生殖細胞系列

生物学と遺伝学において、生殖系列とは、生殖細胞に発達する多細胞生物の細胞の集団である。言い換えれば、それらは配偶子（卵子と精子）を形成する細胞であり、それらが一緒になって接合子を形成することができる。それらは生殖腺において始原生殖細胞から配偶子原細胞に分化し、配偶子原細胞は配偶子母細胞に発達し、配偶子原細胞は最終的な配偶子に発達する。^[1]このプロセスは配偶子形成として知られている。

生殖細胞は有性生殖のプロセスを通じて遺伝物質を伝えます。これには受精、組み換え、減数分裂が含まれます。これらのプロセスは子孫の遺伝的多様性を高めるのに役立ちます。^[2]

特定の生物は、無融合生殖、単為生殖、自殖、クローニングなどのプロセスを通じて無性生殖する。^{[3] [4]}無融合生殖と単為生殖はどちらも受精なしの胚の発達を指す。前者は典型的には植物の種子で発生し、後者は線虫、爬虫類、鳥類、魚類の特定の種で見られる傾向がある。^{[5] [6]}自殖は植物の自家受粉を説明するために使用される用語である。^[7]クローニングは遺伝的に同一の細胞または生物を作成するために使用される技術である。^[8]

有性生殖生物では、生殖細胞系列にない細胞は体細胞と呼ばれる。この定義によれば、生殖細胞系列における突然変異、組み換え、その他の遺伝的変化は子孫に受け継がれるが、体細胞における変化は受け継がれない。^{[9]これは、}海綿動物の一部^[10]や多くの植物など、体細胞生殖生物には必ずしも当てはまらない。例えば、柑橘類の多くの品種^[11]、バラ科の植物、タンポポ科などのキク科の一部は、体細胞二倍体細胞が胚珠または初期胚に取って代わることで無融合生殖的に種子を生成する。^[12]

遺伝学の考え方の初期段階では、生殖細胞と体細胞の間には明確な区別がありました。例えば、アウグスト・ワイスマンは、生殖細胞は生命の始まり以来無期限に再生を続けてきた系統の一部であり、事故がない限り無期限に再生を続けることができるという意味で不死であると提唱し、指摘しました。^[13]しかし、体細胞と生殖細胞のこの区別は部分的に人為的であり、特定の状況やテロメアなどの細胞内部のメカニズム、生殖細胞、幹細胞などへのテロメラーゼの選択的適用などの制御に依存していることが、現在ではある程度詳細にわかっています。 [ 14 ^]

すべての多細胞生物が体細胞と生殖細胞に分化するわけではないが^[15]、人間の専門的な技術的介入がなければ、最も単純な多細胞構造を除いて実質的にすべての多細胞生物が分化する。そのような生物では、体細胞は実質的に全能性を持つ傾向があり、1世紀以上にわたって海綿細胞はふるいにかけられて分離された後、新しい海綿に再構成されることが知られている^{[10] 。}

生殖細胞系列は、多くの世代の個体にまたがる細胞系譜を指すことがあります。たとえば、すべての植物と動物の祖先である仮想的な最後の普遍的共通祖先に、生きているあらゆる個体を結び付ける生殖細胞系列などです。

植物や、海綿動物（海綿動物）やサンゴ（花虫綱）などの基底後生動物は、明確な生殖細胞系列を隔離せず、多能性幹細胞系統から配偶子を生成し、その配偶子は通常の体細胞組織も生じさせる。したがって、生殖細胞系列隔離は、洗練された体制を持つ複雑な動物、すなわち左右相称動物で最初に進化した可能性が高い。生殖細胞系列と体細胞の厳密な区別の起源については、いくつかの説がある。胚発生の初期に孤立した生殖細胞集団を別にしておくと、複雑な多細胞生物の体細胞間の協力が促進される可能性がある。^[16]最近の別の説では、エネルギー要求が高く、ミトコンドリア変異率が速い複雑な生物において、早期の生殖細胞系列隔離は、ミトコンドリア遺伝子の有害な変異の蓄積を制限するために進化したと示唆している。^[15]

活性酸素種（ROS）は代謝の副産物として生成される。生殖細胞では、ROSはDNA損傷の大きな原因である可能性が高く、DNA複製時に突然変異を引き起こす。 グアニンの酸化誘導体である8-オキソグアニンは、マウスの生殖細胞で自然酸化によって生成され、細胞のDNA複製中にGCからTAへの転座突然変異を引き起こす。^{[17]このような突然変異は、マウスの}染色体全体と配偶子形成のさまざまな段階で 発生する。

配偶子形成のさまざまな段階にある細胞の突然変異頻度は、精子形成^[18]と卵子形成^[19]の両方において、体細胞よりも約5〜10倍低い。体細胞と比較して生殖細胞での突然変異頻度が低いのは、生殖細胞減数分裂中のDNA損傷、特に相同組換え修復の 効率が高いためと思われる。^[20] ヒトでは、生存している子孫の約5％に遺伝性疾患があり、そのうち約20％は新たに生じた生殖細胞突然変異によるものである。^[18]

DNA のエピジェネティックな変化には、遺伝子発現に影響を与えるが、DNA の塩基配列の変化によって引き起こされない変更が含まれる。よく研究されているそのような変化の例として、DNA シトシンがメチル化されて5-メチルシトシンが形成されることが挙げられる。これは通常、DNA 配列CpGで発生し、 CpG 部位の DNA が CpG から 5-mCpG に変化する。遺伝子のプロモーター領域にある CpG 部位のシトシンがメチル化されると、遺伝子発現が減少または抑制される可能性がある。^[21] ヒトゲノムには約 2,800 万個の CpG ジヌクレオチドが存在し、^[22]マウスゲノムには約 2,400 万個の CpG 部位が存在する（マウスゲノムはヒトゲノムの 86% の大きさである^[23]）。哺乳類のほとんどの組織では、平均して CpG シトシンの 70% ～ 80% がメチル化されている（5-mCpG を形成）。^[24]

マウスでは、卵子が精子と受精してから6.25～7.25日目までに、胚の細胞は始原生殖細胞（PGC）として保存されます。これらのPGCは後に生殖系列の精子細胞または卵子細胞を生み出します。この時点で、PGCは典型的に高いメチル化レベルを持っています。その後、マウスの始原生殖細胞はゲノム全体のDNA脱メチル化を受け、その後、エピゲノムをリセットして卵子または精子を形成するために新たなメチル化が起こります。 ^[25]

マウスでは、PGC は 2 段階で DNA 脱メチル化を受ける。最初の段階は胎生 8.5 日頃から始まり、PGC の増殖と移動中に発生し、ほぼすべてのゲノム配列を含むゲノム全体のメチル化喪失を引き起こす。このメチル化喪失は、メチル化機構の主要構成要素の抑制による受動的な脱メチル化によって発生する。^[25] 2 番目の段階は胎生 9.5 日から 13.5 日の間に発生し、生殖細胞系列特異的遺伝子と減数分裂特異的遺伝子を含む、残りのほとんどの特定の遺伝子座の脱メチル化を引き起こす。この 2 番目の段階の脱メチル化はTET 酵素TET1 と TET2 によって媒介され、胎生 9.5 日から 10.5 日の間に5-mC を5-ヒドロキシメチルシトシン(5-hmC)に変換することで脱メチル化の最初のステップを実行する。これに続いて、胚発生11.5日目から13.5日目にかけて複製依存性希釈が起こる可能性が高い。^[26] 胚発生13.5日目には、PGCゲノムはライフサイクル中の全細胞の中で最も低いレベルのDNAメチル化を示す。^[25]

マウスでは、ほとんどの遺伝子が脱メチル化される胎生9.5日から13.5日までのPGCで差次的に発現する遺伝子の大部分が、雄と雌の両方のPGCでアップレギュレーションされる。^[26]

マウスPGCのDNAメチル化マークが消去された後、雄と雌の生殖細胞は配偶子形成の異なる時点で新たなメチル化を受ける。雄の生殖細胞は、発達中の生殖腺で有糸分裂の拡大を受けながら、胎生14.5日目までに再メチル化プロセスを開始する。精子特異的なメチル化パターンは、有糸分裂の拡大中維持される。出生前の一次卵母細胞におけるDNAメチル化レベルは低いままであり、出生後の卵母細胞の成長段階で再メチル化が起こる。^[25]

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