遺伝子クラスター

遺伝子クラスターとは、生物のゲノム上、比較的近い場所に集まって存在する複数の遺伝子群を指します。通常、数千塩基対以内といった限られた範囲に配置されており、これらの遺伝子がコードするポリペプチドやタンパク質は、構造や機能が互いに類似しています。クラスター全体として、共通の生物学的な機能に関わることが多いです。クラスターに含まれる遺伝子の数は数個から数百個まで様々ですが、一般的には数十個を超えることは稀です。クラスター内の各遺伝子のDNA配列は部分的に似ていますが、それぞれが独自の機能を持つ異なるタンパク質をコードしています。これらの遺伝子は、同一の染色体上、あるいは相同染色体上の近接した位置に並んでいます。例えば、動物の体のパターン形成に不可欠なHox遺伝子クラスターは、遺伝子クラスターの代表例です。

遺伝子クラスターの形成メカニズムとして最も広く受け入れられているのは、『遺伝子重複とそれに続く多様化』のモデルです。もともと一つしかなかった遺伝子が複製されて新たなコピーが生じ、そのコピー遺伝子が時間とともに変異し多様化することでクラスターは形成されます。重複した遺伝子は元の遺伝子の近くに留まり続けます。遺伝子重複は、新たな遺伝機能を生み出す重要な源泉です。生存に必須な遺伝子の単一コピーは変異が許されにくいですが、重複によって生じたコピーは、元の遺伝子が機能を維持しているおかげで、変異を受け入れ新たな機能へと進化する機会が得られます。このように、遺伝子クラスターは、生物がゲノムの必須機能を保ちつつ、進化的な適応力を高める上で重要な役割を果たしています。Hox遺伝子クラスターなども、このような遺伝子重複、特に染色体内のシス重複を経て形成されたと考えられています。

ゲノム上の遺伝子反復構造には、遺伝子クラスターと『タンデムアレイ』の二つの主な形態があり、両者には重要な違いがあります。遺伝子クラスターは遺伝子間に数千塩基対程度の距離があるのに対し、タンデムアレイは同一または類似遺伝子が間を空けずに連続して並びます。また、遺伝子クラスター内の遺伝子が類似した機能を持つ異なるタンパク質をコードするのに対し、タンデムアレイの遺伝子は同一のタンパク質や機能性RNAをコードするという点が大きな違いです。タンデムアレイは、リボソームRNA (rRNA) 遺伝子のように、細胞内で大量に必要とされる産物を効率的に供給するために重要です。数百から数千もの同一rRNA遺伝子がタンデムに並ぶことで、必要な量のrRNAを迅速に生産することを可能にしています。遺伝子クラスターとタンデムアレイは、構成原理、コードする産物、進化的な振る舞いにおいて区別される存在です。

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