転移因子

クラスI TEは2段階で複製されます。まず、DNAからRNAに転写され、生成されたRNAがDNAに逆転写されます。RNAからDNAへの変換は、TE自体にコードされていることが多い逆転写酵素と呼ばれる酵素によって促進されます。この新しく複製されたDNAは、新しい位置にゲノムに挿入されます。^{[ 10 ]}レトロトランスポゾンの特性は、 HIVなどのレトロウイルスに似ています。HIVは逆転写酵素を使用してRNAゲノムの二本鎖コピーを作成し、それを宿主細胞のゲノムに組み込みます。^{[ 11 ]}

レトロトランスポゾンが必須のDNA配列に自己挿入すると、重要な遺伝子が使用できなくなるという潜在的な悪影響があるにもかかわらず、レトロトランスポゾンは、さまざまな種のrDNAを世代を超えて無傷に保ち、不妊を防ぐ上で不可欠である。^{[ 12 ]}ショウジョウバエのR2レトロトランスポゾンは、標的rDNA内で複製する過程でエンドヌクレアーゼ活性により二本鎖切断を生成し、姉妹染色分体間の相同組換えによって切断を修復する。^{[ 13 ] [ 14 ]} 結果として生じる染色分体は、それぞれ異なる量のrDNAを持ち、標識されて、前駆細胞が娘幹細胞と生殖細胞前駆細胞に非対称分裂する際に、rDNAを多く持つ染色分体を受け取る娘幹細胞と、生殖細胞前駆細胞に分別分離される。^{[ 15 ]}

現在、レトロトランスポゾンは一般的に2つの主要なカテゴリーに分類されています。

• レトロウイルスに似た逆転写酵素をコードする長い末端反復配列（LTR）を持つレトロトランスポゾン。 ^{[ 16 ]}
• 長末端反復配列（非LTR）を持たないレトロトランスポゾンで、長鎖散在反復配列（LINE、LINE-1、またはL1）または短鎖散在反復配列（SINE）を含む。^{[ 17 ]}

長鎖散在核クラスターは逆転写酵素をコードし、 RNAポリメラーゼIIによって転写される。一方、SINEは逆転写酵素をコードせず、RNAポリメラーゼIIIによって転写される。^{[ 17 ]}

クラスII TEのカットアンドペースト転移機構にはRNA中間体は関与しない。^{[ 19 ]}転移は複数のトランスポザーゼ酵素によって触媒される。一部のトランスポザーゼはDNAの任意の標的部位に非特異的に結合するが、他のトランスポザーゼは特定の標的配列に結合する。トランスポザーゼは標的部位でずれた切断を行い粘着末端を生成し、DNAトランスポゾンを切り出して標的部位に連結する。DNAポリメラーゼは粘着末端から生じたギャップを埋め、DNAリガーゼは糖リン酸骨格を閉じる。これにより標的部位の重複が生じ、DNAトランスポゾンの挿入部位は短い直接反復配列（標的DNAのずれた切断がDNAポリメラーゼによって埋められる）とそれに続く逆反復配列（トランスポザーゼによるTE切除に重要）によって識別される。

切り貼り型トランスポゾンは、細胞周期のS期に転移が起こると、ドナー部位が既に複製されているがターゲット部位がまだ複製されていない場合に複製される可能性がある。ターゲット部位でのこのような重複は遺伝子重複を引き起こし、ゲノム進化において重要な役割を果たす。^{[ 20 ]： 284}

すべてのDNAトランスポゾンがカットアンドペースト機構を介して転移するわけではない。場合によっては、「複合トランスポゾン」が新しい標的部位に自己複製する複製転移が観察される（例：ヘリトロン）。^{[ 21 ]}

クラスII TEはヒトゲノムの2%未満を占めており、他のトランスポゾンはクラスIに分類される。^{[ 22 ]}

脊椎動物（ヒトを含む）細胞で使用するために設計された最初の合成トランスポゾンであるスリーピングビューティートランスポゾンシステムは、Tc1/マリナー型トランスポゾンです。その不活性（「化石」）バージョンはサケ科のゲノムに広く分布しており、それらのバージョンを比較することによって機能的なバージョンが設計されました。^{[ 39 ]}ヒトのTc1型トランスポゾンは、Hsmar1とHsmar2のサブファミリーに分けられます。どちらのタイプも不活性ですが、SETMAR遺伝子に見られるHsmar1のコピーの1つは、ヒストン修飾タンパク質のDNA結合を提供するため選択を受けています。^{[ 40 ]}他の多くのヒト遺伝子も同様にトランスポゾンに由来しています。^{[ 41 ]} Hsmar2は、化石配列から複数回再構築されています。^{[ 42 ]}

TEは遺伝子制御ネットワークに影響を与え、進化上の利点をもたらす可能性がある。^{[ 43 ]}散在反復配列は転移によって生成される。遺伝子変換を阻害できるため、新しい遺伝子配列が類似の遺伝子配列によって上書きされるのを防ぎ、新しい遺伝子の発達を促進する。TEは、脊椎動物の免疫系によって抗体の多様性を生み出す手段として利用されてきた可能性もある。V (D)J組換えシステムは、一部のTEと同様のメカニズムで機能する。TEはまた、RNA編集におけるADARの作用の基質として機能するdsRNAを形成できる反復配列を生成する役割も果たす。^{[ 44 ]}

トランスポゾン（TE）には、抗生物質耐性遺伝子や接合型プラスミドへの転移能を持つ遺伝子など、様々な種類の遺伝子が含まれる。また、一部のTEにはインテグロンと呼ばれる遺伝要素が含まれており、これは他の供給源から遺伝子を取り込んで発現させることができる。インテグロンにはインテグラーゼが含まれており、遺伝子カセットを組み込むことができる。カセット上には、40種類以上の抗生物質耐性遺伝子や病原性遺伝子が確認されている。

トランスポゾンは必ずしもその要素を正確に切除するとは限らず、隣接する塩基対を除去することもあります。これにより、エクソンシャッフリングと呼ばれるプロセスでエクソンが融合することがあります。無関係な2つのエクソンをシャッフリングすると、新しい遺伝子産物、あるいはより可能性が高いのはイントロンが生成されます。^{[ 45 ]}

植物に見られる非自律型DNAトランスポゾンの中には、遺伝子からコードDNAを捕捉し、ゲノム全体にシャッフルできるものがある。^{[ 46 ]}このプロセスによってゲノム内の遺伝子が複製され（トランスデュプリケーションと呼ばれる現象）、エクソンシャッフリングによって新しい遺伝子が生成される可能性がある。^{[ 47 ]}

TEは、細胞が遺伝子発現の調節に利用できるDNAの供給源となる可能性があるという仮説がある。研究によると、TEの多様な共進化様式と、TE関連ゲノム要素やクロマチンを標的とするいくつかの転写因子がTE配列から進化していることが示されている。ほとんどの場合、これらの特定の様式は、TEと宿主遺伝子発現の調節という単純なモデルには従わない。^{[ 48 ]}

ある研究では、特定のレトロトランスポゾンであるサッカロミセス・セレビシエのTy1エレメントの転移率を推定した。いくつかの仮定を用いると、単一のTy1エレメントあたりの転移成功率は、数か月に1回から数年に1回程度であることがわかった。^{[ 49 ]}一部のTEは熱ショック様プロモーターを含み、細胞がストレスを受けると転移率が上昇する^{[ 50 ]}ため、このような条件下で突然変異率が上昇し、細胞にとって有益となる可能性がある。

ある仮説では、LINE1関連配列はヒトゲノムの17%を占めているにもかかわらず、活性を持つのは約100個に過ぎないとされている。ヒト細胞では、LINE1配列のサイレンシングはRNA干渉（RNAi）機構によって引き起こされる。驚くべきことに、RNAi配列はLINE1の5'非翻訳領域（UTR）に由来し、長い末端が繰り返されている。LINE1転写のセンスプロモーターをコードする5' LINE1 UTRは、 siRNA産生の基質となるmiRNAのアンチセンスプロモーターもコードしていると考えられている。この領域におけるRNAiサイレンシング機構の阻害は、LINE1転写の増加を示した。^{[ 3 ] [ 51 ]}

細胞は、さまざまな方法でTEの増殖を防いでいる。これには、転写されたTEをサイレンシングするpiRNAやsiRNAが含まれる。 ^{[ 52 ]}

生物の大部分がTEで構成されている場合、TEの誤配置によって引き起こされる疾患は非常に一般的であると考えるかもしれないが、ほとんどの場合、TEはDNAメチル化、クロマチンリモデリング、piRNAなどのエピジェネティック機構によってサイレンシングされるため、表現型への影響やTEの移動はほとんど、あるいは全く起こらない。これは、一部の野生型植物TEの場合と同様である。特定の変異植物では、TEの転写を引き起こし、表現型に影響を与えるメチル化関連酵素（メチルトランスフェラーゼ）に欠陥があることがわかっている。^{[ 3 ] [ 53 ]}

新規反復配列の同定は、ゲノムの反復領域を見つけてこれらの反復配列を分類することを目的とした、配列データの初期スキャンです。新規反復配列の同定を実行するためのコンピュータプログラムは多数存在し、すべて同じ一般的な原理に基づいて動作します。^{[ 54 ]}短いタンデム反復配列は一般的に1～6塩基対の長さで、連続していることが多いため、その同定は比較的簡単です。^{[ 55 ]}一方、分散反復配列は、より長く、しばしば変異を獲得しているため、同定がより困難です。しかし、これらの反復配列は転移因子（TE）であることが多いため、同定することが重要です。^{[ 54 ]}

トランスポゾンのde novo同定には、次の3つのステップが含まれます。1) ゲノム内のすべての反復配列を見つける、2)各配列ファミリーのコンセンサス配列を作成する、3) これらの反復配列を分類する。最初のステップには、3つのアルゴリズムグループがあります。1つのグループはk-merアプローチと呼ばれ、k-merは長さkの配列です。このアプローチでは、ゲノムをスキャンして過剰に存在するk-mer、つまり確率のみに基づいて考えられるよりも頻繁に出現するk-merを探します。長さkは、検索対象のトランスポゾンの種類によって決まります。k-merアプローチでは、ミスマッチも許容され、その数はアナリストによって決定されます。一部のk-merアプローチプログラムはk-merをベースとして使用し、各反復k-merの両端を、それらの間に類似性がなくなるまで延長して、反復配列の端を示します。^{[ 54 ]}別のアルゴリズムグループは、配列自己比較と呼ばれる方法を採用しています。配列自己比較プログラムは、AB-BLASTなどのデータベースを使用して初期配列アライメントを実行します。これらのプログラムは部分的に重複する要素のグループを見つけるため、高度に分岐したトランスポゾンや、ゲノムの他の部分に小さな領域のみがコピーされたトランスポゾンを見つけるのに役立ちます。^{[ 56 ]}別のアルゴリズム群は周期性アプローチに従います。これらのアルゴリズムは、配列データに対してフーリエ変換を実行し、周期性、つまり周期的に繰り返される領域を特定し、結果として得られるスペクトルのピークを使用して候補反復要素を見つけることができます。この方法はタンデムリピートに最適ですが、分散リピートにも使用できます。ただし、処理が遅いため、ゲノム規模の解析には適していません。^{[ 54 ]}

新規反復配列の同定の第 2 段階は、各配列ファミリーのコンセンサス配列を作成することです。コンセンサス配列とは、TE ファミリーを構成する反復配列に基づいて作成される配列です。コンセンサス配列の塩基対は、コンセンサス配列を作成するために比較される配列の中で最も頻繁に出現する塩基対です。たとえば、50 個の反復配列からなるファミリーで、42 個が同じ位置に T 塩基対を持つ場合、その塩基対はその特定の位置でファミリー全体を代表しており、その位置でファミリーの祖先に見られる塩基対である可能性が最も高いため、コンセンサス配列もその位置に T を持ちます。^{[ 54 ]}各ファミリーのコンセンサス配列が作成されると、TE 分類やゲノムマスキングなどのさらなる解析に進み、ゲノム全体の TE 含有量を定量化することが可能になります。

転移因子は、近傍の遺伝子の発現レベルを調節する能力により、遺伝子適応を促進する有力な候補として認識されている。^{[ 57 ]}転移因子は「移動性」と相まって、状況に応じて標的遺伝子の隣に移動し、遺伝子の発現レベルを制御することができる。

2008年に実施された研究「ショウジョウバエにおける最近の転移因子誘発適応の高率」では、転移因子によって引き起こされる適応を研究するための基礎として、最近アフリカから世界の他の地域に移動したD. melanogasterが使用されました。ほとんどのTEはイントロンに位置していましたが、実験ではアフリカの集団と世界の他の地域の集団の間で遺伝子発現に有意な差があることが示されました。選択的掃去を引き起こした4つのTEは温帯気候のD. melanogasterでより多く見られ、研究者らは気候の選択圧が遺伝的適応を促したと結論付けました。^{[ 58 ]}この実験から、適応的TEは、生物が新たな選択圧の結果として遺伝子発現を適応させることを可能にすることで、自然界に広く存在することが確認されました。

しかし、適応的TEのすべての影響が個体群にとって有益であるとは限りません。2009年に実施された研究「ショウジョウバエの高度に保存された発生遺伝子座付近における最近の適応的転移因子の挿入」では、Jheh 2とJheh 3の間に挿入されたTEが、両方の遺伝子の発現レベルの低下を示しました。このような遺伝子のダウンレギュレーションにより、ショウジョウバエは発生時間の延長と卵から成虫までの生存率の低下を示しました。この適応はすべての非アフリカ個体群で高頻度で観察されましたが、いずれの個体群にも固定されませんでした。^{[ 59 ]}個体群がより高い卵から成虫までの生存率を好むのは論理的であるため、この特定のTE適応によって引き起こされる形質を排除しようとするのは当然のことなので、これは信じがたいことではありません。

同時に、TEによる有利な適応を示す報告もいくつかある。カイコを用いた研究「家畜カイコのEO遺伝子の調節領域への適応的転移因子挿入」では、脱皮ホルモン20Eを調節するEO遺伝子のシス調節領域にTE挿入が観察され、発現の増強が記録された。TE挿入のない個体群は飢餓条件下でホルモン20Eを効果的に調節できないことが多いが、挿入のある個体群はより安定した発達を示し、その結果、発達の均一性が高くなった。^{[ 60 ]}

これら3つの実験はいずれも、隣接遺伝子の発現レベルを調節することによって、トランスポゾン挿入が有利にも不利にもなり得る様々な方法を示した。適応型トランスポゾンの研究分野はまだ発展途上であり、今後さらなる発見が期待される。

最近の研究では、TEが転写因子の生成に寄与することが確認されています。しかし、この寄与のプロセスがゲノム制御ネットワークへの関与にどのように影響するかは不明です。TEはDNAの多くの領域でより一般的であり、ヒトDNA全体の45%を占めています。また、TEは転写因子結合部位の16%に寄与しています。非TE由来DNAにもより多くのモチーフが見つかり、その数はTE由来DNAよりも多いです。これらの要因はすべて、遺伝子制御ネットワークのさまざまな方法へのTEの直接的な関与と相関しています。^{[ 48 ]}