DNAアクセスにおけるbHLH転写因子とヒストンの連携

Nature volume 619、pages 385–393 (2023)この記事を引用

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メトリクスの詳細

転写因子の基本ヘリックス-ループ-ヘリックス (bHLH) ファミリーは、E-ボックス (CANNTG) として知られる DNA モチーフを認識し、108 のメンバーが含まれます1。 今回我々は、構造的に異なる2つのbHLHタンパク質、すなわち癌原遺伝子MYC-MAXと概日転写因子CLOCK-BMAL1によって、クロマチン化されたEボックスがどのように関与しているかを調査する（参考文献2、3）。 どちらの転写因子も、ヌクレオソームの出入り口付近の E ボックスに優先的に結合します。 改変されたヌクレオソーム配列または天然のヌクレオソーム配列を用いた構造研究では、MYC-MAX または CLOCK-BMAL1 がヒストンからの DNA 放出を引き起こしてアクセスを獲得することが示されています。 H2A-H2B 酸性パッチ 4 の上部では、CLOCK-BMAL1 Per-Arnt-Sim (PAS) 二量体化ドメインがヒストン 8 量体ディスクと結合しています。 内在性 DNA 配列におけるタンデム E-ボックス 5、6、7 の結合は、2 つの CLOCK-BMAL1 プロトマーとヒストン間の直接相互作用を通じて起こり、概日周期にとって重要です。 内部 E ボックスでは、MYC-MAX ロイシン ジッパーはヒストン H2B および H3 と相互作用することもでき、その結合はヌクレオソーム上の他の場所で OCT4 によって間接的に強化されます。 ヌクレオソームの E ボックスの位置と bHLH 二量体化ドメインの種類は、共同してヒストンの接触、親和性、および他のヌクレオソーム結合因子との競合および協同性の程度を決定します。

ヒト bHLH 転写因子 (TF) ファミリーは、ホモ二量体とヘテロ二量体のペアを形成する 108 個のメンバーで構成されています 1,8。 bHLH ファミリーのメンバーは、細胞の成長、増殖、代謝 9、神経新生 10 および筋形成 11 から、低酸素症 12 への応答、および概日リズム 13、14 に至るまでの必須の生物学的プロセスを制御します。 bHLH DNA 結合フォールドには、DNA の主溝と相互作用する N 末端塩基性ヘリックスが含まれており、その後にループと 2 番目の α-ヘリックスが続きます 15。 bHLH DNA 結合ドメインは、ロイシン ジッパー (LZ) ドメイン (例: MYC、MAX、MAD)、PAS ドメイン (例、CLOCK、BMAL1、HIF1α)、またはオレンジ ドメイン (例:例: HES1 ～ HES7)1。 bHLH タンパク質のさまざまなファミリーは、エフルッシまたはエンハンサー ボックス (E-ボックス) と呼ばれるコア DNA モチーフを認識します。これは、ヒトゲノムに約 1,500 万回存在する、縮重 CANNTG モチーフを持つ短い回文配列です 16。 我々は、それぞれ増殖調節因子MYC-MAXと概日TF CLOCK-BMAL1に代表される、bHLH-LZクレードおよびbHLH-PASクレードからの構造的および進化的に異なる2つのbHLHメンバーに焦点を当てた。

癌原遺伝子 MYC は、細胞の回路において細胞増殖を調節する重要な役割を果たしています 17。 ほとんどの腫瘍タイプは、遺伝子座の直接的な変化 (遺伝子増幅や転座など) または上流シグナル伝達経路 (Wnt、Notch など) の活性化により、MYC の発現調節が解除され、MYC による発がん性形質転換が起こります 18。 MYC は転写活性化因子として MAX と連携して作用します (以下、MYC-MAX)。 MAX は、転写抑制因子として機能する他の bHLH-LZ タンパク質 MXD1 ～ MXD4、MNT、および MGA とホモ二量体およびヘテロ二量体を形成します9。

ヘテロ二量体 bHLH-PAS TF CLOCK-BMAL1 は、代謝、ホルモン分泌、および代謝における必須遺伝子を含むゲノムの (組織全体にわたる) ほぼ 40% のリズミカルな発現に約 24 時間の周期を与える分子時計の重要な構成要素です。細胞周期19、20。 CLOCK-BMAL1 は、専用の概日抑制因子である Period (PER) や Cryptochrome (CRY) などの E-box 要素および補調節因子と相互作用して、1 日を通して転写振動を駆動します 21。

ゲノム標的部位への TF のアクセスを制御する重要な調節機構はクロマチン環境であり、ヌクレオソームが TF の DNA への結合を制限します 22,23。 bHLH タンパク質が結合するのは、一定の時点で総 E-box の 1% 未満であると推定されています 24。 しかし、単一の bHLH TF がクロマチン内のヌクレオソームに埋め込まれた E ボックスを読み出すメカニズム、および bHLH メンバーが他の TF と協力するメカニズムは不明です。