【獣医師国家試験】遺伝学の応用

本記事は、獣医師国家試験の出題基準を一から解説しようとする一大プロジェクトです。

獣医学の基本的事項の「Ⅱ生殖と行動」編、「遺伝学の応用」です。

遺伝的改良

集団遺伝学

「集団遺伝学」とは、集団における遺伝子構成を統計学を利用して明らかにする学問をいいます。

遺伝子構成を表すためには、「遺伝子 頻度」が用いられます。「遺伝子型 頻度」が分かれば、簡単な計算で「遺伝子 頻度」をもとめることが可能です。

🐮 具体例：牛の毛色に関わる1つの遺伝子座

毛色を決定する遺伝子Aには、A（優性）とa（劣性）の2つの「対立遺伝子（アレル）」があると仮定します。

考えられる遺伝子型は、
【Ａ/Ａ】【Ａ/ａ】【ａ/ａ】となります。

ステップ①：遺伝子型 頻度の計算

ある牧場の牛100頭の遺伝子型が次のような分布であった場合、「遺伝子型 頻度」は以下の様になります。

遺伝子型	頭数	遺伝子型 頻度
Ａ/Ａ	３６頭	36 / 100 = 0.36
Ａ/ａ	４８頭	48 / 100 = 0.48
ａ/ａ	１６頭	16 / 100 = 0.16

それぞれの「遺伝子型 頻度」をＰ・Ｈ・Ｑとすると、Ｐ＋Ｈ＋Ｑ＝１となります。

ステップ②：遺伝子 頻度の計算

１個体には２つの対立遺伝子があるため、計100頭には２００の対立遺伝子が存在します。

以上を考えると、
対立遺伝子【Ａ】の総数 = 【Ａ/Ａ】に含まれるＡ（36×2）+ 【Ａ/ａ】に含まれるＡ（48×1）＝ 120個
対立遺伝子【ａ】の総数 = 【Ａ/ａ】に含まれるａ（48×1）+ 【ａ/ａ】に含まれるａ（16×2）＝ ８0個

したがって、

対立遺伝子【Ａ】の頻度（p）= 120 / 200 = 0.60
対立遺伝子【ａ】の頻度（q）= 80 / 200 = 0.40

ｐ＋ｑ＝１となります。

ステップ③：ハーディ・ワインベルグ平衡との比較

ハーディ・ワインベルグの法則では、集団が理想状態（交配がランダム、突然変異や選抜なしなど）のとき、遺伝子型の比率は以下のように保たれます：

• AA = p² = 0.60² = 0.36
• Aa = 2pq = 2×0.60×0.40 = 0.48
• aa = q² = 0.40² = 0.16

つまり、今回のデータは理論値と同じであり、
この集団はハーディ・ワインベルグ平衡にあると判断できます。

遺伝的パラメータ

産業家畜や実験動物の改良を効果的に行う上では、対象の量的形質について「遺伝的パラメータ」の値を把握しておくことが 必要であり代表的なパラメータには「遺伝率」「反復率」「遺伝相関」などがあります。

とっつきにくいので、乳牛の「乳量」を例に考えてみましょう。

同じ牧場で飼われている牛たちの乳量には差があります。この差（ばらつき）のことを「表現型分散」といいます。

そのばらつきの原因には、遺伝と環境の2つがあります。

「遺伝 分散」は、遺伝子の違いによるばらつきです。親が持つ能力の差が、子にも影響しているということです。一方、「環境 分散」は、エサの質や管理の仕方、牛の健康状態など、外的な要因によって生じる違いを指します。

遺伝分散

「遺伝分散」は、
「相加的 遺伝分散」「優性分散」「エピスタシス分散」の和となります。

この中で最も重要なのが「相加的 遺伝分散」です。これは、父や母から引き継いだ遺伝子が、そのまま加わるようにして子に伝わる分散のことです。たとえば、乳量が多い親牛の子は、やはり乳量が多い傾向があるとき、この相加的効果が働いているといえます。この部分は「育種価」とも深く関係していて、家畜の改良にはこの相加的分散が最も重要です。

次に「優性分散」は、両親から受け継いだ対立遺伝子の中で、強く発現する方が影響している場合です。たとえば、ある遺伝子に「たくさん乳を出す型」と「あまり出ない型」があって、「たくさん出す型」が優性であれば、これを持っている牛は乳量が多くなります。

そして「エピスタシス分散」は、複数の遺伝子が互いに影響し合って表れる効果です。たとえば、乳腺の発達に関係する遺伝子Aと、ホルモン調節に関わる遺伝子Bがあって、この両方の働きがうまくかみ合ったときに初めて乳量が増えるようなケースです。

遺伝率

これらを合わせた遺伝分散が、乳量のばらつきの中でどれだけを占めているかを示すのが「遺伝率」です。

「遺伝率」は「遺伝分散」/「表現型分散」で計算できるので、
「環境分散」に対する「遺伝分散」の割合が多いほど、「遺伝率」が高くなります。

また、「反復率」という指標もあります。

これは、同じ牛を何回か測定したときに、どれだけ安定して同じ値を示すかを見るもので、たとえば乳牛が1年目も2年目も似たような乳量を出していれば、反復率が高いといえます。この値は、個体の能力の 信頼度 を評価する助けになります。

さらに、
異なる形質間の関係を示す「表型相関」と「遺伝相関」も重要です。

たとえば「乳量」と「乳脂肪率」は、見た目上（表型）では逆の関係があることが多く（乳量が多い牛は脂肪率が低くなりがち）、これが表型相関です。しかし、遺伝的にはどちらも高くなるような遺伝子を持っていることもあり、これが遺伝相関です。

選抜

ある与えられた基準のもと、親として用いる個体を選ぶことを「選抜」といいます。

選抜方法は大きく分けて
「個体選抜」「家系選抜」「家系内選抜」「組み合わせ選抜」の４つあります。

「選抜」において、望ましい個体の判別のための検定法は種類が沢山あります。
勉強していて、微塵も面白くなく退屈なため省略します。

育種価

「育種価」は、いわゆる「相加的 遺伝分散」であり、その個体がどれだけ子孫に有利な遺伝子を伝える可能性があるかを数値で示したものです。

「育種価」を推定するための検定法として有名なのは「BLP法」「BLUP法」です。

「BLP法」は、「群（飼育環境や農場）による違い」などの環境の影響を補正しないため、特定の条件で育てられた個体が有利になるおそれがあります。

現在では「良い環境で良い成績が出た個体」と「悪い環境でもそこそこの成績だった個体」を、公平に比較できるように補正する「BLUP法」が基準となっています。

家畜の起源と品種

❶ 初期の家畜化（約1万年前）

最も古い家畜化は、イヌに始まります。人類がまだ狩猟を中心としていた旧石器時代末期、オオカミの一部が人のそばに寄り付き、やがて人と協調して生活するようになったと考えられています。

その後、農耕が始まり、人間が定住して作物を育てるようになると、他の家畜化も進みました。この時期に家畜化された主な動物は以下の通りです​獣医遺伝育種学：

• ヒツジ、ヤギ、ウシ、ブタ（西アジアや中央アジアが中心）
• ニワトリ（水田農耕文化と共にアジアで発達）

❷ 古代文明と家畜の拡大

家畜は、メソポタミアやエジプト、中国などの古代文明とともに広まりました。ウマやラクダなど、輸送・労働目的の家畜が登場し、人間の移動と交易を可能にし、文明の広がりに大きく貢献しました。

イスラム圏やモンゴル帝国の広がりを通じて、ユーラシア大陸では家畜と飼養文化が広範囲に浸透しました​獣医遺伝育種学。

❸ 中世～近代（18～19世紀）

この時代には、ヨーロッパを中心に品種改良が進みます。家畜を特定の目的（乳・肉・労働など）に特化して改良する動きが加速し、多くの「近代改良品種」が誕生しました。

たとえば：

• デュロック種（豚、発育良好）
• ホルスタイン種（乳量が多い）
• アンガス種（赤身肉が豊富）

代表的な品種 まとめ

種類	利用目的	主な品種例・特徴
ウシ	乳用・肉用・労働	黒毛和種（肉） ホルスタイン（乳）
ブタ	肉用	デュロック ランドレース
ヒツジ	毛用・肉用・乳用	メリノ種 コリデール
ヤギ	乳用・肉用・草刈り	ザーネン種
ウマ	労働・運搬・乗用	アラブ種 サラブレッド
ニワトリ	卵用・肉用	ブロイラー（肉） ホワイトレグホーン（卵）
イヌ	番犬・狩猟・補助犬	シェパード …
ネコ	害獣駆除・伴侶動物	日本猫、シャム猫 …

遺伝的多様性

家畜の改良が進む一方で、特定の形質に偏った「選抜」が進むと、集団内の「遺伝的多様性」が失われる可能性があります。

有効集団サイズの減少や近交化が進行すると、偶然の遺伝子頻度の変動（遺伝的浮動）による弊害も生じやすくなり、長期的な持続可能な育種のためには遺伝的多様性の保持が不可欠です​。

形質の遺伝

生産形質の遺伝

産業動物においては重要になるのは乳量・肉質・成長速度といった”形質”で、これらは経済的価値に直結するため「生産形質」あるいは「経済形質」と呼ばれます。多くは数値で連続的に表され、「量的形質」として複数の遺伝子と環境の影響を受けます。（多因子支配の形質）

「量的形質」はメンデルの法則には従わないため「選抜」による改良が重要になります。

一方で少数の遺伝子によって決まるものは「質的形質」と呼ばれます。メンデルの法則に従って遺伝し、たとえば「毛色」「血液型」、あるいは特定の筋肉の発達のような形質がこれに当たります​。

主働遺伝子（メジャー・ジーン）

ある形質に対して、数多くの遺伝子が関与する中で、特に大きな影響を及ぼす遺伝子を「主働 遺伝子」と呼びます。

遺伝性疾患と浸透率

生産形質に良い影響を与える遺伝子もあれば、好ましくない影響が出る場合もあります。その代表的な例が「遺伝性疾患」です。

血液型の遺伝

血液型は、赤血球の表面にある抗原の違いによって決まる、遺伝的多型の一種です。

遺伝子の違いによって、赤血球表面の「糖鎖（糖の鎖）」に付加される糖の種類が変わり、抗原性が生じます。

血液型	付与される糖	抗原	抗体
Ａ型	N-アセチルガラクトサミン	Ａ抗原	抗Ｂ
Ｂ型	ガラクトース	Ｂ抗原	抗Ａ
Ｏ型	なし	なし	なし
ＡＢ型	N – アセチルガラクトサミン	Ａ抗原	抗Ｂ
	ガラクトース	Ｂ抗原	抗Ａ

毛色の遺伝

毛色を決める4つの主な要因があります。

① メラニン色素の合成に関与する遺伝子
└ チロシナーゼなどの酵素遺伝子が含まれ、黒色（ユーメラニン）や黄色（フェオメラニン）の生成に関与。

② 色素顆粒などの物質の輸送と分布に関与する遺伝子
└ メラニンが細胞内で適切に移動・蓄積されるために必要。異常があると色素の偏在や白斑などが生じる。

③ 色素細胞刺激ホルモン（α-MSH）に関与する遺伝子
└ α-MSHはメラニン合成を促進するホルモンで、その作用に関わるMC1R遺伝子などが毛色の制御に関与。

④ 色素細胞の発生・分化・全身への分布に関与する遺伝子
└ 発生初期に神経堤から分化した色素細胞が体表に広がる過程を制御。異常があると色素が分布しない領域ができる。

メラニン色素の種類と合成経路

色素細胞では、「チロシン」からチロシナーゼによって「メラニン色素」が合成されます。この「メラニン色素」が、毛母細胞に渡されることによって毛に取り込まれます。

「メラニン（色素）」には、黒（ユーメラニン）と黄色（フェオメラニン）の２種類が存在しています。

チロシンというアミノ酸をもとに、酵素反応によってメラニンが作られます。チロシナーゼなどの酵素が欠損するとアルビノ（白毛）になります​。

② 色素細胞の移動と分布

「神経堤」から分化した色素細胞は発生過程において、全身に移動していきます。この移動がうまくいかないと「白斑」や「斑模様」が現れます。

この「色素細胞」は内耳の蝸牛において聴覚機能に重要な役割を果たしていて、色素細胞が上手に内耳に定着しなかった場合は難聴になります。そのためダルメシアンは聴覚障害をもっている可能性が高いわけです。

③ ホルモンによる調整（α-MSH）

「下垂体」から分泌される「α-MSH（色素細胞刺激ホルモン）」はメラニン合成を促進します。

ASIPと呼ばれるタンパク質は、特に黒色のメラニン（ユーメラニン）の合成を抑制するため、野生動物で一般的なアグーチ色を呈します。

④ X染色体と性差（例：三毛猫）

上記のように色素細胞が移動していない部分が白色になります。一方、有色の黒と茶色に関してはＸ染色体にどちらかが存在しています。

仮に黒色の対立遺伝子をＡ、茶色の対立遺伝子をａとした場合、

雌はX染色体が２本保有することを考えると、【Ａ/Ａ】【Ａ/ａ】【ａ/ａ】の組み合わせがあり、【Ａ/ａ】を持つにゃんこは黒と茶を両方保有して３毛猫になります。

雌♀の場合「Ｘ染色体」が２本存在し、どちらかがランダムに不活化するため、ある部分では黒、他の部分では茶のような混在した状態になるわけです。

免疫 遺伝学

他人の細胞を自分に”移植”するとき、おそらく拒絶反応が起こります。

この移植拒絶を決定している遺伝子の領域が「主要組織適合性遺伝子複合体（MHC）」です。この内、免疫機能に関与しているのは「MHC classⅠ」「MHC class Ⅱ」になります。

MHCはclassⅠ、クラスⅡ領域ともに多数の遺伝子座より構成され、さらにそれぞれの遺伝子座にも多くの対立遺伝子が存在していることから、その組み合わせはトンデモナイ数になります。

このようなMHCの多様性は、拒絶反応の程度や特定の病原体への感受性だけでなく、自己免疫疾患への感受性にも影響しています。

遺伝学的解析

多型マーカー、個体識別

人間が保有している【Ａ】という遺伝子は、
同じ人間同士でもその構成している塩基配列が多少異なっています。

「多型マーカー」とはDNA上の塩基配列の変異（多型）を識別するための遺伝的マーカーのことであり、個体識別、親子鑑定、系統解析、疾患診断、育種など多岐にわたる用途で利用されます。

DNAの変異には、「置換」「挿入」「欠失」「重複」「逆位」「転座」「反復配列」に大きく分けることができます。

中でもDNA多型マーカーとしての利用頻度が高いのは、1塩基の「置換」と「反復配列」です。

1塩基の「置換」は「１塩基多型（SNP）」と、
DNA配列中の2～5塩基対の短い「反復配列」を「マイクロサテライト」といいます。

多型マーカーの検出方法

「多型マーカー」の検出方法には以下のようなものがあります。

家系解析、連鎖解析

たとえば、牛の中に「お肉がやわらかくなる特徴」や「病気に強い体質」を持った牛がいたとします。このような「いい特徴」がどこから来ているのか（どんな遺伝子が関係しているのか）を調べると、もっと元気でおいしい牛を育てることができるようになります。

そのために「DNAマーカー」という目印を使います。これは、体の中にある「設計図（DNA）」の中で、特定の場所を見つけるためのしるしのようなものです。

そして、親から子どもへどんな特徴が伝わっているかを、家族のつながり（家系）を見ながら調べる方法を「家系解析」といいます。このとき、特徴と同じように一緒に伝わるDNAマーカーがどこにあるかを探していく方法が「連鎖解析」です。

QTL解析

”量的形質”遺伝子座（QTL）解析は、乳量や肉質のような「量的形質」に関連する遺伝子領域を明らかにする手法です。

動物の遺伝性疾患

臨床、病態、原因

動物の遺伝性疾患には、神経変性疾患や腎疾患、骨格異常など多様なタイプが存在します。それぞれの疾患は特定の遺伝子変異に起因し、原因の特定によって診断や予防が可能になります。

遺伝様式

疾患の遺伝様式は、常染色体劣性・優性、伴性遺伝など多岐にわたります。さらに、優性ネガティブ型や機能獲得型変異などの特殊な形式も存在し、同じ遺伝子変異でも表現型が異なる場合があります

遺伝子頻度

特定の品種や集団では、ある遺伝性疾患に関与する遺伝子の頻度が高くなることがあり、結果として発症個体や保因個体が集団内に多数存在するリスクが高まります。これが、犬の品種ごとに特定疾患が好発する理由になります。

遺伝子診断

近年では、PCR法やPCR-RFLP法などを用いた遺伝子診断により、疾患に関与する遺伝子の変異を直接検出できるようになりました。これにより、見た目には正常でも遺伝的に疾患を持つ可能性のある保因個体を識別し、繁殖制限などの対応が可能となっています。

遺伝性疾患への対処

遺伝性疾患の多くは、
遺伝子の欠損や異常に起因するため、根本的な治療は非常に困難です。

したがって、遺伝性疾患の「予防」こそが最も現実的な対処法です。特に、劣性遺伝疾患が多いため保因動物（キャリア）も含めた識別と管理が重要です。

主な予防・管理手法

多くの遺伝性疾患は 劣性 遺伝なので、
原因遺伝子を保有しているが発症しない保因個体（キャリア）が存在しています。

そのため、発症した個体のみの淘汰だけでは不十分で、キャリアの淘汰も合わせて行う必要があります。

遺伝子疾患を呈するキャリアであっても、必ずしも目に見える異常があるわけではありません。そのため「遺伝子検査」を用いることによって、原因となる遺伝子や突然変異の存在を知ることが可能です。

万が一、保因個体であれば繁殖に用いない事によって、次世代への伝搬を抑制できます。

課題

遺伝子疾患を解決するためには、原因遺伝子を改変する技術が必要不可欠です。

実験動物レベルでは研究は進んでいますが、
倫理・法の問題や、「カルタヘナ法」によって取り扱いには注意が必要になります。