表現型

遺伝学において、表現型（古代ギリシャ語のφαίνω ( phaínō ) '現れる、示す'とτύπος ( túpos ) '印、型'に由来）は、生物の観察可能な特性または形質の集合である。^{[ 1 ] [ 2 ]}この用語は、生物のゲノム以外の、一時的なものであっても生物のすべての形質を網羅している。生物の形態（物理的な形と構造）、発生過程、可逆的か不可逆的かを問わず生化学的および生理学的特性、孔雀のディスプレイなどのすべての行動などである。 ^{[ 3 ]}  

生物の表現型は、2つの基本的な要因によって決まります。1つは、生物固有の遺伝子プロファイル（遺伝子型）の発現、もう1つは、その生物が経験する環境要因の影響です。環境要因は、これらの遺伝子の発現の変動に影響を与え、結果として定義形質のプロファイルを形成します。発生過程は遺伝子と環境、遺伝子と遺伝子の相互作用の複雑な相互作用であるため、特定の集団には、単なる遺伝子型の変動を超えた高度な表現型の変動が存在します。^{[ 4 ]}

多型性のよく知られた例として、ラブラドール・レトリバーの毛色があります。毛色は多くの遺伝子に依存しますが、環境中では黄色、黒、茶色として明確に認識されます。リチャード・ドーキンスは1978年に^{[ 5 ]}、そして1982年の著書『拡張表現型』で、鳥の巣やトビケラの幼虫の巣、ビーバーのダムなどの他の建造物を「拡張表現型」とみなすことができると示唆しました。

ヴィルヘルム・ヨハンセンは、生物の遺伝物質と「生物界のあらゆる典型的な現象」との違いを明確にするために、1911年に遺伝子型と表現型の区別を提唱した。「生物の形態、構造、大きさ、色、その他の特徴に関する記述は、博物学の主要な目的であった」^{[ 6 ] [ 7 ]。}この区別は、生殖質（遺伝）と体細胞（身体）を区別したアウグスト・ヴァイスマン（1834～1914）が提唱したものといくらか似ている。最近では、ドーキンスが『利己的な遺伝子』 （1976年）で、これらの概念を複製子と乗り物として再記述した。

一見すると単純な定義に見える表現型の概念には、隠れた微妙な点が存在する。RNAやタンパク質などの分子を含め、遺伝子型に依存するものはすべて表現型であるように思えるかもしれない。遺伝物質によってコードされるほとんどの分子や構造は、生物の外見上は見えないが、観察可能であり（例えばウェスタンブロッティングによって）、したがって表現型の一部である。ヒトの血液型はその一例である。これは、生物そのものに焦点を当てるという、この概念の本来の意図を超えているように思えるかもしれない。いずれにせよ、表現型という用語は、観察可能な固有の特性や特徴、あるいは何らかの技術的手法によって可視化できる特性を含む。

「表現型」という用語は、突然変異体とその野生型との間の表現型の違いを簡潔に表すために誤って使用されることがあり、その結果、「突然変異には表現型がない」という誤った主張につながる。^{[ 8 ]}

行動とその結果も表現型である。なぜなら行動は観察可能な特性だからである。行動表現型には認知、性格、行動パターンが含まれる。行動表現型の中には精神障害^{[ 9 ]}や症候群^{[ 10 ] [ 11 ]を特徴づけるものもある。}

フェノームとは、細胞、組織、器官、生物、または種によって発現されるすべての形質の集合である。この用語は、1949 年に Davis によって初めて使用され、「我々はここで、細胞質であろうと核であろうと、細胞の遺伝子外の非自己生殖部分の総和に対してフェノームという名称を提案する。フェノームは表現型の物質的基盤であり、ゲノムが遺伝子型の物質的基盤であるのと同様である。」^{[ 12 ]}フェノームは長年使用されてきたが、フェノームと表現型の使用の区別は問題となっている。両方の用語を「生物またはそのサブシステムの 1 つのすべての形質の物理的総体」として定義する提案が、1997 年に Mahner と Kary によって提示された。彼らは、科学者は研究を妨げない方法でこれらの用語や関連用語を直感的に使用する傾向があるが、これらの用語は明確に定義されておらず、用語の使用も一貫していないと主張している。^{[ 13 ]}

この用語のいくつかの使い方は、特定の生物のフェノームは表現型の物理的発現を表す一種のデータマトリックスとして理解するのが最適であることを示唆しています。たとえば、2003 年までこの用語を使用していた人々の間で A. Varki が主導した議論では、次の定義が提案されました。「遺伝的要因と環境要因の影響下にある生物の表現型を記述する情報群」。^{[ 14 ]}別の研究チームは、「ヒトのフェノームは、プロテオーム、細胞システム（例：シグナル伝達経路）、神経システム、認知および行動表現型にまたがる、複数の神経生物学的レベルを持つ多次元探索空間」であると特徴付けています。^{[ 15 ]}植物生物学者は、植物生理学の研究でフェノームの調査を開始しました。^{[ 16 ]} 2009 年に、研究チームは、DNAバイオバンクにリンクされた電子健康記録(EHR)を使用して遺伝子型と表現型の関連性を特定する実現可能性を実証しました。彼らはこの方法をフェノームワイド関連研究（PheWAS）と呼んだ。^{[ 17 ]}

遺伝子型からゲノム、そしてパンゲノムへの進化に触発され、最終的にはパンフェノーム、パンゲノム、パンエンビロームの関係を探るという概念が2023年に提案された。^{[ 18 ]}

表現型の変異は、自然選択による進化の基本的な前提条件である。すべての表現型の変異が、根底にある遺伝的変異によって引き起こされるわけではない。これは、ダーウィンが強調したように、生物の組織が「可塑的」、つまり「容易に変化する能力」を持っているためである。^{[ 19 ]}生物全体が環境と相互作用し、次世代に貢献する（または貢献しない）。したがって、自然選択は、表現型の貢献を介して間接的に集団の遺伝的構造に影響を与える。表現型の変異がなければ、自然選択による進化は起こらないだろう。^{[ 20 ]}

遺伝子型と表現型の相互作用は、しばしば生物を参照することなく概念化されてきた。例えば、次のような関係である。

遺伝子型（G）＋環境（E）→表現型（P）

しかし、遺伝子型は、それが生物に具現化されている限りにおいてのみ、環境の影響を受け、また環境に影響を与えることができる。したがって、よりニュアンスに富んだ関係性は次のようになる。

遺伝子型（G）＋生物と環境の相互作用（OE）→表現型（P）

表現型は、遺伝子型の発現においてしばしば大きな柔軟性または表現型可塑性を示します。多くの生物では、特定の遺伝子型を「発現」する表現型は、さまざまな環境条件下で大きく異なります。植物のHieracium umbellatumは、スウェーデンの2 つの異なる生息地で生育しています。1 つの生息地は岩の多い海岸の崖で、そこでは植物は幅広の葉と広がった花序を持つ茂み状に発達します。もう 1 つは砂丘で、そこでは植物は狭い葉と密な花序を持つ匍匐性に発達します。これらの生息地はスウェーデンの海岸沿いに交互に存在し、 Hieracium umbellatumの同一の遺伝子型を含む種子が着地する生息地によって、発達する表現型が決まります。^{[ 21 ]}

ショウジョウバエにおけるランダムな変異の例として、個眼の数が挙げられます。個眼の数は、個体内の左右の目の間で（ランダムに）変動する可能性があり、これは、全体的な異なる遺伝子型間、または異なる環境で育てられたクローン間で変動するのと同様です。^{[ 22 ]}

表現型の概念は、生物の適応度に影響を与える遺伝子レベル以下の変異にも拡張できる。例えば、遺伝子の対応するアミノ酸配列を変化させないサイレント変異は、グアニン-シトシン塩基対の頻度（GC含量）を変化させる可能性がある。これらの塩基対はアデニン-チミンよりも高い熱安定性（融点）を持ち、この性質は高温環境に生息する生物において、GC含量の高い変異体に対する選択的有利性をもたらす可能性がある。

表現型は、遺伝子とその周囲の細胞環境との相互作用によって生じ、細胞環境は宿主生物と環境との相互作用の影響を受ける。したがって、遺伝子と表現型が相互作用する方法は多岐にわたる。最も単純な例として、アルビノ表現型は、メラニン形成の主要酵素であるチロシナーゼをコードする遺伝子の突然変異の結果として生じると言えるだろう。しかし、この場合でも、紫外線照射によってメラニン生成が増加する可能性があるため、環境もこの表現型に役割を果たしている。ほとんどの複雑な表現型については、正確な遺伝的メカニズムは依然として不明である。^{[ 26 ]}

遺伝子発現は生物の表現型を決定する上で重要な役割を果たします。遺伝子発現のレベルは生物の表現型に影響を与える可能性があります。たとえば、特定の酵素をコードする遺伝子が高レベルで発現すると、生物はその酵素をより多く生成し、結果として特定の形質を示す可能性があります。一方、遺伝子の発現レベルが低い場合、生物はその酵素をより少なく生成し、異なる形質を示す可能性があります。^{[ 27 ]}遺伝子発現はさまざまなレベルで制御されており、転写および転写後制御を含む各レベルが特定の表現型に影響を与える可能性があります。 ^{[ 28 ]}

遺伝子発現レベルの変化は、環境条件、遺伝的変異、エピジェネティック修飾など、さまざまな要因によって影響を受ける可能性があります。これらの修飾は、食事、ストレス、毒素への曝露などの環境要因によって影響を受け、個人の表現型に大きな影響を与える可能性があります。一部の表現型は、遺伝子型の変化ではなく、これらの要因による遺伝子発現の変化の結果である可能性があります。RNAシーケンスから測定された遺伝子発現を利用した機械学習手法を用いた実験では、表現型予測の文脈で個人を区別するのに十分なシグナルが含まれていることがわかりました。^{[ 29 ]}

表現型は生物が示す観察可能な特性の集合体であるが、フェノームという言葉は特性の集合を指すのに使われることがあり、そのような集合を同時に研究することをフェノミクスと呼ぶ。^{[ 30 ] [ 31 ]}フェノミクスは、どのゲノム変異が表現型に影響を与えるかを解明するために使用でき、それによって健康、病気、進化的な適応度などの事柄を説明できるため、重要な研究分野である。^{[ 32 ]}フェノミクスはヒトゲノムプロジェクトの大部分を占めている。^{[ 33 ]}

フェノミクスは農業にも応用されています。例えば、干ばつや耐熱性などのゲノム変異をフェノミクスで特定することで、より耐久性のある遺伝子組み換え作物（GMO）を作ることができます。^{[ 34 ] [ 16 ]}フェノミクスは、特に薬物療法において、個別化医療への足がかりとなる可能性があります。^{[ 35 ]}フェノミクスデータベースに十分なデータが集まれば、個人のフェノミクス情報を使用して、個人に合わせた特定の薬剤を選択することができます。^{[ 35 ]}

大規模な遺伝子スクリーニングにより、生物の表現型に影響を与える遺伝子や変異を特定できます。変異遺伝子の表現型を分析することで、遺伝子機能の決定にも役立ちます。 ^{[ 36 ]}ほとんどの遺伝子スクリーニングでは、遺伝子を容易に削除できる微生物が使用されています。たとえば、大腸菌^{[ 37 ]}や他の多くの細菌ではほぼすべての遺伝子が削除されていますが、パン酵母^{[ 38 ]}や分裂酵母^{[ 39 ]}などのいくつかの真核生物モデル生物でも削除されています。このような研究は、他の発見の中でも、必須遺伝子のリストを明らかにしています。

近年では、動物においても大規模な表現型スクリーニングが用いられており、例えば、行動など、これまであまり理解されていなかった表現型を研究するために活用されている。あるスクリーニングでは、マウスにおける突然変異の役割が、学習と記憶、概日リズム、視覚、ストレスへの反応、精神刺激薬への反応といった領域で研究された。

この実験では、点突然変異を引き起こす強力な変異原であるENU（N-エチル-N-ニトロソ尿素）を投与したマウスの子孫を用います。マウスは、さまざまな行動領域における変化について表現型スクリーニングを受け、推定変異体の数を特定しました（詳細は表を参照）。次に、推定変異体について遺伝性を調べ、遺伝パターンを決定し、変異部位を特定します。変異部位が特定され、クローン化され、同定された後、その変異が新しい遺伝子を表しているかどうかを判断できます。

これらの実験は、ロドプシン遺伝子の変異が視力に影響を与え、マウスでは網膜変性を引き起こす可能性があることを示している。^{[ 40 ]}同じアミノ酸の変化がヒトの家族性失明を引き起こし、動物の表現型解析が医療診断や治療に役立つ可能性を示している。

RNAワールドは、地球上の生命の進化史における細胞以前の段階として仮説が立てられており、DNAやタンパク質の進化以前に自己複製するRNA分子が増殖していたと考えられている。^{[ 41 ]}複製を促進しながら破壊を回避するリボザイム活性を持つ最初のRNA分子の折り畳まれた三次元構造が最初の表現型であり、最初の自己複製RNA分子のヌクレオチド配列が最初の遺伝子型であったと考えられる。^{[ 41 ]}

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• E. ピアソンによる「ヴィルヘルム・ヨハンセンの遺伝子型と表現型の区別」（胚プロジェクト百科事典掲載）
• ジャクソン研究所におけるマウス表現型プロジェクト