1985年以降に利用されている主要DNA分析技術

概要

遺伝学は近年最も急速に進化した分野です。DNAは生物の設計図であり、その配列を解読する技術は、生命の仕組みやがんなどの疾患の原因解明に不可欠です。1985年のPCR発明以降、シーケンシングから次世代シーケンサーまで、主要なDNA分析技術の歴史と特徴を紹介します。

ポリメラーゼ連鎖反応 (PCR)

ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）は、遺伝学研究における最大の画期的手法です。1985年にKary Mullisが開発し、特定のDNA領域を数時間で数百万倍に増幅できます。熱に強い酵素TAQポリメラーゼ（Thermus aquaticus由来）を用い、プライマーと呼ばれる20塩基の短いDNA配列で増幅対象を指定します。1985年以降に開発されたすべてのDNA解析技術は、PCRによる増幅を基盤としています。

DNAシーケンシング技術

DNAシーケンシングは、塩基の配列を決定する手法です。初期はPCR産物に放射性標識を付け、電気泳動で分離し、X線写真で検出していました。1塩基ごとに別々のゲルレーンが必要で、1回の測定で判定できる塩基は約200です。1990年代初頭に蛍光色素が導入され、各塩基を異なる色で標識できるようになり、デジタルカメラで自動的に読み取ることで、1回の測定で約700塩基を決定できるようになりました。

カピラリーシーケンシングの開発

1997年頃、ガラス板とポリアクリルアミドゲルを使用した従来の手法は、ガラスキャピラリーと粘性ポリマーに置き換えられました。PCR増幅後に蛍光標識されたDNAをキャピラリーに自動ロードし、シーケンスを実行します。この自動化により、より多くのサンプルを短時間で解析でき、ヒトゲノム全体（約90億塩基）の大部分がカピラリーシーケンシングで決定されました。

リアルタイムPCR

特定のDNA配列の変異を検出するために、リアルタイムPCRは蛍光標識プライマーを使用します。標的配列に変異があるとプライマーは結合できず、蛍光シグナルの増幅が抑制されます。これにより、遺伝性疾患の原因となるミューテーションを高速かつ定量的に検出できます。

マイクロチップアレイ技術

リアルタイムPCRの次に開発されたマイクロチップアレイは、遺伝子発現解析に利用されます。細胞内で活性化された遺伝子からmRNAを抽出し、逆転写PCRでcDNAを作製。そのcDNAを蛍光プローブが貼付されたチップ上にハイブリダイズさせ、発現している遺伝子を同時に30,000以上検出できます。これにより、細胞タイプごとの機能差を分子レベルで把握できます。

次世代シーケンシング (NGS)

最新のDNA解析技術は次世代シーケンサー（NGS）です。従来のシーケンスと同様の原理ですが、エマルションPCRでDNAをマイクロビーズや油滴内にカプセル化し、数百万塩基を同時に増幅・シーケンスできます。細菌の全ゲノムやヒトの特定領域を一度に解析でき、遺伝学研究のスピードとスケールは飛躍的に向上しました。