StudyMed医師国家試験

4万人に1人の病気、保因者は100人に1人―ハーディ・ワインベルグの法則で読み解く「見えない多数派」

第106回医師国家試験 E問題 第26問

国試問題にチャレンジ

第106回 E問題 第26問

40,000人に1人の割合で発症する常染色体劣性遺伝性疾患がある。  集団が均質であるとき,この疾患の保因者頻度はどれか。

  1. a.100人に1人
  2. b.400人に1人
  3. c.1,000人に1人
  4. d.10,000人に1人
  5. e.40,000人に1人

対話形式の解説

ドクタードクター
今回は計算問題だ。常染色体劣性遺伝病の患者頻度から、集団の中の保因者頻度を求める。使う道具はハーディ・ワインベルグの法則ひとつだけ。ポイントは「患者」「保因者」「アレル」をきちんと区別して式に置けるかどうかだよ。まず、問題文の「集団が均質」という一言は何を意味していると思う?
医学生医学生
基礎医学の遺伝学の講義で聞いた気がします。偏りなく結婚が行われている集団、ということでしょうか。
ドクタードクター
その通り。十分大きな集団で無作為に婚姻が行われ、突然変異や自然選択、移住の影響が無視できる、つまりハーディ・ワインベルグ平衡が成り立つと仮定してよい、という合図なんだ。このとき、正常アレルの頻度をp、変異アレルの頻度をq(p+q=1)とすると、遺伝子型の頻度は(p+q)²を展開した形、正常ホモがp²、保因者のヘテロが2pq、患者のホモがq²になる。
医学生医学生
劣性遺伝なので、発症するのは変異ホモだけ。だからq²が4万分の1ということですね。
ドクタードクター
そう。q²=1/40,000だから、平方根をとってq=1/200。変異アレルは200本に1本の割合で集団に存在していることになる。ここから保因者頻度は?
医学生医学生
2pqなので…あ、qが1/200だから、反射的に「2で割って400人に1人」と書きそうになりました。
ドクタードクター
そこは典型的な落とし穴だね。保因者は「2を掛ける」側なんだ。2pq=2×(199/200)×(1/200)で、pは1にきわめて近いから2pq≒2q=2×1/200=1/100。つまり保因者は約100人に1人になる。
医学生医学生
400人に1人というのは、計算の向きを間違えたときに出てくる数字なんですね。
ドクタードクター
そういうこと。ほかの誤答も、どういう取り違えで出てくるか見ておくと理解が深まる。4万人に1人は問題文の患者頻度そのもので、保因者と患者を混同した答えだ。1万人に1人はどうだろう。
医学生医学生
別の解き方をすると出てきませんか。保因者頻度を1/xとして、両親がともに保因者の確率が(1/x)²、そこから患者が生まれる確率が1/4なので、(1/x)²×1/4=1/40,000。すると(1/x)²=1/10,000になります。
ドクタードクター
見事な検算だ。その1/10,000は「保因者どうしが夫婦になる確率」であって、保因者頻度ではない。平方根をとってx=100、ここまで進めて初めて答えになる。途中の値で手を止めると誤答に引っかかるわけだ。1,000人に1人は、正しい計算からは出てこない値で、保因者を10分の1に過小評価していることになる。
医学生医学生
患者が4万人に1人でも、保因者はその400倍いるんですね。思ったよりずっと多いです。
ドクタードクター
そこがこの問題の一番のメッセージだよ。まれな劣性遺伝病でも、症状のない保因者は集団の中にかなりの頻度で存在している。覚え方としては「保因者頻度≒2×√患者頻度」。これで試験場では数秒で解ける。
医学生医学生
小児科の実習で新生児マススクリーニングの話を聞きました。フェニルケトン尿症なども、保因者はけっこう多いということでしょうか。
ドクタードクター
そうだね。日本人のフェニルケトン尿症は数万〜8万人に1人程度とされ、保因者はおおよそ100〜140人に1人と見積もられている。だから両親に家族歴がなくても、保因者どうしの組み合わせで患児が生まれることは珍しくないんだ。
医学生医学生
X連鎖劣性遺伝の場合も同じ式で考えられますか。
ドクタードクター
少し変わる。男性はX染色体が1本だけだから、男性患者の頻度はアレル頻度qそのものになる。女性の保因者は2pq≒2q、女性患者はq²だ。たとえば男性の1万人に1人が発症する疾患なら、女性保因者は約5,000人に1人、女性患者は1億人に1人というオーダーになる。
医学生医学生
血族婚で劣性遺伝病が増えるという話も、この考え方とつながっていそうですね。
ドクタードクター
いいところに気づいたね。血縁者は共通の祖先から同じ変異アレルを受け継いでいる可能性があるので、二人とも保因者である確率が一般集団より高くなる。だから疾患がまれであるほど、患者の両親が血族婚である割合が高くなる。遺伝カウンセリングで再発率や保因者の確率を説明するときにも、今日の計算が土台になるよ。

まとめ

常染色体劣性遺伝病の保因者頻度は、ハーディ・ワインベルグの法則で求めます。「集団が均質」とは平衡を仮定してよいという意味で、正常アレル頻度p、変異アレル頻度qとすると患者頻度はq²、保因者頻度は2pqです。患者が4万人に1人ならq=1/200となり、pはほぼ1なので保因者頻度は2pq≒2q=1/100、約100人に1人となります。まれな疾患では「保因者頻度≒2×√患者頻度」と覚えると便利で、X連鎖劣性遺伝では男性患者頻度がqそのものになる点も併せて押さえておきましょう。まれな疾患でも無症状の保因者は患者よりはるかに多く存在するという理解は、血族婚のリスク説明や遺伝カウンセリングの基礎になります。

解答・解説

正解はaです

集団の中での遺伝子の割合(遺伝子頻度)から遺伝子型の割合を求める問題であり、ハーディ・ワインベルグの法則を使う。「集団が均質である」という条件は、十分大きな集団で無作為に婚姻が行われ、突然変異・選択・移住などの影響がない(ハーディ・ワインベルグ平衡が成り立つ)とみなしてよい、という意味である。

手順1:遺伝子頻度を置く

病気の原因となる変異アレル(対立遺伝子)をa、正常アレルをAとし、それぞれの頻度をq、p(p+q=1)とする。 ハーディ・ワインベルグ平衡のもとでは、遺伝子型の頻度は  AA(正常のホモ接合):p²  Aa(保因者=ヘテロ接合):2pq  aa(患者=変異のホモ接合):q² となる。

手順2:患者の頻度から変異アレルの頻度を求める

常染色体劣性(潜性)遺伝では、aaのみが発症するので  q²=1/40,000  q=1/200

手順3:保因者頻度を計算する

p=1-1/200=199/200  2pq=2×(199/200)×(1/200)=398/40,000≒1/100.5 pは1にきわめて近いので、2pq≒2q=2×1/200=1/100と近似できる。 したがって保因者は約100人に1人である。

別の考え方(検算)

保因者頻度を1/xとすると、両親がともに保因者である確率は(1/x)²で、その夫婦から患者(aa)が生まれる確率は1/4である。よって  (1/x)²×1/4=1/40,000  (1/x)²=1/10,000  x=100 となり、同じ結果が得られる。 覚え方として、まれな常染色体劣性遺伝病では「保因者頻度≒2×√(患者頻度)」と整理しておくと、素早く計算できる。

選択肢考察

  1. ○a.  100人に1人

    患者頻度q²=1/40,000から変異アレル頻度q=1/200が求まり、保因者頻度は2pq≒2q=2×1/200=1/100となる。したがって約100人に1人が保因者であり、これが正解である。発症者が4万人に1人とまれな疾患でも、症状のない保因者はその400倍も多く存在することになる。

  2. ×b.  400人に1人

    変異アレル頻度q(1/200)に2を掛けるべきところを、1/(2×200)のように割ってしまうなど、計算の手順を取り違えると出てくる値である。正しくは保因者頻度2pq≒2×1/200=1/100であり、400人に1人ではない。

  3. ×c.  1,000人に1人

    ハーディ・ワインベルグの法則に基づく計算からは導かれない値である。患者頻度1/40,000から求めた変異アレル頻度は1/200、保因者頻度は約1/100であり、1,000人に1人では保因者を1/10に過小評価していることになる。

  4. ×d.  10,000人に1人

    10,000は、両親がともに保因者となる確率(1/x)²に相当する値(1/10,000)である。これはあくまで「保因者どうしの組み合わせ」の頻度であり、平方根をとって1/100としたものが保因者頻度である。途中の値をそのまま答えにしないよう注意する。

  5. ×e.  40,000人に1人

    これは問題文に示された患者(変異アレルのホモ接合aa)の頻度そのものであり、保因者(ヘテロ接合Aa)の頻度ではない。常染色体劣性遺伝病では、保因者は無症状のまま集団中に患者よりはるかに多く存在する。

ハーディ・ワインベルグの法則

十分に大きな集団で、無作為に婚姻が行われ、突然変異・自然選択・移住・遺伝的浮動の影響が無視できるとき、アレル頻度と遺伝子型頻度は世代を経ても変化しない。2つのアレルの頻度をp、q(p+q=1)とすると、遺伝子型頻度は(p+q)²=p²+2pq+q²に従う。

遺伝形式ごとの応用

常染色体劣性遺伝:患者頻度=q²、保因者頻度=2pq≒2q(qが小さいとき)。 X連鎖劣性遺伝:男性はX染色体を1本しかもたないため、男性患者の頻度=q(アレル頻度そのもの)となる。女性患者の頻度はq²、女性保因者の頻度は2pq≒2qである。例えば男性の1/10,000が発症する疾患では、女性保因者はおよそ1/5,000、女性患者は1/10⁸となる。

血族婚(近親婚)と常染色体劣性遺伝病

血縁者は共通の祖先から同じ変異アレルを受け継いでいる可能性がある。そのため、まれな常染色体劣性遺伝病ほど、患者の両親が血族婚である割合が高くなる。

保因者頻度の例

日本人ではフェニルケトン尿症の発症はおよそ数万〜8万人に1人とされ、保因者は100〜140人に1人程度と見積もられる。このように、まれな疾患でも保因者はかなりの頻度で存在する。

POINT

・常染色体劣性遺伝病:患者頻度=q²、保因者頻度=2pq≒2q。 ・患者1/40,000→q=1/200→保因者≒1/100。 ・簡便法:保因者頻度≒2×√(患者頻度)。 ・X連鎖劣性遺伝病では男性患者頻度=q、女性保因者頻度≒2q。 ・「集団が均質」はハーディ・ワインベルグ平衡を仮定してよいという意味。

※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。