By Michael Yudell, MPH, American Museum of Natural History
and Rob DeSalle, Ph.D., American Museum of Natural History

Gregor Mendel, pioneer of genetics and parish priest in the collegiate church at Altbrünn, located in the Czech Republic. GEGOR MENDEL, PERCIOR AND THE COLLEGIATED CHAIRS.

19世紀半ば、オーストリアの修道士グレゴール・メンデルの実験により、遺伝の基本的なメカニズムが発見され、遺伝学の科学が誕生し、人類は遺伝暗号の解読に向けて小さな一歩を踏み出しました。 メンデルは、世界中の科学者が遺伝の生物学的基盤に取り組むという黄金時代の幕開けに貢献したのである。 その後、科学的探究の焦点はメンデルから分子へ、そして遺伝学（個々の遺伝子と世代間の形質継承の研究）からゲノミクス（生物のDNA（デオキシリボ核酸）全体に関する研究）へと移っていったのである。 現在では、国際的な研究コンソーシアムである「ヒトゲノム・プロジェクト」が、2000年6月にヒトの遺伝暗号の最初の草稿を完成させました。 このプロジェクトは、2000年6月にヒトの遺伝暗号の最初のドラフトを完成させた国際研究コンソーシアムです。この最終成果物、すなわち、ほぼすべてのヒトの細胞に含まれる31億塩基対のDNAの完全な配列は、ヒトの生命の暗号化された青写真と言えます。

ヒトゲノムに含まれるデータ量を理解するには、A、C、T、Gで書かれた58冊のニューヨークの電話帳を想像してください。 AMNH

メンデルからわずか1世紀後に、科学者がDNA分子そのものをマスターし始めるとは、誰も予想できませんでした。 どのようにしてここまで到達したのでしょうか。 遺伝のメカニズムを大まかに考えることから、遺伝子が遺伝の基本単位であることを理解し、地球上のすべての生命の根底にある DNA コードを解読し、ついにはそれを操作するまでに、科学はどのように進歩したのでしょうか。 1859年にチャールズ・ダーウィンが『種の起源』を発表したことで、メンデルが発見した当時の生物学は、進化の謎を解くことで頭がいっぱいだったのだ。 メンデルの研究は、無名の科学雑誌に掲載された後、約40年間も埃をかぶっていた。 しかし、1900年、ヨーロッパで別々の研究室に所属していた3人の植物学者によって再発見されたのである。 20 世紀の最初の数十年間は、植物遺伝学は昆虫や動物の研究に取って代わられ、メンデルの基本法則 (形質が世代から世代へとどのように受け継がれるかを説明するもの) は、さまざまな種で検証されました。 前世紀初頭、コロンビア大学のハント・モーガンとその学生たちは、何十万匹ものショウジョウバエの交配を始めた。 当時は、現在私たちが遺伝学と呼んでいるような専門用語もなかった。 植物学者のウィリアム・ベイトソンが1906年にこの分野を命名し、その3年後にはドイツの生物学者ウィルヘルム・ヨハンセンが「遺伝子」という言葉を作り出しました。 以前はメンデルの理論に批判的だったモーガンは、この形質が世代を超えて伝達されることを正確に記述できるようになると、その理論を受け入れるようになった。 彼は、このような形質を突然変異と呼んだ。 モーガンは、突然変異を利用して、遺伝を管理する法則を越えて、そのプロセスを実行 する具体的なメカニズム、すなわち遺伝子そのものを調べるようになりました。 モーガンとその共同研究者たちは、体の色や翅の形が異なるものなど、何百 もの目に見える突然変異体を見つけて繁殖させることによって、ショウジョウバエの 4 本 の染色体それぞれのどこに特定の遺伝子があるかを示す染色体地図を作ることができ ました。

優生学-遺伝子理論の暗黒面
20世紀前半の30年間、遺伝学に関する科学的思考はモーガンたちの研究に集中していましたが、優生学者と呼ばれる男女のグループが世論を席巻していました。 優生学とは、選択的交配によって人類の資質を向上させようとする科学である。 この優生学運動は、移民排斥と一部の人種の遺伝的優位性を信じることによって、人種差別を煽り、差別的な法律や約3万人の「心の弱い」アメリカ人の不妊手術につながった。 ホロコーストの恐怖と、遺伝学および進化・集団生物学の進歩によって、その移行は早まりました」

古典的遺伝学を追い越す分子遺伝学
形質が世代を超えて受け継がれる方法について、ある生物学者は数学的枠組みを確立しましたが、他の学者は遺伝物質が何であろうと化学成分を特定しようと苦心しました。 タンパク質が世代を超えて形質を伝達するという信念に固執する者もいれば、核酸が生命の基本的な構成要素であると主張する者もいた。 1944年、3人のアメリカの生物学者が肺炎球菌を使った一連の巧妙な実験により、遺伝子がDNAでできていることを突き止めた。 この発見により、進化生物学者エルンスト・マイヤーが「まさに『雪崩を打つ』ような核酸研究」と呼ぶ、生化学者たちがDNAの物理的構造と化学的特性の解明に躍起になるきっかけとなりました。 モーリス・ウィルキンスとロザリンド・フランクリンは、DNAの「スナップショット」を撮影し、1953年にジェームズ・ワトソンとフランシス・クリックが、今では有名なモデルを構築するために使用しました。 Roderick Mickens ©AMNH
AMNHの展示会 “The Genomic Revolution” に展示されている、ワトソンとクリックのDNAの構造のオリジナルモデルの1つです。 Roderick Mickens ©AMNH

ワトソンとクリックの最大の強みは、彼らのモデルを既存の科学と調和させる能力にあった。 1933年の時点で、ハント・モーガンは「遺伝子が何であるか、実在するのか、あるいは純粋に架空のものなのかについて、遺伝学者の間で意見の一致を見たことがない」と指摘しています。 モーガンは直感で行動していたため、自分の遺伝子地図が雁字搦めのものであるという確信が持てなかったのである。 しかし、1944年にDNAが遺伝の「材料」であることが発見されると、遺伝子の存在は次第に理論的なものではなくなりました。 ワトソンとクリックがDNAの実際の物理的構造を発見したことで、遺伝学者の間に遺伝子が実在するというコンセンサスがようやく生まれたのである。 遺伝の基本がわかったことで、彼らの後継者たちは、遺伝のプロセスを分子レベルで調べ、操作するようになった。 1950年代、化学者のフレッド・サンガーが、あるタンパク質に含まれるアミノ酸の順序を決定する方法を発見しました。 タンパク質は20個のアミノ酸が一列に並んだものであり、遺伝子は4個の核酸（DNA）が一列に並んだものであるということは、たった一つのことを意味しています。 DNAの情報とタンパク質の生産が、何らかの暗号によって結びつけられているのだ。 このパズルを解くために必要な厳密な思考と実験が、世紀半ばに活躍した偉大な科学者たちを魅了したのである。

最新のPCR装置、DNA Engine Tetradは、わずか数時間でDNAの標的配列を100万以上のコピーに増幅する。 Meg Carlough ©AMNH

科学者が特定のDNA配列を見て操作できるようにする技術も発展した。 決定的なブレークスルーは、1983 年にカリー・マリスが発明したポリメラーゼ連鎖反応（PCR）で、これは、数時間のうちに特定の DNA セグメントの何兆ものコピーを生成するプロセスです。 PCRは、実験に十分な量の遺伝物質を作ることにより、分子生物学を一変させました。 ゲノムを超えて

ヒトゲノムの配列が決定された今、重点はプロテオミクス、つまり遺伝子がコードするすべてのタンパク質の研究に移りつつある。 ヒトゲノムプロジェクトで決定された約3万個の遺伝子は、30万から100万個のタンパク質に変換されます。 ゲノムは比較的固定されていますが、特定の細胞内のタンパク質は、遺伝子が環境に応じてオン・オフすることによって劇的に変化し、驚くほど幅広い生物学的機能を絶妙な精度で演出しています。 私たちは、ヒトとヒト以外のゲノムに関する情報を驚異的なスピードで収集し、分析し続けています。

遺伝子技術のリスクと報酬

DNAを操作する能力は、私たち自身や環境に甚大な被害を与える可能性があると同時に、まだ見ぬ方法で私たちの生活を向上させる大きな可能性を秘めているのです。 新しいテクノロジーは、遺伝的差別や遺伝的プライバシーの侵害の可能性を高めるかもしれません。 また、さまざまな動植物のゲノムを改変することによる環境への影響を心配する声もあります。 しかし、ゲノム技術が私たちの生活をよりよいものに変えていくことは間違いありません。 さまざまな生物の全ゲノム配列を比較する比較ゲノム学は、自然界と、人間の複雑な病気において遺伝子が果たす役割についての理解を深めるでしょう。 例えば、マウスはヒトと同じ遺伝子配列を多く持っていますが、遺伝子の機能は異なることがよくあります。 マウスとヒト、あるいはヒトと他の生物種との間で遺伝子の機能を比較することで、多くの遺伝子の謎が解き明かされることでしょう。 何万もの遺伝子を一度に比較できるマイクロアレイ技術は、病気の遺伝的な根源を解き明かし、病気の治療能力を高めることが期待されている。 ファーマコゲノミクスという新しい分野は、個別化医療の時代を切り開くだろう。 例えば、がん患者は、効果のない衰弱した治療を受けるのではなく、それぞれの状態に合わせた治療法を受けることができるようになるだろう。 また、遺伝学者が遺伝子を操作して人間の寿命を延ばし、まさに不老長寿を実現する時代が来るかもしれない。 そして、より多くの種のゲノムの配列が明らかになるにつれて、生命の樹と自然界における我々の位置づけについての理解も深まっていくだろう。

遺伝のメカニズムと意味について考えるために、100年前の科学者たちは「私たちはできるだろうか」と考えていました。 私たちはできたし、実際できたのです。 そして、ヒトゲノムの解読は、私たちの起源を理解し、生物学的な運命を解読するという、古くからの探求における新たなマイルストーンとなりました」