改変（遺伝学）

遺伝学における改変という用語は、DNA の自然に発生する変更と人工的に作られた変更の両方を指します。偶発的または自然な突然変異は、複製と修復の際のエラーによって、自発的に、または環境ストレスによって発生します。意図的な改変は、より丈夫な種子や植物の開発、そしてますます増えている人間の病気の治療など、さまざまな目的で研究室で行われます。遺伝子編集技術の使用は依然として議論の的となっています。

改変とは、偶発的な突然変異またはさまざまなバイオテクノロジーを使用した意図的な遺伝子改変により、個体の DNA に生じる変化のことです。^[1]「改変」と「突然変異」という用語はしばしば互換的に使用されるため混乱が生じますが、改変は突然変異と遺伝子工学の両方の定義を包含する包括的な用語として機能するため、突然変異とは区別されます。^[1]これらのサブカテゴリは両方とも、生物の遺伝子型または特定の対立遺伝子の変化によって引き起こされる、生物の観察可能な特性(表現型とも呼ばれます) に影響を与える変化をもたらし、その結果、遺伝子発現が変化します。^[2]エピジェネティックな改変の場合のように、遺伝性は個体の表現に大きな役割を果たしますが、改変のすべてのインスタンスが遺伝性であるわけではありません。遺伝子レベルでのこのような変異の起源が何であれ、タンパク質の生成と相互作用に明らかに影響を及ぼし、細胞機能、表現型、生物機能を変化させます。^[3]

遺伝子組み換えは、生物のゲノムにおける前述の突然変異を通じて自然に起こる場合もあれば、新しいものを作ったり既存のものを改良したりするために操作する遺伝子を選択するバイオテクノロジー的な方法を通じて起こる場合もあります。^[1]自然に起こる変化と意図的な変化を区別することが、突然変異と遺伝子工学の違いを理解する鍵となります。^[1]

突然変異は、より正確には、親から子孫に何世代にもわたって一貫して受け継がれる表現型の非組み合わせ的変化と定義できます。^[1]突然変異は多くの要因に起因し、さまざまな形で発生しますが、ほとんどの場合、DNA複製中または外部要因への曝露中に発生するエラーに起因します。^[4]細胞プロセスは非常に効率的であるため、完璧ではなく、同じ種の生物間で差異が生じます。^[4]これらの差異は、まったく影響が見られない場合から生存不能の可能性まで、あらゆる強度のさまざまな表現型の影響を引き起こす可能性があります。 ^[4]気候、食事、酸素レベル、光周期、および疾患感受性に強く関連する変異原または化学物質などの環境条件により、遺伝子発現が変化する可能性があります。^{[5] [6]}このような要素への曝露のタイミングと期間は重要な要因であり、生物の表現型応答に大きな影響を与える可能性があり、一般的に時間の経過とともに重症度が増します。^[7]

方法:

突然変異には、自然突然変異、複製および修復中のエラー、環境の影響による突然変異など、いくつかの方法または形態があります。 ^[8]これらの突然変異の起源は、大規模および小規模の両方で遺伝子発現に影響を与える多くの異なるタイプの突然変異を引き起こす可能性があります。^[8]

遺伝子工学は意図的な遺伝子組み換えの一種であり、バイオテクノロジーを利用して生物のゲノムを改変する。^[要出典]世界保健機関（WHO）によると、遺伝子組み換え生物は「交配や自然組み換えによって自然には起こらない方法で遺伝物質（DNA）が改変された生物（植物、動物、微生物）」と定義されている。^[9]このタイプの改変には、既存の遺伝コードへのDNA塩基の挿入または削除が含まれる場合がある。^[10]バイオテクノロジーの方法論では、遺伝子組み換え生物（GMO）を作成するために、一連の4つのステップが使用される。^[11]

1. 1. 識別する
      1. 研究者は、通常、問題を解決したいという欲求に基づいて興味の特性を特定します。^[11]
   2. 隔離する
      1. 研究者は、同じ種内の生物のゲノムを、その形質の有無で比較することで、特定の形質の配列を解明します。^[11]
   3. 入れる
      1. 次に、配列とさまざまな酵素を利用して、形質の遺伝子をプラスミドベクターに挿入し、それを細菌に挿入して望ましい遺伝子を増殖させます。^[11]
   4. 育つ
      1. 遺伝子組み換え作物が成功した証拠は、新たに編集されたゲノムによる成長と複製であり、新たな改変による生物への悪影響はない。^[11]

方法:

CRISPR法は、前述のゲノム編集プロセスの中で広く使用されているタイプです。^[12]「Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats」の略であるCRISPR遺伝子編集により、科学者は手動で遺伝子発現を変更し、エラーを修正したり、新しいバリエーションを作成したりできます。^[12] 2012年以来、科学者は遺伝性疾患を治療し、遺伝子を最も望ましい形質に改変し、意図的にDNAを高精度で改変する機会を持つこの技術の開発に取り組んできました。^[13]

タンポポ：ほとんどのタンポポは長い茎を持っていますが、環境における潜在的な脅威の増加により、特定の種では平均的な茎の長さが短くなり、それらの脅威をよりうまく回避できるようになりました。^[14]この適応は、環境圧力によって選択された短い茎の個体で発生した突然変異によって可能になりました。 ^[15]短い茎のタンポポは長い茎のタンポポよりも適応度が高く、より頻繁に生き残ることができたため、集団の遺伝的頻度が変化し、突然変異の最初の発生を通じて遺伝子組み換えが行われました。^[15]

鎌状赤血球症：健康な人では、HBB遺伝子は体全体に酸素を運ぶヘモグロビンをコードする役割を担っています。^[16]しかし、塩基対の点突然変異によりHBB遺伝子の変異コピーを2つ受け継いでこの病気にかかった場合、赤血球の形が変わります。^[16]この変化した形状により血流が阻害され、深刻な健康被害が生じます。^[16]一方、この遺伝子の変異コピーを1つだけ受け継いだ人は、マラリアに対する防御力が高くなります。^[17]

アルツハイマー病：研究室での合成例として、科学者はヒトのアルツハイマー病の原因として知られているアミロイド前駆体タンパク質（APP）遺伝子を単離し、それを線虫の神経細胞に導入しました。[ ^10]科学者は、この単純な生物におけるアルツハイマー病の進行を研究することを目指しました。APPタンパク質を緑色蛍光タンパク質でタグ付けすることで、線虫が老化するにつれて遺伝子をよりよく視覚化できるようになりました。^[10]単純な線虫とAPP遺伝子の実験から学んだことを活用して、科学者はヒトのアルツハイマー病を引き起こすこの遺伝子の役割についての理解を深めました。^[10]

インスリン：遺伝子組み換え細菌の最初の使用は、糖尿病患者が血糖値を医学的にコントロールするために必要な医療用インスリンでした。^[18]科学者は次の手順で、世界中で何百万人もの人々が頼りにしている医療製品を遺伝子組み換えすることができます。^[10]

1. プラスミドと呼ばれる細菌または酵母の環状 DNA から小さな DNA 片が抽出されます。科学者は特定の制限酵素を使用してこの DNA を抽出します。
2. 次に、科学者は抽出した DNA の隙間にインスリンのヒト遺伝子を挿入します。このプラスミドは現在、遺伝子組み換え体とみなされています。
3. 遺伝子組み換えされた物質は、新たな細菌または酵母細胞に再導入されます。
4. この細胞はその後、有糸分裂を起こして急速に分裂し、人間のニーズに適したインスリンを生成します。
5. 科学者たちは、遺伝子組み換えされた細菌や酵母を、必要な栄養素がすべて含まれた大型発酵容器で培養し、大量のインスリンを培養できるようにしています。
6. 発酵が完了すると、混合物は濾過され、最終的なインスリンが生成されます。
7. その後、インスリンは精製され、ボトルやインスリンペンに詰められて糖尿病患者に配布されます。

CRISPR-Cas9遺伝子編集技術の急速な発展により、この技術がより一般的に使用されるようになるにつれて、この倫理的論争の懸念と重要性が高まっています。^{[19] [20]}科学界は、遺伝子組み換え生物を日常生活で利用することのリスクと利点を継続的に評価することを推奨しています。^[21]遺伝子組み換えは、生物に挿入された後、制御された条件下で研究者によって研究され、特定の遺伝子組み換えと特定の生物の反応の影響についての科学的理解が向上します。

2015年4月、遺伝子編集技術がヒトの胚に使用され、そのような行為の倫理性に関する議論がそれ以来続いている。^[22]それにもかかわらず、科学者と政策立案者は、生殖細胞ゲノム編集の合法性は公の審議によって決定されるべきであることに同意している。^[23]病状を改善することを目的として人の非遺伝性DNAを変更することは一般的に受け入れられており、そのような手順を監視する倫理プロトコルが多数ある。^[19]これには、臓器提供、骨髄移植、遺伝子治療の種類などの変更が含まれ、これらはすべて文化的および宗教的価値を考慮している。^[19]一方、19か国がこの種の遺伝子変更を違法としているという事実に例示されるように、遺伝性の遺伝子変更をめぐる論争がある。^[19]ヒト胚の活力が成人と同等であると信じる人々にとって、受精時または受精直後に行われる初期発生におけるゲノム編集は道徳的な懸念を引き起こす。^[13]これらの懸念を軽減するために、ヒト胚を用いた研究では、体外受精治療で残った胚が使用されてきた。^[13]科学者たちはまた、研究目的に限って、提供された精子と卵子から受精卵を作成することを提案している。^[13]しかし、これは、実験のためだけに受精卵を作成するという概念について、科学界内でさらなる倫理的懸念を引き起こしている。^[13]

遺伝子組み換え食品については、様々な時間スケールで健康や環境に及ぼす可能性がある物議を醸す影響に関しても議論が交わされている。^[24]この分野に残る不確実性を軽減するために、遺伝子組み換え食品の承認に関する規制が実施されている。^[25]遺伝子組み換え食品の開発を支持する理由としては、指数関数的に増加する人口の需要を満たすこと、耕作可能な土地の減少を補うこと、種の改良の可能性を制限する遺伝的多様性の減少に対処することなどが挙げられる。^[24]その他の利点としては、除草剤耐性の向上、害虫および細菌/真菌/ウイルスに対する耐性の向上、ストレス耐性の向上、生物内の栄養含有量の増加などがある。^[26]遺伝子工学のバイオテクノロジーは、これらの問題に対処し、食料生産経済にプラスの影響を与えることで、世界的な食糧安全保障を達成する機会を提供する。^[24]潜在的な健康リスクも研究されており、遺伝子組み換え食品が一般の人々に消費される前に安全性を明らかにすることが求められている。これらの生物が以前はバランスが取れていた生態系に加えられると、食物連鎖の混乱によって環境への影響も考慮される。^[24]遺伝子組み換えは非常に速いため、環境が新しい生物を適応させて生態系に統合できないか、周囲に望ましくない影響を及ぼす可能性がある。^[26]環境へのその他の影響としては、不自然な遺伝子流動、土壌や水の化学組成の変化、種の多様性の減少などがある。^[25]

遺伝子編集に関する倫理的配慮は、社会全体への影響が限定的であることから、科学界では大きな議論の的となっている。^[19]合意には至っていないが、利用可能なリソースを活用して、教育、科学研究、遺伝子組み換えに関連する倫理的、法的、社会的問題に関する研究を継続する計画がある。^[20]