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点突然変異とは、生物のゲノムのDNAまたはRNA配列から単一のヌクレオチド塩基が変化、挿入、または削除される遺伝子突然変異のことです。 [ 1 ]点突然変異は、下流のタンパク質産物にさまざまな影響を与えます。その結果は、突然変異の詳細に基づいてある程度予測可能です。これらの結果は、タンパク質の生成、構成、および機能に関して、影響がない（同義突然変異など）ものから有害な影響（フレームシフト突然変異など）まで多岐にわたります。
点突然変異は通常、DNA複製中に起こります。DNA複製とは、二本鎖DNA分子から2本の一本鎖DNAが作られる過程であり、それぞれの一本鎖DNAが相補鎖を作るための鋳型となります。たった1つの点突然変異でも、DNA配列全体が変化する可能性があります。プリン塩基またはピリミジン塩基が1つ変化するだけで、そのヌクレオチドがコードするアミノ酸が変わることがあります。
点突然変異は、DNA複製中に起こる自然突然変異から生じる可能性があります。突然変異の速度は、変異原によって増加することがあります。変異原には、紫外線、X線、極度の熱などの物理的なもの、または塩基対の位置をずらしたり、DNAのらせん構造を破壊したりする分子などの化学的なものがあります。がんに関連する変異原は、がんやその予防法を解明するために研究されることがよくあります。
点突然変異が発生する経路は複数あります。まず、紫外線（UV）や高周波光は電離作用を持ち、DNAに影響を与える可能性があります。細胞代謝の副産物である活性酸素分子やフリーラジカルも、DNAに非常に有害です。これらの反応物質は、一本鎖DNAと二本鎖DNAの両方の切断を引き起こす可能性があります。さらに、DNAの結合は最終的に劣化するため、DNAの完全性を高い水準に保つことが困難になります。また、複製エラーによって置換、挿入、または欠失の突然変異が生じることもあります。
1959年、エルンスト・フリーゼは、さまざまな種類の点突然変異を分類するために「トランジション」または「トランスバージョン」という用語を考案しました。[ 2 ] [ 3 ]トランジションは、プリン塩基が別のプリンに置換されるか、ピリミジンが別のピリミジンに置換されるものです。トランスバージョンは、プリンがピリミジンに置換されるか、その逆です。トランジション（アルファ）とトランスバージョン（ベータ）の突然変異率には系統的な違いがあります。トランジション突然変異は、トランスバージョンの約10倍多く発生します。
ナンセンス変異には、ストップゲインとスタートロスがあります。ストップゲインは、翻訳の終了を知らせる早期終止コドン（ストップが獲得される）をもたらす変異です。この中断により、タンパク質は異常に短縮されます。失われたアミノ酸の数は、タンパク質の機能への影響、およびそもそも機能するかどうかを左右します。[ 4 ]ストップロスは、元の終止コドン（ストップが失われる）の変異であり、タンパク質のカルボキシル末端の異常な伸長をもたらします。スタートゲインは、元の開始部位の上流にAUG開始コドンを作成します。新しいAUGが元の開始部位の近くにあり、処理された転写産物内でインフレームであり、リボソーム結合部位の下流にある場合、翻訳を開始するために使用できます。その結果、元のタンパク質のアミノ末端にアミノ酸が追加される可能性が高いです。フレームシフト変異もスタートゲイン変異で発生する可能性がありますが、通常は元のタンパク質の翻訳には影響しません。開始コドンの消失は、転写産物のAUG開始コドンにおける点突然変異であり、タンパク質産生の減少または消失をもたらす。
ミスセンス変異は、異なるアミノ酸をコードします。ミスセンス変異はコドンを変化させ、異なるタンパク質を生成します。これは非同義置換です。[ 4 ]保存的変異はアミノ酸の変化をもたらします。しかし、アミノ酸の性質（疎水性、親水性など）は同じままです。タンパク質中の1つのアミノ酸の変化は、生物全体にとって有害ではない場合もあります。ほとんどのタンパク質は、機能が変化する前に1つまたは2つの点変異に耐えることができます。非保存的変異は、野生型とは異なる性質を持つアミノ酸の変化をもたらします。タンパク質は機能を失う可能性があり、その結果、生物に病気を引き起こす可能性があります。たとえば、鎌状赤血球症は、ベータヘモグロビン遺伝子の単一の点変異（ミスセンス変異）によって引き起こされ、GAGコドンがGUGに変換され、グルタミン酸ではなくアミノ酸バリンがコードされます。また、タンパク質は「機能獲得」を示したり活性化したりすることもあり、BRAF遺伝子のバリンがグルタミン酸に変化する変異がその一例です。これによりRAFタンパク質が活性化され、がん細胞で無制限の増殖シグナル伝達が引き起こされます。[ 5 ]これらはどちらも非保存的（ミスセンス）変異の例です。
サイレント変異は同じアミノ酸をコードします（「同義置換」）。サイレント変異はタンパク質の機能に影響を与えません。単一のヌクレオチドが変化する可能性がありますが、新しいコドンは同じアミノ酸を指定するため、変異していないタンパク質が生成されます。この種の変化は、古いコドンと新しいコドンが同じアミノ酸をコードしているため、同義置換と呼ばれます。これは、64個のコドンが20個のアミノ酸しか指定しないため可能です。ただし、異なるコドンは異なるタンパク質発現レベルにつながる可能性があります。[ 4 ]
点突然変異という用語は、単一の塩基対の挿入または欠失を説明するために使用されることがあります（ヌクレオチドは依然としてトリプレットとして読み取られますが、異なるフレームで読み取られるため、合成タンパク質に悪影響を及ぼします。これはフレームシフト突然変異と呼ばれる突然変異です）。[ 4 ]
非コード配列で発生する点突然変異は、例外はあるものの、ほとんどの場合、何の影響も及ぼしません。変異した塩基対が遺伝子のプロモーター配列にある場合、遺伝子の発現が変化する可能性があります。また、変異がイントロンのスプライシング部位で発生した場合、転写された前駆体mRNAの正しいスプライシングが阻害される可能性があります。
たった1つのアミノ酸を変えるだけで、ペプチド全体が変化し、ひいてはタンパク質全体が変化する可能性がある。この新しいタンパク質はタンパク質変異体と呼ばれる。元のタンパク質が細胞増殖に関与している場合、この単一の点変異によって、その生物の細胞増殖プロセス全体が変化する可能性がある。
点突然変異は、有益な形質や病気だけでなく、有害な形質や病気も引き起こす可能性があります。これは、生物が生息する環境に基づいて適応につながります。有利な突然変異は、その生物に有利な形質を生み出し、その形質が世代から世代へと受け継がれ、集団全体を向上させ、利益をもたらします。進化の科学理論は、細胞における点突然変異に大きく依存しています。この理論は、地球上の生物の多様性と歴史を説明します。点突然変異に関して、この理論は、有益な突然変異によって生物が繁栄し繁殖できるようになり、それによって、その好ましい影響を受けた突然変異遺伝子が次の世代に受け継がれると述べています。一方、有害な突然変異は、自然選択として知られる現象において、生物を死に至らしめたり、繁殖の可能性を低下させたりします。
突然変異によって生じる短期的および長期的な影響にはさまざまなものがあります。小さな影響としては、細胞周期がさまざまな段階で停止することが挙げられます。 これは、アミノ酸グリシンをコードするコドンが終止コドンに変化し、本来生成されるはずだったタンパク質が変形して、意図した機能を果たすことができなくなることを意味します。突然変異はDNA、ひいてはクロマチンに影響を与える可能性があるため、完全な染色体がないために有糸分裂が起こらなくなる可能性があります。DNAの転写と複製の過程でも問題が発生する可能性があります。これらはすべて細胞の増殖を妨げ、細胞死につながります。長期的な影響としては、染色体の永続的な変化があり、これが突然変異につながる可能性があります。これらの突然変異は有益な場合も有害な場合もあります。癌は、突然変異が有害である例です。[ 6 ]
DNAにおける点突然変異、すなわち一塩基多型のその他の影響は、遺伝子内の突然変異の位置によって異なる。例えば、突然変異が遺伝子のコード領域で発生した場合、コードされたタンパク質のアミノ酸配列が変化し、タンパク質の機能、局在、安定性、またはタンパク質複合体の変化を引き起こす可能性がある。ミスセンス突然変異がタンパク質に及ぼす影響を予測するための多くの方法が提案されている。機械学習アルゴリズムは、既知の疾患関連突然変異と中立突然変異を区別するようにモデルを訓練するが、他の方法は明示的にモデルを訓練しないものの、ほとんどすべての方法が進化的な保存性を利用し、保存された位置での変化はより有害である傾向があると仮定している。ほとんどの方法は突然変異の影響を有害と良性の二値分類で提供するが、これらの突然変異がなぜ、どのようにタンパク質に損傷を与えるのかを説明するには、新たなレベルの注釈が必要である。[ 7 ]
さらに、遺伝子の転写機構がタンパク質に結合する領域で突然変異が生じた場合、転写因子が認識する短いヌクレオチド配列が変化するため、転写因子の結合に影響を与える可能性があります。この領域の突然変異は遺伝子転写の効率に影響を与え、ひいてはmRNAレベル、ひいてはタンパク質レベル全般を変化させる可能性があります。
点突然変異は、タンパク質のアミノ酸配列のどの部分で突然変異が起こるかによって、タンパク質の挙動や複製に様々な影響を与える可能性があります。突然変異がタンパク質をコードする遺伝子の領域で起こると、アミノ酸が変化する可能性があります。アミノ酸配列のわずかな変化によって、タンパク質の機能、活性化（特定の酵素との結合様式）、細胞内でのタンパク質の局在、あるいはタンパク質内に蓄えられる自由エネルギー量などが変化する可能性があります。
遺伝子の転写機構がタンパク質に結合する領域で突然変異が起こると、転写因子がタンパク質に結合する方法に影響を与える可能性があります。転写機構は、短いヌクレオチド配列を認識することによってタンパク質に結合します。この領域の突然変異はこれらの配列を変化させ、その結果、転写因子がタンパク質に結合する方法を変える可能性があります。この領域の突然変異は、mRNAレベルとタンパク質全体のレベルの両方を制御する遺伝子転写の効率に影響を与える可能性があります。[ 8 ]
点突然変異（DNA配列における単一塩基の変化）は、ヒト疾患の最も一般的な分子的原因の一つです。これらの突然変異は、単一のヌクレオチドを変化させることで、あるアミノ酸を別のアミノ酸に置換したり、早期終止コドンを導入したり、正常なスプライシングシグナルを阻害したりします。点突然変異は、発生部位やコードされるタンパク質への影響の仕方によって、酵素活性を消失させたり、構造ドメインを不安定化させたり、調節相互作用を阻害したりする可能性があります。多くの遺伝性疾患では、単一のミスセンスまたはナンセンス置換が、一連の生化学的障害を引き起こし、早期発症または生涯にわたる症状につながるのに十分です。がんにおいては、体細胞点突然変異が腫瘍抑制遺伝子を不活性化したり、癌遺伝子を過剰活性化させたりすることで、制御不能な細胞増殖を促進します。
ヒトの遺伝子領域全体で、鎌状赤血球貧血や嚢胞性線維症のような比較的一般的な疾患から、世界中でごく少数の家族にしか影響しない極めてまれな症候群まで、数千もの点突然変異によって引き起こされる疾患がカタログ化されています。各疾患には独自の病態生理学的詳細がありますが、共通のテーマがあります。それは、遺伝子配列の正確な局所的変化が、より大きな染色体再編成やコピー数変化では不可能な方法でタンパク質の機能を損なう可能性があるということです。点突然変異は標的遺伝子検査に適していることが多いため、分子診断や個別化治療（例えば、変異酵素を安定化させる低分子）が、どのコドンが変化したかを正確に知ることに依存していることも示しています。以下の例は点突然変異によって引き起こされる疾患の多様性を示していますが、HGMDには30万を超えるこのような変異が記録されており、ClinVarには100万を超える変異が記録されており、ヒトの点突然変異の広範なスペクトルを反映しています。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]
複数の腫瘍抑制タンパク質の点突然変異は癌を引き起こす。例えば、腺腫性ポリポーシス大腸菌の点突然変異は腫瘍形成を促進する。[ 12 ]新しいアッセイである高速並列プロテオリシス（FASTpp）は、個々の癌患者における特定の安定性欠陥の迅速なスクリーニングに役立つ可能性がある。[ 13 ]
神経線維腫症は、ニューロフィブロミン1 [ 14 ] [ 15 ]またはニューロフィブロミン2遺伝子[ 16 ]の点突然変異によって引き起こされます。
鎌状赤血球貧血は、ヘモグロビンのβグロビン鎖における点突然変異によって引き起こされ、6番目の位置にある親水性アミノ酸であるグルタミン酸が疎水性アミノ酸であるバリンに置き換わる。
β-グロビン遺伝子は11番染色体の短腕に存在します。2つの野生型α-グロビンサブユニットと2つの変異型β-グロビンサブユニットが結合してヘモグロビンS（HbS）が形成されます。低酸素状態（例えば高地など）では、β-グロビン鎖の6番目の位置に極性アミノ酸がないため、ヘモグロビンの非共有結合重合（凝集）が促進され、赤血球が鎌状に変形し、弾力性が低下します。[ 17 ]
ヘモグロビンは赤血球に含まれるタンパク質で、体内で酸素を運搬する役割を担っています。[ 18 ]ヘモグロビンタンパク質は、ベータグロビンとアルファグロビンの2つのサブユニットから構成されています。[ 19 ] ベータヘモグロビンは、11番染色体11p15.5にあるHBB、つまり「ヘモグロビン、ベータ」遺伝子の遺伝情報から作られます。[ 20 ] 147個のアミノ酸からなるこのポリペプチド鎖の単一の点突然変異により、鎌状赤血球貧血として知られる疾患が発生します。[ 21 ] 鎌状赤血球貧血は常染色体劣性遺伝疾患で、アフリカ系アメリカ人の500人に1人が罹患しており、米国で最も一般的な血液疾患の1つです。[ 20 ]ベータグロビンの6番目のアミノ酸であるグルタミン酸がバリンに置換されることで、赤血球が変形します。これらの鎌状の赤血球は、正常な赤血球ほど多くの酸素を運ぶことができず、毛細血管に詰まりやすく、重要な臓器への血液供給を遮断します。ベータグロビンの単一ヌクレオチドの変化により、保因者が少しでも運動すると、激しい痛みや心臓発作を引き起こすことがあります。以下は、正常および異常な鎌状赤血球ポリペプチド鎖の最初の13個のアミノ酸を示す図です。[ 21 ]
テイ・サックス病の原因は、親から子へと受け継がれる遺伝子の欠陥です。この遺伝子の欠陥は、15番染色体にあるHEXA遺伝子に存在します。
HEXA遺伝子は、神経系で重要な役割を果たすβ-ヘキソサミニダーゼAと呼ばれる酵素の一部を生成します。この酵素は、神経細胞内のGM2ガングリオシドと呼ばれる脂肪物質を分解するのに役立ちます。HEXA遺伝子の変異はβ-ヘキソサミニダーゼAの活性を阻害し、脂肪物質の分解を妨げます。その結果、脂肪物質が脳と脊髄に致命的なレベルまで蓄積します。GM2ガングリオシドの蓄積は神経細胞に進行性の損傷を引き起こします。これがテイ・サックス病の兆候と症状の原因です。[ 22 ]
分子生物学では、反復配列誘発点突然変異（RIP）は、 DNAにG : CからA : Tへの遷移突然変異が蓄積するプロセスである。ゲノム証拠は、RIPがさまざまな真菌で発生している、または発生したことがあることを示している[ 23 ]一方、実験的証拠は、RIPがNeurospora crassa [ 24 ] 、Podospora anserina [ 25 ] 、 Magnaporthe grisea [ 26 ] 、Leptosphaeria maculans [ 27 ] 、 Gibberella zeae [ 28 ] 、Nectria haematococca [ 29 ]、およびPaecilomyces variotii [ 30 ]で活性であることを示している。Neurospora crassaでは、RIPによって突然変異した配列はしばしばde novoでメチル化される[ 24 ]。
RIPは、受精後、減数分裂DNA複製前の半数体核における有性生殖段階で起こる。[ 24 ] Neurospora crassaでは、少なくとも400塩基対の長さの反復配列がRIPの影響を受けやすい。ヌクレオチド同一性が80%程度低い反復配列もRIPの影響を受ける可能性がある。反復配列の認識と突然変異の正確なメカニズムはよく理解されていないが、RIPは反復配列が複数の遷移突然変異を受ける結果となる。
RIP変異は反復配列に限らないようです。実際、例えば植物病原性真菌L. maculansでは、RIP変異は反復配列に隣接する単一コピー領域に見られます。これらの領域は、非コード領域か、非病原性遺伝子を含む小さな分泌タンパク質をコードする遺伝子のいずれかです。これらの単一コピー領域内のRIPの程度は、反復配列への近接度に比例していました。[ 31 ]
レップとキーストラーは、トランスポゾンを含む高度に反復的な領域の存在が、常在エフェクター遺伝子の突然変異を促進する可能性があると推測している。[ 32 ]したがって、そのような領域内にエフェクター遺伝子が存在すると、強い選択圧にさらされたときに適応と多様化が促進されると考えられている。[ 33 ]
RIP変異は従来、反復領域に限定され、単一コピー領域には見られないことが観察されているため、Fudalら[ 34 ] は、RIP変異の漏出がRIPの影響を受ける反復配列から比較的短い距離内で発生する可能性があることを示唆した。実際、N. crassaでは、隣接する重複配列の境界から少なくとも930 bp離れた単一コピー配列でRIPの漏出が検出されたことが報告されている[ 35 ] 。RIP につながる反復配列の検出メカニズムを解明することで、隣接配列も影響を受ける可能性があることを理解できるかもしれない。
RIPは反復配列内でG : CからA : Tへの遷移変異を引き起こしますが、反復配列を検出するメカニズムは不明です。RIDはRIPに必須であることが知られている唯一のタンパク質です。これはDNAメチルトランスフェラーゼ様タンパク質であり、変異またはノックアウトするとRIPが失われます。[ 36 ] Aspergillus nidulansのridホモログであるdmtAの欠失は生殖能力の喪失をもたらします[ 37 ]。一方、Ascobolus immersensのridホモログであるmasc1の欠失は生殖能力の欠陥と減数分裂前メチル化誘導（MIP）の喪失をもたらします。[ 38 ]
RIPは、ゲノム内で侵入・増殖することで寄生虫に似た性質を持つ転移因子に対する防御機構として進化したと考えられている。RIPは、コード配列に複数のミスセンス変異とナンセンス変異を引き起こす。反復配列におけるGCからATへのこの超変異は、その配列の機能的な遺伝子産物（そもそも存在していた場合）を消失させる。さらに、Cを含むヌクレオチドの多くがメチル化され、転写が減少する。
RIPは反復配列の検出と変異に非常に効率的であるため、Neurospora crassaを研究している生物学者は、これを突然変異誘発のツールとして使用してきました。単一コピー遺伝子の2番目のコピーが最初にゲノムに導入されます。次に、菌類は交配して有性生殖サイクルを経てRIP機構を活性化する必要があります。1回の受精イベントからでも、重複した遺伝子内に多くの異なる変異が生じるため、通常はナンセンス変異による不活性化アレルやミスセンス変異を含むアレルが得られます。[ 39 ]
減数分裂という細胞分裂の過程は、1876年にオスカー・ヘルトヴィヒによって発見された。有糸分裂は、その数年後の1882年にヴァルター・フレミングによって発見された。
ヘルトヴィヒはウニを研究し、受精前には卵子に核が1つ、受精後には核が2つあることに気づいた。この発見は、1つの精子で卵子を受精させることができることを証明し、減数分裂の過程を証明した。ヘルマン・フォルは、複数の精子を卵子に注入した場合の影響をテストすることでヘルトヴィヒの研究を続け、1つ以上の精子ではこの過程が機能しないことを発見した。[ 40 ]
フレミングは1868年から細胞分裂の研究を始めた。この時期、細胞の研究はますます人気が高まっていた。1873年までに、シュナイダーはすでに細胞分裂の段階を記述し始めていた。フレミングは1874年と1875年にこの記述をさらに進め、段階をより詳細に説明した。彼はまた、核が棒状の構造に分離するというシュナイダーの発見に反論し、核は実際には糸状に分離し、それがさらに分離すると示唆した。フレミングは、細胞は細胞分裂、より具体的には有糸分裂によって複製されると結論付けた。[ 41 ]
マシュー・メセルソンとフランクリン・スタールは、 DNA複製を発見した功績で知られています。ワトソンとクリックは、DNAの構造から何らかの複製過程が存在することを示唆していると認めていました。しかし、ワトソンとクリック以降、DNAのこの側面に関する研究はあまり行われていませんでした。人々はDNAの複製過程を決定するためのあらゆる方法を検討しましたが、メセルソンとスタールが登場するまで成功したものはありませんでした。メセルソンとスタールは、DNAに重同位体を導入し、その分布を追跡しました。この実験を通して、メセルソンとスタールは、DNAが半保存的に複製されることを証明しました。[ 42 ]