遺伝学

現代遺伝学は、メンデルによる植物の遺伝の性質に関する研究から始まった。メンデルは、1865年にブルノの自然研究協会に提出した論文「植物交雑実験」（Versuche über Pflanzenhybriden ）の中で、エンドウ豆の特定の形質の遺伝パターンを追跡し、それを数学的に記述した。この遺伝パターンは少数の形質についてしか観察できなかったが、メンデルの研究は、遺伝は獲得されるものではなく、粒子的なものであり、多くの形質の遺伝パターンは単純な規則と比率によって説明できることを示唆した。^{[ 19 ]}

メンデルの研究の重要性は、彼の死後、1900年にヒューゴ・ド・フリースや他の科学者が彼の研究を再発見するまで広く理解されることはありませんでした。メンデルの研究の支持者であるウィリアム・ベイトソンは、1905年に遺伝学という言葉を作り出しました。 ^{[ 20 ] [ 21 ]}ギリシャ語のgenesis —γένεσις「起源」に由来する形容詞のgeneticは、名詞よりも古く、1860年に生物学的な意味で初めて使用されました。^{[ 22 ]}ベイトソンは、ケンブリッジ大学ニューナム・カレッジの他の科学者、特にベッキー・サンダース、ノーラ・ダーウィン・バーロウ、ミュリエル・ウェルデール・オンスローの研究によって、指導者としての役割も果たし、また彼らの研究によって大きく助けられました。^{[ 23 ]}ベイツソンは、1906年にロンドンで開催された第3回国際植物交配会議での就任演説で、遺伝学という言葉を遺伝の研究を表すために普及させた。 ^{[ 24 ]}

メンデルの研究が再発見された後、科学者たちは細胞内のどの分子が遺伝に関与しているかを解明しようと試みた。1900年、ネッティ・スティーブンスはミールワームの研究を始めた。その後11年間で、彼女は雌はX染色体のみを持ち、雄はX染色体とY染色体の両方を持っていることを発見した。彼女は、性別は染色体因子であり、雄によって決定されると結論付けることができた。^{[ 25 ]} 1911年、トーマス・ハント・モーガンは、ショウジョウバエの性連鎖白眼突然変異の観察に基づいて、遺伝子は染色体上にあると主張した。^{[ 26 ]} 1913年、彼の教え子であるアルフレッド・スターテバントは、遺伝的連鎖現象を利用して、遺伝子が染色体上に直線状に配置されていることを示した。^{[ 27 ]}

遺伝子が染色体上に存在することは知られていたが、染色体はタンパク質とDNAの両方で構成されており、科学者たちはどちらが遺伝に関与しているのかを知らなかった。1928年、フレデリック・グリフィスは形質転換現象を発見した。死んだ細菌が遺伝物質を他の生きている細菌に伝達して「形質転換」できるという現象である。16年後の1944年、エイブリー・マクラウド・マッカーティ実験により、形質転換に関与する分子がDNAであることが特定された。^{[ 28 ]}真核生物における遺伝情報の貯蔵庫としての核の役割は、 1943年にハンマーリングが単細胞藻類アセタブリアの研究で確立していた。^{[ 29 ]} 1952年のハーシー・チェイス実験により、細菌に感染するウイルスの遺伝物質は（タンパク質ではなく）DNAであることが確認され、DNAが遺伝に関与する分子であるというさらなる証拠が得られた。^{[ 30 ]}

ジェームズ・ワトソンとフランシス・クリックは、ロザリンド・フランクリンとモーリス・ウィルキンスのX線結晶解析研究に基づき、 DNAがらせん構造（コルク栓抜きのような形）であることを示し、1953年にDNAの構造を解明した。 ^{[ 31 ] [ 32 ]}彼らの二重らせんモデルでは、ヌクレオチドが内側を向いた2本のDNA鎖があり、それぞれがもう一方の鎖の相補的なヌクレオチドと結合して、ねじれたはしごの横木のような形を形成している。^{[ 33 ]}この構造は、DNAの各鎖のヌクレオチド配列に遺伝情報が存在することを示した。この構造はまた、複製のための単純な方法を示唆した。鎖が分離された場合、古い鎖の配列に基づいて、それぞれに新しいパートナー鎖を再構築することができる。この性質により、DNAは半保存的な性質を持ち、新しいDNA鎖の1本は元の親鎖に由来する。^{[ 34 ]}

DNAの構造は遺伝の仕組みを示しましたが、DNAが細胞の挙動にどのように影響するかはまだわかっていませんでした。その後、科学者たちはDNAがタンパク質生成のプロセスをどのように制御しているかを理解しようとしました。^{[ 35 ]}細胞はDNAを鋳型として、DNAと非常によく似たヌクレオチドを持つ分子であるメッセンジャーRNAを作成することが発見されました。メッセンジャーRNAのヌクレオチド配列は、タンパク質のアミノ酸配列を作成するために使用されます。このヌクレオチド配列とアミノ酸配列間の翻訳は遺伝暗号として知られています。^{[ 36 ]}

遺伝の分子レベルでの理解が新たに得られたことで、研究が爆発的に増加した。^{[ 37 ]}注目すべき理論は、 1973年に太田知子が分子進化の中立説を修正し、分子進化のほぼ中立説を発表したことで生まれた。この理論で、太田は遺伝的進化の速度に対する自然選択と環境の重要性を強調した。^{[ 38 ]}重要な発展の一つは、 1977年にフレデリック・サンガーが鎖終結DNAシーケンシングを開発したことである。この技術により、科学者はDNA分子のヌクレオチド配列を読み取ることができる。^{[ 39 ]} 1983年、キャリー・バンクス・マリスはポリメラーゼ連鎖反応を開発し、混合物から特定のDNAセクションを迅速に分離および増幅する方法を提供した。^{[ 40 ]}ヒトゲノムプロジェクト、エネルギー省、NIHの努力と、 Celera Genomicsによる並行した民間の努力により、2003年にヒトゲノムの配列が解読されました。^{[ 41 ] [ 42 ]}

生物の遺伝は、最も基本的なレベルでは、遺伝子と呼ばれる個別の遺伝単位が親から子に受け継がれることによって起こります。^{[ 43 ]}この性質は、エンドウ豆の遺伝形質の分離を研究したグレゴール・メンデルによって初めて観察されました。彼は、例えば、1つの植物の花は紫か白のどちらかであり、その中間色は決してないことを示しました。遺伝した外見（表現型）を制御する同じ遺伝子の個別のバージョンは、対立遺伝子と呼ばれます。^{[ 19 ] [ 44 ]}

二倍体種であるエンドウの場合、各個体植物は各遺伝子のコピーを2つ持ち、1つは両親から受け継いでいます。^{[ 45 ]}人間を含む多くの種は、この遺伝パターンを持っています。特定の遺伝子の同じ対立遺伝子のコピーを2つ持つ二倍体生物は、その遺伝子座でホモ接合体と呼ばれ、特定の遺伝子の異なる対立遺伝子を2つ持つ生物はヘテロ接合体と呼ばれます。特定の生物の対立遺伝子のセットは遺伝子型と呼ばれ、生物の観察可能な形質は表現型と呼ばれます。生物が遺伝子でヘテロ接合体である場合、多くの場合、一方の対立遺伝子は、その形質が生物の表現型を支配するため優性と呼ばれ、もう一方の対立遺伝子は、その形質が後退して観察されないため劣性と呼ばれます。一部の対立遺伝子は完全優性ではなく、中間表現型を発現することで不完全優性を示したり、両方の対立遺伝子を同時に発現することで共優性を示したりします。 ^{[ 46 ]}

一対の生物が有性生殖を行うと、その子孫は両親から2つの対立遺伝子のうちの1つをランダムに受け継ぎます。このような離散的な遺伝と対立遺伝子の分離の観察は、まとめてメンデルの第一法則または分離の法則として知られています。ただし、優性、劣性、ホモ接合、またはヘテロ接合の遺伝子によって、一方の遺伝子を他方よりも受け継ぐ確率が変わる可能性があります。たとえば、メンデルは、ヘテロ接合の生物を交配すると、優性形質が現れる確率は3:1であることを発見しました。実際の遺伝学者は、理論的確率、経験的確率、積の法則、和の法則などを使用して確率を研究および計算します。^{[ 47 ]}

遺伝学者は遺伝を説明するために図や記号を使用します。遺伝子は1文字または数文字で表されます。多くの場合、「+」記号は、遺伝子の通常の非変異対立遺伝子を示すために使用されます。 ^{[ 48 ]}

受精や交配の実験（特にメンデルの法則について議論する場合）では、親は「P」世代、子孫は「F1」（第一世代）世代と呼ばれます。F1世代の子孫同士が交配すると、子孫は「F2」（第二世代）世代と呼ばれます。交配の結果を予測するためによく使われる図の1つに、パネット図があります。^{[ 49 ]}

ヒトの遺伝性疾患を研究する際、遺伝学者は形質の遺伝を表すために家系図をよく使用します。 ^{[ 50 ]}これらの図は、家系図における形質の遺伝を示します。

生物は何千もの遺伝子を持っており、有性生殖を行う生物では、これらの遺伝子は一般的に互いに独立して分離します。つまり、黄色または緑色のエンドウ豆の色を決定する対立遺伝子の遺伝は、白または紫の花を決定する対立遺伝子の遺伝とは無関係です。この現象は「メンデルの独立の法則」として知られており、異なる遺伝子の対立遺伝子が親の間でシャッフルされて、さまざまな組み合わせを持つ子孫が形成されることを意味します。異なる遺伝子はしばしば相互作用して同じ形質に影響を与えます。たとえば、ブルーアイドメアリー（Omphalodes verna）には、花の色（青またはマゼンタ）を決定する対立遺伝子を持つ遺伝子が存在します。しかし、別の遺伝子は、花に色があるかどうか、または白であるかどうかを制御します。植物がこの白色の対立遺伝子を2つ持っている場合、最初の遺伝子が青色またはマゼンタの対立遺伝子を持っているかどうかに関係なく、花は白くなります。この遺伝子間の相互作用はエピスタシスと呼ばれ、2番目の遺伝子は最初の遺伝子に対してエピスタシスです。^{[ 51 ]}

多くの形質は離散的な特徴（例えば紫や白の花）ではなく、連続的な特徴（例えば人間の身長や肌の色）です。これらの複雑な形質は多くの遺伝子の産物です。^{[ 52 ]}これらの遺伝子の影響は、生物が経験してきた環境によって、さまざまな程度で媒介されます。生物の遺伝子が複雑な形質に寄与する程度は遺伝率と呼ばれます。^{[ 53 ]}形質の遺伝率の測定は相対的です。より変動の大きい環境では、環境が形質の全体的な変動に与える影響が大きくなります。たとえば、人間の身長は複雑な原因を持つ形質です。米国では遺伝率が89%です。しかし、栄養と医療へのアクセスがより変動の大きいナイジェリアでは、身長の遺伝率はわずか62%です。^{[ 54 ]}

遺伝子の分子基盤はデオキシリボ核酸（DNA）です。DNAはデオキシリボース（糖分子）、リン酸基、塩基（アミノ基）から構成されています。塩基にはアデニン（A）、シトシン（C）、グアニン（G）、チミン（T）の4種類があります。リン酸基は糖とホスホジエステル結合を形成し、長いリン酸-糖骨格を形成します。塩基は2つの骨格の間で特異的にペアを形成し（TとA、CとG）、はしごの横木のような役割を果たします。塩基、リン酸基、糖が一緒にヌクレオチドを形成し、それが連結して長いDNA鎖を形成します。^{[ 55 ]}遺伝情報はこれらのヌクレオチドの配列に存在し、遺伝子はDNA鎖に沿った配列の断片として存在します。^{[ 56 ]}これらの鎖は二重αヘリックス構造に巻き付き、構造的サポートを提供するヒストンと呼ばれるタンパク質に巻き付きます。これらのヒストンに巻き付いたDNAは染色体と呼ばれます。^{[ 57 ]}ウイルスは遺伝物質としてDNAの代わりに類似分子RNAを使用することがある。 ^{[ 58 ]}

DNAは通常、二重らせん構造に巻かれた二本鎖分子として存在します。DNAの各ヌクレオチドは、反対側の鎖上の対応するヌクレオチドと優先的に対合します。AはTと、CはGと対合します。したがって、二本鎖の形態では、各鎖は、そのパートナー鎖と重複して、必要なすべての情報を効果的に含んでいます。このDNAの構造は、遺伝の物理的基盤です。DNA複製は、鎖を分割し、各鎖を新しいパートナー鎖の合成のテンプレートとして使用することによって遺伝情報を複製します。^{[ 59 ]}

遺伝子は、長いDNA塩基対配列の鎖に沿って直線状に配列されています。細菌では、各細胞は通常、単一の環状遺伝子座を含みますが、真核生物（植物や動物など）は、DNAを複数の線状染色体に配列しています。これらのDNA鎖はしばしば非常に長く、たとえば、最大のヒト染色体は、長さが約2億4700万塩基対です。 ^{[ 60 ]}染色体のDNAは、 DNAを組織化、凝縮、およびアクセスを制御する構造タンパク質と関連しており、クロマチンと呼ばれる物質を形成します。真核生物では、クロマチンは通常、ヒストンタンパク質のコアに巻き付いたDNAの断片であるヌクレオソームで構成されています。^{[ 61 ]}生物の遺伝物質の完全なセット（通常はすべての染色体のDNA配列の組み合わせ）は、ゲノムと呼ばれます。

DNAは細胞の核に最も多く存在しますが、ルース・セーガーは核外に存在する非染色体遺伝子の発見に貢献しました。植物では、これらの遺伝子は葉緑体に多く存在し、他の生物ではミトコンドリアに存在します。これらの非染色体遺伝子は、有性生殖においてどちらのパートナーからも受け継がれ、世代を超えて複製され活性を維持する様々な遺伝的特性を制御します。^{[ 62 ]}

半数体生物は各染色体を1コピーしか持たないのに対し、ほとんどの動物と多くの植物は二倍体であり、各染色体を2本ずつ、したがって各遺伝子を2コピー持っている。遺伝子の2つの対立遺伝子は、2つの相同染色体の同一の遺伝子座に位置し、それぞれの対立遺伝子は異なる親から受け継がれる。^{[ 45 ]}

多くの種は、それぞれの生物の性別を決定するいわゆる性染色体を持っています。 ^{[ 63 ]}ヒトや他の多くの動物では、Y染色体には男性特有の特徴の発達を引き起こす遺伝子が含まれています。進化の過程で、この染色体はその内容の大部分と遺伝子の大部分を失いましたが、X染色体は他の染色体と似ており、多くの遺伝子を含んでいます。とはいえ、メアリー・フランシス・ライオンは、子孫に2倍の遺伝子が伝わるのを避けるために、生殖中にX染色体の不活性化が起こることを発見しました。ライオンの発見は、X連鎖疾患の発見につながりました。^{[ 64 ]}

細胞が分裂すると、ゲノム全体がコピーされ、各娘細胞は1つのコピーを受け継ぎます。このプロセスは有糸分裂と呼ばれ、最も単純な生殖形態であり、無性生殖の基礎となっています。無性生殖は多細胞生物でも起こり、単一の親からゲノムを受け継いだ子孫を生み出します。親と遺伝的に同一の子孫はクローンと呼ばれます。^{[ 65 ]}

真核生物は、2つの異なる親から受け継いだ遺伝物質の混合物を含む子孫を生成するために、有性生殖を利用することが多い。有性生殖のプロセスは、ゲノムの単一コピー（半数体）と二重コピー（二倍体）の形態を交互に繰り返す。^{[ 45 ]}半数体細胞は融合して遺伝物質を結合し、対になった染色体を持つ二倍体細胞を作る。二倍体生物は、DNAを複製せずに分裂して娘細胞を作り、各染色体対の一方をランダムに受け継ぐことで半数体を形成する。ほとんどの動物と多くの植物は、生涯のほとんどを二倍体で過ごし、半数体形態は精子や卵子などの単細胞配偶子に縮小する。^{[ 66 ]}

細菌は有性生殖の半数体/二倍体法を用いないが、新しい遺伝情報を獲得する多くの方法を持っている。一部の細菌は接合を起こし、小さな環状DNA断片を別の細菌に伝達することができる。^{[ 67 ]}また、細菌は環境中に存在する未加工のDNA断片を取り込み、それをゲノムに組み込むこともできる。これは形質転換と呼ばれる現象である。^{[ 68 ]}これらのプロセスは水平遺伝子伝達をもたらし、本来は無関係な生物間で遺伝情報の断片を伝達する。自然な細菌形質転換は多くの細菌種で起こり、DNAをある細胞から別の細胞（通常は同種）に伝達する有性生殖プロセスとみなすことができる。形質転換には多数の細菌遺伝子産物の作用が必要であり、その主な適応機能は受容細胞におけるDNA損傷の修復であると考えられる。 ^{[ 69 ]}

染色体の二倍体性により、異なる染色体上の遺伝子は独立して分配されるか、半数体の配偶子が形成される有性生殖中に相同対から分離される。このようにして、交配したペアの子孫に新しい遺伝子の組み合わせが生じる可能性がある。同じ染色体上の遺伝子は理論的には組み換えを起こさない。しかし、染色体交叉という細胞プロセスによって組み換えが起こる。交叉中、染色体はDNAの断片を交換し、染色体間で遺伝子アレルを効果的にシャッフルする。^{[ 70 ]}この染色体交叉プロセスは一般的に、半数体細胞を生成する一連の細胞分裂である減数分裂中に起こる。減数分裂組換え、特に微生物真核生物では、DNA損傷の修復という適応機能に役立っていると考えられる。^{[ 69 ]}

交叉の最初の細胞学的実証は、1931年にハリエット・クレイトンとバーバラ・マクリントックによって行われた。トウモロコシに関する彼女たちの研究と実験は、対になった染色体上の連鎖遺伝子が実際に一方の相同染色体から他方の相同染色体へと位置を交換するという遺伝学理論の細胞学的証拠を提供した。^{[ 71 ]}

染色体上の2つの特定の点の間で染色体交差が起こる確率は、その点間の距離に関係しています。任意の距離が長い場合、交差の確率は十分に高くなるため、遺伝子の遺伝は実質的に無相関になります。^{[ 72 ]}しかし、遺伝子が近い場合、交差の確率が低いということは、遺伝子が遺伝的に連鎖していることを意味します。つまり、2つの遺伝子の対立遺伝子は一緒に遺伝する傾向があります。一連の遺伝子間の連鎖の程度を組み合わせることで、染色体上の遺伝子の配置を大まかに表す線形連鎖地図を作成できます。 ^{[ 73 ]}

遺伝子は、細胞内のほとんどの機能を担う分子であるタンパク質を生成することによって、その機能的な効果を発揮します。タンパク質は、1つまたは複数のポリペプチド鎖から構成され、各ポリペプチド鎖はアミノ酸の配列から成ります。遺伝子のDNA配列は、特定のアミノ酸配列を生成するために使用されます。このプロセスは、遺伝子のDNA配列と一致する配列を持つRNA分子の生成から始まり、このプロセスは転写と呼ばれます。

このメッセンジャーRNA分子は、翻訳と呼ばれるプロセスを経て、対応するアミノ酸配列を生成する役割を果たします。配列中の3つのヌクレオチドの各グループはコドンと呼ばれ、タンパク質中の20種類のアミノ酸のいずれか、またはアミノ酸配列の終了指示に対応します。この対応関係は遺伝暗号と呼ばれます。^{[ 74 ]}情報の流れは一方向です。情報はヌクレオチド配列からタンパク質のアミノ酸配列に伝達されますが、タンパク質からDNA配列に情報が逆伝達されることはありません。フランシス・クリックはこの現象を分子生物学のセントラルドグマと呼びました。^{[ 75 ]}

特定のアミノ酸配列によってそのタンパク質の固有の三次元構造が決定され、タンパク質の三次元構造はその機能と関連している。^{[ 76 ] [ 77 ]}タンパク質コラーゲンによって形成される繊維のように、単純な構造分子もある。タンパク質は他のタンパク質や単純な分子と結合することができ、時には結合した分子内で化学反応を促進することによって酵素として作用する（タンパク質自体の構造は変化しない）。タンパク質の構造は動的であり、タンパク質ヘモグロビンは哺乳類の血液中で酸素分子の捕捉、輸送、放出を促進する際にわずかに異なる形に曲がる。^{[ 78 ]}

DNA内のヌクレオチド1つの違いが、タンパク質のアミノ酸配列の変化を引き起こす可能性があります。タンパク質の構造はアミノ酸配列の結果であるため、いくつかの変化は、構造を不安定にしたり、タンパク質の表面を変化させて他のタンパク質や分子との相互作用を変化させたりすることによって、タンパク質の特性を劇的に変化させる可能性があります。たとえば、鎌状赤血球貧血は、ヘモグロビンのβグロビン部分のコード領域内の塩基1つの違いによって引き起こされるヒトの遺伝性疾患であり、単一のアミノ酸の変化によってヘモグロビンの物理的特性が変化します。 ^{[ 79 ]} 鎌状赤血球型のヘモグロビンは互いにくっつき、積み重なって繊維を形成し、タンパク質を運ぶ赤血球の形状を歪めます。これらの鎌状の細胞はもはや血管内をスムーズに流れることができず、詰まったり分解したりする傾向があり、この疾患に関連する医学的問題を引き起こします。^{[ 80 ]}

DNA配列の中にはRNAに転写されるものもあるが、タンパク質産物には翻訳されないものもある。このようなRNA分子は非コードRNAと呼ばれる。場合によっては、これらの産物は重要な細胞機能に関与する構造に折り畳まれる（例えば、リボソームRNAやトランスファーRNA）。RNAは、他のRNA分子（例えば、マイクロRNA）とのハイブリダイゼーション相互作用を介して調節効果を発揮することもある。^{[ 81 ]}

遺伝子には生物が機能するために必要なすべての情報が含まれていますが、環境は生物が最終的に示す表現型を決定する上で重要な役割を果たします。「遺伝と環境」という言葉は、この相補的な関係を表しています。生物の表現型は、遺伝子と環境の相互作用によって決まります。興味深い例として、シャム猫の毛色があります。この場合、猫の体温が環境の役割を果たします。猫の遺伝子は黒毛をコードしているため、猫の毛を生成する細胞は細胞タンパク質を生成し、黒毛になります。しかし、これらの黒毛を生成するタンパク質は温度に敏感（つまり、温度感受性を引き起こす突然変異がある）で、高温環境では変性し、猫の体温が高い部分では黒毛の色素を生成できなくなります。一方、低温環境では、タンパク質の構造は安定しており、正常に黒毛の色素を生成します。タンパク質は、脚、耳、尻尾、顔など、皮膚の温度が低い部分で機能し続けるため、猫の末端には黒毛が生えます。^{[ 82 ]}

環境は、ヒトの遺伝性疾患であるフェニルケトン尿症の影響に大きく関わっています。フェニルケトン尿症を引き起こす突然変異は、体内でアミノ酸であるフェニルアラニンを分解する能力を阻害し、その結果、中間分子が毒性を持って蓄積され、進行性の知的障害や発作などの重篤な症状を引き起こします。しかし、フェニルケトン尿症の突然変異を持つ人が、このアミノ酸を避ける厳格な食事療法に従えば、正常で健康な状態を維持できます。^{[ 83 ]}

遺伝子と環境（「先天性と後天性」）が表現型にどのように影響するかを調べる一般的な方法として、一卵性双生児と二卵性双生児、または多胎児の他の兄弟姉妹を研究する方法がある。^{[ 84 ]}一卵性双生児は同じ受精卵から生まれたため、遺伝的に同じである。一方、二卵性双生児は、通常の兄弟姉妹と同様に遺伝的に互いに異なっている。一卵性双生児のペアで特定の疾患が発生する頻度と二卵性双生児のペアで発生する頻度を比較することで、科学者はその疾患が遺伝的要因によるものか、出生後の環境要因によるものかを判断することができる。有名な例としては、統合失調症と診断された一卵性四つ子のジェナイン四つ子の研究がある。^{[ 85 ]}

ある生物のゲノムには数千の遺伝子が含まれていますが、これらの遺伝子すべてが常に活性化している必要はありません。遺伝子はmRNAに転写されるときに発現し、細胞が必要とする場合にのみタンパク質が生成されるように、遺伝子の発現を制御する細胞メカニズムが数多く存在します。転写因子は、DNAに結合して遺伝子の転写を促進または阻害する調節タンパク質です。^{[ 86 ]}例えば、大腸菌のゲノムには、アミノ酸トリプトファンの合成に必要な一連の遺伝子が存在します。しかし、細胞にトリプトファンがすでに存在する場合、これらのトリプトファン合成遺伝子はもはや必要ありません。トリプトファンの存在は遺伝子の活性に直接影響を与えます。トリプトファン分子はトリプトファンリプレッサー（転写因子）に結合し、リプレッサーの構造を変化させて、リプレッサーが遺伝子に結合するようにします。トリプトファンリプレッサーは遺伝子の転写と発現を阻害し、それによってトリプトファン合成プロセスの負のフィードバック制御を生み出す。 ^{[ 87 ]}

遺伝子発現の違いは、多細胞生物において特に顕著である。多細胞生物では、細胞はすべて同じゲノムを持っているにもかかわらず、異なる遺伝子セットの発現によって構造や挙動が大きく異なる。多細胞生物のすべての細胞は単一の細胞から発生し、外部および細胞間のシグナルに応じて様々な細胞型に分化し、徐々に異なる遺伝子発現パターンを確立することで、多様な挙動を生み出す。

真核生物内には、遺伝子の転写に影響を与えるクロマチンの構造的特徴が存在し、多くの場合、娘細胞に安定的に受け継がれるDNAおよびクロマチンの修飾の形をとります。 ^{[ 88 ]}これらの特徴は、DNA配列の「上」に存在し、ある細胞世代から次の細胞世代へと受け継がれるため、 「エピジェ​​ネティック」と呼ばれます。エピジェネティックな特徴のため、同じ培地で培養された異なる細胞型でも、非常に異なる特性を保持することができます。エピジェネティックな特徴は一般的に発生の過程で動的ですが、パラミューテーション現象のように、複数世代にわたって受け継がれるものもあり、DNAが遺伝の基礎であるという一般的な規則に対するまれな例外として存在します。^{[ 89 ]}

DNA複製過程において、2本目の鎖の重合時にエラーが発生することがある。突然変異と呼ばれるこれらのエラーは、特に遺伝子のタンパク質コード配列内で発生した場合、生物の表現型に影響を与える可能性がある。DNAポリメラーゼ の「校正」機能により、エラー率は通常非常に低く、1000万～1億塩基あたり1つのエラーである。^{[ 90 ] [ 91 ]} DNAの変化率を高めるプロセスは変異原性と呼ばれ、変異原性化学物質は、塩基対の構造に干渉することでDNA複製のエラーを促進する一方、紫外線はDNA構造に損傷を与えることで突然変異を誘発する。^{[ 92 ]} DNAへの化学的損傷は自然にも発生し、細胞はDNA修復機構を用いてミスマッチや切断を修復する。しかし、修復によって必ずしも元の配列が復元されるとは限らない。特に重要なDNA損傷源は、細胞の好気呼吸によって生成される活性酸素種であると考えられており^{[ 93 ]}、これらは突然変異を引き起こす可能性がある。^{[ 94 ]}

染色体交叉 を用いてDNAを交換し、遺伝子を組み換える生物では、減数分裂中のアライメントエラーも突然変異を引き起こす可能性がある。交叉エラーは、類似した配列によってパートナー染色体が誤ったアライメントをとる場合に特に起こりやすく、これによりゲノムの一部の領域がこのような突然変異を起こしやすくなる。これらのエラーは、DNA配列に大きな構造変化（重複、逆位、領域全体の欠失）や、異なる染色体間で配列全体が偶然交換される染色体転座を引き起こす。^{[ 95 ]}

突然変異は生物の遺伝子型を変化させ、時折、異なる表現型が現れる原因となる。ほとんどの突然変異は、生物の表現型、健康、または生殖適応度にほとんど影響を与えない。^{[ 96 ]}影響を与える突然変異は通常有害であるが、時折、有益なものもある。^{[ 97 ]}ショウジョウバエDrosophila melanogasterの研究によると、突然変異が遺伝子によって生成されるタンパク質を変化させる場合、これらの突然変異の約 70 パーセントは有害であり、残りは中立またはわずかに有益である。^{[ 98 ]}

集団遺伝学は、集団内の遺伝的差異の分布と、これらの分布が時間とともにどのように変化するかを研究します。^{[ 99 ]}集団における対立遺伝子の頻度の変化は、主に自然選択によって影響を受けます。自然選択では、特定の対立遺伝子が生物に選択的または生殖上の利点をもたらします。 ^{[ 100 ]}また、突然変異、遺伝的浮動、遺伝的ヒッチハイク、^{[ 101 ]}人為選択、移住などの他の要因も影響します。^{[ 102 ]}

生物のゲノムは、何世代にもわたって大きく変化し、進化をもたらすことがあります。適応と呼ばれるプロセスでは、有益な突然変異の選択によって、種は環境内でよりよく生き残れる形態へと進化することがあります。^{[ 103 ]}新しい種は、種分化のプロセスによって形成されます。これは多くの場合、集団間の遺伝子の交換を妨げる地理的な隔離によって引き起こされます。^{[ 104 ]}

異なる種のゲノム間の相同性を比較することで、それらの間の進化距離と分岐時期を計算することが可能です。遺伝的比較は、表現型特性の比較よりも、種間の関連性を特徴付けるより正確な方法であると一般的に考えられています。種間の進化距離は、進化系統樹を作成するために使用できます。これらの系統樹は、時間の経過に伴う種の共通の祖先と分岐を表しますが、無関係な種間の遺伝物質の伝達（水平遺伝子伝達として知られ、細菌で最も一般的）は示しません。^{[ 105 ]}

遺伝学者は当初、さまざまな生物の遺伝を研究していましたが、研究対象種の範囲は狭まりました。その理由の1つは、ある生物について既に重要な研究が行われている場合、新しい研究者はそれをさらに研究するために選択する可能性が高くなるため、最終的に少数のモデル生物がほとんどの遺伝学研究の基礎となったことです。モデル生物遺伝学における一般的な研究テーマには、遺伝子制御の研究や、発生と癌における遺伝子の関与の研究などがあります。生物が選ばれた理由の1つは、世代時間が短く、遺伝子操作が容易なため、一部の生物が遺伝学研究のツールとして人気になったという利便性です。広く使用されているモデル生物には、腸内細菌である大腸菌、植物のシロイヌナズナ、パン酵母（サッカロミセス・セレビシエ）、線虫のカエノラブディティス・エレガンス、ショウジョウバエ（ドロソフィラ・メラノガスター）、ゼブラフィッシュ（ダニオ・レリオ）、ハツカネズミ（マウス・ムスクルス）などがあります。^{[ 106 ]}

医療遺伝学は、遺伝子変異が人間の健康と病気にどのように関係しているかを理解することを目指しています。^{[ 107 ]}病気に関与している可能性のある未知の遺伝子を探す場合、研究者は一般的に遺伝子連鎖と遺伝的家系図を使用して、病気に関連するゲノム上の位置を特定します。集団レベルでは、研究者はゲノムワイド関連研究（GWAS）を利用して、病気に関連するゲノム上の位置を探します。この方法は、単一の遺伝子では明確に定義されない多遺伝子形質に特に役立ちます。 ^{[ 108 ]}候補遺伝子が見つかると、モデル生物の対応する（または相同な）遺伝子についてさらに研究が行われることがよくあります。遺伝性疾患の研究に加えて、遺伝子型判定法の利用可能性が高まったことで、薬理遺伝学の分野が生まれました。これは、遺伝子型が薬物反応にどのように影響するかを研究する分野です。^{[ 109 ]}

がんを発症する遺伝的傾向は個人によって異なり、がんは遺伝性疾患です。体内でがんが発生する過程は、複数の事象が複合的に作用したものです。体内の細胞は分裂する際に突然変異を起こすことがあります。これらの突然変異は子孫に遺伝することはありませんが、細胞の挙動に影響を与え、時には細胞の増殖と分裂頻度を高めることがあります。この過程を阻止しようとする生物学的メカニズムが存在し、不適切に分裂する細胞には細胞死を誘発する信号が送られますが、時には細胞がこれらのメッセージを無視するような追加の突然変異が発生することがあります。体内では自然選択の内部プロセスが起こり、最終的に細胞内に突然変異が蓄積して自身の増殖を促進し、増殖して体のさまざまな組織に浸潤する癌性腫瘍を形成します。通常、細胞は成長因子と呼ばれる信号に応答してのみ分裂し、周囲の細胞と接触したり、増殖抑制信号に応答したりすると増殖を停止します。その後、通常は限られた回数分裂して死滅し、上皮内に留まり、他の臓器に移動することはありません。がん細胞になるには、細胞は複数の遺伝子（3～7個）に突然変異を蓄積する必要があります。がん細胞は増殖因子なしで分裂でき、抑制シグナルを無視します。また、不死であり、隣接する細胞と接触した後でも無限に増殖できます。上皮から、そして最終的には原発腫瘍から脱出する可能性があります。その後、脱出した細胞は血管の内皮を通過し、血流に乗って新しい臓器に運ばれ、致命的な転移を形成します。がんのごく一部には遺伝的素因がありますが、大部分は、腫瘍を形成するために分裂する1つまたは少数の細胞に最初に現れて蓄積し、子孫に伝達されない一連の新しい遺伝子突然変異（体細胞突然変異）によるものです。最も頻繁に見られる突然変異は、腫瘍抑制因子であるp53タンパク質の機能喪失、またはp53経路の機能喪失、およびRasタンパク質または他の癌遺伝子の機能獲得です。^{[ 110 ] [ 111 ]}

DNAは実験室で操作することができる。制限酵素は、特定の配列でDNAを切断し、予測可能なDNA断片を生成するために一般的に使用される酵素である。^{[ 112 ]} DNA断片は、その長さに応じて断片を分離するゲル電気泳動を使用して可視化することができる。 ^{[ 113 ]}

ライゲーション酵素の使用により、DNA断片を連結することができます。研究者は、異なる由来のDNA断片を結合（「ライゲーション」）することで、遺伝子組み換え生物によく見られるDNAである組換えDNAを作成できます。組換えDNAは、少数の遺伝子を持つ短い環状DNA分子であるプラスミドの文脈で一般的に使用されます。分子クローニングとして知られるプロセスでは、研究者はプラスミドを細菌に挿入し、寒天培地で培養（細菌細胞のクローンを分離するため）することで、DNA断片を増幅することができます。「クローニング」は、クローン生物を作成するさまざまな方法を指す場合もあります。^{[ 114 ]}

DNAはポリメラーゼ連鎖反応（PCR）と呼ばれる手順を用いて増幅することもできます。 ^{[ 115 ]} PCRは特定の短いDNA配列を使用することで、標的となるDNA領域を分離し、指数関数的に増幅することができます。PCRは極めて微量のDNAから増幅できるため、特定のDNA配列の存在を検出するためにもよく使用されます。^{[ 116 ] [ 117 ]}

DNAシーケンシングは、遺伝学研究のために開発された最も基本的な技術の1つであり、研究者はDNA断片中のヌクレオチドの配列を決定することができます。 1977年にフレデリック・サンガー率いるチームによって開発された鎖終結シーケンシング技術は、現在でもDNA断片の配列決定に日常的に使用されています。この技術を使用することで、研究者は多くのヒト疾患に関連する分子配列を研究することができました。^{[ 118 ]}

シーケンス処理のコストが下がったため、研究者たちは、多くの異なる断片の配列をコンピューターツールでつなぎ合わせるゲノムアセンブリと呼ばれるプロセスを使用して、多くの生物のゲノムをシーケンスしてきました。 ^{[ 118 ]}これらの技術は、2003 年に完了したヒトゲノムプロジェクトでヒトゲノムのシーケンスに使用されました。^{[ 41 ]}新しいハイスループットシーケンス技術は、DNA シーケンスのコストを劇的に下げており、多くの研究者は、ヒトゲノムの再シーケンスのコストを 1000 ドルまで下げることを期待しています。^{[ 119 ]}

次世代シーケンシング（またはハイスループットシーケンシング）は、低コストのシーケンシングに対する需要の高まりによって生まれました。これらのシーケンシング技術により、潜在的に数百万の配列を同時に生成することが可能です。^{[ 120 ] [ 121 ]}利用可能な大量の配列データにより、生物の全ゲノム内のパターンを検索および分析するために計算ツールを使用する研究であるゲノミクスというサブ分野が生まれました。ゲノミクスは、生物学的データの大規模なセットを分析するために計算アプローチを使用するバイオインフォマティクスのサブ分野とみなすこともできます。