遺伝子からタンパク質へ
遺伝子とは、塩基の並びがタンパク質を指定している DNA の一部分です。細胞は DNA を直接読んでタンパク質をつくるわけではありません。まず遺伝子を伝令 RNA に写し取り (転写)、次にリボソームが mRNA を読んでアミノ酸を正しい順につなぎます (翻訳)。DNA から RNA、そしてタンパク質へというこの情報の流れは、分子生物学のセントラルドグマと呼ばれます。
転写
RNA ポリメラーゼは遺伝子の前にあるプロモーターに結合し、二重らせんの短い区間 (転写バブル、約 14 塩基対) をほどいて進んでいきます。一方の鎖である鋳型鎖を読み、それに相補的な RNA 鎖をつくります。ヌクレオチドは RNA の 3′ 末端につながれるので、RNA は 5′ から 3′ の向きに伸びます。そのため RNA は、もう一方の DNA 鎖であるコード鎖と同じ配列で、チミン (T) の代わりにウラシル (U) を持ちます。ポリメラーゼの後ろで DNA は再び閉じます。
細菌では mRNA はすぐに使われます。真核生物ではまず加工されます。5′ 末端にキャップ、3′ 末端にポリ A 尾部が付き、イントロンが切り取られて (スプライシング) から mRNA は核を出ます。
遺伝暗号
mRNA は 3 塩基ずつ読まれます。3 つ組の 1 つ 1 つがコドンです。4 種類の塩基から 4³ = 64 個のコドンができ、61 個が 20 種類のアミノ酸を指定し、3 個 (UAA、UAG、UGA) が終止を意味します。AUG はメチオニンを指定し、開始の目印にもなります。ほとんどのアミノ酸には複数のコドンがあり、ふつうは 3 番目の塩基だけが違います。つまり暗号には重複 (縮重) があります。わずかな例外を除いて、ほぼすべての生物が同じ暗号を使っています。
翻訳
- 開始: リボソームの小サブユニットが mRNA に結合して開始コドン AUG を探します。メチオニンを運ぶ最初の転移 RNA がそこに対合し、大サブユニットが加わります。
- 伸長: 次のコドンにアンチコドンが対合する tRNA が次のアミノ酸を運んできます。リボソームはそれをペプチド結合で伸びている鎖につなぎ、1 コドン進みます。細菌のリボソームは毎秒約 15 〜 20 個、ヒトのリボソームは約 5 個のアミノ酸を加えます。
- 終結: 終止コドンに合う tRNA はありません。代わりに終結因子が結合し、完成した鎖が放され、リボソームは分かれます。
コドンの順番がアミノ酸の順番を決め、その配列が、鎖が折りたたまれて働くタンパク質になる形を決めます。
計算例: β グロビン
ヘモグロビン分子の半分をなすヒト β グロビン遺伝子 (HBB) は、次のように始まります。
ATG GTG CAT CTG ACT CCT GAG GAG AAG …
- mRNA: AUG GUG CAU CUG ACU CCU GAG GAG AAG …
- コドン: AUG = Met、GUG = Val、CAU = His、CUG = Leu、ACU = Thr、CCU = Pro、GAG = Glu、GAG = Glu、AAG = Lys。
- タンパク質: Met-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys…、1 文字表記では MVHLTPEEK。
変異
- サイレント: コドンを同じアミノ酸の別のコドンに変える置換です。コドン 2 の GTG を GTC にしてもバリンのままです。
- ミスセンス: 新しいコドンが別のアミノ酸を指定します。鎌状赤血球症ではコドン 7 が GAG から GTG に変わり、グルタミン酸がバリンになります。疎水性のバリンのために、酸素が少ないとヘモグロビン分子がくっついて線維になり、赤血球が鎌の形に曲がります。害のないミスセンス変化もあれば、タンパク質を壊してしまうものもあります。
- ナンセンス: コドンが終止コドンになります。HBB の 19 番目の塩基を G から T にすると GAG が TAG になり、タンパク質はアミノ酸 6 個で止まります。このような変異は β サラセミアの原因になります。
- フレームシフト: 3 の倍数でない数の塩基を挿入または欠失すると読み枠がずれ、その後ろのコドンがすべて変わります。HBB の 20 番目の塩基を欠失させると MVHLTPGRSLPLLPCGAR の後に終止となり、短く役に立たないタンパク質になります。3 塩基の挿入や欠失なら、ずれずにアミノ酸が 1 つ増えるか減るだけです。嚢胞性線維症で最も多い変異は、フェニルアラニンを 1 つ欠失させるものです。
シミュレーションの使い方
タンパク質合成シミュレーター: 転写と翻訳で試してみること:
- β グロビンが転写され、翻訳されるのを見る。結果の mRNA をコード鎖と比べてください。
- 置換を選び、20 番目の塩基を T にする: 鎌状赤血球症の変異で、ミスセンス E7V と表示されます。
- 19 番目の塩基を T に: ナンセンス。6 番目の塩基を C に: サイレント。
- 20 番目の塩基を欠失: フレームシフトで、コドン 7 以降のハイドロパシーのグラフが乱れます。
- 短い例では開始コドンが数塩基後ろにあります。リボソームはその塩基を飛ばし、TGA で止まります。
- ATG のない配列を入力する: タンパク質はつくられません。
モデルの前提
- 標準の遺伝暗号を、配列の最初の ATG からその読み枠で、最初の終止コドンか配列の終わりまで読みます。
- イントロンのないコード配列: 入力した配列を mRNA の配列として扱い、プロモーター、スプライシング、キャップ、尾部はありません。
- ポリメラーゼとリボソームは 1 つずつで、速さは一定です。実際の遺伝子は多数のポリメラーゼに転写され、各 mRNA は多数のリボソームに同時に読まれます (ポリソーム)。
- 質量は残基の平均質量に水 1 分子を足して求め、修飾は考えません。最初のメチオニンは残します。
- ハイドロパシーはカイト・ドゥーリトルの尺度で、5 残基の窓で平均しています。
境界的なケース
- 開始コドンがない: タンパク質はできません。ATG そのものの変異で開始が失われると、シミュレーションは次の ATG から翻訳します。それは別の読み枠にあるかもしれません。
- 終止コドンがない: リボソームは配列の終わりを越えてしまいます。細胞内では、このような「ノンストップ」mRNA は見つけ出されて分解されます。
- 開始より前や終止より後の変異はタンパク質を変えません。ただし実際の遺伝子では、つくられる量に影響することがあります。
- 同じ塩基への置換は何も変えません。
モデルが成り立たなくなる場合
- サイレントが無害とは限らない。同義置換でも、スプライシングのシグナル、mRNA の折りたたみ、コドンの読まれる速さが変わり、つくられるタンパク質の量や折りたたまれ方が変わることがあります。
- ナンセンス変異依存 mRNA 分解。真核生物では、早すぎる終止コドンを持つ mRNA は、短いタンパク質が大量につくられる前にふつう分解されます。
- 開始コドンの前後関係。真核生物のリボソームはキャップから走査し、よい前後関係 (GCCACCAUGG のようなコザック配列) にある AUG を好みます。細菌はすぐ上流のシャイン・ダルガーノ配列を使います。最初の ATG が使われるとは限りません。
- 翻訳の後。最初のメチオニンはよく取り除かれるので、鎌状赤血球症の変異は Glu6Val と呼ばれます。タンパク質は切断され、シャペロンの助けで折りたたまれ、糖やリン酸で修飾されます。
- ほかの暗号。ミトコンドリアや一部の微生物は、いくつかのコドンを別の意味に読みます。ヒトのミトコンドリアでは UGA がトリプトファンを指定します。
関連ツール
DNA をタンパク質に翻訳では任意の配列を 6 つの読み枠すべてで翻訳でき、ORF 検索ではオープンリーディングフレームを探せます。点変異はDNA に変異を入れるで入れ、結果の重さはタンパク質の分子量で量れます。DNAをタンパク質に翻訳する方法では暗号を手で読む方法を、DNA・RNA 折りたたみビューアでは分子そのものを見られます。