第13章遺伝についての現代的理解
Genetic Maps遺伝子地図
Janssen did not have the technology to demonstrate crossing over so it remained an abstract idea that scientists did not widely believe. Scientists thought chiasmata were a variation on synapsis and could not understand how chromosomes could break and rejoin. Yet, the data were clear that linkage did not always occur. Ultimately, it took a young undergraduate student and an “all-nighter” to mathematically elucidate the linkage and recombination problem.
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ヤンセンには乗換えを実証する技術がなく、その考えは広く受け入れられない抽象的なものにとどまった。科学者はキアズマを対合の変形と考え、染色体が切れて再びつながるしくみを理解できなかった。しかし、連鎖が常に起こるわけではないというデータは明白だった。結局、連鎖と組換えの問題を数学的に解き明かしたのは、一人の若い学部生による徹夜の作業だった。
In 1913, Alfred Sturtevant, a student in Morgan’s laboratory, gathered results from researchers in the laboratory, and took them home one night to mull them over. By the next morning, he had created the first “chromosome map,” a linear representation of gene order and relative distance on a chromosome (Figure 13.4).
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1913年、モーガンの研究室の学生アルフレッド・スターテヴァントは、研究者たちの結果を集め、ある晩家へ持ち帰ってじっくり考えた。翌朝までに、染色体上の遺伝子の順序と相対距離を線上で表した、最初の「染色体地図」を作り上げた(図13.4)。
As Figure 13.4 shows, by using recombination frequency to predict genetic distance, we can infer the relative gene order on chromosome 2. The values represent map distances in centimorgans (cM), which correspond to recombination frequencies (in percent). Therefore, the genes for body color and wing size were 65.5 − 48.5 = 17 cM apart, indicating that the maternal and paternal alleles for these genes recombine in 17 percent of offspring, on average.
図13.4のように、組換え頻度から遺伝的距離を予測すると、第2染色体上の遺伝子の相対的順序を推定できる。値は組換え頻度(%)に対応するセンチモルガン(cM)単位の地図距離である。体色と翅の大きさの遺伝子間は65.5−48.5=17 cMなので、平均して17%の子で、これらの遺伝子の母由来と父由来の対立遺伝子が組み換わる。
To construct a chromosome map, Sturtevant assumed that genes were ordered serially on threadlike chromosomes. He also assumed that the incidence of recombination between two homologous chromosomes could occur with equal likelihood anywhere along the chromosome's length. Operating under these assumptions, Sturtevant postulated that alleles that were far apart on a chromosome were more likely to dissociate during meiosis simply because there was a larger region over which recombination could occur. Conversely, alleles that were close to each other on the chromosome were likely to be inherited together. The average number of crossovers between two alleles—that is, their recombination frequency—correlated with their genetic distance from each other, relative to the locations of other genes on that chromosome. Considering the example cross between AaBb and aabb above, we could calculate the recombination's frequency as 50/1000 = 0.05. That is, the likelihood of a crossover between genes A/a and B/b was 0.05, or 5 percent. Such a result would indicate that the genes were definitively linked, but that they were far enough apart for crossovers to occasionally occur. Sturtevant divided his genetic map into map units, or centimorgans (cM), in which a 0.01 recombination frequency corresponds to 1 cM.
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染色体地図を作るため、スターテヴァントは遺伝子が糸状の染色体上に順番に並ぶと仮定した。また二つの相同染色体間の組換えは、長さ方向のどこでも等しい可能性で起こると仮定した。そこから、離れた対立遺伝子ほど間に組換えの起こる領域が大きいため、減数分裂で離れやすいと考えた。逆に近い対立遺伝子は一緒に遺伝しやすい。二つの対立遺伝子間の平均乗換え数、すなわち組換え頻度は、その染色体上のほかの遺伝子の位置に対する、両者の遺伝的距離と相関する。先のAaBb×aabbなら、組換え頻度は50/1000=0.05である。A/aとB/bの間で乗換えが起こる可能性が0.05、つまり5%ということだ。これは遺伝子が明らかに連鎖しているが、ときには乗換えが起こるだけ離れていることを示す。スターテヴァントは地図を地図単位、すなわちセンチモルガン(cM)に分け、組換え頻度0.01を1 cMに対応させた。
By representing alleles in a linear map, Sturtevant suggested that genes can range from linking perfectly (recombination frequency = 0) to unlinking perfectly (recombination frequency = 0.5) when genes are on different chromosomes or genes separate very far apart on the same chromosome. Perfectly unlinked genes correspond to the frequencies Mendel predicted to assort independently in a dihybrid cross. A 0.5 recombination frequency indicates that 50 percent of offspring are recombinants and the other 50 percent are parental types. That is, every type of allele combination is represented with equal frequency. This representation allowed Sturtevant to additively calculate distances between several genes on the same chromosome. However, as the genetic distances approached 0.50, his predictions became less accurate because it was not clear whether the genes were very far apart on the same or on different chromosomes.
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対立遺伝子を線上の地図に示すことで、スターテヴァントは、遺伝子間の関係が完全連鎖(組換え頻度0)から完全な非連鎖(0.5)まで変わると示唆した。異なる染色体にある場合や、同じ染色体でも非常に遠く離れている場合は非連鎖となる。完全に非連鎖の遺伝子は、メンデルが二遺伝子雑種交配で予測した独立の振り分けの頻度に対応する。組換え頻度0.5なら子の50%が組換え型、残り50%が親型となり、対立遺伝子の組み合わせはすべて同じ頻度で現れる。この表し方で、同じ染色体上の複数遺伝子間の距離を足し合わせて求められた。しかし遺伝的距離が0.50に近づくと、同じ染色体上で非常に遠いのか、別染色体上なのか不明なため、予測の精度は下がった。
In 1931, Barbara McClintock and Harriet Creighton demonstrated the crossover of homologous chromosomes in corn plants. Weeks later, Curt Stern demonstrated microscopically homologous recombination in Drosophila. Stern observed several X-linked phenotypes that were associated with a structurally unusual and dissimilar X chromosome pair in which one X was missing a small terminal segment, and the other X was fused to a piece of the Y chromosome. By crossing flies, observing their offspring, and then visualizing the offspring’s chromosomes, Stern demonstrated that every time the offspring allele combination deviated from either of the parental combinations, there was a corresponding exchange of an X chromosome segment. Using mutant flies with structurally distinct X chromosomes was the key to observing the products of recombination because DNA sequencing and other molecular tools were not yet available. We now know that homologous chromosomes regularly exchange segments in meiosis by reciprocally breaking and rejoining their DNA at precise locations. Aurora Ruiz-Herrera, for example, studies the occurrence of genetic breakpoints at locations in the chromosomes known as fragile sites. By identifying chromosomal fragile sites that are shared between humans and other primates, Ruiz-Herrera has provided a deeper understanding of mammalian and specifically human evolution.
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1931年、バーバラ・マクリントックとハリエット・クレイトンがトウモロコシの相同染色体の乗換えを実証した。数週間後、クルト・シュテルンがショウジョウバエで相同組換えを顕微鏡によって示した。構造が異常で互いに異なるX染色体対に関連した、いくつかのX連鎖表現型を観察した。一方のXは小さな末端部分を欠き、もう一方はY染色体の一部と融合していた。ハエを交配して子を観察し、子の染色体も見ることで、子の対立遺伝子の組み合わせが両親のどちらとも異なるたびに、対応するX染色体部分の交換が起こっていると示した。DNA塩基配列決定などの分子技術がまだなかったため、構造的に区別できるX染色体の変異体を使うことが、組換え産物を観察する鍵だった。現在では、減数分裂時に相同染色体が正確な場所で互いのDNAを切断・再結合し、部分を定期的に交換することが分かっている。例えばアウロラ・ルイス=エレーラは、脆弱部位という染色体上の場所で生じる遺伝的な切断点を研究している。ヒトとほかの霊長類に共通する脆弱部位を同定し、哺乳類、とりわけヒトの進化の理解を深めてきた。