生物の遺伝物質は、数十億塩基対のDNAで構成されています。
このDNAは、核の中で密に包装されるように染色体に配列されている。
染色体はDNAとタンパク質が結合したもので、クロマチンと呼ばれる複雑な構造を形成している。
染色体の40%はDNAで、残りの60%はタンパク質です。
DNAと結合しているタンパク質がヒストンです。
DNAはヒストンが形成するコアに巻き付き、ヌクレオソームと呼ばれる構造を形成している。
ヌクレオソームは、染色体やクロマチン繊維の基本単位です。
ヌクレオソームは、DNAのコイルと考えることができる。
したがって、染色体はDNAのスーパーコイルで構成されている。
ヒストンとは
ヒストンは、正電荷を持つタンパク質の一種で、染色体に含まれるタンパク質の基本型として機能しています。
ヒストンには、H1、H2A、H2B、H3、H4の5種類があります。
ヒストン蛋白質の主な機能は、核内でDNAの凝縮した包装を助けることである。
ヒストンとDNAの相互作用を図1に示します。
図1：ヒストンとDNAの相互作用
ヒストンコアの形成に関与するヒストンは、H2A、H2B、H3、H4の4種類です。
DNAはヒストンコアに巻きついて、DNAのコイルを形成する。
ヒストンは、ユークロマチンとヘテロクロマチンという2種類のクロマチンを形成することにより、遺伝子発現の制御に重要な役割を果たしている。
ユークロマチンには緩くまとめられたDNAが存在し、高い発現率を示す。
しかし、ヘテロクロマチンには、密に包装されたDNAが含まれ、その領域の遺伝子はほとんど発現していない。
ヒストン蛋白質はどのようにDNAのコイル化を助けるのか？
生物のゲノムは、多数のヌクレオチドから構成されており、生物の発生と機能に関する全遺伝情報をコードしている。
これらのヌクレオチドはすべて、核と呼ばれる微細な構造体の中の小さな空間に収まっているはずです。
そのため、DNAを核の中にしっかりと封じ込めるための仕組みが必要となる。
ヒストンは、ヒストンのコアにDNAを巻き付けて、DNAコイルという高度に凝縮された構造を形成することに関与している。
このコイル状構造はヌクレオソームと呼ばれる。
図2に、ヒストンのコアに巻き付いたDNAの様子を示す。
：図2 ヌクレオソーム
ヒストンのコアは、H2A、H2B、H3、H4の4種類のヒストンのうち、2種類を組み合わせたヒストン8量体からできています。
ヌクレオソームでは、146塩基対の長さのDNAがヒストンコアに巻きついている。
この巻きつきは、ヒストン8量体上で約1.7ターンを形成する。
次に、H1と呼ばれる5番目のヒストンがヒストンコアに結合し、さらに20塩基対のDNAをヒストンコアに巻き付けることができるようになります。
こうしてできたのが、クロマトソームと呼ばれる構造体です。
したがって、166塩基対の長さのDNAがクロマトソームに巻きついていることになる。
何千ものヌクレオソームは、リンカーDNAと呼ばれるDNA伸長部によって結合されています。
リンカーDNAは20塩基対で構成されています。
このリンカーDNAがヌクレオソームの長い鎖を形成し、顕微鏡で見ると「ビーズ・オン・ザ・ストリング」のような構造をしています。
ヌクレオソームへのDNAのパッケージングは、DNA鎖の長さを7倍に縮める。
形成されたクロマチン繊維の直径は20 nmです。
しかし、クロマチンはさらに30nmの繊維状に巻かれ、高次構造を形成している。
ヌクレオソームは、DNAのコイルを表す。
染色体の基本構造および繰り返し単位として機能し、ビーズオンザストリングのような外観を生み出す。
つまり、染色体はDNAのスーパーコイルで構成されている。
結論
ほとんどの生物のゲノムは、ヌクレオチドの長い鎖でできており、核にパッケージされる必要がある。
ヒストンは、DNAを核内にしっかりと封じ込めるための関連タンパク質です。
DNAの一部はヒストンのコアに巻き付き、ヌクレオソームと呼ばれるDNAコイルを形成しています。
染色体はヌクレオソームが連なってできているため、染色体の構造はスーパーコイル状になっていると考えられています。
