可動性遺伝要素

可動性遺伝要素（MGE）は、利己的遺伝要素とも呼ばれ、^[1]ゲノム内を移動したり、ある種またはレプリコンから別の種またはレプリコンに伝達されたりできる遺伝物質の一種です。MGE はすべての生物に存在します。ヒトでは、ゲノムの約 50% が MGE であると考えられています。 ^[2] MGE は進化において独特の役割を果たしています。遺伝子重複イベントは、MGE のメカニズムによっても発生する可能性があります。MGE はタンパク質コード領域の変異を引き起こし、タンパク質の機能を変化させることもあります。これらのメカニズムは、宿主ゲノム内の遺伝子を再配置して変異を生成することもできます。これらのメカニズムは、新しい機能や追加の機能を獲得することで適応度を高めることができます。進化の文脈における MGE の例としては、MGE の毒性因子と抗生物質耐性遺伝子が輸送され、近隣の細菌と遺伝コードを共有できることが挙げられます。ただし、MGE は病気の原因となる対立遺伝子や変異を導入することで適応度を低下させることもあります。^[3]生物中のMGEの集合はモビロームと呼ばれ、多数のプラスミド、トランスポゾン、ウイルスから構成されています。^[4]

• プラスミド: これらは一般に染色体 DNA とは独立して複製され伝達される環状の染色体外DNA分子である。これらの分子は原核生物(細菌および古細菌) に存在し、酵母などの真核生物にも存在することがある。プラスミドの適応度はその移動度によって決まる。プラスミドの適応度の第一の要素は DNA を複製する能力である。第二の適応度はプラスミドの水平伝播能力である。プラスミドは、その周期中に接合と呼ばれるプロセスを通じてある生物から別の生物へと遺伝子を運ぶ。プラスミドには通常、接合に必要な移動遺伝子のセットが含まれている。一部のプラスミドは膜関連交配対形成 (MPF) を採用している。独自の MPF 遺伝子を含むプラスミドは、自己伝達性または接合性であると見なされる。 ^[5]プラスミドはさらに移動可能なクラスと移動不可能なクラスに分けられる。細胞内で他の遺伝要素 MFP を使用するプラスミドは移動可能である。移動性はないが、形質導入や形質転換によって拡散するプラスミドは、非移動性プラスミドと呼ばれます。 ^{[5]プラスミドは、細菌}に抗生物質耐性を与える遺伝子を注入することがよくあります。 ^{[6] [5]}

• クローニングベクター：バクテリオファージとのハイブリッドプラスミドの一種で、DNAの転送と複製に使用されます。DNA断片は組み換えDNA技術によって挿入できます。生存可能なベクターは、それが運ぶDNA断片と一緒に複製できなければなりません。これらのベクターには、生物のゲノムに挿入する目的の遺伝子を含めることができます。例としては、コスミドやファージミドがあります。^[7]

• トランスポゾン：細胞ゲノムのさまざまな部分で移動および複製できるDNA配列です。「ジャンピング遺伝子」とも呼ばれ、共生する生物間で水平方向に移動できます。トランスポゾンはすべての生物と巨大ウイルスに存在します。^[8]

• DNAトランスポゾン：これらは、トランスポザーゼを使用してゲノム内のある位置から別の位置に直接移動するトランスポゾンであり、別の遺伝子座で切断および接着します。^[9]これらの遺伝要素は、トランスポザーゼによってDNAの4つの一本鎖部位で切断されます。中間トランスポゾンの最大の安定性を達成するために、ターゲットDNAで1つの一本鎖切断が発生します。同時に、ドナー鎖は切断後にターゲット鎖に連結され、ターゲット配列のどちらかの端に一本鎖のオーバーハングが残ります。これらの部位には通常、凝集末端を形成できる5〜9塩基対のオーバーハングが含まれます。^[10]次に、トランスポザーゼは配列を交差形成で保持し、ドナー鎖をターゲット鎖に連結します。複製トランスポゾンでDNAとトランスポザーゼの二重鎖によって形成される構造は、シャピロ中間体と​​して知られています。^[11] 5〜9塩基対のオーバーハングは、標的配列の両側に残されており、どちらの方向でも標的配列に結合できる。これらのオーバーハングの配列によって結合方向が決まる。^[10]部位特異的組換えが起こる前に、オリゴヌクレオチドの末端が埋められなければならない。これらの末端のライゲーションにより、転移因子の各末端に複製フォークが生成される。一本鎖置換により、ライゲーションされていない3'ヒドロキシル基からの合成が起こり、5'末端に隣接する長い一本鎖セクションが形成される。したがって、両方の複製フォークが転移因子の中心に近づくにつれて、反対の鎖は不連続に配列決定される。この結果、以前の5〜9塩基対のオーバーハングに挟まれた半保存転移因子を含む2つの組換え二重鎖が形成される。部位特異的な相互組換えは、タンパク質によって促進される2つの転移因子間で起こる。この相互複製は時間的に重なり合い、複製が完了する前に複製因子の重複セグメント間で起こる。^[10]結果として、標的分子には5～9塩基対の配列に挟まれた挿入要素が含まれる。これらの要素の転位により転位要素が複製され、転位要素は元の位置に残り、新しいトランスポゾンは相互複製部位に残る。これにより、生物のゲノム内の総塩基対が増加する。転位の発生は時間の経過とともに、また生物の加齢とともに増加する。

• レトロトランスポゾン: これらはゲノム内を移動するトランスポゾンであり、逆転写酵素によってRNAに転写され、その後DNAに転写されます。多くのレトロトランスポゾンは複製転位も示します。レトロトランスポゾンは真核生物にのみ存在します。^{[12]レトロトランスポゾンは、}長い末端反復配列（LTR）と非LTRトランスポゾンの2つの主要なタイプで構成されています。非LTRトランスポゾンは、長い散在核要素（LINE）と短い散在核要素（SINE）にさらに分類できます。^[13]これらのレトロトランスポゾンは、PIWI [P要素誘導弱小精巣]相互作用RNA（piRNA）と呼ばれる短い非コードRNAファミリーによって制御されます。^[14] piRNAは最近発見されたncRNAのクラスで、長さの範囲は約24〜32ヌクレオチドです。当初、piRNAはゲノムの転位配列などの反復要素に由来するため、反復関連siRNA（rasiRNA）として説明されていました。しかし、後にPIWIタンパク質を介して作用することが判明しました。ゲノムトランスポゾンの抑制における役割に加えて、RNAiを介したタンパク質コード遺伝子の3' UTRの調節、過去のトランスポゾン活動の記憶を伝える世代を超えたエピジェネティックな継承、RNA誘導性エピジェネティックサイレンシングなど、piRNAのさまざまな役割が最近報告されています。^[14]
• インテグロン：これらは通常、細菌のプラスミドやトランスポゾンに抗生物質耐性遺伝子を運ぶ遺伝子カセットです。 ^[15]
• イントロン：グループIおよびIIのイントロンは、触媒活性を持つヌクレオチド配列であり、宿主転写物の一部であり、tRNA、rRNA、およびタンパク質をコードする遺伝子に侵入できるリボザイムとして機能します。これらはすべての細胞生物とウイルスに存在します。^[16]
• イントロン：トランスポゾンに似た配列で、ゲノム内でジャンプして元の場所に新しいイントロンを残すことができる。真核生物の進化におけるイントロン増加の可能性のあるメカニズムとして指摘されており、全種の少なくとも5％に存在し、特に水生分類群では、これらの動物でより頻繁に発生する水平遺伝子移動のためである可能性がある。^{[17] [18]} 2009年に単細胞緑藻類ミクロモナスで初めて記述された。^[19]
• ウイルス因子：これらは主に細胞宿主内で複製する感染性の無細胞因子です。感染サイクル中に、ウイルス因子は遺伝子をある宿主から別の宿主へ運ぶことができます。また、ウイルス因子が 2 つ以上の異なる種に感染した場合は、遺伝子をある生物から別の生物へ運ぶこともできます。伝統的にこれらは別個の実体と考えられていますが、実際には、ウイルス因子の特性と進化を研究する多くの研究者は、これらを可動性遺伝要素と呼んでいます。これは、ウイルス因子が、他の非ウイルス性可動性遺伝要素と同様に、複製され、さまざまな宿主間で転送される単純な粒子または分子であるという事実に基づいています。この観点からすると、ウイルスやその他のウイルス因子は生物と見なされるべきではなく、可動性遺伝要素として考えるべきでしょう。ウイルス因子は、進化的にさまざまな可動性遺伝要素と関連しています。^[20]これらのウイルス因子は、他の生物の分泌または排出されたプラスミドから発生したと考えられています。トランスポゾンは、これらの要素がもともとどのように始まったのかについて洞察も提供します。この理論は、 1950年にバーバラ・マクリントックによって提唱された浮浪者仮説として知られています。^{[21] [1] [22] [4] [23]}
  • ウイルス：これらは遺伝物質（DNAまたはRNA）の分子で構成され、ビリオンと呼ばれる複雑な粒子を形成して宿主間を容易に移動できるウイルス因子です。ウイルスはすべての生物に存在します。ウイルス粒子は、水平伝播のために宿主の複製機構によって製造されます。^{[20] [21] [24]}
  • サテライト核酸：これはDNAまたはRNA分子であり、特定のヘルパーウイルスのウイルス粒子に密航者としてカプセル化されており、複製するためにはこれらのウイルス粒子に依存しています。これらはヘルパーウイルスの遺伝要素と見なされることもありますが、必ずしもヘルパーウイルス内に存在するわけではありません。^{[20] [21] [25]}
  • ウイロイド：これらは、植物に感染して増殖する小さな環状RNA分子からなるウイルス因子である。これらの可動性遺伝要素は、保護タンパク質コーティングを持たない。特に、これらの可動性遺伝要素は被子植物に見られる。^{[20] [21] [26]}
  • 内因性ウイルス要素：細胞のゲノムに組み込まれたウイルス核酸です。宿主細胞内で病気や突然変異を引き起こすことなく移動し、複数回複製することができます。トランスポゾンの自律的な形態であると考えられています。例としては、プロウイルスや内因性レトロウイルスがあります。^[27]

細菌や古細菌のCRISPR-Casシステムは、MGEによる致命的な結果から身を守る適応免疫システムです。比較ゲノムおよび系統発生解析を使用して、研究者はCRISPR-Casバリアントが転移因子などの異なるタイプのMGEに関連していることを発見しました。CRISPR関連トランスポゾンでは、CRISPR-Casが転移因子の伝播を制御します。^[28]

水平伝播によるプラスミドなどのMGEは、一般的に生物にとって有益です。プラスミドを伝達する能力（共有）は、進化の観点から重要です。タジーマンとボンヘッファーは、伝達されたプラスミドを新しい生物に固定する（受け取る）ことは、それらを伝達する能力と同じくらい重要であることを発見しました。^[29]有益な希少で伝達可能なプラスミドは固定確率が高いのに対し、有害な伝達可能な遺伝要素は宿主生物にとって致命的であるため、固定確率は低くなります。

MGEの一種である統合接合要素（ICE）は、水平遺伝子伝達において中心的な役割を果たし、原核生物のゲノムを形成し、新たな適応形質の急速な獲得を可能にします。^{[30] [31]}

ICEの代表的な例として、ICE Bs1は、枯草菌の全体的なDNA損傷SOS応答における役割がよく特徴付けられています^[32] 。また、宇宙船のクリーンルーム施設から分離されたバチルス・プミルスSAFR-032胞子^{[33]の放射線および乾燥耐性との潜在的な関連性も知られています。 [34] [35] [36]}

転移因子による転位は変異誘発性である。したがって、生物は転位イベントを抑制するように進化しており、イベントを抑制できないと体細胞にがんが発生する。Cecco らは、マウスでは若齢期にはレトロ転移因子の転写は最小限であるが、高齢になると転写レベルが上昇することを発見した。^[37]この年齢依存的な転移因子の発現レベルは、カロリー制限食によって低下する。転移因子の複製により、ゲノムに繰り返し配列が追加されることが多い。これらの配列は多くの場合非コード配列であるが、DNA のコード配列に干渉する可能性がある。トランスポゾンは本質的に変異誘発性であるが、転位する生物のゲノムを増加させる。これらの要素が、生物が多様性を生み出すために使用する迅速な適応ツールとしてどのように機能するかについて、さらに研究を行う必要がある。多くの転移因子は休眠状態であるか、活性化を必要とする。また、自身の転位機構をコードする転移因子をコード配列と見なすと、DNA のコード配列の現在の値はより高くなることにも留意する必要がある。

研究されている他の例としては、マーベリックス^{[38] [39] [40]、}スターシップ^{[41] [40]}、スペースインベーダー（またはSPIN）^{[42] [43]などがある。}

可動性遺伝因子の影響により転写パターンが変化し、免疫疾患、乳がん、多発性硬化症、筋萎縮性側索硬化症などの遺伝性疾患を引き起こすことが多い。ヒトでは、ストレスにより内因性レトロウイルスなどのMGEのトランザクション活性化が起こり、この活性化は神経変性と関連している。^[44]

ゲノム内のすべての可動遺伝要素の合計は、モビロームと呼ばれることがあります。

バーバラ・マクリントックは「可動性遺伝因子（転移因子）の発見」により1983年の ノーベル生理学・医学賞を受賞した。^[45]

可動性遺伝要素は細菌間での外毒素や外酵素などの毒性因子の拡散に重要な役割を果たしている。これらの特定の毒性因子と可動性遺伝要素を標的にして特定の細菌感染症と戦う戦略が提案されている。^[46]

• ACLAME (可動性遺伝要素の分類) データベース
• 遺伝子の誕生
• エクソンシャッフル
• 遺伝子融合
• 遺伝子の重複
• 水平遺伝子伝達
• 毒性因子
• ミニチュア逆位反復転移因子(MITE)

• Miller WJ、Capy P、編 (2004)。「モバイル遺伝要素：プロトコルとゲノムアプリケーション」。Humana Press。ISBN 978-1-58829-007-6。
• Shapiro JA編 (1983)。『可動性遺伝要素』。Academic Press。ISBN 978-0-12-638680-6。