遺伝子の王国への序章: 遺伝物質とは何か?

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

今日では、遺伝子は誰にとっても常識となっています。核酸検査、親子鑑定、専門誌など、遺伝子には常に注目が集まっています。

例えば、2022年にサイエンス誌は6つの論文を同時に発表し、表紙でヒトゲノムプロジェクトの最新の成果を紹介し、これをヒトゲノムプロジェクトにおける新たなマイルストーンと呼びました。

サイエンス誌の表紙

（画像出典：サイエンス公式サイト）

ゲノムとは何ですか?それは遺伝子とどう関係があるのでしょうか?なぜトップジャーナルは今でも遺伝子にこれほど多くのスペースを割いているのでしょうか?遺伝子は私たちにとって何を意味するのでしょうか?遺伝子王国の物語を 5 つの記事で詳しくお伝えします。

ゲノムを紹介する前に、遺伝子について理解する必要があります。

今日では、遺伝子は一般の人々にとって非常に身近な日常語となり、老若男女を問わず誰もがこの単語を知っています。しかし、多くの人が知らないかもしれないのは、「遺伝子」という言葉が実は新しい言葉であり、登場してからまだ 100 年以上しか経っていないということです。

最初から始めましょう。

長い探求—遺伝物質とは何でしょうか?

いったい何が人やさまざまな生命体の特性に影響を与えているのか、それは永遠のテーマといえるでしょう。人類は古くからこの問題について考えており、東洋では女媧が土から人間を作ったという伝説、西洋では土、空気、水、火が生命を構成するというピタゴラスの理論など、いくつかの推測を唱えてきました。これらの推測は、文化や歴史の違いにより異なることがよくあります。

しかし、この特性に影響を与える要因について、より本質的な推測を可能にする現象があります。それは、類似性、特に血縁家族間の類似性が特に重要であるということです。これは、これらの決定要因が非常に密接に関連していることを示唆しています。

これにより、もう一つの重要な言葉「遺伝」が生まれました。

他の予測不可能な要因と比較すると、遺伝的変数は、主に親と子の間で、はるかに小さくなります。そのため、「龍は龍を生み、鳳凰は鳳凰を生む」といった民間の諺など、遺伝学の性質に関する単純な認識が数多く生まれました。これは、親と子の間に共通の遺伝的要因があり、これらの要因が生物に根ざしているはずであることを意味します。

この考え方に従って、人々は生物内のどの物質が遺伝に関与しているかを探し始めました。

もちろん、この道は非常に長いです。ピタゴラスの時代にはすでに遺伝の理論が提唱されていました。彼は、遺伝は精液から来るはずだと信じていました。精液は体中を巡ってさまざまな情報を獲得し、それを次の世代に伝えます。その後、遺伝の問題には両親が関与する必要があることが徐々に認識されるようになりましたが、これらの要因とは正確には何でしょうか?

たとえば、有名な生物学者ダーウィンは、生物のさまざまな細胞には「微小芽」または「全胞子」と呼ばれる特定の生殖粒子があり、それが生殖中に受け継がれるという仮説を提唱しました。もちろん、血液が遺伝的要因であるなど、他の推測もあります。

しかし、時代を超えて斬新な理論を考案できる偉大な人は常に存在し、その典型的な例がメンデルです。彼は遺伝物質が何であるかを知らずに、生物における「遺伝因子」の存在を独創的に提唱し、統計的手法を通じてメンデルの遺伝の法則、すなわち遺伝子分離の法則と独立組み合わせの法則を提唱しました。

この法則は数十年後まで正しいことが証明されませんでしたが、今日でも人々を驚かせています。

メンデルの死後数十年経って、デンマークの遺伝学者ジョンソンが初めて「遺伝子」という言葉を正式に提唱した。 Gene はギリシャ語に由来し、「生命」を意味します。この言葉は、最初から生殖遺伝と関係していたことがわかります。生命科学の分野で働く者として、私は「遺伝子」という言葉の中国語訳が忠実さ、表現力、優雅さの模範であり、音訳と直訳の調和を実現していると信じています。

遺伝子

（画像出典：wiki、著者翻訳）

しかし、当時の遺伝子の概念は、実のところ、今日の遺伝子の概念とはかなり異なっています。しかし、それ以来、人類は少なくとも、遺伝情報の伝達を担う生体の一部、つまり遺伝物質が存在するというコンセンサスに達しました。

では、遺伝物質の性質とは何でしょうか?科学者たちは何十年にもわたる探求に取り組んできました。もちろん、道のりは平坦ではなく、数え切れないほどの科学者の努力が必要でした。遺伝物質の性質が最終的に解明されたのは、生命科学、特に生化学と遺伝学の発展により、前世紀になってからのことでした。その中で、3つの実験が重要な役割を果たしました。

3つの独創的な実験により、遺伝物質の本質は核酸であることが明らかになった

遺伝物質自体の特性を研究するには、まず実験の難易度をできるだけ下げるために、比較的単純なモデルを探す必要があります。この頃は、より単純な構造を持つウイルスや細菌が研究対象となりました。

人間に代表される大多数の真核生物と比較すると、ウイルスや細菌の構造ははるかに単純です。 DNAを例に挙げてみましょう。ウイルスや細菌ではDNAが単独で存在することが多いのですが、真核生物ではDNAがヒストンなどの多くのタンパク質に巻き付けられてクロマチン（染色できる物体という意味）を形成しており、その中にDNAとタンパク質の両方が含まれており、真ん中のセントロメアと両端のテロメアなどの構造を持っています。とても複雑です。

もちろん、これらの実験を検討する際には、これら 3 つの有名な実験の微妙な点を理解するために、遺伝物質の性質が何であるかを知らないふりをする必要があります。

しかし、私たちは完全に無知というわけではありません。少なくとも遺伝物質の性質を探る初期の段階では、研究者は一般的に遺伝物質、つまり核酸やタンパク質の範囲を限定していました。これは、生化学的手段により、ウイルスなどの極めて単純な生命体は、核酸とタンパク質という 2 つのコア構造しか持たないことが判断できるためです。

この2つは誰もがよく知っています。核酸は1869年にミシェルによって白血球内で発見されました。当時、核酸は核種と名付けられました。その後、アルトマンはこの分子が酸性であることを発見し、核酸と名付けられました。タンパク質の発見はさらに古く、1838年に科学者モルダーによって発見されました。

この基本的な判断を行った後、次のステップは、遺伝物質が核酸かタンパク質のどちらであるか、あるいはその両方であるかを区別することです。

1. 古典的な形質転換実験により、DNAが遺伝物質であることが証明された

この実験はグリフィスとエイブリーによって連続して実施されました。いわゆる形質転換とは、あるタイプの肺炎球菌を別のタイプに変化させることです。

まず、肺炎球菌の2つのタイプを紹介する必要があります。一つは表面が滑らかで莢膜を持つ毒性のあるS型肺炎球菌（滑面型）で、もう一つは表面が粗く莢膜を持たない毒性のないR型肺炎球菌（粗面型）です。見た目ですぐに区別できます。

その後、グリフィスは4セットの実験を実施しました。

最初のグループでは、マウスに生きたR型細菌が注射されたが、死ななかった。

2番目のグループには生きたS型細菌が注射され、マウスは死亡し、マウスの体内に生きたS型細菌が発見されました。

3番目のグループのマウスには加熱殺菌したS型細菌が注射されたが、死ななかった。

4番目のグループには、生きたR型細菌と加熱殺菌したS型細菌が注射されました。マウスは死亡し、その体内に生きたS型細菌が発見された。

グリフィスの4つの実験

（画像出典：wiki、著者翻訳）

単純な比較から、実験グループ 1 と 2 では R 型と S 型自体の活性が証明され、実験 3 では S 型を殺すことができることが証明され、実験 4 では有毒な S 型の死菌に含まれる特定の物質が無毒な R 型の生菌に移行して有毒化できることを証明したことがわかります。

しかし、当時の技術では、この「変換係数」の化学組成とそれが何であるかを区別することは不可能であったため、エイブリーの実験が生まれました。

エイブリーは幸運だった。なぜなら、当時の人類はすでに、DNA、タンパク質、多糖類などの成分を細菌から区別していたからだ。そこでエイブリーは、これらの成分を加熱殺菌したS型細菌に加えました。 DNA を追加することによってのみ、細菌の感染力が回復することが判明しました。

この実験により、DNAが形質転換因子であることが初めて確認されました。

この実験では、次の実験は自然な流れです。つまり、変換因子としての DNA には、遺伝情報の一部が含まれているのか、それともすべての遺伝情報が含まれているのかということです。

今回、ハーシー氏とチェイス氏はより単純なバクテリオファージを研究した。

2. DNAにはすべての遺伝情報が含まれている - バクテリオファージからの証拠

名前が示すように、バクテリオファージは細菌に侵入できる生物です。細菌よりも単純な構造を持つウイルスです。主に外側のタンパク質カプシドと内側の DNA の 2 つの部分から構成されます。

タンパク質と DNA の化学元素組成は異なります。たとえば、タンパク質には S 元素 (硫黄) が含まれますが、DNA には基本的に S 元素が含まれません。逆にP元素（リン）は主にDNAに存在します。したがって、タンパク質と DNA は放射性同位元素技術を使用して標識付けされ、区別できるようになります。

次に、研究チームは放射性同位元素で標識したファージを使って細菌を感染させ、感染の過程でタンパク質は宿主細菌に侵入せず、DNAだけが侵入することを発見した。侵入した DNA は細菌をさらに誘導して完全なファージを合成する可能性があります。この新しく合成されたファージのカプシドタンパク質には、同位体標識された S 要素は含まれていませんでした。

これは、DNA がタンパク質ではなく遺伝物質であることをさらに証明するだけでなく、DNA にすべての遺伝情報が含まれていることも証明します。