エピジェネティクスとは？定義・仕組み・DNAメチル化の基礎解説
エピジェネティクスの定義と仕組みを図解でわかりやすく解説。DNAメチル化の基礎から影響まで学べる入門ガイド。
エピジェネティクスとは、DNA配列の変化によらない遺伝子活性の変化を研究する学問である。遺伝子の発現、つまり遺伝子が表現型の効果をもたらす方法を研究するものである。
このような遺伝子活性の変化は、細胞の残りの寿命まで残る可能性があり、また、細胞分裂を経て何世代にもわたって続く可能性もある。しかし、生物の根底にあるDNA配列には変化がない。その代わり、非遺伝的な要因によって、生物の遺伝子は異なる振る舞い（発現）をするようになる。エピジェネティクスは、DNAのメチル化など、特定のメカニズムによって機能する。
エピジェネティックな要因は成人期まで続く可能性があります。
エピジェネティクスの主な仕組み
- DNAメチル化 — シトシンの5位にメチル基が付くことが多く、特にCpG配列（シトシン-グアニン）が集まった領域では発現抑制と関係する。メチル化は転写因子の結合を阻害したり、メチル化DNA結合タンパク質を介してクロマチンを凝縮させることで遺伝子の発現を抑える。維持型DNAメチル化酵素（DNMT1）や新生メチル化を担うDNMT3A/3Bなどが関与する。
- ヒストン修飾 — ヒストンタンパク質の尾部がアセチル化、メチル化、リン酸化などの化学修飾を受けると、クロマチンの開閉が変わり、転写のしやすさが変化する。例えばヒストンH3のリジン4トリメチル化（H3K4me3）は活性化、H3K27me3は抑制と関連することが多い。
- クロマチンリモデリング — ATP依存性のリモデリング複合体がヌクレオソームの位置や構造を変えることで、DNAへのアクセス性を調節する。これにより転写因子やポリメラーゼの結合が促進または阻害される。
- 非コードRNA（ncRNA） — 長鎖ncRNAやマイクロRNAなどが、染色体上で修飾酵素を局在させたり、翻訳やRNAの安定性を調節することでエピジェネティック制御に寄与する。
DNAメチル化の基礎ポイント
- 標的：主にCpG部位のシトシンがメチル化され、プロモーター領域やCpGアイランドのメチル化は遺伝子サイレンシングと関連する。
- 維持と除去：細胞分裂時にDNMT1がメチル化パターンをコピーして維持する。能動的脱メチル化はTET酵素などが関与し、元の状態へ戻すことが可能。
- 生物学的役割：胚発生における細胞分化、X染色体不活性化、ゲノム刷り込み（imprinting）などで重要な役割を果たす。
エピジェネティクスの特徴と伝達
エピジェネティックな変化は「可逆的」であり、環境因子（栄養、ストレス、化学物質、生活習慣など）によって影響を受ける点が特徴です。多くのエピジェネティックマークは体細胞分裂を経て維持される（細胞記憶）が、哺乳類での世代を超えた長期的な遺伝（世代間伝達）は限定的であり、議論の余地がある点に注意が必要です。
測定・解析法（代表例）
- ビスルファイト処理を用いたシトシンのメチル化解析（ビスルファイトシーケンス） — 5mCを検出するゴールドスタンダード法
- ChIP-seq（クロマチン免疫沈降とシーケンス） — ヒストン修飾や転写因子の結合領域を網羅的に解析
- ATAC-seq（開いたクロマチン領域の解析） — クロマチンのアクセシビリティを評価
生物学的意義と臨床応用
- 発生と分化：同じゲノムから多様な細胞型が生まれるのはエピジェネティクスの働きが大きい。
- 疾患との関連：がんでは腫瘍抑制遺伝子のプロモーター異常メチル化によるサイレンシングが見られる。代謝疾患や神経疾患、免疫疾患にも関連が示されている。
- バイオマーカーと治療：エピゲノム変化は診断マーカーや治療ターゲットになり得る。すでにDNMT阻害薬やHDAC阻害薬などのエピジェネティック治療薬が臨床で用いられている。
代表的な例
- X染色体不活性化：女性の一方のX染色体が大規模にサイレンシングされる現象はエピジェネティック制御の分かりやすい例。
- ゲノム刷り込み（imprinting）：父親または母親由来の特定の遺伝子の発現が片側のみで起こる現象で、DNAメチル化が関与する。
まとめ
エピジェネティクスは、DNA配列を変えずに遺伝子のオン／オフや発現量を制御する仕組み全般を指し、DNAメチル化やヒストン修飾、クロマチン構造、非コードRNAなどが主要なメカニズムである。環境の影響を受けやすく可逆性があることから、発生学的理解、疾患の診断・治療、予防医療の観点で重要な研究分野になっている。
定義
一般的な定義は、「複雑な生物の発生過程における...遺伝子活性の研究」である。従って、エピジェネティックとは、生物の発生に影響を与えるDNA配列以外のものを表すのに用いることができる。
より厳密には、「DNA配列の変化では説明できない、分裂期および／または減数分裂期に遺伝する遺伝子機能の変化の研究」である。
エピジェネティクス」という言葉は、遺伝しないプロセスを説明するために使われてきた。例えば、ヒストン修飾がその例です。そのため、遺伝性を必要としない定義もある。Adrian Birdはエピジェネティクスを「変化した活動状態を登録、信号、永続化するための染色体領域の構造的適応」と定義している。この定義には、DNA修復や細胞分裂の段階、細胞の世代を超えた安定した変化も含まれる。また、プリオンなど、染色体機能に影響を与えるものは除外されている。
NIHロードマップ・エピゲノミクス・プロジェクトでは、以下のような定義が用いられています。「このプログラムでは、エピジェネティクスとは、遺伝子の活性や発現における遺伝性の変化（細胞や個体の子孫における）と、細胞の転写能における安定した長期的な変化の両方を指します」。
2008年、コールドスプリングハーバーの会議で、エピジェネティック形質について「DNA配列の変化を伴わない染色体の変化から生じる安定的に遺伝する表現型」というコンセンサスな定義がなされた。
信頼性が高く読みやすいのは、ガーディアン紙の記事です。
例
真核生物におけるエピジェネティックな変化の最も良い例は、細胞の分化の過程である。形態形成の過程で、一般化された幹細胞が胚の細胞株となり、それが完全に分化した細胞となる。つまり、1つの受精卵細胞である接合子が分裂し、神経細胞、筋肉細胞、上皮、血管など、あらゆる種類の細胞に変化していくのです。
胚が成長するにつれて、ある遺伝子はオンになり、他の遺伝子はオフになったり抑制されたりする。このプロセスは、遺伝子制御と呼ばれています。細胞核の中には、遺伝子の出力を調整する仕事をする分子がたくさんあります。
DNAとヒストンはクロマチンと呼ばれるものを構成している。クロマチンに対するエピジェネティックな修飾は、細胞分裂の際にコピーされる。このようにして、すべて同じような細胞の列が作られる。これを組織と呼ぶ。
減数分裂はエピジェネティックな変化をキャンセルし、ゲノムをベースラインの状態にリセットするので、このプロセスはそれぞれの新しい世代で展開されます。この規則にはいくつかの例外があるが、いずれもDNA塩基配列の変化を伴うものではない。
このプロセスは、DNAの突然変異とは異なります。遺伝子の突然変異はDNAの一次配列を変化させるもので、突然変異はどの細胞でも起こりうる。しかし、生殖に関わる細胞での突然変異だけが子孫に影響を与えることができる。
質問と回答
Q:エピジェネティクスとは何ですか?
A: エピジェネティクスとは、DNA配列の変化によらない遺伝子活性の変化を研究する学問です。遺伝子の発現、すなわち遺伝子がどのように表現型効果をもたらすかを研究するものです。
Q: エピジェネティックな変化はいつまで続くのですか?
A: エピジェネティックな変化は、細胞の一生の間、そして、細胞分裂を経て何世代にもわたって残る可能性があります。
Q: エピジェネティクスが起こると、DNAの塩基配列に変化が起こるのですか?
A: エピジェネティクスが起こるとき、生物の基礎となるDNAの配列に変化はありません。むしろ、非遺伝的な要因が、遺伝子の構成を変えることなく、遺伝子の振る舞いを変化させるのです。
Q: エピジェネティクスは、どのようなメカニズムで働くのですか?
A: エピジェネティクスは、DNAメチル化などのメカニズムによって働きます。
Q:エピジェネティックな因子は大人になっても続くのですか?
A:はい、エピジェネティックな因子は成人期まで続く可能性があります。
Q:エピジェネティクスによって、遺伝子の発現はどのように異なるのでしょうか?A:遺伝子は、非遺伝的な要因によって、遺伝子の構成を変えることなく、異なる振る舞いをするようになり、異なる表現をしています。
Q: すべての生物は、それぞれ固有のエピジェネティックなプロセスを持っているのでしょうか?
A: はい。すべての生物は、時間や世代を超えて遺伝子がどのように表現されるかを決定する、独自のエピジェネティックなプロセスを持っています。
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