遺伝学

遺伝学は、生物の遺伝子、遺伝的変異、遺伝の研究に関係する生物学の一分野です。

遺伝は何千年もの間観察されてきましたが、19世紀に働いていた科学者でアウグスティヌスの兄弟であるグレゴールメンデルは、遺伝学を科学的に研究した最初の人でした。メンデルは、「形質の継承」、つまり形質が親から子孫に受け継がれる方法のパターンを研究しました。彼は、生物（エンドウ豆の植物）が個別の「継承の単位」によって形質を継承することを観察しました。今日でも使用されているこの用語は、遺伝子と呼ばれるもののやや曖昧な定義です。

遺伝子の形質遺伝と分子遺伝メカニズムは、21世紀の遺伝学の主要な原則ですが、現代の遺伝学遺伝を超えて、遺伝子の機能と行動の研究にまで拡大しました。遺伝子の構造と機能、変動、および分布は、細胞、生物（優性など）のコンテキスト内、および集団のコンテキスト内で研究されます。遺伝学は、分子遺伝学、エピジェネティクス、集団遺伝学など、多くのサブフィールドを生み出しています。広い分野で研究されている生物は、生命の領域（古細菌、細菌、真核生物）にまたがっています。

遺伝的プロセスは、生物の環境や経験と組み合わせて機能し、発達や行動に影響を与えます。育成。生細胞または生物の細胞内または細胞外環境は、遺伝子転写のオンまたはオフを切り替える場合があります。古典的な例は、遺伝的に同一のトウモロコシの2つの種子で、1つは温帯気候に置かれ、もう1つは乾燥気候（十分な滝や雨がない）に置かれます。 2つのトウモロコシの茎の平均の高さは遺伝的に等しいと判断されるかもしれませんが、その環境には水と栄養素が不足しているため、乾燥気候の茎の平均高さは温帯気候のそれの半分にしか成長しません。

内容

系統学

遺伝学という言葉は、古代ギリシャ語のγενετικός genetikos は「遺伝」/「生成」を意味し、これは「起源」を意味するγένεσις 遺伝 から派生します。

歴史

生物が両親から形質を受け継ぐという観察は、先史時代から選択的繁殖を通じて作物の動植物を改善するために使用されてきました。このプロセスを理解しようとする現代の遺伝学は、19世紀半ばのアウグスチノ会の兄弟グレゴールメンデルの研究から始まりました。

メンデルの前は、ハンガリーの貴族であるイムレフェステティクスが住んでいました。メンデルの前のケーセグは、「遺伝学」という言葉を最初に使用した人でした。彼は彼の作品自然の遺伝法則で遺伝的遺伝のいくつかの規則を説明しました（DiegenetischeGesätzederNatur、1819）。彼の第二法則はメンデルが発表したものと同じです。彼の第3法則では、突然変異の基本原則を開発しました（彼は、ユーゴー・ド・フリースの先駆者と見なすことができます）。

他の相続理論は、メンデルの法則に先行していました。 19世紀に人気のある理論であり、チャールズダーウィンの1859年の種の起源によって暗示されていたのは、継承の融合でした。つまり、個人は親から特性のスムーズな融合を継承するという考えです。メンデルの研究は、ハイブリダイゼーション後に形質が確実にブレンドされなかった例を提供し、形質が連続的なブレンドではなく、別個の遺伝子の組み合わせによって生成されることを示しています。子孫における形質の混合は、現在、定量的効果を持つ複数の遺伝子の作用によって説明されています。当時支持されていたもう1つの理論は、獲得した特性の継承でした。つまり、個人は親によって強化された特性を継承するという信念です。この理論（一般にジャンバティストラマルクに関連する）は現在間違っていることが知られています。エピジェネティクスの分野での証拠がラマルクの理論のいくつかの側面を復活させましたが、個人の経験は子供に渡す遺伝子に影響を与えません。他の理論には、チャールズダーウィンのパンゲン説（獲得と継承の両方の側面を持っていた）と、フランシスガルトンによる粒子と遺伝の両方としてのパンゲン説の再定式化が含まれていました。

メンデルの法則と古典遺伝学

現代の遺伝学が始まりましたメンデルの植物の遺伝の性質に関する研究で。 1865年にブルノの Naturforschender Verein （Society for Research in Nature）に提出された彼の論文「VersucheüberPflanzenhybriden」（「植物の交配に関する実験」）で、メンデルは追跡しました。エンドウ豆植物の特定の形質の遺伝パターンとそれらを数学的に説明しました。この遺伝形式はいくつかの形質でしか観察できませんでしたが、メンデルの研究は、遺伝は粒子状であり、獲得されておらず、多くの形質の遺伝形式は単純な規則と比率で説明できることを示唆しました。

メンデルの研究の重要性は、彼の死後、ユーゴー・ド・フリースや他の科学者が彼の研究を再発見した1900年まで広く理解されませんでした。メンデルの法則の提唱者であるウィリアムベイトソンは、1905年に遺伝学という単語を作り出しました（ギリシャ語の遺伝学から派生した形容詞遺伝学 —γένεσις、 「起源」は名詞よりも前のものであり、1860年に生物学的な意味で最初に使用されました。ベイトソンは両方ともメンターとして行動し、ケンブリッジのニューナムカレッジの他の科学者の仕事、特にベッキーサンダース、ノラダーウィンバーロウ、ムリエルウェルデールオンスローの仕事によって大いに助けられました。ベイトソンは、1906年にロンドンで開催された第3回植物ハイブリダイゼーションに関する国際会議への最初の演説で、遺伝の研究を説明するために遺伝学という言葉の使用法を広めました。

メンデルの再発見後科学者たちは、細胞内のどの分子が遺伝の原因であるかを特定しようとしました。 1900年、ネッティー・スティーブンスはミールワームの研究を始めました。次の11年間で、彼女は女性がX染色体のみを持ち、男性がX染色体とY染色体の両方を持っていることを発見しました。彼女は、性別は染色体因子であり、男性によって決定されると結論付けることができました。 1911年、トーマス・ハント・モーガンは、ミバエの性に関連した白い目の突然変異の観察に基づいて、遺伝子は染色体上にあると主張しました。 1913年、彼の学生であるアルフレッドスターテバントは、遺伝連鎖の現象を利用して、遺伝子が染色体上に直線的に配置されていることを示しました。

分子遺伝学

染色体上に存在することが知られている染色体は、タンパク質とDNAの両方で構成されており、科学者は2つのどちらが遺伝の原因であるかを知りませんでした。 1928年、フレデリックグリフィスは、形質転換の現象を発見しました（グリフィスの実験を参照）。死んだバクテリアは、遺伝物質を他のまだ生きているバクテリアを「形質転換」するために移すことができます。 16年後の1944年、Avery–MacLeod–McCartyの実験により、形質転換の原因となる分子としてDNAが特定されました。真核生物の遺伝情報のリポジトリとしての核の役割は、1943年にHämmerlingが単細胞藻類 Acetabularia に関する研究で確立したものです。 1952年のハーシーとチェイスの実験では、（タンパク質ではなく）DNAが細菌に感染するウイルスの遺伝物質であることが確認され、DNAが遺伝の原因となる分子であることがさらに証明されました。

ジェームズワトソンとフランシスクリックロザリンドフランクリンとモーリスウィルキンスのX線結晶学研究を使用して、1953年にDNAの構造を決定しました。これは、DNAがらせん構造（つまり、コルクスクリューのような形）であることを示しています。彼らの二重らせんモデルには、ヌクレオチドが内側を向いている2本のDNA鎖があり、それぞれがもう一方の鎖の相補的ヌクレオチドと一致して、ねじれたはしごの横木に見えるものを形成していました。この構造は、DNAの各鎖のヌクレオチド配列に遺伝情報が存在することを示しています。この構造は、複製の簡単な方法も示唆していました。ストランドが分離されている場合、古いストランドのシーケンスに基づいて、それぞれについて新しいパートナーストランドを再構築できます。この特性は、新しいDNAの1つの鎖が元の親鎖からのものであるという半保存的性質をDNAに与えるものです。

DNAの構造は継承がどのように機能するかを示しましたが、DNAがどのように影響するかはまだわかっていませんでした。細胞の振る舞い。次の年に、科学者たちはDNAがタンパク質生産のプロセスをどのように制御するかを理解しようとしました。細胞がDNAをテンプレートとして使用して、一致するメッセンジャーRNA、つまりDNAに非常に類似したヌクレオチドを持つ分子を作成することが発見されました。メッセンジャーRNAのヌクレオチド配列は、タンパク質にアミノ酸配列を作成するために使用されます。ヌクレオチド配列とアミノ酸配列の間のこの翻訳は、遺伝暗号として知られています。

遺伝の新たな分子的理解により、研究が爆発的に増加しました。注目すべき理論は、1973年に太田朋子から、分子進化のほぼ中立理論を発表することによって分子進化の中立理論を修正したことから生まれました。この理論では、太田は、遺伝的進化が起こる速度に対する自然淘汰と環境の重要性を強調しました。重要な開発の1つは、1977年のフレデリックサンガーによる連鎖停止DNAシーケンシングでした。この技術により、科学者はDNA分子のヌクレオチド配列を読み取ることができます。 1983年、Kary Banks Mullisはポリメラーゼ連鎖反応を開発し、混合物からDNAの特定のセクションを分離して増幅するための迅速な方法を提供しました。ヒトゲノムプロジェクト、エネルギー省、NIHの取り組み、およびセレラゲノミクスによる並行した民間の取り組みにより、2003年にヒトゲノムの配列が決定されました。

継承の特徴

個別継承とメンデルの法則

最も基本的なレベルでは、生物の遺伝は、遺伝子と呼ばれる個別の遺伝単位を親から子孫に渡すことによって発生します。この特性は、エンドウ豆植物の遺伝形質の分離を研究したグレゴールメンデルによって最初に観察されました。花の色の特徴を研究した彼の実験で、メンデルは、各エンドウ豆の花が紫または白のいずれかであるが、2つの色の中間ではないことを観察しました。同じ遺伝子のこれらの異なる個別のバージョンは対立遺伝子と呼ばれます。

二倍体種であるエンドウ豆の場合、個々の植物には各遺伝子の2つのコピーがあり、1つのコピーは各親から継承されます。人間を含む多くの種は、この遺伝形式を持っています。特定の遺伝子の同じ対立遺伝子のコピーが2つある二倍体生物は、その遺伝子遺伝子座でホモ接合性と呼ばれ、特定の遺伝子の2つの異なる対立遺伝子を持つ生物はヘテロ接合性と呼ばれます。

特定の生物の対立遺伝子のセットはその遺伝子型と呼ばれ、生物の観察可能な特性はその表現型と呼ばれます。生物が遺伝子でヘテロ接合である場合、一方の対立遺伝子は、その性質が生物の表現型を支配するため優性と呼ばれ、他方の対立遺伝子は、その性質が低下して観察されないため劣性と呼ばれます。一部の対立遺伝子は完全な優性を持たず、代わりに中間の表現型を表現することによって不完全な優性を持っているか、両方の対立遺伝子を同時に表現することによって共優性を持っています。各親からの対立遺伝子。離散的な継承と対立遺伝子の分離に関するこれらの観察結果は、まとめてメンデルの法則または分離の法則として知られています。

表記法と図

遺伝学者は、図と記号を使用して継承を説明します。遺伝子は1文字または数文字で表されます。多くの場合、「+」記号は、遺伝子の通常の非変異対立遺伝子を示すために使用されます。

受精および繁殖実験では（特にメンデルの法則について議論する場合）、親は「P」と呼ばれます。 「F1」（最初の親族）世代としての「世代と子孫」。 F1の子孫が互いに交尾するとき、その子孫は「F2」（第2親孝行）世代と呼ばれます。交雑の結果を予測するために使用される一般的な図の1つは、パネットの方形です。

人間の遺伝病を研究する場合、遺伝学者はしばしば家系図を使用して形質の継承を表します。これらのグラフは、家系図の形質の継承を示しています。

複数の遺伝子相互作用

生物には数千の遺伝子があり、有性生殖生物では、これらの遺伝子は一般に互いに独立して分類されます。これは、黄色または緑のエンドウ豆の色の対立遺伝子の継承は、白または紫の花の対立遺伝子の継承とは無関係であることを意味します。 「メンデルの第二法則」または「独立した品揃えの法則」として知られるこの現象は、異なる遺伝子の対立遺伝子が親の間でシャッフルされて、多くの異なる組み合わせの子孫を形成することを意味します。 （一部の遺伝子は独立して分類されず、この記事の後半で説明するトピックである遺伝連鎖を示します。）

多くの場合、異なる遺伝子が同じ特性に影響を与える方法で相互作用する可能性があります。たとえば、ハナルリソウ（ Omphalodes verna ）には、花の色を決定する対立遺伝子を持つ遺伝子が存在します：青またはマゼンタ。しかし、別の遺伝子は、花がまったく色を持っているか、白いかを制御します。植物がこの白い対立遺伝子のコピーを2つ持っている場合、最初の遺伝子が青またはマゼンタの対立遺伝子を持っているかどうかに関係なく、その花は白です。遺伝子間のこの相互作用は上位性と呼ばれ、2番目の遺伝子は最初の遺伝子に対して上位性です。

多くの特性は個別の特徴（紫や白い花など）ではなく、連続的な特徴（人間の身長や肌の色など）です。 。これらの複雑な特性は多くの遺伝子の産物です。これらの遺伝子の影響は、生物が経験した環境によってさまざまな程度で媒介されます。生物の遺伝子が複雑な特性に寄与する程度は、遺伝率と呼ばれます。形質の遺伝率の測定は相対的です。より変化しやすい環境では、環境は形質の全変動に大きな影響を及ぼします。たとえば、人間の身長は複雑な原因を持つ特性です。それは米国で89％の遺伝率を持っています。しかし、ナイジェリアでは、人々が優れた栄養とヘルスケアへのアクセスをより多様に経験しているため、身長の遺伝率はわずか62％です。

遺伝の分子基盤

DNAと染色体

遺伝子の分子基盤はデオキシリボ核酸（DNA）です。 DNAはヌクレオチドの鎖で構成されており、アデニン（A）、シトシン（C）、グアニン（G）、チミン（T）の4種類があります。遺伝情報はこれらのヌクレオチドの配列に存在し、遺伝子はDNA鎖に沿った一連の配列として存在します。ウイルスはこの規則の唯一の例外です。ウイルスは、遺伝物質としてDNAではなく非常に類似した分子RNAを使用する場合があります。ウイルスは宿主なしでは繁殖できず、多くの遺伝的プロセスの影響を受けないため、生物とは見なされない傾向があります。

DNAは通常、二重らせんの形に巻かれた二本鎖分子として存在します。 DNAの各ヌクレオチドは、反対側の鎖のパートナーヌクレオチドと優先的にペアになります。AはTとペアになり、CはGとペアになります。したがって、各ストランドには、パートナーストランドと重複して、必要なすべての情報が効果的に含まれます。このDNAの構造は、遺伝の物理的基盤です。DNA複製は、鎖を分割し、各鎖を新しいパートナー鎖の合成のテンプレートとして使用することにより、遺伝情報を複製します。

遺伝子は長鎖に沿って直線的に配置されます。 DNA塩基対配列の。細菌では、通常、各細胞には単一の環状ジェノフォアが含まれていますが、真核生物（植物や動物など）では、DNAが複数の線形染色体に配置されています。これらのDNA鎖はしばしば非常に長いです。たとえば、最大のヒト染色体は、長さが約2億4700万塩基対です。染色体のDNAは、DNAへのアクセスを組織化し、圧縮し、制御する構造タンパク質と関連しており、クロマチンと呼ばれる物質を形成します。真核生物では、クロマチンは通常ヌクレオソーム、ヒストンタンパク質のコアの周りに巻かれたDNAのセグメントで構成されています。生物の遺伝物質の完全なセット（通常はすべての染色体の結合されたDNA配列）はゲノムと呼ばれます。

DNAはほとんどの場合細胞の核に見られますが、ルース・セイガーは核の外側にある非染色体遺伝子。植物では、これらはしばしば葉緑体や他の生物、ミトコンドリアに見られます。これらの非染色体遺伝子は、有性生殖のどちらのパートナーからも受け継がれ、世代を超えて複製され、活動を続けるさまざまな遺伝的特徴を制御します。

一倍体生物は各染色体のコピーを1つしか持っていませんが、ほとんどの動物は多くの植物は二倍体であり、各染色体が2つ、したがってすべての遺伝子のコピーが2つ含まれています。遺伝子の2つの対立遺伝子は、2つの相同染色体の同一の遺伝子座にあり、各対立遺伝子は異なる親から受け継がれています。

多くの種には、各生物の性別を決定するいわゆる性染色体があります。人間や他の多くの動物では、Y染色体には特に男性の特徴の発達を引き起こす遺伝子が含まれています。進化の過程で、この染色体はその内容のほとんどとその遺伝子のほとんどを失いましたが、X染色体は他の染色体と類似しており、多くの遺伝子を含んでいます。そうは言っても、メアリー・フランシス・リヨンは、2倍の数の遺伝子が子孫に受け継がれるのを避けるために、生殖中にX染色体の不活性化があることを発見しました。リヨンの発見は、X連鎖性疾患を含む他のものの発見につながりました。 X染色体とY染色体は、非常に不均一なペアを形成します。

生殖

細胞が分裂すると、それらの全ゲノムがコピーされ、各娘細胞が1つのコピーを継承します。有糸分裂と呼ばれるこのプロセスは、最も単純な生殖形態であり、無性生殖の基礎となります。無性生殖は多細胞生物でも起こり、ひとり親からゲノムを受け継ぐ子孫を生み出します。親と遺伝的に同一の子孫はクローンと呼ばれます。

真核生物はしばしば有性生殖を使用して、2人の異なる親から受け継いだ遺伝物質の混合物を含む子孫を生成します。有性生殖のプロセスは、ゲノムのシングルコピー（半数体）とダブルコピー（二倍体）を含むフォーム間で交互に行われます。一倍体細胞は、遺伝物質を融合および結合して、対になった染色体を持つ二倍体細胞を作成します。二倍体生物は、DNAを複製せずに分裂して半数体を形成し、染色体の各ペアの1つをランダムに継承する娘細胞を作成します。ほとんどの動物と多くの植物は、その寿命のほとんどが二倍体であり、一倍体の形態は精子や卵子などの単細胞配偶子に還元されます。

有性生殖の一倍体/二倍体法は使用していませんが、細菌には新しい遺伝情報を取得する方法がたくさんあります。一部の細菌は接合を起こし、小さな円形のDNA片を別の細菌に移します。バクテリアはまた、環境で見つかった生のDNAフラグメントを取り込み、それらをゲノムに統合することができます。これは、形質転換として知られる現象です。これらのプロセスは、遺伝子の水平伝播をもたらし、他の方法では無関係である生物間で遺伝情報の断片を伝達します。自然の細菌の形質転換は多くの細菌種で起こり、ある細胞から別の細胞（通常は同じ種）にDNAを移すための性的プロセスと見なすことができます。形質転換には多数の細菌遺伝子産物の作用が必要であり、その主要な適応機能はレシピエント細胞のDNA損傷の修復であるように思われます。

組換えと遺伝連鎖

染色体の二倍体の性質により、異なる染色体上の遺伝子が独立して分類されるか、半数体配偶子が形成される有性生殖中にそれらの相同ペアから分離されます。このようにして、遺伝子の新しい組み合わせが交配ペアの子孫で発生する可能性があります。同じ染色体上の遺伝子は、理論的には決して再結合しません。しかし、それらは染色体交差の細胞プロセスを介して行います。乗換えの間、染色体はDNAのストレッチを交換し、染色体間の遺伝子対立遺伝子を効果的にシャッフルします。この染色体乗換えのプロセスは、一般に減数分裂、つまり一倍体細胞を作り出す一連の細胞分裂の間に起こります。特に微生物真核生物における減数分裂組換えは、DNA損傷の修復の適応機能を果たしているようです。

乗換えの最初の細胞学的実証は、1931年にハリエットクレイトンとバーバラマクリントックによって行われました。トウモロコシは、対になった染色体上のリンクされた遺伝子が実際にあるホモログから別のホモログに場所を交換するという遺伝理論の細胞学的証拠を提供しました。

染色体上の2つの所与のポイント間で発生する乗換えの確率は、ポイント間の距離。任意の長距離の場合、交差の確率は十分に高いため、遺伝子の継承は事実上無相関です。ただし、互いに接近している遺伝子の場合、交差の可能性が低いということは、遺伝子が遺伝的連鎖を示すことを意味します。 2つの遺伝子の対立遺伝子は一緒に遺伝する傾向があります。一連の遺伝子間の連鎖の量を組み合わせて、染色体に沿った遺伝子の配置を大まかに説明する線形連鎖マップを形成できます。

遺伝子発現

遺伝暗号

遺伝子は一般に、細胞内のほとんどの機能に関与する複雑な分子であるタンパク質の産生を通じてその機能的効果を発現します。タンパク質は1つまたは複数のポリペプチド鎖で構成されており、各鎖はアミノ酸の配列で構成されており、遺伝子のDNA配列（RNA中間体を介して）を使用して特定のアミノ酸配列を生成します。このプロセスは、遺伝子のDNA配列と一致する配列を持つRNA分子の生成から始まります。これは、転写と呼ばれるプロセスです。

次に、このメッセンジャーRNA分子を使用して、翻訳と呼ばれるプロセスを通じて対応するアミノ酸配列を生成します。 。コドンと呼ばれる配列内の3つのヌクレオチドの各グループは、タンパク質内の20の可能なアミノ酸の1つ、またはアミノ酸配列を終了するための命令のいずれかに対応します。この対応は遺伝暗号と呼ばれます。情報の流れは一方向です。情報はヌクレオチド配列からタンパク質のアミノ酸配列に転送されますが、タンパク質からDNAの配列に戻ることはありません。これは、フランシスクリックが分子生物学のセントラルドグマと呼んだ現象です。

アミノ酸の特定の配列は、そのタンパク質に固有の3次元構造をもたらし、タンパク質の3次元構造はそれらの機能に関連しています。いくつかは、タンパク質コラーゲンによって形成された繊維のような単純な構造分子です。タンパク質は他のタンパク質や単純な分子に結合でき、結合した分子内で化学反応を促進することによって酵素として機能することもあります（タンパク質自体の構造を変えることなく）。タンパク質構造は動的です。タンパク質ヘモグロビンは、哺乳類の血液内の酸素分子の捕捉、輸送、放出を促進するため、わずかに異なる形に曲がります。

DNA内の単一ヌクレオチドの違いは、タンパク質のアミノ酸配列の変化を引き起こす可能性があります。タンパク質の構造はアミノ酸配列の結果であるため、他のタンパク質や分子との相互作用を変える方法で構造を不安定にしたり、タンパク質の表面を変えたりすることで、タンパク質の特性を劇的に変えることができます。たとえば、鎌状赤血球貧血は、ヘモグロビンのβ-グロビンセクションのコード領域内の単一の塩基の違いに起因するヒトの遺伝病であり、ヘモグロビンの物理的特性を変化させる単一のアミノ酸の変化を引き起こします。鎌状赤血球バージョンのヘモグロビンはそれ自体に付着し、積み重なって繊維を形成し、タンパク質を運ぶ赤血球の形状を歪めます。これらの鎌状の細胞は血管をスムーズに流れなくなり、詰まったり分解したりする傾向があり、この病気に関連する医学的問題を引き起こします。

一部のDNA配列はRNAに転写されますが、タンパク質には翻訳されません。製品—このようなRNA分子は非コードRNAと呼ばれます。場合によっては、これらの製品は、重要な細胞機能（リボソームRNAやトランスファーRNAなど）に関与する構造に折りたたまれます。 RNAは、他のRNA分子（マイクロRNAなど）とのハイブリダイゼーション相互作用を通じて調節効果を発揮することもあります。

自然と育成

遺伝子には生物が機能するために使用するすべての情報が含まれていますが、環境は生物が示す究極の表現型を決定する上で重要な役割。 「自然と育成」という言葉は、この補完的な関係を指します。生物の表現型は、遺伝子と環境の相互作用に依存します。興味深い例は、シャム猫のコートの色です。この場合、猫の体温が環境の役割を果たします。猫の遺伝子は黒髪をコードしているため、猫の発毛細胞は細胞タンパク質を作り、黒髪になります。しかし、これらの黒髪生成タンパク質は温度に敏感であり（つまり、温度感受性を引き起こす突然変異を持っています）、高温環境で変性し、猫の体温が高い領域では黒髪色素を生成できません。しかし、低温環境では、タンパク質の構造は安定しており、通常は黒髪の色素を生成します。タンパク質は、脚、耳、尻尾、顔など、より冷たい皮膚の領域で機能し続けるため、猫の四肢は黒髪になります。

環境は人間の影響に大きな役割を果たします。遺伝性疾患フェニルケトン尿症。フェニルケトン尿症を引き起こす突然変異は、アミノ酸フェニルアラニンを分解する身体の能力を破壊し、中間分子の有毒な蓄積を引き起こし、次に、進行性の知的障害および発作の重篤な症状を引き起こします。ただし、フェニルケトン尿症の突然変異を持つ人がこのアミノ酸を避ける厳格な食事療法に従う場合、彼らは正常で健康なままです。

遺伝子と環境（「自然と育成」）がどのように寄与するかを決定するための一般的な方法表現型には、同一の兄弟の双子、または複数の出生の他の兄弟の研究が含まれます。同一の兄弟は同じ接合子に由来するため、遺伝的に同じです。一方、兄弟の双子は、通常の兄弟と同じように遺伝的に互いに異なります。一卵性双生児のペアで発生する頻度と兄弟の双子のペアで発生する頻度を比較することにより、科学者はその障害が遺伝的または出生後の環境要因によって引き起こされているかどうかを判断できます。有名な例の1つは、統合失調症と診断された同一の4つ組であるGenain 4つ組の研究でした。ただし、このようなテストでは、遺伝的要因を胎児の発育に影響を与える環境要因から分離することはできません。

遺伝子調節

特定の生物のゲノムには数千の遺伝子が含まれていますが、これらの遺伝子のすべてが特定の瞬間にアクティブである必要はありません。遺伝子はmRNAに転写されるときに発現し、細胞が必要とする場合にのみタンパク質が産生されるように遺伝子の発現を制御する多くの細胞法が存在します。転写因子は、遺伝子の転写を促進または阻害する、DNAに結合する調節タンパク質です。たとえば、 Escherichia coli 細菌のゲノム内には、アミノ酸トリプトファンの合成に必要な一連の遺伝子が存在します。ただし、トリプトファンがすでに細胞で利用可能である場合、トリプトファン合成のためのこれらの遺伝子はもはや必要ありません。トリプトファンの存在は遺伝子の活性に直接影響します。トリプトファン分子はトリプトファンリプレッサー（転写因子）に結合し、リプレッサーが遺伝子に結合するようにリプレッサーの構造を変化させます。トリプトファンリプレッサーは遺伝子の転写と発現をブロックし、それによってトリプトファン合成プロセスの負のフィードバック調節を生み出します。

遺伝子発現の違いは、多細胞生物内で特に明らかです。多細胞生物では、細胞はすべて同じゲノムを含みますが、遺伝子のセットが異なるため、構造と動作が大きく異なります。多細胞生物のすべての細胞は単一の細胞に由来し、外部および細胞間シグナルに応答して変異細胞タイプに分化し、遺伝子発現のさまざまなパターンを徐々に確立してさまざまな行動を生み出します。多細胞生物内の構造の発達に関与する単一の遺伝子はないため、これらのパターンは多くの細胞間の複雑な相互作用から生じます。

真核生物内には、遺伝子の転写に影響を与えるクロマチンの構造的特徴が存在します。娘細胞に安定して受け継がれるDNAとクロマチンへの修飾の形で。これらの機能は、DNA配列の「上」に存在し、ある細胞世代から次の細胞世代への継承を保持するため、「エピジェ​​ネティック」と呼ばれます。エピジェネティックな特徴のため、同じ培地内で増殖した異なる細胞タイプは、非常に異なる特性を保持することができます。エピジェネティックな特徴は一般に開発の過程で動的ですが、パラ変異の現象のように、いくつかは多世代の継承を持ち、継承の基礎としてのDNAの一般的な規則のまれな例外として存在します。

遺伝的変化

変異

DNA複製の過程で、2番目の鎖の重合でエラーが発生することがあります。突然変異と呼ばれるこれらのエラーは、特に遺伝子のタンパク質コード配列内で発生する場合、生物の表現型に影響を与える可能性があります。 DNAポリメラーゼの「校正」機能により、エラー率は通常非常に低く、1,000万から1億塩基ごとに1つのエラーが発生します。 DNAの変化率を高めるプロセスは変異原性と呼ばれます。変異原性化学物質は、多くの場合塩基対の構造を妨害することによってDNA複製のエラーを促進しますが、UV放射はDNA構造に損傷を与えることによって変異を誘発します。 DNAへの化学的損傷も自然に発生し、細胞はDNA修復メカニズムを使用してミスマッチや破損を修復します。ただし、修復によって常に元のシーケンスが復元されるわけではありません。 DNA損傷の特に重要な原因は、細胞の好気性呼吸によって生成される活性酸素種であるように思われ、これらは突然変異を引き起こす可能性があります。

染色体乗換えを使用してDNAを交換し、遺伝子を再結合する生物では、減数分裂も突然変異を引き起こす可能性があります。クロスオーバーのエラーは、類似した配列がパートナー染色体に誤ったアラインメントを採用させる場合に特に起こりやすくなります。これにより、ゲノム内の一部の領域がこのように変異しやすくなります。これらのエラーにより、DNA配列に大きな構造変化（重複、反転、領域全体の削除）が発生したり、異なる染色体間で配列の一部が誤って交換されたりします（染色体転座）。

自然淘汰と進化

突然変異は生物の遺伝子型を変化させ、時にはこれにより異なる表現型が現れることがあります。ほとんどの突然変異は、生物の表現型、健康、または生殖適応度にほとんど影響を与えません。効果のある突然変異は通常有害ですが、時には有益なものもあります。その場での研究キイロショウジョウバエは、突然変異が遺伝子によって生成されるタンパク質を変化させる場合、これらの突然変異の約70％が有害であり、残りは中性または弱く有益であることを示唆しています。 p>集団遺伝学は、集団内の遺伝的差異の分布と、これらの分布が時間の経過とともにどのように変化するかを研究します。集団内の対立遺伝子の頻度の変化は、主に自然淘汰によって影響を受けます。特定の対立遺伝子は、生物に選択的または生殖上の利点を提供するだけでなく、突然変異、遺伝的浮動、遺伝的浮動、人工淘汰、移動などの他の要因ももたらします。 。

何世代にもわたって、生物のゲノムは大幅に変化し、進化をもたらす可能性があります。適応と呼ばれるプロセスでは、有益な突然変異の選択により、種が環境内でよりよく生き残ることができる形に進化する可能性があります。新しい種は種分化の過程で形成されますが、これは多くの場合、個体群が互いに遺伝子を交換することを妨げる地理的な分離によって引き起こされます。

異なる種のゲノム間の相同性を比較することにより、それらの間の進化距離とそれらがいつ分岐したかを計算することが可能です。遺伝的比較は、一般に、表現型の特徴の比較よりも、種間の関連性を特徴付けるより正確な方法と考えられています。種間の進化距離は、進化系統樹を形成するために使用できます。これらの木は、時間の経過に伴う種の共通の降下と発散を表していますが、無関係な種間の遺伝物質の移動（水平遺伝子伝達として知られ、細菌で最も一般的です）を示していません。

モデル生物

遺伝学者はもともと広範囲の生物の遺伝を研究していましたが、研究者は特定の生物のサブセットの遺伝学の研究に特化し始めました。特定の生物について重要な研究がすでに存在しているという事実は、新しい研究者がさらなる研究のためにそれを選択することを奨励し、最終的にいくつかのモデル生物がほとんどの遺伝学研究の基礎となりました。モデル生物遺伝学の一般的な研究トピックには、遺伝子調節の研究と、発生および癌への遺伝子の関与が含まれます。

一部、便宜上、生物が選択されました。生成時間が短く、遺伝子操作が簡単なため、一部の生物は作成されました。人気のある遺伝学研究ツール。広く使用されているモデル生物には、腸内細菌 Escherichia coli 、植物 Arabidopsis thaliana 、パン酵母（ Saccharomyces cerevisiae ）、線虫 Caenorhabditisなどがあります。 elegans 、一般的なフルーツフライ（ Drosophila melanogaster ）、および一般的なハウスマウス（ Mus musculus ）。

医学

医療遺伝学は、遺伝的変異が人間の健康と病気にどのように関連しているかを理解しようとしています。病気に関与している可能性のある未知の遺伝子を検索する場合、研究者は通常、遺伝連鎖と遺伝的家系図を使用して、病気に関連するゲノム上の位置を見つけます。集団レベルでは、研究者はメンデルのランダム化を利用して、疾患に関連するゲノム内の場所を探します。これは、単一の遺伝子では明確に定義されていない多遺伝子形質に特に役立つ方法です。候補遺伝子が見つかると、モデル生物の対応する（または相同な）遺伝子についてさらに研究が行われることがよくあります。遺伝病の研究に加えて、ジェノタイピング法の利用可能性の増加は、薬理遺伝学の分野につながりました：遺伝子型が薬物反応にどのように影響するかについての研究。

癌を発症する遺伝的傾向、および癌は個人によって異なります。遺伝病です。体内のがんの発生過程は、イベントの組み合わせです。突然変異は、分裂するときに体内の細胞内で時折発生します。これらの突然変異はどの子孫にも受け継がれませんが、細胞の行動に影響を及ぼし、時には細胞がより頻繁に成長して分裂する原因となる可能性があります。このプロセスを止めようとする生物学的メカニズムがあります。細胞死を引き起こすはずの不適切に分裂している細胞に信号が送られますが、細胞がこれらのメッセージを無視する原因となる追加の突然変異が発生することがあります。自然淘汰の内部プロセスは体内で起こり、最終的には突然変異が細胞内に蓄積して自身の成長を促進し、成長して体のさまざまな組織に侵入する癌性腫瘍を作り出します。

通常、細胞は成長因子と呼ばれるシグナルに反応し、周囲の細胞と接触すると成長を停止し、成長阻害シグナルに反応します。その後、通常、限られた回数だけ分裂して死に、他の臓器に移動できない上皮内にとどまります。癌細胞になるためには、細胞は多くの遺伝子（3から7）に突然変異を蓄積しなければなりません。癌細胞は成長因子なしで分裂することができ、抑制性シグナルを無視します。また、それは不滅であり、隣接する細胞と接触した後でも無期限に成長する可能性があります。それは上皮から、そして最終的には原発腫瘍から逃げることがあります。次に、逃げ出した細胞は血管の内皮を通過し、血流によって輸送されて新​​しい臓器にコロニーを形成し、致命的な転移を形成する可能性があります。がんのごく一部にはいくつかの遺伝的素因がありますが、大部分は、元々現れて1つまたは少数の細胞に蓄積し、分裂して腫瘍を形成し、に伝達されない一連の新しい遺伝子変異によるものです。子孫（体細胞変異）。最も頻繁な変異は、p53タンパク質、腫瘍抑制因子、またはp53経路の機能喪失、およびRasタンパク質または他の癌遺伝子における機能変異の獲得です。

研究方法