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相同染色体またはホモログとは、減数分裂中に細胞内で互いに対合する、母方と父方の染色体のセットのことです。ホモログは同じ遺伝子座に同じ遺伝子を持ち、減数分裂中に分離する前に染色体ペアが正しく整列できるように、各染色体上のポイントを提供します。[ 1 ]これはメンデル遺伝の基礎であり、特定の時間と領域における生物からその子孫の親発生細胞への遺伝物質の遺伝パターンを特徴づけます。 [ 2 ]
染色体は、凝縮したデオキシリボ核酸（DNA）とヒストンタンパク質が線状に配列したもので、クロマチンと呼ばれる複合体を形成します。[ 2 ]相同染色体は、ほぼ同じ長さ、セントロメアの位置、染色パターンを持つ染色体対で構成され、対応する遺伝子座が同じです。一方の相同染色体は生物の母親から受け継がれ、もう一方は生物の父親から受け継がれます。娘細胞内で減数分裂が起こると、両親の遺伝子が混ざった正しい数の遺伝子を持つことになります。二倍体（2n）生物では、ゲノムは各相同染色体対の1セットで構成されていますが、四倍体生物では各相同染色体対の2セットを持つ場合があります。相同染色体上の対立遺伝子が異なる場合があり、同じ遺伝子でも異なる表現型が生じる可能性があります。母方と父方の形質の混合は、減数分裂中の交叉によって促進される。交叉では、相同染色体対内の染色体腕の長さとそれらに含まれるDNAが互いに交換される。[ 3 ]
1900 年代初頭、ウィリアム・ベイツソンとレジナルド・パネットは遺伝的継承を研究しており、対立遺伝子の組み合わせによっては他の組み合わせよりも頻繁に現れるものがあることに気づきました。このデータと情報はトーマス・モーガンによってさらに詳しく調べられました。彼は検定交配実験を用いて、単一の親の場合、染色体の長さに沿って互いに近い遺伝子の対立遺伝子が一緒に移動することを明らかにしました。この論理を用いて、彼は研究していた 2 つの遺伝子が相同染色体上に位置すると結論付けました。その後、1930 年代には、ハリエット・クレイトンとバーバラ・マクリントックがトウモロコシ細胞の減数分裂を研究し、トウモロコシ染色体上の遺伝子座を調べていました。[ 2 ]クレイトンとマクリントックは、子孫に存在する新しい対立遺伝子の組み合わせと交叉の事象が直接関連していることを発見しました。[ 2 ]これは染色体間遺伝子組換えを証明しました。[ 2 ]
相同染色体とは、二倍体生物において遺伝子が類似しているが、必ずしも同一ではない染色体のペアのことである。[ 4 ]相同染色体には主に2つの特性がある。1) 染色体腕の長さ、2) セントロメアの位置である。[ 5 ]
遺伝子の位置に応じた腕の実際の長さは、適切な整列のために極めて重要である。染色体上のセントロメアの位置は、中部着糸型、次中部着糸型、末端着糸型、または末端着糸型の4つの主要な配置によって特徴付けられる。これらの特性（すなわち、染色体腕の長さと染色体セントロメアの位置）は、染色体間の構造的相同性を生み出す主要な要因である。したがって、比較的同じ構造を持つ2つの染色体が存在する場合（例えば、母方の15番染色体と父方の15番染色体）、それらはシナプシスのプロセスを介して対合して相同染色体を形成することができる。[ 6 ]
相同染色体は同一ではなく、同じ生物に由来するものでもないため、姉妹染色分体とは異なります。姉妹染色分体はDNA複製後に生じるものであり、互いに同一の、隣り合った複製です。[ 7 ]
ヒトは合計46本の染色体を持っているが、相同な常染色体は22対しかない。残りの23対は性染色体、X染色体とY染色体である。
ヒトでは、22対の相同な常染色体には同じ遺伝子が含まれていますが、一方は母親から、もう一方は父親から受け継がれたため、対立遺伝子の形で異なる形質をコードする可能性があります。[ 8 ]
つまり、ヒトは核を含む各細胞に23本の染色体からなる2セットを持っています。1セットの23本の染色体（n）は母親由来（常染色体22本、性染色体1本（Xのみ））で、もう1セットの23本の染色体（n）は父親由来（常染色体22本、性染色体1本（XまたはY））です。つまり、ヒトは二倍体（2n）生物です。[ 2 ]
相同染色体は減数分裂と有糸分裂の過程において重要である。相同染色体は、母と父からの遺伝物質の組み換えとランダムな分離を新しい細胞にもたらす。[ 9 ]
減数分裂は、2回の細胞分裂のサイクルであり、それぞれ親細胞の半分の数の染色体を持つ4つの半数体娘細胞を生成します。[ 10 ]減数分裂は、まず減数分裂Iで相同染色体を分離し、次に減数分裂IIで姉妹染色分体を分離することにより、生殖細胞の染色体数を半分に減らします。減数分裂Iのプロセスは、クロマチンの複製と相同染色体の適切な配向と分離に減数分裂Iの対合とシナプシスのプロセスにより時間がかかるため、一般的に減数分裂IIよりも長くなります。 [ 7 ] 減数分裂中、遺伝子の組換え（ランダム分離による）と交叉により、それぞれ母方と父方由来の遺伝子の異なる組み合わせを持つ娘細胞が生成されます。[ 10 ]この遺伝子の組換えにより、新しい対立遺伝子の対合と遺伝的変異が導入されます。[ 2 ]生物間の遺伝的変異は、自然選択が作用する遺伝的形質の範囲を広げることで、集団の安定性を高めるのに役立つ。 [ 2 ]
減数分裂 I の前期 Iでは、各染色体が相同染色体と整列し、完全にペアになります。前期 I では、DNA はすでに複製されているため、各染色体は共通のセントロメアでつながった 2 つの同一の染色分体から構成されています。[ 10 ]前期 I の接合期では、相同染色体が互いにペアになります。[ 10 ]このペアリングは、シナプトネマ複合体(タンパク質の足場) が組み立てられ、相同染色体の長さに沿って結合するシナプシス過程によって起こります。 [ 7 ]コヒーシン架橋が相同染色体間で起こり、後期まで引き離されるのを防ぐのに役立ちます。[ 8 ]遺伝子交叉は、組換えの一種で、前期Iのパキテン期に起こります。[ 10 ]さらに、合成依存性鎖アニーリング（SDSA）と呼ばれる別のタイプの組換えが頻繁に起こります。SDSA組換えは、対になった相同染色分体間の情報交換を伴いますが、物理的な交換は伴いません。SDSA組換えは交叉を引き起こしません。
交叉の過程では、染色体の長さの相同部分の切断と結合によって遺伝子が交換されます。[ 7 ]キアズマと呼ばれる構造が交換の場です。キアズマは、交叉が起こると、減数分裂中の染色体分離の過程全体を通して相同染色体を物理的に連結します。[ 7 ]非交叉型と交叉型の両方の組換えは、特に二本鎖切断などのDNA損傷を修復するプロセスとして機能します。前期Iの二糸期では、シナプトネマ複合体が分解し、相同染色体が分離できるようになりますが、姉妹染色分体はセントロメアによって結合したままです。[ 7 ]
減数分裂Iの第一分裂中期では、二価染色体または四分子とも呼ばれる相同染色体のペアが、中期板に沿ってランダムな順序で並びます。[ 10 ]ランダムな配置は、細胞が遺伝的変異を導入するもう1つの方法です。反対側の紡錘体極から伸びる減数分裂紡錘体は、動原体で各相同染色体（各姉妹染色分体のペア）に付着します。[ 8 ]
減数分裂Iの終期Iでは、相同染色体が互いに引き離されます。相同染色体はセパラーゼという酵素によって切断され、相同染色体の腕を結合していたコヒーシンが放出されます。[ 8 ]これによりキアズマが解放され、相同染色体が細胞の反対側の極に移動します。[ 8 ]相同染色体はランダムに2つの娘細胞に分配され、これらの娘細胞は減数分裂IIを経て4つの半数体の娘生殖細胞を生成します。[ 2 ]
減数分裂Iで相同染色体の四分子が分離した後、各対の姉妹染色分体が分離されます。減数分裂Iによって生じた2つの半数体娘細胞（染色体の数は半分に減少しています。以前は2セットの染色体が存在していましたが、現在は各セットが減数分裂Iによって単一の二倍体親細胞から生じた2つの異なる娘細胞に存在します）は、減数分裂IIで再び細胞分裂を起こしますが、染色体複製はもう一度行われません。2つの娘細胞の姉妹染色分体は、後期II中に核紡錘糸によって引き離され、4つの半数体娘細胞が生じます。[ 2 ]
相同染色体は、有糸分裂では減数分裂と同じように機能しません。細胞が有糸分裂を行う前に、親細胞の染色体は自己複製します。細胞内の相同染色体は通常、対合して互いに遺伝子組換えを起こしません。[ 10 ]代わりに、複製された染色体、つまり姉妹染色分体は中期板に沿って並び、減数分裂IIと同様に、核紡錘体によってセントロメアで引き離されて分離します。[ 11 ]有糸分裂中に姉妹染色分体間で交差が起こったとしても、新しい組換え遺伝子型は生成されません。[ 2 ]
ほとんどの文脈では相同対合は生殖細胞を指しますが、体細胞でも起こります。たとえば、ヒトでは、体細胞は非常に厳密に制御された相同対合（染色体領域に分離され、発生シグナルの制御下で特定の遺伝子座で対合）を示します。しかし、他の種（特にショウジョウバエ）では、相同対合がはるかに頻繁に見られます。ショウジョウバエでは、相同対合はトランスベクションと呼ばれる遺伝子制御現象を支えており、一方の染色体上の対立遺伝子が相同染色体上の相同対立遺伝子の発現に影響を与えます。[ 12 ]この注目すべき機能の1つは、X連鎖遺伝子の性的二型制御です。 [ 13 ]
染色体が適切に分離しないと、深刻な影響が生じます。分離異常は、不妊症、胚の死亡、先天異常、癌につながる可能性があります。[ 14 ]同源染色体のペアリングと接着のメカニズムは生物によって異なりますが、最終的な遺伝物質が正しく選別されるためには、これらのメカニズムが適切に機能することが不可欠です。[ 14 ]
減数分裂 I における相同染色体の適切な分離は、減数分裂 II における姉妹染色分体の分離に不可欠です。[ 14 ]適切に分離されないことを不分離といいます。不分離には、トリソミーとモノソミーの 2 つの主要なタイプがあります。トリソミーは、正常な数と比較して接合子に 1 つの余分な染色体が存在することによって発生し、モノソミーは、正常な数と比較して接合子に 1 つの染色体が少ないことによって特徴付けられます。減数分裂 I でこの不均等な分裂が発生すると、娘細胞のいずれも適切な染色体分布を持たず、ダウン症候群などの非典型的な影響が生じる可能性があります。[ 15 ]不均等な分裂は、減数分裂の 2 番目の分裂中にも発生する可能性があります。この段階で発生する不分離は、正常な娘細胞と変形した細胞をもたらす可能性があります。[ 5 ]
相同染色体の主な機能は核分裂における役割ですが、DNAの二本鎖切断の修復にも使用されます。[ 16 ]これらの二本鎖切断は、 DNAの複製中に発生する可能性があり、多くの場合、活性酸素種などの自然発生的な損傷分子とDNAとの相互作用の結果です。相同染色体は、同じ遺伝子配列の染色体と整列することで、この損傷を修復できます。 [ 16 ] 2本の鎖間で塩基対が一致して正しく配置されると、相同染色体は、減数分裂で見られる組換えまたは交叉と非常によく似たプロセスを実行します。無傷のDNA配列の一部が、損傷した染色体の配列と重なります。次に、複製タンパク質と複合体が損傷部位にリクルートされ、修復と適切な複製が行われます。この機能により、二本鎖切断が修復され、DNAが正常に機能することができます。[ 16 ]
相同染色体に関する現在および将来の研究は、組換え中またはDNA修復中のさまざまなタンパク質の役割に重点を置いています。Pezzaらによる最近発表された論文では、HOP2として知られるタンパク質が相同染色体のシナプス形成と相同組換えによる二本鎖切断修復の両方に関与していることが示されています。[ 17 ]マウスにおけるHOP2の欠失は減数分裂に大きな影響を与えます。[ 18 ]他の現在の研究も相同組換えに関与する特定のタンパク質に焦点を当てています。
相同染色体が二本鎖DNA切断を修復する能力に関する研究が進行中である。研究者たちは、この能力を再生医療に活用する可能性を研究している。[ 19 ] DNA損傷は発がんの一因と考えられているため、この医療はがんとの関連で非常に普及する可能性がある。相同染色体の修復機能を操作することで、細胞の損傷応答システムを改善できるかもしれない。このような治療法の有効性はまだ研究で確認されていないが、がんの有用な治療法になる可能性がある。[ 20 ]