コンデンシン

コンデンシン（condensin）は、細胞が分裂する際に、DNAからなる染色体をコンパクトに折り畳み（染色体凝縮）、その後の正確な分離（染色体分離）を促す上で、中心的な役割を果たすタンパク質複合体です。この複合体は、アフリカツメガエル（Xenopus laevis）の卵抽出液から初めて分離・同定されました。染色体は細胞分裂期に最も凝縮した構造をとりますが、その構造形成にはコンデンシンが不可欠です。

サブユニット構成と系統分布

真核生物型

多くの真核生物には、コンデンシン I とコンデンシン II と呼ばれる二種類の複合体が存在します。それぞれ五つの異なるタンパク質サブユニットから構成されており、総分子量は約650〜700 kDaの巨大な複合体です。これらの複合体の中心となるのは、SMC2とSMC4という二つのSMC（Structural Maintenance of Chromosomes）タンパク質です。SMCタンパク質はATPを加水分解する能力を持つATPアーゼのファミリーに属しています。

コンデンシン I とコンデンシン II は、共通のSMC2とSMC4サブユニットを持ちますが、それぞれに固有の制御サブユニットを持ちます。これらの制御サブユニットは、二つのHEATリピートサブユニットと一つのkleisinサブユニットです。例えば、コンデンシン I はCAP-D2、CAP-G、CAP-Hを、コンデンシン II はCAP-D3、CAP-G2、CAP-H2を持ちます。CAP-D2とCAP-D3のように、対応するサブユニット同士は類似した役割を持つことが示唆されていますが、アミノ酸配列上の類似性は低い場合があります。これらのSMC以外のサブユニットはnon-SMCサブユニットとも呼ばれます。

SMC2とSMC4のコアサブユニットは、調べられた全ての真核生物で非常に高く保存されています。コンデンシン I に固有の制御サブユニットも広く保存されていますが、コンデンシン II に固有のサブユニットを保持しているかどうかは生物種によって大きく異なります。例えば、ショウジョウバエはコンデンシン II のCAP-G2遺伝子を欠いており、他の昆虫種でもCAP-D3やCAP-H2遺伝子が失われている例が多く見られます。これは、コンデンシン II 固有のサブユニットが進化の過程で選択圧を受けていることを示唆しています。酵母などの一部の菌類はコンデンシン II の制御サブユニットを全て失っています。一方で、単細胞性の原始紅藻は、ゲノムサイズは酵母と同程度ながら、コンデンシン I と II の両方を持っています。このことから、ゲノムサイズとコンデンシン II の保持の間に強い相関があるわけではないと考えられます。

線虫（Caenorhabditis elegans）はコンデンシン I と II を持ちますが、中期染色体上での局在パターンが他の生物と大きく異なります。これは、線虫が染色体腕部全体に沿って多数のセントロメアを持つ「ホロセントリック」という特殊な染色体構造を持つことに起因すると考えられています。さらに線虫は、SMC4がDPY-27という別のタンパク質に置き換わったコンデンシン I に似た第三の複合体（コンデンシン I DC）を持ち、これが遺伝子量補償の主要な制御因子として機能しています。シロイヌナズナは二つのSMC2ホモログを持ち、どちらかの機能が失われても生育可能ですが、両方の機能が失われると胚性致死となります。繊毛虫のテトラヒメナはコンデンシン I のみを有しますが、制御サブユニットの一部に複数のホモログが存在し、大核と小核に特異的に局在するものがあるなど、ユニークな特徴が見られます。ゾウリムシは二つのSMC4ホモログを持ち、一つは一般的な染色体機能に関わるのに対し、もう一つはDNA削減という特殊な過程に必須であることが報告されています。

真核細胞が持つSMCタンパク質複合体は三種類あり、コンデンシンはその一つです。他の二つは、姉妹染色分体を結合させるコヒーシンと、DNA修復やゲノム安定性に関わるSMC5/6複合体です。

原核生物型

コンデンシンに類似した機能を持つタンパク質複合体は原核生物にも存在し、染色体（核様体）の構築と分離に関与します。代表的なものにSMC-ScpABがあり、これが真核生物型コンデンシンの祖先と考えられています。SMC-ScpABは真核生物型に比べ構造が単純で、SMCサブユニットはホモ二量体です。真核生物のkleisinに分類されるScpAと結合することで、SMC-kleisin三量体の基本構造は原核細胞と真核細胞で共通しています。しかし、ScpBはkiteファミリーに分類され、真核生物型のHEATリピートサブユニットとは異なります。

多くの真正細菌や古細菌がSMC-ScpABを持つ一方で、ガンマプロテオバクテリアの一部（大腸菌など）は MukBEF を持ちます。MukBEFはkleisinサブユニットMukFを介して二量体化し、MukEはkiteファミリーに属します。SMC-ScpABとMukBEFは一次構造レベルでの類似性は低いものの、機能的なホモログと考えられており、両者を合わせて原核生物型コンデンシンと呼ぶことが多いです。近年、MukBEFに似たMksBEFという第三の複合体も報告されており、緑膿菌のようにSMC-ScpABとMksBEFを両方持ち、異なる様式で機能する例や、放線菌のようにプラスミド防御に特化した機能を持つ例も見られます。これらの複合体はWadjetと総称されることもあります。

分子構造

コンデンシン複合体の中核をなすSMC二量体は、特徴的なV字構造を形成します。この構造は原核生物型、真核生物型ともに電子顕微鏡で観察されており、腕部の長さは約50 nmに達します。高速AFM観察からは、SMC二量体の腕部は予想以上に柔軟な構造を持つことが示唆されています。

SMC二量体にnon-SMCサブユニットが結合してコンデンシン複合体が形成されます。まず、kleisinサブユニットがSMC二量体の両端に結合して、非対称なリング状構造を持つSMC-kleisin三量体が形成されます。次に、二つのHEATサブユニット（またはkiteサブユニット）がkleisinの中央領域に結合し、全体的なホロ複合体が完成します。MukBEFやWadjetは、kleisinサブユニットを介してさらに二量体化する構造をとります。

コンデンシン複合体の構造は、X線結晶構造解析やクライオ電子顕微鏡法など、様々な手法で解析が進んでいます。これにより、部分複合体の詳細な構造や、ATP結合・加水分解に伴う複合体の大きな構造変化などが捉えられています。

分子活性

DNAコンパクション活性

コンデンシンの主要な機能の一つは、DNA鎖を折り畳み、長さを物理的に短縮させることです。精製されたコンデンシン I を用いた単分子実験では、ATP加水分解に依存してDNA鎖が短縮される様子がリアルタイムで観察されています。カエル卵抽出液を用いた実験でも、分裂期抽出液中のDNAコンパクション活性の多くがコンデンシンに由来することが示されています。

スーパーコイリング活性

アフリカツメガエル卵から精製されたコンデンシン I は、ATP加水分解に伴って二重鎖DNAに正のねじれ（正の超らせん、ポジティブ・スーパーコイリング）を導入する活性を持ちます。これはトポイソメラーゼのようにDNAを切断・再結合するものではありませんが、DNAをさらに高次の構造に折り畳む能力を示しています。この活性はCdk1キナーゼによるリン酸化で分裂期特異的に促進され、染色体凝縮の本質的な反応と考えられています。この活性を通じて、コンデンシンはDNAの折り畳みや、トポイソメラーゼ II による姉妹染色分体の分離を助けている可能性があります。

ループ押出し活性

現在最も注目されているコンデンシンの分子活性は、DNAを「押し出して」ループ構造を形成する能力（ループ押出し：loop extrusion）です。この活性は理論的に予測され、コンピュータシミュレーションでも分裂期染色体構築に十分な能力を持つことが示唆されました。実験的にも、酵母コンデンシンがDNA上を移動するモーター様の活性を持つことや、ループが形成され成長する様子が観察されています。コンデンシンが他のコンデンシンや大きな障害物を乗り越える様子も捉えられています。ループ押出しの分子メカニズムはSMCサブユニットのATPaseサイクルと複数のサブユニットによるDNA相互作用が複合的に関わる複雑なもので、現在活発に研究されています。

ループ捕獲活性

ループ押出しメカニズムの生体内での直接証拠がまだ十分ではないため、代替メカニズムとしてループ捕獲（loop capture または diffusion capture）が提唱されています。これは、コンデンシンがDNAの一部分を捕捉した後、偶然近くに来た同じDNA分子の別の部分を捕捉することでループが形成されるという考え方です。ループ押出しとループ捕獲の両方が共存している可能性も考えられます。

染色体構築活性

精製タンパク質を用いた実験で示される裸のDNAに対する活性に加え、より生理的な条件に近い機能アッセイとして、カエル卵抽出液を用いた染色体再構成系があります。この系では、分裂期抽出液を用いることでin vitroで染色体構造を再現し、コンデンシンの機能を解析できます。この系や、精製タンパク質（ヒストン、ヒストンシャペロン、トポイソメラーゼ II、コンデンシン I など）を用いた再構成系により、コンデンシン I が染色体構築に必須であること、ATP結合・加水分解が不可欠であること、非SMCサブユニット間の相互作用やリンカーヒストンの影響などが明らかにされています。驚くべきことに、ヌクレオソーム形成が抑えられた条件下でも、コンデンシンによって染色体に似た構造が形成可能であり、ヌクレオソーム構造を持たないDNAに対しても生理的に意味のある活性を持つことが示唆されています。

細胞周期における機能

体細胞分裂

コンデンシン I とコンデンシン II は、体細胞分裂の細胞周期を通じて異なるタイミングと場所で制御されます。ヒト培養細胞では、コンデンシン II は細胞周期を通じて核内または染色体上に存在しますが、コンデンシン I は間期には細胞質にあります。そのため、前期の核内での染色体凝縮は主にコンデンシン II が担います。前中期になり核膜が崩壊すると、コンデンシン I が染色体にアクセスできるようになり、それ以降の染色体凝縮には両方のコンデンシンが協調して関与します。この時空間制御は、脊椎動物では広く保存されていると考えられています。実際、コンデンシン I を間期核内に強制的に移行させると、その後の分裂期に異常が生じることが報告されています。

ヒト中期染色体では、コンデンシン I と II は染色分体の中心軸に沿って局在しますが、その分布は重ならないように見えます。それぞれのコンデンシンは独自の機能を持つ一方で、中期染色体の構築に協力して貢献しています。コンデンシンの機能に異常があっても、細胞周期は特定のステージで停止するわけではなく、染色体構築に異常を抱えたまま細胞分裂が進み、後期ブリッジなどの分離異常が見られることが多いです。

体細胞分裂における両コンデンシンの必須性は生物種によって異なります。マウスではコンデンシン I と II がそれぞれ胚発生に必須であり、重複機能と独自機能の両方を持つことが示されています。原始紅藻やシロイヌナズナではコンデンシン I と II の両方を持つにもかかわらず、コンデンシン II は体細胞分裂に必須ではありません。線虫の初期胚では、ホロセントリック染色体構造の影響か、コンデンシン II がより主要な役割を担います。ショウジョウバエはコンデンシン II の一部サブユニットを欠き、残りのサブユニットは体細胞分裂には必須ではなく減数分裂で重要な役割を果たします。酵母など一部の菌類はコンデンシン II を持たず、コンデンシン I が体細胞分裂と減数分裂の両方を担います。これらの種差は、染色体構造やゲノムサイズの進化を考える上で重要な示唆を与えます。

近年のHi-C法を用いた解析により、コンデンシンが染色体構造に与える影響が詳細に調べられています。特に、ニワトリDT40細胞の解析では、まずコンデンシン II が大きなループを形成し、次にコンデンシン I がそれを分割するように小さなループを形成するという描像が示され、従来の細胞生物学・生化学的知見と一致しています。コンデンシンとコヒーシンの相互作用についても解析が進んでいます。

減数分裂

コンデンシンは、減数分裂における染色体構築と動態制御にも重要な役割を果たします。様々な生物種で遺伝学的・分子生物学的な解析が行われています。哺乳類の減数第一分裂では、コンデンシン II の寄与がコンデンシン I より大きい傾向が見られます。体細胞分裂と同様に、減数分裂でも両者の機能は一部重複します。コヒーシンとは異なり、減数分裂特異的なコンデンシンサブユニットは見つかっていません。

分裂期以外での機能

コンデンシンは細胞分裂期の機能で発見されましたが、間期など分裂期以外の時期にも多様な機能に関わることが明らかになっています。酵母ではrDNAコピー数制御やtRNA遺伝子クラスタリングに関与し、線虫ではコンデンシン IDCが遺伝子量補償に関わります。線虫ではさらに、コンデンシン I が脊椎動物のコヒーシンに相当する間期染色体組織化の役割を担っている可能性が示唆されています。渦鞭毛藻では、SMC4がS期進行や非ヌクレオソーム性染色体のコンパクションに必須であり、マラリア原虫ではSMC2/SMC4が寄生虫の増殖・感染に不可欠です。ショウジョウバエのコンデンシン II サブユニットは、多糸染色体の解体や染色体テリトリー形成に関与し、これらは染色分体間の相互作用抑制という共通メカニズムによるものと考えられます。シロイヌナズナのコンデンシン II は、DNA損傷緩和やホウ素過剰ストレス軽減に関与します。哺乳動物細胞では、コンデンシン II が間期ゲノムの組織化に大きく貢献し、S期から凝縮準備を開始しています。マウス間期核では、コンデンシン II がセントロメア周辺のヘテロクロマチン領域の過剰な集合（クロモセンター形成）を抑制する機能を持つことが示唆されています。

制御

時空間制御

コンデンシンの機能は細胞周期を通じて精密な時空間制御を受けますが、その様式は生物種によって異なります。核膜が分裂期に崩壊しないclosed mitosisの菌類では、コンデンシンが核内に常に存在するか（出芽酵母）、分裂期に核移行するか（分裂酵母）で制御されます。核膜が崩壊するopen mitosisの脊椎動物細胞では、間期に核内にあるコンデンシン II と細胞質にあるコンデンシン I が、分裂期における核膜崩壊を境に協調して機能するという制御が見られます。

翻訳後修飾による制御

コンデンシンサブユニットは細胞周期依存的に様々な翻訳後修飾を受けますが、分裂期におけるリン酸化が最も研究されています。特にCdk1キナーゼによるリン酸化が重要で、これはしばしばサブユニットの末端にある天然変性領域（IDRs）の特定の配列に集中します。リン酸化は染色体への結合ダイナミクス、核内移行、複合体活性の制御に関わります。脊椎動物ではコンデンシン I のCAP-Hやコンデンシン II のCAP-D3のリン酸化が重要です。Cdk1以外にも、Aurora BやPoloキナーゼによる促進的制御、CK2による抑制的制御なども報告されています。

SLiMによる制御

近年、Short Linear Motifs (SLiMs)と呼ばれる短いアミノ酸配列を介したタンパク質間相互作用によるコンデンシン制御が注目されています。酵母では、特定のタンパク質のSLiMがコンデンシンを特定の染色体領域（ペリセントロメア、rDNA領域）にリクルートします。ヒトコンデンシン I では、CAP-HのSLiM様配列が複合体活性を抑制し、クロモキネシンKIF4AのSLiMがこれと競合して抑制を解除するというモデルが提唱されています。ヒトコンデンシン II では、小頭症の原因タンパク質MCPH1のSLiMが活性制御に関わります。これらのSLiMを介した相互作用は、リン酸化によってさらに複雑に制御されているようです。

タンパク質分解による制御

ショウジョウバエでは、SCFSlimbユビキチンリガーゼによるユビキチン化を経て、コンデンシン II のCAP-H2サブユニットが分解されるという制御機構が報告されています。

遺伝疾患との関わり

コンデンシン機能の異常は、いくつかの遺伝疾患や発生異常に関連することが分かっています。ヒト小頭症の原因タンパク質の一つであるMCPH1は、コンデンシン II の活性を抑制する因子として働きます。MCPH1に変異がある細胞では、コンデンシン II の活性が過剰になり、間期にも染色体が凝縮してしまう様子が観察されています。さらに、コンデンシン I や II のサブユニットにおける機能低下変異（hypomorphic変異）自体が小頭症の原因となることも報告されています。しかし、コンデンシンの精密な制御異常が小頭症発症にどう繋がるのか、詳細は不明な点が多いです。また、マウスではコンデンシン II サブユニットのhypomorphic変異がT細胞の分化に特異的な影響を与え、T細胞リンパ腫を引き起こします。ゼブラフィッシュでは、コンデンシン II サブユニットが造血幹細胞と前駆細胞の分化に必須です。これらの例は、特殊な細胞分裂様式を持つ細胞でコンデンシン変異の影響が現れやすいことを示唆しており、興味深い観察結果です。

進化的考察

コンデンシンの祖先は原核生物にも存在することから、その進化的な起源はヒストンよりも古いと考えられています。現在の仮説では、真核生物の祖先である古細菌におけるSMC遺伝子の重複から始まり、真核生物への進化過程でSMCやnon-SMCサブユニットのさらなる重複を経て、コヒーシン、コンデンシン I、コンデンシン II が誕生したと考えられています。真核生物の最後の共通祖先（LECA）はコンデンシン I と II の両方を持っていたと考えられますが、その後の進化の過程で、コンデンシン II 固有のサブユニットの一部または全てを失う系統が現れました。

真核細胞における二つのコンデンシン複合体の機能分担は、生物種によって異なります。哺乳類では両者が同程度に重要ですが、多くの生物種ではコンデンシン I がより重要な役割を果たしています。コンデンシン II は、体細胞分裂への関与が相対的に少ない種で、他の多様な染色体機能に関与するようになったと考えられます。ゲノムサイズとの見かけ上の相関は低いものの、ゲノムが巨大化するにつれてコンデンシン II の重要性が増しているようにも見えます。また、Hi-C解析からは、コンデンシン II の機能と間期クロマチンの組織化様式の進化的な関連性も議論されています。初期胚と体細胞でコンデンシン I と II の重要度が変化するなど、発現と機能のバランスは進化や発生を通じて精妙に制御されています。LECAが二つのコンデンシンを持っていたことが、その後の染色体構造と機能の多様な進化を可能にしたと考えられます。

コンデンシン