第８回 細胞核と遺伝子発現機構関係章：６章～９章

複製

転写

ＲＮＡプロセッシング

ｍＲＮＡ翻訳

核小体

核細胞質

核酸（ヌクレオチド） 塩基

リン酸

五炭糖

リボース

デオキシリボース

プリン

ピリミジン

ヌクレオシド・・・塩基＋五炭糖ヌクレオチド・・・塩基＋五炭糖＋リン酸

付加リン酸は1つとは限らず、３つのもの多い

核酸デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）

・・・五炭糖がデオキシリボース自然界のＤＮＡは原則二本鎖

リボ核酸（ＲＮＡ）・・・五炭糖がリボース

自然界のＲＮＡは原則一本鎖

教科書ｐ83～87

ヌクレオシド（Nucleoside）とヌクレオチド（Nucleotide）の名称

塩基

プリン ピリミジン

アデニン（A）

グアニン（G)

シトシン（C)

ウラシル（U)[チミン（T)]

ヌクレオシド RNA中 アデノシン グアノシン シチジン ウリジン

DNA中 デオキシアデノシン

デオキシグアノシン

デオキシシチジン

デオキシチミジン

ヌクレオチド RNA中 アデニル酸 グアニル酸 シチジル酸 ウリジル酸

DNA中 デオキシアデニル酸

デオキシグアニル酸

デオキシシチジル酸

デオキシチミジル酸

ヌクレオシド一リン酸 AMP GMP CMP UMPヌクレオシド二リン酸 ADP GDP CDP UDPヌクレオシド三リン酸 ATP GTP CTP UTP

デオキシヌクレオシド一、二、三リン酸

ｃAMP等教科書ｐ84～85

ＤＮＡ

副溝~1.2nm

主溝～2.2nm

直径2nm

1回転の長さ：3.4nm

Watson & CrickＮａｔｕｒｅ（1953年）に掲載された僅か２頁の論文

教科書ｐ85～86

1.08nm

水素結合

ホスホジエステル

結合

ＴＡＴＡボックス結合蛋白質（ＴＢＰ）のＣ末端領域が、Ａ、Ｔ塩基に富むＤＮＡ配列の主溝に結合すると二重螺旋を解き、鋭く曲げる。ほとんどの真核動物の遺伝子は転写にＴＢＰが必要。

存在する様々なＤＮＡ構造(a) １０．５塩基対で螺旋１巻(b) １１塩基対で螺旋１巻（塩基対螺旋軸に

対して傾く）(c) 左巻き二重螺旋

0.34

nm

pH12以上のアルカリ性や90℃以上の加熱⇒2本鎖ＤＮＡは1本鎖に解離1本鎖ＤＮＡを2本鎖に戻す⇒再生（renaturation）・・・Hybridizationに応用Hybridization： 多数のＤＮＡ（ＲＮＡ）混合物から特別なＤＮＡ（ＲＮＡ）を検出・単離する技術

すべての真核生物は直鎖状二本鎖ＤＮＡを有し、両側に末端が存在する

ＤＮＡの螺旋構造 教科書ｐ85

多くの原核生物は閉環状二本鎖ＤＮＡを有する。通常、超螺旋構造をしている（下左）が、トポイソメラーゼⅠ（topoisomerase I： ＤＮＡに無差別に結合し片側の鎖のホスホジエステル結合を切断）で一方のＤＮＡ鎖を切断（nick）するとねじれが弛緩し、環状を呈する（下右）。

トポイソメラーゼⅡ（topoisomerase Ⅱ）は、ＤＮＡの二本鎖両方を切断し、その後に再びつなぐ。ねじれのゆがみを解消するとともに、二つの環状ＤＮＡをつなぐことができる。

遺伝子と染色体の構造の概要核

間期染色体

クロマチンの高次折りたたみ

30nm繊維

ミトコンドリア

染色体骨格に結合した30nm繊維のループ

糸につながれたビーズ

ヌクレオソーム可動性因子

単純配列ＤＮＡ

スペーサーＤＮＡ

遺伝子ファミリー

イントロン

単一コピー遺伝子

教科書ｐ123真核細胞ＤＮＡは、ヒストン（塩基性タンパク質）と強固に結合したヌクレオソーム構造として存在

ヌクレオソームは他のタンパク質と結合し、クロマチン繊維を形成

ヌクレオソーム構造

ヌクレオソームの超螺旋構造

クロマチン繊維

中期染色体

染色体の一部

教科書ｐ123 DNAの役割

① 種族維持複製（replication）

② 個体維持

転写

翻訳

蛋白質合成

DNA

RNA

アミノ酸

蛋白質

個体を維持するために必要な物質（蛋白質）を生産

蛋白質

DNA

蛋白質

DNA①

②②

遺伝情報の発現（gene expression）

細胞分裂・・・子孫細胞（仲間）をつくる

細胞増殖は細胞の最も基本的な機能

教科書ｐ88

細胞分裂遺伝子は親細胞の中で２倍に複製されてから娘細胞に分裂する

遺伝子とは（定義）・・・

「高分子ＤＮＡの中でタンパク質の一次構造（アミノ酸配列）あるいは非翻訳ＲＮＡの構造（塩基配列）を決定する情報を持った領域」

真核細胞では遺伝子間の領域が広く、遺伝子は全ＤＮＡ中にまばらに点在

教科書ｐ89 ゲノム： 細胞あたりに含まれる遺伝子の特異的な配列の１セット原核細胞は一般に一倍体 ・・・ 細胞の全ＤＮＡ配列がゲノム配列真核生物は一般に二倍体 ・・・ 一倍体相当セットがゲノム配列

染色体ゲノム ・・・ 核内ＤＮＡ染色体外ゲノム・・・原核細胞のプラスミドＤＮＡ、

真核細胞のミトコンドリアＤＮＡ・葉緑体ＤＮＡ

哺乳動物の核ゲノム（2000~4000Mb/一倍体）

アミノ酸指定配列

アミノ酸非指定配列

転写調節配列 イントロン非翻訳配列 リボソームRNA、tRNAなど

偽遺伝子 スペーサー 中頻度から高頻度繰り返し配列

縦列型反復配列

単一と中頻度繰り返し配列

遺伝子ＤＮＡ 非遺伝子ＤＮＡ

分散型反復配列

約30％ 約70％

約14％約56％

約3％ 約27％

Intron

Exon１つの遺伝子

ＤＮＡ

教科書ｐ90

Exon：蛋白質構造決定領域

図7‐3

DNAの複製

細胞分裂の前･･･同じDNAのコピーを作る

コピー機の役割をするのがDNAポリメラーゼ

DNAの複製は・・・単位となるデオキシリボヌクレオチドを重合して高分子のDNAにすること

DNAポリメラーゼは、デオキシリボヌクレオチドを重合

教科書ｐ92-93 真核細胞のＤＮＡポリメラーゼ

α β γ δ ε

細胞内区画 核 核 ミトコンドリア 核 核

プライマーゼの結合

あり なし なし なし なし

生物学的機能 ラギング鎖複製

ＤＮＡ修復 ミトコンドリアＤＮＡ修復

リーディング鎖複製

複製

3’エキソヌクレアーゼ活性

なし なし あり あり あり

ＤＮＡポリメラーゼの反応は常に５’⇒３’

Ⅰ Ⅱ Ⅲ

構造遺伝子 polA polB polC

生物学的機能 DNA複製、RNAプライマー切断

SOS DNA修復？ 複製的伸長

3’エキソヌクレアーゼ活性 あり あり なし

大腸菌のＤＮＡポリメラーゼ

教科書ｐ93

保存的複製 半保存的複製

15Ｎ培地中で合成された親鎖

14Ｎ培地中での最初の複製

14Ｎ培地中での2回目の複製

予想される結果

実際の結果Meselson & Stahlの実験 教科書ｐ94

親ＤＮＡ二本鎖

複製フォークの進行方向

リーディング鎖

短いＲＮＡプライマー

岡崎フラグメント

ラギング鎖

結合点

複製はラギング鎖で不連続ＤＮＡポリメラーゼの反応は常に５’⇒３’ リーディング鎖は連続的に複製

ラギング鎖は岡崎断片が後でつながる不連続複製

DNAポリメラーゼの反応にはプライマー（primer）が必要。

ＲＮＡポリメラーゼがＲＮＡプライマーを合成し、その先にＤＮＡポリメラーゼがＤＮＡを複製していく。ＤＮＡリガーゼ（DNA ligase）が岡崎断片の隙間（gap）を結合させる。

教科書ｐ94~95

DNA複製時に2本鎖DNAが3本

・・・複製フォーク(Replication fork)

DNA複製に関わる種々の酵素

ヘリカーゼ・・・親鎖の二本鎖を解くDNAジャイレース（トポイソメラーゼ）・・・DNA鎖切断時に親鎖にたまる歪みを解消一本鎖結合タンパク質・・・ヘリカーゼによって露出した一本鎖を安定化プライマー合成酵素（プライマーゼ）・・・RNAプライマー合成DNAポリメラーゼⅢ・・・DNA鎖延長DNAポリメラーゼⅠ・・・ラギング鎖でRNAプライマーを分解しながらDNA合成DNAリガーゼ・・・ラギング鎖で岡崎断片のDNA同士をつなげる

教科書ｐ96

複製開始の調節大腸菌 ヒト

ヌクレオチド対の数／細胞 3.9 x 106 6 x 109

複製フォークの進行速度（μm/分） 30 3ＤＮＡ複製速度(ヌクレオチド数/秒/複製フォーク) 850 60-90複製開始点／細胞 1 103-104

ゲノム複製所要時間 0.67 8細胞分裂所要時間 0.33 24

教科書ｐ88

大腸菌ＤＮＡ合成開始から終了に約40分ＤＮＡ合成終了後細胞分裂に約20分最良条件下では20分に1回分裂

ＤＮＡ合成開始から20分後には複製開始点から次のＤＮＡ合成開始（マルチフォーク型 Multi fork）

哺乳動物ＤＮＡ合成すべて終了し、細胞分裂期を経ない限り複製開始点が再度活性化することはない

Ｓ期内再複製禁止

一度使用したライセンス因子失活、細胞質内の新たなライセンス因子必要（核膜通過不能・・・核膜消失の必要）

ＤＮＡの修復親指指

掌

ポリメラーゼ触媒活性

伸長鎖

鋳型鎖3’→5’エキソヌクレアーゼ部位

教科書ｐ97

ＤＮＡポリメラーゼの校正機能

ヒト細胞における複製されたＤＮＡのミスマッチ除去修復

新たに合成された娘鎖

鋳型鎖

ＭＬＨ１エンドヌクレアーゼ、ＰＭＳ２

ＤＮＡヘリカーゼＤＮＡエキソヌクレアーゼ

ＤＮＡポリメラーゼとリガーゼによるギャップの修復

ＭＳＨ２とＭＳＨ６タンパク質複合体がＤＮＡの不適合断片に鋳型と合成された娘鎖を見分けるように結合これが引き金となり、ＭＬＨ１エンドヌクレアーゼが結合し、ＰＭＳ２なども結合。ＤＮＡヘリカーゼがらせんを解き、娘鎖が切り出される。エキソヌクレアーゼがミスマッチの塩基を含むいくつかのヌクレオチドを除去。ギャップがＤＮＡポリメラーゼδにより埋められ、ＤＮＡリガーゼによりふさがれる。

転写

DNA

mRNA

タンパク質

転写

翻訳

セントラルドグマ

教科書ｐ99～ＴＡＴＡボックスやＣＣＡＡＴボックス

ターミネーター

遺伝子暗号

開始コドン： ＡＵＧ （メチオニン）終止コドン： ＵＡＡ、ＵＡＧ、ＵＧＡ

開始～終止： 翻訳領域（コード領域）

コドン（codon）：１つのアミノ酸を特定する３つの塩基配列4^3個＝６４種類が２０種類のアミノ酸に対応

教科書ｐ99～100

ＲＮＡの転写

教科書ｐ100～101

センス鎖のＴをＵに換えるとｍＲＮＡ

ＲＮＡの種類

• ｍＲＮＡ (messenger RNA)– ＤＮＡの持つタンパク質一次構造の遺伝情報を転写してタンパク質合成系に

運ぶ。遺伝子の数だけ存在。細胞内の全ＲＮＡの１％以下。

• ｒＲＮＡ (Ribosomal RNA)– 真核細胞では、５Ｓ、５.８Ｓ、１８Ｓ、２８Ｓなどの種類があり、多くのタンパク質

とともにリボソームを形成。細胞内の全ＲＮＡの約９５％。

• ｔＲＮＡ (Transfer RNA)– タンパク質合成の際に、アミノ酸を結合してタンパク質合成の場であるリボ

ソームに運ぶ役割。４Ｓ程度のサイズで、種類は４０～５０種類。細胞内の全ＲＮＡの５％程度。それぞれのｔＲＮＡは結合するアミノ酸が決まっている。

• ｓｎＲＮＡ (Small nuclear RNA)– スプライシングの際にイントロンを切除して２つのエキソンをつなぐスプライセ

オソームに含まれている。

ｍＲＮＡ以外のＲＮＡを非翻訳ＲＮＡ（non-coding RNA）という

教科書ｐ101～102

RNAの役割

遺伝子の転写• 遺伝子の部分（アミノ酸配列の情報を持つコード領域の前後を

含め、少し長い範囲）だけが転写される。 ⇔ 複製（ＤＮＡ全体）

• どちらがセンス鎖になるかは遺伝子による。

• 真核生物では少なくとも３種類のＲＮＡポリメラーゼがＲＮＡを合成する。

– Ⅰは主にrRNA合成、ⅡはmRNA合成、ⅢはtRNA合成

• ＲＮＡポリメラーゼがＤＮＡに取り付く場所をプロモーター（Promoter）という。

教科書ｐ102～104 転写

ＴＡＴＡボックスやＣＣＡＡＴボックス

ターミネーター

教科書ｐ102～104

真核生物のプロモーター領域・・・TATAボックスやCCAATボックスなど基本転写因子が認識する領域を含む

RNAは５‘⇒３’へ合成されるので、３‘⇒５’に向かうDNAが鋳型

RNA合成終了領域は二本鎖に戻る

転写修了指示するターミネーターとよばれる塩基配列・・・

ターミネーター領域まで合成されたRNAがDNAとの対から離れRNA自身

の中で二本鎖構造（ヘアピン構造）作り、DNAから離脱

原核生物と真核生物の転写の違い

原核生物 真核生物

mＲＮＡプロセシング (Processing)• キャッピング（キャップ形成）

• ポリＡ付加

• スプライシング

真核生物特異的なｍＲＮＡの変化

転写と5’キャップ形成

エンドヌクレアーゼによるポリＡ部位での切断

終結部位

ｍＲ

ＮＡ

前駆

体プ

ロセ

シン

グ

一次転写産物のＲＮＡ

ポリアデニル酸化

ＲＮＡスプライシング

教科書ｐ106～108

キャップ形成7-メチルグアノシン

５‘→５’結合

塩基１

塩基２

キャップ構造

ｍＲＮＡの5’端に、5’と5’間にリン酸を介した結合を有する7-メチルグアノシンが付加される

ｍＲＮＡがタンパク質合成に使われる際に必須の構造で、ｍＲＮＡはキャップに結合する特殊なタンパク質を介してリボソームと結合する。

原核生物のｍＲＮＡはキャップ構造が無いので真核生物の中で働くことは出来ない

教科書ｐ106～107

ポリＡ付加

• 切断／ポリアデニル酸化特異性因子（ＣＰＳＦ）がPre-mRNAの３‘端近傍のＡＡＵＡＡＡポリＡシグナルに結合 ⇒Ｇ／Ｕなどと相互作用しＲＮＡループをつくる ⇒ポリＡポリメラーゼ（ＰＡＰ）の結合により１０～３５ヌクレオチド下流で切断 ⇒ＰＡＰが１２個のＡ残基付加 ⇒この短いポリＡ尾部にポリＡ結合タンパク質Ⅱ（ＰＡＢＰⅡ）が結合するとＰＡＰによる付加が加速 ⇒数十から千を超えるＡ（アデニル酸）が付加 ⇒ＰＡＢＰⅡがＰＡＰに重合を止める信号を送る。

• この合成に鋳型は不用。

• ポリＡ鎖の存在は、タンパク質合成開始やｍＲＮＡ分解抑制に必要と考えられている。

教科書ｐ107

ＲＮＡスプライシング

２回のエステル転移反応の結果、ｍＲＮＡ前駆体エキソンのスプライシングが起こる。

教科書ｐ107

Intronが除去され、exonが互いにつなぎ合わされる

投げ縄構造

スプライソソーム（Spliceosome）がスプライシングを実行する

スプライシングの際にsnRNAはmRNA前駆体と、またはsnRNAどうしで塩基対を形成する

５種類のスプライシングｓｎＲＮＡがｍＲＮＡ前駆体上に集合し、スプライソソームと呼ばれる大きなリボ核タンパク質複合体を形成

教科書ｐ107～108

翻訳

タンパク質合成

・・・塩基配列をアミノ酸配列に翻訳する過程

教科書ｐ109～

ｔＲＮＡ（転移ＲＮＡ）の構造教科書ｐ109図9-1

共通CCA-3’配列

アンチコドン

ｍＲＮＡの翻訳のための2段階の解読過程

アミノアシルtRNA合成酵素： アミノ酸とtRNAを正しい組合せで結合させる酵素

①． アミノアシルtRNA合成酵素が、tRNA末端のアデノシンの２‘ヒドロキシ基または３‘ヒドロキシ基と、tRNAに対応する特定のアミノ酸との間に高エネルギーエステル結合を生じる

②． tRNAの３塩基対（アンチコドン）とアミノ酸を特定するmRNAコドンが塩基対を形成する。

アミノアシルｔＲＮＡ

教科書ｐ109

原核生物と真核生物のリボソームの一般的構造

リボソームの２／３がＲＮＡ、１／３がタンパク質

リボソーム： mRNAと結合し、アミノアシルtRNAとも相互作用しながら、両者を連動させ、かつtRNAとペプチド鎖とのエステル結合を切断し、ペプチドとアミノ酸間でペプチド結合を作る酵素反応を進めながら、タンパク質合成を進行する場

Ｓ＝標準条件下で遠心した際の粒子の沈降速度（スウィードベリ単位）

教科書ｐ110

ｍＲＮＡｔＲＮＡ（転移ＲＮＡ）ｒＲＮＡ

翻訳には３種類のＲＮＡが関与

翻訳領域

5’非翻訳領域 ３’非翻訳領域

5’ 3’

H2N COOH

mRNAの構造

タンパク質

教科書ｐ111

真核生物の翻訳開始 （その１）

eIF1A

開始因子（Initiation factor）によってリボソームの大小サブユニットが解離。

小サブユニットに三者複合体が結合し、開始前複合体形成

eIFとmRNA複合体が開始前複合体に結合し、開始複合体を形成

教科書ｐ111

真核生物の翻訳開始（その２）

ヘリカーゼ活性のあるeIF4AがＡＴＰ

加水分解で生じたエネルギーでＲＮＡの二次構造をほどき、ｍＲＮＡ上を読み取って開始コドンを見つけ出す。

４０Ｓサブユニットが開始コドンに位置すると大サブユニット（６０Ｓ）が会合して８０Ｓリボソームを完成する

教科書ｐ111～112

ペプチド鎖の延長

１．Ｐ部位にMet-tRNAがあるところに、ＧＴＰ型延長因子（elongation factor）を結合したアミノアシルtRNA複合体がＡ部位に結合。

２．ＧＴＰ型ＥＦ１αのＧＴＰが加水分解され、ＧＤＰ型ＥＦ１αは遊離。アミノアシルtRNAは強くＡ部位に結合。Ａ部位のアミノアシル化3’末端とＰ部位のMet-tRNAi

Metの3’末端が近づく。

３．２番目のアミノ酸のα-アミノ基は開始tRNA上の活性

化（アミノアシル化）されたメチオニンと反応し、ペプチド結合を形成（ペプチジル転移反応：大サブユニットrRNAが触媒）。

４．リボソームは１コドン分だけ移動 （トランスロケーション：ＧＴＰ型ＥＦ２のＧＴＰ加水分解で放出されるエネルギーで駆動）

一連のアミノアシルtRNAの取り込み

ペプチド結合形成

トランスロケーション（リボソームの１コドン分移動）

教科書ｐ113

真核生物にける翻訳の終結

新生ポリペプチド鎖を結合したリボソームが終止コドン（UAA、ＵＧＡ、ＵＡＧ）に到達

終結因子(release factor）ＲＦ１がリボソーム複合体のＡ部位かその近くにeRF3・GTPとともに入り込む

ＧＴＰの加水分解に伴い、Ｐ部位のtRNAのペプチド鎖が切断され、tRNAと大小リボソームサブユニットが解離する

教科書ｐ113

ポリソーム（Polysome、またはポリリボソームPolyribosome）

新生ポリペプチド鎖を含んだ複数のリボソームが一本のｍＲＮＡに結合したもの・・・同時にタンパク質合成中

教科書ｐ113

タンパク質の高次構造と翻訳後修飾

細胞内でのタンパク質の折りたたみはシャペロン（Chaperone）が促進する。

分子シャペロン： 解けたタンパク質や部分的に巻き戻ったタンパク質に結合し、凝集したり分解されてしまうのを防ぐ。

シャペロニン： タンパク質の折り畳みを直接促進

シャペロン

シャペロニン

アミノ酸残基の化学修飾

リン酸化：セリン、トレオニン、チロシン残基

グリコシル化：アスパラギン、セリン、トレオニン側鎖

ヒドロキシル化：プロリン残基、リジン残基

メチル化：ヒスチジン残基

γカルボキシル化：グルタミン酸

教科書ｐ115

復習問題

1. 二本鎖環状プラスミドの塩基配列決定には、相補的で短い一本鎖オリゴヌクレオチドＤＮＡ（プライマー）をプラスミドに結合させる。このため、普通はプラスミドとプライマーを９０℃に加熱し、その後、ゆっくりと温度を２５℃にする。この方法が上手くいくのは何故か？

2. 原核生物と真核生物のｍＲＮＡについて、その合成のされ方と構造にはどんな違いがあるか。

3. mＲＮＡプロセシングは細胞内のどこで起こっていると考えられるか。その根拠は何か。

4. 翻訳に関わるRNAを挙げ、それぞれの役割について簡単に述べよ。