人間の遺伝学の研究は、あなたのボウルの中のエンドウ豆から始まりました

生物学の教科書の中で誰の名前が一番馴染みがあるかと聞かれたら？そうなるとメンデルもリストに載るはずです!遺伝学の父メンデルについて語るとき、まず頭に浮かぶのは彼が行ったエンドウ豆の実験です。

メンデルの主な仕事はブルノ（現在チェコ共和国で2番目に大きな都市）の修道院の司祭だった。彼は若い学生の頃、動物と植物の遺伝学に興味を示していました。彼は僧侶になってからも、園芸や農学に関する研究に熱心に取り組みました。

メンデル

(画像出典: Wikipedia)

彼は生物学のどんな秘密を発見したのでしょうか?メンデルの発見は、後の世代の科学の発展にどのような影響を与えたのでしょうか?人類は遺伝子の探究においてどこまで到達したのでしょうか?

1. メンデルとエンドウ豆の実験

1856年から1863年にかけて、メンデルは個人的に約5,000本のエンドウ豆（22品種）を植えて試験しました。彼はこれらのエンドウ豆を人工的に栽培することで、茎が長いか短いか、粒が丸いかしわが寄っているか、種皮が灰色か白色かなど、エンドウ豆の異なる世代の特徴と数を綿密に観察、数え、分析し、エンドウ豆の特定の特徴が安定して規則的に次世代に受け継がれることを発見しました。

メンデルは実験を重ねるうちに、生物学的遺伝の基本法則を発見し、それに対応する数式を得ました。彼の発見は現在、「メンデルの第一法則」（遺伝子分離の法則）と「メンデルの第二法則」（遺伝子独立組み合わせの法則）として知られており、これらは生物遺伝学の謎を解明する基本法則です。 1865 年、メンデルは長年にわたる観察をまとめ、「植物の交雑に関する実験」と題する論文を執筆しました。

メンデルが研究に用いたエンドウ豆の特徴には、種子、花、さや、茎などの特徴があります。この実験は、私たちが中学校や高校の生物の教科書で学ぶ遺伝子についての知識の出発点でもあります。

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しかし、当時の科学界にはメンデルの法則を理解するための思想的根拠がなかったため、この論文は真剣に受け止められませんでした。 1900 年になって初めて、オランダのデ・フリース、ドイツのコレンス、オーストリアのセルマックが同時に独立してメンデルの遺伝の法則を「再発見」しました。科学史上におけるこの重大な科学的出来事は、メンデルの法則の再発見と呼ばれています。それ以来、遺伝学はメンデルの時代に入りました。

2. 遺伝子を解読し、生命の秘密を解明する

1909年、デンマークの生物学者ジョンソンはメンデルの論文で使われた「遺伝因子」という用語を遺伝子と修正し、表現型と遺伝子型の概念を提唱した。

1952年、アメリカのファージグループによる感染実験の結果、DNAが生物の遺伝物質であることが判明しました。それ以来、DNAと遺伝子は密接に結びつくようになりました。 1958年、フランシス・クリックは、生命における遺伝情報の流れの方向や伝達の法則を説明する「セントラルドグマ」を初めて提唱しました。その結果、人々は遺伝子の重要性をますます認識するようになりました。

（写真提供：veerフォトギャラリー）

1990年にヒトゲノム計画が開始され、ヒト染色体（半数体）に含まれる30億塩基対のヌクレオチド配列を決定し、ヒトゲノムをマッピングしてそこに含まれる遺伝子とその配列を特定し、ヒトの遺伝情報の解読という究極の目標、つまり生命の解読を達成することを目指しました。これにより、生命の起源、成長と発達の法則、種と個体の違いの理由、病気のメカニズム、寿命や老化などの生命現象を理解し、病気の診断と治療の科学的根拠を提供します。

バクテリオファージの構造と、それが細胞に感染するプロセス。まず DNA を細胞に注入し、次に細胞内で DNA を複製し、最後に細胞を死滅させます。

(画像出典: Wikipedia)

これを見ると、ヒトゲノム計画が完了したら、近年非常に人気がある遺伝子編集技術を使って遺伝子を人工的に改変できるのではないか、と疑問に思うかもしれません。例えば、一重まぶたの遺伝子が二重まぶたの遺伝子に変わったら、二重まぶたが好きな人は二重テープを貼ったり、整形手術をしたりする必要がなくなるのではないでしょうか？これは本当に機能するのでしょうか?

3. 遺伝子編集とは何ですか?

遺伝子編集は、その名の通り、標的遺伝子を編集し、変換する技術です。生物のゲノム内の特定の標的遺伝子を改変できる遺伝子工学技術です。理論的には、一重まぶたを制御する遺伝子を二重まぶたを制御する遺伝子に「変換」することができます。

現在、世界で最も普及している遺伝子編集技術は、デオキシリボ核酸（DNA）配列を「切り取って貼り付ける」ことでゲノムを編集できるCRISPR/Cas9です。動物、植物、細菌の遺伝子を編集することができます。幅広い用途にご利用いただけます。動物や植物のさまざまな遺伝子の機能を研究できるだけでなく、人間の遺伝子治療の分野でも活用できます。

比喩的に言えば、Cas9 は、遺伝子編集のために指定された位置で DNA を切断できるハサミ/レンチのようなものです。

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CRISPR/Cas9 システムは大腸菌で初めて発見されました。科学者たちは細菌の遺伝子を研究しているときに、偶然に反復的な回文配列、つまり配列の両端の特定の塩基対が繰り返されていることを発見しました。このタイプのコードは後に多くの細菌のゲノムで発見されました。一部の科学者は、これは決して偶然ではないことに気づきました。慎重な研究の結果、研究者たちは、このタイプのコードは細菌が外来DNAの侵入に抵抗するためのツールであるはずだということを発見した。

その後の一連の研究により、CRISPR/Cas9 システムは侵入したファージとプラスミド DNA の断片を CRISPR に統合し、対応する CRISPR RNA (crRNA) を使用して相同配列の分解を誘導し、免疫を提供できることが示されました。

これを見ると、このタイプのコドンを特定の DNA 断片を分解できるように標的に合わせて変更すれば、標的の DNA を編集できることがすでに皆さんもお分かりだと思います。

すぐに、カリフォルニア大学バークレー校の構造生物学者ジェニファー・ダウドナとスウェーデンのウメオ大学のエマニュエル・シャルパンティエが、試験管内実験を通じてこの考えを確認した。その後、誰かが CRISPR/Cas システムを使用してゼブラフィッシュ、真菌、細菌の遺伝子編集を実現し、張鋒の研究室はそれを哺乳類細胞に適用することに成功しました。

CRISPR/Cas9技術を用いて生産された遺伝子組み換え豚

(画像出典: Journal of Biomedical Engineering)

今日、CRISPR/Cas9 遺伝子編集技術は生物学と医学における最も重要な革命の一つです。ショウジョウバエ、線虫、ネズミ、豚、羊、さらには米、小麦、モロコシなど多くの生物の正確なゲノム改変に成功しました。さらに、血液疾患、腫瘍、その他の遺伝性疾患などの一部の疾患に対する遺伝子治療の応用分野でも大きな応用の見通しを示しています。

CRISPR/Cas9遺伝子編集技術に対する人々の理解が深まるにつれ、その欠点、すなわち深刻なオフターゲット効果が徐々に明らかになってきています。しかし、CRISPR/Cas9システムは細菌自身のDNAを誤って損傷することを避けるだけでよいため、遺伝子編集に使用すると、標的の認識が不正確であったり、切断が不正確であったり、切断部位を正確に編集できなかったりして、標的遺伝子の編集を完了できない可能性があります。そのため、人々は常に新しい技術を開発しており、遺伝子編集は将来さらに成熟していくと信じています。

一重まぶたの遺伝子の問題に戻りますが、遺伝子編集技術を使って私たちはもっと美しくなれるのでしょうか？理論的には可能ですが、成長したときに二重まぶたになるようにするには、受精卵のときに編集する必要があります。

実際のところ、心配する必要はありません。人々を異なる存在にしているのは遺伝的多様性の存在であり、それぞれの美しさはそれぞれ異なります。外見を変えるために遺伝子編集に頼るよりも、私たちが学ぶべきことは、心の底から自分自身を認め、自分だけの美しさを受け入れることなのかもしれません。

参考文献:

高孟玉、楊広、鮑季。 CRISPR/Cas9技術を用いた遺伝子組み換え豚の育成医療分野における研究の進展。バイオメディカルエンジニアリングジャーナル、2018年、35(4):637-642。

[2] JA ダウドナ、E シャルパンティエ（2014年）。 CRISPR-CAS9 によるゲノム工学の新たなフロンティア。サイエンス、346(6213)、1258096。

[3]Hsu, P., Lander, E., & Zhang, F. (2014).ゲノム工学のためのcrispr-cas9の開発と応用。セル、157(6)、1262-1278。

[4]コンフォート、N. （2017年）。創造の亀裂：遺伝子編集と進化を制御する想像を絶する力。ネイチャー、546(7656)、30-31。

制作：中国科学普及協会

著者: 陸暁偉 (中国科学院微生物研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会