遺伝子組み換え

遺伝子組み換え（遺伝子再シャッフリングとも呼ばれる）は、異なる生物間での遺伝物質の交換であり、親とは異なる形質の組み合わせを持つ子孫を生み出す。真核生物では、減数分裂中の遺伝子組み換えによって、親から子孫にさらに受け継がれる新しい遺伝情報セットが生成される。ほとんどの組み換えは自然に発生し、2 つのタイプに分類できる。(1)染色体間組み換え。異なるが相同な染色体上にある対立遺伝子の独立した組み合わせによって発生する（減数分裂 I における相同染色体のペアのランダムな方向付け）。(2)染色体間組み換え。交差によって発生する。^[1]

真核生物の減数分裂中、遺伝子組み換えには相同染色体の対合が伴います。その後、染色体間での情報伝達が起こります。情報伝達は物理的な交換なしに起こる場合（遺伝物質の一部が染色体間でコピーされ、提供染色体は変化しない）（図の SDSA – 合成依存鎖アニーリング経路を参照）もあれば、DNA鎖の切断と再結合によって起こる場合もあり、これにより新しい DNA 分子が形成されます（図の DHJ 経路を参照）。

真核生物の有糸分裂中に組換えが起こることもあり、通常は染色体複製後に形成される 2 つの姉妹染色体が関与します。この場合、姉妹染色体は通常同一であるため、対立遺伝子の新しい組み合わせは生成されません。減数分裂と有糸分裂では、組換えは類似のDNA分子(相同配列) 間で起こります。減数分裂では、姉妹ではない相同染色体が互いに対になるため、特徴的に、姉妹ではない相同染色体間で組換えが起こります。減数分裂細胞と有糸分裂細胞の両方において、相同染色体間の組換えはDNA 修復で使用される一般的なメカニズムです。

遺伝子変換- 相同配列を同一にするプロセスも遺伝子組み換えに含まれます。

遺伝子組み換えと組み換えDNA 修復は、無性生殖を行う細菌や古細菌でも起こります。

組み換えは実験室（ in vitro）環境で人工的に誘発することができ、ワクチン開発などの目的で組み換え DNA を生成します。

適応免疫システムを持つ生物におけるV(D)J 組換えは、免疫細胞が急速に多様化し、新しい病原体を認識して適応するのを助ける、部位特異的な遺伝子組換えの一種です。

減数分裂中、通常は遺伝子組み換えの前にシナプシス（相同染色体の対合）が起こります。

遺伝子組み換えは、多くの異なる酵素によって触媒されます。組み換え酵素は、組み換え中の鎖移動段階を触媒する重要な酵素です。大腸菌に見られる主要な組み換え酵素であるRecA は、DNA 二本鎖切断( DSB) の修復を担っています。酵母やその他の真核生物には、DSB の修復に必要な 2 つの組み換え酵素があります。RAD51タンパク質は有糸分裂および減数分裂組み換えに必要ですが、DNA 修復タンパク質DMC1は減数分裂組み換えに特有です。古細菌では、細菌 RecA タンパク質の相同遺伝子はRadA です。

細菌は主に次の 3 つの方法で定期的に遺伝子組み換えを起こします。

• 形質転換、つまり周囲の環境から外来 DNA を取り込むこと。
• 形質導入、細菌間でのウイルスを介した DNA の伝達。
• 接合とは、細胞同士の接触によって細菌から細菌へDNAが伝達されることである。^{[2] [3] [4] [5]}

場合によっては、DNA鎖が標的細胞に転送されても、標的細胞が分裂しても複製されないことがあります。これを不完全転送と呼びます。

真核生物では、減数分裂中の組み換えは染色体の交差によって促進される。交差プロセスにより、子孫は親とは異なる遺伝子の組み合わせを持ち、時には新しいキメラ対立 遺伝子が生成される。^[要出典]遺伝子組み換えによってもたらされる遺伝子のシャッフルにより、遺伝的変異が増加する。また、有性生殖生物はミュラーのラチェットを回避することができる。ミュラーのラチェットでは、無性生殖個体群のゲノムは時間の経過とともに有益な突然変異や可逆的な突然変異よりも有害な突然変異を蓄積する傾向がある。^[要出典]

染色体の交差は、両親から受け継いだ一対の染色体間の組み換えを伴い、通常は減数分裂中に起こる。^[要出典]前期I（パキテン期）では、利用可能な4つの染色分体が互いに密接な形成状態にある。^[要出典]この形成中、 2つの染色分体上の相同部位は互いに密接に対合することができ、遺伝情報を交換する可能性がある。^[3]

染色体上のどの位置でも組み換えが起こる可能性はわずかであるため、2 つの位置間の組み換え頻度はそれらの位置を隔てる距離に依存します。 ^{[引用が必要]}したがって、同じ染色体上の十分に離れた遺伝子の場合、交差の量は対立遺伝子間の相関関係を破壊するのに十分高くなります。^{[引用が必要]}

遺伝子の交差による動きを追跡することは、遺伝学者にとって非常に有用であることが証明されている。近接する 2 つの遺伝子は、離れた遺伝子よりも分離する可能性が低いため、遺伝学者は交差の頻度がわかれば、染色体上で 2 つの遺伝子がどの程度離れているかを大まかに推測することができる。^[要出典]遺伝学者はこの方法を使用して、特定の遺伝子の存在を推測することもできる。組み換え中に一緒にいる遺伝子は、連鎖していると言われる。連鎖している遺伝子の 1 つは、他の遺伝子の存在を推測するためのマーカーとして使用されることがある。これは通常、疾患の原因となる遺伝子の存在を検出するために使用される。^[6]

観察された2つの遺伝子座間の組換え頻度は交差値です。これは、 2つの連鎖した遺伝子座（マーカー）間の交差頻度であり、観察された遺伝子座間の距離に依存します。遺伝的条件と環境的条件の任意の固定セットでは、連鎖構造（染色体）の特定の領域における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。^{[5] [7]}

遺伝子変換では、遺伝物質の一部が、提供元の染色体を変更することなく、ある染色体から別の染色体へコピーされます。遺伝子変換は、減数分裂中の組み換えイベントの実際の現場で高頻度に発生します。これは、DNA配列が1つのDNAヘリックス（変更されない）から別のDNAヘリックスにコピーされ、その配列が変更されるプロセスです。遺伝子変換は、個々の減数分裂の4つの産物を簡単に観察できる真菌の交配で研究されることがよくあります^[8]。遺伝子変換イベントは、個々の減数分裂における通常の2：2分離パターンからの逸脱（たとえば、3：1パターン）として区別できます。

組み換えは、配列相同性のない DNA 配列間で発生する可能性があります。これにより染色体転座が起こり、がんを引き起こすこともあります。

免疫系のB 細胞は、免疫グロブリンクラススイッチと呼ばれる遺伝子組み換えを実行します。これは、抗体をあるクラスから別のクラスに、たとえば IgM と呼ばれるアイソタイプから IgG と呼ばれるアイソタイプに変化させる生物学的メカニズムです。

遺伝子工学において、組み換えは、異なる生物由来の DNA の断片を人工的に意図的に組み換えることも指し、組み換え DNAと呼ばれるものを作成します。遺伝子組み換えのこのような使用法の代表的な例は、生物の遺伝子を追加、削除、または変更するために使用できる遺伝子ターゲティングです。この技術は、特定の遺伝子の影響を研究できるため、生物医学研究者にとって重要です。遺伝子組み換えに基づく技術は、生物学的に興味深い新しいタンパク質を開発するため のタンパク質工学にも適用されています。

例としては、制限酵素による組み込み、ギブソンアセンブリ、ゴールデンゲートクローニングなどが挙げられます。

様々な外因性因子（例：紫外線、X線、化学架橋剤）によって引き起こされるDNA損傷は、相同組換え修復（HRR）によって修復できます。^{[9] [10]} これらの知見は、正常な代謝の副産物である活性酸素種への曝露など、自然プロセスから生じるDNA損傷もHRRによって修復されることを示唆しています。ヒトでは、減数分裂中のHRRに必要な遺伝子産物の欠損が不妊症を引き起こす可能性があります。 ^{[11]ヒトでは、} BRCA1やBRCA2 などのHRRに必要な遺伝子産物の欠損は、癌のリスクを高めます（DNA修復不全症を参照）。

細菌において、形質転換は、通常、同じ細菌種の個々の細胞間で起こる遺伝子伝達のプロセスです。形質転換には、ドナーDNAが組み換えによって受容体染色体に組み込まれることが含まれます。このプロセスは、受容体染色体のDNA損傷をHRRによって修復するための適応であると思われます。^[12] 形質転換は、特に宿主の感染に関連する炎症性酸化環境で発生するDNA損傷の修復を可能にすることで、病原性細菌に利益をもたらす可能性があります。

致死的なゲノム損傷を持つ2つ以上のウイルスが同じ宿主細胞に感染すると、ウイルスのゲノムは互いにペアになり、HRRを経て生存可能な子孫を生み出すことがよくあります。このプロセスは多重性再活性化と呼ばれ、ラムダバクテリオファージやT4バクテリオファージ^[13]、およびいくつかの病原性ウイルスで研究されています。病原性ウイルスの場合、多重性再活性化は、宿主感染中に生成される酸化環境への曝露によって引き起こされるDNA損傷の修復を可能にするため、ウイルスにとって適応上の利点である可能性があります。^[12]再集合も参照してください。

^{アンダーソンとセケルスキー[14]}が提示した減数分裂組換えのメカニズムの分子モデルは、この記事の最初の図に概説されています。減数分裂の初期（前期 I）に存在する 4 つの染色分体のうち 2 つは互いに対になって相互作用することができます。このモデルでは、組換えは、図の上部にある DNA 分子（染色分体）に示されている二重鎖切断（またはギャップ）によって開始されます。他の種類の DNA 損傷によっても組換えが開始される場合があります。たとえば、鎖間​​架橋（マイトマイシン C などの架橋剤への曝露によって引き起こされる）は HRR によって修復できます。

2 種類の組み換え産物が生成されます。右側は、染色体の隣接領域が交換される「クロスオーバー」(CO) タイプで、左側は、隣接領域が交換されない「非クロスオーバー」(NCO) タイプです。CO タイプの組み換えでは、図の右下に 2 つの X 字型構造で示される 2 つの「ホリデイ ジャンクション」が中間的に形成され、それぞれのホリデイ ジャンクションで、関与する 2 つの染色分体間で 1 本の鎖が交換されます。この経路は、図では DHJ (ダブル ホリデイ ジャンクション) 経路として示されています。

NCO 組み換え体 (図の左側に図示) は、「合成依存鎖アニーリング」(SDSA) と呼ばれるプロセスによって生成されます。NCO/SDSA タイプの組み換えイベントは、CO/DHJ タイプよりも一般的であるようです。^[15] NCO/SDSA 経路は、組み換えイベントの両側にある染色体の腕が親の構成のままであるため、遺伝的変異にはほとんど寄与しません。したがって、交差のみに焦点を当てた減数分裂の適応機能の説明は、組み換えイベントの大部分を説明するには不十分です。

無染色体分離とは、常染色体組換えが種の一方の性別で完全に欠如している現象である。無染色体分離は、オスのキイロショウジョウバエでよく記録されている。「ハルデン・ハクスリーの法則」によれば、無染色体分離は通常、異配偶子性の性別で発生する。 ^[16]

異形性は、種の性別によって組換え率が異なる場合に発生します。 ^[16]ヒトの場合、卵母細胞1個あたりの平均組換え数は41.6 ± 11.3回で、精子よりも1.63倍多くなっています。この組換え率の性的二形性パターンは、多くの種で観察されています。哺乳類では、ほとんどの場合、雌の方が組換え率が高いです。 ^[17]

多くのRNAウイルスは、少なくとも2つのウイルスゲノムが同じ宿主細胞内に存在する場合、遺伝子組み換えが可能です。^{[18] [19]}組み換えは、RNAウイルスの多様性と免疫回避に大きく関与しています。^{[20] RNA組み換えは、}ピコルナウイルス科（（+）ssRNA ）（例：ポリオウイルス）におけるゲノム構造とウイルス進化の過程を決定する主要な原動力であると思われます。^[21]レトロウイルス科（ （ +） ssRNA）（例：HIV ） では、逆転写中にRNAゲノムの損傷が、組み換えの一形態である鎖スイッチングによって回避されるようです。 ^{[22] [23]}

組換えは、レオウイルス科(dsRNA) (レオウイルスなど)、オルトミクソウイルス科((-)ssRNA) (インフルエンザウイルスなど) ^[23]、コロナウイルス科((+)ssRNA) ( SARSなど)でも起こります。^{[24] [25]}

RNAウイルスにおける組み換えは、ゲノム損傷に対処するための適応であると思われる。^[18] ゲノム複製中にテンプレート鎖を切り替えることは、コピー選択組み換えと呼ばれ、もともとDNAゲノムを持つ生物における短距離での組み換えイベントの正の相関を説明するために提案された（最初の図、SDSA経路を参照）。^[26]

組み換えは、同じ種でありながら異なる系統の動物ウイルス間で稀に発生することがあります。その結果生じた組み換えウイルスは、ヒトに感染を引き起こすことがあります。^[24]

特にコロナウイルスでは、テンプレートスイッチングによって形成されるサブゲノムmRNAを含む特徴的な転写機構により、遠縁の進化グループ（亜属）間でも組換えが起こる可能性がある。^{[27] [25]}

ポリオウイルスRNA依存性RNAポリメラーゼ（RdRp）は、 （ +）ssRNAゲノムを複製する際に組換えを行うことができる。組換えは、マイナス鎖合成中にRdRpが（+）ssRNAテンプレートを切り替えるコピー選択メカニズムによって起こると思われる。^{[28] RdRp鎖スイッチングによる組換えは、（+）ssRNA植物}カルモウイルスとトンブスウイルス でも起こる。^[29]

組み換えはコロナウイルス内の遺伝的変異性を決定する主要な原動力であると思われるが、コロナウイルス種が宿主から別の宿主へ移動する能力、そして稀に新種の出現にも影響を及ぼしているが、組み換えのメカニズムは不明である。^[24]

2020年初頭、オーストラリアのSARS‐CoV‐2分離株のゲノム配列の多くにはs2mに欠失または変異（29742G>Aまたは29742G>U、「G19A」または「G19U」）があり、このRNA要素でRNA組換えが起こった可能性があることを示唆しています。29742G（「G19」）、29744G（「G21」）、および29751G（「G28」）は、組換えのホットスポットとして予測されていました。^[30] COVID-19パンデミックの最初の数か月間、このような組換えイベントは、SARS-CoV-2のヒトへの感染能力の進化における重要なステップであったことが示唆されました。^[31] 連鎖不平衡解析により、11083G>T変異によるRNA組換えも、ウイルスの子孫における変異の増加に寄与していることが確認されました。この研究結果は、SARS-CoV-2の11083G>T変異がダイヤモンドプリンセス号の船上検疫中に広がり、正の選択圧下でのRNAの新規組換えによって生じたことを示している。ダイヤモンドプリンセス号クルーズの患者3名では、SARS-CoV-2のコロナウイルス3'ステムループII様モチーフ（s2m）に2つの変異、29736G>Tと29751G>T（G13とG28）が位置していた。s2mは多くのコロナウイルス種の3'非翻訳領域で高度に保存されているRNAモチーフであると考えられているが、この結果はSARS-CoV-2のs2mがRNA組換え/変異のホットスポットであることを示唆している。^[32]

SARS-CoV-2の受容体結合モチーフ全体は、予備的な観察に基づくと、センザンコウのコロナウイルスからの組換えによって導入されたように見えた。^[33] しかし、その後のより包括的な分析によりこの示唆は否定され、SARS-CoV-2はコウモリ内でのみ進化し、組換えはほとんどまたは全く起こらなかったことが示された。^{[34] [35]}

NowakとOhtsuki ^[36]は、生命の起源（アビオジェネシス）は生物進化の起源でもあると指摘した。彼らは、地球上の既知の生命はすべてバイオポリマーに基づいていることを指摘し、生命の起源に関するいかなる理論も、情報伝達体および触媒として機能する生物学的ポリマーを含まなければならないと提案した。Lehman ^[37]は、組換えは生命の起源と同じくらい古い進化的発達であると主張した。Smailら^{[38]は、原始地球では、組換えが生命の前駆物質であった当初は短かった情報ポリマー（} RNAであると推定される）の拡大に重要な役割を果たしたと提案した。

• 真核生物ハイブリッドゲノム
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• アニメーション – 相同組換え: 相同組換えのいくつかのモデルを示すアニメーション
• 遺伝子組み換えのホリデイモデル
• 米国国立医学図書館医学件名表(MeSH)における遺伝子+組み換え
• 相同組換えのアニメーションガイド。

 この記事には、Science Primerのパブリック ドメイン マテリアルが組み込まれています。NCBI。2009年 12 月 8 日にオリジナルからアーカイブされました。