相同組換え
形質転換過程の一部として、RecAタンパク質は進入してくる一本鎖DNA(ssDNA)と相互作用してRecA/ssDNAヌクレオフィラメントを形成し、染色体の相同領域をスキャンしてssDNAを鎖交換と相同組換えが起こる領域へ持ってゆく。このように、細菌の形質転換時の相同組換え過程は減数分裂時の相同組換えと基本的に類似している。
相同組換えは一部のグループのウイルスでも起こる。ヘルペスウイルスなどのDNAウイルスでは、細菌や真核生物と似た切断・再結合によって組換えが起こる。また、一部のRNAウイルス、特にレトロウイルス、ピコルナウイルス、コロナウイルスなどのプラス鎖一本鎖RNAウイルスでも組換えの証拠が存在する。インフルエンザウイルスなどの一本鎖マイナス鎖RNAウイルスで組換えが起こるかについては議論がある。
RNAウイルスでは、相同組換えは正確型(precise)と不正確型(imprecise)のいずれかの方法で起こる。正確型のRNA-RNA組換えでは、2つの親鎖と生じた組換えRNA領域の間には差異が存在しないため、組換えが起こった位置を決定することは困難であることが多い。不正確型のRNA相同組換えでは、乗換え領域には付加、欠失、または他の修飾によって引き起こされた、親鎖との差異が存在する。乗換えの正確性は組換えを行う2つのRNA鎖の配列コンテクストによって制御されており、アデニンとウラシルに富む配列では乗換えの正確性が低下する。
相同組換えはウイルスの進化の促進に重要である。例えば、異なる不利な変異を持つ2つのウイルスのゲノムが組換えを起こした場合、完全に機能的なゲノムが再形成される可能性がある。また、2つの類似したウイルスが同じ宿主細胞に感染した場合、2つのウイルスは相同組換えによって遺伝子を交換し、より強力な変異株へと進化する可能性がある。
ヒトヘルペスウイルス6型は相同組換えによってヒトのテロメアへの組み込みを行うことが提唱されている。
致死的なゲノム損傷を持つ2つ以上のウイルスが同じ宿主細胞に感染した際、ウイルスゲノムはしばしば互いに対合し、相同組換え修復によって生存可能な子孫を産生する。この過程はmultiplicity reactivation(多重感染再活性化、多重感染回復)として知られており、T4ファージを含むいくつかのバクテリオファージで研究が行われている。T4ファージでの組換え修復に用いられる酵素は、細菌や真核生物の組換え修復に用いられる酵素と機能的に相同である。特に、相同組換え修復における重要段階である鎖交換反応に必要な遺伝子は、ウイルスからヒトまで機能的に相同である(T4ファージではuvsX、大腸菌や他の細菌ではrecA、酵母や他の真核生物(ヒトを含む)ではrad51とdmc1)。多数の病原性ウイルスでもmultiplicity reactivationが起こることが示されている。
相同組換えが適切に行われない場合、減数分裂における細胞分裂の第一段階で染色体が誤った整列を行うことが多くある。これによって染色体の適切な分離が行われなくなり、染色体不分離と呼ばれる。染色体不分離によって、精子や卵に含まれる染色体が多すぎたり少なすぎたりといった状態が引き起こされる。ダウン症候群は21番染色体の過剰コピーの存在によって引き起こされ、減数分裂時の相同組換えの不全によって生じる異常のうちの1つである。
相同組換えの欠陥は、ヒトでのがんの発生と強く関連付けられている。例えば、ブルーム症候群、ウェルナー症候群、ロスムンド・トムソン症候群は、相同組換えの調節に関与するRecQヘリカーゼ遺伝子(それぞれBLM (タンパク質)、WRN、RECQL4)の機能不全によって引き起こされる。ブルーム症候群の患者の細胞ではBLMタンパク質の機能的コピーが存在せず、相同組換えの頻度が上昇する。BLM欠損マウスを用いた実験からは、変異による相同組換えの増加によって引き起こされたヘテロ接合性消失のため、がんが生じていることが示唆されている。ヘテロ接合性消失は2つのアレルのうちの1つが失われることを意味する。失われたアレルがRbなどのがん抑制遺伝子のものである場合、ヘテロ接合性消失によってがんが引き起こされる可能性がある。
相同組換えの頻度の低下によってDNA修復が非効率なものとなり、こちらでもがんが引き起こされる可能性がある。2つの類似したがん抑制遺伝子であるBRCA1とBRCA2の機能不全はこのケースであり、乳がんと卵巣がんのリスクの大幅な増大と関連付けられている。BRCA1とBRCA2を欠損した細胞では相同組換えの頻度の低下と電離放射線に対する感受性の増加がみられ、相同組換えの減少ががんに対する感受性の増加につながっていることが示唆される。BRCA2の唯一の既知の機能は相同組換えの開始の補助であるため、乳がんや卵巣がんの原因の理解には、相同組換えにおけるBRCA2の役割に関するより詳細な知見が重要であると考えられている。
BRCAの異常など、相同組換えに異常がみられる腫瘍は、HRD陽性(homologous recombination deficiency (HRD)-positive)と記載される。
相同組換えの経路は機械的にはさまざまであるが、相同組換えを行う能力は生命の3つのドメインを通じて普遍的に保存されている。アミノ酸配列の類似性に基づくと、多くのタンパク質のホモログが複数のドメイン間で見つかり、それらがはるか昔に進化し、共通の祖先タンパク質から分かれたものであることが示唆される。
RecAリコンビナーゼファミリーのメンバーはほとんどすべての生物種に存在し、細菌ではRecA、真核生物ではRad51とDMC1、古細菌ではRadA、T4ファージではUvsXである。
相同組換えや他の多くの過程に重要な一本鎖結合タンパク質も、関連タンパク質がすべてのドメインに存在する。
Rad54、Mre11、Rad50や多数の他のタンパク質も、古細菌と真核生物の双方に存在している。
RecAリコンビナーゼファミリーのタンパク質は、共通の祖先型リコンビナーゼの子孫であると考えられている。RecAリコンビナーゼファミリーには、細菌のRecA、真核生物のRad51とDmc1、古細菌のRadA、そしてリコンビナーゼのパラログタンパク質が含まれる。Rad51、Dmc1、RadA間の進化的関係をモデル化した研究からは、これらが単系統、すなわち共通の分子的祖先を持つことが示唆されている。さらにこのタンパク質ファミリー内では、Rad51とDmc1は同じグループに分類され、RadAは異なる系統群に分類される。また、これらの3つのタンパク質をRecAとは異なる同一のグループに分類する根拠の1つとしては、これらにはすべて、タンパク質がDNAに結合するのを助ける、変形したヘリックスターンヘリックスモチーフがN末端に存在することが挙げられる。太古の真核生物のRecAの遺伝子に遺伝子重複が生じ、その後の変異によって現在のRAD51とDMC1の遺伝子の起源となったと提唱されている。
このファミリーのタンパク質には一般的に、RecA/Rad51ドメインとして知られる長い保存性領域が存在する。このタンパク質ドメイン内には、Walker AモチーフとWalker Bモチーフという2つの配列モチーフが存在する。これらのモチーフによってRecA/Rad51タンパク質ファミリーはATPの結合と加水分解が可能となる。
真核生物へ分岐した最初期の原生生物の1つであるジアルジアのいくつかの種にDmc1が発見されたことは、減数分裂における相同組換え、そして減数分裂自身が真核生物の進化のきわめて初期に出現したことを示唆している。Dmc1に関する研究に加えて、Spo11タンパク質に関する研究からは、減数分裂時の組換えの起源に関する情報が得られている。II型トポイソメラーゼであるSpo11は、DNAの標的部位で二本鎖切断を作り出すことで減数分裂時の相同組換えを開始する。動物、菌類、植物、原生生物、古細菌に存在するSPO11に類似した遺伝子配列に基づく系統樹からは、現在の真核生物のさまざまなSpo11は真核生物と古細菌の最も近い共通祖先に出現したものに由来すると考えられる。
DNA配列を生物に導入して組換えDNAと遺伝子組換え生物を作り出す方法の多くにおいて、相同組換え過程が利用されている。遺伝子ターゲティングとも呼ばれる手法は、特に酵母とマウスの遺伝学で広く利用されている。ノックアウトマウスを作製する遺伝子ターゲティングの手法では、相同組換えによってマウスの標的遺伝子を抑制する、人工的な遺伝物質を導入するためにマウスの胚性幹細胞が利用される。それによって、マウスは哺乳類の特定の遺伝子の影響を理解するためのモデルとして利用できるようになる。胚性幹細胞を介してマウスに遺伝的修飾を導入するための相同組換えの利用法を発見したことを讃えて、マリオ・カペッキ、マーティン・エヴァンズ、オリヴァー・スミティーズに2007年のノーベル生理学・医学賞が授与された。
細胞の相同組換え機構を乗っ取る遺伝子ターゲティング技術の発達によって、より正確な、同系のヒト疾患モデルを作製する新たな技術が開発されている。このような遺伝子改変されたヒト細胞モデルは、ヒトの疾患の遺伝学をマウスモデルよりも正確に反映したものとなると考えられている。それは、研究対象の変異が内在性の遺伝子に、実際の患者に生じているのと同じように導入されているため、そしてマウスのゲノムではなくヒトのゲノムに基づいた影響を観察できるためである。さらに、単なるノックアウトではなく特定の変異のノックインを可能にする技術が開発されている。
相同組換えを用いたタンパク質工学によって、2つのタンパク質由来の断片を入れ替えたキメラタンパク質が開発された。これらの技術は、相同組換えがタンパク質の三次構造へのフォールディングを維持しながら高度の配列多様性を導入することを利用する。これはランダム点変異導入など他のタンパク質工学の技術とは対照的であり、ランダム点変異導入ではタンパク質の機能が維持される可能性はアミノ酸置換の増加にしたがって指数関数的に低下する。相同組換え技術によって生産されたキメラタンパク質は、交換に用いられる親鎖は構造的にも進化的にも保存されたものであるため、フォールディングが維持される。こうした相同組換えが可能な「ビルディングブロック」間では、タンパク質の立体構造中でのアミノ酸間の物理的接触など、構造的に重要な相互作用が保存されている。組換えに適した構造的サブユニットの同定には、SCHEMAやstatistical coupling analysisといった計算的手法が利用される。
相同組換えを利用した技術は、新たなタンパク質のエンジニアリングにも利用されている。2007年に発表された研究では、イソプレノイドの生合成に関与する2つの酵素のキメラを創出することに成功した。イソプレノイドは、ホルモン、視色素、ある種のフェロモンなどを含む多様な分類群であり、イソプレノイドの生合成は自然界で最も多様な生合成経路の1つである。キメラタンパク質は、元のタンパク質には存在しない、イソプレノイド生合成に必須の反応を触媒する能力を獲得した。ヒトで薬剤、食品添加物、保存料などの外来化合物の解毒に関与しているシトクロムP450ファミリーのメンバーに対し新たな機能を付加したキメラ酵素も、組換えを用いたタンパク工学によって生産されている。
BRCAに変異を有するがん細胞は相同組換えに欠陥が生じており、こうした欠陥を利用する薬剤が開発され臨床試験で成功している。PARP1の阻害剤であるオラパリブは、BRCA1またはBRCA2の変異によって引き起こされた乳がん、卵巣がん、前立腺がんを収縮させる、もしくは成長を止める。BRCA1またはBRCA2が存在しないときには、停止した複製フォークに対しては塩基除去修復(BER)、二本鎖切断に対しては非相同末端結合(NHEJ)など、他のタイプのDNA修復機構によって相同組換えの欠陥の補償が行われなければならない。相同組換えに欠陥が生じている細胞でBERを阻害することにより、オパラリブは標的がん細胞特異的な合成致死性をもたらす。PARP1阻害剤はがん治療に新たなアプローチをもたらしたが、研究者らは末期の転移性がんの治療には不十分である可能性を警告している。がん細胞でBRCA2の変異の欠失が起こった場合、がん細胞は相同組換えによるDNA修復能力を回復して薬剤の合成致死性を弱め、PARP1阻害剤に対する抵抗性を獲得する可能性がある。