DNAの技術

PCRを30回くり返すと、1本のDNAが約10億コピーになります。

試験管の中でDNAを複製する

DNAを調べる方法の多くは、血液1滴や髪の毛1本に含まれるよりはるかに多くのDNAを必要とします。この問題を解決したのがポリメラーゼ連鎖反応（PCR）です。NHGRIはこれを分子のコピー機と呼んでいます。選んだ短いDNAの区間を、速く安く複製できる方法です。しくみは細胞と同じ塩基対の規則にもとづいています。まず試料を加熱して2本の鎖を離します。次に冷やして、プライマーと呼ばれる短い出発用の断片を目的の区間の両側に結合させます。最後に熱に強いDNAポリメラーゼが、それぞれの鋳型に新しい相手の鎖をつくります。これで1サイクルです。

1サイクルごとにコピーの数は2倍になりうるので、数はすぐに増えます。10サイクルで1分子が2¹⁰ = 1,024コピー、20サイクルで1,048,576コピー、30サイクルで1,073,741,824コピー、つまり約10億になります。実際の反応は完全な2倍には少し届きませんが、考え方は変わりません。1983年にPCRを考案したキャリー・マリスは、1993年にノーベル化学賞を受けました。NHGRIはその用途として、ヒトゲノム計画の地図づくりの大部分、DNA鑑定、細菌やウイルスの検出、遺伝性疾患の診断をあげています。

断片を大きさで分ける

反応でできたものを確かめるために、研究室ではよくゲル電気泳動を使います。OpenStaxの説明を見てみましょう。海藻に含まれる物質からつくったアガロースゲルの板を塩の溶液に浸し、一方の端にある小さなくぼみ（ウェル）にDNA試料を入れます。DNAはリン酸基のために負の電荷をもっているので、ゲルに電流を流すと陽極に向かって動きます。ゲルは網目のようにはたらき、小さな断片はすばやくすり抜け、大きな断片は遅れます。しばらくすると、最も小さな断片がウェルから最も遠くまで進んでいます。そのあと色素でバンドを見えるようにします。

塩基の文字とゲノム全体を読む

塩基の並び順を読むことを塩基配列決定（シークエンシング）といいます。フレデリック・サンガーはジデオキシ法（鎖停止法）を開発しました。少しだけ形を変えたヌクレオチドを使い、それが加わったところで伸びている鎖が止まるようにします。止まった断片を大きさで並べると、配列が1塩基ずつわかります。サンガーは1980年にノーベル化学賞を受け、その方法がヒトゲノム計画で使われました。計画は1990年10月に正式に始まり、予定より2年以上早く2003年4月に完了しました。対象となったのはゲノムの約92パーセントで、当時の技術で読める限界でした。くり返し配列の多い残り8パーセントは、2022年にテロメア・トゥ・テロメア（T2T）コンソーシアムが読み終え、30.55億塩基対の完全な配列が得られました。

ゲノムを比べると、人どうしがどれほど似ているかがわかります。NHGRIによると、どの2人のゲノムもよく約99.9パーセント同じだといわれます。それでも塩基は約30億あるので、0.1パーセントでも約300万のちがいになり、一人ひとりのDNAのパターンを見分けるのに十分です。

DNAを編集する

ゲノム編集の道具は、DNAを選んだ場所で切るはさみのようにはたらきます。科学者はそこでDNAを取り除いたり、加えたり、置きかえたりできます。NHGRIはCRISPRについて、従来の編集法より簡単で速く、安く、正確だと説明しており、ゲノムを編集する科学者の多くがいまこれを使っています。エマニュエル・シャルパンティエとジェニファー・ダウドナは「ゲノム編集の手法の開発」により2020年のノーベル化学賞を共同で受賞しました。研究者はこれを使って、マウスやゼブラフィッシュなどの動物で遺伝子を1つずつはたらかなくし、その遺伝子の役割を調べています。治療法の開発も進んでいますが、NHGRIは未解決の問題を指摘しています。道具がまちがった場所を切ることがあり、また卵、精子、胚を編集すれば、その変化は次の世代へ受けつがれます。多くの国がこうした編集を制限しており、NIHはヒトの胚を編集する研究に資金を出していません。