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相同組換えとは、二本鎖または一本鎖の核酸（通常は細胞生物のDNAだが、ウイルスではRNAの場合もある）の類似または同一の分子間で遺伝情報が交換される遺伝子組換えの一種である。
相同組換えは、DNAの両鎖に発生する有害なDNA切断（二本鎖切断（DSB）として知られる）を正確に修復するために細胞によって広く利用されており、このプロセスは相同組換え修復（HRR）と呼ばれています。[ 1 ]
相同組換えは、真核生物が動物の精子や卵子などの配偶子細胞を作る過程である減数分裂中に、DNA配列の新たな組み合わせも生み出します。これらのDNAの新たな組み合わせは子孫の遺伝的変異を表し、それが進化の過程で集団の適応を可能にします。[ 2 ]
相同組換えは、細菌やウイルスの異なる株や種の間で遺伝物質を交換する水平遺伝子伝達にも利用される。水平遺伝子伝達は、細菌における抗生物質耐性の拡散の主要なメカニズムである。
相同組換えは生物種や細胞種によって大きく異なりますが、二本鎖DNA（dsDNA）の場合、ほとんどの形態で基本的な手順は同じです。二本鎖切断が発生すると、切断部位の5'末端付近のDNA断片が切除と呼ばれる過程で切り取られます。続く鎖侵入の段階では、切断されたDNA分子の突出した3'末端が、切断されていない類似または同一のDNA分子に「侵入」します。鎖侵入後、その後の一連の事象は、後述する2つの主要な経路（モデルを参照）のいずれかに従います。DSBR（二本鎖切断修復）経路、またはSDSA（合成依存性鎖アニーリング）経路です。DNA修復中に起こる相同組換えは、非交叉産物を生じさせる傾向があり、結果として二本鎖切断前の状態に損傷したDNA分子が復元されます。
相同組換えは、生命の 3 つのドメインすべて、および DNA ウイルスと RNAウイルスで保存されており、ほぼ普遍的な生物学的メカニズムであることを示唆しています。多様な真核微生物のグループである原生生物で相同組換えの遺伝子が発見されたことは、相同組換えが真核生物の進化の初期に出現した証拠として解釈されています。相同組換えを促進するタンパク質は、その機能不全がいくつかのタイプの癌に対する感受性の増加と強く関連しているため、活発な研究の対象となっています。相同組換えは、標的生物に遺伝子変化を導入する技術である遺伝子ターゲティングにも使用されます。この技術の開発により、マリオ・カペッキ、マーティン・エバンス、オリバー・スミシーズは2007 年のノーベル生理学・医学賞を受賞しました。 Capecchi [ 3 ]と Smithies [ 4 ]はそれぞれ独立してマウス胚性幹細胞への応用を発見したが、DSB 修復モデルの根底にある高度に保存されたメカニズム、すなわち形質転換 DNA の均一な相同統合 (遺伝子治療) は、Orr-Weaver、Szostak、Rothstein によるプラスミド実験で初めて示された。[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 1970 年代から 1980 年代にかけて γ 線照射[ 8 ] を用いてプラスミド誘導 DSB を研究した結果、後にエンドヌクレアーゼ (例えば I-SceI) を用いて染色体を切断し、酵母よりも非相同組換えが頻繁に起こる哺乳類細胞の遺伝子工学を行う実験へと発展した。 [ 9 ]
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、 1860 年代にグレゴール・メンデルが最初に提唱した遺伝の原理の 1 つに例外があることを発見しました。メンデルの、形質は親から子に受け継がれるときに独立して分配されるという考えとは対照的に、例えば猫の毛色と尻尾の長さは互いに独立して遺伝する、という考え方とは対照的に、ベイツソンとパネットは、身体的特徴に関連する特定の遺伝子が一緒に遺伝したり、遺伝的に連鎖したりすることがあることを示しました。[ 10 ] [ 11 ] 1911 年、連鎖した形質が時折別々に遺伝する可能性があることを観察した後、トーマス・ハント・モーガンは、連鎖した遺伝子の間で「交叉」が起こる可能性があると示唆しました。 [ 12 ]これは、連鎖した遺伝子の 1 つが物理的に別の染色体に交差する現象です。 20年後、バーバラ・マクリントックとハリエット・クレイトンは、染色体交叉が減数分裂中に起こることを実証した[ 13 ] [ 14 ]。減数分裂は、精子と卵子が作られる細胞分裂の過程である。マクリントックの発見と同じ年に、カート・スターンは、交叉（後に「組換え」と呼ばれる）が、有糸分裂によって分裂する白血球や皮膚細胞などの体細胞でも起こりうることを示した[ 13 ] [ 15 ]。
1947年、微生物学者のジョシュア・レーダーバーグは、二分裂による無性生殖のみを行うと考えられていた細菌が、有性生殖により近い遺伝子組換えを行うことができることを示した。この研究により、大腸菌は遺伝学のモデル生物として確立され[ 16 ]、レーダーバーグは1958年のノーベル生理学・医学賞を受賞するに至った[ 17 ]。真菌の研究に基づいて、1964年にロビン・ホリデーは減数分裂における組換えのモデルを提案し、ホリデー接合部を介した染色体間の物質交換など、プロセスがどのように機能するかの重要な詳細を紹介した[ 18 ]。 1983年、ジャック・ショスタクらは、ホリデーモデルでは説明できない観察結果を説明する、現在DSBR経路として知られるモデルを発表した。[ 18 ] [ 7 ] 次の 10 年間、ショウジョウバエ、出芽酵母、哺乳類細胞での実験により、ホリデー接合に必ずしも依存しないSDSA 経路と呼ばれる相同組換えの他のモデルが出現した。 [ 18 ]
その後、この過程に関与するタンパク質を特定し、そのメカニズムを解明する研究の多くは、ジェームズ・ハーバー、パトリック・ソン、スティーブン・コワルチコフスキーをはじめとする多くの研究者によって行われてきた。
相同組換え（HR）は、植物、動物、菌類、原生生物などの真核生物の細胞分裂に不可欠です。相同組換えは、電離放射線やDNA損傷性化学物質によって引き起こされるDNAの二本鎖切断を修復します。[ 19 ]修復されないまま放置されると、これらの二本鎖切断は体細胞 の染色体の大規模な再編成を引き起こし、[ 20 ]それが癌につながる可能性があります。[ 21 ]
DNA の修復に加えて、相同組換えは、減数分裂で細胞が分裂して特殊な配偶子細胞(動物では精子または卵細胞、植物では花粉または胚珠、菌類では胞子) になるときに遺伝的多様性を生み出すのにも役立ちます。これは、相同染色体間で類似しているが同一ではない DNA 領域が交換される染色体交叉を促進することによって行われます。[ 22 ] [ 23 ] これにより、子孫に進化上の利点を与える可能性のある、新しい、そしておそらく有益な遺伝子の組み合わせが作られます。[ 24 ]染色体交叉は、 Spo11と呼ばれるタンパク質がDNA の標的となる二本鎖切断を行うことから始まることが多いです。[ 25 ]これらの部位は染色体上に非ランダムに配置されています。通常は遺伝子間プロモーター領域、特にGCリッチ領域で発生する[ 26 ]。 これらの二本鎖切断部位は、組換えホットスポットと呼ばれる染色体上の約1,000～2,000塩基対の長さで組換え率が高い領域で発生することが多い。同じ染色体上の2つの遺伝子の間に組換えホットスポットがないということは、多くの場合、それらの遺伝子が将来の世代に均等に受け継がれることを意味する。これは、減数分裂中に独立して分離する遺伝子から予想されるよりも、2つの遺伝子間の連鎖が大きいことを示している[ 27 ] 。
二本鎖切断は、相同組換え、ポリメラーゼθ介在末端結合（TMEJ）、または非相同末端結合（NHEJ）によって修復される。[ 28 ] NHEJは、相同組換えとは異なり、修復を誘導するための長い相同配列を必要としないDNA修復機構である。二本鎖切断の修復に相同組換えまたはNHEJのどちらが使用されるかは、主に細胞周期の段階によって決まる。相同組換えは、細胞が有糸分裂（M期）に入る前にDNAを修復する。これは、姉妹染色分体がより容易に利用できる細胞周期のS期およびG2期において、 DNA複製中および複製直後に起こる。[ 29 ]別の染色体と似ているが、対立遺伝子が異なることが多い相同染色体と比較して、姉妹染色分体は特定の染色体の同一のコピーであるため、相同組換えの理想的なテンプレートである。相同テンプレートが利用できない場合、または相同組換えの欠陥によりテンプレートにアクセスできない場合、切断は細胞周期のS期とG 2期でTMEJを介して修復される。相同組換えとTMEJとは対照的に、NHEJは細胞が成長しているがまだ分裂する準備ができていない細胞周期のG 1期で優勢である。G 1期以降は頻度が低くなるが、細胞周期全体を通して少なくともある程度の活性を維持する。細胞周期全体を通して相同組換えとNHEJを制御するメカニズムは、種によって大きく異なる。[ 30 ]
リン酸基を付加（リン酸化）することで他のタンパク質の活性を修飾するサイクリン依存性キナーゼ（CDK）は、真核生物における相同組換えの重要な調節因子である。[ 30 ] 出芽酵母でDNA複製が始まると、サイクリン依存性キナーゼCdc28がSae2タンパク質をリン酸化することで相同組換えを開始する。[ 31 ] リン酸基の付加によって活性化されたSae2は、DNAの二本鎖切断付近でクリーンな切断を引き起こす。この切断に関与するエンドヌクレアーゼがSae2自体なのか、別のタンパク質Mre11なのかは不明である。[ 32 ] これにより、 MRX複合体として知られるMre11を含むタンパク質複合体がDNAに結合し、2つのDNA分子間で物質を交換する一連のタンパク質駆動反応が始まる。[ 33 ]
真核生物のDNAがクロマチンにパッケージ化されることは、酵素を作用部位に動員する必要のあるすべてのDNAベースのプロセスに対する障壁となる。相同組換え（HR）DNA修復を可能にするには、クロマチンをリモデリングする必要がある。真核生物では、ATP依存性クロマチンリモデリング複合体とヒストン修飾酵素が、このリモデリングプロセスを実行するために用いられる2つの主要な因子である。[ 34 ]
DNA損傷部位ではクロマチンの弛緩が急速に起こる。[ 35 ] 最も初期のステップの1つとして、ストレス活性化タンパク質キナーゼであるc-Jun N末端キナーゼ（JNK）が、二本鎖切断またはその他のDNA損傷に応答してSIRT6のセリン10をリン酸化する。 [ 36 ] この翻訳後修飾は、SIRT6のDNA損傷部位への移動を促進し、ポリ（ADP-リボース）ポリメラーゼ1（PARP1）のDNA切断部位への効率的なリクルートとDSBの効率的な修復に必要である。[ 36 ] PARP1タンパク質は、損傷発生後1秒以内にDNA損傷部位に現れ始め、最大蓄積量の半分が1.6秒以内に蓄積される。[ 37 ] 次に、クロマチンリモデリング因子Alc1がPARP1の作用産物であるポリADPリボース鎖に素早く結合し、Alc1は損傷発生から10秒以内にDNA損傷部位に到達する。[ 35 ] おそらくAlc1の作用によるクロマチンの最大弛緩の約半分は10秒以内に起こる。[ 35 ]これにより、DNA修復酵素MRE11がリクルートされ、13秒以内にDNA修復が開始される。[ 37 ]
γH2AX（ H2AXのリン酸化型）も、DNA二本鎖切断後のクロマチン脱凝縮に至る初期段階に関与している。ヒストンバリアントH2AXは、ヒトクロマチン中のH2Aヒストンの約10%を占める。[ 38 ] γH2AX（セリン139でリン酸化されたH2AX）は、細胞への照射（DNA二本鎖切断形成を伴う）後20秒で検出可能であり、γH2AXの最大蓄積量の半分は1分で発生する。[ 38 ] リン酸化されたγH2AXを含むクロマチンの範囲は、DNA二本鎖切断部位で約200万塩基対である。[ 38 ] γH2AX自体はクロマチン脱凝縮を引き起こさないが、照射後30秒以内にRNF8タンパク質がγH2AXと結合して検出される。[ 39 ] RNF8は、核リモデリングおよび脱アセチル化酵素複合体NuRDの構成要素であるCHD4 との相互作用を介して、広範なクロマチン脱凝縮を媒介します。[ 40 ]
DNA損傷後の弛緩とそれに続くDNA修復を経て、クロマチンは約20分後に損傷前のレベルに近い凝縮状態に回復する。[ 35 ]
脊椎動物では、組換えが起こる場所は、亜鉛フィンガーアレイによって特定の配列モチーフを認識するタンパク質であるPRDM9の結合部位によって決定されます。 [ 41 ]これらの部位では、別のタンパク質であるSPO11が組換え開始二本鎖切断（DSB）を触媒し、その一部は相同染色体との組換えによって修復されます。PRDM9は、結合部位にH3K4me3とH3K36me3の両方のヒストンメチル化マークを沈着させ、このメチルトランスフェラーゼ活性はDSBの位置決定におけるその役割に不可欠です。DSB部位は形成後、切除によって処理され、DMC1で装飾された一本鎖DNA（ssDNA）が生成されます。接合期中期から前期パキテン期にかけて、組換え修復プロセスの一環として、DMC1はssDNAから解離し、後期パキテン期にすべての切断（XY染色体上の切断を除く）が修復されるまでカウントが減少します。このプロセスには、PRDM9の二重ヒストンマークによって直接位置決めされる最初のタンパク質であるZCWPW1 [ 42 ]を含む、他のいくつかのタンパク質が関与しています。ZCWPW1は、位置決めではなく、相同DSB修復に重要です。
相同組換えがDNAの二本鎖切断を修復する主なモデルは、二本鎖切断修復（DSBR）経路（ダブルホリデージャンクションモデルと呼ばれることもある）と合成依存性鎖アニーリング（SDSA）経路の2つである。[ 43 ] この2つの経路は、最初のいくつかのステップで類似している。二本鎖切断が発生すると、MRX複合体（ヒトではMRN複合体）が切断の両側のDNAに結合する。次に、切断の5'末端周辺のDNAが切り戻される切除が行われる。これは2つの異なるステップで起こる。まず、MRX複合体がSae2タンパク質をリクルートし、この2つのタンパク質が切断の両側の5'末端を切り戻して、一本鎖DNAの短い3'突出部を作る。2番目のステップでは、Sgs1ヘリカーゼとExo1およびDna2ヌクレアーゼによって5'→3'切除が継続される。ヘリカーゼとして、Sgs1は二本鎖DNAを「ほどく」一方、 Exo1とDna2のヌクレアーゼ活性は、Sgs1によって生成された一本鎖DNAを切断することを可能にする。[ 31 ]
一本鎖DNAに対する高い親和性を持つRPAタンパク質は、3'突出部に結合する。[ 44 ] この過程を媒介する他のいくつかのタンパク質の助けを借りて、Rad51タンパク質（および減数分裂ではDmc1）は、RPAで覆われた一本鎖DNA上に核酸とタンパク質のフィラメントを形成する。このヌクレオプロテインフィラメントは、3'突出部と同様のDNA配列を探し始める。そのような配列が見つかると、一本鎖ヌクレオプロテインフィラメントは、鎖侵入と呼ばれる過程で、類似または同一の受容DNA二重らせんに移動する（侵入する） 。有糸分裂によって分裂する細胞では、受容DNA二重らせんは一般的に姉妹染色分体であり、損傷したDNA分子と同一で、修復のテンプレートを提供する。しかし、減数分裂では、受容DNAは類似しているが必ずしも同一ではない相同染色体由来である傾向がある。[ 43 ]ストランド侵入中に、侵入した3'オーバーハング鎖と相同染色体の間に 置換ループ（Dループ）が形成される。ストランド侵入後、 DNAポリメラーゼが新しいDNAを合成することで、侵入した3'鎖の末端を伸長する。これにより、Dループはホリデージャンクションとして知られる十字形構造に変化する。その後、侵入した鎖（つまり、元の3'オーバーハングの1つ）でさらにDNA合成が行われ、ストランド侵入中に置換された相同染色体上の鎖が効果的に復元される。[ 43 ]
切除、鎖侵入、DNA合成の各段階の後、DSBR経路とSDSA経路は区別されるようになる。[ 43 ] DSBR経路は、2番目の3'オーバーハング（鎖侵入には関与していない）も相同染色体とホリデー接合を形成するという点で独特である。二重ホリデー接合は、 1本のDNA鎖のみを切断する制限エンドヌクレアーゼの一種であるニックエンドヌクレアーゼによって組換え産物に変換される。DSBR経路は一般的にクロスオーバーを引き起こすが、非クロスオーバー産物を引き起こすこともある。切断されたDNA分子が分離したドナー遺伝子座から配列を収集する能力は、プラスミドまたはエンドヌクレアーゼによる染色体イベントの誘導を用いた有糸分裂出芽酵母で示されている。[ 45 ] [ 46 ]このような染色体クロスオーバーの傾向があるため、DSBR経路は減数分裂中にクロスオーバー相同組換えがどのように起こるかのモデルとして有力である。[ 22 ]
DSBR経路における組換えが染色体交叉を引き起こすかどうかは、二重ホリデー接合部がどのように切断されるか、つまり「解消」されるかによって決まります。一方のホリデー接合部が交差鎖で切断され、もう一方のホリデー接合部が非交差鎖で切断された場合（図5では、一方のホリデー接合部の水平方向の紫色の矢印と、もう一方のホリデー接合部の垂直方向のオレンジ色の矢印に沿って）、染色体交叉が発生します。一方、2つのホリデー接合部が交差鎖で切断された場合（図5の両方のホリデー接合部の水平方向の紫色の矢印に沿って）、交叉のない染色体が生成されます。[ 47 ]
SDSA経路による相同組換えは、有糸分裂と減数分裂によって分裂する細胞で起こり、非交叉産物を生じます。このモデルでは、侵入した3'鎖はDNAポリメラーゼによって受容体DNA二重らせんに沿って伸長され、ドナーDNA分子と受容体DNA分子の間のホリデー接合が分岐移動と呼ばれるプロセスでスライドすると放出されます。侵入した鎖の新たに合成された3'末端は、相補的な塩基対形成によって損傷した染色体のもう一方の3'突出部とアニーリングすることができます。鎖がアニーリングした後、小さなDNAのフラップが残ることがあります。そのようなフラップは除去され、SDSA経路は、残っている一本鎖ギャップの再封鎖（ライゲーションとも呼ばれる）で完了します。[ 48 ]
有糸分裂中、DNA二本鎖切断を修復するための主要な相同組換え経路は、DSBR経路ではなくSDSA経路であると思われる。[ 49 ] SDSA経路は非交叉組換え体を生成する（図5）。減数分裂中も非交叉組換え体が頻繁に発生し、これらも主にSDSA経路によって生じると思われる。[ 49 ] [ 50 ]減数分裂中に発生する非交叉組換え事象は、DNA二本鎖損傷またはその他の種類のDNA損傷の修復の事例を反映していると考えられる。
相同組換えの単鎖アニーリング（SSA）経路は、2 つの反復配列間の二本鎖切断を修復します。SSA 経路は、相同組換えの DSBR 経路や SDSA 経路のように、別の類似または同一の DNA 分子を必要としないという点で独特です。代わりに、SSA 経路は単一の DNA 二重らせんのみを必要とし、相同組換えが修復に必要な同一配列として反復配列を使用します。この経路の概念は比較的単純です。同じ DNA 二重らせんの 2 つの鎖が二本鎖切断部位の周囲で切断された後、結果として生じる 2 つの 3' 突出部が整列して互いにアニーリングし、DNA を連続した二重らせんとして復元します。[ 48 ] [ 51 ]
二本鎖切断の周囲のDNAが切断されると、生成される一本鎖の3'突出部はRPAタンパク質で覆われ、3'突出部同士がくっつくのを防ぎます。[ 52 ]次に、 Rad52 と呼ばれるタンパク質が切断の両側の反復配列にそれぞれ結合し、2つの相補的な反復配列がアニーリングできるように整列させます。[ 52 ]アニーリングが完了すると、3'突出部の残りの非相同フラップは、 Saw1およびSlx4タンパク質によってフラップに運ばれるRad1/Rad10 と呼ばれる一連のヌクレアーゼによって切断されます。 [ 52 ] [ 53 ] 新しいDNA合成によってギャップが埋められ、ライゲーションによってDNA二重らせんが2本の連続した鎖として復元されます。[ 54 ] 反復配列間のDNA配列は常に失われ、2つの反復配列のうちの1つも失われます。 SSA経路は遺伝物質の欠失を引き起こすため、変異誘発性であると考えられている。 [ 48 ]
DNA複製中、 DNAヘリカーゼが鋳型鎖をほどく際に、複製フォークで二本鎖切断が生じることがある。これらの欠陥は、相同組換えの切断誘導複製（BIR）経路で修復される。BIR経路の正確な分子メカニズムは依然として不明である。提案されている3つのメカニズムはいずれも鎖侵入を最初のステップとしているが、Dループの移動と組換えの後期段階のモデル化方法が異なっている。[ 55 ]
BIR経路は、テロメラーゼが存在しない場合（またはテロメラーゼと協力する場合）に、テロメア（真核生物の染色体の末端にあるDNA領域）の長さを維持するのにも役立ちます。テロメラーゼ酵素の有効なコピーがない場合、テロメアは通常、有糸分裂の各サイクルごとに短縮し、最終的に細胞分裂が阻害され、老化につながります。テロメラーゼが突然変異によって不活性化された出芽酵母細胞では、2種類の「生存」細胞が、BIR経路を介してテロメアを伸長させることにより、予想よりも長く老化を回避することが観察されています。[ 55 ]
テロメア長の維持は、がんの重要な特徴である細胞の不死化に不可欠です。ほとんどのがんはテロメラーゼの発現を亢進させることでテロメアを維持しています。しかし、いくつかの種類のがんでは、BIR様経路がテロメア維持の代替メカニズムとして作用することで、一部の腫瘍の維持に役立っています。[ 56 ]この事実から、科学者たちは、このような組換えに基づくテロメア維持メカニズムが、テロメラーゼ阻害剤 などの抗がん剤を阻害する可能性があるかどうかを調査するようになりました。[ 57 ]
相同組換えは、細菌における主要なDNA修復プロセスです。また、細菌集団の遺伝的多様性を生み出す上でも重要ですが、このプロセスは、DNA損傷を修復し、真核生物のゲノムに多様性をもたらす減数分裂組換えとは大きく異なります。相同組換えは、大腸菌において最も研究され、最もよく理解されています。[ 59 ] 細菌における二本鎖DNA切断は、相同組換えのRecBCD経路によって修復されます。一本鎖ギャップとして知られる、2本のDNA鎖のうち一方のみに発生する切断は、RecF経路によって修復されると考えられています。[ 60 ] RecBCD経路とRecF経路の両方には、分岐移動と呼ばれる一連の反応が含まれます。分岐移動では、2つの交差した二本鎖DNA分子間で一本鎖DNAが交換され、分解では、それらの交差した2つのDNA分子が切断され、通常の二本鎖状態に戻されます。
RecBCD経路は、多くの細菌でDNAの二本鎖切断を修復するために用いられる主要な組換え経路であり、そのタンパク質は幅広い細菌に見られる。[ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]これらの二本鎖切断は、紫外線やその他の放射線、および化学的変異原 によって引き起こされる可能性がある。二本鎖切断は、一本鎖ニックまたはギャップを介したDNA複製によっても発生する可能性がある。このような状況は、複製フォークの崩壊として知られており、RecBCD経路を含むいくつかの相同組換え経路によって修復される。[ 66 ]
この経路では、 RecBCDと呼ばれる3 つのサブユニットからなる酵素複合体が、二本鎖 DNA の切断部の平滑末端またはほぼ平滑末端に結合することによって組換えを開始します。RecBCD が DNA 末端に結合すると、RecB および RecDサブユニットがヘリカーゼ活性によって DNA 二重らせんの解離を開始します。RecB サブユニットにはヌクレアーゼドメインもあり、解離プロセスから生じる一本鎖 DNA を切断します。この解離は、RecBCD がChi サイトとして知られる特定のヌクレオチド配列 (5'-GCTGGTGG-3')に遭遇するまで続きます。[ 65 ]
Chi部位に遭遇すると、RecBCD酵素の活性が劇的に変化します。[ 64 ] [ 61 ] [ 67 ] DNAの巻き戻しは数秒間停止し、その後、初期速度の約半分で再開します。これは、Chi部位より遅いRecBヘリカーゼがChi部位より後にDNAを巻き戻すのに対し、Chi部位より速いRecDヘリカーゼがChi部位より前にDNAを巻き戻すためと考えられます。[ 68 ] [ 69 ] Chi部位の認識により、RecBCD酵素も変化し、Chi部位でDNA鎖を切断し、新たに生成された3'末端を持つ一本鎖DNAに複数のRecAタンパク質をロードし始めます。結果として生じたRecAで覆われたヌクレオプロテインフィラメントは、相同染色体上の類似のDNA配列を探索します。探索プロセスはDNA二重らせんの伸長を誘発し、相同性認識を強化します（コンフォメーション校正と呼ばれるメカニズム[ 70 ] [ 71 ] [ 72 ]）。このような配列が見つかると、一本鎖ヌクレオプロテインフィラメントは、ストランド侵入と呼ばれるプロセスで相同な受容DNA二重らせんに移動します。[ 73 ] 侵入した3'オーバーハングにより、受容DNA二重らせんの一方の鎖が移動し、Dループが形成されます。Dループが切断されると、別の鎖の交換により、ホリデージャンクションと呼ばれる十字形構造が形成されます。[ 65 ] 相互作用する2つのDNA分子が遺伝的に異なる場合、RuvABCまたはRecGの組み合わせによるホリデージャンクションの解消により、相互の遺伝子型を持つ2つの組換えDNA分子が生成される可能性があります。あるいは、Chi付近の侵入した3'末端は、DNA合成のプライミングを行い、複製フォークを形成することができます。このタイプの分離では、1種類の組換え体（非相互組換え体）のみが生成されます。
細菌は相同組換えの RecF 経路を使用して DNA の一本鎖ギャップを修復しているようです。RecBCD 経路が突然変異によって不活性化され、さらに SbcCD および ExoI ヌクレアーゼが突然変異によって不活性化されると、RecF 経路は DNA 二本鎖切断も修復できます。[ 74 ] RecF 経路では、 RecQヘリカーゼが DNA をほどき、RecJ ヌクレアーゼが 5' 末端を持つ鎖を分解し、3' 末端を持つ鎖をそのまま残します。RecA タンパク質はこの鎖に結合し、RecF、RecO、および RecR タンパク質によって補助されるか、または安定化されます。RecA ヌクレオプロテイン フィラメントは相同 DNA を探し、相同 DNA 内の同一またはほぼ同一の鎖と場所を交換します。
初期段階に関与するタンパク質や特定のメカニズムは異なるものの、両経路は、3'末端を持つ一本鎖DNAと鎖侵入のためのRecAタンパク質を必要とする点で類似している。また、ホリデー接合部が一方向にスライドする分岐移動段階と、ホリデー接合部が酵素によって切断される分解段階も類似している。 [ 75 ] [ 76 ] 代替の非相互的な分解は、どちらの経路でも起こり得る。
鎖侵入直後、ホリデージャンクションは分岐移動の過程で連結したDNAに沿って移動する。このホリデージャンクションの移動中に、2つの相同DNA二重らせん間の塩基対が交換される。分岐移動を触媒するために、RuvAタンパク質はまずホリデージャンクションを認識して結合し、RuvBタンパク質をリクルートしてRuvAB複合体を形成する。環状ATPaseを形成する2組のRuvBタンパク質は、ホリデージャンクションの反対側に配置され、そこで分岐移動の力を提供するツインポンプとして機能する。RuvBの2つのリングの間には、2組のRuvAタンパク質がホリデージャンクションの中央に集合し、ジャンクションのDNAがそれぞれのRuvAタンパク質の間に挟まれる。両方のDNA二重らせん（「ドナー」二重らせんと「レセプション」二重らせん）の鎖は、RuvAタンパク質によって一方の二重らせんから他方の二重らせんへと誘導されるにつれて、RuvAの表面でほどかれる。[ 77 ] [ 78 ]
組換えの解決段階では、鎖侵入プロセスによって形成されたホリデー接合部が切断され、それによって 2 つの別々の DNA 分子が復元されます。この切断は、RuvAB 複合体と RuvC が相互作用してRuvABC複合体を形成することによって行われます。RuvC は、縮重配列 5'-(A/T)TT(G/C)-3'を切断するエンドヌクレアーゼです。この配列は、約 64 ヌクレオチドごとに DNA 中に頻繁に見られます。[ 78 ] 切断する前に、RuvC は、おそらく、その DNA を覆っている 2 つの RuvA 四量体の 1 つを移動させることによってホリデー接合部にアクセスします。[ 77 ] 組換えは、RuvC がホリデー接合部をどのように切断するかによって、「スプライス」または「パッチ」産物のいずれかをもたらします。[ 78 ] スプライス産物は、組換え部位の周りの遺伝物質の再配置があるクロスオーバー産物です。一方、パッチ産物は非交差産物であり、そのような再編成はなく、組換え産物にはハイブリッドDNAの「パッチ」のみが存在する。[ 79 ]
相同組換えは、水平遺伝子伝達においてドナーDNAを受容生物のゲノムに組み込む重要な方法であり、水平遺伝子伝達とは、生物がその生物の子孫ではないにもかかわらず、別の生物から外来DNAを取り込むプロセスである。相同組換えには、流入するDNAが受容ゲノムと高度に類似している必要があるため、水平遺伝子伝達は通常、類似した細菌に限られる。[ 80 ] いくつかの細菌種における研究では、宿主DNAと受容DNAの配列の差異が増加するにつれて、組換え頻度が対数線形に減少することが確立されている。[ 81 ] [ 82 ] [ 83 ]
細菌接合では、DNAが細菌間で直接細胞間接触によって伝達されますが、相同組換えはRecBCD経路を介して外来DNAを宿主ゲノムに組み込むのに役立ちます。RecBCD酵素は、DNAが複製中に一本鎖DNA（細菌に最初に侵入した形態）から二本鎖DNAに変換された後に組換えを促進します。RecBCD経路は、DNAがウイルスによってある細菌から別の細菌に伝達される水平遺伝子伝達の一種である形質導入の最終段階にも不可欠です。外来の細菌DNAは、ウイルス複製中にDNAが新しいバクテリオファージにパッケージ化される際に、バクテリオファージウイルス粒子のカプシドヘッドに誤って組み込まれることがあります。これらの新しいバクテリオファージが他の細菌に感染すると、以前の宿主細菌のDNAが二本鎖DNAとして新しい細菌宿主に注入されます。 RecBCD酵素は、この二本鎖DNAを新しい細菌宿主のゲノムに組み込む。[ 65 ]
自然な細菌形質転換は、ドナー細菌からレシピエント細菌へのDNAの転移を伴うものであり、ドナーとレシピエントは通常同じ種である。形質転換は、細菌の接合や形質導入とは異なり、このプロセスを実行するために特異的に相互作用する多数の細菌遺伝子産物に依存する。[ 84 ] したがって、形質転換は明らかにDNA転移のための細菌の適応である。細菌が相同組換えによってドナーDNAを結合、取り込み、その常在染色体に組み込むためには、まずコンピテンスと呼ばれる特別な生理状態に入る必要がある。RecA / Rad51 / DMC1遺伝子ファミリーは、真核生物の減数分裂や有糸分裂と同様に、細菌形質転換中の相同組換えにおいて中心的な役割を果たす。例えば、RecAタンパク質は枯草菌や肺炎連鎖球菌の形質転換に必須であり[ 85 ]、 これらの生物における形質転換能の発達中にRecA遺伝子の発現が誘導される。
形質転換プロセスの一環として、RecAタンパク質は侵入する一本鎖DNA（ssDNA）と相互作用してRecA/ssDNAヌクレオフィラメントを形成し、常在染色体をスキャンして相同領域を探し、侵入するssDNAを対応する領域に運び、そこで鎖交換と相同組換えが起こる。[ 86 ]このように、細菌の形質転換中の相同組換えプロセスは、減数分裂 中の相同組換えと基本的な類似性がある。
相同組換えはいくつかのウイルス群で起こる。ヘルペスウイルスなどのDNAウイルスでは、細菌や真核生物と同様に、切断と再結合のメカニズムを介して組換えが起こる。[ 87 ]また、レトロウイルス、ピコルナウイルス、コロナウイルスなどのプラス鎖一本鎖RNAウイルスなど、 一部のRNAウイルスでも組換えが起こるという証拠がある。[ 88 ]インフルエンザなどのマイナス鎖一本鎖RNAウイルス で相同組換えが起こるかどうかについては議論がある。[ 89 ]
RNAウイルスでは、相同組換えは精密または不精密のいずれかである。精密なRNA-RNA組換えでは、2つの親RNA配列と結果として生じるクロスオーバーRNA領域との間に違いはない。このため、2つの組換えRNA配列間のクロスオーバーイベントの位置を特定することはしばしば困難である。不精密なRNA相同組換えでは、クロスオーバー領域は親RNA配列と何らかの違いがあり 、これはヌクレオチドの追加、削除、またはその他の修飾によって引き起こされる。クロスオーバーの精度レベルは、2つの組換えRNA鎖の配列コンテキストによって制御される。アデニンとウラシルに富む配列はクロスオーバーの精度を低下させる。[ 88 ] [ 90 ]
相同組換えはウイルスの進化を促進する上で重要である。[ 88 ] [ 91 ] 例えば、異なる不利な変異を持つ2つのウイルスのゲノムが組換えを起こすと、完全に機能するゲノムを再生できる可能性がある。あるいは、2つの類似したウイルスが同じ宿主細胞に感染した場合、相同組換えによって2つのウイルスが遺伝子を交換し、より強力な変異体を進化させることができる。[ 91 ]
相同組換えは、DNAウイルスであるヒトヘルペスウイルス6がヒトのテロメアに組み込まれるメカニズムとして提唱されている。[ 92 ]
致命的なゲノム損傷をそれぞれ含む 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、相同組換え修復を受けて生存可能な子孫を生成することがよくあります。多重再活性化として知られるこのプロセスは、ファージ T4を含むいくつかのバクテリオファージで研究されています。[ 93 ] ファージ T4 の組換え修復に用いられる酵素は、細菌および真核生物の組換え修復に用いられる酵素と機能的に相同です。[ 94 ]特に、相同組換え修復の重要なステップである鎖交換反応に必要な遺伝子に関しては、ウイルスからヒトまで機能的な相同性があります (ファージ T4 のuvsX 、大腸菌およびその他の細菌のrecA 、酵母およびヒトを含むその他の真核生物のrad51およびdmc1 )。[ 95 ] 多重再活性化は、多くの病原性ウイルスでも実証されている。[ 96 ]
コロナウイルスは、少なくとも 2 つのウイルスゲノムが同じ感染細胞内に存在する 場合に遺伝子組換えを起こすことができる。RNA組換えは、(1) CoV 種内の遺伝的多様性、(2) CoV 種が宿主間を移動できる能力、(3) まれに新しい CoV の出現を決定する主要な原動力であると考えられる。[ 97 ] CoV における組換えのメカニズムは、ゲノム複製中のテンプレートスイッチングを伴うと考えられる。[ 97 ] RNA ウイルスにおける組換えは、ゲノム損傷に対処するための適応であると考えられる。[ 98 ]
パンデミックを引き起こしたSARS-CoV-2の受容体結合モチーフ全体は、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と考えられている。[ 99 ] このような組換え事象は、SARS-CoV-2がヒトに感染する能力の進化における重要なステップであった可能性がある。[ 99 ] 組換え事象は、新しいヒトコロナウイルスの出現につながる進化過程における重要なステップであると考えられる。[ 100 ]
2020年のCOVID-19パンデミックの間、オーストラリアのSARS-CoV-2分離株の多くのゲノム配列には、ウイルスゲノムの3'非翻訳領域のRNAモチーフであるコロナウイルス3'ステムループII様モチーフ（s2m）に欠失または変異（29742G>Aまたは29742G>U; "G19A"または"G19U"）があり、SARS-CoV-2のs2mでRNA組換えイベントが発生した可能性があることを示唆している。Reccoアルゴリズム（https://recco.bioinf.mpi-inf.mpg.de/）を使用した1319のオーストラリアSARS-CoV-2配列の計算解析に基づいて、29742G（"G19")）、29744G（"G21")、および29751G（"G28")）が組換えホットスポットとして予測された。[ 101 ]
ダイヤモンド・プリンセス号でのSARS-CoV-2のアウトブレイクは、武漢WIV04株と同一のウイルス変異株に感染した1人の感染者、または11083G > T変異を含むウイルスに感染した別の一次感染者と同時に発生した可能性が最も高い。 連鎖不平衡解析により、 11083G > T変異を伴うRNA組換えもウイルス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た。これらの結果は、SARS-CoV-2の11083G > T変異が船内検疫中に拡散し、正の選択圧下での新規RNA組換えによって生じたことを示している。さらに、今回のクルーズに参加した3人の患者では、29736G > Tと29751G > T（「G13」と「G28」）の2つの変異がコロナウイルス3'ステムループII様モチーフ（s2m）に位置しており、「G28」はオーストラリアのSARS-CoV-2変異体で組換えホットスポットとして予測されていた。s2mは多くのコロナウイルス種間で高度に保存されているRNAモチーフと考えられているが、この結果はSARS-CoV-2のs2mがむしろRNA組換え/変異ホットスポットであることを示唆している。[ 102 ]
相同組換えが適切に行われないと、減数分裂の細胞分裂の第一段階で染色体が誤って整列することがよくあります。これにより、染色体が適切に分離しないという不分離と呼ばれるプロセスが発生します。その結果、不分離によって精子や卵子の染色体が少なすぎたり多すぎたりすることがあります。21番染色体の余分なコピーによって引き起こされるダウン症候群は、減数分裂における相同組換えのこのような失敗から生じる多くの異常の 1 つです。[ 78 ] [ 103 ]
相同組換えの欠陥は、ヒトの癌形成と強く関連している。例えば、癌関連疾患であるブルーム症候群、ウェルナー症候群、ロスムント・トムソン症候群はそれぞれ、相同組換えの調節に関与するRecQヘリカーゼ遺伝子（それぞれBLM、WRN、RECQL4 ）の機能不全によって引き起こされる。[ 104 ] BLMタンパク質の機能的なコピーを欠くブルーム症候群患者の細胞では、相同組換えの速度が上昇している。[ 105 ] BLM欠損マウスを用いた実験では、相同組換えの増加によって引き起こされるヘテロ接合性の喪失を介して、この変異が癌を引き起こすことが示唆されている。 [ 106 ]ヘテロ接合性の喪失とは、遺伝子の2つのバージョン（対立遺伝子） のうちの1つが失われることを指す。失われた対立遺伝子の1つが、例えば網膜芽細胞腫タンパク質の遺伝子のように、腫瘍の抑制に役立つ場合、ヘテロ接合性の喪失は癌につながる可能性がある。 [ 107 ]： 1236
相同組換え率の低下は、DNA修復の効率を低下させ、[ 107 ] : 310がんの原因にもなり得る。[ 108 ]これは、乳がんや卵巣がんのリスクが著しく増加することに関連付けられている2 つの類似した腫瘍抑制遺伝子であるBRCA1とBRCA2 の場合である。BRCA1 と BRCA2 を欠損した細胞では、相同組換え率が低下し、電離放射線に対する感受性が高まっていることから、相同組換えの低下ががんに対する感受性の増加につながることが示唆される。[ 108 ] BRCA2 の既知の機能は相同組換えの開始を助けることだけであるため、研究者らは、相同組換えにおける BRCA2 の役割に関するより詳細な知識が、乳がんや卵巣がんの原因を理解する鍵となる可能性があると推測している。[ 108 ]
相同組換え欠損（BRCA欠損を含む）を有する腫瘍はHRD陽性と表現される。[ 109 ]
経路は機構的に異なる場合があるが、相同組換えを行う生物の能力は、生命のすべてのドメインで普遍的に保存されている。[ 110 ]アミノ酸配列の類似性に基づいて、多くのタンパク質の相同体は複数の生命のドメインで見つかっており、これはそれらがはるか昔に進化し、その後共通の祖先タンパク質から分岐したことを示している。[ 110 ]
RecAリコンビナーゼファミリーのメンバーは、細菌のRecA 、真核生物のRad51とDMC1 、古細菌のRadA 、T4ファージのUvsXなど、ほぼすべての生物に見られます。[ 111 ]
相同組換えや他の多くのプロセスに重要な関連する一本鎖結合タンパク質も、生命のすべてのドメインで見られます。[ 112 ]
Rad54、Mre11、Rad50、およびその他の多くのタンパク質は、古細菌と真核生物の両方で見られます。[ 110 ] [ 111 ] [ 113 ]
RecAリコンビナーゼファミリーのタンパク質は、共通の祖先リコンビナーゼから派生したと考えられている。[ 110 ] RecAリコンビナーゼファミリーには、細菌のRecAタンパク質、真核生物のRad51およびDmc1タンパク質、古細菌のRadA 、およびリコンビナーゼパラログタンパク質が含まれる。Rad51、Dmc1、およびRadAタンパク質間の進化関係をモデル化した研究では、これらが単系統群である、つまり共通の分子祖先を共有していることが示されている。[ 110 ]このタンパク質ファミリー内では、Rad51とDmc1はRadAとは別のクレード にまとめられている。これら3つのタンパク質をまとめる理由の1つは、いずれもN末端側 に、タンパク質がDNAに結合するのに役立つ修飾ヘリックスターンヘリックスモチーフを持っていることである。[ 110 ]真核生物の RecA 遺伝子の 古代の遺伝子重複イベントとその後の変異が、現代の RAD51 および DMC1 遺伝子の起源として考えられると提唱されている。[ 110 ]
これらのタンパク質は一般的に、RecA/Rad51ドメインとして知られる長い保存領域を共有している。このタンパク質ドメイン内には、Walker AモチーフとWalker Bモチーフという2つの配列モチーフが存在する。Walker AおよびBモチーフにより、RecA/Rad51タンパク質ファミリーのメンバーはATP結合およびATP加水分解に関与することができる。[ 110 ] [ 114 ]
真核生物として分岐した最も初期の原生生物の1つであるジアルジアのいくつかの種でDmc1が発見されたことは、減数分裂相同組換え、ひいては減数分裂自体が真核生物の進化の非常に初期に出現したことを示唆している。 [ 115 ] Dmc1の研究に加えて、Spo11タンパク質の研究は減数分裂組換えの起源に関する情報を提供している。[ 116 ]タイプIIトポイソメラーゼであるSpo11は、DNAの標的となる二本鎖切断を行うことで減数分裂における相同組換えを開始することができる。[ 25 ]動物、菌類、植物、原生生物、古細菌のSPO11に類似した遺伝子の配列に基づく系統樹は、現在真核生物に存在するSpo11のバージョンが真核生物と古細菌の最後の共通祖先で出現したと科学者に思わせた。[ 116 ]
組換えDNAや遺伝子組み換え生物を作るために生物にDNA配列を導入する多くの方法は、相同組換えのプロセスを利用している。[ 117 ]遺伝子ターゲティングとも呼ばれるこの方法は、酵母やマウスの遺伝学で特に一般的である。ノックアウトマウスの遺伝子ターゲティング法では、マウス胚性幹細胞を用いて人工遺伝物質（主に治療目的）を導入し、相同組換えの原理によってマウスの標的遺伝子を抑制する。これにより、マウスは特定の哺乳類遺伝子の影響を理解するための作業モデルとして機能する。相同組換えを用いて胚性幹細胞を介してマウスに遺伝子改変を導入する方法を発見した功績により、マリオ・カペッキ、マーティン・エバンス、オリバー・スミシーズは2007年のノーベル生理学・医学賞を受賞した。[ 118 ]
細胞の相同組換え機構を利用する遺伝子ターゲティング技術の進歩により、より高精度で 同質遺伝子型のヒト疾患モデルが次々と開発されている。これらの遺伝子操作されたヒト細胞モデルは、従来のマウスモデルよりもヒト疾患の遺伝的特徴をより正確に反映していると考えられている。これは主に、実際の患者と同様に、目的とする変異が内在性遺伝子に導入されること、そしてラットゲノムではなくヒトゲノムに基づいていることによる。さらに、従来の遺伝子ターゲティング技術で見られたノックアウトだけでなく、特定の変異をノックインできる技術も開発されている。
相同組換えによるタンパク質工学では、2 つの親タンパク質間で断片を交換することによりキメラタンパク質が開発されます。これらの技術は、組換えによってタンパク質が三次構造、つまり三次元形状に折り畳まれる能力を維持しながら、高いレベルの配列多様性を導入できるという事実を利用しています。 [ 119 ]これは、ランダム点突然変異誘発 などの他のタンパク質工学技術とは対照的です。ランダム点突然変異誘発では、アミノ酸置換が増加するにつれてタンパク質の機能を維持する確率が指数関数的に低下します。[ 120 ]組換え技術によって生成されたキメラは、交換された親断片が構造的にも進化的にも保存されているため、 折り畳む能力を維持できます。これらの組換え可能な「構成要素」は、タンパク質の構造内の異なるアミノ酸間の物理的接触点などの構造的に重要な相互作用を維持します。SCHEMAや統計的結合解析などの計算手法を使用して、組換えに適した構造サブユニットを特定できます。[ 121 ] [ 122 ] [ 123 ]
相同組換えを利用した技術は、新しいタンパク質を設計するために使用されてきました。[ 121 ] 2007年に発表された研究では、研究者らは、ホルモン、視覚色素、特定のフェロモンなどを含む多様な化合物群であるイソプレノイドの生合成に関与する2つの酵素のキメラを作成することができました。キメラタンパク質は、イソプレノイド生合成（自然界で見られる最も多様な生合成経路の1つ）における必須反応を触媒する能力を獲得しましたが、これは元のタンパク質には存在しませんでした。 [ 124 ]組換えによるタンパク質工学は、ヒトにおいて薬物、食品添加物、保存料などの異物を解毒する役割を担うシトクロムP450ファミリー として知られるタンパク質群のメンバーに、新しい機能を持つキメラ酵素も生み出しました。[ 125 ]
相同組換え能を有する（HRP）がん細胞は、シスプラチンなどの化学療法によって引き起こされるDNA損傷を修復することができる。そのため、HRPがんの治療は困難である。相同組換えはc-Abl阻害によって標的にできることが研究で示唆されている。[ 126 ] [ 127 ] BRCA変異を有するがん細胞は相同組換えに欠陥があり、これらの欠陥を利用する薬剤が開発され、臨床試験で成功裏に使用されている。[ 128 ] [ 129 ] PARP1阻害剤であるオラパリブは、 HRに必要なBRCA1またはBRCA2遺伝子の変異によって引き起こされる乳がん、卵巣がん、前立腺がんの腫瘍を縮小または増殖を停止させた。 BRCA1またはBRCA2が欠損している場合、複製フォークの停止に対する塩基除去修復（BER）や二本鎖切断に対する非相同末端結合（NHEJ）など、他のタイプのDNA修復機構がHRの欠損を補う必要があります。 [ 128 ]オラパリブは、HR欠損細胞でBERを阻害することにより、合成致死の概念を適用して癌細胞を特異的に標的とします。PARP1阻害剤は癌治療への新しいアプローチですが、研究者らは、進行期転移癌の治療には不十分である可能性があると警告しています。[ 128 ] 癌細胞は、BRCA2の変異の欠失を起こすとPARP1阻害剤に耐性を持つようになり、癌細胞のHRによるDNA修復能力を回復させることで薬剤の合成致死が損なわれます。[ 130 ]
