遺伝子(いでんし)は生物の遺伝的な形質を規定する因子であり、遺伝情報の単位とされる。遺伝情報の実体は DNAの塩基配列である。例外としてRNAウイルスではRNAが遺伝情報を担っている。
本質的には情報でしかない遺伝子が機能するためには発現される必要がある。発現は、一般に転写と翻訳の過程を経て、遺伝情報(= DNAの塩基配列)がタンパク質などに変換される過程である。こうしてできたタンパク質が、ある場合は直接特定の生体内化学反応に寄与して化学平衡などに変化をもたらすようになり、またある場合は他の遺伝子の発現に影響を与え、その結果形質が表現型として現われてくる。転写はDNAからRNA (mRNAやrRNAなど) に情報が写し取られる現象であり、翻訳はmRNAの情報を基にタンパク質が合成される過程である。この過程はセントラルドグマとも呼ばれる。
ある生物種の遺伝子の総和はゲノムと呼ばれる。ゲノムや染色体上の遺伝子の位置を示したものを遺伝子地図や染色体地図と呼ぶ。遺伝子は転写される構造遺伝子と、転写の制御に関わる調節領域から成る。
遺伝子は、遺伝情報の最小単位として取り扱われ、その単位は、1つのタンパク質の情報を基準としている。ただし蛋白質をコードしない遺伝子も存在する。ふつう、遺伝子は、タンパク質のアミノ酸配列情報が書き込まれている構造遺伝子のことをさしているが、その他に、そのタンパク質の発現時期と生産量を制御する、調節遺伝子のことも含まれる(→オペロン)。
遺伝子という言葉は、本来の「遺伝する因子」としての本来の意味だけでなく、遺伝子産物の機能までを含んで用いられる場合がある。後者のありかたが突出した領域としては、遺伝しない遺伝子を使った遺伝子治療などがあげられ、その名称で混乱に一役買っている。
さらに遺伝子やDNAという言葉は、科学的・神秘的といったイメージのみが先行し、一般社会において生物学的定義から離れた用いられ方がされていることが多い。それらの大半は単に血縁や伝統を言い換えたものに過ぎない。「伝統」の場合はミームが近い意味合いを持つ。また一般雑誌などでは疑似科学的な用法もしばしば見受けられる。
これらのサブユニットの役割は以下のようになっている。
転写反応は以下の段階に分類される。
翻訳過程は以下の段階に分類される。
β-ガラクトシダーゼ、β-ガラクトシドトランスアセチラーゼ、ラクトースパーミアーゼはそれぞれ、lacZ、lacA、lacY'という遺伝子によってコードされているが、これらの遺伝子は極めて近接している。ジャコブとモノーはこれらの遺伝子が以下のように配列していることを同定した。
これらの遺伝子群は構造遺伝子と呼ばれており、実際に反応に機能しているタンパク質をコードしている。これらの遺伝子が転写されると、翻訳も同時に進行し、必要なタンパク質全てが発現する。更に、lacZの上流にlacIと言う遺伝子が発見された。この遺伝子は独自のプロモーターおよびターミネーターを持っており、ラクトースの代謝に直接関与するタンパク質をコードしていなかった。lacIの機能は構造遺伝子の転写を調節しており、ラクトースリプレッサーと呼ばれるタンパク質をコードしている。ラクトースの非存在下でこのタンパク質が発現している間は、構造遺伝子の転写は行なわれない。ラクトースリプレッサーは構造遺伝子のプロモーター配列の近傍に存在するオペレーター配列に結合することによって、RNAポリメラーゼの結合を回避させている。
逆にラクトースが存在している場合、ラクトースリプレッサーにラクトースが結合し、ラクトースリプレッサーはコンフォメーション変化を起こしてオペレーター配列に結合できなくなる。その時に初めてRNAポリメラーゼが構造遺伝子のプロモーターに結合し、転写が開始される。この反応によってラクトースが消費しつくされると、また、ラクトースリプレッサーがはたらき転写が抑制される。こうした調節因子(今回はlacI)の働きを変える因子(今回はラクトース)の事をインデューサーという。
詳しくはラクトースオペロンを参照。遺伝子の制御に関わる、他の因子としては転写、翻訳の速度やmRNAの回転率などがある。遺伝子の発現に関わる全ての因子がその制御に関わるといってよい。
大腸菌のゲノムDNAから転写が行なわれているmRNAは、伸長中に5'側の塩基がリボソームで翻訳されていっている。原核生物のmRNAは一切修飾を受け無いために、リボソームから合成されたポリペプチドはゲノムDNAの遺伝子の配列そのままのアミノ酸配列を持っている。
このRNAポリメラーゼとリボソームの共役した反応こそが、原核生物における遺伝子発現の実際といってよい。なお、教科書などに掲載されている、遺伝暗号表は大腸菌を基準としたものであり(正確には、大腸菌の無細胞発現系を用いている)、他の生物や異なる遺伝子では、コドンとアミノ酸の対応が異なっていることもある。例えば、一般にAGAはアルギニンのコドンだが、脊椎動物のミトコンドリアでは終止コドンとなっている。
これが、5'末端へのキャップ構造の付加やスプライシング、3'末端の切断、ポリA鎖の付加といった作用を受けてmRNAとなる。mRNAは転写の場である核から核膜孔を通過し細胞質へ運ばれる。
細胞質では、キャップ構造を認識する蛋白質や翻訳開始因子との作用によりリボソームがmRNAに結合する。リボソーム上では、コドンに対応したアンチコドンを持ったアミノアシルtRNAがAサイトに結合することで塩基配列からアミノ酸配列への遺伝情報の翻訳が行われる。Pサイトに結合しているペプチジルtRNAから、アミノ酸が連なったポリペブチドがAサイトのtRNAに付加され、これがPサイトに移動することが繰り返される。
翻訳されたアミノ酸配列はその一次構造に依存した立体構造をもつ蛋白質へと折り畳まれる。(Folding@Home)蛋白質の機能はその立体構造によって規定されており、正常な構造をもつ蛋白質がさらに糖鎖の付加やリン酸化といった翻訳後の修飾をうけて最終的な遺伝子産物となることもある。
TATAボックス、GCボックス、CAATボックス、エンハンサー、サイレンサー、MREなど、個々の遺伝子に固有な調節因子も多く、その発現は複雑を極めるといっても過言ではない。
遺伝子研究はメンデル・モーガンの古典遺伝学に始まり、ファージや大腸菌の分子生物学黎明期を経て各モデル生物に広がった。現在ではゲノムやポストゲノム研究に移行しつつある。DNAの構造決定とゲノムプロジェクトは遺伝子研究におけるパラダイムシフトである。
古典遺伝学における遺伝子研究はメンデルの行なったような交雑実験と表現型の観察であり、遺伝子は遺伝情報を担う粒子の概念として扱われた。
分子生物学黎明期では主に大腸菌やファージを用いて、DNA を直接扱う形質転換実験等や、DNA 塩基配列からの遺伝子発現機構の解明などが行われた。
分子生物学は広範囲の生物を扱うことが可能な学問分野の一つであり、様々なモデル生物を用いて研究が行われている。これは、遺伝子の実体がほとんど全生物において『DNAである』ことによる(DNAを扱えればいかなる生物でも分子生物学的実験は行なえる)。
突然変異の表現型から遺伝子機能を推定する正の遺伝学はマウスなどでは行いづらく、先に遺伝子を同定してから変異体を作成する逆遺伝学という手法が生まれた。逆遺伝学の先にゲノムプロジェクトがあり、さまざまな生物種で進行、終了している。ゲノムプロジェクトによって遺伝子の数を有限に規定することができる。
ゲノム解読以降をポストゲノムと呼び、これは遺伝子研究の終わりを意味するものではないが、『遺伝子はどのように生物体で機能しているのか』というin vivoにおけるその機能が明らかになりつつある。
なお、上記いずれのケースにおいても、単一のDNA配列のみを増幅した、あるいは精製したのみではヌクレアーゼによって分解を受けてしまう。したがって、目的DNA配列をクローニングベクターに導入し、大腸菌を用いてベクターを増幅することを含めてクローニングという実験を意味する。
なお、原核生物は遺伝子に介在配列を持たないためにDNAから遺伝子をクローニングすることが可能だが、真核生物の場合はイントロンをのぞいたエクソン部分のみを抽出する必要がある。これはスプライシング後のmRNAを精製し、逆転写PCRを行なうことによってクローニングが可能となる。詳しくはクローニングを参照。
現在のシークエンシング技術を持ってすれば、1つのプライマーから1,200塩基対もの配列が一回の実験で決定可能である。詳しくはシークエンシングを参照。
最も一般的な過剰発現系には、発現ベクター中の大腸菌のlacZプロモーター配列の下流に、クローニングした遺伝子を導入する方法がある。この方法では、IPTGという物質を用いてlacZプロモーター下流の遺伝子を大腸菌内で発現させることができる。転写されたmRNAはその後、大腸菌のリボソームで翻訳され、大量にタンパク質を生産する。
このようにして生産したタンパク質を用いて、酵素であれば活性を測定したり、DNA結合タンパクであればDNA結合実験を行なったりとタンパク質の実験が可能である。現在、ポストゲノムと言われる分野の主流はこの過剰発現系を用いたものである。しかしながら、大腸菌発現系では多くの問題を抱えており、現在大腸菌以外にも多くの発現宿主が開発されている(原核生物:細胞外酵素作成型(Bacillus属を用いたもの)真核生物:出芽酵母、動物細胞、ヒト細胞などなど)。
詳しくは過剰発現系を参照。
しかしながら、導入したベクターが花粉などを通じて拡散し、除草剤耐性を持っていなかった雑草にまでそうした形質が導入される危険性を指摘され、このような遺伝子組み換え実験は厳しく規制された状況である。遺伝子組み換え実験による物理的規制は
細胞学者たちは減数分裂の様子を観察し、対になった染色体が一つずつになり、接合後に再び対を作るという染色体の挙動が、遺伝子のそれと同じであることを発見した(→染色体説)。ショウジョウバエの突然変異を用いた遺伝学的によりそれが明らかにされた。
染色体はタンパク質と核酸からできていることが明らかにされたが、当時はタンパク質が遺伝子の正体であると考えられていた。多数の種類があるタンパク質に比べ、核酸はあまりにも多様性が低いと考えられていたためである。
しかし、肺炎双球菌やファージを用いた実験で DNA が遺伝子の正体であることが実証され、そのすぐ後に DNA の構造が解明された。DNA の二重らせん構造は遺伝子の性質と非常によく一致していた。
Geen | مورثة | Ген | Gen | Gen | Gen | Gen | Gene | Geno | Gen | Geen | Geeni | Gène | גן (ביולוגיה) | Gén | Gen | Geno | Erfðavísir | Gene | 유전자 | Genas | Ген | Gen | Gen | Gener | Gen | Gene | Genă | Ген | Gene | Gén | Ген | Gen | மரபணு | หน่วยพันธุกรรม | Gen | Ген | وراثہ | Gene | 基因