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受精卵の細胞質は誰のもの？―ミトコンドリアDNAが語る母系遺伝

第102回医師国家試験 C問題 第3問

国試問題にチャレンジ

第102回 C問題 第3問

母親のみに由来するのはどれか。

  1. a.X染色体
  2. b.Y染色体
  3. c.リボソームRNA
  4. d.ミトコンドリアDNA
  5. e.メッセンジャーRNA
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対話形式の解説

ドクタードクター
今回は、子が受け継ぐ遺伝情報のうち、どれが父母のどちらに由来するかを問う問題だ。ポイントは「核にある遺伝情報」と「細胞質にある遺伝情報」を分けて考えること。受精のときに、卵子と精子はそれぞれ何をもち寄るかな。
医学生医学生
卵子と精子がそれぞれ23本ずつ染色体をもってきて、46本になります。発生学の講義で習いました。
ドクタードクター
そうだね。だから核の中の遺伝情報は、原則として父母の双方から受け継がれる。ここで性染色体に注目しよう。母親から必ず来るものがあるけれど、何だと思う？
医学生医学生
母親はXしかもっていないので、X染色体は必ず母親から来ますよね。だからX染色体が正解かと思いました。
ドクタードクター
惜しい、そこがこの問題の落とし穴だ。確かに男性のX染色体1本は必ず母親由来だけど、女性は2本のX染色体のうち1本を母親から、もう1本を父親から受け継ぐ。だからX染色体は「母親のみに由来する」とは言えないんだ。
医学生医学生
あ、女性のことを忘れていました。血友病が保因者の母親から息子に伝わって、父親から息子には伝わらないのも、その仕組みですね。
ドクタードクター
その通り。デュシェンヌ型筋ジストロフィーなど、X連鎖劣性遺伝病の伝わり方はこの性質から説明できる。逆にY染色体はどうかな。
医学生医学生
Y染色体は男性しかもっていないので、父親から息子にだけ伝わります。母親由来はありえませんね。
ドクタードクター
そうだ。では核の外に目を向けよう。細胞質にある小器官で、独自のDNAをもつものといえば？
医学生医学生
ミトコンドリアです。環状のDNAをもっていて、もともと細菌が共生したものだと生化学で習いました。
ドクタードクター
いいね。受精卵の細胞質はほぼすべて卵子に由来する。精子の中片部にもミトコンドリアはあって、わずかに卵の中に入ることはあるけれど、受精後まもなく選択的に分解・排除されるんだ。だからミトコンドリアDNAは母親のみから伝わる。これを母系遺伝、または細胞質遺伝という。今回の正解はこれだね。
医学生医学生
リボソームRNAやメッセンジャーRNAはどう考えればいいですか。ミトコンドリアにもリボソームがあると聞いた気がして、少し迷いました。
ドクタードクター
良い疑問だ。リボソームRNAもメッセンジャーRNAも、大部分は核の染色体上の遺伝子から転写される。細胞質リボソームのrRNA遺伝子は、13・14・15・21・22番の端部動原体型染色体の短腕などにあるから、父母双方に由来するんだ。確かにミトコンドリアDNAもrRNA2種類と、13種類のタンパク質のmRNAをコードしているけれど、RNA全体として母親のみに由来するわけではない。
医学生医学生
整理すると、常染色体は両親、X染色体は男性なら母親だけで女性は両親、Y染色体は父親だけ、ミトコンドリアDNAは母親だけ、ということですね。
ドクタードクター
完璧なまとめだ。ここから臨床につなげよう。ミトコンドリアDNAの変異による病気は、母親から男女すべての子に伝わりうるけれど、父親からは伝わらない。家系図で「母親を介してだけ、男女問わず伝わる」パターンを見たら、ミトコンドリア病を考えるんだ。
医学生医学生
CBTの問題で、MELASやMERRFが出てきました。小児科の実習でも、乳酸値が高い子の話を聞きました。
ドクタードクター
MELASはミトコンドリア脳筋症・乳酸アシドーシス・脳卒中様発作症候群で、tRNA遺伝子のA3243G変異が多い。MERRFは赤色ぼろ線維を伴うミオクローヌスてんかん。ほかにLeber遺伝性視神経症や、mtDNAの大きな欠失による慢性進行性外眼筋麻痺、Kearns-Sayre症候群がある。筋生検の赤色ぼろ線維や、血中・髄液中の乳酸・ピルビン酸の上昇が診断の手がかりになる。
医学生医学生
でも、同じ家系なのに症状の重さがかなり違うと聞いたことがあります。それはなぜですか。
ドクタードクター
ヘテロプラスミーのためだ。ミトコンドリアDNAは1つの細胞に数百〜数千コピーあって、正常なものと変異したものが混在している。変異の割合が一定の閾値を超えると症状が出るので、臓器や個人によって割合が違えば、症状の程度にも差が出るんだ。それから、ミトコンドリア病の中には核DNAの変異によるものもあって、その場合は常染色体の遺伝形式をとる。「ミトコンドリア病＝必ず母系遺伝」とは限らない点も、臨床では注意しておこう。

まとめ

受精では核の染色体が父母から半数ずつもち寄られますが、受精卵の細胞質はほぼすべて卵子に由来し、精子のミトコンドリアは受精後に排除されるため、ミトコンドリアDNAは母親のみから伝わります（母系遺伝）。X染色体は男性では母親由来でも女性では父母双方に由来し、Y染色体は父親のみ、rRNAやmRNAの大部分は核の遺伝子から転写されるため両親に由来します。ミトコンドリアDNA変異による疾患（MELAS、MERRF、Leber遺伝性視神経症など）は母親から男女すべての子に伝わりえますが、ヘテロプラスミーと閾値効果により家系内でも症状に大きな差が出ます。遺伝情報の由来を核と細胞質に分けて整理することは、家系図の読み解きや遺伝性疾患の理解の土台となります。

解答・解説

正解はdです

受精では、卵子（母親由来）と精子（父親由来）がそれぞれ23本の染色体をもち寄り、46本の染色体からなる受精卵となる。したがって核の中にある遺伝情報（常染色体と性染色体）は、原則として父母の双方から受け継がれる。性染色体については、母親は必ずX染色体を渡し、父親はXかYのどちらかを渡すことで子の性別が決まる。 一方、細胞質にある小器官ミトコンドリアは、核とは別に独自の環状DNA（ミトコンドリアDNA：mtDNA）をもつ。受精卵の細胞質はほぼすべて卵子に由来し、精子のミトコンドリアはわずかに卵内に入っても受精後まもなく選択的に分解・排除される。そのため、ミトコンドリアDNAは母親のみから子へ伝わる。これを母系遺伝（細胞質遺伝）という。 本問は、各選択肢の遺伝情報が核ゲノムに由来するのか、ミトコンドリアゲノムに由来するのか、また性染色体がどちらの親から来るのかを整理できれば解ける。

選択肢考察

  1. ×a.  X染色体

    男性（46,XY）のX染色体は1本で、必ず母親から受け継ぐ。しかし女性（46,XX）の2本のX染色体は、1本が母親、もう1本が父親に由来する。したがって、X染色体は一般に母親のみに由来するとはいえない。この性質のため、X連鎖劣性遺伝病（血友病、デュシェンヌ型筋ジストロフィーなど）は保因者の母親から息子へ伝わり、父親から息子へは伝わらない。

  2. ×b.  Y染色体

    Y染色体は男性のみがもち、必ず父親から息子へ受け継がれる。母親はY染色体をもたないため、Y染色体が母親に由来することはない。Y染色体は父系をたどる指標として、ミトコンドリアDNA（母系の指標）と対比して用いられる。

  3. ×c.  リボソームRNA

    リボソームRNA（rRNA）はタンパク質合成の場であるリボソームを構成するRNAである。細胞質のリボソームのrRNAは主に核の常染色体上の遺伝子（13・14・15・21・22番の端部動原体型染色体の短腕などにある）から転写されるため、父母双方に由来する。なお、ミトコンドリア内のリボソームのrRNAはミトコンドリアDNAにコードされており母系遺伝するが、rRNA全体としては母親のみに由来するわけではない。

  4. ○d.  ミトコンドリアDNA

    受精卵のミトコンドリアは卵子の細胞質に由来し、精子の中片部にあるミトコンドリアは受精後に分解・排除される。このため、ミトコンドリアDNAは原則として母親のみから受け継がれる（母系遺伝）。ミトコンドリアDNAの変異による疾患は、母親から男女すべての子に伝わりうるが、父親からは伝わらない。

  5. ×e.  メッセンジャーRNA

    メッセンジャーRNA（mRNA）は遺伝子のDNA配列が転写されてできる、タンパク質の設計図となるRNAである。大部分は核内の常染色体・性染色体上の遺伝子から転写されるので、その遺伝情報は父母双方に由来する。ミトコンドリアDNAから転写されるmRNAも一部（13種類のタンパク質をコード）存在するが、mRNA全体が母親のみに由来するわけではない。

ミトコンドリアDNAの特徴

・約16.6kb（16,569塩基対）の環状二本鎖DNAで、1つの細胞に数百〜数千コピー存在する。 ・呼吸鎖（電子伝達系）を構成するタンパク質13種類、rRNA 2種類、tRNA 22種類の計37遺伝子をコードする。ミトコンドリアで働くタンパク質の大部分は核DNAにコードされている。 ・核DNAに比べて変異率が高い。 ・1つの細胞内に正常なmtDNAと変異mtDNAが混在する状態をヘテロプラスミーといい、変異の割合が一定の閾値を超えると症状が現れる（閾値効果）。組織や個人によって変異の割合が異なるため、同じ家系内でも症状の程度に大きな差が出る。

ミトコンドリア病の主な例

・MELAS（ミトコンドリア脳筋症・乳酸アシドーシス・脳卒中様発作症候群）：tRNA遺伝子の点変異（A3243Gなど）が多い。 ・MERRF（赤色ぼろ線維を伴うミオクローヌスてんかん）：tRNA遺伝子の点変異（A8344Gなど）。 ・Leber遺伝性視神経症：若年男性に多い両眼の急性〜亜急性視力低下。 ・慢性進行性外眼筋麻痺（CPEO）・Kearns-Sayre症候群：mtDNAの大きな欠失によることが多く、多くは孤発例である。 筋生検でみられる赤色ぼろ線維（ragged-red fiber）や、血中・髄液中の乳酸・ピルビン酸の上昇が診断の手がかりとなる。なお、ミトコンドリア病には核DNAの変異によるもの（常染色体遺伝形式をとる）もある。

父母に由来する遺伝情報のまとめ

・常染色体：父母双方 ・X染色体：男性は母親のみ、女性は父母双方 ・Y染色体：父親のみ ・ミトコンドリアDNA：母親のみ

POINT

・ミトコンドリアDNAは卵子の細胞質を通じて母親のみから伝わる（母系遺伝）。 ・ミトコンドリアDNA変異による疾患は母親から男女すべての子に伝わりうるが、父親からは伝わらない。 ・Y染色体は父親のみに由来し、男性のX染色体は母親のみに由来する（女性のX染色体は両親由来）。 ・代表的なミトコンドリア病：MELAS、MERRF、Leber遺伝性視神経症、Kearns-Sayre症候群。

※問題・正答は厚生労働省の公開資料をもとに掲載しています。