遺伝子と染色体

遺伝子はDNA（デオキシリボ核酸）で構成されています。DNAには、タンパク質やRNA（リボ核酸）の合成に必要なコード（設計図）が含まれています。遺伝子の大きさは、コードするタンパク質またはRNAの大きさにより様々です。

DNA分子はらせん階段のような長い二重らせん構造になっていて、その段数は数百万に及びます。階段のステップにあたる部分は、塩基（またはヌクレオチド）と呼ばれる4種類の分子2つがペアになって形成されています。各ステップは、アデニン（A）とチミン（T）と呼ばれる2つの塩基、またはグアニン（G）とシトシン（C）と呼ばれる2つの塩基がペアを作っています。1つの染色体に、極めて長い1本のDNA分子がコイル状に折りたたまれて格納されています。

DNAの構造こうぞう

DNA（デオキシリボ核かく酸さん）は、細胞さいぼうの遺伝いでん物質ぶっしつで、細胞核さいぼうかく内ないの染色体せんしょくたいとミトコンドリアの中なかにあります。 特定とくていの細胞さいぼう（例たとえば、精子せいしや卵子らんし、赤血球せっけっきゅう）を除のぞき、細胞核さいぼうかくには23対ついの染色体せんしょくたいが格納かくのうされています。1本ぽんの染色体せんしょくたいには多おおくの遺伝子いでんしが含ふくまれています。遺伝子いでんしとは、DNA全体ぜんたいのうち、タンパク質しつやRNAをつくるためのコードが含ふくまれている部分ぶぶんのことです。 DNA分子ぶんしは、コイルのような長ながい二重にじゅうらせんの構造こうぞうをしていて、その形かたちはらせん階段かいだんに似にています。そこには糖とう（デオキシリボース）とリン酸さんでできた2本ほんの鎖くさりが伸のびていて、4種類しゅるいある塩基えんきが2つずつペアになり、2本ほんの鎖くさりを階段かいだんのステップのような形かたちでつないでいます。それぞれのステップでは、アデニンがチミンと、グアニンがシトシンとペアになっています。それぞれの塩基えんきのペアは水素すいそ結合けつごうでつながっています。遺伝子いでんしは塩基えんきの配列はいれつで構成こうせいされます。3つの塩基えんきから成なる配列はいれつに1つのアミノ酸さん（アミノ酸さんはタンパク質しつの構成こうせい成分せいぶんです）か、それ以外いがいの情報じょうほうがコードされています。

タンパク質は次々と結合するアミノ酸の長い鎖でできています。タンパク質の合成には20種類のアミノ酸が使用されます。これらのアミノ酸には、食事から摂取されるもの（必須アミノ酸）と体内で酵素により生産されるものがあります。アミノ酸が結合して1本の鎖が作られると、その鎖は折りたたまれて複雑な3次元構造を形成します。折りたたみ構造の形状が、体内でのタンパク質の機能を決定します。折りたたみ構造はアミノ酸配列によって厳密に決定されるため、配列が異なると別のタンパク質になります。一部のタンパク質（ヘモグロビンなど）は、複数の異なる折りたたみ構造の鎖から構成されます。タンパク質の合成の指示はDNAにコードされています。

情報はDNAの塩基（A、T、G、C）配列によりコードされます。このコードはトリプレット（3塩基）で示されます。すなわち、塩基は3つを1組として並んでいます。DNA内の特定の3つの塩基の配列により、特定のアミノ酸を鎖に加えるなどの固有の指示がコードされています。例えば、GCT（グアニン、シトシン、チミン）はアラニンというアミノ酸を、GTT（グアニン、チミン、チミン）はバリンというアミノ酸をコードします。このように、タンパク質のアミノ酸配列は、DNA分子上にある遺伝子の3塩基対の配列順で決定されます。コードされている遺伝情報をタンパク質に変換する過程は、転写と翻訳によって行われます。

転写とは、DNAにコードされている情報がリボ核酸（RNA）に写し取られる（転写される）過程です。RNAはDNA鎖と同様の長い塩基の鎖ですが、塩基としてチミン（T）の代わりにウラシル（U）を用いています。したがって、RNAにはDNAと同様に3塩基でコードされた情報が含まれます。

転写が開始されると、DNAの二重らせんの一部がほどけて開いた状態になります。ほどけたDNA鎖の一方が鋳型として働き、相補的なRNA鎖が形成されます。相補的なRNA鎖はメッセンジャーRNA（mRNA）と呼ばれます。mRNAはDNAから離れて細胞核の外に出て、細胞質（細胞の核外の部分）に移動します。その後、mRNAは細胞内の小さな構造体であるリボソームに結合し、そこでタンパク質の合成が行われます。

翻訳の過程では、mRNAの情報（DNAに由来します）から、つなげていくアミノ酸の種類とその間がリボソームに伝達されます。それらのアミノ酸は、トランスファーRNA（tRNA）と呼ばれる極めて小さなRNAによってリボソームに運ばれます。tRNA 1分子がアミノ酸1個を運んでくると、そのアミノ酸がタンパク質の鎖に付加されて鎖が伸びていきます。伸びた鎖は付近のシャペロンと呼ばれる分子のサポートを受けて、複雑な3次元構造に折りたたまれます。

人間の体には、心臓の細胞や肝臓の細胞、筋肉の細胞など、多くの種類の細胞があります。それらの細胞は、見た目と働きが異なり、それぞれ異なる化学物質を作り出します。しかし、どの細胞も1つの受精卵に由来するため、すべての細胞が基本的に同じDNAをもっています。異なる細胞では（また、同じ細胞でも異なる時期には）異なる遺伝子が発現するため、細胞は多様な外観と機能を獲得します。遺伝子がいつ発現するかの情報もDNAにコードされています。遺伝子発現は、組織の種類、年齢、特定の化学信号や、ほかの多数の要因やメカニズムによって左右されます。遺伝子発現を制御するほかの要因やメカニズムに関する情報は急速に増えていますが、そのような要因の多くはまだよく解明されていません。

遺伝子が互いを調節する仕組みは非常に複雑です。遺伝子には、どこで転写を開始して、どこで終了するかを示す化学的なマークがあります。DNAの周辺にある様々な化学物質（ヒストンなど）が、転写を阻止したり可能にしたりします。また、アンチセンスRNAと呼ばれるRNA鎖は、mRNAと相補的に結合して翻訳を阻止します。

細胞は2つに分裂して増殖します。新しい細胞のそれぞれに完全なDNA分子のセットが必要であるため、細胞分裂中にもとの細胞のDNA分子は自己を複製しなければなりません。複製は転写とよく似た仕組みで起こりますが、二本鎖のDNA分子が完全にほどけて2つに分かれる点が異なります。分かれた後、各鎖の塩基が近くにある相補的な塩基（AとT、GとC）に結合して、もう1本の鎖が作られます。この過程が完了すると、同一の二本鎖DNA分子が2つできます。

複製の誤りを防ぐために、細胞には「プルーフリーディング（校正）」機能があり、塩基が正確なペアを作るように助けます。正確に写し取られなかったDNAを修復する化学的な仕組みもあります。しかし、数十億もの塩基対が関与し、タンパク質の合成過程が複雑なことから、誤りが起こる場合があります。このような誤りは多くの理由（放射線や薬、ウイルスへの曝露など）で起こりますが、はっきりした理由が分からない場合もあります。DNAのわずかな違いは非常によくみられ、大部分の人で起こっています。ほとんどの変化は、その後の遺伝子コピーに影響しません。その後のコピーで複製された誤りは、変異と呼ばれます。

遺伝性の変異とは、子孫に引き継がれる可能性がある変異のことですが、変異が遺伝するのは、それが生殖細胞（静止または卵子）に影響を及ぼしている場合だけです。生殖細胞に影響しない変異は、その変異が起きた細胞に由来する細胞には影響を及ぼしますが（がんになるなど）、子孫には受け継がれません。

変異は特定の個人や家系に固有の場合があり、ほとんどの有害な変異はまれです。人口の1％以上にみられるほど一般的な変異は、多型と呼ばれます（例えば、人間の血液型のA、B、AB、O）。大半の多型は、表現型（個々人の体の実際の構造や機能）にほとんどまたはまったく影響を及ぼしません。

変異は、DNAの小さな部分にのみ生じることもあれば、大きな部分が変異の影響を受けることもあります。大きさと場所によっては、変異が明らかな影響をもたらさない場合もありますが、タンパク質のアミノ酸配列が変化したり、生成されるタンパク質の量が減少したりすることもあります。タンパク質のアミノ酸配列が変化すると、異なる機能が現れたり、まったく機能しなくなったりします。タンパク質の欠如や機能不全は、しばしば有害であったり致死的であったりします。例えば、フェニルケトン尿症では、変異によりフェニルアラニン水酸化酵素が欠損または欠乏します。この欠損により食事から吸収したフェニルアラニンというアミノ酸が体内に蓄積して、最終的には重度の知的障害を引き起こします。

まれに、変異により有利な変化が起こることもあります。例えば、鎌状赤血球遺伝子のケースでは、この異常遺伝子を両親から2つ受け継ぐと、その人は鎌状赤血球症を発症することになります。一方で、鎌状赤血球遺伝子を1つだけ受け継いだ人（キャリアと呼ばれます）は、マラリア（血液の感染症の一種）に対する抵抗力が高くなります。マラリアに対する抵抗力はキャリアにとって生存の助けになりますが、鎌状赤血球症を発症すれば（問題の遺伝子を2つ受け継いだ人の場合）、その症状や合併症によって寿命が短くなる可能性があります。

自然淘汰とは、環境内での生存を妨げる変異は子孫に引き継がれにくい（その結果、集団内で少数になる）のに対し、生存を積極的に進歩させる変異は徐々に一般的になる、ということを表す概念です。したがって、有利な変異は、最初はまれであっても次第に多くなります。交配集団の中で起こる変異と自然淘汰により長年の間にゆっくりと生じた変化は、進化と呼ばれます。

特定の細胞（例えば、精子と卵子、赤血球）を除き、人のすべての正常な細胞の核には23対、合計46本の染色体が格納されています。通常、それぞれのペアを構成する染色体は、片方を母親から、もう片方を父親から受け継ぎます。

22対の常染色体と1対の性染色体が存在します。ペアを構成する2つの常染色体は、実際的な目的から、大きさ、形、遺伝子の位置と数がそれぞれ同じになっています。ペアを構成する常染色体には対応する遺伝子が1つずつ含まれているため、それらの染色体上の遺伝子はある意味、各自のバックアップをもっていることになります。

23番目のペアが性染色体です（XまたはY）。

胎児が男性になるか女性になるかは、2本の性染色体によって決まります。男性はX染色体を1本とY染色体を1本もっています。男性のX染色体は母親に、Y染色体は父親に由来します。女性はX染色体を2本もち、1本は母親、もう1本は父親に由来します。いくつかの点で、性染色体の機能は常染色体とは異なります。

Y染色体はX染色体より小さく、男性であることを決定する遺伝子と少数のほかの遺伝子を含んでいます。X染色体にはY染色体より多くの遺伝子があり、その多くは性を決める以外の機能をもち、Y染色体上にペアの片方はありません。男性では、2本目のX染色体がないため、X染色体上のこのような遺伝子はペアになるものがなく、ほぼすべてが発現します。X染色体上の遺伝子は、伴性遺伝子やX連鎖遺伝子とも呼ばれます。

常染色体では通常、ペアを構成する遺伝子は両方とも完全に発現する能力があります。しかし、女性では、X染色体不活化と呼ばれる過程により、2本のX染色体の片方にあるほとんどの遺伝子が発現しなくなります（卵巣中の卵子を除く）。X染色体不活化は胎児期の早期に起こります。父親由来のX染色体が不活化する細胞もあれば、母親由来のX染色体が不活化する細胞もあります。そのため、母親由来の遺伝子を発現する細胞と父親由来の遺伝子を発現する細胞が混在することになります。X染色体の不活化のため、1本のX染色体の欠損による異常は通常、比較的軽微で済みます（ターナー症候群など）。したがって、X染色体の欠損が及ぼす害は、常染色体の欠損と比べて、はるかに小さなものです（性染色体異常の概要を参照）。

不活性なX染色体

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Courtesy of Drs.L.Carrell and H.Williard, Case Western Reserve University School of Medicine.

X染色体が3本以上ある病気の女性では、余分な染色体が不活化される傾向にあります。そのため、X染色体が余分にあることで起こる胎児の発育の異常は、常染色体が余分にある場合と比べて、はるかに少なくなっています。例えば、X染色体を3本もつ女性（トリプルX症候群）では、身体的にも精神的にも影響がみられないことが多くあります。Y染色体を複数もつ男性（XYY症候群を参照）では、身体と精神ともに影響が及ぶことがあります。

染色体異常にはいくつかの種類があります。染色体の数に異常がある場合や、1つまたは複数の染色体に異常な領域が存在する場合があります。これらの異常の多くは出生前に診断することができます（染色体異常と遺伝子異常の検査を参照）。

常染色体の数の異常は通常、重度の異常につながります。例えば、常染色体を余分に受け継ぐと、出生前に死亡するか、21番染色体が3本あることを原因とするダウン症候群などの異常をもって生まれることになります。常染色体の欠損では、胎児に致死的な影響が現れます。

染色体の広い範囲に異常がみられる場合もあり、それらは通常、染色体の一部分が大きく脱落するか（欠失）、一部が別の染色体に紛れ込む（転座）ことで起きます。例えば、慢性骨髄性白血病は、9番染色体の一部が22番染色体に転座することで起こる場合があります。この異常は遺伝により受け継がれる場合もあれば、新たな変異により起こる場合もあります。

ミトコンドリアは、細胞内の小さな構造物で、エネルギーとして利用される分子を合成しています。1つの細胞の中に1000～2500個のミトコンドリアが存在します。細胞内のほかの構造物と異なり、ミトコンドリアはそれぞれ独自に環状の染色体をもっています。この染色体に含まれるDNA（ミトコンドリアDNA）には、13種類のタンパク質、様々なRNA、いくつかの酵素をコードする37の遺伝子が含まれています。ミトコンドリアDNAは通常は母親のみに由来しますが、これは、卵子が受精するときに、総じて卵子に由来するミトコンドリアだけが胎児の一部になるからです。精子由来のミトコンドリアは通常、胎児の一部にはならないのです。