生物学 第20回 生物多様性を考える 和田 勝 お酒に強い あなたは、お酒に強いですか？ お酒に強いってどういうことでしょうか。 体質？訓練？ お酒に酔うのはアルコール（エタノール C2H5OH）の脳に対する作用です。 エタノールは肝臓でアセトアルデヒドに 代謝され、次いで酢酸になり、最後は 水と任酸化炭素になります。 お酒に強い アセトアルデヒドは毒性が強く、頭痛や 吐き気の原因となります（二日酔い）。 このアセトアルデヒドの代謝を行ってい る酵素がアセトアルデヒドデヒドロゲナ ーゼ（ALDH）です（肝臓で）。 エタノール → アセトアルデヒド → 酢酸 → 二酸化 ↑ ↑ 炭素と水 アルコール アセトアルデヒド 脱水素酵素 脱水素酵素 お酒に強い ALDHは酵素タンパク質ですから、当 然遺伝子があります。 ALDHをコードする遺伝子は12番目の 染色体の長腕（12q24.12）にあり、翻訳 されると517個のアミノ酸からなるタン パク質がつくられます。 お酒に強い この酵素タンパク質の487番目のアミノ 酸はグルタミン酸、コドンはGAAです。 先頭のGが突然変異を起こしてAにな るとコドンはAAAとなり、リシンを意味 し、その結果、タンパク質は酵素活性 を失ってしまいます。 お酒に強い したがって、相同染色体の遺伝子の組 み合わせがAAA/AAAだとお酒は受け 付けない、GAA/AAAだとお酒に弱い ことになります。もちろん、GAA/GAA だとお酒に強くなります。 コーカソイドとネグロイドはすべて GAA/GAAですが、モンゴロイドではお よそ45％がGAA/AAA、5％が AAA/AAAです。 お酒に強い したがって、相同染色体の遺伝子の組 み合わせがAAA/AAAだとお酒は受け 付けない、GAA/AAAだとお酒に弱い ことになります。もちろん、GAA/GAA だとお酒に強くなります。 コーカソイドとネグロイドはすべて GAA/GAAですが、モンゴロイドではお よそ45％がGAA/AAA、5％が AAA/AAAです。 お酒に強い 民族による遺伝子頻度の違い お酒に強い GAA/GAAを持 つ日本人の地 域差。 縄文人集団に弥生 人集団が入り込ん だことを示している のだろう。 牛乳飲んでもゴロゴロしない 牛乳をがぶ飲みすると、おなかがゴロ ゴロする人はいますか？ 牛乳中のラクトース（乳糖）という二糖 類を分解する酵素ラクターゼ（小腸へ 分泌される）が十分でないためです。 ラクトース → グルコース＋ガラクトース → 小腸で ↑ 吸収 ラクターゼ 牛乳飲んでもゴロゴロしない 分解されないラクトースは小腸で吸収 されずに大腸へたどり着き、そこで大 腸内の浸透圧を上げてしまうために下 痢が起こり、ラクトースを分解できる細 菌が大腸内にいるために代謝されてガ スが発生します。こうしておなかがゴロ ゴロするのです。 牛乳飲んでもゴロゴロしない 乳児の時は、ラクトースは栄養源として 重要なので、誰でもラクターゼは作ら れていますが、ふつうは成長に伴って 次第に発現量が減っていきます。その ため成人になると、ラクトースを分解す る能力は低下して、適量の牛乳を飲む 分には影響がないのですが、たくさん 飲むとおなかがゴロゴロするのです。 牛乳飲んでもゴロゴロしない ところがヨーロッパ人はいくら飲んでも 平気です。これは大人になってもラクタ ーゼの発現が減少しないためで、人種 による差があることになります。これも 一種の体質であすね。 牛乳飲んでもゴロゴロしない ラクターゼの発現量が維持されるのは 、ラクターゼをコードする遺伝子が変異 したのではなく、ラクターゼ遺伝子の上 流にある転写調節に関与する遺伝子 の突然変異によります。 2つの遺伝子は2番染色体の長腕にあ り（2q21.3）、上流の遺伝子の変異によ って下流にあるラクターゼの発現が維 持されるのです。 牛乳飲んでもゴロゴロしない ヒトの歴史の中で、牧畜によって家畜 の乳を利用できるようになってから、こ の遺伝子に突然変異がおこり、有利な 突然変異として個体群内に広がってい ったと考えられます。そのため、ヨーロ ッパ人では95％の人がこの変異を持っ ているが、東アジア人は10％です。 この遺伝子の変異も一塩基置換です。 牛乳飲んでもゴロゴロしない 乳糖不耐性の地域・民族による違い コーカソイドはなぜ肌が白い？ 以前にアルビニズムの話をしました。 皮膚の上皮組織の底にある黒色素細 胞がメラニン顆粒を作っていて、その 量等によって皮膚の色を決めています 。 コーカソイドはなぜ肌が白い？ 紫外線の害を防ぐためには、メラニン 顆粒の生成は必要なことでした。少なく ともアフリカでは。 しかしながら、紫外線はビタミンDの生 成に欠かすことはできません。アフリカ から出て、北へ分布を広げた現生人類 の祖先にとっては日光の量が少ないた めに、黒い皮膚ではビタミンDの必要 量を精製するこてゃできませんでした。 コーカソイドはなぜ肌が白い？ そのため、メラニン形成が低い個体群 が有利だったと考えられます。 少なくとも、メラニン生成に関与する、2 つの遺伝子に突然変異が起こったと考 えられています。 コーカソイドはなぜ肌が白い？ そのうちのひとつの頻度を示す。黒は正常、白は 一塩基変異によるミスセンス突然変異 アトピーは嫌だ アトピー性の体質を持った人はいます か？ 茶のしずく石鹸による小麦アレルギー が最近、話題になりました。石鹸に含 ませた小麦タンパク質の加水分解物が アレルゲンになり、あとで食物から摂取 した小麦タンパク質によってアレルギ ー反応が生じたのです。 アトピーは嫌だ この石鹸を使ったすべての人に、この アレルギーが発生したわけではありま せん。 どうやら一部の人で、石鹸を使うことに より小麦タンパク質の加水分解物が皮 膚から入って、抗原として認識されて 抗体がつくられたようです。 アトピーは嫌だ アトピー性皮膚炎の場合も、皮膚から アレルゲンが体内に入るためらしいこ とが、わかってきました。 最近の研究によって、皮膚がバリアー としてとても重要なはたらきをしている ことが分かってきました。 アトピーは嫌だ アトピーは嫌だ アトピー性皮膚炎のヒトは、このフィラ グリンというタンパク質の遺伝子に突 然変異を起こしていることが分かった のです。 そのため、表皮のケラチン細胞ではケ ラチン繊維の束がじゅうぶんつくられず 、保水性が退化するので乾燥してはが れやすくなってしまい、アレルゲンが侵 入しやすくなるのです。 再び突然変異 ＤＮＡは複製の過程の誤りを正し、損 傷を修復して、DNAを次の世代に伝え てきました。 しかしながら、DNAの誤りがまったく伝 わらなかったわけではありません。どこ かで変異がおこり、それが伝えられた からこそ、現在、見られるようにさまざ まな生物が地球上に生息しているので す。 変異は一定の割合で、、 DNAの塩基配列を比較することにより 、DNAの塩基の変異は一定の割合で 起こっていることがわかっています。 生殖細胞の複製の過程で起こるミスマ ッチが訂正されなかったり、突然変異 が起こったのでしょう。 変異の固定 ダーウィンは遺伝の実体も遺伝子の存 在も知らなかったが、この変異がどの ように世代から世代に伝えられていく かを示しました。 ある変異が、生息している環境に適応 していれば子孫を残せる（自然選択）と いう考え方です。すなわち、、 自然選択により変異が伝わる １）生物の集団に変異（variations）が 存在すること ２）変異は親から子に伝わること ３）環境の収容力が繁殖力よりも小さ いこと ４）その環境のもとでは、変異に応じて 次世代に子を残す期待値に差が生 じること 変異の固定 個体群が、何らかの理由で分かれ て、両者の個体間で自由な交配が できなくなる（隔離）。 環境に適応した変異が個体群の中で 広がっていく。 元の個体群とは異なる表現型を持っ た種ができる（種分化）。 個体群内の変異 肌の色が3 つの遺伝 子によって 決まると仮 定すると 個体群内の変異 ヒトの場合、背の高さ、体重、皮膚や髪 の毛の色など複数の遺伝子がかかわり ます。 変異、自然選択、進化 ○変異はDNAのレベルで起こる ○自然選択は個体のレベルで起こる。 決して遺伝子のレベルでは起こらない ○進化は個体群で起こる。決して個体 のレベルでは起こらない 集団遺伝学 そこで個体群(集団、population）を対象 とした、集団遺伝学の考えが重要にな ります。 集団遺伝学では、次のように考えます。 集団遺伝学 ○個体群を構成している各個体は、す べての遺伝子座について、全く同一な 対立遺伝子（allele）を持つのではない ○個体群を構成する各個体の持ってい るすべての遺伝子座の対立遺伝子を 合わせたものを、その個体群の遺伝 子プール（gene pool）と呼ぶ ○遺伝子プール内の変異は、それぞれ の遺伝子座に対応する対立遺伝子の 相対的な比率で表すことができる ○これを、対立遺伝子頻度あるいは単 に遺伝子頻度（gene frequency）と呼ん でいる。 この遺伝子頻度を取り扱うのが集団遺 伝学です。 ハｰディ－・ワインベルグの法則 「一定の理想的な状況のもとでは、有性 生殖をおこなう集団における対立遺伝 子の頻度は、一世代で一定となり、その 後、世代を越えて一定に保たれる。また 、遺伝子型の頻度は、この遺伝子型を 構成する遺伝子の頻度の積で表すこと ができる。」 1908年に標記2人が独立に発見しまし た。 成立の条件 １）新しい対立遺伝子が生じない ２）離脱・流入個体がなく、新しい対立遺 伝子が入ることも、出て行くこともない ３）個体群は十分大きく、頻度の有意な 変化が偶然におこることはない ４）すべての個体が繁殖可能になるまで 生き残って同等に繁殖する ５）有性生殖によってランダムに混ぜ合 わせられる 具体的に ある個体群の遺伝子プールが次のよう な対立遺伝子を持つとすると、 Aとa 遺伝子型は AA、Aa、aa となります。 具体的に それぞれの遺伝子型を持つ個体が同 数いるとすると、 AA＝Aa＝aa＝0.3333 したがってAとaの 頻度は A＝a＝0.5 これが親の代。それではF1は？ 組み合わせは9通り AA AA AA Aa Aa Aa aa aa aa ｘ ｘ ｘ ｘ ｘ ｘ ｘ ｘ ｘ AA Aa aa AA Aa aa AA Aa aa F1世代は？ AAｘ AA AAｘ Aa AAｘ aa Aa ｘ AA Aa ｘ Aa Aa ｘ aa aa ｘ AA aa ｘ Aa aa ｘ aa 4 ｘ AA AAｘAA 雄の配偶子 雌の配偶子 A A A AA AA A AA AA F1世代は？ AAｘ AA AAｘ Aa AAｘ aa Aa ｘ AA Aa ｘ Aa Aa ｘ aa aa ｘ AA aa ｘ Aa aa ｘ aa 4 ｘ AA 2 ｘ AA 2 ｘ Aa 4 ｘ Aa 2 ｘ AA 2 ｘ Aa 1 ｘ AA 2 ｘ Aa 1 ｘ aa 2 ｘ Aa 2 ｘ aa 4 ｘ Aa 2 ｘ Aa 2 ｘ aa 4 ｘ aa F1世代は？ 4 ｘ AA 2 ｘ AA 2 ｘ AA 4 ｘ Aa 2 ｘ AA 2 ｘ Aa 1 ｘ AA 2 ｘ Aa 1 ｘ aa 2 ｘ Aa 2 ｘ aa 4 ｘ Aa 2 ｘ Aa 2 ｘ aa 4 ｘ aa 合計 9 ｘ AA 18 ｘ Aa 9 ｘ aa F1世代は？ 遺伝子型の比は AA：Aa：aa＝9：18：9＝1：2：1 表現型の比は （AA＋Aa）：aa＝3：1 遺伝子頻度はA＝9ｘ2＋9、 a＝9＋9ｘ2でともに27で頻度は0.5 F2世代は？ AAｘ AA AAｘ Aa AAｘ Aa AAｘ aa Aa ｘ AA Aa ｘ Aa Aa ｘ Aa Aa ｘ aa Aa ｘ AA Aa ｘ Aa Aa ｘ Aa Aa ｘ aa aa ｘ AA aa ｘ Aa aa ｘ Aa aa ｘ aa の16通りの組み合わせ F2世代は？ AAｘ AA AAｘ Aa AAｘ Aa AAｘ aa Aa ｘ AA Aa ｘ Aa Aa ｘ Aa Aa ｘ aa Aa ｘ AA Aa ｘ Aa Aa ｘ Aa Aa ｘ aa aa ｘ AA aa ｘ Aa aa ｘ Aa aa ｘ aa AA 4 2 2 2 1 1 2 1 1 Aa 2 2 4 2 2 2 2 2 2 2 2 4 2 2 aa 1 1 2 1 1 2 2 2 4 F2世代は？ 合計 16 ｘ AA 32 ｘ Aa 16 ｘ aa 遺伝子型の比は AA：Aa：aa＝16：32：16＝1：2：1 表現型の比は （AA＋Aa）：aa＝3：1 遺伝子頻度はA＝16ｘ2＋16、 a＝16＋16ｘ2でともに48で頻度は0.5 ハｰディ－・ワインベルグの法則 「一定の理想的な状況のもとでは、有性 生殖をおこなう集団における対立遺伝 子の頻度は、一世代で一定となり、その 後、世代を越えて一定に保たれる。」 「また、遺伝子型の頻度は、この遺伝子 型を構成する遺伝子の頻度の積で表す ことができる。」 ハｰディ－・ワインベルグの法則 0.5 0.5 0.5 0.25 0.25 0.5 0.25 0.25 （AA+2Aa）:aa＝0.75：0.25 となる。 法則の一般化 対立遺伝子の頻度を文字を使って表し て、対立遺伝子のAの頻度をp、aの頻 度をqとする。 当然、p＋q＝1 法則の一般化 (A) p (a) q p p2 pq q pq q2 (p+q)2＝p2+2pq+q2 (pA+qa)2＝p2AA+2pqAa+q2aa 法則の応用 ハーディー・ワインベルグの平衡状態に ある個体群では、対立遺伝子の頻度か ら遺伝子型の頻度を計算できます。 たとえば、A(p)を0.60、a(q)を0.4としてみ ましょう。 AAの頻度＝p2 = (0.60)2 = 0.36 aaの頻度＝q2 = (0.40)2 = 0.16 Aaの頻度＝2pq＝2x(0.60)x(0.40)＝0.48 法則の応用 上に述べた対立遺伝子の頻度を持った 500頭の個体群がいたとすると、それぞ れの遺伝子型をもった個体の数は次の ように計算できます。 AAの個体数＝0.36x500＝180 Aaの個体数 ＝0.48x500＝240 aaの個体数 ＝0.16x500＝ 80 法則の応用 逆に遺伝子型の頻度がわかれば、遺 伝子頻度が計算できます。 集団遺伝学では、このハーディー・ワイ ンベルグの法則を出発点とします。 日本人全体を一つの近似的に理想的 な個体群とみなして、遺伝子頻度の計 算に数学的な取り扱いを適用します。 このような集団をメンデル集団と呼びま す。 複対立への法則の拡張 ABO式血液型 糖鎖の違いである ABO式血液型 －・・・－Gal-GlcNAc-Gal（ABO抗原の前駆糖鎖） フコース転移酵素（酵素H） －・・・－Gal-GlcNAc-Gal（H（O）型糖鎖） アセチルガラクトサミン 転移酵素（酵素A） ｜ Fuc ガラクトコース 転移酵素（酵素B） Gal-GlcNAc-Gal-GalNAc（A型糖鎖） ｜ Fuc Gal-GlcNAc-Gal-Gal（B型糖鎖） ｜ Fuc ABO式血液型 この３種の酵素を遺伝子がコードしてい る。 血 液 遺 伝 子 赤血球 血清中の 型 型 A型 IAIA, IAi B型 酵素 表面糖鎖 抗体 "H", "A" A, H anti-B IBIB, IBi "H", "B" B, H anti-A AB 型 IAIB "H", "A", "B" A, B, H なし O型 ii "H" anti-A, anti-B H ABO式血液型 AとBの間には優劣関係がなく、AとBは Oに対して優性である。 ABO遺伝子は、第９染色体上にある （9q34）。A遺伝子はA酵素を、B遺伝子 はB酵素をコードしている。354アミノ酸。 O遺伝子は、A遺伝子の88番目のコドン のG 塩基が欠失しフレームシフトが起こり 11７個のアミノ酸、酵素活性ない。 法則の拡張 (pA+qB+rO)2＝ p2AA+2prAO+ q2BB+2qrBO+ 2pqAB+ r2OO 表現型A 表現型B 表現型AB 表現型O 具体例 日本人の献血者の全国資料によると、 A型は1,725,950人、B型は988,996人、 AB型は444,979人、O型は1,305,924人 （合計4,465,349人） A型 ＝0.386521（p2＋2pr） B型 ＝0.221482（q2＋2qr） AB型＝0.099540（2pq） O型 ＝0.292457（r2） 具体例 ここからrはすぐに求められます。 r2 ＝0.292457なのだから r ＝SQRT（0.292457） ＝0.540793 具体例 pとqはチョット工夫をして q ＝1－（p＋r）＝1－SQRT（(p＋r)2） ＝1－SQRT（p2＋2pr＋r2） ＝1－SQRT（0.386521＋0.292457） ＝0.175999 p ＝1－（q＋r）＝1－SQRT（(q＋r)2） ＝1－SQRT（q2＋2qr＋r2） ＝1－SQRT（0.221482＋0.292457） ＝0.283104 具体例 したがって、日本人というメンデル集団 のABO式血液型を支配する遺伝子A （IA）、B（IB）、O（i）の頻度は、それぞれ 0.283、0.176、0.541となります。 この遺伝子頻度は、民族によってそれ ぞれ異なっています。 集団遺伝学 集団遺伝学では、遺伝子型頻度でなく 遺伝子頻度を基本の数量とします。 これは、遺伝子頻度のほうが不連続性 がない、集団の中の遺伝子頻度は変化 しにくいので数量化モデルをあてはめや すい、ためです。 集団遺伝学は、交配実験が行なえない 集団に対して有効です。 実際には ハーディー・ワインベルグの法則が成り 立つのは、5つの条件を備えた、理想的 な個体群においてでした。 しかし、実際にはこのような個体群はあ りえません。 突然変異によって新たな対立遺伝子が 生じ、個体群間の個体の移動によって 遺伝子の流入や離脱が起こります。 実際には また、すべての個体が繁殖に参加でき るとは限らないし、個体群の大きさによ っては、偶然的は変動が起こることがあ ります。 すなわち、遺伝子頻度に変化が起こる のです。 これは、進化が起こるということです。 進化は １）新しい対立遺伝子が生じない 突然変異（mutation） ２）離脱・流入個体がなく、新しい対立遺 遺伝子流（gene flow） 伝子が入ることも、出て行くこともない ３）個体群は十分大きく、頻度の有意な 遺伝的浮動（genetic drift） 変化が偶然におこることはない ４）すべての個体が繁殖可能になるまで 自然選択（natural selection） 生き残って同等に繁殖する ５）有性生殖によってランダムに混ぜ合 非ランダム交配（non-random mating） わせられる 進化は 「進化」を集団遺伝学の立場から見ると これらの５つの要因が、単独あるいは 複合して個体群にはたらき、遺伝子頻 度に変更を加えることだと定義すること ができます。 遺伝子頻度変化の要因は 新しい対立遺伝子が生じるのは 突然変異、遺伝子流 遺伝子が世代を受け渡されるとき変更 が生じるのは 自然選択、遺伝子浮動 非ランダム交配 再びダーウィンフィンチ ずっと以前にスライドで見せたダーウィ ンフィンチを使って行ったGrant夫妻の 実験を思い出してください。 本土から飛来したフィンチの祖先種が ガラパゴス諸島の環境に適応して、いく つかの種に分化しました。 ダーウィンフィンチ ガラパゴス諸島に生 息するダーウィンフ ィンチは14種類いて 、姿かたちは似てい るが、嘴の形が異な ります。これは食性 を反映していると考 えられています。 変異の存在 この変異は遺伝する 環境の収容力＜繁殖力 エルニーニョ 現象による旱 魃によって、 種子を付ける 植物に変化が 起きた（乾燥 に強い果皮の 厚い植物が残 る）。 環境に適合したものが子を 残せる 嘴の高いものが生き残っていることがわかり ます。 両年を比較すると 1978年 1976年 嘴の大きさを支配する遺伝子 現在では、嘴の大きさを支配する遺 伝子があることがわかっています。 BMP4（bone morphogenetic protein、 骨形成タンパク質）が嘴の大きさに 関与しているようです。 したがって、このタンパク質をコードす る遺伝子の発現量の違いが嘴の大き さを決めている可能性が大です。 嘴の大きさを支配する遺伝子 Science, 305, 1462-1265(2004) より 遺伝子頻度の変化 それぞれのグループで、BMP4をコ ードする遺伝子、あるいはその遺伝 子の発現を調節する遺伝子の頻度 が、異なる方向に向かい（自然選択 と遺伝子浮動によって）、その結果、 個体群の中で遺伝子頻度が異なる ように固定されたと考えることができ ます。 変異、自然選択、進化 ○変異はDNAのレベルで起こる 変異には方向性はない ○自然選択は個体のレベルで起こる。 決して遺伝子のレベルでは起こらない 変異をもった個体に選択圧がかかる ○進化は個体群で起こる。決して個体 のレベルでは起こらない その結果、個体群に適応による方向付けが 生じる
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