生命の設計図：遺伝子？遺伝子だけじゃない！

2023年「中国科学普及青年スター創出コンテスト」の受賞作品

著者: Yin Tao、Zheng Liyao

遺伝子、遺伝、DNA…もともと遺伝学や生命科学の分野の専門用語だったこれらの言葉が、いつからか人々の日常会話に頻繁に登場するようになった。

しかし、DNAと遺伝子の関係が何であるかご存知ですか?遺伝学について話すとき、私たちは正確には何について話しているのでしょうか?これは、あなたと私のあらゆる瞬間とあらゆる動きの背後にある根本的な論理です。洗練された遺伝子メカニズムがなければ、生命は今日のような形に進化することはなかったでしょう。

設計図から「単なる設計図」へ

--DNAから遺伝子へ--

1953年、ジェームズ・ワトソンとフランシス・クリックはネイチャー誌に論文を発表し、DNAの二重らせん構造モデルを提唱しました。これは人類の遺伝メカニズムの理解において重要なマイルストーンとなりました。もちろん、ロザリンド・フランクリンとモーリス・ウィルキンスの貢献もあり、彼らの初期の研究はこの独創的な答えの重要なデータを提供した。

一般の人々が DNA の構造を素早く直感的に理解できるように、科学者は日常生活のさまざまな物体を使って DNA の構造を説明しています。たとえば、DNA 分子は「縄ばしご」として説明されており、各「段」は特定のルールに従って対になった塩基のペアを表しています。この素晴らしい比喩は、情報を単純化する過程で何かを見逃し、結果として情報の損失を招きます。ロープのはしごと比較すると、DNA 分子は実際にはジッパーに似ており、対になった塩基は互いに噛み合うジッパーのバックルのようなものです。ちなみに、このジッパーは、DNA分子のらせん構造をより正確にシミュレートするために、両端を持ち、数回ねじる必要があります。

では、遺伝子とは何でしょうか?

遺伝子は遺伝の基本単位であり、通常は 1 つ以上の特定のタンパク質をコードするヌクレオチド配列です。 (ここでの情報は簡略化されており、厳密なものではありませんのでご了承ください。) ヌクレオチドは、DNA 分子または RNA 分子の基本的な構成要素を指し、DNA 分子の場合はデオキシリボヌクレオチド、RNA 分子の場合はリボヌクレオチドです。複数のヌクレオチドが重合して核酸になります。 「核酸」という言葉は聞き覚えがありますか?それは正しい。ここ数年よく話題になっている「核酸検査」とは、ウイルスのDNAやRNA分子のヌクレオチド配列を検出すること、つまり核酸検査を指します。

-- ゲノム: 遺伝子以上のもの --

人々の一般的な理解では、DNA で構成される遺伝子は生命の「設計図」を描きます。遺伝子に対応する DNA 配列は神秘的な「遺伝コード」であり、その中に生命のあらゆる謎が隠されています。

これを明確にするには、染色体とゲノムについて簡単に理解する必要があります。染色体は遺伝物質の重要な運搬体であり、DNA とタンパク質で構成された「小さなパッケージ」と考えることができます。 1956年、スウェーデンのルンド大学遺伝学研究所に勤務していた中国系アメリカ人の遺伝学者、江有星は、人間の体細胞には46本の染色体があるという論文を発表しました。 （これに先立ち、アメリカの医師で細胞遺伝学者のテオフィラス・ペインターは、その数は 48 であると結論付けました。）これがヒト細胞遺伝学の始まりでした。

通常の人の細胞には 23 対の染色体が含まれており、遺伝子は染色体上の断片で、体中に散在しており、互いに近いものもあれば、離れているものもあります。各遺伝子は、長い場合も短い場合もある DNA 配列で構成されています。おそらくご存知のように、DNA の「コードブック」には ATGC で表せる文字が 4 つしかありません (「近縁」および「パートナー」の RNA を含めると 5 つの文字しかないため、RNA 分子の T を U に置き換えるだけです)。これは、DNA 分子構造の 4 つの塩基に対応しています。さらに、これらの文字の組み合わせ方法は非常に特殊です。ほとんどの場合、A は T (U) のみを認識し、C は G とのみペアになります。

本当であるには簡単すぎるように聞こえませんか?この事実を考えると、さらに驚くでしょう。これは基本的にすべての生物が共有する遺伝子コードなのです。

これほど複雑で多様な生命が、本当にこれほど単純なメカニズムによって決定されるのでしょうか?

最初から始めましょう。DNAは遺伝子を構成していますよね?では、DNA はすべて遺伝子を構成するのでしょうか?

もちろん違います。

なるほど！

したがって、2 つの質問に答える必要があります。1つは、異なる種間で遺伝子の数の違いがどの程度大きいかということです。もう 1 つは、DNA のどの程度の割合が遺伝子を構成しているかです。

ここでまずゲノムの概念について触れなければなりません。ゲノムには、種の個々の発達に必要なすべての遺伝情報が含まれています。人間の場合、それは単純にすべての染色体上の DNA 配列によって運ばれる情報と考えることができます (これも単純化したものです)。ゲノムは遺伝子よりも大きく、実際ははるかに大きいことに注意してください。

人間には遺伝子が約2万個しかありません。 2001年に30億塩基対のヒトゲノムの概略が公開されたとき、その2万という数字は科学者が予測した遺伝子の約10万個とはかけ離れていたため、人々は衝撃を受けた。言い換えれば、人間は実験用マウスとほぼ同じ数の遺伝子を持っており、線虫とそれほど多くはない。

遺伝子を構成する DNA の割合は、人間の DNA 配列全体のわずか 2% です。つまり、ヒトゲノムの DNA 配列の 98% は遺伝子を構成していないということです。

--「役に立たないDNA」の重要性--

実は、「役に立たない DNA」が複雑かつ重要な機能を持っていることを理解するのは難しくありません。考えてみてください。人間はネズミをはるかに超える能力を持ち、ミミズよりもはるかに複雑ですが、この 3 種の遺伝子の数はあまり変わりません。そして、人間の遺伝子のかなりの部分は、同様の機能を持つ「遠い親戚」として他の生物のゲノムの中に見つかります。ということは、ヒトゲノムの98%を占める「役に立たないDNA」が重要なのだ、ということになりますね。

画像出典: ニシャ・キャリー著「Invisible Genetic Code」、CITIC Publishing Group 2023年4月版

しかし、これは「後知恵」としての私たちの後知恵に過ぎません。これらのゲノムの「ダークマター」を発見した科学者たちは、当時非常に失望したに違いありません。なぜなら、彼らはこれらの遺伝子の外側の DNA を「ジャンク DNA」と名付けたからです。これは「ジャンク DNA」または「役に立たない DNA」と訳され、彼らの失望と混乱を表しています。当時、人々は貴重な遺伝子がゴミ捨て場に生息しているようなものであり、残りの DNA 配列はゲノムの「ナンセンス」、つまり塩基対で書かれた「文字化けしたコード」であり、実用的な機能を持たないものであると感じていました。

「役に立たないDNA」は長い間、遺伝子研究の片隅で忘れ去られており、いくつかの異常な遺伝子事例が科学者に再調査を思い起こさせるまで、誰も注目していませんでした。たとえば、一般に「ピーターパン病」（顔面肩甲上腕型筋ジストロフィー、略して「FSHD」）として知られている優性遺伝病がありますが、科学者は対応する疾患原因遺伝子を見つけることができていません。この病気は西洋諸国では珍しいものではなく、発生率は約 1/20,000 です。これによって人は普通に笑うことができなくなるほか、患者の肩甲骨やその他の部分が変形して、まるで2つの小さな翼のように見えるようになる。優性遺伝病の特徴は、患者の両親の少なくとも一方が病気にかかっている必要があるため、病気の原因となる遺伝子を見つけるのがある程度容易になるはずです。科学者たちは患者の第4染色体上に極めて長い反復配列を発見したが、奇妙なことに、そこには遺伝子が存在していなかった。ご想像のとおり、これはゴミとみなされる「役に立たない DNA」配列です。さらに研究を進めると、重要なのは「ジャンク DNA」の配列が繰り返される回数であることが判明しました。

この研究の複雑な詳細については触れません。 FSHD患者の臨床症状は1885年にフランスの神経学者によってすでに説明されており、遺伝学と細胞研究技術の急速な発展によりこの疾患に対する理解は大きく進歩したが、2010年にサイエンス誌に掲載された研究では、この疾患の根底にある遺伝的メカニズムは依然として解明されていないと指摘されている。遺伝子は確かに設計図ですが、それは単なる設計図にすぎません。

ブループリントの実装、遺伝子発現

私たちの生命は一つの細胞（受精卵）から始まります。特別な状況を除いて、体内のすべての細胞は DNA 配列の同一のコピーを持ちますが、各細胞内で機能するのは遺伝子のサブセットのみです。これは理解するのが難しくありません。脳細胞と筋肉細胞で働く遺伝子は異なるはずです。遺伝子内のDNA配列に記録された遺伝暗号は、RNAと呼ばれるメッセンジャー分子によって伝達・翻訳され、異なるアミノ酸配列を持つタンパク質となって役割を果たします。このプロセスは遺伝子発現と呼ばれます。最も洗練された遺伝子コードであっても、表現できなければ役に立たない。

かつてはゴミとみなされていた「役に立たないDNA」が、実は遺伝子発現のプロセスにおいて想像を絶するほど重要な役割を果たしていることに科学者が気づくまでには、何十年もかかりました。いくつかの「役に立たない DNA」断片は、遺伝子が機能するかどうかを決定できる遺伝子スイッチです。いくつかの「役に立たない DNA」断片は修正の役割を果たします。ある機能や特性に関連する遺伝子によって書かれた「文章」が、本来の意味をどの程度表現できるかは、遺伝子次第です。

体内の各細胞が DNA 配列に格納された遺伝コードを読み取るとき、細胞が配置されている環境が異なるため、「役に立たない DNA」は異なる役割を果たし、遺伝子の発現が影響を受け、同じスクリプトが異なるシナリオで異なるパフォーマンスを生み出します。これはエピジェネティクスと呼ばれる新しい科学の研究分野です。

--テロメアから全ゲノムへ--

人の成功は生まれつきか環境によるのかを問うと、人によって答えは異なるでしょうが、「生まれつき+環境」という答えに同意する人も少なくないはずです。私たちの細胞それぞれについても同じことが言えます。 「テロメア」という言葉を聞いたことがあるかもしれません。これは「使われていない DNA」の一種です。各染色体を靴ひもと考えると、テロメアは靴ひもの端にある金属プラグのようなもので、年齢とともに摩耗していきます。金属プレートが摩耗すると、靴ひもがほどけて穴に通しにくくなります。テロメアの消耗は生物が弱っていることを意味します。では、テロメアの健康に関係する要因は何でしょうか?その答えは、遺伝的継承と獲得したライフスタイルの相互作用にあります。すべての人の遺伝子は、出生時のテロメアの長さとそれが消耗する速度に影響を与えます。あなたが毎日何を食べるか、どのように眠るか、どれくらい運動するか、どのように感じるか、周囲の人々と安定した感情的なつながりを維持しているかどうか...外の世界とのあらゆる関わりは、あなたのテロメアに多かれ少なかれ影響を与えます。

2009年のノーベル生理学・医学賞受賞者のエリザベス・ブラックバーン氏と、カリフォルニア大学サンフランシスコ校の老化・代謝・気分センター所長のエリザ・アイパル氏は、共著の著書『テロメア』の中で、「遺伝子が銃に弾を込め、環境が引き金を引く」と書いている。これは、特に健康と病気に関して適切な比喩でもあります。

2023年5月、ヒトの「パンゲノム」の最初の草稿がネイチャー誌に掲載されました。最初のヒトゲノム地図が発表されてから 20 年が経ち、汎ゲノムにはさまざまな地域や民族がもたらした遺伝的多様性が組み込まれています。エピジェネティクスがこれに多大な貢献をしたと信じる理由があります。

次に赤ちゃんが成長のさまざまな段階で、人を認識できるようになったり、よろめきながら歩くことを学んだり、喃語を発して話せるようになったりと、奇跡的にユニークなスキルを身につけていくのを見たら、人生には独自のプログラムが組み込まれているのだとため息をつくだけではいけません。結局のところ、同じスキルを早くまたは遅く習得する赤ちゃんはそれぞれ異なります。彼らは一歩一歩独自の個性を育んでおり、子どもはそれぞれがユニークです。人生の青写真について話すとき、それについて考えてください。この青写真がどのような作品を生み出すかを決めるのは、遺伝的要因だけではなく、ライフスタイル、住んでいる環境、周囲の人々との関わりも重要です。

参考文献:

1. ニシャ・キャリー『見えない遺伝コード』朱金傑訳、CITIC Publishing Group、2023年。

2. Cobb M、Comfort N. ロザリンド・フランクリンが DNA 構造の発見に本当に貢献したこと。自然。 2023年4月;616(7958):657-660.土井: 10.1038/d41586-023-01313-5。

3. Lemmers RJ、van der Vliet PJ、Klooster R、他。顔面肩甲上腕型筋ジストロフィーの統一遺伝子モデル。科学。 2010, 329(5999):1650-1653.

4. 張成、李歓。顔面肩甲上腕型筋ジストロフィーの研究の進歩[J]。中国現代神経疾患ジャーナル、2019 19(5):13。

5. エリザベス・ブラックバーン、エリザ・イパル：テロメア、傅和訳、湖南省科学技術出版社、2021年。

6. Liao WW、Asri M、Ebler J、他。ヒトパンゲノムリファレンスの草稿。自然。 2023年5月;617(7960):312-324.土井：10.1038/s41586-023-05896-x。電子出版 2023年5月10日。