遺伝的連鎖

遺伝的連鎖とは、染色体上で近接しているDNA 配列が、有性生殖の減数分裂期に一緒に遺伝する傾向のことである。物理的に近接している2 つの遺伝子マーカーは、染色体交差中に異なる染色分体に分離される可能性は低く、そのため、離れたマーカーよりも連鎖が強いと言われている。言い換えれば、染色体上の2 つの遺伝子が近いほど、それらの遺伝子間の組み換えの可能性が低くなり、一緒に遺伝する可能性が高くなる。異なる染色体上のマーカーは完全に連鎖していないが、潜在的に有害な対立遺伝子の浸透度は他の対立遺伝子の存在によって影響を受ける可能性があり、これらの他の対立遺伝子は、特定の潜在的に有害な対立遺伝子が位置する染色体とは別の染色体に位置する可能性がある。^[1]

遺伝的連鎖は、グレゴール・メンデルの独立組み合わせの法則に対する最も顕著な例外です。連鎖を証明する最初の実験は 1905 年に実施されました。当時、特定の形質が一緒に遺伝する傾向がある理由は不明でした。その後の研究で、遺伝子は物理的な距離によって関連する物理的構造であることが明らかになりました。

遺伝的連鎖の一般的な単位はセンチモルガン(cM) です。2 つのマーカー間の距離が 1 cM の場合、マーカーは平均して 100 減数分裂産物につき 1 回、つまり 50 減数分裂につき 1 回、異なる染色体に分離されます。

グレゴール・メンデルの独立の法則は、すべての形質は他の形質とは独立して遺伝すると述べている。しかし、メンデルの研究が再発見されて間もなく、この規則の例外が発見された。1905年、イギリスの遺伝学者ウィリアム・ベイトソン、エディス・レベッカ・サンダース、レジナルド・パネットは、メンデルの実験に似た実験でエンドウの植物を交配させた。^{[2] [3]}彼らはスイートピーの形質の遺伝に興味を持ち、花の色の遺伝子（P、紫とp、赤）と花粉粒の形に影響を与える遺伝子（L、長いとl、丸い）の2つの遺伝子を研究していた。彼らは純粋系統のPPLLとppllを交配し、その結果生じたPpLl系統を自家交配した。^[要出典]

メンデル遺伝学によれば、予想される表現型は、PL:Pl:pL:plの比率が9:3:3:1で発生するはずである。驚いたことに、彼らはPLとplの頻度が増加し、PlとpLの頻度が減少しているのを観察した。^[要出典]

彼らの実験により、PとL の対立遺伝子とpとl の対立遺伝子の間に連鎖が明らかになった。PがLと一緒に出現する頻度、およびp がlと一緒に出現する頻度は、組み換えPlとpLの頻度よりも高い。組み換え頻度は、戻し交配よりも F2 交配で計算するのが難しいが^[4]、上記の表で観察された子孫の数と予想される子孫の数の不一致は、組み換え頻度が 50% 未満であることを示している。これは、2 つの要因が何らかの形で相互作用し、他の 2 つの表現型の出現をマスクすることでこの違いを生み出したことを示唆している。このことから、染色体上で互いに近接しているため、いくつかの形質は互いに関連しているという結論に至った。^{[引用が必要]}

連鎖の理解はトーマス・ハント・モーガンの研究によって拡大した。連鎖遺伝子間の交差量が異なるというモーガンの観察から、交差頻度は染色体上の遺伝子間の距離を示すのではないかという考えが生まれた。交差頻度を表すセンチモルガンは彼にちなんで名付けられた。 ^[要出典]

連鎖地図（遺伝子地図とも呼ばれる）は、種または実験集団の既知の遺伝子または遺伝子マーカーの位置を、各染色体に沿った特定の物理的距離ではなく、組み換え頻度の観点から相互に示す表です。連鎖地図は、トーマス・ハント・モーガンの学生であったアルフレッド・スターテバントによって最初に開発されました。^[要出典]

連鎖地図は、相同染色体の交差中にマーカー間で起こる組み換えの頻度に基づいた地図です。2 つの遺伝子マーカー間の組み換え (分離) の頻度が高いほど、マーカー間の距離が離れているとみなされます。逆に、マーカー間の組み換えの頻度が低いほど、マーカー間の物理的な距離は小さくなります。歴史的に、最初に使用されたマーカーは、コーディング DNA配列から得られた検出可能な表現型(酵素生産、目の色)でした。最終的には、マイクロサテライトや制限酵素断片長多型 ( RFLP ) を生成する配列など、確認済みまたは推定された非コーディング DNA配列が使用されるようになりました。^{[引用が必要]}

連鎖地図は、研究者が既知のマーカーの遺伝的連鎖を検査することで、他の遺伝子などの他のマーカーを見つけるのに役立ちます。連鎖地図を作成する初期段階では、データを使用して連鎖グループ（連鎖していることがわかっている遺伝子のセット）を組み立てます。知識が進むにつれて、グループにマーカーを追加できるようになり、グループが染色体全体をカバーするようになります。^[6]よく研究されている生物の場合、連鎖グループは染色体と1対1で対応しています。^{[引用が必要]}

連鎖地図は、物理地図（放射線を減らした雑種地図など）や遺伝子地図ではありません。^[要出典]

連鎖解析は、家族を通じて病気の表現型と共分離する染色体セグメントを検索する遺伝学的手法です。 ^[7]バイナリ形質と量的形質の両方の遺伝子をマッピングするために使用できます。^[7]連鎖解析は、パラメトリック（表現型と遺伝的類似性の関係がわかっている場合）またはノンパラメトリックのいずれかになります。パラメトリック連鎖解析は従来のアプローチであり、病気に重要な遺伝子が遺伝子マーカーに連鎖する確率を LOD スコアを通じて調べます。LOD スコアは、病気とマーカーが共分離している特定の家系が連鎖の存在（特定の連鎖値）によるものか偶然によるものかの確率を評価します。一方、ノンパラメトリック連鎖解析では、対立遺伝子がそれ自身と系統的に同一である確率を調べます。^[要出典]

ニュートン・モートン[ ^8]が開発したLODスコア(対数 (底 10) のオッズ)は、ヒト、動物、植物の集団における連鎖解析によく使用される統計テストです。LOD スコアは、2 つの遺伝子座が実際に連鎖している場合にテスト データを取得する可能性と、まったくの偶然で同じデータが観察される可能性を比較します。LOD スコアが正の場合、連鎖が存在する可能性が高く、LOD スコアが負の場合、連鎖の可能性が低いことを示します。コンピューターによる LOD スコア解析は、メンデル遺伝形質間の連鎖 (または形質とマーカー間、または 2 つのマーカー間) を判定するために複雑な家系図を解析する簡単な方法です。^[要出典]

この方法はストラチャンとリードによってさらに詳細に説明されている。[1] 簡単に言えば、次のように機能します。^{[引用が必要]}

1. 血統を確立する
2. 組み換え頻度の推定値をいくつか作成する
3. 各推定値のLODスコアを計算する
4. 最も高いLODスコアを持つ推定値が最良の推定値とみなされます。

LOD スコアは次のように計算されます。

${\displaystyle {\text{LOD}}=Z=\log _{10}{\frac {\text{特定の連鎖値を持つ出生順序の確率}}{\text{連鎖を持たない出生順序の確率}}}=\log _{10}{\frac {(1-\theta )^{NR}\times \theta ^{R}}{0.5^{NR+R}}}}$

NR は非組み換え子孫の数、R は組み換え子孫の数を表します。分母に 0.5 が使用されている理由は、完全に連鎖していない対立遺伝子 (たとえば、別の染色体上の対立遺伝子) は、独立した組み合わせにより、組み換えの確率が 50% であるためです。θは組み換え率、つまり、研究対象の遺伝子マーカーと疾患に関連する推定遺伝子の間で組み換えが起こった出生率です。したがって、これはR / ( NR + R ) に等しくなります。^{[引用が必要]}

慣例により、LOD スコアが 3.0 を超えると連鎖の証拠と見なされます。これは、観察された連鎖が偶然に発生したのではない可能性が 1000 分の 1 であることを示しています。一方、LOD スコアが -2.0 未満の場合は、連鎖を除外する証拠と見なされます。単一の家系から LOD スコア 3 が得られる可能性は非常に低いですが、テストの数学的特性により、複数の家系のデータを LOD スコアを合計することで組み合わせることができます。LOD スコア 3 はp値が約 0.05 に相当し、^[9]多重検定補正(例: Bonferroni 補正) は必要ありません。^[10]

連鎖解析には、タイプ1エラー率を大幅に増加させ、ヒトの量的形質遺伝子座（QTL）をマッピングする力を低下させる可能性のある、いくつかの方法論的および理論的な限界があります。^{[11]連鎖解析は、}ハンチントン病などの希少疾患に寄与する遺伝子変異の特定には成功しましたが、心臓病やさまざまな種類の癌などのより一般的な疾患に適用した場合は、それほど良い結果が出ませんでした。^[12]この理由としては、一般的な疾患に影響を与える遺伝的メカニズムが、一部の希少疾患を引き起こすメカニズムとは異なることが挙げられます。^[13]

組み換え頻度は遺伝的連鎖の尺度であり、遺伝的連鎖地図の作成に使用されます。組み換え頻度 ( θ ) は、減数分裂中に2 つの遺伝子間で単一の染色体交差が発生する頻度です。センチモルガン(cM) は、1% の組み換え頻度を表す単位です。このようにして、組み換え頻度に基づいて 2 つの遺伝子座間の遺伝的距離を測定できます。これは実際の距離の適切な推定値です。二重交差が発生すると、組み換えは発生しません。この場合、交差が発生したかどうかはわかりません。分析している遺伝子座が非常に近い場合 (7 cM 未満)、二重交差が発生する可能性は非常に低くなります。距離が大きくなると、二重交差が発生する可能性が高くなります。二重交差が発生する可能性が高くなると、適切な数学モデルを使用しない限り、2 つの遺伝子座間の遺伝的距離を系統的に過小評価する可能性があります。^{[引用が必要]}

二重連鎖は、植物にとって歴史的な関心事です。動物では、二重交差はめったに起こりません。たとえば、人間では、減数分裂中に1つの染色体に平均2回の交差が起こります。さらに、初期の頃は遺伝子がわずかしか知られていなかったのに対し、現代の遺伝学者は十分な遺伝子を持っているため、近くの遺伝子だけを連鎖解析すれば済みます。^[14]

減数分裂中、染色体は配偶子にランダムに組み合わせられ、ある遺伝子の対立遺伝子の分離は別の遺伝子の対立遺伝子とは独立している。これはメンデルの第二法則に述べられており、独立組み合わせの法則として知られている。独立組み合わせの法則は、異なる染色体に位置する遺伝子には常に当てはまるが、同じ染色体に位置する遺伝子には常に当てはまるわけではない。^{[引用が必要]}

独立した組み合わせの例として、遺伝子型AABB の純血種のホモ接合体の親株と、遺伝子型aabbの異なる純血種の株との交配を考えてみましょう。 A と a および B と b は、遺伝子 A と B の対立遺伝子を表します。これらのホモ接合体の親株を交配すると、遺伝子型 AaBb の二重ヘテロ接合体の F1 世代の子孫が生まれます。F1 子孫 AaBb は、減数分裂中に遺伝子 A の対立遺伝子が遺伝子 B の対立遺伝子とは独立して組み合わせられるため、 AB、Ab、aB、およびabである配偶子を同じ頻度 (25%) で生成します。4 つの配偶子のうち 2 つ (50%)、AbとaB は親世代には存在しなかったことに注意してください。これらの配偶子は、組み換え配偶子を表します。組み換え配偶子は、元の二倍体細胞を構成していた両方の半数体配偶子と異なる配偶子です。この例では、4 つの配偶子のうち 2 つが組み換え配偶子であったため、組み換え頻度は 50% です。^{[引用が必要]}

2 つの遺伝子が異なる染色体上にある場合、または同じ染色体上で大きく離れている場合、組み換え頻度は 50% になります。これは、独立した組み合わせの結果です。^{[引用が必要]}

2 つの遺伝子が同じ染色体上で近接している場合、それらは独立して分類されず、連鎖していると言われます。異なる染色体に位置する遺伝子は独立して分類され、組み換え頻度は 50% ですが、連鎖している遺伝子の組み換え頻度は 50% 未満です。^{[引用が必要]}

連鎖の例として、ウィリアム・ベイトソンとレジナルド・パネットによる古典的な実験を考えてみましょう。^[15] 彼らはスイートピーの形質の遺伝に興味があり、2つの遺伝子、つまり花の色の遺伝子（P、紫とp、赤）と花粉粒の形に影響を与える遺伝子（L、長いとl、丸い）を研究していました。彼らは純粋な系統PPLLとppll を交配し、次に結果として生じたPpLl系統を自家交配しました。メンデル遺伝学によれば、予想される表現型はPL:Pl:pL:pl の比率が 9:3:3:1 で発生します。驚いたことに、彼らは PL と pl の頻度が増加し、Pl と pL の頻度が減少するのを観察しました（下の表を参照）。

彼らの実験により、PとL の対立遺伝子とpとl の対立遺伝子の間に連鎖が明らかになった。PがLと一緒に出現する頻度、およびp がlと一緒に出現する頻度は、組み換えPlとpLの頻度よりも高い。組み換え頻度は、F2 交配では戻し交配よりも計算が難しいが^[4]、上記の表の観察された子孫数と期待される子孫数の間に不一致があることから、組み換え頻度は 50% 未満であることが分かる。^[要出典]

この場合の子孫は、1 つの染色体上に連結された 2 つの優性対立遺伝子を受け継いでいます (カップリングまたはシス配列と呼ばれる)。しかし、交差後、子孫の一部は、1 つの形質 (例: 紫) の優性対立遺伝子が 2 番目の形質 (例: 丸い) の劣性対立遺伝子に連結された親染色体を 1 つ受け継いでいる可能性があり、もう 1 つの親染色体ではその逆が当てはまります (例: 赤と長い)。これは反発またはトランス配列と呼ばれます。この場合の表現型は紫と長いままですが、この個体と劣性親とのテスト交配により、2 つの交差表現型の割合がはるかに高い子孫が生成されます。この例からはこのような問題は起こりそうにないと思われるかもしれませんが、一部の作物の耐病性を高めるために育種を行うと、不利な反発連鎖が発生します。^[要出典]

二重ヘテロ接合体における対立遺伝子の 2 つの可能な配置、シスとトランスは配偶子相と呼ばれ、相決定は特定の個体に 2 つのうちどちらが存在するかを決定するプロセスです。^{[引用が必要]}

2 つの遺伝子が同じ染色体上にある場合、遺伝子間の交差によって組み換えが生じる可能性は、2 つの遺伝子間の距離に関係します。そのため、組み換え頻度を利用して連鎖地図または遺伝子地図が作成されます。^{[引用が必要]}

しかし、組み換え頻度は、2 つの連鎖遺伝子間の距離を過小評価する傾向があることに注意することが重要です。これは、2 つの遺伝子が離れているほど、それらの遺伝子間の交差が 2 回または偶数回発生する可能性も高くなるためです。2 つの遺伝子間の交差が 2 回または偶数回発生すると、同じ配偶子に共分離され、期待される組み換え子孫ではなく親子孫が生成されます。前述のように、コスアンビ変換とハルデン変換は、多重交差を修正しようとします。^[16]

1950年代初頭には、染色体中の遺伝子は遺伝子組み換えによって分割できない個別の実体であり、糸に通されたビーズのように配置されているという見解が一般的でした。1955年から1959年にかけて、ベンツァーはバクテリオファージT4のrII変異体を使用して遺伝子組み換え実験を行いました。彼は、組み換え試験に基づいて、変異部位を線形順序でマッピングできることを発見しました。^{[17] [18]この結果は、遺伝子が}DNAの長さに相当する線形構造を持ち、独立して変異できる多くの部位を持つという重要な考えの証拠となりました。^[要出典]

Edgarら^[19]はバクテリオファージT4のr変異体を用いたマッピング実験を行い、rII変異体間の組換え頻度は厳密には加法的ではないことを示した。2つのrII変異体の交配による組換え頻度(axd)は、通常、隣接する内部サブ区間(axb) + (bxc) + (cxd)の組換え頻度の合計よりも低くなる。厳密には加法的ではないが、遺伝子組換えの根底にある分子メカニズムを反映していると思われる系統的な関係が観察された^[20]。

染色体の組み換えは減数分裂中に不可欠なプロセスですが、生物間および種内での交差頻度には大きな幅があります。性的に二形的な組み換え率は異形交叉と呼ばれ、オスとメスの間の一般的な割合よりも頻繁に観察されます。哺乳類では、メスはオスに比べて組み換え率が高いことがよくあります。この割合の違いに影響を与える減数分裂のドライバーとして作用する独自の選択があるという理論があります。割合の違いは、卵形成と精子形成における減数分裂の環境と条件が大きく異なることを反映している可能性もあります。^[21]

DNAの処理に関与するタンパク質をコードする遺伝子の変異は、多くの場合、組み換え頻度に影響します。バクテリオファージT4では、複製DNAポリメラーゼ[遺伝子産物43（gp43）]の発現を低下させる変異により、組み換え（連鎖の減少）が数倍増加します。^{[22] [23]} 組み換えの増加は、欠陥のあるDNAポリメラーゼによる複製エラーによる可能性があり、それ自体がテンプレートスイッチ、すなわちコピー選択組み換えイベントなどの組み換えイベントです。^{[24]組み換えは、} DNAリガーゼ（gp30）^{[25] [23]}とdCMPヒドロキシメチラーゼ（gp42）^{[22] [23]}の発現を低下させる変異によっても増加します。これら2つの酵素はDNA合成に使用されます。

ヌクレアーゼ機能を持つタンパク質（gp46とgp47）^{[25] [23]}およびDNA結合タンパク質（gp32）^[23]をコードする遺伝子の変異により、組み換えが減少（連鎖が増加） します。バクテリオファージのuvsX遺伝子の変異も組み換えを大幅に減少させます。^[26] uvsX遺伝子は、組み換えにおいて中心的な役割を果たす、 よく研究されている大腸菌のrecA^{遺伝子に類似しています。 [27]}

非常に大規模な家系図や、全ゲノム配列解析などの非常に密集した遺伝子マーカーデータがあれば、組み換えを正確に特定することができます。このタイプの遺伝子解析では、家系図の各減数分裂について、ゲノムの各位置に減数分裂インジケーターが割り当てられます。インジケーターは、その位置で伝達された配偶子に寄与する親染色体のどのコピーかを示します。たとえば、親染色体の「最初の」コピーの対立遺伝子が伝達される場合、その減数分裂に「0」が割り当てられます。親染色体の「2 番目の」コピーの対立遺伝子が伝達される場合、その減数分裂に「1」が割り当てられます。親の 2 つの対立遺伝子は、それぞれ 2 人の祖父母から受け継がれました。これらのインジケーターは、次に同一遺伝 (IBD) 状態または遺伝状態を決定するために使用され、次に、疾患の原因となる遺伝子を特定するために使用されます。^{[引用が必要]}

• Griffiths AJF; Miller JH; Suzuki DT ; Lewontin RC; 他 (1993)。「第 5 章」。遺伝子解析入門(第 5 版)。ニューヨーク: WH Freeman and Company。ISBN 978-0-7167-2285-4。
• Poehlman JM; Sleper DA (1995)。「第 3 章」。Breeding Field Crops (第 4 版)。アイオワ州: アイオワ州立出版。ISBN 978-0-8138-2427-7。