合成依存型鎖アニーリング

合成依存性鎖アニーリング（SDSA ）は、DNA二本鎖切断（DSB）の相同性指向修復の主要なメカニズムです。SDSAの多くの特徴は1976年に初めて示唆されましたが^{[ 1 ]} 、 1983年に提案されたダブルホリデージャンクションモデル^{[ 2 ]}が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本鎖ギャップ修復の研究はダブルホリデージャンクションモデルと矛盾することが判明し、研究者ら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、 S. cerevisiaeの減数分裂組換えの研究では、非交叉産物がダブルホリデージャンクションや交叉産物よりも早く出現することが判明し、交叉産物と非交叉産物の両方がダブルホリデージャンクションによって生成されるという従来の考えに異議を唱え、非交叉産物は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' への切除」とラベル付けされた最初のステップは、次のステップで相同な DNA 二重らせんに侵入する 3' 末端の一本鎖 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、二本鎖切断で一時的な RNA-DNA ハイブリッドの形成を触媒することが報告されています。^{[ 5 ]} RNA-DNA ハイブリッドの形成は、侵入する一本鎖 DNA を分解から保護します。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、鎖侵入の次の段階を触媒する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ー接合の形成なしに行われるため、相同組換えの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の助けを借りて鎖侵入によって形成され、^{[ 7 ]}その後、DNAヘリカーゼSrs2によって作用され、SDSA経路が起こるために二重ホリデー接合の形成が阻止される。^{[ 8 ]}侵入した3'鎖は、DNAポリメラーゼによって受容体相同DNA二重鎖に沿って5'から3'方向に伸長され、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ー接合は、ブランチマイグレーションと呼ばれるプロセスで同じ方向にDNA二重鎖に沿って滑り落ち、伸長した鎖を鋳型鎖から押し出す。このずれた鎖は飛び出して、元の二本鎖切断二重らせんに3'突出部を形成し、相補的な塩基対形成によって元の切断部の反対側の末端とアニーリングすることができる。このようにして、DNA合成はアニーリングによって残ったギャップを埋め、まだ存在する一本鎖DNA切断部の両端を伸長し、残りのギャップをすべて連結して組換え非交差DNAを生成する。^{[ 10 ]}

SDSAは、Dループ転座によって半保存的複製ではなく保存的複製が起こるという点で独特である。これは、最初の伸長鎖が鋳型鎖から置換され、相同二本鎖がそのまま残るためである。したがって、SDSAはヘテロ二本鎖DNAの隣接マーカーが交換されないため非交叉産物を生成するが、遺伝子変換が起こる可能性があり、その場合、2つの相同配列間で非相互的な遺伝子伝達が起こる。^{[ 11 ]}

一本鎖DNA（ssDNA）とRecAホモログであるRad51からなるヌクレオプロテインフィラメントの組み立ては、組換え中の相同性探索に必要な重要なステップである。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フィラメントを分解する。^{[ 12 ]} Srs2はRad51と直接相互作用することで、ヌクレオプロテインフィラメントからRad51を解離させ、Rad51依存的なジョイント分子とDループ構造の形成を阻害する。この分解活性はRad51に特異的であり、Srs2はDMC1（減数分裂特異的なRad51ホモログ）、Rad52（Rad51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）を分解しない。 Srs2は、鎖交換中のRAD51結合を調節することによって、非交差型SDSA経路を促進する。^{[ 13 ]}

SDSAとダブルホリデージャンクションの分岐は、Dループが解体されて新生鎖がDSBのもう一方の切断された末端にアニーリングできるときに起こります（ダブルホリデージャンクションモデルでは、Dループの伸長によって移動した鎖が「2ndエンドキャプチャー」でDSBのもう一方の末端にアニーリングします）。ショウジョウバエの研究により、ブルーム症候群ヘリカーゼ（Blm）がDループの解体を促進する酵素であることが特定されました。 ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}同様に、 BLMのオルソログであるS. cerevisiae Sgs1は、 S. cerevisiaeの減数分裂中に起こるほとんどの組換えイベントの中心的な制御因子であるようです。^{[ 17 ]} Sgs1（BLM）は、初期の鎖侵入中間体に類似したDループ構造を解体し、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ヘテロ二量体（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つの構成要素にちなんで）と呼ばれ、減数分裂中のSDSAによるNCO組換え体の早期形成を促進する。^{[ 18 ]}

Uringaら^{[ 19 ]}のレビューによると、 RTEL1ヘリカーゼは線虫Caenorhabditis elegansの減数分裂中の組換えを制御すると考えられている。RTEL1はDSB修復における重要なタンパク質である。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る。

減数分裂中に生成される 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。植物シロイヌナズナでは、DSB の約 4% だけが CO 組換えによって修復され、^{[ 20 ]}ほとんどの DSB は NCO 組換えによって修復されることが示唆されています。いくつかの菌類の四分子分析に基づくデータによると、減数分裂中の組換えイベントのうち CO は少数 (平均約 34%) にすぎないことが示されています ( S. cerevisiae、Podospora anserina、Sordaria fimicola、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)。ショウジョウバエD. melanogasterでは、雌の減数分裂中に NCO と CO の比率が少なくとも 3:1 です。^{[ 22 ]} これらの観察結果は、減数分裂中の組換え事象の大部分が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要な経路であることを示唆している。