遺伝的組換え

遺伝的組換えとは

遺伝的組換えは、生物が持つDNAの鎖を組み換える現象を指します。狭義には、生物が自身のDNAを自然に組み換える現象を指し、英語のRecombinationに相当します。広義には、人工的な遺伝子組換えも含まれます。

組換え価

同じ染色体上にある二つの遺伝子座間で組換えが起こる確率を組換え価（または組換え確率）と呼びます。組換え価は、遺伝的地図を作成する上で重要な指標となりますが、ゲノムの全塩基配列が解読された結果、遺伝的組換え価と染色体上の物理的な距離は必ずしも相関しないことが明らかになっています。

組換えが起こるかどうかは、親から受け継いだ遺伝子座の対立遺伝子が、さらに親の親（祖父母）から由来したかどうかによって判断されます。もし二つの遺伝子座で由来が異なれば、その間に組換えが起こったとみなされます。組換え確率 θ は、次のように定義されます。


θ = P(Sj ≠ Sj')


ここで、Sj は遺伝子座 j 上の対立遺伝子が祖父由来なら0、祖母由来なら1とします。

特定の家系サンプルにおいて、組換えが完全に観察できる場合、組換え価は以下の式で推定できます。


l = m / n


l: 組換え価(%)、m: 組換えが起こった配偶子の数、n: 全ての配偶子の数

組換え価 l = 0% のときを完全連鎖、0% < l < 50% のときを不完全連鎖、l = 50% のときを独立といいます。染色体の乗り換えは二本の染色体間でのみ起こり、組換え価が50%を超えることはありません。

ホールデンのマップ関数

組換え価を θ とし、乗換えがランダムに起こると仮定します。二つの遺伝子座間で乗換えが起こる確率が非常に低い場合、ポアソン分布に従うと考えられます。この確率の期待値は、遺伝子座間の距離と相関しており、これを x とします。c 回の乗換えが起こる確率は以下のようになります。


P(C=c|x) = (x^c * e^(-x)) / c!


組換えが起こったということは、奇数回の乗換えが起こったことを意味します。したがって、組換え確率 θ は以下のようになります。


θ = P(C=1|x) + P(C=3|x) + P(C=5|x) + ...
= e^(-x)(x + x^3/3! + x^5/5! + ...)
= e^(-x)sinh(x)
= (1 - e^(-2x)) / 2


ここで sinh は双曲線関数です。この式から、遺伝的距離 x は以下のように表されます。


x = -ln((1-2θ) / 2)


これはホールデンのマップ関数として知られ、二つの遺伝子座間の遺伝的距離を表します。x の単位はモルガン(M)で、1 M の距離では1回の伝達につき1回の乗換えが期待されます。通常は 1/100 M = 1 cM（センチモルガン）の単位が用いられます。この関数を利用して染色体上の遺伝子の配置を示す遺伝地図を作成できます。

組換えホットスポット

ホールデンの仮定とは異なり、実際には組換えはゲノム全体で均一に起こるわけではありません。ゲノム上で組換えが特に起こりやすい場所を組換えホットスポットといいます。ヒトゲノムでは、数万個の組換えホットスポットが確認されており、特定の染色体に偏って多いということはありません。

疾患遺伝子マッピングにおける組換えの利用

組換えは連鎖を弱める主要な原因であり、連鎖解析に不可欠です。組換え確率と疾患の伝達との関連を調べることで、疾患の原因遺伝子を特定できます。しかし、組換え確率の推定は不正確な要素が多く、また組換えホットスポットの存在により、疾患関連領域の位置は概略しかわかりません。現在では、連鎖不平衡の方がより詳細な領域を同定するのに有用です。

DNAレベルの組換え

分子生物学では、DNA分子の一部が切断と再結合によって別のDNA分子と混ざり合うことを組換えといいます。染色体内の組換えもこのDNA組換えによるものです。DNA組換えには、相同組換え、部位特異的組換え、非相同組換えなど、様々なタイプがあります。

相同組換え

相同組換えは、相同性のあるDNA配列間で行われる組換えです。減数分裂時の染色体の乗換えに伴うものが多いですが、体細胞分裂でも起こります。相同組換えによって染色体上の遺伝子の数が変化することもあり、遺伝子の重複や欠失につながることがあります（不等組換え）。相同組換えは、リコンビナーゼと呼ばれる酵素によって触媒されます。

部位特異的組換え

バクテリオファージによる部位特異的組換えでは、ファージDNAが宿主である細菌の染色体DNAに組み込まれます。ファージDNAの一部配列が宿主DNAの配列と完全に一致すると、インテグラーゼという酵素によって組み込まれます。

非相同組換え

相同性のないDNA配列間での組換えを非相同組換えといいます。プロファージDNAが染色体から切り出される際に起こり、宿主の遺伝子を含んだファージが生成されることがあります。

体細胞における組換え

体細胞では、無性生殖する生物の染色体乗換えや、DNA損傷の修復が不完全な場合に姉妹染色分体交換が起こります。また、免疫グロブリン遺伝子やT細胞受容体遺伝子など、生理的に組換えが起こる例もあります。


組換えは、遺伝的多様性を生み出す上で重要なメカニズムです。

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