第1回 遺伝子とは何か

最初に、遺伝子（gene）とは何かというお話をしたいと思います。簡潔に言えば、遺伝子とは

「生物の特徴を形作るタンパク質の構造を伝える遺伝情報。細胞内の核に存在するゲノムDNAの一部がその情報の記憶を担っている」

と言えます。この分子生物学的な説明にNHKの映像がついてくれば、ああ、そういうものがあるんだな、となるでしょう。しかし、これは二点、問題があります。それは、

１）これは現代的な狭義の定義であって、一般的に必ずしも同じ使われ方をしない

２）遺伝子はもともと機能的な意味で定義されてたものなので、構造的な理解は遺伝子のもつ意味を半分しかとらえていない

ということです。2点目を例えるならば、ある建築は、法に見合った建築条件をもって「住宅」と認められるかもしれませんが、その条件をもって住宅というものが何かを理解することはできない、ということです。人々の生活の中で住宅がもつ機能を理解しなくては、本当の意味で住宅とは何かを理解することにはならないでしょう。

遺伝子（gene）は1909年にヴィルヘルム・ヨハンセンによって命名されたのですが、遡ること40年、グレゴー・メンデルがその存在に最初に気づいたと言っても過言ではありません。そこで、メンデル遺伝の簡単な説明から始めましょう。

メンデル遺伝における遺伝子

遺伝子と遺伝子座

メンデル形質の原因

DNA上の遺伝子

さてやっと、ゲノムのDNAに記録された遺伝子の話に入ります。DNA（deoxyribonucleic acid, デオキシリボ核酸）というのはアデニン（A）、チミン（T）、シトシン（C）、グアニン（G）という四種類のどれかの塩基（base）とリン酸とデオキシリボースという三つの分子がつながったヌクレオチド（nucleotide）を一単位として、それが連なったもので、化学的に安定な物質なので、その配列で情報を記憶するのに優れています。塩基はそれぞれ対応した逆向きの塩基（Aに対してT、Cに対してG）と結合して塩基対（base pair）を形成し、二つのDNA鎖が二重螺旋を作って安定化するので、一本のDNA鎖に結合できるヌクレオチドをつなげて二重鎖をつくるだけで同じ情報をうつすことができます。したがって、情報を複製するという点でも非常に優れていることがわかります。このような点からDNAは遺伝情報を記録する実体として全ての生物で利用されていることは理にかなっていると言えます。しかしながら、DNAはその安定性から多くの化学反応を触媒することはできません。一方でタンパク質（protein）は20種類のアミノ酸（amino acid）という分子の単位が連なったもので、対照的にその構造的、化学的柔軟性から驚くほどの違った化学反応を触媒することができます。生物の機能は多くの場合はタンパク質が実働部隊として働いて成立しています。タンパク質の性質はまさにアミノ酸の配列によって決まるので、正確なアミノ酸の配列をもったタンパク質を生物は生成しなくてはいけません。生物は長い進化の中でタンパク質の配列をうまくDNAにコードするシステムを形成しました。しかもそれは単純に一つのアミノ酸につき、三つの塩基を対応させてDNAにアミノ酸配列の一次元的な情報をそのまま記録してしまったのです。一つのタンパク質をコードしているDNAの塩基配列はmRNA（messenger ribonucleic acid, メッセンジャーリボ核酸） というDNAに似た分子に転写 （transcription）されて、mRNAは少し変換された後、タンパク質の工場のようなところに運ばれて、mRNAの配列を元にタンパク質のアミノ酸が繋げられます。このタンパク質への変換を翻訳（translation）といいます。

ここまでシンプルかつエレガントに生物のもつ分子の情報がDNAにコードされているのは驚きですが、そこまで単純ではありません。このアミノ酸配列の情報の途中にイントロン（intron）という関係ない塩基配列が入ってしまって、ひと連なりのアミノ酸配列の情報はエキソン（exon）という断片になってしまっていたり、タンパク質をコードする領域との間にはタンパク質とは関係ない塩基配列が長く連なっていたりします。結果的にヒトのハプロイドゲノムは31億の塩基を含んでいますが、中でタンパク質をコードする配列は数%に過ぎません。

DNAは特に複製するときに正確に複製できなくて配列が変わってしまうことがあります。このようにして情報が変わってしまうのが、まさに突然変異というものの実体であると考えらえています。このDNA上の突然変異には塩基を別の塩基にかえる塩基置換（substitution）。塩基が入り込んだり抜けたりする挿入（insertion）や欠失（deletion）。DNAの並びがひっくり返ってつながる逆位（inversion）。全く別のところにDNAがつながる転座（translocation）などがあります。

DNA配列上のタンパク質をコードしている領域に突然変異が起こるとアミノ酸が変わって、タンパク質の性質が変わってしまうので、問題です。特に、塩基の挿入や欠失が生じると、三塩基ずつの並びがずれてしまい、全く機能しないタンパク質を作り出してしまいます（フレームシフト変異; frameshift mutation）。したがって、この領域に突然変異が起こることは異常な形質を生み出す可能性が高いと考えられます。

DNAの配列を調べる技術の発展により、それまですでに異常な形質として名前のついた遺伝子の遺伝子座に実際に、あるタンパク質をコードした配列が同定されていきました。その塩基配列やそれにコードされているタンパク質の名前も同じ遺伝子の名前をもつようになりました。このようにして、形質を生み出すものとして定義されていた遺伝子は実際にタンパク質をコードしている塩基配列として同定されるということが繰り返し起こりました。ついに、研究者は遺伝子というものはタンパク質をコードしている塩基配列のことをいうとみなし、形質がどうであるかは問わなくなっていったのです。

こうして最初に述べたような定義に辿り着きました。しかし、そうは言っても、タンパク質をコードしている遺伝領域だけに意味を限定するのは不便だと言うこともあり、他の重要と考えられる領域も含めることが多くあります。例えば、タンパク質が転写される時期や細胞や状況などを的確に定めるのは、違う遺伝領域にありますので、そういうものも含む場合もあります。

いろいろな「遺伝子」

遺伝子のアレルが集団中でどういった挙動を持つのかを調べる学問を集団遺伝学（population genetics）といいます。その一つの発展として、遺伝子を中心的な役者として理論的に生物進化を理解するという試みがありました。このとき、遺伝子の定義は実体的ではない理論的な単位として扱われ、必ずしも以上のような定義と同じものを指さなくなってしまいました。現代はゲノム配列の解析の時代です。実体を確かめられる対象として遺伝子を定義し、議論する土台があると言えます。集団遺伝学の別の発展として、分子進化生物学（molecular evolutionary biology）はより実体的な定義のもと、遺伝子の進化を扱っています。こういった状況で、同じ「遺伝子」について話していても、前提とする意味合いが人によって少しずつ違っており、専門家の間でも混乱の原因となっています。また、アレルのことを日本語では対立遺伝子といい、これをただ「遺伝子」ということもよくあって、論理的に繋げると遺伝子Xの遺伝子Aみたいな意味不明なことになってしまうのですが、実はよく使われます。さらには、遺伝子という言葉の大衆化の弊害として、遺伝子の意味が拡大解釈されて一人歩きすることもあります。私個人としては遺伝子は実体的で限定的な意味合い（主にタンパク質をコードするもの）で用い、ゲノムのある要素を話すときは遺伝因子（genetic element）という言葉を使うのが良いと思っています。すでに多くのタンパク質をコードする配列には遺伝子としての名前がついており、それらを遺伝子として扱うのは自然なことです。遺伝子という言葉のもつ豊かな背景を理解して、注意深く扱うことが必要だと思います。

これで遺伝子のことをよく理解できたでしょうか。むしろ、よくわからなくなったでしょうか。もしわからなければ、他の文献もあたってみてください。学問の言葉について、研究者によって意見が違うことはよくあることです。それぞれの意見を参考にすることで、よりその背景への理解を深めていけるものと思います。

[吉田恒太、2022.11.5改定]