生物学 第2版 — 第17章 バイオテクノロジーとゲノミクス —
Japanese translation of “Biology 2e”
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17 | バイオテクノロジーとゲノミクス
この章の概要
17.1:バイオテクノロジー
17.2:ゲノムをマッピングする
17.3:全ゲノムシークエンシング
17.4:ゲノミクスを応用する
17.5:ゲノミクスとプロテオミクス
はじめに
核酸の研究はDNAの発見から始まり、遺伝子や小さな断片の研究へと進み、そして今やゲノミクスの分野へと爆発的に広がっています。ゲノミクスとは、遺伝子の完全なセット、それらのヌクレオチド配列および構成、ならびに1つの種内および他の種とのそれらの相互作用を含むゲノム全体の研究のことです。DNAシークエンシング技術はゲノミクスの進歩に貢献してきました。情報技術が世界中の場所についての詳細な情報を得ることを可能にするグーグルマップを導いたように、研究者はゲノム情報を使用して異なる生物の同様のDNAマップを作成しています。これらの知見は、人類学者が人類の移動をよりよく理解するのを助けたり、人間の遺伝病をマッピングすることを通して医学分野を助けたりしています。ゲノム情報はさまざまな方法で科学的理解に貢献することができ、この分野の知識は急速に成長しています。
17.1 | バイオテクノロジー
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:
•ゲル電気泳動について記述する
•分子クローニングおよび生殖クローニングについて説明する
•医学および農業におけるバイオテクノロジーの用途を記述する
バイオテクノロジーとは、技術の進歩のために生物学的な手段を使用することです。バイオテクノロジーは、人々が家畜や作物の交配の科学的根拠を理解するずっと前から、これらの手法に使用されていました。1953年にDNAの構造が発見されて以来、バイオテクノロジー分野は学術研究と民間企業の両方を通して急速に成長しました。この技術の主な用途は、医学(ワクチンと抗生物質の生産)と農業(収穫量を増やすための作物の遺伝子組換え)です。バイオテクノロジーには、発酵、流出した油の処理、バイオ燃料の製造など、多くの産業用途もあります(図17.2)。
遺伝物質を操作するための基本技術(DNAとRNA)
核酸を扱うために使用される基本的な技術を理解するために、核酸とはホスホジエステル結合によって連結されたヌクレオチド(糖、リン酸基、および窒素含有塩基)からなる高分子であることを思い出してください。これらの分子上のリン酸基はそれぞれ正味の負電荷を有します。核内のDNA分子のセット全体はゲノムと呼ばれます。DNAは、対をなす塩基間の水素結合によって連結された2本の相補ストランドを有します。高温にさらされると2本鎖が分離し(DNA変性)、冷却すると再アニールします(2本鎖になります)。DNAポリメラーゼ酵素はDNAを複製することができます。真核細胞の核に位置するDNAとは異なり、RNA分子は核を離れます。研究者らが分析する最も一般的な種類のRNAは、メッセンジャーRNA(mRNA)です。なぜなら、それは、活性で発現するタンパク質をコードする遺伝子を表しているからです。しかしながら、RNA分子は、DNAよりも安定性が低いことが多いので、分析に対して他のいくつかの課題を提示します。
DNAとRNAの抽出
核酸を研究または操作するためには、まず細胞からDNAまたはRNAを単離または抽出しなければなりません。研究者はさまざまな方法でさまざまな種類のDNAを抽出します(図17.3)。大部分の核酸抽出技術は、細胞を破壊し、そして不要な全ての高分子を破壊するための酵素反応(たとえば、不要な分子の分解およびDNA試料からの分離)を用いる工程を含みます。溶解緩衝液(大部分は界面活性剤である溶液)は細胞を破壊します。溶解とは「分割する」ということを意味しています。これらの酵素は細胞膜と核膜の脂質分子を分解します。タンパク質を分解するプロテアーゼなどの酵素は、高分子を不活性化し、RNAを分解するリボヌクレアーゼ(RNAse)を生成します。アルコールを使うことでDNAが沈殿します。ヒトゲノムDNAは通常ゼラチン状の白い塊として見えます。DNA試料は–80°Cで数年間凍結保存できます。
細胞内の遺伝子発現パターンを研究するために科学者はRNA分析を行います。RNAは自然では非常に不安定です。なぜなら、RNAseが天然で一般に存在し、不活性化するのが非常に困難であるためです。DNAと同様に、RNA抽出は、高分子を不活性化しそしてRNAを保存するために種々の緩衝液および酵素を使用することを含みます。
ゲル電気泳動
核酸は水中の環境中で中性または塩基性pHの負に帯電したイオンであるため、電界によってそれらを動かすことができます。ゲル電気泳動は、科学者がこの電荷を使用してサイズに基づき分子を分離するのに使用する技術です。核酸は、染色体の全部または断片として分離することができます。この核酸は、半固体の多孔質ゲル基質の負極近くのスロットに置かれ、ゲルの反対側の端部の正極に向かって引っ張られます。小さい分子は大きい分子よりも速くゲルの細孔を通過します。この移動速度の違いによって、サイズに基づいて断片を分離します。サイズ比較を提供するために研究者が分子と一緒に走らせることができるような分子量の標準試料があります。私たちはさまざまな蛍光染料や着色染料を使って、ゲル基質中の核酸を観察することができます。異なる核酸の断片は、その大きさに基づいて、ゲルの上部(負極側の端)から特定の距離のところにバンドとして現れます(図17.4)。さまざまなサイズのゲノムDNA断片の混合物は、長い塗抹標本のように見えます。一方、切断されていないゲノムDNAは通常大きすぎてゲルを通過することができず、ゲルの上部に単一の大きなバンドを形成します。
ポリメラーゼ連鎖反応による核酸断片の増幅
ゲノムDNAは大量に抽出するときには肉眼で見ることができますが、DNA分析ではしばしば1つかそれ以上の特定のゲノム領域に焦点を合わせる必要があります。ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)は、科学者がさらなる分析のために特定のDNA領域を増幅するために使用する技術です(図17.5)。研究者は、遺伝病を分析するための遺伝子断片のクローニング、試料中の混入外来DNAの同定、および配列決定のためのDNAの増幅など、実験室で多くの目的のためにPCRを使用します。より実用的な用途としては、父子鑑定の決定や遺伝病の検出などがあります。
DNA断片はまた、逆転写酵素PCR(RT-PCR)と呼ばれるプロセスにおいてRNA鋳型から増幅することもできます。最初のステップは、mRNAにDNAヌクレオチドを当てることによって、元のDNAテンプレート鎖(cDNAと呼ばれる)を再形成することです。このプロセスは逆転写と呼ばれます。これは逆転写酵素と呼ばれる酵素の存在を必要とします。cDNAが作られた後、それを増幅するために通常のPCRを使用することができます。
学習へのリンク
このインタラクティブな演習(http://openstaxcollege.org/l/PCR)をクリックして進むことで、ポリメラーゼ連鎖反応についての理解を深めることができます。
ハイブリダイゼーション、サザンブロッティング、ノーザンブロッティング
科学者は、特定の配列の存在について、断片化したゲノムDNAやRNA抽出物などの核酸サンプルを調べることができます。科学者たちは検出を助けるために短いDNA断片(あるいはプローブ)を放射性あるいは蛍光染料でデザインしてラベルづけします。ゲル電気泳動は、サイズに従って核酸断片を分離します。その後、科学者は、私たちがブロッティングと呼ぶ手順でゲル内の断片をナイロン膜に移します(図17.6)。そして科学者は、膜の表面に結合している核酸断片を、特定の放射能標識または蛍光標識プローブ配列を用いて調べることができます。科学者がDNAをナイロン膜に移すとき、彼らはこの方法のことをサザンブロッティングと呼びます。彼らがRNAをナイロン膜に移すとき、彼らはそれをノーザンブロッティングと呼びます。科学者たちは、サザンブロット法を用いて所与のゲノム中の特定のDNA配列の存在を検出し、ノーザンブロット法を用いて遺伝子発現を検出します。
分子クローニング
一般に、「クローニング」という言葉は完全な複製物の作成を意味します。しかしながら、生物学では、生物全体を複製することは「生殖クローニング」と呼びます。生物全体をクローン化する試みが行われるずっと前に、研究者はゲノムの望ましい領域または断片を複製する方法を学びました。そのプロセスは分子クローニングと呼ばれます。
小さなゲノム断片をクローニングすることで、研究者は特定の遺伝子(およびそれらのタンパク質産物)、または非コード領域を単独で操作および研究することができます。プラスミド(あるいはベクター)は、染色体DNAからは独立に複製する小さな環状DNA分子です。クローニングにおいて、科学者はこのプラスミド分子を使用して、所望のDNA断片を挿入するための「フォルダー」を提供することができます。プラスミドは通常、増殖のために細菌宿主に導入されます。細菌環境の中では、科学者はヒトゲノム(または他の研究しようとしている生物のゲノム)からのDNA断片のことを外来DNA(または導入遺伝子)と呼び、それを細菌のDNA(または宿主DNA)と区別します。
プラスミドは細菌集団(大腸菌など)に天然に存在し、抗生物質耐性(抗生物質による影響を受けない能力)など、生物に有利な形質を与えることができる遺伝子を持っています。科学者たちは、分子クローニングと、インスリンやヒト成長ホルモンなどの重要な試薬の大規模生産とのためのベクターとしてプラスミドを利用し、操作してきました。プラスミドベクターの重要な特徴は、科学者が多重クローニング部位(MCS)を介して外来DNA断片を容易に導入できることです。MCSは、一般に利用可能な種々の制限エンドヌクレアーゼが切断することができる複数の部位を含む短いDNA配列です。制限エンドヌクレアーゼは特定のDNA配列を認識し、それらを予測可能な方法で切断します。それらは外来DNAに対する防御機構として細菌によって自然に生産されます。多くの制限エンドヌクレアーゼは、切断末端が2または4塩基の単一ストランドの突出を有するように、2本のDNAストランドに互い違いの切断部を作ります。これらの突出は相補的な突出とアニーリングすることができるので、私たちはそれらのことを「付着末端」と呼びます。酵素DNAリガーゼを加えることで、ホスホジエステル結合を介してDNA断片が永久的に結合します。このようにして、科学者は制限エンドヌクレアーゼで切断されたプラスミドDNAの2つの末端の間に、同じ制限エンドヌクレアーゼ切断によって生成されたDNA断片をスプライスすることができます(図17.7)。
組換えDNA分子
外来DNAが挿入されたプラスミドは、人工的に作られたものであり自然には発生しないため、組換えDNA分子と呼ばれます。それらはまた、その分子の異なる分子部分の起源が異なる種の生物体または化学合成にさえも遡ることがあるため、キメラ分子とも呼ばれます。私たちは、組換えDNA分子から発現されるタンパク質を組換えタンパク質と呼びます。全ての組換えプラスミドが遺伝子を発現できるわけではありません。組換えDNAは、遺伝子発現のためによりうまく設計されている異なるベクター(または宿主)に移動する必要があるかもしれません。科学者はまた、特定の環境因子がそれらを刺激する場合にのみタンパク質を発現するようにプラスミドを操作することができ、そのため彼らは組換えタンパク質の発現を制御することができます。
ビジュアルコネクション
あなたは分子生物学の実験室で働いています。そしてあなたが知らないうちに、あなたの実験室パートナーが、あなたがクローンする予定の外来ゲノムDNAを、冷凍庫に保存するのではなく実験室の机に一晩置き去りにしてしまいました。結果として、それはヌクレアーゼによって分解されましたが、それでも実験に使用されました。一方、プラスミドは良好なままです。あなたは、分子クローニング実験からどのような結果が期待できますか?
a.細菌プレートにコロニーはないだろう。
b.青いコロニーだけがあるだろう。
c.青と白のコロニーがあるだろう。
d.白いコロニーだけがあるだろう。
学習へのリンク
DNA Learning Centerでクローニングにおける組換えのアニメーション(http://openstaxcollege.org/l/recombination)をご覧ください。
細胞クローニング
細菌や酵母などの単細胞生物は、二分裂によって無性的に複製するときに、自然に自分自身のクローンを生成します。これは細胞クローニングとして知られています。核DNAは、有糸分裂の過程によって複製され、遺伝物質の正確な複製が作成されます。
生殖クローニング
生殖クローニングは、科学者が多細胞生物の全体をクローンするか、または全く同じようにコピーするために使う方法です。ほとんどの多細胞生物は、2つの個体(両親)の遺伝的交配を含む有性的な手段による生殖を行い、どちらかの親の同一のコピーまたはクローンを生成することは不可能です。バイオテクノロジーにおける最近の進歩は、実験室において哺乳動物の無性生殖を人工的に誘発することを可能にしました。
単為生殖(あるいは「処女懐胎」)は、卵子の受精なしに胚が成長し発達するときに起こります。これは無性生殖の一形態です。単為生殖の一例は雌が卵を産む種で起こり、もしその卵が受精している場合にはそれは二倍体の卵であり、個体は雌へと成長します。もしその卵が受精していない場合にはそれは一倍体の卵のままであり、雄へと成長します。未受精卵は単為生殖卵、または処女卵です。いくつかの昆虫と爬虫類は成体に成長することができる単為生殖卵を産みます。
有性生殖には2つの細胞が必要です。一倍体の卵子細胞と精子細胞が融合すると、二倍体接合子が生じます。接合子の核は、新しい個体を作り出すための遺伝情報を含んでいます。しかしながら、初期の胚の発達は卵子細胞に含まれる細胞質材料を必要とします。この考え方は生殖クローニングの基礎をなします。したがって、もし私たちが卵子細胞の一倍体核を同種の個体(ドナー)の細胞に由来する二倍体核と置き換えると、それは遺伝的にドナーと同一の接合子になります。体細胞の核移植は、核を取り除いた卵子へと二倍体核を移植する技術です。科学者はそれを治療的クローニングまたは生殖クローニングのいずれかに使用することができます。
最初のクローン動物は、1996年に生まれた羊のドリーでした。当時の生殖クローニングの成功率は非常に低かったです。ドーリーは7年間生きて、呼吸器合併症で死亡しました(図17.8)。細胞のDNAは高齢の個体に属するため、DNAの年齢がクローン個体の期待余命に影響を与えている可能性があると推測されています。ドリー以来、科学者たちは馬、牛、山羊などのいくつかの動物のクローン化に成功していますが、これらの動物はしばしば顔面、四肢、および心臓の異常を示します。治療目的のための胚性幹細胞の供給源として、クローン化された人間の胚を生産する試みがなされてきました。治療的クローニングは、有害な疾患または不具合を修復しようとする試みにおいて幹細胞を産生します(生物の生殖を目的とする生殖クローニングとは異なります)。それでも、生物倫理的な考慮のために、治療的クローニングの取り組みに対して抵抗している人もいます。
ビジュアルコネクション
あなたは、ドリーがフィン・ドーセット種の羊だと思いますか?それともスコティッシュ・ブラックフェイス種の羊だと思いますか?
遺伝子工学
遺伝子工学とは、生物のDNAを修飾して望ましい形質を達成するために、組換えDNA技術を使用して生物の遺伝子型を改変することです。分子クローニングによって作製された組換えDNAベクターという形態での外来DNAの添加は、遺伝子工学の最も一般的な方法です。組換えDNAを受け取る生物が、遺伝子組換え生物(GMO)です。もし外来DNAが異なる種に由来する場合、宿主生物はトランスジェニックとなります。科学者たちは、1970年代初頭から学術的、医学的、農業的、そして工業的な目的のために細菌、植物そして動物を遺伝子組換えしてきました。米国では、除草剤のRoundupに対応した大豆や耐虫性トウモロコシなどのGMOが、多くの一般的な加工食品の一部となっています。
遺伝子ターゲティング
遺伝子機能を研究する古典的な方法は所与の表現型から始まり、その表現型の遺伝的基礎を決定していましたが、現代の技術は研究者がDNA配列レベルで始めて「この遺伝子またはDNAエレメントは何をしているのだろうか?」と尋ねることを可能にします。この手法、すなわち逆遺伝学は、古典的な遺伝的方法論を逆にしています。この方法は、身体の機能を判断するために身体の一部を損傷させるのと似ているでしょう。羽を失った昆虫は飛ぶことができません。それは、羽の機能が飛行であることを意味しています。古典的な遺伝的方法では、飛べない昆虫と飛べる昆虫を比較し、飛ばない昆虫が羽を失っていることを観察します。同様に、遺伝子の変異または欠失は、研究者に遺伝子機能に関する手がかりを提供します。私たちは、遺伝子機能を不能にするために使用する種々の方法を、遺伝子ターゲティングと総称します。遺伝子ターゲティングとは、遺伝子に突然変異を導入することによって、または生物のゲノムから遺伝子配列の一部もしくは全部を欠失させることで特定の遺伝子の発現を排除することによって、特定の遺伝子の発現を変えるために組換えDNAベクターを使用することです。
医療と農業におけるバイオテクノロジー
バイオテクノロジーが医療目的にどのように使用されるのかを理解するのは簡単です。私たちの種の遺伝的構成、遺伝性疾患の遺伝的基礎、そして突然変異遺伝子を操作および修正する技術の発明に関する知識は、その病気を治療する方法を提供してくれます。農業におけるバイオテクノロジーは、病気、害虫、そして環境ストレスに対する抵抗力を高め、収穫量と品質の両方を向上させることができます。
遺伝子診断と遺伝子治療
科学者たちは、治療を行う前に遺伝的欠陥が疑われるものについて検査するプロセスのことを、遺伝子検査による遺伝子診断と呼びます。病気の原因遺伝子の遺伝パターンに応じて、家族のメンバーは遺伝子検査を受けるよう勧められます。たとえば、医師は通常、乳がんと診断された女性に組織検査を受けるよう勧め、それによって医療チームはがん発生の遺伝的根拠を判断することができます。医師はがんの種類を決定する遺伝子検査の結果に基づいて治療計画を立てます。もし遺伝性の遺伝子変異ががんを引き起こしている場合、医師は他の女性の親戚にも遺伝子検査と乳がんの定期的なスクリーニングを受けるよう勧めます。医師はまた、特定の衰弱性疾患を有する家族において疾患を引き起こす遺伝子の有無を判定するために、胎児(または体外受精された胚)の遺伝子検査を申し出ることもあります。
遺伝子治療は、病気を治すために使われる遺伝子工学の技術です。その最も単純な形態では、それは突然変異した遺伝子によって引き起こされる病気の治療を助けるために、ゲノムのランダムな位置に良好な遺伝子を導入することを含みます。良好な遺伝子は通常、宿主細胞に感染して外来DNAを運搬することができるウイルスによって伝達されるベクターの一部として罹患細胞に導入されます(図17.9)。より高度な形態の遺伝子治療は、重症複合免疫不全(SCID)の治療の場合のように、ゲノム内の元の部位の突然変異を修正することを試みることです。
ワクチン、抗生物質、ホルモンの生産
伝統的なワクチン接種戦略は、初期の免疫反応を高めるために弱体化または不活性な形態の微生物を使用しています。現代の技術は、所望の抗原を大量生産するためにベクターにクローン化された微生物の遺伝子を使用します。その後、医師は抗原を体内に導入して一次免疫反応を刺激し、免疫記憶を引き起こします。この医学分野は、インフルエンザウイルスからクローンされた遺伝子を使用することで、このウイルスの絶えず変化する株と戦ってきました。
抗生物質はバイオテクノロジー製品です。菌類などの微生物は、細菌集団に対する優位を達成するためにそれらを天然に産生します。菌類細胞の培養および操作によって抗体を産生します。
科学者たちは、1978年には早くも組換えDNA技術を使って大腸菌の中で人間のインスリンを大規模に生産していました。以前は、ブタインスリンで糖尿病を治療することしかできませんでしたが、これは遺伝子産物の違いのために人間に対してアレルギー反応を引き起こしました。さらに、医師は子供の成長障害を治療するためにヒト成長ホルモン(HGH)を使用しています。研究者らはcDNAライブラリーからHGH遺伝子をクローンして、それを細菌ベクターにクローニングすることによって大腸菌細胞に挿入しました。
トランスジェニック動物
医学におけるいくつかの組換えタンパク質は細菌においてうまく産生されますが、いくつかのタンパク質は適切な処理のために真核生物の動物宿主を必要とします。このため、羊、山羊、ニワトリ、およびマウスのような動物において所望の遺伝子がクローン化され、そして発現されます。私たちは、組換えDNAを発現するように改変された動物をトランスジェニック動物と呼びます。人間におけるいくつかのタンパク質は、トランスジェニックな羊および山羊の乳において発現され、またいくつかのものは鶏卵において発現されます。科学者たちは組換え遺伝子と突然変異の効果を発現させ研究するためにマウスを広く使用しています。
トランスジェニック植物
植物のDNAを操作すること(すなわち、GMOを作り出すこと)は、病害抵抗性、除草剤および農薬抵抗性、より良い栄養価、およびより良い保存期間などの望ましい形質を作り出すのに役立ってきました(図17.10)。植物は人間集団にとって最も重要な食料源です。現代のバイオテクノロジーの実践が確立されるずっと前から、農家は望ましい形質を持つ植物品種を選択する方法を開発していました。
私たちは、他の種からの組換えDNAを受け取った植物のことをトランスジェニック植物と呼びます。それらは天然ではないので、政府機関はトランスジェニック植物およびその他のGMOを注意深く監視し、それらが人間の消費に適しており、他の植物および動物の生命を危険にさらさないことを確実にしています。外来遺伝子は環境中の他の種に広がる可能性があるので、生態学的安定性を確保するために広範囲な試験が必要とされます。科学者が遺伝子操作した最初の作物は、トウモロコシ、ジャガイモ、トマトのような主食でした。
アグロバクテリウム・ツメファシエンス(Agrobacterium tumefaciens)を用いた植物の形質転換
遺伝子の移転は微生物集団の種の間で自然に起こります。がんなどの人間の病気を引き起こす多くのウイルスは、それらのDNAをヒトゲノムに組み込むことによって作用します。植物では、細菌のアグロバクテリウム・ツメファシエンスによって引き起こされる腫瘍は、この細菌から植物へのDNAの移動によって発生します。この腫瘍は植物を死滅はさせませんが、それらは植物の発育を阻害し、そして植物は厳しい環境条件により敏感になります。A.ツメファシエンスはクルミ、ブドウ、ナッツの木、ビートなどの多くの植物に影響を与えます。植物細胞にDNAを人工的に導入することは、植物の細胞壁が厚いために動物細胞よりも困難です。
研究者たちは、自分が選んだDNA断片を植物宿主に導入するために、アグロバクテリウムから植物宿主へのDNAの自然な転移を利用しました。自然では、病気を引き起こすA.ツメファシエンスは、植物に腫瘍を作り出す遺伝子を含む一組のプラスミド、Tiプラスミド(腫瘍誘導プラスミド)を持っています。Tiプラスミド由来のDNAは感染した植物細胞のゲノムに組み込まれます。研究者らは、Tiプラスミドを操作して腫瘍の原因となる遺伝子を除去し、植物ゲノムに移転するための目的のDNA断片を挿入します。Tiプラスミドは選択を助けるために抗生物質耐性遺伝子を保有しており、そして研究者はそれらを大腸菌細胞中で同様に増殖させることができます。
有機殺虫剤バチルス・チューリンゲンシス(Bacillus thuringiensis)
バチルス・チューリンゲンシス(Bt)は、植物に影響を与える多くの昆虫種にとって有毒なタンパク質結晶を、胞子形成中に生成する細菌です。昆虫は毒素を活性化するためにBt毒素を摂取する必要があります。Bt毒素を食べたことのある昆虫は、数時間以内に植物の摂食を止めます。毒素が昆虫の腸内で活性化した後、それらは数日以内に死にます。現代のバイオテクノロジーは、昆虫に対して作用するような植物自身の結晶Bt毒素を植物がコードすることを可能にしました。科学者たちはBtから結晶毒素遺伝子をクローンし、それらを植物に導入しました。Bt毒素は環境にとって安全で、人間や他の哺乳動物には無毒であり、有機農家はそれを天然の殺虫剤として承認しました。
フレーバーセーバー(Flavr Savr)トマト
市場に出た最初のGM作物は1994年のフレーバーセーバートマトでした。科学者たちはアンチセンスRNA技術を使って菌類感染によって引き起こされる軟化と腐敗の過程を遅らせ、それはGMトマトの保存期間を延ばすことにつながりました。追加の遺伝子組換えによってトマトの風味が改善されました。フレーバーセーバートマトは、作物の維持管理と出荷の問題のために、市場で成功することはできませんでした。
17.2 | ゲノムをマッピングする
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:
•ゲノミクスを定義する
•遺伝子地図および物理的地図を記述する
•ゲノムマッピング方法を記述する
ゲノミクスとは、遺伝子の完全なセット、それらのヌクレオチド配列および構成、ならびに種内および他の種とのそれらの相互作用を含む、ゲノム全体の研究です。ゲノムマッピングは、それぞれの染色体上で遺伝子の位置を見つけるプロセスです。ゲノムマッピングによって作成された地図は、私たちが道を歩くために使用する地図に相当します。遺伝子地図とは、遺伝子とその染色体上の位置を列挙する図です。遺伝子地図は、全体像(州間高速道路地図と同様)を提供し、遺伝子マーカー(目印と同様)を使用します。遺伝子マーカーとは、特定の形質と共分離する(遺伝的連鎖を示す)染色体上の遺伝子または配列です。初期の遺伝学者はこれのことを連鎖分析と呼びました。物理的地図は、より小さな染色体領域の徹底的な詳細を提示します(詳細な道路地図と同様)。物理的地図は、遺伝子または遺伝子マーカー間の、ヌクレオチド単位の物理的距離の表現です。ゲノムの完全な図を構築するには、遺伝子連鎖地図と物理地図の両方が必要です。ゲノムの完全なゲノムマップを持つことは研究者が個々の遺伝子を研究することをより容易にします。ヒトゲノムマップは、がん、心臓病、嚢胞性線維症などの病気に関連した、人間の疾病原因遺伝子を同定するための研究者の努力に役立ちます。私たちは、生きた微生物を使って汚染物質を浄化したり、さらには汚染を防止したりするなど、他のさまざまな用途でゲノムマッピングを使用できます。植物ゲノムマッピングを含む研究は、より高い作物の収量を生み出すこと、または気候変動によりよく適応する植物を開発することにつながる可能性があります。
遺伝子地図
遺伝子地図の研究は連鎖分析、すなわち遺伝子が連鎖しているか独立組み合わせを示しているかを決定するために遺伝子間の組換え頻度を分析する手順から始まります。科学者たちはDNAの発見の前には連鎖という用語を使用していました。初期の遺伝学者たちは、生物の遺伝子型を理解するために表現型の変化を観察することに頼っていました。グレゴール・メンデル(現代遺伝学の父)が、形質は私たちが現在遺伝子と呼ぶものによって決定されているということを提案した直後に、他の研究者は異なる形質がしばしば一緒に遺伝することを観察し、したがって、それらの遺伝子は同じ染色体上のそれらの位置によって物理的に連鎖していると推論しました。連鎖分析に基づいた、お互いに対する遺伝子マッピングが、最初の遺伝子地図の開発につながりました。
特定の形質が常に連鎖し、他の特定の形質が連鎖していないという観察は、異なる形質を持つ親の間の交雑による子孫の研究からもたらされました。たとえば、エンドウマメの実験では、花の色と花粉の形は連鎖した形質であり、したがってこれらの形質をコードする遺伝子は同じ染色体上で近接していることが研究者らによって発見されました。私たちは、相同染色体対間のDNA交換を遺伝的組換えと呼び、これは、非姉妹染色分体のような相同DNAストランド間でDNAを交差させることによって起こります。連鎖分析は、任意の2つの遺伝子間の組換え頻度を研究することを含みます。2つの遺伝子間の距離が大きくなればなるほど、それらの間で組換え事象が発生する可能性が高くなり、それらの間の組換え頻度が高くなります。図17.11は、減数分裂中の2つの非姉妹染色分体間の組換えについての2つの可能性を示しています。もし2つの遺伝子間の組換え頻度が50%未満の場合、それらは連鎖しています。
道路地図が目印(川や山など)を必要とするのと同じように、遺伝子地図の作成にはマーカーが必要です。科学者たちは、初期の遺伝地図では、既知の遺伝子をマーカーとして使うことに頼っていました。科学者たちは現在、非コードDNAに基づくものを含む、より洗練されたマーカーを使用して、個人のゲノムを個体群内で比較しています。所与の種の個体は遺伝的に類似していますが、同一ではありません。すべての個体は独自の形質のセットを持っています。個体群内の個体間のゲノムにおけるこれらの小さな差異は、遺伝的マッピングの目的に対して有用です。一般に、優れた遺伝子マーカーとは、個体群内で多様性または多型(複数の形態)を示す染色体上の領域です。
科学者が遺伝子地図を作成するのに使用するいくつかの遺伝子マーカーは、制限断片長多型(RFLP)、反復配列多型(VNTR)、マイクロサテライト多型、および一塩基多型(SNP)です。私たちは、DNAの特定の配列を認識して一連のDNA断片(その後、ゲル電気泳動を用いることで分析できます)を生成する制限エンドヌクレアーゼで個体のDNAを切断するときに、RFLP(時に「リフリップ」と発音されることがあります)を検出できます。特定のセットの制限エンドヌクレアーゼで切断すると、すべての個体のDNAは独特のバンドのパターンを生じます。科学者はこれを個体のDNAの「指紋」と呼ぶことがあります。多型の影響を受ける特定の染色体領域は、固有のバンドパターンの生成につながります。VNTRは、DNAの非コード領域に存在するヌクレオチドのセットの繰り返しです。非コード、または「ジャンク」DNAには、既知の生物学的機能はありません。しかしながら、研究によると、このDNAの多くは実際に転写されています。その機能は不明ではありますが、それは確かに活性であり、そしてそれはコード遺伝子の調節に関与しているかもしれません。繰り返しの数は、個体群の中の個々の生物によって異なることがあります。マイクロサテライト多型はVNTRと似ていますが、繰り返し単位が非常に小さいです。SNPは単一ヌクレオチドにおける変異です。
遺伝子地図は組換えの自然な過程に完全に頼っているので、ゲノム領域に与えられた組換えレベルの自然な増加または減少はマッピングに影響を与えます。ゲノムのある部分は組換えがよく起こります。一方、他の部分は組換えの傾向を示しません。このため、複数の方法によって発展されたマッピング情報を検討することが重要です。
物理的地図
物理的地図は、遺伝子マーカー間の実際の物理的距離およびヌクレオチドの数の詳細を提供します。科学者が物理的地図を作成するために使用する3つの方法があります:細胞遺伝学的マッピング、放射線ハイブリッドマッピング、そして配列マッピングです。細胞遺伝学的マッピングは染色された染色体切片の顕微鏡分析からの情報を使用します(図17.12)。細胞遺伝学的マッピングを用いて遺伝子マーカー間のおよその距離を決定することは可能ですが、正確な距離(塩基対の数)は決定できません。放射線ハイブリッドマッピングは、X線などの放射線を使用してDNAを断片に分割します。私たちは放射線量を調整して、より小さなまたはより大きな断片を作成することができます。この技術は遺伝子マッピングの限界を克服でき、私たちは組換え頻度の増減が影響しないように放射線を調整することができます。配列マッピングは、塩基対の数として測定された距離を備える詳細な物理的地図を作成することを可能にするDNAシークエンシング技術から生じました。ゲノムライブラリーおよび相補的DNA(cDNA)ライブラリー(クローンされた配列のコレクション、またはゲノムからの全DNAのコレクション)を作成することで、物理的マッピングプロセスが早まりました。科学者がシークエンシング技術を用いて物理的地図を作成するために使用する遺伝子部位(配列標識部位、またはSTS)とは、正確な染色体位置がわかっているゲノム内の独特な配列のことです。発現配列タグ(EST)および単一配列長多型(SSLP)は一般的なSTSです。ESTとは、私たちがcDNAライブラリーで識別できる短いSTSです。一方、私たちは既知の遺伝子マーカーからSSLPを得て、それは遺伝子地図と物理的地図との間のつながりを提供してくれます。
遺伝子地図と物理的地図の統合
遺伝子地図は概要を提供し、物理的地図は詳細を提供します。全体像を示すためにはなぜ両方の種類のゲノムマッピング技術が重要であるのかを理解するのは容易です。科学者はゲノムを研究するためにそれぞれの技術の組み合わせからの情報を使います。科学者たちは研究のために種々のモデル生物でのゲノムマッピングを使っています。ゲノムマッピングはまだ進行中のプロセスであり、研究者がさらに高度な技術を開発するにつれて、彼らはより多くのブレークスルーを期待しています。ゲノムマッピングは、利用可能なすべてのデータを使って複雑なパズルを完成させることに似ています。世界中の研究所で作成されたマッピング情報は、国立生物工学情報センター(NCBI)のGenBankなどの中心的なデータベースへと入れられます。研究者は、情報が他の研究者や一般の人々にとってもっと利用しやすくなるように努力しています。私たちが紙の地図ではなく全地球測位システム(GPS)を使用して道路を移動するようになったのと同じように、NCBIはデータマイニングプロセスを簡素化するためのゲノムビューアツールを作成しています。
科学的方法へのつながり
ゲノムマップビューアの使い方
問題の記述:ヒト、マカク、マウスのゲノムには共通のDNA配列が含まれていますか?
仮説を立ててください。
仮説を検証するには、このリンクをクリックしてください(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/mapview/)。
左パネルの検索ボックスに、虹彩の色素(目の色)などの遺伝子名または表現型の特徴を入力します。あなたが調べたい種を選択して、Enterを押してください。ゲノムマップビューアは、あなたの検索する遺伝子をどの染色体がコードしているかを示します。ゲノムビューアでそれぞれのヒット結果をクリックすると、さらに詳しい情報が表示されます。この類の検索は、ゲノムビューアの最も基本的な用途です。あなたは、他の多くの複雑なタスクと同様に、種の間の配列を比較するためにそれを使うこともできます。
仮説は正しいですか?そうであるならば、またはそうでないならば、それはなぜですか?
学習へのリンク
人間のオンラインメンデル遺伝(OMIM)は、人間の遺伝子と遺伝的疾患の検索可能なオンラインカタログです。このウェブサイトはゲノムマッピング情報を示しており、そしてまたそれぞれの形質と疾患の歴史と研究を詳しく述べています。このリンク(http://openstaxcollege.org/l/OMIM)をクリックして、形質(利き手など)および遺伝性疾患(糖尿病など)を検索してください。
17.3 | 全ゲノムシークエンシング
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:
•3種類のシークエンシングを記述する
•全ゲノムシークエンシングを定義する
近年には医療科学の著しい進歩がありましたが、医師はまだいくつかの病気によって悩まされており、そして彼らは問題の根本を発見するために全ゲノムシークエンシングを使用しています。全ゲノムシークエンシングとは、ゲノム全体のDNA配列を決定するプロセスです。全ゲノムシークエンシングは、ある病気の核心に遺伝的根拠がある場合の、問題解決への力ずくのアプローチです。いくつかの研究所は現在、ゲノム全体を配列決定し、分析し、そして解釈するためのサービスを提供しています。
たとえば、全エクソームシークエンシングは全ゲノムシークエンシングに対する低コストの代替手法です。エクソームシークエンシングでは、医師はDNAのうちのコーディングしている、エクソン産生領域のみを配列決定します。2010年にある医師たちが、腸が複数の謎の膿瘍を持っている小さな男の子を救うために全エクソームシークエンシングを使いました。この子供はいくつかの結腸手術を受けましたが治癒のめどはたっていませんでした。最終的に、彼らは全エクソームシークエンシングを行い、そこではアポトーシス(プログラムされた細胞死)を制御する経路における欠陥が明らかになりました。医師たちはこの遺伝的疾患を克服するために骨髄移植を行い、それはその少年の治癒につながりました。彼は全エクソームシークエンシング診断に基づいて治療を受けて成功した最初の人となりました。今日、ヒトゲノムシークエンシングはより容易に利用可能であり、そして検査結果は約1000ドルで2日以内に利用可能となります。
シークエンシングプロジェクトで使用される戦略
現代のすべてのシークエンシングプロジェクトで使用されている基本的な配列決定技術は、1970年代にフレッド・サンガーが開発した連鎖停止法です(ジデオキシ法としても知られています)。連鎖停止法は、プライマーと、モノマーである通常のデオキシヌクレオチド(dNTP)、すなわち単一のDNA単位とを用いることによる一本鎖鋳型のDNA複製を含みます。プライマーおよびdNTPを、少量の蛍光標識されたジデオキシヌクレオチド(ddNTP)と混合します。ddNTPは、他のヌクレオチドが通常結合して鎖を形成する部位において、ヒドロキシル基(-OH)が欠けているようなモノマーです(図17.13)。科学者はそれぞれのddNTPに異なる色の蛍光体でラベル付けします。ddNTPが伸びていく相補ストランドに組み込まれるたびに、それはDNA複製プロセスを終結させます。それによって複製されたDNAの複数の短いストランドがもたらされ、そのDNAはそれぞれ複製中の異なる時点で終結されています。一本鎖に分離した後にゲル電気泳動で反応混合物を処理すると、新しく複製された複数のDNAストランドは、サイズが異なるために、はしごを形成します。ddNTPは蛍光標識されているため、ゲル上の各バンドはDNAストランドのサイズと反応を停止させたddNTPを反映しています。蛍光標識されたddNTPの異なる色は、その位置に組み込まれたddNTPを同定するのを助けます。はしご上の各バンドの色に基づいてゲルを読み取ることで、テンプレート鎖の配列が生成されます(図17.14)。
初期の戦略:ショットガンシークエンシングとペアワイズ末端シークエンシング
ショットガンシークエンシング法では、いくつかのDNA断片のコピーがランダムに多数の小さな破片へと切断されます(ショットガンから発射されたときに丸い弾薬筒で起きるのと同じように)。全てのセグメントを、連鎖配列決定法を用いて配列決定します。それから、配列決定コンピュータの助けを借りて、科学者はそれらのシーケンスがどこで重なるかを見ることで断片を分析することができます。それぞれの断片の末端で重複する配列を一致させることによって、科学者はDNA配列全体を再構築することができます。重複するより短い配列から組み立てられるより大きな配列はコンティグと呼ばれます。例え話として、誰かが、あなたが今まで見たことがなく、それがどのように見えるかについて何も知らない風景の写真のコピーを4部持っている、と考えてみてください。それからその人は自らの手でそれぞれの写真を破ったので、それぞれのコピーから生じた異なるサイズの破片が存在することになります。
その後、その人はすべての破片を混ぜ合わせ、そしてあなたに対して写真を再構築することを依頼します。小さな破片の1つには山が見えます。もう少し大きな破片では、同じ山が湖の後ろにあることがわかります。3番目の破片は湖だけを示しています。しかし、それは湖の岸に小屋があることを明らかにしています。したがって、これら3つの破片の重なり合う情報を見ることで、この写真には湖の後ろに山があり、湖畔には小屋があるということがわかります。これがショットガンシークエンシングを使用した全DNA配列の再構築の背後にある原理です。
もともと、ショットガンシークエンシングでは、それぞれの断片の片方の末端のみが重複しているかどうかを分析していました。これは小さなゲノムを配列決定するのには十分でした。しかしながら、ヒトゲノムのようなより大きなゲノムを配列決定したいという要望は、ダブルバレルショットガンシークエンシング、またはペアワイズ末端シークエンシングの開発へとつながりました。ペアワイズ末端シークエンシングでは、科学者は断片の両方の末端を重複について分析します。したがって、ペアワイズ末端シークエンシングは、ショットガンシークエンシングよりも面倒ですが、入手可能な情報が多いため、配列を再構築するのがより容易になります。
次世代シークエンシング
2005年以降、研究室で使用されている自動シークエンシング技術は、次世代DNAシークエンシングの傘下にあります。次世代シークエンシングとは、高速DNAシークエンシングに使用される自動化された技術のグループです。これらの自動化された低コストのシーケンサーは、一日のうちに数十万から数百万の短い断片(25から500塩基対)の配列を生成することができます。これらのシーケンサーは洗練されたソフトウェアを使用して、すべての断片を順番に並べるという面倒なプロセスをこなします。
進化へのつながり
配列を比較する
配列アラインメントは、タンパク質、DNA、またはRNAの配置のことです。科学者はそれを使用して、細胞の種類の間または種の間の類似の領域を同定します。それは機能または構造の保存を示している可能性があります。私たちは系統樹を構築するために配列アラインメントを使用することができます。次のウェブサイト(http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi)では、BLAST(基本ローカルアラインメント検索ツール)と呼ばれるソフトウェアプログラムを使用しています。
「Basic Blast」の下にある「Nucleotide Blast」をクリックしてください。大きな「query sequence」ボックスに次の配列を入力します:ATTGCTTCGATTGCA。ボックスの下にある「Species」フィールドを探し、「human」または「Homo sapiens」と入力します。次に「BLAST」をクリックして、入力された配列をヒトゲノムの既知の配列と比較します。その結果では、この配列はヒトゲノムの100以上の場所で発生しています。水平な棒のある図の下部へとスクロールすると、一致する各ヒットの簡単な説明が表示されます。リストの上のほうにあるヒットの1つを選び、「Graphics」をクリックしてください。これにより、全ヒトゲノム内でのこの配列の位置を示すページが表示されます。緑色の旗のように見えるスライダーを前後に動かすと、選択した遺伝子の周囲の配列を見ることができます。その後、「ATG」ボタンをクリックすることで選択した配列に戻ることができます。
モデル生物の全ゲノム配列の利用
イギリスの生化学者でノーベル賞を受賞したフレッド・サンガーは、細菌ウイルスのバクテリオファージfx174(5368塩基対)を使って初めてゲノムを完全に配列決定しました。他の科学者たちは後に他のいくつかの細胞小器官およびウイルスのゲノムの配列を決定しました。アメリカのバイオテクノロジー学者、生化学者、遺伝学者、そして実業家であるクレイグ・ヴェンターは、1980年代に細菌のインフルエンザ菌(Haemophilus influenzae)の配列を決定しました。酵母サッカロミセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)のゲノムの配列決定については、約74の異なる研究所が共同作業を行い、1989年に始まり1996年に完了しました。これは、他のどのゲノムシークエンシングよりも60倍も大きかったためです。1997年までに、2つの重要なモデル生物、すなわち細菌である大腸菌K12(Escherichia coli K12)および酵母サッカロミセス・セレビシエのゲノム配列が利用可能になりました。私たちは現在、マウスのハツカネズミ(Mus musculus)、ショウジョウバエのキイロショウジョウバエ(Drosophila melanogaster)、線虫のカエノラブディティス・エレガンス(Caenorhabditis elegans)、そして人間(Homo sapiens)などの他のモデル生物のゲノムを知っています。研究者は、モデル生物において広範な基礎研究を行っています。なぜなら、彼らがその情報を遺伝学的に類似した生物に適用できるためです。モデル生物とは、モデル生物が代表する他の種の生物学的プロセスを理解するためのモデルとして研究者が使用する種です。全ゲノムを配列決定することは、これらのモデル生物における研究の努力に役立ちます。生物学的情報を遺伝子配列に結びつけるプロセスがゲノムアノテーションです。遺伝子配列に注釈を付けることは、PCRプライマーやRNAターゲットの設計など、分子生物学の基本的な実験に役立ちます。
学習へのリンク
このサイト(http://openstaxcollege.org/l/DNA_sequence)で、ゲノムシークエンシングのそれぞれのステップをクリックして進んでください。
ゲノム配列の用途
DNAマイクロアレイは、科学者がスライドガラスまたはシリコンチップに固定された異なるDNA断片を分析して活性な遺伝子および配列を同定することにより遺伝子発現を検出するために使用する方法です。私たちはマイクロアレイを用いて、およそ100万の遺伝子型異常を発見することができます。一方、全ゲノムシークエンシングは、ヒトゲノム中の60億塩基対すべてに関する情報を提供することができます。ゲノムシークエンシングの医学的応用を研究することは興味深いですが、この分野は異常な遺伝子機能について検討するものです。ゲノム全体について知ることで、研究者は将来の疾患の発症や他の遺伝的疾患を早期に発見することが可能になります。これにより、生活様式、薬物治療、子供を産むことについて、より情報に基づいた決定が可能になります。いつの日か、遺伝的異常を検出するためにすべての新生児をスクリーニングするために全ゲノムシークエンシングを使用することが日常的になるかもしれませんが、ゲノミクスはまだその初期の段階にあります。
病気や医学に加えて、ゲノミクスはバイオマスをバイオ燃料に変換する新しい酵素の開発に貢献することができ、それはより多くの作物と燃料の生産、そして消費者のコストの低下をもたらします。この知識は、その産業がバイオ燃料を生産するために使用する微生物に対するより良い管理方法を可能にするでしょう。ゲノミクスはまた、汚染物質の生態系への影響を測定するモニタリング方法を改善し、環境汚染物質の浄化に役立つ可能性もあります。ゲノミクスは、医学や農業に役立つことができる農薬や医薬品の開発を支援してきました。
私たちが全ゲノムシークエンシングから得ることができるすべての知識を持つというのは素晴らしいことに思えます。しかしながら、人間にはこの知識を賢く使う責任があります。さもなければ、そのような知識の力を誤って用いることは容易でり、ある人間の遺伝に基づく差別、人間に対する遺伝的な操作、および他の倫理的懸念へとつながります。この情報は健康とプライバシーに関する法的問題にもつながる可能性があります。
17.4 | ゲノミクスを応用する
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:
•薬理ゲノミクスを説明する
•多遺伝子性を定義する
DNAシークエンシングおよび全ゲノムシークエンシングプロジェクト、特にヒトゲノムプロジェクトを導入することは、DNA配列情報の応用能力を拡大しました。メタゲノミクス、薬理ゲノミクス、ミトコンドリアゲノミクスなどの多くの分野でゲノミクスが使用されています。病気を理解し、治療法を見つけることは、ゲノミクスの最も一般的な応用です。
個人レベルでの疾病リスクの予測
疾病リスクの予測は、個人レベルでのゲノム分析によって現在健康な個人をスクリーニングすることを含みます。医療の専門家は、疾患の発症前に生活習慣の変化や薬物による介入を推奨することができます。しかしながら、このアプローチは、問題が単一の遺伝子欠損の中にある場合に最も適用可能なものです。そのような欠陥は先進国における病気のおよそ5%を占めるだけです。心臓病などの一般的な疾患のほとんどは多因子性または多遺伝子性であり、これは2つかそれ以上の遺伝子が関与する表現型の特徴であり、食事などの環境要因もまた関与します。2010年4月に、スタンフォード大学の科学者は健康な個人(スタンフォード大学の科学者ステファン・クエークのことであり、彼は自分のゲノムの配列を決定しました)のゲノム分析を発表しました。この分析は彼のさまざまな病気に対するかかりやすさを予測しました。医療チームは、55の異なる病状に対するクエークのリスクの割合を分析することで、リスク評価を行いました。このチームは、まれな遺伝子変異を発見し、彼には突然の心臓発作のリスクがあることを示しました。この結果はまた、クエークが前立腺がんを発症するリスクが23%、アルツハイマー病を発症するリスクが1.4%であると予測しました。科学者たちはデータベースといくつかの出版物を使ってゲノムデータを分析しました。ゲノムシークエンシングがより手頃な価格になり、分析ツールがより信頼できるものになってはいますが、研究者は依然として個体群レベルでのゲノム分析を取り巻く倫理的問題に取り組まなければなりません。
ビジュアルコネクション
2011年に、米国の予防医学専門委員会は、健康な男性を前立腺がんについてスクリーニングするためのPSAテストの使用に反対することを勧告しました。彼らの勧告は、スクリーニングによって前立腺がんによる死亡のリスクが軽減されないという証拠に基づいています。前立腺がんはしばしば非常にゆっくりと進行し、問題を引き起こすことはありませんが、がん治療は重篤な副作用を持つことがあります。PCA3検査はより正確ですが、スクリーニングは依然としてがん自体からは害を受けないであろう男性が治療による副作用を被るという可能性を生じさせます。あなたはどう考えますか?すべての健康な男性が、PCA3またはPSA検査を用いて前立腺がんのスクリーニングを受けるべきですか?一般に、人々はがんまたは他の疾患の遺伝的リスクがあるかどうかを調べるためにスクリーニングを受けるべきですか?
薬理ゲノミクスと毒性ゲノミクス
薬理ゲノミクス、または毒性ゲノミクスは、個人のゲノム配列からの情報に基づいて薬の有効性と安全性を評価することを含みます。私たちは、人間に対する研究に着手する前に、実験室で実験動物(実験室のラットやマウスなど)や生きている細胞を使って、薬物に対するゲノムの反応を研究することができます。遺伝子発現の変化を調べることで、薬物の存在下での転写プロファイルについての情報が得られることがあります。私たちはこれを、毒性作用の可能性の初期の指標として使用できます。たとえば、細胞増殖および制御された細胞死に関与する遺伝子は、妨害されると、がん性細胞の増殖につながることがあります。ゲノム全体での研究は、薬物の毒性に関与する新しい遺伝子を見つけるのにも役立ちます。医療専門家は、個人のゲノム配列情報を使用して、個々の患者の遺伝子型に基づいて最も効果的であり最も毒性の少ない薬物を処方することができます。この遺伝子シグネチャーは完全に正確ではないかもしれませんが、病理学的症状が現れる前に医療専門家はそれらをさらに試験することができます。
微生物ゲノミクス:メタゲノミクス
伝統的に、学者たちは純粋な培養条件下で微生物を研究するのが最善であるという見解のもとで微生物学を教えてきました。これは単一の細胞型を単離し、それを実験室で培養することを含みます。微生物は数時間で数世代を経ることがあるので、それらの遺伝子発現プロファイルは新しい実験室環境に非常に迅速に適応します。さらに、大部分の細菌の種は単独での培養に抵抗します。ほとんどの微生物は孤立した存在としてではなく、微生物群集やバイオフィルムの中で生きています。これらすべての理由から、純粋な培養は微生物を研究するための常に最良の方法というわけではありません。メタゲノミクスは、環境的ニッチで成長し、相互作用する複数の種の集合的なゲノムについての研究です。メタゲノミクスは、より迅速に新種を識別し、環境への汚染物質の影響を分析するために使用することができます(図17.16)。
微生物ゲノミクス:新しいバイオ燃料の創製
微生物のゲノミクスに関する知識は、藻やシアノバクテリアからのバイオ燃料を利用するためのより良い方法を見つけるために使われています。今日の主な燃料源は、石炭、石油、木材、そしてエタノールなどの他の植物製品です。植物は再生可能資源ですが、私たちの人口のエネルギー需要を満たすためには、さらに代替の再生可能エネルギー源を見つける必要があります。微生物の世界は、新しい酵素をコードし、新しい有機化合物を生産する遺伝子の最大の資源の1つであり、それは大部分が未利用のままです。微生物は、研究に使用される酵素、抗生物質、およびその他の抗菌メカニズムなどの製品を作成するために使用されます。微生物ゲノミクスは、診断ツール、改良されたワクチン、新しい病気の治療法、そして高度な環境浄化技術の開発を助けています。
ミトコンドリアゲノミクス
ミトコンドリアは、それ自身のDNAを持つ細胞内の細胞小器官です。ミトコンドリアDNAは急速に変異し、科学者は進化関係を研究するためにそれをしばしば使用します。ミトコンドリアゲノムの研究を興味深くするもう1つの特徴は、ほとんどの多細胞生物におけるミトコンドリアDNAが受精プロセスの間に母親から受け渡されるということです。このため、科学者たちはしばしば、ミトコンドリアゲノミクスを用いて系譜を追跡することがあります。
専門家は、法廷での証拠として犯罪現場のDNAサンプルからの情報と手掛かりを使用し、そして、彼らは法医学分析で遺伝子マーカーを使用しています。ゲノム分析もこの分野では有用になっています。法医学におけるゲノミクスの最初の使用を紹介した最初の出版物は、2001年に発表されました。それは、米国郵政公社を介して郵送された炭疽菌の不可解な事件を解決するための学術研究機関とFBIによる共同の試みでした。研究者らは、微生物ゲノミクスを使用して、犯人がすべての郵送物で特定の炭疽菌株を使用したと判断しました。
農業におけるゲノミクス
ゲノミクスは科学的研究につきものの試行錯誤をある程度まで減らすことができ、それは農作物の収穫の質と量を改善することができるでしょう。形質を遺伝子または遺伝子シグネチャーに結び付けることは、作物育種を改善して最も望ましい品質の交配種を生み出すのに役立ちます。科学者はゲノムデータを使って望ましい形質を識別し、次にそれらの形質を別の生物に移します。研究者たちは、ゲノミクスが農業生産の質と量をどのように改善できるかを見出しつつあります。たとえば、科学者は、干ばつに弱い作物を乾季により耐えやすくするなど、望ましい特性を利用して有用な生産物を作成したり既存の生産物を強化したりできます。
17.5 | ゲノミクスとプロテオミクス
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:
•システム生物学を説明する
•プロテオームを記述する
•タンパク質シグネチャーを定義する
タンパク質は遺伝子の最終生成物であり、それは遺伝子がコードする機能を果たすのを助けます。アミノ酸はタンパク質を構成し、細胞内で重要な役割を果たしています。すべての酵素(リボザイムを除く)は、反応速度に影響を与える触媒として作用するタンパク質です。タンパク質は調節分子でもあり、そしていくつかはホルモンです。ヘモグロビンなどの輸送タンパク質は、さまざまな器官への酸素の輸送を助けます。外来粒子を防ぐ抗体もタンパク質です。病気にかかった状態では、遺伝子レベルでの変化のために、または特定のタンパク質に対する直接的な影響のために、タンパク質の機能が損なわれることがあります。
プロテオームとは、ある細胞型が産生するタンパク質のセット全体のことです。遺伝子はmRNAをコードし、mRNAはタンパク質をコードするので、私たちはゲノムの知識を使ってプロテオームを研究することができます。mRNA分析は正しい方向への一歩ですが、すべてのmRNAがタンパク質に翻訳されるわけではありません。プロテオミクスはプロテオームの機能についての研究です。プロテオミクスはゲノミクスを補完し、仮説が遺伝子に基づいているかどうかを科学者たちが検証したいときに役立ちます。多細胞生物のすべての細胞は同じ遺伝子のセットを持っていますが、異なる組織で生産されるタンパク質のセットは異なり、遺伝子発現に依存しています。したがって、ゲノムは一定ですが、プロテオームは変動し、1つの生物の内部で動的なものです。さらに、RNAは交互にスプライスされ(新規の組み合わせおよび新規のタンパク質を作製するために切り貼りされ)、そしてタンパク質分解切断、リン酸化、グリコシル化、およびユビキチン化のようなプロセスによって、多くのタンパク質が翻訳後に自らを修飾します。タンパク質間の相互作用もあり、これはプロテオームの研究を複雑にします。ゲノムは青写真を提供してくれますが、最終的な構築物はプロテオームを生成する事象の進行を変えることができるいくつかの要因に依存します。
メタボロミクスはゲノミクスとプロテオミクスに関連しています。メタボロミクスは、生物内の低分子代謝産物を研究することを含みます。メタボロームは、生物の遺伝子構成に関連する代謝産物の完全なセットです。メタボロミクスは、遺伝子構成と身体的特徴、さらには遺伝子構成と環境要因を比較する機会を提供します。メタボローム研究の目的は、生物の組織や体液中のすべての代謝産物を同定、定量化、そしてカタログ化することです。
タンパク質分析の基本技術
プロテオミクスの最終的な目標は、特定の条件下で所与のゲノムから発現されたタンパク質を同定または比較し、タンパク質間の相互作用を研究し、その情報を使用して細胞の挙動を予測したり薬剤標的を開発することです。科学者が基本的なDNAシークエンシング技術を使ってゲノムを分析するのと同じように、プロテオミクスにはタンパク質分析のための技術が必要です。DNAシークエンシングに類似したタンパク質分析のための基本技術とは、質量分析法です。質量分析法は分子の特徴を同定しそして決定します。分光分析の進歩により、研究者は非常に小さなタンパク質試料を分析することが可能になりました。たとえば、X線結晶構造解析法は科学者が原子レベルの分解能でタンパク質結晶の三次元構造を決定することを可能にします。他のタンパク質イメージング技術である核磁気共鳴法(NMR)では、水溶液中のタンパク質の三次元構造を決定するために原子の磁気特性を使用します。科学者たちはまた、タンパク質相互作用を研究するためにタンパク質マイクロアレイを使用しています。基本的なツーハイブリッドスクリーン法(図17.17)の大規模な適用は、タンパク質マイクロアレイのための基礎を提供しました。科学者たちは、プロテオーム分析のための膨大な量のデータを解析するためにコンピュータソフトウェアを使用しています。
ゲノム規模およびプロテオーム規模の解析はシステム生物学の一部であり、それはシステム内の相互作用に基づいて生物学的な系全体(ゲノムおよびプロテオーム)を研究するものです。欧州バイオインフォマティクス研究所およびヒトプロテオーム機構(HUPO)は、膨大な量のシステム生物学データを整理するための効果的なツールを開発および確立しています。タンパク質は遺伝子の直接の産物であり、ゲノムレベルでの活性を反映するため、さまざまな細胞のタンパク質プロファイルを比較して、疾患プロセスに関与するタンパク質および遺伝子を同定するためにプロテオームを使用するのは自然の成り行きです。ほとんどの医薬品試験はタンパク質を標的としています。研究者たちは、プロテオミクスから得た情報を使って新薬を同定し、その作用機序を理解します。
少量のタンパク質を検出することは困難であるため、科学者はプロテオミクス分析を実行するときに課題に直面します。質量分析法は少量のタンパク質を検出するのに適していますが、病気にかかった状態におけるタンパク質発現の変動を識別することは困難です。タンパク質は天然には不安定な分子であるため、プロテオーム分析はゲノム分析よりもはるかに困難になります。
がんプロテオミクス
研究者たちは、病気の遺伝的根拠を理解するために患者のゲノムとプロテオームを研究しています。研究者たちがプロテオームのアプローチを用いて研究している最も有名な疾患はがんです。これらのアプローチはスクリーニングと早期のがん検出を改善します。研究者たちは、発現が疾患の過程を示すようなタンパク質を同定することができます。個々のタンパク質はバイオマーカーです。一方、発現レベルが変化したタンパク質のセットはタンパク質シグネチャーです。バイオマーカーまたはタンパク質シグネチャーが早期のがんスクリーニングおよび検出の候補として有用であるためには、医療専門家が非侵襲的な方法で大規模スクリーニングを行うことができるように、それらは汗、血液または尿などの体液中に分泌されなければなりません。早期がん検出のためにバイオマーカーを使用することに関する現在の問題は、高い割合の偽陰性の結果です。偽陰性とは、陽性となるべきであったが、それを誤って見逃した検査結果のことです。言い換えれば、多くのがんの症例が検出されずに進行し、それはバイオマーカーの信頼性を低下させます。がん検出におけるタンパク質バイオマーカーのいくつかの例は、卵巣がんに対するCA-125および前立腺がんに対するPSAです。タンパク質シグネチャーは、がん細胞を検出することにおいてバイオマーカーよりも信頼性があります。研究者はまた、プロテオミクスを使用して個別化された治療計画を策定しています。これには、ある個人が特定の薬に反応するかどうか、およびその個人が経験する可能性のある副作用を予測することが含まれます。研究者はまた、プロテオミクスを使用して疾患の再発の可能性を予測します。
アメリカ国立がん研究所はがんの検出と治療を改善するためのプログラムを開発しています。がんのための臨床プロテオミクス技術や、早期発見研究ネットワークといったプログラムは、それぞれのがんのタイプに特異的なタンパク質シグネチャーを同定するための取り組みです。バイオメディカルプロテオミクスプログラムは、タンパク質シグネチャーを識別し、がん患者に対する効果的な治療法をデザインしています。
重要用語
抗生物質耐性:抗生物質の作用によって影響を受けない生物の能力
バイオマーカー:病気にかかった状態で独自に産生される個々のタンパク質
バイオテクノロジー:技術の進歩のために生物学的な手段を使用すること
cDNAライブラリー:クローンされたcDNA配列のコレクション
細胞クローニング:二分裂による同一の細胞集団の生成
連鎖停止法:DNA複製を停止させるために標識されたジデオキシヌクレオチドを使用するDNAシークエンシング法。ジデオキシ法やサンガー法とも呼ばれる
クローン:正確な複製
コンティグ:重複する短い配列から組み立てられた大きなDNA配列
細胞遺伝学的マッピング:染色された染色体から地図を作成するために顕微鏡を使用する技術
デオキシヌクレオチド:個々のDNAモノマー(単一ユニット)
ジデオキシヌクレオチド:ヒドロキシル基(-OH)を欠いている個々のDNAモノマー
DNAマイクロアレイ:スライドガラスまたはシリコンチップに固定された多くのDNA断片を分析して活性遺伝子を同定し、配列を同定することによって遺伝子発現を検出する方法
発現配列タグ(EST):cDNAで識別される短いSTS
偽陰性:陽性となるべきであったが、それを誤って見逃した検査結果
外来DNA:異なる種に属するDNAまたは人工的に合成されたDNA
ゲル電気泳動:電荷を使用して、サイズに基づいて分子を分離するために使用される技術
遺伝子ターゲティング:改変されたバージョンをベクターに導入することによって、特定の遺伝子の配列を変更する方法
遺伝子治療:突然変異遺伝子を優良な遺伝子で置き換えることによって遺伝性疾患を治療するために使用される技術
遺伝子診断:病気の原因となる遺伝子を分析することによる、病気の発症の可能性の診断
遺伝子工学:生物の遺伝子構成の変更
遺伝子地図:遺伝子とそれらの染色体上の位置についての概要
遺伝子マーカー:特定の形質に関連した、染色体上の既知の位置にある遺伝子または配列
遺伝子組換え:相同染色体対間のDNA交換
遺伝子検査:病気の原因となる遺伝子の存在を検査するプロセス
遺伝子組換え生物(GMO):ゲノムが人工的に変更された生物
ゲノムアノテーション:生物学的情報を遺伝子配列に結びつけるプロセス
ゲノムマッピング:それぞれの染色体上で遺伝子の位置を見つけるプロセス
ゲノムライブラリー:ゲノムからのすべての配列と断片を表すクローンされたDNAのコレクション
ゲノミクス:遺伝子の完全なセット、それらのヌクレオチド配列および構成、ならびに種内および他の種とのそれらの相互作用を含むゲノム全体の研究
宿主DNA:目的の生物のゲノムに存在するDNA
連鎖分析:組換え遺伝子を解析して、それらが連鎖しているかどうかを判定する手順
溶解緩衝液:細胞膜を破壊し、細胞内容物を放出させるための溶液
メタボローム:生物の遺伝子構成に関連する代謝産物の完全なセット
メタボロミクス:生物内の低分子代謝産物の研究
メタゲノミクス:環境的ニッチで成長し、相互作用する複数の種の集合的なゲノムについての研究
マイクロサテライト多型:マイクロサテライトDNAの反復部分の配列および数における個体間の変動
モデル生物:モデル生物によって代表される他の種の生物学的プロセスを理解するためのモデルとして研究者が研究し使用する種
分子クローニング:DNA断片のクローニング
多重クローニング部位(MCS):複数の制限エンドヌクレアーゼが認識することができる部位
次世代シークエンシング:高速DNAシークエンシングのための自動化された技術のグループ
ノーザンブロッティング:ゲルからナイロン膜へのRNAの移動
薬理ゲノミクス:ゲノムまたはプロテオームと薬物との相互作用の研究。毒性ゲノミクスとも呼ばれる
物理的地図:遺伝子間または遺伝子マーカー間の物理的距離の表現
多遺伝子性:2つかそれ以上の遺伝子によって引き起こされる表現型の特徴
ポリメラーゼ連鎖反応(PCR):DNAを増幅する技術
プローブ:相補配列がDNA試料中に存在するかどうかを決定するための小さいDNA断片
プロテアーゼ:タンパク質を分解する酵素
タンパク質シグネチャー:病気にかかった状態で独自に発現されるタンパク質のセット
プロテオーム:ある種類の細胞が産生するタンパク質のセット全体
プロテオミクス:プロテオームの機能の研究
純粋培養:実験室における単一の種類の細胞の増殖
放射線ハイブリッドマッピング:染色体をX線で断片化することによって得られる情報
組換えDNA(または、キメラ分子):分子クローニングによって生成された、天然には存在しないDNA断片を組み合わせること
組換えタンパク質:分子クローニングによってもたらされた、ある遺伝子のタンパク質産物
生殖クローニング:生物全体のクローニング
制限エンドヌクレアーゼ:特定のDNA配列を認識し切断することができる酵素
制限断片長多型(RFLP):制限エンドヌクレアーゼが生成するDNA断片の長さにおける個体間の変動
逆遺伝学:遺伝子産物から始めるのではなく、遺伝子自体から始めることによって遺伝子の機能を決定する方法
逆転写酵素PCR(RT-PCR):逆転写酵素によってRNAをDNAに変換することを含むPCR技術
リボヌクレアーゼ:RNAを分解する酵素
配列マッピング:DNAシークエンシング後に得られたマッピング情報
ショットガンシークエンシング:多数のDNA断片の配列決定を用いて大きなDNA片の配列を生成する方法
一塩基多型(SNP):単一塩基内における個体間の差異
サザンブロッティング:ゲルからナイロン膜へのDNAの移動
システム生物学:システム内の相互作用に基づく生物学的な系全体(ゲノムとプロテオーム)の研究
Tiプラスミド:植物細胞に外来DNAを導入するために科学者が使用してきたアグロバクテリウム・ツメファシエンス由来のプラスミド系
トランスジェニック:異なる種からのDNAを受け取る生物
反復配列多型(VNTR):個体群内の個体間の反復配列の数のばらつき
全ゲノムシークエンシング:ゲノム全体のDNA配列を決定するプロセス
この章のまとめ
17.1 | バイオテクノロジー
分析を目的とした核酸は、細胞を破壊し、他のすべての主要な高分子を酵素で破壊することによって、細胞から単離することができます。断片化された染色体または染色体の全体は、ゲル電気泳動によってサイズに基づいて分離することができます。PCRは短いDNAまたはRNAの部分を増幅することができます。研究者はサザンブロッティングおよびノーザンブロッティングを使用して、DNAまたはRNA試料中の特定の短い配列の存在を検出することができます。「クローニング」という用語は、小さなDNA断片のクローニング(分子クローニング)、細胞集団のクローニング(細胞クローニング)、または生物全体のクローニング(生殖クローニング)を指すことがあります。医療専門家は、遺伝子検査を行って疾患の原因となる遺伝子を特定し、遺伝子治療を使って遺伝性疾患を治療します。
トランスジェニック生物は、通常分子クローニング技術によって生成された、異なる種からのDNAを保有しています。ワクチン、抗生物質、およびホルモンは、組換えDNA技術によって得られる製品の例です。科学者は通常、作物の特性を改善するためにトランスジェニック植物を作り出します。
17.2 | ゲノムをマッピングする
ゲノムマッピングは、世界中の研究所から送られてくる情報のピースを持つ、大きくて複雑なパズルを解くことに似ています。遺伝子地図は、ゲノム内の遺伝子の位置を特定するための概要を提供し、そしてそれらは減数分裂の間の組換え頻度に基づいて遺伝子と遺伝子マーカーとの間の距離を推定します。物理的地図は遺伝子間の物理的距離についての詳細な情報を提供します。最も詳細な情報は配列マッピングを通じて利用可能です。研究者は、ゲノム全体を研究するために、すべてのマッピングおよびシークエンシング情報源からの情報を組み合わせます。
17.3 | 全ゲノムシークエンシング
全ゲノムシークエンシングは、遺伝病を治療するための最新の利用可能なリソースです。ある医師たちは、命を救うために全ゲノムシークエンシングを使用しています。ゲノミクスは、バイオ燃料開発、農業、医薬品、汚染防止など、多くの産業用途があります。現代の全てのシークエンシング戦略の基本原理は、シークエンシングにおける連鎖停止法を含みます。
ヒトゲノム配列は医療専門家に重要な洞察を提供しますが、研究者はさまざまな種のゲノムをよりよく理解するためにモデル生物の全ゲノム配列を使用します。全ゲノムシークエンシングの自動化とコスト削減は、将来的に個別化された医療へとつながるでしょう。
17.4 | ゲノミクスを応用する
ゲノミクスの応用可能性に対する唯一の障壁は想像力です。研究者は、ほとんどの生物学の分野にゲノミクスを応用しています。彼らは、個別化された医療、個人レベルでの疾病リスクの予測、臨床試験を実施する前の薬物相互作用の研究、実験室ではなく環境中での微生物の研究にそれを使用しています。彼らはまた、新しいバイオ燃料の生成、ミトコンドリアを用いた系統的な評価、法医科学の進歩、農業の改善などの開発にもそれを適用しています。
17.5 | ゲノミクスとプロテオミクス
プロテオミクスは、特定の環境条件下で所与の種類の細胞によって発現されるタンパク質のセット全体の研究です。多細胞生物では、細胞型が異なればプロテオームも異なり、それらは環境の変化によっても異なります。ゲノムとは異なり、プロテオームは動的で絶え間なく変化するため、ゲノム単独の知識よりもより複雑であり、より有用なものです。
プロテオミクスのアプローチはタンパク質分析に依拠しています。研究者たちは絶えずこれらの技術を改良しています。研究者たちはプロテオミクスを使ってさまざまな種類のがんを研究してきました。医療専門家は、それぞれのがんの種類を分析するために異なるバイオマーカーとタンパク質シグネチャーを使用しています。将来の目標は、個人ごとに個別化された治療計画を立てることです。
ビジュアルコネクション問題
1.図17.7 | あなたは分子生物学の実験室で働いています。そしてあなたが知らないうちに、あなたの実験室パートナーが、あなたがクローンする予定の外来ゲノムDNAを、冷凍庫に保存するのではなく実験室の机に一晩置き去りにしてしまいました。結果として、それはヌクレアーゼによって分解されましたが、それでも実験に使用されました。一方、プラスミドは良好なままです。あなたは、分子クローニング実験からどのような結果が期待できますか?
a.細菌プレートにコロニーはないだろう。
b.青いコロニーだけがあるだろう。
c.青と白のコロニーがあるだろう。
d.白いコロニーだけがあるだろう。
2.図17.8 | あなたは、ドリーがフィン・ドーセット種の羊だと思いますか?それともスコティッシュ・ブラックフェイス種の羊だと思いますか?
3.図17.15 | 2011年に、米国の予防医学専門委員会は、健康な男性を前立腺がんについてスクリーニングするためのPSAテストの使用に反対することを勧告しました。彼らの勧告は、スクリーニングによって前立腺がんによる死亡のリスクが軽減されないという証拠に基づいています。前立腺がんはしばしば非常にゆっくりと進行し、問題を引き起こすことはありませんが、がん治療は重篤な副作用を持つことがあります。PCA3検査はより正確ですが、スクリーニングは依然としてがん自体からは害を受けないであろう男性が治療による副作用を被るという可能性を生じさせます。あなたはどう考えますか?すべての健康な男性が、PCA3またはPSA検査を用いて前立腺がんのスクリーニングを受けるべきですか?一般に、人々はがんまたは他の疾患の遺伝的リスクがあるかどうかを調べるためにスクリーニングを受けるべきですか?
レビュー問題
4.GMOは________ことによって作成されます。
a.制限エンドヌクレアーゼを用いてゲノムDNA断片を生成する
b.何らかの方法で組換えDNAを生物に導入する
c.大腸菌においてタンパク質を過剰発現させる
d.上記のすべて
5.遺伝子治療は、________細胞に外来DNAを導入するために使用されることがあります。
a.分子クローニングのため、
b.PCRによって
c.遺伝性疾患を治療するため、組織の
d.上記のすべて
6.分子クローニングによって産生されたインスリンは、________。
a.ブタ由来のものである
b.組換えタンパク質である
c.人間の膵臓によって作られている
d.組換えDNAである
7.Bt毒素は________と見なされています。
a.昆虫のDNAを改変するための遺伝子
b.細菌によって作り出される有機殺虫剤
c.人間が昆虫と戦うのに有用
d.組換えタンパク質
8.フレーバーセーバートマトは、________。
a.スーパーマーケットにおけるさまざまな完熟したトマトである
b.より良い風味と賞味期限を持つように作成された
c.軟腐病にかからない
d.上記のすべて
9.ESTは________。
a.cDNAライブラリー作成後に生成される
b.ゲノム内の独特な配列である
c.配列情報を使ったマッピングに有用である
d.上記のすべて
10.連鎖解析は________。
a.物理的地図を作成するために使用される
b.自然の組換えプロセスに基づいている
c.放射線ハイブリッドマッピングを必要とする
d.人為的なDNAの破壊と再結合を含む
11.遺伝子組換えはどのプロセスによって起こりますか?
a.独立組み合わせ
b.交差
c.染色体分離
d.姉妹染色分体
12.所与の種における個々の遺伝子地図は、________。
a.遺伝的に似ている
b.遺伝的に同一である
c.遺伝的に似ていない
d.種の分析には役立たない
13.染色された染色体の顕微鏡分析によって得られた情報は、________において使用されます。
a.放射線ハイブリッドマッピング
b.配列マッピング
c.RFLPマッピング
d.細胞遺伝学的マッピング
14.シークエンシングの連鎖停止方法は、________。
a.標識されたddNTPを使用する
b.ジデオキシヌクレオチドのみを使用する
c.デオキシヌクレオチドのみを使用する
d.標識されたdNTPを使用する
15.全ゲノムシークエンシングは、________の進歩のために使用されます。
a.医療分野
b.農業
c.バイオ燃料
d.上記のすべて
16.個人のゲノムのシークエンシングは、________。
a.現在可能である
b.差別とプライバシーに関する法的問題につながる可能性がある
c.治療についての情報に基づいた選択をするのを助けることができる
d.上記のすべて
17.ゲノムシークエンシングが直面している最も困難な問題とは何ですか?
a.速くて正確なシークエンシング技術を開発できないこと
b.個人レベルでゲノムからの情報を使用することの倫理
c.DNAの有用性と安定性
d.上記のすべて
18.ゲノミクスは、農業において________の目的のために使用できます。
a.新しいハイブリッド株を生成する
b.耐病性を改善する
c.収穫量を向上させる
d.上記のすべて
19.ゲノミクスは、個人レベルで________ために使用できます。
a.移植拒絶反応を減らす
b.ある人が受け継いだかもしれない遺伝病を予測する
c.ある個人の子供のための遺伝病のリスクを決定する
d.上記のすべて
20.バイオマーカーとは何ですか?
a.さまざまな遺伝子の色分け
b.病気にかかった状態で独自に産生されるタンパク質
c.ゲノムまたはプロテオーム内の分子
d.遺伝的に受け継がれるマーカー
21.タンパク質シグネチャーとは、________です。
a.タンパク質が核内で合成された後にたどる経路
b.細胞質内のタンパク質がたどる経路
c.細胞表面に発現しているタンパク質
d.病気にかかった状態で存在するタンパク質の独自のセット
クリティカルシンキング問題
22.サザンブロッティングのプロセスを説明してください。
23.ある研究者が、乳がん患者のがん細胞を研究したいと考えています。がん細胞のクローニングは選択肢の1つですか?
24.科学者はどのようにして植物に除草剤耐性遺伝子を導入するのでしょうか?
25.もしあなたが自分のゲノムの配列決定をするチャンスがある場合、あなた自身について答えが得られるかもしれないいくつかの質問とは何でしょうか?
26.なぜゲノムマッピングの応用にこんなにも多くの努力が注がれているのですか?
27.ヒトゲノムの遺伝子地図は、がんの治療法を見つけるのにどのように役立つでしょうか?
28.メタゲノミクスがおそらく最も革新的なゲノミクスの応用である理由を説明してください。
29.疾病リスクと治療法の選択肢を予測するためにゲノミクスをどのように使用することができますか?
30.プロテオミクスはがんの検出と治療にどのように使われてきましたか?
31.個別化された医療とは何ですか?
解答のヒント
第17章
1 図17.7 b. この実験では青いコロニーだけが生じるでしょう。3 図17.15 これらの質問に対する正しい答えも間違った答えもありません。前立腺がんの治療自体が有害なこともあることは事実ですが、多くの男性は、病気を監視して進行すれば治療を開始できるように、自分ががんに罹っていることを知っておきたいかもしれません。そして、遺伝子スクリーニングは有用かもしれませんが、それは高価で、不必要な心配を引き起こすかもしれません。特定の危険因子を持つ人々でもこの病気を発症することがないかもしれず、予防的治療はその良さ以上に害を及ぼすことがあります。4 B 6 B 8 D 10 B 12 A 14 A 16 D 18 D 20 B 22 サザンブロッティングは、酵素によって断片へと切断され、そしてアガロースゲル上をナイロン膜へと走らせたDNAの移動のことです。ナイロン膜上にあるDNA断片を変性してそれらを一本鎖にし、次いで放射性または蛍光標識された小さなDNA断片でプローブして特定の配列の存在を検出することができます。サザンブロッティングの使用の1つの例では、一群の患者からのゲノムDNA中の疾患遺伝子の存在、非存在、または変異を分析することができます。24 除草剤耐性遺伝子を同定し、それをアグロバクテリウム・ツメファシエンスのTiプラスミドシステムのような植物発現ベクターシステムにクローニングします。その後、科学者はそれを形質転換によって植物細胞に導入し、除草剤耐性遺伝子を取り込んでゲノムに組み込んだ細胞を選択します。26 ゲノムマッピングには多くのさまざまな用途があり、予測の目的に使用できる包括的な情報を提供します。28 メタゲノミクスは、純粋培養を用いるという慣習に取って代わるために、革新的なものです。純粋培養は実験室で個々の種を研究するために使われていましたが、環境中で起こることを正確に表してはいませんでした。メタゲノミクスは環境的なニッチにおける細菌集団のゲノムを研究します。30 プロテオミクスは、がんの早期発見のためのスクリーニングに使用されてきたバイオマーカーとタンパク質シグネチャーを検出する方法を提供しています。
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