DNAメチル化
DNAメチル化（ディーエヌエイメチルか）とは、生命活動において非常に重要な化学反応の一つで、DNAを構成する塩基、主にシトシンやアデニンの特定の炭素原子にメチル基が付加される修飾を指します。この現象は、真核生物、原核生物、さらにはウイルスに至るまで、様々な生物種に普遍的に存在しています。
特に複雑な体を形成する真核生物においては、DNAメチル化は「エピジェネティクス」と呼ばれる、DNA配列自体を変えることなく遺伝子の働きを調節する仕組みの主要な要素です。ゲノム上の「CpGアイランド」と呼ばれる特定の領域で頻繁に見られ、正確な発生プロセスや細胞の多様な機能分化を司る上で不可欠な役割を果たしています。さらに、DNAメチル化の異常は、がんの発生やその進行とも密接に関連していることが明らかになっています。
基本的なメカニズムとして、メチル基はシトシンのピリミジン環の5位の炭素や、アデニンのプリン環の6位の窒素に付加されます。このDNAの修飾は、細胞が分裂して増える際にも娘細胞へと引き継がれる性質を持っています。ただし、受精卵が形成される段階では多くのメチル基が取り除かれ、その後の発生過程で再び特定のパターンでメチル化が確立されます。近年の研究では、この過程でメチル基が完全に除去されるのではなく、ヒドロキシル化されるという別の修飾も起こっていることが示唆されています。
高等生物において、DNAメチル化は正常な発生と細胞がそれぞれの役割を果たすために極めて重要です。細胞が一度決定された「自分が何者であるか」というアイデンティティを維持し、特定の遺伝子の発現パターンを安定的に保つ役割を担います。例えば、胚発生期に膵臓のランゲルハンス島になるようにプログラムされた細胞は、その後の生涯にわたってランゲルハンス島としての機能を維持し続けます。これは、DNAメチル化による遺伝子発現の制御が一因と考えられます。また、生物のゲノムに侵入したウイルスやトランスポゾンのような有害な遺伝子の働きを抑制する防御機構としても機能しています。DNAメチル化は、DNAが折り畳まれてできるクロマチン構造の形成にも寄与しており、これにより、一つのDNA配列から多細胞生物に必要な多種多様な細胞の特性が生まれます。
哺乳類では、多くのCpG部位（シトシンとグアニンがリン酸でつながった配列）の60%から90%がメチル化されています。興味深いことに、メチル化されたシトシンは自然にチミンに変化しやすい性質があり、これがヒトゲノム中でCpG配列の出現頻度が低い理由の一つと考えられています。一方、非メチル化シトシンがウラシルに変化しても、細胞はこれを迅速に修復します。
がん細胞では、遺伝子のプロモーター領域にある非メチル化CpGが密集した「CpGアイランド」が異常に過剰なメチル化を受けることがあります。これにより、がん抑制遺伝子などが働かなくなり（遺伝子サイレンシング）、細胞の異常な増殖を引き起こします。過剰メチル化は主に遺伝子の不活性化に関連しますが、ゲノム全体の低メチル化も染色体の不安定化などを通じてがんの発生や悪性化に関わることが知られています。
DNAメチル化は遺伝子の転写を二つの方法で影響します。一つは、メチル化自体が転写に必要なタンパク質のDNAへの結合を物理的に妨げる方法です。もう一つは、より重要なメカニズムとして、メチル化されたDNAに特異的に結合するタンパク質（メチル化CpG結合ドメインタンパク質, MBD）を介する方法です。MBDタンパク質はさらにヒストン修飾酵素や他のクロマチン構造を変化させるタンパク質を集め、遺伝子が働きにくい tightly packed な構造（サイレントクロマチン）を形成させます。このDNAメチル化とクロマチン構造の連携は生命機能において非常に重要です。例えば、特定のMBDタンパク質であるMeCP2の欠損はレット症候群という神経疾患と関連しており、MBD2はがんにおける遺伝子サイレンシングに関与しています。
哺乳類のDNAメチル化を担う主要な酵素群は、DNAメチルトランスフェラーゼ（DNMT）と呼ばれます。これらは主にCpG部位をメチル化し、その機能からDNA複製の際にメチル化パターンを娘細胞に引き継ぐ「維持メチル化」に関わるDNMT1と、発生初期などに新たなメチル化パターンを作る「de novoメチル化」に関わるDNMT3aやDNMT3bに大別されます。DNMT3Lは触媒活性はありませんが、de novoメチル化酵素の働きを助けます。DNMT2はtRNAをメチル化し、DNAはメチル化しません。
がん治療の分野では、DNMTの働きを阻害することで、がんでサイレンシングされたがん抑制遺伝子を再び機能させる試みがなされています。デシタビンのような薬剤が開発されていますが、ゲノムへの取り込みによる変異のリスクや副作用といった課題も存在するため、より効果的で安全な治療法の研究が進められています。
植物におけるDNAメチル化は、哺乳類とは異なる特徴を持ちます。シロイヌナズナの研究から、植物ではCpGだけでなく、CpHpGやCpHpH（Hはシトシン、アデニン、またはチミン）といった多様な部位でもメチル化が起こることがわかっています。植物のDNMTには、哺乳類に相同なもの（DRM2やMET1）と植物固有のCMT3などがあります。植物におけるde novoメチル化の一部は、RNAによってその位置が指定される「RNA指令型DNAメチル化（RdDM）」というユニークな機構を介して行われ、ウイルスやトランスポゾンといった可動性遺伝因子からゲノムを守る重要な防御システムとして機能しています。
真菌類でもDNAメチル化は観察されますが、そのレベルは種によって大きく異なります。アカパンカビなどの特定の真菌は、DNAメチル化研究の良いモデルとして用いられています。
真正細菌や古細菌、ウイルスにおいてもDNAメチル化は見られます。特に細菌では、「制限修飾系」として知られる防御システムの一部を担っています。これは、自身のDNAをメチル化酵素で修飾することで、外部から侵入したメチル化されていない異物（例えばバクテリオファージのDNA）を制限酵素で分解し、自己を守る仕組みです。大腸菌のDam酵素のように、制限修飾系とは異なる機能を持つメチル化酵素も存在し、DNAの複製タイミングやミスマッチ修復、特定の遺伝子の発現制御など、様々な生命現象に関与しています。
DNAメチル化の状態を調べるためには、いくつかの実験手法が用いられます。代表的なものとして、重亜硫酸ナトリウム処理によって非メチル化シトシンのみをウラシルに変換し、その変化を検出する「メチル化特異的PCR（MSP）」や「全ゲノムバイサルファイトシークエンシング（WGBS）」があります。その他にも、メチル化の有無でDNAの切断が変わる制限酵素を利用するHELPアッセイや、メチル化DNAに結合するタンパク質を利用するChIP-on-chip、メチル化DNAを免疫沈降で単離するMeDIP（MeDIP-chip, MeDIP-seq）など、多様な手法が開発され、研究に活用されています。
このように、DNAメチル化は単なる化学修飾ではなく、生物の発生、分化、遺伝子制御、疾患防御、さらには記憶といった幅広い生命現象の根幹に関わる普遍的かつ複雑なメカニズムであり、現在も精力的に研究が進められています。
特に複雑な体を形成する真核生物においては、DNAメチル化は「エピジェネティクス」と呼ばれる、DNA配列自体を変えることなく遺伝子の働きを調節する仕組みの主要な要素です。ゲノム上の「CpGアイランド」と呼ばれる特定の領域で頻繁に見られ、正確な発生プロセスや細胞の多様な機能分化を司る上で不可欠な役割を果たしています。さらに、DNAメチル化の異常は、がんの発生やその進行とも密接に関連していることが明らかになっています。
基本的なメカニズムとして、メチル基はシトシンのピリミジン環の5位の炭素や、アデニンのプリン環の6位の窒素に付加されます。このDNAの修飾は、細胞が分裂して増える際にも娘細胞へと引き継がれる性質を持っています。ただし、受精卵が形成される段階では多くのメチル基が取り除かれ、その後の発生過程で再び特定のパターンでメチル化が確立されます。近年の研究では、この過程でメチル基が完全に除去されるのではなく、ヒドロキシル化されるという別の修飾も起こっていることが示唆されています。
高等生物において、DNAメチル化は正常な発生と細胞がそれぞれの役割を果たすために極めて重要です。細胞が一度決定された「自分が何者であるか」というアイデンティティを維持し、特定の遺伝子の発現パターンを安定的に保つ役割を担います。例えば、胚発生期に膵臓のランゲルハンス島になるようにプログラムされた細胞は、その後の生涯にわたってランゲルハンス島としての機能を維持し続けます。これは、DNAメチル化による遺伝子発現の制御が一因と考えられます。また、生物のゲノムに侵入したウイルスやトランスポゾンのような有害な遺伝子の働きを抑制する防御機構としても機能しています。DNAメチル化は、DNAが折り畳まれてできるクロマチン構造の形成にも寄与しており、これにより、一つのDNA配列から多細胞生物に必要な多種多様な細胞の特性が生まれます。
哺乳類では、多くのCpG部位（シトシンとグアニンがリン酸でつながった配列）の60%から90%がメチル化されています。興味深いことに、メチル化されたシトシンは自然にチミンに変化しやすい性質があり、これがヒトゲノム中でCpG配列の出現頻度が低い理由の一つと考えられています。一方、非メチル化シトシンがウラシルに変化しても、細胞はこれを迅速に修復します。
がん細胞では、遺伝子のプロモーター領域にある非メチル化CpGが密集した「CpGアイランド」が異常に過剰なメチル化を受けることがあります。これにより、がん抑制遺伝子などが働かなくなり（遺伝子サイレンシング）、細胞の異常な増殖を引き起こします。過剰メチル化は主に遺伝子の不活性化に関連しますが、ゲノム全体の低メチル化も染色体の不安定化などを通じてがんの発生や悪性化に関わることが知られています。
DNAメチル化は遺伝子の転写を二つの方法で影響します。一つは、メチル化自体が転写に必要なタンパク質のDNAへの結合を物理的に妨げる方法です。もう一つは、より重要なメカニズムとして、メチル化されたDNAに特異的に結合するタンパク質（メチル化CpG結合ドメインタンパク質, MBD）を介する方法です。MBDタンパク質はさらにヒストン修飾酵素や他のクロマチン構造を変化させるタンパク質を集め、遺伝子が働きにくい tightly packed な構造（サイレントクロマチン）を形成させます。このDNAメチル化とクロマチン構造の連携は生命機能において非常に重要です。例えば、特定のMBDタンパク質であるMeCP2の欠損はレット症候群という神経疾患と関連しており、MBD2はがんにおける遺伝子サイレンシングに関与しています。
哺乳類のDNAメチル化を担う主要な酵素群は、DNAメチルトランスフェラーゼ（DNMT）と呼ばれます。これらは主にCpG部位をメチル化し、その機能からDNA複製の際にメチル化パターンを娘細胞に引き継ぐ「維持メチル化」に関わるDNMT1と、発生初期などに新たなメチル化パターンを作る「de novoメチル化」に関わるDNMT3aやDNMT3bに大別されます。DNMT3Lは触媒活性はありませんが、de novoメチル化酵素の働きを助けます。DNMT2はtRNAをメチル化し、DNAはメチル化しません。
がん治療の分野では、DNMTの働きを阻害することで、がんでサイレンシングされたがん抑制遺伝子を再び機能させる試みがなされています。デシタビンのような薬剤が開発されていますが、ゲノムへの取り込みによる変異のリスクや副作用といった課題も存在するため、より効果的で安全な治療法の研究が進められています。
植物におけるDNAメチル化は、哺乳類とは異なる特徴を持ちます。シロイヌナズナの研究から、植物ではCpGだけでなく、CpHpGやCpHpH（Hはシトシン、アデニン、またはチミン）といった多様な部位でもメチル化が起こることがわかっています。植物のDNMTには、哺乳類に相同なもの（DRM2やMET1）と植物固有のCMT3などがあります。植物におけるde novoメチル化の一部は、RNAによってその位置が指定される「RNA指令型DNAメチル化（RdDM）」というユニークな機構を介して行われ、ウイルスやトランスポゾンといった可動性遺伝因子からゲノムを守る重要な防御システムとして機能しています。
真菌類でもDNAメチル化は観察されますが、そのレベルは種によって大きく異なります。アカパンカビなどの特定の真菌は、DNAメチル化研究の良いモデルとして用いられています。
真正細菌や古細菌、ウイルスにおいてもDNAメチル化は見られます。特に細菌では、「制限修飾系」として知られる防御システムの一部を担っています。これは、自身のDNAをメチル化酵素で修飾することで、外部から侵入したメチル化されていない異物（例えばバクテリオファージのDNA）を制限酵素で分解し、自己を守る仕組みです。大腸菌のDam酵素のように、制限修飾系とは異なる機能を持つメチル化酵素も存在し、DNAの複製タイミングやミスマッチ修復、特定の遺伝子の発現制御など、様々な生命現象に関与しています。
DNAメチル化の状態を調べるためには、いくつかの実験手法が用いられます。代表的なものとして、重亜硫酸ナトリウム処理によって非メチル化シトシンのみをウラシルに変換し、その変化を検出する「メチル化特異的PCR（MSP）」や「全ゲノムバイサルファイトシークエンシング（WGBS）」があります。その他にも、メチル化の有無でDNAの切断が変わる制限酵素を利用するHELPアッセイや、メチル化DNAに結合するタンパク質を利用するChIP-on-chip、メチル化DNAを免疫沈降で単離するMeDIP（MeDIP-chip, MeDIP-seq）など、多様な手法が開発され、研究に活用されています。
このように、DNAメチル化は単なる化学修飾ではなく、生物の発生、分化、遺伝子制御、疾患防御、さらには記憶といった幅広い生命現象の根幹に関わる普遍的かつ複雑なメカニズムであり、現在も精力的に研究が進められています。
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