遺伝

第5章 · 遺伝

減数分裂とメンデル

親は染色体の半分を子に伝える。どちらの半分になるかは偶然で、メンデルが数えたのはその偶然だった。

図では、4本の染色体をもつ細胞から、2本ずつもつ4個の細胞ができる。赤い染色体はその細胞の母親から、青い染色体は父親から来たものだ。新しい細胞はそれぞれ、各対から1本ずつ受け取るが、どちらを受け取るかはランダムである。

この章では、減数分裂のなかで染色体がたどる道筋を追い、減数分裂が染色体をどのように組み換えるかを示し、確率を使って交配の子を予測する。そのあと、メンデルの比では説明できない遺伝のパターン、表現型に対する環境のはたらき、染色体が誤って分配されたときに起こることを扱う。

5.1 · 減数分裂

1個の2倍体細胞から4個の半数体細胞

減数分裂では、親の半分の染色体数をもつ配偶子（卵と精子）がつくられる。

二倍体の細胞（2n）は、両親から1組ずつ、2組の染色体をもつ。対になった2本の染色体は相同染色体で、長さが同じで、同じ遺伝子が同じ順に並ぶが、それらの遺伝子の型（対立遺伝子）は異なることがある。ヒトの体細胞は 2n = 46、ヒトの配偶子は一倍体で n = 23 である。

減数分裂の前に DNA が複製されるので、各染色体は、動原体でつながった2本の同一の姉妹染色分体になる。そのあと、2回の分裂が起こる。

減数第一分裂では相同染色体が分かれる。対は細胞の中央に並び、各対の1本ずつが両極へ移動する。できた2個の細胞はどちらも一倍体になるが、染色体はまだ2本の染色分体からなる。

減数第二分裂では、体細胞分裂とほぼ同じように姉妹染色分体が分かれる。結果として、4個の一倍体の細胞ができる。

1細胞あたりの DNA は、配偶子1個分を単位としている。体細胞分裂は染色体数を保ち、同一の細胞をつくる。減数分裂は染色体数を半分にし、互いに異なる細胞をつくる。受精は2個の一倍体の配偶子を結びつけ、2n に戻す。

5.2 · 乗換え

相同染色体が部分を交換する

減数第一分裂の初めに相同染色体が対になっている間、非姉妹染色分体どうしが対応する部分を交換する。これが乗換えである。

対になった相同染色体は、4本の染色分体がひとまとまりになり、四分子をつくる。赤い相同染色体の染色分体1本と青い染色分体1本が同じ場所で切れ、互いにつながり直る。交差している点がキアズマである。

図では、遺伝子 A が乗換え点の上に、遺伝子 B が下にある。赤い相同染色体は A と B、青い相同染色体は a と b をもっていた。減数分裂のあと、4本の染色分体は次のようになる。

組換え型の染色分体は、親のどちらの染色体ももっていなかった対立遺伝子の組み合わせをもつ。乗換えのおかげで、配偶子が受け取る各染色体は、どちらの相同染色体のコピーでもなく、両方がつぎはぎになったものになる。

染色体上で遠く離れた2つの遺伝子の間には、近い2つの遺伝子の間よりも乗換えが入りやすい（5.4）。

5.2 · 独立の法則とランダムな受精

人の数より多い組み合わせ

減数第一分裂中期には、各相同染色体の対が、母親由来の染色体をどちら側にするかを、ほかのどの対とも無関係に決めて並ぶ。これが独立の法則（独立assortment）である。

図では、長い対が遺伝子 A を、短い対が遺伝子 B をもつ。ある並び方では A B が一方の極へ、a b がもう一方の極へ行く。その鏡像の並び方では A b と a B が分かれる。多数の減数分裂を通じて、4種類の配偶子は同じ割合でできる。

n 対の染色体があれば、組み合わせは 2ⁿ 通りになる。ヒトでは n = 23 である。

ランダムな受精。これらの卵のどれもが、これらの精子のどれとも出会えるので、1組の両親から $2^{23} \times 2^{23}$ ≈ 7.0 × 10¹³ 通りの受精卵ができうる。乗換えを考えれば、さらに増える。

乗換え、独立の法則、ランダムな受精が合わさって、有性生殖で生まれる子はそれぞれ遺伝的に唯一のものとなり（一卵性双生児を除く）、自然選択がはたらく変異のもとになる。

5.3 · メンデルの分離の法則

両親から1つずつ対立遺伝子を受け継ぐ

メンデルはエンドウを交雑し、子の数を数えた。丸い種子のしわのある種子の雑種どうしを交雑すると、次の世代（F₂）はおよそ丸 3 : しわ 1 になった。

1つの遺伝子には対立遺伝子がある：R（丸）と r（しわ）。個体がもつ対立遺伝子の組は遺伝子型、現れる形質は表現型である。RR と rr はホモ接合、Rr はヘテロ接合という。R は顕性で、Rr の種子は丸くなる。r は潜性で、rr のときだけ現れる。

分離の法則。1つの遺伝子の2つの対立遺伝子は別々の配偶子に分かれ、each の配偶子の半数がそれぞれをもつ。これは減数分裂Iで起こる。対立遺伝子をもつ相同染色体が反対の極へ移動するのである。

パネットスクエアは、各種類の卵と各種類の精子を組み合わせる。Rr × Rr は 1 RR : 2 Rr : 1 rr となり、丸 3 : しわ 1 である。

丸い種子は RR か Rr のどちらかである。rr の個体との検定交雑でどちらか分かる。RR なら子はすべて丸、Rr なら半数がしわになる。

5.3 · 2つの遺伝子と確率の法則

9 : 3 : 3 : 1

異なる染色体上の遺伝子は、互いに独立に遺伝する。これがメンデルの独立の法則であり、対が独立に並ぶことの結果である（5.2）。

そのため2つの遺伝子は1つずつ扱い、2つの規則で組み合わせられる：

積の法則。独立な事象では、P(A かつ B) = P(A) × P(B)。
和の法則。互いに排反な事象では、P(A または B) = P(A) + P(B)。

例。RrYy × RrYy。黄色（Y）は緑色（y）に対して顕性とする。各遺伝子だけを見ると、顕性 3/4、潜性 1/4 になる：

和の法則でヘテロ接合体の確率が求まる。Rr × Rr から Rr が生じるのは、R の卵と r の精子、または r の卵と R の精子のときで、¼ + ¼ = ½ である。

パネットスクエアでは扱いにくい場合にも、この規則は使える。AaBbCc × AaBbCc では、P(aabbcc) = (¼)³ = 1/64 である。

図では、各種子の形がその種子の形質を表す。白は黄色、灰色は緑色を表す。

5.3 · 比の検定：カイ二乗検定

その差は偶然によるものか？

実際の個体数が予測された比にぴったり一致することはない。カイ二乗検定は、その差が偶然とみなせるほど小さいかを調べる。

ここで o は各観察数、e は期待数である。ここでの帰無仮説は、2つの遺伝子が独立に分配され、F₂ が 9 : 3 : 3 : 1 になるというものだ。メンデルは 556 個の種子を数えた：

自由度 = 区分の数 − 1 = 3。公式集によると、p = 0.05 の臨界値は 7.81 である。0.47 < 7.81 なので、帰無仮説は棄却できない。この程度のずれは偶然で起こりうる。

χ² が臨界値を超えれば帰無仮説は棄却される。その場合、遺伝子が連鎖しているか、ある遺伝子型の生存率が低い可能性がある（5.4）。使うのは必ず個体数で、百分率は使わない。また、棄却できないことは仮説を支持するが、証明するわけではない。

5.4 · 連鎖した遺伝子と地図単位

一緒に伝わる遺伝子

同じ染色体上で近くにある遺伝子は連鎖している。一緒に遺伝しやすく、独立には分配されない。

2つを分けるのは、その間で起こる乗換えだけである。図では、A と B の間の乗換えで組換え染色分体ができる。その区間の外での乗換えでは、組合せは変わらない。

検定交雑。一方の親から A B、他方から a b を受け取ったハエを aabb と交雑する。遺伝子が独立に分配されるなら、4つの区分は 1 : 1 : 1 : 1 になるはずだが、そうならない：

RF は組換え価である。1地図単位（センチモルガン）は組換え 1% にあたり、A と B は 18 地図単位離れている。離れているほど、その間で起こる乗換えが多くなり、組換え価は高くなる。ただし 50% を超えることはなく、これが連鎖していない遺伝子の値である。

地図作成。A–B が 18、B–C が 7、A–C が 25 なら、18 + 7 = 25 となり、順序は A–B–C である。

5.4 · 伴性遺伝子

息子は母親からX染色体を受け継ぐ

ヒトやショウジョウバエでは、雌は XX、雄は XY である。X 染色体上の遺伝子は伴性遺伝（X連鎖）し、小さな Y 染色体にはほとんど遺伝子がない。

雄は X を1本しかもたないので、その対立遺伝子は顕性でも潜性でも現れる。雌が X 連鎖の潜性形質を示すのは、2本の X の両方がもつときだけで、1つだけなら保因者である。

モーガンのハエ。白眼（r）は X 連鎖の潜性対立遺伝子である。保因者の雌 X^RX^r × 赤眼の雄 X^RY：

父は X をすべての娘に、Y をすべての息子に渡す。そのため X 連鎖の潜性形質は雄にずっと多く、たいてい保因者の母を通して伝わり、父から息子へは決して伝わらない。

ヒトの例：赤緑色覚異常と血友病。

5.4 · 単純な優性を超えて

さまざまな遺伝のパターン

メンデルの比は、1つの遺伝子、2つの対立遺伝子、一方が顕性、1つの形質を前提とする。多くの形質はこのどれかに当てはまらない。

ポリジーン。図では、3つの遺伝子が、大文字の対立遺伝子1つにつき形質を1単位ずつ加える。AaBbCc × AaBbCc では、等確率の組合せが 64 通りでき、大文字の対立遺伝子の数は釣り鐘型に分布する（1 : 6 : 15 : 20 : 15 : 6 : 1）。遺伝子の数が増え、環境も加わると、段階はぼやけて連続変異になる。

多面発現。鎌状赤血球の対立遺伝子は、ヘモグロビンのアミノ酸を1つ変える。その影響には、鎌状の赤血球、貧血、痛み、複数の臓器の障害があり、ヘテロ接合体ではマラリアへの抵抗性もある。

このような形質はメンデルの比にならない。3 : 1 や 9 : 3 : 3 : 1 に対するカイ二乗検定では棄却される。

5.4 · 核の外にある遺伝子

ミトコンドリアは卵から受け継がれる

ミトコンドリアと葉緑体は、それぞれ固有の DNA をもつ。その遺伝子はメンデルの法則に従わない。

これらの細胞小器官は減数分裂では分配されない。細胞質とともに、娘細胞や配偶子へ無作為に分けられる。

ヒトなどの動物では、受精卵のミトコンドリアは卵に由来する。精子は核を運び込むが、中片部にある少数のミトコンドリアは卵の中で分解される。そのため、ミトコンドリア DNA にコードされた形質は母性遺伝する：

例：レーバー遺伝性視神経症。ミトコンドリア遺伝子の変異によって視力が失われる病気である。

植物では、葉緑体が細胞へ無作為に分配されるため、葉に緑と白のまだら（斑入り）ができることがある。

5.5 · 環境が表現型に与える影響

1つの遺伝子型に複数の表現型

表現型は、遺伝子と環境がともにはたらいてつくられる。1つの遺伝子型が環境によって異なる表現型になることを表現型可塑性という。

温度と性。多くのカメには性染色体がなく、発生中の卵の温度で性が決まる。図のモデル種では、転換温度 29 °C より低い温度の卵は主にオスに、高い温度の卵は主にメスにかえる。27 °C ではメスが 2.6%、31 °C では 97.4%。

ウサギの色素をつくる酵素は温度に敏感で、体の冷たい部分でしかはたらかない。PKU の遺伝子型は食事では変わらないが、表現型は変わる。

5.6 · 染色体と不分離

減数分裂で分配を誤るとき

遺伝子は染色体の上にあり、減数分裂での染色体の動きがメンデルの法則を説明する。これを遺伝の染色体説という。この動きがうまくいかないと、配偶子の染色体数が正しくなくなる。

染色体不分離とは、分離の失敗のことである。減数分裂Iでは相同染色体が、減数分裂IIでは姉妹染色分体が分離しない。

n + 1 の配偶子が正常な配偶子と受精するとトリソミー（2n + 1）になり、n − 1 の配偶子からはモノソミー（2n − 1）になる。

染色体数のほかの変化の多くは、出生前に致死となる。21トリソミーのリスクは母親の年齢とともに高くなる。

5.6 · 系図とヒトの遺伝性疾患

家系から遺伝のしかたを読み取る

家系図は、ある形質が家族の中でどう伝わるかを示す図である。四角は男性、丸は女性、塗りつぶした記号は発症者を表す。横線は両親を結び、縦線はその子どもたちにつながる。

考え方。II-2 は発症しているが、両親は発症していない。よってこの形質は劣性で、彼は aa である。両親はそれぞれ彼に a を渡しつつ A を示しているので、2人とも Aa である。彼の子どもは発症していないが、彼から a を受け取っているので Aa である。

発症していない姉 II-1 は AA か Aa である。Aa × Aa の子のうち発症していない子では、3分の2が Aa である。

遺伝学的検査とカウンセリングには、倫理的・社会的・医学的な問いがともなう。結果を誰が知るべきか、そしてそれをどう扱うか、という問いである。