インスレーター (遺伝学)

インスレーターには2つの主要な機能が存在する^[3][4]。

1. エンハンサー遮断活性（enhancer blocker) - 離れた位置にあるエンハンサーが遺伝子に隣接するプロモーターに作用するのを防ぐ。
2. バリア活性（barrier insulator）- 隣接するヘテロクロマチン領域の拡大によるユークロマチンのサイレンシングを防ぐ。

エンハンサー遮断活性は染色体間でも起こる相互作用であるとされているが、バリア活性は同一染色体内に限られる。染色体上で隣接する2つの遺伝子が非常に異なる転写パターンを持つ場合、一方の遺伝子の誘導や抑制機構が隣接遺伝子に影響することを防ぐためにインスレーターが必要となる^[6]。インスレーターはトポロジカルドメイン（TAD）の境界に密集していることも発見されており、発現調節の基本的な構造単位である"chromosome neighborhoods"へとゲノムを区画化する役割を持っている可能性がある^[7][8]。

一部のインスレーターはエンハンサー遮断活性とバリア活性の双方を持つが、他のものはどちらか一方の活性しか持たない^[3]。インスレーターの例としては次のようなものがある。

• キイロショウジョウバエDrosophila melanogasterのインスレーター、gypsy、scs、scs'はいずれもエンハンサー遮断インスレーターである。
• ニワトリGallus gallusのインスレーター、Lys 5' Aはエンハンサー遮断活性とバリア活性を持ち、HS4はエンハンサー遮断活性のみを持つ。
• 出芽酵母Saccharomyces cerevisiaeのインスレーター、STARとUAS_rpgはどちらもバリアインスレーターである。
• ヒトHomo sapiensのHS5インスレーターはエンハンサー遮断インスレーターである。

エンハンサー遮断インスレーターは核内でクロマチンループドメインを形成し、エンハンサーと標的遺伝子のプロモーターを分離する。ループドメインはエンハンサー遮断エレメントどうしの相互作用や、核内の構造エレメントへのクロマチン繊維の固定によって形成される^[4]。こうしたインスレーターの作用は標的遺伝子のプロモーターと、その上流または下流に位置するエンハンサーとの位置関係に依存しており、またインスレーターによるエンハンサー遮断作用はエンハンサーの作用機構に依存している。エンハンサーが標的遺伝子のプロモーターとのループ形成によって直接相互作用する場合^[9]、インスレーターはエンハンサーとプロモーターを分離するループドメインを形成してプロモーター-エンハンサーループの形成を防ぐことでこの相互作用を阻害する^[4]。エンハンサーはプロモーターへシグナルを送ることで作用する場合もあり、インスレーターはループ形成の基盤となっているヌクレオタンパク質複合体を標的化することでこのシグナルを阻害している可能性がある^[4]。

バリア活性はヘテロクロマチン形成経路の特定の過程の阻害と関連付けられている。こうしたタイプのインスレーターは、ヘテロクロマチン形成の中核をなす反応サイクルの基質である、ヌクレオソームの修飾を行う。こうした修飾はさまざまな機構で行われ、例えばヌクレオソームを除去することでヘテロクロマチンの拡大とサイレンシングが防がれる。修飾はヒストンアセチルトランスフェラーゼやATP依存性クロマチンリモデリング複合体のリクルートによっても行われる^[4]。

CTCFインスレーターはその三次元構造によってエンハンサー遮断活性を示すようであり^[10]、バリア活性との直接的な関係はみられない^[11]。脊椎動物はCTCFインスレーターに特に高度に依存しているようであるが、多くの異なるインスレーター配列が同定されている^[2]。エンハンサーと標的遺伝子との相互作用は、2つのCTCF結合部位の間の物理的相互作用によって形成されるInsulated neighborhood内で行われる^[12]。

CTCFを調節する機構の1つは、DNA配列のメチル化である。CTCFタンパク質は非メチル化部位に選択的に結合することが知られているため、CpGアイランドのメチル化によってエピジェネティックな調節が行われていると考えられる^[2]。その一例はIgf2-H19インプリンティング遺伝子座でみられ、父親由来のインプリンティング制御領域（imprinting control region、ICR）はメチル化されることでCTCFの結合が防がれる^[13]。2つ目の調節機構は、CTCFインスレーターが完全に機能するために必要なタンパク質を調節するものである。こうした調節の標的となるタンパク質には、コヒーシン、RNAポリメラーゼ、CP190などが含まれるが、これらに限定されるものではない^[2][14]。

ショウジョウバエDrosphilaのgypsyレトロトランスポゾンに見られるインスレーターエレメントは、詳細な研究が行われた配列の1つである。gypsyインスレーターは、レトロトランスポゾンエレメントの5'非翻訳領域（UTR）に存在する。gypsyは、新しいゲノム位置へ挿入された際に隣接する遺伝子の発現に影響を与え、特定の発生段階で組織特異的に変異表現型を引き起こす。このインスレーターは、影響を受ける遺伝子の時間的・空間的な発現を制御するエンハンサーを抑制する効果があると考えられる^[15]。

脊椎動物で最初に観察されたインスレーターはニワトリのβグロビン遺伝子座のcHS4である。cHS4は、βグロビン遺伝子座の活発なユークロマチン領域と、凝縮して不活性な上流のヘテロクロマチン領域の境界となっている。cHS4インスレーターはヘテロクロマチンの拡大によるクロマチンを介したサイレンシングに対するバリア活性、そしてエンハンサーとプロモーターの相互作用の遮断活性の双方を示す。cHS4の特徴は、その5'末端に反復的なヘテロクロマチン領域があることである^[5]。

cHS4のヒトもホモログはHS5である。ニワトリのβグロビン遺伝子座とは異なり、ヒトのβグロビン遺伝子座は開いたクロマチン構造であり、5'末端側はヘテロクロマチン領域と隣接していない。HS5はin vivoでエンハンサー遮断活性とバリア活性の双方を示すと考えられている^[5]。

CTCFは、βグロビン遺伝子の発現を制御する役割を果たすことでその役割が最初に特徴づけられた。この遺伝子座ではCTCFはインスレーター結合タンパク質として機能し、染色体の境界を形成する^[13]。CTCFはニワトリのβグロビン遺伝子座にもヒトのβグロビン遺伝子座にも存在する。ニワトリのβグロビン遺伝子座のcHS4では、CTCFはエンハンサー遮断活性を担う領域（FII）に結合している^[5]。