あなたの体にはどれくらいのジャンク DNA が隠れているでしょうか?彼らの使命は謎に包まれている。

人生において、ゴミが何であるかは誰もが知っています。しかし、人間の遺伝学を探求する過程で、どの DNA がゴミなのか、またゴミ DNA が存在するのかどうかについて研究者の間で意見が分かれています。

「一つ確かなのは、『ジャンクDNA』は絶対にジャンクではないということだ。」武漢理工大学生物医学研究所の顧超江教授は、人間の遺伝子の研究には段階的な認識と判断があると述べた。 「自分が何を知っているかを知ること、そして自分が何を知らないかを知ることが知恵である。」科学的探査についても同様です。長い間、「ジャンク DNA」に関する研究成果が次々と発表され、それらは互いに裏付けたり矛盾したりしながら、「ジャンク DNA」遺伝子の謎を徐々に解明してきました。

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「ジャンクDNA」の理解と技術は追いついている

「ジャンク DNA」という名前は、英語の「Junk DNA」を直訳したものです。この概念はもともと、タンパク質をコード化できないゲノム内の DNA 配列を説明するために、日本の遺伝学者大野乾氏によって提唱されたものです。

顧超江氏は、初期の定義によれば、ヒト遺伝子におけるタンパク質のコード化を担う遺伝子の数はわずか4万個で、ゲノムのわずか2％を占め、残りの98％は「ジャンクDNA」に分類されると紹介した。

科学研究の進歩により、「ジャンク DNA」は現在、ゲノム配列内のコード機能を持たず、RNA もタンパク質も生成しない断片を指すようになり、さまざまな種類の「非コード DNA」が含まれます。これらは反復配列の形でヒトゲノム中に広く存在し、構造的には散在反復配列、縦列反復配列、および分節反復配列に分類されます。繰り返し回数に応じて、中程度の繰り返しシーケンスと高度な繰り返しシーケンスに分けられます。

2003 年には早くも ENCODE (DNA 要素百科事典) プロジェクトが開始され、世界中から 400 人を超える科学者が参加しました。このプログラムは、ヒトゲノムプロジェクトによって作成されたヒトゲノムマップに基づいて、各遺伝子の機能情報を研究し、生物学的機能遺伝子のカタログを作成します。このプログラムの研究結果によると、ヒトゲノムの80%に特定の生化学的機能があることが判明した。

ヒューストン大学の生物学・生化学教授ダン・グラウアー氏は、最新号の「ゲノム生物学と進化」誌に論文を発表し、新しいモデルを使ってヒトゲノム内の機能遺伝子を数えてみたところ、機能遺伝子は最大でも25%しか占めず、残りの遺伝子はいわゆる「ジャンクDNA」、つまり役に立たない、あるいは有害なDNAであることがわかったと述べた。

顧超江氏は、この研究はENCODEの結論を「覆す」だけでなく、科学研究者がヒトゲノム研究に再び焦点を当てるよう導くことになるだろうと信じている。

認知と技術が進歩するにつれて、「ジャンク DNA」はどこから来るのでしょうか?

研究により、一部の「ジャンク DNA」はウイルスに由来し、人間の免疫システムを調節できることがわかっています。研究者たちは、「転移因子」と呼ばれる一種の「ジャンクDNA」がこの過程において重要な役割を果たしていることを発見した。

転移因子はゲノム内を移動できる DNA の断片であり、数百万年かけて進化し、ヒトゲノムに組み込まれたウイルスや細菌などの病原体の遺物であると考えられます。

顧超江氏は、ヒトゲノムの10%を占めるタンデムリピート配列は主に非コード領域に分布しており、コード領域にもいくつか存在すると紹介した。コード領域のタンデムリピート配列は機能に関係しており、非コード領域のタンデムリピート配列は主にスペーサー DNA またはイントロンに分布しています。繰り返し単位は 2bp ほど短いものから数十塩基対ほど長いものまでさまざまであり、繰り返し回数は数回から数百回までさまざまです。反復配列の繰り返し回数の違いが、DNA 長多型の形成の基礎となります。

同時に、染色体の非対称な分布により、「ジャンク DNA」が子孫に優先的に受け継がれることも研究で明らかになっています。 2017年にサイエンス誌に掲載された論文では、「ジャンクDNA」の発生源は染色体の非対称な分布によるものであることが示された。この研究では、2つの姉妹染色体のセントロメアが女性の減数分裂中に遺伝をめぐって互いに競合し、セントロメアの反復配列がヒトゲノムの中で最も豊富な非コードDNAであることが示された。より多くの反復コピーとより多くのキネトコアタンパク質を持つ「強い」セントロメアが子孫に優先的に受け継がれます。

機能的識別はまだ始まったばかり

「ジャンク DNA」内の多数の反復 DNA 配列は、特殊な高レベルの DNA 構造を形成し、それによって近くの遺伝子の活動を制御します。遺伝子のオン/オフを制御するいくつかの特殊なタンパク質（転写因子）は、遺伝子の近くにある非コード化「ジャンク DNA」を特異的に認識し、それらと相互作用することで遺伝子の阻害と活性化に関与することができます。

顧超江氏は、これらの「ジャンクDNA」は遺伝子の「分子」スイッチとみなすことができると述べた。

最近、アメリカの科学者たちは、11 のヒト組織における Alu (高度反復配列) ゲノム由来の 330 個のエクソンを分析し、興味深い発現と機能特性を持つ多くのエクソンを特定しました。 Alu は霊長類特有のレトロトランスポゾンであり、これによるエクソンの生成は霊長類の独特な特徴の形成に役立つ可能性があります。

「ジャンク DNA」が調節 RNA を合成することで機能できるという証拠もあります。これらは小さな RNA 分子に転写され、RNA 干渉と呼ばれる RNA を介した遺伝子サイレンシング プロセスなど、タンパク質の発現を制御できます。また、遺伝子発現を活性化または阻害し、細胞分裂や分化などの非常に複雑な生理現象を補助することもできます。

顧超江氏は、この方法が医療に応用されれば、がん遺伝子を沈黙させることができ、非常に意義深いと紹介した。他の研究では、「ジャンク DNA」が遺伝子の組み立て方を変える可能性があることが示されています。

以前、米国ノースカロライナ大学の研究者らは、一部の「ジャンクDNA」に含まれる遺伝子配列の小さな断片が遺伝子にスプライシングの方法を伝えたり、スプライシングのプロセスを強化または阻害したりすることで、遺伝子の組み立て方法を変えていることを発見した。

さらに重要なことは、「ジャンク DNA」が免疫系疾患、腫瘍の発生、神経系疾患、発達、さらには外見など、さまざまな面で人間の生活に影響を及ぼすことです。

ドイツのマックス・プランク研究所、英国のオックスフォード大学などの科学者らは、化学療法後、骨髄中の造血幹細胞が「ジャンクDNA」を使ってRNA分子を転写し、活性化を高め、新しい細胞を生成し、血液再生を促進することを発見した。

研究者らはまた、個人のゲノム配列解析を受ける人の数が急増するにつれ、ゲノムの変異、特に非コード領域の変異を解釈する際に、最近、「ジャンクDNA」領域に乳がんや前立腺がんの潜在的な「引き金」が100近くあることを発見し、「ジャンクDNA」ががんの潜在的な原因になり得ることを示唆していることを発見した。他の研究者らは、どのような状況下で「ジャンクDNA」がホジキンリンパ腫内で活性を保ち、腫瘍の成長を加速させるのかを実証したと述べた。

上記の見解とは異なり、バース大学とケンブリッジ大学の研究者らは、遺伝子間にある「ジャンクDNA」が非コードRNAに転写され、このプロセスによって細胞が癌化するのを阻止できることを発見した。

さらに、アメリカの研究者らは、配列データから de novo タンデムリピート変異 (de novo TR 変異と呼ばれる) を識別および判定し、ASD (自閉症スペクトラム障害) の患者と影響を受けていない兄弟における de novo TR 変異のゲノム全体の特徴付けを行うための新しいバイオインフォマティクス手法を開発しました。私たちは、ASD 患者において多数の de novo TR 変異がゲノム全体に存在し、胎児脳の調節領域に多く存在し、進化的に有害であると予測されることを発見しました。

解明すべき謎はまだまだある

最近、国際学術誌「ニューロン」に掲載された研究報告によると、「ジャンクDNA」と考えられているレトロトランスポゾンLINE-1が統合失調症患者の脳内に高レベルで存在し、統合失調症に関連する遺伝子の発現を変化させる可能性があることが判明した。そのため、研究者たちはそれが統合失調症の主な原因である可能性があると推測しています。

同時に、この「ジャンク DNA」の部分は、統合失調症を引き起こす遺伝的要因に分類され、研究されました。研究者らは、全ゲノム解析を用いて、統合失調症患者では、シナプス機能に関連する遺伝子にLINE-1が挿入され、正常な機能が破壊されることを発見した。したがって、この「ジャンク DNA」が統合失調症を引き起こす原因である可能性があると研究者らは考えています。

顧超江氏は、海外の研究チームが発生の分子メカニズムに関する研究で、発生の過程で「ジャンクDNA」から転写されたマイクロRNA（miRNA）が細胞と胚葉の分布の過程で重要な役割を果たしていることを発見したことを紹介した。シドニーのセンテナリー研究所の研究者らは、次世代の遺伝子配列解析と高度なコンピューター分析を用いて、特定の白血球が非コードDNAを使用して、形状と機能を制御するさまざまな遺伝子の活動を調節する方法を明らかにした。

興味深いことに、米国のローレンス・バークレー国立研究所の研究者たちは、「ジャンクDNA」の中にスイッチや増幅器のような顔の遺伝子の機能に影響を及ぼす可能性のある配列断片がいくつかあることを発見した。目が大きいか小さいか、鼻がまっすぐかそうでないか、頭の形などはすべて、「エンハンサー」と呼ばれるこれらの配列断片と密接に関係している可能性があります。

一枚の葉が秋の訪れを告げ、雲の隙間から霧が見える。 「ジャンク DNA」に関して他にどのような質問に答える必要がありますか?

顧超江氏は、ポストゲノム時代の到来により、「ジャンクDNA」の解釈はシーケンシング技術の進歩の恩恵を受けていると述べた。第 2 世代および第 3 世代のシーケンシング技術により、シーケンシングのスループットが大幅に向上し、一度に数十万から数百万の DNA 分子のシーケンシングを完了できるようになり、種のゲノムとトランスクリプトームのディープ シーケンシングが便利かつ容易になり、「ジャンク DNA」の解釈に対する技術的サポートが提供されるようになりました。

現在、機能的な「ジャンク DNA」が認識され特定されるにつれて、実際の「ジャンク DNA」はますます少なくなっていきます。

顧超江は、今後も大量の反復配列（「ジャンク DNA」）の機能を、DNA 複製の調節、転写の調節、遺伝物質のプログラムされた再配置のための部位のマーキング、染色体の正常な折り畳みと維持への影響、染色体と核膜の相互作用の制御、RNA の処理、編集、スプライシングの制御、翻訳の調整、胚の発達の調節、DNA の修復、疾病との闘いへの貢献という 10 の方向で深く分析し続ける必要があると考えています。

顧超江氏は、つい最近、フランスのモンペリエ大学のクリストファー・グルーナー氏、ドイツのギーセン大学のクリストファー・グリーベルディング氏らが「ゲノム生物学と進化」誌に「ジャンクDNA」の時代は終わったとする論文を発表したと述べた。同時に、生命科学の継続的な発展に伴い、「ジャンクDNA」はもはやジャンクではないことが徐々に認識されるようになりました。

「技術の更新と研究の深化により、『ジャンクDNA』により多くの機能的配列が生成されるようになるだろう」と顧超江氏は断言した。

◎科技日報記者呉春新と特派員程宇

出典：科技日報

編集者：張其其

レビュー: ジュリー

最終レビュー：劉海英