カイコ分散型動原体の謎

誌名誌名 蚕糸・昆虫バイオテック = Sanshi-konchu biotec

ISSNISSN 18810551

著者著者 門, 宏明

巻/号巻/号 81巻3号

掲載ページ掲載ページ p. 175-179

発行年月発行年月 2012年12月

農林水産省 農林水産技術会議事務局筑波産学連携支援センターTsukuba Business-Academia Cooperation Support Center, Agriculture, Forestry and Fisheries Research CouncilSecretariat

蚕糸ー昆虫バイオテック 81(3)、175-179 (2012) SANSH卜KONCHUBIOTEC

ト特集fカイコ染色体研究のトω ス」 ト

カイコ分散型動原体の謎

酬米田川町二、「斗山?に山U

く

o一∞

4

Z0・ω

門宏明*九州大学大学院農学研究院

Melters et al.， 2012)。しかし，分子生物学的な解析はあ

まり行われておらず¥分散型動原体染色体の形成機構や

機能については未解明な部分が多い。近年，カイコゲノ

ムの解読や細胞生物学的な手法，および次世代シーケン

サーを始めとするハイスルーフットな実験系の発達によ

り，未着手な領域の研究の敷居が低くなっている。まだ

手探りで研究を行なっている過程ではあるが，本稿では

現在明らかとなりつつあるカイコ分散型動原体について

紹介したい。

ヒトをはじめとする真核生物では，動原体の基本的な

構造は保存されていると考えられている。動原体を形成

するタンパク質群を大きく分けると.CCAN (constitutive

centromere associated network)とよばれる動原体の内側

に存在するもの (innerkinetochore)と.CCANと微小管

を仲介している Mis12!Ndc80/KNLl (KMN Network) な

どの一群 (outerkinetochore)に分けられる(図 18)。こ

れまでの研究により，出芽酵母の動原体は 5MOa以上

のタンパク質複合体であると予測されており (OeWulf

et al.， 2003). 非常に多くのタンパク質群が決められた場

所に集ま り動原体を構築している。

カイコは古くから分散型動原体染色体をもっ生物とし

て知られているが，カイコ動原体マーカータンパク質が

ないために，動原体を可視化する ことができず，カイコ

の動原体が染色体のどのような位置に存在しているの

か，動原体一微小管の相互作用がどのように確立されて

いるのかなどを解析することは困難であった。また， 図

18で示すよ うな動原体の一番内側に存在する タンパク

質 (innerkinetochore)は総じて種聞のホモロジーが低く，

カイコ動原体タンパク質2.

はじめに

細胞分裂期における染色体の均等分配は，生命の連続

性の維持に不可欠な現象であり，複製されたゲノムの分

配という基本的メカニズムは 原核生物から真核生物に

至るまで保存されている。

真核生物では，染色体は線状の 2本鎖 ONA構造をも

ち，両極から伸長した微ノト菅が，染色体の動原体に結合

し，両極ヘヲ|っ張る ことで、染色体の分配を行なっている。

この染色体分配のプロセスは， ダイナミ ックであり ，か

つ正確性が必要な過程であり， 多くのタンパク質が協調

しあって働いている。動原体は セントロメア ONA領

域上に複数のタンパク質複合体によって構成されてお

り，近年，高等真核生物においても動原体構成タンパク

質群の同定 ・解析が進んでいる (Przewlokaand Glover，

2009)。一般に，動原体研究は l染色体に lつの動原体

をもっ局在型動原体を中心に行われており，モデル生物

(酵母，ニワトリ，アフリ カツメガ、エル，ヒト)でよく

研究されている。 一方 1本の染色体上に複数の動原体

を有する染色体をもっ生物も存在し，その中では線虫や

植物をモデルとして研究が行われている(図 lA)

(Maddox et al.， 2004; Nagaki， 2005)。毘虫の中で，カイコをはじめとする鱗趨目や，毛麹目，

半麹目は，線虫と同様の分散型動原体染色体と呼ばれる

染色体を持つことが知られている (d'Alenconetal.， 2011;

1.

175

蚕学分野

*〒812-8581 福岡市東区箱崎 6丁目 10-1九州大学大学院農学研究院農業生物資源、学講座E-mail: mhiro@agr.kyushu-u.ac.jp Tel: 092-642-2842 Fax: 092-642-2842

SANSHI-KONCHU BIOTEC Vol.81 No.3

(A)

(8)

(C)

Monocentric chromosome

Outer kinetochore

DNA

図 1. (A)局在型動原体と分散型動原体(8)動原体構造のモデル(C)力イコ分散型動原体の様子

Holocentric chromoso町le

動原体

Centromere

INCENP Merge

抗 BmINCENP抗体を用いて，カイコ培養細胞 BmN4の蛍光免疫染色を行った。DNA(マゼンタ)， BmlNCENP (緑)

ゲノム情報が乏しい時代にはアミノ酸配列からの動原体

タンパク質を単離するのは困難であったと考えられる。

我々は，カイコ動原体の研究を始めるにあたり ，まず

176

重力原体のマーカーとなりうるタンパク質の探索に着手し

た。他生物の動原体タンパク質をもとに 8LAST検索を

行い，動原体形成に関わる候補遺伝子をピックアップし

線虫やショウジョウパエとは異なり，いく つかの CCAN

をもっていると考えられる。Cenp-SとCenp-Xは，

トン様のヘテロ二量体を形成することが分かっている

が，遺伝子ノックダウンを行っても顕著な表現型は見ら

れなかったo Cenp-S とCenp-Xの複合体は， DNA損傷

修復に関与していることが報告されているが，カイコに

おける役割は明らかにされていない CSinghet al.， 2010;

Yan et al.， 2010)。近年， Cenp-T，ぷ1，-S，および-xの複合体がセントロメアにおいて ヒストン様の構造をと

り，Cenp-Aとは異なる働きを していることが示された

CN凶linoet al.， 2012)。

さらに， 姉妹染色分体のセントロメア領域(インナ一

セントロメア)に局在し， 微ノト管と動原体との結合およ

び染色体の 2方向性結合の確立に重要な，染色体パッセ

ンジャー複合体 Cchromosomepassenger compl巴x) に着

した。細胞周期 M 期の前中期における，染色体パッセ

ンジ、ヤー複合体のひとつである INCENPは，カイコ染

色体の全体に局在する様子が観察された。このことから，

カイコ染色体が分散型動原体をもっていることが確認さ

れただけではなく， INCENPがカイコ分散型動原体の局

在を観察する上で有用なマーカーになる ことが考えられ

た (図 IC)。

ヒス

た。次に，それら遺伝子がほんと うに動原体形成因子と

して働いているか否かを調べるために，カイコ培養細胞

を用いて，問Ai法による遺伝子機能阻害実験を行い

染色体動態を観察した。もし阻害された因子が動原体構

築に重要な遺伝子であれば¥ 発現抑制されると M 期に

おいて染色体の分配異常が生じると予想される。カイコ

培養細胞は，長年の培養過程により，高度に倍数化して

おり，染色体数も多く， 染色体解析に適している とは言

い難いが，近年，我々が構築した BmN4-SlDl細胞 CBmN4

に線虫の SlD-l遺伝子を強制発現させたもの)は培地中

にdsRNAを添加するだけで ほぼすべての細胞に RNAi

が誘導できるという利点があり ，我々は分散型動原体の

解析に培養細胞 BmN4を用いている CKobayashiet al.，

2012; Mon et al.， 2012)。

現在までに， いく つかの CCANCCenp-I， L， M ， N， s， X)， および outerkinetochore因子である Misl2，Ndc80， KNLl

などを同定している(図 2，赤字)。線虫やショウジョ

ウパエでは， Cenp-C以外の CCANは報告されておらず，

比較的シンプルな動原体である ことが示唆されている

CPrzew loka et al.， 2011; Screpanti et al.， 2011)。一方，カイ

コではいくつかの CCAN構成因子が保存されており，

その中の Cenp-l，Cenp-N， Cenp-Lをノック ダウンする

と染色体分離に重篤な影響がでることから，カイコは，

O同hologsin BmN4でのRNAi

による表現型

動原体関連

タンパク質Subcomplex ヒトショウジョウパヱ線虫

Cenp-A

Cenp-C

Cenp-I

Cenp-L

Cenp-M

Cenp-N

Cenp-S

Cenp-X

Cenp-T

Cenp-W

Cid

Cenp-C

HCP-3

HCP-4

Chromosome misalignlCytokinesis

Chromosome misalign

Weak chromosome misalign

Chromosome misalign

None

None

Cenp-A

Cenp-C

Cenp-I

Cenp-L

Cenp-M

Cenp-N

Cenp-S

Cenp-X

Cenp-T

Cenp-W

CCAN

(Constitutive centromere associated netwo出)

酬川か・悶川町二、「斗中心山U

MIS12 DSN1 NSL1 NNF1

MIS-12 KNL-3 KBP-2 KBP-1

Chromosome misalign 司ζ1

1

l

sn円

引

-lssn

M附

nuM川

M川

NDC-80 HIM司10KBP-4 KBP司3

NDC-80 HIM-10 KBP-4 KBP-3

Chromosome misalign Chromosome misalign

0

4

5

00内

4内JL

内JL

件

h'e

，PUFu

duunvnv

M川

M同

C汀VCJV

Mis12 complex

Ndc80 complex

く

o一・∞4

KNL 11Blinkin

INCENP Aurora-B Boralin Survivin

Spc105

INCENP Aurora-B Boralin Survivin

KNL・1

INCENP Aurora-B Boralin Survivin

None

Chromosome misalign/Cytokinesis Chromosome mis剖ignlCytokinesisChromosome misalign/Cytokinesis Chromosome misalign/Cytokinesis

KNL1

INCENP Aurora-B Boralin Survivin

Chromosome

passenger co町、plex

zoω

177

図 2 モデル生物における主要な動原体構成因子とそれらのカイコホモログ当研究室で同定 ・解析中のものは赤字で示した。

SANSHI-KONCHU BIOTEC Vo1.81 NO.3

3.カイコ分散型動原体の謎

カイコにおける動原体研究の難しさの要因として，セ

ントロメア特異的ヒストン H3である Cenp-A，および

動原体形成に重要である Cenp-Cがまだ同定されていな

いことがあげられる。 Trypanosomαburuceiでは， Cenp-A

様のヒストン H3バリアントは生存には必須ではなく，

ミニ染色体分離にも必要ないことが報告されており，こ

のヒストンは他生物で報告されているようなセントロメ

ア特異的ヒストンではない (Lowelland Crossヲ2004)。こ

のことから，カイコ Cenp-Aホモログが存在しない可能

性も考えられる。あるいは，すでに存在が知られている

ヒストン H3分子種がセントロメア特異的なエピジ、エネ

ティク修飾・制御をうけてセントロメアに局在している

かもしれない。また，前述のようにセントロメアに局在

するヒストン様タンパク質 Cenp-T川もカイコゲノムか

らは見いだ、せなかった。カイコでは， DNAに直接結合

する動原体因子が，これまで動原体研究が行われてきた

モデル生物とは異なる可能性が大きい。

分散型動原体では，染色体とスピンドル微小管の結合

部位が他生物よりもはるかに多いことから，複雑でエ

ラーを起こしやすいことが推察される。動原体と微小管

の結合に関する研究は，動原体研究の重要な研究課題で

あるが，分散型動原体を用いた研究はあまり行われてい

ない。生物は，動原体とスピンドル微小管の結合を監視

するシステム(スピンドルチェックポイント)をもって

おり，不備があると細胞周期を遅らせて染色体分離異常

を防いでいる。現在我々は，スピンド、ルチェックポイン

トに関わる因子のカイコホモログのほとんどを同定し，

詳細な解析を進めている段階である。

分散型動原体の場所を決定している要因は何であろう

か? DNA配列はその位置決定に寄与しているのであ

ろうか? 局在型動原体をもっ出芽酵母のセントロメア

は 125bpのDNAからなっており，その DNAの l次構

造がセントロメアの機能に重要であることが分かつてい

る。分裂酵母や，ニワトリ，ヒトのセントロメアは，繰

り返し配列の多い領域から構成されていることが知られ

ており，その領域はヘテロクロマチン化している。しか

し，繰り返し配列をもたないセントロメアも報告されて

おり，セントロメアを規定するルールは種聞で画一的で

はない (Shanget al.， 2010)。

分散型動原体が染色体のどのような場所に構築されて

いるかについては，これまで不明であったが， 2012年

に線虫を用いた実験によりその詳細が明らかになった。

ChIP-chip法を用いて解析した結果， Cenp-Aは染色体上

178

のほぼ、半分を占める領域に存在していた (Gassmannet

al.， 2012)。さらに， maternal germで転写されている領

域には， Cenp-Aがloadされないことが示唆されている

ことから，この結果は DNA塩基配列に非依存的に動原

体が構築されていることを示唆している。カイコにおい

ては，ゲノム中にトランスポソン領域やリピート配列が

非常に多いことが知られており (Mitaet al.， 2004)，セ

ントロメアがそれらの一部である可能性があるが，その

詳細は全く不明である。 ChIP-seqなど，次世代シーケン

サーを用いた大規模かつ網羅的なゲノム解析技術の急速

な進歩により，カイコセントロメア配列が明らかになる

日も近いであろう。

4.おわりに

ゲノム解読や RNAi法の確立により，あまり研究がさ

れていなかった分散型動原体においても遺伝子解析が容

易になりつつある。また，今回，動原体マーカーとなる

タンパク質を同定できたことから，それらを指標にして

より詳細な解析が可能になるであろう。

分散型動原体がどのようにして誕生したのだろうか?

その答えは容易ではないが，分散型動原体の誕生は進

化の過程で独立に起きていることが報告されている

(Melters et al.， 2012)。染色体の凝集に関わる複合体(コ

ンデンシン)は， 2種類のサブコンプレックス(コンデ

ンシン 1，コンデンシン II)があり，多くの生物では 2

っとも存在している。一方，分散型動原体をもっ線虫は

コンデンシンEしかもっていないことから，分散型動原

体とコンデンシンとの聞に何らか因果関係があるのでは

ないかという仮説があった (Bertschand Lindsley， 2003;

Ono et al.， 2003)。しかし，カイコゲノムには，コンデン

シン IとEの両ホモログが存在しており，その可能性は

否定された。一口に分散型動原体といっても，線虫で報

告されている結果とわれわれが得ている結果は必ずしも

一致しないことから，その構造や性質は異なっているこ

とが予想される。今後，今回紹介したカイコ分散型動原

体の謎が少しずつ解明され カイコが染色体研究の新た

なモデル生物になることを期待したい。

謝辞

本稿の研究は，九州大学大学院蚕学研究室において日

下部宜宏教授のご指導で行われました。研究室の皆様に

深く感謝いたします。また，バイオインフォマティクス

に関してご助言をいただきました基礎生物学研究所・発

生遺伝学研究部門佐藤昌直助教に感謝申し上げます。

酬米・畑出二、ヘ斗山でに山U

norhabditis elegans SID-l. RNA Biol. 9，38-44 Nagaki， K. (2005) Visua1ization of diffuse centromeres with centro-

mere-sp巴cifichistone H3 in the ho1ocentric plant Luzula nivea.

Plant Celll7， 1886・1893Nishino， T.， Takeuchi， K.， Gascoigne， K.E.， Suzuki， A.， HoriヲT.，

Oyama， T.， Morikawa， K.， Cheeseman， 1.M. and Fukagawa， T

(2012) CENP-下Wふ Xforms a uniqu巴 centromericchromatin

strucωre with a histone-1ike fo1d. Cell148， 487-501. Ono， T.， Losada， A.， Hirano， M.， Myers， M.P.， Neuwald， A.F. and

Hirano， T. (2003) Differential contributions of condensin 1 and condensin 11 to mitotic chromosome architecture in v巴rtebrate

cells. Cell115， 109-121. Przewloka， M.R. and Glover， D.M. (2009) The kinetochore and the

centromere: a working long distance relationship. Annu. Rev.

Genet. 43， 439【465Przewloka， M.R.， Venkei， Z.， Bolanos-Garcia， Y.M.， Debski， J.，

Dadlez， M. and Glover， D.M. (2011) CENP-C Is a structural platform for kinetochore assembly. Curr. Biol. 21， 399-405.

Screpanti， E.， De Antoni， A.， Alushin， G.M.， Petrovic， A.， Melis， T.，

Noga1es， E. and Musacchio， A. (2011) Direct binding of Cenp-C to the Mis12 complex joins the inner and outer kinetochore.

Curr. Biol. 21，391-398. Shang， W.H.， Hori， T.， Toyoda， A.， Kato， 1.， Popendorf， K.， S訟法ib紅 a，

Y.， Fujiyama， A. and Fukagawa， T. (2010) Chickens possess cen-

tromeres with both extended tandem repeats and short non-

tandem-repetitive sequences. Genome Res. 20， 1219-1228.

Singh， T.R.， Saro， D.， Ali， A.M.， Zheng， X.-F.， Du， C.-H.， Killen，

M.¥¥ιSachpatzidis， A.， Wahengbam， K.， Pi巴rce，A.J.， Xiong， Y.，

巴tal. (2010) MHFトMHF2，a histone-fold-containing protein

comp1ex， participates in the fanconi anemia pathway via FANCM.

Mol. Ce1l37， 879-886

Yan， Z.， De1annoy， M.， Ling， CヲDaee，D.， Osm組， F.， Muniandy，

P.A.， Shen， X.， Oostra， A.B.， Du， H.， Ste1tenpoo1， J.， et al. (2010)

A histone-fo1d complex and FANCM form a conserved DNA-

remodeling comp1ex to maintain genome stability. Mol. Ce1l37，

865戸 878.

引用文献

Bertsch， D.N. and Lindsley， 1.E. (2003) Does it take two to untan-

gle? Cell115， 4-6 d' A1encon， E.， Nとgre，N.， Stanojcic， S.， A1assoeur， B.， Gimenez， S.，

Leg巴r，A.， Abd-Alla， A.， Juliant， S. and Fournier， P. (2011) Char-

acterization of a CENP-B homo1og in the ho1ocentric Lepidop一

切raSpodoptera frugiperda. Gene 485， 91-101. De Wu1f， P.， McAinsh， A.D. and Sorger， P.K. (2003) Hierarchical

assemb1y of the budding yeast kinetochore from mu1tiple sub-

comp1exes. Genes Develop. 17，2902-2921 Gassmann， R.， Rechtsteiner， A.， Yuen， K.W.， Muroyamaヲ A.，

Egelhofer， T.， Gaydos， L.， Barron， F.， Maddox， P.， Essex， A.，

Monen， 1.， et al. (2012) An inverse re1ationship to germline 仕組-

scription defines centromeric chromatin in C. elegans. Nature

484， 534-537 Kobayashi， 1.， Tsukioka， H.， Komoto， N.， Uchino， K.， Sezutsu， H.，

Tamura， T.， Kusakabe， T. and Tomita， S. (2012) SID-1 protein of

Caenorhabditis elegans mediates uptake of dsRNA into Bombyx

cells. Insect Biochem. Mol. Biol. 42， 148-154.

Lowell， J.E. and Cross， G.A. (2004) A variant histone H3 is en-

riched at telomeres in Trypanosoma brucei. J Cell Sci. 117，

5937-5947

Maddox， P.S.， Oeg巴ma，K.， Desai， A. and Cheeseman， 1.M. (2004)

‘Holo" er than thou: chromosome segregation and kinetochore

function in C. elegans. Chromosome Res. 12，641-653. Me1ters， D.P.， Pa1iulis， L.Y.， Korf， 1.F. and Chan， S.w.L. (2012) Ho-

locentric chromosomes: convergent evolution， meiotic adapta-tlunsヲ andgenomic analysis. Chromosome Res. 20， 579-593.

Mita， K.， Kasahara， M.， Sasaki， S.， Nagayasu， Y.， Yamada， T.，

Kanamori， H.， Namiki， N.， Kita吾awa，M.， Yamashi匂，H.， Yasukochi，

Y.， et al. (2004) The Genome Sequence of Silkworm. DNA Re-search 11，27-35.

Mon， H.， Kobayashi， 1.， Ohkubo， S.， Tomita， S.， Lee， J.， Sezutsu， H.，

Tamura， T. and Kusakabe， T. (2012) Effi巴ctiveRNA interference

in cultured si1kworm cells mediated by overexpression of Cae-

〈O

一-∞4

zoω

179