賢い子供は遺伝の結果なのか、それとも「鶏の飼育」の結果なのか？これらの双子研究は、物事が単純ではないことを物語っている

教育が非常に重要視される現代において、親たちは子供の教育（成績）を向上させるためにあらゆる方法を用い、常に子供に「鶏の血を注入」し、冗談で子供を「鶏の赤ちゃん」と呼んでいます。その結果、急速な進歩を遂げる子供もいれば、進歩が停滞し、親からは平均的な IQ を持つと見なされる子供もいます。 IQ は遺伝によってどの程度影響されるのでしょうか。また、環境要因によってどのように影響を受けるのでしょうか。この記事では、双子研究（双子デザイン）を例に、IQ関連の研究における遺伝学的手法を紹介します。双子の研究が IQ の遺伝を理解するのにどのように役立つか、またどのような環境要因が IQ レベルに影響を与えるかについて深く理解します。
著者 |双晨月

双子を科学研究に導入したきっかけは、イギリスの優生学者フランシス・ゴルトンに遡ります。 1870 年代の学者による双子の研究に基づいて、ゴルトンは、生体認証や優生学を裏付ける新たな証拠として、比較研究に双子を利用することを提唱しました。

それ以来、科学者たちは双子を「自然実験」や「本物の研究室」とみなし、科学研究に対する自然からの贈り物であると信じ、双子を高く評価するようになった。この影響は実際の観察実験に限定されるものではありません。物理学者アルバート・アインシュタインと哲学者アンリ・ベルクソンは双子を使って時間の性質について議論した。アインシュタインの思考実験である双子のパラドックスでは、双子の片方がほぼ光速で宇宙に送り出された場合は、地球に帰還したときに、地球に残ったもう片方の双子よりも若くなるという。ベルクソンの反論は、時間の概念は科学的な定義ではそれほど単純に理解できないというものである。この討論会は多くの視聴者を魅了し、双子の物語を使って人間の存在についてのより多くの真実を探求できることをより多くの人々に認識させました[1]。

図 1 ベルベットツインズ - リネンの油絵 |出典：参考文献[2]

IQの遺伝という複雑な問題

双子に関する物語は常に注目を集めやすく、より深い思考を刺激します。 2011年、インターネット上で「最高の勉強スケジュール」が流行したとき、清華大学から「特別奨学金」を獲得した双子の姉妹が大きな注目を集めた。多くの人は、自分の優秀さが遺伝的に高いIQによるものなのか、それとも恵まれた家庭や学校環境で育ったからなのか、気になっているのではないでしょうか。

過去 1 世紀にわたって、心理学者はこのテーマについて多くの研究を行ってきました。特に双子実験に基づく実験は、IQ に関する「生まれか育ちか」の議論に多くの証拠を提供してきました。

概念的には単純であるにもかかわらず、IQ の遺伝性については過去 1 世紀にわたって激しい議論が交わされてきました。これは、測定方法や遺伝率の定義が異なるため、IQの広義の遺伝率と狭義の遺伝率の結果に一貫性がなく[3]、狭義の遺伝率が広義の遺伝率よりも低いことが一般的だからです。さらに、遺伝が IQ に与える影響は年齢によって異なります。全体的に、ほとんどの研究者は、一般人口の生涯にわたる IQ スコアの違いの約 30% から 70% は遺伝的要因によるものであることを発見しました。なぜそのような範囲なのでしょうか?多くの古典的な研究では、双子のデザインと他の行動遺伝学的手法を組み合わせて、この問題の根底にあるより複雑な生物学的メカニズムを明らかにしました。

1981年にサイエンス誌に発表された古典的な研究では、著者らは世界中の111件のIQ遺伝率調査を要約し[4]、実親と子の間、および養親と養子（遺伝的関係はない）の間のIQ相関を比較しました。研究によると、実親と子の知能相関は養親のそれより約1倍高く、実親と子の知能相関は約0.4で、中程度の相関レベルにあることがわかった。しかし、その後の双子のサンプルと他の行動学的方法を組み合わせた研究では、遺伝と環境が IQ に与える影響についてより具体的な結果が見つかりました。特に、IQ の発達における多くの環境要因の役割は無視できません。

関連する研究をよりよく理解するために、まず双子をサンプルとして使用する研究方法（双子デザイン）と、行動遺伝学に関連する他の古典的な方法を見てみましょう。

双子のデザインと遺伝学的手法

双子を実験対象として用いる研究は、学術界ではしばしば双子デザインと呼ばれ、こうした研究の多くは複雑な形質の遺伝的基礎を探る上で貴重な情報源となってきました。親族はある程度の遺伝子や生活環境を共有しているため、特定の側面における違いは遺伝子だけでなく、一緒に暮らす共通の環境からも生じている可能性があることが分かっています。研究者は双子や家族の研究を利用して、遺伝子と環境の相対的な影響を推定します。これらの研究の根底にある論理は単純です[2]。ある形質が特定の遺伝子構造の影響を受ける限り、対応する遺伝情報が多い個体はその形質においてより類似することになります。この現象は、遺伝的類似性の異なる親族が同様の環境にいる場合にさらに顕著になります。

双生児デザインは、成人の一卵性双生児と二卵性双生児の子孫の特性の違いを比較し、家族環境が直接次世代に影響を与えるのか、それとも遺伝子がより大きな役割を果たしているのかを探ります[2、3、5]。基本的な原理は、遺伝と環境の複合的な影響の結果である特定の特徴において、2 つの異なるタイプの双子と他の親族の類似点を比較することです。

同じ家族の一卵性双生児（MZ双生児、略してMZ）は、同じ受精卵（100％共有遺伝子）から生まれ、まったく同じ遺伝子と家族環境を共有しています。二卵性双生児（DZ双生児、略してDZ）は、同じ年齢で、同じ家庭環境で育ちましたが、平均して遺伝物質の半分だけが同じ（50%の共有遺伝子）であり、遺伝的類似性は、通常の兄弟姉妹と基本的に同じです。したがって、環境の類似性の度合いが異なるため、一卵性双生児は通常二卵性双生児よりも似ており、二卵性双生児は通常普通の兄弟よりも似ています。

最も単純な双子のデザインでは、同じ家族の一卵性双生児 (MZ) または二卵性双生児 (DZ) が家族やその他の背景環境の影響 (ライフスタイル、近隣住民など) を共有するため、2 つの双子のタイプ間で環境の類似性の程度に大きな違いはありません。これに基づいて、研究者らは、行動特性に対する遺伝的影響を、その表現型に対する一卵性双生児（MZ）間の相関が二卵性双生児（DZ）間の相関よりも高い度合いとして定義しました。このような比較から、研究者は特定の形質の遺伝率 (h2)、つまり遺伝的影響による集団変動の割合を推定できます。

図2 双子家族データによく使われるモデルの例[5]

行動遺伝学は、遺伝と環境が人々の行動の個人差に与える影響を研究します。過去半世紀にわたり、双子を使った研究は行動遺伝学において中心的な位置を占めてきました。 1980 年代後半以降、行動遺伝学研究の主な焦点は、遺伝性の分子的基礎に重点が置かれるようになりました。多くの研究者は分子遺伝学研究における大規模データ収集の価値を認識し、兄弟、両親、双子の子供などのサンプルを研究プロジェクトに含めるようになりました[2、5]。

特に、過去10年間ではゲノムワイド関連研究（GWAS）と双子研究の組み合わせにより、行動遺伝学における科学的発見と方法論的発展の新しい時代が到来しました[5]。 GWAS 法は、大規模なデータから多遺伝子スコア (PGS) を構築し、個人全体の遺伝的傾向や特定の特性、あるいは特定の疾患のリスクを評価します。これは、世代を超えて（親から子へ）共有される遺伝プロセスの分子的基礎を明らかにすることができる直接的な定量的ツールです。双子研究では、より小さなサンプルサイズで統計要件を満たし、遺伝率と遺伝的相関の分析を実施できます。既存の表現型の評価において多様性があり、通常、GWAS データよりも微妙で詳細な仮説を探索できます。双子/家族の研究によって明らかにされた遺伝的差異は、GWAS の設計と解釈に役立ちます。たとえば、双子/家族の研究では、遺伝的相関が非常に高い行動測定変数 (典型的な例は IQ と教育) を「ひとまとめ」にして GWAS の有効性を高めることができますが、遺伝的相関が低い測定変数を「分割」して GWAS 結果の特異性を高めることができます。

近年、双子/家族設計と GWAS にはそれぞれ異なる利点があり、大部分が補完的であるため、これら 2 つの方法を組み合わせることで、研究者はより正確な遺伝的影響を解明できるようになりました。双子をベースにした双子のデザインは、遺伝学や行動研究におけるGWASなどのさまざまな分野の方法と組み合わされ、人々の違いに関する遺伝学と環境の議論を裏付ける豊富な証拠を科学者に提供してきました。

IQを関連付ける双子の研究

多くの研究者は、IQの遺伝性の定義が十分に特徴付けられておらず、統一された方法で測定されていないため、IQの遺伝性は依然として議論の余地があると考えています[3]。たとえば、一般的に使用される直接分析法と間接分析法では、「環境」という影響要因の扱い方が異なるため、IQ の遺伝率の推定値が大きく異なります。前者では、一般的に IQ の遺伝率の推定値がかなり高くなります。 Nature[3]に掲載された古典的な研究では、この食い違いは主に母親の要因（出生前の子宮環境など）がIQに与える影響を考慮していないことに起因すると仮説が立てられました。したがって、母親の影響を切り離すことで、IQ の遺伝的メカニズムをより正確に調査し、IQ の謎を解くことができるようになるかもしれません。

この研究では、従来の双子デザインで想定される 3 つの異なる環境 (双子、共通の兄弟、親と子に固有の環境) を、双子用と兄弟用の 2 つの母親の子宮環境と共有家族環境に置き換える代替モデルを評価しました。研究者らは、ゼロ度親族（一卵性双生児）、一度親族（両親、子、兄弟、二卵性双生児を含む）、またはその養子縁組パートナーを含む50,470組の異なるペアを対象とした204の相関関係のメタ分析に基づいて、「母親効果」モデルが従来の「家族環境」モデルよりもデータに適合し、双子間の共分散の20％と兄弟間の共分散の5％を説明できることを発見しました[3]。研究の結果は、IQの広義の遺伝率は48%である可能性があることを示唆しています。狭義の遺伝率は約34%です。これらの結果は、遺伝子と環境が認知機能に与える影響に関する新しい、より複雑なモデルが存在する可能性を示唆しているだけでなく、また、出生前環境を改善するための介入が次世代のIQレベルを大幅に向上させる可能性があることも示唆しています。

多くの研究で母親の子宮環境の重要性が実証されている[3]。脳の神経系は子宮内の胎児期に急速に成長し、生後 1 年以内に最終質量の 70% に達します。その他の関連研究でも、IQは出生前の環境によって影響を受ける可能性があることが示されています。IQは出生体重と正の相関関係にあり、20世紀半ばに行われた双子の大規模研究では、双子のIQは一人っ子よりも4～5ポイント低いことが示されました。妊娠中に摂取する栄養補助食品の中には、子供の IQ を高めるものもある。妊娠中のアルコール、薬物、タバコの使用は、将来生まれる子供のIQを低下させる可能性があります。母親と胎児の間の鉛の交換によりIQが低下する可能性があるなど。

他の研究者は縦断的発達の観点から調査し、遺伝子の影響は年齢とともに増大することを発見しました。 4カ国11,000組の双子を対象とした調査では、一般的な認知能力の遺伝率は、小児期（9歳）の41％から青年期（12歳）の55％まで有意に直線的に増加し、成人初期（17歳）には66％に達したことが判明しました[6]。人生における「運命の矢」はなぜ遺伝子によって決定されることが多くなっているのでしょうか?研究者たちは、実際のところ、多くの特性において、遺伝子と環境の影響は単一の要因や白黒によって支配されるわけではないと考えています。何千もの双子の研究の結果は、ほとんどの行動特性は部分的に遺伝するが、環境によっても大きく影響されることを示しています。

典型的な発見として、遺伝的素因は環境要因とも相関関係にあることが観察されており、これは総称して遺伝子環境相関 (rGE) と呼ばれる現象です。つまり、子どもが成長するにつれて、遺伝的素因に基づいて自分自身の経験を選択し、修正し、ある程度は自分で経験を作り出すようになるということです。親の遺伝子は親の特性（社会経済的地位、IQ、教育など）を通じて子孫の特性に影響を与えるために協力する可能性がある[6, 7]。たとえば、音楽の才能に恵まれた子どもは、楽器演奏の才能や音楽環境への露出など、他の子どもに比べて音楽的能力の発達につながる遺伝子と環境を両親から多く受け継いでいる可能性があります。

遺伝子関連技術の発展により、2019年に発表された研究で、著者らはゲノムワイド関連研究（GWAS）の多遺伝子スコアリング（PGS）法と双子デザインを組み合わせて、親の遺伝子が子孫の教育と認知に与える影響をテストしました[8]。この研究には、110万人の教育レベルに関する最新のGWASデータが含まれていました。この大規模なサンプルに基づいて構築された多遺伝子スコア（PGS）は、教育レベルで11％～13％の差、認知能力レベルで7％～10％の差を予測することができ[9, 10]、さらに教育レベルが認知能力を調べるための実行可能な指標であることを証明しました。この研究の結果によると、子孫の IQ スコアに最も大きな影響を与える 3 つの要因は、まず親の IQ スコア (相関は 0.48)、次に親の教育レベル (相関は 0.33)、そして社会経済的地位 (SES、相関は 0.30) です。これは、親の遺伝的継承に加えて、親の教育レベルや SES などの他の重要な環境要因も次世代の IQ レベルに大きな影響を与えることを示しています。さらに、米国の他の研究では、IQと学業成績の遺伝率は高SESの条件下では高いことが明らかになっています[10, 11]。

したがって、子どもの成功を望む親にとって、高い IQ を持つ優秀な子どもを育てたいのであれば、単にお金を使って子どもをクラスに登録したり、学区内の住宅を購入したりするだけでは十分ではないことがわかります。子どもの IQ は以下の要因と密接に関係しています。まず、親の IQ 遺伝子は子どもの IQ の発達と学業成績に中程度の影響を及ぼします。第二に、母親が子供に与える影響は父親よりも大きく、妊娠中の女性のIQ、教育レベル、栄養状態は子供の将来のIQの可能性に大きな影響を与えます。最後に、「赤ちゃんを押し上げる」のではなく「自分自身を押し上げる」方がよいこと、そして親の教育レベルと社会経済的地位と子供のIQレベルとの相関関係は、親のIQスコアに次いで2番目に大きいことです。社会経済的地位が良好であれば、子どもたちは学業成績やIQの面で受け継いだ知的潜在能力をより発揮できるようになります。よりマクロ的な視点で見ると、我が国の発展戦略において将来の人材を育成するためには、男女平等を推進し、女性の教育機会や学力を向上させることも極めて重要です。

双子研究のその他の方法と応用

最も単純な双子のデザインを超えて、その後の多くの研究は、さまざまな研究目的と実験データに基づいて、より複雑な双子モデルへと進化し[2、12]、科学者たちは多くの興味深い発見もしました。

例えば、単変量双生児研究を複数の変数に一般化し、被験者ごとに複数の表現型を分析する多変量設計アプローチは、形質と併存疾患の原因との関連性を研究することができる[2、5]。多変量設計で尋ねられる可能性のある質問には、運動の変化がうつ病の変化につながるかどうかなどがあります。異なる特性がクラスター化されるのは、共通の遺伝子セットの影響を受けているからでしょうか?

さらに、CoT法（双子の子供）は近年の古典的手法となっている。これは、すでに家族を形成して次世代を育てている双子のサンプルを使用し、遺伝的影響と環境的影響を分離できる研究パラダイムである[12]。過去 10 年ほどの間に、ますます多くの双子サンプルが家族を持ち、自分の子供を持つ年齢に達し、より長い期間にわたってより包括的な情報を提供できるようになったため、CoT 研究はますます人気が高まっています。 CoT 法の遡及的レビューでは、既存の CoT 研究が、精神疾患、薬物乱用、子育て、夫婦間の問題など、幅広い表現型をカバーし、親と子の間の遺伝的および環境的相互作用を区別していることが示されています。

CoT法は家族の交絡因子を制御し、親子関係における潜在的な因果関係を評価することができる[12]。近年の CoT 研究における最も重要な発見の 1 つは、親子の行動関係における喚起的遺伝子環境相関 (喚起的 rGE) の存在です。つまり、親が子供と交流する方法も、遺伝によって引き起こされる子供の生来の行動傾向によって制御されるということです。たとえば、養子縁組の研究や双子の研究では、親が子供の行動に影響を与えるのと同じように、遺伝的に影響を受けた子供の行動が子育てスタイルに影響を与える可能性があることが示されています。これらの調査結果は、複雑な家族環境における親子関係のダイナミクスやさまざまな親子関係をより深く理解するのに役立つ可能性があります。

過去の大規模な双子のサンプルの多くは徐々に自分の子供をもうけており、これは研究者に将来、親と子の間の表現型の関連性に関する新しい興味深いテーマを探求する可能性をさらに提供することになるだろう[12]。