リボソームDNA

リボソームDNA（rDNA ）は、リボソームRNAをコードする遺伝子と関連する調節要素のグループから構成され、生命のすべてのドメインで同様の構成で広く分布しています。リボソームDNAは、リボソームの組み立てに不可欠な構造要素である非コードリボソームRNAをコードしており、その重要性から真核生物の細胞で見られるRNAの中で最も豊富な部分となっています。^{[ 1 ]}さらに、これらのセグメントには、RNAポリメラーゼIに特異的なプロモーターなどの調節セクションや、転写されるスペーサーセグメントと転写されないスペーサーセグメントの両方が含まれます。

タンパク質生合成のためのリボソームの組み立てにおいて非常に重要な役割を担っているため、rDNA遺伝子は通常、分子進化において高度に保存されている。コピー数は種によって大きく異なる場合がある。^{[ 1 ]}リボソームDNAは系統発生学的研究に広く用いられている。^{[ 2 ] [ 3 ]}

リボソームDNAには、非コード構造リボソームRNA分子をコードするすべての遺伝子が含まれる。生命のすべてのドメインにおいて、これらは小サブユニット（16Sまたは18S rRNA）と大サブユニット（23Sまたは28S rRNA）の構造配列である。後者の組み立てには、5S rRNAに加え、真核生物ではさらに5.8S rRNAも含まれる。

rDNA遺伝子はゲノム中に複数コピー存在し、ほとんどの種では内部転写スペーサー（ITS）で区切られ、外部転写スペーサー（ETS）が先行する連結グループとして組織化されている。5S rRNAも原核生物ではこれらのrDNA領域に連結しているが、ほとんどの真核生物では別々の反復領域に位置している。^{[ 4 ]}これらは一緒に転写されて前駆体RNAとなり、その後、各rRNAが等量になるように処理される。

Eukaryotes

真核生物の 45S rDNA 遺伝子クラスターは、 18S、5.8S、28S rRNAの遺伝子から構成され、2 つのITS-1 および ITS-2スペーサーによって隔てられています。真核生物の活性ゲノムには、ポリシストロン性 rDNA 転写単位が数百コピータンデムリピートとして含まれており、核小体形成領域 (NOR)に組織化されています^{[ 4 ]} 。NOR は、ゲノム内の複数の遺伝子座に存在することができます^{[ 14 ] 。}

原核生物の構造と同様に、5S rRNAは Saccharomyces cerevisiaeなどのSaccharomycetesの rDNA クラスターに付加されている^{[ 14 ]}。^{[ 4 ]}しかし、ほとんどの真核生物は、 5S rRNAの遺伝子をゲノム内の異なる遺伝子座の別々の遺伝子反復配列として保持している^{[ 14 ] [ 4 ]} 。5S rDNA は、ショウジョウバエのように独立したタンデム反復配列としても存在する^{[ 14 ]}。

反復DNA領域はしばしば組換え事象を起こすため、rDNA反復配列には、DNAが突然変異を起こさないようにする多くの制御機構があり、それによってrDNAが保存されている。^{[ 1 ]}

核内では、核小体形成領域から核小体が形成され、そこで染色体のrDNA領域が拡張した染色体ループを形成し、rRNAの転写が可能になる。rDNAでは、タンデムリピートは主に核小体内に存在するが、ヘテロクロマチンrDNAは核小体の外側に存在する。しかし、転写活性のあるrDNAは核小体内に存在する。^{[ 1 ]}

人間

ヒトゲノムには、核小体形成領域を持つ 5 つの染色体に分散した 45S rDNA 転写単位が合計 560 コピー含まれている^{[ 4 ]} 。反復クラスターは、末端動原体染色体 13 ( RNR1 )、14 ( RNR2 )、15 ( RNR3 )、21 ( RNR4 )、および 22 ( RNR5 )に位置している。^{[ 15 ]}

ヒトの5SリボソームDNAは染色体1上に位置している。ヒト参照ゲノムにはRNA5S1からRNA5S17とコードされた遺伝子座に17コピー存在する。^{[ 16 ]}平均的な半数体ヒトゲノムには実際には98コピーの5Sが存在する。^{[ 17 ]}

繊毛虫

繊毛虫では、栄養性大核の隣に生殖性小核が存在することで、生殖細胞系列のrDNA遺伝子の減少が可能になる。小核コアゲノムの正確なコピー数は、ゾウリムシ^{[ 18 ]}では数コピー、テトラヒメナ・サーモフィラ^{[ 4 ]}や他のテトラヒメナ種では1コピーと、範囲が広い。大核形成中、rDNA遺伝子クラスターを含む領域が増幅され、転写に利用できるテンプレートの量が劇的に増加し、数千コピーに達する。テトラヒメナやハイポトリカ属オキシトリカ^{[ 18 ]}などの一部の繊毛虫属では、増幅されたDNAの広範な断片化により、rDNA転写単位を中心とした微小染色体が形成される^{[ 18 ]} 。同様のプロセスは、グラウコマ・チャトニや、程度は低いもののゾウリムシからも報告されている^{[ 18 ]}。

大規模なrDNAアレイでは、rDNA反復単位間の多型は非常に低く、rDNAタンデムアレイが協調進化によって進化していることを示している。^{[ 14 ]}しかし、協調進化のメカニズムは不完全であり、個体内の反復間の多型が有意なレベルで発生し、近縁生物の系統解析を混乱させる可能性がある。^{[ 19 ] [ 20 ]}

数種のショウジョウバエの5Sタンデムリピート配列を互いに比較した結果、種間で挿入と欠失が頻繁に発生し、保存配列に挟まれていることが多いことが明らかになった。 ^{[ 21 ]}これらは、DNA複製中の新しく合成された鎖の滑り、または遺伝子変換によって発生する可能性がある。^{[ 21 ]}

rDNA転写領域は種間で多型率が低いため、少数の標本のみを使用して系統関係を解明するための種間比較が可能です。rDNAのコード領域は種間で高度に保存されていますが、ITS領域は挿入、欠失、および点突然変異により変動します。ヒトとカエルのような遠縁の種間では、ITS領域の配列の比較は適切ではありません。^{[ 22 ]} rDNAのコード領域の保存された配列により、酵母とヒトの間であっても遠縁の種の比較が可能になります。ヒト5.8S rRNAは酵母5.8S rRNAと75%の同一性があります。^{[ 23 ]} 姉妹種の場合、ITS領域を含むrDNAセグメントの種間比較と系統解析は満足に行われます。^{[ 24 ] [ 25 ]} rDNA反復の異なるコード領域は通常、異なる進化速度を示します。その結果、このDNAは幅広い分類レベルに属する種の系統発生情報を提供することができる。^{[ 2 ]}

5S遺伝子、非転写スペーサーDNA、および25S（28Sの酵母版）遺伝子の一部を含む酵母rDNA断片は、局所的なシス作用性有糸分裂組換え促進活性を有する。^{[ 26 ]} このDNA断片には、HOT1と呼ばれる有糸分裂組換えホットスポットが含まれている。HOT1は、酵母ゲノム内の新しい場所に挿入されると、組換え促進活性を発現する。HOT1には、 35SリボソームrRNA （45Sの酵母版）遺伝子の転写を触媒するRNAポリメラーゼI（PolI）転写プロモーターが含まれている。PolI欠損変異体では、HOT1ホットスポットの組換え促進活性は消失する。HOT1におけるPolI転写レベルが組換えレベルを決定すると考えられる。^{[ 27 ]}

DNAの伸長（ハンチントン病など）や欠失変異による消失など、DNA変異に関連する疾患が存在する。rDNA反復配列における変異も同様であり、リボソーム合成に関わる遺伝子が破壊または変異すると、骨格や骨髄に関連する様々な疾患を引き起こすことが分かっている。また、rDNAのタンデムリピートを保護する酵素が損傷または破壊されると、リボソーム合成が低下し、細胞内の他の欠陥にもつながる。神経疾患も、rDNAタンデムリピートの変異から生じることがあり、例えば、タンデムリピートの数が正常な数に比べて100倍近く増加した場合に発症するブルーム症候群などが挙げられる。リボソームDNAのタンデムリピートの変異から、様々な種類の癌が発生することもある。細胞株は、タンデムリピートの再編成、またはrDNAのリピートの拡大のいずれかによって悪性化する可能性がある。^{[ 28 ]}