rackotterのブログ

ニシカワケン

エピジェネティック・マークの世代間伝承はあるか?

  1. はじめに 

今日の進化論のパラダイムをなすのは、およそ90年前に成立した進化の「現代総合説」(Modern Synthesis)である。現代総合説ではラマルク流の主張である「獲得形質の遺伝」は強く否定された。その否定の仕方は尋常ではなく、獲得形質の遺伝だけでなく、「獲得形質」という言葉までもが禁句(タブー)とされ、論文や生物学の教科書などではいっさい使われない時代が続いた。そのようなタブーの裏には、生物学界史上最大のスキャンダルといわれた事件 [1] が、ちょうど同じ時期に起きたことが大きな要因だったと思われる。

ところが、今世紀になって生物学の革新的な研究分野であるエピジェネティクスの登場とともに、これまでタブーとされてきた獲得形質の遺伝も、分子レベルでみると可能ではないか、として復活の機運が高まってきた。しかし一方では、そのような動きに疑問を呈する意見も見られる [2]。本稿では、親から子への獲得形質の伝承がはたして可能かどうか、具体的な事例に即して論じてみたい。

 

  1. エピゲノムとは

今世紀になって生物学は「エピジェネティクス」という新しい研究分野を生み出した。エピジェネティクスにおける中心的な概念は「エピゲノム」である。エピゲノムはその名前のとおり、ゲノムに匹敵する概念であり、クロマチン修飾によるゲノム規模の遺伝子発現制御の総体を意味する。エピゲノムは個体の発生と細胞分化に伴う概念でもある。

受精卵に始まる個体発生は、その進行につれて種々の組織や器官を生み出してゆく。それぞれの組織や器官は固有の細胞タイプをもつ細胞から構成されるが、それぞれの細胞タイプを分子レベルで特徴づけているのがエピゲノムにほかならない。体細胞は個体のどの部分をとっても同じDNA塩基配列からなるゲノム情報を有しているが、一方のエピゲノムは細胞タイプごとに異なり、この点でゲノムとは大きく相違する。また、ゲノムは個体の生涯を通して変化しないが、エピゲノムは環境からの影響(食餌や育ちを含む)を受けて変化する。そのわかりやすい例は、一卵性双生児において認められる。生まれたての一卵性双生児は見分けがつかないほどよく似ているが、成長するにつれて双子のあいだに違いが現れ、個性の違いも明らかになる。一卵性双生児のゲノムは同一なので、表現型の相違はエピゲノムの違いに起因することがわかる [3]。

分子生物学的にいうと、クロマチン(染色体)はヒストン複合体にDNAが巻きついた構造単位(ヌクレオソーム)の連なりからなるが、DNAまたはヒストンに化学修飾が導入されると、その領域のDNAにコードされた遺伝子の発現がオン/オフの制御を受ける。細胞におけるクロマチン修飾 —DNAメチル化とさまざまな種類のヒストン修飾— の全体がエピゲノムに相当する、といってよい。エピゲノムによって細胞内の遺伝子のオン/オフが決まり、それによって細胞の表現型が決まる。

エピジェネティクス以前は、遺伝子発現制御はもっぱら転写因子(タンパク質)のDNAへの結合と解離によると説明されていた。転写因子による遺伝子発現制御とクロマチン修飾によるエピジェネティックな制御には大きな違いがある。転写因子のDNAへの結合は弱い結合(非共有結合)であり、本来的に一過性の結合であるのに対し、クロマチン修飾は安定な共有結合化学結合)からなり、その形成には特異的な酵素タンパク質が必要である。(さらに、逆反応を行う酵素タンパク質も存在するので、クロマチン修飾は原理的に脱着可能である。)

クロマチン修飾が安定に維持されるもう1つの要因は、細胞分裂にともなって母細胞から娘細胞へとクロマチン修飾(エピゲノム)がコピーされて、引き継がれる機構(エピジェネティック・メモリーとよばれる)が存在することである。これによって個々の細胞のターンオーバーを超えて、同一の細胞タイプを個体の生涯にわたって維持することができる。換言すると、エピジェネティクスによってはじめて細胞分化の原理が理解できるようになった、といえる。エピジェネティクスの最大の功績がここにある。

 

  1. TGEIについて

本稿の主題はさらに先にある。上述のように、体細胞の有糸分裂によって母細胞のエピゲノムは娘細胞にコピーされて伝承されるが、同じことが(親から子への)世代間でも可能ではないか、という問題である。英語では、TransGenerational Epigenetic Inheritance(略して、TGEI)とよばれる。日本語にすると、本稿のタイトルに掲げた「エピジェネティック・マークの世代間伝承」となる。エピジェネティック・マーク(略して「エピマーク」)とは、すでに述べた「クロマチン修飾」を指すが、両者の違いは分子生物学/エピジェネティクスという、2つの研究分野における用語の違いである。

さて、TGEIの主張は簡単にいえば、冒頭で触れたラマルク流の「獲得形質の遺伝」の現代版にあたる。「個体が後天的に獲得した表現型が次世代に伝わる」、という文中の「表現型」を分子レベルのエピジェネティックな概念である、エピゲノムまたはエピマークで置き換えるとTGEIの主張になる。すなわち、(環境の影響を受けて)個体が後天的に新規のエピマークを獲得するとき、個体の表現型は変化する(表現型変異)が、ゲノムのDNA塩基配列は変化しない。親が獲得した新規のエピマークが、親の生殖細胞を介して子に伝わり、親と同じ表現型変異が子にも現れれば、TGEIが実現したことになる。

TGEIの主張は、意外に早くエピジェネティクスの草創期にすでに現れている[4]。その後Jablonkaによって多くの観察例が収集され、TGEI説として総合された[5,6]。エピジェネティクスは分子レベルの高度で複雑な生物学であり、理解するのは容易でないが、エピジェネティクスという学問にとって、かっこうの「客寄せパンダ」になっているのがTGEIに他ならない。一般向けのエピジェネティクスの解説書には、必ずといってよいほどTGEIに関する話題が取り上げられている [7]。しかしながら、TGEI はまだ科学的に実証された主張とはいえない。

 

  1. TGEIの素過程

TGEIが現実の生物世界で起きている「真」の現象であることを示すためには、親から子へ、子から孫へと複数の世代に及ぶTGEIの現象を、単位となる「素過程」に分割して検討するのが有効だろうと考える。TGEIの素過程として考えられる、エピマークの移行過程を書き出してみたのが表1である。

表1に示した7つの素過程のうち、最初の3つ(a〜c)はエピマークの移行というよりも、新たなエピマークの導入(エピゲノムへのエピマークの「追加」)に相当する。あとの4つ(d〜g)はエピマークの移行をあらわす素過程にあたるが、4つのうち実現可能でかつ具体的な実例を示すことができるのは(e、f)の2つだけである。

すでに述べたように、母細胞のエピゲノムがコピーされて娘細胞へと移行する過程は、有糸分裂にともなって起きる現象である。これと同様に、細胞から細胞へのエピマークの移行は必ず細胞分裂を通して起きることを注意しておきたい。これによって、表のd の過程が実現不可能な理由が理解できる。動物の場合、生殖細胞は胚発生の早い時期に他の細胞から分離・隔離されるので、組織や器官に分化した体細胞が生殖細胞と直接接触する機会はない。ただし植物の場合は、生殖器官(花器)は葉などと同様に、成体の体細胞から分化・生成するので、エピマーク移行の可能性はある。そして、表のeに示したように、実験による実例も報告されている。

最後の過程gは、動物においても植物においても、親の生殖細胞と子の生殖細胞が直接接触する場面はないと思われるので、もともと「素過程」に当たらない、という意味でリストから除外してよい。

表中の2カ所(c、f)に現れる「ゲノムインプリント」について、その要点を以下に解説する。

 

表1. TGEIの素過程

 エピマークの導入/伝達                実現可能性        実例

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 a) 環境(食餌)→ 体細胞                       可能             葉酸摂取でメチル化増大 [7]

 b) 環境(薬物)→ 生殖細胞             可能             ビンクロゾリン [13]

 c) 遺伝 → 生殖細胞(片親性伝承)  可能            ゲノムインプリント

 d) 個体の体細胞 → 生殖細胞(動物) 不可           —

 e) 個体の体細胞 → 生殖細胞(植物) 可能            シロイヌナズナ [14]

 f) 親の生殖細胞 → 子の体細胞          可能            ゲノムインプリント

 g) 親の生殖細胞 → 子の生殖細胞     不可             —(素過程でない) 

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  1. ゲノムインプリンティングとの関係

エピゲノムは世代交代のたびに初期化され、親から引き継いだクロマチン修飾は一度すべて消去されるので、受精卵のクロマチンは化学修飾のない「まっさらな」状態から個体発生を始める。ただし例外があって、ゲノムの特定の(ヒトゲノムでは数十カ所ほどの)領域においては、親の生殖細胞で「刷り込まれた(インプリントされた)」エピマーク(DNAメチル化など)が消去されずに残り、そのまま子に伝わる。インプリントには、卵を介した母親由来と精子を介した父親由来という2つの場合がある(片親性伝承)。また、インプリントによって親から子に伝わる表現型(インプリント異常によって発症する遺伝病など)はメンデル遺伝に従わないという意味で、非メンデル型になる。したがって、TGEIという現象が存在するならば、エピジェネティックかつ非メンデル型の伝承を示すはずであり、ゲノムインプリンティングと少なからずの共通性をもつはずである。

ゲノムインプリンティングに関しては、すでに分子レベルの詳しい研究の蓄積がある。ゲノム塩基配列におけるインプリント領域は、複数のインプリント遺伝子と1個の長鎖非コードRNA(long noncoding RNA、略してlncRNA)からなるクラスターを形成している。クラスターの中心には、ICR(Imprinting Control Region)とよばれるDNA配列があって、ICRがメチル化されるか否かによってクラスターは一元的に制御される。ICRは一対の相同染色体のそれぞれに乗っているが、インプリントによってメチル化されるのはどちらか一方だけ(片親性メチル化)で、もう一方のICRはまったくメチル化されない。この状態は「選択的メチル化(differential DNA methylation)」とよばれる。

本来、ICRは隣接するDNA領域にコードされたlncRNAの転写開始を制御するプロモータとしての機能をもち、メチル化の有無によってプロモータ活性がオン/オフされる。一対の相同染色体のうち、メチル化ICRをもつ染色体ではプロモータ活性がオフになり、lncRNAは転写されない。そうすると、同じクラスター内にあるインプリント遺伝子は一斉に発現する。他方、メチル化されないICRをもつ染色体では、lncRNAのプロモータ活性がオンになり、lncRNAが転写される。lncRNAはインプリント遺伝子に対してインヒビターとしてシス(cis)に作用し、クラスター内のインプリント遺伝子の発現をすべて阻害し停止させる。以上を整理すると、ICRのメチル化の有無というわずかな差異が、クラスターをなすインプリント遺伝子すべての発現(オン)または停止(オフ)という大きな相違を生じるわけである。結果として、インプリント遺伝子は相同染色体の片方だけから発現する「片親性発現」を示すことになる。

ゲノムインプリントの起点をなすのは、ゲノム上にある特定のICRのメチル化(刷り込み)である。この刷り込みは片方の親の生殖細胞(卵または精子)において導入されるが、この過程には特殊な種類の短鎖非コードRNA(small noncoding RNA、略してsncRNA)が関与している。メチル基を導入するゲノム上の位置決めを行うために、このsncRNAが必要だと考えられる。ゲノムインプリントは環境の影響を受けて始まるのではなく、ゲノム情報(sncRNAもゲノムにコードされている)に従って始まる(表1の c)。ゲノムインプリントはエピジェネティックな要素(DNAメチル化、長鎖/短鎖非コードRNAなど)を含む現象であるが、全体としては獲得形質の関与はなく、すべて先天的に規定された遺伝的な現象である。したがって、TGEIとはいえない。

 

  1. アグーチ・マウスの問題

古くから知られ最も有名なTGEIの事例といえば、アグーチ・マウスをおいて他にない。「アグーチ」とは野生マウスの正常な毛色を指し、体毛の1本1本が根元から先端に向けて、黒-黄-黒に色分けされているため、全体としては茶色っぽく見える。このアグーチの毛色を生じる遺伝子はAとよばれる。(Aのオン/オフによって、毛色が黄/黒に変わる。)

遺伝子AにはAvy という変異遺伝子(vy はviable yellowの略で、「致死性ではない」という意味)が存在し、この変異遺伝子をもつ個体は全身が黄色になり、肥満などの表現型変異を伴う。この変異遺伝子Avy をもつ雌マウスと野生型の雄マウスを掛け合わせると、複数の子マウス(同腹の子)が生まれるが、子ども達の体色は黄から黒までのバラツキを示す。さらに、そのバラツキは母親の体色を中心にした分布を示すという [8]。

分子レベルの研究によると、変異遺伝子Avy は正常な遺伝子Aの上流に内在性レトロトランスポゾンが飛び込み(ただし、系統発生的な時間スケールでの過去のある時期に、という意味)、遺伝子Aに対して強力なプロモータとして働いている。この外来性プロモータがメチル化されると遺伝子Aの発現はオフとなり、毛色は黒になる。逆に「メチル化なし」のときは、このプロモータはオンになり遺伝子Aが発現し、毛色は黄色になる。

ところが、世代交代のさいにメチル化の消去(初期化)が不十分で、メチル基の「消し忘れ」がランダムに起きると、(子の)個体ごとにメチル化の程度が異なることになり、毛色にバラツキが生じる。そして、問題は「子ども達にあらわれるメチル化のバラツキの中央値は母親のメチル化の程度に等しい」(9)という点である。

これが本当なら、母親のメチル化の程度も祖母から確率的に受け継いでいるはずであり、一種の「獲得形質」といえる。(たとえば指紋などは、個体発生の一部に含まれるランダムな確率過程に従って決まるので、非遺伝性の一種の獲得形質だといえる。)母親マウスの獲得形質である毛色が、子マウスの毛色の決定に(バラツキの基準として)関与するということは、「獲得形質の遺伝」に限りなく近いことを意味し、TGEIの実例だとみてよいだろう。この点を詳しく調べた最近の研究があるので、その論文 [10] を次に紹介する。

 

  1. 不思議な論文

すでに述べたように、アグーチ・マウスの変異遺伝子Avy は、遺伝子Aの上流に内在性レトロトランスポゾンが飛び込んで生じたものであるが、マウスの内在性レトロトランスポゾンはとくにIAP(Intracisternal A Particle)とよばれ、マウス・ゲノムには約1万2千個のIAPが存在する。アグーチ変異体の母親から生まれた子ども達は、たがいにIAPのメチル化の程度が異なり、黄〜黒までの異なる毛色を示した。このように個体間でメチル化の程度が変動するIAP をVM-IAP(variably methylated IAP)とよぶ。すべてのIAPのうち、VM-IAPの割合は1〜2%である。

この論文[10] では、マウスの特定の系統(C57BL/6NJ)のゲノムに存在する数十個のVM-IAPについて、メチル化の程度が定量的に調べられており、同一個体内の組織/器官の違いによる比較と、異なる個体間での比較がなされている。その結果、同一個体(かつVM-IAPの同一の種類)でみると臓器の違い(脳、腎、肝、脾など)による差異はほとんどなく、メチル化の程度はどの体細胞で見ても基本的に同じであった。次に個体間で比較すると、VM-IAPという名前のとおり個体によってメチル化の程度は変動したが、同じ母親から産まれた同腹の子ども達と母親とのメチル化の関係が問題である。  

論文では母親と同腹の子ども達のメチル化の程度をセットにして、4種類のVM-IAPについて調べた結果が示されている(論文[10] のFig.5)。しかし、この中にはアグーチ変異体を生じるIAP(ここでは、VM-IAPAVYと記すことにしよう)は含まれていない。論文の著者らはこの論文の研究を行うにあたり、VM-IAPAVYを用いた実験を真っ先に行なったはずである。実際、論文のIntroduction ではアグーチ変異体のことが中心に記されている。ところが不思議なことに、Results の部分にはVM-IAPAVYはおろか、「アグーチ」という語もまったく見られず、完全に無視されている。先行者たち(とくに、Whitelaw ら[8, 9])の主張に反する結果になってしまったので、VM-IAPAVY に関する実験結果はすべて無視してしまったのだろうか? 仮にそれが本当だとすると、彼らの論文で発表されなかったVM-IAPAVYに関する実験結果はTGEIを否定する内容だった ー 母親のメチル化の程度はその子ども達のメチル化の程度とは無関係であった(Fig.5 と同様の結果)— にちがいない。ともかく、肝心の実験結果が隠されているので断定はできないが、この論文はTGEIに対して限りなく黒に近い(TGEIの否定)ものだと言わざるをえない。

 

  1. おわりに

動物におけるTGEIの代表として、もっとも有名なアグーチ・マウスのケースについて「TGEIが成り立っていない」とほぼ確実に言えたことは、大きな意味があると思う。アグーチ・マウスにおいて見たようにTGEIが実際に「ある」と主張するためには、分子レベルのエピゲノム変化を示すような実証データが必要である。巨視的な表現型変化だけをもってTGEIの証拠とするような主張 [11] は、証拠不十分として却下すべきである。

植物の場合は、動物とはちがって体細胞から生殖細胞へのエピマークの移行の可能性があるので(表1のe)、TGEIが実現する可能性は動物より高いだろう。植物のTGEIについて深追いするつもりはないが、1点だけ、エピジェネティック変異が何世代も続くような事例について触れておきたい。たとえば、18世紀の C.V. リンネの時代から現在にまで続くホソバウンランの有名な変異がある。野生型の花序(花弁が上弁と下弁の2段からなる)に対して、変異体の花序(花弁が同じ平面上に左右相称に並ぶ)はまったく異なる。しかしながら、エピジェネティックな変異が何百年も安定に伝達されるはずはないので、エピジェネティック変異はすでに遺伝的同化 [12] によって、遺伝的に固定化されていると見るべきである。そのほかにも植物におけるTGEIの事例は多くあるといわれているが、安定な変異体はすでに遺伝的に固定化され、したがって通常の遺伝の範囲内の事象とすべきものが多いのではないかと考える。なお、植物におけるTGEIについては、私自身の理解が不十分だと自覚しているので、今後の課題としたい。

 

References

 1. Koestler, A. (1971) サンバガエルの謎(石田敏子 訳)岩波現代文庫.

2. Horsthemke, B. (2018) Nature Commun. 9, 2973.

     https://doi.org/10.1038/s41467-018-05445-5

3. Fraga, M.F., et al. (2005) Proc Natl Acad Sci, USA 102, 10604-10609.

4. Holliday, R. (1987) Science, 238, 163-179.

5. Jablonka, E., Raz, G. (2009) Q Rev Biol. 84, 131-176.

6. Jablonka, E., Lamb, M.J. (2014) Evolution in Four Dimensions. MIT Press.

7. Francis, R.C. (2011) エピジェネティクス:操られる遺伝子(野中香方子 訳)

    ダイヤモンド社

8. Morgan, H.D., et al. (1999) Nature Genet. 23, 314-318.

9. Blewitt, M.E., et al. (2006) PLoS Genet. 2(4):e49. 

 DOI:10.1371/journal.pgen.0020049

10. Kazachenka, A., et al. (2018) Cell 175, 1259-1271.

11. Nono, M., et al (2020) Cell Rep. 30, 3207-3217.

12. Nishikawa, K., Kinjo, A.R. (2018) Biophysical Rev 10, 667-676.

      https://doi.org/10.1007/s12551-018-0403-x

13. Anway, M.D., et al. (2005) Science, 308, 1466-1469.   

14. Fujimoto, R., et al. (2012) Int J Mol Sci 13, 9900-9922.

 

西川 建 2021.05.14 脱稿