クエリ: 細胞分裂のたびに短くなり、老化との関連が指摘されている、染色体の末端にある染色体を保護する構造物を何という?
文章: 永遠の若さ 老化のプロセスには、個々人のDNAが関与している。老化は生まれる前から始まっている。つまり、細胞が死に始め、入れ替わりが必要になるとすぐに新しい細胞との入れ替わりが行われ、これが、いわゆる老化のプロセスと同じと考えられている。各染色体の末端には、テロメアと呼ばれるDNAの反復配列があり、染色体が他の染色体と結合しないように保護するほか、いくつかの重要な役割を担っている。そのひとつが、細胞分裂のたびに少量の遺伝暗号を除去することで、細胞分裂を制御する役割である。除去される量は、複製される細胞の種類によって異なる。テロメアが徐々に分解・変質することで、細胞分裂は40~60回に制限されている。これを、ヘイフリック限界と呼ぶ。この限界に達すると、同じ時間内に入れ替わることができる細胞数よりも多くの細胞が死んでしまう。したがって、この限界に達した後、生物はすぐに死んでしまう。
文章: ゲノム不安定性 細胞周期中では、通常はDNA複製時が最も脆弱性が高い状態となる。レプリソーム(英語版)は、タンパク質が結合してきつくからまったクロマチンや、一本鎖・二本鎖切断などの障害を通過する必要があり、こうした障害は複製フォークの停止を引き起こす場合がある。DNAの完全なコピーを作製するためにはレプリソーム内のタンパク質や酵素が正しく機能する必要があり、DNAポリメラーゼやリガーゼなどのタンパク質の変異は複製の欠陥や自発的な染色体交換の原因となる場合がある。停止した複製フォークや紫外線損傷による一本鎖切断に対してはATRが、二本鎖切断に対してはATMが直接応答する。これらのタンパク質はCHK1やCHK2をリン酸化して細胞をS期で停止させるシグナル伝達カスケードを開始し、DNA切断が修復されるまで複製起点の後期の発火や有糸分裂への進行を防ぐ役割を果たす。 文章: 染色体凝縮 染色体凝縮の過程は、原理的には以下の3つのステップに分けて考えることが可能である(図2)。 しかし、これらのステップは同時期にしかも相補いながら進行するため、すべて合わせて染色体凝縮という場合が多い。このように、染色体凝縮とは単に長さを縮めるための過程ではなく、ランダムコイル状のクロマチン繊維を組織的に折り畳んで棒状の構造体へ変換する過程と考えるほうがより適切である。さらに重要なことに、この過程の本質は、分裂後期における姉妹染色分体の分離(separation)を容易にすると共に、両極への移動に耐えるための強度を与えることにある。染色体凝縮の欠損は染色体の分離異常を引き起こし、ひいてはゲノムの不安定化に繋がる。 文章: 紡錘体チェックポイント 上述したように、姉妹染色分体はS期(DNA複製によって2つの同一なコピー(染色分体)が生成される時期)から後期まで結合したままである。後期には、姉妹染色分体は分離され、分裂中の細胞のそれぞれ反対側の極へ向かって移動する。酵母とアフリカツメガエルXenopus laevis卵抽出液での遺伝学的・生化学的研究により、姉妹染色分体間の接着において必要不可欠な役割を果たしている、多数のタンパク質からなる複合体が同定されている。この複合体はコヒーシン複合体として知られており、出芽酵母ではSmc1p、Smc3p、Scc1p(またはMcd1p)、Scc3pという少なくとも4つのサブユニットから構成されている。Smc1pとSmc3pは、高度に保存された染色体関連ATPアーゼのグループである、SMCタンパク質(Structural Maintenance of Chromosomes)と呼ばれるファミリーに属し、ヘテロ二量体(Smc1p/Smc3p)を形成する。Scc1pはRad21の出芽酵母ホモログであり、分裂酵母Schizosaccaromyces pombeでDNA修復に関与するタンパク質として最初に同定された。これら4つのタンパク質は酵母では必須であり、どれか1つにでも変異が生じると姉妹染色分体が早期に分離するようになる。酵母では、コヒーシンは染色体の腕に沿って優先的に結合し、セントロメアに近接して非常に豊富に存在することがクロマチン免疫沈降を用いた研究によって示されている。 古典的な細胞学的観察から姉妹染色分体はヘテロクロマチン領域でより強固に接着していることが示唆されており、ヘテロクロマチンの特別な構造または組成がコヒーシンのリクルートに有利に働いている可能性が示唆されている。事実、分裂酵母ではSwi6(HP1の分裂酵母ホモログ)はヒストンH3のメチル化されたリジン9番残基に結合し、コヒーシンのセントロメアリピートへの結合を促進する。より近年の研究からは、分裂酵母と脊椎動物の双方において、RNAi装置がヘテロクロマチンの確立を調節しており、この領域へのコヒーシンのリクルートを調節していることが示唆されている。一方で、出芽酵母ではセントロメアに近接したヘテロクロマチン領域が存在しないにもかかわらず、機能的なセントロメアの存在によってそれに隣接する2050 kbの領域でコヒーシンの結合の増加が誘導されることから、ヘテロクロマチン以外にもセントロメアでの接着の強化を保証する機構が存在するはずである。 これに関連して、ヒト細胞では有糸分裂中にOrc2(英語版)(S期のDNA複製の開始に関与する複製起点認識複合体(ORC)に含まれるタンパク質の1つ)もキネトコアに局在している。一部の観察では酵母のOrc2は姉妹染色分体間の接着に関与することが示唆されており、その除去によってSACの活性化が誘導される。また、ORC複合体の他の構成要素(分裂酵母のOrc5など)も接着に関与することが観察されている。ORCタンパク質が関与する経路はコヒーシン経路に対して相加的に作用するようであるが、その大部分は未解明である。 文章: 後期 (細胞分裂) 後期は2つの異なる運動によって特徴づけられる。後期A(anaphase A)の過程では、染色体が分裂中の細胞のいずれかの極へ向かって動かされる。この動きは主にキネトコアとキネトコア微小管の作用によって生み出される。 2番目の後期B(anaphase B)の過程では、極が互いに引き離される。この動きは主に極微小管と星状体微小管の作用によって生み出される。 後期Aではさまざまな力の組み合わせが染色分体に作用することが観察されているが、主な力は中心部から発せられる。微小管は染色体の中心部のセントロメアにタンパク質複合体(キネトコア)を介して接着する。接着した微小管は脱重合によって短くなり、モータータンパク質と協働して、細胞の各極に位置する中心体へ向かって染色体を引っ張る動きを生み出す。 文章: 染色体凝縮 真核生物の染色体凝縮で中心的な役割を果たしているタンパク質複合体がコンデンシンである(図3)。コンデンシンはATPアーゼ活性をもち、ATP加水分解から生ずるエネルギーを用いて染色体凝縮を担っているらしい。しかし、そのメカニズムの詳細については不明な点が多い。また染色分体分割の過程には、染色体腕部からコヒーシンが部分的に解離することに加え、DNAの絡み合いを解く II 型トポイソメラーゼの働きが必須である。 一方、最近の報告によれば、簡単な基質(精子核)と6つの精製因子(コアヒストン、3種のヒストン・シャペロン、トポイソメラーゼ II、コンデンシン I)を用いて、単一染色分体(複製過程を経ない一本の染色分体からなる染色体)を試験管内に再構成することができる。これまで分裂期染色体の構築は極めて複雑な過程であると考えられてきたが、その素反応に関わるタンパク質因子の数は限られているらしい。 さらに驚くべきことに、カエル卵抽出液中ではヌクレオソーム形成を抑えた条件下においても、コンデンシンに依存して染色体に似た構造を作ることが可能である。このヌクレオソームを持たない染色体は、コンデンシンが集中した中心軸とその周辺に大きく広がったループ構造から構成されていた。すなわち、コンデンシンは染色体の形作り(shaping)に対して本質的な役割を果たし、一方ヌクレオソームはコンデンシンが構築する染色体軸の周りに広がるDNAループのコンパクション(compaction)に貢献しているらしい。 文章: 動原体 スピンドル(紡錘体)チェックポイントまたはスピンドル形成チェックポイント(spindle assembly checkpoint、SAC)は、有糸分裂チェックポイント(mitotic checkpoint)とも呼ばれ、 の検知を担う。集合過程で染色体が(いかなる理由であれ)1本でも取り残されている場合には、スピンドルチェックポイントは細胞周期の進行を遅らせる。この停止期間の間に、細胞は修復機構によって検知された問題を解消する。ある程度の時間の後も問題が解消されない場合は、細胞はアポトーシス(プログラム細胞死)の標的となる。アポトーシスは、染色体異数性を避けるための安全機構である。 CENP-Bなどの構造的セントロメアタンパク質は有糸分裂を通じて(終期まで)安定して局在したままであるのに対し、スピンドルチェックポイントの構成要素は微小管不在下に高濃度でキネトコアで組み立てられ、キネトコアに接着した微小管の数が増加するにつれてその濃度は低下する。 文章: 細胞核 細胞核とは、真核生物の細胞を構成する細胞小器官のひとつ。細胞の遺伝情報の保存と伝達を行い、ほぼすべての細胞に存在する。通常は単に核ということが多い。 細胞核は細胞の遺伝物質の大部分を含んでおり、複数の長い直鎖状のDNA分子がさまざまな種類のタンパク質 (ヒストンなど) と複合体を形成することで、染色体が形成されている。これらの染色体の内部の遺伝子が核ゲノムを構成しており、細胞の機能を促進するよう構造化されている。核は遺伝子の完全性を維持し、遺伝子発現の調節により細胞の活動を制御する。すなわち、核は細胞のコントロールセンターである。核を作り上げている主要な構造は核膜と核マトリックスである。核膜は核全体を包む2層の脂質二重膜で、その内容物を細胞質から分離している。核マトリックス (核ラミナもこれに含まれる) は核内部のネットワーク構造で、細胞を支える細胞骨格のように、核構造の機械的支持を行っている。 巨大な分子は核膜を透過できないので、核膜を越える輸送の調節には核膜孔が必要とされる。孔は二重膜を貫通しており、膜輸送体による能動輸送を必要とする巨大分子が通過するためのチャネルとなっている一方、低分子やイオンは自由に移動する。タンパク質やRNAなどの巨大分子の孔を通っての移動は、遺伝子発現と染色体の維持の両方のプロセスに必要とされる。核の内部には膜結合性の小区画は存在しないが、その内容物が一様であるわけではなく、特定のタンパク質、RNA分子、染色体の特定の部分から構成される、多数の核内構造体が存在する。最もよく知られているのは核小体で、主にリボソームの組み立てに関与している。リボソームは核小体で合成された後、細胞質へ輸送されてmRNAの翻訳を行う。 文章: 染色体凝縮 すなわち、原核生物においても「染色体凝縮」に相当する過程が存在し、この過程そのものが限られた空間内での染色体の分離に大きな役割をはたしていると考えられる(図4;原核細胞には真核細胞のスピンドルに対応する分裂装置が存在しない)。最近では、Hi-C技術によって、バクテリア型コンデンシンに依存した核様体の構造変換の動態が、 Caulobacter、枯草菌および大腸菌において解析されている。これらの知見は、染色体凝縮という過程を分子レベルでとらえ直し、さらに染色体高次構造を進化的視点から理解する上で極めて重要である。 文章: 相同組換え 相同組換えは、植物、動物、菌類、原生生物といった真核生物の細胞分裂に必須である。有糸分裂を経て分裂を行う細胞では、電離放射線やDNAを損傷する化学物質による二本鎖切断は、相同組換えによって修復が行われる。こうした二本鎖切断が修復されないままの場合、体細胞で大規模な染色体再構成が引き起こされ、がんへとつながる可能性がある。DNA修復に加えて、相同組換えは減数分裂によって特殊な配偶子細胞(動物では精子と卵細胞、植物では花粉と胚珠、菌類では胞子)が形成される際に遺伝的多様性が生じるのを助ける。この過程は染色体乗換えによって促進され、類似しているものの同一ではない相同染色体間で交換が行われる。これによって新たな、有益な可能性のある遺伝子の組み合わせが作り出され、子孫に進化的な利点がもたらされる。 文章: 染色体不分離 一般的に、染色体の規則正しい分配を伴うあらゆる種類の細胞分裂過程で染色体不分離が生じる場合がある。高等動物では、こうした細胞分裂には3つの種類がある。減数第一分裂と第二分裂は有性生殖のために配偶子(卵と精子)を形成する際に行われる特殊な細胞分裂形態であり、有糸分裂はそれ以外の全ての細胞が利用する細胞分裂の形態である。排卵された卵は、受精によって第二分裂が開始されるまで、第二分裂中期で停止している。第二分裂後期には、有糸分裂の分離過程と同様に、第一分裂で二価染色体の分離によって生じた姉妹染色分体の対がさらに分離される。卵母細胞では、姉妹染色分体の一方は第二極体へ分離され、もう一方が卵にとどまる。精子形成過程においては減数分裂は対称的であり、第一分裂後には各一次精母細胞から2つの二次精母細胞が生じ、最終的に第二分裂後には4つの精子が形成される。 文章: 減数分裂 二倍体細胞では、ある1本の染色体には、よく似たもう1本の染色体が存在する(図左上)。これらは互いによく似た(相同な)染色体であり、こういった関係にある2本の染色体を相同染色体(homologous chromosomes)と呼ぶ。相同染色体の一方は母方から、もう一方は父方から受け継ぐ。(注:常染色体ではそうであるが、例えばヒトなどの性染色体の2本の対についてはお互いに長さも違い遺伝子の内容もあまり似てはいない)。 減数分裂に先立って、細胞はDNA複製を行いDNAの量を倍化させる。その結果、元の染色体と同じ配列を持った2本の染色体が形成される(図左中)。これら同じ遺伝情報を持つ2本の染色体のペアは姉妹染色分体と呼ばれる(図左中の、同じ色の2本)。体細胞分裂では2倍になった染色体がそれぞれ娘細胞に受け継がれ、母細胞と同じになる(右上)。 減数第一分裂では2本の染色分体からなる相同染色体同士が対合し、4本の染色分体からなる二価染色体(bivalent chromosomes)を形成する(図左下)。その後、それぞれの相同染色体(2本の染色分体)は別々の方向に分かれ、第一分裂が終了する(図下中央;この分裂は還元分裂とも呼ばれる)。引き続き、新たなDNA合成を介することなく、減数第二分裂が開始する。第二分裂では2本の姉妹染色分体が別の方向に分かれる(この分裂は均等分裂とも呼ばれる)。こうして出来た4個の娘細胞にはそれぞれ元の細胞の半分の量のDNAが含まれる(右下)。 文章: 減数分裂 減数分裂 (げんすうぶんれつ、独: Meiose、英: meiosis)は、真核生物における細胞分裂の様式の一つ。動物では配偶子(コケ・シダ類などでは胞子)を形成する際に行われ、生じた娘細胞では染色体数が分裂前の細胞の半分になる。一方、細胞が通常増殖する際に取る形式は有糸分裂あるいは体細胞分裂と呼ばれる。19世紀後半に予見されていた現象であり、英語で減数分裂を意味する Meiosis はギリシャ語で「減少」の意。 様式において体細胞分裂と異なる点は、染色体の複製の後に相同染色体が対合し、中間でDNAを複製することなしに二回連続して細胞分裂(減数第一分裂、第二分裂)が起こることである。受精では卵子と精子から一組ずつ染色体が供給され、二倍体細胞は母系由来と父系由来の染色体を一セット持っていることが明らかにされると、受精に先立ってあらかじめ染色体の減数が行われる必要があることが考えられた。実際の観察は、ウォルター・S・サットンによってバッタの生殖細胞で報告された。このことから遺伝子が染色体上にあるとする染色体説が提唱された。 文章: 性染色体 染色体は1842年にカール・ネーゲリ により、塩基性色素で染色される細胞内の構造物として発見された。1888年その構造物を「染色体 (chromosom)」と命名したのはヴァルデヤーである。1902年にウォルター・S・サットンにより染色体が遺伝子の担体であるとする染色体説が提唱され、1920年ごろまでにはモーガンらにより実証された。 ドイツの生物学者ヘルマン・ヘンキングが、細胞分裂のときに他の染色体とは異なり相同染色体とのペアを作らない特殊な染色体をカメムシ(ホシカメムシ)の精巣細胞で見つけたのは、1890年であった。彼はその意義に特に気が付かなかったらしく、この染色体をXと命名したに過ぎなかったが、その後アメリカのマックラング(1902年)やステベンス(1905年)などによって多くの動物で発見され、それが性の決定と深い関係があることが認められ、このX染色体が雌雄で存在する数が異なる性染色体であることが判明した。 植物の性染色体は1917年に苔植物の一種Spaerocarposで最初に報告された。種子植物の性染色体は1923年に、木原と小野がスイバにおいて、Santosがカナダモ、Blackburnがヒロハノマンテマ、Wingeがホップ・セキショウモ・ヒロハノマンテマなどにおいて、それぞれ独立に発見した。 文章: 後期 (細胞分裂) 後期は、有糸分裂の中期の後の段階であり、複製された染色体が分離し、分離した染色体(娘染色分体)はそれぞれ細胞の反対側の極へ向かって移動する。染色体は後期の終盤に最大の凝縮度に達し、染色体分離と核の再形成を助ける。 後期は、後期促進複合体がセキュリンと呼ばれる阻害シャペロンに分解のためのユビキチン標識を付加することで開始される。セキュリンはセパラーゼと呼ばれるプロテアーゼを阻害するタンパク質である。セキュリンの分解によってセパラーゼは解放され、セパラーゼは姉妹染色分体をつなぎとめているコヒーシンを分解する。 後期における染色分体の分離過程では、キネトコア微小管、極間微小管、星状体微小管と呼ばれる、有糸分裂期に特有の3種類の微小管が必要な力の産生に関与している。 コヒーシンの分解と微小管からの力によってセントロメアは分離し、姉妹染色分体はキネトコア微小管によって極に向かって引っ張られる。引っ張られる際には、染色分体はV字型またはY字型の形状をとる。染色体が細胞の両側へ引っ張られている間、極間微小管と星状体微小管は細胞を楕円形に引き伸ばす力を産生する。 後期が完了すると、細胞は終期へ移行する。 文章: 中期 (細胞分裂) 中期(英: metaphase)は、真核生物の細胞周期の有糸分裂において、染色体が2番目に強く凝縮している段階である(最も凝縮しているのは後期である)。前中期に引き続いて起こり、後期へと続く。中期では染色体は細胞の赤道面に整列し、前期に形成された微小管は既に動原体に接着している。 中期では、染色体のセントロメアは中期板(metaphase plate)または赤道板(equatorial plate)と呼ばれる、中心体の2つの極から等距離にある仮想的な線上に集められる。この平面的な整列は動原体微小管が反対方向へ引っ張りあう力の平衡によるものであり、2人が同じ力で綱引きをしている状態に似ている。この整列はサイクリンBの分解によって終了する。ある種の細胞では染色体は中期板に整列せず、中心体の極の間をランダムに行ったり来たりしながら、中心線に沿って大まかに整列するだけである。中期の初めごろの事象は前中期の終わりごろの事象と同時に起こり、まだ動原体と微小管が接着していない染色体で前中期の事象が起こっているうちから、接着が完了した染色体では中期の事象が個別に開始される。 前中期と中期の期間には細胞周期チェックポイントが存在する。すべての動原体が微小管の束と正しく接着し、すべての染色体が中期板に整列してから、細胞は後期へ移行する。正しい接着が起こっていない動原体は、たとえほとんどの動原体が接着しほとんどの染色体が整列している状態であっても、後期への進行を防ぐシグナルを発すると考えられている。このようなシグナルはスピンドルチェックポイントとして機能しており、後期促進複合体、セキュリン、セパレースの調節によって行われていると考えられる。