[出典] "Two differentially stable rDNA loci coexist on the same chromosome and form a single nucleolus" Lazar-Stefanita L, Lou J, Haas MAB, Zhang W, Boeke JD. Proc Natl Acad Sci U S A. 2023-02-23. https://doi.org/10.1073/pnas.2219126120 [著者所属] NYU Langone Health, NYU School of Medicine, NYU Tandon School of Engineering
  哺乳類と酵母におけるゲノムワイドな研究から、リボソームRNAをコードするrDNA配列が進化の過程で何度も染色体上の位置を変えてきたという仮説を支持するエビデンスが得られている。ほとんどすべてのケースで、ネイティブ配列が祖先の場所から完全に消え、小さな「遺伝子間の傷跡」が残されていた。
 このrRNAの進化に必要なプロセスとして2つの仮説が提唱されている:irDNA遺伝子座がゲノム内を移動する共通の祖先メカニズム;ii)染色体アームあたり1つ以上のrDNA遺伝子座が存在することが可能である。第一の仮説については、非相同配列間の組換えや、繰り返し配列間の “nonreciprocal crossover”が、rDNAの移動とそのサイズにそれぞれ関係しているのではないかと推測することができる。著者らは今回、カットアンドペースト機構により、本来のメガベースrDNA配列全体を染色体内の異所的な場所に移動するイベントの影響をモニターすることで、第二の仮説に取り組んだ。 
 著者らは、CRISPRシステムを利用して、1.5メガ塩基のサイズのリボソームDNA (rDNA) 遺伝子座を、染色体の異所性部位にカット&ペーストする手法を開発し、rDNA遺伝子座を1回の操作で、酵母の融合メガクロモソーム (fused megachromosome) に再配置する技術を確立した。
 この技術により、rDNA遺伝子座の位置を操作し、「双子 (twin)」の遺伝子座が同じ染色体上に共存するという前例のない構成を実現し、i)rDNA遺伝子余剰の影響を受けない絶妙なrRNAの恒常性、ii)rDNAアレイの安定性の染色体位置への依存性と、動原体近位への進化的選好性、および、iii)「双子」遺伝子座による単一核小体形成、を明らかにした。この技術はまた、rDNA 配列の構造進化に光を当て、rDNA の投与量による細胞内代謝への影響を研究するためのツールを提供することになった。

[参考] rDNA遺伝子(論文 Introductionより)
 細胞内で最も多く存在する遺伝子がrDNAである。rRNA遺伝子は通常、非転写配列に挟まれたrRNAの転写単位を含む一連のタンデムリピートとして配置されている。rRNAはリボソームの構造成分であり、ほとんどの生物において最も豊富なRNA分子であり、細胞内の転写産物の60〜70%を占めている。
 真核生物では、rRNAの転写とリボソームの組み立ては、細胞核のかなりの部分を占める膜を伴わない小器官、すなわち核小体で行われる。核小体の特徴である、分子の回転が速く、相分離のようなダイナミクスを持ちながら、まとまった形状を保つという矛盾は、液-液相分離(liquid–liquid phase separation:LLPS)と高分子-高分子相分離(polymer–polymer phase separation:PPPS)という、異なるが補完的な2つのモデルによって解消されている。PPPSは、rRNAと関連タンパク質が固有の生物物理的特性に基づいて、自己組織化して膜のない凝縮体となっているというモデルである 。
 核小体の構造と活性は、細胞分裂を通じて極めてダイナミックであり、有糸分裂を行う真核生物では、核小体の分解と転写の停止が有糸分裂への参入と同時に起こることが明らかになっている。核小体は、染色体クラスターの周りに集合し、生存に必要なユニット数を大幅に超える数百のタンデム反復rDNA遺伝子が集積しているが、通常は、rDNA遺伝子の約50%だけが活発に転写され、残りは不活性に保たれる。この均衡は、この遺伝子座の総コピー数を変えることで調整できる。したがって、多くの微生物で成長速度と相関する高いrRNAレベルは、転写を促進するだけでなく、rDNAのコピー数を増やすことによっても達成可能である。
 rDNA遺伝子座は、その繰り返しの性質とrRNA転写物の需要の高さから、最も不安定なゲノム構造の一つである。その不安定性は、rDNAの複製と転写プロセスの双方に依存する反復を介した相同組換え機構に依存しており、しばしば遺伝子座の反復数とサイズのクローン変異につながる。
 FISHの普及に基づく細胞分類学的研究により、何千もの種の染色体上のrDNA遺伝子座のマッピングが可能となった。数百のタンデムリピートを含むこれらの遺伝子座の数と位置がまとめられ、植物や動物における進化的構造のin silico 解析に利用された。これらの研究を総合すると、ほとんどの分類群の生物が複数のrDNA遺伝子座を持つゲノムを持つが、2倍体ゲノムで平均3〜4遺伝子座など、ほとんどの生物が適度な数の遺伝子座を維持する傾向があることが明らかになってきた。植物では、遺伝子座の数はゲノムサイズと正の相関を示したが、動物ではそのような相関は見られなかった。意外なことに、rDNA遺伝子座はほぼすべての染色体位置で同定されたが、核型の75%以上において、中心核周辺または中心核周辺に存在することが多い。