減数分裂の起源と機能

原核生物の性では、ある原核生物のDNAが別の原核生物に取り込まれ、その情報が受容側の原核生物のDNAに組み込まれる。現存する原核生物では、ドナーDNAは形質転換または接合によって伝達される。^{[ 2 ] [ 3 ]}ある原核生物のDNAが周囲の培地に放出され、その後別の原核細胞に取り込まれる形質転換は、最も初期の性的相互作用の形態であった可能性がある。減数分裂がどのように発生したかについての理論の1つは、形質転換から進化したというものである。 ^{[ 2 ]}この見解によれば、原核生物の性から真核生物の性への進化的な移行は連続的であった。

形質転換は、減数分裂と同様に、多数の遺伝子産物の機能を必要とする複雑なプロセスです。原核生物の有性生殖と真核生物の有性生殖の重要な共通点は、2つの異なる個体（親）由来のDNAが結合し、相同配列が互いに整列し、その後、遺伝情報の交換（遺伝子組換えと呼ばれるプロセス）が行われることです。新しい組換え染色体が形成されると、それは子孫に受け継がれます。

異なる親由来のDNA分子間で遺伝子組換えが起こる場合、原核生物と真核生物では、同様の機能を持ち進化的に関連のある酵素によって組換えプロセスが触媒される。細菌でこのプロセスを触媒する最も重要な酵素の1つはRecAと呼ばれ、この酵素には真核生物の減数分裂で作用する機能的に類似した2つの相同体、RAD51とDMC1がある。^{[ 5 ]}

減数分裂が原核生物の変異から生じたという説を支持する証拠は、初期に分岐した真核生物の系統が減数分裂の中核遺伝子を持っているという証拠が増えていることから得られています。これは、減数分裂の前駆物質がすでに真核生物の原核生物の祖先に存在していたことを示唆しています。例えば、一般的な腸内寄生虫であるランブル鞭毛虫（Giardia intestinalis）は、単純な真核生物の原生動物ですが、最近まで、性を持たない初期に分岐した真核生物の系統から派生したと考えられていました。しかし、その後、ランブル鞭毛虫のゲノムには、減数分裂で機能する遺伝子の中核セットが含まれており、その中には減数分裂でのみ機能する遺伝子が5つ含まれていることが示されました。^{[ 6 ]}さらに、ランブル鞭毛虫は最近、減数分裂遺伝子の相同体を含む特殊な性のようなプロセスを経ることが発見されました。^{[ 7 ]}この証拠、および他の同様の例は、原始的な減数分裂がすべての真核生物の共通祖先に存在していたことを示唆している。この祖先は、先行する原核生物から生じたものである。^{[ 2 ] [ 8 ]}

有糸分裂は、減数分裂とは対照的に、真核生物における細胞分裂の通常のプロセスであり、染色体を複製し、2つのコピーのうちの1つを2つの娘細胞それぞれに分配します。有糸分裂説では、減数分裂は有糸分裂から進化したとされています。^{[ 9 ]} この説によれば、初期の真核生物は最初に有糸分裂を進化させ、確立し、その後で減数分裂と有性生殖が生じたとされています。

この考えを裏付けるものとして、細胞分裂時に染色体セットを別々の娘細胞に引き込む減数分裂紡錘体などの特徴や、同じまたは類似の分子機構を用いる細胞分裂を制御するプロセスなどが観察されている。しかし、真核生物の初期進化において、減数分裂とそれに伴う生殖能力がまだ存在していなかった時期があったことを示す決定的な証拠はない。

さらに、ウィルキンスとホリデーが指摘しているように^{[ 9 ]} 、減数分裂には有糸分裂にはない4つの新しいステップが必要である。これらは、(1)相同染色体の対合、(2)相同染色体間の広範な組換え、(3)第一減数分裂における姉妹染色分体分離の抑制、(4)第二減数分裂中の染色体複製の回避である。これらのステップの導入は複雑に思えるが、ウィルキンスとホリデーは、相同染色体のシナプシスという1つの新しいステップだけが、有糸分裂から減数分裂への進化において特に開始されたと主張している。一方、他の2つの新しい特徴は単純な修正であった可能性があり、広範な組換えは後になって進化した可能性がある。^{[ 9 ]}

減数分裂が原核生物の形態変化から生じたとすれば、真核生物の初期進化の過程で、有糸分裂と減数分裂は並行して進化してきた可能性がある。どちらの過程も共通の分子構成要素を使用しており、有糸分裂は原核生物がDNA複製と分離に用いる分子機構から進化し、減数分裂は原核生物の有性生殖過程である形態変化から進化した。しかし、減数分裂もまた、進化しつつあったDNA複製と分離のための分子機構を利用していた。

豊富な証拠は、任意有性生殖真核生物がストレス条件下で有性生殖を行う傾向があることを示している。例えば、出芽酵母Saccharomyces cerevisiae (単細胞真菌) は、栄養が豊富なときは二倍体細胞として有糸分裂 (無性生殖) で増殖するが、飢餓状態では減数分裂 (有性生殖) に切り替わる。^{[ 10 ]} 単細胞緑藻Chlamydomonas reinhardtii は、栄養豊富な培地で栄養細胞として増殖するが、培地中の窒素源が枯渇すると配偶子融合、接合子形成、減数分裂が起こる。^{[ 11 ]} 分裂酵母Schizosaccharomyces pombe は_{、酸化ストレスを引き起こすH2O2}で処理すると、減数分裂を行う細胞の割合が大幅に増加する。^{[ 12 ]} 単純な多細胞真核生物であるボルボックス・カルテリは、酸化ストレス^{[ 13 ]}または熱ショックによるストレス^{[ 14 ]}に応答して有性生殖を行う。これらの例やその他の例は、単純な単細胞および多細胞真核生物において、減数分裂はストレスに応答するための適応であることを示唆している。

原核生物の有性生殖もまた、ストレスへの適応であるように思われる。例えば、枯草菌ではアミノ酸が制限因子となる対数増殖期の終わりに形質転換が起こる[ ^{15 ]} 。また、インフルエンザ菌では細胞が対数増殖期の終わりまで増殖すると形質転換が起こる^{[ 16} ]。ミュータンス連鎖球菌やその他の連鎖球菌 では、形質転換は細胞密度の高さとバイオフィルム形成に関連している[17]。^{肺炎連鎖球菌で}は 、形質転換はDNA損傷剤であるマイトマイシンCによって誘導される^{[ 18 ]。これら}の例やその他の例は、単純な真核生物の減数分裂と同様に、原核生物の有性生殖もストレス条件への適応であることを示している。この観察結果は、真核生物の減数分裂を維持する自然選択圧が、原核生物の有性生殖を維持する選択圧と類似していることを示唆している。この類似性は、原核生物から真核生物への性の進化において、断絶ではなく連続性があったことを示唆している。

しかし、ストレスは一般的な概念です。減数分裂によって克服されるべきストレスの具体的な側面とは何でしょうか？また、ストレスの多い状況下での生存率を高める減数分裂の具体的な利点とは何でしょうか？

ある説によれば、減数分裂は主にDNA損傷を修復するための適応である。環境ストレスは細胞内で酸化ストレスを引き起こすことが多く、これは活性酸素種（ROS）と呼ばれる活性酸素の生成を通じてDNA損傷を引き起こすことがよく知られている。DNA損傷は、修復されない場合、DNA複製や必須遺伝子の転写を阻害することで細胞を死に至らしめる可能性がある。

DNAの片方の鎖だけが損傷した場合、通常は損傷した配列を除去し、二重らせんの反対側の無傷の鎖からコピーして生じたギャップを埋める修復プロセスによって、失われた情報（ヌクレオチド配列）を回復できます。しかし、ROSは修復が困難なタイプの損傷も引き起こします。これは二本鎖損傷と呼ばれます。二本鎖損傷の一般的な例の1つは、二本鎖切断です。この場合、損傷した領域の両方の鎖から遺伝情報（ヌクレオチド配列）が失われ、適切な情報は、損傷した染色体と相同な別の無傷の染色体からのみ得られます。細胞がこの種の修復を正確に行うために使用するプロセスは、組換え修復と呼ばれます。

減数分裂は、相同染色体の整列とその後のそれらの間の組換えが減数分裂の中心的な特徴であるという点で有糸分裂とは異なります。対合する2つの染色体は、親染色体の複製から単純に生じたものではないため、非姉妹染色体と呼ばれます。減数分裂における非姉妹染色体間の組換えは、二本鎖切断やその他のタイプの二本鎖損傷を修復できる組換え修復プロセスであることが知られています。 ^{[ 2 ]} 対照的に、姉妹染色体間の組換えは、それらを生み出した複製以前に発生した二本鎖損傷を修復することはできません。したがって、この見解では、減数分裂の適応上の利点は、ストレス、特に酸化ストレスの結果として発生する、そうでなければ修復が困難なDNA損傷の組換え修復を促進することです。^{[ 19 ] [ 20 ]}修復されないまま放置すると、この損傷は配偶子にとって致命的となり、生存可能な子孫の生産を阻害する可能性が高い。

ヒトのような多細胞真核生物においても、酸化ストレスは細胞生存にとって問題となる。この場合、酸化ストレスは、すべての細胞で代謝中に起こる酸化的細胞呼吸の副産物である。ヒトでは、平均して、各細胞世代で細胞あたり約50個のDNA二本鎖切断が発生する。^{[ 21 ]} 非姉妹染色体間の組換え修復を促進する減数分裂は、生殖細胞に受け継がれるDNAのこれらの一般的な損傷を効率的に修復し、結果としてヒトの生殖能力の喪失を防ぐことができる。したがって、減数分裂が原核生物の性から生じたという理論では、組換え修復は、単細胞真核生物とヒトのような多細胞真核生物の両方において減数分裂の選択的利点である。

この仮説に対する反論としては、組換えを含む適切な修復機構が原核生物に既に存在していることが挙げられる。^{[ 22 ]}原核生物は組換えを豊富に含むDNA修復機構を持っている。al修復^{[ 23 ]} 、および過酷な環境における原核生物の存在は、環境に関連する多くのDNA損傷から生き残るのに役立つこのメカニズムの極めて高い効率性を示しています。これは、減数分裂の形で余分なコストのかかる修復が不要であることを意味します。しかし、これらのメカニズムのほとんどは減数分裂ほど正確ではなく、減数分裂によって提供される修復メカニズムよりも変異誘発性が高い可能性があります。これらは主に、より広範な修復を促進する組換えのために2番目の相同染色体を必要としません。したがって、姉妹染色分体を含む組換え修復の効率性にもかかわらず、修復はまだ改善する必要があり、別のタイプの修復が必要です。^{[ 24 ]}さらに、減数分裂における相同組換え修復は有糸分裂における修復と比較してより広範囲であるため、修復メカニズムとしての減数分裂は、有糸分裂修復メカニズムよりも正確に細胞周期のどの段階で発生する損傷も除去することができ^{[ 25 ]}、したがって自然選択されました。対照的に、有糸分裂組換えにおける姉妹染色分体は同様の量のストレスにさらされている可能性があり、そのため、このタイプの組換えは、損傷を除去する代わりに、実際に損傷を広げて適応度を低下させる可能性がある^{[ 24 ]}。

雌の哺乳類や鳥類は、将来の排卵に必要なすべての卵母細胞を持って生まれ、これらの卵母細胞は減数分裂の前期I段階で停止します。^{[ 26 ]} 例えば、ヒトでは、卵母細胞は胎児内で妊娠3～4ヶ月の間に形成され、出生時に存在します。この前期I停止段階（ジクチオテ）は何年も続くことがあり、その間、卵母細胞にはゲノムの4コピーが存在します。4コピーのゲノム段階での卵母細胞の停止は、生殖細胞系列のDNAの損傷を修復するために必要な情報冗長性を提供するためであると提唱されています。^{[ 26 ]} 使用される修復プロセスは、相同組換え修復を伴うと考えられます。^{[ 26 ] [ 27 ]}前期停止卵母細胞は、DNA損傷を効率的に修復する高い能力を持っています。^{[ 27 ]} 減数分裂中のDNA修復能力の適応機能は、女性生殖細胞系列における重要な品質管理メカニズムであり、生殖能力の重要な決定要因であると考えられる。^{[ 27 ]}

減数分裂の機能を説明するもう 1 つの仮説は、ストレスが環境が悪化していることを細胞に知らせる信号であるというものです。この新しい状況下では、遺伝的構成が親と異なる子孫を生み出すことが有益である可能性があります。これらの多様な子孫の中には、親よりも変化した状況に適応しているものもあるかもしれません。減数分裂は、染色体が整列した後に染色体対間で遺伝情報が交換される（組換え）ことによって、二倍体細胞に遺伝的変異を生み出します。したがって、この見解では、^{[ 28 ]}減数分裂の利点は、子孫の間でゲノムの多様性を生み出し、環境の不利な変化に適応することを可能にすることです。

しかし、比較的安定した環境下では、生殖年齢まで生き残った個体は、現在の環境で十分に機能するゲノムを持っている。そうなると、なぜそのような個体は、減数分裂時の遺伝子組み換えのように、他の個体の遺伝子と組み換えるリスクを冒す必要があるのか​​という疑問が生じる。こうした考察から、多くの研究者は、遺伝的多様性が性の主要な適応上の利点であるのかどうか疑問を呈している。