バランサー染色体

バランサー染色体（または単にバランサー）は、実験室生物学において、自然淘汰の干渉を受けずに生体内で劣性致死（または不妊）突然変異を維持するために使用される遺伝子組み換え 染色体の一種である。このような突然変異はヘテロ接合体でのみ生存可能であるため、次の世代を通じて安定的に維持することができず、したがって野生型生物が継続的に生成されることになるが、これは相同野生型染色体をバランサーに置き換えることで防ぐことができる。このため、バランサーは、ストックを保存（例：凍結）できない一般的なショウジョウバエであるキイロショウジョウバエなどのモデル生物の遺伝学研究に不可欠である。バランサーは、劣性致死（または不妊）突然変異を具体的に特定するための順方向遺伝学スクリーニングにも使用できる。そのため、バランサーは他のモデル生物、特に線虫Caenorhabditis elegansやマウスにも使用されている。^[1]

典型的なバランサー染色体は、(1)それ自体が劣性致死変異を持ち、望ましい変異を持たないホモ接合体を排除する、(2)相同染色体との減数分裂組換えを抑制することで野生型染色体の新規生成を防ぐ、(3)稀な組換え体の識別に役立ち、スクリーニング目的に役立つ優性 遺伝子マーカーを持つように設計されています。

バランサー染色体は、生物の突然変異誘発に放射線を利用する先駆者であるヘルマン・ミュラーによってショウジョウバエで初めて使用されました。^[2]

バランサー染色体の現代的な使用法では、正常な染色体を持つ生物をDNA損傷を引き起こす物質にさらすことによって、ランダムな突然変異が最初に誘発されます。ハエや線虫では、これは通常、幼虫にエチルメタンスルホン酸(EMS) を与えることによって起こります。DNA 損傷を受けた幼虫 (または幼虫が成長して成虫になったもの) は、突然変異の有無を検査されます。関心のある表現型が観察されると、その突然変異を発現する系統は、系統を維持するためにバランサー染色体を含む別の系統と交配されます。 ^{[3]ある例では、バランサーは}Caenorhabditis elegansの個体群を遺伝的にスクリーニングするために使用されました。この時点で、科学者は、遺伝学的研究のために生物の個体群を遺伝的にスクリーニングできることの利点をすでに認識していました。同様に重要なことは、これらの個体群の交配を制限し、非常に一貫した遺伝子構成を与えることができることにも気付いていたことです。^[4]

バランサー染色体の使用は、それ以来、モデル生物の遺伝子スクリーニングのためのよく知られた、広く使用されている方法へと進化しました。それらは、ヘテロクロマチンパッキングの役割とそれが遺伝子に与える影響の調査にも使用され、^[5]テロメアが遺伝子サイレンシングに与える影響の研究にも使用されています。^[6]

二倍体生物では、劣性致死（または不妊）表現型を持たない突然変異は、ホモ接合体と交配することで、単純にホモ接合体まで繁殖させて安定的に無期限に維持することができます。しかし、劣性致死突然変異のホモ接合体は、定義上、生存不可能です。なぜなら、両方の染色体相同遺伝子に劣性致死対立遺伝子が存在すると、生物は発生初期に死滅するからです。不妊を引き起こす劣性突然変異のホモ接合体である生物は、本質的に同じ結果をもたらします（つまり、不妊個体自体は成熟まで生き残ったとしても、その遺伝物質は子孫に受け継がれません）。この問題により、劣性致死/不妊突然変異を研究したい遺伝学者は、代わりにヘテロ接合体生物で突然変異を維持せざるを得なくなります（ヘテロ接合体では、劣性致死/不妊突然変異を含む染色体が、同じ遺伝子座で野生型として機能する相同遺伝子によって補完され、生物は多かれ少なかれ正常に生存し、繁殖することができます）。

ヘテロ接合体同士の交配により、ヘテロ接合体と生存不可能なホモ接合体に加えて、野生型の生物が生まれます。純粋なヘテロ接合体の系統を維持するには、野生型の子孫を特定し、交配を阻止する必要があります。これは、特に劣性変異の長期維持が目的である場合、非常に多くのリソースを必要とする可能性があります。

劣性変異を持つ染色体の野生型相同染色体をバランサー染色体で置換すると、野生型生物の確立がさまざまな方法で防止されます。まず、バランサーは独自の劣性致死変異を持ち、バランサーのコピーが 2 つ継承されると (つまり、目的の変異のコピーがない場合)、生物は生存できなくなります。ただし、バランサーと変異した対立遺伝子を含む相同染色体との間の組換えによって、野生型染色体が新たに作成される場合もあります。組換えを抑制するために、バランサーは通常、相同染色体間のシナプスが破壊されるように、複数の入れ子になった染色体逆位を保持します。^[7]交差が実際に発生する場合は、多くの場合不均衡であり、結果として生じる各染色分体は一部の遺伝子を欠き、他の遺伝子のコピーを 2 つ持ちます。このプロセスは、二動原体染色体または無動原体染色体（2 つのセントロメアを持つ染色体、またはセントロメアを持たない染色体）につながることもあります。これらは本質的に不安定で、通常はその後の有糸分裂中に分解して変異するか、失われます。これらの結果はすべて、致命的となる可能性が非常に高いです。

最後に、バランサー染色体を持つハエは、遺伝子マーカーの変異によって簡単に識別できます。たとえば、巻き毛の羽や無精ひげの生えた髪などです。これらの表現型により、研究者はバランサーを持つハエを簡単に認識できます。^[8]万が一、組換えが起こった場合、マーカーが失われる可能性があり、研究者にその出来事を知らせることになります。

重要なのは、ネストされた逆位による組換えの抑制は逆位区間でのみ発生し、他の領域 (通常はセントロメア周辺およびテロメア下領域) は自由に組換えが起こるということです。同様に、目的の突然変異がバランサーの劣性致死突然変異と同じ遺伝子座にある場合 (つまり、強い連鎖不平衡にある場合)、組換え抑制逆位に関係なく、野生型染色体をもたらす組換えが発生する可能性は非常に低くなります。

孤立した劣性致死（または不妊）突然変異を単に維持することに加えて、バランサー染色体は、そのような突然変異を識別するための順方向遺伝子スクリーニングにも役立ちます。このようなスクリーニングでは、バランサーを持つランダムに突然変異を起こした生物を互いに交配します。優性マーカーによって識別されるバランサーを持つ子孫は、同腹子と交配できます。マーカー陰性の動物を生み出さないこのような交配は、非バランサー染色体の劣性致死突然変異の結果である可能性が高いです。もちろん、バランサーの逆位によってカバーされるゲノム間隔のみがこの方法でスクリーニングでき、他の間隔および他の染色体の劣性致死突然変異は失われます。

バランサー染色体は、安定化させる染色体と、バランサーが持つ表現型または遺伝子マーカーにちなんで命名されている。 ^[9]ショウジョウバエにおけるバランサー染色体の命名は、次のように標準化されている。染色体名の最初の文字は、安定化させる染色体の番号を表す。Fは最初の染色体、Sは 2 番目の染色体、T は3 番目の染色体を表す。小さな 4 番目の染色体は組み換えを受けないため、バランス調整は不要である。この文字の後には、「多重反転」を表すMが続く。M の後には、同じ染色体のバランサーを区別するための数字が続く。さらに、バランサー内の遺伝子マーカーは、名前の後にカンマで区切って記載される。一般に、容易に観察できる優性表現型特性を持つ突然変異は、多くの場合ホモ接合致死であり、すべての子孫がヘテロ接合性であることを保証するために用いられる。たとえば、よく使用されるTM3、Sbバランサーは、第 3 染色体を安定化し、優性マーカーとして変異Sb (「無精ひげ」) 遺伝子を持ちます。TM3 、Sbバランサーを持つすべてのハエは、腹部の背面に短くなった、または無精ひげのような毛があり、顕微鏡で見ると簡単に確認できます。この3 は、このバランサーをTM1やTM2などの他の第 3 染色体バランサーと区別するものです。

ある系統が「二重バランス」であるとは、一方の染色体で 2 つの異なるバランサー染色体 (たとえば、TM6、Tb/TM3、Ser ) がヘテロ接合性であり、もう一方の野生型染色体 (たとえば、D/TM3、Ser ) でホモ接合致死、ヘテロ接合可視変異体がある場合です。ほとんどのバランサー染色体は、2 つのバランサー染色体を持つこれらの系統でのみ現れる「エボニー」変異などの劣性対立遺伝子も持っています。このような系統は、2 つの異なる系統を交配するときに簡単に追跡できる形質のソースを提供するためによく使用され、各交配の正しい​​子孫を選択できます。ショウジョウバエの 2 番目と 3 番目の染色体の両方で二重バランスが取れている系統は、ハエ系統リポジトリから広く入手できます。

バランサー染色体は、特定の突然変異について生物を遺伝学的にスクリーニングし、その突然変異を次の世代に一貫して維持するための信頼性の高い方法を遺伝学者に提供します。バランサー染色体を使用した新しい技術は、論文「Drosophila Melanogaster で生殖細胞モザイクを生成するための常染色体 Flp-Dfs 技術」で検討されており、ホモ接合の場合にのみ表現型を示す劣性突然変異をスクリーニングできることが初めて示されました。古いバランサー染色体法を使用した遺伝子スクリーニングでは、ヘテロ接合優性突然変異の選択のみが可能でした。この実験では、クローンスクリーニングを使用してホモ接合個体を検出し、それらを一定の系統に保ちます。^{[12]彼らは、酵母から分離された、大きな}染色体逆位を引き起こすFLP リコンビナーゼ遺伝子を使用してこれを達成しました。試行錯誤の結果、彼らは染色体を組み換えて、それぞれに劣性突然変異を持たせ、もう半分には物理的マーカーと致死性劣性を持つバランス染色体の半分を持たせることができることを発見した。生き残った系統では、もう一方の相同染色体には致死性劣性は含まれていなかった。論文の図 1 はスクリーニングを示している。この新しい技術により、ショウジョウバエのゲノムの 95% で劣性スクリーニングが可能になった。また、生殖系列突然変異の収量も大幅に向上した。^[12]

バランサー染色体の使用を採用した別の発表論文は、「ショウジョウバエにおける細胞死による RNA 干渉の抑制と転移因子発現の調整」です。この論文は、バランサー染色体の力と、遺伝的に安定した系統で何が達成できるかを示しています。細胞死のレベルが低い系統が確立され、EGFPir hs-hid と名付けられました。RNAi レベルを分析すると、著者らは、細胞死のレベルが低い細胞と組織内の周囲の細胞で興味深い結果を発見しました。著者らは、これらの細胞が RNA を二本鎖状態に維持することで RNAi メカニズムを停止することを発見しました。つまり、RNA が二本鎖状態のままであれば、遺伝子サイレンシングの RNAi メカニズムは事実上無効になります。

著者らは、この反応はRNAウイルスに対する冗長な免疫反応への進化の傾向であると推測した。ウイルスの拡散を阻止しようとしてすでに1つの細胞が細胞死を起こしている場合、RNAi免疫反応は無効である。これにより、ウイルスを阻止しようとする別の免疫反応が引き起こされ、二本鎖RNAに結合して二本鎖を維持し、ウイルスタンパク質に転写されないようにする。二本鎖RNAが維持される正確なメカニズムはわかっていない。^[13]