遺伝子と環境の相互作用

遺伝子と環境の相互作用は、遺伝的要因と環境的要因が相互作用して、どちらか一方の要因だけでは説明できない結果を生み出す場合に発生します。^{[ 6 ]}例えば、ある研究では、セロトニントランスポーターをコードする遺伝子変異5-HTT（ショートコピー）を持つ人は、幼少期の逆境体験にさらされるとうつ病を発症するリスクが高いのに対し、他の遺伝子型（ロングコピー）を持つ人は幼少期の虐待の影響を受けにくいことがわかりました。ただし、これらのストレスの多い出来事は、個人がそのような状況に陥りやすい素因によって引き起こされる可能性もあるため、注意が必要です。^{[ 7 ]}

遺伝子と環境の相関関係は、さまざまな環境曝露が統計的に遺伝子とどのように関連しているかを説明するものです。^{[ 8 ]}これらの相関関係は、因果関係と非因果関係の両方を含む、複数の異なるメカニズムを通じて発生する可能性があります。^{[ 9 ]}因果メカニズムに関しては、遺伝子と環境の相関関係には 3 つの一般的なタイプがあります。^{[ 9 ]}

エピジェネティクスは、遺伝暗号の変化を伴わない遺伝子発現の細胞変化に焦点を当てています。^{[ 12 ]}エピジェネティックな変化は、細胞メカニズムまたは環境要因の結果である可能性があります。遺伝子発現に影響を与える環境の一例として、妊娠中の喫煙によるDNAメチル化が挙げられます。^{[ 13 ]}エピジェネティックな変化を引き起こす可能性のあるもう1つの環境曝露は、ヒ素などの重金属です。これは、ヒストンアセチル化とDNAメチル化の障害によって行われ、癌、自己免疫疾患、神経疾患の増加率と相関しています。^{[ 14 ]}

エピジェネティック修飾は、DNA配列修飾とは独立して遺伝子活性に影響を与える可能性があります。^{[ 15 ]}大気汚染への曝露は、遺伝子調節に重要なプロセスであるDNAメチル化レベルの低下と関連付けられています。大気汚染の影響は、大気汚染の一種であるNO2とNOx_の存在に応じてメチル化が変化するため、出生前環境_で見ることができます。大気汚染に曝露されると、子宮内発育が低下しました。メカニズムは完全には解明されていませんが、活性酸素種の形成が関与し、酸化ストレスと細胞シグナル伝達カスケードまたは胎児コルチゾールレベルの上昇につながる可能性があります。^{[ 16 ]} DNAメチル化の変化の結果は、メチル基をヒドロキシル基に置き換えるヒドロキシメチル化です。ヒドロキシメチル化は、遺伝子発現パターンを混乱させ、肺がんなどの疾患の発症に寄与する可能性があります。^{[ 17 ]}さらに、汚染物質への曝露は、気道の炎症を誘発することにより、喘息などの炎症状態を悪化させる可能性があります。これにより、サイトカインの発現と免疫細胞の動員が増加します。^{[ 16 ]}内分泌かく乱化学物質（EDC）などの特定の汚染物質は、ホルモンシグナル伝達経路やホルモン調節に関連する遺伝子発現を阻害します。EDCの一種であるビスフェノールAは、生殖組織や発生経路における遺伝子発現の変化と関連付けられています。^{[ 18 ]}

栄養は遺伝子発現の形成に重要な役割を果たし、最終的には個人の表現型に影響を与える可能性があります。たとえば、胎児の栄養失調は、特にインスリン代謝に関与するIGF2などの遺伝子のDNAメチル化レベルの低下と関連付けられています。 ^{[ 19 ]} DNAメチル化パターンの変化は、代謝障害や2型糖尿病の発症リスクを高める可能性があります。^{[ 20 ]}さらに、出生前の栄養失調は、成長、発達、代謝に関連する遺伝子のDNAメチル化の差異につながる可能性があります。これらのエピジェネティックな変化は、後の人生で肥満や高コレステロールなどの有害な表現型の可能性を高めます。 ^{[ 21 ]}栄養失調は、小腸の遺伝子発現にも大きな影響を与え、栄養輸送体、消化酵素、バリア機能、免疫応答、代謝適応の変化につながる可能性があります。 ^{[ 22 ]}貧困や少数派であることなどの社会経済的要因は、栄養失調の影響を悪化させる可能性がある。研究によると、貧困地域に住む人々や、疎外された人種的・民族的グループに属する人々は、栄養価の高い食品へのアクセスが限られている可能性がある。^{[ 23 ]}

身体活動は特定の遺伝子のエピジェネティック修飾を誘導し、その発現プロファイルを変化させます。たとえば、運動は、通常加齢とともに減少するASC遺伝子のメチル化の増加と関連付けられています。メチル化は遺伝子を圧縮し、遺伝子から生成されるタンパク質の量を減少させ、ASC遺伝子はサイトカインの産生を刺激します。したがって、炎症性サイトカインの発現が減少します。この抑制は、過剰な炎症性サイトカインによる慢性炎症および関連する加齢関連疾患の発症を予防するのに役立ちます。 ^{[ 24 ]}ただし、これらのエピジェネティック修飾は運動の強度と種類に依存し、身体活動の中止により可逆的になります。^{[ 25 ]}研究によると、6か月以上の運動はテロメア長に影響を与える可能性があります。染色体の末端の伸長は染色体の安定性を維持するのに役立ち、特定の遺伝子のエピジェネティック修飾を誘導します。^{[ 26 ]}

母体環境は、発達中の胎児にエピジェネティックな影響を与える可能性があります。たとえば、妊娠中に摂取したアルコールは、母体の血液から胎盤を経て羊膜腔の胎児環境に移行し、胎児のDNAにエピジェネティックな修飾を引き起こす可能性があります。^{[ 27 ]}マウス胚培養では、胎児の発達中のアルコール曝露が、脳の発達中のDNAの発達、代謝、組織化に関与する遺伝子のDNAメチル化の変化に寄与することが示されています。^{[ 28 ]}妊娠中のアルコール誘発性のDNAメチル化の変化は、胎児性アルコールスペクトラム障害（FASD）に見られる特徴的な一連の特性に寄与します。^{[ 28 ]}胎児のエピジェネティック状態に対する出生前環境の影響の他の例としては、妊娠中の母体の葉酸、ストレス、喫煙などがあります。^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]}

幼少期のストレスには、親の不在、虐待、愛着の欠如などが含まれます。幼少期のこれらのストレス要因は、ストレス反応を媒介する視床下部-下垂体-副腎（HPA）軸のエピジェネティック修飾と関連しています。母性ケアのラットモデルを用いた研究では、母子間のケアの減少が視床下部のグルココルチコイド受容体（GR）のダウンレギュレーションと関連していることが示されています。^{[ 32 ]} GRは、ストレス曝露後の正常な生理状態の回復を助けることで、HPA軸において重要な役割を果たしています。GRの発現のダウンレギュレーションは、GR遺伝子のヒストン修飾とDNAメチル化によって起こり、長期にわたる炎症や細胞損傷を含むストレス反応の調節不全を引き起こします。^{[ 33 ]}さらに、多くの研究が、HPA軸に関与する遺伝子のエピジェネティック修飾を介して、幼少期のストレスと後の人生における精神障害（不安やうつ病など）を関連付けています。^{[ 34 ]}マイノリティコミュニティに蔓延する社会経済的格差、差別、文化的要因は、ストレスや逆境のレベルを高め、遺伝子発現や健康状態に影響を与える可能性がある。^{[ 35 ]}

養子縁組研究や双生児研究は、遺伝子と環境の複雑な相互作用を調査するために用いられます。これらの研究では、通常、一卵性双生児と二卵性双生児を比較して、遺伝的要因と環境的影響が特性や行動の変動にどの程度寄与しているかを判断します。これらの研究は、行動、性格、精神疾患の研究に貢献してきました。^{[ 36 ]}例えば、フィンランドの統合失調症に関する養子縁組研究では、健康な環境が統合失調症の母親から生まれた養子の遺伝的影響を軽減できることが明らかになりました。^{[ 37 ]}また、犯罪行為や反社会的行動も、これらの研究を通して遺伝的要因と環境的要因の両方の影響を受けることがわかっています。^{[ 38 ] [ 39 ]}

動物モデルは、研究者が遺伝子と環境要因の複雑な相互作用を調査し、さまざまな生物学的および行動的結果を明らかにすることができる、制御可能で操作可能な環境を提供する。たとえば、ある研究では、遺伝的類似性により、マウスモデルが統合失調症における遺伝子と環境の相互作用を理解する上で有用であることが示されている。^{[ 40 ]}

蛾や蝶の研究によると、明るい日光などの環境要因が色覚に影響を与えることがわかっています。光量の多い環境では、光を感知して色を識別することができるさまざまなオプシンが発達します。蝶は、餌となる花や好みの生息地を見つけるために色覚に頼っています。^{[ 41 ]}