要約:
人間の精子におけるいくつかの遺伝的変化は、科学が長い間考えていたよりも早くに起こる可能性があることが、新しい研究で示唆されています。子孫の遺伝的多様性を決定する DNA 組換えプロセスの一部は、精子の生成に必要な減数分裂段階ですべてが起こるわけではなく、細胞発生の早い段階で始まっている可能性があります。
ネイチャー誌に掲載されたこの研究は、英国のサンガー研究所、ケンブリッジ大学、および多くの協力機関によって共同で完了されました。この研究は、「交換不可能な遺伝子変換」として知られる遺伝現象に焦点を当てた。このプロセスでは、1 つの染色体が対応する染色体から DNA の小さな配列をコピーし、特定の位置に保持されている遺伝学のバージョンを変更します。
各子供は両親から一連の染色体を受け継ぎますが、この遺伝情報は単にコピーされ、次世代に直接受け継がれるわけではありません。精子と卵子の形成中に、遺伝物質は複雑な組換えを起こし、子孫に独自の遺伝子の組み合わせを与えます。
科学界は一般に、これらの組換えは主に減数分裂中に起こると考えています。従来の見解では、染色体セグメントの大規模な双方向交換を伴う「クロスオーバー」と、DNA の短いセグメントをコピーする「非交換遺伝子変換」を含む 2 つの主要な遺伝子組換え機構が減数分裂プロセスの一部であると考えられています。
しかし、新しい研究は、この長年の見解に疑問を投げかけています。
研究者らは、減数分裂に入る前に、精子を形成する前駆細胞が実際には通常の細胞分裂、つまり有糸分裂を複数回繰り返していることを指摘しました。これらの細胞は、継続的な精子生産を維持するために、男性の生涯を通じて常に更新されます。
この初期段階で何らかの遺伝子変換イベントが発生するかどうかを判断するために、チームは、24 歳から 74 歳までの年齢範囲の 13 人の男性ドナーからの 15 個の精子サンプルを分析しました。
高精度のロングリード DNA シーケンス技術の助けを借りて、研究者は単一の DNA 分子の長いフラグメント情報を直接観察することができ、それによって従来のシーケンス方法では検出が困難であった多くの小さな組換えイベントを発見できます。
分析の結果、研究チームは精子 DNA において合計 7,143 件の交差イベントと 2,382 件の非交換遺伝子変換イベントを特定したことを示しました。
研究者らは次に、これらの結果を血液 DNA サンプルおよび以前に発表された研究のデータと比較しました。その結果、かなりの割合の非交換遺伝子変換は典型的な減数分裂の特徴を持たず、減数分裂に入る前に形成された DNA 修復の結果に近いことが示されました。
さらなる分析により、これらの現象は減数分裂中に通常発生する DNA 切断のホットスポットと弱く関連しており、研究者が予想していた遺伝的特徴の多くが欠けていることが示されました。代わりに、DNA 損傷や破損が起こりやすいゲノムの脆弱な領域でより頻繁に発生します。
研究チームはまた、同様のパターンが精子サンプル中に存在するだけでなく、関連するシグナルが血液 DNA でも観察される可能性があることも発見しました。血液細胞は減数分裂を起こさないため、この結果は、一部の遺伝子変換が通常の細胞分裂中の DNA 修復活動に起因する可能性があるという考えをさらに裏付けています。
研究者らは、これは雄生殖細胞における遺伝子組換えが実際には 2 段階で起こる可能性があることを意味すると考えています。第 1 期は精子前駆細胞の毎日の分裂中に起こり、第 2 期は伝統的な意味での減数分裂中に起こります。
さらに、研究では個人間に大きな違いがあることが判明しています。遺伝的背景が非常に同一である一卵性双生児であっても、精子内で部分的な遺伝子変換のパターンがまったく同じであるわけではありません。これは、そのような遺伝的変化が遺伝的要因によって完全に決定されるのではなく、個人の生涯における独立した生物学的出来事の影響を受けることを示唆しています。
科学者らは、この発見は精子形成のメカニズムの理解を変えるだけでなく、遺伝病、男性の生殖能力、ゲノムの長期進化を研究するための新たな視点を提供するものであると述べた。
研究チームは、将来的にこれらの初期の DNA 修復および組換えプロセスをさらに分析することで、特定の遺伝的変異の起源と、一部の疾患リスクが家族遺伝において複雑な変化を起こす理由の説明に役立つ可能性があると考えています。
配列決定技術の絶え間ない進歩により、科学者たちは、ヒトの遺伝的多様性の形成プロセスがこれまで理解されていたよりもはるかに複雑であることを徐々に発見しつつあります。この研究は、子孫の遺伝的差異を決定するいくつかの重要な変化が、精子が成熟の最終段階に入る何年も前に静かに起こった可能性があることを示している。
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