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エクソンシャッフルは、新しい遺伝子を形成するための分子メカニズムです。これは、異なる遺伝子の2つ以上のエクソンを異所的に集めたり、同じエクソンを複製したりして、新しいエクソン-イントロン構造を作成するプロセスです。[1]エクソンシャッフルが発生するメカニズムには、トランスポゾンを介したエクソンシャッフル、親ゲノムの性的組み換え中のクロスオーバー、および非正統的組み換えなど、いくつかあります。
エクソンシャッフルは、特定のスプライスフレームルールに従います。イントロンは、連続する2つのコドンの間（フェーズ0イントロン）、コドンの1番目と2番目のヌクレオチドの間（フェーズ1イントロン）、またはコドンの2番目と3番目のヌクレオチドの間（フェーズ2イントロン）に配列を挿入することで、遺伝子の読み取りフレームを中断できます。さらに、エクソンは、隣接するイントロンの位相に基づいて9つの異なるグループに分類できます（対称：0-0、1-1、2-2、非対称：0–1、0–2、1–0、1–2など）。対称エクソンは、読み取りフレームを変更せずにイントロンに挿入、複製、または削除できる唯一のエクソンです。[2]
歴史
エクソンシャッフルは、1978年にウォルター・ギルバートがイントロンの存在がタンパク質の進化に大きな役割を果たせることを発見したときに初めて導入されました。[3]イントロン内の組み換えはエクソンを独立して分類するのに役立つこと、イントロンの中央にある反復セグメントが組み換えのホットスポットを作り出してエクソン配列をシャッフルする可能性があることが指摘されました。しかし、これらのイントロンが真核生物に存在し、原核生物に存在しないことから、これらのイントロンが出現した時期について議論が起こりました。「イントロン初期」理論と「イントロン後期」理論という2つの理論が生まれました。「イントロン初期」理論の支持者は、イントロンとRNAスプライシングはRNAワールドの遺物であり、したがって原核生物と真核生物の両方に最初からイントロンがあったと信じていました。しかし、原核生物は効率を高めるためにイントロンを排除したが、真核生物はイントロンと祖先の遺伝的可塑性を保持した。一方、「イントロン後期」理論の支持者は、原核生物の遺伝子は祖先の遺伝子に似ており、イントロンは真核生物の遺伝子に後から挿入されたと考えている。現在明らかなのは、真核生物のエクソン-イントロン構造は静的ではなく、イントロンは遺伝子に継続的に挿入され、遺伝子から除去され、イントロンの進化はエクソンシャッフルと並行して進むということである。[引用が必要]
エクソンシャッフルがタンパク質の進化において主要な役割を果たすようになるには、スプライソソームイントロンの出現が必要でした。これは、RNA ワールドの自己スプライシングイントロンがイントロンの組み換えによるエクソンシャッフルに適していなかったためです。これらのイントロンは必須の機能を持っていたため、組み換えることができませんでした。さらに、スプライソソームイントロンはごく最近進化し、進化の分布が制限されているという強力な証拠があります。そのため、エクソンシャッフルはより若いタンパク質の構築において主要な役割を果たすようになりました。[引用が必要]
さらに、真核生物においてエクソンシャッフルが顕著になった時期をより正確に定義するために、このメカニズムを通じて進化したモジュラータンパク質の進化的分布を、大腸菌、サッカロミセス・セレビシエ、シロイヌナズナなどのさまざまな生物で調べました。これらの研究は、ゲノムのコンパクトさとイントロンおよび反復配列の割合の間に逆相関関係があり、エクソンシャッフルが後生動物の放散後に顕著になったことを示唆しました。[4]
メカニズム
親ゲノムの性的組み換え中の交差
真核生物の進化は親ゲノムの性的組み換えによって行われ、イントロンはエクソンよりも長いため、交差のほとんどは非コード領域で発生します。これらのイントロンには、非相同遺伝子の組み換えを促進する多数の転移因子と反復配列があります。さらに、モザイクタンパク質は、進化の過程でさまざまな遺伝子に広がり、自ら折り畳むことができる可動ドメインで構成されていることも示されています。[引用が必要]
これらのドメインの形成とシャッフルには、モジュール化仮説と呼ばれるメカニズムがあります。このメカニズムは 3 つの段階に分かれています。第 1 段階は、タンパク質ドメインの境界に対応する位置にイントロンが挿入されることです。第 2 段階は、挿入されたイントロン内での組み換えにより、「プロトモジュール」がタンデム重複を起こす段階です。第 3 段階は、1 つ以上のプロトモジュールがイントロン組み換えによって異なる非相同遺伝子に転移される段階です。モジュール化のすべての状態は、止血タンパク質などのさまざまなドメインで観察されています。[2]
トランスポゾン媒介
長い散在要素（LINE）-1
エクソンシャッフルの潜在的なメカニズムは、長い散在要素（LINE）-1 を介した 3' トランスダクションです。しかし、まずLINEとは何かを理解することが重要です。LINE は、真核生物のゲノムに豊富に存在する遺伝要素のグループです。[5] LINE-1 は、ヒトで最も一般的な LINE です。RNAポリメラーゼ IIによって転写され、転座に必要な 2 つのタンパク質、ORF1 と ORF2 をコードするmRNAが生成されます。[6]
転位すると、L1 は 3' 隣接 DNA と結合し、非 L1 配列を新しいゲノム位置に運びます。この新しい位置は、相同配列内にある必要はなく、ドナー DNA 配列に近接している必要もありません。ドナー DNA 配列は、RNA 中間体を介してコピー アンド ペースト方式で機能するため、このプロセス全体を通じて変更されません。ただし、L1 の 3' 領域にある領域のみが複製の対象となることが証明されています。[引用が必要]
しかし、次の例が示すように、これが常に当てはまるとは限らないと考える理由があります。ヒトの ATM 遺伝子は、ヒトの常染色体劣性疾患である毛細血管拡張性運動失調症の原因であり、染色体 11 にあります。しかし、部分的な ATM 配列が染色体 7 に見つかります。分子的特徴から、この重複は L1 レトロトランスポジションによって媒介されたことが示唆されます。派生した配列は 15bp のターゲット サイド重複 (TSD) に挟まれ、5' 末端付近の配列は L1 エンドヌクレアーゼ切断部位のコンセンサス配列と一致し、ポリ (A) テールが3' TSD の前にあります。しかし、L1 要素はレトロトランスポジションされたセグメントにも元の配列にも存在しなかったため、セグメントの移動は 3' トランスダクションでは説明できません。追加情報から、DNA 配列のトランス移動はエクソンをシャッフルする L1 の別のメカニズムであると考えられるようになりましたが、この主題についてはさらに研究を行う必要があります。[7]
ヘリトロン
エクソンシャッフルが起こるもう 1 つのメカニズムは、ヘリトロンの使用です。ヘリトロントランスポゾンは、イネ、ミミズ、シロイヌナズナの冠ゲノムの反復 DNA セグメントの研究中に初めて発見されました。ヘリトロンはすべての真核生物界で特定されていますが、コピー数は種によって異なります。[引用が必要]
ヘリトロンでコード化されたタンパク質は、ローリングサークル (RC) 複製開始因子 (Rep) と DNA ヘリカーゼ (Hel) ドメインで構成されています。Rep ドメインは、エンドヌクレアーゼ切断、DNA 転移、およびライゲーションの触媒反応に関与しています。さらに、このドメインには 3 つのモチーフが含まれています。最初のモチーフは DNA 結合に必要です。2 番目のモチーフには 2 つのヒスチジンがあり、金属イオン結合に関与しています。最後に、3 番目のモチーフには 2 つのチロシンがあり、DNA 切断とライゲーションを触媒します。[引用が必要]
ヘリトロンによる遺伝子捕捉には、リードスルー モデル 1 (RTM1)、リードスルー モデル 2 (RTM2)、フィラー DNA モデル (FDNA) の 3 つのモデルがあります。RTM1 モデルによると、ヘリトロンの 3' 末端にある複製ターミネーターの偶発的な「機能不全」により、ゲノム DNA の転位が起こります。これは、リードスルー ヘリトロン要素とその下流ゲノム領域で構成され、ランダム DNA 部位が両側にあり、「de novo」RC ターミネーターとして機能します。RTM2 モデルによると、別のヘリトロンの 3' 末端が転位の RC ターミネーターとして機能します。これは、RC ターミネーターの機能不全後に発生します。最後に、FDNA モデルでは、遺伝子の一部または非コード領域が、ヘリトロンで発生する ds DNA 切断の修復中に、偶然にテンプレートとして機能することがあります。[8]ヘリトロンは非常に重要な進化のツールであることが証明されているが、その転置のメカニズムの具体的な詳細はまだ定義されていない。[要出典]
ヘリトロンを利用した進化の一例としては、トウモロコシによく見られる多様性が挙げられます。トウモロコシのヘリトロンは、転移因子を利用して遺伝子領域と非遺伝子領域を絶えず変化させ、異なるトウモロコシの系統間の多様性を生み出します。[要出典]
長末端反復配列（LTR）レトロトランスポゾン
長末端反復配列（LTR）レトロトランスポゾンは、エクソンシャッフルが起こる別のメカニズムの一部です。通常、2つのオープンリーディングフレーム（ORF）をコードします。gagと呼ばれる最初のORFは、ウイルスの構造タンパク質に関連しています。polと呼ばれる2番目のORFは、ポリタンパク質であり、ポリタンパク質を切断するアスパラギン酸プロテアーゼ（AP）、DNR-RNAハイブリッドを分割するRNase H（RH）、トランスポゾンRNAのcDNAコピーを生成する逆転写酵素（RT）、およびcDNAを宿主のゲノムに挿入するDDEインテグラーゼで構成されています。さらに、LTRレトロトランスポゾンは、Ty1/copia、Ty3/gypsy、Bel/Pao、レトロウイルス、および内因性レトロウイルスの5つのサブファミリーに分類されます。[9]
LTRレトロトランスポンソンは、その転座サイクル機構においてRNA中間体を必要とする。レトロトランスポンソンは、レトロウイルスRTに関連する逆転写酵素を使用して、RNA鎖に基づいてcDNAコピーを合成する。その後、cDNAコピーは新しいゲノム位置に挿入され、レトロ遺伝子を形成する。[10]このメカニズムは、エクソンシャッフルを通じてイネやその他のイネ科植物の遺伝子進化において重要であることが証明されている。[要出典]
末端逆位反復配列（TIR）を持つトランスポゾン
末端逆位反復配列（TIR）を持つDNAトランスポゾンも遺伝子シャッフルに寄与する可能性がある。植物では、Pack-TYPEと呼ばれるいくつかの非自律要素が、移動中に遺伝子断片を捕捉することができる。[11]このプロセスは、隣接するPack-TYPEトランスポゾンの間に存在する遺伝子DNAの獲得とその後の移動によって媒介されると思われる。[12]
不法な組み換え
最後に、非正統的組み換え（IR）はエクソンシャッフルが起こるもう一つのメカニズムです。IRは短い相同配列または非相同配列間の組み換えです。[13]
IR には 2 つのクラスがあります。1 つ目は、DNA を切断して結合する酵素 (DNase など) のエラーに対応します。このプロセスは、DNA 合成のプライマーを生成するのに役立つ複製タンパク質によって開始されます。1 つの DNA 鎖が合成されている間に、もう 1 つの DNA 鎖が置換されます。このプロセスは、置換された鎖の末端が同じ複製タンパク質によって結合されると終了します。IR の 2 つ目のクラスは、前述の酵素によって認識されない短い相同配列の組み換えに対応します。ただし、非特異的酵素によって認識され、反復の間に切断が導入されます。その後、末端はエキソヌクレアーゼによって除去され、反復が露出します。次に、反復がアニールされ、結果として生じた分子はポリメラーゼとリガーゼを使用して修復されます。[14]
参照
参考文献
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