Genetic engineering

Japanese: 遺伝子工学 - いでんしこうがく

This is a technique in which a genetic DNA (deoxyribonucleic acid, the main body of genes) and a DNA molecule that can replicate itself in living cells are cut in a test tube using enzymes, recombined to create a new combination of genetic material, which is then introduced into a host living cell and allowed to replicate, and the resulting gene and its product are used. It is also called recombinant DNA experiment or genetic manipulation.

The self-replicating DNA molecule used to combine with gene DNA is specifically called a vector, and acts as a carrier of genes. Plasmids and certain viruses are used as vectors. Plasmids are self-replicating cytoplasmic factors such as F factors, R factors, and colicin factors that are mainly found in bacteria such as E. coli. The combination of gene DNA and a vector is called recombinant DNA. Host cells that take up recombinant DNA and grow are called recombinant organisms. Growing this recombinant organism and replicating the desired gene in large numbers is called gene cloning.

[Tatsuo Ishikawa]

Construction of recombinant DNA

To create recombinant DNA, first chromosomal DNA extracted from a cell is cut with special enzymes called restriction enzymes or mechanically, and then ligated into an appropriate vector. The set of recombinant DNA created in this way is called a gene library or gene bank. Recombinant DNA containing the target gene is extracted from the gene library using an appropriate method and used in a gene cloning experiment. This is a shotgun experiment. Whether the recombinant DNA contains the target gene and has been cloned must be examined using genetic or biochemical methods.

If the messenger RNA transcribed from the target gene can be isolated from the cytoplasm, the messenger RNA can be used as a template to synthesize a gene DNA with a complementary structure using reverse transcriptase, and this can be used to create recombinant DNA. Also, if the protein produced by the target gene can be purified and its amino acid sequence analyzed, a blueprint (nucleotide sequence) of the gene DNA can be created using the genetic code table, and nucleotides can be linked according to this blueprint to chemically synthesize a DNA molecule. Human somatostatin, insulin, and interferon genes have been synthesized in this way and used in recombinant DNA experiments.

[Tatsuo Ishikawa]

Gene cloning

A gene can be cloned by incorporating recombinant DNA made by linking a gene to a vector into a host cell and allowing it to grow. There are several methods for cloning genes, but one example is shown below. First, a plasmid that can grow in E. coli cells is cut with Eco R I, a type of restriction enzyme. Meanwhile, a gene (here, A) from another organism is cut with the same Eco R I. The cut plasmid and gene are joined together using DNA ligase to create recombinant DNA. The plasmid used here has a gene for resistance to an antibiotic called tetracycline, and this property makes it easy to select. In other words, when recombinant DNA is introduced into tetracycline-sensitive E. coli cells, the cells become tetracycline-resistant, so they can grow in tetracycline medium and are easily selected. The recombinant E. coli cells obtained in this way usually contain multiple recombinant DNAs, and by culturing the cells in large quantities, gene A can be obtained in large quantities. Also, if recombinant E. coli cells synthesize the product of gene A from another organism, the product can be obtained in large quantities.

There are many examples of certain bacterial genes being cloned using E. coli or Bacillus subtilis cells. There are also many examples of eukaryotic genes being cloned using E. coli cells, but in some cases the gene product is synthesized in E. coli cells and in other cases it is not. There have also been successful experiments in cloning E. coli genes using yeast and animal cells. Mammalian genes can also be transferred and cloned into other mammalian cells using the SV40 virus as a vector. In 1978, Keiichi Itakura and his colleagues linked a chemically synthesized human insulin gene to a plasmid, cloned it using E. coli cells, and succeeded in synthesizing 100,000 molecules of human insulin per E. coli cell. Using similar methods, somatostatin, growth hormone, interferon, and other substances have been synthesized in E. coli cells, and research into their use in treating diseases is progressing. It is predicted that in the future genetic engineering research will make progress not only in the production of pharmaceuticals, but also in the production of various products in agriculture and industry, as well as in agricultural and medical applications such as breeding and disease treatment.

[Tatsuo Ishikawa]

Safety issues in genetic engineering experiments

It has been pointed out that cutting out genes, linking them to vectors, and then inserting them into cells of other species could lead to the creation of unknown dangerous organisms or the production of unknown harmful substances. The issue of such dangers was first raised by American molecular geneticist Berg and others, and in 1975 an international conference was held in Asilomar, USA to discuss the safety and measures of genetic engineering experiments. Since then, experimental guidelines have been created in the USA and other countries around the world to prevent all possible dangers from this type of experiment. In Japan, the Ministry of Education (now the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology) established the "Guidelines for Recombinant DNA Experiments in Universities and Other Research Institutions" (Guidelines for Genetic Recombination Experiments) in 1979 (Showa 54). According to this, genetic engineering experiments must be carried out by appropriately combining two methods, physical containment and biological containment, to ensure the safety of the experiment. Physical containment is intended to confine recombinant organisms within facilities and equipment to prevent them from spreading to the outside world, and is divided into four levels, P1, P2, P3, and P4, depending on the level of containment equipment, laboratory design, and experiment method. P1 level is a well-equipped microbiology laboratory, and contaminated materials must be disinfected before disposal. P2, P3, and P4 require increasingly strict containment facilities, designs, and experimental methods. P4 level is particularly dangerous because it requires the construction of a sealed laboratory in a dedicated building, and the most stringent safety cabinets are used in such a laboratory. On the other hand, biological containment uses host cells that can only survive under special culture conditions and vectors that cannot be transferred to other cells, in order to prevent recombinant DNA from being transmitted to the external environment and spreading. In other words, the experimental guidelines are based on the principle of self-regulation by researchers in related fields, and safe genetic engineering experiments are conducted with appropriate preventive measures.

[Tatsuo Ishikawa]

Subsequent developments

As mentioned above, the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology has been working to ensure the safety of genetic engineering experiments through the "Guidelines for Recombinant DNA Experiments." As genetic engineering technology has progressed and spread, the importance of preventing adverse effects on biodiversity has become internationally recognized, and in January 2000, the "Cartagena Protocol on Biosafety" was adopted based on the Convention on Biological Diversity (effective in September 2003). In Japan, the protocol was also concluded in November 2003 (effective in February 2004), and the "Act on the Conservation of Biological Diversity through Restrictions on the Use of Living Modified Organisms (GMO Regulation Act)" (Act No. 97 of 2003, commonly known as the Cartagena Act) was enacted to ensure that the protocol is implemented appropriately in accordance with its purpose. With the enforcement of this Act in February 2004, the previous "Guidelines for Recombinant DNA Experiments" were abolished, and since then, recombinant DNA experiments have been conducted in accordance with the GMO Regulation Act.

[Editorial Department]

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

ある遺伝子DNA（遺伝子の本体であるデオキシリボ核酸）と生細胞内で自己増殖できるDNA分子を酵素などを用いて試験管内で切断し、つなぎ換えて新しい組合せの遺伝物質をつくり、それを宿主生細胞内に移入して増殖させ、得られる遺伝子およびその産物を利用する技術をいう。組換えDNA実験、あるいは遺伝子操作ともいう。

　遺伝子DNAと結合するのに用いられる自己増殖性のDNA分子はとくにベクターvectorとよばれ、遺伝子の運び手として働く。ベクターとしてはプラスミドやある種のウイルスが用いられる。プラスミドは主として大腸菌など細菌類にみられるF因子、R因子、コリシン因子など自己増殖性の細胞質因子である。遺伝子DNAとベクターの結合したものは組換えDNAである。組換えDNAを取り込んで増殖する宿主細胞は組換え体とよばれる。この組換え体を増殖させて目的とする遺伝子を多数複製させることは遺伝子のクローン化gene cloningといわれる。

［石川辰夫］

組換えDNAの作製

組換えDNAをつくるにはまず細胞から取り出した染色体DNAを制限酵素とよばれる特殊な酵素で切ったり、機械的に切ったりして、適当なベクターにつなぐ。このようにしてできた組換えDNAの一そろいは、遺伝子ライブラリーgene libraryまたは遺伝子バンクgene bankとよばれる。遺伝子ライブラリーから適当な方法で目的とする遺伝子を含む組換えDNAを取り出し、遺伝子クローン化実験に用いる。これはショットガン実験shotgun experimentである。組換えDNAが目的とする遺伝子をもち、クローン化されたかどうかは遺伝学的、あるいは生化学的な方法で調べなければならない。

　目的とする遺伝子から転写されてできる伝令RNAが細胞質から分離できる場合には、伝令RNAを鋳型にして逆転写酵素の働きで相補的な構造をもつ遺伝子DNAを合成し、組換えDNA作製に用いることができる。また、目的とする遺伝子の働きでできるタンパク質を精製して、そのアミノ酸配列順序が解析できれば、遺伝暗号表を使ってその遺伝子DNAの設計図（ヌクレオチド配列順序）をつくることができ、この設計図に従ってヌクレオチドを結合しDNA分子を化学合成することができる。ヒトのソマトスタチン、インスリン、インターフェロンの遺伝子はこの方法で合成され、組換えDNA実験に用いられている。

［石川辰夫］

遺伝子のクローン化

ある遺伝子をベクターに結合してつくった組換えDNAを宿主の生細胞に取り込ませて増殖させると、その遺伝子をクローン化することができる。遺伝子のクローン化の方法は幾つかあるがその一例を以下に示す。まず、大腸菌細胞で増殖できるプラスミドを制限酵素の一種のEco RⅠ（エコーアールワン）で切る。一方、他種の生物より遺伝子（ここではAとする）を同じEco RⅠで切り出す。切断されたプラスミドと遺伝子をDNA連結酵素を用いてつなぎ、組換えDNAをつくる。ここで用いたプラスミドはテトラサイクリンという抗生物質に対する抵抗性の遺伝子をもち、この性質によって容易に選択されるようになっている。すなわち、組換えDNAがテトラサイクリン感受性の大腸菌細胞に取り込まれると、細胞はテトラサイクリン抵抗性になるのでテトラサイクリン培地で増殖でき、容易に選択される。このようにして得られた組換え体の大腸菌細胞は普通、複数の組換えDNAを含み、細胞を大量に培養することにより、遺伝子Aを多数得ることができる。また、組換え体の大腸菌細胞が他種からの遺伝子Aの産物を合成すれば、その産物を多量に得ることができる。

　ある種の細菌類の遺伝子を大腸菌や枯草菌細胞を用いてクローン化した例は多い。真核生物の遺伝子を大腸菌細胞によりクローン化した例も多いが、遺伝子産物が大腸菌細胞中で合成される場合とされない場合がある。大腸菌の遺伝子を酵母や動物細胞によりクローン化する実験も成功している。哺乳(ほにゅう)動物の遺伝子をSV40というウイルスをベクターとして他種の哺乳動物細胞に移入しクローン化することもできる。板倉啓壱(いたくらけいいち)らは1978年（昭和53）に化学的に合成したヒトのインスリンの遺伝子をプラスミドにつなぎ、大腸菌細胞を用いてクローン化し、大腸菌の1細胞当り10万分子のヒトのインスリンを合成することに成功した。同じような方法で、ソマトスタチン、成長ホルモン、インターフェロンなどが大腸菌細胞で合成されるようになり、病気の治療に用いるための研究が発展している。今後は医薬品の生産のみでなく、農業、工業などにおける各種産物の生産において、また品種改良や病気の治療など、農業や医学における応用において、遺伝子工学研究が進歩するものと推定される。

［石川辰夫］

遺伝子工学実験の安全性の問題

遺伝子を切り出してベクターにつなぎ他種の細胞に組み込むことにより、未知の危険な生物ができたり、未知の有害な物質が生産されるといった危険性が指摘されている。このような危険性については、初めアメリカの分子遺伝学者バーグらによって問題が提起され、1975年にはアメリカのアシロマで遺伝子工学実験の安全性と対策を討議する国際会議が開かれた。その後、アメリカをはじめ世界各国で、この種の実験によって予想されるあらゆる危険を防止するための実験指針がつくられた。日本でも1979年（昭和54）文部省（現、文部科学省）により「大学等の研究機関等における組換えDNA実験指針」（遺伝子組換え実験指針）が定められた。これによると、遺伝子工学実験は、物理的封じ込めと生物学的封じ込めの2種の方法を適当に組み合わせて行い、実験の安全が確保されるようにしなければならない。物理的封じ込めとは、組換え体を施設や設備中に閉じ込めて外界へ拡散しないようにしようというもので、封じ込めの設備、実験室の設計、および実験の行い方の程度に応じ、P1、P2、P3、P4の四つのレベルに分けられている。P1レベルは整備された微生物学実験室設備であり、汚染物質はかならず消毒してから廃棄するというものである。以下P2、P3、P4の順により厳重な封じ込め設備、設計、実験方法が必要となる。とくにP4レベルでは危険性がもっとも高いとみられる実験を行うため、専用の建物で密封された実験室をつくる必要があり、このような実験室内でもっとも厳重な安全キャビネットを用いて実施することになっている。一方、生物学的封じ込めは、特殊な培養条件下でないと生存できないような宿主細胞と、これ以外の細胞には移らないようなベクターを用い、組換え体DNAが外部環境に伝えられ拡散することを防止しようとするものである。つまり実験指針は、関連分野研究者の自主規制を原則としたものであり、適切な予防措置によって安全な遺伝子工学実験が実施されているというわけである。

［石川辰夫］

その後の動き

前記のように文部科学省は「組換えDNA実験指針」により遺伝子組換え実験の安全確保を図ってきた。遺伝子組換え技術が進歩し普及するなかで、生物の多様性への悪影響を防止することの重要性が国際的に認識されるようになり、2000年1月に生物多様性条約に基づき「バイオセーフティに関するカルタヘナ議定書」が採択された（2003年9月発効）。日本においても2003年（平成15）11月に締結（2004年2月に発効）され、議定書の趣旨に沿った的確な実施を確保するために「遺伝子組換え生物等の使用等の規制による生物の多様性の確保に関する法律（遺伝子組換え規制法）」（平成15年法律97号。通称カルタヘナ法）が制定された。2004年2月同法の施行に伴い、従来の「組換えDNA実験指針」は廃止され、以降、組換えDNA実験は、遺伝子組換え規制法に従って実施されている。

［編集部］

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

<<: Genetic Engineering (Recombinant DNA)

>>: Genotype - genotype