バイオテクノロジー — 遺伝子いでんし組ぐみ換かえ から ゲノム 編集へんしゅう まで

この 章しょう で 学まなぶ こと

バイオテクノロジー と は、 生物せいぶつ の 仕組く み を 利用りよう し て 産業さんぎょう・医療いりょう・農業のうぎょう・環境かんきょう の 役やく に 立たつ て る 技術ぎじゅつ で す。 高校こうこう生物せいぶつ の 締しめ め く く り と し て、 こ こ ま で 学がく ん だ DNA・遺伝子いでんし・細胞さいぼう の 知ち識しき が 「実際じっさい の 社会しゃかい」 で ど う 使し わ れ て い る か を 知ち り、 同時どうじ に 倫りん理り的課題だい (ELSI) も 考こう え ま す。

• 遺伝子組換えいでんしぐみかえ の 基本きほん (DNA を 切せつ る・つ な ぐ・運うん ぶ) を 理り解かい す る
• PCR で 微量びりょう の DNA を 増幅ぷく す る しくみ を 説明せつめい で き る
• ゲノム編集ゲノムへんしゅう (CRISPR-Cas9) の 仕組く み と 用途ようと を 知ち る
• iPS細胞iPSさいぼう と 再生医療さいせいいりょう の 可能かのう性せい と 課題かだい を 知ち る
• ELSI (倫理りんり・法ほう・社会しゃかい的てき課題かだい) を 考こう え、 自分じぶん の 意見いけん を 言げん え る

ポイント: バイオテクノロジー は 両刃りょうば の 剣けん で す。 病気びょうき を 治ち し 食料しょくりょう を 増まし や す 力ちから が あ る 一方いっぽう、 デザイナーベビー・遺い伝でん子 ドーピング・生物兵器せいぶつへいき等 の リスク も。 「で き る か = 技術ぎじゅつ」 だ け で な く 「す べ き か = 倫理りんり」 を 考こう え る 力ちから が 不可欠ふかけつ で す。

1. 遺伝子いでんし組ぐみ換かえ — DNA を 切きって つなぐ

遺伝子組換えいでんしぐみかえ と は、 あ る 生物せいぶつ の 遺伝子いでんし を 取と り 出で し、 別べつ の 生物せいぶつ に 入いり れ て 機能きのう さ せ る 技術ぎじゅつ で す。 1973 年ねん に コーエン と ボイヤー が 大腸菌だいちょうきん で 成功せいこう さ せ ま し た。

必要ひつよう な 3 つ の 道具どうぐ

道具どうぐ	は た ら き
**[[制限酵素	せいげんこうそ]]**
DNAリガーゼ	DNA 断片だんぺん を つ な ぐ ノリ
ベクター	[[遺伝子

制限せいげん酵素こうそ — DNA の ハサミ

制限酵素せいげんこうそ は 細菌さいきん が 持じ つ DNA 切断せつだん酵素こうそ で、 数すう百ひゃく種しゅ類るい が 知ち ら れ て い ま す。 そ れ ぞ れ 特定とくてい の 4-8 塩基えんき配列はいれつ で だ け 切せつ り ま す。

例れい: EcoRI は 「GAATTC」 を 認識にんしき し、 G と A の 間ま で 切断せつだん → 粘着末端ねんちゃくまったん が で き る (相補そうほ的てき な 末端まったん同士どうし が く っ つ き や す く な る)。

プラスミド — 運はこび 屋や

プラスミド は 細菌さいきん が 持じ つ 環状かんじょう の 小しょう さ な DNA で、 染色せんしょく体たい と は 別べつ に 自律じりつ複製ふくせい で き ま す。 こ れ を 改造かいぞう し て、 目的もくてき の 遺伝子いでんし を 入いり れ、 細菌さいきん に 戻もど す と 細菌さいきん が そ の 遺伝子いでんし を 発現はつげん す る よ う に な り ま す。

遺伝子いでんし組ぐみ換 え の 流ながれ

1. ヒト の インスリン 遺伝子いでんし を 制限せいげん酵素こうそ で 切せつ り 出で す
2. 同どう じ 制限せいげん酵素こうそ で プラスミド を 切せつ る (両端りょうたん が 同どう じ 粘着ねんちゃく末端まったん に な る)
3. DNAリガーゼ で つ な ぐ
4. 改造かいぞう プラスミド を 大腸菌だいちょうきん に 入いり れ る (形質転換けいしつてんかん)
5. 大腸菌だいちょうきん が 増殖ぞうしょく し、 大量たいりょう の ヒト インスリン を 作さく る
6. 精製せいせい し て 糖尿とうにょう病びょう患者かんじゃ の 治療ちりょう に 使し う

大事だいじ: ヒト インスリン は 1982 年ねん に 世界せかい初はつ の 商業しょうぎょう化か さ れ た 遺伝子いでんし組ぐみ換 え 医薬品いやくひん で す。 そ れ ま で は ブタ・ウシ の インスリン を 使し っ て い た が、 アレルギー リスク が あ り、 ヒト 型かた で 安全あんぜん性せい が 大だい き く 向上こうじょう し ま し た。

GMO — 遺伝子いでんし組ぐみ換かえ 作物さくもつ

遺伝子組換え作物いでんしぐみかえさくもつ (GMO) の 例れい:

作物さくもつ	改造かいぞう内容ないよう
Bt トウモロコシ	殺虫さっちゅう タンパク [[遺伝子
ラウンドアップ レディー ダイズ	[[除草剤
ゴールデン ライス	β カロテン (ビタミン A 前駆ぜんく体たい) 産さん生い

ポイント: GMO に は 食品しょくひん安全あんぜん・環境かんきょう影えい響きょう・知的ちてき財産ざいさん 等ひとし の 議論ぎろん が あ り ま す。 EU と 日本にっぽん は 表示ひょうじ義務ぎむ化か、 ア メリ カ は 緩ゆる い 等ひとし、 国くに ご と に 規制きせい が 違 い ま す。 「科学かがく的てき安全あんぜん」 と 「社会しゃかい的てき受じゅ容よう性せい」 は 別べつ の 問もん題だい で す。

2. PCR — DNA の コピー 機き

PCR (ポリメラーゼ連鎖反応ポリメラーゼれんさはんのう) は 1983 年ねん に マリス が 発明はつめい (1993 年ねん ノーベル 化学かがく賞しょう) し た 微量びりょう の DNA を 短時間たんじかん で 大量たいりょう に 増幅ぷく す る 技術ぎじゅつ で す。 現代げんだい生物せいぶつ学がく の 最さい も 基本きほん的てき な 道具どうぐ に な っ て い ま す。

PCR の 流ながれ — 3 ステップ × 25-40 サイクル

ステップ	温度おんど	内容ないよう
① **[[熱変性	ねつへんせい]]**	約やく 95 ℃
② アニーリング	約やく 50-60 ℃	プライマー が 標的ひょうてき配列はいれつ に 結合けつごう
③ **[[伸長	しんちょう]]**	約やく 72 ℃

これ を 20-40 回かい繰く り 返かえ す と、 1 個こ の DNA 分子ぶんし が 2²⁰ = 約やく 100 万まん倍ばい 〜 2⁴⁰ = 1 兆ちょう倍ばい に 増まし え ま す。

Taq ポリメラーゼ — 鍵かぎ と なる 酵素こうそ

普通ふつう の DNA ポリメラーゼ は 95 ℃ で 失しつ活かつ し ま す。 PCR が 実用じつよう化か さ れ た の は 好熱菌こうねつきんサーマス・アクアティクス か ら 取と れ る Taqポリメラーゼ が 95 ℃ で も 壊 れ ない か ら で す。 極限環境微生物きょくげんかんきょうびせいぶつ の 研究けんきゅう が こ こ で 役やく立りつ ち ま し た。

PCR の 用途ようと

• 新型コロナしんがたコロナ 等ひとし の 感染かんせん症しょう検査けんさ (RT-PCR)
• 犯罪はんざい捜査そうさ (微量びりょう DNA か ら 個人こじん特定とくてい)
• 親子おやこ鑑定かんてい
• 進化しんか系統けいとう解析かいせき
• 遺い伝でん病 の 診断しんだん

大事だいじ: 新型コロナウイルスしんがたコロナウイルス (SARS-CoV-2) の 検査けんさ に 使し わ れ た RT-PCR は、 ウイルス の RNA を まず DNA に 戻もど し て (RT = 逆ぎゃく転写てんしゃ) か ら PCR で 増幅ぞうふく す る 方法ほうほう。 微量びりょう の ウイルス で も 検出けんしゅつ で き る た め パンデミック 対応たいおう の 主力しゅりょく と な り ま し た。

3. ゲノム 編集へんしゅう — CRISPR-Cas9

ゲノム編集ゲノムへんしゅう は DNA の 特定とくてい の 場所ばしょ を 狙 っ て 切せつ り、 改変かいへん す る 技術ぎじゅつ で す。 2012 年ねん に ダウドナ と シャルパンティエ が CRISPR-Cas9 を 開発かいはつ し (2020 年ねん ノーベル 化学かがく賞しょう)、 簡単かんたん・安価あんか・高こう精度せいど な ゲノム 編集へんしゅう が 可能かのう に な り ま し た。

CRISPR の 由来ゆらい

CRISPR は 元々もともと 細菌さいきん の 免疫めんえき系けい で、 過去かこ に 感染かんせん し た ウイルス の DNA 断片だんぺん を 細菌さいきん が 「メモ」 と し て 取と り 込こみ み、 次つぎ に 同どう じ ウイルス が 来き た 時とき に Cas9 タンパク 質しつ で 切断せつだん し て 撃げき退たい す る しくみ で す。 こ れ を 人工じんこう的てき に 別べつ の 配列はいれつ を 認識にんしき す る よ う 改変かいへん し た の が CRISPR-Cas9 ゲノム 編集へんしゅう で す。

しくみ

1. ガイドRNA (約やく 20 塩基えんき) を 人工じんこう合成ごうせい — 切せつ り た い 場所ばしょ と 同どう じ 配列はいれつ
2. ガイド RNA + Cas9 タンパク を 細胞さいぼう に 入いり れ る
3. ガイド RNA が 標的ひょうてき DNA と ペア リング
4. Cas9 が DNA を 切断せつだん (両りょう鎖くさり)
5. 細胞さいぼう が 修復しゅうふく す る 際さい に エラー が 起おこし こ り 遺伝子いでんし が 機能きのう を 失しつ う か、 別べつ の DNA を 入いり れ 込こみ め る

用途ようと と 期待きたい

• 遺い伝でん病やまい治療ちりょう — 鎌かま状じょう赤血球せっけっきゅう症しょう・β サラセミア・遺伝いでん性せい失明しつめい等とう
• がん 治療ちりょう — がん 細胞さいぼう を 狙 う CAR-T細胞CAR-Tさいぼう療法りょうほう
• 作物さくもつ改良かいりょう — 高こう GABA トマト (日本にっぽん で 流通りゅうつう中ちゅう)
• 新型しんがた マラリア 対策たいさく — 蚊か の 遺伝子いでんし改変かいへん

ELSI — 倫理りんり・法ほう・社会しゃかい的てき課題かだい

ELSI = Ethical, Legal, Social Issues。 ゲノム 編集へんしゅう で 特とく に 議論ぎろん さ れ る 課題かだい:

課題かだい	内容ないよう
デザイナーベビー	知能ちのう・容姿ようし・身長しんちょう等とう を 設計せっけい し た 子こ — 倫理りんり的てき に 認 め ら れ る か
**[[生殖細胞	せいしょくさいぼう]]編集へんしゅう**
格差かくさ	高額こうがく な 治療ちりょう → 富裕ふゆう層そう だ け の 恩恵おんけい
同意どうい	胎児たいじ・将来しょうらい の 子孫しそん に 同意どうい を 得とく ら れ ない
**[[生物兵器	せいぶつへいき]]**

大事だいじ: 2018 年ねん に 中国ちゅうごく の 賀建奎がけんけい が CRISPR で 「世界せかい初はつ の 編集へんしゅう ベビー」 を 誕生たんじょう さ せ、 国こく際さい的 に 強つよ い 非ひ難なん を 浴よく び ま し た (本人ほんにん は 後ご に 懲ちょう役えき刑)。 国際社会こくさいしゃかい は 「生殖細胞せいしょくさいぼう系列けいれつ の ゲノム 編集へんしゅう は モラトリアム」 で 一致いっち し て い ま す が、 技術ぎじゅつ自じ体たい は 容易ようい に な っ た 為ため、 監かん視し と 議論ぎろん が 続ぞく い て い ま す。

4. iPS 細胞さいぼう と 再生さいせい医療いりょう

iPS細胞iPSさいぼう (人工多能性幹細胞じんこうたのうせいみきさいぼう、 induced Pluripotent Stem cell) は 2006 年ねん に 山中伸弥やまなかしんわたる が 発表はっぴょう し た 画期的かっきてき な 細胞さいぼう で、 2012 年ねん ノーベル 生理学せいりがく・医学いがく賞しょう を 受賞じゅしょう し ま し た。

iPS 細胞さいぼう と は

通常つうじょう の 体細胞からださいぼう (皮膚ひふ細胞さいぼう等とう) に 4 つ の 遺伝子いでんし (山中ファクターさんちゅうファクター = Oct3/4, Sox2, Klf4, c-Myc) を 入いり れ る と、 受精卵じゅせいらん の よ う に 何なに に で も 分化ぶんか で き る 細胞さいぼう (多能性たのうせい) に 戻もど る、 と い う 発見はっけん で し た。

ES 細胞さいぼう と の 違ちがい

| | ES細胞ESさいぼう | iPS細胞iPSさいぼう | |---|---|---| | 由来ゆらい | 受精卵じゅせいらん (胚はい) | 患者かんじゃ の 体からだ細胞さいぼう | | 倫理りんり | 受精卵じゅせいらん を 壊 す → 議論ぎろん多た い | 自己じこ細胞さいぼう で 倫理りんり障壁しょうへき低てい い | | 拒絶きょぜつ反応はんのう | あ り | な し (自分じぶん由来ゆらい) | | 多能たのう性せい | あ り | あ り |

再生さいせい医療いりょう へ の 応用おうよう

• 加齢黄斑変性かよわいきむらへんせい の 網膜もうまく移植いしょく (理化学研究所りかがくけんきゅうしょ で 実用じつよう化か進行しんこう)
• パーキンソン病パーキンソンびょう の 神経しんけい細胞さいぼう移植いしょく (京大きょうだい で 治験ちけん)
• 心筋しんきん 移植いしょく (大阪大おおさかだい で 治験ちけん)
• 脊髄損傷せきずいそんしょう 治療ちりょう
• 創薬そうやく — 患者かんじゃ由来ゆらい の iPS で 病気びょうき の 細胞さいぼう を 作さく り、 薬くすり を 試 す

課題かだい

• がん 化か リスク (c-Myc は がん 遺い伝でん子 で も あ る)
• コスト と 時間じかん
• 移植いしょく後ご の 拒絶きょぜつ反はん応のう (iPS バンク で 軽減けいげん可か)
• キメラ研究キメラけんきゅう (動物どうぶつ の 体からだ で ヒト 臓器ぞうき を 育いく て る) の 倫理りんり

5. これから の バイオテクノロジー と 私わたし たち

進すすむ 領域りょういき

• 合成生物学ごうせいせいぶつがく — DNA を ゼロ か ら 設計せっけい し て 新しん し い 生命せいめい を 作さく る (ク レイグ・ベンター が 2010 年ねん に 人工じんこう合成ごうせい ゲノム 細菌さいきん を 作さく製せい)
• ゲノム情報ゲノムじょうほう と AI — 個人こじん ゲノム を 解析かいせき し て 最適さいてき な 治療ちりょう を 選せん ぶ (精密医療せいみついりょう)
• マイクロバイオーム利用りよう — 腸ちょう内ない細菌さいきん を 改変かいへん し て 病気びょうき治療ちりょう
• 培養肉ばいようにく — 動物どうぶつ を 殺や さ ず 細胞さいぼう か ら 肉にく を 作さく る

私わたし たち が 考かんがえる べき こと

バイオテクノロジー の 進歩しんぽ は 速はや く、 法律ほうりつ・倫理りんり の 議論ぎろん が 追つい い つ か ない 状態じょうたい で す。 高校生こうこうせい で あ る 私わたし た ち も 当事者とうじしゃ:

• ゲノム 検査けんさ で 「将来しょうらい の 病気びょうき」 が わ か る → 知ち り た い か / 知ち り た く ない か
• 編集へんしゅう で 病気びょうき を 防ぼう げ る な ら 「治療ちりょう」 と 「強化きょうか」 の 線せん引 き は ど こ
• 個人こじん の ゲノム データ は 誰だれ が 管理かんり す べ き か (国こく・企業きぎょう・本人ほんにん)
• 食料しょくりょう・環境かんきょう の 危機きき で GMO や 培養ばいよう肉にく を 受 け 入いり れ る か

大事だいじ: 答こたえ え は 1 つ で は あ り ま せ ん。 異こと なる 立場たちば (患者かんじゃ・医師いし・宗教しゅうきょう者しゃ・経済けいざい学者がくしゃ・市民しみん) が 議論ぎろん を 続ぞく け、 社会しゃかい と し て 合意ごうい を 形成けいせい し て い く こ と が 大切たいせつ で す。 高校こうこう生物せいぶつ で 学がく ん だ 知ち識しき が、 こ う し た 議論ぎろん に 参加さんか す る 土ど台だい に な り ま す。

6. ふりかえり

• [ ]遺伝子組換えいでんしぐみかえ の 3 道具どうぐ (制限酵素せいげんこうそ・DNAリガーゼ・ベクター) を 言げん え る
• ヒト インスリン が 大腸菌だいちょうきん で 作さく ら れ て い る 経緯けいい を 説明せつめい で き る
• PCR の 3 ステップ (熱ねつ変性へんせい・アニーリング・伸長しんちょう) と 増幅ぷく倍率ばいりつ を 知ち る
• [ ]Taqポリメラーゼ が 好熱菌こうねつきん由来ゆらい で あ る 必然ひつぜん性せい を 言げん え る
• CRISPR-Cas9 の 仕組く み (ガイド RNA + Cas9) を 説明せつめい で き る
• iPS細胞iPSさいぼう が 山中ファクターさんちゅうファクター 4 因子いんし で 作さく ら れ る こ と を 知ち る
• [ ]ES細胞ESさいぼう と iPS細胞iPSさいぼう の 違 い (倫理りんり・拒絶きょぜつ反応はんのう) を 言げん え る
• ELSI (デザイナーベビー・生殖せいしょく細胞さいぼう編集へんしゅう等とう) を 1 つ 以上いじょう説明せつめい で き る

この 章しょう の 安全あんぜん配慮はいりょ — 遺伝子いでんし倫理りんり と 実験じっけん安全あんぜん

• 遺伝子組換えいでんしぐみかえ実験じっけん は カルタヘナ法カルタヘナほう 等ひとし で 厳いむ し く 規制きせい さ れ て い る。 学校がっこう で 行あるき う 場合ばあい も 拡散かくさん防止ぼうし設備せつび (P1 レベル 以上いじょう) と 教員きょういん監督かんとく が 必須ひっす
• 実験じっけん後ご の 菌きん や 培養ばいよう液えき は 必 ず 高圧こうあつ滅めっ菌きん し て か ら 廃はい棄き。 流ながれ し に 直接ちょくせつ流りゅう さ ない
• エチジウムブロマイド 等ひとし の DNA 染色せんしょく剤ざい は 発はつ がん 性せい が あ る。 手袋てぶくろ・保護ほご メガネ 必須ひっす、 最近さいきん は 安全あんぜん な 代替だいたい染色せんしょく剤ざい (SYBR Green 等とう) を 使し う
• 紫外線しがいせん で DNA バンド を 見み る 時とき は 顔がお と 手て を 必 ず 防護ぼうご。 直接ちょくせつ浴よく び ない (皮膚ひふ が ん リスク)
• 個人こじん の ゲノム 検査けんさ・遺伝いでん情報じょうほう は デリケート な プライバシー。 SNS 公開こうかい・無む同意どうい共有きょうゆう禁止きんし
• ゲノム 編集へんしゅう や iPS の 倫理りんり議論ぎろん は 多様たよう な 立場たちば を 尊重そんちょう し て、 性急せいきゅう な 結論けつろん を 出で さ な い
• 自分じぶん の DNA キット (祖先そせん検査けんさ等とう) を 安易あんい に 利用りよう す る 前まえ に、 デ ータ の 行あるき き 先せん (海外かいがい サーバー・第三者だいさんしゃ利用りよう) を 確認かくにん す る

おわりに: 高校こうこう生物せいぶつ全ぜん 10 章しょう を 学がく び 終おわり え ま し た。 細胞さいぼう か ら 生態系せいたいけい ま で、 遺伝いでん か ら 進化しんか・バイオテクノロジー ま で を 通つう し て 見み え て き た の は、 「全ぜん て の 生物せいぶつ が 38 億おく年ねん の つ な が り を 持じ ち、 同どう じ DNA の 言葉ことば で 語かたり ら れ て い る」 と い う 事実じじつ。 そ し て 私わたし た ち 人類じんるい は、 そ の 1 つ の 結果けっか で あ り な が ら、 今いま や 自分じぶん の DNA を 自分じぶん で 書しょ き 換 え 始はじめ め て い ま す。 こ の 大だい き な 力ちから を ど う 使し う か、 共とも に 考こう え て い き ま しょ う。