トップページ ＞ タンパク質の形を通し て学ぶ「遺伝情報とは」 ＞ 遺伝情報の流れーセントラルドグマ

　第２回の講義では、ＤＮＡの構造とその自己複製能について説明しました。第３回の講義では、タンパク質の構造と機能について説明し、タンパク質がすべての生命現象に何 らかの関与をしていることを強調しました。ところで、ＤＮＡは遺伝情報を担う分子であるとされますが、その点についてはまだ触れられていません。また、ＤＮＡ とタンパク質の関係についてもまだ説明をしていません。今回の講義では、それらの点について説明していこうと思います。それは分子生物学のセントラルドグマと よばれ、図4.1のようにまとめられます。

4.1　ＤＮＡとＲＮＡ

　これまでＤＮＡという名前の由来について説明をしてきませんでした。この用語は、Deoxyribo Nucleic Acid（日本語ではデオキシリボ核酸と表記する）の簡略形です。ＤＮＡは紐状の分子ですが、その基本単位はヌクレオチドで、リン酸、糖、塩基の３つの要素からできていま す（第２回の講義の図2.５ 参照）。実は、この糖の化学的な名称をデオキシリボースといいます。核酸は、細胞の核に存在する酸性化合物という意味です。なぜ、わざわざ糖の名前がついてい るかというと、ＤＮＡのデオキシリボースの部分がリボースという糖に置き換わっている分子があり、それと区別する必要があったからです。ちなみにそれは、 Ribo Nucleic Acid （リボ核酸）、通称ＲＮＡとよばれています。図4.２に見られるように、２つの糖の違いは化学的にはほんのわずかです。ＤＮＡとＲＮＡは互いに親戚の分子と言えます（図 4.２の矢印 の指し示す部分を見てください。リボースにある酸素原子がデオキシリボースにはありません。デオキシとは酸素 oxygen がないという意味です。また、ＤＮＡ とＲＮＡを一緒に扱うときは、単に核酸とよびます）。

　ＤＮＡとＲＮＡの塩基について見てみましょう。ＤＮＡには４種類の塩基、アデニン（Ａ）、チミン（Ｔ）、シトシン（Ｃ）、グアニン（Ｇ）の４種類がありま し た（図2.6）。一方、ＲＮＡにも４種類の塩基があります。Ａ、Ｃ、Ｇは共通ですが、Ｔは使われておらず、ウラシル（Ｕ）という塩基が代わりに使われています。図4.3に 見 られるように塩基ＴとＵの違いはほんのわずかです。

　そのため、以下に示したように、Ａ−Ｔという塩基の相補性がＡ−Ｕの間にも成り立ちます。しかも、塩基の相補性は、ＤＮＡ とＤＮＡの間だけではなく、ＲＮＡとＲＮＡ、ＤＮＡとＲＮＡの間でも成り立つのです。

 
     DNA-DNA    DNA-RNA    RNA-RNA
      A - T      A - U      A - U
      T - A      T - A      U - A
      C - G      C - G      C - G
      G - C      G - C      G - C
      

　このように、ＤＮＡとＲＮＡはきわめてよく似た分子ですが、もちろん違いがあります。ＤＮＡはＲＮＡに比べより安定性が高く、細胞の核内での情報の保持に 適 して います。一方、ＲＮＡはＤＮＡより活性が高く、機能性に富んでいます。ただし、その分変化する可能性が高いのが難点で、情報の保存には向きません。そこで、 ＤＮＡのもつ情報の一時的な処理といった実践的な仕事にＲＮＡが使われています。生命は、ＤＮＡとＲＮＡを使い分けながら、遺伝情報を処理しているのです。

(注) 第８回にウイルスの話題を取り上げます。ウイルスには、ＤＮＡではなくＲＮＡを遺伝情報物質としてもつものがあります。これらのウイルスは変異が起こりやすく、われわれか らすると、一度できた抗体がその変異によって効かなくなることが頻繁に起こるため厄介な相手となります。ウイルスから見れば、ＲＮＡの不安定さをうまく利用し て変異し、われわれの免疫系に対抗しているとも言えます。（変異は遺伝情報を損傷する方向に働くことが多いですが、ウイルスは大量に子孫を生み出すことでその リスクを回避しています。その中の１つでも抗体に対抗できる、より生存率の高い変異が誕生すれば、生き延びることができ、それを増殖させることで再び勢力を拡 大することができるわけです。）
　ちなみに、インフルエンザウイルスやコロナウイルスはＲＮＡウイルスです。

4.2　転写 transcription

　親からもらったＤＮＡの塩基配列という情報は、必要な領域をＲＮＡに写し取って利用します。これを転写といいます。ＤＮＡをマスターテープとすれば、 ＲＮＡにダビングしてから、そのＲＮＡを使って遺伝情報発現のための作業をするわけです。このときＤＮＡとＲＮＡの間の塩基の相補性が役立ちます。

　図4.4で示したように、転写では、まずＤＮＡの二重らせんを解き、一方のＤＮＡ鎖（アンチセンス鎖）を鋳型として相補的な塩基をもつＲＮＡのヌクレオチドを取 り込み、つないでいきます。このようにＲＮＡを合成すると、ＤＮＡのもう一方の鎖（センス鎖）の塩基配列がＲＮＡにコピーされたことになります。ただし、Ｔは Ｕとなります。また、転写はＲＮＡポリメラーゼという酵素によって触媒され、迅速に進行していきます。 こうして合成されたＲＮＡはｍＲＮＡ(messenger ＲＮＡ)とよびます。

4.3　翻訳 translation

　転写は細胞の核内で行われますが、合成されたｍＲＮＡは核を出て細胞質へと移動し、リボソーム上でのタンパク質合成の設計図として使われます。ここで ｔＲＮＡ（transfer ＲＮＡ）が登場します。ｍＲＮＡとｔＲＮＡはともにＲＮＡであり、接頭辞のｍとｔはその機能を明示するためにつけられています。ｔＲＮＡは、一端にアミノ酸をつけ、リボ ソームへとアミノ酸を運んでくるのが仕事です。ｔＲＮＡにはいくつか種類があり、73〜93個のヌクレオチドからなるＲＮＡですが、そのなかのアンチコドンと よばれる特定の３つのヌクレオチドの塩基の並びと、末端に結合しているアミノ酸の種類が対応しているのが特徴です。

　図4.5の左のｔＲＮＡのCG画像ですが、右の図ように、しばしばアンチコドンを強調してフォークのように描かれます。 図4.5でｍＲＮＡに結合している２つのｔＲＮＡのうち、右のｔＲＮＡを見てみましょう。Asp（アスパラギン酸）というアミノ酸を結合したｔＲＮＡのアンチコドンは ＣＵＡで、対応するｍＲＮＡ の３塩基ＧＡＵに結合してい ます。ｍＲＮＡ側の３塩基はコドンとよびます。上で述べたG−C、Ｃ−Ｇ、U−A、A−U というＲＮＡ間の塩基の相補性が成立しているのがわかります。図の左側ではTrp（トリプトファン）という アミノ酸を運んできたｔＲＮＡがｍＲＮＡから離れ、去っていきます。合成されたポリペプチド鎖をみると、そのTrpが含まれています。また右端には、ＡＡＧと いうアンチコドンをもち、Phe（フェニールアラニン）というアミノ酸を携えたｍＲＮＡがやってきており、ｍＲＮＡのＵＵＣというコドンにこれから結合しま す。

　図4.4で見たように、ＤＮＡの塩基配列は、アンチセンス鎖を鋳型としてｍＲＮＡに転写されます。このときｍＲＮＡの塩基配列はＤＮＡのセンス鎖の塩基配列と等しくなり ます。ただ し、ＵがＴに代わります。ｍＲＮＡの塩基配列は３塩基（コドン）ごとに区切って考えます。各コドンと相補的な３塩基のアンチコドンをもつｔＲＮＡがこれに結合 しますが、ｔＲＮＡはそのアンチコドンに対応したアミノ酸を運んでいます。そして、順次運ばれてきたアミノ酸がその前のアミノ酸と結合しポリペプチド鎖が伸長 していきます。そうして完成したものがタンパク質というわけです。こうして、ＤＮＡの塩基配列がタンパク質のアミノ酸配列に読み換えられます。これを翻訳とよ んでいます。

4.4　コドン表

　３塩基からなるコドンは４×４×４ = 64通りの場合があり、これが20種類のアミノ酸に対応しています。当然のことながら、１つのアミノ酸に複数のコドンが対応することになります。また、コドンのなかに は、アミノ酸に対応するのではなく、タンパク質の始点や終点を示すコドンもあります。それらをまとめたのが下のコドン表です。 日常会話で「遺伝子」というとき、かなり漠然と、遺伝によって伝わった形質を決めている因子といった意味で使うことが多いと思いますが、生命科学では、１つの タンパク質のアミノ酸配列に対応するＤＮＡ上の領域を指します。すなわち、開始コドンのＡＴＧから、３つの終止コドンのどれかが現れるまでの領域となります。

表4.1　コドン表

（注）ＡUＧはＭ (Ｍｅｔ、メチオニン) というアミノ酸に対応するとともに、タンパク質の始まりをも意味しています。したがって、タンパク質の最初のアミノ酸は必ずメチオニンです。しかし、タンパク質によって は、合成された後、最初のいくつかのアミノ酸が切り捨てられて初めて機能するものもあり、実際に機能をもつ状態のアミノ酸配列で表されたときは、先頭のアミノ 酸はメチオニンになっていない場合もあります。また、アミノ酸配列の途中にＭｅｔが現れることもあります。先頭のＭｅｔを表すＡＵＧは、その前にあるプロモー タと呼ばれるDNA上の領域の塩基配列によって区別されます。プロモータについては、第11回転写調節で詳しくお話します。

4.5　分子生物学のセントラルドグマ

　以上をまとめると、冒頭の図4.1のようになります。親から譲り受けたＤＮＡは塩基配列という形でタンパク質のアミノ酸配列の情報をもち、ＲＮＡを介してタンパ ク質が合成されます。前回説明したように、個々のタンパク質はそのアミノ酸配列によって決まる固有の立体構造を形成します。そして、その立体構造が、その機能 に密接に関わっています。それぞれのタンパク質は、基本的に一つの機能を果たすだけですが、数万種類あるタンパク質のネットワークが、個体というシステムを構 成し、生命活動を実践しているのです。したがって、親から受け継いだ遺伝情報がいかに生命活動へと展開していくかを図4.1は表しているともいえます。これ が、 ＤＮＡおよびタンパク質という分子を基盤にした生命像であり、これを分子生物学のセントラルドグマといいます。

　ＤＮＡの塩基配列というたった４種類の塩基の１次元的な配列が、タンパク質の立体構造という3次元的な情報を有し、さらにはタンパク質のネットワークに関 す る情報までも暗黙に有することで、あらゆる生命現象に関する情報を基本的に有している、ということになるわけです。しかもそれ は、地球上のすべての生物について行われていることなのです。だからこそ、ＤＮＡとタンパク質を通して生命を眺めることに意味があるのです。