機能ゲノミクス

機能ゲノミクスとは

機能ゲノミクス（Functional genomics）は、ゲノムプロジェクトやトランスクリプトームプロジェクトを通じて得られた膨大な生物学的データを利用し、遺伝子やその産物（主にタンパク質）が生物内でどのような機能を発揮し、互いにどのように関連しているかを理解することを目的とする分子生物学の一分野です。

従来のゲノミクスがDNA配列や構造といった静的な情報に着目するのに対し、機能ゲノミクスはより動的な側面に焦点を当てます。具体的には、遺伝情報の転写、翻訳、遺伝子発現の制御、そしてタンパク質間の相互作用などが主な研究対象となります。この分野では、DNA、RNA転写産物、そしてタンパク質といった様々なレベルで遺伝子の機能的側面を探求します。

機能ゲノミクスの重要な特徴は、特定の遺伝子一つずつに焦点を当てる伝統的なアプローチとは異なり、ゲノム全体を対象とした網羅的な解析手法、すなわちハイスループット技術を一般的に採用している点にあります。

目的と意義

機能ゲノミクスの究極的な目標は、生物の持つ遺伝情報の全体像であるゲノムと、観察可能な生物の形質や特性である表現型との間の複雑な関係性を解き明かすことにあります。また、広義には、遺伝子やその産物が持つ全体的な特性や機能を明らかにするための様々なアプローチ全般を指すこともあります。

この定義は研究者によって多少異なりますが、ギブソンとミューズは「各遺伝子産物の生化学的、細胞的、生理的特性を特定するためのアプローチ」と定義し、ペブスネルは「遺伝子をコードしない領域を含むDNA、RNA、タンパク質産物の機能に関するゲノムワイドな研究」と定義しています。

機能ゲノミクスは、自然な状態の野生型生物だけでなく、天然または人為的に遺伝子の機能が破壊された生物を研究対象とすることもあります。また、生物の発生に伴う時間的な変化や、体内の異なる部位における空間的な変化における機能の様相も探求します。

機能ゲノミクスに対する期待は高まっており、ゲノミクスやプロテオミクスといった他の「オミクス」分野で得られた知識を統合することで、細胞レベルから個体レベルに至るまで、生物の特性をより深く理解することが求められています。これにより、生物の遺伝情報がどのように多様な生命活動を生み出すのかという根源的な問いへの答えが得られるかもしれません。これは特に、ヒトの遺伝性疾患の解明において極めて重要です。特定の遺伝子の変異がどのように病気につながるのかを理解することで、新たな治療法の開発へと道が開かれる可能性があります。

主要な技術と応用

機能ゲノミクスの研究では、ゲノム機能に関連する多様な技術が用いられます。これには、遺伝子の変異や多型（例えば一塩基多型、SNP）の解析、および分子レベルでの様々な測定が含まれます。この分野は、多くの「-omics」と呼ばれる分野と密接に関連しており、トランスクリプトミクス（遺伝子発現解析）、プロテオミクス（タンパク質解析）、メタボロミクス（代謝産物解析）などが含まれます。機能ゲノミクスでは、生物試料中に存在する全てのmRNAやタンパク質の量を測定するなど、様々な生物現象を定量的に評価することで、遺伝子やタンパク質の機能や相互作用の理解を深めます。

各レベルの研究手法

DNAレベル

遺伝的相互作用のマッピング: 複数の遺伝子が表現型に与える影響を調べます。特に、エピスタシスは、二つの異なる遺伝子の機能が同時に損なわれた際の効果が、それぞれの遺伝子の機能が単独で損なわれた際の効果の単なる合計にならない現象を指します。
ENCODEプロジェクト: ヒトゲノムにおける全ての機能的なDNA要素（遺伝子のコード領域および非コード領域）を網羅的に分析することを目標とした国際的な研究計画です。パイロットフェーズだけでも、ヒトゲノムのわずか1%を対象としながら、多数のアッセイが実施され、転写領域、ノンコーディングRNA、転写調節部位などが発見され、クロマチン修飾のメカニズムに関する理解が進みました。

RNAレベル：トランスクリプトームプロファイリング

マイクロアレイ: 特定のRNA配列の存在量を網羅的に検出する技術。
SAGE (Serial Analysis of Gene Expression): 遺伝子発現レベルを定量的に解析する手法。
Small RNAシーケンシング: 非コードRNA分子であるSmall RNAは、遺伝子発現抑制やRNAサイレンシングに関与します。次世代シーケンス技術は、これらのSmall RNAの発見、プロファイリング、発現解析において標準的なツールとなっています。

タンパク質レベル：タンパク質間相互作用解析

ツーハイブリッド法: ある「餌」となるタンパク質に対して、相互作用する相手となるタンパク質を網羅的に探索する手法です。
AP/MS (Affinity Purification and Mass Spectrometry): 特定のタンパク質やその複合体を精製し、質量分析によって構成要素を同定する手法です。

機能を調べるための操作技術

突然変異: 遺伝子のDNA配列を変化させ、その影響を調べます。
RNAi (RNA interference): 特定の遺伝子の発現を一時的に抑制（ノックダウン）する手法です。

機能の予測とアノテーション

ゲノムアノテーション: DNA配列が持つ生物学的な情報を特定するプロセスです。特に、ゲノム中の遺伝子の位置を特定し、それらがどのような機能を持つかを決定することを指します。長いオープンリーディングフレーム、転写開始・終結配列、ポリアデニル化部位といった特徴に基づき候補領域を推定し、他の配列データ（cDNA, EST）との比較や、予測されるタンパク質配列と既知タンパク質との類似性、プロモーター配列との関連性、さらには実験的な機能解析（変異体の表現型観察など）によってその機能を検証します。
* Rosetta stoneアプローチ: 複数の生物種間で遺伝子が融合しているかどうかを計算的に解析することで、タンパク質の機能を予測する手法の一つです。

バイオインフォマティクスの役割

機能ゲノミクス研究では、上述の様々な技術から膨大な量のデータが産出されます。これらの大量の複雑なデータを解析し、生物学的な意味を見出すためには、バイオインフォマティクス（生命情報科学）が不可欠なツールとなります。

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