反復配列（DNA）

反復配列（反復要素、反復単位、反復とも呼ばれる）は、ゲノム全体に複数回出現する短いまたは長いパターンである。多くの生物において、ゲノムDNAのかなりの部分が反復しており、ヒトでは配列の3分の2以上が反復要素で構成されている。^{[1]これらの反復配列の一部は、}テロメアやセントロメアなどの重要なゲノム構造を維持するために必要である。^[2]

反復配列は、構造、長さ、位置、起源、増殖モードなどの特徴に応じて、さまざまなクラスに分類されます。ゲノム全体の反復要素の配置は、タンデムリピートと呼ばれる直接隣接する配列、または散在リピートと呼ばれるゲノム全体に分散したリピートのいずれかで構成されます。^[3]タンデムリピートと散在リピートは、反復配列の長さや増殖モードに基づいてさらにサブクラスに分類されます。

反復 DNA 配列の中には細胞の機能やゲノム維持に重要なものもありますが、他の反復配列は有害となる可能性があります。多くの反復 DNA 配列は、ハンチントン病やフリードライヒ運動失調症などのヒトの疾患に関連しています。一部の反復要素は中立的であり、転座や交差の発生方法に応じて特定の配列の選択がない場合に発生します。^[2]ただし、中立反復の多さは、時間の経過とともに蓄積されるため、依然としてゲノムの進化に影響を与える可能性があります。全体として、反復配列はヒトの疾患やゲノムの進化に関する洞察を提供できるため、重要な焦点領域です。^[2]

1950年代、バーバラ・マクリントックは初めてDNA転位を観察し、コールド・スプリング・ハーバー・シンポジウムでセントロメアとテロメアの機能を説明した。 ^[4]マクリントックの研究は、転位、セントロメア構造、テロメア構造はすべて反復要素を通じて可能であるが、当時は完全には理解されていなかったため、反復配列の発見の土台を築いた。「反復配列」という用語は、 1968年にロイ・ジョン・ブリッテンとDEコーネによって初めて使用され、彼らはDNAの再結合に関する実験を通じて、真核生物ゲノムの半分以上が反復DNAであることを発見した。^[5]反復DNA配列は保存されており、遍在していたが、その生物学的役割はまだわかっていなかった。 1990年代には、ミニサテライトおよびマイクロサテライト反復配列がDNAに基づく法医学および分子生態学において重要であることから、その進化のダイナミクスを解明するための研究がさらに行われました。DNA分散反復配列は、遺伝的変異および調節の潜在的な原因としてますます認識されるようになりました。有害な反復DNA関連疾患の発見は、この研究分野へのさらなる関心を刺激しました。^[6] 2000年代には、真核生物ゲノム全体の配列決定データにより、反復領域によってコード化されているさまざまなプロモーター、エンハンサー、および調節RNAの特定が可能になりました。今日、反復DNA配列の構造的および調節的役割は、依然として活発な研究分野です。

多くの反復配列は、機能しない、転移因子の腐敗した残骸である可能性が高く、これらは「ジャンク」または「利己的な」DNAと呼ばれています。^{[7] [8] [9]}ただし、時折、いくつかの反復が他の機能に適応することがあります。^[10]

タンデムリピートは、ゲノム内で互いに直接隣接している反復配列です。^[11]タンデムリピートは、反復配列を構成するヌクレオチドの数と、配列が繰り返される回数が異なる場合があります。反復配列の長さが2〜10ヌクレオチドの場合、反復はショートタンデムリピート（STR）またはマイクロサテライトと呼ばれます。^[12]反復配列の長さが10〜60ヌクレオチドの場合、反復はミニサテライトと呼ばれます。^[13]ミニサテライトとマイクロサテライトの場合、単一の遺伝子座での配列の反復回数は、2回から数百回の範囲になります。

タンデムリピートはゲノムにおいて多種多様な生物学的機能を持っています。例えば、ミニサテライトは真核生物の減数分裂相同組換えのホットスポットとなることがよくあります。 ^[14]組換えとは、2つの相同染色体が整列し、切断され、再結合して断片を交換することです。組換えは遺伝的多様性の源として、損傷したDNAを修復するメカニズムとして、また減数分裂における染色体の適切な分離に必要なステップとして重要です。^[14]反復配列DNAの存在により、相同領域が整列しやすくなり、組換えがいつどこで起こるかを制御できます。

タンデムリピートは組換えにおいて重要な役割を果たすだけでなく、ゲノムにおいて構造的にも重要な役割を果たします。例えば、テロメアは主にタンデムTTAGGGリピートで構成されています。^{[15]これらのリピートは高度に組織化された}G四重鎖構造に折り畳まれ、染色体DNAの末端を分解から保護します。^[16]反復要素は染色体の中央にも豊富に含まれています。セントロメアは染色体の非常にコンパクトな領域で、姉妹染色分体を結合し、細胞分裂中に有糸分裂紡錘体が姉妹染色分体を付着および分離できるようにします。^[17]セントロメアは、αサテライトリピートと呼ばれる177塩基対のタンデムリピートで構成されています。^[16]セントロメアを取り囲み、構造維持に重要なDNAであるペリセントロメリックヘテロクロマチンは、α、β、γサテライト、HSATII、HSATIII、sn5リピートを含むさまざまなサテライトサブファミリーの混合物で構成されています。^[18]

上で述べたような構造的役割を持つ反復配列の中には、生物学的に適切な機能を果たすために必要な役割を果たすものがあります。他のタンデムリピートは、病気を引き起こす有害な役割を果たします。しかし、他の多くのタンデムリピートの機能は未知であるか、十分に理解されていません。^[19]

散在反復配列は、ゲノム全体のさまざまな場所に見られる同一または類似の DNA 配列です。^[20]散在反復配列は、反復配列が互いに直接隣接しておらず、異なる染色体間に散在していたり​​、同じ染色体上で遠く離れていたりする点で、タンデム反復配列と区別されます。散在反復配列のほとんどは、ゲノム内のさまざまな場所に「切り取って貼り付ける」または「コピーして貼り付ける」ことができる可動配列である転位要素(TE) です。 ^[21] TE は、もともと移動能力があるため「ジャンピング遺伝子」と呼ばれていましたが、すべての TE が個別の遺伝子であるとは限らないため、この用語はやや誤解を招きます。^[22]

RNAに転写され、DNAに逆転写され、その後ゲノムに再統合される転移因子は、レトロトランスポゾンと呼ばれます。 [ ^21]タンデムリピートが繰り返し配列の長さに基づいてさらに細分化されるのと同様に、レトロトランスポゾンには多くの異なるタイプがあります。長い散在核要素（LINE）は、通常、3〜7キロベースの長さです。^[23]短い散在核要素（SINE）は通常、100〜300塩基対で、600塩基対以下です。^[23]長末端反復レトロトランスポゾン（LTR）は、レトロトランスポゾンの3番目の主要なクラスであり、反復の末端として高度に反復的な配列が特徴です。^[21]転移因子が中間体としてRNAを経由しない場合、DNAトランスポゾンと呼ばれます。^[21]他の分類システムでは、レトロトランスポゾンを「クラスI」、DNAトランスポゾンを「クラスII」転移因子と呼んでいます。^[22]

転移因子はヒトゲノムの45%を占めると推定されている。^[24]転移因子の制御されない増殖はゲノムに大混乱をもたらす可能性があるため、DNAメチル化、ヒストン修飾、低分子干渉RNA（siRNA）を含む非コードRNA（ncRNA）、クロマチンリモデラー、ヒストンバリアント、その他のエピジェネティック因子など、転移因子の拡散を抑制するための多くの制御メカニズムが発達してきた。^[22]しかし、転移因子は多種多様な重要な生物学的機能を果たしている。ウイルスなどから転移因子が新しい宿主に導入されると、遺伝的多様性が増加する。^[22]場合によっては、宿主生物が転移因子外適応と呼ばれる進化の過程で転移因子を発現することで生じるタンパク質の新しい機能を発見する。^[22]最近の研究では、転移因子が高次のクロマチン構造と3Dゲノム構成を維持する働きがあることも示唆されている。^{[25]さらに、TEは遠位}エンハンサーや転写因子結合部位として機能することで、他の遺伝子の発現制御に寄与する。 ^[26]

ゲノム中に散在する要素が広く見られることから、その起源と機能に関するさらなる研究が注目されています。Alu リピートや LINE1 など、いくつかの特定の散在要素が特徴付けられています。

タバコの体細胞における染色体反復配列間の相同組換えは、 DNA鎖を架橋する二官能アルキル化剤であるマイトマイシンCへの曝露によって増加することが判明した。 ^[27] この組換えの増加は、染色体内組換え修復の増加に起因するものであった。^[27] このプロセスにより、マイトマイシンCによって損傷を受けた1つの配列のDNAは、他の反復配列からの完全な情報を使用して修復される。

タンデム反復と散在反復はゲノム内の位置に基づいて区別されるが、直接反復と逆反復はヌクレオチド塩基の順序に基づいて区別される。直接反復は、ヌクレオチド配列が同じ方向性で繰り返される場合に発生する。逆反復は、ヌクレオチド配列が逆方向に繰り返される場合に発生する。たとえば、「CATCAT」の直接反復は、「CATCAT」の別の繰り返しとなる。対照的に、逆反復は「ATGATG」となる。「CATCATATGATG」のように逆反復を区切るヌクレオチドがない場合、その配列は回文反復と呼ばれる。逆反復は、ステムループや十字形を形成することにより、DNAおよびRNAで構造的役割を果たすことができる。^[28]

ヒトの場合、一部の反復 DNA 配列は疾患と関連している。具体的には、タンデム リピート配列は、ハンチントン病、脆弱 X 症候群、いくつかの脊髄小脳失調症、筋強直性ジストロフィー、フリードライヒ運動失調症などの 3 塩基反復疾患など、いくつかのヒト疾患の原因となっている。^[29]生殖細胞系列における3 塩基反復の連続世代にわたる拡大は、疾患の症状の重篤化につながる可能性がある。これらの 3 塩基反復の拡大は、DNA 複製中またはDNA 修復合成中の鎖のずれによって発生する可能性がある。^{[29]病原性 CAG 反復を含む}遺伝子は、それ自体がDNA 損傷応答に役割を果たすタンパク質をコードすることが多く、反復の拡大によって特定の DNA 修復経路が損なわれる可能性があることが指摘されている。^[30]反復配列における DNA 損傷の修復が不十分であると、これらの配列がさらに拡大し、病理の悪循環が生じる可能性がある。^[30]

ハンチントン病は、ハンチンチン遺伝子（HTT ）のエクソン1における反復トリヌクレオチド配列CAGの拡大によって起こる神経変性疾患である。この遺伝子は、アポトーシス（細胞死とも呼ばれる^）[31]の防止と酸化DNA損傷の修復に役割を果たすタンパク質ハンチンチンをコードする。^[32] ハンチントン病では、トリヌクレオチド配列CAGの拡大により、拡大したポリグルタミンドメインを持つ変異ハンチンチンタンパク質がコードされる。^[33]このドメインにより、タンパク質が神経細胞内で凝集体を形成し、正常な細胞機能が妨げられ、神経変性が生じる。

脆弱X症候群は、 X染色体上のFMR1遺伝子のDNA配列CCGの拡大によって引き起こされます。 ^[34]この遺伝子はRNA結合タンパク質FMRPを生成します。脆弱X症候群の場合、反復配列により遺伝子が不安定になり、その結果FMR1遺伝子がサイレンシングされます。^[35]この遺伝子はX染色体上に存在するため、2つのX染色体を持つ女性は、1つのX染色体と1つのY染色体しか持たない男性よりも影響を受けにくくなります。これは、2番目のX染色体がもう1つのX染色体上の遺伝子のサイレンシングを補うことができるためです。

脊髄小脳失調症という病気は、いくつかの種類の脊髄小脳失調症（SCA- SCA1、SCA2、SCA3、SCA6、SCA7、SCA12、SCA17）の基礎となるCAGトリヌクレオチド反復配列を持っています。 ^[36]ハンチントン病と同様に、このトリヌクレオチドの拡大によって形成されるポリグルタミンテールはタンパク質の凝集を引き起こし、正常な細胞機能を妨げ、神経変性を引き起こします。^[37]

フリードライヒ運動失調症は、フラタキシン遺伝子にGAA反復配列が拡大した運動失調症の一種です。^[38]フラタキシン遺伝子は、エネルギー生産と細胞呼吸に関与するミトコンドリアタンパク質であるフラタキシンタンパク質の生成を担っています。^[39] GAA配列の拡大により、最初のイントロンがサイレンシングされ、フラタキシンタンパク質の機能が失われます。機能的なFXN遺伝子の喪失は、ミトコンドリア全体の機能に問題を引き起こし、患者に歩行困難として表現型として現れることがあります。

筋強直性ジストロフィーは、筋力低下として現れる疾患で、DM1とDM2の2つの主なタイプがあります。^[40]どちらのタイプの筋強直性ジストロフィーも、DNA配列の拡大が原因です。DM1では拡大しているDNA配列はCTGですが、DM2ではCCTGです。これら2つの配列は異なる遺伝子上に見られ、DM2の拡大した配列はZNF9遺伝子上に見られ、DM1の拡大した配列はDMPK遺伝子上に見られます。この2つの遺伝子は、ハンチントン病や脆弱X症候群などの他の疾患とは異なり、タンパク質をコードしません。しかし、RNA毒性とDM1およびDM2の繰り返し配列との間には関連があることが示されています。

DNAの繰り返し配列によって引き起こされる疾患のすべてが3塩基繰り返し疾患というわけではありません。筋萎縮性側索硬化症や前頭側頭型認知症は、 C9orf72遺伝子の6塩基GGGGCC繰り返し配列によって引き起こされ、神経変性につながるRNA毒性を引き起こします。^{[41] [36]}

反復DNAは、短い読み取りからの配列アセンブリでは反復部分の長さを決定できないため、次世代シーケンシング技術を使用して配列を決定するのが困難です。この問題は、1〜6bpの小さな反復単位で構成されるマイクロサテライトの場合に特に深刻です。 ^[42]配列が難しいものの、これらの短い反復はDNAフィンガープリンティングや進化研究において大きな価値があります。多くの研究者は、技術的な制限により、歴史的に全ゲノムデータを分析および公開する際に反復配列を除外してきました。^[43]

Bustos らは、長い反復 DNA を配列決定する方法を提案しました。^[42]この方法は、安定化のための線状ベクターの使用と、連続する単純配列反復 (SSR) に富む領域の削除のためのエキソヌクレアーゼ III の使用を組み合わせたものです。まず、SSR に富む断片を、30kb までのタンデム反復を安定して組み込むことができる線状ベクターにクローニングします。反復の発現は、ベクター内の転写ターミネーターによって禁止されます。2 番目のステップでは、エキソヌクレアーゼ III を使用します。この酵素は 3' 末端のヌクレオチドを削除し、SSR 断片の一方向の削除を生成します。最後に、断片を削除したこの産物を増殖させ、コロニー PCR で分析します。次に、さまざまな削除を含む一連のクローンを順序よく配列決定して、配列を構築します。

• 反復DNAの機能
• 米国国立医学図書館の医学件名標目(MeSH)における DNA+反復+領域