減数分裂と組換え

減数分裂は、染色体数を二倍体から半数体に減少させる2回の連続した分裂からなり、組換えは、第一分裂で起こる相同染色体間のDNAのプログラムされた交換です。これらは共に、遺伝的にユニークな配偶子を生成すると同時に、染色体が正確に分離するための物理的な結合を構築します。

Definition

減数分裂は、二倍体の生殖細胞から半数体の配偶子を生成する2段階の分裂（減数第一分裂：還元分裂、減数第二分裂：均等分裂）であり、減数組換えは、プログラムされたDNA二本鎖切断によって開始される相同染色体間の遺伝物質の相互交換です。

Scope

このトピックでは、減数第一分裂および第二分裂の段階、組換えの分子レベルでの開始と終結、交叉とキアズマの形成、多様性生成と分離忠実性確保における組換えの二重の役割について扱います。これは減数分裂と染色体分離におけるメカニズムに関する参考文献であり、臨床的な指針ではありません。

Core questions

• 2つの減数分裂はどのように組織され、減数第一分裂は減数第二分裂とどのように異なりますか？
• 組換えは分子レベルでどのように開始され、終結しますか？
• 交叉とキアズマはどのようにして正確な染色体分離を可能にしますか？

Key concepts

• 減数第一分裂（還元分裂）と減数第二分裂（均等分裂）
• 減数第一分裂前期のサブステージ（細糸期、接合期、太糸期、複糸期、移動期）
• プログラムされたDNA二本鎖切断
• シナプトネマ複合体とシナプシス
• 交叉とキアズマ
• 交叉干渉と必須交叉
• 遺伝子変換

Mechanisms

減数組換えは、保存されたSpo11タンパク質がゲノム全体にプログラムされたDNA二本鎖切断を導入する減数第一分裂前期に始まります (Keeney et al., 1997)。これらの切断は切除され、その一本鎖末端が相同染色体に侵入し、組換え中間体を生成します。この中間体は、交叉（キアズマへと成熟する相互交換）または非交叉（遺伝子変換）のいずれかの結果へと導かれます。これらの事象が進行する間、シナプトネマ複合体（synaptonemal complex）に沿ったシナプシス（synapsis）が相同染色体の対合を安定化させます。交叉形成は、各相同染色体対が少なくとも1つの適切な位置にある交叉（必須交叉）を受け、交叉が互いに間隔を置いて配置されるように（干渉）調節されます。減数第一分裂後期には、キアズマが姉妹染色分体接着（sister-chromatid cohesion）とともに、相同染色体が分離するまで各二価染色体を紡錘体上で張力下に保持します。その後、減数第二分裂では、体細胞分裂と同様に姉妹染色分体が分離します (Hunter, 2015; de Massy, 2013; Handel & Schimenti, 2010)。

Clinical relevance

相同染色体が分離するためには、適切な位置に配置された交叉が機械的に必要であるため、組換えの欠陥（交叉が少なすぎる、または交叉がセントロメアやテロメアに近すぎる）は、染色体の不分離や異数性を誘発する可能性があります。このメカニズム的関連性は、染色体異常の起源を解釈する上で中心的なものです。このトピックは生物学を記述するものであり、個々の臨床的決定の根拠となるものではありません (Hunter, 2015; Handel & Schimenti, 2010)。

History

相同セグメントの交換は、20世紀初頭に遺伝的連鎖から推測され、キアズマはその物理的対応物として細胞学的に認識されました。分子メカニズムは、減数組換えがプログラムされたSpo11触媒による二本鎖切断によって開始されるという実証によって変革され (Keeney et al., 1997)、その後、切断から交叉および遺伝子変換に至る経路とその制御が段階的に解明されました (de Massy, 2013; Hunter, 2015)。

Key figures

• Scott Keeney
• Nancy Kleckner
• Neil Hunter
• Bernard de Massy

Seminal works

• keeney-1997
• hunter-2015
• demassy-2013

Frequently asked questions

キアズマとは何ですか？

キアズマとは、交叉後に2つの相同染色体が結合したままになる目に見える点であり、DNAの相互交換を表し、減数第一分裂で相同染色体が分離するまで物理的に結合を維持します。

なぜ正確な分離のために組換えが必要なのですか？

交叉は、姉妹染色分体接着とともに、各相同染色体対が紡錘体に適切に結合するための張力を生み出します。適切な位置に交叉がない染色体対は、不分離を起こす可能性がはるかに高くなります。