遺伝子はどのようにして私たちの生命を決定するのでしょうか?ヒトゲノムプロジェクトは誕生、老化、病気、死の謎を解明できるでしょうか?

私たちの人生を決定するものは何でしょうか?遺伝子はさまざまな生命活動において支配的な役割を果たしていると言えるが、人類の遺伝子の探究は始まったら決して止まることはない。

小さな受精卵は、健康な手足と独特の外見を持つ人間の体に成長しますが、同様に成熟と老化を経ます...私たちの体には、人生の秩序ある進行を導く詳細な取扱説明書があるようなものです。

この「生命の書」は、DNAと呼ばれる遺伝物質に書かれています。 「デオキシリボ核酸」の正式名称である DNA は、異なる塩基を含むヌクレオチド分子の配置と組み合わせで構成されています。ヌクレオチド分子における最も重要な違いは塩基です。全部で4種類あり、A、T、C、Gと略されます。このうち、AとT、CとGは必ずペアになってDNA二重らせんの両側に相補的に存在します。塩基が配列される順序は「配列」と呼ばれます。 DNA の配列はタンパク質をコード化するための基礎となります。完全なタンパク質をコードできる配列断片は「遺伝子」と呼ばれます。 DNA を巨大な図書館に例えると、「遺伝子」はそこに収められた本に相当します。

図：写真はTuchong.comより

DNA 配列の完全なセットは「ゲノム」と呼ばれます。ヒトゲノムは約 30 億 5,500 万塩基対で構成され、細胞内のアミノ酸をさまざまな機能を持つタンパク質に組み立てる役割を果たす約 25,000 個の遺伝子が含まれています。たとえば、赤血球内のヘモグロビンは血液中の酸素分子を捕捉することができます。ケラチンは互いにしっかりと結合して硬い爪を形成します。

人体のすべての細胞はほぼ同じ DNA セットを持っていますが、一部の遺伝子は特定の臓器や特定の時期にのみ機能します。インスリンは血糖値を下げるホルモンで、膵臓のベータ細胞から分泌されます。これもタンパク質です。血糖値が過剰に上昇すると、血液中のシグナル分子が膵臓のベータ細胞にDNA二重らせん構造の一部、つまりインスリン遺伝子を開くように指示し、インスリンタンパク質を合成します。十分なインスリンが生成されると、他のシグナル分子が膵臓のベータ細胞にインスリン遺伝子の働きを止めるよう通知します。それは、DNA ライブラリからインスリンに関する本を取り出して、読んでから元に戻すようなものです。

ヒトゲノムの類似性は99.9%にも達します。残りの 0.1% の違いと環境要因が組み合わさって、各人のユニークな外見、体格、寿命などが形成されます。DNA の配列は生涯を通じて変化します。細胞の複製過程におけるエラー、紫外線や薬剤などによる刺激により、塩基の消失や移動が生じることがあります。これが遺伝子の変化や異常なタンパク質の合成を引き起こすと、病気につながる可能性があります。ゲノム配列を参照できれば、個体差や病気の原因を根源から研究することができます。

そこで、1990年に「ヒトゲノム計画」が正式に開始されました。その主な目的は、ヒトゲノムの完全な配列をマッピングし、誕生、老化、病気、死に関連する多数の遺伝子の違いと相互関係を研究することです。最初のヒトゲノムの公開には13年近くかかり、30億ドル以上の費用がかかり、中国を含む世界中の多くの国の努力が必要でした。インターネット上で配列データが無料で公開されたことにより、世界中の遺伝学分野の研究と応用が大きく促進されました。その後、遺伝子配列解析技術が急速に発展し、配列解析の効率は向上し続けました。現在、ヒトゲノム配列 1 つを取得するためのコストは約 1,000 ドルにまで下がり、数日以内に結果を得ることができます。

実際、2003 年に得られた配列マップは完全ではなく、92% しか完成していませんでした。技術的な制限により、一部のサンプルは正常に配列決定できませんでした。人体の DNA 分子のセットが完全に展開すると 2 メートルにもなり、当然ながら直径が数ミクロンしかない細胞に詰め込むことはできないということを知っておく必要があります。スペースを節約するために、DNA 分子は通常、高密度の染色体にコイル状に圧縮され、細胞核内に隠されています。染色体の中央にある狭い「セントロメア」は、細胞分裂中に複製された後に染色体が分裂し始める場所です。染色体の末端にある「テロメア」は加齢とともに短くなります。しかし、これら 2 つの重要な部分の配列には、多数の反復断片が含まれています。当時のシーケンサーは非常に非効率で、わずか数百塩基の配列しか読み取れず、それを一つずつつなぎ合わせる必要がありました。まるでジグソーパズルをやっているようです。ピースが小さく、模様の色や形が非常に似ている場合、順番を判断するのは難しくなります。約20年にわたる探究を経て、数万塩基を連続的に読み取ることができるハイスループットシーケンサーとシーケンシング技術の助けを借りて、2022年に、長らく不明だった8%がついに解明されました。新しいバージョンのヒトゲノムは約 2 億塩基拡大し、1,956 個の予測遺伝子が含まれており、疾患の研究や人類の進化の分析に重要な基礎を提供します。

遺伝子研究が将来私たちに何をもたらし、人間の生活と認知の限界をどのように広げるのかは誰にも分かりません。

参考文献
1. Nurk S、Koren S、Rhie A、他。ヒトゲノムの完全な配列[J]。サイエンス、2022、376（6588）：44-53。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。著者：徐思佳（京都大学医学博士）
査読者: タオ・ニン (中国科学院生物物理研究所准研究員)
制作：中国科学技術協会科学普及部 制作：中国科学技術出版社、北京中科星河文化メディア株式会社