高校生物 遺伝と変異(2) 遺伝子と染色体
池田博明 BACK TO CONTENTS
第2節 遺伝子と染色体
●第1項 ヒトの染色体
ヒトの第1染色体にはRh式血液型,第9染色体にはABO式血液型の遺伝子がある。
【図:ヒトの第1染色体と第9染色体】
■第1染色体の上腕のうえから四分の1のあたりにRh式血液型遺伝子
■第9染色体には1076個のgene、ABO式血液型遺伝子は下端
■第15染色体には動原体のすぐ下に虹彩色の茶/青の遺伝子EYCL3
(虹彩色は第19染色体に緑/青の遺伝子EYCL1がある)
BBまたはBbで茶色, bbGgまたはbbGGで緑色, bbggで青色,
■第16染色体には動原体のすぐ下に耳垢の遺伝子がある
■X染色体の下端には赤色識別遺伝子OPN1NWと緑色識別遺伝子OPN1MWがある。どちらか一方が劣性で色覚異常。また近くには血液凝固IV因子の遺伝子がある。
ヒトゲノムマップにリンク |
ヒトの染色体は第1染色体から第(?)染色体か?
46本=常染色体+性染色体
44本 2本
男性=22種×2本+XY
女性=22種×2本+XX
| 【参考】性染色質 Sex chromatin。1949年にBarrは哺乳類の雌で2本のX染色体の外観が異なることを発見した。1本は普通であるが,もう1本は強く染色されるのだ。間期の核でもよく染色されるので,性染色質とよばれた。このX染色体は不活性で,後に放射性同位体を使った実験では核酸合成をしていないことがわかった。もっとも発生のoutsetでは両方とも活性がある。例えばウサギの2日胚では性染色質は無いが,4.5日から5日胚になると観察されるようになる。ハムスターの8細胞期では両X染色体とも活性がある(Ebert & Sussex,1970) |
【参考:ヒトの遺伝子数はいくつか】
1990年にはヒトの420種の遺伝子の位置が判明していた。
1996年、ヒトの遺伝子すべてを解明しようという計画=ヒト・ゲノム計画が開始。
ゲノム GENOME とは遺伝子の1組を意味する。GENe(遺伝子)+chromosOME(染色体)の造語
1999年12月、第22番染色体のゲノムが解明された。
2000年5月、第21番染色体のゲノムが解明された。
2001年2月、ヒトゲノム概要版が発表された。
この結果から推定すると、ヒトでは3万から4万個のタンパク質をコードする遺伝子があった。
(この数は線虫、約19000個やハエ=約13600個のほぼ二倍にすぎない。
選択的スプライシングを行ってはるかに多数のタンパク質を作り出しているのだろう)
ヒトの遺伝子数の推定値は時代によって変動している。
| 年 |
推定数 |
出典 |
推定理由 |
|
|
|
|
| 2000年 |
10万 |
|
蛋白質数 |
|
|
|
|
| 2001年2月 |
3万から4万 |
ヒトゲノム概要配列 |
DNA塩基 |
| 2003年4月 |
3万2615 |
ヒトゲノム終了宣言 |
DNA塩基 |
| 2004年10月 |
2万1787 |
詳細配列 |
DNA塩基 |
| 2006年5月 |
2万6800 |
推定値で最大数 |
DNA塩基 |
▲清水信義『ヒトゲノム・ワールド』(PHP研究所,2001年)
▲natureヒトゲノム日本語版(2001年)の特に「ヒトゲノムの初解読と解析」
▲nature特別編集『ヒトゲノムの未来』(徳間書店,2002年)
ワトソンは言う、“生物が複雑になればなるほど、遺伝子数もそれに応じて増えるのが当然だと思われていた。だから昨年、キイロショウジョウバエの遺伝子数が、それより単純な線虫の遺伝子数よりかなり少ない(1万3500対1万8500個)ことがわかったときには、私も含め、科学者仲間はだれもが驚かされたのだ。それよりも意外だったのは最近発見された事実で、あのちっぽけなシロイヌナズナが、遺伝子を線虫よりほぼ1万個も多く持っている(約2万8000個)というのである。だが、今回またもや衝撃を受ける羽目になった。ヒトの遺伝子は3万個をいくらも超えないとの結論が出たのである。1年前まで私は、ヒトという存在には7万から10万の遺伝子が必要だと思っていたのだ。
生物の複雑さが遺伝子数と相関しない理由が、すべて明らかになったわけではない。RNAスプライシングのやり方によって1個の遺伝子から複数のタンパク質産物を生み出せることも理由の1つかもしれない。脊椎動物の遺伝子から生じるスプライシング産物の数は、無脊椎動物の遺伝子よりも多いのである。また。それぞれの神経系の質的相違も同じくらい重要かもしれない。線虫はショウジョウバエより動きが鈍いので、敵や環境変化に対処するのに、それだけ多くの特殊タンパク質を(したがって、それだけ多くの遺伝子も)必要とするのだろう。ショウジョウバエは神経系がもっとも発達しているので、飛び去るだけで敵やストレスを避けられる。植物はまったく動けないので、新たな敵や気候変動に対処するために、絶えず新しい遺伝子を進化させなければならないのかもしれない。・・・ヒトの反復配列の大半は、転移性遺伝因子の発生と移動の結果生じたものらしい。ことによると、脊椎動物の進化の底流となった変異の多くは、トランスポゾンが遺伝子の調節領域へと入り込んで、発現パターンを変化させたことによるのかもしれない。・・・
ヒトゲノムの概要配列によって明らかとなった多くの新事実のなかでも、私にとって最も興味深いのは、4つあるホメオボックス遺伝子群に反復配列がほとんど存在しないという発見だった。・・・”(『ヒトゲノムの未来』より「姿を見せたヒトゲノム」)
▼DNA時代のデザイナー・チャイルドの問題点を浮き彫りにした傑作近未来SF映画に『ガタカ』(アンドリュー・ニコル監督)がある。
主人公はデザイナー・チャイルドとして選抜されなかった(普通に出産されてしまった)子供で、エリートしかなれない宇宙飛行士になる夢をかなえようとする。しかし、そのためには自分のIDを偽らなければならない。徹底的な管理のなか、身体不自由なエリートの友人の血液や体毛を借りてDNAの検査さえも突破する。あと数日で夢がかなうというとき、研究所内で殺人事件が起きた。徹底的な経歴チェックとボディ・チェックが入る。殺人容疑までかかり、もはや絶対絶命である。・・・
登場人物に悪人が出て来ないという奇妙な、そして感動的な映画である。
|
【参考】遺伝子の染色体説(サットンによる)
遺伝子は親の細胞では対になっている
染色体は母細胞では対になっている
→ 遺伝子は染色体上にある
遺伝子は分離の法則に従う
染色体は配偶子形成のときに減数分裂
●第2項 ヒトの性決定 X染色体とY染色体や他の動物の性決定は別項
父 22×2+XY 母 22×2+XX
精子形成 減数分裂 卵子形成
22+X 22+Y 22+X 22+X
|
22+X |
22+X |
| 22+X |
22×2+XX |
22×2+XX |
| 22+Y |
22×2+XY |
22×2+XY |
▼精子にはX型精子とY型精子があり,X型精子が受精すると女子,Y型精子が受精すると男子になる。
子の性別を決定するのは父親の方である。
●第3項 限性遺伝=Y染色体上の遺伝子=男性のみに発現
男性化遺伝子,
グッピーのまだらびれ
グッピーのオールドファッションファンテールの体の目玉模様
グッピーのキングコブラの スネークスキン
グッピーのジャパンブルーの青い色を示す遺伝子
インド人の耳の毛(常染色体上の優性遺伝かもしれない)
●第4項 伴性遺伝=X染色体上の遺伝子=男性と女性で発現が異なる
例1 赤緑色盲(色盲遺伝は伴性劣性)
| 表現型 |
女性正常 |
女性保因者 |
女性色盲 |
男性正常 |
男性色盲 |
性染色体
と遺伝子 |
XX |
XX’ |
X’X’ |
XY |
X’Y |
赤緑色盲は赤色と緑色の識別が困難。色神検査表は日本人の発明。
筋ジストロフィーも同様の遺伝病である。
練習問題1 女性保因者と男性正常の子は?
表を作って答える
練習問題2 女性保因者と男性色盲の子は?
表を作って答える
例2 血友病(伴性劣性)
| 表現型 |
女性正常 |
女性保因者 |
女性血友病 |
男性正常 |
男性血友病
|
性染色体
と遺伝子 |
XX |
XX’ |
X’X’ |
XY |
X’Y |
血友病は血液凝固しにくい。女性の血友病患者は非常に稀
(以前は致死遺伝と考えられた)
例3 三毛猫の毛色(伴性中間)
三毛猫は毛色が三色の猫である。通常はメスしかいない。X染色体に黒毛遺伝子,もう1本のX染色体に茶毛の遺伝子があると,地色の白と合わせて三色となる。
オスの三毛猫はいない。稀に報告されているオスの三毛猫は性染色体の構成がXXYで,このような染色体異常の個体は不妊である。ネコの染色体数は2n=38
練習問題 オス黒毛とメス三毛猫の子は? 表を作って考察する。
例4 キイロショウジョウバエの白眼(伴性劣性)
| 表現型 |
メス赤眼 |
メス赤眼 |
メス白眼 |
オス赤眼 |
オス白眼 |
性染色体
と遺伝子 |
XWXW |
XWXw |
XwXw |
XWY |
XwY |
モーガンが1匹の白眼のオスを発見して、その結果、性と関連する遺伝に気が付いたという事実からも歴史的に重要である。モーガンは最初はオスをXOと考察していた。
| P |
赤眼メス*白眼オス |
P’ |
白眼メス*赤眼オス |
遺伝
子型 |
XWXW XwY |
遺伝
子型 |
XwXw XWY |
| F1 |
赤眼メス 赤眼オス |
F’1 |
赤眼メス 白眼オス |
遺伝
子型 |
XWXw XWY |
遺伝
子型 |
XWXw XwY |
| F2 |
メス赤眼:白眼=2:0
オス赤眼:白眼=1:1 |
F’2 |
メス 赤眼:白眼=1:1
メス 赤眼:白眼=1:1 |
|
【コラム】
ショジョウバエとエコー法
池田博明
2010年に教科書検定が行なわれる予定の,新学習指導要領では,『生物基礎』で、伴性遺伝を扱うことができなくなった。文部科学省では学習指導要領は上限を示したものではなく,むしろ下限を示したものだなどと強弁しているが,指導要領の説明会を通して,教科書作成会社では「伴性遺伝は検定で削除を求められる事項」という見方が定着している。
性決定と関連して重要で、かつ遺伝学史上、遺伝子の染色体説を確立したモーガンの業績も形無しである。染色体レベルでのショウジョバエの遺伝も扱えなくなった。
いまやエボ・デボ分野でショウジョウバエはモデル生物のチャンピオンだというのに。
私が生物の実験材料としてのショウジョウバエに出会ったのは,大学の三年時,動物系統学の分類実習のときである。野外で採集されたショジョウバエを検索表を用いて同定するのだった。1970年代の北海道大学理学部生物学科動物学専攻の教室は動物系統学(系統,生態),動物形態学(遺伝,分子生物学),動物生理学,教養生物(内分泌,発生)とあったが,動物遺伝学はショウジョウバエを使って行なわれていて,ハエの遺伝学がデッド・エンドに思われて,野外のショジョウバエに研究の新しい分野を求めていたのである。
実習では結局、ハエの体をよく観察したということになる。遺伝の交配実験などは行なわなかった。卒業実習でクモの餌にしたくらいである。
動物遺伝学の講義は教授のM氏だったが,温和な先生で盛り上がりのない内容も旧い講義だったので、あまり出席した記憶がない。試験の記憶もないので,試験もなかったのかもしれない。遺伝の法則も教わった記憶がない。M氏の講義は教員免許取得のための他学科の学生が選択する「生物」科目の講義に指定されていたので、何度か聴いたような記憶はあるのだが・・・・。
高校の教師になって二年目に、生物部の実習でキイロショウジョウバエの遺伝実習に取り組むことにした。四月の施設開放で訪問した静岡県の三島にある国立遺伝学研究所からハエの突然変異系統をもらえる目途がついたからである。
牛乳ビンで飼育した二つの系統を交配させるのだが、処女メスを分離するのがなかなか面倒だった。前の日の夕方にいったんハエを追い出して捨て、朝早く羽化しているハエを採って、雌雄を分けるのである。雌雄は別々に保管して後、交配を行なう。数回やると、ハエの扱い方は分かった。
棒眼と白眼の交配結果を高校の近所にお住まいだった大島長造氏に見ていただいた。驚いたことに棒眼Barの遺伝子と白眼white eyeの遺伝子は離れ過ぎているので、こんなに離れた遺伝系統を交配して組み換え率を求めることを研究者はしないのだということだった。交配実験で得られた組み換え率は遺伝子距離を染色体全体の距離で割った価から推定される価に近かった。
そのとき、雑談で、ショウジョウバエの遺伝の専門家である大島先生は北大のM教授をご存知だったが、「あの方は英語が話せないので、国際学会ではまったく話をされませんでした」と言われた。私は大学の先生が英語を話さないということに驚いた。
外国人と英会話をする機会は現在では珍しくないが、1970年代当時は大学構内でもほとんど無かった。いまの若い教授や准教授のほうが当時の先生方と比較しても圧倒的に英語ができる。インターネットも英語が理解できなくてはお話にならない。研究者必須のツールである。
といっても読むのと話したり、聴いたりするのは大違い。英会話はなかなか難しい。英会話に限らず外国語で会話するのが難しいのだ。
インドネシアを初めマレーシア、オーストラリアやコスタリカ、エクアドルなど数カ国に生物の見学に行ったことがあるが、現地での会話はなかなか難しかった。
最初は何を話していいのか分からないし、ホテルのクロークで離される英語さえ理解できないのである。まして現地ガイドの英語の説明は理解できない(大抵は日本語のできるガイドだったが)。現地の人が話すのは、お手上げ状態だった。日本語を話されているのに現地語だと思って理解できないこともあったくらいである。
そのうちにある方法で会話が成立することに気が付いた。
これを「エコー法(やまびこ法)」と称することにしよう。
やりかたは簡単で、相手の言った言葉をそのままくり返すのである。語尾を上げれば確認して尋ねていることになるし、語尾を下げれば自問自答しているように見える。そしてこちらの発音が間違っていたりすると、相手が修正してくれるのだった。
聴いてわからないときには、ノートを出して書いてもらえばいい。
こんな風にしていると、まったく話せなくても会話はできてしまうのだった。いちどコツをつかめば、後は度胸ひとつでなんとかなる。
この方法はとても役に立った。学生でも使えるのでないだろうか。
|
●第5項 ヒトの染色体異常
例1 形態異常の例 猫泣き症候群(猫声で泣く,小頭,心臓奇形,知恵遅れなど)
→ 第5染色体の1本が上部(5p)が欠失
親は欠失した上端部が他の染色体下端(13q)に転座しているので
異常は出現しない。
例2 数の異常の例 ダウン症候群
(異数性) → 第21染色体が3本ある=染色体数が47本。
ダウン症候群の患者にはトリソミーでない例もあるが、授業では扱っていない。
ダウン症候群の発生は卵巣の老化=卵子形成時の染色体不分離にあると思われる。
なぜダウン症候群が発生するか、その仕組みに関する説明は欄外にあり。
資料 女性の出産年齢とダウン症発生率
25歳〜 1200名に1例
30歳〜 870名に1例
35歳〜 300名に1例
40歳〜 100名に1例
45歳〜 46名に1例
羊水診断=胎児の異常を早期発見
子宮内の羊水に浮かぶ胎児の細胞を採取し,培養して核型分析を行なう。先天性異常を発見できるが,子宮に注射するので,胎児を傷つける危険が皆無とはいえない。一部の医療機関で行われている。
X染色体とY染色体の遺伝子と進化 『NEWTON』2006年2月号より
■Y染色体の1個の遺伝子が胎児の体に精巣を作らせる
受精後8週くらいに精巣が作られる。
1980年代末、XXなのに男性として産まれたヒトのX染色体にはY染色体の先端付近が付加されていたことが分った。→ Y染色体の先端付近には「精巣決定遺伝子」があるにちがいない。
ピーター・グッドフェロー博士 「SRY」遺伝子を発見。Sex Determining Region on the Y Chromosoma (Y染色体上の性決定領域)と名づけた。1991年、ロビン・ラベルバッジ博士らは、SRY遺伝子をメスのマウスの受精卵に入れる実験を行い、オスに性転換したことを確認。
■男性ホルモンがはたらくには、X染色体の遺伝子が必要
X染色体の長腕の動原体付近にあるAR遺伝子(Androgen Receptor)=アンドロゲン受容体を作る。
■Y染色体は、男性の平均身長を高くする
最終身長は男性(英国)が174.7cm、女性(英国)が162.2cmで、このうち9cmはY成長遺伝子の有無によって説明できる。XYのアンドロゲン不応症の患者とXXの正常女性の最終身長の差は9cmであった。
■脳のネットワークづくりはX染色体が主役、知的障害が男に多いのは、Xに予備がないため
X染色体には海馬のニューロンを作るとか、ニューロンの突起を伸ばすとか、伝達を正常にする遺伝子、ニューロンどうしをつなぎ合わせる遺伝子、mRNAを運ぶ遺伝子など、知能に関連する遺伝子が多い。自閉症に関連する遺伝子も17個がある。男性はX染色体が1本しかないため、すぐに症状に出てしまう。
■X染色体には免疫に不可欠な遺伝子も多い。だから、男は女より感染に弱い
免疫系ではたらく13個の遺伝子がX染色体上にあった。
■女性の細胞では、X染色体の片方を眠らせる。なぜ?
マレー・バーが1949年、ネコの脳細胞に「バー小体」を発見。
大野乾、1959年、バー小体は凝縮したX染色体であると判明
メアリー・ライアン、1961年、バー小体は眠った(不活性な)X染色体であり、女性の体細胞では確率2分の1で細胞ごとにどちらかのX染色体が不活性化する。左眼だけが色覚異常の女性がありうる。
■X染色体はつぎはぎされて次世代へ。だが、Y染色体はそのまま次世代へ。
X染色体では交差が起こり、組み換えが起こるが、Y染色体では先端の領域の一部を除き交叉は起きない。
■X染色体の遺伝子は1098個。対するY染色体にはたったの78個。
■X染色体とY染色体は、一生を通じて男女の特徴を支配する
■3億年前には同じものだったX染色体とY染色体。そして1000万年後、ヒトはY染色体を失ってしまう? |
他の動物の性決定と性染色体
| 雄ヘテロ接合型 |
雌ヘテロ接合型 |
| XY型 |
X0型 |
ZW型 |
Z0型 |
| ヒト、ほ乳類 |
昆虫類 |
鳥類 は虫類 |
トビケラ |
ヒト
46=22*2+XX
=22*2+XY |
トノサマバッタ
24=11*2+XX
=11*2+X |
ニワトリ
78=38*2+ZW
=38*2+ZZ |
はっきりしない |
キイロショウジョウバエ
8=3*2+XX
=3*2+XY |
|
カイコガ
56=27*2+ZW
=27*2+ZZ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|