3.1 ヒト遺伝学 - 遺伝子変異と遺伝子環境相関

 

 

鎌状赤血球貧血Sickle-cell anemia 　通常は丸い赤血球が三日月のような形をとる遺伝的状態

これらの細胞の形状の変化は、それらの機能に影響を及ぼし、鎌状赤血球は血管を詰まらせ、血流を遮断し、高熱、激しい痛み、腫れ、組織の損傷を引き起こす可能性がある。

 

 

 

鎌状赤血球貧血、およびそれを引き起こす特定の遺伝子変異を持つ多くの人々は、幼い頃に亡くなるが、この遺伝的変異に関連する負の進化的影響にもかかわらず、鎌状赤血球遺伝子はアフリカ系の人々の間で比較的一般的なままである。

 

アフリカのザンビアの田舎に住む2人の若い女性（ルウィとセナ）

ルウィは鎌状赤血球貧血の遺伝子を持っています。セナは遺伝子を持っていません。鎌状赤血球保因者は鎌状赤血球遺伝子のコピーを1つ持っていますが、本格的な鎌状赤血球貧血はなし。（登山時のように）ひどく脱水状態にあるか、酸素を奪われている場合にのみ発症。

保因者は、血液化学と免疫機能の変化がマラリア寄生虫の影響を妨げるため、マラリア（熱帯気候で蔓延する致命的な病気）の影響を受けないと考えられている。（Gong、Parikh、Rosenthal、およびGreenhouse、2013年）。しかし、鎌状赤血球遺伝子のコピーが2つある本格的な鎌状赤血球貧血は、マラリアに対する免疫を提供するわけではない。

学校から家に帰る途中、二人の姉妹はマラリア寄生虫を運ぶ蚊に刺されます。ルウィは鎌状赤血球変異を持っているため、マラリアから保護されています。一方、セナはマラリアを発症し、わずか2週間後に死亡します。ルウィは生き残り、最終的には子供をもうけ、鎌状赤血球の突然変異を引き継ぐ可能性がある。

一方で、アメリカではマラリアは米国ではまれであるため、鎌状赤血球遺伝子は誰にも利益をもたらさない。この遺伝子は、主に1コピーの保因者は軽度の健康問題、または2コピーの保因者は重度の本格的な病気を発症する。

 

→ダーウィンの自然選択による進化論theory of evolution by natural selection

 

 

 

 

遺伝子変異

個体間の遺伝的差異である遺伝的変異は、種の環境への適応に寄与するためのもの。

卵子と精子にはそれぞれ23本の染色体が含まれている。染色体Chromosomesは、デオキシリボ核酸deoxyribonucleic acid （DNA）として知られる遺伝物質の長いストリングである。DNAはヌクレオチドの塩基対からなるらせん状の分子である。

各染色体では、DNAの配列が、目の色や髪の色などの特性として知られる多くの目に見える特性を制御または部分的に制御する遺伝子genes を構成。

単一の遺伝子は、複数の可能なバリエーション、または対立遺伝子を持っている可能性がある。

対立遺伝子alleleは、遺伝子の特定のバージョンのこと。特定の遺伝子は髪の色の特性をコードしている可能性があり、その遺伝子のさまざまな対立遺伝子は、個人の髪の色に影響を与える。

精子と卵子が融合すると、それらの23の染色体が結合して、46の染色体（23ペア）を持つ接合子が作成される。したがって、各親は子孫が持っている遺伝情報の半分を提供している。

結果として生じる子孫の身体的特徴(遺伝子型 genotype）は、親から供給された遺伝物質（表現型Phenotype）の相互作用によって決定される。

人の遺伝子型 genotype は、その人の遺伝子構成genetic makeupである。一方、表現型Phenotypeとは、遺伝的影響と環境的影響の組み合わせである、個人が受け継いだ身体的特徴を指す。

 

 

 （a）遺伝子型とは、両親から受け継いだ遺伝物質（DNA）に基づく個人の遺伝的構成を指す。（b）表現型は、髪の色、肌の色、身長、体格など、個人の観察可能な特性を表す。

 

 

ほとんどの形質は複数の遺伝子によって制御されているが、一部の形質は1つの遺伝子によって制御されている。たとえば、割れ顎のような特性は、各親からの単一の遺伝子の影響を受けることが分かっている。この例では、割れ顎の遺伝子を「B」、滑らかな顎の遺伝子を「b」と呼び、割れ顎は優性形質である。

つまり、片方の親（Bb）または両方の親（BB）のいずれかから優性対立遺伝子the dominant alleleを持つと、常に優性対立遺伝子に関連する表現型が生じる。(どちらかの親からＢを一つでも受け継ぐとＢの特徴が現れる。)

誰かが同じ対立遺伝子の2つのコピーを持っているとき、それらはその対立遺伝子に対してホモ接合homozygousであると言う。(親がＢＢまたはbb)

誰かが特定の遺伝子の対立遺伝子の組み合わせを持っているとき、それらはヘテロ接合heterozygousであると言う。

滑らかなあごは劣性形質である。つまり、その劣性対立遺伝子the recessive allele（b）がホモ接合（bb）である場合にのみ、個人は滑らかなあごの表現型を示す（bb）。

割れ顎のある女性が、滑らかな顎のある男性の子供は…女性が割れ顎（BB）についてホモ接合である場合、彼女の子孫は常に割れ顎を持っている。ただし、母親がこの遺伝子（Bb）についてヘテロ接合である場合は、もう少し複雑になります。父親のあごは滑らかであるため、劣性対立遺伝子（bb）のホモ接合体であるため、子孫は割れ顎を持つ可能性が50％、あごが滑らかになる可能性が50％であると予想される。

 

 

（a）パネットの方形は、子孫の生産において遺伝子がどのように相互作用するかを予測するために使用されるツールである。大文字のBは優性対立遺伝子を表し、小文字のbは劣性対立遺伝子を表す。Bが割れ顎（優性対立遺伝子）である割れ顎の例では、ペアに優性対立遺伝子Bが含まれている場合は常に、割れ顎の表現型が期待できる。劣性対立遺伝子bbのコピーが2つある場合にのみ、滑らかな顎の表現型が期待できる。

 

 

鎌状赤血球貧血では、ヘテロ接合体の保因者（例のLuwiなど）はマラリア感染に対する血液耐性を発達させる可能性がある一方、ホモ接合体の保因者（Senaなど）は致命的な血液障害を引き起こす可能性がある。

フェニルケトン尿症phenylketonuria（PKU）は、有害なアミノ酸を無害な副産物に変換する酵素が個人に不足している状態。治療を受けないと、認知機能の重大な欠陥、発作、およびさまざまな精神障害のリスクが増加する。PKUは劣性形質recessive trait,であるため、この状態の子供を産むには、各親が劣性対立遺伝子のコピーを少なくとも1つ持っている必要がある。

1つの遺伝子によって特性が制御されることはほどんどなく。ほとんどの形質はポリジーンpolygenic 、つまり複数の遺伝子によって制御されている。肌の色や体重、身長はポリジーン形質polygenic trait ,である。

 

 

 

このパネットの方形では、Nは通常の対立遺伝子the normal alleleを表し、pはPKUに関連する劣性対立遺伝子the recessive alleleを表す。両方ともPKUに関連する対立遺伝子についてヘテロ接合heterozygousである2人の個体が交配する場合、それらの子孫はPKU表現型を発現する可能性は25％となる。

 

 

 

 

突然変異mutationは遺伝子の突然の永続的な変化である。

多くの突然変異は有害または致命的である可能性があるが、時に、突然変異はその人に突然変異を持たない人よりも有利になることによって個人に利益をもたらす。進化論は、特定の環境に最もよく適応した個人は、自分の遺伝子を複製して将来の世代に引き継ぐ可能性が高い。

ある科学者たちは、人種は遺伝子研究において有用な変数ではなく、その継続的な使用は混乱と害の潜在的な原因であると主張し始めた。

実際、人間の遺伝的多様性の研究に役立つと信じられている人種のカテゴリーは、ほとんど無関係である。

人の肌の色、目の色、髪の質感は遺伝子構成の機能であるが、実際には、特定の人種カテゴリ内では、人種カテゴリ間よりも多くの遺伝的変異があり、人種だけに焦点を合わせると、鎌状赤血球貧血から嚢胞性線維症に至るまでの疾患の誤診および/または過小診断が困難である。

 

 

 

 

 

遺伝子と環境の相互作用

遺伝子がいつどのように発現するかだけでなく、どのような組み合わせで発現するかを決定する上で環境は非常に大切であり、私たち一人一人は、私たちの遺伝子構成と私たちの環境との間のユニークな相互作用を表していると言える。

反応範囲Range of reaction 私たちの遺伝子は私たちが操作できる境界を設定し、私たちの環境は遺伝子と相互作用して、その範囲のどこに私たちが入るかを決定する。

たとえば、個人の遺伝子構成が彼女を高レベルの知的潜在能力にかかりやすくし、彼女が裕福な環境で育てられた場合、彼女は深刻な環境で育てられた場合よりも彼女の潜在能力を最大限に発揮する可能性が高くなる。反個人が人生の早い段階でネグレクトや虐待を経験した場合、彼らは、生涯続く可能性のある不利な心理的および/または身体的状態を示す可能性が高くなる。

 

遺伝子環境相関genetic environmental correlation

私たちの遺伝子は私たちの環境に影響を与え、私たちの環境は私たちの遺伝子の発現に影響を与えるとする概念。

私たちの遺伝子と環境は、反応の範囲のように相互作用するだけでなく、相互に双方向に影響を及ぼす。NBAプレーヤーの子供は、遺伝的要素に加え、幼い頃からバスケットボールに触れる機会が多い。したがって、子供が共有する親の遺伝子は子供の環境に影響を及ぼし、その環境は、順番に、子供の遺伝的可能性をサポートする。

一卵性双生児identical twinsは分裂した単一の受精卵から発生するため、遺伝物質はそれぞれでまったく同じであり、同じ遺伝情報を共有している。対照的に、二卵性双生児fraternal twinsは通常、異なる精子によって受精した2つの異なる卵子から生じるため、遺伝物質は非双子の兄弟と同様に異なる。

同一の遺伝子型を共有していても、その遺伝子情報が時間の経過とともにどのように表現されるか、および固有の環境相互作用によって表現型が異なる。

 

• 生物学的母親が統合失調症（遺伝的リスクが高い）を患っており、環境の乱れた環境で育った養子のうち、36.8％が統合失調症を発症する可能性がある。
• 生物学的母親が統合失調症（遺伝的リスクが高い）を持ち、健康な家庭環境で育った養子縁組のうち、5.8％が統合失調症を発症する可能性がある。
• 遺伝的リスクが低く（母親に統合失調症がなかった）、家族環境が乱れた状態で育った養子のうち、5.3％が統合失調症を発症する可能性がある。
• 遺伝的リスクが低く（母親に統合失調症がなかった）、健全な家庭環境で育った養子のうち、4.8％が統合失調症を発症する可能性がある。

統合失調症の発症には遺伝的脆弱性と環境ストレスの両方が必要であり、遺伝子だけでは完全ではないという結論を下した。