第6章 遺伝情報の発現

転写
─ DNAからmRNAへ

DNAの情報は「設計図の原本」です。原本をそのまま持ち出すのはリスクが高い。
そこで細胞は、必要な部分だけを「コピー」して作業現場に運びます。
このコピー作業が「転写」──DNAの塩基配列をmRNAに写し取る過程です。

1セントラルドグマ ─ 情報の流れの大原則

遺伝情報はDNA → RNA → タンパク質という一方向に流れます。 この基本原則をセントラルドグマ(中心教義)といい、クリックが提唱しました。

DNA →転写→ mRNA →翻訳→ タンパク質

  • 転写:DNAの塩基配列をmRNAに写し取る(この記事)
  • 翻訳:mRNAの塩基配列をアミノ酸配列に変換する(6-4)
ポイント:セントラルドグマのたとえ
  • DNA = 設計図の原本(核の中に保管。コピーを取って使う)
  • mRNA = コピーした作業指示書(核から細胞質に運ばれる)
  • タンパク質 = 完成品(作業指示書を見てつくられる)

2転写のしくみ ─ DNAを「読み取る」

プロモーター ─ 転写の「スタート地点」

遺伝子の上流(5'側)にはプロモーターと呼ばれる特定のDNA配列があり、ここにRNAポリメラーゼが結合して転写を開始します。 プロモーターはいわば「ここから読み始めよ」という標識であり、どの遺伝子が転写されるかを決める重要な領域です。

転写の流れ

  1. RNAポリメラーゼがプロモーターに結合し、DNAの二重らせんの一部がほどかれ、鋳型鎖(3'→5'方向の鎖)が露出する
  2. RNAポリメラーゼが鋳型鎖の塩基配列を読み取り、相補的なRNAヌクレオチドを5'→3'方向につなげていく
  3. DNAのAにはU(ウラシル)が、TにはAが、GにはCが、CにはGが対応する
  4. 合成されたRNAがmRNA(メッセンジャーRNA)として核から細胞質へ運ばれる
DNAの情報を直接タンパク質に変換せず、わざわざmRNAを経由するのか
DNAは核の中に保管されているが、タンパク質合成は細胞質のリボソームで行われる
DNAは大きすぎて核膜を通過できない。しかもDNAは原本なので傷つけたくない
必要な遺伝子だけをmRNAにコピーして核外に運び出す
mRNAは使い捨ての「コピー」であり、必要なときだけ必要な量を合成できる(発現調節の基盤)
ポイント:転写の塩基対応
  • DNA鋳型鎖のA → mRNAのU(DNAのTがRNAではUになる)
  • DNA鋳型鎖のT → mRNAのA
  • DNA鋳型鎖のG → mRNAのC
  • DNA鋳型鎖のC → mRNAのG

3真核生物の転写 ─ スプライシング

真核生物の遺伝子には、タンパク質をコードする部分(エキソン)と、コードしない部分(イントロン)が交互に存在します。

転写直後のRNA(mRNA前駆体)にはエキソンとイントロンの両方が含まれています。 mRNA前駆体は核内で以下の3つの加工を受けて成熟したmRNAになり、核外に運ばれます。

  • 5'キャップ:mRNAの5'末端にメチル化されたグアニンが付加される。翻訳の開始やmRNAの安定化に関わる
  • 3'ポリAテール:3'末端に多数のアデニン(A)が付加される。mRNAの安定化に関わる
  • スプライシング:イントロンの除去とエキソンの連結

原核生物では転写と翻訳が同時に進む

原核生物には核膜がないため、転写中のmRNAにリボソームがすぐに結合し、転写と翻訳が同時に進行します。 また、原核生物の遺伝子にはイントロンがないため、スプライシングも行われません。 一方、真核生物では核内で転写とRNA加工が行われ、完成したmRNAが核外に輸送されてから翻訳が行われるため、転写と翻訳は時間的・空間的に分離されています。

発展:選択的スプライシング ─ 1つの遺伝子から複数のタンパク質 生物

エキソンのつなぎ方を変えることで、1つの遺伝子から複数の異なるmRNA(=複数の異なるタンパク質)をつくることができます。これを選択的スプライシングといいます。ヒトの遺伝子数は約2万ですが、タンパク質の種類は10万以上──この差は選択的スプライシングで説明できます。つまり「遺伝子の数=タンパク質の種類」ではないのです。

4この章を俯瞰する ─ 転写から翻訳へ

この章と他の章のつながり

他の章へのつながりマップ

  • 翻訳 → 6-4:mRNAのコドンがリボソームで読み取られ、アミノ酸配列に変換される。
  • 遺伝子発現調節 → 6-5:どの遺伝子をいつ転写するかの制御が、細胞の分化や発生を決める。
  • 突然変異 → 2-1:DNA配列の変化がmRNAの配列、ひいてはタンパク質の機能に影響する。

5まとめ

  • セントラルドグマ:DNA → RNA → タンパク質(情報の一方向の流れ)
  • 転写プロモーターにRNAポリメラーゼが結合し、鋳型鎖を読み取り相補的なmRNAを合成する
  • 塩基の対応:DNAのA→U、T→A、G→C、C→G(TがUに置き換わる)
  • 真核生物ではmRNA前駆体に5'キャップ3'ポリAテールの付加とスプライシング(イントロン除去+エキソン連結)が行われる
  • エキソン=タンパク質をコードする部分。イントロン=コードしない部分
  • 原核生物では転写と翻訳が同時進行する(核膜がないため)

6確認テスト

この節で学んだ基本事項を確認しましょう。

Q1

セントラルドグマの流れを、矢印を使って示せ。

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解答

DNA →(転写)→ mRNA →(翻訳)→ タンパク質。遺伝情報はこの一方向に流れる。

Q2

DNA鋳型鎖の配列が 3'-TACGGATTC-5' のとき、転写されるmRNAの配列を5'→3'方向で示せ。

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解答

5'-AUGCCUAAG-3'。DNA鋳型鎖の各塩基に対し、A→U、T→A、G→C、C→Gで対応させる。

Q3

「スプライシング」とは何か。「イントロン」「エキソン」の語を用いて述べよ。

▶ クリックして解答を表示
解答

転写直後のRNAからイントロン(タンパク質をコードしない部分)を除去し、エキソン(コードする部分)を連結して成熟mRNAをつくる過程。

7入試問題演習

この節で学んだ内容を、入試形式の問題で確認しましょう。

A 基礎レベル

6-3-1A 基礎知識穴埋め

次の文中の空欄( ア )〜( オ )に入る適切な語句を答えよ。

DNAの塩基配列をmRNAに写し取る過程を( ア )という。この反応を触媒する酵素は( イ )である。真核生物では、転写直後のRNAからタンパク質をコードしない( ウ )を除去し、コードする( エ )を連結する( オ )が行われる。

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解答

ア:転写 イ:RNAポリメラーゼ ウ:イントロン エ:エキソン オ:スプライシング

解説

転写はRNAポリメラーゼが鋳型鎖を読み取ってmRNAを合成する過程です。真核生物ではスプライシングが転写後に核内で行われ、完成したmRNAが核外に運ばれて翻訳に使われます。

B 標準レベル

6-3-2B 標準論述

(1) 遺伝情報がDNAから直接タンパク質に変換されるのではなく、mRNAを経由する利点を40字以内で述べよ。

(2) 原核生物にはスプライシングが行われない。原核生物の遺伝子の構造がどのように異なるか、「イントロン」の語を用いて20字以内で述べよ。

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解答

(1) 必要な遺伝子だけをmRNAにコピーして使うため、遺伝子の発現量を柔軟に調節できるから。(40字)

(2) 原核生物の遺伝子にはイントロンがない。(19字)

解説

(1) mRNAは使い捨てであり、多くつくれば多くのタンパク質が合成され、分解すれば合成が止まります。この「mRNAの量の調節」が遺伝子発現調節の基盤です。

(2) 原核生物の遺伝子は連続的にコードされており(イントロンがない)、転写されたmRNAがそのまま翻訳に使われます。