これまでで最も完全なヒトゲノムマップから、胚と進化について何がわかるか

先週、20 を超える研究機関の研究者チームが、ヒトゲノムの高品質な配列を作成する 30 年にわたる取り組みで画期的な成果を発表した。ヒトゲノム プロジェクトの最初の草稿が作成されたのが 20 年前だが、ヒト DNA の約 8 パーセントは未だ謎に包まれたままだった。現在では、ゲノムのほぼすべての部分 (Y 染色体を除く) が解読されている。

新たにマッピングされた領域は、遺伝学者に、かつて「ジャンク DNA」と呼ばれていたゲノム領域を垣間見る機会を与えることになる。これらの領域は現在、進化、胚の成長、そして細胞の複製と死滅の仕組みに欠かせないものであると理解されている。

「物事はこれまで考えていたよりもはるかに多様であることがわかった」と、コネチカット大学の比較生物学者で、この配列の共著者であるレイチェル・オニール氏は言う。これまでの研究結果は「地球という惑星の文化や音楽や言語を研究し、アフリカ全体を無視しているようなものだった」。

目立った部分はすべて、DNA の複雑な繰り返し配列で構成されているため、謎に包まれたままです。この遺伝物質の一部は、数千回繰り返された 1,000 文字の配列で構成されている可能性があります。「繰り返しによって進化しました」と、カリフォルニア大学サンタクルーズ校の計算生物学者で、この新しい配列の共著者であるベネディクト・パテン氏は、今年初めのインタビューでポピュラーサイエンス誌に語りました。

極端な繰り返しにより、配列決定は特に困難を極めた。遺伝子の配列決定は、20年前にヒトゲノムが初めて再構築されたときよりもずっと高速かつ安価になったが、現在最も一般的な技術は、ゲノムの短い断片を読み取ることである。これらの断片は、DNA配列が重なる場所を一致させることにより、全体像に組み立てられる。繰り返し部分をつなぎ合わせることは、シマウマの群れのジグソーパズルに取り組むことに少し似ている。研究者は、最終的な全体像を完成させるために、非常に長いDNA鎖を読み取るツールを開発し、新しいアルゴリズムをコーディングする必要があった。

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これまで遺伝学者は、新たに配列された領域を含むゲノムの大きな部分を「ジャンク」と呼んできた。遺伝学研究の大半は、RNA に転写され、その後、生物学の分子の主力であるタンパク質に翻訳される、比較的小さな DNA 部分である遺伝子に焦点を当ててきた。ゲノム全体の 98 パーセントを占めるジャンク DNA は、機能的なタンパク質に翻訳されない。「遺伝子からタンパク質への経路だけに興味があるなら、他のすべてはジャンクです」とオニールは言う。

しかし、過去 20 年にわたって、生物学者たちは、その「ジャンク」に含まれる情報が、私たちが知る生命の基礎を成すものであることに気付きました。図書館の棚にも文字が書かれていることを知るのと同じようなことです。「ある人にとってのジャンクは、別の人にとっては宝物です」とオニール氏は言います。「私は宝物側です。」

ヒトゲノムは46本の染色体、つまりDNAが絡み合ったX字型の「図書館」にまとめられている。今回の新しい配列は、これらの染色体の3つの部分に取り組んだ。すなわち、DNAの摩耗を防ぐ染色体の「エンドキャップ」であるテロメア、DNAの複製に不可欠な各染色体の中央にある密集したDNAの塊であるセントロメア、そしてリボソームと呼ばれるタンパク質工場の構築に使用される染色体の「腕」にあるDNAである。

この DNA はタンパク質を生成しませんが、RNA を作ることができます。また、RNA は通常、純粋な情報伝達体と考えられていますが、細胞内で積極的に活動し、他の分子に付着して化学反応を促進することもできます。(これが、進化生物学者の中には、最も初期の生物は完全に RNA でできており、複製のための設計図とツールの両方が含まれていたと考える人がいる理由です。)

セントロメアでは、RNA は染色体が複製される際に染色体をまとめる役割を果たしています。RNA がなければ、ゲノム全体が崩壊します。「エンド キャップ」テロメア内の DNA は、RNA の反復的な鎖を生成し、末端をまとめる役割を果たします。また、テロメアが摩耗するとそれを補修することで、細胞の老化プロセスに役割を果たしているようです。

リボソームの構築を導くDNA、rDNAも、同様に広範囲にわたる役割を担っている可能性がある。高校の生物学の教科書では、リボソームは一般的に、RNAを読み取ってタンパク質を吐き出すだけの機械であると説明されている。しかし、新しい配列には関わっていないスタンフォード大学の遺伝学者マリア・バーナ氏は、異なるリボソームはそれぞれ少しずつ異なる機能を持っているようだと説明する。

ここでも鍵となるのは RNA です。rDNA によってコード化された 4 つの「種」のリボソーム RNA が、工場の構造に織り込まれています。rDNA の異なる領域は、わずかに異なる亜種を生み出します。「テロメア間のデータから現在明らかになっているのは、rDNA の多様性が非常に大きいということです」と彼女は言います。「rDNA のほぼ 25 パーセントは可変です。」

バーナ氏によると、これらの変異のすべてが実際にリボソームに取り込まれるわけではない。しかし、その多様性は、特殊なタンパク質を作るための超精密なリボソームをニューロンに与えることから、腫瘍の成長を可能にすることまで、あらゆることに役割を果たす可能性がある。「私たちは今、これらの変異が正常な細胞分化だけでなく、病気の状態にも適用できる可能性を一目で把握しています」とバーナ氏は言う。

反復配列の構造はおそらく重要である。反復配列は染色体から染色体へ飛び移ったり、遺伝子全体を移動させたりして、極めて急速に進化する可能性がある。また、近縁の生物であっても、セントロメアとテロメアが極めて異なる場合がある。これは、セントロメアとテロメアが新種の出現に役割を果たしていることを示唆している。

「それは矛盾です」とオニール氏は言う。「動物から人間まで共通する最も保存された機能の 1 つは、染色体の中で最も異なる部分の 1 つでもあります。」生物学のあらゆる基礎となる部分が、どうしてこれほど柔軟になり得るのか、という疑問が残る。