【解説】
30 nmクロマチン線維は存在しない！
野崎 慎 * 1 , 2 ，前島一博 * 1 , 3
1細胞あたり全長2 mにも及ぶヒトゲノムDNAは「人体の設 計 図」 で あ り，直 径 約10〜20 mの「細 胞 核」 や 直 径 0.7 mの「染 色 体」 の 中 に 収 納 さ れ て い る．本 稿 で は ゲ ノ ムDNAの収納原理とその柔軟性について，最近の筆者らの 知見を紹介したい．
はじめに
生命が誕生してから38億年の間，生命の設計図であ るゲノムは受け継がれてきた．ほとんどの生物の場合，
ゲノムの本体はDNAである．私たちヒトの体は約60兆 個の細胞からできているが，その1個1個の細胞に全長 約2 mにも達するDNAが収められている．この約60兆 個の細胞はもともと1個の細胞，受精卵に由来する．2 の46乗が約70兆であるから，1個の細胞が約46回分裂 すると私たちの体の細胞数に匹敵する．そして細胞が分 裂する際，DNAは切れたり，絡まったりするのを防ぐ
ために凝縮し，染色体と呼ばれる46本のDNAの束にな る（図
1
）．この染色体は，19世紀末からその存在が知
られていた．ではどのようにして染色体は形成されるの だろう？ DNAは直径2 nmのマイナス電荷を帯びたと ても細い糸であるが，これをそのまま小さく束ねようと すると，反発が起きてうまくいかない．このため，ヒス トン（H2A, H2B, H3, H4が2セットずつ組み合わさるこ とによってできるタンパク質の複合体）と呼ばれるプラ スに帯電した「糸巻き」に巻かれることで，直径約 11 nmのヌクレオソーム線維を作る（1） （図1）．これに
よって，DNAのマイナス電荷の多くを打ち消している．1976年，イギリスのクルーグ（1982年ノーベル化学 賞受賞）らは，このヌクレオソーム線維が，らせん状に 規則正しく折り畳まれて，直径約30 nmのクロマチン線 維が形成されることを提唱した（2）
．現在広く受け入れら
れている染色体構造の定説では，このクロマチン線維が らせん状に巻かれて100 nmの線維を作り，次に200 〜 250 nm, さらには500 〜 750 nmのように，規則正しい らせん状の階層構造（積み木構造）を形成するとされて きた（3） （図1）．実際，分子生物学の最も有名な教科書で
ある「細胞の分子生物学」では，過去25年以上にわ The 30-nm Chromatin Fiber Does Not Exist !Tadasu NOZAKI, Kazuhiro MAESHIMA, *1国立遺伝学研究所構 造遺伝学研究センター，*2慶應義塾大学大学院，*3総合研究大学 院大学生命科学研究科
たってこの定説が掲載されており，また高等学校の生物 IIの教科書にも記載されている．
クライオ電子顕微鏡による分裂期のヒト細胞の観察 筆者らは一貫して，ゲノムの本体であるDNAの束ね られ方や収納のされ方に着目して研究を続けてきた．
2004年頃からドイツEMBLのグループとともに，生き たままに近い状態の細胞を観察できる特殊な電子顕微鏡
（クライオ電子顕微鏡）を用いて，分裂しているヒト細 胞（HeLa細胞）を解析した．通常の電子顕微鏡では試 料を真空中にさらすために，試料が化学固定・アルコー ル脱水・樹脂包埋・切片作製そして染色という複雑なプ ロセスを経る必要がある．しかし，こうした試料作製の 過程は，細胞内のさまざまな分子を人工的に凝集させた り，抽出させたりしてしまう可能性がある（4, 5）
．クライ
オ電子顕微鏡では，このような処理を一切行わず「生き ている」状態を保存するために，細胞を高圧下で急速凍 結し，凍結した細胞を極低温下（−150度）で薄く切り（切片化）
，その切片を極低温下でそのまま観察を行う．
クライオ電子顕微鏡を用いて分裂期細胞を観察した結 果，ヌクレオソーム線維の存在を示す「直径11 nmの構 造」を観察することはできたが，定説のクロマチン線維 モデルにある「直径30 nmの構造」を観察することはで きなかった（6, 7）
．しかしながら，クライオ電子顕微鏡で
は，70 nm程度の薄い切片を観察するため，染色体のご く一部しか解析できない（8, 9）．また，特異的な染色を行
わないため，得られた画像の濃淡（コントラスト）が極 めて薄いなど（10, 11）
，いくつかの技術上の問題があった．
ヒト染色体のX線構造解析
筆者らは，「定説のような規則正しいクロマチン線維 は存在していないのかもしれない」と考え，X線散乱を 用いて，ヒト染色体の構造解析を行った（8, 9）
．タンパク
質などが集まった構造体にX線を当てると，その構造体 の規則性に応じた散乱パターンが得られる．もし，30 nmの構造に相当するピークが観察されなければ，規 則的な構造のクロマチン線維は存在しないということに なる．また，X線散乱は，電子顕微鏡に使われる電子線 に比べて，透過性に優れているため，染色体丸ごとの構 造解析が可能で，クライオ電子顕微鏡の弱点を補うこと ができる．X線散乱の測定は理化学研究所・播磨研究所 の大型放射光施設SPring-8を用いて行った．放射光は ほぼ光速で運動する電子の軌道が曲げられる際，発する 強力なX線であり，通常のX線より詳細な構造解析を 行うことが可能である．単離したヒト染色体に放射光を 照射したところ，30 nmの散乱のピークが観察され
た（8, 9） （図
2
）．実は25年以上前にもイギリスのグループ
がX線散乱による染色体の構造解析を行い，30 nm程度 のピークが観察されていた（12, 13）
．そして，このピーク
が染色体に30 nmのクロマチン線維が存在する強力な根 拠の一つとなっていたのである．しかしながら，これらの結果はクライオ電子顕微鏡で
（A） （B）
DNA
ヌクレオソーム
30ナノメートル クロマチン線維
30ナノメートル
700ナノメートル程度
30ナノメートル線維 100ナノメートル線維 200-250ナノメートル線維 500-750ナノメートル線維 11ナノメートル
2ナノメートル
分裂期染色体
階層構造？
図1■30 nmクロマチン線維モデル
ここに現在教科書に掲載されているような30 nm構造の模式図を示す．（A） にはDNAがどのように折り畳まれているのかを示した．DNA はヒストンというタンパク質に巻きつくことによってヌクレオソームを形成する．30 nm線維モデルでは，このヌクレオソームが規則正し く折り畳まれることでクロマチン線維を形成し，さらにそれらが折り畳まれることで分裂期染色体を作ると考えられてきた．（B） にはその 分裂期染色体の階層構造モデルを示した．このモデルでは30 nm線維から100 nm, 200 nm, そして500 nmと徐々に太くなっていくことで染 色体構造が形成されると考えられていた．
の観察結果と一致しない．このため，筆者らは「なぜク ライオ顕微鏡での結果と一致しないのか？」という疑問 について詳細に検討し，X線散乱による30 nmのピーク が染色体の本体によるものではなく，染色体の表面に付 着したリボソームによることを突き止めた（8）
．リボソー
ムは細胞内に多量に存在するタンパク質合成工場であ る．このリボソームはRNAとタンパク質からできてい る巨大な複合体で，そのサイズは20 nm以上にもなる．リボソームを取り除いた染色体で再び解析をすると，
30 nmのピークは観察されなくなることを確かめた（8）
（図2）
．そして，ヌクレオソームの構造を示す6 nmと
11 nmのピークだけを得ることができた（図2）．この結
果により，染色体の中に30 nmのクロマチン線維が存在 する強力な根拠がなくなったのである（8） （図3
）．
ヌクレオソーム線維は不規則に折り畳まれている さらに，定説で提唱されているような染色体内のより 大きな階層構造（積み木構造）の有無を調べるため，
SPring-8で染色体全域をカバーできるX線散乱装置（14）
を作製した西野博士らとともにヒト染色体への照射を 行った．染色体直径に相当する1
μ
mまでの範囲を調べ，詳細に解析したところ，定説で予想されていたような，
約100 nm, 約200 〜 250 nmの 線 維 の 存 在 を 示 す 散 乱 ピークは観察することはできなかった（8）
．これら一連の
結果は，定説のモデルにあるクロマチン線維も，クロマ チン線維がさらに規則正しく束ねられた高次の階層構造 も存在していないことを示している．このため，染色体 にはヌクレオソーム線維がとても不規則に収納されてい ると考えた（8, 15） （図3）．またヒト染色体のX線散乱の強
度が構造のサイズのべき乗則に従うことから，染色体の 構造がフラクタル性をもっているのではないか？ とも 考えている（8, 15）．ここで言うフラクタルとは，どのよう
なサイズのスケールで見ても，同じように見える（ス ケールフリー）という意味で，筆者らの解釈では，ヌク レオソーム線維の不規則（ランダム）な折り畳みと同様 であると考えている．不規則な収納にもかかわらず，染色体はどうしてある 決まった形を作れるのだろうか？ それは，染色体の中 心部に，コンデンシンやトポイソメラーゼIIと呼ばれる タンパク質が軸のようなものを作っているからだろう
（図3）
．つまり，束ねられ方がいい加減であっても，特
定のタンパク質が軸となることで，決まった形の染色体 を形成できると考えられる．今回，筆者らは，クライオ電子顕微鏡とX線構造解析 を組み合わせることで，全長2 mにも及ぶヒトゲノム DNAが細胞の染色体の中に不規則に（ある種いい加減 に）収納されていることを突き止めた．決まった染色体 の形から考えると，意外に思われるかもしれない．しか しながら，「いい加減は良い加減」である．細胞にとっ て，クロマチン線維やより高次の構造を規則正しく作る のは大きなエネルギーが必要かもしれない．最低限の秩 序を保つ構造を作り，あとはいい加減に凝縮して，なる べくエネルギーを使わずに染色体を作る方が合理的であ ると言え，生物はそのような戦略をとったと考えられ る．
細胞間期と分裂期のクロマチン構造は局所的に似て いる
これまで，分裂期における染色体について詳しく見て X線
X線
X線
検出された構造
6 nm
6 nm
6 nm 6 nm
11 nm
11 nm
11 nm
11 nm 30 nm
30 nm
30 nm
30 nm
リボソーム
散乱ベクター
散乱強度
図2■クロマチンのX線構造解析
上段の図は染色体だけにX線を当てたときの散乱パターンを検出 したものである．この場合は右図に示すように6 nmと11 nmの ピークのみ得ることができた．この6 nmと11 nmのピークはヌク レオソームの構造によるものだと考えられる．中段は染色体の周 りにリボソームが付着している場合である．このときは6 nmと 11 nm, 30 nmのピークを得ることができた．また，下段のように リボソームのみの場合は30 nmのピークのみを得た．このことか ら，以前X線構造解析によって得られていた30 nmのピークは染 色体に付着したリボソームによるものであり，染色体内には 30 nm構造が存在しないことが示された．
きた．しかし，多くの遺伝子の転写は間期において活性 化される．間期のクロマチン構造はどのようになってい るのだろうか？ 筆者らは，間期のクロマチンについて もX線構造解析で調べた（9）
．すると，分裂期と同様にリ
ボソームを取り除いた後は30 nmの構造やさらなる階層 的な構造も検出できなかった．この結果は，間期におい ても30 nmクロマチン線維構造を含めた階層構造が存在 しないことを示し，細胞の核内においてもクロマチンは 不規則で，かなりいい加減に収納されていることを示し ている（9）．
さらに，間期クロマチンと分裂期染色体におけるX 線散乱パターンを詳細に比較すると，おもしろいことに
〜 275 nmまでの範囲で非常に似たパターンを示すこと がわかった（9）
．この結果により，
〜 275 nmまでのス ケールでは，間期クロマチンと分裂期染色体は類似した 構造であることが示唆される．一般的には，間期と分裂 期において，クロマチンの構造が大きく異なると考えら れていたが，今回の結果は，両者の構造が局所的には類 似していることを示している．このことは，クライオ電 子顕微鏡を用いた先行研究で，分裂期と間期のクロマチ ン領域が似ているという結果とも合致する（5, 16, 17）．
これらの結果から，筆者らは染色体で見られるヌクレ オソーム線維の不規則な折り畳みは，細胞の間期の段階 から存在していると考えている．このようなヌクレオ ソーム線維の不規則な折り畳みによって，ヌクレオソー
（A） （B） クロマチンドメイン
輪切り断面 コンデンシン ヌクレオソーム
1本のヌクレオソーム線維
図3■ヌクレオソーム線維は不規則に折り畳まれている
（A） 筆者らの実験結果は，ヌクレオソームが不規則に畳まれていることを示している．それでも棒状の染色体のような構造をとることが できるのは，図の輪切り断面に示すように，コンデンシンという軸になるようなタンパク質（中心の青い物体）の周りにヌクレオソームが 不規則により集まるからであると考えている．それぞれのヌクレオソーム線維は赤線で示すように，ほかのヌクレオソーム線維と絡み合い ながらごちゃごちゃと存在していると思われる．（B） 間期では，ヌクレオソームはクロマチンドメインのように凝集し，塊のようになって いると考えられる．ドメインから表面にDNAが表れた部分（赤いヌクレオソーム部位）が転写活性化している領域であり，それぞれに対 してタンパク質（緑）がアクセスすることによって，遺伝情報の検索や読み出しが行われると考えられる．
DNA 2 nm
11 nm
10μm 30 nm
700 nm ヌクレオソーム
細胞核 分裂期染色体
従来の説
規則正しいクロマチン線維
新しい説
ヌクレオソームの不規則な 集合 （クロマチン線維なし）
図4■クロマチン構造の新しいモデル
ヌクレオソームが不規則に折り畳まれている新しいクロマチン構 造モデルを示す．3段目左がこれまでの30 nmクロマチン線維モ デルである．筆者らの新しいモデルでは3段目右に示したような 不規則に折り畳まれたクロマチン線維のない不規則な集合が形成 されていると考えている．このようなクロマチンが不規則に集合 した塊は間期核から存在しており，これらが集まることによって 4段目のような分裂期染色体を形成すると考えている．
ムはクロマチンドメインと呼ばれる塊を形成する（9） （図 3,
4
）．間期の細胞の中で，このクロマチンドメインの表
面で遺伝子の転写が起こっているのではないかと考えて いる（図3）．
ヌクレオソーム線維の自由で柔軟な収納が遺伝情報 の検索に重要である
このような不規則なヌクレオソーム線維の収納は細胞 内でどのような役割を果たすのだろうか？ ヌクレオ ソーム線維が規則正しい線維構造や階層構造を作ってい ると，いざ，遺伝情報を検索し，使用する際多くの部分 が隠されてしまうことになる．昔よく使われたカセット テープでは，きれいに巻き取られていたため，選曲をす るためにテープを早回しする必要があったことを覚えて いる方も多いかと思う．一方，ある程度のいい加減さを もって不規則に収納されていると，物理的な束縛が少な いため，個々のヌクレオソームが動ける余地も増え，遺 伝情報の検索にとっては便利なことが多いと考えられ る．
最近，筆者らは生きた細胞の中で，個々のヌクレオ ソームの動き（揺らぎ）を観察することに成功した（18）
（図
5
）．図5に示すように，蛍光タンパク質を結合した
ヒストンを細胞の中で発現させることにより，細胞内で のヌクレオソームの動きを測定することができた．その 結果，細胞内ではヌクレオソームがダイナミックに揺ら いでおり，30ミリ秒の間に50 〜 60 nm動くことがわ かった（18）．また，モンテカルロ法というコンピュータ
シミュレーションなどを用いて，ヌクレオソームの揺らぎがその中を動き回ろうとするタンパク質の動きを促進 させていることを突き止めた（18）
．筆者らはこのヌクレ
オソームの揺らぎはブラウン運動によって起きていると 考えており，遺伝情報探索のエネルギー的な観点からも 興味深いと思われる（図5）．また，このヌクレオソー
ムの揺らぎによって，ゲノムDNAは隠されることな く，さまざまなDNA領域がある頻度で露出すると考え られる．このように，細胞内のヌクレオソームの揺らぎ はタンパク質の運動とDNAへのアクセスの両面におい て重要であることが，筆者らの研究からわかった．最後に
筆者らは，編集委員の提言で本総説に「30 nmクロマ チン線維は存在しない！」という過激なタイトルをつけ た．しかし，筆者らの本当の主張は，多くの細胞で 30 nmクロマチン線維は「ほとんど」存在しない，とい うものである．実際，ニワトリの赤血球やヒトデの精 子，マウスの網膜の光受容体細胞など（8, 19, 20）
，少数の特
別な細胞種で規則正しい30 nmクロマチン線維構造が存 在することが知られている．このような細胞は終末分化 しており，分裂せず，ほとんど転写も起こっていないこ とが知られている．このため，30 nmクロマチン線維の 形成は，ゲノムの安定的な不活化に使われている可能性 があるだろう．このような場合，特異的なタンパク質や ヒストン修飾による特別なメカニズムが存在するのでは ないかと考えている．これらの特別なケースを除けば 30 nmクロマチン線維構造は，ほとんど存在しないと思（A） （B）
細胞の核 染色体
ヌクレオソーム （ブラウン運動によって揺らいでいる）
動き回るタンパク質 （例，遺伝子のスイッチをオンにするタンパク質）
目的のターゲット
図5■生細胞の核内におけるヌクレオソーム
（A） 筆者らは動物細胞において，ヌクレオソームを形成するヒストンを蛍光標識することで，生きた細胞における核内のヌクレオソーム を観察した．一つ一つの白い輝点が1個のヌクレオソームを表している．この輝点の動きを観察することで，ヌクレオソームの揺らぎを明 らかにした．（B） ヌクレオソームが核内や染色体内で揺らいでおり，その中をタンパク質が動く模様を概略図として示した．ヌクレオソー ム（オレンジ）がブラウン運動によって揺らいでおり，それによってできたスペースをタンパク質（緑）が動くことで，目的のサイト（青）へ たどり着く様子を表している．
われる．筆者らが発見したヌクレオソーム線維の不規則 でダイナミックな収納は，必要な遺伝情報が細胞内でど のように検索され，どのように読み出されるのかという メカニズムの理解にもつながる．また，将来的に，新し い概念によるメモリデバイスや情報検索システムの開発 につながるかもしれない．
文献
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プロフィル
野 崎 慎（Tadasu NOZAKI）
＜略歴＞2011年慶應義塾大学環境情報学 部卒業／2012年度から国立遺伝学研究所 特別共同利用研究員／慶應義塾大学大学院 在学中＜研究テーマと抱負＞生命におい て，遺伝情報はどのように検索され読み出 されるのか，という問題は生物学的にも，
情報学的にも非常に興味深い．長年の問題 でもあるクロマチン構造を手がかりに解き 明かしたい＜趣味＞剣道（四段）
前島 一博（Kazuhiro MAESHIMA）
＜略歴＞1999年大阪大学大学院医学研究 科 博 士 課 程 修 了／2004年 ま で ス イ ス・
ジュネーブ大学研究員／理化学研究所研究 員，専任研究員を経て，2009年から国立 遺伝学研究所教授．総合研究大学大学院生 命科学研究科併任教授＜研究テーマと抱 負＞細胞核や分裂期染色体でゲノムDNA がどのようにorganizeされているのか解 析中．ヒトゲノムのなかに隠されている高 次情報を明らかにしたい．ポスドク，大学 院生募集中＜趣味＞読書，野球観戦（昔は play）
