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はじめに

人体の遺伝物質は、1つひとつの細胞の核の内部に含まれ、その数は成人で5兆個以上あります。遺伝物質はらせん状のDNA(デオキシリボ核酸)から成り立ち、これが複雑にたたみこまれてコンパクトにまとまり、染色体を形成しています。人間の細胞それぞれには22対の常染色体と1対の性染色体が含まれ、全部で46本の染色体が存在します。

DNAの構造

DNAの構造

DNA(デオキシリボ核酸)は細胞の遺伝物質で、ゆるやかにコイル状に巻かれた糸がからみ合った、クロマチンと呼ばれる形で細胞の細胞核中に存在します。細胞が分裂する直前には、クロマチンのコイルがきつくなって染色体が形成されます。

人間の細胞には23対の染色体があります。染色体は2つの染色分体に分かれますが、セントロメア(動原体)によって結合されています。

染色分体は、たくさんの遺伝子を含んだ帯に分かれます。遺伝子は1つのタンパク質をコードするDNAの配列です。

DNA分子は長いコイル状の二重らせんで、らせん階段に似ています。DNA分子には糖(デオキシリボース)とリン酸の分子からできた2本のストランド(ひも)があり、塩基と呼ばれる4種類の分子が対になったものが、階段のステップのようにストランドの間をつないでいます。ステップは、アデニンとチミン、グアニンとシトシンの対で形成されます。各塩基対は水素結合で結合しています。このように、遺伝子は塩基の配列からなり、3つの塩基の配列が1組になって1種類のアミノ酸(タンパク質を組み立てる部品)を指定します。

DNA分子は、らせん階段のような長い二重らせん構造になっています。ヒトの遺伝コードは階段のステップにあたる部分によって決まり、この部分は塩基(ヌクレオチド)と呼ばれる4種類の分子が対になって形成されています。各ステップは、アデニン(A)とチミン(T)、あるいはグアニン(G)とシトシン(C)の対から成り立っています。連続した3つの塩基が1組となり、その並び方によって20種類あるアミノ酸のいずれか1種類をコードしています。たとえば「GCT」という配列はアラニン、「AAA」はリジンというアミノ酸にそれぞれ対応し、このようにコードされたアミノ酸が結合してタンパク質がつくられます。

1つの遺伝子は、タンパク質を1つつくるのに必要な情報を示す、DNAの配列から成り立っています。遺伝子の大きさは、コードするタンパク質の大きさによりさまざまです。すべての遺伝的な特徴(形質)は遺伝子によってコードされますが、特徴の多くは複数の遺伝子によって決定されます。遺伝によって決まる形質には単に他の人との違いを示すだけのものもあり、たとえば髪の色の違いは異常とはみなされません。しかし、遺伝によって決まる形質には、正常な体の構造や機能にとって重要なものもあります。このような形質をコントロールする遺伝子の変化は、遺伝性疾患の原因になります。

染色体は遺伝子の集合体です。遺伝子は、染色体上に決まった順序で配置されています。染色体上で特定の遺伝子が存在する部分を遺伝子座と呼びます。

各染色体の末端には、テロメアという小さなキャップのような構造があり、染色体をダメージから保護しています。細胞分裂の前には、細胞に含まれるすべてのDNAを複製する必要があります。しかし、細胞がテロメア(これもDNAからできています)を完全に複製することは難しく、複製のたびにテロメアはわずかずつ短くなります。ついには、テロメアは染色体から完全になくなってしまいます。テロメアの消失は、細胞死の原因となっていると考えられます。このように、テロメアが徐々に短くなることが、老化の1つの原因となっていると考えられています。奇妙なことに、癌細胞にはテロメアの長さを維持する能力、またはテロメアが消失しても生き残る能力をもつものがあります。

ヒトの遺伝子の構成を遺伝子型と呼びます。遺伝子型は、いわば人体を組み立てるための“仕様”を示した設計図の完全な1セットです。これらの遺伝子による体の反応、つまり遺伝子型の発現(体が実際にどのようにつくられたか)を表現型と呼びます。

遺伝によって決まる形質の多くは、複数の遺伝子が基になっています。たとえば人の身長は、成長、食欲、筋肉の量、活動レベルに影響を与える遺伝子によって左右されますが、同時に遺伝子以外のさまざまな要因にも影響されます。同様に、病気へのかかりやすさ(感受性)も、複数の遺伝的影響が組み合わさったものであることがしばしばあります。このように、どの遺伝的影響が表現型に最も影響するかは、必ずしも簡単には決まりません。

DNAからの情報の転写

DNA分子のうち、細胞の機能を活発にコントロールしている部分では、DNAの二重らせんの一部がほどけて開いた状態になります。開いたらせんの一方の鎖は不活性ですが、もう一方の鎖には活性があり、これに対応した相補的なRNA(リボ核酸)の鎖をつくるための鋳型として働きます。DNAでチミン(T)の部分はRNAではウラシル(U)になりますが、この点を除けば、RNAの塩基は不活性な方のDNA鎖の塩基と同じ配列になります。こうしてできたRNAのコピーはメッセンジャーRNA(mRNA)と呼ばれ、DNAから離れて細胞核の外に出て、細胞質へと移動します。mRNAはここで、タンパク質を製造する細胞内器官であるリボソームと結合します。mRNAは、アミノ酸配列にしたがって特定のタンパク質をつくるよう、リボソームに指示を出します。その材料となる細胞質中のアミノ酸は、トランスファーRNA(tRNA)によってリボソームに運ばれます。tRNAは、RNAの中でもごく小さなもので、1分子が1個のアミノ酸を運びます。こうして次々にアミノ酸が組みこまれてタンパク質の鎖は伸びていき、長くなった鎖は近くにある「シャペロン」と呼ばれる分子のサポートを受けて、あるべき形に折りたたまれます。

細胞が増殖し、あるいは死んだ細胞を補充するために分裂するときには、DNAの複製が起こります。DNAのらせんがほどけ、順を追って新たなDNA分子が形成されます。すべてが計画通りに進めば、新しい細胞はそれぞれ、基になった細胞と同一のDNAをもつことになります。しかし、どこかでエラーが起きれば変異が生じることになります。細胞にとって致死的な変異が起きて、細胞が死んでしまうこともよくあります。ごくわずかな変異では、目立った影響が現れない場合もあります。変異によって、細胞が死なないまでも有害な変化が起きる場合もあれば、逆に有利な変化が起きる場合もあります。

性染色体

胎児が男性になるか女性になるかは、2本の性染色体によって決まります。男性はX染色体とY染色体を1本ずつもっています。女性はX染色体を2本もっていますが、活性があるのはそのうちの一方だけです。

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XY染色体

XY染色体
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XX染色体

XX染色体

X染色体、Y染色体上には、性をコントロールする遺伝子のほかにも遺伝子が存在します。もっともY染色体の場合、性を男性に決定する以外の遺伝子はそれほど多くありません。X染色体にはY染色体よりはるかに多くの遺伝子が含まれています。X染色体上の遺伝子は、伴性遺伝子あるいはX連鎖遺伝子と呼ばれます。男性の場合は優性、劣性にかかわらず、X染色体上のほとんどすべての遺伝子が発現します。これは、X染色体上の劣性遺伝子の指令を相殺する、2本目のX染色体が存在しないためです。

女性にはX染色体が2本あるため、女性は男性の2倍のX染色体遺伝子をもっています。このことから、女性はある種の遺伝子を過剰にもっていると思うかもしれません。しかし、卵巣に存在する卵子を除き、女性の各細胞に含まれる2本のX染色体のうちの一方は、胎児期の早い段階で活性をなくしていると考えられています。顕微鏡を使うと、不活性なX染色体(バー小体)は、細胞核中の高密度のかたまりとして観察されます。

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不活性なX染色体

不活性なX染色体

X染色体の不活性化によって、いくつかの観察結果を説明することができます。たとえば、X染色体が過剰に存在することで発現する異常は、常染色体(非性染色体)が過剰な場合に比べてはるかに少ないことが知られています。これはX染色体がいくつあっても、1本以外はすべて活性を失うためと考えられます。X染色体を3本もつ女性(トリプルX症候群)では、身体にも精神にも異常がみられないこともしばしばあります(染色体異常と遺伝性異常: トリプルX症候群を参照)。対照的に、常染色体が余分にあると、胎児期の発達初期に致死的な影響が現れたり、身体や精神に重度の異常が多数生じるおそれがあります(ダウン症候群など)(染色体異常と遺伝性異常: ダウン症候群を参照)。同様に、常染色体に欠損があると、胎児には致死的な影響が必ず現れますが、X染色体の欠損では、現れる異常は比較的軽いものです(ターナー症候群)(染色体異常と遺伝性異常: ターナー症候群を参照)。

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