ジャンクDNA

ジャンクDNA（非機能的DNA）は、生物学的機能が知られていないDNA配列である。^{[1] [2]ほとんどの生物は}ゲノム内にジャンクDNAを持っているが、そのほとんどは偽遺伝子とトランスポゾンやウイルスの断片であるが、一部の生物は相当量のジャンクDNAを持っている可能性がある。^[3]

一般に、すべてのタンパク質コード領域はゲノム内の機能要素であると考えられています。さらに、リボソーム RNA やトランスファー RNA の遺伝子、調節配列、複製起点、セントロメア、テロメア、スキャフォールド付着領域などの非タンパク質コード領域も機能要素であると考えられています。(詳細については、 「非コード DNA」を参照してください。)

ゲノムの他の領域が機能的であるか機能的でないかを判断することは困難です。機能を特定するためにどの基準を使用するかについては、かなりの論争があります。多くの科学者はゲノムの進化論的見解を持っており、DNA配列が自然選択によって保存されているかどうかに基づく基準を好みます。^{[4] [5] [6]}他の科学者はこの見解に異議を唱えたり、データについて異なる解釈をしています。^{[7] [8] [9]}

ヒトゲノムのほんの一部だけが機能するという考えは、1940年代後半に遡る。ヒトの推定突然変異率は、それらの突然変異の大部分が有害であれば、人類はそのような突然変異負荷（遺伝的負荷）に耐えられないことを示唆していた。このことから、1940年代後半に集団遺伝学の創始者の一人であるJBSハルデインとノーベル賞受賞者のヘルマン・ミュラーは、ヒトゲノムのごく一部にのみ突然変異によって破壊される可能性のある機能的DNA要素（遺伝子）が含まれていると予測した。^{[10] [11]} （詳細については 遺伝的負荷を参照）

1966年にミュラーはこれらの予測を再検討し、種が許容できる有害な突然変異の数に基づいて、ヒトゲノムには約30,000個の遺伝子しか含まれないという結論を下しました。^[12]分子進化の他の主要な専門家も同様の予測を行い、ヒトゲノムには40,000個を超える遺伝子は含まれず、ゲノムの10％未満しか機能しないと結論付けました。^{[13] [14] [4] [15]}

様々な種のゲノムのサイズは大きく異なることが知られており、ゲノムサイズと種の複雑さの間には相関関係がないようです。近縁種であってもゲノムサイズが大きく異なる可能性があります。この観察から、C値のパラドックスとして知られるようになりました。^[16]このパラドックスは、反復DNAの発見と、ゲノムサイズの違いのほとんどは反復DNAに起因するという観察によって解決されました。^{[16] [17]}一部の科学者は、反復DNAの大部分は遺伝子発現の調節に関与していると考えていましたが、多くの科学者は過剰な反復DNAは機能しないと考えていました。^{[18] [16] [19] [20] [21]}

ほぼ同時期（1960年代後半）、新たに開発されたC0t分析技術が_RNA : DNAハイブリダイゼーションを含むように改良され、ヒトゲノムの10％未満がmRNAと相補的であり、このDNAはユニークな（非反復）分画にあることが発見されました。これは遺伝的負荷の議論からなされた予測を裏付けるものであり、反復DNAの多くは非機能的であるという考えと一致していました。^{[22] [23] [24]}

真核生物のゲノムの大部分が機能しない可能性があるという考えは、機能しないDNAは自然淘汰によって排除される可能性が高いと思われたため、1968年当時の進化論の一般的な見解と矛盾していた。中立理論とほぼ中立理論の発展により、集団遺伝学の基本原理に従って、わずかに有害な機能しないDNAの保存が可能になり、この問題の解決策がもたらされた。^{[14] [13] [25]}

「ジャンクDNA」という用語は1950年代後半に使われ始めましたが^[26]、大野進が1972年に発表した「私たちのゲノムにはこんなにも多くの『ジャンク』DNAがある」^[27]という論文でこの用語を広めました。この論文では、当時までに蓄積されていた最新の証拠がまとめられています。^[27]同年発表された2番目の論文では、哺乳類のゲノムの90%は機能しないDNAで構成されていると結論づけています。^[4]ジャンクDNAのケースは、1972年にデイビッド・カミングスがジャンクDNAを提唱する4つの理由を挙げた長い論文にまとめられています。^[28]

1. 一部の生物は必要と思われる量よりもはるかに多くのDNAを持っている（C値のパラドックス）。
2. 現在の遺伝子の数の推定値（1972年）は、収容可能な数よりもはるかに少ない。
3. すべてのDNAが機能的であれば、突然変異の負荷は大きくなりすぎるため、
4. 明らかにジャンク DNA が存在します。

1970年代のイントロンの発見は、遺伝子が非常に大きく、巨大なゲノムでさえ多数の遺伝子を収容できないことを意味したため、ジャンクDNA支持者の見解を裏付けるものとなった。ジャンクDNA支持者は、イントロン配列をほとんど機能しないDNA（ジャンク）として却下する傾向があったが、ジャンクDNA反対派は、イントロン配列にさまざまな種類の機能があるとする仮説を数多く提唱した。^{[29] [30] [31] [32] [33]}

1980年までに、ヒトゲノムの反復DNAのほとんどがトランスポゾンに関連していることが明らかになりました。これにより、トランスポゾンはゲノム内で寄生虫のように働き、生物に適応上の利点をもたらさない利己的なDNAであると説明する一連の論文や手紙が発表されました。^{[34] [35] [36] [37] [38]}

ジャンクDNA反対派は、これらの結果をゲノムの大部分が機能的であることの証拠と解釈し、トランスポゾン配列が生物や種に利益をもたらす可能性があると主張するいくつかの仮説を立てた。^[39]当時のジャンクDNAの最も重要な反対者はトーマス・キャバリエ＝スミスであり、彼は核膜を介したより効率的な輸送を促進するために核の容積を増やすために余分なDNAが必要であると主張した。^[40]

論争の双方の立場は強固なものとなり、一方は進化は大量のジャンクDNAと一致すると信じ、もう一方は自然淘汰がジャンクDNAを排除するはずだと信じた。進化に関するこれらの異なる見解は、ジャンクDNAの支持者であるトーマス・ジュークスが1979年12月20日にフランシス・クリックに宛てた手紙で強調された。^[41]

「親愛なるフランシス、DNA の大部分はゴミだと言ったら、多くの人がどれほどひどく怒るか、あなたはわかっていると思います。遺伝学者は DNA が神聖なものだと考えているので怒るでしょう。ダーウィン進化論者は、進化論で認められている DNA の変化はすべて、必然的に適応的変化だと考えているので激怒するでしょう。それ以外のことを示唆することは、ダーウィンの神聖な記憶に対する侮辱です。」

もう一つの観点は、ロイ・ジョン・ブリッテンとコーンが反復DNAに関する画期的な論文で述べたものである。^[17]

「我々にとって不快な概念は、高等生物の DNA の約半分が取るに足らない、あるいは永久に不活性である（進化の時間スケールで）というものである。」

一般の報道や科学文献では、非コード DNA とジャンク DNA の区別についてかなりの混乱が生じています。

2021年にAmerican Scientistに掲載された記事によると:

歴史的に、私たちのゲノムの約99パーセントは、非コードで役に立たない「ジャンク」DNAとして分類されてきました。その結果、これらの配列はほとんど研究されていませんでした。^[42]

2020年に出版された本にはこう書かれています。

非遺伝子DNAが最初に発見されたとき、そのDNAは明らかな有用性がなく、コーディング情報を持っていないなら役に立たないゴミに違いないと愚かにも考えられたため、よく知らない人々からやや嘲笑的に「ジャンクDNA」と呼ばれることがあった。^[43]

共通点は、ジャンクDNAの元々の提唱者は、非コードDNAはすべてジャンクであると考えていたことです。^{[2] [6]}この主張は、 1972年のデイビッド・カミングスの論文^{[28]に起因しており、その中で彼は、ジャンクDNAは}すべての非コードDNAを指すと述べたと報告されています。 ^[19]しかし、カミングスはそのようなことを言ったことはありません。その論文では、リボソームRNAとtRNAの非コード遺伝子と非コード制御DNAについて議論し、非コードDNAの大部分の機能の可能性をいくつか提案しています。^[28]同年の別の出版物で、カミングスは、非コード制御配列は含まれないことを明確に理解した上で、ジャンクDNAという用語を再度議論しています。^[44]

全ての非コードDNAがジャンクであると考えられていたという考えは、ジャンクDNAの歴史を歪曲しているとして多くの著者から批判されてきた。^{[1] [45] [46] [47] [2]}例えば：

非コードDNAは長い間価値のないジャンクとして無視され、機能的仮説が最近になってようやく提唱されたというのは、メディアの報道やあまりにも多くの科学的研究の紹介でこの決まり文句が頻繁に繰り返されているにもかかわらず、まったく真実ではない。^[48]

批判の中には厳しいものもあった。

非コードDNAをジャンクと同一視する修正主義者の主張は、ネイチャーやその他の魅力的な雑誌で彼らの多弁を披露することを許されている人々が、最悪の若い地球創造論者と同じくらい無知であることを明らかにするだけです。^[49]

ジャンク DNA を識別する際の主な課題は、「機能的」配列と「非機能的」配列を区別することです。これは簡単なことではありませんが、両方のカテゴリに確かな証拠があります。

タンパク質コード配列は、ゲノムの中で最も明白な機能配列である。しかし、それらはほとんどの脊椎動物ゲノムの1〜2％しか占めていない。しかし、調節配列、複製起点、セントロメアなど、機能的だが非コードDNA配列も存在する^[2]。^[50]これらの配列は通常、進化の過程で保存されており、ヒトゲノムのさらに3〜8％を占めている。^[51]

DNA要素百科事典（ENCODE）プロジェクトは、ヒトゲノムの少なくとも80％をカバーする領域で検出可能な生化学的活性が観察されたと報告しました。生化学的活性は主に転写されると定義されています。 ^[52]これらの発見はジャンクDNAの終焉として発表されましたが^{[53] [54]}、転写は配列が「機能的」であることを意味するものではないことを指摘することが重要です。これは、意味を持たずに転写またはコピーできる無意味なテキストに似ています。^{[55] [1] [56] [57 ] [58] [2] [46] [59] [5] [45] [9]}

細菌ゲノムは一般に遺伝子密度が非常に高く、機能しないDNAはわずか数パーセントしかタンパク質をコードしていないため、まれである。^[60]

しかし、ほとんどの動物や植物のゲノムでは、これらの配列に明らかな選択圧がかかっていないため、DNA の大部分は機能しません。さらに重要なことは、これらの配列が他の方法で機能しないという強力な証拠があることです (ヒトゲノムを例に挙げます)。

（1）反復要素、特に可動要素は、LTRレトロトランスポゾン（全ゲノムの8.3％）、Alu要素を含むSINE （全ゲノムの13.1％） 、LINE（全ゲノムの20.4％）、SVA（SINE- VNTR -Alu）、クラスII DNAトランスポゾン（全ゲノムの2.9％）など、ヒトゲノムの大部分を占めています。^[61]これらの配列の多くは、古代のウイルス感染の子孫であり、したがってヒトゲノム機能の観点からは「非機能的」です。

（2）ゲノムの比較からわかるように、多くの配列が削除される可能性がある。例えば、14,623人の解析では、ヒトゲノムに42,765の構造変異が特定され、そのうち23.4％が複数の遺伝子に影響を与えていた（遺伝子の一部または全部を削除）。この研究では、1MBを超える削除が47件も発見され、ヒトゲノムの大きな部分が明らかな影響なしに削除される可能性があることが示された。^[62]

（３）ヒトゲノムのごく一部のみが保存されており、これらの配列には強い（機能的な）選択圧がかかっていないため、自由に変異できることを示しています。 ^{[51] [63]}ヒトゲノムの約11％以下が保存されており^{[64] [65] 、約7％が}純化選択を受けています。^[66]

ジャンクDNAに反対する人々は、生化学的活性が、配列の保存や純化選択では特定されないゲノムの機能領域を検出すると主張している。^{[67] [8] [68]}一部の科学者によると、問題の領域が帰無仮説から予想される以上の追加機能を持つことが示されるまで、暫定的に非機能的と分類されるべきである。^[69]

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