第17章バイオテクノロジーとゲノミクス
Next-generation Sequencing次世代シーケンシング
Since 2005, automated sequencing techniques used by laboratories are under the umbrella of next-generation sequencing (deep sequencing or massively parallel sequencing), which is a group of automated techniques used for rapid DNA sequencing. These automated low-cost sequencers can generate sequences of hundreds of thousands or millions of short fragments (25 to 500 base pairs) in the span of one day. These sequencers use sophisticated software to get through the cumbersome process of putting all the fragments in order.
英語のヒント
2005年以降、研究室で使われる自動塩基配列決定技術は、次世代シーケンシング(ディープシーケンシング、または超並列シーケンシング)という総称でまとめられている。これは、DNA配列を高速に決定する自動化技術群である。これらの低コストの自動シーケンサーは、1日で数十万から数百万の短い断片(25〜500塩基対)の配列を生み出せる。高度なソフトウェアを使って、すべての断片を順に並べる手間のかかる過程を処理する。
Use of Whole-Genome Sequences of Model Organismsモデル生物の全ゲノム配列の利用
British biochemist and Nobel Prize winner Fred Sanger used a bacterial virus, the bacteriophage fx174 (5368 base pairs), to completely sequence the first genome. Other scientists later sequenced several other organelle and viral genomes. American biotechnologist, biochemist, geneticist, and businessman Craig Venter sequenced the bacterium Haemophilus influenzae in the 1980s. Approximately 74 different laboratories collaborated on sequencing the genome of the yeast Saccharomyces cerevisiae, which began in 1989 and was completed in 1996, because it was 60 times bigger than any other genome sequencing. By 1997, the genome sequences of two important model organisms were available: the bacterium Escherichia coli K12 and the yeast Saccharomyces cerevisiae. We now know the genomes of other model organisms, such as the mouse Mus musculus, the fruit fly Drosophila melanogaster, the nematode Caenorhabditis. elegans, and humans Homo sapiens. Researchers perform extensive basic research in model organisms because they can apply the information to genetically similar organisms. A model organism is a species that researchers use as a model to understand the biological processes in other species that the model organism represents. Having entire genomes sequenced helps with the research efforts in these model organisms. The process of attaching biological information to gene sequences is genome annotation. Annotating gene sequences helps with basic experiments in molecular biology, such as designing PCR primers and RNA targets.
英語のヒント
英国の生化学者でノーベル賞受賞者のフレッド・サンガーは、細菌のウイルスであるバクテリオファージfx174(5,368塩基対)を使って、初めてゲノム全体の配列を決定した。その後、ほかの科学者が、いくつかの細胞小器官やウイルスのゲノム配列を決定した。米国のバイオテクノロジー研究者、生化学者、遺伝学者、実業家のクレイグ・ベンターは、1980年代に細菌Haemophilus influenzaeの塩基配列を決定した。酵母Saccharomyces cerevisiaeのゲノム配列決定には、約74の研究室が協力した。それまでに配列が決められたどのゲノムよりも60倍大きかったためである。この作業は1989年に始まり、1996年に完了した。1997年までには、二つの重要なモデル生物、大腸菌Escherichia coli K12と酵母Saccharomyces cerevisiaeのゲノム配列が利用できるようになった。現在では、マウスMus musculus、ショウジョウバエDrosophila melanogaster、線虫Caenorhabditis. elegans、ヒトHomo sapiensなど、ほかのモデル生物のゲノムも分かっている。モデル生物から得られた情報を遺伝的に似た生物へ応用できるため、研究者はモデル生物で広範な基礎研究を行う。モデル生物とは、その生物が代表するほかの種の生物学的過程を理解するために、研究のモデルとして使う種である。ゲノム全体の配列が決定されていると、これらのモデル生物の研究が進めやすくなる。遺伝子配列に生物学的情報を付ける過程を、ゲノムアノテーションと呼ぶ。遺伝子配列への注釈付けは、PCRプライマーやRNAの標的の設計など、分子生物学の基礎的な実験に役立つ。
Genome Sequence Usesゲノム配列の利用
DNA microarrays are methods that scientists use to detect gene expression by analyzing different DNA fragments that are fixed to a glass slide or a silicon chip to identify active genes and sequences. We can discover almost one million genotypic abnormalities using microarrays; whereas, whole-genome sequencing can provide information about all six billion base pairs in the human genome. Although studying genome sequencing with medical applications is interesting, this discipline dwells on abnormal gene function. Knowing about the entire genome will allow researchers to discover future onset diseases and other genetic disorders early. This will allow for more informed decisions about lifestyle, medication, and having children. Genomics is still in its infancy, although someday it may become routine to use whole-genome sequencing to screen every newborn to detect genetic abnormalities.
英語のヒント
DNAマイクロアレイは、ガラススライドやシリコンチップに固定したさまざまなDNA断片を分析し、活動している遺伝子や配列を同定することで、遺伝子発現を検出する方法である。マイクロアレイでは約100万の遺伝子型の異常を見つけられるが、全ゲノムの塩基配列決定では、ヒトゲノムの60億塩基対すべてについて情報を得られる。医学的応用のためのゲノム配列の研究は興味深いが、この分野は異常な遺伝子機能に重点を置く。ゲノム全体を知ることで、将来発症する病気やほかの遺伝性疾患を早期に見つけられるようになる。その結果、生活習慣、薬、子どもをもつことについて、より十分な情報に基づいて判断できる。ゲノミクスはまだ初期段階にあるが、いつかは遺伝的異常を検出するため、すべての新生児を全ゲノムの塩基配列決定で調べることが日常的になるかもしれない。
In addition to disease and medicine, genomics can contribute to developing novel enzymes that convert biomass to biofuel, which results in higher crop and fuel production, and lower consumer cost. This knowledge should allow better methods of control over the microbes that industry uses to produce biofuels. Genomics could also improve monitoring methods that measure the impact of pollutants on ecosystems and help clean up environmental contaminants. Genomics has aided in developing agrochemicals and pharmaceuticals that could benefit medical science and agriculture.
英語のヒント
病気や医療に加えて、ゲノミクスは、バイオマスをバイオ燃料に変える新しい酵素の開発にも貢献できる。これは作物や燃料の生産増加と、消費者の負担する費用の低下をもたらす。この知識は、産業でバイオ燃料を作るために使う微生物を、よりよく制御する方法につながるはずである。ゲノミクスは、汚染物質が生態系に及ぼす影響を測定する監視方法を改善し、環境汚染物質の除去を助けることもできる。医学や農業に役立ちうる農薬や医薬品の開発にも、ゲノミクスは貢献してきた。
It sounds great to have all the knowledge we can get from whole-genome sequencing; however, humans have a responsibility to use this knowledge wisely. Otherwise, it could be easy to misuse the power of such knowledge, leading to discrimination based on a person's genetics, human genetic engineering, and other ethical concerns. This information could also lead to legal issues regarding health and privacy.
英語のヒント
全ゲノムの塩基配列決定から得られる知識をすべてもつことは、すばらしく聞こえる。しかし、人類にはこの知識を賢く使う責任がある。そうしなければ、この知識の力を悪用するのは容易であり、個人の遺伝情報に基づく差別、ヒトの遺伝子工学、その他の倫理的な懸念につながりうる。この情報は、健康やプライバシーに関する法的な問題も引き起こす可能性がある。