• 基礎遺伝学 fundamental genetics
• 染色体遺伝学 chromosomal genetics
• (動物)細胞遺伝学 (animal) cytogenetics
• 集団遺伝学 population genetics
• 生態遺伝学 ecological genetics

[ 生命倫理学 | 生物学 ]

Weldon WFR: 安定化淘汰発見
Pearson, Karl (統計学)

Bateson, William: 遺伝学(genetics)用語提唱 (1906)

自然淘汰と進化は同義語ではなく、自然淘汰の問題を進化から切り離し独自の分野として研究すべき

( メンデル 1865)

メンデルの法則 (Mendelian rules or laws)

メンデルの実験 Mendel's experiment

対立形質__ 対立遺伝子 allele
〇 (丸):____優性 dominant, A
☆ (皺):____劣性 recessive, a
[優性遺伝子は大文字、劣勢遺伝子は小文字で表す]

体細胞上に遺伝子は2個づつあり、生殖細胞には1つある

優性の法則 dominance law

Parents___〇AA [A(生殖細胞)] × ☆aa [a]
_________________________|
F₁______________________〇Aa ⇒ 優性の法則
____________┌─────────┼─────────┐
F₂__________〇5474____________________☆1850

→ 3 (AA + Aa + Aa) : 1 (aa)

♂♀___A____a
A____AA___Aa
a____ Aa___aa

分離の法則 segregation law

表現型 phenotype: 実際に表れる形質。Ex. 種子形 → 丸/皺

→ フェノミクス(網羅的表現型解析) phenomics

遺伝子型 genotype: アルファベットの並び方 Ex. AA = 優性ホモ homo、aa = 劣性ホモ、Aa = ヘテロ hetero

                 丸/黄  角/黄  丸/緑  角/緑    計
観察値       315     101    108     32     556
遺伝子群    AB       Ab     aB      ab
理論値         9:        3:       3:       1

独立の法則 independent-assortment law

                AB       Ab      aB       ab
AB        AABB  AABb  AaBB  AaBb
Ab        AABb   AAbb  AaBb   Aabb
aB        AaBB   AaBb  aaBB   aaBb
ab        AaBb   Aabb   aaBb   Aabb
表現型   [AB]     [Ab]    [aB]     [ab]
                9         3         3         1
丸:角 = (315 + 108):(101 + 32) = 423:133 ≈ 3:1 = (9 + 3):(3 + 1)
黄:緑 = (315 + 101):(108 + 32) = 416:140 ≈ 3:1 = (9 + 3):(3 + 1)

単性雑種の応用

Ex. Ipomoea purpurea花色
P_____________AA (red) × aa (white)
______________________|
F₁_________________Aa (pink)
_________┌─────────┼─────────┐
F₂_____AA (red) = 1___Aa (pink) = 2___aa (white) = 1

Ex. ハツカネズミ体色
P____________AA (yellow) × As (yellow) _________┌──────────┼─────────┐
F₁____AA (death) = 1__Aa (yellow) = 2__aa (black) = 1

A: 黄色遺伝子。ホモ(AA) = 劣性致死遺伝子
a: 黒色遺伝子

劣性致死遺伝子: ヘテロ接合状態で個体に保持される

1.5-2.5個の致死相当量lethal equivalent劣性遺伝子(個体では倍)

集団中に含まれる最適な遺伝子型(w_op)と比べ平均淘汰値(集団の平均適応度, w_av)が低下する率

L = (w_op - w_av)/w_op

q^ = v/h (q^ ≡ 致死遺伝子lの平衡状態での頻度  h ≡ 有害度)

+ + 最適遺伝子型: 最適適応度, w_op := 1 → 頻度 (1 - q^)²
+ l: 適応度 = 1 - h → 2q^(1 - q^)
l l: 致死 = 0 → (q^)²

集団での平均淘汰値: w_av = 1·(1 - q^)² + (1 - h)2q^(1 - q^) ≈ 1 - 2hq^

∴ w_av = 1 - 2v (∵ q^ = v/h)
∴ L = 2v (≡ ホールデン・マラーの原理 Haldane-Muller principle)

⇒ 有害度(h)に依存しない (前提: h ≠ 0. h ≫ v)

[ 血液の機能 ] (古畑 1962)

血液型 blood type

(A, B, O)関与 = 複対立遺伝子

異種血球凝着反応: 異種動物血液を混ぜると凝着する
同種血液凝着反応: 同種動物血液を混ぜると凝着する場合がある

凝着反応は[A - α] or [B - β]共存時 ⇒ 3型(A, B, C)発見 (C: 後の0)

血液型                                                A   B    AB      O
凝着原(赤血球表面) - 抗原にあたる    A   B    AB    なし
凝着素(血清中) - 抗体にあたる           β    α   なし    α, β

→ 血液型には凝着原の名前がつけられた

標準血清                                          凝集反応
A型血清(βを持つ): 抗B血清 = 黄色   –  +   +   –
B型血清(αを持つ): 抗A血清 = 青色   +  –   +   –
血液型                                              A  B  AB O

各血液型人数: A型 + B = 12, B + AB = 20, AB + O = 16, A + B + AB + O = 40
A. A = 16(人), B = 8, AB = 4, O = 12

         ↗ AB ↖ ↔ AB
A ↔ A   ↑     B ↔ B
         ↖  O  ↗ ↔ O

◎ 輸血血液の凝着素(血清中)と受血者の凝着原(血球上)で凝着する時
→ 血清は薄くなり凝着を起こしずらくなる(むろん大量輸血不可能)
× 輸血血液の凝着原(血球上)と受血者の凝着素(血清中)で凝着する時
→ 輸血した血球の全てが凝着する

色に合わせて血液型も変化: AB型 → O型

抗Rh血液 → M. mulatta血液: 凝着(+) → ヒト血液(+ or -)

凝着(+) = Rh⁺型 → Rh因子Rh factor (M. mulattaと共通起源)持つ ↔ (–) = Rh^–型 → 持たない

MN式、Q式、E式等
S式 = 分泌型(S) + 非分泌型(s) (日本人はSが75%)

両性雑種dihybridの応用

1) 補足遺伝

P____AABB (violet) × aabb (white)    Ex. スイートピー花色
__________________|
F₁_____________AaBb (violet)
______┌────────┴───────┐
F₂___[AB] (violet) = 9_____[Ab][aB][ab] = 3 + 3 + 1 = 7 (white)

A: 紫色色素を作る遺伝子
a: 紫色色素を作れない
B: 色素を作る酵素を作る遺伝子
b: 酵素を作れない
A, Bが共存して紫になる

P_______RRpp (rose) × rrPP (pea)    Ex. ニワトリのトサカの遺伝
___________________|
F₁___________RrPp (rose)
_____┌──────────┼─────────┬────────┐
F₂_クルミ冠 [RP] = 9_バラ冠 [Rp] = 3_マメ冠 [rP] = 3_単冠 [rp] = 1

R: バラ冠を作る遺伝子
r: 単冠となる
P: マメ冠を作る遺伝子
p: 単冠となる
PとRが共存するとクルミ冠になる

2) 抑制遺伝 inhibitor

P________AABB (white) × aabb (white)    Ex. カイコの繭色
____________________ |
F₁_______________AaBb (white)
_________┌────────┴───────┐
F₂______White_________________Yellow
____[AB][Ab][ab] = 9 + 3 + 1_______[aB] = 3

A: 色が作られるのを抑える遺伝子(抑制遺伝子)
a: 抑制力がない
B: 黄色を作る遺伝子
b: 黄色ができない(白色になる)遺伝子
AとBではAが強くBの働きを抑制する

3) 同義遺伝 multiple gene system

P___ウチワ型 T₁t₁T₂t₂    Ex. ナズナの果実形
__________┌─┴───────────────────┐
F₁______団扇型________________________槍型
___[T₁T₂] + [T₁t₂] + [t₁T₂] = 9 + 3 + 3 = 15___[t₁t₂] = 1

T₁, T₂: 団扇型遺伝子
t₁, t₂: 槍型遺伝子
1形質を決定するのに幾つかの遺伝子が関与し皆同じ働きを持つ

4) 条件遺伝

P_____CCGG (grey) × ccgg (white)    Ex. カイウサギの毛色
__________________|
F₁_____________CcGg (grey)
_______┌─────┴───┬───────────┐
F₂___Grey [CG] = 9__Black [Cg] = 3__[cG] + [cg] = 3 + 1 = 4

C: 着色遺伝子(= 条件遺伝子)
c: 白色遺伝子
G: 灰色遺伝子
g: 黒色遺伝子(Gに対して劣性)
GはCの存在を条件として働く

体細胞分裂 mitosis

静止期(G₁)

↓ 終期頃: 物質交代盛ん。DNA複製起こる(核が普通の細胞の倍になる)

分裂期(M) = 前期 + 中期 + 後期 + 終期

植物: 極帽(動物の中心体に相当)表れ、紡錘糸を張る
動物: 中心体が両極に移動し紡錘糸を張る(両極に移動した中心体を星状体と呼ぶ)

染色分体の動原体 (centromere or kinetochore)に紡錘糸が付着

紡錘体消える。染色体消える → 核膜、仁表れる
(→ 細胞質分裂cytokeinesis, cf. 細胞分裂c ell division)
植物: 細胞板(ペクチン質の薄い膜)が発達し、セルロースが付着する
動物: 両側から括れが入り2分される

減数分裂 meiosis

半減 → 遺伝子組替の多様化 crossing-over (組替)

crossing-over_________配偶子に配られる際4種の配偶子形成

分裂環 division cycle ⇔ 生活環 cell cycle

単細胞の場合には一致、多細胞の時には異なる

非分化: 増殖能力のある細胞 ⇔ 分化: 非増殖能力のある細胞

1. Static population: adultになると増えない。増殖時は4 cycle、それ以外は2Cで停止
2. Expanidng population: 若いうちに増殖し組織を構成。Adultになると殆ど停止。ただし、肝臓のように一部切除しても修復するので(1)とは異なる
3. Renewing population: 一般の細胞、分裂と細胞死が一定速度

Hela cells, L-strain (mouse)

→ 何か本質的essentialなものを与えれば細胞は延命する

4ヶ月の胚の肺から組織を取り出し細胞を観察 → 50回分裂後死亡
(20歳では20回分裂後死亡 → 20歳までに30回分裂)
この肺細胞をm回分裂後に培養し再び分裂させると(50 – m)回で死亡
→ 分裂回数はプログラムされている

カルス callus

オーキシンにより制御 = オーキシンを制限すると1個体になる

DNA合成素材 (N-bases, i.e., A, G, C, T, phosphate, deoxyribose)
T: 放射性元素が入りやすく、一般的に用いられる
これらの放射性物質が何に取りこまれているかを精製し調べる
³²P: 放射能が全細胞にわたってしまう - DNAのみに入るのではない
³H: pin pointとして表せ、安全性も高い – DNA合成の場を調べるにはあまり拡散しない元素がよい

DNA合成が間期interphaseに起こることを示す
³²P-orthophosphat使用
cell cycle = 24 h, mitosis = 2 h
DNA synthetic period = 6-8 h
(仮定) ラジオアイソトープし、それが取りこまれた段階 = 複製が起こった

細胞周期決定
根rootを³H-TdRに3 h
→ 32時間後まで各時間に根端固定しradioautography → 分裂像の頻度は全体の約10%
→ M = T(1回の細胞周期) × 1/10

染色体レベルの複製様式
根端細胞 root tip cell + ³H-thymidine
→ 1st mitosisでは姉妹染色体はともにラベルされるが2回目の分裂中期では片方だけにラベル
→ semi-conservative replication: chromosome: pre-replication / chromatid: post-replication

DNA合成後のmeiosisで³H-TdR → ³H-TMPとなるかどうか(thymidine kinase活性)を調べる
→ 新しくタンパク質を合成 – DNA制御

heterochromatinは最初にできる例を発見

条件次第で2本のどちらがcondensedしinactiveになる
nucleolus = GC rich DNA – 染色体になる位置は決まっている

核分裂 nuclear division or karyokinesis と

細胞質分裂 cytoplasmic division or cytokinesis

前減数と後減数

相 phase

二次狭窄 secondary constriction

metaphaseでchromosomeは1本に見え、その前後では対をなして見える。これは2本のchromosomeがうまくcoilしているためと考えられる。核小体は細胞質中にあったものが再発現
→ nucleousの消失・発現reappearance - immature nuscent ribosome’s particleであるがそのまま染色体上に写っていた。(放射線追跡では後に各核の上へ行きimmatureで表れる)

核小体が集中しよく染色しない

--------------------------------- 5S r-RNA
---------------- -----------___ mature
28''r-RNA___18S r-RNA

45Sが切れ18S, 28Sになる途中のものは全てimmature RNA
→ 前期の核小体にあるのはimmature

一価染色体の行動

1. Drossera type
   I後: 任意分配、縦裂なし
   II後: 縦裂して分離
2. Triticum type
   I後: 縦裂して分離し等しく分配。すなわち、2価染色体分配後、赤道板に並び分裂し両細胞に等しく 分けられる
   II後: 任意分配
3. Pilosella type
   I後: 混合型
   II後: 混合型

多価染色体: 3個以上の染色体の対合。対合のためには、相同的な位置(キアズマ)の存在が必要であり、以下に示すパターンが殆どとなる
3価の例

4価の例

構造雑種

対合パターンを見てみるとx = 7 = 5 + 2という相同染色体を有しているのではないか(花粉稔性50%)

(花粉の稔性50%)

輪状型あるいは環状型____________ジグザグ型

(12, 14)/(23, 24): 1が存在しない = 不稔 (12, 43/14, 23): 全てそろう = 稔性有

→ この比率が花粉の稔性の出現率を決定している
理論上は、輪状型:ジグザグ型 = 2:1だが実際はほぼ1:1で起こる
致死遺伝子を防ぐ
≡ 構造雑種 structural hybridity: このようにして形成された遺伝子型

逆位異型接合体 inversion heterozygosity

ここで交叉の起こった時に4つのクロマチンの遺伝子配列パターン見る
1.   e  _○  e    d    b    c    d  _○    e 

2ヶ所に動原体があり重複有 → 染色橋chromosome bridgeの形成(動原体が2つあるため両極に引かれる)

2.   a      b    c    d     _○     e 
3.   a      b    c    a    

動原体がなく欠損している → 遅滞染色体 laggards

4.   a      b    c    d     _○    e 

観察

染色体 chromosome

体細胞分裂: 2n個染色体 ⇔ 減数分裂: n個の二価染色体が現れる

核型

→ 個々染色体識別 → 核型決定
二次狭窄や付随体は見られない場合が多いので、染色体長、特に(長腕長)/(短腕長)比が識別手掛かり

• 1.0-1.7: 中部動原体的 metacentric
• 1.7-3.0: 次中部動原体的 submetacentric
• 3.0-7.0: 次端部動原体的 subtelocentric
• > 7.0: 端部動原体的 acrocentric
• ∞: 末端動原体的 telocentric

種々要因に対する染色体の部分的反応差を利用し現れる分節構造により更に詳細な染色体識別も可能
オオバナノエンレイソウでは低温により染色体に分節的構造現れる。また、タンパク分解酵素等の作用により染色体にbandが現れるため、特に動物染色体研究に利用される

染色体観察に適した材料

• 体細胞分裂: Vicia faba, Allium cepa等根端、動物培養細胞等
• 減数分裂: Trillium kamtschaticum, Paris hexaphylla等の葯(花粉母細胞)等

方法

1. 減数分裂
   1. 第I分裂中期か、第II分裂後期か、等分裂時期判定
   2. できるだけ、第I分裂中期細胞観察し各染色体形態調べ、二価染色体数確認
   3. 第I、第II分裂を通しての染色体の動きを観察
2. 体細胞分裂
   1. 中期染色体形態を調べ、染色対数(2n)確認
   2. 分裂を通しての染色体の動きを観察

1. 葯を花から取り出す
2. スライドガラス上で葯を押しつぶし花粉母細胞取り出す
3. アセトカーミンを1滴たらし固定染色を行う
4. カバーガラスをかけ細胞分裂段階を観察スケッチする
5. 不足分を既製プレパラートで観察、スケッチし補う

染色体細胞学 (chromosome cytology)

性染色体 (sex chromosome)

I: 雄ヘテロ

♂ 2A + XX
♀ 2A + XY

A + X
A + X
A + Y

♀ 2A + XX
♀ 2A + XY

b. XO型

♂ 2A + X
♀ 2A + XY

A + X
A + X
  AO

♀ 2A + XX
♀ 2A + X

II. 雌ヘテロ

♀ 2A + ZW

♂ 2A + ZZ

A + Z
A + W
A + Z

♀ 2A + ZW

♂ 2A + ZZ

♀ 2A + Z

♂ 2A + ZZ

A + Z
  AO
A + Z

♀ 2A + Z

♂ 2A + ZZ

伴性遺伝 sex controlled (sex-linked) inheritance

X: ♂ = 多く表れる。♀ = 少なく表れる
Z: ♀ = 多く表れる。♂ = 少なく表れる

♂ XY: XⁿY = 正常, X^bY = 異常
♀ XX: XⁿXⁿ = 正常, XⁿX^b = 正常 (潜在者), X^bX^b = 異常

相反雑種reciprocal hybrid

限性遺伝

限雄性遺伝 = XY型: ♂のみに表れる
限雌性遺伝 = ZO型: ♀のみに表れる

従性遺伝

    P       ♀        ×       ♂
    F1       AA       Aa       aa
    = ♂   ├──禿げる──┤├禿げない┤
    = ♀   ├禿げる┤├──禿げない──┤

♂: 禿る = A, 禿ない = a
♀: 禿ない = A, 禿る = a

母性効果 maternal effect

1. 非メンデル遺伝

ウルチ = A, モチ = a

この逆の♀ウルチ × ♂モチもウルチになる。この段階で表れる現象は優性の法則に従って遺伝する

殻の捩れ(巻方)は卵割型で決まる = 卵段階(成熟分裂前)で決まる = 精子の入る前に決まる
→ 巻方は母親の遺伝子で決まる

キヌレニン kinurenin (前駆物質) → black pigment: キヌレニン(有性遺伝子支配)がないと黒眼にならない

A-a
P ♀AA____×_____♂aa
_______↘_ ┣━━━┛back-cross
F₁_______AA (♀)
____ ┏━━┻━━┓
F₂___AA________aa (black eye)

aa: 幼生larva段階: 眼色は黒 - 変態後: 黒色が消える
→ 幼生段階のキヌレニンは細胞へ拡散し入る。キヌレニンは卵由来で精子入った後、キヌレニン生産停止

→ その部分はキヌレニン生産するが、それが拡散し卵内に蓄積される
→ 幼生段階では黒色眼 → 成体は無色

"O" 致死遺伝子: ホモhomoはありえないはずだが、致死に至らずとも発生遅延、再生力欠如・鈍化が見られる。さらに睾丸形成不全が雄では見られる(雌では一応発生する) /"+"
→ 精子遺伝子によるものではない

→ 殆ど全ての卵はgastrula段階まで発生できる
→ lethalなものはcytoplasmに存在する何かが欠失している = "+" geneによるもの
→ 親(P)が2n段階で"+"を一つでも持っていれば作りえたもの
成熟卵ではgastrula完了。未成熟卵germinal vesicle stage eggではgastrulaに至らない
→ 核の発現による → この物質は核で作られる

1) 3000 rpm → yolk↓
2) 10000 rpm → mitochondria↓ (nucleus↓)
3) 50000 rpm → ribosomes↓ER↓

1-3: 成分を別々に上澄と沈殿で注射すると全て上澄み注射時にgastrulaまで発生が進行する

4) 65000 rpm (1 hr) – ここで沈殿中にある – 分子量は大きくない = 可視的細胞構造物に結合していない

1-3上澄をa) 50-55oC処理、b) トリプシン処理、し注射すると効果がない
1-3に硫安(NH4)2SO4を加えると沈殿する

「卵発生 oogenesis の雌による事後効果により特性決定がなされる」 → 成熟卵にはm-RNAが残っている(卵においてはgastrula段階でm-RNA形成が開始される)
blastrulaまでの発生パターンは、雌親型であることがほとんど

[ 生殖器 ]

二型性 dimorphism

発生4 weeks (30days): 性が肉眼で始めて確認できる時期 (gonadal ridgeは40 daysで確認出来る)
10日の間にPGCが移動してgonadal ridgeに納まる

PCGの発生

分化機構 differentiation mechanisms

♂ gonad (精巣になるべきもの)

14.5 daysのrat’s embryo(ラット胎児)
gonadを含まないMüllerian duct

⇒ 30日以後のgonadはほとんど退化(退化物質がgonadにある)
→ Anti-Müllerian hormoneは30日程度で完成
→ 雌になるべきgonad使用しても効果はなくM-ductはdegradationしない
Sertoli cell - Anti Müllerian hormoneを分泌

interstitial cells → testosterone分泌
testosteroneのtestis中濃度は37thにpeak、plasma中で55thにpeak

♀ 男性ホルモンがなければ女性(雌)になる? (哺乳類) → gonadの働きがなければ雌になる
∵ 母体の影響を胎児は受けるから男性hormoneが決定権を持つ?

性染色体発現分化 differentiation of sex chromosomes (s.c.)

Homologous chromosomes

Ex. 魚: 雄雌性染色体の区別は形態的に無理だが(zw型)機能的には分化している

____________________________________元々あったものを取り出す
kidney + gonad__将来生殖器になるべきものを他のカエル幼生に移植
= ovaryになるはずのもの

○: ♀になるはずのもの → 精巣になった
●: ♂になるはずのもの

正常(normal) ♀
if ① XX(♂XY) → XX ♀only, ② ZW(♂ZZ) → ZZ : ZW : WW =1:2:1 ⇒ ♂:♀(ZW + WW) =1:3
WW: 普通自然界では表れない
染色体は形態的には区別出来なくとも機能的に区別可能。Ambystomaは機能的にはZW styleをとっている。(♂:♀=1:3になるということはWW型のものとZW型のものが存在したことになる)
→ 自然界では得られないWW styleが存在する

♀____♂
WW × ZZ → ZW(♀) only

WW: 機能的にはZWと同じ(Z = W) ⇒ 性決定以外のことに関してはZとWは違いはない

normal♀ = XX, ♂ = XY, ♂ = YY (death)
⇒ 性決定遺伝子は対立遺伝子sex-determining genes are alleles

性染色体分化 differentiation of sex chromosomes

                       X^rX^r      X^rY^R  X^rY^R
                       r♀   R♂  R♀    R♂  
no treatment  44    0      0      42
Esterone        16    0    13       0     
X^rY^R: 卵巣形成(他は正常♂と同じ) + 数少ないのは途中死亡多いから?

                   XrXr          XrYR    XrYR
                   r♀   R♂     R♀     R♂
    no treatment   40     0       0      46
    Esterone        0    42              43

r♀ → r♂に変化: 精巣形成

genetic♀のsex chromosomeはX^rX^r (functional♂)
MT♀ × normal♀ → X^rX^r(normal ♀)

est-genetic♂(functional ♀) X^rY^R × normal♂ X^rY^r →

X^rX^r:X^rY^r:X^rY^R + Y^RY^r = 94:107:206

⇑ X^rY^RとY^RY^rの理論上2種類が存在する

R♂ X^rY^R × normal♀ X^rX^r → X^rX^r: X^rY^R = 1:1
_______ × normal♀ X^rX^r → X^rY^R(R♂):X^rY^r(r♂) = ♂ only(1:1)
12匹検定
R♂ 3匹___r♀:R♂ = 1:1
___8匹___♂ only
___1匹___r♂:R♀ = 1:1 (X^rY^r, X^rX^R) ← X^rとY^Rのcrossing-over
XとYはpairingする(homologousがある)

X = Y: sex determinationを除きXとYは等価
MM, Mf = ♂ / Ff = ♀
MとFは相同遺伝子 alleles

∴XとYはpairingする(homologous)
reversed ♀ (X^rY^R) × reversed ♂ (X^rX^r)
____↓
r♀__:__r♂__:__R♀__:__R♂
615_:__7___:__12__ :_ 664
X^rX^r :_X^rY^r_ :__X^rX^R_:_X^rY^R
____ ├crossing-over┤

translocation, deletion, addition
→ homology失われる → crossing-over発生しにくくなる → 互いに独立し変化
Yにmale-determinant (sex determination) genesが集中

一般概念としての性決定機構

組織適合遺伝子 histocompatibility genes

自己と非自己の認識 (self or non-self recognition)

K.D. = 移植に関した細胞支配リンパ球反応性に関係: 1. cellular alloanthigens, 2. transplantation antigens
I = 免疫対応の仕方、killerなど細胞性免疫: 3. lymphocyte reaction, 4. immune response, 5. graft vs host reaction, 6. cell surface antigen, 7. T-cell B-cell interaction
S. = 血中濃度調節: 8. complement level

mouse name        H-2 gene complex   K  IA  IB  IC  S  D
BIO, C57B, l/6                 H-2b              b   b   b   b   b   b
DBA/2, Balb/c, B10, D2  H-2d              d   d   d   d   d   d
C3H, CBA, B10, Br         H-2k              K   K  K   K  K   K
A, BIO, A                         H-2a              K   K  K   d   d   d

→ congenic mice: H-2のみ異なる

BIO:_____background
BIO, D2__D2
BIO, Br

[L] light chain, MW 12000 血中β-microglobulin(non-antigenic): antigenとは言えない

構造は進化過程で余り変化していないconservative

[H] heavy chain, MW 45000 + sugar (3000 residness)

この部位は大きく変化している

K ≈ D: KとDが非常に良く似ている

lymphocytes____detergents
____◎_____→__バラバラ_____→
___ 培養___________________+ Ab

___電気泳動
Ab-112 → H-2 antigen-heavy → sequencer

labeled amino acids, ³H-leucine
A.A.配列決定法_Ser Leu
－○－○－●－●－○－○－●－●－ 放射性活性調べ順々に決める

皮膚移植や膜移植は人工的なものだから本来はそのためにあるのではない? - 細胞性免疫
ウマ血清蛋白に対し抗体を作るのではなく、人工的に作ったC₆H₁₁-SO₃H等に対しても抗体を作ることができる
virus, cancer: non-selfを認識して除去するためにH-2 antigenがあると考えられる

本来同じであった両者(virus cell & killer)のH-2 antigenに対するAb凹を作っておき両者を見分ける。virus細胞とリンパ球を遭遇させると特殊物質出し死ぬがlysotripping細胞とリンパ球を遭遇させても死なない

H-2 antigens
H-Y antigen = male-specific protein
mouse inbred strains

C57 Black_______/6____(B6)
______________ /10___(B10)
(C3H, CBA: accept)

同じ系統(同腹)_♀skin → ♂accept: ♂は♀を自分か認識できない
____________ ♂ skin → ♀ reject: ♀は♂を自分と違う認識(♂拒絶)
____________ ♂に特異的なタンパク質があるからrejectする
____________ ただしYでなくてもよい(上からはこれがわからない)
graft survival time: 25.6 days

2AXX × 2AXY
♂になっている ← 2AXX or XY → ♀になっている
_______________AA___ AA

⇒ 矛盾発生 → やはりYにしか乗っていない? → だがYにしか構造遺伝子がのっていないとは限らない
Regulator genes (RG): link
Structural genes (SG, 構造遺伝子)
↓_______RG____SG
↓___├───┼─┼─┼─┤
proteins, mRNA, rRNA, tRNA
必ずしもYのみに乗っていなくても良い
SGがなくてもRGがあればよくRGは常染色体上にある

中胚葉期に分化が決定する。mesodermal cellsはほっておくとH-Yが働くと♂になる

B6♀に4-5回♂skinを移植 → ♀の血清中に
方法: ♂sperm + ♀血清 + 補体 ← H-Yに対する抗体があるか → 細胞溶ける → 死

吸収試験 absorption test
[抗血清 + 抗原] → 上澄に抗体は残らないはず。だから細胞は死なない
吸収 - 使う抗原として ♀ 脾臓細胞 → no effect, リンパ球 → no effect
________________ ♂ リンパ球 → no longer killed sperms

皮膚細胞に関与せず
マウスの♀は♂に対して抗体を作る能力がある

B6♀に♂の脾臓細胞3-6 × 10⁷, 4-6 → 血清(anti-H-Y antigen = antibody)
吸収: ◆ = ♀cells, ▲ = ♂cells, ● = unabsorbed. (△ = ♀cells, □ = ♂cells, ○ = unabsorbed)

M.R: H-Yが良く似ているか同じ(H-Yは♂にある)

マウスH-Y → Ab ⇔ カエルH-Y
H-Yはheterogametic sex(異形配偶性)に特有
種によって変化しない似通った性質がある

H-Y antigena          -                +                 -

XX; Sxr/+ → ♂________+
XY; Sxr/+ or +/+ → ♂___+
XX; +/+ → ♀_________ –

^a: H-Y antigenの有無

ovatestis

XX♂, XX true hermaphrodite = + vs XY♀(testis退化) = ± vs XX ovotestis

_______H-Y
[ZW] ♀ →→→ [ZZ] →→→ ovary-like (卵巣的になる)

free-martin: ♂♀ → testis → testosteron

① ニワトリ精巣testis (cf. ウシの精巣: H-Yは細胞から放出される)
② アヒル: 二重卵黄卵double-yolked egg (ヒトでいう二卵生)

体外器官形成 (in vitro organogenesis)

細胞の自己認識力

肝臓 → バラバラ → 若い細胞はお互いを見分けられる
腎臓 → バラバラ → ダンダラにはならずにバラバラ

                  脾臓   皮膚   Germ cells  Sertoli cells
    XX:XY         60:40  55:45  0:100       50:50
    H-Y antigen   50%    40%    100%        67%

脾臓・皮膚: BALB/c: H-2dに対するAntibody(Ab) → 60%が死んでしまったことから60%と考える。どの位結合しうるかを調べる
C3H: H-2kに対するAb, H-Yに対するAb
germ and sertoli cells: Glucose phosphate isomerase: 1次構造が違うために電気泳動するとBALB/cはslow C3Hはfast
→ これがH-Yを吸収した
sertoli cellでは大体同じ酵素活性がみられた
本当は50%になるはずなのに50%より多い

→ sertoli cellsはXYからXXをもらったものがある可能性

lysosomes: [DNA,
RNA, CHO, lipid …

lyso-tripping: 昇華されてなくなる
※ lyso-strippingが起るとtestisの組織は作られずに卵巣様になる
※ testisを作るためにはH-Yがあればそれだけで出来るというのではない。しかしH-Yは必要である

光るようになると光った部分に抗体ができたのがわかる
細胞の表面が光り、♂は光るが♀は光らない

H₂N--NH₂ →
___________________brown pigment insoluble: 電子線を通さない

水に溶けないから沈着する

chimeric mouse 8 cell
別々の受精卵を一つにくっつけて子宮に入れる

→ BALB/c♀とchimeric mouseの♂をかける
→ F1 ♂18, ♀21: 体色は全てagouti
XX/XY体細胞でもXYが多 → BALB/c♀とchimeric mouseの♂をかける
→ F₁: ♂ = 18, ♀ = 21: 体色は全てagouti

XX
XY ← gene(このgeneは何であるのか)
↓
生殖隆起gonadal ridge
↓__________ ↓ H-Y antigen
testis_______ovary
sertoli cells
follice cells
↓
S. cell, I. cellの発達より遅い
間細胞 interstitial cell
生殖細胞 germ cell
H-Yだけではなくて他の何かも働くのでは?

⇒ protease (or sollagenase, protein分解酵素)で分解しsertoli cellだけを分離

interstitial cells増加 → これをproteaseで分解しinterstitial cell(H-Yを持つ)を分離

+++: 非常に強い反応, ++: 強い反応, +: 反応がある, -: 反応無し
a: sertoli cellに対する抗体 (= 当然反応に強い); b: H-Yに対する反応; c: H-Y antigenはantibodyに吸収されていた

①②を作る

感作させた♀ → 脾臓取り出しT-cell分離
10⁷ T-cell + 2 × 10⁶♂の脾臓cells → 5日間培養(再感作)
このcellsをattackerとしてtarget cellsに対する反応を見る

n.d.: no data available
1: H-Y antigenに対する反応
2: 同じH-2 typeに対する反応(H-2 restricted)
3: H-Y antigenに対する反応
4: H-2 restricted

H-YよりH-Yでないものが大きく作用していると考えられる
2.1よりH-Yは確かに作用しているが作用は小さい → H-2 restrictedにおけるH-Yの作用

sertoli-follice specific reaction → angiten存在

isochromosome.のH-Y antigen
short arm H-Y+: H-Yを作るgeneはshort arm上に存在
long arm H-Y-
しかしY上にこれが無くても良い
%rarr; Yに調節geneあればYにstructural gene無くてもautosome上にあってもよい

ZW-2W(WW)
white leghorn = loss brown - sex linked: feather color ♀brown/♂white

12日目以降はfeather colorでの♂♀区別不可能
0.1 mg 4 days → 13日·16日目

ZZ: ovary
lost feather color (=white): 生殖器官形態より区別判断

antigen

spleen(脾臓) ♂ → ♀antiserum: normal ovary/estradiod-treated ovary(=ovotestis)
1. ZW ovaryで吸収
2. ZZ ovary (ovotestis)__13日目 H-Y ++++(多)
____________________16日目 H-Y +(少)
3. ZZ testis___________ZZにはH-Yがないため毒性大

1, 2の皮膚細胞に対する毒性

にもH-YがありH-Yの産生にWは関与しない
性ホルモンはH-Y産生を促す(H-Y productionのstimulator)
13日目にH-Yは多いが16日目には少ない → H-Y一定濃度でなくてもovary形成

unabsorbed ⇔ +++(H-Y present)
absorbed with normal ZW♀ 脳肝 v. ⇔ ± (Xenopus: 体細胞にH-Yない)
absrobed with ovary ⇔ +++
absorbed with normal ZZ♂ 脳肝testis ⇔ -
estrogen - sex-reversed♀ZZ's ovary/体細胞 ⇔ ovary +++ 体細胞-
WHh WW♀体細胞ovary ⇔ ovary +++ 体細胞±(脳と肝臓にはある)

sex-revsersed ZW♂ × WW(♀) → ZZ(♂): ZW(♀): WW(♀)
⇒ H-Yはovaryに存在する(しかし体細胞にはない?)
WWとZWのovary → H-Y antigenの量に差は認められない
もしWにH-Yを作るgeneがあればWWはZWの2倍H-Yができるはず

→ WにH-Yのstructural geneはない

ZZでもH-Yができる

毒性消える → H-Yはtestis cellにくっつく(生殖巣のみ、体細胞につかない)
male horomone(testosterone)で処理 → ♀ZW → ♂ZW: 不可能
ZZ♂成体のtestisを♀オタマジャクシ発生初期に移植するとZWの♂出来る

testisの中にはtestisの分化を促すような物質があるのでは?
ZZ(♂) - estrogen treatment → ZZ(♀) ovary
_________→ 直後にandrogen → ♂ testis
ZW(♀) - androgen → ♂にならない

androgen: 女性化を打ち消す働きはあるが女性化することは出来ない

性決定に関する他の条件

♂胎児去勢 → Müllerian duct残る(普通はMüllerian hormoneのために消える) → 輸卵管・子宮が出来る
urogential sinus(u.s.)泌尿生殖洞 → vagina, labia, clitolis: u.s.はMüllerian duct残存のために出来る
母親(去勢胎児を持つ)をandrogen処理
→ ♂のWolffian duct分化。副睾に貯精嚢
→ ♀のWolffian duct分化 = 擬雌雄同体

ヒト♂ pseudohermaphrodite → Wolffian duct(男性化の兆候無し), urog.sinus, 外陰部
しかしXYでtestis(小さい)。sperm形成は第一精母細胞でstop
間細胞 → 肥大 ⇒ androgenは出来る (同様の点はmouse, ratでも観察)
Tfm/+♀ → Tfm cell + cell: single active theory
_______↓ ← Tfm/Y(♂pseudohermaphrodite)
______+/Y♂
Tfm: 男性化を阻害するが女性化には何ら関与しない

receptor: 特定DNAに働き活性高める → sex hormoneにはreceptor必要
Tfm: hormone receptorが作られないと考える (male hormoneは作られるが男性化が妨げられる) Tfm♂: 思春期にfemaleと同じような性徴を呈する = androgen血中増加 → [aromatase] → esteron
testosteronが直接働く
腎・顎下腺 → 神経の性徴因子
↓ 種々の酵素活性上昇 Wolffian duct
5α-reductase
5α-dihydrotestosterone(DHT)
urogential sinsu, external genitulia
→ 5α-reductase活性高い → 血中でtestosteroneがDHTになりreceptorと結合する

testosterone 4 ng/mg in testis

84 d___5 ng/mg (peak) → Wolffian d.の雄化盛ん(U.S.)
112 d__3 ng/mg (peak) → (前後1ヶ月)__urogenital sinus
________________________________ external g. → ♂化
168 d__0.5 ng/mg

testosterone synthesis → 母体のchorinonic gonadtropin [胎盤ホルモンによって推進される]

半分抑制された状態 ∴ もっとtestosterone投与すればmale化する

androgen
testosterone: 5α-reductase; absent → wolf(腎・唾液腺)
dihydrotestosterone: 5α-reductase; present → U.S.EG

present 完全にmale化

choresterol → pregneolone → progesterone → androsterodione → T → estradiol

出生時に女子だと思われる
輸精管・前立腺存在: 必ずしも正常ではない
testis(spermatogenesis): 正常
wolffian duct: 不完全分化
E.G. → 雌型: serotum → labia-like, u.s. → blind vaginal pouch, clitolis → like phallus
12歳のころ第二次性徴時 → 血中testosterone濃度高
突然: 筋肉発達、声帯発達(男声)、penis発達、scrotum(陰嚢)発達

一方、前立腺小さい、ヒゲ生えない

⇒ T.M.F.は精神的にも女性化するがgneve docesでは全く男性化
最初ドミニカ共和国Salinusで見つかる

13家族24人 = pseudohermaphordite

5α-reductaseがあれば男性化するがgneve docでは量が少ない
血漿中: normal male T/DHT =14/1, gneve doces T/DHT = 40/1
5α-reductaseができない形質 → autosomal, reccesive(劣性)

① 少ないながらもある程度DHTができるから正常に近くなる
② 過剰testosteroneがDHTの働きを補うから正常に近くなる
⇒ 完全なsexが出来る条件 = single active X theory

XY, XX = 必ずXがある

X-chromosome: 生体にとって有利 → ♀に有利

↔ 2つあることによって不利になる = ♂に有利

1) sex chromatin

核小体: ♀のこれに瘤が高頻度 ↔ ♂にはない
くっついていない場合もあるが大抵は核小体につく
小脳purkinge cell: ♀87%のcellに瘤が見つかった
♂5%のcellに瘤が見つかる
どの部位の神経細胞でもこの比率でみられた
⇒ sex chromatinはどの体細胞にも見つかった: 一時はこの瘤の有無を用い性決定をした
Ex. Buccal smear: 上顎上皮細胞にXXならコブが見つかるがXYは見つかりにくい

2) sex chromatinとの関係

number of sex chromatin (瘤数)  0                           1         2

type of sex chromosome             XO(ターナー)        XX       XXX
                                                    XYY(super male)  XXY    XXXY
                                                    XY(normal)           XXYY  XXXYY

倍数性ploidy: 2N = 46 = XX + 2A, 4N = 92 = XXXX + 4A(4倍体), 3N = 69 = XXX + 3A(3倍体)
→ Number of sex chromatin = (Number of sex chromosome) - (Polidy/2) Ex. 2N = 2 - 1 = 1, 4N = 4 - 2 = 2
sex chromatinの機能は1960代まで不明であった

3) Late replication of X chromosome

同調培養(全細胞が同じ分裂期にあるよう調節)
(average generation time = 14 hrs)
autoradiography 10 min. by 3H-thymidine
X-chromosomeはDNA合成が遅い(autosomeに比べて): 取り込をさせ中期細胞を見る


☆ G₂に近い時に取り込ませるとXには見られるがAには見られない

4) Sex chromatin is on X (コブはX chromosomeである)

5) Single active X theory

Cattanach translocation－cのgeneに注目

このXは♀からきても
♂からきても構わない

P/P - pink eyed, +/P - black, +/P/P - black (blackになるはずだが実際はvarigationになる)
→ XXの一方のchromosomeが不活性化されているのでは
→ 理由
① XO♀ = 生存可能。♀はXが1本あればOK
② 2本必要ない
③ 片方働いていないと考えても良い
④ 片方が父方でも母方でも構わないmaternal or paternal → OK
⑤ 全cellでどちらかのchromatinが眠っている(不活性)
→ S.C.= X(1つの) → 遺伝的に不活性なXであろう

1. one of the two X's of female is totally inactivated.
2. the inactivation occurs at random.
3. at an early stage of development: variegation(スポット状になる)
4. in an irreversible fashion

例外: 生殖細胞__inactivated ×
______________activated × → 次第にXの活性が下がる
→ 2種類の卵子 ⇒ この説は他のものにも当てはまるのか?

[wild = B] vs [mutant = A → single amino acid substitution グルタミン → グルタミン酸]
↓ 電気泳動(見分けるのに一番良い)

G6DP: homodimer
mutant polypeptide A ___ B wild peptide

もし活性が同じ(同じ速度でpeptideを作っていたとすれば) → AA:AB:BB=1:2:1できる

heterozygous♀(A/B)皮膚細胞 → 組織培養(維芽細胞が一番増殖容易)
不活性型 cloning
P: 父, M: 母 由来のG6PD
1 P/A  2 M/B  3       4            1       2       3
→
1つ1つの細胞に分け          クローンclone
→ E.P.(electrophoresis, 電気泳動)___→ A
______________________________→ B → A
______________________________→ B →

X^P X^M
↑__↑
B_ A
G6PD
Experimental results: Expected = クローン増やしてもAB出てこない

Linderらはヒト以外にもleiomyoma(平滑筋ガン化細胞)用い実験
→ もともと1細胞から始まるので
また子宮筋腫の細胞を用いた → 筋腫が異なるとA, Bが異なった

(1) Hypoxanthine-guanine phosphoribosyl transferase (HGPRT)
(2) phosphoglucokinase
(3) phosphorylase b kinase
酵素は極小量で活性を示す → 材料として使い易い

Nitro BT (人工色素, pale yellow, soluble) + NADPH + H⁺ → formazan (色素還元型, blue, insoluble pigment)

カンガルーについて良く調べられている
(1)(2)(3)でもF1では母親由来のxが発現していて父親からのXは常にinactivatedである
G6PD: mutant(A), wild(B)

__________________________________
animal fibroblact late replication G6PD       
            clone       X^D  X^H(# of X)  fast  slow 
   1       C3            -                                 +
            C4            -                                 +
   2         1           48                                +
              2           77                                +
              3            -                          +
              4            -                                  +
   3         1           54                                +
              3           70                                +
   4         2           44
              4                           62        +
              7           58                                +
              9                           26        +
             11                          38        +
   5         1                           44        +
              2           53                                +
              3           50                                +
              4           47                                +
              7                           47        +
             11             -                        -       -    

genetical inertness of a single X(遺伝的に活性を持たないX)

horse(♀) × donkey(♂) → mule これを用いた
G6PD: horse = slow vs. G6PD: donkey = fast
⇒ X-linked
donkey(♀) × horse(♂) → hinney - Xがどちら由来かが見分けられる

XXとXY: 2本とも働いたら不公平が生ずる。物質を多く合成することで自然浮動が動くと困る
ショウジョウバエ: X^1/2X^1/2 = Xが1/2生ずることにより補正をしている

欠失: 消失 Ex. 猫啼病: 第5染色体短腕の一部消失
転座: 切れて他染色体につく

相互転座: 相同ではない2つの染色体間での部分的交換

重複: 複数回繰り返される - 生存に影響小

新たな遺伝子形成の可能性 - 進化的に重要
1970 大野乾 「遺伝子重複による進化」
1975 Hood L: 多重遺伝子族 multigene family

逆位 inversion: 逆向きにつながる

ミスセンス突然変異 missense mutation: コドン変化によりアミノ酸置換
ナンセンス突然変異 nonsense mutation: アミノ酸コドン → 終始コドン

サイレント変異 silent mutation: アミノ酸変異なし

挿入 insertion: 塩基配列加わり変異
欠失 deletion: 塩基配列除かれ変異

鎌形赤血球貧血症

アミノ酸だた1つの変化 → 個体の生死に関わる変化
HbはO₂失う → 溶解度低下し赤血球中に細胞破壊する結晶物質作る → 遊離した水は赤血球外に出て鎌形化 → ガス交換率低下 + (赤)血球は粘性増し毛細血管を塞ぐ → 血管障害
ホモ = 2歳未満に殆ど死亡
ヘテロ = 軽度貧血症 → マラリア(菌は赤血球内で増殖可 ↔ 鎌形赤血球に侵入不可)に対し抵抗性 ∴ マラリア流行地域: 高頻度で残る遺伝形質

ヘモグロビンβ-鎖一次構造

S: sicle鎌
                               1    2     3    4     5    6     7    8       146
正常 (HbA)            Val His Leu Thr Pro Glu Glu Lys … His
鎌形赤血球 (HbS)  Val His Leu Thr Pro Val Glu Lys … His

チロシナーゼ(酸化酵素)の働きが先天的に不完全 → メラニン全く(か殆ど)合成されない
ヒトに限らず、広く生物一般に見られる

突然変異原 mutagen

突然変異mutationの推定

突然変異は同時に2個所起こるのは稀 → 1個所のみ変化したと仮定
GAA → GUA or GAG →GUGの2通りが考えられる
これをDNA配列に置き換えて表すと
CTT → CAT (T → A) or CTC → CAC (T → A): いづれにしてもT → A

6番目のアミノ酸がGlu → Lysとなったもの
グルタミン酸code: GAA, GAG → リジンcode: AAA, AAG
GAA → AAA or GAG → AAGの2通りが考えられる
これをDNA配列に置き換えて表すと
CTT → TTT (C → A) or CTC → TTC (C → A): いずれにしてもC → A

ハプロタイプ (haplotype)

HapMap

ハプロタイプネットワーク (haplotype network)

SNP (single nucleotide polymorphism), スニップ

ヒトゲノムでは約1000万箇所以上のSNPを確認 →
疾患発症や薬剤副作用に影響

* univalentが一部残る
= 遅滞染色体 laggards

対合型

しかし、この膜は稔性を有する → 子孫を残す可能性

連鎖(連関、リンケージ) linkage

Ex. (AとB), (aとb)が同一染色体上にある → (AとB, aとb)は連鎖している

    例外     連鎖群数  染色体数
    トマト      10        12
    アサガオ    12        15

原因不明。不活性遺伝子(染色体)の存在、異質染色体との関連等が考えられているが、実験的証明なし

    P            AABB (AB/AB)      ×        aabb(ab/ab)
    F1                         AaBb (AB/ab)
    F1 生殖細胞            AB      ×        ab
    F2               ABAB = 1    AaBb = 2    abab = 1

→

    ♀/♂  AB     ab
    AB     AB/AB  AB/ab
    ab     AB/ab  ab/ab

交鎖率 (%) = (交鎖により生じた生殖細胞数)/(全ての生殖細胞数) × 100
→ 実際求める時: 検定交配 → 生じた比 = F₁の作る生殖細胞の比

F₁ (AB/ab) × [劣性ホモ] (ab/ab)

→ 交鎖率(%) = (交鎖により生じた子数)/(検定交配での全子数) × 100

         mBL nBl nbL mbl
mBL  m²   mn  mn  m²   [BL] 3m² + 4mn + 2n²
nBl    mn   n²   n²   mn   [Bl]  2mn + n²
nbL   mn   n²   n²   mn   [bL]  2mn + n²
mbl   m²   mn  mn  m²   [bl]   m²
A系統: B-L, b-lの連鎖 → n := 1
B系統: B-l, b-Lの連鎖 → m := 1
→ 交鎖率を求める

同じ連鎖群に含まれる形質(A, B, C)に着目し交配実験

Ex. 交鎖率: A-B = 9%, B-C = 15%, A-C = 6%

B_________9%______A____6%____C
┌──────────────┬────────┐全体15%
図. 交鎖率に基づく染色体地図作成

染色体は切れやすい所と切れにくい所(染色体の太さや括れ)が存在し全く同じではない
組替え率を求める際、二重交鎖が起こると誤差がでる

染色体数変異

原始基本数は説であり断定的なものではない

染色体異常

染色体の構造変化 structural changes in chromosomes

ゲノム genome

真核生物: ゲノムは核、ミトコンドリア、葉緑体に独立のゲノムを定義
一般に言うゲノムは核ゲノムのこと
表. 植物ゲノムサイズ (Mb: 百万塩基対)                                                
植物                     葉緑体  Arabidopsis  Oryza  Zea    オオムギ  コムギ
                                         thaliana         sativa  mays                           
ゲノムサイズ (Mb)  0.135       123            430    2500    5000    160000
2001 Lander et al.: ヒトゲノム配列決定

ゲノムを反映しているはず
プロテオーム解析: タンパク質の機能と相互作用を明らかにする

新倍数体 neopolyploid

真数性 (正倍数性, s.l.) euploidy

コムギ: 2n = 14 (2x), 28 (4x), 42 (6x)
キク:__2n = 18 (2x), 36 (4x), 54 (6x). 72 (8x), 90 (10x)

異型倍数性 heteroploidy

    フクドヨモギ イヌヨモギ   オトコヨモギ ヨモギ
    ヒメヨモギ   カワラヨモギ
    2n=16(2x)    2n=18(2x)    2n=36(4x)    2n=34 (8+9) × 2
    x=8          x=9 _________↑Euploidy   x=8↑heteroploidy
                                           x=9↓

倍数性 (正倍数性, s.s.) haploidy

Ex. 1倍体(半数体) haploid, 2倍体 diploid, 3倍体 triploid, 4倍体 tetraploid, 5倍体 pentaploid, 6倍体 hexaploid, 8倍体 octoploid …

混数性 (体細胞倍数性)

異数性 aneuploidy (inclucing monosomics and trisomics, s.l.)

高次異数性 hyperaneuploidy: 正常より染色体数が多い
低次異数性 hypoaneuploidy: 正常より染色体数が少ない

2n = 47 (∵ 21番染色体3個 = 3数性 trisomy)
出生時母年齢 ∝ 頻度

29歳 ≥ 母親 = 1/2000人、45歳 ≤ 母親 = 1/50人

母親加齢 - 卵子形成過程で染色体不分離増加 (父親年齢無関係)

2n = 12, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 22, 26, 27, 28, 29, 34, 35, 43, 44, 45, 46 (1980現在)

ショウジョウスゲ

尾瀬 2n = 26, 30, 31, 32
八幡平 2n = 28
三峠山 2n = 32, 34

polyploidyの典型と考えたが、染色体数増すにつれ大きな染色体が減る = 偽倍数性 agmatoploidy
この機構は染色体状に多動原体様部分(分散動原体 dioporsed centromere)か多動原体 multicentromereを有し、切れても細胞分裂可能な場合に成立

同質倍数体 autopolyploid, autoploidy

異質倍数体 allopolyploid, alloploidy

ゲノム解析 genome analysis

染色体組の各構成染色体の遺伝的相同性(遺伝子分析)

未知 (Case.
        euploidy)
  2n = 28 (4x)
      ↑
  2n = 14 (2x)
  x = 7
  _↗↑↖
  A B C

異数性分析

2n = 12 (x = 6), or 2n = 13 = 12 + 1 → 6組の染色体組み合わせ
2x → コルヒチン colchicine 処理 倍数化 → 4x
4x × 2x → 3x__________6通りを選別可能*↑
3x × 2x →__________________univalent形成 = 2x + 1
* これで余分な1つの染色体の働きを調べること可能。12 (2染色体) + 1 (1染色体) = 3染色体 trisomic
同様にO染色体 nullisomic (2x欠如)、4染色体 tetrasomic (Ex. 2n = 40 → 42)も可能 (育種学技術必要)
O染色体分析により同祖染色体が見つかる

倍数体の優位性 (superiority of polyploid)

安定化: 多価染色体減少 = 2価染色体増加 (2価染色体形成遺伝子の存在あるいは新しく形成)
AAAA 4倍体 → 2倍体化 diploidization → AAA'A' (≈ AABB)
倍数体は巨大化、複雑化することが多い

シュンギク 2n = 18, フランスギク 36, コハマギク 90
整然として倍数体が揃っている → 2x, 4x, 6x, 8x, 10x

2x: 雑種性 – AB → 受粉 restitution → AABB
P ♀ リュウキュウノギク 2n = 18 (2x) MM

× ♂ ノヂギク 2n = 54 (6x) JJJJJJ

F₁ 2n = 63 MMMMJJJ

こちらだけ倍数化
↓ meiosis
27_II + 9_I
MM__MM___JJ_J_____(可能性)

倍数体の安定性獲得 diploidization
ノヂギク JJ JJ JJ → JJJ: 対合末端部開始 – 多価染色体が作られない

個体変異の原因

P_______________________________F₁ (2n = 18)
アブラギク × リュウノウギク__________= 1_IV* + 7_II (* 相互転座)
リュウモンギク ×エゾノヨモギギク______= 3_II + 12_I
ハマギク(小) × ホソバノセイタカギク(大) = 1_II + 16_I

→ 複製点数同じ: 大きさの変化が種分化に関与

アブラギク__北九州_近畿___関東
___欠刻___多_____________少

______
という変異 → 隔離分布: 海進の時代に隔離された?

リュウノウギク: 染色体分化見られない + 連続分布

→ 染色体小型化が種分化の一要因 (replication unitの数の減少)
(キク属の進化を論じる上で、欠刻片が前に集中する方が新しい)

ワカサハマギク 2n = 36, 4x: MMBB ecotype 多型 →----┐
ナカガワノギク 2n = 36, 4x MM MM MM ┬→ II hybrid --┘
シマカンギク 2n = 36, 4x II II ---------------┘

キク科植物のgenomeは同質で対合パターンが多い

純系ナカガワノギク

MM MM: x = 9
MM MI
MM II
MI II
II II

約190万の組み合わせが考えられる
→ 現地と比較
→ 190万genome typesが環境に合わせて住み分けたと考えられる

遠縁交雑 wide crossing

機構

1. 染色体数: 2n = 40 × 2n = 42, 2n = 40 × 2n = 32 (Ex. アサヒラン 40、シラン32) → 容易に交配可能
2. 染色体の形態(中期): 核型が大きく離れていても多くの植物に比べて容易に交雑する
3. 静止期の形態: 静止期の核内分散、凝縮状態、種分化の最中あるいは比較的新しい種は交雑の幅が広い

Ansellia, Maxillaria, Stanlopea, Calanthe, Zygopetallum
これらのうちStanlopeaを除く4属との雑種は形成された。静止期の形態は雑種形成に関与している?
種分化段階 → 染色体形態(前期), 染色体数 (中期), 静止期形態(後期) – 交雑不可能

染色体異常高率発生だが、1年生植物なため子孫にその遺伝子伝わりにくい。生活環約9ヶ月。クローンの異常染色体保持を行うため栄養繁殖を試みると、挿木は死滅、カルスは苗化困難だった。カルス形成過程で緑色スポット(苗状原基)得られ、これは増殖率が一週間あたり4nと高く、これを用い研究行う

プロトプラストから細胞融合 - 他種に染色体埋め込み苗化試験(クレピス)
細胞中の油滴の形成機構の研究

多糸説

染色分体 chromatid

更にhalf-chromatidは既に1/2になっている = half-half-chromatid
最終的には25ÅのDNAにhistoneのついたものと考えられる。

目的: 集団における遺伝的不均一性と関連する遺伝構造の解明

Ex. A A A A a a a a a a → A遺伝子頻度 = 4/10

突然変異 + 自然淘汰 → 遺伝子頻度変化 → 進化機構解明

Ex. AA AA Aa Aa aa → AA遺伝子型頻度 = 2/5, A表現型頻度 = 3/5

メンデル集団 (Mendelian population)

Ex. 個体数 = N → 遺伝子プール = 2N

→ 時間・空間共に連続で、ある個体群に属する生物
→ 共通祖先を持つか、潜在的に交配可能

実質的遺伝子交換のある集団 → 個体群動態 demography = 動態統計的研究 (Pianka 1978)
(理想的)メンデル集団 (汎生殖個体群 pammictic population): 現実には完全なものは見られない

1. 集団が十分に大きい           2. 交配は自由randomに行われる
3. 突然変異起こらない            4. 自由選択はない
5. 移住・混血・隔離起こらない

任意交配の結果は (pA + qa)² = p²AA + 2pqAa + q²aa
F世代:

Aの頻度 = p² + 1/2·2pq = p(p + q) = p
aの頻度= q² + 1/2·2pq = q(p + q) = q

∴ A:a = p:q //
⇒ p²AA:pqAa q²aa = const.

(p₁A₁ + p₂A₂ + p₃A₃ + …)² = p₁²A₁A₂ + …

集団内遺伝子頻度は一定を保つ (≡ ハーディ・ワインベルグの法則)

ヘテロ↓ ホモ↑ (ヘテロ%, F₁ = 100%, F₂ = 50%, F₃ = 25%)
近親交配 inbreeding: 血縁度が高い個体間でより起こる

近交係数, F Ex. 自家受粉 F = 1/2

同類交配 assortative mating: 表現型が似た個体間でより交配が起こる

遺伝的平衡

2v = x(1 - w) ⇒ 平衡状態

v: 突然変異率 (軟骨異栄養症が毎代出現する率)

♂♀側があるので2倍

x: 患者頻度
w: 患者の相対適応度 → 1 - w: 自然淘汰で除去される割合 ⇒

x(1 - w): 毎代に集団中から患者が除去される量

if x = 1/9400, w = 1/5 (デンマーク) → v ≈ 4.3 × 10^-5

1. 2個体AB間の近縁係数は個体AとBが共有する同祖遺伝子の割合
2. それは個体Aが持つ任意の遺伝子と同祖の遺伝子がBにも存在する確率

Ex. 兄弟 = 1/2 (半数生物および伴性遺伝の場合は異なる), いとこ=1/8

中立説 neutral theory

中立説指示: 分子進化での突然変異遺伝子の種内蓄積は自然淘汰よりも遺伝的浮動による偶然的固定の結果

f₀: 突然変異のうち自然淘汰に中立なものの割合

機能的制約大 → k = 小 (Ex. 機能的制約 = 0 → k = 1
偽遺伝子pseudogene(遺伝子としての機能失ったもの) → k = 大

v_T: 総突然変異率

A淘汰値 := 1 ⇒ A'淘汰値 := 1 + s   (s ≡ Aの有利さを表す淘汰係数)

淘汰値: AA = 1.  AA' = (1 + 2s)  A'A' = (1 + 2s)
s ≪ 0 → s² := 0 ⇒

ln(p_t/q_t) = ln(p₀/q₀) + st  (q₀ = 1 - p₀)
[仮定] 大集団(≈ ∞)  pの偶然的変動無視  sは毎世代一定

p_t ≥ 99.9に係る世代 → 13813.5 (1世代1年 → ≈ 1400年)

明らかに有利な突然変異遺伝子は短時間で野生型と置換

淘汰方向

• 正の淘汰(=ダーウィン淘汰): 集団中に生存力や妊性(生産力)高める遺伝子型広がる
• 負の淘汰: 集団中に有害遺伝子出現 → 集団から除去される淘汰

Ex. 少数者有利 majority advantage: 低頻度 - 有利 ⇔ 高頻度 - 不利

平衡多型に関与(稀)

安定化淘汰

= 正常化淘汰 normalizing selection, 求心性淘汰 centripetal selection
Ex. Karn MN & Penrose LS (1951): 生後1ヶ月以内死亡率

体重が極端に重いものも軽いものも中間のもにに比べて高い

環境条件が一定方向へ変化している時に見られる

分断淘汰 ≠ 集団中に2種類の対立遺伝子 → 淘汰方向が世代毎に逆転

= 子数の(分散)/(平均)²

堅い淘汰 hard selectionと柔らかい淘汰 soft selection

堅い淘汰: 淘汰により残る形質数減少 ↔ 軟らかい淘汰: 変化しない

集団内変異(個体群内変異)

Ex. 人間の背丈: polygenes支配
Ex. ハツカネズミ感覚毛: 生存に必要reproductive success。数決まっている(× 自然状態で変異)。発育阻害個体だけselectionすると毛数変異

(集団内における)多形

異型接合型が最も生存力が強い → 多面発現効果 (pleitropic effect) Ex. オオシモフリエダシャク

平衡多型現象 balanced polymorphism

黄/淡紅/褐 + その上に0-5本の暗色の帯模様つく →
これらの変異が同集団中に混在し、集団毎に大体一定割合で存在

                            ツグミ           ムクドリ        イワヒバリ  スズメ
                            緑       褐      緑      褐      緑      褐    緑       褐
1¹⁾7日間採食数   354     86*    20         3*   24      0     167*      3
     一定摂食時²⁾  349.0  91.0  15.2      7.8  23.4   0.6  154.4   15.6
2¹⁾7日間採食数       1     80*      3     188*     1      7       78     761*
     一定摂食時²⁾      3.7  78.3    4.5  186.5    2.8   5.2    91.4  747.6

1) 実験1は180緑:20褐、2は20緑:180褐
2) 合計から全体的(緑:褐 = 1:1とした時の)摂食を推定算出

→ 鳥は視覚で餌選択 → スズメでは頻度の高い方がより多く食べられる
→ 多い方が淘汰される(慣れも関与) = 常変的淘汰 apostatic selection

近縁な同所的種はそれに似ていない表現型有する方が有利
→ Cepaea nemoralis, C. hortensisの混合集団の形質頻度を調査
両種間における黄色無帯殻の頻度は負に相関: 常変的淘汰を支持

(Grant 1958)

淘汰圧 selective force

組み換えシステム

Ex. Fagus grandifolia: 1.0個体/10 years/0.1 acerの割合で実生生存可

閉鎖型といっても、その環境biotic environment (Ex. 病原菌, 草食動物)は一定ではない - それに対処するために開放型を有する

分子進化 molecular evolution

分子進化速度

ヒト-ウマ分化(化石による推定) - 8000万年前
∴ {(18/141)·(8·10⁷)}/2 ≈ 0.8·10⁹

10億年に0.8個の変化  (ヒト・ウマ進化と2経路 → 2で割る)
より正確な計算には、複数回置換などの補正必要

N: 集団内個体数 (集団の有効な大きさ, N_e < N)
v: 突然変異率 
u: 固定確率(1突然変異体が究極的に集団中に固定する確率)

分子(進化)時計 molecular (evolutionary) clock

= 突然変異蓄積速度一定 → 化石資料なしに系統樹が作れる

Ex. プロインシュリン: A(30アミノ酸), C(21), B(33)

Cが切り離されA-Bとなりインシュリンとなる(Cは不要)
A-B: 置換率 0.4·10^-9 ↔ C: A-Bの数倍

同義的塩基置換: 頻発
k = v := f₀v_T

v_T: 総突然変異率
f₀: 淘汰に中立な突然変異率 (≤ 1) ∴ 1 - f₀: 有害な率 ∴ k ≤ v_T

遺伝的多型 genetic polymorphism: 中立説 vs 平衡淘汰説

+ 頻度依存性淘汰

工業暗化 industrial melanism

樹木: 異常落葉、樹皮黒化

ついでヨークシャー工業地帯とその周辺から報告

暗化型: 黒い幹の上でカモフラージュとなる (+ 中間型は稀)

70種以上のガ(蛾)で暗化が工業地帯で見られる
1953 個体マーキングし追跡 - 工業地帯では淡色型の回収率低い

土中重金属と植物

→ 鉱鉱坑知覚のA .tenuisは耐銅性が高い

↔ 低耐銅性植物は銅があると成長阻害

→ A. tenuisの個体と種子を採取

銅汚染地区 > 15 m → 耐銅性なし
銅汚染区では耐銅性ゼロから強まで変異大
非銅汚染区: 耐銅性ある個体みあたらない
→ 耐銅性個体は高銅濃度の所でしか生育できない

採取種子から育てた実生と成草の耐銅性には高い相関(r = +0.97)あり、また実生の平均耐銅性は親よりも高い → 成体になるまでに耐銅性の高すぎる個体が淘汰される → 安定化淘汰 stabilizing selection

重金属耐性個体は正常集団中にも少数ながら存在し、汚染土によるスクリーニングを受けた結果、耐性個体が残る

A. tenuis, Lolium perenne, Cynosurus cristata, Dactylis glomerata, Poa tricialis, Arrhenatherum elatius, Anthoxanthum odoratum, Plantago lanceolata, Trifolium repensの耐銅性を調べる

A. odoratum, P. lanceolata, T. repensは銅土壌では全て枯死 → 耐銅性なし
他の種は強さに差はあるが耐銅性がある

稔性変化

A型: ヘテロ AC/ac 花粉網目、柱頭平滑
B型: ホモ ac/ac 花粉突起、柱頭突起

→ 自家不和合性ありA-Bのみで交配可能

仮定: if 他殖率100% → A:B = 50:50, 自殖率増加につれB型が増す
実際: 鉱山地帯ca 1:1 ≈ 他殖
→ 2型性という自殖防止機構のある種で自殖を促す淘汰は起こりにくい

鉛、亜鉛の耐性型と正常型(耐性なし)集め、それぞれの単植区と混植区を設定し競争試験

耐性型は、競争に非常に弱い – 競争条件下(正常地)では生存しにくい

煤煙による土壌汚染

精錬所周辺9ヶ所及び正常地2ヶ所から土壌とAgrostis stolonifera採取
精錬所から散布される重金属は銅が主で亜鉛と鉛を多少含む
汚染からの経過4年後で既に耐銅性を有する個体がみられる
→ 環境汚染から短期間で耐銅性広がる → 汚染前から耐銅性遺伝子は潜在した