【生命科学】DNAメチル化【用語解説】

生命科学

DNAメチル化は、遺伝的情報の一部が化学的に修飾される過程の一つであり、生物の発生、成長、分化や遺伝子の発現制御に重要な役割を果たします。DNAのメチル化とは、主にシトシン（C）の5位炭素（C5）にメチル基（-CH3）が付加されることを言います。

この反応はDNAメチルトランスフェラーゼ（DNA methyltransferase, DNMT）と呼ばれる酵素によって触媒されます。この酵素は、シトシンと結合し、メチル基を移すことができます。メチル化されたDNAは、通常のDNAとは異なる物理的、化学性質を持ちます。

役割

DNAメチル化の主要な役割は、遺伝子の発現を調節することです。プロモーター領域のDNAがメチル化されると、遺伝子の発現を減少させる効果があります。つまり、メチル化は遺伝子のオフスイッチのようなものと考えることができます。より具体的には、メチル基がシトシンに結合すると、DNAが巻き取られ、遺伝子のアクセシビリティが変わります。この結果、遺伝子の発現が抑制されます。

また、メチル化は細胞の分化、発生、疾患、老化などにも関与しています。これは、DNAメチル化パターンが細胞種により異なるからです。このパターンの変化は、細胞が特定の細胞種に分化する際に遺伝子発現がどう調節されるかを決定します。

反応機序

DNAメチル化の反応機序は、通常のメチルトランスフェラーゼと基本的には同じです。

まず、生体内におけるメチル基のドナーであるS-アデノシルメチオニン（SAM）からメチル基がDNMTに移されます。その後、DNMTはメチル基をDNA上の特定のシトシンに付加します。

DNAメチル化の特徴

DNAメチル化は可逆反応です。つまり、一度メチル化されたDNAは、酵素によって元の状態に戻すことができます。

また、DNAメチル化は細胞分裂の際に親細胞由来の片方のDNA鎖にのみ娘細胞に継承されますが、メチルトランスフェラーゼDNMT1の働きによって、もう片方のDNA鎖にもメチル化が生じます。

DNAメチル化とがん

DNAメチル化の具体例として、がん細胞でのDNAメチル化があります。通常、遺伝子のメチル化は遺伝子の発現を抑制しますが、異常なメチル化パターンはがんを引き起こすことがあります。たとえば、がん抑制遺伝子がメチル化されて発現が抑制されると、細胞は制御なく増殖し、がんを形成する可能性があります。

DNAメチル化と関連する概念

エピゲノム

DNAメチル化は、エピゲノムの一部として考えられます。エピゲノムとは、遺伝子の配列ではなく、その遺伝子がどのように機能するかを決定する機序の総体です。DNAメチル化は、遺伝子発現を制御するための重要なメカニズムの一つです。

プロモーター

プロモーターは、遺伝子の発現を開始する位置を指すDNAの特定の領域です。プロモーター領域がメチル化されると遺伝子の発現は抑制されます。

バイサルファイトシークエンシング

バイサルファイトシークエンシングは、DNAメチル化を検出するための手法の一つです。この手法では、初めにDNAにバイサルファイトを処理してシトシンをウラシルに変換します。しかし、メチル化シトシンは変換されません。その後、シークエンシングを行うことで、メチル化されたシトシンの位置を特定できます。

生物学的年齢

ミトコンドリアDNAメチル化は生物学的年齢と関係があります。具体的には、生物学的年齢は、特定のDNAメチル化マーカーのパターンを基に計算されます。これには、統計的手法や機械学習アルゴリズムが用いられることがあります。

なお、生物学的年齢は、個体の細胞や組織の老化状態を反映する指標で、実際の年齢とは必ずしも一致しません。

歴史と経緯

DNAメチル化は、1948年にロランド・ホッチキスによって初めて発見されました。彼は、DNAにメチル基が含まれていることを観察しました。その後、DNAメチル化が遺伝子の発現を制御することが明らかにされ、この発見はエピジェネティクスと呼ばれる学問領域の基礎となりました。

参考書籍

バイオ実験基本セット

バイオ実験イラストレイテッド

生命科学基礎セット

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