核遺伝子

核遺伝子は、真核生物の細胞核内に物理的に位置する DNA ヌクレオチド配列を持つ遺伝子です。この用語は、細胞核に位置する核遺伝子を、ミトコンドリアや葉緑体にある遺伝子と区別するために使用されます。真核生物の遺伝子の大部分は核遺伝子です。

ミトコンドリアとプラスチドは、自由生活性の原核生物から細胞内共生進化を経て現在の細胞質小器官に進化した。^[1]ミトコンドリアは真核生物の存在に必要であると考えられている。細胞が必要とするエネルギーや ATP の大部分を供給するため、細胞の発電所として知られている。ミトコンドリアゲノム ( mtDNA ) は、宿主ゲノムとは別に複製される。ヒトの mtDNA は 13 種類のタンパク質をコードしており、そのほとんどは酸化的リン酸化(OXPHOS) に関与している。核ゲノムは残りのミトコンドリアタンパク質をコードしており、これらはミトコンドリアに輸送される。^[2]これらの小器官のゲノムは、自由生活性の先祖のものよりもはるかに小さくなっている。これは主に、原核生物の祖先から核ゲノムへの遺伝子の広範な移行と、その後の細胞小器官ゲノムからの遺伝子の除去によるものです。進化の時間スケールでは、細胞小器官DNAの核への継続的な侵入により、新しい核遺伝子が提供されてきました。^[1]さらに、ミトコンドリアは必要なタンパク質をすべて独立して生成できないため、必須タンパク質の生成には核遺伝子に依存しています。^[3]

細胞内では互いに分離しているものの、核遺伝子とミトコンドリアおよび葉緑体の遺伝子は、さまざまな方法で互いに影響を及ぼし合うことができます。核遺伝子は、葉緑体遺伝子とミトコンドリア遺伝子の発現において主要な役割を果たします。^[4]さらに、ミトコンドリアの遺伝子産物自体が細胞核内の遺伝子の発現に影響を及ぼす可能性があります。^[5]これは代謝物を介して行われることもあれば、ミトコンドリアから核に移行して遺伝子発現に影響を与える特定のペプチドを介して行われることもあります。 ^{[6] [7] [8]}

真核生物のゲノムは、遺伝子発現に関連する機能のために密接にパッケージ化された明確な高次クロマチン構造を持っています。クロマチンはゲノムを圧縮して細胞核に収まるようにしながら、遺伝子転写、複製、DNA修復などの必要なときに遺伝子にアクセスできるようにします。^[9] ゲノム機能全体は、核組織とゲノム組織に関与するメカニズムとの間の根本的な関係に基づいており、そこにはゲノム内の個々の遺伝子の発現に影響を及ぼす可能性のある複雑なメカニズムと生化学的経路が数多く存在します。^[9]残りのミトコンドリアタンパク質、代謝酵素、DNAおよびRNAポリメラーゼ、リボソームタンパク質、mtDNA調節因子はすべて核遺伝子によってコードされています。核遺伝子はすべての真核生物の遺伝的基礎を構成しているため、核遺伝子の遺伝子発現を変える可能性のあるものは何でも、生物の細胞遺伝子型と表現型に直接影響を及ぼします。^[2]核には核小体と呼ばれる多数の異なる核内焦点も含まれており、これは動的に制御された構造で、多くの核プロセスがより効率的に実行されるのを助けます。^{[9]例えば、活性遺伝子は染色体領域から移動し、}転写工場と呼ばれる核内焦点に集中する可能性があります。^[9]

細胞内のタンパク質の大部分は、核遺伝子から転写されたメッセンジャーRNAの産物であり、これには細胞小器官のタンパク質のほとんどが含まれます。これらのタンパク質は、すべての核遺伝子産物と同様に細胞質で生成され、その後細胞小器官に輸送されます。核内の遺伝子は染色体上に直線状に配置され、複製と遺伝子発現の調節の足場として機能します。そのため、遺伝子は通常、厳密なコピー数制御下にあり、細胞周期ごとに1回複製されます。^{[10]血小板などの核細胞は}核DNAを持たないため、タンパク質を生成するために必要なRNAの代替源が必要です。ヒトの核ゲノムは33億のDNA塩基対であり、核遺伝子の好例の1つはMDH1またはリンゴ酸脱水素酵素1遺伝子です。クエン酸回路を含む様々な代謝経路において、MDH1はNAD/ NADH依存性のリンゴ酸からオキサロ酢酸への可逆的な酸化を触媒する酵素をコードするタンパク質コード遺伝子である。この遺伝子は、リンゴ酸-アスパラギン酸シャトルに関与する細胞質アイソザイムをコードしており、これによりリンゴ酸はミトコンドリア膜を通過してオキサロ酢酸に変換され、さらなる細胞機能を遂行する。^[11]この遺伝子は、多くの遺伝子の中でも、生物の生理機能全体において非常に重要な役割を果たしている。非核遺伝子は機能的性質として存在する可能性があるが、非核遺伝子に応答し、協調する核遺伝子の役割は基本的である。

多くの核由来転写因子が呼吸鎖の発現に関与している。これらの因子はミトコンドリア機能の調節にも寄与している可能性がある。核呼吸因子（NRF-1）は、呼吸遺伝子をコードするタンパク質、生合成の律速酵素、ミトコンドリアDNA（mtDNA）の複製と転写の要素に融合する。2番目の核呼吸因子（NRF-2）は、シトクロムc酸化酵素サブユニットIV（COXIV）とVb（COXVb）の生産を最大化するために必要である。^[4]

種分化と遺伝的類似性の判定を目的とした遺伝子配列の研究は、現代の遺伝学の多くの用途の 1 つに過ぎず、そのプロセスにおいて両方のタイプの遺伝子が果たす役割は重要です。核遺伝子と共生器官内の遺伝子はどちらも生物の遺伝子構成を提供しますが、一方を他方と比較して観察すると、よりよく観察できる明確な特徴があります。ミトコンドリア DNA は、新しい種の発生時に最初に進化する傾向があるため、種分化の研究に役立ちます。これは、個別に調査および分析できる核遺伝子の染色体とは異なり、比較的最近進化した生物の種分化に関して、それぞれ独自の潜在的な答えを提供します。^[12]

植物の低コピー核遺伝子は、系統学的再構築を改善するのに貴重であり、特に葉緑体DNA（cpDNA）や核リボソームDNA（nrDNA）などのユニバーサルマーカーが不十分な場合に有用である。これらの遺伝子を使用する際の課題には、ユニバーサルマーカーの制限や遺伝子ファミリーの複雑さなどがある。しかし、これらは近縁種の関係を解明し、植物の系統学的研究を理解するために不可欠である。低コピー核遺伝子の使用には追加の実験室作業が必要であるが、シーケンシングおよびクローニング技術の進歩により、よりアクセスしやすくなった。これらの遺伝子の急速に進化するイントロンは、種の境界付近で重要な系統学的洞察を提供する可能性がある。このアプローチは、発達上重要な遺伝子の分析とともに、植物の多様性と進化の研究を強化する。^[13]

核遺伝子はすべての真核生物の遺伝的基礎であるため、その発現に影響を与えるものはすべて、細胞レベルでその生物の特性に直接影響を及ぼします。ミトコンドリアや葉緑体などの共生器官の遺伝子間の相互作用は、核ゲノムに作用する多くの要因のほんの一部にすぎません。