DNAのメチル化と脱メチル化は.実は.現在本格化しているエピジェネティクスという大河の支流にあるいくつかの波なのです。 DNAメチル化は.最初に発見され認識されたエピジェネティック修飾の一つであり.塩基シチジン（C）のピリミジン環の5番目の炭素原子にメチル基（-CH3）が付加されるものである。 この修飾は.DNA配列のすべてのCに起こるのではなく.主にCGと一緒に起こるCに起こる（後に判明：胚性幹細胞では.他のCにも多くのメチル化が起こっている）。 この小さな修正に目を奪われることなく.DNAに余分な情報を付加し.限られたゲノムの中で豊かな遺伝情報の多様性を表現することを可能にする。 この余分な情報とは一体何なのか.という疑問が湧いてきます。 そもそもDNAメチル化は.簡単に言えば「錠前」と理解され.DNAのメチル化によってマークされる部分は.ほとんどが「ほったらかし」にして「幽閉」する必要のある遺伝子であり.例えば次のようなものです。 ゲノムの「いたずら者」であるトランスポゾンは.メチル化という「ロック」によって制御されており.制御されなかったり.制御がうまくいかないと.この「いたずら者」がゲノムを飛び回ってしまうのである。 これらの「いたずら者」は.抑制や制御が効かないまま放置されると.ゲノムの中を飛び回って混乱させ.腫瘍の発生など多くの問題を引き起こします。 DNAメチル化は.エピジェネティック継承の定義に最も合致している。体細胞レベルでは非常に安定で遺伝性が高く.体細胞分裂によってできた「娘」細胞は.「親」細胞のゲノムDNA配列を受け継ぐだけでなく.「親」細胞のゲノムDNA配列も受け継ぐということである。 つまり.「娘」細胞は「母」細胞のゲノムDNA配列を受け継ぐだけでなく.「母」細胞のゲノムDNAのメチル化パターンも非常に忠実にコピーするのだ。 しかし.生殖細胞の形成過程や.受精卵から胚への分化過程では.ゲノムDNAのメチル化は非常に短い時間で大規模な「リモデリング」を行う。 例えば.精子のゲノムDNAのメチル化は.受精卵が分裂する前に「クリーニング」され.受精卵が分裂した直後に再び急速に再構築され始めるらしい。 また.生殖細胞（精子と卵子）の形成過程でもメチル化のリモデリングが行われている。 このことは.DNAのメチル化がどのようにして短時間で「クリーニング」されるのか.という重要な基本的問題を提起している。 この疑問に答えるには.DNAからメチル化基を取り除くことができるDNA脱メチル化酵素を見つけることが重要です。 しかし.問題を出すのは簡単だが.解決するのは簡単ではない。 最初に提案されてから10年以上.多くの人が取り組んできましたが.いまだに未解決のままです その理由は.DNAの脱メチル化のプロセスは.受精後の卵割や生殖細胞生成の前に限られ.その期間は非常に短く.遺伝子を特定するための分子生物学的操作に十分な数の細胞や組織を得るための細胞源は限られており.さらに酵素を精製するための生化学的操作もできないため.研究が極めて困難であるためである。 このDNAの脱メチル化の過程は.長年にわたって大きな謎とされてきた。 質問は重要ですが.「犬がハリネズミを噛んでしまって.どうしようもない」のです。 間奏があります。 ユダヤ系カナダ人の生物学者.シーフ教授は.DNAメチル化について大喜びしていたが.道を踏み外し.オルタナティヴサイエンティストとして.この分野の限界人物になり果ててしまった。 彼の研究室はDNA脱メチル化酵素を発見し.1999年に『ネイチャー』誌に発表して話題を呼んだが.他の研究室はこれを再現することができなかった。 DNA脱メチル化の研究は.数年間休眠状態にあった。 2005年.Shi Yangの研究室におけるヒストン脱メチル化酵素の発見とその触媒機構はセンセーションを巻き起こし.DNA脱メチル化酵素の探索と同定に人々を駆り立てた。 北京大学のShang Yongfengの研究室では.卵巣がん細胞における遺伝子特異的な「活性型DNA脱メチル化」を報告し.アメリカのZhu Healthの研究室では.植物のDNA脱メチル化酵素を発見し同定した。 しかし.哺乳類のDNAメチルエステラーゼはまだ「未同定」「未知」である。 2008年.ドイツの研究所とフランスの研究所のコンソーシアムがNature誌に発表した2つの論文で.担体細胞における局所的な活発なDNA脱メチル化が報告された。 この時.DNAメチル化分野のサブリーダーであるコロンビア大学のベストールが登場し.皮肉たっぷりに『Cell』誌の記事にコメントした（The colorful history of active DNA demethylation）。 先に.ハイデルベルク大学の発生生物学者ニーアーズが.DNA損傷を誘導するタンパク質Gadd45aがDNAの脱メチル化を促進することを『ネイチャー』誌に報告したが.すぐにチクリと反論を浴びせた。 米国カリフォルニア州のBeckman研究所のPfeifer研究室は.「GADD45AはDNAの脱メチル化を促進しない！」というタイトルの論文をPLoS Genetに発表し.Niehrsの結果を否定した。 しかし.その後別の研究室からNiehrsの結果を裏付ける報告がいくつかなされている。 とはいえ.1）Gadd4aのノックアウトは胚発生を妨げず.受精前の脱メチル化過程にも影響を与えない.2）CADD4aは実際には脱メチル化酵素ではなく.核酸除去修復（NER）という主に紫外線によるDNA損傷の修復機構を開始するだけ.などの問題点も残されている。 メチル化されたDNAの一部を切断し.新しい鎖を再合成する核酸除去修復（NER.主に紫外線によるDNA損傷の修復に用いられる）と呼ばれるDNA修復機構を開始するのみである。 局所的あるいは個々の遺伝子特異的な脱メチル化にこのメカニズムが働くことは理解できますが.ゲノム全体のメチル化のリプログラミングに関わる一般的なメカニズムとしては.残念ながら受け入れがたいものがあります。 例えるなら.壁の色を変えたいと思ったとき.壁のレンガを剥がして新しいレンガに取り替えるか.それともレンガのペンキ塗料を剥がすか.どちらを選ぶでしょうか。 特に.ビル全体の大きな変化であればなおさら？ 結局.一方では効率の問題.他方では経済性の問題なのです。 そして2009年から2010年にかけて.ついにDNA脱メチル化酵素が主役となり.輝く新星となったのです。 DNA脱メチル化酵素の発見と同定は.2つの異なる研究モデル（2つの研究モデル.2つ半のメカニズム.7つの分子）を表しています。 仮説駆動型 科学研究の古典的なモデルで.まず仮説を立て.それを検証するために実験を計画する。 仮説は往々にして間違うものであり.一般にリスクの高い戦略である。 この戦略を成功させるには.直感や想像力.勇気だけでなく.経験や確固たる基礎が必要であり.もちろん論理的な推理力も不可欠です。 高度な科学研究を鑑賞することは.時にシャーロック・ホームズの探偵小説を読むような知的な楽しみがあります。 DNA脱メチル化研究の場合.仮説駆動型研究の2つの例を挙げることができる。 まず.元ハーバード大学病理学部の免疫学者で.現在はカリフォルニア州のラホーヤ代謝研究所に勤務するアンジャナ・ラオが.2008年に米国科学アカデミーに選出された。 彼女はもともとエピジェネティクスのコミュニティーにいたわけではありませんが.みんなはみんな.当たるときは大きく当たるもので.ちょうどシーヤンが.もともとヒストンのメチル化修飾が専門ではなかったのに.刺激を受けてエピジェネティクスの領域に入り.それでも驚くほど重要な発見をしたように.その人たちもそうです。 DNAの脱メチル化が酸素化（ヒドロキシル化またはモノオキシゲナーゼの付加）のメカニズムによるのではないかというRaoの考えは.モデル生物であるアフリカトリパノソーマの研究からヒントを得たものと思われる。 トリパノソーマにはJBP1という酵素があり.チミンのメチル基に酸素を付加（水酸化）して水酸基を作り.これに他の酵素が糖基を付加して独特の構造（J構造と命名）を作り.本来のメチル基は除去しないものの.遺伝子発現の調節に一役かっているのである。 チミンとメチルシトシンは.メチル基が同じ位置にあり.構造が非常に似ている（どちらもピリミジン環）ことから.ラオは.高等生物にも同様の酵素やメカニズムが存在するかもしれないという仮説を立てたのだ。 この仮説に基づき.タンパク質配列による相同性検索（PSI-blast）を複数回行い.最終的にヒトとマウスのタンパク質データベースからTet1.2.3の3遺伝子を発見した。 これらの遺伝子は生後間もない門に広く存在しており.この機能メカニズムの重要性と保存性が示唆された。 細胞学的.生化学的解析を通じて.彼らは2つの重要な発見をした。1.3つのタンパク質はすべてメチル化シトシンの酸素添加修飾を持つが.活性の強さは異なることを確認し.これは彼らのプロジェクトの期待される結果であるはずだ。2.メチル化シトシンは酸素添加反応を触媒して新しい修飾型.水酸化メチルシチジン（hm-C）になることである。シチジン（hm-C）は.DNAに新しいエピジェネティックな性質と情報を与える修飾である。この第2の発見は.予期せぬものであり.さらに広範囲な意味を持つ可能性がある。 その直後.彼らはこの修飾を造血細胞の分化に関連付けるなど.研究を急速に進め（2009年.Science）.さらにその異常（Tet2変異や欠失）が血液腫瘍の発生に強く関連していることを発見した（2010年.Nature）。 エピジェネティクスのスター的存在であるYi Zhangも.このときすぐに参入し.Tet1を介したヒドロキシメチルシトシン修飾が幹細胞の自己再生（更新）機能の維持に重要な機能を果たすことを発見した（Nature 2010）。 2011年.DNAヒドロキシメチル化修飾に関する研究は.Nature誌の常連となった（Nature 18 Jul 2010; Nature 30 Mar 2011; Nature 03 Apr 2011; Nature, 13 April 2011, Cell 14 April 2011）。 古い犬.新しい芸 これも典型的な仮説主導の発見である。 彼らの理論モデルは.メチルシトシンの脱アミノ化によってできるウラシルはRNAにしか発生せず.DNAに発生すると.合成時に間違った材料と混ざったと細胞が考えるか.塩基が化学的に傷つけられる.つまり塩基除去修復（ベースエクシジョンリペア）が発動されるというものだ。 反応（塩基除去修復.BER）であり.NERと類似している。 そんな時.1990年代初頭に免疫系の発達能力に重要な役割を果たすことが発見されたAID（塩基シトシンデアミナーゼ）という分子が.DNA脱メチル化酵素を探求する人々の頭に入ってきた。 AIDのクローニングと機能解明は.B細胞の発生と抗体多様性の形成に大きな一歩を踏み出すことになりました。 今回.M. Azim SuraniとWolf Reikが使用したシステムは.初代生殖細胞である。 AIDノックアウト細胞では.両研究所とも精子の脱メチル化に大きな影響を与えたが.それでも部分的に発生していることから.他のメカニズムの存在が示唆された。 結局.AIDに関与する脱メチル化は.メチル化されたシトシンの脱アミノ化によって塩基除去修復が開始されることで実現することが.両氏によって確認された。 建物全体のある部分を抜いて.新しいものに取り替えるようなものです。 経済性は十分ではありませんが.そういうこともありますし.経験や常識よりも事実を信じるしかないのでしょう。 研究モデル2：系統的フィルタリング 手掛かりがない.アイデア（仮説）がない場合はどうすればいいのか？ 網を張って.計画的に漁をする。 スティーブン・J・エレッジは.超大型で超強力なRNAiスクリーニングシステム「ネット」を構築し.財をなした。彼は.特大の漁船のように.特大の網（すべての遺伝子を捕らえる）を備え.自動化（バーコードシステム＋遺伝子チップ）されたこのスーパー漁業システムを構築し.機能的ゲノム研究の海の王者となったのである。 2009年.ノースカロライナ州のイー・ジャン研究室は.受精卵の細胞を使った独創的な実験を考案し.わずかな隙間を開けることに成功した。 まず.生きた細胞でゲノムDNAのメチル化状態を検出する方法を考案した。 細胞内にはメチル化DNA（MBD）を特異的に認識して結合するタンパク質群があり.MBDに緑色蛍光タンパク質を連結（融合）させると.MBDに蛍光タグを付けたのと同じことになり.顕微鏡下でMBDの位置を直接観察・追跡することができるようになるのです。 一般に.MBD-GFPはゲノム上のメチル化されたDNAに結合し.蛍光顕微鏡下で緑色のスポット（foci）として現れる。ゲノムのメチル化が除去されると.MBD-GFPは他に結合する場所を持たないため核内に分散し.顕微鏡下ではそれらの元の緑色の蛍光スポットは消え.拡散した緑色となる。 このように.蛍光シグナルの変化を観察することで.ゲノムのメチル化の変化を判断することができる。 この判定表示でスクリーニングが可能です。 選択した遺伝子をRNA干渉により一つずつ「除去」し.蛍光シグナルを観察する。 ある遺伝子に干渉した後.受精卵細胞内の蛍光スポット状のシグナルが消えないか.非常にゆっくりと消える場合.その遺伝子がゲノムの脱メチル化過程に関与している可能性が示唆される。 これは4,000もの遺伝子をスクリーニングする非常に大規模なもので.最終的に陽性候補が見つかり.それが転写伸長因子であるELP3であることが判明しましたが.その正確なメカニズムはまだ分かっていません。 このほど.ジョンズ・ホプキンス大学医学部の中国人科学者であるSong Hongjunは.Tet1触媒によるヒドロキシメチル化反応とAID触媒による脱アミノ化反応を統合した研究論文を最新号の『Cell』に発表しました。 DNAの脱メチル化という鉄板が.ついにこじ開けられたのです。