直径2nm、全長2ｍにも及ぶヒトゲノムDNAは、まず、塩基性蛋白質ヒストンに巻かれ、ヌクレオソームになり、さらに折り畳まれて直径約30nmのクロマチン繊維を形成するとされている。しかしながら、このクロマチン繊維がどのようにして、最終的に直径約0.7μｍの分裂期染色体を作るのかについては全くの謎であり、長年に渡って生物学者たちの興味を集めてきた。古くから提唱されているモデルでは、「30nmのクロマチン繊維が、100nm、200nmと、らせん状の階層構造を形成している」と予想されている。また、細胞核内のクロマチン高次構造についてもほとんど分かっていない。代表者らは染色体の構造理解を目的として研究を進め、研究経過の項に記したように、主に電子顕微鏡をもちいて解析をおこなっていた。しかしながら本解析によって、染色体構造、とりわけ染色体軸が存在する中心部は予想以上に「複雑」であることが判明した。さらに、顕微鏡観察は試料中における観察範囲が限定され、内在する規則性構造の全体像を捉えることが非常に困難である。このため、代表者たちは、まずＸ線小角散乱解析(SAXS)をおこなうことにした。Ｘ線小角散乱は、計測したい非結晶試料にＸ線を照射し、その散乱パターンからその試料に内在する構造や規則性を知る手段である。したがって染色体中の規則性構造の検出に非常に適していると考えられる。

代表者はこれまでSPring-8の理研SAXSビームラインであるBL45XUを用いて、単離した染色体と細胞核のＸ線小角散乱の予備的な測定を繰り返し、染色体中に6nm, 12nm, 30nmの散乱のピークを検出している。これらはそれぞれ、コアヒストンの幅、ヌクレオソームの直径、30nm繊維に相当すると考えられる。現在までの、染色体直径の半分から1／3に相当する測定範囲では、30nm散乱のピーク以上の大きな構造は検出されていない。このことは、古くから提唱されているモデルが必ずしも正しくない可能性を示唆している。このことは共同研究としておこなっているクライオ電子顕微鏡をもちいた染色体観察とも一致している。

さらに、ゲノムの理解のためには、ゲノムが納められている細胞核という「入れ物」の構造とその構築原理を知ることが必要不可欠である。このため、核膜上のもっとも顕著な構造体である核膜孔を指標として、細胞核の動的な形成過程の解析もおこなっている。その結果、核膜上の核膜孔の分布には大きな偏りがあることが明らかになった。そして、核膜孔の数や分布は細胞核が変化する細胞周期や分化の過程でダイナミックに変化することを示した。これらの観察に基づき、現在、核膜孔の形成過程及び細胞核膜の構築過程を種々のイメージング技術をもちいて追求している。ゲノムの高次構造は、核膜が崩壊し、ゲノムが「むき出し」になっている分裂期染色体においても何らかの形で保持されている。このため、前述の分裂期染色体の構造解析で得られる知見は細胞核研究においても極めて重要である。今後、これらの研究から得られた知見を踏まえて、「細胞核においてその中に包含されるゲノムDNAがどのように折り畳まれ、どのように配置されるか」を明らかにし、細胞核が遺伝子発現などのヒトゲノム機能を支える基盤としてどのように機能しているかを解明していきたい。