遺伝子の発現 · GeneLab

遺伝情報の転写

遺伝子は遺伝的なはたらきをもつ DNA の領域ですが、タンパク質は細胞質のリボソームでつくられます。そこでまず DNA の遺伝情報を RNA に「書き写し」ます。これを転写といいます。

RNA ポリメラーゼは遺伝子の上流にあるプロモーターに結合し、DNA の二本鎖を少しだけほどいて、一方の鎖を鋳型に、塩基の相補性（A–U、T–A、G–C、C–G）に従ってリボヌクレオチドを 1 つずつつないでいきます。mRNA は 5′ 末端から 3′ 末端の向きに伸びます。RNA には T がなく、代わりにウラシル U があります。

まずポリメラーゼを結合させ、鋳型鎖の塩基 1 つ 1 つに対になるリボヌクレオチドを自分で選びましょう。次に鋳型鎖を替えたり、プロモーターを取り除いたりしてみましょう。

翻訳と遺伝子の突然変異

mRNA の隣り合う 3 つの塩基が 1 つのアミノ酸を指定します。これをコドンといいます。リボソームは mRNA に沿って移動し、1 回に 1 コドンずつ読みます。tRNA の一端にあるアンチコドンがコドンと相補的に対合し、もう一端は対応するアミノ酸を運んでいます。リボソームはアミノ酸をつないでペプチド鎖をつくり、終止コドンで止まります。これを翻訳といいます。1 本の mRNA には同時に多くのリボソームが結合することが多く、少しの mRNA から多量のタンパク質がすばやくつくられます。

この mRNA は β-グロビン遺伝子の始まりの部分です。一度翻訳したら、右の配列で塩基をクリックして変えたり、塩基を 1 つ挿入・欠失させたりして、もう一度翻訳し、遺伝子の突然変異のさまざまな結果を比べましょう。

遺伝暗号の解読

4 種類の塩基でどうやって 20 種類のアミノ酸を指定するのでしょうか。2 つの塩基で 1 つのアミノ酸なら組み合わせは 4² = 16 通りで足りません。3 つなら 4³ = 64 通りで十分です。

1961 年、ニーレンバーグとマッテイは DNA を含まない細胞抽出液に人工合成した mRNA を加え、どの標識アミノ酸がペプチドに取り込まれるかを調べました。同じ年、クリックはファージの遺伝子に塩基を挿入したり欠失させたりして、コドンが3 つの塩基からなり、決まった出発点から重なりも切れ目もなく連続して読まれることを示しました。

人工 mRNA を 1 つ選び、加える・保温する・ろ過して放射能を測る、の順に進めましょう。さらに右側のフレームシフト実験で、塩基を 1・2・3 個挿入した結果を比べましょう。

セントラルドグマとエピジェネティクス

クリックが提唱したセントラルドグマ：遺伝情報は DNA から DNA へ（複製）、DNA から RNA へ（転写）、さらにタンパク質へ（翻訳）と流れます。その後、RNA を鋳型に DNA を合成したり（逆転写）、自分の RNA を複製したり（RNA の複製）するウイルスも見つかりました。多くの薬は、このうちどれかの段階を止めることで効きます。

遺伝子が形質を支配する道すじは 2 つあります。酵素の合成を通して代謝を支配するもの（PeaLab のしわのあるエンドウなど）と、タンパク質の構造を直接支配するもの（鎌状赤血球症など）です。遺伝子の塩基配列が変わらなくても、発現が遺伝的に変化することがあります。たとえばプロモーターの DNA メチル化は遺伝子を沈黙させます。これをエピジェネティクスといいます。細胞ごとに異なる遺伝子が発現することが細胞分化の基礎です。StemLab も見てみましょう。

右側で遺伝のしくみを切り替え、薬を加え、メチル化の程度をドラッグして、マウスの毛色を見ましょう。

確認テスト

4 つの課題をふり返り、下の選択問題に答えよう。