遺伝子の基本

DNAの構造

人間の体において、その人の体の形質を決めるDNAはらせん構造をしていて、人間の体の組織がどのような形状になったりするかが全ての細胞に含まれている。

遺伝子（DNA）の内容はひとりひとり異なる。また、生物種の違いを決めるのもDNAである。

子供が生まれる時に、母親のDNAと父親のDNAを分け合って、まるで母親と父親の遺伝子が融和するかのように子供は生まれてくる。そのため、子供のDNAは親のDNAに似通ったものとなる。これを「遺伝」と呼ぶ。

細胞の分化とDNA

（放送大学「自然科学はじめの一歩 ('15)」と一部分だけ「よくわかる生物基礎+生物【新課程】 (MY BEST)」を参考に執筆しました。）

生物のすべての細胞は、細胞から生まれる。無機質な物質から細胞が生まれることはない。

細胞は、生物の最初の段階では「卵」である。たとえば、精子と卵子が受精することで、受精卵が生まれ、ここから細胞分裂をして人間の体となる。

このような細胞は、「分裂」することで大きくなる。細胞が分裂すると、ある程度の大きさに成長するまでは次の分裂を行わない。

また、細胞は分裂する中で、それぞれの機能へと「分化」する。そして、一度分化されると、分化する前の状態には戻らない。すなわち、最初の受精卵の段階では、まだ分化されず「さまざまな機能へと分化できる」細胞であり、ES細胞（胚性幹細胞）などは人の胚を使うことで、さまざまな機能の細胞を作り出すことのできる「万能細胞」を実現する。

細胞の組織の特性を決めているのは、タンパク質と呼ばれる小さな物質であり、20種類のアミノ酸からできている。タンパク質はたくさんのアミノ酸が連結された状態であり、この並び方によってタンパク質の種類が決まる。とても長いタンパク質だが、この連結状態はそれぞれの決まった形に「折りたたまれる」。

タンパク質の並び順を決めているのは、DNAであり、真核生物の場合、細胞の中の核に存在する。DNAはヌクレオチドが連結した分子で、鎖状のヌクレオチドが2本1組となり、とても長いらせん構造をとっている。

DNAは糖（デオキシリボース）、リン酸、塩基からなり、このうち糖とリン酸は共通しているが、塩基は4種類、アデニン（A）、グアニン（G）、シトシン（C）、チミン（T）がある。AとT、CとGが、互いにぴたりとはまるように結合する。この4つの塩基のうち3つがどの並び順（塩基配列）であるかどうかが、アミノ酸の種類を決める。

実際はまずDNAがRNAとなり（転写）、RNAからタンパク質が作られる。RNAに写し取られる段階で、Tだけがウラシル（U）に置き換わる。3つの塩基の並び順は、4×4×4で64通りになるため、20種類のアミノ酸に対応できる。

iPS細胞は、大人になって分化した人間の細胞に、特定の4つの遺伝子を投入することで分化を解除し、それをES細胞と同じようにさまざまな細胞に変えることのできる技術である。

後日注記：この4つの遺伝子は、WikipediaによればOct3/4, Sox2, Klf4, c-Mycであり、「山中因子」と呼ばれている。僕個人の意見として、科学的な根拠などはないが、虫歯などであってもこの4つの遺伝子を細胞に注入すれば、分化が解除されて歯が再生するのではないか、などという淡い期待を僕個人的に持っている。

DNAの塩基配列について

遺伝子ではないDNAの塩基配列はランダムであり意味をなさないとされている。だが、僕個人の意見としては、何らかの宇宙的な暗号が書かれているのではないかと思ってしまう。

後日注記：DNAの遺伝子情報以外の領域は、遺伝子と遺伝子の間を表す部分や、染色体の役割と機能を持つ部分などが存在する。（放送大学「初歩からの生物学 ('24)」を参考に執筆しました。）

遺伝子いろいろ

染色体

人間を含む真核生物の細胞の中には核と呼ばれる部分があり、この中に染色体があり、染色体の中には遺伝子（DNA）がある。

ヒトの染色体は23対（全46本）があり、すべての細胞の核の中に含まれる。

23番目の対を性染色体と呼び、XあるいはYとなる。胎児が男になるか女になるかは、この2本がX-YになるかX-Xになるかで決まる。

以下のページを参考に執筆しました。

• 遺伝子と染色体 - 01. 知っておきたい基礎知識 - MSDマニュアル家庭版

RNAと転写

DNAからタンパク質を作成する前に、まずDNAはRNAへと転写される。DNAがRNAに転写され、RNAがタンパク質に翻訳される。転写の時、塩基配列の中のチミン（T）だけがウラシル（U）に置き換わる。

後日注記：DNAはよく知られているようにらせん状の鎖が2本で1組となっているが、RNAは同様の鎖の1本だけとなっている。

後日注記：転写によってアミノ酸の並びを読み取ったメッセンジャーRNA（mRNA）は「翻訳」によって新しく作られるタンパク質のアミノ酸の並び順を決定する。分子として用いられるRNA（rRNAやtRNA）は、転写した時点で作成は終わりとなる。

• 転写 - 福岡大学理学部機能生物化学研究室
• 放送大学「初歩からの生物学 ('24)」

コドン

RNAに記述された3つの塩基の並び、すなわちどのアミノ酸を作るのかということを決める情報を「コドン」と呼ぶ。

コドンはRNAの中の3つの塩基（U, C, A, Gの中の3つ）を並べた表であるコドン表として表され、その並びがアミノ酸の種類を決定する。たとえばCAAとCAGはグルタミンなど。

（放送大学「初歩からの生物学 ('24)」を参考に執筆しました。）

減数分裂

体細胞分裂（通常の体の細胞の分裂）では、分裂した際に23対46本の染色体が新しい細胞に受け継がれる。

だが、精子と卵子の配偶子が一緒になる「減数分裂」では、分裂が二回起きるため、半分の23本の染色体しか、子供には受け継がれない。染色体が減少するために「減数分裂」と呼ぶ。

また、減数分裂においては、新しい配偶子が新規に作られる。ここで、染色体は父親由来になることもあれば、母親由来になることもある。

（放送大学「初歩からの生物学 ('24)」を参考に執筆しました。）

胚

胚とは、卵子と精子が受精して受精卵となり、成長して細胞が分化していく中で、体がある程度形作られるまで（胎児と呼ばれるより前の段階）の、生まれる前の初期状態の体のことを指す。

特に、有性生殖の多細胞生物の場合、二つの配偶子からどのように胚が誕生し細胞が分化していくか、ということを、生物の教科書では教える。ウニやカエルの発生などを例とした教科書が多い。

• 胚 - Wikipedia
• よくわかる生物基礎+生物【新課程】 (MY BEST)
• 放送大学「初歩からの生物学 ('24)」

メンデルの遺伝の法則

メンデルの遺伝の法則は、「優性の法則」「分離の法則」「独立の法則」から成る、遺伝学の重要な法則。

メンデルの遺伝の法則では、遺伝によってどのような形質が子孫へと受け継がれ、親の持つ特徴が子にどのように現れるか、ということを発見・説明した。

法則	説明
優性の法則	親のそれぞれの別々の形質から、優性形質のみが現れる法則
分離の法則	対立遺伝子は、作られる配偶子の中で、別々の配偶子に分配される法則
独立の法則	別々の染色体に2つの対立遺伝子がある時は、独立して分配される法則

（「基礎からのシグマベスト 高校 これでわかる生物I（文英堂, 2008年発行版）」を参考に執筆しました。）

• 遺伝の法則 - 細胞生物学の世界へようこそ

DNAの発見

DNAが発見されることになった重要な実験として、「グリフィスの実験」「エイブリーらの実験」「ハーシーとチェイスの実験」の3つの実験がある。

これらの実験によって遺伝情報はDNAにあることが明らかになった。以前は遺伝情報はタンパク質にあると考えられ、DNAはより単純な分子であると誤解されていた。

（放送大学「初歩からの生物学 ('24)」を参考に執筆しました。）

バイオテクノロジー

バイオ技術の進歩と可能性

バイオテクノロジーと聞いて、まず思い浮かぶのは、遺伝子操作の技術ではないかと思います。

バイオテクノロジーによる遺伝子操作技術には、遺伝子組み換え食品やゲノム編集が挙げられます。

遺伝子組み換えを行うことで、たとえば鯛などの魚を通常よりも3倍の大きさにしたり、あるいは虫がつきにくいブロッコリーやキャベツなどの野菜を作ったりすることが、現在の技術ですでにできます。

また、ゲノム編集を行うことで、遺伝子のゲノムを編集できます。これにより、人間の遺伝子の問題による病気などを治すことができます。

ですが、こうした遺伝子操作技術は、「危ない技術」だと思っている人も多いと思います。人間の遺伝子や人間の食べるものの遺伝子を組み替えて、本当に安心して生きられるのか、まだ分かっていないからです。

そもそも、バイオテクノロジーは、美味しい稲を作るとか、魚を養殖して増やすとか、食品や作物の分野で、生物そのものに対する技術として行われていました。

それが、たとえば食品の加工や発酵菌を使った発酵食品を作るなど、「美味しい食べ物を作る」という食品加工の技術として、進歩していきました。

そして、その技術が、医療の分野、特に製薬分野で活かされました。バイオテクノロジーを使って薬を作るようになったのです。

食品加工、特に酒の発酵菌の技術などがある分野には、製薬の技術がある場合があります。たとえば、発酵菌を使って長年ビールを作ってきたビール会社などが、薬を作っていたりするのです。

そのように、バイオテクノロジーは危険な裏腹で、とても人間の暮らしを楽にしてくれる、将来性と可能性のある技術です。

今されている研究では、「花粉を出さない杉を作れないか」という研究などが行われています。また、植物による光合成の研究では、どうにかして光合成を普通の機械で行えないか、光合成の仕組みの解明が待たれています。iPS細胞などはノーベル賞もとりましたが、今まで治らなかった病気が再生医療によって治る光が見え、治らない病気の患者に希望の光を灯しています。

再生医療

iPS細胞について

2018-03-22より。

NHKの人体の特集を見て思ったのは、iPS細胞は本当にとてもすごい技術的発明だということ。

NHKの番組の中で「全自動プログラムのドミノ倒し」という表現をしていたように、細胞がどのように個別の臓器になっていくのかが分かってしまう。

まず、受精卵を培養液の入った試験管の中に入れて、母親の胎内と同じ環境を再現し、メッセージ物質を与えるだけで、なんと試験管の中の受精卵が心臓の細胞になって、脈を打つようになる。

心臓の次は、肝臓が生まれてしまう。

僕は、これはとてもすごい技術だと思う。僕が今まで再生医療に対して思っていたのは、「どうせ母親の胎内に細胞を入れる必要があるのだろう」という思い込みだったが、この番組を見てそれが払拭された。試験管の培養液の中で、心臓のように脈を打つ細胞が生まれてしまう。心臓そのものにはならない（そんなに巨大な心臓は生まれない）としても、試験管の中の細胞が脈を打っているのに、僕は驚いた。

この技術が応用的に使われるようになれば、僕は日本の医療は一変するのではないかと思う。虫歯から癌まで、全ての病気が治ってしまうような気がする。

それこそ、どんな病気になったとしても、クリーンな内臓と取り換えてしまえば良い。

だが、これは一歩間違えるととても恐ろしい技術である。人工的にあらゆる人間を作れるなら、たとえば少し中身の構造を変えた、「おかしな人間的生物」を生み出せるかもしれない。それに、植物や動物環境を壊すような、ありえない生物を作ることができるかもしれない。構造を変えなくても、ミニチュアの人間を作って、それにロボットのような人工知能を取り付けることで、独裁者が戦争に使うことも考えられると思う。

ある意味、気持ちの悪いぐらい優れた技術が今のiPS細胞なのだと、僕は再認識するに至った。

自分は、信じ方を変えれば治る。信じる、ということについて考えると、良く分かる。昔は、ものごとを人生の中で信じ直すことから、何を信じていくか、どのように信じていくか、などという「人生の信じ方と信じ直すことにおける気付きの段階」を書いていた。

もう、僕は楽になった。疲れを感じるせいで、休めるようになった。今、この世界は終わる。みんなも休めるようになれば良い。それで、日本は完全に楽になるだろう。最近は、休めない人間があまりに増えた。休むためには、きちんと疲れを感じれば良い。疲れすぎた人間は、疲れすら感じられなくなる。それが一番疲れる。たまに死ぬほど辛い疲れを感じるようになる。

昔は、「iPS細胞で全ての病気が治る」のように、発想法というか、解決方法というか、実現法というか、そういうことを良く書いていた。電磁波はクォークの素数であると言ったり（もう覚えていないが、おそらく原子と分子の構造の結びつき方とその数のことを言っている）、生物は進化だけをする細胞から生まれたとか、海と熱と重力と波から細胞は生まれるとか、あるいは細胞だけの特別な物理法則がたくさんあるとか、あるいは、細胞は真ん中から分裂して分裂する細胞が生まれたとか、他にもいろいろと、そういう「実現と解決の方法」のようなことを言う。生物学だけではなく、嘘と迫害を全部禁止すべきだとか、乳製品を作れるようにミルクを無料で配給し、水道にも流すべきだとか、半ば「狂っている」ようなことをいつも書いていた。他には、米ソが海上で核実験をすると、海の生物は既に放射能に汚染されているはずで、魚を食べることは出来ないはずだ、とか、完全におかしなことを言う。ドイツは一度負けた国に勝てるわけがないなどと、国際的なことも言う。そして、それらはすべて、一つのことを構造的に作りながら、そのこと自体が何を意味しているのかを分かる、という意味で、本当に純粋な数学だった。そして、経験と認識のデータベースから分かっていた。

余談

生物の体は遺伝子という高度な情報を持ったコンピュータではないか

実際のところ、生物の体は、実際に目に見えている部分は小さな部分であり、本当は「遺伝子」という体の中にある情報の中に、多くの情報が詰まっています。

僕は、おそらく、生物の体というのは、遺伝子という高度な情報システムを持った、ある種のコンピュータなのだと思います。

実際の行動や思考は物理的なハードウェアである「体」がしているとしても、その体の奥底にあるさまざまな「原理」は、遺伝子やDNAの中に記述されており、この遺伝子情報こそ、真の意味で「生物存在」であると言えるような存在なのではないでしょうか。

ゲノム編集で人間の肺を光合成のできる植物の葉に変える

また、僕はゲノム編集という技術は、ある意味で画期的で、ある意味で危険で、またある意味で原子力よりもさらに大きな可能性を秘めていると思います。

人間の体を植物に喩えると、手足や体は植物の幹に当たり、肺や内臓は植物の葉に当たります。

僕は、人間の体をゲノム編集や遺伝子操作を行うことで、「人間の肺に植物の光合成の機能を持たせる」ようなことができると思います。

人間の肺がもし植物の葉と取り換えることができたら、これは画期的なことです。二酸化炭素を直接酸素にして吸収することができるようになります。僕は、50年後の地球では、そんなことすら可能になっていると思います。

未来の出来事は遺伝子の中ですべて決まっている

僕は、この宇宙において、未来の出来事はすべて決まっていると思います。

なぜなら、人類の遺伝子の中に、未来の出来事はすべて書かれているからです。

人類の遺伝子を研究することで、未来の出来事を知ることができると、僕は考えています。

僕は、未来のことまですべて知っています。それは未来予知という特殊な力を僕が持ち合わせているわけではありません。遺伝子の中に、僕の未来の出来事がすべて記述されているからです。

子供時代に、自分の将来の夢が分かるのは、遺伝子で決まっているそうした未来の出来事を、自分に当てはまる部分だけ、自分の遺伝子から参照しているからです。

宇宙にはさまざまな可能性があるように見えますが、実際は偶然に未来が決まるということはありません。すべての未来における出来事は決まっていて、遺伝子の中でそれは既に分かっているのです。

親とまったく同じ子が生まれると気持ち悪い

なぜ、人間の遺伝子は、父親と母親の二つの遺伝子が融和して生まれてくるのかと、多くの人は疑問に思うでしょう。

ですが、もし、自分とまったく同じ人間が、子供として生まれるとしたら、気持ち悪いと思いませんか？

たとえば、父親と母親から子供が生まれるのではなく、ひとりの人間からひとりの人間が生まれるとして、遺伝子はそのまま完全に同じDNAをコピーして生まれるとすると、「子供は親とまったく同じ人間が生まれる」となってしまいます。

まさに、それは流石に、気持ち悪いですよね。

だから、有性生殖を行う生物は、父親と母親の二つの遺伝子を元に、新しい遺伝子をもって生まれてきます。すなわち、「子供が生まれる時点で、親と似通ってはいるのだけど、父親とも母親とも違う、その子供だけのユニークな遺伝子を持って生まれてくる」ということが、有性生殖においてはできるのです。まさに、よくできた仕組みだと思います。