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用い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、「調査的アプローチ」がよく用いられます。^{[ 1 ] [ 2 ]} 

この研究分野は、古典的なメンデル遺伝学、細胞生物学、分子生物学、生化学、バイオテクノロジーといった生物学のいくつかの下位分野の融合に基づいています。遺伝的継承、遺伝子制御と発現、さまざまな生命過程の背後にある分子メカニズムなどを探求するために、これらの分野を統合しています。^{[ 1 ]}

分子遺伝学の重要な目標は、遺伝子変異を特定して研究することです。研究者は、遺伝子の変異を探したり、遺伝子に変異を誘発したりして、遺伝子配列と特定の表現型を結びつけます。^{[ 3 ]}したがって、分子遺伝学は、さまざまな遺伝性疾患の治療法の探索に役立つ可能性のある、変異と遺伝的状態を結びつける強力な方法論です。

生命の設計図としてのDNAの発見と分子遺伝学研究のブレークスルーは、多くの科学者の共同研究から生まれた。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、細胞核からヌクレインと名付けた新しい分子を発見し、単離した。これは最終的に、後に生命の分子基盤であると判明する分子DNAの最初の発見となった。彼は、ヌクレインが水素、酸素、窒素、リンから構成されていることを突き止めた。^{[ 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）と名付けた。彼は、DNAとRNAの基本構成要素であるヌクレオチド（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、この研究をさらに発展させた。ヌクレオチドに関する彼の研究は、ノーベル生理学賞をもたらした。^{[ 5 ]}

1800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して遺伝学の分野に多大な貢献をしました。彼は、遺伝子が何で構成されているかを知らずに、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、解剖学者のヴァルター・フレミングは、現在私たちが染色体と呼んでいるものと、有糸分裂による染色体の分離過程を発見しました。彼とテオドール・ボヴェリの研究は、メンデルがずっと以前に観察したいくつかのパターンを説明するのに役立つ染色体遺伝説を初めて提唱しました。^{[ 7 ]}

分子遺伝学が学問分野として発展するためには、いくつかの科学的発見が必要でした。DNAが生命の遺伝暗号を細胞間、そして世代間で伝達する手段として発見されたことは、遺伝を司る分子を特定する上で不可欠でした。分子遺伝学は、当初、細菌の遺伝子形質転換に関する研究から始まりました。1944年、Avery、McLeod、McCarthy ^{[ 8 ]}は、肺炎球菌 の毒性株からDNAを分離し、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ができました。彼らは、細菌によるDNAの取り込み、組み込み、発現を「形質転換」と呼びました。この発見は、DNAが細菌の遺伝物質であることを示唆しました。^{[ 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考えられています。^{[ 9 ]}

1950年、エルヴィン・シャルガフは、 DNAが生命の遺伝物質であることを示す証拠となる規則を導き出した。それは、「1) DNAの塩基組成は種によって異なり、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」というものであった。^{[ 10 ]}シャルガフの規則として知られるこれらの規則は、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・ウィルキンスが行ったX線結晶学の研究に基づいて、DNAの3次元二重らせん構造を導き出すことができた。^{[ 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なネットワークであり、1945年から1970年頃にかけて分子遺伝学と分子生物学の起源に大きく貢献した。^{[ 12 ]}ファージグループは、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からその名が付けられた。このグループに所属する分子遺伝学者による研究は、遺伝子によってコードされたタンパク質がDNA複製、DNA修復、DNA組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）の理解に貢献した。さらに、鎖終結コドンの役割が解明された。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・ブレナーとその共同研究者によって行われた。^{[ 13 ]} この研究は、遺伝子とそれがコードする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。 

The isolation of a restriction endonuclease in E. coli by Arber and Linn in 1969 opened the field of genetic engineering.^[14] Restriction enzymes were used to linearize DNA for separation by electrophoresis and Southern blotting allowed for the identification of specific DNA segments via hybridization probes.^[15][16] In 1971, Berg utilized restriction enzymes to create the first recombinant DNA molecule and first recombinant DNA plasmid.^[17]  In 1972, Cohen and Boyer created the first recombinant DNA organism by inserting recombinant DNA plasmids into E. coli, now known as bacterial transformation, and paved the way for molecular cloning.^[18]  The development of DNA sequencing techniques in the late 1970s, first by Maxam and Gilbert, and then by Frederick Sanger, was pivotal to molecular genetic research and enabled scientists to begin conducting genetic screens to relate genotypic sequences to phenotypes.^[19]Polymerase chain reaction (PCR) using Taq polymerase, invented by Mullis in 1985, enabled scientists to create millions of copies of a specific DNA sequence that could be used for transformation or manipulated using agarose gel separation.^[20] A decade later, the first whole genome was sequenced (Haemophilus influenzae), followed by the eventual sequencing of the human genome via the Human Genome Project in 2001.^[21] The culmination of all of those discoveries was a new field called genomics that links the molecular structure of a gene to the protein or RNA encoded by that segment of DNA and the functional expression of that protein within an organism.^[22] Today, through the application of molecular genetic techniques, genomics is being studied in many model organisms and data is being collected in computer databases like NCBI and Ensembl. The computer analysis and comparison of genes within and between different species is called bioinformatics, and links genetic mutations on an evolutionary scale.^[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ます。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ます。^{[ 24 ]}セントラルドグマとともに、遺伝暗号はRNAがどのようにタンパク質に翻訳されるかを理解するために用いられます。DNAの複製とDNAからmRNAへの転写は核内で起こり、RNAからタンパク質への翻訳はリボソーム内で起こります。^{[ 25 ]}遺伝暗号は、DNA分子の4つの交換可能な部分、すなわち「塩基」と呼ばれるアデニン、シトシン、チミン（RNAではウラシル）、グアニンから構成されており、冗長性があります。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）が同じアミノ酸を生成します。^{[ 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す。^{[ 27 ]}

生物のゲノムは、その生物のDNAセット全体で構成され、その生物の遺伝的特性、機能、発達を担っています。DNA自体の構成は分子遺伝学の分野において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方法の基礎となっています。^{[ 28 ]}

DNAは二本鎖分子であり、各鎖は逆平行に配向している。ヌクレオチドはDNAの構成要素であり、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）のいずれかから構成されている。DNAの一本鎖は共有結合によって結合しているが、2本の逆平行鎖はヌクレオチド塩基間の水素結合によって結合している。アデニンはチミンと結合し、シトシンはグアニンと結合する。これら4つの塩基配列がすべての生物の遺伝暗号を形成し、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る。^{[ 29 ]}

DNAの独特な構造により、細胞分裂中に生物学的情報を世代を超えて保存および伝達することが可能になります。細胞分裂の際、細胞はゲノムをコピーして娘細胞に伝達できなければなりません。これは、DNAの二本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るため、これらの鎖のそれぞれが新しい相補鎖の形成のための鋳型鎖として機能することができるからです。これが、DNA複製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 ]}

分子遺伝学は、遺伝学の基礎原理をツールとして活用し、疾患や生物における生物学的プロセスの分子基盤をより深く理解するための科学的手法です。以下に、この分野の研究者がよく用いるツールをいくつか紹介します。

• 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は、腫瘍学および血液学における遺伝学と細胞遺伝学のアトラスに掲載されています。
• ジェレミー・W・デール、サイモン・F・パーク著。2010年。『細菌の分子遺伝学』第5版ISBN 978-0-470-74184-9

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