要旨
独立行政法人理化学研究所（野依良治理事長）は、環境の変化に適応しながら生命が進化した理由の1つに、遺伝的多様性を獲得するための遺伝物質として、RNAではなくDNAを選択した結果であることを明らかにしました。理研基幹研究所生体超分子構造・機能研究協力グループ（柴田武彦グループヘッド）の増田ときは元ジュニアリサーチアソシエイト（JRA※1）、美川務専任研究員らによる成果です。
高等真核生物は、卵や精子などの配偶子を形成する際に、父方由来、母方由来のDNAを混ぜ合わせます（相同組み換え）。生命は、相同組み換えによって遺伝的多様性を獲得し、新たな形質を身につけます。また、外来から侵入してきたDNAを自身に取り込む際や、類似した異なる遺伝子を混ぜ合わせて、新たな遺伝子を創出する際にも相同組み換えが使われます。すなわち、相同組み換えは生命の進化に関与する重要な生命現象の1つだと考えられます。この相同組み換え反応を触媒するタンパク質は1種類ではなく、形も大きさも異なる多くの種類が存在します。今回研究グループは、相同組み換え反応を触媒し、進化的に由来の異なるタンパク質群から4種類を選択、相同組み換え反応機構に普遍性を見いだすことを試みました。その結果、組み換え反応の中間状態において、4種類すべてのタンパク質が、DNAに共通の構造変化を誘起することを見いだしました。さらに、誘起した構造は、RNAなどほかの遺伝物質では誘起することができないものでした。つまり、相同組み換え反応は、DNAの化学構造に依存した反応であることを突き止めました。
インフルエンザウィルスなど、RNAを遺伝子として持つ原始生命は、変化に富む変異※2を頻繁に起こすものの、進化に関与する相同組み換えは起こさず、実際に、高等生物へと進化していません。研究グループは、今回の結果がこれらの事実とも深い関係があると考えています。
本研究成果は「原始生命はRNAから始まったにもかかわらず、なぜ進化した高等真核生命は遺伝子としてDNAを使用しているのか？」という問いに対する1つの解を示唆したと期待されます。
本研究成果は、米国の科学雑誌『The Journal of Biological Chemistry』（11月号）に掲載されるに先立ち、オンライン版に近日掲載されます。
背景
相同組み換えとは、互いに相同なDNA領域を組み換える反応です。バクテリアでは、RecAというタンパク質が、単独で組み換え反応を触媒することがよく知られています。ヒトで働くRad51もRecAの類似タンパク質です。さらに、進化的な由来が異なる上、アミノ酸配列や立体構造、大きさなどもまったく異なるにもかかわらず、RecAと同様に相同組み換えを触媒するタンパク質（以下、相同組み換えタンパク質）が、これまでに複数報告されてきました。しかし、各種の相同組み換えタンパク質が、それぞれ独自の反応機構で相同組み換え反応を触媒しているのか、あるいは、共通の機構で触媒しているのかは謎でした。そこで研究グループは、異なる相同組み換えタンパク質の触媒反応について、その反応途中の状態（反応中間状態）にあるDNA構造を決定し、それぞれを比較検討して、相同組み換え反応の普遍性や独自性を明らかにすることを試みました。
研究手法と成果
研究グループは、相同組み換えタンパク質の中から、進化的な由来が異なる4種類を選び、反応中間状態を観察しました。具体的には、ヒトのRecA類似タンパク質であるヒトRad51、非RecA型の相同組み換えタンパク質であるRecO、バクテリオファージ※3を起源とする相同組み換えタンパク質であるRecT、ミトコンドリアの相同組み換えタンパク質であるMhr1を選択し、これら4種類のタンパク質に同一の単鎖DNA構造を結合させ、その立体構造をNMR法※4で決定して、RecAに結合した単鎖DNAの構造（Nishinaka et al., PNAS, 1997）と比較しました。
その結果、驚くべきことに、形や大きさ、その立体構造までもがまったく異なるタンパク質に結合したにもかかわらず、それぞれの相同組み換えタンパク質に結合した単鎖DNAは、すべてほぼ同じ構造を形成しました（図1）。さらに詳しく観察すると、相同組み換えタンパク質が結合していないDNAでは、塩基と塩基が重なり合ってそれぞれ運動が規制されているのに対し、タンパク質が結合したDNAは引き伸ばされ、塩基同士が離れるため、各塩基は結合している糖鎖（五員環）の影響を受けながら、回転できる状態になっていました。この状態は、DNAを組み換える際に必要な塩基の回転を説明することができます。さらに、DNAの糖鎖の2位の水素（H）原子（図2左）は、DNA鎖の隣の塩基と相互作用して、引き伸ばされた構造を準安定化させるとともに（図3左）、塩基が回転する軸（図1、図3の青い点線）の形成に寄与していることが明らかになりました。こうして、塩基は水平方向に、糖鎖の規制のもと、自由に回転できるようになっていました。多くの異なるタンパク質でDNAが同じ構造で準安定化したことから、この引き伸ばされた構造はDNAそのものが形成しやすい構造であり、DNAの物性に強く依存していることが明らかになりました。
これに対してRNAでは、2位の水素原子が水酸基（OH）になっています（図2右）。水酸基は水素原子と酸素原子が結合しており、水素原子より大きな分子なので、この回転軸を形成しようとすると隣の塩基と衝突し（図3右）、回転軸を形成しません。そのため、塩基の回転はおろかRNAの引き伸ばしすら妨げます。実際に、RNAが引き伸ばされた構造で安定化するか調べたところ、相同組み換えタンパク質と結合しても、引き伸ばされた構造を取ることができないことが分かりました（図4）。DNAとRNAは、糖鎖の2位が水素（H）であるか水酸基（OH）であるかの違いしかありませんが（図2）、このほんのわずかの構造の違いにより、DNAでは相同組み換えが可能になったのです。
今後の期待
化学物質や放射線によるDNAの損傷や、DNA複製時のエラーなどにより生じる変異が、生命の進化に欠かせない事象であることは広く受け入れられています。しかし、変異だけでは進化を説明することはできません。事実、RNAウイルスでは変異は頻繁に起こりますが、高等生物へと進化していません。高等生物へと進化した生物は、DNAを遺伝子として持つ生命だけです。
今回研究グループは、相同組み換えがDNAだけで起きる反応であることを示しました。これとよく一致して、RNAウイルスでは相同組み換えは観察されません。現在のところ、相同組み換えがどれほど生命の進化に寄与する反応であるのかは議論の余地がありますが、進化に欠かせない事象であることは間違いありません。
DNAは二本鎖を形成しやすいという性質から、相補鎖の情報を基にして傷害を修復することができるため、情報の維持能力に優れています。相同組み換えは、情報を固定化しやすいDNAに動的な変化を与える役割を担っており、時には情報を維持し、時には情報を書き換える方向に働きます。すなわち、相同組み換えは、静的であることが必須のDNAに、動的な性質を付与する反応なのです。
研究グループは、既存の情報を維持しつつ、新たな形質を獲得することを可能にする相同組換えこそ、進化と深い関係があると考えています。今後、相同組み換えが、進化とどのような関係にあるのか、相同組み換えタンパク質の機能解析などから、明らかにしていきたいと考えています。