二価（遺伝学）
細胞生物学では、二価染色体とは四分体中の1対の染色体（相同染色体）のことである。四分体とは、少なくとも1つのDNA交差によって物理的に結びついた一対の 相同染色体（4つの姉妹染色分体）の結合体である。この物理的結合により、第1減数分裂で相同染色体の整列と分離が可能になる。ほとんどの生物では、複製された各染色体（2つの同一の姉妹染色分体で構成）は、レプトテン期にDNA二本鎖切断の形成を誘発する。これらの切断は、相同染色体を修復の鋳型として使用する相同組み換えによって修復される。シナプトネマ複合体と総称される多数のタンパク質の支援による相同標的の探索により、第1減数分裂のレプトテン期とパキテン期の間に、2つの相同染色体が対になる。
形成
二価染色体の形成は、減数分裂の最初の分裂中（減数分裂前期1の接合子期）に起こる。ほとんどの生物では、複製された各染色体（2 つの同一の姉妹染色分体[ 1 ] [ 2 ]で構成）は、レプトテン期に DNA 二本鎖切断の形成を誘発する。[ 3 ]これらの切断は、相同染色体を修復のテンプレートとして使用する相同組み換えによって修復される。シナプトネマ複合体と総称される多数のタンパク質の助けを借りて相同標的が検索され、減数分裂 I のレプトテン期とパキテン期の間で 2 つの相同染色体が対になる。[ 4 ] DNA 組み換え中間体が交差に解決されると、キアズマ（複数形：キアズマ）と呼ばれる部位で 2 つの相同染色体間で DNA セグメントが交換される。この物理的な鎖交換と各染色体上の姉妹染色分体間の凝集により、双染色体期における相同染色体の強固な対合が保証される。顕微鏡で観察できるこの構造は二価染色体と呼ばれる。[ 5 ]
この複雑な分子機構は、あらゆる細胞における遺伝子発現制御の中核を成しています。生物発生の初期段階においては、多様な転写プログラムの協調的な活性化が極めて重要であり、あらゆる器官や組織の形成には綿密に実行されなければなりません。二価性プロモーターとポイズドエンハンサーは、ヒストンマークで修飾された制御領域であり、転写の正負両方の結果に関与しています。最後に、二価性とがんの潜在的な関連性について考察し、疾患の病因と治療に関する生物医学研究の発展を促進する可能性を示唆します。
この多様性において主要なプログラムを達成するには、1つの遺伝子の情報が細胞種によって異なる実行方法を持つ必要があります。クロマチンは指示の担い手であり、ヒストンに囲まれたDNAはヌクレオソームの影響を示しており、これが基本単位であることが分かります。パックされたヌクレオソームは、物理的な障壁の制御に関する情報を提供し、クロマチンリモデラーの部位、ヒストン粒子のN末端部分、ヒストンテール、共有結合による翻訳後修飾に影響を与えます。また、[PCG]と[TRXG]のエピジェネティクスも形成され、ショウジョウバエの形質転換から得られたグループで引き起こされたこれらの変異は、明確な情報を示しています。
構造
二価遺伝子は、少なくとも 1 つのキアズマと呼ばれる部位で DNA 鎖が交換された 2 つの複製された相同染色体の結合体です。各二価遺伝子には最低 1 つのキアズマが含まれ、4 つを超えることはめったにありません。この限られた数 (開始された DNA 切断の数よりはるかに少ない) は、クロスオーバー干渉によるものです。これは、すでに存在している別のクロスオーバー結果の近くで修復イベントをクロスオーバーに解決する回数を制限し、それによって相同遺伝子ペアあたりのクロスオーバーの総数を制限してしまう、あまり理解されていない現象です。[ 4 ]二価遺伝子は、この種の同じ領域にH3K4me3と H3K27me3 の両方のエピジェネティック修飾がマークされた遺伝子であり、胚性幹 (ES) 細胞の多能性に関連して極めて重要な役割を果たすことが提案されています。H3K27me3 と H3K4me3 の両方のヒストン修飾がマークされた二価プロモーターは、胚性幹 (ES) 細胞のポーズドプロモーターの特徴です。ポイズドプロモーターモデルは、ES細胞における二価クロマチンが分化に伴い一価に分解されると仮定しています。シングルセルRNAシーケンシング（scRNA-seq）データが利用可能になったことで、二価プロモーターにおける転写状態のその後の切り替えをより詳細に研究することが可能になりました。
関数
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減数分裂中期 I では、細胞骨格が各相同染色体を反対方向に引っ張って二価染色体に張力をかけます (力が各染色分体に及ぼされる有糸分裂とは逆)。 細胞骨格の染色体への固定は、動原体と呼ばれるタンパク質複合体のおかげでセントロメアで行われます。 この張力により二価染色体が細胞の中心に整列し、キアズマと姉妹染色分体の遠位の接着がアンカー ポイントとなって、構造全体に及ぼされる力を維持します。 驚くべきことに、ヒト女性の一次卵母細胞は数十年間この張力状態を維持します (胚発生中の第 1 中期での卵母細胞の確立から、減数分裂を再開する成人期の排卵イベントまで)。これは、二価染色体をまとめるキアズマと接着の強固さを浮き彫りにしています。細胞転写は発生遺伝子を制御します。scRNA-seqデータから「バイモーダル」な遺伝子発現パターンを検出することで、転写スイッチングを受けている遺伝子を捕捉する手法を開発しました。ES細胞分化におけるバイモーダル遺伝子の特定をクロマチン状態の分析と統合し、バイモーダルで二価の遺伝子の明確な細胞状態依存パターンを特定します。バイモーダル遺伝子の二値化を使用して、分数ON/OFF比率から差次的に発現する遺伝子を特定できることを示します。分化細胞の時系列データでは、疑似時間近似を構築し、隠れマルコフモデルを使用して遺伝子活動のスイッチング疑似時間を推測し、これを使用して制御ネットワークを推測します。分化中のスイッチング経路、それらの経路の新しい詳細、および下流のターゲットと転写因子の協調を特定します。
結論: 従来の scRNA 分析では発現レベルが低すぎて有益ではない遺伝子を使用して、転写活性をクロマチン状態に関連付ける転写スイッチング ネットワークを推測できます。クロマチン状態とある種の分析を使用して、バイモーダルでバイバレントな遺伝子の明確な細胞状態依存パターンを特定します。バイモーダル遺伝子の 2 値化を使用して、分数 ON/OFF 比率から差次的に発現する遺伝子を特定できることを示します。分化細胞の時系列データでは、疑似時間近似を構築し、隠れマルコフ モデルを使用して遺伝子活動スイッチング疑似時間を推測し、これを使用して制御ネットワークを推測します。分化中のスイッチング パスウェイ、それらのパスウェイの新しい詳細、および下流ターゲットとの転写因子の調整を特定します。これにより、scRNA-seq データから制御ネットワークを推測する新しい生産的な手段が提供されます。
キーワード: 二峰性、二価性、クロマチン状態、胚性幹細胞、ゲノム制御ネットワーク、隠れマルコフモデル、疑似時間、scRNA-seq。
参考文献
- ^ Lefers, Mark. 「ノースウェスタン大学分子生物科学科」 . 2015年9月26日閲覧。
- ^ 「アリゾナ大学生化学・分子生物物理学科」The Biology Project . 2015年9月26日閲覧。
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- ^ Jones, Gareth H.; Franklin, F. Chris H. (2006-07-28). 「減数分裂交差：義務と干渉」 . Cell . 126 (2): 246– 248. doi : 10.1016/j.cell.2006.07.010 . ISSN 0092-8674 . PMID 16873056 .
Blanco E.、Gonzalez Ramirez M.、Alcaine-colet、A.、Aranda二価ゲノム；遺伝学における特徴づけ構造の動向
. Thomson JA、itskovitz-Eldor J、Shapiro SS、他
。 Santos-Rosa H、Schneider R、Beernstein BE、他。ヒストンH3 K4のメチル化
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