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T-boxファミリー

T-boxファミリー転写因子は、脊椎動物の基本的なボディプランの形成に必要なものなど、初期の細胞運命決定にも、分化器官形成にも必要である。T-box遺伝子は、マウスやゼブラフィッシュで劇的な表現型を示し、四肢のパターニングの基礎や、ホルト・オラム症候群、尺骨乳房症候群、ディジョージ症候群などのヒトの先天性奇形にも関与していることが明らかにされている。T-boxファミリーをコードする遺伝子は、最近、線虫やヒトのゲノムの約0.1%を占め、クテノフォア(櫛形動物)から哺乳類まで幅広い動物で確認されているが、他の生物(モデル植物のシロイヌナズナなど)のゲノムには全く含まれていないことがわかっている。

T-boxファミリー遺伝子の構成

マウスの発育不全突然変異体Brachyury(別名T)とショウジョウバエの行動異常突然変異体optomotor-blind(OMB)の欠損遺伝子をクローニングして塩基配列を調べると、この2つのタンパク質のアミノ末端領域には広範な配列類似性があり、その領域にはユニークな配列特異的DNA結合ドメインが存在することがわかった。この最初の観察以来、BrachyuryとOmbのDNA結合ドメインに配列上の類似性をもつタンパク質が50種類以上同定された。現在、このドメインはT-boxと呼ばれており、これらの遺伝子はまとめてT-box遺伝子ファミリーと呼ばれている。このファミリーのメンバーは、ハエ、ワーム、魚、マウス、イヌ、ヒトの遺伝学的研究によって示されているように、多様な生物の複数の細胞型の発生に発現し、必要とされている。Brachyuryのようなこれらの遺伝子の多くには、魚、カエル、イヌ、マウスなどの様々な脊椎動物の間で、配列、発現パターン、機能が高度に類似した明確なオルソログが存在している。例えば、Xenopusの内胚葉形成に必要と考えられているT-box遺伝子であるVegTは、マウスやヒトには明らかなオルソログがない。哺乳類では18個のメンバーがいるが、脊索動物、ショウジョウバエ(11個)、線虫(14個)、環形動物、刺胞動物など、幅広い動物から代表的なものが同定されている。

T-box遺伝子を解析すると、そのほとんどの遺伝子座が脊索動物のゲノム中にランダムに分散しているが、いくつかの例ではクラスタリングが報告されている。1つは線虫の例で、Tbx8とTbx9の間に緊密な結合があることがゲノムシークエンスによって示されている。もう1つはマウスの例で、Tbx2とTbx4が11番染色体上で、Tbx3とTbx5が5番染色体上で緊密に結合している。ヒトのTbx2とTbx4、Tbx3とTbx5は、それぞれ17番染色体と12番染色体に同様の配置をしていることから、これら後者のT-box遺伝子の関連性は他の哺乳類でも保存されているようです。Tbx2とTbx4,Tbx3とTbx5は,それぞれ17番と12番の染色体上に類似した配置をしている。

T-box遺伝子には複数のエクソンがあり、一般的にT-boxは少なくとも5つのエクソンが比較的大きな距離に分散してコードされている。例えば、ヒトのTbx5遺伝子は、12番染色体の53キロベース(kb)に分散した8つのエクソンを含んでいます。他の遺伝子ファミリーで見られるように、T-boxホモログイントロンとエクソンの境界は進化の過程で保存されているが、イントロンの長さは種によって異なります。ほとんどのT-boxファミリーメンバーは単一の転写産物をコードしており、代替エクソンのスプライシングを直接示すものはほとんどない。例外として、XenopusのVegT/Antipodeanタンパク質は、VegT遺伝子の3′末端の代替スプライシングにより、2つの異なるアイソフォームが見つかっている。興味深いことに,これらのアイソフォームは組織特異的であるようで,一方は胚の内胚葉層に、もう一方は中胚葉層に発現している。

T-boxファミリー遺伝子産物の構造

T-Boxファミリー遺伝子産物の構造

T-box

T-boxは、T-boxタンパク質の中で、配列特異的なDNA結合に必要かつ十分な最小限の領域と定義されている[3,4,5,14,17]。ファミリーメンバー間でT-box内の配列が異なるにもかかわらず、下流のターゲットを調べたり、多くのT-boxタンパク質の結合部位選択実験を行った結果、これまでに調べたファミリーメンバーは全てDNAのコンセンサス配列TCACACCTに結合することが分かった。

T-boxは比較的大きなDNA結合ドメインであり、一般的にはタンパク質全体の約3分の1(17-26kDa)を占めており、個々のT-box遺伝子ファミリーメンバーはドメイン全体で様々な程度の相同性を示している。しかし、T-box内の特定の残基は、ファミリーのすべてのメンバーで100%保存されている。この観察結果に基づいて、ファミリーの細分化が行われてきた。最近、いくつかのT-boxタンパク質の標的部位に対する特異性は、主にT-box内にあることが明らかになった。しかし、特異性は結合親和性を反映しているわけではないようで、タンパク質間の相互作用に必要な領域など、他の機能がT-box内にある可能性を示唆している。しかし、ヒトのTbx22は他のすべてのファミリーメンバーのアミノ末端部分にある残基を欠いたトランケートされたT-boxを含んでいることが分かっており、DNAと結合しないことが予測されている。したがって、Tbx22は、T-boxがDNA結合以外の機能を持っているケースと考えられる。

転写制御ドメイン

T-boxタンパク質は、転写活性化因子としても抑制因子としても機能することが証明されている。いずれの場合も、転写制御にはタンパク質のカルボキシ末端部分の配列が必要であることが示されている。この領域では、保存性は高くない。

T-boxファミリー遺伝子の局在と機能

T-box遺伝子には、細胞の仕様や分化を研究する研究者にとって興味深い2つの特徴がある。それは、特定の器官や細胞タイプで、特に発生期に発現する傾向があることと、それらの組織の発生に一般的に必要であることである。また、細胞内での局在が解析された数少ない例では、T-boxタンパク質は核にのみ局在することが示されている。このように、T-boxタンパク質は、そのDNA結合能力や転写活性化/抑制能力と相まって、発生における様々な重要な制御機能を果たすのに適していると考えられる。このことは、T-boxタンパク質のレベルがその機能を決定する上で重要であることを示している。また、突然変異した対立遺伝子は、ヘテロ接合体であっても表現型を示す(つまり、ハプロ不全を示す)という観察結果からも裏付けられる。さらに、T-box遺伝子は細胞自律的に必要とされる(発現している細胞内で活動する)ことが、突然変異の研究から明らかになっている。例えば、Brachyuryは後中胚葉や発達中の脊柱管に発現しており、マウスのこれらの細胞の形成に必要である。

T-box遺伝子はまた、発生の後期に特定の組織タイプで必要とされる。例えば、発達中の四肢におけるTbx2、Tbx3、Tbx4、Tbx5などである)(文献)。Tbx2とTbx3は,前肢と後肢の両方の芽の前縁と後縁に発現している[30].Tbx3の後方での発現は、より遠位の四肢要素の発生に極めて重要であることがTBX3を欠損したヒトの患者が尺骨乳頭症候群で尺骨(前腕の小指側の骨)と指を欠くことから示されている。

Tbx2とTbx3の発現が重複しているのとは対照的に、それらの近いホモログであるTbx4とTbx5はそれぞれ後肢芽と前肢芽にのみ発現している。これらの遺伝子の発現を前肢または後肢に誘導するシグナルは不明である。Tbx4の発現は,後側板中胚葉で発現するホメオボックス含有遺伝子であるPtx1の下流に位置する。しかし、Tbx4の発現は、肢芽の伸長を促すシグナルとは無関係である。これらの遺伝子は,前肢と後肢の領域を明確にするだけでなく,前肢と後肢のタイプを特定することも重要である。また、ヒトのTBX5の変異は前肢の成長と心臓の発達に影響を与える。興味深いことに、ヒトTBX5のT-box内でDNAのマイナーグルーブに接触するミスセンス変異(Arg237Glnなど)は、主に四肢の異常をもたらすが、ホルト-オラム症候群のもう一つの側面である心臓の発達異常は、メジャーグルーブに接触する残基(Gly80Arg)を変化させるミスセンス変異の結果として主に見られる。このことは、組織特異的な標的遺伝子が、TBX5のT-box内の異なる残基の変異によって影響を受けることを示唆している。

T-boxタンパク質の変異は、TBX1では心臓の流出路の異常を含む複雑な疾患であるDiGeorge症候群にも関与しており、Tbx2は,いくつかのタイプの乳で増幅されている(文献)。

プロフィール

この記事の筆者:仲田洋美(医師)

ミネルバクリニック院長・仲田洋美は、日本内科学会内科専門医、日本臨床腫瘍学会がん薬物療法専門医 、日本人類遺伝学会臨床遺伝専門医として従事し、患者様の心に寄り添った診療を心がけています。

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