分子遺伝学

分子遺伝学は、 DNA分子の構造や発現の違いが生物間でどのように変異として現れるかを研究する生物学の一分野です。分子遺伝学では、遺伝子スクリーニングを使用して生物のゲノム内の遺伝子の構造や機能を決定するために「調査アプローチ」を適用することがよくあります。^{[1] [2]} 

この研究分野は、古典的なメンデル遺伝、細胞生物学、分子生物学、生化学、バイオテクノロジーなど、生物学のいくつかのサブフィールドの融合に基づいています。これらの分野を統合して、遺伝的遺伝、遺伝子制御と発現、さまざまな生命プロセスの背後にある分子メカニズムなどを研究します。^[1]

分子遺伝学の主な目的は、遺伝子変異を特定し研究することです。研究者は遺伝子の変異を探したり、遺伝子の変異を誘発して遺伝子配列を特定の表現型に結び付けたりします。^[3]そのため、分子遺伝学は、遺伝子変異と遺伝的状態を結び付ける強力な方法論であり、さまざまな遺伝性疾患の治療法の探索に役立つ可能性があります。

生命の設計図としてのDNAの発見と分子遺伝学研究の飛躍的進歩は、多くの科学者の共同研究から生まれました。1869 年、白血球の構成を研究していた化学者ヨハン・フリードリヒ・ミーシャーは、細胞核から新しい分子を発見し、単離してヌクレインと名付けました。これが、後に生命の分子基盤であると判明した DNA 分子の最初の発見となりました。彼は、それが水素、酸素、窒素、リンで構成されていることを突き止めました。^[4]生化学者アルブレヒト・コッセルは、ヌクレインを核酸として特定し、デオキシリボ核酸 (DNA) と名付けました。彼は、DNA とRNAの基本的な構成要素であるアデニン、グアニン、チミン、シトシン、ウラシルを単離することで、その研究をさらに進めました。彼は、ヌクレオチドに関する研究でノーベル生理学賞を受賞しました。^[5]

1900年代初頭、遺伝学の父の一人として知られるグレゴール・メンデルは、エンドウ豆を使った様々な実験を通じて遺伝学の分野に多大な貢献をしました。メンデルは、遺伝子が何で構成されているかを知らなくても、劣性形質や優性形質などの遺伝の原理を発見することができました。^[6] 19世紀半ばには、解剖学者ヴァルター・フレミングが、現在染色体として知られているものと、それが有糸分裂によって分離するプロセスを発見しました。彼とテオドール・ボヴェリの研究によって、染色体遺伝説が初めて提唱され、メンデルがかなり以前に観察していたパターンのいくつかを説明するのに役立ちました。^[7]

分子遺伝学が学問として発展するには、いくつかの科学的発見が必要だった。生命の遺伝コードを細胞から細胞へ、また世代間で伝達する手段としての DNA の発見は、遺伝を司る分子を特定するために不可欠だった。分子遺伝学は、当初は細菌の遺伝子変換に関する研究から生まれた。1944 年に Avery、McLeod、McCarthy ^{[8] は}S. pneumoniaeの毒性株から DNA を単離し、この DNA のみを使用して無害な株を毒性株に変換することに成功した。彼らは、細菌による DNA の取り込み、組み込み、および発現を「変換」と呼んだ。この発見は、DNA が細菌の遺伝物質であることを示唆した。^[9] 細菌の形質転換は、ストレス条件によって誘発されることが多く、形質転換の機能はゲノム損傷の修復であると思われる。^[9]

1950年、アーウィン・シャルガフはDNAが生命の遺伝物質である証拠となる法則を導き出した。その法則とは「1) DNAの塩基組成は種によって異なる、2) 天然のDNA分子ではアデニン(A)の量はチミン(T)の量と等しく、グアニン(G)の量はシトシン(C)の量と等しい」というものだった。^[10]これらの法則はシャルガフの法則として知られ、分子遺伝学の理解に役立った。^[10] 1953年、フランシス・クリックとジェームズ・ワトソンはロザリンド・フランクリンとモーリス・ウィルキンスによるX線結晶構造解析の研究を基に、DNAの3次元二重らせん構造を導き出した。^[11]

ファージグループは、マックス・デルブリュックを中心とした生物学者の非公式ネットワークであり、1945年から1970年頃の期間に分子遺伝学と分子生物学の起源に大きく貢献しました。^[12]ファージグループは、グループが実験モデル生物として使用した細菌感染ウイルスであるバクテリオファージにちなんで名付けられました。このグループに所属する分子遺伝学者による研究は、遺伝子でコード化されたタンパク質がDNA複製、DNA修復、DNA組み換えでどのように機能するか、またウイルスがタンパク質と核酸成分からどのように組み立てられるか（分子形態形成）の理解に貢献しました。さらに、連鎖終結コドンの役割が解明されました。注目すべき研究の1つは、バクテリオファージT4の主要なヘッドタンパク質をコードする遺伝子に欠陥のある「アンバー」変異体を使用して、シドニー・ブレナーと協力者によって行われたものです。^[13] この研究は、遺伝子とそのコードされたポリペプチドの共線性を実証し、タンパク質のアミノ酸配列はタンパク質を決定する遺伝子のヌクレオチド配列によって指定されるという「配列仮説」の強力な証拠を提供した。 

1969年にアーバーとリンが大腸菌で制限酵素を単離したことで、遺伝子工学の分野が開かれた。^{[14]制限酵素は、}電気泳動 による分離のためにDNAを線状化するために使用され、サザンブロッティングでは、ハイブリダイゼーションプローブを介した特定のDNAセグメントの識別が可能になった。^{[15] [16]} 1971年、バーグは制限酵素を利用して、最初の組み換えDNA分子と最初の組み換えDNAプラスミドを作成した。^[17]   1972年、コーエンとボイヤーは、現在では細菌形質転換として知られる組み換えDNAプラスミドを大腸菌に挿入することで、最初の組み換えDNA生物を作成し、分子クローニングへの道を開いた。^{[18] 1970年代後半に最初にマクサムとギルバート、次に}フレデリック・サンガーによって  開発されたDNA配列決定技術は、分子遺伝学研究にとって極めて重要であり、科学者が遺伝子型配列を表現型に関連付ける遺伝子スクリーニングを開始できるようにした。^[19] 1985年にマリスが発明したTaqポリメラーゼを使用したポリメラーゼ連鎖反応（PCR）により、科学者は特定のDNA配列のコピーを何百万も作成することができ、これを形質転換に使用したり、アガロースゲル分離を使用して操作したりできるようになりました。^[20] 10年後、最初の全ゲノムが解読され（インフルエンザ菌）、続いて2001年にヒトゲノムプロジェクトによりヒトゲノムの最終的な解読が行われました。 ^[21]これらすべての発見の集大成が、遺伝子の分子構造をDNAのそのセグメントによってコードされているタンパク質またはRNAと、生物内でのそのタンパク質の機能的発現に結び付けるゲノミクスと呼ばれる新しい分野でした。^{[22]今日、分子遺伝学技術の応用により、ゲノミクスは多くのモデル生物で研究されており、データは}NCBIやEnsembl などのコンピュータデータベースに収集されています。異なる種内および種間の遺伝子のコンピューター分析と比較はバイオインフォマティクスと呼ばれ、進化のスケールで遺伝子変異を結び付けます。^[23]

セントラルドグマは分子遺伝学の研究において重要な役割を果たしている。セントラルドグマは、DNA が自己複製し、DNA が RNA に転写され、RNA がタンパク質に翻訳されると述べている。^[24]セントラルドグマとともに、遺伝暗号はRNA がタンパク質に翻訳される仕組みを理解するのに用いられる。DNA の複製と DNA から mRNA への転写は核内で行われ、RNA からタンパク質への翻訳はリボソーム内で行われる。^[25]遺伝暗号は、DNA 分子の「塩基」と呼ばれる 4 つの交換可能な部分、すなわちアデニン、シトシン、ウラシル (RNA では、DNA ではチミン)、グアニンから成り、冗長性がある。つまり、これらの塩基対の複数の組み合わせ (3 回読み取られる) によって同じアミノ酸が生成される。^[26] プロテオミクスとゲノミクスは、分子遺伝学とセントラルドグマの研究から生まれた生物学の分野である。^[27]

生物のゲノムはDNA全体から構成されており、その遺伝的特徴、機能、発達を担っています。DNAの構成自体は分子遺伝学の分野に不可欠な要素であり、DNAが遺伝情報を保存し、伝達し、読み取りや翻訳が可能な形式になる基礎となっています。^[28]

DNA は二本鎖分子で、各鎖は反平行に配向しています。ヌクレオチドは DNA の構成要素で、それぞれ糖分子、リン酸基、および 4 つの窒素塩基 (アデニン、グアニン、シトシン、チミン) のいずれかで構成されています。DNA の一本鎖は共有結合で結合し、2 つの反平行鎖はヌクレオチド塩基間の水素結合で結合しています。アデニンはチミンと結合し、シトシンはグアニンと結合します。これら 4 つの塩基配列がすべての生物の遺伝コードを形成し、生物が合成できるすべてのタンパク質の情報を含んでいます。^[29]

DNAはその独特な構造により、細胞分裂中に生物学的情報を保存し、世代を超えて受け継ぐことができます。細胞分裂の際、細胞はゲノムをコピーして娘細胞に受け継ぐことができなければなりません。これはDNAの二重鎖構造により可能になります。なぜなら、一方の鎖がもう一方の鎖と相補的であり、したがってこれらの各鎖が新しい相補鎖を形成するためのテンプレート鎖として機能することができるからです。これが、DNA複製のプロセスが半保存的プロセスとして知られている理由です。^[30]

フォワード遺伝学は、特定の表現型を生み出す遺伝子または遺伝子変異を特定するために用いられる分子遺伝学の手法である。遺伝子スクリーニングでは、突然変異原（化学物質または放射線）またはトランスポゾンを用いてランダムな突然変異を生成し、特定の表現型について個体をスクリーニングする。多くの場合、細菌や細胞培養など、望ましい表現型を観察することが難しい場合、突然変異誘発の後に選択という形で二次アッセイが行われることがある。抗生物質耐性遺伝子または蛍光レポーターを使用して細胞を形質転換し、望ましい表現型を持つ突然変異体を非突然変異体から選択することができる。^[31]

関心のある表現型を示す変異体を分離し、相補性試験を行って、その表現型が複数の遺伝子から生じているかどうかを判定する。変異遺伝子は、優性（機能獲得）、劣性（機能喪失）、またはエピスタシス（変異遺伝子が別の遺伝子の表現型を隠す）として特徴付けられる。最後に、変異の位置と特定の性質がシーケンシングによってマッピングされる。^[32] 順方向遺伝学は偏りのないアプローチであり、予期せぬ発見につながることが多いが、費用と時間がかかる可能性がある。線虫Caenorhabditis elegans、ショウジョウバエDrosophila melanogaster、ゼブラフィッシュDanio rerioなどのモデル生物は、遺伝子変異から生じる表現型の研究に効果的に使用されてきた。^[33]

逆遺伝学とは、目的の遺伝子に意図的に突然変異を起こさせた結果生じる表現型を決定するために使用される分子遺伝学技術の用語である。表現型は、遺伝子の突然変異していないバージョンの機能を推測するために使用される。突然変異は、目的の遺伝子に対するランダムまたは意図的な変化である。突然変異には、ヌクレオチドの置換によって引き起こされるミスセンス突然変異、フレームシフト突然変異を誘発するヌクレオチドの追加または削除、または遺伝子または遺伝子セグメントの完全な追加/削除がある。特定の遺伝子を削除すると、遺伝子が発現されずに機能喪失が生じる遺伝子ノックアウトが生じる（ノックアウトマウスなど）。ミスセンス突然変異は、完全な機能喪失を引き起こす場合もあれば、ノックダウンとして知られる部分的な機能喪失をもたらす場合もある。ノックダウンは、RNA干渉（RNAi）によって達成されることもある。^[35]あるいは、遺伝子を生物のゲノムに置換して（トランスジーンとも呼ばれる）、遺伝子ノックインを作成し、宿主による機能獲得をもたらすこともある。^[36]これらの技術は、表現型を特定の機能に結び付ける決定に関してある程度の固有の偏りがあるものの、関心のある遺伝子が既に分かっているため、生産の面では順方向遺伝学よりもはるかに高速です。

分子遺伝学は、遺伝学の基礎をツールとして利用し、病気や生物の生物学的プロセスを分子レベルで理解する科学的アプローチです。以下は、この分野の研究者が頻繁に使用するツールの一部です。

マイクロサテライトまたは単一配列反復（SSRS）は、ゲノム上の特定の位置にある6ヌクレオチドで構成されるDNAの短い反復セグメントであり、遺伝子マーカーとして使用されます。これらの反復は個人/家族に非常に固有であるため、研究者はDNAフィンガープリンティングや父子鑑定などの技術でこれらのマイクロサテライトを分析できます。また、遺伝子地図の作成や、特定の形質や疾患の原因となる遺伝子または変異を見つけるための遺伝的連鎖の研究にも使用できます。マイクロサテライトは、集団遺伝学に適用してグループ間の比較を研究することもできます。^[37]

ゲノムワイド関連研究(GWAS) は、一塩基多型 ( SNP )を利用して、特定の疾患に関連する可能性のある集団の遺伝的変異を研究する手法です。ヒトゲノムプロジェクトはヒトゲノム全体をマッピングし、研究者がこの手法をより容易に利用でき、コスト効率の高い方法で実施できるようにしました。GWAS を実施するには、研究者は 2 つのグループを使用します。1 つは研究者が研究している疾患を持つグループ、もう 1 つはその特定の疾患を持たない対照群です。参加者から DNA サンプルを採取し、その後、ラボの機械でゲノムを抽出して迅速に調査し、参加者を比較して、疾患に関連する可能性のある SNP を探します。この手法により、研究者はヒトゲノム内の関心のある遺伝子と場所を特定し、さらに研究して疾患の原因を特定することができます。^[38]

核型分析により、研究者は染色体が凝縮状態にある有糸分裂中期の染色体を分析することができます。染色体は染色され、顕微鏡で観察され、染色体異常がないか調べます。この技術は、ダウン症候群などの先天性遺伝性疾患の検出、胎児の性別の特定、転座などの染色体変異によって引き起こされる一部の癌の診断に使用できます。^[39]

遺伝子工学は科学の新興分野であり、研究者は分子遺伝子技術を活用して生物のDNAを改変し、産業、農業、医療目的で遺伝子改変および強化された生物を作成することができます。これは、DNA配列の塩基対を変更したり、DNAの特定の領域を追加または削除したりするゲノム編集技術を通じて行うことができます。^[40]

遺伝子編集により、科学者は生物のDNAを変更/編集することができます。これを行う方法の1つは、細菌に自然に発生するゲノム免疫防御から適応されたCrispr / Cas9技術を使用することです。この技術は、科学者が特定の場所でDNA鎖を切断できるようにするタンパク質Cas9に依存しており、切断がゲノムの適切な場所で行われるように特殊なRNAガイド配列を使用します。次に、科学者はDNA修復経路を使用してゲノムの変化を誘発します。この技術は、病気の治療に幅広い影響を与えます。^[41]

分子遺伝学は医療の進歩に幅広い影響を及ぼしており、病気の分子的基礎を理解することで、より効果的な診断と治療が可能になります。この分野の目標の1つは個別化医療であり、個人の遺伝学が病気の原因を特定し、その治療法をカスタマイズするのに役立ち、より効果的な個別化された治療アプローチを可能にする可能性があります。たとえば、個人の特定の遺伝子変異により、特定の薬に対する感受性が高まる一方で、治療に対する副作用のリスクが高くなる可能性があります。したがって、この情報により、研究者や臨床医は、標準的な試行錯誤のアプローチではなく、患者に対する治療の有効性について最も情報に基づいた決定を下すことができます。^[42]

法医学遺伝学は、さまざまな分子遺伝学的手法を用いることで、犯罪捜査に重要な役割を果たしている。一般的な手法の1つは、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）やゲル電気泳動などの分子遺伝学的手法を組み合わせて行うDNAフィンガープリンティングである。PCRは、標的DNA配列を増幅できる手法であり、犯罪現場から少量のDNAを抽出して何度も複製することで、分析に十分な量の材料を得ることができる。ゲル電気泳動では、DNA配列をサイズに基づいて分離することができ、得られるパターンはDNAフィンガープリンティングと呼ばれ、各個人に固有のものである。この分子遺伝学的手法の組み合わせにより、単純なDNA配列を抽出、増幅、分析し、他の配列と比較することができ、法医学で使用される標準的な手法となっている。^[43]

• 遺伝学、細胞遺伝学、腫瘍学に関連するサイトとデータベース（腫瘍学と血液学における遺伝学と細胞遺伝学のアトラス）
• ジェレミー・W・デール、サイモン・F・パーク。2010年。細菌の分子遺伝学、第5版ISBN 978-0-470-74184-9 

• ウィキメディア・コモンズの分子遺伝学に関連するメディア