き付いたヒストンタンパク質から構築される、DNAのパッキングの基本的単位である。ヌクレオソームはより高次のクロマチン構造の形成のための足場となるとともに、遺伝子発現制御の1つの階層を形成している。DNA複製の過程で解体されたヌクレオソームは、複製フォークの後ろで、新たに合成されたDNA上に迅速に組み立てられる。

H3とH4

古いヌクレオソームから解体されたヒストンH3とH4は近接して存在し続け、新たに合成されたDNA上にランダムに分布する[67]。これらは3つのサブユニット（p150、p60、p48）からなるCAF-1（英語版）（chromatin assembly factor 1）複合体によって組み立てられる[68]。一方、新しく合成されたH3とH4は、RCAF（replication coupling assembly factor）によって組み立てられる。RCAFにはASF1（英語版）サブユニットが含まれ、新しく合成されたH3とH4に結合する[69]。古いH3とH4ではその化学修飾は保持されており、エピジェネティックな特徴の継承に寄与する。新しく合成されたH3とH4は、クロマチンの成熟の過程でさまざまなリジン残基が徐々にアセチル化される[70]。また、新たなヌクレオソームに組み込まれた古いH3とH4は、ヒストン修飾酵素をリクルートして新しいヒストンに標識を付加することで、エピジェネティックな記憶に寄与する。

H2AとH2B

古いH3やH4の場合とは対照的に、古いH2AとH2Bは放出されて分解される。そのため、新たなヌクレオソームには新たに組み立てられたH2AとH2Bが組み込まれる[71]。H2AとH2Bは二量体へと組み立てられ、その後NAP-1（nucleosome assembly protein-1）によってヌクレオソームにロードされる。NAP-1はヌクレオソームスライディングも補助する[72]。また、ヌクレオソームはIsw1、Ino80やChd1（英語版）などの酵素を含むATP依存性ヌクレオソームリモデリング複合体によって配置され、その後、高次構造へと組み立てられる[73][74]。

ギャラリー

ヌクレオソームコア粒子の結晶構造（PDB: 1EQZ​）[26][27] - 3つの異なる方向から見たヒストンのフォールディングと構成。それぞれH2A、H2B、H3、H4、DNAと色付けされている。

出典

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参考図書

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  • B. Alberts他 著（中村桂子・松原謙一 監訳）『Essential 細胞生物学 第3版』南江堂、2011年。 
  • 平岡泰・原口徳子 編『染色体と細胞核のダイナミクス』化学同人、2013年。 
  • 平野達也・胡桃坂仁志 編（実験医学増刊号）『教科書を書き換えろ！染色体の新常識』羊土社、2018年。 

関連項目

外部リンク

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