平成２６年５月３０日 日本口腔衛生学会

シンポジウム

エピジェネティクス

大阪大学大学院

生命機能研究科 時空生物学

医学系研究科 幹細胞病理学

仲野 徹

－ゲノムに上書きされた情報－

エピジェネティクス入門

エピジェネティクスとは何か？

エピジェネティクスの物質基盤

エピジェネティクスの関係する生命現象

エピジェネティクスの医学への応用

エピジェネティクスの将来像

「あいのこ」の不思議：ラバとケッテイ、タイゴンとライガー

http://www.fs.fed.us/r2/psicc/index.shtml

http://www.bio.miami.edu/dana/pix/hinny.jpg

ラバ

ケッテイ

Mule

Hinny

♂ ウマ × ♀ ロバ

♂ ロバ × ♀ ウマ

♂ ライオン × ♀ トラ

♂ トラ × ♀ ライオン

http://api.ning.com/

タイゴン Tiglon

ライガー Liger

http://www.snopes.com

ゲノムインプリンティングの発見

核移植

核移植

単為発生

単為発生胚

雌核発生胚

正常胚

雄核発生胚

胎仔 胎盤

胎生致死

胎生致死

受精

母親由来の核 ＝ maternal genome

父親由来の核 ＝ paternal genome

Azim Surani Davor Solter

The Barker Hypothesis

Studies in humans have shown that men and women whose birth weights were at the lower end of the normal range,

who were thin or short at birth, or who were small in relation to placental size have increased rates of coronary heart

disease. Barker DJ, BMJ, 1995

Exposure to famine during gestation resulted in increases in impaired glucose tolerance, obesity, coronary heart

disease, atherogenic lipid profile, hypertension, microalbuminuria, schizophrenia, antisocial personality and

affective disorders. Exposure to famine during childhood resulted in changes in reproductive function, earlier

menopause, changes in insulin-like growth factor-I and increases in breast cancer.

The Dutch Famine of 1944-1945:

a pathophysiological model of long-term consequences of wasting disease.

Fetal origins of coronary heart disease.

Kyle UG, Pichard C., Curr Opin Clin Nutr Metab Care, 2006

倹約表現型

エピジェネティックス制御

Nature 2006

“epi” = on, after, in addition

DNA 塩基配列によらない表現型や遺伝子発現の変化

"the study of the mechanisms of

temporal and spatial control of gene

activity during the development of

complex organisms"

“how genes might interact with their

surroundings to produce a phenotype”

DNAメチル化

ヒストン修飾

エピジェネティクス制御 における二つの分子基盤

Epigenesis（後生説） → Epigenetics

“ＤＮＡの塩基配列の変化を伴わずに、 染色体における変化によって生じる、安定的に受け継がれうる表現型”

エピジェネティック・ランドスケープ

Conrad Waddington

(1905-1975)

全能性

細胞

筋肉細胞 神経細胞 血液細胞

核移植によるリプログラミング （初期化）

Gurdon and Colman, Nature 1999

iPS 細胞

エピジェネティック・ランドスケープ

Conrad Waddington

(1905-1975)

全能性

細胞

筋肉細胞 神経細胞 血液細胞

・ 体細胞核移植 ： ドリー

・ iPS 細胞

・ STAP 細胞？？？

エピジェネティックス制御

Nature 2006

“epi” = on, after, in addition

DNA 塩基配列によらない表現型や遺伝子発現の変化

"the study of the mechanisms of

temporal and spatial control of gene

activity during the development of

complex organisms"

“how genes might interact with their

surroundings to produce a phenotype”

DNAメチル化

ヒストン修飾

エピジェネティクス制御 における二つの分子基盤

Epigenesis（後生説） → Epigenetics

“ＤＮＡの塩基配列の変化を伴わずに、 染色体における変化によって生じる、安定的に受け継がれうる表現型”

遺伝子の発現 ： セントラルドグマ

transcription

translation

遺伝子の発現 制御機構

転写因子

エピジェネティックス制御

Nature 2006

“epi” = on, after, in addition

DNA 塩基配列によらない表現型や遺伝子発現の変化

"the study of the mechanisms of

temporal and spatial control of gene

activity during the development of

complex organisms"

“how genes might interact with their

surroundings to produce a phenotype”

DNAメチル化

ヒストン修飾

エピジェネティクス制御 における二つの分子基盤

Epigenesis（後生説） → Epigenetics

“ＤＮＡの塩基配列の変化を伴わずに、 染色体における変化によって生じる、安定的に受け継がれうる表現型”

ヒストンコード ： ヒストンテールの修飾

Grewal et al, Science, 2003

ヘテロ八量体

アセチル化

メチル化

ヒストン修飾 ヒストンアミノ酸残基 転写への影響

アセチル化リジン H3 (9, 14, 18, 56), H4 (5, 8, 12, 16), H2A, H2B 活性化

リン酸化セリン/スレオニン H3 (3, 10, 28), H2A, H2B 活性化

メチル化アルギニン H3 (17, 26), H4 (3) 活性化

メチル化リジン H3 (4, 36, 79) 活性化

H3 (9, 27), H4 (20) 抑制化

ユビキチン化リジン H2B (120) 活性化

H2A (119) 抑制化

N-S G R G K Q G C K A R A K… …K T E S H H K A K G K…-C 1 5 9 13 119 120

H2A

H2B

H3

H4

P P ub1 ac ac ac

N-P E P A K S…K G S K K…K A… …K A V T K Y T S S K…-C 12 5 14 20 120

P ub1 ac ac ac

15

ac

N-A R T K…R K S T…K…R K…K…R K S…K…K…K… 8 2 9 11 56 10 3 4 14 23 26 28 36 17 18 27 79

N-S G R G K G G K G L G K G G A K R H R K V… 8 1 3 5 20 12 16

P ac ac ac ac me me

P ac ac ac me me me ac me P

ac me ac me

me P P me

me ac

ヒストンの化学的修飾

ヒストンのアセチル化による転写の活性化 ： １

HDAC：Histone de-acetylase

ヒストン脱アセチル化酵素

HAT：Histone acetyl transferase

ヒストンアセチル転移酵素

http://www.ishiyaku.co.jp/magazines/ayumi/images/article/11853_02.jpg

ヒストンのアセチル化による転写の活性化 ： ２

書き手 消し手 読み手

ヒストンのメチル化による転写の制御

H3K4 H3K9 H3K27 H3K79

モノメチル化 活性化 活性化 活性化 活性化

ジメチル化 抑制化 抑制化 活性化

トリメチル化 活性化 抑制化 抑制化 活性化

アセチル化 活性化 活性化

(Bhaumik SR et al., Nat Struct Mol Biol, 11:1008, 2007)

Covalent modifications Enzymes

H3K4 methylation SET7/9, MLL, Smyd3

H3K9 methylation SUV39H1&H2, G9a, SETDB1, Ash1

H3K27 methylation EZH2

H3K36 methylation SETD2/HYPB, NSD1

H3K79 methylation DOT1L

H3K14 acetylation TAF1, CREBBP&p300, MOZ&MORF, PCAF&hGcn5

H3K18 acetylation CREBBP&p300

H3K18 acetylation CREBBP

H4K5 acetylation p300, Tip60, HBO1

H4K8 acetylation p300, Tip60, HBO1

H4K12 acetylation CREBBP&p300, Tip60, HBO1

H2AK119 ubiquitination Ring1B

H3K4me demethylase LSD1 (me2, me1), JARID1A&1B&1C (me3, me2)

H3K9me demethylase LSD1 (me2), JHDM2&JHDM3 (me2, me1)

H3K27me demethylase UTX, JMJD3 (me3, me2)

H3K36me demethylase JHDM1 (me2, me1), JHDM3 (me2, me1)

ヒストン修飾とその酵素

DNAメチル化

DNAメチル化酵素

DNA methyl transferase

（Dnmt） シトシン ５－メチル化シトシン

5’ 3’ - - C G 3’ 5’ - - G C

m

-

m

-

5’ 3’ - - C G 3’ 5’ - - G C

DNA複製 DNA複製

“受動的脱メチル化”

維持メチル化

Dnmt1

m

5’ 3’ - - C G 3’ 5’ - - G C

-

5’ 3’ - - C G 3’ 5’ - - G C

m

-

m

5’ 3’ - - C G 3’ 5’ - - G C

-

de novo メチル化 Dnmt3

Klose RJ. and Bird AP., Trends Biochem Sci. (2006)

DNAメチル化による転写の阻害

転写因子結合を阻害

DNAメチル化認識タンパクを 介した抑制

エピジェネティクスのキモ

・我々の体には、およそ２万個の遺伝子がある。

・２００種類あまりの細胞があり、すべての細胞でゲノムは同じであるが、

それぞれの細胞には、細胞に固有の遺伝子発現パターンがある。

・その遺伝子発現を制御しているのがエピジェネティクスである。

・エピジェネティクスにはヒストン修飾とＤＮＡメチル化がある。

・ヒストンがアセチル化されると、遺伝子発現は活性化される。

・DNAがメチル化されると、遺伝子発現は抑制される。

『ヒストンのアセチル化』 と 『DNAメチル化』 のキモ

ヒストンのアセチル化もDNAのメチル化も 薬剤で変えることができる！

ヒストン脱アセチル化酵素（HDAC）阻害剤

脱アセチル化を阻害する ＝ マイナス × マイナス でプラスに

ヒストンのアセチル化が亢進する

遺伝子発現が活性化される

DNAメチル化状態が低下する

遺伝子発現が活性化される

DNAメチル化阻害剤 （アザシチジン）

太郎は花子が好き

花子は太郎がきらい

太郎と次郎は喧嘩した

太郎は花子にふられた

次郎と花子は結婚した

太郎と次郎は友だち

次郎は太郎をなぐさめた

花子は次郎が好き

太郎は花子が好き

花子は太郎がきらい

太郎と次郎は喧嘩した

太郎は花子にふられた

次郎と花子は結婚した

太郎と次郎は友だち

次郎は太郎をなぐさめた

花子は次郎が好き

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花子は太郎がきらい

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太郎は花子にふられた

次郎と花子は結婚した

太郎と次郎は友だち

次郎は太郎をなぐさめた

花子は次郎が好き

太郎は花子が好き

花子は太郎がきらい

太郎と次郎は喧嘩した

太郎は花子にふられた

次郎と花子は結婚した

太郎と次郎は友だち

次郎は太郎をなぐさめた

花子は次郎が好き

活性的付箋 ＝ 読み取る

抑制的付箋 ＝ 読まない

○○○ 伏せ字 ＝ 読めない

付箋と伏せ字によるエピジェネティクスのたとえ

いろいろな生命現象におけるエピジェネティクスの関与

アサガオの雀斑 女王バチへの成長 プレーリーハタネズミの

一夫一婦制

『かわいがりかた」による

ストレス応答への影響 記憶と学習

ＨＤＡＣ阻害剤による『一夫一婦制』の促進

http://knowingneurons.com オキシトシン受容体、バソプレッシン受容体の発現亢進

ＤＮＡメチル化の阻害で女王になる

http://www.hindawi.com/journals/gri/2012/609810/fig2/

ロイヤルゼリー

新規DNAメチル化の阻害

新生仔期の「かわいがられ方」とストレス反応

かわいがられる

海馬における

セロトニンの増加

コルチゾール受容体

のDNAメチル化低下

コルチゾールによる

フィードバックの亢進

視床下部―下垂体―副腎系

Disease

Locus

/protein Main genetic defect Molecular phenotype

Angelmann syndrome 15q11-

q13

Deletions, UPD, IC methylation abnormalities

Loss of imprinting (LOI)

Prader-Willi syndrome 15q11-

q13

Deletions, UPD, IC methylation

abnormalities

LOI

Beckwith-Wiedman

syndrome

11p15.5 Deletions, UPD, IC methylation

abnormalities

LOI

ICF syndrome * DNMT3B Point mutations Genomic hypomethylation

Rett syndrome MeCP2 Point mutations

Fragile X syndrome FMR1 CGG repeat expansion, CGG and

promoter methylation

Protein inactivation,

promoter silencing

ATR-X ATR-X Point mutations, splicing alteration

FSHD 4qter?

エピジェネティック制御の関与する疾患

Scarano et al, J Cell Physiol, 2005

* Immunodeficiency, Centromeric region instability, and Facial anomalies syndrome

DNA メチル化と発がん

中心体周辺の

ヘテロクロマチン

（高メチル化状態）

がん抑制遺伝子

プロモーター

（低メチル化状態）

低メチル化 高メチル化

中心体

悪性腫瘍

染色体組換え

遺伝子不安定 癌抑制遺伝子の発現抑制

Sigma-Aldrich 社 HP から改

Exome sequencing identifies somatic mutations of DNA

methyltransferase gene DNMT3A in acute monocytic leukemia

新規 DNA メチル化酵素の異常と急性骨髄性白血病

Yan et al, Nature Genetics, 2011

- MDS （骨髄異形成症候群）と CTLC （皮膚T細胞リンパ腫）の治療 -

5-azacytidine decitabine

（5-aza-2’-deoxy-cytidine）

DNA メチル化阻害剤 ヒストン脱アセチル化阻害剤

SAHA

DNA メチル化の低下 ヒストンアセチル化の上昇

エピジェネティクス創薬の成功例

など

ターゲット遺伝子の発現上昇？

他の疾患への適応可能性

他のヒストン修飾酵素阻害剤の可能性

"Epigenomes are changeable, programmable and will feed us

the bottom line on how the genome works" Rob Martienssen

"The human genome is singular and finite, but the human epigenome is almost infinite

- the epigenome changes in different states and different tissues" Philip Avner

エピジェネティクスからエピゲノムへ

at a cost of $100,000

Nature, 2009

エピジェネティクス辞典：羊土社

エピジェネティクス関連論文の急激な増加

発生・分化、老化、疾患とエピジェネティクス

２． リプログラミング

クローン動物、iPS 細胞作出でのエピジェネティクス変化。

エピジェネティック操作によるリプログラミング効率の向上。

１． 発生・分化

細胞分化はエピジェネティクス制御そのものである。

まずは２００種類ある細胞のエピゲノム解析。

どのようにしてエピジェネティックプログラムが進行するのか。

３． がん

発生・進展に関与。

エピジェネティック創薬へ。

DNA の全体的な低メチル化と特定の部位の高いメチル化。

エピジェネティックスを利用した新しい診断法の開発。

予防の可能性。

４． 生活習慣病、精神疾患、老化など

状況証拠の存在。 Baker’s Hypothesis

どの組織でどのような異常が原因なのか。

一卵性双生児データベースの活用。