相同組換え：機能、メカニズム、アプリケーション - 生物学 - 2025

相同組換えは、ゲノムの類似または同一のセクション間のDNA分子の交換を必要とするプロセスです。細胞は、主に遺伝物質の破損を修復するために相同組換えを使用し、個体群に遺伝的変異を生成します。

一般に、相同組換えには、遺伝物質の相同領域間の物理的ペアリング、それに続く交換を受ける鎖の切断、最後に新しく結合したDNA分子の結合が含まれます。

2つの相同染色体間の組換え。
出典：Emw

DNAの破損は、可能な限り迅速かつ効率的に修復する必要があります。損傷が修復されない場合、結果は深刻で致命的になることさえあります。細菌では、相同組換えの主な機能は、遺伝物質のこれらの破損を修復することです。

相同組換えは、ゲノムの安定性を可能にする主要なメカニズムの1つと考えられています。それは生命のすべてのドメインに存在し、ウイルスにも存在するため、生命の進化の非常に早い段階で出現した重要なメカニズムであると考えられます。

歴史的展望

グレゴールメンデルによって提案された最も関連性のある原則の1つは、キャラクターの分離における独立です。この法則によれば、異なる遺伝子は親から子に独立して渡されます。

しかし、1900年には、この原則に対する非常に顕著な例外が存在することが明らかになりました。イギリスの遺伝学者ベイトソンとパネットは、特定の特性が一緒に継承されることが多く、これらの特性についてメンデルが述べた原理は有効ではないことを示しました。

その後の研究により、細胞が遺伝物質を交換することができる組換えプロセスの存在が明らかになりました。遺伝子が一緒に遺伝した場合、遺伝子間の物理的な近さのためにDNAは交換されませんでした。

相同組換えとは何ですか？

相同組換えは、2つの染色体間でのDNA配列の物理的交換を伴う細胞現象です。組換えには、rec遺伝子と呼ばれる一連の遺伝子が含まれます。これらは、プロセスに参加するさまざまな酵素のコードです。

DNA分子は、100塩基対を超える類似または同一の配列を共有する場合、「相同」と見なされます。DNAには互いに異なる小さな領域があり、これらのバリアントは対立遺伝子として知られています。

生物では、すべてのDNAが組換えDNAと見なされます。染色体間の遺伝物質の交換は継続的に行われ、染色体上の遺伝子が混合および再配置されます。

このプロセスは減数分裂で明らかに発生します。具体的には、最初の細胞分裂で染色体が対になる段階。この段階では、染色体間の遺伝物質の交換が発生します。

歴史的に、このプロセスは、アングロサクソンの単語のクロスオーバーを使用して文献で指定されています。このイベントは、相同組換えの結果の1つです。

同じ染色体の2つの遺伝子間の交差の頻度は、主にそれらの間に存在する距離に依存します。それらの間の物理的な距離が小さいほど、交換の頻度は低くなります。

相同組換えの機能と結果

遺伝物質は、たとえば放射線などの内因性および外因性の原因によって引き起こされる損傷に常にさらされています。

ヒトの細胞には、1日あたり数十から数百のオーダーの、かなりの数のDNA病変があると推定されています。これらの病変は、潜在的な有害な変異、複製および転写ブロック、および染色体レベルの損傷を回避するために修復する必要があります。

医学的観点から見ると、正しく修復されないDNA損傷は、腫瘍や他の病状の発生をもたらします。

相同組換えは、DNA修復を可能にするイベントであり、DNAの他の（相同）鎖をテンプレートとして使用して、失われた配列を回復できます。

この代謝プロセスはあらゆる形態の生命に存在し、DNAの「ギャップ」、2本鎖の切断、およびDNA鎖間のクロスリンクを修復できる高忠実度メカニズムを提供します。

組換えの最も重要な結果の1つは、新しい遺伝的変異の生成です。変異と一緒に、それらは生物の変化を生み出す2つのプロセスです。変化は進化の原材料であることを忘れないでください。

さらに、破損したレプリケーションフォークをリセットするメカニズムを提供します。

バクテリアで

細菌では、頻繁な水平遺伝子伝達イベントがあります。これらは、活用、変換、および形質導入として分類されます。ここでは、原核生物は別の生物から、さらには異なる種からでもDNAを取得します。

これらのプロセス中に、レシピエント細胞とドナー細胞の間で相同組換えが起こります。

機構

相同組換えは、染色体DNA分子の一方の鎖の切断から始まります。これに続いて、複数の酵素によって触媒される一連のステップが発生します。

切断が発生する3 '末端には、相同なDNAの2本鎖が侵入しています。侵入プロセスは非常に重要です。「相同鎖」とは、ヌクレオチド配列が同一である必要はないが、直線的な順序で同じ遺伝子を有する染色体の部分を意味する。

シナプス

この鎖の侵入により、相同染色体が互いに向き合うようになります。スレッドに出会うこの現象はシナプスと呼ばれます（ニューロンのシナプスと混同しないでください。ここでは、この用語は別の意味で使用されています）。

シナプスは必ずしも両方の相同配列間の直接的な接触を意味するものではなく、相同部分が見つかるまで、DNAはしばらく動き続けることができます。この検索プロセスは、相同配置と呼ばれます。

Dループ形成

すると、「ストランドインベイジョン」というイベントが発生します。染色体はDNAの二重らせんです。相同組換えでは、2つの染色体がそれらの相同配列を探します。らせんの1つでは、鎖が分離し、この鎖が二重らせん構造に「侵入」して、Dループと呼ばれる構造を形成します。

Dループ鎖は、切断鎖の侵入によって置き換えられ、元の二重らせんの相補鎖と対になります。

ホリデージャンクション形成

次のステップは、ホリデー組合の結成です。ここでは、交換されたストランドの端が結合されます。この組合は、あらゆる方向に動く能力を持っています。関節が壊れて何度も形成されることがあります。

組換えの最後のプロセスはこれらの結合の解決であり、細胞がこれを達成する方法は2つあります。それらの1つは、組合の解裂、または真核生物に典型的な溶解と呼ばれるプロセスによるものです。

最初のメカニズムでは、ホリデイジャンクションを切断すると2つのチェーンが再生されます。他の「解散」イベントでは、労働組合で一種の崩壊が発生します。

関与するタンパク質

組換えプロセスの重要なタンパク質は、真核細胞ではRad51と呼ばれ、大腸菌ではRecAと呼ばれます。これは、再結合のさまざまなフェーズで機能します。シナプスの前、最中、後です。

Rad51タンパク質は、侵入するDNAと強化されたDNAの間の物理的な接続の形成を促進します。このプロセスでは、ヘテロ二本鎖DNAが生成されます。

Rad51とそのRecA対応物は、相同DNAの検索とDNA鎖の交換を触媒します。これらのタンパク質は、シングルバンドDNAに協調的に結合する能力を持っています。

Rad55およびRad57と呼ばれるRad51のパラログ遺伝子（生物の系統における遺伝子重複イベントに由来）もあります。ヒトでは、Rad51B、Rad51C、Rad51D、Xrcc2、およびXrcc3と呼ばれる5つのRad51パラログ遺伝子が同定されています。

組換えプロセスに関連する異常

組換えは染色体への物理的結合を必要とするため、減数分裂中の適切な分離における重要なステップです。適切な組換えが起こらない場合、結果は重大な病理となります。

染色体の不分離または分離のエラーは、ダウン症候群の原因となる21番染色体のトリソミーなど、流産および染色体起源の異常の最も頻繁な原因の1つです。

組換えは通常かなり正確なプロセスですが、繰り返されるゲノムの領域とゲノム全体に複数のコピーを持つ遺伝子は、不均一なクロスオーバーを起こしやすい傾向があります。

この交配は、サラセミアや自閉症などの一般的な疾患を含む、さまざまな臨床的に関連する特性を生み出します。

組換えアプリケーション

分子生物学者は、相同組換えのメカニズムに関する知識を利用して、さまざまな技術を生み出しています。これらの1つは、「ノックアウト」生物の作成を可能にします。

これらの遺伝子組み換え生物は、目的の遺伝子の機能を解明することを可能にします。

ノックアウトの作成に使用される方法論の1つは、元の遺伝子を改変または「損傷」バージョンに置き換えることにより、特定の遺伝子の発現を抑制することです。遺伝子は、相同組換えによって変異型と交換されます。

その他の種類の組換え

相同的または合法的な組換えの他に、遺伝物質の交換には他のタイプがあります。

物質を交換するDNAの領域が非対立遺伝子（相同染色体）である場合、結果は遺伝子の重複または減少です。このプロセスは、非相同組換えまたは不等組換えとして知られています。

一緒に、遺伝物質は同じ染色体上の姉妹染色分体間で交換することもできます。このプロセスは減数分裂と有糸分裂の両方で発生し、不等交換と呼ばれます。

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