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生物学では、遺伝子という言葉には 2 つの意味があります。メンデル遺伝子は遺伝の基本単位です。分子遺伝子は、 DNAのヌクレオチド配列であり、転写されてRNAが生成されます。分子遺伝子には、タンパク質をコードする遺伝子と非コード遺伝子の 2 種類があります。[ 1 ] [ 2 ]遺伝子発現(遺伝子からRNA またはタンパク質を合成すること)の過程で、まず DNA がRNA にコピーされます。RNA は直接機能することも、タンパク質合成の中間テンプレートになることもあります。
遺伝子とその調節配列は、生物の身体的特徴、すなわち表現型を決定する上で主要な役割を担っています。遺伝子型とは、遺伝子、その他の機能要素、および非機能的なDNAを含む、生物に含まれるDNAの総量のことです。
遺伝子は配列に突然変異を起こし、集団内にアレルと呼ばれる異なる変異体が生じる。これらのアレルは遺伝子のわずかに異なるバージョンをコードしており、異なる表現型特性として発現する可能性がある。[ 3 ]
集団は、主に自然選択と遺伝的浮動によって対立遺伝子の頻度が変化することで進化する。これらの対立遺伝子の中には遺伝子内に存在するものもある。
遺伝子という用語には、遺伝、選択、生物学的機能、分子構造のさまざまな側面に基づいて、さまざまな使用方法がありますが、これらの定義のほとんどは、メンデル遺伝子または分子遺伝子の2つのカテゴリに分類されます。[ 1 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]
メンデル遺伝子は遺伝学の古典的な遺伝子であり、遺伝可能な形質を指します。リチャード・ドーキンスは著書『利己的な遺伝子』の中で、それが進化の単位であると主張しています。[ 8 ]このバージョンの遺伝子についてのより詳細な議論は、「遺伝学」および「進化の遺伝子中心の見方」の記事で見つけることができます。
分子遺伝子の定義は、生化学、分子生物学、および遺伝学の大部分でより一般的に使用されており、DNA配列の観点から記述される遺伝子を指します。[ 1 ]この遺伝子にはさまざまな定義があり、その中には誤解を招くものや不正確なものもあります。[ 4 ] [ 9 ]
分子遺伝学の分野における初期の研究では、1つの遺伝子が1つのタンパク質を作るという概念（当初は「1つの遺伝子 - 1つの酵素」）が示唆された。[ 10 ] [ 11 ]しかし、1950年代にはリプレッサーRNAを生成する遺伝子が提唱され[ 12 ]、1960年代までには、教科書では、タンパク質をコードする遺伝子だけでなく、リボソームRNAやtRNAなどの機能的なRNA分子（非コード遺伝子）を指定するものを含む分子遺伝子の定義が使用されるようになった。[ 13 ]
2種類の遺伝子という考え方は、ほとんどの教科書で遺伝子の定義の一部として依然として用いられています。例えば、
ゲノムの主な機能はRNA分子を生成することです。DNAヌクレオチド配列の選択された部分が対応するRNAヌクレオチド配列にコピーされ、それがタンパク質をコードするか（mRNAの場合）、または転移RNA（tRNA）やリボソームRNA（rRNA）分子などの「構造」RNAを形成します。機能的なRNA分子を生成するDNAらせんの各領域は遺伝子を構成します。[ 14 ]
遺伝子とは、転写されるDNA配列と定義します。この定義には、タンパク質をコードしない遺伝子も含まれます（すべての転写産物がメッセンジャーRNAであるとは限りません）。この定義は通常、転写を制御するがそれ自体は転写されないゲノム領域を除外します。遺伝子の定義にはいくつかの例外があり、驚くべきことに、完全に満足できる定義は存在しません。[ 15 ]
遺伝子とは、拡散可能な産物をコードするDNA配列である。この産物はタンパク質（大部分の遺伝子の場合）である場合もあれば、RNA（tRNAやrRNAをコードする遺伝子の場合）である場合もある。重要な特徴は、産物が合成部位から拡散して他の場所で作用することである。[ 16 ]
このような定義の重要な部分は、(1)遺伝子は転写単位に対応すること、(2)遺伝子はmRNAと非コードRNAの両方を生成すること、(3)調節配列は遺伝子発現を制御するが、遺伝子自体の一部ではないこと、である。しかし、定義にはもう1つの重要な部分があり、それはコスタス・カンポウラキスの著書『遺伝子を理解する』で強調されている。
したがって、本書では遺伝子を、タンパク質やRNA分子といった機能的な産物の情報をコードするDNA配列として考察する。ここでいう「情報をコードする」とは、DNA配列が何らかの機能を果たすRNA分子やタンパク質の生成のための鋳型として使用されることを意味する。[ 4 ]
機能に重点を置くことは不可欠です。なぜなら、機能を持たない転写産物を生成するDNA領域があり、それらは遺伝子とはみなされないからです。これには、転写された偽遺伝子のような明白な例だけでなく、転写エラーによってノイズとして生成されるジャンクRNAのようなあまり明白でない例も含まれます。この定義によれば、真の遺伝子として認められるためには、転写産物が生物学的機能を持っていることを証明する必要があります。[ 4 ]
典型的な遺伝子のサイズに関する初期の推測は、高解像度の遺伝子マッピングとタンパク質およびRNA分子のサイズに基づいていた。当時（1965年）は、1500塩基対の長さが妥当であると考えられていた。[ 13 ]これは、遺伝子が機能的な産物の生成に直接責任を負うDNAであるという考えに基づいていた。1970年代にイントロンが発見されたことで、多くの真核生物の遺伝子は、機能的な産物のサイズが示唆するよりもはるかに大きいことがわかった。たとえば、典型的な哺乳類のタンパク質コード遺伝子は、長さが約62,000塩基対（転写領域）であり、約20,000個あるため、哺乳類のゲノム（ヒトゲノムを含む）の約35～40%を占めている。[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]
タンパク質をコードする遺伝子と非コード遺伝子の両方が50年以上前から知られているにもかかわらず、いまだに多くの教科書、ウェブサイト、科学論文では、遺伝子をタンパク質を指定するDNA配列と定義しています。言い換えれば、その定義はタンパク質をコードする遺伝子に限定されています。以下は、American Scientist誌の2021年の記事からの例です。
...de novo遺伝子の潜在的な重要性を真に評価するために、ほぼすべての専門家が同意できる「遺伝子」という言葉の厳密な定義に依拠しました。まず、ヌクレオチド配列が真の遺伝子とみなされるためには、オープンリーディングフレーム（ORF）が存在しなければなりません。ORFは「遺伝子そのもの」と考えることができ、すべての遺伝子に共通する開始マークで始まり、3つの可能な終了ラインシグナルのいずれかで終わります。このプロセスにおける主要な酵素の1つであるRNAポリメラーゼは、モノレール上の列車のようにDNA鎖に沿って高速で移動し、それをメッセンジャーRNAの形に転写します。この点が、2番目の重要な基準につながります。真の遺伝子とは、転写と翻訳の両方が行われるものです。つまり、真の遺伝子は、まず一時的なメッセンジャーRNAを作るためのテンプレートとして使用され、次にそれがタンパク質に翻訳されます。[ 20 ]
この限定的な定義は非常に一般的であるため、この「標準的な定義」を批判し、非コード遺伝子を含む新しい拡張された定義を求める最近の記事が多数生まれています。しかし、このいわゆる「新しい」定義が半世紀以上前に認識されているにもかかわらず、一部の現代の著者は依然として非コード遺伝子を認めていません。[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]
定義によっては他の定義よりも広く適用できるものもありますが、生物学の根本的な複雑さから、遺伝子の定義ですべての側面を完全に捉えることはできません。すべてのゲノムがDNAであるわけではありません（例：RNAウイルス）[ 24 ] 、細菌のオペロンは複数のタンパク質コード領域が単一の大きなmRNAに転写されるものであり、選択的スプライシングによって単一のゲノム領域から複数の異なる産物がコードされ、トランススプライシングによってゲノム全体にわたってより短いコード配列からのmRNAが連結されます。[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]分子定義ではイントロン、プロモーター、その他の調節領域などの要素が除外されるため、これらは代わりに遺伝子に「関連」し、その機能に影響を与えるものと考えられています。
これらの多様な現象の複雑さを包含するために、さらに広範な操作的定義が用いられることもあり、遺伝子は、潜在的に重複する機能的産物の一貫したセットをコードするゲノム配列の集合として定義される。[ 28 ]この定義では、遺伝子は特定のDNA遺伝子座ではなく、その機能的産物（タンパク質またはRNA）によって分類され、調節要素は遺伝子関連領域として分類される。[ 28 ]
離散的な遺伝単位の存在はグレゴール・メンデルによって発見された。[ 29 ] [ 30 ] 1857年から1864年にかけて、オーストリア帝国のブルノ（現在のチェコ共和国）で、彼は8000の一般的な食用エンドウ豆の遺伝パターンを研究し、親から子への異なる形質を追跡した。彼はこれを数学的に2 nの組み合わせとして記述した。ここでnは元のエンドウ豆の異なる特性の数である。彼は遺伝子という用語を使用しなかったが、観察可能な物理的特性を生み出す離散的な遺伝単位という観点から結果を説明した。この記述は、ヴィルヘルム・ヨハンセンの遺伝子型（生物の遺伝的構成）と表現型（その生物の観察可能な形質）の区別を先取りしていた。メンデルはまた、独立の法則、優性形質と劣性形質の区別、ヘテロ接合体とホモ接合体の区別、そして不連続遺伝の現象を初めて実証した人物でもあった。
メンデルの研究以前は、遺伝の主流理論は混合遺伝説でした[ 31 ]。これは、各親が受精過程に体液を提供し、親の形質が混ざり合って子孫を生み出すというものでした。チャールズ・ダーウィンは、ギリシャ語のpan（「すべて、全体」）とgenesis（「誕生」）/genos（「起源」）から、pangenesisと名付けた遺伝理論を発展させました[ 32 ] [ 33 ] 。ダーウィンは、生殖中に混ざり合う仮説上の粒子を説明するためにgemmuleという用語を使用しました。
メンデルの研究は1866年の初版以降ほとんど注目されなかったが、19世紀後半にフーゴー・ド・フリース、カール・コレンス、エーリッヒ・フォン・チェルマクによって再発見され、彼らは（自分たちの研究で）同様の結論に達したと主張した。[ 30 ] 1889年、ド・フリースは『細胞内パンジェネシス』[ 34 ]を出版し、異なる形質にはそれぞれ個別の遺伝的担体があり、生物の特定の形質の遺伝は粒子で起こると仮定した。彼はこれらの単位を、ダーウィンの1868年のパンジェネシス理論にちなんで「パンジーン」（ドイツ語でPangens ）と呼んだ。
1906年、ウィリアム・ベイトソンは「遺伝学」（ギリシャ語のγενετικός genetikos、「属格」／「生成」を意味する）という用語を造語した。[ 35 ] [ 28 ] 1909年、ヨハンセンは「遺伝子」（ギリシャ語のγόνος gonos、「子孫」および「生殖」を意味する）という用語を導入した。[ 36 ]エドゥアルト・シュトラスブルガーらは、遺伝の基本的な物理的および機能的単位として依然として「パン遺伝子」という用語を使用していた。[ 34 ] :翻訳者序文、viii
遺伝子と遺伝に関する理解の進歩は20世紀を通じて続いた。1940年代から1950年代にかけての実験により、デオキシリボ核酸（DNA）が遺伝情報の分子リポジトリであることが示された。 [ 37 ] [ 38 ] DNAの構造はロザリンド・フランクリンとモーリス・ウィルキンスによってX線結晶構造解析を用いて研究され、その結果、ジェームズ・D・ワトソンとフランシス・クリックは、対になったヌクレオチド塩基が遺伝子複製のメカニズムに関する説得力のある仮説を示した二本鎖DNA分子のモデルを発表した。 [ 12 ] [ 39 ]
1950年代初頭には、染色体中の遺伝子は、紐に並んだビーズのように配置された個別の実体として機能するという見解が一般的でした。バクテリオファージT4のrII領域に欠陥のある変異体を用いたシーモア・ベンザーの実験（1955～1959年）は、個々の遺伝子が単純な線状構造を持ち、DNAの線状部分に相当する可能性が高いことを示しました。[ 40 ] [ 41 ]
1965年、マックス・ビルンシュティールの研究室は、アフリカツメガエルからリボソームRNA遺伝子という単一遺伝子を初めて単離した。[ 42 ] 1972年、ウォルター・フィアーズとそのチームは、バクテリオファージMS2のコートタンパク質の遺伝子配列を初めて決定した。[ 43 ]その後、1977年にフレデリック・サンガーによって鎖終結DNAシーケンシングが開発され、シーケンシングの効率が向上し、日常的な実験ツールとなった。[ 44 ]サンガー法の自動化バージョンは、ヒトゲノムプロジェクトの初期段階で使用された。[ 45 ]
R.A. フィッシャー、シーウォール・ライト、J.B.S. ホールデンは、ジュリアン・ハクスリーが提唱した現代総合説において、メンデル遺伝学とダーウィン進化論を統合した。[ 46 ]
WD ハミルトン、ジョージ C. ウィリアムズ、ジョン メイナード スミスは、メンデル遺伝子が自然選択の単位であると主張する遺伝子中心の進化論を展開した。ウィリアムズはこの見解における遺伝子を「かなりの頻度で分離および組み換えされるもの」と定義した。[ 47 ] : 24リチャード ドーキンスは『利己的な遺伝子』を皮切りに、いくつかの著書でこの見解を広めた。[ 8 ] [ 48 ]
1960年代後半に木村元夫によって中立進化論が発展したことで、ランダムな遺伝的浮動が進化において主要な役割を果たしていること、そして中立理論が分子進化の帰無仮説であるべきであることが認識されるようになった。[ 49 ]これにより、系統樹の構築と分子時計の開発につながり、分子時計はDNA配列を用いたすべての年代測定法の基礎となっている。これらの技術は分子遺伝子配列に限定されず、ゲノム内のすべてのDNAセグメントに適用できる。
大多数の生物は、遺伝子を長いDNA（デオキシリボ核酸）鎖にコード化している。DNAは4種類のヌクレオチドサブユニットからなる鎖で構成されており、各サブユニットは以下から構成されている。 [ 50 ]： 2.1
2本のDNA鎖が互いにねじれ合ってDNA二重らせんを形成し、リン酸-糖骨格が外側を螺旋状に巻き、塩基が内側を向いて、アデニンはチミンと、グアニンはシトシンと塩基対を形成する。塩基対の特異性は、アデニンとチミンが2つの水素結合を形成するのに対し、シトシンとグアニンは3つの水素結合を形成することによって生じる。したがって、二重らせんを構成する2本の鎖は相補的でなければならず、塩基配列が一致して、一方の鎖のアデニンがもう一方の鎖のチミンと対を形成し、以下同様となる。[ 50 ]： 4.1
塩基を構成するペントース残基の化学組成により、DNA鎖には方向性がある。DNAポリマーの一方の末端には、デオキシリボース上に露出したヒドロキシル基があり、これは分子の3'末端と呼ばれる。もう一方の末端には露出したリン酸基があり、これは5'末端と呼ばれる。二重らせんの2本の鎖は互いに逆方向に走っている。DNA複製や転写を含む核酸合成は、露出した3'ヒドロキシル基を求核剤として用いる脱水反応によって新しいヌクレオチドが付加されるため、5'→3'の方向に進行する。[ 51 ]： 27.2
DNAにコードされた遺伝子の発現は、遺伝子をRNAに転写することから始まります。RNAはDNAと非常によく似た2番目のタイプの核酸ですが、モノマーはデオキシリボースではなくリボースという糖を含んでいます。また、RNAはチミンの代わりにウラシルという塩基を含んでいます。RNA分子はDNAよりも不安定で、通常は一本鎖です。タンパク質をコードする遺伝子は、コドンと呼ばれる3つのヌクレオチド配列の連続から構成されており、コドンは遺伝の「言語」における「単語」の役割を果たします。[ a ] 遺伝暗号は、タンパク質翻訳におけるコドンとアミノ酸の対応関係を規定します。遺伝暗号は、既知のすべての生物でほぼ同じです。[ 50 ] : 4.1
生物または細胞内の遺伝子の総体はゲノムと呼ばれ、1 つ以上の染色体に格納されている場合があります。染色体は、数千の遺伝子がコード化されている単一の非常に長い DNA らせんから構成されています。[ 50 ] : 4.2特定の遺伝子が存在する染色体の領域は、その遺伝子座と呼ばれます。各遺伝子座には 1 つの遺伝子の対立遺伝子が含まれていますが、集団のメンバーは遺伝子座に異なる対立遺伝子を持つ場合があり、それぞれわずかに異なる遺伝子配列を持っています。
真核生物の遺伝子の大部分は、大きな線状染色体のセットに格納されています。染色体は、ヒストンと呼ばれる貯蔵タンパク質と複合体を形成して核内に詰め込まれ、ヌクレオソームと呼ばれる単位を形成します。このようにパッケージ化され凝縮されたDNAは、クロマチンと呼ばれます。[ 50 ]： 4.2 DNAがヒストンに格納される方法、およびヒストン自体の化学修飾によって、DNAの特定の領域が遺伝子発現に利用可能かどうかが制御されます。遺伝子に加えて、真核生物の染色体には、DNAが末端領域の分解なしにコピーされ、細胞分裂中に娘細胞に分配されることを保証する配列が含まれています。複製起点、テロメア、およびセントロメアです。[ 50 ]： 4.2複製起点は、 DNA複製が開始されて染色体の2つのコピーが作られる配列領域です。テロメアは、線状染色体の末端を覆う反復配列の長い領域であり、DNA複製中のコード領域および調節領域の分解を防ぐ。テロメアの長さはゲノムが複製されるたびに短くなり、老化プロセスに関与していると考えられている。[ 54 ]セントロメアは、細胞分裂中に姉妹染色分体を娘細胞に分離するために紡錘糸を結合するのに必要である。[ 50 ] : 18.2
原核生物（細菌と古細菌）は通常、ゲノムを単一の大きな環状染色体に保存します。同様に、一部の真核生物の細胞小器官には、少数の遺伝子を持つ残存環状染色体が含まれています。[ 50 ]： 14.4原核生物は、プラスミドと呼ばれる追加の小さな環状DNAを染色体に付加することがあります。プラスミドは通常、少数の遺伝子のみをコードし、個体間で伝達可能です。たとえば、抗生物質耐性遺伝子は通常、細菌のプラスミドにコードされており、水平遺伝子伝達を介して、異なる種の細胞であっても、個々の細胞間で伝達される可能性があります。[ 55 ]
原核生物の染色体は遺伝子密度が比較的高いのに対し、真核生物の染色体には明らかな機能を持たないDNA領域が含まれていることが多い。単純な単細胞真核生物にはそのようなDNAが比較的少量しか含まれていないのに対し、ヒトを含む複雑な多細胞生物のゲノムには、機能が特定されていないDNAが絶対的に大部分を占めている。[ 56 ]このDNAはしばしば「ジャンクDNA 」と呼ばれてきた。しかし、最近の分析では、タンパク質をコードするDNAはヒトゲノムのわずか2%を占めるにすぎないが、ゲノムの塩基の約80%が発現している可能性があるため、「ジャンクDNA」という用語は不適切かもしれないと示唆されている。[ 25 ]
タンパク質をコードする遺伝子の構造は多くの要素から成り立っており、実際のタンパク質コード配列はそれらのごく一部に過ぎない場合が多い。これには、成熟mRNAのイントロンや非翻訳領域などが含まれる。非コード遺伝子にもイントロンが含まれることがあり、成熟した機能性RNAを生成する過程で除去される。
すべての遺伝子は、その発現に必要な調節配列と関連しています。まず、遺伝子にはプロモーター配列が必要です。プロモーターは転写因子によって認識され結合し、転写因子はRNAポリメラーゼをリクルートしてその領域に結合させ、転写を開始させます。[ 50 ] : 7.1認識は通常、TATAボックスのようなコンセンサス配列として起こります。1つの遺伝子は複数のプロモーターを持つことができ、その結果、5'末端の伸長の程度が異なるメッセンジャーRNA（ mRNA ）が生成されます。[ 58 ]転写頻度の高い遺伝子は、転写因子と強く結合する「強い」プロモーター配列を持ち、それによって高い頻度で転写が開始されます。他の遺伝子は、転写因子と弱い結合しか形成せず、転写開始頻度が低い「弱い」プロモーターを持ちます。[ 50 ] : 7.2真核生物のプロモーター領域は、原核生物のプロモーターよりもはるかに複雑で、特定が困難です。 [ 50 ] : 7.3
さらに、遺伝子には、遺伝子の上流または下流に数キロベース離れた調節領域があり、発現を変化させます。これらは転写因子に結合することで作用し、その結果、DNAがループ状になり、調節配列（および結合した転写因子）がRNAポリメラーゼ結合部位に近づきます。[ 59 ]例えば、エンハンサーは活性化タンパク質に結合することで転写を増加させ、活性化タンパク質はRNAポリメラーゼをプロモーターにリクルートするのに役立ちます。逆に、サイレンサーは抑制タンパク質に結合し、RNAポリメラーゼが利用しにくいDNAにします。[ 60 ]
タンパク質をコードする遺伝子から生成される成熟したメッセンジャーRNAは、両端に翻訳されない領域を持ち、そこにはリボソーム、RNA結合タンパク質、miRNAの結合部位、およびターミネーター、開始コドン、終止コドンが含まれています。[ 61 ]さらに、ほとんどの真核生物のオープンリーディングフレームには、翻訳されないイントロンとエクソンが含まれており、これらはRNAスプライシングと呼ばれるプロセスで除去され、連結されます。最後に、遺伝子転写産物の末端は、切断およびポリアデニル化（CPA）部位によって定義され、そこで新たに生成されたpre-mRNAが切断され、約200個のアデノシン一リン酸の鎖が3'末端に追加されます。ポリ(A)テールは成熟mRNAを分解から保護し、転写産物の翻訳、局在、核からの輸送に影響を与える他の機能も持っています。スプライシングに続いてCPAが行われ、最終的な成熟mRNAが生成され、これがタンパク質またはRNA産物をコードします。[ 62 ]
真核生物の多くの非コード遺伝子は、異なる転写終結機構を持ち、ポリ(A)テールを持たない。
多くの原核生物遺伝子はオペロンに組織化されており、複数のタンパク質コード配列が単位として転写される。[ 63 ] [ 64 ]オペロン内の遺伝子は、ポリシストロン性mRNAと呼ばれる連続したメッセンジャーRNAとして転写される。この文脈におけるシストロンという用語は遺伝子と同義である。オペロンのmRNAの転写は、特定の代謝産物の存在に応じて活性状態または不活性状態となるリプレッサーによって制御されることが多い。 [ 65 ]活性状態にあるリプレッサーは、オペロンの開始部分にあるオペレーター領域と呼ばれるDNA配列に結合し、オペロンの転写を抑制する。リプレッサーが不活性状態にある場合は、オペロンの転写が起こる（例えば、Lacオペロンを参照）。オペロン遺伝子の産物は通常、関連する機能を持ち、同じ制御ネットワークに関与している。[ 50 ] : 7.3
多くの遺伝子は単純な構造を持つが、生物学の多くのものと同様に、非常に複雑なものや、珍しい例外的なケースを表すものもある。真核生物の遺伝子には、エクソンよりもはるかに大きなイントロンがあることが多く、[ 66 ] [ 67 ]これらのイントロンの中には、他の遺伝子がネストされていることもある。[ 68 ]関連するエンハンサーは、数キロベース離れている場合もあれば、2つの染色体間の物理的な接触を介して機能するまったく異なる染色体上にある場合もある。[ 69 ] [ 70 ] 1つの遺伝子は、選択的スプライシングによって複数の異なる機能産物をコードすることができ、逆に、遺伝子が染色体に分割されていても、それらの転写産物がトランススプライシングによって機能的な配列に連結される場合もある。[ 71 ]また、重複する遺伝子が、反対鎖または同じ鎖（異なるリーディングフレーム、あるいは同じリーディングフレーム）で、DNA配列の一部を共有することもある。[ 72 ]
すべての生物において、遺伝子のDNAにコード化された情報を読み取り、それが指定するタンパク質を生成するには、2つのステップが必要です。まず、遺伝子のDNAがメッセンジャーRNA（mRNA ）に転写されます。[ 50 ]： 6.1次に、そのmRNAがタンパク質に翻訳されます。[ 50 ]： 6.2 RNAコード遺伝子も最初のステップを経る必要がありますが、タンパク質には翻訳されません。[ 73 ] RNAまたはタンパク質のいずれかの生物学的に機能する分子を生成するプロセスは遺伝子発現と呼ばれ、結果として得られる分子は遺伝子産物と呼ばれます。
遺伝子のDNAのヌクレオチド配列は、遺伝暗号によってタンパク質のアミノ酸配列を指定します。コドンと呼ばれる3つのヌクレオチドのセットは、それぞれ特定のアミノ酸に対応します。[ 50 ]： 6 DNAの3つの連続した塩基が各アミノ酸をコードするという原理は、1961年にバクテリオファージT4のrIIB遺伝子のフレームシフト変異を使用して実証されました[ 74 ] （クリック、ブレナーらの実験を参照）。
さらに、「開始コドン」と3つの「終止コドン」がタンパク質コード領域の開始と終了を示します。 可能なコドンは64種類（3つの位置それぞれに4種類のヌクレオチドが存在するため、4³個の コドン）ありますが、 標準的なアミノ酸は20種類しかありません。そのため、コードは冗長であり、複数のコドンが同じアミノ酸を指定することがあります。コドンとアミノ酸の対応関係は、すべての種で普遍的です。[ 75 ]
転写によって、メッセンジャーRNAと呼ばれる一本鎖RNA分子が生成されます。そのヌクレオチド配列は、転写元のDNAと相補的です。[ 50 ]： 6.1 mRNAは、DNA遺伝子とその最終的なタンパク質産物の間の中間体として機能します。遺伝子のDNAは、相補的なmRNAを生成するためのテンプレートとして使用されます。mRNAは、テンプレート鎖の相補として合成されるため、遺伝子のDNAコード鎖の配列と一致します。転写は、 RNAポリメラーゼと呼ばれる酵素によって行われ、この酵素はテンプレート鎖を3'から5'の方向に読み取り、 5'から3'の方向にRNAを合成します。転写を開始するために、ポリメラーゼはまず遺伝子のプロモーター領域を認識して結合します。したがって、遺伝子調節の主要なメカニズムは、ポリメラーゼを物理的にブロックするリプレッサー分子による強い結合、またはプロモーター領域にアクセスできないようにDNAを組織化することによって、プロモーター領域をブロックまたは隔離することです。[ 50 ] : 7
原核生物では、転写は細胞質で行われます。非常に長い転写産物の場合、 3'末端がまだ転写されている 間に、RNA の 5' 末端から翻訳が開始されることがあります。真核生物では、転写は細胞の DNA が格納されている核で行われます。ポリメラーゼによって生成された RNA 分子は一次転写産物として知られており、翻訳のために細胞質に輸送される前に転写後修飾を受けます。行われる修飾の 1 つは、転写領域内のタンパク質をコードしない配列であるイントロンのスプライシングです。代替スプライシング機構により、同じ遺伝子からの成熟転写産物が異なる配列を持ち、異なるタンパク質をコードする可能性があります。これは真核細胞における主要な調節形態であり、一部の原核生物でも起こります。[ 50 ] : 7.5 [ 76 ]
翻訳とは、成熟したmRNA分子を鋳型として新しいタンパク質を合成する過程である。[ 50 ] : 6.2翻訳は、RNAとタンパク質の大きな複合体であるリボソームによって行われる。リボソームは、ペプチド結合の形成によって成長中のポリペプチド鎖に新しいアミノ酸を追加する化学反応を実行する役割を担っている。遺伝暗号は、トランスファーRNA（tRNA）と呼ばれる特殊なRNA分子との相互作用を介して、コドンと呼ばれる単位で一度に3ヌクレオチドずつ読み取られる。各tRNAは、mRNA上で読み取るコドンに相補的な、アンチコドンと呼ばれる3つの不対塩基を持っている。tRNAはまた、相補的なコドンによって指定されるアミノ酸に共有結合している。tRNAがmRNA鎖の相補的なコドンに結合すると、リボソームはアミノ酸の積荷を、アミノ末端からカルボキシル末端に向かって合成される新しいポリペプチド鎖に取り付ける。合成中および合成後、ほとんどの新規タンパク質は細胞機能を発揮する前に、活性な三次元構造に折り畳まれる必要がある。 [ 50 ]： 3
遺伝子は、発現には限られたリソースが消費されるため、産物が必要なときにのみ発現するように調節されています。 [ 50 ]： 7細胞は、外部環境（利用可能な栄養素、温度、その他のストレスなど）、内部環境（細胞分裂周期、代謝、感染状態など）、および多細胞生物の場合はその特定の役割に応じて遺伝子発現を調節します。遺伝子発現は、転写開始からRNAプロセシング、タンパク質の翻訳後修飾まで、あらゆる段階で調節できます。大腸菌のラクトース代謝遺伝子（lacオペロン）の調節は、1961年に初めて記述されたそのようなメカニズムでした。[ 77 ]
典型的なタンパク質コード遺伝子は、最終的なタンパク質製品の製造の中間体として、まずRNAにコピーされます。 [ 50 ] : 6.1他の場合では、リボソームRNAやトランスファーRNAの合成のように、RNA分子が実際の機能的な製品となります。リボザイムとして知られる一部のRNAは酵素機能を発揮できますが、マイクロRNAやリボスイッチなどの他のRNAは調節的な役割を果たします。このようなRNAが転写されるDNA配列は、非コードRNA遺伝子として知られています。[ 73 ]
ウイルスの中には、ゲノム全体をRNAの形で保存し、DNAを全く含まないものもある。[ 78 ] [ 79 ] RNAを使って遺伝子を保存するため、細胞宿主は感染後すぐに転写を待つことなくタンパク質を合成できる。[ 80 ]一方、HIVなどのRNAレトロウイルスは、タンパク質を合成する前に、ゲノムをRNAからDNAに逆転写する必要がある。
生物は親から遺伝子を受け継ぐ。無性生殖生物は親のゲノムの完全なコピーをそのまま受け継ぐ。有性生殖生物は各染色体を2コピーずつ持つ。これは、それぞれの親から完全なセットを1つずつ受け継ぐためである。[ 50 ]： 1
メンデル遺伝の法則によれば、生物の表現型（観察可能な身体的および行動的特徴）の変異は、その遺伝子型（特定の遺伝子セット）の変異に一部起因する。各遺伝子は特定の形質を規定し、遺伝子の異なる配列（対立遺伝子）が異なる表現型を生み出す。ほとんどの真核生物（メンデルが研究したエンドウ豆など）は、各形質に対して2つの対立遺伝子を持ち、それぞれ両親から1つずつ受け継ぐ。[ 50 ]： 20
遺伝子座の対立遺伝子は優性または劣性です。優性対立遺伝子は、同じ形質の他の対立遺伝子と対になったときに、対応する表現型を生み出しますが、劣性対立遺伝子は、同じ対立遺伝子の別のコピーと対になったときにのみ、対応する表現型を生み出します。生物の遺伝子型がわかっている場合は、どの対立遺伝子が優性で、どの対立遺伝子が劣性であるかを判断できます。たとえば、エンドウ豆の茎を高くする対立遺伝子が、茎を低くする対立遺伝子に対して優性である場合、片方の親から1つの高い対立遺伝子を、もう一方の親から1つの低い対立遺伝子を受け継いだエンドウ豆も、茎が高くなります。メンデルの研究は、対立遺伝子が配偶子、つまり生殖細胞の生成において独立して分離し、次世代に多様性が保証されることを示しました。メンデル遺伝は、単一遺伝子によって決定される多くの形質（多くのよく知られた遺伝性疾患を含む）の良いモデルですが、DNA複製と細胞分裂の物理的プロセスは含まれていません。[ 81 ] [ 82 ]
生物の成長、発達、生殖は細胞分裂に依存しています。細胞分裂とは、単一の細胞が通常は同一の2つの娘細胞に分裂する過程です。これにはまず、 DNA複製と呼ばれる過程でゲノム内のすべての遺伝子の複製を作成する必要があります。[ 50 ]： 5.2複製は、 DNAポリメラーゼと呼ばれる特殊な酵素によって行われます。DNAポリメラーゼは、二重らせんDNAの一方の鎖（鋳型鎖と呼ばれる）を「読み取り」、新しい相補鎖を合成します。DNA二重らせんは塩基対によって結合しているため、一方の鎖の配列がその相補鎖の配列を完全に規定します。したがって、忠実な複製を作成するために、酵素は一方の鎖だけを読み取る必要があります。DNA複製の過程は半保存的です。つまり、各娘細胞に受け継がれるゲノムのコピーには、元のDNA鎖と新しく合成されたDNA鎖がそれぞれ1本ずつ含まれています。[ 50 ]： 5.2
生細胞におけるDNA複製速度は、ファージ感染した大腸菌におけるファージT4 DNA伸長速度として初めて測定され、驚くほど速いことがわかった。[ 83 ] 37℃での指数関数的なDNA増加期間中 、伸長速度は毎秒749ヌクレオチドであった。
DNA複製後、細胞は2つのゲノムコピーを物理的に分離し、2つの異なる膜結合細胞に分裂する必要があります。[ 50 ] : 18.2原核生物 （細菌と古細菌）では、これは通常、二分裂と呼ばれる比較的単純なプロセスによって起こります。二分裂では、各環状ゲノムが細胞膜に付着し、膜が陥入して細胞質が2つの膜結合部分に分裂する際に、娘細胞に分離されます。二分裂は、真核生物の細胞分裂速度に比べて非常に速いです。真核細胞の分裂は、細胞周期として知られるより複雑なプロセスです。DNA複製はこのサイクルのS期と呼ばれる段階で起こり、染色体の分離と細胞質の分裂はM期に起こります。[ 50 ] : 18.1
遺伝物質が細胞の世代から世代へと複製され伝達されることが、分子遺伝の基礎であり、遺伝子の古典的なイメージと分子的なイメージを結びつけるものです。生物は、子孫の細胞に親の細胞にある遺伝子のコピーが含まれているため、親の特性を受け継ぎます。無性生殖を行う生物では、子孫は親生物の遺伝的コピー、つまりクローンになります。有性生殖を行う生物では、減数分裂と呼ばれる特殊な細胞分裂によって、配偶子または生殖細胞と呼ばれる細胞が生成されます。これらの細胞は半数体であり、各遺伝子のコピーを1つだけ含んでいます。[ 50 ] : 20.2雌が生成する配偶子は卵子と呼ばれ、雄が生成する配偶子は精子と呼ばれます。2つの配偶子が融合して二倍体の受精卵が形成されます。受精卵は 、母親から各遺伝子のコピーを1つ、父親から各遺伝子のコピーを1つずつ持つ、2セットの遺伝子を持つ単一の細胞です。[ 50 ] : 20
減数分裂の過程で、遺伝子組換えまたは交叉と呼ばれる事象が発生することがあり、これは一方の染色分体のDNAの長さが、対応する相同非姉妹染色分体のDNAの長さと交換されるものです。これにより、本来連鎖している対立遺伝子の再集合が生じる可能性があります。[ 50 ]： 5.5メンデルの独立分離の法則は、各形質に関する親の2つの遺伝子のそれぞれが配偶子に独立して分配されると主張しています。つまり、ある形質について生物が受け継ぐ対立遺伝子は、別の形質について受け継ぐ対立遺伝子とは無関係です。これは実際には、同じ染色体上に存在しない、または同じ染色体上で互いに非常に遠く離れている遺伝子にのみ当てはまります。2つの遺伝子が同じ染色体上に近いほど、配偶子内でより密接に関連し、一緒に現れる頻度が高くなります（遺伝的連鎖として知られています）。[ 84 ]非常に近い遺伝子は、それらの間に交差点が生じる可能性が極めて低いため、基本的に分離されることはありません。[ 84 ]
ゲノムは生物の全遺伝物質であり、遺伝子と非コード配列の両方を含む。[ 85 ]真核生物の遺伝子はFINDERを使用して注釈付けすることができる。[ 86 ]
ゲノムのサイズと、それがコードする遺伝子の数は、生物によって大きく異なります。最小のゲノムはウイルス[ 95 ]とウイロイド（単一の非コードRNA遺伝子として機能する）[ 96 ]に見られます。逆に、植物は非常に大きなゲノムを持つことができ[ 97 ]、イネには46,000を超えるタンパク質コード遺伝子が含まれています[ 91 ] 。タンパク質コード遺伝子の総数（地球のプロテオーム）は、 500万配列と推定されています[ 98 ] 。
ヒトゲノムのDNA塩基対数は1950年代から知られていましたが、遺伝子の定義や検出方法が改良されるにつれて、推定される遺伝子数は時間とともに変化してきました。1960年代と1970年代のヒト遺伝子数の初期の理論的予測は、突然変異負荷の推定とmRNAの数に基づいており、これらの推定値は約30,000個のタンパク質コード遺伝子でした。[ 99 ] [ 100 ] [ 101 ] 1990年代には最大100,000個の遺伝子という推定値があり、mRNAの検出（発現配列タグ）に関する初期のデータは、1980年代に教科書で報告されていた従来の30,000個の遺伝子よりも多いことを示唆していました。[ 102 ]
ヒトゲノムの初期ドラフト配列は、約30,000個のタンパク質コード遺伝子という以前の予測を裏付けましたが、進行中のGENCODEアノテーションプロジェクトにより、その推定値は約19,000個に減少しました。[ 103 ]非コード遺伝子の数は確実にはわかっていませんが、Ensemblの最新の推定では26,000個の非コード遺伝子が示唆されています。[ 104 ]
必須遺伝子とは、生物の生存に不可欠であると考えられる遺伝子のセットです。[ 106 ]この定義は、関連するすべての栄養素が豊富に存在し、環境ストレスがないことを前提としています。生物の遺伝子のうち、必須なのはごく一部です。細菌では、大腸菌と枯草菌に必須な遺伝子は推定250～400個で、これは遺伝子の10%未満です。[ 107 ] [ 108 ] [ 109 ]これらの遺伝子の半分は両方の生物で相同遺伝子であり、主にタンパク質合成に関与しています。[ 109 ]出芽酵母Saccharomyces cerevisiaeでは、必須遺伝子の数はわずかに多く、1000個の遺伝子（遺伝子の約20%）です。[ 110 ]高等真核生物ではその数を測定するのはより困難ですが、マウスとヒトには約 2000 個の必須遺伝子 (遺伝子の約 10%) があると推定されています。[ 111 ]合成生物Syn 3は、473 個の必須遺伝子と準必須遺伝子 (急速な成長に必要) からなる最小限のゲノムを持っていますが、149 個の機能は不明です。[ 105 ]
必須遺伝子には、ハウスキーピング遺伝子（基本的な細胞機能に不可欠な遺伝子）[ 112 ]や、生物の発生やライフサイクルのさまざまな時期に発現する遺伝子[ 113 ]が含まれます。ハウスキーピング遺伝子は、比較的一定のレベルで恒常的に発現するため、遺伝子発現を分析する際の実験コントロールとして使用されます。
遺伝子命名法は、ヒトゲノム機構の委員会であるHUGO遺伝子命名委員会（HGNC）によって、既知のヒト遺伝子ごとに承認された遺伝子名と記号（略称）の形で確立されており、HGNCが管理するデータベースからアクセスできます。記号は一意になるように選択され、各遺伝子には1つの記号しかありません（ただし、承認された記号は変更されることがあります）。記号は、遺伝子ファミリーの他のメンバーや他の種の相同遺伝子、特に一般的なモデル生物としての役割を果たすマウスとの一貫性を保つことが望ましいです。[ 114 ]
遺伝子工学とは、バイオテクノロジーによって生物のゲノムを改変することです。1970年代以降、生物の遺伝子を特異的に追加、削除、編集するためのさまざまな技術が開発されてきました。 [ 115 ]最近開発されたゲノム工学技術では、人工ヌクレアーゼ酵素を使用して染色体内の標的DNA修復を行い、切断が修復されたときに遺伝子を破壊または編集します。[ 116 ] [ 117 ] [ 118 ] [ 119 ]関連用語である合成生物学は、生物の広範な遺伝子工学を指すために使用されることがあります。[ 120 ]
遺伝子工学は現在、モデル生物を用いた日常的な研究ツールとなっている。例えば、細菌に遺伝子を簡単に導入することができ[ 121 ]、特定の遺伝子の機能が破壊されたノックアウトマウスの系統を用いてその遺伝子の機能を調査することができる[ 122 ] [ 123 ] 。多くの生物が、農業、産業バイオテクノロジー、医学への応用を目的として遺伝子改変されている。
多細胞生物の場合、通常は胚が遺伝子操作され、それが成長して遺伝子改変された成体生物になる。[ 124 ]しかし、遺伝子治療技術を使用して成体生物の細胞のゲノムを編集し、遺伝性疾患を治療することができる。
植物の育種と交雑の研究] はまだ名前がなく、私たちの研究は、煩雑でしばしば誤解を招く言い回しでしか説明できません。この困難に対処するために、私はこの会議で検討するために
遺伝学
という用語を提案します。これは、私たちの研究が遺伝と変異の現象の解明、つまり、進化論者と分類学者の理論的問題に暗黙のうちに関連しており、動物であろうと植物であろうと育種家の実際的な問題に応用される子孫の生理学に専念していることを十分に示しています。
生物学者のフランソワ・ジャコブが[ロマン]ヤコブソンに反論して主張しているように、生物学的符号化と言語を混同するのは間違いである。なぜなら、人間の話し手や書き手とは異なり、遺伝暗号は発信者も受信者も知らないからである。誰も遺伝暗号を「書いた」ことはない。誰も遺伝メッセージを受け取ることはない。
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