遺伝子王国の一つ：待望の「Cポジションの大物」 - 遺伝子

制作：中国科学普及協会

著者: 李 磊

プロデューサー: 中国科学博覧会

プロローグでは、遺伝物質の初期の探査について紹介しました。数人の科学者が3つの実験を通じて核酸が遺伝物質であることを証明した。メンデルという天才は、遺伝因子の存在を直接提唱し、遺伝の法則についての研究も行いました。

では、遺伝物質と遺伝子は同じものなのでしょうか?遺伝子についての私たちの理解は何でしょうか?今日は遺伝子の問題についてお話します。

遺伝子—遺伝物質の核

核酸が遺伝物質であることがわかったので、元の質問に戻ります。遺伝子とは何でしょうか?

簡単な生化学の知識に基づくと、核酸の基本的な構成は非常に単純で、アデニン (A)、グアニン (G)、チミン (T)、シトシン (C) の 4 つのヌクレオチドであることがわかっています。これら 4 つの組み合わせによって私たちの遺伝物質 DNA が形成されます。

ヌクレオチド

(画像出典: wiki)

ヌクレオシドを形成する窒素含有化合物は塩基と呼ばれます。この部品は、具体的な違いに応じて ATGC の 4 つのタイプに分けられます。次は糖とリン酸基からなる構造です。この部分の構造は DNA とまったく同じですが、糖の酸素の違いに基づいてデオキシリボース (DNA バックボーン) とリボース (RNA バックボーン) に分けられます。

しかし、別の疑問が生じます。これらの A、T、G、C はどのような組み合わせであり、それらの意味は何でしょうか?それらはランダムな組み合わせですか、それともパターンがありますか?彼らの特定の情報はどのようにして私たちが観察する特性に変換されるのでしょうか?さまざまな生命体間の違いに関係する DNA の部分はどれですか?

まるで目の前に英語の本があるようです。 ABCDE のような 26 文字で書かれていることは分かっていますが、本の具体的な内容が何なのかは分かりません。

この問題を解決するには、この本を開いて、DNA の A\T\G\C 配列がどのようなものかを理解する必要があります。

ア、チ、チ、グ

(画像提供: アリゾナ州立大学)

これが DNA の構造に関する科学的探究のきっかけとなった。もちろん、この問題は一度に解決できるものではなく、段階的に実行する必要があります。

まず、DNA の全体的な構造がどのようなものかを理解する必要があります。

しかし、これは簡単なことではありません。当時は、より洗練された観察手段がなく、推測に頼ることしかできませんでした。その結果、多くの説が生まれました。たとえば、DNA は 4 つの同量のヌクレオチドで構成されているという「テトラヌクレオチド仮説」を提唱した人がいます。

DNA 内の A 塩基と T 塩基の数が同じであり、G 塩基と C 塩基の数も同じであることを初めて判定したのは 1950 年になってからでした。この規則は、DNA 構造における相補的塩基対合の基本原理、つまり A=T、C=G の基礎を築きました。

この原理を念頭に置いて、科学者のウィルキンスとフランクリンは、X線回折法を使ってDNA結晶の構造を分析し始めました。継続的な試行と改良により、彼らは鮮明な DNA 回折写真を撮影することに成功しました。それが以下の有名な写真です。

DNA回折パターン

(画像出典: wiki)

この図を見た後、若きワトソンとクリックは共同で DNA の構造に関する仮説、つまり二重らせんを提唱しました。簡単に言えば、DNA は 2 つの鎖で構成された構造であり、各鎖は ATGC で構成されていますが、完全に分離されているわけではありません。代わりに、2 つの鎖のすべての位置は補完的であり、つまり A=T、G=C となり、安定した二重らせん構造を形成します。

ワトソンとクリック

(画像出典: wiki)

この発見は画期的だった。論文提出からネイチャー誌への掲載までわずか23日しかかからず、ほぼ記録を更新した。発見者のウィルキンス、ワトソン、クリックはすぐに共同でノーベル賞を受賞しました。この発見は後に相対性理論や量子力学とともに20世紀の自然科学における三大発見の一つに数えられ、その重要性が示されました。

もちろん、その重要な写真を撮影したフランクリンが1958年に癌で亡くなったためノーベル賞を受賞できず、この発見がノーベル賞を受賞したのは1962年になってからだったというのは少し残念なことだ。

DNA 二重らせんモデルは、DNA の構造を発見できるだけでなく、DNA 複製のメカニズムを発見したことを意味します。 DNA の 1 つの鎖の情報を知っていれば、もう一方の鎖の情報も得ることができます。これが塩基相補対の魅力です。 DNA 複製のプロセス自体は、1 つの鎖の情報を保持し、次に塩基の相補的な対合を通じて他の鎖を合成することです。これは半保存的複製です。これは、DNAをさらに解釈するための基礎も提供するので、 2番目の質問が自然に生じます。

DNA配列がどのようになっているかを考慮する必要がありますか?

DNA配列の具体的な状況、つまりDNA上のATGCの配置を理解するには、それをテストする必要があります。この手法には、生物学では「シーケンシング」と呼ばれる特別な用語があります。

もちろん、DNA自体はヌクレオチドなので、科学者は化学的手法を使って反応させ、それがどのヌクレオチドであるかを検出することを考えました。

有名な生物学者サンガーは創造的な戦略を見つけました。彼は特殊なヌクレオチド、ジデオキシヌクレオチドを使用しました。 RNAの正式名称はリボヌクレオチドです。 RNA のヌクレオチドと比較すると、DNA のヌクレオチドは酸素を 1 つ失っているため、デオキシリボヌクレオチドと呼ばれます。このジデオキシヌクレオチドは DNA よりも酸素を 1 つ多く失っています。その結果、その化学的性質はいくぶん特殊になります。つまり、DNA ポリメラーゼがこの位置に移動すると、ジデオキシヌクレオチド構造に酸素がないため、継続できず、終了しなければなりません。このようにして、ジデオキシヌクレオチドの指示に基づいて、この位置にどのようなデオキシヌクレオチドがあるのか​​を判断できます。

DNA配列決定プロセス

(画像出典: wiki)

この方法の発明は DNA 配列決定の問題を直接解決したため、第一世代の配列決定方法と呼ばれています。 RNA 配列決定では、RNA を DNA に変換し、その後 DNA 配列決定に従って処理を進める必要もあります。第一世代シーケンシングの発明は、後ほど説明するヒトゲノムプロジェクトの実施の基礎も築きました。ちなみに、サンガーはDNAだけでなくタンパク質の配列も解読し、2つのノーベル賞を受賞しました。

シーケンシング技術の出現により、遺伝子の世界が正式に開かれ、生命科学、特に分子生物学と遺伝学の急速な発展がもたらされるでしょう。

ここで初めて、主要なテーマである遺伝子について正式に議論することができます。

遺伝子とゲノム

DNAの塩基配列が解読されて、ようやくDNA上のATGCの配列、つまり配列がわかり、初めて遺伝子の世界の全体像が見えてきました。中国人であろうと外国人であろうと、動物であろうと植物であろうと、あるいはウイルスであろうと、さまざまな形質を実際に決定するのは長い ATGC 配列であることが判明しました。このような取り決めでは、合計金額とベースの種類の両方に違いがあり、それが私たちの違いにつながります。たとえば、通常の人間の細胞内の DNA の全長は 30 億塩基対ですが、ゼブラフィッシュでは 15 億塩基対、酵母ではわずか 1,200 万塩基対です。

これほど膨大な塩基配列の組み合わせを目の当たりにして、科学者たちは、これらの塩基配列は本当にランダムに配置されているのだろうかと疑問に思い始めました。それともパターンがあるのでしょうか? DNA 全体のすべての配列が役割を果たしているのでしょうか?

科学者たちはこれらの配列を研究しようとし、こうして遺伝子の本当の概念が生まれました。当初、研究者たちは私たちの DNA の配列がすべて同じではないことを発見しました。いくつかのシーケンスは常に頻繁に表示され、何らかのパターンを示します。繰り返し要約した後、彼らはいくつかの非常に規則的なシーケンスに名前を付けました。これらの塩基配列は規則的に始まり、終わることが多く、転写酵素の助けを借りて RNA に転写され、最終的にタンパク質に翻訳されるという重要な特徴があります。

そこで科学者たちはそれを正式に遺伝子として定義しました。

遺伝子配列

(画像出典: NIH)

つまり、生物学の厳密な意味では、遺伝子とは、タンパク質に転写され翻訳される配列を指します。私たちの遺伝情報全体にはゲノムという名前が付けられています。 「ゲノム」という言葉は生物学でもよく使われており、あらゆるものの集合を意味するというのが一般的な理解です。

もちろん、科学者たちはすぐにこの定義も厳密ではないことを発見しました。

まず第一に、このように定義すると、遺伝子は実際にはゲノム全体のごくわずかな割合を占めることになります。たとえば、ヒトの遺伝子を合わせても、ヒトゲノム全体の 10% 未満しか占めません。では残りは何ですか?

第二に、DNA 配列がポリペプチド（タンパク質の一次構造）のみを生成する場合、または RNA のみを生成する場合でも、この RNA に機能がある場合、それは遺伝子でしょうか?

繰り返しになりますが、多くの場合、タンパク質の生成には複数の断片が同時に作用することが必要になります。それらは 1 つの遺伝子に属しますか、それとも複数の遺伝子に属しますか?

これらの問題を過小評価しないでください。将来的に非常に大きな影響を及ぼすでしょう。したがって、遺伝子の定義はまだ曖昧です。生物医学研究者にとって、遺伝子はポリペプチド鎖または機能的な RNA を生成するために必要なヌクレオチド配列全体を指すことがよくありますが、他の研究者にとっては、遺伝子は文脈に応じて異なる意味を持ちます。

たとえば、「人間と動物の違いは遺伝子によって決まる」と言う場合、遺伝子はゲノムを指します。 「飲酒による赤面は遺伝子によって決まる」という場合、遺伝子とは特定の塩基の変異を指している可能性があります。

このことから、遺伝子の概念は実に複雑であり、まだ完全な結論は出ていないことがわかります。したがって、遺伝子について話すときは、遺伝子のどのような概念について言及しているのかを明確にすることが最善です。

遺伝子の概念を理解した後、ゲノムとは何でしょうか?何がポイントですか?次の記事でそれについてお話ししましょう。

編集者：孫晨宇