二重らせん

DNAの形

DNAはねじれたはしごのような形をしており、科学者たちはこれを二重らせんと呼びます。

はしごの長い2本の側面は糖-リン酸骨格と呼ばれます。交互に配置された糖分子（デオキシリボース）とリン酸基からできており、全体の構造を支えています。

はしごの横木が重要な部分です。横木は2つの塩基がペアになって構成されています。4つの塩基があります：

- A (アデニン)

- T (チミン)

- C (シトシン)

- G (グアニン)

ここに重要なルールがあります：Aは常にTと対になり、Cは常にGと対になります。 常にそうです。あらゆる種において。これらは塩基対と呼ばれ、1つの塩基とその糖およびリン酸からなる単位はヌクレオチドと呼ばれます。

ヒトのDNAの配列は、例えば ATCGGCTAA のようになります。片方の鎖がわかれば、もう片方の鎖も自動的にわかります：AはTと対になり、CはGと対になるからです。

誰が発見したのか？

DNAの構造を発見する競争

1953年、ジェームズ・ワトソンとフランシス・クリックがDNAの構造を発表しました。彼らは1962年にノーベル賞を受賞しました。

しかし、彼らはロザリンド・フランクリンなしには成し得ませんでした。

フランクリンはキングス・カレッジ・ロンドンの優秀な化学者でした。彼女はX線結晶構造解析を用いました：DNAの結晶にX線を当て、そのパターンを読み取ることで、Photo 51と呼ばれる、当時最も鮮明なDNAの構造画像を生成しました。

彼女の同僚モーリス・ウィルキンスは、フランクリンの知識や許可なしに、Photo 51をワトソンに見せた。ワトソンは後に、その写真を見た瞬間、二重らせん構造が明らかになったと書いている。

フランクリンはノーベル賞を受賞することはなかった。彼女は1958年に37歳で卵巣がんにより亡くなった。原因は、彼女の広範囲にわたるX線研究によるものだった可能性がある。ノーベル賞は死後には授与されない。ワトソンとクリックは、当時彼女の貢献をほとんど認めなかった。

今日、科学者たちはフランクリンの実験的研究が不可欠だったことを認識している。彼女は生涯を通じて正当な評価を受けず、彼女の物語は、科学は人々によって行われるものであり、人が常に公平であるわけではないことを思い起こさせる。

DNAが自分自身をコピーする方法

コードのコピー

細胞が分裂するたびに：傷を治すため、成長するため、または古くなった細胞を置き換えるため：まずDNAの正確なコピーを作らなければなりません。このプロセスは複製と呼ばれます。

その仕組みは以下の通りです：

1. ヘリカーゼと呼ばれる酵素が、塩基対間の水素結合を切断することで二重らせんを解きます。文字通り、はしごを真ん中で分割します。

2. もう一つの酵素であるDNAポリメラーゼは、露出したそれぞれの鎖を読み取り、塩基対のルール（AはT、CはG）に従って新しい相補鎖を合成します。

3. 結果：元のDNA分子と同一のコピーが2つできます。各コピーには古い鎖1本と新しい鎖1本が含まれます。

あなたの体はこれを1秒間に約380万回行っています。そして、ほぼ毎回正しく行われています。DNAポリメラーゼは、10億個の塩基をコピーするごとに約1回のミスしか起こしません。ミスが起きた場合でも、他の酵素が通常そのエラーを検出して修正します。

しかし、常にそうとは限りません。ミスが修正されずに残った場合、それは突然変異となります。その重要性については、すぐに説明します。

転写と翻訳

DNAがものを作る方法

DNAは直接あなたの体を作りません。RNA（リボ核酸）と呼ばれる仲介物質を通じて働きます。

このプロセスには2つの主要なステップがあります：

ステップ 1: 転写 (DNA → mRNA)

DNAの特定の領域（遺伝子）がメッセンジャーRNA（mRNA）と呼ばれる分子にコピーされます。巨大な取扱説明書から1ページだけをコピーするようなものです。原本は核の中に安全に残り、コピーは工場フロアへ運ばれます。

ステップ 2: 翻訳 (mRNA → タンパク質)

リボソーム：細胞のタンパク質合成装置は、mRNAを3文字ずつ読み取ります。各3文字のグループはコドンと呼ばれます。各コドンは1つのアミノ酸を指定します。アミノ酸を連結することでタンパク質が作られます。

例えば、コドンAUGはアミノ酸メチオニンをコードし、「ここから合成を開始せよ」というシグナルも兼ねています。コドンUAAは「停止」を意味します。

1つの遺伝子が数百のアミノ酸からなるタンパク質をコードしている場合があります。そのタンパク質は、食べ物を消化する酵素、血液中で酸素を運ぶヘモグロビン分子、または髪の毛を構成するケラチン繊維になることがあります。

1つの遺伝子 → 1つのmRNA → 1つのタンパク質 → 1つの身体での役割。（これは簡略化されたものであり、現実はより複雑ですが、基本的な論理を表しています。）

遺伝子が突然変異するとき

コードが変わると何が起こるか？

突然変異とは、DNA配列の変化を指します。1つの塩基が別の塩基に置き換わる、塩基が欠失する、または余分な塩基が挿入される場合があります。

突然変異の中には何も起こさないものもあります：コドンが依然として同じアミノ酸をコードする場合です（遺伝コードには冗長性が組み込まれています）。これらはサイレント変異と呼ばれます。

突然変異の中には、1つのアミノ酸が変わるがタンパク質は依然として機能するものもあります。一部のものは重要なアミノ酸が変わり、タンパク質が機能しなくなる場合があります。

また、非常に稀に、元のタンパク質よりも より良く機能するタンパク質を生み出す突然変異もあります。

なぜ私たちは皆異なるのか

変異の起源

DNAが非常に正確にコピーされるなら、なぜ私たちは皆同じではないのか？

遺伝的変異の主な3つの原因：

1. 突然変異: DNAのコピー時のランダムなエラー、紫外線、または化学物質への曝露により、DNAの塩基が変化することがあります。突然変異のほとんどは中立的です。一部は有害で、少数は有益です。

2. 有性生殖: 生物が有性生殖を行う場合、それぞれの親がDNAの半分を提供します。特定の組み合わせはランダムです。あなたは各親と50%のDNAを共有しますが、どの50%を受け取ったかは遺伝的なくじ引きのようなものです。これが兄弟姉妹が似ているが同一ではない理由です。

3. 組換え: 卵子と精子が形成される過程で、染色体同士が物理的にセグメントを交換します。これにより、どちらの親も持っていなかった遺伝子組み合わせがシャッフルされます。

なぜ変異が重要なのか

遺伝的変異は欠陥ではありません。それは生存戦略です。すべての個体が遺伝的に同一である個体群は脆弱です。一つの病気で集団全体が死滅する可能性があります。なぜなら誰も抵抗性を持っていないからです。

しかし遺伝的に多様な個体群では、一部の個体が偶然に抵抗性をもたらす突然変異を持っています。彼らは生存し、繁殖し、その抵抗性を子孫に伝えます。これは自然選択です。進化の原動力です。

チーターの速さ、サボテンの水分貯蔵、人間の脳など、思い浮かぶすべての適応は、偶然に有用だったランダムな突然変異から始まりました。

CRISPRと遺伝子編集

生命のコードを書き換える

何十億年もの間、DNAの変化はゆっくりと起こっていました：ランダムな突然変異と自然選択を通じて。

それが変わったのは2012年でした。

Jennifer DoudnaとEmmanuelle Charpentierは、細菌の防御システムであるCRISPR-Cas9が、任意の正確な位置でDNAを切断するように再プログラムできることを発見しました。彼女らは2020年にノーベル化学賞を受賞しました。

CRISPRはGPS付きの分子ハサミのように働きます。編集したいDNAシーケンスに一致するガイドRNAを与えると、Cas9タンパク質がその正確な位置でDNAを切断します。その後、細胞自身の修復機構が切断部を修復します：その際に修正された遺伝子を挿入することができます。

これは革命的です。科学者たちはすでにCRISPRを使って以下を実現しています：

- 患者の血液幹細胞を編集することで、臨床試験で鎌状赤血球症を治療

- 伝統的な育種なしで病気に強い作物を作成

- 筋ジストロフィー、特定のがん、HIVに対する潜在的な治療法を開発

しかしCRISPRは、重大な倫理的問題も提起しています。

2018年、中国の科学者である賀建奎（He Jiankui）は、CRISPRを用いてヒト胚のDNAを編集したと発表しました。遺伝子が改変された双子の女児が生まれたのです。世界の科学界はこれを無謀で時期尚早な行為として非難しました。彼は懲役3年の判決を受けました。

根本的なジレンマはこうです。胚のDNAを編集すると、その結果生まれる人のすべての細胞が変わり、その変化は子どもたち、そしてその子どもたちの子どもたちへと受け継がれていきます。つまり、人類の遺伝子プールを永久に変えることを意味するのです。

遺伝子検査は、独自の倫理的問題を提起します。今日では、チューブに唾液を入れて数百の疾患のリスクを調べることができます。しかし、雇用主や保険会社がその情報にアクセスすべきでしょうか？ 親が知能や運動能力といった形質に基づいて胚を選ぶことを許されるべきでしょうか？

人間のDNAを編集すべきか？

あなたの番です。議論しましょう

これらの質問に唯一の正しい答えはありません。しかし、よく考えられた答えと、考えられていない答えは存在します。

強い議論は、潜在的な利益とリスクの両方を考慮し、証拠を用い、問題の複雑さを認識する。

何を覚えているだろうか？

最後に一言

あなたはこのレッスンを、猫についての質問から始めました。

今、あなたは答えが4つの化学文字でできたねじれたはしごの中にあることを知っています。そのコードはとても優雅で、地球上のすべての生き物を動かしています。そしてそのコードは非常に強力で、私たちはまだそれを書き換える方法を学び始めたばかりです。

DNAの科学は、人類の歴史の中でこれまで以上に速く進んでいます。今この教材を学んでいる学生たちが、DNAの使い方について決断を下す人たちになるでしょう。