生殖細胞変異

生殖系列変異、または生殖細胞変異は、生殖細胞（完全に発達すると精子と卵子になる細胞）内で検出可能な変異です。 ^{[1]これらの細胞の変異は、変異した}精子または卵母細胞が一緒になって接合子を形成するときに、子孫に受け継がれる唯一の変異です。^[2]この受精イベントが発生すると、生殖細胞は急速に分裂して体内のすべての細胞を生成するため、子孫の体細胞と生殖系列細胞すべてにこの変異が存在することになります。これは体質的変異とも呼ばれます。[ ^{2]生殖系列変異は}体細胞変異とは異なります。

生殖細胞系列の突然変異は、さまざまな内因性（内部）および外因性（外部）要因によって引き起こされ、受精卵の発達の過程で発生する可能性があります。^[3]生殖細胞でのみ発生する突然変異は、両親のどちらの遺伝子にも存在しない遺伝子疾患を持つ子孫を生み出す可能性があります。これは、突然変異が両親の体の他の部分には存在せず、生殖細胞系列にのみ存在するためです。^[3]

生殖細胞系列の突然変異は、受精前や受精卵の発達のさまざまな段階で発生する可能性があります。^[3]突然変異がいつ発生するかによって、子孫に与える影響が決まります。突然変異が発達前の精子または卵母細胞のいずれかで発生した場合、その突然変異は個体の体のすべての細胞に存在することになります。^[4]受精後すぐに発生するが、生殖細胞系列と体細胞が決定される前に発生する突然変異は、生殖細胞系列または体細胞に偏ることなく、個体の細胞の大部分に存在します。これはゴノソーム突然変異とも呼ばれます。^[4]受精卵の発達の後半に発生する突然変異は、体細胞または生殖細胞系列のどちらかの小さなサブセットに存在しますが、両方に発生することはありません。^{[3] [4]}

生殖細胞系列の変異は、細胞複製のエラーや酸化ダメージなどの内因性要因によって発生することが多い。 ^[5]このダメージは不完全に修復されることはめったにないが、生殖細胞分裂の速度が速いため、頻繁に発生する可能性がある。^[5]

内因性突然変異は、卵子よりも精子で顕著です。^[6]これは、精母細胞が男性の生涯を通じてより多くの細胞分裂を経るため、DNA 突然変異につながる複製サイクルが増えるためです。^[5]母親の卵子にもエラーは発生しますが、父親の精子よりも低い割合です。^[5]発生する突然変異の種類も男女で異なる傾向があります。^[7]母親の卵子は、生産後、排卵に利用されるまで静止状態のままです。この長い静止期間は、染色体および大規模な配列の欠失、重複、挿入、および転座の数の増加につながることが示されています。^[7]一方、父親の精子は生涯を通じて継続的に複製されるため、複製エラーによって多くの小さな点突然変異が発生します。これらの突然変異には、通常、1 つの塩基対の置換、欠失、および挿入が含まれます。^[6]

酸化ダメージは、生殖細胞系列の突然変異を引き起こす可能性があるもう 1 つの内因性因子です。このタイプのダメージは、細胞呼吸の副産物として細胞内に蓄積する活性酸素種によって引き起こされます。^[8]これらの活性酸素種は電子が不足しており、非常に電気陰性度が高い(電子を引き寄せる力が強い) ため、他の分子から電子を奪い取ります。^[8]これにより、核酸のグアニンが 8-オキソグアニン (8-oxoG) に変化するため、DNA 損傷が開始されます。この 8-oxoG 分子は、複製中にDNA ポリメラーゼによってチミンと誤認され、一方の DNA 鎖で G>T転座、もう一方の鎖で C>A 転座を引き起こします。^[9]

マウスとヒトでは、雄性生殖細胞系列の自然突然変異率は体細胞よりも大幅に低い。^[10] さらに、雄性生殖細胞系列の自然突然変異率は加齢とともに増加するが、増加率は体細胞組織よりも低い。精巣精原幹細胞集団内では、 DNAの完全性は、非常に効果的なDNA損傷監視と保護的DNA修復プロセスによって維持されていると思われる。^{[10]雄性生殖細胞系列の突然変異率が加齢とともに徐々に増加するのは、DNA損傷の修復精度の低下、または}DNA複製エラー の増加の結果である可能性がある。精子形成が完了すると、形成された分化精子はDNA修復能力を持たなくなり、酸化DNA損傷を引き起こす一般的な酸化フリーラジカルの攻撃を受けやすくなる。このように損傷した精子は、プログラム細胞死（アポトーシス）を起こす可能性がある。^[10]

生殖細胞系列の突然変異は外因性要因によっても起こる可能性がある。体細胞変異と同様に、生殖細胞系列の突然変異は、生殖細胞のDNAを損傷する有害物質への曝露によって引き起こされる可能性がある。この損傷はその後、完全に修復されて突然変異は発生しないか、不完全に修復されてさまざまな突然変異が発生する。^[11]外因性変異原には有害な化学物質や電離放射線が含まれる。生殖細胞系列の突然変異と体細胞変異の主な違いは、生殖細胞は紫外線にさらされないため、このように直接突然変異することはあまりないという点である。^{[12] [13]}

生殖細胞系列の変異は、ゲノムの残りの部分に応じて、個人に異なる影響を及ぼす可能性があります。優性変異では、疾患表現型を生み出すのに単一の変異遺伝子のみが必要ですが、劣性変異では、疾患表現型を生み出すのに両方の対立遺伝子が変異している必要があります。 ^[14]たとえば、胎児が父親からすでに変異した対立遺伝子を受け継ぎ、母親からの同じ対立遺伝子が内因性変異を起こした場合、片方の親だけが変異対立遺伝子を持っている場合でも、子供はその変異遺伝子に関連する疾患を発症します。^[14]これは、変異遺伝子を片方の親だけが持っている場合に、子供が劣性疾患を発症する可能性がある一例にすぎません。^{[14]特定の疾患では、血液サンプルや超音波、}羊水穿刺などの侵襲的処置によって子宮内で染色体異常を検出できます。その後、ゲノムスクリーニングによって検出されます。

腫瘍抑制遺伝子またはプロトオンコゲンの変異は、個人が腫瘍を発症する素因となる可能性がある。^[15]遺伝性の遺伝子変異は、がんの5～10％に関係していると推定されている。^{[16]これらの変異により、}がん遺伝子のもう一方のコピーがランダムに変異した場合、個人は腫瘍を発症しやすくなる。これらの変異は生殖細胞で発生する可能性があり、遺伝性となる可能性がある。 ^[15] TP53の生殖細胞系列変異を受け継いだ個人は、この遺伝子によって生成されるタンパク質が腫瘍を抑制するため、特定のがん変異にかかりやすい。この変異を持つ患者は、リ・フラウメニ症候群のリスクもある。^[16]他の例としては、乳がんや卵巣がんにかかりやすいBRCA1およびBRCA2遺伝子の変異、または遺伝性非ポリポーシス大腸がんにかかりやすいMLH1遺伝子の変異が挙げられる。

ハンチントン病は、HTT遺伝子の常染色体優性変異である。この疾患は脳の劣化を引き起こし、制御不能な運動や行動を引き起こす。^[17]この変異はハンチントンタンパク質の反復配列の拡大を伴い、サイズが大きくなる。40回以上の反復配列を持つ患者は、おそらく罹患する。病気の発症は、変異に存在する反復配列の数によって決まり、反復配列の数が多いほど、病気の症状が早く現れる。^{[17] [18]}変異は優性であるため、病気が発症するには、変異した対立遺伝子が1つあればよい。つまり、片方の親が罹患している場合、子供が病気を受け継ぐ可能性は50％である。^{[19]この病気には保因者がいない。患者が1つの変異を持っていれば、（おそらく）罹患するからである。この病気は通常、発症が遅いため、多くの親は、自分が変異を持っていることを知る前に子供をもうけている。HTT変異は、}ゲノムスクリーニングによって検出できる。

21トリソミー（ダウン症候群とも呼ばれる）は、子供が21番染色体のコピーを3つ持つことで起こります。^[20]この染色体の重複は生殖細胞の形成中に起こり、21番染色体の両方のコピーが母親または父親の同じ娘細胞に入り、この変異した生殖細胞が受精に関与します。 ^[20]これが起こるもう1つのより一般的な方法は、受精卵の形成後の最初の細胞分裂イベント中です。^[20] 21トリソミーのリスクは母親の年齢とともに増加し、20歳では1/2000（0.05％）ですが、40歳では1/100（1％）に増加します。^[21]この病気は、出生前に非侵襲的および侵襲的な手順で検出できます。非侵襲的手順には、血液サンプルを介して母親の血漿をスキャンすることが含まれます。[ ^22]

嚢胞性線維症は常染色体劣性疾患で、さまざまな症状や合併症を引き起こします。最も一般的な症状は、不適切な塩分交換による肺上皮組織の粘膜の厚い層ですが、膵臓、腸、肝臓、腎臓にも影響を及ぼす可能性があります。^{[23] [24]}この疾患の遺伝性のため、多くの身体プロセスが影響を受ける可能性があります。疾患が精子と卵子の両方のDNAに存在する場合、身体の基本的にすべての細胞と臓器に存在することになります。これらの変異は、最初は生殖細胞で発生するか、すべての親細胞に存在する可能性があります。^[23]この疾患で見られる最も一般的な変異はΔF508で、508番目のアミノ酸の欠失を意味します。^[25]両親が変異したCFTR（嚢胞性線維症膜コンダクタンス制御因子）タンパク質を持っている場合、その子供が病気を受け継ぐ可能性は25％です。^[23]子供がCFTRの変異コピーを1つ持っている場合、病気を発症することはありませんが、病気のキャリアになります。^[23]変異は、出生前に羊水穿刺で、または出生前に遺伝子スクリーニングで検出できます。^[26]

メンデル遺伝病の多くは、遺伝子内の優性点突然変異に起因しており、嚢胞性線維症、β-サラセミア、鎌状赤血球貧血、テイ・サックス病などがある。^[14]疾患の原因となる点突然変異の周囲の配列に二本鎖切断を誘発することで、分裂細胞は変異していない鎖をテンプレートとして使用し、新たに切断されたDNA鎖を修復して、疾患の原因となる突然変異を取り除くことができる。^[27]ゲノム編集、特に生殖細胞や発達中の受精卵における生殖系列変異編集には、さまざまなゲノム編集技術が使用されてきたが、これらの治療法は広範に研究されているものの、ヒトの生殖系列編集への使用は限られている。^[28]

この編集システムは、ガイドRNAとエフェクタータンパク質Cas9を使用して、特定の標的配列でDNAバックボーンを切断し、DNAの二本鎖切断を誘発します。^[27]このシステムは、切断される部位を囲むDNAセクションと相同（相補）配列を含むCas9タンパク質により、TALENやZFNよりも高い特異性を示しています。^[27] この切断された鎖は、主に2つの方法で修復できます。テンプレートとして使用されるDNA鎖（相同またはドナー）が存在する場合は相同誘導修復（HDR）で修復され、存在しない場合は、配列は非相同末端結合（NHEJ）されます。^[27] NHEJでは、平滑鎖末端の処理により、目的の遺伝子内で挿入または欠失が発生することが多く、実験室環境で遺伝子ノックアウトを研究する方法です。 [ ^{29]この方法は、}姉妹染色体をテンプレートとして使用したり、CRISPR / Cas9機構を備えた二本鎖DNAテンプレートを修復テンプレートとして使用したりすることで、点突然変異を修復するために使用できます。 ^[27]

この方法はヒトと動物モデル（ショウジョウバエ、ハツカネズミ、シロイヌナズナ）の両方で使用されており、現在の研究では、このシステムをより特異的にしてオフターゲット切断部位を最小限に抑えることに重点が置かれています。^[30]

TALEN （転写活性化因子様エフェクターヌクレアーゼ）ゲノム編集システムは、ゲノム内の特定の遺伝子座で二本鎖DNA切断を誘発するために使用され、その後、DNA配列を変異または修復するために使用できます。^[31]これは、33〜34アミノ酸の長さの特定のアミノ酸反復配列を使用して機能します。^[31] DNA結合部位の特異性は、このタンデムリピートの12番目と13番目の位置にある特定のアミノ酸（反復可変二残基（RVD）とも呼ばれる）によって決定され、一部のRVDは他のRVDよりも特定のアミノ酸に対して高い特異性を示します。^[32] DNA切断が開始されると、両端は変異を誘発するNHEJまたは変異を修復できるHDRで結合されます。^[27]

TALENと同様に、ジンクフィンガーヌクレアーゼ（ZFN）は、ゲノム内の特定の遺伝子座でDNAの二本鎖切断を作成するために使用されます。^[31] ZFN編集複合体は、ジンクフィンガータンパク質（ZFP）と制限酵素切断ドメインで構成されています。^{[33] ZNPドメインを変更して、}制限酵素が切断するDNA配列を変更でき、この切断イベントは、CRISPR / Cas9 DNA編集と同様に、細胞修復プロセスを開始します。^[33]

CRISPR/Cas9と比較すると、各ZFNを目的の配列に特異的にするためには広範なエンジニアリングが必要となるため、この技術の治療への応用は限られています。^[33]

• 体細胞突然変異
• ゲノム編集