遺伝子マッピング

研究者は、顕著な疾患や形質を持つ家族と持たない家族から血液、唾液、または組織のサンプルを採取することから遺伝子地図の作成を始めます。遺伝子マッピング、特に個人ゲノム検査で最も一般的に使用されるサンプルは唾液です。次に、科学者はサンプルからDNAを分離し、それを詳細に調べ、疾患を持つ家族のDNAにはあるが疾患を持たない家族のDNAにはない特有のパターンを探します。DNA中のこれらの特有の分子パターンは、多型またはマーカーと呼ばれます。^{[ 9 ]}

遺伝子地図を作成する最初のステップは、遺伝子マーカーとマッピング集団の開発です。染色体上で2つのマーカーが近いほど、それらが次世代に一緒に受け継がれる可能性が高くなります。したがって、すべてのマーカーの「共分離」パターンを使用して、それらの順序を再構築できます。このことを念頭に置いて、各遺伝子マーカーの遺伝子型を両親と次世代の各個体について記録します。遺伝子地図の質は、主に地図上の遺伝子マーカーの数とマッピング集団のサイズに依存します。この2つの要因は相互に関連しており、マッピング集団が大きいほど地図の「解像度」が高まり、地図が「飽和」するのを防ぐことができます。

遺伝子マッピングでは、両親から忠実に区別できる配列の特徴は、遺伝マーカーとして使用できます。この点で、遺伝子は、両親間で忠実に区別できる「形質」によって表されます。他の遺伝マーカーとの連鎖は、それらが共通マーカーである場合と同じように計算され、実際の遺伝子座は、最も近い2つの隣接マーカーの間の領域に括弧で囲まれます。その後、特定の原因遺伝子座が特定できるまで、その領域をターゲットとするより多くのマーカーを調べて、遺伝子の近傍をより高い解像度でマッピングすることにより、プロセス全体が繰り返されます。このプロセスはしばしば「位置クローニング」と呼ばれ、植物種の研究で広く使用されています。位置クローニングが特に利用されている植物種の1つはトウモロコシです。 [ ^{10 ]遺伝子}マッピングの大きな利点は、表現型効果のみに基づいて遺伝子の相対的な位置を特定できることです。

遺伝子マッピングは、どの染色体にどの遺伝子があるかを正確に特定し、その遺伝子が特定の染色体のどこにあるかを正確に特定する方法です。マッピングはまた、2つの遺伝子間の距離に基づいて、どの遺伝子が最も組換えを起こしやすいかを決定する方法として機能します。2つの遺伝子間の距離は、センチモルガンまたはマップ単位と呼ばれる単位で測定され、これらの用語は互換性があります。センチモルガンは、100個の減数分裂産物のうち1個が組換えを起こす遺伝子間の距離です。^{[ 11 ] [ 4 ]} 2つの遺伝子が互いに離れているほど、組換えを起こす可能性が高くなります。近い場合は、その逆のことが起こります。^{[ 12 ]}

連鎖解析

連鎖解析の基礎は、染色体上の位置を理解し、疾患遺伝子を特定することです。遺伝的に連鎖または関連のある特定の遺伝子は、同じ染色体上で互いに近接して存在します。減数分裂中、これらの遺伝子は一緒に遺伝することができ、疾患の表現型を特定するのに役立つ遺伝子マーカーとして使用できます。連鎖解析は遺伝パターンを特定できるため、これらの研究は通常、家族ベースで行われます。^{[ 13 ]}

最も初期の遺伝子地図は、トーマス・ハント・モーガンを中心とする研究グループによるショウジョウバエの連鎖解析によって作成された。最初のものは1913年に発表された。^{[ 15 ]}

実際の塩基対間の距離は一般的に直接測定することが困難、あるいは不可能であるため、物理的地図はまずゲノムを階層的に小さな断片に分割することによって構築されます。各断片を個別に特徴付け、それらを再び組み立てることで、これらの小さな断片の重なり合う経路、すなわち「タイル状の経路」から、研究者はゲノム上の特徴間の物理的距離を推測することができます。

制限酵素マッピングは、制限酵素を用いてDNA断片の構造情報を取得する方法です。制限酵素は、特定の認識配列でDNA断片を切断する酵素です。制限酵素マッピングの基本は、制限酵素でDNAを消化（または切断）することです。消化されたDNA断片は、電気泳動を用いてアガロースゲル上で泳動され、これらの消化断片のサイズに関する情報が得られます。これらの断片のサイズは、分析されたDNA上の制限酵素部位間の距離を示すのに役立ち、研究者に分析されたDNAの構造に関する情報を提供します。^{[ 16 ]}結果として得られるDNA移動パターン、つまり遺伝子フィンガープリントは、クローンに含まれるDNAのどの部分であるかを特定するために使用されます。フィンガープリントを分析することにより、コンティグは、自動（FPC）または手動（パスファインダー）の方法によって、重複するDNA断片に組み立てられます。これで、クローンを効率的にシーケンスして研究対象の生物のDNA配列を決定するために、適切なクローンを選択することができます。

物理地図作成では、形質や機能に関する情報が含まれていないため、特定の遺伝子を直接的に特定する方法はありません。遺伝子マーカーは、in situハイブリダイゼーションなどの手法を用いて物理地図にリンクさせることができます。この方法により、物理地図のコンティグを遺伝子地図上に「固定」することが可能になります。物理地図のコンティグに使用されたクローンは、局所的なスケールで配列決定され、新たな遺伝子マーカーの設計や原因遺伝子座の特定に役立てられます。

マクロ制限酵素法は、高分子量のDNAを、制限酵素部位の数が少ない制限酵素で消化する物理的マッピングの一種である。

クローン群のDNA配列を完全に解読することなく、それらのDNAがどのように重複しているかを判断する代替方法が存在する。一度マップが決定されれば、クローンをリソースとして利用することで、ゲノムの広範囲を効率的に解析できる。このタイプのマッピングは、遺伝子マップよりも精度が高い。

1950年代初頭には、染色体中の遺伝子は遺伝的組換えによって分割できない独立した実体であり、数珠のように連なっているという見方が一般的でした。1955年から1959年にかけて、ベンザーはバクテリオファージT4のrII変異体を用いて遺伝的組換え実験を行いました。彼は、組換え試験に基づいて、変異部位を直線状にマッピングできることを発見しました。^{[ 18 ] [ 19 ]}この結果は、遺伝子が、独立して変異できる多くの部位を持つDNAの長さに相当する直線構造を持っているという重要な考え方の証拠となりました。

1961年、フランシス・クリック、レスリー・バーネット、シドニー・ブレナー、リチャード・ワッツ＝トービンは、 タンパク質の遺伝暗号の基本的な性質を示す遺伝学的実験を行った。 ^{[ 20 ]}バクテリオファージT4のrIIB遺伝子内の変異部位のマッピングを含むこれらの実験は、遺伝子のDNAの3つの連続するヌクレオ塩基が、コードされたタンパク質の各連続するアミノ酸を指定することを示した。したがって、遺伝暗号はトリプレットコードであり、各トリプレット（コドンと呼ばれる）が特定のアミノ酸を指定することが示された。彼らはまた、タンパク質をコードするDNA配列ではコドンが互いに重複せず、そのような配列は固定された開始点から読み取られるという証拠を得た。

Edgar ら^{[ 21 ]}はバクテリオファージ T4 の r 変異体を用いたマッピング実験を行い、rII 変異体間の組換え頻度は厳密には加算的ではないことを示した。2 つの rII 変異体 (axd) の交配による組換え頻度は、通常、隣接する内部サブインターバル (axb) + (bxc) + (cxd) の組換え頻度の合計よりも小さい。厳密には加算的ではないものの、遺伝的組換えの根底にある分子メカニズムを反映していると考えられる体系的な関係が実証された^{[ 22 ]}。

ゲノムシーケンスは、生物学者以外の人々によって「ゲノムマッピング」と誤って呼ばれることがあります。ショットガンシーケンス^{[ 23 ]}のプロセスは、物理的マッピングのプロセスに似ています。ゲノムを小さな断片に分割し、各断片を特徴付け、それらを再び組み立てます（より新しいシーケンス技術は大きく異なります）。範囲、目的、プロセスは全く異なりますが、ゲノムアセンブリは、従来の物理的地図が提供できるすべての情報をはるかに優れた方法で提供するという意味で、物理的地図の「究極の」形態と見なすことができます。

疾患の原因となる遺伝要素を特定するプロセスは、「マッピング」とも呼ばれます。探索対象となる遺伝子座が既にかなり絞り込まれている場合は、その探索は遺伝子の精密マッピングと呼ばれます。この情報は、大家族における疾患の発現状況の調査（遺伝的連鎖）や、集団ベースの遺伝子関連研究から得られます。

上記の方法を用いることで、研究者は疾患遺伝子のマッピングを行うことができる。遺伝子マップの作成は、疾患遺伝子を特定するための重要な第一歩である。遺伝子マップによって変異アレルを特定することができ、研究者は変異表現型を引き起こしていると考えられる遺伝子について予測を行うことができる。連鎖解析によって特定された疾患の例として、嚢胞性線維症がある。例えば、嚢胞性線維症（CF）の場合、CFに罹患した50家族のDNAサンプルを連鎖解析を用いて分析した。CFに関連する数百のマーカーをゲノム全体で分析し、染色体7の長腕にCFが特定されるまで続けた。その後、研究者は染色体7内の追加のDNAマーカーについて連鎖解析を完了し、CF遺伝子のより正確な位置を特定した。その結果、CF遺伝子は7q31-q32付近に存在することがわかった（染色体命名法を参照）。^{[ 16 ]}