相同染色体
相同染色体（そうどうせんしょくたい、homologous chromosomes）またはホモログ（homologs）は、減数分裂の際に細胞内で互いに対合する、母親由来と父親由来の1組の染色体である。相同染色体は、同じ遺伝子を同じ遺伝子座（locus）に持ち、これにより減数分裂中の染色体の正確な整列と分離を可能にする[1]。この仕組みは、生物における遺伝物質の親から子への伝達パターン、すなわちメンデル遺伝の基礎を形成する[2]。
概要
[編集]染色体は、凝縮されたデオキシリボ核酸（DNA）とヒストンタンパク質が直線状に配列した構造で、クロマチンと呼ばれる複合体を形成する[2]。相同染色体は、ほぼ同じ長さ、セントロメア位置、染色パターンを持つ染色体対で構成され、対応する遺伝子座に遺伝子が存在する。一方の相同染色体は母親から、もう一方は父親から受け継がれる。減数分裂を経て形成される娘細胞では、両親から受け継いだ遺伝子が混合され、適切な遺伝子の組み合わせが含まれる。二倍体（2n）生物では、ゲノムは各相同染色体対からなる1セットで構成されるが、四倍体生物では、各相同染色体対が2セット存在する場合がある。相同染色体上の対立遺伝子（アレル）が異なる場合、同じ遺伝子でも異なる表現型を引き起こすことがある。この母親由来の形質と父親由来の形質の混合は、減数分裂中の交差（乗換え、crossing over）によって促進される。この過程では、相同染色体対内の染色体腕の一部と、その中のDNAが互いに交換される[3]。
歴史
[編集]20世紀初頭、ウィリアム・ベイトソン（William Bateson）とレジナルド・パネット（Reginald Punnett）は、遺伝の継承を研究する過程で、特定の対立遺伝子の組み合わせが他の組み合わせよりも高頻度で出現することを観察した。この観察結果は、その後トーマス・ハント・モーガン（Thomas Hunt Morgan）によってさらに詳しく研究された。モーガンは検定交雑実験を通じて、1個体の中で染色体上で近接した位置にある異なる遺伝子のアレルが、減数分裂の際に連鎖して一緒に遺伝する傾向を示すことを明らかにした。この論理から、彼は自身が研究していた2つの遺伝子が同じ染色体上に存在すると結論づけた。
その後、1930年代に、ハリエット・クレイトン（Harriet Creighton）とバーバラ・マクリントック（Barbara McClintock）は、トウモロコシの減数分裂を研究し、トウモロコシ染色体上の遺伝子座を調べた[2]。彼女らは、子孫に観察される新しい対立遺伝子の組み合わせと乗換え現象が直接的に関連していることを発見した。この発見により、乗換えが染色体間における遺伝的組換えの機構であることが実証された[2]。
構造
[編集]相同染色体とは、二倍体生物において類似した遺伝子（必ずしも同一ではない）を持つ染色体の対を指す[4]。相同染色体には、主に2つの特性がある。（1）染色体腕の長さ（2）セントロメアの位置である[5]。遺伝子の位置に応じた染色体腕の実際の長さは、減数分裂時に染色体が正しく整列するために極めて重要である。染色体上のセントロメアの位置は、主に4つの配置（メタセントリック型、サブメタセントリック型、アクロセントリック型、テロセントリック型）のいずれかで特徴づけられる。これらの特性（すなわち染色体腕の長さとセントロメアの位置）は、染色体間の構造的相同性を形成する主要因である。したがって、比較的同じ構造を持つ2つの染色体（例：母親の15番染色体と父親の15番染色体）は、シナプシス（synapsis）と呼ばれる過程で対合し、相同染色体対を形成する[6]。
相同染色体は同一ではなく、同じ生物に由来するものでもないため、姉妹染色分体とは異なる。姉妹染色分体はDNA複製後に形成されるため、互いに隣接する同一の遺伝情報を持つ染色体複製体である[7]。
ヒトの場合
[編集]ヒトは通常、合計46本の染色体を持っており、相同な常染色体対は22組存在する。23番目の染色体は性染色体であり、X染色体とY染色体からなる。性染色体の対は、個体の性別によって相同である場合とそうでない場合がある。たとえば、女性はXXを持っているため、相同な性染色体対を持つ。つまり、女性が合計23対の相同染色体（常染色体22対、性染色体1対）を持つことになる。一方、男性はXY染色体を持っているため、23番目は相同ではない性染色体対である。
ヒトでは、22対の相同常染色体は同じ遺伝子を含んでいるが、対立遺伝子の違いにより異なる形質をコードする。これは、一方が母親から、もう一方が父親から受け継がれたためである[8]。
したがって、ヒトは細胞核を含む各細胞に2セットの23本の染色体を持っている。23本の染色体（n）は母親由来（常染色体22本と性染色体1本（X））、もう23本（n）は父親由来（常染色体22本と性染色体1本（XまたはY））である。すなわち、ヒトは二倍体（2n）生物である[2]。
機能
[編集]相同染色体は、減数分裂および有糸分裂の過程において重要な役割を果たす。相同染色体は、母親と父親からの遺伝物質を組換え、さらにそれを新しい細胞へ無作為に分配することを可能にする[9]。
減数分裂において
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減数分裂は、2回の細胞分裂を経て、親細胞の半数の染色体数を持つ4つの半数体（一倍体）娘細胞を生成する一連の過程である[12]。減数分裂では、生殖細胞の染色体数を半減させるため、まず減数第一分裂（meiosis I）で相同染色体を分離し、次に減数第二分裂（meiosis II）で姉妹染色分体を分離する。減数第一分裂の過程は、一般に減数第二分裂よりも長い。これは、クロマチンが複製され、相同染色体が減数第一分裂における対合とシナプシスの過程によって適切に配向され、分離されるのにより多くの時間を要するためである[7]。
減数分裂中、遺伝的組換え（無作為な分離による）と乗換え（交差）により、母親および父親由来の遺伝子の異なる組み合わせを持つ娘細胞が生成される[12]。この遺伝子の組換えにより、新たな対立遺伝子の組み合わせと遺伝的変異が導入される[2]。生物間の遺伝的変異は、自然選択が作用する遺伝的形質の多様性を広げることによって、個体群の安定性を高めるのに寄与する[2]。
減数第一分裂前期
[編集]減数第一分裂前期（prophase）では、各染色体がその相同染色体と整列し、完全に対合する。減数第一分裂前期の時点でDNAはすでに複製を終えているため、各染色体は共通のセントロメアで連結された2本の同一の姉妹染色分体から構成される[12]。減数第一分裂前期のザイゴテン期（接合糸期、接合期）では、相同染色体が互いに対合する[12]。この対合はシナプシス過程によって起こり、足場タンパク質からなるシナプトネマ複合体が形成され、相同染色体を全長にわたって結合させる[7]。相同染色体間ではコヒーシンによる架橋が生じ、これにより染色体は後期まで引き離されることを防ぐ[8]。遺伝的乗換え（組換えの一種）は、減数第一分裂前期のパキテン期（pachytene stage、太糸期）に起こる。さらに、合成依存的単鎖アニーリング（synthesis-dependent strand annealing、SDSA）と呼ばれる別の種類の組換えもしばしば発生する。SDSA組換えは、対合した相同染色分体間で情報交換を伴うが、物理的なDNA断片の交換は生じない。そのため、SDSA組換えは乗換えを引き起こさない。
乗換えの過程では、相同な染色体領域（chromosome territory）の切断と再結合によって遺伝子が交換される[7]。キアズマ（chiasma、複数: chiasmata）と呼ばれる構造が、この交換の場となる。乗換えが起こった後、キアズマは相同染色体を物理的に連結し、減数分裂中の染色体分離の過程全体を通じて維持される[7]。非乗換え型および乗換え型の両方の組換えは、DNA損傷、特に二本鎖切断を修復する機構としても機能する。
減数第一分裂前期のディプロテン期（diplotene stage、複糸期）では、シナプトネマ複合体が分解し、相同染色体が分離できるようになるが、姉妹染色分体はセントロメアを介して引き続き結合した状態を保つ[7]。
減数第一分裂中期
[編集]減数第一分裂中期（metaphase）では、二価染色体（bivalent、または四分染色体 tetrad とも呼ばれる）である相同染色体対が、中期板上に無作為な順序で整列する[12]。この無作為な配列は、細胞が遺伝的変異を導入するもう一つの仕組みである。減数分裂紡錘体は対極から伸び、それぞれのキネトコア（動原体）に結合し、相同染色体の各対を中期板上で安定させる[8]。
減数第一分裂後期
[編集]減数第一分裂後期（anaphase）では、相同染色体が互いに引き離される。相同染色体の腕を結合していたコヒーシンは、酵素セパラーゼによって切断される[8]。これによりキアズマが解放され、相同染色体は細胞の両極へ移動する[8]。相同染色体の各対が無作為に2つの娘細胞へ分配され、これらの娘細胞は減数第二分裂を経て4つの半数体（単数体）生殖細胞を形成する[2]。
減数第二分裂
[編集]減数第一分裂で相同染色体の四分染色体が分離された後、各対の姉妹染色分体が分離される。減数第一分裂で生じた2つの半数体娘細胞（染色体数は半分に減少しており、それぞれ親の二倍体細胞由来の染色体組を持つ）は、減数第二分裂で染色体複製を伴わない新たな細胞分裂を行う。
減数第二分裂後期では、紡錘糸が姉妹染色分体を引き離し、最終的に4つの半数体娘細胞が形成される[2]。
有糸分裂において
[編集]相同染色体の機能は、有糸分裂と減数分裂とで異なる。有糸分裂では、相同染色体は主に遺伝情報の安定な維持に関与し、対合や遺伝的組換えを行わない[12]。有糸分裂に先立ち、親細胞内の染色体が複製され、姉妹染色分体を持つ相同染色体の組が形成される。複製された姉妹染色分体は中期板上に整列し、後期に紡錘体によって分離される[13]。有糸分裂では、姉妹染色分体間で組換え（交差）が起こることはほとんどなく、対立遺伝子の新しい組み合わせは形成されない[2]。
体細胞において
[編集]相同染色体の対合は、多くの場合、生殖細胞系列において観察されるが、体細胞でも生じる。たとえば、ヒトの体細胞では、相同染色体の対合は厳密に制御されており、染色体がそれぞれ独立した染色体領域に区画化され、発生シグナル伝達の制御下で特定の遺伝子座においてのみ対合が起こる。一方、他の生物種（特にショウジョウバエ）では、相同染色体の対合がより頻繁に観察される。ショウジョウバエでは、相同染色体の対合はトランスベクション（transvection）と呼ばれる遺伝子調節現象を支えている。これは、一方の染色体上の対立遺伝子が、相同染色体上のもう一方の対立遺伝子の発現に影響を及ぼす現象である[14]。この現象の代表的な機能の一つが、性的二形性を示すX連鎖遺伝子の発現調節である[15]。
問題
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染色体が正しく分配されない場合、深刻な結果を招く可能性がある。分配異常は、不妊、胚死滅、先天性異常、さらには癌（がん）の原因となることがある[16]。相同染色体の対合および接着の機構は生物種によって異なるが、最終的な遺伝物質が正しく分配されるためには、これらの機構が適切に機能することが不可欠である[16]。
染色体不分離
[編集]減数第一分裂における相同染色体の正確な分離は、減数第二分裂における姉妹染色分体の分離にとって極めて重要である[16]。この分離に失敗する現象を染色体不分離（chromosome nondisjunction）と呼ぶ。不分離にはトリソミーとモノソミーの2つの主要な型がある。トリソミーは接合子（受精卵）が正常な染色体数より1本多く染色体を有することによって生じ、モノソミーは接合子中の染色体が正常数より1本少ないことによって特徴づけられる。不均等な分裂が減数第一分裂で起こると、染色体数が通常とは異なる娘細胞が生じ、ダウン症候群などの状態を引き起こす場合がある[17]。また、減数第二分裂でも不均等な分離が起こることがあり、染色体数が通常とは異なる娘細胞が生じる場合がある[5]。
その他の機能
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相同染色体の主な機能は核分裂における役割であるが、DNA二本鎖切断の修復にも利用される[19]。これらの二本鎖切断はDNA複製中に発生することがあり、多くの場合、活性酸素種などの自然に発生する損傷性分子がDNAと相互作用することによって生じる。相同染色体は、同一の遺伝子配列を持つ染色体と整列することで、この損傷を修復することができる[19]。2本の鎖間で塩基対が一致し、正しい方向に整列すると、相同染色体は減数分裂における交差（組換え）によく似た過程を経る。この過程では、損傷のないDNA配列の一部が損傷した染色体の配列と重なり合う。その後、複製関連のタンパク質や複合体が損傷部位に動員され、修復と正確な複製が行われる。この機能によって二本鎖切断は修復され、DNAは通常どおり機能することができる[19]。
関連研究
[編集]相同染色体に関する現在および将来の研究は、組換えやDNA修復の過程における各種タンパク質の役割に重点を置いている。Pezzaらによる最近の論文では、HOP2というタンパク質が、相同染色体のシナプシス（対合）および相同組換え（homologous recombination）を介した二本鎖切断修復（double-strand break repair）の両方に関与していることが示された[20]。マウスにおいてHOP2を欠失させると、減数分裂に重大な影響が生じる[21]。その他の最新研究でも、相同組換えに関与する特定タンパク質に焦点が当てられている。
また、相同染色体がDNAの二本鎖切断を修復する能力に関する研究も進められている。研究者らは、この能力を再生医療に応用できる可能性を検討している[22]。DNA損傷は発癌に関与すると考えられているため、この修復機構を利用した医療は、癌治療への応用が期待されている。相同組換え機構を操作することで、細胞の損傷応答システムを改善できる可能性がある。このような治療法の有効性はまだ確認されていないが、将来的には有用な癌治療法となる可能性がある[23]。
関連項目
[編集]- 倍数性 - 細胞内に存在する染色体の完全なセットの数
- 相同組換え - 同じ遺伝情報を持つ相同染色体間で遺伝子や遺伝情報が交換される現象
- シナプシス - 減数分裂中に相同染色体が対合し、密接に結びつく現象
- 乗換え (生物学) - 減数分裂中に、相同染色体間で遺伝物質が交換される現象
- 生殖細胞 - 有性生殖を行う生物の配偶子を形成する細胞
- 不分離 - 相同染色体や姉妹染色分体が正しく分離しない現象
- メンデル遺伝 - グレゴール・メンデルが提唱した原理に従う生物学的遺伝の理論
- 遺伝 - 親から子に形質が受け継がれる現象
- 非相同末端結合 - DNAの二本鎖切断を修復する経路
脚注
[編集]- ^ “Homologous chromosomes” (英語). Genetics Home Reference. National Library of Medicine (2015年11月23日). 2015年11月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年11月1日閲覧。
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参考文献
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