なぜ遺伝子が遺伝の鍵となるのでしょうか?ヒトゲノムプロジェクトは生命のコードを解読する

遺伝子編集の誕生への序章 - DNAは常に注目の分野だった

導入：

遺伝学の問題については、中国国内外を問わず、歴史を通じて多くの議論がなされてきました。リンネ、ラマルク、ダーウィンからメンデル、そして後にワトソン、クリックなどに至るまで、科学者たちはついに生命の遺伝的秘密を発見しました。それは遺伝子の中に隠されているのです。

この動画では主に「遺伝子とは何か」「遺伝子変異がどのような影響を及ぼすのか」について紹介します。インタビューさせていただいたゲストは、湖南師範大学医学部教授であり「小郷学者」の顧鋒教授です。

顧鋒（湖南師範大学医学部教授、「小湘学者」）|ゲスト

リンネ、ラマルク、ダーウィン

Q:遺伝子と遺伝にはどのような関係がありますか?

顧鋒： 「遺伝子と遺伝の関係」の問題は遺伝学における基本的な科学的問題です。たとえば、身長は遺伝します。両親が背が高いと、子供も背が高くなります。つまり、北欧人が一般的にアジア人よりも背が高いのはそのためです。それは遺伝的根拠に基づいています。

私たちの口の中の歯、一重まぶた、二重まぶた、皮膚など、私たちの体のあらゆる特徴は、両親の遺伝子と密接に関係しています。代表的な研究としてはメンデルのエンドウの雑種化実験が挙げられます。エンドウ豆を交配させることで、その形質が遺伝法則によって支配されていることがわかります。

次にモーガンはショウジョウバエの交配実験を行った。モーガンは遺伝子研究を行い、形態学的観察を通じて遺伝子のさらなる発見の基礎を築きました。

モーガンとショウジョウバエの実験

もちろん、遺伝子とは何かを最終的に解明した科学者はワトソンとクリックでした。彼らはDNAの観点からDNAとは何かを解釈しました。二人は二重らせん構造と塩基対について説明しました。これらの研究は、その後の遺伝子操作の強固な基盤を築き、これが遺伝子レベルからの DNA に関する現在の理解となっています。次にRNAについてお話しましょう。新しいコロナウイルスはRNAです。遺伝物質として継続的に複製され、次の世代に受け継がれます。もちろん、ウイルスは、大腸菌や国宝のパンダ、稲など、私たちの従来の生命体とは異なります。

つまり、遺伝子の最初の発見から最終的な決定までの間にはいくつかの重要なイベントがあり、これらのイベントは遺伝子編集を推進する上で非常に重要です。

Q:遺伝子の構造はどのようなものですか？

Gu Feng: 遺伝子はいくつかの要素で構成されています。

まず、遺伝子には通常、遺伝子の転写を促進するプロモーターがあります。第二に、遺伝子にはエクソンとイントロンが含まれています。真核細胞のゲノムには、イントロンとエクソンの両方が含まれます。イントロンは隣接するエクソンを分離し、1 つの遺伝子を複数の異なる転写産物に転写して、遺伝子特異的な制御を実現します。 3 番目に、先ほど述べたイントロン、エクソン、プロモーターに加えて、遺伝子の 3' 末端にポリ A 構造もあり、これは転写が特定の位置で停止する必要があることを意味します。これらの部分は遺伝子の最も基本的な部分です。

ヒトの遺伝子は主にATGCの4つの塩基で構成されています。 RNA に転写されると、T は U になるので、RNA の場合は AUGC になります。これが DNA と RNA の違いです。

さらに、遺伝子について話すとき、通常は遺伝子の 5' 非翻訳領域と 3' 非翻訳領域についても言及します。これらはそれぞれ 5' UTR と 3' UTR と呼ばれます。遺伝子の場合、これらは調節要素であり、さまざまな転写開始部位で転写され、UTR を介して特定の因子に結合することで遺伝子転写の活性を調節します。これは遺伝子制御の重要なメカニズムです。

Q:遺伝子は遺伝情報をどのように伝達するのでしょうか?

顧鋒：まず細胞核の中の染色体についてお話しましょう。遺伝子は特定の染色体上の特定のセグメントに位置します。細胞が再生されると遺伝子は複製されますが、これには DNA 複製の問題が関係します。母細胞から娘細胞への複製に対応するプロセスもあり、このプロセスは有糸分裂と呼ばれます。

次に、遺伝子が体内のタンパク質にどのように作用するかというプロセスがあります。このプロセスでは、RNA ポリメラーゼによって遺伝子が RNA に転写され、その後、RNA が細胞核から細胞質に輸送され、関連する塩基対形成が行われます。 RNA は転写された後、成熟した RNA になる必要があります。成熟した RNA は細胞核から細胞質に輸送され、そこで最終的に核酸を使用して翻訳されます。翻訳後、タンパク質は核に移動し、ミトコンドリアに移動する必要がある場合は、ミトコンドリアに移動できるようにするミトコンドリア局在化シグナルがあり、細胞質内に留まる必要がある場合は、細胞質内に局在します。

もちろん、ここではタンパク質の修飾も関与している可能性があり、さまざまなタンパク質の修飾によってタンパク質の活性を調節することができます。例えば、タンパク質自体は酵素であり、リン酸化やアセチル化などのさまざまな修飾を通じてタンパク質の活性を調節することができます。

タンパク質が生成されるところには、当然、分解されるタンパク質も存在します。特定のタンパク質が不要であれば、ユビキチン化によって分解することができます。結局のところ、これは動的なプロセスになります。

この動的なプロセスで何か問題が発生した場合、たとえば遺伝子が変異した場合、対応するタンパク質も変異します。たとえば、タンパク質自体は細胞核に行くはずであるが、突然変異によってそこに到達できなくなった場合、細胞に機能的な影響を及ぼします。

Q: 遺伝子変異とは何ですか?

顧鋒：遺伝子変異の問題に関しては、実際には2つの側面があります。一方で、突然変異は私たちをより良くするかもしれない。例えば、突然変異が起こると、マラリア原虫は私たちに感染することができなくなるか、感染率が非常に低くなります。突然変異が必ずしも悪いものであると完全に考えるべきではありません。突然変異によって私たちがより賢くなる可能性さえあります。

一方、突然変異によって病気にかかる可能性もあります。突然変異はワクチンと同様に、プラスの影響もマイナスの影響も及ぼす可能性があります。ワクチン製造の過程で、微生物の毒性を軽減し、ワクチンをより安全で効果的なものにすることができるかもしれません。

人体で突然変異がどのように起こるかについては、いくつかの異なる理論があります。まず、精子と卵子の生成中に生じる突然変異は非常に一般的です。減数分裂ではゲノム全体が大きく変化するため、減数分裂中に相同組み換えが起こると突然変異が発生する可能性が高くなります。

第二に、突然変異は主に性器で発生します。両親には変異が見られなかったが、子供にはあったことが分かりました。このタイプの突然変異を「de novo 突然変異」と呼びます。 「新しい突然変異」においては、父親の影響が非常に大きい。父親が年を取れば取るほど、その子供に生じる突然変異も多くなります。これは父親の影響です。同様に、母親の要因も一定の影響を与えます。たとえば、減数分裂は卵子の生成中に起こり、関連する突然変異は減数分裂中に起こりやすくなります。

3番目は、いくつかの外生的要因です。例えば、宇宙における放射線やイオン放射線、一部の薬物、微生物、特にウイルスなどはゲノムに組み込まれ、最終的には関連する病気を引き起こします。たとえば、B型肝炎は遺伝子を破壊するため、最終的には肝臓がんを引き起こします。

Q:ヒトゲノムプロジェクトについて教えてください。

顧鋒： 「ヒトゲノムプロジェクト」は、その名の通り、ヒトゲノムの基本構造を決定するプロジェクトです。例えば、遺伝子の位置や遺伝子の構成などを決定することです。この作業は 1990 年代後半に始まり、クリントン大統領の任期中に完了しました。

ヒトゲノムは約30億の塩基で構成されています。当時の投資額は1塩基あたり1ドルだったので、ヒトゲノム問題の解明に総額30億ドルが投資されたことになります。ゲノムの問題が理解されれば、それはその後の病気の診断と治療にとって大きな意味を持つでしょう。

我が国では当時、楊環明院士が「ヒトゲノム計画」に参加しており、この仕事は大きな意義を持っていました。もちろん、このプロジェクトは一方では貢献を果たしましたが、他方では当時の技術の限界により、一部のゲノムの塩基の決定はあまり明確ではありませんでした。過去2年間の技術の進歩により、研究者は明確に測定されていなかったいくつかの配列を更新しました。

ヒトゲノムプロジェクトは私たちの生命科学全体にとって非常に重要です。このプロセスにおいて、私たちは才能ある人材を育成しただけでなく、国際協力能力も向上させ、学問分野全体にとって画期的な貢献を果たしました。

Q:ヒトゲノムプロジェクトの影響は何ですか?

顧鋒氏： 「ヒトゲノム計画」の歴史的貢献は非常に大きいです。なぜなら、変革について語る前に、まず物事を理解しなければならないからです。つまり、（遺伝子の）読み取り、書き込み、修正は、実際には統一されたプロセスなのです。遺伝子をはっきりと読み取れなければ、遺伝子を書き込んだり変更したりすることはできません。ヒトゲノムプロジェクトは、この分野全体にとって非常に強固な基盤を提供しました。

数日前、中国科学院生化学細胞生物学研究所の李金松院士と科学研究について雑談していたとき、彼は彼らの研究室がマウスのすべての遺伝子にラベルを付ける研究を行っていると教えてくれました。この作業は非常に有意義であり、良いツールとして使用できます。

この計画は、実は「ヒトゲノム計画」と多少関係があります。マウスを使って研究を行う場合、関連するツールや遺伝資源が不足していることがよくありますが、これらはすべて「ヒトゲノムプロジェクト」の延長です。

これはヒトゲノム計画が終了し、ゲノム研究が終了したことを意味するものではありません。実際のところ、まだやるべきフォローアップ作業はたくさんあります。したがって、優れた遺伝資源、優れた関連技術プラットフォーム、および大規模な人材育成は、ライフサイエンス全体にとって非常に重要です。

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。

インタビュアー：葉水松

インタビュー対象者: 顧峰

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：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司