キメラ（遺伝学）

ヒト胎児では、妊娠初期に2つの別々の受精卵が融合して1つの胚が形成されるときに、自然キメラ現象が発生することがあります。^{[ 5 ]}ヒトの自然キメラのうち、最も一般的に発生する5つは、細胞分裂型（「血液キメラ」）、全身型、胎児母体型、生殖細胞型、および腫瘍型キメラに分類されます。ヒトの細胞分裂型および全身型キメラ現象は、検査時に体内の細胞が異なるDNA構成を示すことが特徴です。一部の個人では、異なるDNA構成が生涯を通じて変化する可能性があります。細胞分裂型および全身型のいずれの場合も、この混合DNAの存在を示す視覚的な指標はしばしばなく、キメラ現象は、多くの場合、無関係な医学的問題の診断中に生物学的サンプルが検査された後にのみ検出されます。^{[ 6 ]}ヒトの胎児母体キメラ現象は、胎児細胞が妊娠後数十年にわたって妊娠経験者の血液中に存在し続ける場合、または逆に、親細胞が成人期まで子供の血液中に残存する場合に発生します。^{[ 5 ]}生殖細胞キメラ現象は、XY二価染色体を示す卵母細胞、すなわち、2つの異なる染色体DNAセットを持つ個々の卵母細胞によって特徴付けられます。最後に一般的なヒトのキメラ型は腫瘍キメラに見られ、癌性腫瘍が2つの異なるDNAセットを示しますが、これは、親と胎児の両方のDNAからの遺伝物質を持つ胎児母体キメラに発生する腫瘍など、影響を受けたヒトの他のキメラ特性に反映される場合とされない場合があります。^{[ 5 ]}

キメラ現象は、一部の海綿動物種で発見されている。^{[ 7 ]} 1個体内に4つの異なる遺伝子型が見つかっており、さらに大きな遺伝的多様性の可能性もある。各遺伝子型は生殖に関しては独立して機能するが、異なる個体内の遺伝子型は、成長などの生態学的反応に関しては1つの大きな個体のように振る舞う。^{[ 7 ]}

オスのキイロクレイジーアントは絶対キメラであることが示されており、これはそのような事例としては初めて知られている。この種では、女王はRR（生殖×生殖）遺伝子型の受精卵から発生し、不妊のメスの働きアリはRW（生殖×働きアリ）の配置を示し、オスは通常のアリの場合のように半数体ではなくRW遺伝子型を示すが、オスの場合、卵のRと精子のWは融合しないため、一部の細胞がRゲノムを持ち、他の細胞がWゲノムを持つキメラとして発生する。^{[ 8 ] [ 9 ]}

四配偶子キメラは先天性キメラの一種です。この状態は、2つの別々の卵子が2つの精子によって受精し、その後、胚盤胞または接合子の段階で2つが融合することによって発生します。その結果、細胞系統が混ざり合った生物が発生します。言い換えれば、キメラは2つの非一卵性双生児の融合によって形成されます。そのため、男性、女性、またはインターセックスになる可能性があります。^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

四配偶子状態は、臓器移植や幹細胞移植において重要な意味を持つ。キメラは通常、両方の細胞株に対して免疫学的寛容性を示す。

マイクロキメリズムとは、宿主個体の細胞とは遺伝的に異なる少数の細胞が存在する状態を指します。ほとんどの人は、母親と遺伝的に同一の細胞を少数持って生まれてきますが、健康な人では年齢を重ねるにつれてこれらの細胞の割合は減少していきます。母親と遺伝的に同一の細胞をより多く保持している人は、自己免疫疾患の発症率が高いことが観察されています。これはおそらく、免疫系がこれらの細胞を破壊する役割を担っているにもかかわらず、一般的な免疫系の欠陥によってその機能が阻害され、自己免疫疾患を引き起こすためと考えられます。

母由来の細胞の存在により自己免疫疾患の発症率が高くなることが、2010年の強皮症様疾患（自己免疫性リウマチ性疾患）の40歳の男性を対象とした研究で、FISH（蛍光in situハイブリダイゼーション）により血流中に検出された女性細胞が母由来であると考えられた理由である。しかし、彼のマイクロキメリズムは消失した双子によるものであることが判明しており、消失した双子からのマイクロキメリズムが自己免疫疾患の発症リスクを高めるかどうかは不明である。^{[ 17 ]}母親はしばしば子供の細胞と遺伝的に同一の細胞を少数持っていることがあり、また、兄弟姉妹（母親が保持していたためこれらの細胞が受け継がれる母方の兄弟姉妹のみ）と遺伝的に同一の細胞を持つ人もいる。

生殖細胞キメラ現象は、生物の生殖細胞（例えば、精子と卵子）が、その生物自身の生殖細胞と遺伝的に同一でない場合に起こります。最近、マーモセットは発生中の胎盤融合により、（二卵性）双子の兄弟の生殖細胞を保有できることが発見されました。（マーモセットはほぼ常に二卵性双子を出産します。）^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

モザイク現象をキメラ現象の一種と考える人もいれば^{[ 26 ]} 、両者を別物と考える人もいる^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} 。モザイク現象は、細胞内の遺伝物質の突然変異によって、他の細胞とは異なる細胞群が生じる現象である。自然発生的なキメラ現象は、胎児発生の初期段階で複数の受精卵が融合することである。これはモザイク現象よりもはるかに稀である^{[ 29 ] 。}

人工キメラでは、ヒト胚の形成時に遺伝的に受け継がれた細胞系統と、臓器移植や輸血などの処置によって導入された細胞系統が、個体に存在します。^{[ 30 ]}この状態を引き起こす可能性のある特定の移植の種類には、骨髄移植や臓器移植があり、レシピエントの体は基本的に新しい血液幹細胞を永久的に取り込むように働きます。

ボクラージュは、多くのヒト「モザイク」細胞株は「適切に検査すればキメラであることが判明するだろう」と主張している。^{[ 31 ]}

対照的に、各細胞にヒトの遺伝物質と他の種の遺伝物質の両方が含まれている人間は、ヒトと動物のハイブリッドである。^{[ 3 ]}

ドイツの皮膚科医アルフレッド・ブラシュコは1901年にブラシュコ線について記述したが、遺伝学がこの現象を表す用語を確立するまでには1930年代までかかった。遺伝的キメラという用語は、少なくとも1944年のベルゴフスキーの論文以来使用されている。^{[ 32 ]}

非一卵性双生児では、先天的なキメラ現象は血管吻合によって起こります。体外受精によって作られた場合、子孫がキメラになる可能性が高まります。^{[ 15 ]}キメラは繁殖できることが多いですが、子孫の生殖能力とタイプは、卵巣または精巣を形成させた細胞系統によって異なります。一方の細胞が遺伝的に女性で、もう一方の細胞が遺伝的に男性である場合、さまざまな程度の性差が生じる可能性があります。

2019年1月22日、全米遺伝カウンセラー協会は「キメラ現象の説明：一人の人間が知らず知らずのうちに2セットのDNAを持つ方法」という記事を発表し、その中で「双子の妊娠が一人の子供に発展する現象は、現在では比較的まれな形態の一つと考えられています。しかし、単胎妊娠の20～30％は元々双子または多胎妊娠であったことがわかっています」と述べています。^{[ 33 ]}

ほとんどのヒトキメラは、自分がキメラであることに気づかずに一生を終えるでしょう。表現型の違いは微妙な場合もあれば（例えば、親指がヒッチハイカーのような形をしていて、親指がまっすぐな場合、目の色がわずかに異なる場合、体の反対側の毛の成長が異なる場合など）、全く検出できない場合もあります。キメラは、特定のスペクトルの紫外線の下で、肩から腰にかけて下向きの矢印の先端のような特徴的な模様が背中に現れることもあります。これは、ブラシュコ線と呼ばれる色素の不均一性の表現の一つです。^{[ 34 ]}

もう一つの事例はカレン・キーガンで、彼女も（当初は）自分の子供たちの生物学的な母親ではないと疑われていた。彼女が必要としていた腎臓移植のために成人した息子たちのDNA検査を行ったところ、彼女が彼らの母親ではないことが示されたようだった。^{[ 21 ] [ 35 ]}

セクター型、メリクリン型、ペリクリン型の植物キメラの区別は広く用いられている。^{[ 36 ] [ 37 ]}ペリクリン型キメラは、特定の分裂組織層の子孫細胞に遺伝的差異が持続するものである。このタイプのキメラは、後の世代の細胞にのみ影響を与えるメリクリン型またはセクター型の突然変異よりも安定している。^{[ 38 ]}

これらは、遺伝的に異なる親、異なる栽培品種、または異なる種（異なる属に属する場合もある）を接ぎ木することによって作られます。接ぎ木後、組織は部分的に融合して、単一の成長生物を形成し、単一のシュート内に両方のタイプの組織が保持されます。^{[ 39 ]}構成種が幅広い特徴で異なる可能性が高いのと同様に、周縁キメラの挙動も非常に多様である可能性が高いです。^{[ 40 ]}最初に知られているそのようなキメラは、おそらくフィレンツェシトロンとサワーオレンジの融合であるビザリアです。接ぎ木キメラのよく知られた例としては、ラブルナムとエニシダの融合によって生じるラブルノキティスス'アダミイ'や、複数のリンゴやナシの品種が同じ木に接ぎ木された「ファミリー」ツリーなどがあります。多くの果樹は、苗木の本体を台木に接ぎ木することによって栽培されています。^{[ 41 ]}

これらは、染色体構成が異なる層を持つキメラである。キメラは、分裂異常により個々の染色体または染色体断片が失われたり増えたりすることによって生じることがある。^{[ 42 ]}より一般的には、細胞キメラは、変化した層に正常な染色体構成の単純な倍数が存在する。細胞の大きさや成長特性にはさまざまな影響がある。

これらのキメラは、核遺伝子が自然発生的または人為的に優性または劣性対立遺伝子に突然変異することによって生じる。原則として、葉、花、果実、またはその他の部位において、一度に影響を受ける形質は一つである。

これらのキメラは、葉緑体遺伝子の自然突然変異または誘発突然変異によって生じ、その後、栄養成長中に2種類の葉緑体が分離されることによって生じます。あるいは、自家受精または核酸の熱力学の後、それぞれ混合卵または混合接合子から葉緑体が分離されることもあります。このタイプのキメラは、発生時に葉の分離パターンによって識別されます。分離が完了すると、周縁キメラは、類似した核遺伝子差異キメラとは、メンデル遺伝の法則に従わない遺伝によって区別されます。斑入り葉キメラの大部分はこのタイプです。

すべてのプラスチド遺伝子および一部の核遺伝子の差異キメラは、葉内のプラスチドの色に影響を与え、これらはクロロフィルキメラ、または好ましくは斑入り葉キメラとしてまとめられます。ほとんどの斑入りの場合、関与する突然変異は、変異した組織における葉緑体の喪失であり、そのため植物組織の一部には緑色の色素がなく、光合成能力もありません。この変異した組織は単独では生存できませんが、正常な光合成組織との共生によって生存を維持しています。キメラの中には、核遺伝子とプラスチド遺伝子の両方に関して異なる層を持つものも見られます。

植物の回復段階で植物キメラが発生する理由としては、複数の要因が考えられます。

1. シュート器官形成の過程は多細胞起源から始まる。^{[ 43 ]}
2. 内因性耐性により、弱い選択剤の効果は失われる。
3. 自己防御機構（相互防御）。形質転換細胞は、形質転換されていない細胞を保護するガードとして機能する。^{[ 44 ]}
4. 遺伝子組み換え細胞の観察可能な特徴は、マーカー遺伝子の一時的な発現である可能性がある。あるいは、アグロバクテリウム細胞の存在によるものかもしれない。

マウスキメラを作製できるのは、マウスの初期発生に関する理解に基づいている。卵子の受精から胚盤胞の子宮への着床までの間、マウス胚のさまざまな部分は、多様な細胞系統を生み出す能力を保持している。胚が胚盤胞段階に達すると、主に栄養外胚葉、内細胞塊、原始内胚葉といういくつかの部分から構成される。胚盤胞のこれらの各部分は、胚の異なる部分を生み出す。内細胞塊は胚本体を生み出し、栄養外胚葉と原始内胚葉は胚の成長を支える胚外構造を生み出す。^{[ 62 ]} 2～8細胞期の胚はキメラを作るのに適している。なぜなら、これらの発生段階では、胚の細胞はまだ特定の細胞系統に分化することが決まっておらず、内部細胞塊や栄養外胚葉を生じる可能性があるからである。2つの二倍体8細胞期胚を用いてキメラを作る場合、マウス胚盤胞の上胚葉、原始内胚葉、および栄養外胚葉にキメラが見られることがある。^{[ 63 ] [ 64 ]}

胚を他の段階で解剖することで、胚から選択的に一方の細胞系統のみを生じさせ、他方の細胞系統は生じさせないようにすることが可能です。例えば、割球のサブセットを用いて、1つの胚から特定の細胞系統を持つキメラを生じさせることができます。例えば、二倍体胚盤胞の内部細胞塊を用いて、8細胞期の二倍体胚盤胞とキメラを作製することができます。内部細胞塊から採取した細胞は、キメラマウスの原始内胚葉と上胚葉を形成します。^{[ 65 ]}

この知識から、キメラへのES細胞の寄与が開発されてきた。ES細胞は、8細胞期および2細胞期の胚と組み合わせてキメラを作製し、胚本体のみを生じさせることができる。キメラに使用される胚は、キメラの特定の部分のみに特異的に寄与するように、さらに遺伝子改変することができる。一例として、2つの2細胞期二倍体胚を電気融合によって人工的に作製した四倍体胚とES細胞から構築されたキメラがある。四倍体胚は、キメラ内の栄養外胚葉と原始内胚葉のみを生じさせる。^{[ 66 ] [ 67 ]}

キメラマウスを成功裏に作製できる組み合わせは多岐にわたり、実験の目的に応じて適切な細胞と胚の組み合わせを選択できます。一般的には、二倍体胚とES細胞、二倍体胚と二倍体胚、ES細胞と四倍体胚、二倍体胚と四倍体胚、ES細胞とES細胞の組み合わせなどが挙げられますが、これらに限定されるものではありません。胚性幹細胞と二倍体胚の組み合わせは、胚性幹細胞で遺伝子ターゲティングを行うことができるため、キメラマウス作製によく用いられる手法です。このようなキメラは、幹細胞と二倍体胚を凝集させるか、幹細胞を二倍体胚に注入することによって作製できます。胚性幹細胞を遺伝子ターゲティングに用いてキメラを作る場合、次の手順が一般的です。標的遺伝子の相同組換え構築物を、エレクトロポレーションによってドナーマウス由来の培養マウス胚性幹細胞に導入します。組換えイベント陽性の細胞は、遺伝子ターゲティングに使用した挿入カセットによって抗生物質耐性を持ち、陽性選択を受けることができます。^{[ 68 ] [ 69 ]}次に、正しい標的遺伝子を持つES細胞を二倍体宿主マウスの胚盤胞に注入します。その後、これらの注入された胚盤胞を偽妊娠した雌代理マウスに移植し、胚を出産させて、ドナーマウスのES細胞由来の生殖細胞を持つマウスを産みます。^{[ 70 ]} ES細胞と二倍体胚の凝集によって同じ手順が達成できます。二倍体胚は、単一の胚が収まるウェル内の凝集プレートで培養され、これらのウェルにES細胞が加えられ、単一の胚が形成されて胚盤胞段階に進行するまで凝集体が培養され、その後代理母マウスに移植できます。^{[ 71 ]}