遺伝子の発現と調節

第6章 · 遺伝子の発現と調節

DNAからタンパク質へ

遺伝子とは、塩基の配列が RNA、そして多くの場合タンパク質を表す DNA の領域です。発現には2つの段階があります。DNA から RNA への転写と、RNA からタンパク質への翻訳です。

図は回転する二重らせんの一部です。2本の鎖は中央の塩基対でつながれていて、その塩基の並びが情報です。

この章ではその情報をたどります。DNA の構造（6.1）と複製（6.2）、遺伝子が RNA（6.3）とタンパク質（6.4）に読み取られるしくみ、細胞がどの遺伝子を読むか決めるしくみ（6.5、6.6）、配列が変わると何が起こるか（6.7）、そして実験室で DNA を切り、増やし、分けるしくみ（6.8）です。

6.1 · DNAとRNA

DNAとRNAの構造

DNA、そして一部のウイルスでは RNA が、細胞の遺伝情報です。どちらもヌクレオチドの鎖で、ヌクレオチドは糖、リン酸、窒素を含む塩基からできています。

糖とリン酸が交互につながって骨格をつくります。各鎖には向きがあり、遊離のリン酸をもつ5′末端と、糖に遊離の –OH をもつ3′末端があります。DNA の2本の鎖は互いに逆向き（逆平行）に走り、ねじれて二重らせんになります。

塩基は中央で水素結合により対をつくります。A と T（2本の結合）、G と C（3本）です。A と G は環を2つもつプリン塩基、C、T、U は環を1つもつピリミジン塩基です。どの対もプリン1つとピリミジン1つなので、らせんの幅は一定（約 2 nm）で、10.5 塩基対ごとに1回転します。

シャルガフの法則。この対合のため、二本鎖 DNA では A = T、G = C になります。試料の A が 30% なら T も 30% で、残りの 40% は等分されて G が 20%、C が 20% です。

原核生物は DNA を1本の環状染色体として保持し、真核生物は核内で複数の線状染色体としてヒストンタンパク質に巻きつけて保持します。どちらもプラスミド（染色体の外にある小さな環状の二本鎖 DNA）をもつことがあります。

6.2 · DNAの複製

複製

複製は半保存的です。新しい二重らせんはそれぞれ、古い鎖を1本残し、それを鋳型として塩基対合でつくられた新しい鎖を1本得ます。

複製フォークでは、ヘリカーゼが親のらせんをほどき、塩基間の水素結合を切ります。フォークの前方ではトポイソメラーゼが、ほどくことで生じるねじれを解消します。

DNA ポリメラーゼは鎖の 3′ 末端にしかヌクレオチドを付加できないため、新しい鎖は 5′→3′ の向きにしか伸びません。また、何もない所から鎖を始められず、足場となる短いRNA プライマー（青）が必要です。

2本の鋳型は逆向きに走るので、2本の新しい鎖（赤）は異なる方法でつくられます。

ラギング鎖の断片が岡崎フラグメントです。RNA プライマーは DNA に置き換えられ、DNA リガーゼが断片間の隙間をつないで1本の連続した鎖にします。

DNA ポリメラーゼは校正もするため、複製の誤りはまれですが、ゼロにはなりません。残った誤りが突然変異です（6.7）。

6.3 · DNAからRNAへ

転写とRNAのプロセシング

転写では、RNA ポリメラーゼが遺伝子の位置で DNA を開き、片方の鎖の RNA コピーをつくります。

RNA ポリメラーゼはプロモーターに結合し、鋳型鎖を 3′→5′ に読み取って、RNA を 5′→3′ に合成します。対合は A に U、T に A、G に C、C に G です。ターミネーターで停止します。RNA の配列は、もう一方のコード鎖と同じで、T が U になります。

タンパク質の合成には3種類の RNA が関わります。mRNAは遺伝子の情報を運び、tRNAはアミノ酸を運び、rRNAはリボソームの中核をなします。

プロセシング。真核生物では、最初の転写産物である pre-mRNA が核を出る前に修飾されます。5′ キャップ（修飾されたグアニンヌクレオチド）とポリ A 尾部が付加されて、保護と翻訳の促進がなされ、イントロンがスプライシングで除かれてエキソンがつなげられます。下の pre-mRNA は 1530 ヌクレオチドで、エキソンの合計は 480 です。

選択的スプライシングにより、どのエキソンを残すかで、1つの遺伝子から異なる mRNA、つまり異なるタンパク質をつくることができます。

6.4 · RNAからタンパク質へ

翻訳

翻訳では、リボソームが mRNA を3塩基ずつ読み取り、1つのコドンが1つのアミノ酸に対応します。

開始。小サブユニットが mRNA に結合して開始コドン AUG を見つけます。メチオニンを運ぶ最初の tRNA がこれと対合し、大サブユニットが加わります。

伸長。各 tRNA は、1つのコドンと対合するアンチコドンをもち、そのコドンのアミノ酸を運びます。新しい tRNA が A 部位に入り、リボソームは伸びていく鎖をそのアミノ酸とペプチド結合でつなぎます。リボソームは3′末端の方向へ1コドン分進み、空になった tRNA は E 部位から離れます。

終結。終止コドン（UAA、UAG、UGA）には対合する tRNA がなく、放出因子がポリペプチドを解放します。

暗号は遺伝暗号表から読み取ります。この暗号はほぼ普遍的で、細菌でも人でも同じコドンが同じアミノ酸を表します。そのため、ヒトの遺伝子を細菌で発現させることができます。また、暗号には重複があり、20種類のアミノ酸に対して61個のコドンがあります。

原核生物では、mRNA がまだ転写されている間にリボソームが翻訳を始めます。HIV などのレトロウイルスは、まず流れを逆向きにします。逆転写酵素がウイルスの RNA を DNA に写し取り、その DNA が宿主のゲノムに組み込まれます。

6.5 · 遺伝子のオンとオフの切り替え

遺伝子発現の調節

細胞はすべての遺伝子を常に発現しているわけではありません。DNA 上の調節配列に調節タンパク質が結合し、転写を促進したり抑制したりします。

lac オペロンは大腸菌のオペロンです。1つのはたらき（ラクトースの利用）にかかわる遺伝子が、1つのプロモーターと1つのオペレーターのもとにあり、1本の mRNA として転写されます。これは誘導性で、通常はオフです。

リプレッサーは別の遺伝子 lacI でつくられ、オペレーターに結合して RNA ポリメラーゼをさえぎります。ラクトースがあると、そこからできるアロラクトースがリプレッサーに結合して形を変えます。リプレッサーははずれ、遺伝子が転写されます。（グルコースも少ないときに、転写は最も強くなります。）

trp オペロンは抑制性で、通常はオンです。そのリプレッサーは不活性な状態でつくられます。トリプトファンが豊富なときはトリプトファンがこれに結合し、リプレッサーがオペレーターに結合して、トリプトファンをつくる遺伝子がオフになります。

エピジェネティックな変化は、配列を変えずに遺伝子を調節します。ヒストンのアセチル化はヒストンに巻かれた DNA をゆるめて転写を可能にし、DNA のメチル化は通常その遺伝子を沈黙させます。これらの目印は元に戻すことができ、細胞分裂のときに引き継がれることもあります。

6.6 · 1つのゲノム、多様な細胞

遺伝子発現と細胞の分化

体のほぼすべての細胞は同じ遺伝子をもっています。細胞が異なるのは、発現する遺伝子が異なるからです。

真核生物の遺伝子は転写因子によってオンになります。基本転写因子は RNA ポリメラーゼがプロモーターに結合するのを助けます。特異的な活性化因子はエンハンサーに結合します。エンハンサーは数千塩基も離れていることがあり、DNA が曲がって活性化因子がプロモーターの転写装置に触れ、転写が増えます。リプレッサーは結合して転写をさえぎります。

図では、クロマチンは凝縮して沈黙しています。アセチル基（赤）がヒストンをゆるめ、活性化因子（青）がエンハンサーに結合し、DNA がループをつくって mRNA が合成されます。

細胞の種類ごとに転写因子の組み合わせが異なり、したがってはたらく遺伝子とタンパク質の組み合わせも異なります。同じ調節配列をもつ遺伝子は同じ因子に応答するので、1つのシグナルでひとまとまりのプログラム全体を同時にオンにできます。

発現は転写のあとにも調節されます。低分子 RNA（マイクロ RNA など）は特定の mRNA と対合し、その翻訳をさえぎったり、分解させたりします。

6.7 · 塩基配列が変わるとき

突然変異

突然変異とは、DNA の塩基配列の変化です。遺伝子がつくるタンパク質を変え、その結果、表現型を変えることがあります。

図では mRNA AUG GAG UUC AAA UGG GCU UAA を変異させます。これは Met-Glu-Phe-Lys-Trp-Ala をコードしています。

サイレント置換は、コドンを同じアミノ酸を指す別のコドンに変えます。ミスセンス置換は、アミノ酸を1つ変えます。GAG → GUG（グルタミン酸からバリン）は、ヘモグロビンの鎌状赤血球の変異です。ナンセンス置換は終止コドンをつくり、タンパク質を短く切ってしまいます。1塩基の挿入や欠失はフレームシフトで、それ以降のすべてのコドンが誤った読み枠で読まれます。

突然変異は、複製や修復の誤り、放射線や化学物質によって生じます。生物が必要とすることとは無関係にランダムに起こり、その影響は環境によって有害にも中立にも有益にもなります。突然変異は遺伝的変異のもとになるものです。

染色体全体も変化します。減数分裂での不分離は配偶子に染色体を1本多く、または少なくもたせます。21トリソミー（ダウン症候群）がその例です。細菌は横方向にも遺伝子を得ます。形質転換（DNA の取り込み）、形質導入（ウイルスによる運搬）、接合（細胞から細胞へ）、転位（ゲノム内での遺伝子の移動）です。

6.8 · DNAを読み取り、複製する

バイオテクノロジー

DNA の性質から、4つの実験手法が生まれました。

ゲル電気泳動は DNA を大きさで分けます。DNA はリン酸のために負に帯電しているので、電場の中では + 極へ向かって進みます。ゲルは長い断片を短い断片より強く引きとめるので、最も短いものが最も遠くまで進みます。大きさがわかっているラダーを試料のとなりで泳動します。移動距離は大きさの対数に比例して一定に減ります。

ウェルから 27.9 mm にあるバンドは、500 bp と 300 bp のバンドの間にあります。直線から読み取ると約 400 bp です。図では、犯行現場の試料のバンドが容疑者2のバンドと一致しています。

PCR（ポリメラーゼ連鎖反応）は、選んだ DNA の一部を増やします。95 °C に加熱して鎖を分離し、約 55 °C に冷ましてプライマーを標的の両側に結合させ、次に 72 °C で耐熱性の DNA ポリメラーゼにそれらを伸長させます。1サイクルごとに標的は2倍になり、5 サイクルで1コピーが 32 になり、30サイクルでは約 1.07 十億になります。

細菌の形質転換は、プラスミドに載せた遺伝子を細菌に入れます。多くの場合、抗生物質耐性遺伝子も一緒に入れ、形質転換した細胞だけが抗生物質入りのプレートで増えるようにします。

DNA シーケンシングは塩基の並びを読み取ります。