合成依存鎖アニーリング

合成依存性鎖アニーリング（SDSA ）は、DNA二本鎖切断（DSB）の相同性誘導修復の主要なメカニズムです。SDSAの特徴の多くは1976年に初めて提案されましたが、^[1] 1983年に提案された二重ホリデイジャンクションモデル^[2]は多くの研究者に支持されました。1994年、ショウジョウバエの二重鎖ギャップ修復の研究は二重ホリデイジャンクションモデルと互換性がないことが判明し、研究者は合成依存性鎖アニーリングと呼ばれるモデルを提案しました。^{[3]その後の}S. cerevisiaeの減数分裂組換えの研究では、非クロスオーバー産物が二重ホリデイジャンクションまたはクロスオーバー産物よりも早く出現することが判明し、クロスオーバー産物と非クロスオーバー産物の両方が二重ホリデイジャンクションによって生成されるという以前の概念に疑問を投げかけ、著者らは非クロスオーバー産物がSDSAによって生成されると提案しました。^[4]

添付の図では、「5' から 3' への切断」と表示された最初のステップは、次のステップで相同 DNA 二重鎖に侵入する 3' 末端一本鎖 DNA の形成を示しています。RNA ポリメラーゼ III は、相同組み換えによる切断の修復における重要な中間ステップとして、二本鎖切断時に一時的な RNA-DNA ハイブリッドの形成を触媒すると報告されています。^[5] RNA-DNA ハイブリッドの形成により、侵入した一本鎖 DNA が分解から保護されます。一時的な RNA-DNA ハイブリッド中間体が形成された後、RNA 鎖は、次の段階の鎖侵入を触媒する Rad51タンパク質に置き換えられます。

SDSAモデルでは、二本鎖切断の修復は二重ホリデイジャンクションの形成なしに起こるため、相同組み換えの2つのプロセスはDループ形成直後まで同一である。^{[6]酵母では、Dループはタンパク質}Rad51とRad52の助けを借りた鎖侵入によって形成され、^{[7] DNA}ヘリカーゼSrs2の作用により二重ホリデイジャンクションの形成が防止され、SDSA経路が発生する。^{[8]侵入した3'鎖は、} DNAポリメラーゼによって受容側の相同DNA二重鎖に沿って5'から3'の方向に伸長し、Dループが物理的に転座する。このプロセスはバブルマイグレーションDNA合成と呼ばれる。^{[9]結果として生じた単一のホリデイジャンクションは、}分岐移動と呼ばれるプロセスでDNA二重鎖を同じ方向に滑り降り、伸長した鎖をテンプレート鎖から置換する。この置換された鎖は、元の二本鎖切断二重鎖に3'オーバーハングを形成するために飛び出し、その後、相補的な塩基対形成を介して元の切断の反対側の端にアニールすることができます。このように、DNA合成はアニーリングから残ったギャップを埋め、まだ存在する一本鎖DNA切断の両端を延長し、残りのギャップをすべて連結して、組み換え非クロスオーバーDNAを生成します。^[10]

SDSAは、Dループ転座により半保存的複製ではなく保存的複製が生じるという点で独特であり、最初の伸長鎖がテンプレート鎖から置換され、相同二重鎖はそのまま残る。したがって、SDSAではヘテロ二重鎖DNAの隣接マーカーが交換されないため非交差産物は生成されるが、2つの相同配列間で非相互的な遺伝子伝達が起こる遺伝子変換が起こる可能性がある。 ^[11]

一本鎖DNA（ssDNA）とRecAホモログであるRad51からなる核タンパク質フィラメントの組み立ては、組換え中の相同性検索に必要な重要なステップです。出芽酵母Saccharomyces cerevisiaeでは、Srs2トランスロカーゼが減数分裂中にRad51フィラメントを解体します。^[12] Rad51と直接相互作用することにより、Srs2は核タンパク質フィラメントからRad51を取り除き、Rad51依存性の結合分子およびDループ構造の形成を阻害します。この解体活動はRad51に特異的であり、Srs2はDMC1（減数分裂特異的Rad51ホモログ）、Rad52（Rad 51メディエーター）または複製タンパク質A（RPA、一本鎖DNA結合タンパク質）を解体しません。 Srs2は、鎖交換中にRAD51の結合を調節することによって、非クロスオーバーSDSA経路を促進する。^[13]

SDSA とダブル ホリデイ ジャンクションの相違は、D ループが分解されて新生鎖が DSB のもう一方の切断された末端にアニールできるようになったときに発生します (ダブル ホリデイ ジャンクション モデルでは、D ループ延長によって置き換えられた鎖が「2 番目の末端キャプチャ」で DSB のもう一方の末端にアニールします)。ショウジョウバエの研究では、ブルーム症候群ヘリカーゼ (Blm) がD ループの分解を促進する酵素であることが判明しました。 ^{[14] [15] [16]}同様に、 BLM の相同遺伝子であるS. cerevisiae Sgs1 は、S. cerevisiae減数分裂中に発生するほとんどの組み換えイベントの中心的な制御因子であると思われます。^{[17] Sgs1 (BLM) は、初期鎖侵入中間体と類似した}D ループ構造を 分解し、SDSA による NCO 形成を促進する可能性があります。^[17] Sgs1ヘリカーゼは、トポイソメラーゼIII（Top3）-RMI1ヘテロダイマー（DNA一本鎖通過を触媒する）と保存された複合体を形成する。この複合体はSTR（3つの成分から）と呼ばれ、減数分裂中にSDSAによるNCO組換え体の早期形成を促進する。^[18]

Uringaら^[19]がレビューしたように、 RTEL1ヘリカーゼは線虫Caenorhabditis elegansの減数分裂中に組換えを制御することが提案されています。RTEL1はDSBの修復における重要なタンパク質です。Dループを破壊し、SDSAを介してNCOの結果を促進すると考えられています。

減数分裂中に作られる DSB の数は、最終的な CO イベントの数を大幅に上回ることがあります。植物Arabidopsis thalianaでは、DSB の約 4% のみが CO 組み換えによって修復されることから、^[20]ほとんどの DSB が NCO 組み換えによって修復されることが示唆されています。数種の菌類の四分子解析に基づくデータによると、減数分裂中の組み換えイベントのうち CO はごく一部 (平均で約 34%) に過ぎません ( S. cerevisiae、Podospora anserina、Sordaria fimicolaおよびSordaria brevicollisのデータの概要については、Whitehouse、 ^[21]表 19 および 38 を参照)。ミバエD. melanogasterの雌の減数分裂中、NCO と CO の比率は少なくとも 3:1 になります。^[22] これらの観察結果は、減数分裂中の組換えイベントの大部分がNCOであることを示しており、SDSAが減数分裂中の組換えの主な経路であることを示唆している。