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染色体交叉、または交叉とは、有性生殖の際に相同染色体の非姉妹染色分体間で遺伝物質が交換され、組換え染色体が生じる現象である。これは遺伝的組換えの最終段階の一つであり、減数分裂第一前期のパキテン期にシナプシスと呼ばれる過程で起こる。シナプシスは通常、シナプトネマ複合体が形成される前に開始され、第一前期の終わり近くまで完了しない。交叉は通常、相同染色体上の相同領域が切断され、その後もう一方の染色体と再結合することで起こり、その結果、交叉の目に見える証拠であるキアズマが形成される。
交叉現象は理論的にはトーマス・ハント・モーガンによって記述され、交叉という用語はモーガンとエレト・キャッテルによって造語された。[ 3 ]ハントは、1909年にこの現象を記述し「キアズマ型」と呼んだフランス・アルフォンス・ヤンセンスの発見に依拠した。 [ 4 ]キアズマという用語は、同一ではないにしても、染色体交叉と関連している。モーガンは、ショウジョウバエの遺伝に関する自身の研究の実験結果にとって、キアズマの細胞学的解釈が非常に重要であることをすぐに理解した。交叉の物理的基礎は、1931年にハリエット・クレイトンとバーバラ・マクリントックによって初めて実証された。 [ 5 ]
2 つの遺伝子座 (マーカー)間の交差の連鎖頻度は、交差値です。固定された遺伝的および環境的条件の下では、連鎖構造 (染色体)の特定の領域での組換えは一定になる傾向があり、遺伝子地図の作成に使用される交差値についても同様です。[ 6 ] [ 7 ]
1977年に堀田らがユリとマウスの減数分裂交叉（組換え）を比較したところ、多様な真核生物が共通のパターンを共有していると結論付けた。[ 8 ]この発見は、染色体交叉が真核生物の減数分裂の一般的な特徴であることを示唆している。
交叉の起源を説明する、よく知られた重複する2つの理論があり、これらは減数分裂の起源に関する異なる理論から派生している。最初の理論は、減数分裂がDNA修復の別の方法として進化し、したがって交叉は損傷した可能性のあるDNAの部分を置き換える新しい方法であるという考えに基づいている。[ 9 ] 2番目の理論は、減数分裂が多様性を伝播する機能を持つ細菌の形質転換から進化したという考えに基づいている。[ 9 ]
1931年、バーバラ・マクリントックは三倍体トウモロコシを発見した。彼女はトウモロコシの核型、特に染色体の大きさや形状に関する重要な発見をした。マクリントックは有糸分裂の前期と中期を用いてトウモロコシの染色体の形態を記述し、後に減数分裂における交叉の細胞学的実証を初めて行った。学生のハリエット・クレイトンと共に、マクリントックは連鎖遺伝子の相互依存性に関する初期の理解にも大きく貢献した。
交叉とDNA修復は非常によく似たプロセスであり、多くの同じタンパク質複合体を利用しています。[ 10 ] [ 11 ] マクリントックは、レポート「ゲノムの脅威に対する応答の重要性」の中で、トウモロコシのゲノムが生存に対する脅威を克服するためにどのように変化するかを示すためにトウモロコシを研究しました。彼女は、各親から末端が破裂した染色体を受け取った450の自家受粉植物を使用しました。彼女は、トウモロコシ植物の葉の異なるセクターでの遺伝子発現の改変パターンを使用して、転移因子（「制御因子」）がゲノムに隠れており、その可動性により、異なる遺伝子座の遺伝子の作用を変化させることができることを示しました。これらの因子は、数個のヌクレオチドから染色体のセグメント全体まで、ゲノムを再構築することもできます。リコンビナーゼとプライマーゼは、DNA配列に沿ってヌクレオチドの基礎を築きます。プロセス間で保存されている特定のタンパク質複合体の1つはRAD51であり、これはDNA修復とクロスオーバーに不可欠であることが示されている、よく保存された組換え酵素タンパク質である。[ 12 ]
D. melanogasterの他のいくつかの遺伝子も、これらの特定の遺伝子座の変異体が DNA 修復や交叉を起こせないことを示すことで、両方のプロセスに関連付けられています。そのような遺伝子には、mei-41、mei-9、hdm、spnA、brca2 などがあります。 プロセス間で保存されているこの大きな遺伝子群は、密接な進化関係の理論を支持しています。さらに、DNA 修復と交叉は染色体上の類似した領域を好むことがわかっています。コムギ ( Triticum aestivum L. ) の 3B 染色体に対する放射線ハイブリッドマッピングを使用した実験では、交叉と DNA 修復が主に同じ領域で発生することがわかりました。[ 13 ]さらに、交叉はストレスの多い、おそらく DNA を損傷する条件に応答して発生することが相関しています。[ 14 ] [ 15 ]
細菌形質転換のプロセスは、特に切断されたDNA鎖の両側にオーバーハングが形成され、新しい鎖のアニーリングが可能になるという点で、染色体交叉と多くの類似点を共有しています。細菌形質転換自体は、これまで何度もDNA修復と関連付けられてきました。2番目の理論は、遺伝的多様性を伝播する機能を持つ細菌形質転換 から減数分裂が進化したという考えに基づいています。 [ 9 ] [ 16 ] したがって、この証拠は、交叉がDNA修復または細菌形質転換のどちらに関連しているかという問題であることを示唆しています。なぜなら、この2つは相互に排他的ではないように見えるからです。交叉は細菌形質転換から進化し、それがDNA修復から発展した可能性が高く、それによって3つのプロセスすべての間のつながりが説明されます。
減数分裂組換えは、DNA損傷剤への曝露[ 9 ]またはSpo11タンパク質[ 17 ]によってDNAに導入された二本鎖切断によって開始される可能性がある。次に、1つ以上のエキソヌクレアーゼが二本鎖切断によって生成された5'末端を消化して3'一本鎖DNAテールを生成する（図を参照）。減数分裂特異的リコンビナーゼDmc1と一般リコンビナーゼRad51が一本鎖DNAを覆ってヌクレオプロテインフィラメントを形成する[ 18 ] 。リコンビナーゼは、切断の一方の端からの一本鎖DNAによる反対側の染色分体への侵入を触媒する。次に、侵入したDNAの3'末端がDNA合成のプライミングを行い、相補鎖の置換を引き起こし、その後、最初の二本鎖切断のもう一方の端から生成された一本鎖DNAにアニーリングする。その結果生じる構造は、クロスストランド交換、別名ホリデージャンクションと呼ばれるものである。間もなく交差を起こす2つの染色分体間の接触は、キアズマとして知られている。ホリデージャンクションは四面体構造であり、他のリコンビナーゼによって「引っ張られ」、4本鎖構造に沿って移動することができる。
MSH4 および MSH5 タンパク質は、酵母およびヒトにおいてヘテロオリゴマー構造 (ヘテロ二量体) を形成する。 [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] 酵母Saccharomyces cerevisiaeでは、MSH4 および MSH5 は減数分裂中の相同染色体間の交叉を促進するために特異的に作用する。[ 19 ] MSH4/MSH5 複合体は、二重ホリデー接合に結合して安定化し、交叉産物への解消を促進する。S . cerevisiaeの MSH4低機能性(部分的に機能する) 変異体は、ゲノム全体で交叉数が 30% 減少し、非交換染色体による減数分裂が多数発生した。 [ 22 ] それにもかかわらず、この変異体は、非交換染色体の分離が効率的に起こったことを示唆する胞子生存率パターンを生じさせた。したがって、 S. cerevisiaeでは、適切な分離は相同ペア間の交差に完全に依存するわけではないようです。ヒトでは、MSH4 および MSH5 の両アレル性の機能喪失変異は生命維持に支障はありませんが、男性では無精子症(精子形成不全)、女性では早期卵巣不全と関連しています。[ 23 ] [ 24 ]
キアズマ（複数形：キアズマタ）は、減数分裂Iにおける相同染色体の正しい整列と分離に不可欠であり、その頻度は遺伝的組換え率を反映し、子孫間の変異に寄与する。キアズマの数はゲノムサイズとともに増加する傾向があり、これは一般的に、より大きなゲノムでは減数分裂ごとに多くの交差イベントが発生するためである。[ 25 ]各相同対は、4つの染色分体からなる二価染色体（または四分子）を形成する。キアズマの数と位置は二価染色体の形状に影響を与え、キアズマが1つの場合は棒状、2つ以上の場合は環状になる。[ 26 ] [ 27 ]
バッタMelanoplus femur-rubrum は、減数分裂の各段階で急性X 線照射を受け、キアズマ頻度が測定された。[ 28 ]減数分裂のレプトテン期-ジゴテン期(すなわち、クロスオーバー組換えが起こるパキテン期の前) での照射は、その後のキアズマ頻度を増加させることがわかった。同様に、バッタChorthippus brunneusでは、ジゴテン期 - 初期パキテン期での X 線照射により、平均細胞キアズマ頻度が有意に増加した。[ 29 ]キアズマ頻度は、減数分裂の後期ジプロテン期 - ダイアキネシス期 でスコアされた。これらの結果は、電離放射線によって誘発された二本鎖 DNA 切断が、その後、キアズマ形成につながるクロスオーバー経路によって修復されることを示している。 [ 30 ]
しかし、放射線誘発DNA損傷後のクロスオーバー頻度の増加は、すべての昆虫で普遍的に起こるわけではありません。例えば、ショウジョウバエの雌は、誘発された二本鎖DNA切断に応答する際に主に非クロスオーバー修復経路を示し、クロスオーバーと非クロスオーバーの比率が比較的低くなります。[ 31 ]
真核生物では、二本鎖切断は2つの経路で修復され、クロスオーバーが生じる。[ 32 ]その大部分は、クラスIクロスオーバーを定義するMutLホモログMLH1およびMLH3によって修復される。残りは、MUS81エンドヌクレアーゼおよびFANCMトランスロカーゼによって制御されるクラスII経路の結果である。これら2つの経路の間には相互接続があり、クラスIクロスオーバーはクラスII経路の欠損を補うことができる。MUS81ノックアウトマウスでは、クラスIクロスオーバーが増加しているが、キアズマにおける総クロスオーバー数は正常である。しかし、このクロストークの根底にあるメカニズムはよく理解されていない。最近の研究では、SLX4と呼ばれる足場タンパク質がこの制御に関与している可能性が示唆されている。[ 33 ]具体的には、SLX4ノックアウトマウスは、MUS81ノックアウトマウスとほぼ同じ表現型を示し、ここでもクラスIクロスオーバーが増加しているが、キアズマ数は正常である。 FANCMノックアウトマウスでは、クラスII経路が過剰に活性化され、MLH1/MLH3経路とは無関係なクロスオーバーの数が増加します。[ 34 ]
ほとんどの真核生物では、細胞は各遺伝子の2つのバージョンを持ち、それぞれが対立遺伝子と呼ばれます。各親は、各子孫に1つの対立遺伝子を伝えます。個々の配偶子は、中期板上に並んだ各染色分体ペアから独立して選択された染色体上の完全な半数体対立遺伝子セットを継承します。組換えがなければ、同じ染色体上で連鎖しているこれらの遺伝子のすべての対立遺伝子は一緒に継承されます。減数分裂組換えは、相同染色体間で対立遺伝子の内容をシャッフルするため、単一遺伝子の位置を占める2つの対立遺伝子間のより独立した分離を可能にします。
組換えによって、同じ染色体上に母方と父方の対立遺伝子の新しい配置が生じます。同じ遺伝子が同じ順序で現れますが、一部の対立遺伝子は異なります。このようにして、理論的には子孫に親の対立遺伝子の任意の組み合わせが存在する可能性があり、1人の子孫に2つの対立遺伝子が一緒に現れたとしても、別の子孫が同じ組み合わせを持つ統計的確率には影響しません。この遺伝子の「独立した組み合わせ」の原理は、遺伝的継承の基本です。[ 35 ] しかし、組換えの頻度は実際にはすべての遺伝子の組み合わせで同じではありません。これが「遺伝的距離」という概念につながり、これは（適切な大きさの）家系図のサンプルで平均化された組換え頻度の尺度です。大まかに言えば、これは組換えが1つの遺伝子と別の遺伝子の近接性に大きく影響されるためです。 2 つの遺伝子が染色体上で近接している場合、組換えによってこれらの 2 つの遺伝子が分離される可能性は、それらが離れている場合よりも低くなります。遺伝的連鎖は、同じ染色体上の位置の結果として遺伝子が一緒に遺伝する傾向を表します。連鎖不平衡は、遺伝子または遺伝子マーカーのいくつかの組み合わせが、それらの距離から予想されるよりも集団内でより頻繁にまたはより少なく出現する状況を表します。この概念は、特定の疾患を引き起こす可能性のある遺伝子を探すときに適用されます。これは、特定のDNA 配列の出現と疾患の出現を比較することによって行われます。2 つの間に高い相関が見つかった場合、適切な遺伝子配列が実際にはより近い可能性が高いです[ 35 ] 。
交叉は既存の対立遺伝子を組み換えることで遺伝的多様性を増加させるが、プログラムされた減数分裂二本鎖切断の修復によって新たな突然変異が生じることもある。ヒトでは、組換えホットスポットにおける交叉分子の配列決定により、交叉分子は同じドナーおよびホットスポット由来の非組換えDNA分子よりも多くの新規突然変異を運ぶ可能性があることがわかった。[ 36 ]より大規模な解析では、減数分裂切断修復は強い突然変異誘発性があり、特に切断あたりの挿入・欠失および構造変異率が大幅に増加することが示唆されている。[ 37 ]植物では、シロイヌナズナの親子配列決定により、交叉イベントの近くで突然変異率が上昇することが報告されている。[ 38 ]
交差は通常、一致する染色体の相同領域間で起こりますが、配列の類似性やその他の要因により、不一致のアライメントが生じる可能性があります。ほとんどのDNAは、非常に多くの回数繰り返される塩基対配列で構成されています。 [ 39 ]これらの反復セグメントは、しばしばサテライトと呼ばれ、種間でかなり均一です。[ 39 ] DNA複製中、各DNA鎖は、部分的に保存されたメカニズムを使用して新しい鎖を作成するためのテンプレートとして使用されます。このプロセスが適切に機能すると、2つの同一の対になった染色体（しばしば姉妹と呼ばれます）が生成されます。姉妹染色分体交差イベントは、真核生物では細胞分裂ごとに数回の交差イベントの速度で発生することが知られています。[ 39 ]これらのイベントのほとんどは、同量の遺伝情報の交換を伴いますが、配列の不一致により不均等な交換が発生する場合があります。これらは、非相同交叉、不等交叉、不均衡組換えなど、さまざまな名称で呼ばれ、染色体への遺伝情報の挿入または欠失をもたらします。相同交叉イベントに比べるとまれですが、これらの突然変異は劇的で、同時に多くの遺伝子座に影響を与えます。これらは遺伝子重複の発生の主な要因と考えられており、ゲノム内の突然変異の一般的な原因となっています。[ 40 ]
非相同組換え事象の具体的な原因は不明ですが、不均等組換えの可能性を高める影響因子がいくつか知られています。不均衡組換えにつながる一般的なベクトルの 1 つは、二本鎖切断の修復です。[ 41 ]二本鎖DNA切断は、相同性指向修復を使用して修復されることが多く、このプロセスでは、二本鎖DNA切断鎖が鋳型鎖に侵入します（下図参照）。鋳型鎖の近傍の相同領域が修復に使用されることが多く、非相同ではあるが相補的な鋳型鎖の一部が使用されると、ゲノムに挿入または欠失が生じる可能性があります。 [ 41 ]配列類似性は、組換えにおいて重要な役割を果たします。組換え事象は、遺伝子上の同一性の高い長い領域で発生する可能性が高くなります。[ 42 ]これは、反復DNAの長いセクションを持つゲノムのどの部分でも、組換え事象が発生しやすいことを意味します。
転移因子の存在は、非相同組換えのもう1つの重要な要素です。転移因子は反復配列領域を特徴としており、相補的だが相同性のない領域は転移因子内に遍在しています。転移因子で構成される染色体領域は、凝縮した空間に大量の同一の反復配列コードを持つため、組換えイベントを起こしている転移因子領域は、誤った相補的マッチアップを起こしやすいと考えられています。[ 43 ]つまり、多くの同一配列を含む染色体の一部が組換えイベントを起こした場合、完全に相同な相補的コード部分とマッチアップする可能性は低く、染色体のわずかに異なる部分にあるコード部分と結合する可能性が高くなります。この結果、組換えが起こった場所に応じて、遺伝情報が新しい染色体に挿入または削除される可能性があるため、不均衡な組換えが生じます。
不均等組換えの動機となる要因は依然として不明瞭ですが、物理的メカニズムの要素は解明されています。たとえば、ミスマッチ修復（MMR）タンパク質は、複製中およびエスケープ制御中のDNAのミスマッチ配列を制御する役割を担う、よく知られた制御タンパク質ファミリーです。[ 44 ] MMRの作動目標は、親遺伝子型の回復です。特にMutSβというMMRのクラスは、最大16ヌクレオチドの挿入欠失ミスマッチの修復を開始することが知られています。[ 44 ]真核生物における切除プロセスについてはほとんど知られていませんが、大腸菌の切除では、5 'または3'鎖のいずれかにニックが切断され、その後、DNAヘリカーゼとDNAポリメラーゼIIIが結合して一本鎖タンパク質が生成され、それがエキソヌクレアーゼによって消化され、リガーゼによって鎖に結合します。[ 44 ]複数のMMR経路が複雑な生物のゲノム安定性の維持に関与しており、MMR経路の多くの機能不全のいずれかがDNA編集および修正エラーを引き起こします。[ 45 ]したがって、非相同組換えエラーにつながるメカニズムが正確には不明ですが、MMR経路が関与している可能性が非常に高いです。