遺伝子組換え：タイプとメカニズム - 生物学 - 2025

遺伝子組換えは、核酸断片の分子が新しい分子を生成し交換するプロセスです。DNAでは非常に一般的ですが、RNAも組換えの基質です。組換えは、突然変異後、遺伝的多様性の生成の最も重要な原因です。

DNAはさまざまな生化学的プロセスに参加しています。複製中、2つの新しいDNA分子を生成するためのテンプレートとして機能します。転写では、プロモーターによって制御される特定の領域からRNA分子を生成することができます。

DNA組換えの一般的な手順。Juergen Bode、ウィキメディア・コモンズ経由

しかし、これに加えて、DNAはフラグメントを交換することもできます。このプロセスを通じて、前の2つのプロセスや受精の産物ではない新しい組み合わせが生成されます。

すべての組換えプロセスには、プロセスに参加するDNA分子の破壊と結合が含まれます。このメカニズムは、組換え基質、プロセスに関与する酵素、およびその実行メカニズムによって異なります。

組換えは一般に、組換え分子間の相補的、類似（同一でない場合）、または相同領域の存在に依存します。分子が相同性によって導かれないプロセスで再結合する場合、その組換えは非相同であると言われています。

相同性が両方の分子に存在する非常に短い領域を含む場合、組換えは部位特異的であると言われます。

定義

組換えにおける相同性と呼ばれるものは、必ずしも関与する分子の進化的起源を指しているわけではありません。むしろ、ヌクレオチド配列の類似性の程度について話している。

非修復組換えは、例えば、減数分裂の過程で真核生物で発生します。間違いなく、同じ細胞内の染色体のペア間ほど高い相同性はあり得ません。

それが相同染色体と呼ばれている理由です。しかし、細胞のDNAが外来DNAと物質を交換する場合があります。これらのDNAは組換えと非常に似ている必要がありますが、これを達成するために必ずしも同じ祖先（相同性）を共有する必要はありません。

交叉と交差

2つのDNA分子間の付着と交換の部位はキアズムと呼ばれ、その過程自体が架橋と呼ばれます。クロスオーバー中に、関与するDNA間のバンド交換が検証されます。

これにより、物理的に1つに結合された2つのDNA分子である共積分が生成されます。共統合体が「解決」すると、2つの分子が生成され、通常は変更されます（組換え）。

組換えの文脈において「溶解する」とは、共統合体の成分DNA分子を分離することである。

遺伝子組換えの種類

-サイト固有の組換え

部位特異的組換えでは、一般的に相同ではない2つのDNA分子は、両方に共通する短い配列を持っています。このシーケンスは、特定のスプライシング酵素のターゲットです。

酵素はこの配列を認識でき、別の配列を認識できないため、両方の分子の特定の部位でそれを切断します。他のいくつかの要因の助けを借りて、2つの関与する分子のDNAバンドを交換し、共統合体を形成します。

大腸菌

これは、大腸菌のゲノムとバクテリオファージのラムダのゲノムとの間の共統合体の形成の基礎です。バクテリオファージは細菌に感染するウイルスです。

このコインテグレートの形成は、ウイルスゲノムにコードされている酵素であるラムダインテグラーゼによって行われます。ウイルスの環状ゲノムではattPと呼ばれ、細菌の環状ゲノムではattBと呼ばれる一般的な配列を認識します。

両方の分子の両方の配列を切断することにより、フリーセグメントを生成し、バンドを交換して、2つのゲノムを結合します。次に、より大きい、または統合された円が形成されます。

共統合では、ウイルスのゲノムは細菌のゲノムによって受動的に運ばれ、複製されます。この状態では、ウイルスはプロウイルス状態であり、細菌はそれに対して溶原性であると言われています。

逆のプロセス、つまり共積分の解決には、何世代もかかる可能性があります。しかし、そうすることは、ウイルスゲノムによってコードされる別のタンパク質である、エキシショナーゼと呼ばれる酵素によって媒介されます。これが起こると、ウイルスは共統合体から分離し、再活性化して細胞溶解を引き起こします。

-相同組換え

一般化された組換え

相同組換えは、少なくとも約40ヌクレオチドの完全またはほぼ完全な類似性を共有するDNA分子間で発生します。組換えプロセスを実行するには、少なくとも1つのエンドヌクレアーゼが関与している必要があります。

エンドヌクレアーゼは、DNAの内部を切断する酵素です。DNAを分解するためにそれを行う人もいます。その他、組換えの場合のように、DNAにへこみを生成するためにそれを行います。

このユニークなニックにより、フリーエンドのシングルバンドDNAを処理できます。リコンビナーゼによって配向されたこの自由端により、単一のバンドが二重のDNAに侵入し、それと同一の常駐バンドを置き換えることができます。

これは、ドナー（「インベーダー」）DNA分子と別の受容体の間の交差点です。

大腸菌の侵入とバンド交換を行う酵素（リコンビナーゼ）はRecAと呼ばれています。古細菌のRadAなど、原核生物には他の相同タンパク質があります。真核生物では、同等の酵素はRAD51と呼ばれます。

侵入バンドが居住者を置き換えると、ドナー分子内で単純なままにされたバンドと相互作用します。両部位はリガーゼの作用により封鎖されています。

これで、ドナーDNAと受信者DNAが隣接するハイブリッドバンドDNA（異なる起源のドナーバンドと受信者バンド）ができました。交差点（視交叉）は、両方向に少なくとも200 bp移動します。

クロスオーバーの各ポイントは、ホリデー構造（組換えイベントの十字型DNA産物）として知られているものを形成します。

この十字型のDNAは、他のエンドヌクレアーゼによって分解される必要があります。この構造のキメラまたはハイブリッドDNAは、2つの方法で解決できます。2番目のエンドヌクレオチドカットが最初のものと同じバンドで発生する場合、組換えは発生しません。2番目のカットが他のバンドで発生した場合、結果として得られる製品は組換えです。

Holliday構造の組換えDNA。es.m.wikipedia.org/wiki/File:Mao-4armjunction-schematic.png。

組換えV（D）J

これは、免疫系の抗体の非常に大きな変動性の生成に寄与する体細胞組換え（減数分裂ではない）の一種です。

この組換えは、それらを定義するポリペプチド鎖をコードする遺伝子の特定の断片で行われる。それはB細胞によって行われ、さまざまな遺伝的領域が関与しています。

興味深いことに、Trypanosoma bruceiのような寄生虫があり、同様の組換えメカニズムを利用して、表面抗原に多様性を生み出しています。このようにして、宿主が「新しい」抗原を認識することができる抗体を生成できない場合、それらは宿主の応答を回避することができる。

組換えによって作成された抗体の多様性。es.m.wikipedia.org/wiki/File:Cambio_clase_recombinacion.PNG

-非相同組換え

最後に、関与する分子の配列の類似性に依存しない組換えプロセスがあります。例えば、真核生物では、非相同末端の組換えは非常に重要です。

これは、DNAの二重バンドの切断を示すDNAフラグメントで発生します。これらは、他のフラグメントにそれらを結合するセルによって「修復」されます。

しかしながら、これらの分子は、この組換えプロセスに参加するために必ずしも類似している必要はない。つまり、損傷を修復することにより、細胞は無関係なDNAに結合し、本当に新しい（組換え）分子を作成できます。

組換えの重要性

原因としての重要性：DNAの複製と修復

組換えにより、複製プロセス中および複製プロセス後のDNA情報の忠実性が保証されます。組換えにより、この非常に長い高分子の新しいバンディングプロセス中にDNAの損傷が検出されます。

各バンドには独自の情報があり、補完的なものの情報もあるので、再結合によって失われる情報はありません。それぞれが他の証人として行動します。同様に、二倍体生物では、相同染色体はその兄弟を目撃し、逆もまた同様です。

一方、DNAが複製されると、この分子の損傷修復メカニズムは変化します。直接的なものもあれば（けがは直接影響を受ける）、間接的なものもあります。

間接的な修復メカニズムは、行われる組換えに依存します。つまり、DNA分子の損傷を修復するために、別の相同分子が使用されます。これは、それが損傷を受けたテンプレートとして、修復的組み換えで機能します。

結果としての重要性：遺伝的多様性の生成

組換えは減数分裂の間に巨大な染色体の変動性を作成することが可能です。脊椎動物における抗体の場合のように、体細胞組換えも変動性を生み出します。

多くの生物で減数分裂は配偶子です。有性生殖生物では、組換えは変動性を生み出す最も強力な方法の1つであることが判明しました。

つまり、自然突然変異と染色体分離のために、ゲームの多様性を生み出す別の要素として組換えを追加する必要があります。

一方、部位特異的組換えによるバクテリオファージゲノムの統合は、それらの宿主細菌のゲノムの再構築に貢献しています。

これは、この重要な生物群のゲノムの多様性と進化の生成に貢献しています。

組換えと健康

DNAを修復できることはすでに確認しましたが、DNAに損傷を与えるものはありません。実際には、ほとんど何でもDNAに損傷を与える可能性があります。

しかしそれ以上に、DNAは紫外線、電離放射線、細胞呼吸からの遊離酸素ラジカル、そして私たちが食べたり、吸ったり、吸ったり、摂取したり、触れたりすることによって損傷を受ける可能性があります。

幸い、DNAを保護するために生活をあきらめる必要はありません。特定のことはあきらめなければなりませんが、大きな仕事は細胞自体によって行われます。DNAへの損傷を検出するためのこれらのメカニズムとその修復には、明らかに遺伝的根拠があり、それらの欠乏、多大な影響があります。

相同組換えの欠陥に関連する疾患には、例えば、ブルームおよびウェルナー症候群、家族性乳癌および卵巣癌などが含まれる。

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