生物学 第2版 — 第13章 遺伝の現代的な理解 —
Japanese translation of “Biology 2e”
OpenStax のサイトで公開されている教科書“ Biology 2e”の翻訳です。こちらのページから各章へ移動できます。
13 | 遺伝の現代的な理解
この章の概要
13.1:染色体理論と遺伝的連鎖
13.2:遺伝性疾患の染色体的基礎
はじめに
遺伝子は遺伝の物理的単位であり、遺伝子は染色体上に直線的な順序で配置されています。減数分裂の間の染色体の振舞いと相互作用は、細胞レベルで、私たちが個体群の中で観察するような遺伝パターンを説明します。染色体の数や構造の変化を伴う遺伝性疾患は劇的な影響を及ぼし、受精卵の発達を妨げる可能性があります。
13.1 | 染色体理論と遺伝的連鎖
この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•サットンの遺伝の染色体理論について議論する
•遺伝的連鎖について記述する
•相同組換え、または交差のプロセスを説明する
•染色体の作成について記述する
•三点検定交雑を使用して、染色体上の3つの遺伝子間の距離を計算する
現代遺伝学の父グレゴール・メンデルは、科学者たちが顕微鏡で染色体を視覚化するよりもずっと前の1843年に遺伝の研究を始めました。1800年代後半の顕微鏡技術の進歩により、細胞生物学者は細胞内の構造を染料で染色して視覚化し、細胞分裂と減数分裂中のそれらの作用を観察することができるようになりました。有糸分裂のたびに、染色体は複製し、無定形(一定の形状ではない)の核の塊から特徴的なX字の形態(同一の姉妹染色分体の対)に凝縮し、そして別々の細胞の極へと移動していました。
遺伝の染色体理論
染色体が遺伝を理解するための鍵であるかもしれないという推測は、何人かの科学者を、メンデルの出版物を調べて、有糸分裂と減数分裂の間における染色体の振る舞いに関して彼のモデルを再評価するように導きました。1902年に、テオドール・ボヴェリは、染色体が存在しない限り、適切なウニの胚発生が起こらないことを観察しました。同年、ウォルター・サットンは、減数分裂中での染色体の娘細胞への分離を観察しました(図13.2)。まとめると、これらの観察結果は遺伝の染色体理論へとつながり、それは染色体のことをメンデル的な遺伝を担う遺伝物質として同定しました。
遺伝の染色体理論はメンデルの法則と一致していました。そしてそれは以下の観察が支持しました:
•減数分裂の間、相同染色体対は他の染色体対から独立している別々の構造として移動する。
•それぞれの相同対から前配偶子への染色体の仕分けはランダムなように見える。
•それぞれの親は染色体組の半分しか含まない配偶子を合成する。
•雄と雌の配偶子(精子と卵子)の大きさや形態は異なっていても、それらは同数の染色体を持っており、それはそれぞれの親からの遺伝的な寄与が等しいことを示唆している。
•配偶子の染色体は受精中に結合して、親と同じ数の染色体を持つ子を作り出す。
減数分裂中の染色体の振る舞いとメンデルの抽象的な法則との間には説得力のある相関関係がありましたが、染色体が形質を持っているという直接的な証拠が存在するよりもずっと前に、科学者たちは遺伝の染色体理論を提案していました。批判者たちは、個体はそれらが持つ染色体よりもはるかに多くの独立して分離できる形質を持っていると指摘しました。トーマス・ハント・モーガンがキイロショウジョウバエ(Drosophila melanogaster)で交雑を行い、遺伝の染色体理論を裏付ける実験的証拠を提供したのはそれから数年がたってからのことでした。
遺伝的連鎖と距離
メンデルの研究は、形質が互いに独立して遺伝することを示唆していました。モーガンは分離形質とX染色体の間に1対1の対応関係があることを特定し、これはランダムな染色体分離がメンデルのモデルの物理的基礎であることを示唆していました。これはまた、連鎖した遺伝子がメンデルの予測した結果を乱すことを明らかにしました。それぞれの染色体が多くの連鎖した遺伝子を持つことができるということは、個体が染色体を持つよりももっと多くの形質を持つことができることを説明してくれます。しかしながら、モーガンの研究室の研究者らは、同じ染色体上に位置する対立遺伝子が必ずしも一緒に遺伝するわけではないことを示唆していました。減数分裂の間、連鎖した遺伝子はどういうわけか連鎖しなくなりました。
相同組換え
1909年に、フランス・ヤンセンは、最初の減数分裂の前に、キアズマ — 染色分体が互いに接触しセグメントを交換する可能性があるポイント — を観察しました。彼は、対立遺伝子が連鎖しなくなり、染色体が物理的にセグメントを交換することを示唆しました。染色体が凝縮してそれらのホモログと対を形成するにつれて、それらは異なる点で相互作用するように見えました。ヤンセンは、これらの点が染色体セグメントが交換された領域に対応すると示唆しました。私たちは今では、相同染色体間の対合および相互作用、あるいはシナプシスが、単に別々の娘細胞への移動のためにホモログを組織化する以上のことをすると知っています。シナプシス化されると、相同染色体はそれらの腕での相同組換え、またはより簡単には「交差」において相互的な物理的交換を行います。
この時点で研究者が得ていた実験結果のタイプをよりよく理解するために、同じ染色体上の2つの遺伝子について顕性の母親の対立遺伝子(たとえばAB)と、それらの同じ遺伝子について2つの潜性の父親の対立遺伝子(たとえばab)とを遺伝した、ヘテロ接合型の個体を考えてみましょう。もしこの遺伝子が連鎖している場合、この個体は1:1の比率でABまたはabのどちらかである配偶子を産生すると予想されます。もしこの遺伝子が連鎖していない場合は、メンデルの独立組み合わせの概念にしたがって、この個体は等しい頻度でAB、Ab、aB、およびab配偶子を産生するでしょう。遺伝子型AbおよびaBは、新しい対立遺伝子の組み合わせに対応するため、減数分裂中の相同組換えから生じる非親型です。親型とは、その親と同じ対立遺伝子の組み合わせを示す子のことです。しかしながら、モーガンと彼の同僚は、彼らがこのようなヘテロ接合型の個体をホモ接合型潜性の親(AaBb×aabb)と交雑させたときに、親と非親の両方の場合が起きたことを発見しました。たとえば、AaBbまたはaabbのいずれかである950の子孫が回収されされたときに、AabbまたはaaBbのいずれかである50の子孫も生じることがありました。これらの結果は連鎖が最も頻繁に起こることを示唆しましたが、しかし組換えの結果である子孫はごく少数でした。
ビジュアルコネクション
ここでのもののような2つの特徴についての検定交雑では、組換え子孫の予測される頻度が60%になることはありえますか?それはなぜですか?
遺伝子地図
ヤンセンは交差を実証するための技術を持っていなかったので、それは依然として科学者に広く信じられることのない抽象的な考えのままでした。科学者たちは、キアズマはシナプシスのバリエーションであると考えており、染色体がどのように分解して再結合するのかは理解できませんでした。それにもかかわらず、データは連鎖が常に起こるとは限らないことを明らかにしました。結局のところ、数学的に連鎖と組換えの問題を解明するためには、ある若い学部学生と「一夜漬け」を要することになりました。
1913年、モーガンの研究室の学生アルフレッド・スターティヴァントが研究室の研究者たちから結果を集め、それらを一晩家に持って帰ってじっくり考えました。翌朝までに、彼は最初の「染色体地図」を作成しました。これは遺伝子の順序と染色体上の相対距離の線形表現です(図13.4)。
ビジュアルコネクション
次の記述のうち、正しいものはどれですか?
a.体の色と赤色/朱色の目についての対立遺伝子の組換えは、羽の長さと触角棘毛の長さについての対立遺伝子の組換えよりも頻繁に起こる。
b.体の色と触角棘毛の長さについての対立遺伝子の組換えは、赤色/茶色の目と触角棘毛の長さについての対立遺伝子の組換えよりも頻繁に起こる。
c.灰色/黒色の体の色と長い/短い触角棘毛の対立遺伝子の組換えは起こらない。
d.赤色/茶色の目と長い/短い触角棘毛についての対立遺伝子の組換えは、羽の長さと体の色についての対立遺伝子の組換えよりも頻繁に起こる。
図13.4が示すように、組換え頻度を用いて遺伝的距離を予測することにより、私たちは2番染色体の相対的な遺伝子の順序を推測することができます。値はセンチモルガン(cM)での地図の距離を表します。センチモルガンは、組換え頻度(%)に対応しています。したがって、体の色と羽のサイズの遺伝子は65.5–48.5 = 17 cMだけ離れており、これらの遺伝子の母親と父親の対立遺伝子は、平均して17%の子孫で組換えられることを示しています。
スターティヴァントは、染色体地図を構築するために、遺伝子が糸状染色体上で連続的に順序付けられていると仮定しました。彼はまた、2つの相同染色体間の組換えの発生は、染色体の長さに沿ってどこでも等しい可能性で起こり得ると仮定しました。スターティヴァントは、これらの仮定の下で作業をして、染色体上ではるかに離れている対立遺伝子は、単に組換えが起こり得る領域がより大きいという理由だけで減数分裂の間に分離する可能性が高くなると主張しました。逆に、染色体上で互いに近接している対立遺伝子は一緒に遺伝されやすいものでした。2つの対立遺伝子間の交差の平均数、すなわちそれらの組換え頻度は、その染色体上の他の遺伝子の位置と比較した、お互いの遺伝的距離と相関していました。上記のAaBbとaabbの間の交雑の例を考えると、私たちは組換え頻度は50/1000 = 0.05と計算できます。すなわち、遺伝子A/aとB/bとの間の交差の可能性は0.05、すなわち5%でした。そのような結果は、遺伝子が決定的に連鎖しているが、それらは時折交差が起こるのに十分なほど離れていることを示しています。スターティヴァントは彼の遺伝子地図を地図単位、すなわちセンチモルガン(cM)に分割しました。その中では、0.01の組換え頻度は1cMに相当します。
スターティヴァントは、対立遺伝子を線形地図に表すことによって、遺伝子が異なる染色体上にある場合、または遺伝子が同じ染色体上で非常に離れている場合、遺伝子は完全に連鎖する(組換え頻度= 0)から完全に連鎖しない(組換え頻度= 0.5)の範囲に広がることができると示唆しました。完全に連鎖していない遺伝子は、メンデルが二遺伝子交雑で独立に仕分けられると予測した頻度に対応します。0.5の組換え頻度は、子孫の50%が組換え型であり、他の50%が親型であることを示します。すなわち、あらゆるタイプの対立遺伝子の組み合わせは等しい頻度で表されます。この表現により、スターティヴァントは同じ染色体上の複数の遺伝子間の距離を加法的に計算することができるようになりました。しかしながら、遺伝的距離が0.50に近づくにつれて、彼の予想はより正確ではなくなりました。なぜなら、それらの遺伝子が同じ染色体上で非常に離れているか、または異なる染色体上にあるかが明らかではなかったからです。
1931年に、バーバラ・マクリントックとハリエット・クレイトンはトウモロコシ植物における相同染色体の交差を実証しました。数週間後、カート・スターンはショウジョウバエで相同組換えを顕微鏡的に示しました。スターンは、構造的に異例で似ていないX染色体対(一方のXには小さな末端セグメントがなく、他方のXはY染色体の一部に融合している)に関連するいくつかのX連鎖表現型を観察しました。スターンは、ハエを交差させ、それらの子孫を観察し、そして次に子孫の染色体を可視化することによって、子孫対立遺伝子の組み合わせが親の組み合わせのいずれかから逸脱するときにはいつでもX染色体セグメントの対応する交換があることを示しました。構造的に異なるX染色体を持つ変異体のハエを使用することは、DNA配列決定および他の分子ツールがまだ利用可能ではなかったので、組換え産物を観察するための鍵となりました。私たちは今では、相同染色体が正確な位置でそれらのDNAを相互に切断して再結合させることによって、減数分裂においてセグメントを定期的に交換することを知っています。
学習へのリンク
ここで組換え頻度に基づいて遺伝子地図を作成するためのスターティヴァントのプロセスを振り返ってみてください(http://openstaxcollege.org/l/gene_crossover)。
メンデルのマッピングされた形質
相同組換えは一般的な遺伝的プロセスですが、メンデルがそれを観察したことはありませんでした。彼が連鎖した遺伝子と連鎖していない遺伝子の両方を調査したならば、彼が確率計算に基づいて彼のデータの統一されたモデルを作成することははるかに困難であったでしょう。メンデルが調査した7つの形質をエンドウマメ植物ゲノムの7つの染色体にマッピングした研究者は、彼が調べたすべての遺伝子が別々の染色体上にあるか、統計的に連鎖がないほど十分に離れていることを確認しました。ある人たちは、メンデルが連鎖していない遺伝子のみを選択したのは非常に幸運であったと示唆しました。一方、他の人たちは、メンデルが連鎖を示唆するデータを破棄したのではないかという疑問を投げかけています。いずれにせよ、メンデルは、彼が事実上連鎖していない遺伝子を調べたために一貫して独立組み合わせを観察しました。
13.2 | 遺伝性疾患の染色体的基礎
この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•核型図の作成方法を記述する
•不分離がどのようにして染色体数についての疾患につながるかを説明する
•異数性が引き起こす疾患を比較する
•逆位や転座を通じて染色体構造の誤りがどのように発生するのかを記述する
染色体が減数分裂の間に異常に振舞うとき、遺伝性の疾患が起こることがあります。私たちは染色体疾患を2つのカテゴリーに分類することができます:染色体数の異常と染色体構造の再配列です。小さな染色体セグメントでさえ多くの遺伝子にまたがることがあるので、染色体疾患はその特徴として劇的であり、そしてしばしば致命的です。
染色体の同定
染色体単離と顕微鏡観察は細胞遺伝学の基礎を形成し、臨床医が人間の染色体異常を検出する主要な方法となっていす。核型とは、染色体の数と外観であり、それらの長さ、縞模様パターン、およびセントロメアの位置を含みます。個体の核型の表示を得るために、細胞学者は染色体を写真に撮ってから、それぞれの染色体を切り取って貼り付けて図表すなわち核型図をつくります。別の名前はイデオグラムです(図13.5)。
所与の種において、私たちは染色体の数、サイズ、セントロメアの位置、および縞模様パターンによって染色体を識別することができます。人間の核型では、常染色体または「体染色体」(すべての非性染色体)は、一般的には最大のもの(1番染色体)から最小のもの(22番染色体)までのおよそサイズ順に編成されています。X染色体とY染色体は常染色体ではありません。しかしながら、21番染色体は実際には22番染色体よりも短いです。研究者らは、ダウン症をトリソミー21と命名した後にこれを発見しました。これは、この病気が1つの余分な21番染色体(全部で3つ)を所有していることから生じることを反映しています。この重要な病気の名前を変えたくないために、科学者たちは、それが最短の染色体のセットを持っているにもかかわらず、21番染色体の番号付けを維持しました。私たちは、セントロメアの両端から突き出ている染色体の「腕」を、それらの相対的な長さに応じて、短いまたは長いと指定することができます。私たちは、短い腕をp(「小柄な:petite」)と略記します。一方、私たちは長い腕をqと略記します(それはアルファベット順で「p」の次だからです)。数字はさらに細かく分けられ、それぞれの腕が付されます。この命名システムを使用することにより、私たちは科学文献の中で一貫した形で染色体位置を記述することができます。
キャリアへのつながり
遺伝学者は染色体異常を同定するために核型図を使う
私たちはメンデルのことを「現代遺伝学の父」と呼んでいますが、彼は今日の遺伝学者が日常的に使用している道具のどれも使用せずに彼の実験を行いました。そのような強力な細胞学的技術の1つは、核型分析(遺伝学者が単一細胞から染色体異常を特徴とする形質を同定することができる方法)です。個人の核型を観察するために、遺伝学者はまず血液サンプルまたは他の組織から人の細胞(白血球のような)を集めます。研究室で彼または彼女は、単離された細胞が活発に分裂し始めるように刺激します。遺伝学者はそれから細胞に化学物質コルヒチンを加えて、中期で凝縮した染色体を停止させます。遺伝学者はその後低張溶液を用いて細胞の膨張を誘導し、染色体がばらばらに広がるようにします。最後に、遺伝学者はサンプルを固定液に保存してスライドに貼り付けます。
それから遺伝学者はそれぞれの染色体対の明瞭で再現可能な縞模様パターンをよりよく視覚化するためにいくつかの染料の1つで染色体を染色します。染色後、遺伝学者は明視野顕微鏡を用いて染色体を観察します。染色の一般的な選択としてはギムザ染色があります。ギムザ染色では、23の染色体対すべてに沿って配置された(きつく巻かれたDNAと凝縮タンパク質の)約400～800の縞模様が得られます。経験豊富な遺伝学者はそれぞれの縞模様を識別することができます。縞模様パターンに加えて、遺伝学者はさらに、サイズとセントロメアの位置に基づいて染色体を同定します。相同染色体対が最長のものから最短のものまで番号順に並ぶという核型の古典的な描写を得るために、遺伝学者はデジタル画像を得て、それぞれの染色体を識別し、そして手動で染色体をこのパターンに配置します(図13.5)。
最も基本的なところでは、核型図は、個体が細胞1つあたりに多すぎるまたは少なすぎる染色体を有するという遺伝的異常を明らかにすることがあります。この例としては、21番染色体の3番目のコピーによって識別されるダウン症候群、および女性において通常の2つの染色体ではなく1つのX染色体しか存在しないターナー症候群があります。遺伝学者はまた、大きなDNA欠失または挿入を識別することができます。たとえば、遺伝学者は、11番染色体の欠失によってヤコブセン症候群(特有の顔の特徴と心臓や出血の不具合を含みます)を識別することができます。最後に、核型は、遺伝物質のセグメントが1つの染色体から切り離されて別の染色体または同じ染色体の異なる部分に再結合したときに起こる転座を正確に示すことができます。転座は、慢性骨髄性白血病を含む特定のがんに関係しています。
メンデルの生涯の間、遺伝は、交雑を行い、子孫が発現した形質を観察することによってのみ推論できる抽象的な概念でした。核型図を観察することによって、今日の遺伝学者は、たとえ出生前でも、実際に個体の染色体構成を視覚化して子孫の遺伝的異常を確認または予測することができます。
染色体数疾患
すべての染色体疾患のうちで、染色体数異常は核型図から最も明らかに識別可能なものです。染色体数疾患には、染色体全体の重複または消失、ならびに染色体の完全なセットの数の変化が含まれます。それらは、不分離によって引き起こされます。不分離は、相同染色体対または姉妹染色分体が減数分裂中に分離に失敗するときに起こります。誤って整列したまたは不完全なシナプシス、または染色体移動を促進する紡錘体装置の機能不全は、不分離を引き起こすことがあります。不分離が発生するリスクは、両親の年齢とともに増加します。
不分離は減数分裂IまたはIIのいずれかの間に起こることがあり、異なる結果を伴います(図13.6)。もし相同染色体が減数分裂Iの間に分離に失敗すると、結果はその特定の染色体を欠く2つの配偶子と2つの染色体コピーを持つ2つの配偶子となります。もし姉妹染色分体が減数分裂IIの間に分離に失敗すると、結果はその染色体を欠いている1つの配偶子、1つの染色体コピーを持つ2つの正常な配偶子、および2つの染色体コピーを持つ1つの配偶子となります。
ビジュアルコネクション
不分離についての次の記述のうち、正しいものはどれですか?
a.不分離はn+1またはn–1の染色体を持つ配偶子のみをもたらす。
b.減数分裂IIの間に起こる不分離は50%の正常な配偶子をもたらす。
c.減数分裂Iの間の不分離は50%の正常な配偶子をもたらす。
d.不分離は常に4つの異なる種類の配偶子をもたらす。
異数性
科学者は、自らの種に適した数の染色体を持つ個体のことを正倍数体と呼びます。人間では、正倍数体は22対の常染色体および1対の性染色体に対応します。染色体数に誤りのある個体は異数体と呼ばれ、これはモノソミー(1つの染色体を失うこと)またはトリソミー(余分な染色体を得ること)を含む用語です。常染色体のコピーのどれか1つを欠失しているモノソミーの人間の接合子は、必須遺伝子が欠如しているため、必然的に誕生するまで発達することができません。これは、人間における「遺伝子量」の重要性を強調しています。ほとんどの常染色体性トリソミーも誕生するまで発達することができません。しかしながら、いくつかのより小さな染色体(13番、15番、18番、21番、または22番)の重複は、数週間から何年にもわたって生き残る子孫をもたらすことがあります。トリソミーの個体は、異なる種類の遺伝的不均衡、すなわち過剰な遺伝子量に苦しんでいます。余分な染色体を持つ個体は、その染色体がコードする遺伝子産物を大量に合成してしまう可能性があります。特定の遺伝子のこの追加投与量(150%)は、多くの機能的な課題を招くことがあり、しばしば発達を妨げます。誕生することが可能なものの間で最も一般的なトリソミーは21番染色体のものであり、そして、それはダウン症候群に対応しています。低い身長や発育不良の指、広い頭蓋骨と大きな舌を含む顔の特徴、および著しい発達遅滞が、この遺伝性疾患を持つ個人の特徴です。私たちは、ダウン症候群の発生率を母体の年齢と相関させることができます。より年配の女性はトリソミー21遺伝子型を持つ胎児を妊娠する可能性が高いです(図13.7)。
学習へのリンク
このビデオシミュレーションでダウン症候群を引き起こす染色体の追加を視聴してください(http://openstaxcollege.org/l/down_syndrome)。
倍数性
私たちは、染色体セットの正確な数(二倍体の種にとっては2つ)より多くを持つ個体のことを倍数体と呼びます。たとえば、異常な二倍体の卵子を正常な一倍体の精子で受精させると、三倍体の接合子が得られるでしょう。倍数体動物は非常にまれであり、扁形動物、甲殻類、両生類、魚類、およびトカゲのうちにほんの数例があります。倍数体動物は、減数分裂を正常に進行することができず、その代わりに生存可能な接合子を生み出せない異数性娘細胞をほとんどの場合で産生するので、不妊です。まれに、倍数体動物が半数性単為生殖によって無性生殖することができ、その場合、未受精卵が有糸分裂的に分裂して子孫を産みだします。対照的に、倍数性は植物界では非常に一般的であり、倍数体植物はそれらの種の正倍数体よりも大きく、そしてより頑強である傾向があります(図13.8)。
人間における性染色体の不分離
人間は常染色体におけるトリソミーとモノソミーで劇的な悪影響を呈します。したがって、人間の女性と男性が、異なる数のX染色体を保有しているにもかかわらず、正常に機能することは直感に反するように思われるかもしれません。常染色体の獲得や喪失とは違い、性染色体の数の変動は比較的軽度の影響でもって発生します。部分的には、これは分子過程のX不活性化のために起こります。発生の早い段階で、哺乳動物の雌の胚が(新生児の数兆個と比べて)わずか数千の細胞からなるときに、それぞれの細胞の1つのX染色体が静止した(休止状態の)構造、すなわち性染色質にしっかりと凝集することによって不活性化します。X染色体(母親または父親に由来する)がそれぞれの細胞で不活性化する可能性はランダムですが、ひとたびこれが発生すると、その染色体に由来するすべての細胞は同じ不活性X染色体または性染色質を持つことになります。このプロセスによって、雌はX染色体のそれらの二重の遺伝線量を補います。いわゆる「べっ甲」の猫では、私たちは、胚でのXの不活性化を色の変化として観察します(図13.9)。X連鎖の毛皮の色の遺伝子に関してヘテロ接合型である雌は、その領域の胚細胞前駆体においていずれのX染色体が不活性化したかに対応して、それらの体の異なる領域で2つの異なる毛皮の色のうちの1つを発現します。
異常な数のX染色体を保有する個体は、彼女の細胞のそれぞれにおいて1つを除くすべてのX染色体を不活性化するでしょう。しかしながら、不活性化されたX染色体でさえ、いくつかの遺伝子を発現し続け、そしてX染色体は雌の卵巣の適切な成熟のために再活性化しなければなりません。結果として、X染色体異常は典型的には軽度の精神的および身体的不具合、ならびに不妊を伴って起こります。もしX染色体が全く存在しない場合、その個体は子宮内で発達しません。
科学者たちは、性染色体数におけるいくつかの誤りを同定し、特徴付けました。3つのX染色体(トリプルX)を持つ個体は、表現型的には女性ですが、発達の遅れと出生率の低下を表します。あるタイプのクラインフェルター症候群に対応するXXY遺伝子型は、小さな精巣、肥大した乳房、および減少した体毛を有する表現型的には男性の個体に対応します。より複雑なタイプのクラインフェルター症候群が存在し、そこでは個体は最大5つのＸ染色体を有します。すべてのタイプにおいて、1つを除くすべてのX染色体は過剰な遺伝量を相殺するために不活性化されています。私たちは、これをそれぞれの細胞核のいくつかの性染色質と見なしています。X0遺伝子型(すなわち、単一の性染色体のみ)として特徴付けられるターナー症候群は、低身長、首領域の網状皮膚、聴覚障害および心臓障害、ならびに不妊を有する表現型的には女性の個体に対応します。
重複と欠失
染色体全体を失うかまたは獲得することに加えて、染色体セグメントはそれ自身を複製するかまたは失うことがあります。重複と欠失はしばしば生き残るものの肉体的および精神的異常を示す子孫を生み出します。複製された染色体セグメントは既存の染色体と融合するか、または核内で遊離していることがあります。猫鳴き症候群(Cri-du-chat syndrome:フランス語の「猫の泣き声」から)は、5p(5番染色体の短い腕)がほとんど欠失することによって生じる神経系の異常と識別可能な身体的特徴を伴って発生する症候群です(図13.10) 。この遺伝子型を持つ乳児は、この疾患の名前のもととなった特徴的な高音の叫び声を放ちます。
染色体構造の再配列
細胞学者は、染色体における多数の構造的再配列を同定していますが、染色体の逆位および転座が最も一般的です。私たちは、再配列された染色体とそれらの以前のホモログとの間における適切な遺伝子の整列を維持するための適応的対合によって、減数分裂の間に逆位と転座を同定することができます。もし2つのホモログ上の遺伝子が正しく配向されていない場合、組換え事象は一方の染色体から遺伝子を失いそして他方の染色体が遺伝子を獲得することになります。これは異数体配偶子を作り出すでしょう。
染色体の逆位
染色体の逆位とは、染色体の一部の分離、180°回転、および再挿入のことです。逆位は、機械的剪断の結果として、または転移因子の作用(DNA配列を切断して貼り付ける酵素の助けを借りて染色体セグメントの再配置を促進することができる特殊なDNA配列)から自然に起こり得ます。それらが遺伝子配列を破壊しない限り、逆位は遺伝子の向きを変えるだけであり、異数性エラーより軽度の効果をもたらす可能性が高いです。しかしながら、変化した遺伝子配向は機能的変化をもたらすことができます。なぜなら、遺伝子発現の調節因子がそれらの標的の位置からずれて、異常なレベルの遺伝子産物を引き起こすことがあるためです。
逆位は、ペリセントリック(セントロメアを含む)のことも、パラセントリック(セントロメアの外側で起こる)のこともあります(図13.11)。セントロメアについて非対称であるペリセントリック逆位は、染色体の腕の相対的な長さを変えることができ、これらの逆位を容易に識別可能にします。
一方の相同染色体が逆位を受けるものの他方が受けない場合、その個体は逆位ヘテロ接合型となります。減数分裂中に点と点の間のシナプシスを維持するためには、一方のホモログがループを形成し、他方のホモログがその周りに形成されなければなりません。このトポロジーは、遺伝子の正しい整列を確実にすることができますが、それはまたホモログを強制的に伸張させ、そして不正確なシナプシス領域を引き起こすことがあります(図13.12)。
進化へのつながり
18番染色体の逆位
すべての染色体の構造的再配列が、生存不能な、障害を持った、または不妊の個体を産み出すわけではありません。まれに、このような変化によって新種が進化することがあります。事実、18番染色体のペリセントリック逆位が人間の進化に寄与しているように見えます。この逆位は、私たちに最も近い遺伝的近親者であるチンパンジーには存在しません。人間とチンパンジーは、いくつかの染色体でのペリセントリック逆位によって、および人間の2番染色体に対応するようなチンパンジーの2つの別々の染色体の融合によって、細胞遺伝学的に異なります。
科学者たちは、およそ500万年前のチンパンジーとの共通の祖先からの分岐の後に、初期の人間に18番染色体のペリセントリック逆位が起こったと考えています。この逆位を特徴付ける研究者らは、およそ1万9000ヌクレオチド塩基が18pに複製され、そして複製された領域が祖先の人間の18番染色体に逆転して再挿入されたことを示唆しています。
この逆位の領域における人間とチンパンジーの遺伝子の比較では、チンパンジーの17番染色体(人間の18番染色体に対応する)上で隣接する2つの遺伝子(ROCK1とUSP14)が人間の18番染色体上ではより遠くに位置することを示しています。これは、これら2つの遺伝子の間に逆位切断点の1つが生じたことを示唆しています。興味深いことに、人間およびチンパンジーは、皮質細胞および線維芽細胞を含む特定の細胞型において異なるレベルでUSP14を発現しています。おそらく、祖先の人間の18番染色体の逆位は、特定の遺伝子の位置を変え、有用な方法でそれらの発現レベルを再設定しました。ROCK1およびUSP14の両方が細胞酵素をコードしているので、それらの発現の変化は細胞機能を変える可能性があります。私たちはこの逆位がどのようにして人類の進化に寄与したのかはわかりませんが、それは他の霊長類と人間の相違における重要な要因のように思われます[1]。
[1] Violaine Goidts et al., “Segmental duplication associated with the human-specific inversion of chromosome 18: a further example of the impact of segmental duplications on karyotype and genome evolution in primates,” Human Genetics. 115 (2004):116–122
転座
染色体セグメントが解離し、異なる非相同染色体に再結合すると転座が起こります。転座は、遺伝子の位置が調節配列に関してどのように変化しているかに応じて、良性であることも壊滅的な影響を及ぼすこともあります。特に、特定の転座は、いくつかのがんと統合失調症とともに発生します。相互転座は、2つの非相同染色体間で、遺伝情報の増減がないように染色体セグメントを交換することから生じます(図13.13)。
重要用語
異数体:染色体の数に誤りのある個体。染色体セグメントの欠失と重複を含む
常染色体:非性染色体のいずれか
センチモルガン(cM)(または、地図単位):0.01の組換え頻度に対応する相対的な距離
遺伝の染色体理論:染色体が遺伝子の媒介物であり、減数分裂の間のそれらの挙動がメンデルが観察した遺伝パターンの物理的基礎であるという理論
染色体の逆位:分離、180°回転、および染色体の腕の再挿入
正倍数体:その種にとって適切な数の染色体を持つ個体
相同組換え:相同染色体がそれらの腕で相互に物理的交換を行うプロセス。または交差とも言う
核型図:核型の写真画像
核型:個体の染色体の数および外観。サイズ、縞模様パターン、セントロメアの位置を含む
モノソミー:1つの染色体が欠けている、もともとは二倍体の遺伝子型
不分離:減数分裂の最初の細胞分裂の間に、シナプシス化されたホモログが完全な分離と別々の極への移動に失敗すること
非親(組換え)型:その親と比較して異なる対立遺伝子の組み合わせを示す相同組換えから生じる子
パラセントリック:セントロメアの外で起こる逆位
親型:その親と同じ対立遺伝子の組み合わせを示す子
ペリセントリック:セントロメアを含む逆位
倍数体:染色体セットの数が正しくない個体
組換え頻度:2つの対立遺伝子間の交差の平均の数。子の個体群における非親型の数として観察される
転座:1つの染色体セグメントが解離して、異なる非相同染色体に再結合するプロセス
トリソミー:1つの染色体全体が重複した、もともとは二倍体の遺伝子型
X不活性化:二重の遺伝量を相殺するための、胚発生中の雌の中でのX染色体の性染色質への凝縮
この章のまとめ
13.1 | 染色体理論と遺伝的連鎖
サットンとボヴェリの遺伝の染色体理論は、染色体が遺伝子による遺伝の媒介物であると述べています。メンデル遺伝学も遺伝子連鎖も完全に正確ではありません。その代わりに、染色体の振る舞いは、分離、独立組み合わせ、そして時には連鎖を伴います。スターティヴァントは、遺伝子間に介在する領域における交差の平均数に基づいて、組換え頻度を評価し、染色体上の連鎖遺伝子の相対位置と距離を推測する手法を考案しました。スターティヴァントは、遺伝子が染色体上で連続した順序で配置されている、そしてホモログ間の組換えが染色体上のどこででも同等の確からしさで起こり得る、と正しく推定しました。連鎖は同じ染色体上の対立遺伝子を一緒に遺伝させますが、相同組換えは対立遺伝子を独立した遺伝パターンに偏らせます。
13.2 | 遺伝性疾患の染色体的基礎
染色体の数、サイズ、形状、および縞模様パターンは、それらを核型図で容易に識別可能にし、そして多くの染色体異常を評価できるようにします。染色体数の異常、または異数性は、いくつかのトリソミー遺伝子型が生存可能ではありますが、通常は胚にとって致死的です。性染色体の異常は、X不活性化のために、典型的にはより軽度の表現型の効果を有します。異数性はまた、染色体のセグメントがそれ自体を複製または欠失させる場合も含みます。逆位または転座もまた、染色体構造を再配列することがあります。これらの異常はどちらも、問題のある表現型の効果をもたらす可能性があります。それらは減数分裂の間に染色体に不自然なトポロジーをとらせるので、逆位および転座は不分離の可能性のためにしばしば繁殖力の低下を伴って起こります。
ビジュアルコネクション問題
1.図13.3 | ここで示されるもののような2つの特徴についての検定交雑では、組換え子孫の予測される頻度が60%になることはありえますか?それはなぜですか?
2.図13.4 | 次の記述のうち、正しいものはどれですか?
a.体の色と赤色/朱色の目についての対立遺伝子の組換えは、羽の長さと触角棘毛の長さについての対立遺伝子の組換えよりも頻繁に起こる。
b.体の色と触角棘毛の長さについての対立遺伝子の組換えは、赤色/茶色の目と触角棘毛の長さについての対立遺伝子の組換えよりも頻繁に起こる。
c.灰色/黒色の体の色と長い/短い触角棘毛の対立遺伝子の組換えは起こらない。
d.赤色/茶色の目と長い/短い触角棘毛についての対立遺伝子の組換えは、羽の長さと体の色についての対立遺伝子の組換えよりも頻繁に起こる。
3.図13.6 | 不分離についての次の記述のうち、正しいものはどれですか?
a.不分離はn+1またはn–1の染色体を持つ配偶子のみをもたらす。
b.減数分裂IIの間に起こる不分離は50%の正常な配偶子をもたらす。
c.減数分裂Iの間の不分離は50%の正常な配偶子をもたらす。
d.不分離は常に4つの異なる種類の配偶子をもたらす。
レビュー問題
4.人間(またはショウジョウバエ)におけるX連鎖潜性形質は、________観察されます。
a.女性より男性の方で多く
b.男性より女性の方で多く
c.男性と女性で等しく
d.形質に応じて異なる分布で
5.染色体がセグメントを物理的に交換し得るという最初の示唆は、________の顕微鏡による識別から来ました。
a.シナプシス
b.姉妹染色分体
c.キアズマ
d.対立遺伝子
6.どの組換え頻度が独立組み合わせと連鎖の欠如に対応しますか?
a.0
b.0.25
c.0.50
d.0.75
7.どの組換え頻度が完全連鎖に対応し、独立組み合わせの法則に違反しますか?
a.0
b.0.25
c.0.50
d.0.75
8.次の記号のうち、13番染色体の長い腕の12番目の位置を記述するものはどれですか?
a.13p12
b.13q12
c.12p13
d.12q13
9.農業では、倍数体作物(コーヒー、イチゴ、バナナなど)は________を生産する傾向があります。
a.より均一なもの
b.より多様なもの
c.より収量の多いもの
d.より収量の少ないもの
10.減数分裂の前に2つのホモログのうちの1つにペリセントリック逆位が起こったとします。他のホモログは正常なままです。減数分裂の間、これらのホモログは、それらの長さに沿って正確に対合するために、どのような構造を(もしあるとして)とるでしょうか?
a.V字型
b.十字型
c.ループ
d.対合は不可能である
11.遺伝子型XXYは________に対応します。
a.クラインフェルター症候群
b.ターナー症候群
c.トリプルX
d.ヤコブ症候群
12.________のため、X染色体の数の異常は常染色体の同じ異常よりも軽度の表現型効果を持つ傾向があります。
a.欠失
b.非相同組換え
c.シナプシス
d.X不活性化
13.定義により、ペリセントリック逆位は________を含みます。
a.セントロメア
b.キアズマ
c.テロメア
d.シナプシス
クリティカルシンキング問題
14.遺伝の染色体理論が私たちの遺伝学の理解を深めるのにどのように役立ったかを説明してください。
15.図を使用して、どのように不分離が異数体接合子をもたらすことがあるかを説明してください。
解答のヒント
第13章
1 図13.3 いいえ。組換え子孫の予測頻度は0%(連鎖形質の場合)から50%(非連鎖形質の場合)の範囲です。3 図13.6 B 4 A 6 C 8 B 10 C 12 D 14 遺伝の染色体理論は、遺伝子が染色体上に存在することを提唱しました。染色体が遺伝子の線形配列であるという理解は連鎖を説明し、交差は組換えを説明しました。
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