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遺伝的組換え(いでんてきくみかえ)は、親の持っていた複数の遺伝子における対立遺伝子の組み合わせ(ハプロタイプ)が、子においては混ぜ合わされて変化している遺伝学的な現象である。通常の有性生殖の過程で起こるものであり、言葉としては似ているが遺伝子工学における遺伝子組換えとは全く別である。

◆染色体レベルの組換え

広い意味では、独立した染色体の間のランダムな混ぜ合わせ(メンデルの独立の法則に従う;インフルエンザウイルスの“組換え”も同じ)も組換えという。しかし、普通は染色体内での乗換えの結果生じるものを指していう。乗換えと同義語のように使うこともあるが、正確には乗換えとは染色体の変化として直接観察される現象をいう。

◇組換え価

同じ染色体上にある二組の対立遺伝子間で組換えが起こる確率を組換え価と言う。組換え価(%)をl、組換えの起こった配偶子数をm、全ての配偶子数をnと置くと、組換え価は以下の式で求められる。

組換え価l = 0%のときを完全連鎖、0% < l < 50%のときを不完全連鎖、l = 50%のときを独立という。染色体の乗り換えは、二本の染色体間のみで起こり、他の染色体間では起こらない。したがって、定義上組換え価が50%を超える事は有り得ない。

組換え価は、染色体上の距離と相関関係があると考えられる。これは、車で長い距離を走れば走るほど単純に事故に遭遇する確率が高くなるのと同じである。これを利用して、染色体上の遺伝子の配置位置を仮定的に示す遺伝子地図が書ける。

◆DNAレベルの組換え

分子生物学では、連続したDNA分子の中のある部分が切断と再結合により他のDNA分子の一部と混ぜ合わされることを組換えという。上記の染色体内での組換えはこのDNAの組換えによるものであるが、DNAの組換えには、他にもいろいろなタイプがある。

なお分子生物学あるいはバイオテクノロジーの基礎技術である人工的なDNA組換え(遺伝子組換えあるいは遺伝子工学)も組換えと呼ばれるが、仕組みは異なる。

◆相同組換え

染色体の組換えは普通、相同性のあるDNAの間で行われる。これを相同組換えという。

減数分裂の過程で染色体の乗換えに伴うのが普通であるが、体細胞分裂での乗換えに伴うものもある。

相同組換えであっても、染色体の別の位置(染色体レベルでは相同でない)の間で組換えが起これば、座位の数が変化する。その範囲に遺伝子が含まれていれば、遺伝子の重複または欠失につながる。これを不等組換えといい、不等乗換えに当たる。

これらの相同性があるDNA配列の間での組換え反応(相同組換え)を触媒するのは、組換え酵素(リコンビナーゼ)と呼ばれる酵素である。

大腸菌を含む真性細菌においてはRecAと呼ばれるリコンビナーゼが相同組換えを介してDNA修復や外来DNAの取り込みに関与している。一般にリコンビナーゼは細胞にとって重大な障害であるDNAの二本鎖切断(DSBs)の修復に重要である。大腸菌においては電離放射線やDNA複製の失敗によってDNAの二重鎖が切断されると、RecBCDと呼ばれるヘリカーゼとヌクレアーゼの複合体によりその末端の認識・消化が行われ一本鎖DNAが生じる。通常、生体内の一本鎖DNA領域は一本鎖結合蛋白質(ssDNA binding protein, SSB)によって保護されているがRecBCDの働きにより一本鎖DNA上にRecA蛋白質が配置される。その後、RecAタンパク質がSSBを除去しながら一本鎖DNA上に重合・伸長することにより右巻き螺旋のヌクレオプロテインフィラメントが形成される。その後RecAフィラメントは染色体上の相同領域を探しあて組換え反応を行う。

酵母やヒトを含む真核生物では2種のリコンビナーゼが知られている。そのうちRad51タンパク質は体細胞分裂および減数分裂での相同組換えに必要である。もう一つのDmc1タンパク質は減数分裂時の相同組換えに特異的に機能する。真核生物ではDNA二重鎖の切断末端はMre11/Rad50/Nbs1(Xrs2)複合体によって認識され、さらにこの複合体を中心にその後の修復様式が制御されている。相同組換えを介した修復が行われる際は、ヘリカーゼおよびヌクレアーゼによって一本鎖領域が生じ、さらに一本鎖DNA結合蛋白質(RPA)によって安定化される。その後Rad52タンパク質等の組換え触媒蛋白質が一本鎖DNA上でRPAを除去しRad51を配置することで、最終的にRecAと同様のヌクレオプロテインフィラメントを形成し相同組換え反応を起こす。

相同組換えを介したDNA二本鎖切断修復の一般的なモデルを以下に述べる。

まず二本鎖DNA末端がヘリカーゼ及びヌクレアーゼの協調的な作用により片方の鎖が分解され、一本鎖DNAが露出する。通常、一本鎖DNAは一本鎖DNA結合蛋白質により保護されているが組換え触媒蛋白質(Recombination mediator proteins,RMPs)と呼ばれる蛋白質群によって一本鎖DNAからのSSB/RPAの解離とリコンビナーゼのリクルートが行われる。その後、リコンビナーゼによって染色体上の相補鎖の検索および対合が行われる。次に同様にヘリカーゼ及びヌクレアーゼによりプロセシングを受けた二本鎖DNA切断のもう一端がリコンビナーゼによって弾き出された鎖と対合することにより、ホリデイ・ジャンクションと呼ばれる十字形のDNA構造を形勢する。この構造がDNAの鎖に沿って移動し、相同組換え領域が拡大する。ホリデイ・ジャンクションを解消するヌクレアーゼはリゾルベースと呼ばれる。この際、ホリデージャンクションの解消の仕方によって染色体の一部が組換えられた遺伝子変換(Gene Conversion)か染色体の残り全部が組換えられた乗換え (Crossing Over)になるかが決定される。ちなみに大腸菌のリゾルベースはRuvCであるが真核生物のリゾルベースは(Mus81-Eme1,Yen1/Gen1,Slx1-Slx4等の有力な候補はあるものの)未だ確定には至っていない。

◆他のタイプの組換え

◇部位特異的組換え

バクテリオファージ(ファージ)による部位特異的組換えでは、ファージのDNAが乗換えと似た方法で、宿主である細菌の染色体DNAに組み込まれる。ファージDNAの部分配列が標的DNAのそれと完全に一致すると、インテグラーゼと呼ばれる特殊な組換え酵素がファージDNAを標的に組み込む。このようにファージDNAが染色体に組み込まれた状態をプロファージという。

◇非相同組換え

以上と異なり、相同性のないDNA配列の間での組換え(非相同組換え)もある。プロファージDNAが染色体から抜け出す(切り出されて新しいファージを作る)際にこれが起きることがあり、この場合には宿主の遺伝子を含んだファージ(形質導入ファージ)ができる。

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