細菌の相同組換えの初期反応は、非常に奇妙である。その反応は、「DNA二本鎖切断によって開始され、そこから分解しながらDNA上を進行する酵素が、特別な配列に出会ったところで、分解をやめ組換えを促進する」というものである。相同組換えがDNAの修復のためにあるのなら、なぜこの反応にDNAの分解をともなうのであろうか?最近、多くの微生物(細菌)ゲノムの全塩基配列が続々と決定されている。その結果分かってきたことのひとつは、細菌のゲノムが非常に柔軟性をもっていて、同じ種であっても、調べる細菌ごとにそのサイズと構成が異なっているということである。細菌の種は何によって規定され、他種と区別されるのか?いくつかの細菌種から、「DNA分解酵素とそれを防ぐ配列」という組み合わせが報告され、そのDNA分解酵素の分解を防ぐ配列がそのゲノム中に高頻度に現れることが明らかにされた。それは大腸菌では組換えのホットスポットとして知られるカイ()配列であった。細菌の世界では、制限修飾系遺伝子対が、配列特異的なDNAのメチル化によって、そのDNAを切断するか否かを決める。すなわち「自己」と「非自己」の区別をしている。これによって制限修飾系の遺伝子対は、感染防御機能を宿主細菌細胞に与えるが、私たちの研究室では、この遺伝子対は細菌にその遺伝子対自身の維持を強制する、細菌ゲノムとは独立した遺伝単位であることを提唱している。この遺伝子対は、「それを失った細菌細胞の染色体を、残された遺伝子産物(＝制限酵素)が切断して細胞死を起こす」ことで、生きている細胞の中で安定に維持されるように仕組む。

　私は、大腸菌の相同組換え機構が、この制限修飾系遺伝子対によるDNA二本鎖切断を治し、また、他種DNAがこの細菌細胞に進入した際には、制限修飾系と協調してこれを排除(破壊)することを発見した。そのとき、大腸菌の染色体はカイ配列認識依存的に修復された。制限修飾系がなくても、大腸菌の染色体にはDNA二本鎖切断が自然に生じていることを示すことができた。これらのことから、そのDNA分解酵素とそれを阻害する配列の相互作用によって、自身の染色体を修復し、ゲノム中に入り込んだ非自己配列を除くことが可能であると考えられた。また私は、DNA二本鎖分解酵素の変異株の中には、別の配列を認識するものがあることを発見した。このことは、突然変異によって「DNA分解酵素とそれを防ぐ配列」という組み合わせが多様化することを示している。さらに染色体上にある制限修飾系遺伝子対を失わせようとすると、細菌ゲノムが相同組換えによって大きく再編され、生き残りをはかる様子(＝ゲノム進化)が観察できた。

　これらのことから、私は、細菌の相同組換えという機構が、その初期反応においてDNAの「自己」と「非自己」の区別をする機能をもち、細菌ゲノム中に入り込む利己的な遺伝子(侵入DNA配列)を排除することを示した。さらに相同組換え機構が、染色体切断によって自身の維持を図るような利己的な遺伝子に対しても、ゲノムを修復し、ときには多様化させて生き残る機能をもつことを示した。

　私は、相同組換え酵素/DNA分解酵素が認識する配列が、突然変異によって変化することを発見した。これは「相同組換え酵素と相同組換えを促進する配列」の関係が変化したというよりも、「DNA分解酵素とその活性を抑制する配列」の関係が変化したものだった。このようなDNA分解酵素とそれが認識する分解を抑える配列という関係は、細菌の世界で保存されていて、また細菌の種ごとに多様化していた。自身のDNA分解酵素の分解を抑える配列はその細菌ゲノム中には高頻度に現れるので、自分がコードするDNA分解酵素によって自分の染色体は分解されにくく、またもし分解しているDNAが自分自身であっても相同組換えで修復することができるのである。

　細菌の世界に広く存在する制限修飾系は、多様な認識配列に特異化している。制限修飾系をもち、そのメチル化酵素によって修飾された細菌ゲノムと、それに侵入するDNAとを修飾によって区別し、侵入DNAを制限酵素が切断することで「自己」と「非自己」の区別をする。制限修飾系が認識する配列の多様性が自己と非自己を区別する鍵となるが、その認識配列の多様性は、制限修飾系を失うと宿主細菌が細胞死を起こすことが選択圧であることを証明した。

　前者の「DNA分解酵素とその活性を抑制する配列」と、後者の「制限酵素とそれが認識する配列」は、DNAを分解するのがエクソヌクレアーゼとエンドヌクレアーゼという違いはあるが、それが認識するDNA配列を巡って多様化しているという意味においてもよく似ていた。すなわち、細菌自身がコードする相同組換え初期反応機構は、「細菌の自己」を決定する機構であると考えられた。

　細菌のゲノム構造は、水平伝播する遺伝子、あるいは、ゲノム中の繰り返し配列による不等交叉などによって柔軟に変化することが示唆されている。私は、この学位論文を通して、細菌の「自己」を相同組換え初期反応によって定義することを提唱する。またこれによって、相同組換え初期反応の奇妙さも説明できるのである。細菌ゲノムとは独立して存在するトランスポゾンの転移、あるいは制限修飾系遺伝子対を失ったときに起きる染色体切断に対して、細菌の相同組換え機構は、その染色体を大規模に再編して生き残りをはかることを発見した。染色体DNAを修復するばかりではなくて、このように、ゲノム構成を破壊してしまうことも、細菌の相同組換え機構の存在意義のひとつであった。