生物学 第2版 — 第15章 遺伝子とタンパク質 —

Japanese translation of “Biology 2e”

OpenStax のサイトで公開されている教科書“ Biology 2e”の翻訳です。こちらのページから各章へ移動できます。

15 | 遺伝子とタンパク質

図15.1 | (a)染色体に保持されている遺伝子は、生命のすべての過程に必要なRNAとタンパク質分子を作るための、直線的に編成された説明書です。(b)インターロイキン−2タンパク質および(c)アルファ−2u−グロブリンタンパク質は、遺伝子によってコードされている多数の異なる分子構造のうちのほんの2つの例です。(credit “chromosome: National Human Genome Research Institute; credit “interleukin-2”: Ramin Herati/Created from PDB 1M47 and rendered with Pymol; credit “alpha-2u-globulin”: Darren Logan/rendered with AISMIG)

この章の概要

15.1:遺伝コード
15.2:原核生物の転写
15.3:真核生物の転写
15.4:真核生物におけるRNAプロセシング
15.5:リボソームとタンパク質合成

はじめに

1900年にメンデルの研究が再発見されて以来、遺伝子の定義は抽象的な遺伝の単位から、複製、発現、および突然変異が可能な有形の分子的な実体へと進歩してきました(図15.1)。遺伝子はDNAで構成され、染色体上に直線状に配置されています。遺伝子は、タンパク質の基礎的要素であるアミノ酸の配列を指定します。そしてタンパク質は細胞のほぼすべての機能をつかさどる責任を負っています。遺伝子とそれらがコードするタンパク質の両方が、私たちが知っているような生命に絶対に不可欠なものです。

15.1 | 遺伝コード

この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•DNA-タンパク質合成の「セントラルドグマ」を説明する
•遺伝コードについて、およびヌクレオチド配列がアミノ酸およびタンパク質配列をどのように規定しているかについて記述する

転写の細胞プロセスは、メッセンジャーRNA(mRNA)、すなわちA、C、G、およびウラシル(U)のアルファベットを有する1つかそれ以上の遺伝子の可動分子コピーを生成します。リボソーム上のmRNA鋳型の翻訳は、ヌクレオチドに基づく遺伝情報をタンパク質産物に変換します。それがDNA-タンパク質合成のセントラルドグマです。タンパク質配列は、20個の一般的に存在するアミノ酸からなります。したがって、タンパク質のアルファベットは20個の「文字」で構成されていると言えます(図15.2)。アミノ酸が異なれば、化学的性質(酸性と塩基性、極性と無極性など)や構造上の制約も異なります。アミノ酸配列の変動は、タンパク質の構造と機能の大きな変動の原因となっています。

図15.2 | タンパク質に含まれる20個のアミノ酸の構造を示しています。それぞれのアミノ酸は、アミノ基(NH₃⁺)、カルボキシル基(COO⁻)、および側鎖(青)で構成されています。側鎖は、無極性、極性、または荷電、ならびに大きいまたは小さいものでありえます。さまざまなアミノ酸側鎖がタンパク質の構造と機能に信じられないほどの多様性をもたらします。

セントラルドグマ:DNAはRNAをコードする。RNAはタンパク質をコードする

DNAからmRNA、そしてタンパク質へという細胞内の遺伝情報の流れはセントラルドグマによって説明されています(図15.3)。セントラルドグマとは、遺伝子がmRNAの配列を指定し、それが今度はすべてのタンパク質を構成するアミノ酸の配列を指定するということを述べています。1つの分子から別の分子へという解読は、特定のタンパク質とRNAによって行われます。DNAに保存された情報は細胞機能にとって非常に中心的なものであるため、DNA自体をそのままの状態で保護しながら、細胞がタンパク質合成のためにこの情報のmRNAコピーを作成するということは直感的に理にかなっています。DNAのRNAへのコピーは比較的簡単であり、DNA鎖中で読み取られる各ヌクレオチドにつき1つのヌクレオチドがmRNAストランドに付加されます。タンパク質への翻訳は、3つのmRNAヌクレオチドがポリペプチド配列中の1つのアミノ酸に対応するので、もう少し複雑です。しかしながら、タンパク質への翻訳は依然として系統的かつ共線的であり、そのためヌクレオチド1～3はアミノ酸1に対応し、ヌクレオチド4～6はアミノ酸2に対応する、等々となります。

図15.3 | DNA上の指示はメッセンジャーRNAに転写されます。リボソームはメッセンジャーRNAのストランドに刻まれた遺伝情報を読み取り、この情報を使用してアミノ酸をつないでタンパク質へとすることができます。

遺伝コードは縮重していて普遍的である

それぞれのアミノ酸は、トリプレットコドンと呼ばれる3ヌクレオチド配列によって定義されます。mRNAとタンパク質の「アルファベット」の「文字」の数が異なることを考慮して、科学者たちは、単一のアミノ酸はヌクレオチドの組み合わせで表現されなければならないと理論づけました。2つのヌクレオチドの組み合わせは16個しか可能でないため(4²)、ヌクレオチドダブレットではすべてのアミノ酸を特定するのに十分ではないでしょう。対照的に、ヌクレオチドトリプレットでは64個の可能な組み合わせがあり(4³)、それはアミノ酸の数よりはるかに多いです。科学者らは、アミノ酸はヌクレオチドトリプレットによってコードされており、遺伝コードは「縮重」していると理論づけました。言い換えれば、所与のアミノ酸は複数のヌクレオチドトリプレットによってコードされます。これは後に実験的に確認されました:フランシス・クリックとシドニー・ブレナーは化学的変異原性プロフラビンを使って1つ、2つ、または3つのヌクレオチドをウイルスの遺伝子に挿入しました。1つまたは2つのヌクレオチドが挿入されたとき、正常なタンパク質は産生されませんでした。3つのヌクレオチドが挿入されたとき、タンパク質は合成されそして機能的でした。これは、アミノ酸が3つのヌクレオチドの群によって特定されなければならないことを実証しました。これらのヌクレオチドトリプレットはコドンと呼ばれます。1つまたは2つのヌクレオチドを挿入すると、トリプレットのリーディングフレームが完全に変わり、それによって後続のすべてのアミノ酸のメッセージを変更しました(図15.5)。3つのヌクレオチドを挿入すると翻訳中に余分なアミノ酸が挿入されましたが、タンパク質の残りの部分の完全性は維持されました。

科学者たちは、合成mRNAを試験管内で翻訳し、それらが指定するタンパク質を配列決定することによって、遺伝コードを慎重に解明しました(図15.4)。

図15.4 | この図は、mRNAの各ヌクレオチドトリプレットをタンパク質のアミノ酸または終止シグナルに翻訳するための遺伝コードを示しています。(credit: modification of work by NIH)

ポリペプチド鎖への特定のアミノ酸の付加を指示するコドンに加えて、64個のコドンのうちの3個がタンパク質合成を終結させ、そしてポリペプチドを翻訳機構から放出させます。これらのトリプレットはナンセンスコドン、または終止コドンと呼ばれます。もう1つのコドンAUGも特別な機能を持っています。それはアミノ酸のメチオニンを特定することに加えて、翻訳を開始するための開始コドンとしても役立ちます。翻訳のためのリーディングフレームは、mRNAの5'末端近くのAUG開始コドンによって設定されます。開始コドンに続いて、終止コドンに出会うまで、mRNAを3つのグループで読み取ります。

コーディング表の配置によって、コードの構造が明らかになります。16個のコドンの「ブロック」があり、それぞれがブロック内のコドンの第1および第2のヌクレオチドによって特定されます。たとえば、「AC*」ブロックはアミノ酸のスレオニン(Thr)に対応します。いくつかのブロックは、コドンがUまたはCで終わる半分のピリミジンと、コドンがAまたはGで終わる半分のプリンとに分けられます。いくつかのアミノ酸は、アラニン(Ala) 、スレオニン(Thr)およびプロリン(Pro)のように4つのコドンの全体ブロックを得ます。ヒスチジン(His)やアスパラギン(Asn)のように、ブロックの半分にピリミジンを得るものもあります。グルタミン酸(Glu)やリシン(Lys)のように、ブロックの半分にプリンを得るものもあります。いくつかのアミノ酸はブロック1つとブロックの半分で合計6個のコドンを得ることに注意してください。

複数の類似コドンによる単一アミノ酸の指定は「縮重」と呼ばれます。縮重は、ランダムな突然変異の悪影響を軽減するための細胞メカニズムであると考えられています。同じアミノ酸を指定するコドンは典型的には1ヌクレオチドだけ異なります。さらに、化学的に類似した側鎖を有するアミノ酸は、類似のコドンによってコードされています。たとえば、GA*ブロックを占めるアスパラギン酸(Asp)およびグルタミン酸(Glu)は両方とも負に帯電しています。この遺伝コードの微妙な違いは、1つのヌクレオチド置換変異が起こったとしても同じアミノ酸が指定されて何の効果もないか、または類似のアミノ酸が指定されることを確実にし、タンパク質が完全に機能しなくなることを防ぎます。

遺伝コードはほぼ普遍的です。いくつかの小さな例外を除いて、事実上すべての種がタンパク質合成に同じ遺伝コードを使用しています。コドンの保存とは、ウマにおいてグロビンタンパク質をコードしている精製されたmRNAをチューリップ細胞に移すことができ、そしてそのチューリップはウマのグロビンを合成するであろうことを意味します。遺伝コードが1つしかないということは、特に20のアミノ酸と64のトリプレットコドンには約10⁸⁴の可能な組み合わせがあることを考慮すると、地球上のすべての生命が共通の起源を共有していることの強力な証拠となります。

学習へのリンク

このサイト(http://openstaxcollege.org/l/create_protein)にある相補対と遺伝コードを使用して、遺伝子を転写し、タンパク質に翻訳してください。

図15.5 | 2つのヌクレオチドの欠失は、mRNAのリーディングフレームをシフトさせ、タンパク質メッセージの全体を変化させ、非機能的なタンパク質を作成するか、またはタンパク質合成を完全に停止させます。

科学的方法へのつながり

どちらがより多くのDNAを持っているか:キウイ?イチゴ?

図15.6 | あなたはキウイとイチゴのどちらが1つの実あたりのDNAが多いと思いますか?(credit “kiwi”: “Kelbv”/Flickr; credit: “strawberry”: Alisdair McDiarmid)

質問:大きさがほぼ同じのキウイとイチゴ(図15.6)は、DNAの量もほぼ同じでしょうか?

背景:遺伝子は染色体上にあり、DNAでできています。全ての哺乳動物は二倍体であり、それは哺乳動物がそれぞれの染色体の2つのコピーを有することを意味しています。しかしながら、すべての植物が二倍体であるとは限りません。普通のイチゴは八倍体(8n)であり、栽培されているキウイは六倍体(6n)です。これらの果物のそれぞれの細胞内の染色体の総数を調べ、それがこれらの果物の細胞核内のDNAの量にどのように対応するかについて考えてみましょう。他のどのような要因が1つの果物の中のDNAの総量に寄与するかもしれないでしょうか?DNA単離の技術について読んで、単離の手順の各ステップがDNAの遊離と沈殿をどのように助けるかを理解してください。

仮説:同じような大きさのイチゴとキウイからのDNA量の違いをあなたが検出できるかどうかについて仮説を立ててください。どちらの果物からより多くのDNAが得られると思いますか?

仮説を検証する:同じようなサイズのイチゴとキウイからDNAを単離します。それぞれの果物について少なくとも3回ずつ実験を行ってください。
1.900mLの水、50mLの食器用洗剤、および小さじ2杯の食卓塩からボトル1本分のDNA抽出緩衝液を調製します。逆さにしてかき混ぜてください(ふたをして、数回ひっくり返してください)。
2.イチゴとキウイをすりつぶします(ビニール袋に入れて手でつぶすか、乳鉢と乳棒を使うか、金属製のボウルと先のとがっていない器具を使ってください)。果物ごとに少なくとも2分間すりつぶしてください。
3.それぞれの果物に10 mLのDNA抽出緩衝液を加え、少なくとも1分間よく混ぜます。
4.それぞれの果物の混合物をチーズクロスまたは多孔性の布を通して濾過することによって細胞片を除去し、漏斗を使って試験管または適切な容器に注ぎ込んでください。
5.試験管に氷冷エタノールまたはイソプロパノール(消毒用アルコール)を注ぎます。白色の沈殿したDNAを観察することができるでしょう。
6.別々のガラス棒の周りにそれを巻きつけることによって、それぞれの果物からのDNAを集めてください。

観察を記録する:あなたはDNA量を定量的に測定しているわけではないので、あなたは目視で観察することによって、2つの果実が同じ量または異なる量のDNAを生成したかどうかを各試行について記録することになります。もしどちらかの果物が著しく多くのDNAを生じた場合は、これも記録してください。あなたの観察がそれぞれの果物のいくつかの実でも一貫しているかどうかを決定してください。

データを分析する:あなたはそれぞれの果物によって生じたDNAの量の明らかな違いに気づきましたか?あなたの結果は再現可能でしたか?

結論を出す:あなたがそれぞれの果物の中の染色体の数について知っていることを考慮に入れると、あなたは染色体の数が必ずDNA量と相関していると結論づけることができるでしょうか?あなたはこの手順の欠点を特定できますか?もしあなたが研究室を利用することができる場合、比較を標準化してより定量的にするにはどうすればよいでしょうか?

15.2 | 原核生物の転写

この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•原核生物の転写におけるさまざまなステップを列挙する
•原核生物の転写におけるプロモーターの役割について議論する
•転写がいつどのように終了するのかを記述する

細菌や古細菌を含む原核生物は、ほとんどが単細胞生物で、定義によれば、膜で包まれた核や他の細胞小器官を欠いています。細菌の染色体は、真核生物の染色体とは異なり、ヒストンタンパク質の周囲に編成されていない閉じた輪です。原核生物のDNAが存在する細胞の中央領域は、核様体領域と呼ばれます。さらに、原核生物はしばしば豊富なプラスミドを持っています。プラスミドは1つまたは少数の遺伝子しか含まないより短い環状DNA分子です。プラスミドは、細胞分裂の間に細菌の染色体とは無関係に移動することができ、そしてしばしば抗生物質耐性に関与するもののような形質を保有しています。

原核生物(および真核生物)における転写は、DNA二重らせんがmRNA合成の領域において部分的にほどけることを必要とします。ほどける領域は転写バブルと呼ばれます。転写は常にそれぞれの遺伝子の同じDNAストランドから始まります。これはテンプレート鎖と呼ばれます。mRNA産物はテンプレート鎖と相補的であり、そして非テンプレート鎖またはコード鎖と呼ばれる他方のDNAストランドとほとんど同一です。唯一のヌクレオチドの違いは、mRNAではすべてのTヌクレオチドがUヌクレオチドで置換されていることです(図15.7)。RNA二重らせんでは、DNA二重らせんのA–T対合と同様に、Aは2つの水素結合を介してUに結合します。

図15.7 | メッセンジャーRNAは、DNAのコード鎖にあるタンパク質コード情報のコピーであり、RNA中ではコード配列中のTがUに置換されています。しかしながら、新しいRNAヌクレオチドはテンプレート鎖のヌクレオチドと塩基対を形成します。RNAは酵素のRNAポリメラーゼを用いてその5'-3'方向に合成されます。テンプレートが読み取られる際には、DNAはポリメラーゼより先でほどかれて、ポリメラーゼの後ろで巻き直されます。

最初の5'mRNAヌクレオチドが転写される部位に対応するDNA二重らせん中のヌクレオチド対は、+1部位または開始部位と呼ばれます。開始部位に先行するヌクレオチドは「-」で示され、そして上流ヌクレオチドと呼ばれます。逆に、開始部位に続くヌクレオチドは、「+」の番号付けで示され、そして下流ヌクレオチドと呼ばれます。

原核生物における転写の開始

原核生物は膜に包まれた核を持ちません。したがって、転写、翻訳、およびmRNA分解のプロセスはすべて同時に発生することがあります。同じDNA鋳型上で同時に発生する複数の転写および翻訳の事象によって、細菌タンパク質の細胞内レベルは迅速に増幅することができます。原核生物のゲノムは非常にコンパクトであり、原核生物の転写産物はしばしば複数の遺伝子またはシストロン(単一タンパク質のコード配列)をカバーしています。そして、多シストロン性mRNAが翻訳されると、1種類以上のタンパク質が産生されます。

ここでの私たちの議論では、よく研究されている真正細菌種である大腸菌(Escherichia coli)におけるこのプロセスを記述することによって転写を例示します。大腸菌における転写と古細菌における転写との間にはいくつかの違いがありますが、大腸菌の転写についての理解は事実上すべての細菌種に適用することができます。

原核生物のRNAポリメラーゼ

原核生物はその遺伝子の全てを転写するために同じRNAポリメラーゼを使用します。大腸菌では、ポリメラーゼは5つのポリペプチドサブユニットから構成され、そのうちの2つは同一です。α、α、β、およびβ’と表されるこれらのサブユニットのうちの4つは、ポリメラーゼコア酵素を含みます。これらのサブユニットは遺伝子が転写されるたびに集合し、転写が完了するとばらばらになります。それぞれのサブユニットには固有の役割があります。2つのαサブユニットはDNA上にポリメラーゼを組み立てるために必要です。βサブユニットは、新生mRNA分子の一部となるリボヌクレオシド三リン酸に結合します。そしてβ’サブユニットはDNAテンプレート鎖に結合します。5番目のサブユニットσは転写開始にのみ関与しています。それは、ポリメラーゼが適切な開始部位からmRNAを合成し始めるように転写特異性を付与します。σがなければ、コア酵素はランダムな部位から転写し、そしてでたらめなタンパク質を特定するmRNA分子を生成してしまうでしょう。5つすべてのサブユニットからなるポリメラーゼはホロ酵素と呼ばれます。

原核生物のプロモーター

プロモーターとは、RNAポリメラーゼを含む転写機構が結合して転写を開始するDNA配列です。ほとんどの場合、プロモーターはそれらが調節する遺伝子の上流に存在します。プロモーターの特定の配列は非常に重要です。なぜならそれは、対応する遺伝子が常に転写されるのか、いくつかの場合に転写されるのか、まれに転写されるのかを決定するためです。プロモーターは原核生物のゲノムによって異なりますが、いくつかの要素は多くの種において進化的に保存されています。開始部位の上流の-10領域および-35領域には、2つのプロモーターコンセンサス配列(すべてのプロモーターにわたって、およびさまざまな細菌種にわたって類似する領域)があります(図15.8)。-10領域と呼ばれる-10配列は、コンセンサス配列TATAATを有します。-35配列はコンセンサス配列TTGACAを有します。これらのコンセンサス配列はσによって認識され結合されます。この相互作用が行われると、コア酵素のサブユニットはその部位に結合します。A-Tが豊富な-10領域はDNA鋳型がほどけることを容易にし、いくつかのホスホジエステル結合が作られます。転写開始期は、未発達の転写産物の産生で終了します。この転写産物は、産生されそして放出される約10ヌクレオチドのポリマーです。

図15.8 | 原核生物のRNAポリメラーゼのσサブユニットは、転写開始部位の上流のプロモーター領域に見られるコンセンサス配列を認識します。σサブユニットは、転写が開始された後にポリメラーゼから解離します。

学習へのリンク

転写の最初の部分とTATAボックスの塩基配列の繰り返しを確認するには、このMolecularMoviesのアニメーション(http://openstaxcollege.org/l/transcription)を参照してください。

原核生物における伸長と終結

転写の伸長期は、ポリメラーゼからのσサブユニットの放出で始まります。σの解離は、コア酵素がDNA鋳型に沿って進行し、毎秒約40ヌクレオチドの速度で5'から3'方向にmRNAを合成することを可能にします。伸長が進行するにつれて、DNAはコア酵素の先で連続的にほどけて、そしてその後ろでは巻き直されます。DNAとRNAとの間の塩基対形成は、mRNA合成成分の安定性を維持するのに十分なほど安定的ではありません。代わりに、RNAポリメラーゼは、DNA鋳型と新生RNAストランドとの間の安定したリンカーとして作用して、伸長が早期に中断されないようにします。

原核生物の終結シグナル

遺伝子が転写されると、原核生物のポリメラーゼは、DNA鋳型から解離し、新しく作られたmRNAを遊離するように指示される必要があります。転写されている遺伝子に応じて、2種類の終結シグナルがあります。1つはタンパク質ベースであり、もう1つはRNAベースです。rho依存性終結は、成長中のmRNA鎖上のポリメラーゼの後ろを追跡するrhoタンパク質によって制御されます。遺伝子の末端近くで、ポリメラーゼはDNA鋳型上の一連のGヌクレオチドに遭遇し、それは失速します。結果として、rhoタンパク質はポリメラーゼと衝突します。rhoとの相互作用によって、転写バブルからmRNAが放出されます。

rho非依存性終結は、DNAテンプレート鎖中の特定の配列によって制御されています。転写されている遺伝子の末端にポリメラーゼが近づくにつれて、それはC-Gヌクレオチドに富む領域に遭遇します。mRNAは自身の上に折り返され、そして相補的なC-Gヌクレオチドは一緒に結合します。その結果、ポリメラーゼがA–Tヌクレオチドに富む領域を転写し始めるとすぐにポリメラーゼを失速させるような、安定したヘアピンが得られます。mRNA転写産物の相補的なU-A領域は、テンプレートDNAとの弱い相互作用のみを形成します。これは、停止したポリメラーゼと相まって、コア酵素が分解されて新しいmRNA転写物を遊離させるのに十分な不安定性を誘発します。

終結することで転写プロセスが完了します。終結が起こるまでに、原核生物の転写産物はすでにコードされたタンパク質の多数のコピーの合成を始めるために使用されているでしょう。なぜなら、これらのプロセスは同時に起こることができるからです。転写、翻訳、さらにはmRNA分解でさえも統一が可能です。なぜなら、これらのプロセスはすべて同じ5'から3'方向に起こり、原核細胞には膜による区画化がないからです(図15.9)。対照的に、真核細胞における核の存在は同時の転写および翻訳を妨げます。

図15.9 | 複数のポリメラーゼが単一の細菌遺伝子を転写することができる一方で、多数のリボソームがmRNA転写産物を同時にポリペプチドに翻訳します。このようにして、特定のタンパク質は細菌細胞中で急速に高濃度に達することができます。

学習へのリンク

原核生物の転写の過程を見るために、このBioStudioのアニメーション(http://openstaxcollege.org/l/transcription2)にアクセスしてみてください。

15.3 | 真核生物の転写

この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•真核生物の転写のステップを列挙する
•転写におけるRNAポリメラーゼの役割を議論する
•3種類のRNAポリメラーゼを比較対照する
•転写因子の重要性を説明する

原核生物と真核生物は基本的に同じ転写プロセスを実行しますが、いくつか重要な違いがあります。原核生物と真核生物の転写の最も重要な違いは、真核生物の膜で包まれた核と細胞小器官によるものです。遺伝子は核の中に包まれているため、真核細胞はそのmRNAを細胞質に輸送できなければならず、そして翻訳される前にmRNAが分解するのを防がなければなりません。真核生物はまた、3つの異なるポリメラーゼを使用し、それらは各々が遺伝子の異なるサブセットを転写します。真核生物のmRNAは通常は単一遺伝子性であり、これはそれらが単一のタンパク質を特定することを意味しています。

真核生物における転写の開始

それ自体でDNA鋳型に結合することができるような原核生物のポリメラーゼとは異なり、真核生物は、最初にプロモーター領域に結合し、次に適切なポリメラーゼを動員するのを助けるために、転写因子と呼ばれるいくつかの他のタンパク質を必要とします。

真核生物の3つのRNAポリメラーゼ

真核生物のmRNA合成の特徴は原核生物のそれより著しく複雑であることです。5つのサブユニットからなる単一のポリメラーゼの代わりに、真核生物は、それぞれ10個以上のサブユニットからなる3つのポリメラーゼを有します。真核生物のそれぞれのポリメラーゼはまた、それをDNAテンプレートに持っていくために転写因子の異なるセットを必要とします。

RNAポリメラーゼIは核小体(リボソームRNA(rRNA)が転写され、プロセシングされ、そしてリボソームに組み立てられる特殊な核の下部構造)に位置します(表15.1)。rRNA分子は、細胞的役割を有するもののタンパク質へと翻訳されないために、構造的RNAと見なされています。rRNAはリボソームの構成要素であり、翻訳の過程に不可欠です。RNAポリメラーゼIは、縦列に複製された18S、5.8S、および28Sリボソーム遺伝子の組から全てのrRNAを合成します。(「S」という記号は「スヴェドベリ」単位に適用されることに注意してください。これは、遠心分離中に粒子が沈降する速度を特徴付ける非加法的な値です。)

表15.1

RNAポリメラーゼIIは核内に位置し、そしてタンパク質をコードする核mRNA前駆体のすべてを合成します。真核生物のmRNA前駆体は、転写後で翻訳前に広範なプロセシングを受けます。明快さのために、本のこの部分での真核生物における転写と翻訳の議論では、「mRNA」という用語を、翻訳される準備のできている成熟してプロセシングを受けた分子だけを説明するために使用することにします。RNAポリメラーゼIIは、圧倒的多数の真核生物の遺伝子の転写に関与しています。

RNAポリメラーゼIIIもまた核内に位置します。このポリメラーゼは、5S rRNA前駆体、トランスファーRNA前駆体(tRNA前駆体)、および低分子核内RNA前駆体を含むさまざまな構造RNAを転写します。tRNAは翻訳において重要な役割を果たします。それらは、mRNA鋳型と成長するポリペプチド鎖との間の「アダプター分子」として働きます。低分子核内RNAは、mRNA前駆体を「スプライシング」したり、転写因子を調節したりすることを含む、さまざまな機能を有します。

新しい遺伝子を特徴付けようとする科学者は、その遺伝子がα-アマニチン(ベニテングダケおよび他のテングダケ種によって産生されるオリゴペプチド毒素)の存在下で発現されるかどうかを試験することによって、どのポリメラーゼがその遺伝子を転写するかを決定することができます。興味深いことに、α-アマニチンは3つのポリメラーゼに非常に異なる影響を与えます(表15.1)。RNAポリメラーゼIはα-アマニチンに対して完全に非感受性であり、それは、このポリメラーゼが試験管内でこの毒の存在下でDNAを転写することができることを意味します。RNAポリメラーゼIIIはこの毒素に対して中程度の感受性があります。対照的に、RNAポリメラーゼIIはα-アマニチンに非常に敏感です。この毒素は、酵素がDNAをつたって進むのを防ぎ、それによって転写を阻害します。転写ポリメラーゼを知ることは、調べている遺伝子の一般的機能に関する手がかりを提供してくれます。RNAポリメラーゼIIは大多数の遺伝子を転写するので、私たちは真核生物の転写因子およびプロモーターに関するこの後の議論において、このポリメラーゼに焦点を合わせていきます。

RNAポリメラーゼIIプロモーターと転写因子

真核生物のプロモーターは原核生物のプロモーターよりもはるかに大きくそしてより複雑です。しかしながら、どちらも原核生物の-10配列と同様の配列を有します。真核生物において、この配列はTATAボックスと呼ばれ、そしてコード鎖上にコンセンサス配列TATAAAを有します。それは開始(+1)部位に対して−25～−35塩基に位置します(図15.10)。この配列は大腸菌の-10ボックスと同一ではありませんが、A-Tが豊富な要素を保存しています。A–T結合の熱安定性は低く、これはDNA鋳型が転写に備えて局所的にほどけるのに役立ちます。

原核生物のRNAポリメラーゼをそのプロモーターに結合するのを助ける単純なσ因子の代わりに、真核生物は、RNAポリメラーゼIIをタンパク質コード遺伝子に動員するのに必要とされる転写因子の複合体を組み立てます。プロモーターに結合する転写因子は基本転写因子と呼ばれます。これらの基本因子はすべてTFII(転写因子/ポリメラーゼII:Transcription Factor/polymerase IIのこと)および追加の文字(A-J)で呼ばれます。コア複合体はTFIIDであり、これはTATA結合タンパク質(TBP)を含みます。他の転写因子は体系的にDNA鋳型上に配置され、それぞれが開始前複合体をさらに安定化し、RNAポリメラーゼIIの動員に寄与します。

ビジュアルコネクション

図15.10 | RNAポリメラーゼIIによって転写された遺伝子の一般化されたプロモーターが示されています。転写因子はプロモーターを認識します。次にRNAポリメラーゼIIが結合して転写開始複合体を形成します。

ある科学者が真核生物のプロモーターを細菌遺伝子の前に接合(スプライス)し、その遺伝子を細菌の染色体に挿入したとします。あなたは、この細菌が遺伝子を転写すると予想しますか?

いくつかの真核生物のプロモーターはまた、-80あたりに保存CAATボックス(GGCCAATCT)を有します。真核生物のプロモーターはまた、TATAボックスのさらに上流で、1つかそれ以上のGCが豊富なボックス(GGCG)または八量体ボックス(ATTTGCAT)を含むことがあります。これらの要素は、転写開始の効率を高める細胞因子と結合し、そして、細胞によって絶えず発現されているような、より「活性な」遺伝子においてしばしば同定されます。

基本転写因子は、その後転写開始のためにRNAポリメラーゼIIを動員するDNA鋳型上の前開始複合体の形成において極めて重要です。真核生物の転写の複雑さは、ポリメラーゼとプロモーターにとどまりません。上流のエンハンサーおよびサイレンサーに結合する他の転写因子の一群もまた、mRNA前駆体が遺伝子から合成される頻度を調節するのを助けます。エンハンサーおよびサイレンサーは転写効率に影響を与えますが、転写が進行するのに必要ではありません。

RNAポリメラーゼIおよびIIIのプロモーター構造

RNAポリメラーゼIおよびIIIをDNA鋳型にするプロセスは、わずかに複雑さの少ない転写因子の集団を含みますが、一般的な主題は同じです。

ポリメラーゼIおよびIIIによって転写される遺伝子の保存プロモーター要素は、RNAポリメラーゼIIによって転写されるものとは異なります。RNAポリメラーゼIは、-45～+20領域の2つのGCが豊富なプロモーター配列を有する遺伝子を転写します。これらの配列は単独で転写開始を起こすのに十分ですが、開始部位の上流の-180から-105領域のさらなる配列を有するプロモーターはさらに開始を増強するでしょう。RNAポリメラーゼIIIによって転写される遺伝子は、上流プロモーターまたは遺伝子自体の内部に存在するプロモーターを有します。

真核生物の転写は、互いに相互作用し、そしてDNAストランドと相互作用するさまざまなタンパク質を必要とする厳密に調節されたプロセスです。真核生物における転写プロセスは原核生物におけるものよりも大きな代謝投資を伴いますが、それはタンパク質合成に必要なmRNA前駆体を細胞が正確に転写することを確実にしてくれます。

進化へのつながり

プロモーターの進化

遺伝子の進化はおなじみの概念かもしれません。DNA複製中に遺伝子に突然変異が発生することがあり、その結果は細胞にとって有益な場合もあれば、そうでない場合もあります。酵素、構造タンパク質、または他の何らかの因子を変化させることによって、突然変異のプロセスは機能または身体的特徴を変換することができます。しかしながら、真核生物のプロモーターおよび他の遺伝子調節配列も同様に進化することがあります。たとえば、何世代にもわたり、細胞にとってより価値のあるものになる遺伝子を考えてみましょう。おそらくこの遺伝子は、細胞が特定の機能のために豊富に合成する必要がある構造タンパク質をコードしています。もしそうである場合、その遺伝子のプロモーターが転写因子をより効率的に動員し、遺伝子発現を増加させることが細胞にとって有益でしょう。

プロモーター配列の進化を調べる科学者たちはさまざまな結果を報告しています。部分的には、これは真核生物のプロモーターがどこで始まりそしてどこで終わるのかを正確に推測することが困難だからです。いくつかのプロモーターは遺伝子内に存在します。他のものは、それらが制御している遺伝子の非常に上流、または下流にさえも位置しています。しかしながら、研究者らが前開始複合体に結合する配列として実験的に定義される人間のコアプロモーター配列に限定した実験を行ったとき、彼らはプロモーターがタンパク質コード遺伝子よりもさらに速く進化することを見出しました。

プロモーターの進化が人間または他の複雑な生物の進化にどのように対応するのかはまだ不明です。しかしながら、所与の遺伝子産物を多少なりとも効果的に作成するためのプロモーターの進化は、遺伝子自体の進化に対する興味深い代替手段です[1]。

[1] H Liang et al., “Fast evolution of core promoters in primate genomes,” Molecular Biology and Evolution 25 (2008): 1239–44.

真核生物の伸長および終結

前開始複合体の形成に続いて、ポリメラーゼが他の転写因子から放出され、そして5'から3'方向にポリメラーゼ合成mRNA前駆体を有する原核生物におけるのと同様に伸長が進行することが可能になります。前述のように、RNAポリメラーゼIIは真核生物の遺伝子の大部分を転写しているので、この節ではこのポリメラーゼが伸長と終結をどのように遂行するかに焦点を当てます。

伸長の酵素的過程は真核生物と原核生物で本質的に同じですが、DNA鋳型はかなり複雑です。真核細胞が分裂していないとき、それらの遺伝子はDNAとクロマチンと呼ばれるタンパク質の拡散した塊として存在します。DNAは帯電したヒストンタンパク質の周りに繰り返しの間隔をもって密に詰め込まれています。まとめてヌクレオソームと呼ばれるこれらのDNA-ヒストン複合体は規則的に間隔をあけて配置され、糸巻きの周りの糸のように8つのヒストンの周りに巻きつけられたDNAの146ヌクレオチドを含みます。

ポリヌクレオチド合成が起こるためには、転写機構は、それがヌクレオソームに遭遇するたびに邪魔にならないようにヒストンを動かす必要があります。これは、「クロマチン転写を促進する:facilitates chromatin transcription」を表すFACTと呼ばれる特別なタンパク質複合体によって達成されます。この複合体は、ポリメラーゼがDNA鋳型に沿って移動するにつれて、ヒストンをDNA鋳型から引き離します。mRNA前駆体が合成されると、FACT複合体はヒストンを置換してヌクレオソームを再形成します。

転写の終結は、それぞれのポリメラーゼによって異なります。原核生物とは違って、真核生物におけるRNAポリメラーゼIIによる伸長は、転写される遺伝子の末端を1000～2000ヌクレオチド越えたところで起こります。このmRNA前駆体の尾は、その後、mRNAプロセシングの間に切断によって除去されます。一方、RNAポリメラーゼIおよびIIIは終結シグナルを必要とします。RNAポリメラーゼIによって転写された遺伝子は、終結タンパク質によって認識される特異的な18ヌクレオチド配列を含みます。RNAポリメラーゼIIIにおける終結の過程は、原核生物における転写のrho非依存性終結と同様のmRNAヘアピンを含みます。

15.4 | 真核生物におけるRNAプロセシング

この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•RNAプロセシングのさまざまなステップを記述する
•エクソン、イントロン、およびmRNAのスプライシングの重要性を理解する
•tRNAとrRNAがどのようにプロセシングされるかを説明する

転写後、真核生物のmRNA前駆体は翻訳される前にいくつかのプロセシングステップを経なければなりません。真核生物(および原核生物)のtRNAおよびrRNAもまた、それらがタンパク質合成機構における構成要素として機能する前にプロセシングを受けます。

mRNAプロセシング

真核生物のmRNA前駆体は翻訳される準備ができる前に広範なプロセシングを受けます。真核生物のタンパク質コード配列は、原核生物のように連続的ではありません。コード配列(エクソン)は、非コードイントロンによって中断されています。このイントロンは、翻訳可能なmRNAを作るために除去されなければなりません。真核生物のmRNAの成熟に関与するさらなる工程もまた、原核生物のmRNAよりもはるかに長い半減期を有する分子を作り出します。真核生物のmRNAは数時間持続しますが、典型的な大腸菌のmRNAは5秒以内しか持続しません。

mRNA前駆体はまずRNA安定化タンパク質でコーティングされます。これらはmRNA前駆体がプロセシングをされて核の外に運ばれる間、分解されないように保護します。mRNA前駆体プロセシングの3つの最も重要なステップは、分子の5'末端および3'末端に安定化およびシグナリング因子を付加すること、そしてイントロンを除去することです(図15.11)。まれに、mRNA転写産物は、それが転写された後に「編集」されることがあります。

図15.11 | 真核生物のmRNAはスプライシングされなければならないイントロンを含んでいます。5'キャップおよび3'ポリA尾部もまた付加されています。

進化へのつながり

トリパノソーマのRNA編集

トリパノソーマは、病原体トリパノソーマ・ブルーセイ(Trypanosoma brucei)を含む一群の原虫で、アフリカの広い地域で牛のナガナ病や人間の睡眠病を引き起こします(図15.12)。トリパノソーマはツェツェバエ属(一般にツェツェバエと呼ばれます)の噛みつくハエによって媒介されます。トリパノソーマ、そして他のほとんどすべての真核生物は、ミトコンドリアと呼ばれる、細胞に化学エネルギーを供給する細胞小器官を持っています。ミトコンドリアはそれ自身のDNAを発現する細胞小器官であり、真核生物と飲み込まれた原核生物との間の共生関係の名残であると考えられています。トリパノソーマのミトコンドリアDNAは、セントラルドグマに対して興味深い例外を示しています:それらのmRNA前駆体は、機能的なタンパク質を特定するための正しい情報を持っていません。通常、これはmRNAがいくつかのUヌクレオチドを欠いているためです。細胞はこれを直すためにRNA編集と呼ばれる追加のRNAプロセシングステップを実行します。

図15.12 | トリパノソーマ・ブルーセイは人間の睡眠病の原因病原体です。この病原体のmRNAは、タンパク質合成が起こる前にヌクレオチドの付加によって修飾されなければなりません。(credit: modification of work by Torsten Ochsenreiter)

ミトコンドリアゲノム中の他の遺伝子は、40～80ヌクレオチドのガイドRNAをコードします。これらの分子のうちの1つかそれ以上は、mRNA前駆体の転写産物中のいくつかのヌクレオチドと相補的な塩基対合をすることによって相互作用します。しかしながら、ガイドRNAのAヌクレオチドは、それが結合するmRNA前駆体のUヌクレオチドよりも多いです。これらの領域では、ガイドRNAがループアウトします。ガイドRNAの3'末端は長いポリU尾部を有し、そしてこれらのU塩基は、ガイドRNAがループする場所である、mRNA前駆体の転写産物の領域に挿入されます。このプロセスは完全にRNA分子によって仲介されます。つまり、タンパク質ではなくガイドRNAが、RNA編集の触媒として機能します。

RNA編集はトリパノソーマだけの現象ではありません。いくつかの植物のミトコンドリアでは、ほとんどすべてのmRNA前駆体が編集されています。RNA編集は、ラット、ウサギ、さらには人間などの哺乳動物でも確認されています。mRNA前駆体プロセシングにおけるこの追加のステップの進化的な理由とは何でしょうか?1つの可能​​性は、古代の原核生物の名残であるミトコンドリアが、遺伝子発現を調節するための同じくらい古いRNAに基づく方法を有することです。この仮説を支持するように、mRNA前駆体になされる編集は細胞状態に応じて異なります。推測ではありますが、RNA編集のプロセスは、タンパク質ではなくRNA分子が反応を触媒する原因となっていた初期の時代から引き継がれたものである可能性があります。

5'キャッピング

mRNA前駆体がまだ合成されている間に、7-メチルグアノシンキャップがリン酸結合によって成長している転写産物の5'末端に付加されます。この官能基は新生するmRNAを分解から保護します。さらに、タンパク質合成に関与する因子はこのキャップを認識してリボソームによる翻訳の開始を補助します。

3'ポリA尾部

伸長が完了すると、mRNA前駆体は、AAUAAAコンセンサス配列とGUに富む配列との間のエンドヌクレアーゼによって切断され、mRNA前駆体上にAAUAAA配列が残ります。次いで、ポリAポリメラーゼと呼ばれる酵素が、ポリA尾部と呼ばれる約200個のA残基のつながりを付加します。この修飾はmRNA前駆体を分解からさらに保護し、そしてプロセシングされたmRNAを細胞質に輸送するのに必要なタンパク質の結合部位でもあります。

mRNA前駆体スプライシング

真核生物の遺伝子は、タンパク質をコードする配列に対応するエクソン(ex-onはそれらが発現(express)されることを意味します)と、イントロンと呼ばれる介在配列(int-ronはそれらの介在(intervening)的な役割を表します)から構成されます。イントロンは遺伝子調節に関与している可能性がありますが、プロセシング中にmRNA前駆体から除去されます。mRNA中のイントロン配列は機能的タンパク質をコードしません。

イントロンの発見は1970年代の研究者にとっては驚きでした。彼らは、原核生物で観察していたように、mRNA前駆体がさらなるプロセシングなしにタンパク質配列を特定するであろうと予想していたからです。高等な真核生物の遺伝子は非常にしばしば1つかそれ以上のイントロンを含みます。これらの領域は調節配列に対応していることがあります。しかしながら、1つの遺伝子内に多数のイントロンを有すること、または非常に長いイントロンを有することの生物学的意義は不明です。mRNA前駆体を多くのイントロンを伴って転写するのにはより長い時間がかかるので、イントロンは遺伝子発現を遅くするという可能性があります。あるいは、イントロンは、進化の過程を通して古代における遺伝子の融合から残された非機能的配列の名残であるのかもしれません。これは、別々のエクソンがしばしば別々のタンパク質サブユニットまたはドメインをコードするという事実によって支持されています。ほとんどの場合、イントロンの配列は、最終的なタンパク質産物に影響を与えることなく変異させることができます。

タンパク質合成の前に、mRNA前駆体のイントロンはすべて完全かつ正確に除去されなければなりません。もしこの過程で単一ヌクレオチドでさえも誤りがあると、再結合したエクソンのリーディングフレームがシフトし、そして得られるタンパク質が機能不全になるでしょう。イントロンを除去し、エクソンを再接続するプロセスは、スプライシングと呼ばれます(図15.13)。イントロンは、mRNA前駆体がまだ核内にある間に除去され分解されます。スプライシングは、イントロンが除去され、エクソンがヌクレオチドひとつの正確さと精密さをもって再結合することを確実にするような配列特異的なメカニズムによって起こります。イントロン自体はコードしていないものですが、それぞれのイントロンの始めと終わりは特定のヌクレオチド、すなわちイントロンの5'末端のGU、3'末端のAGでマークされています。mRNA前駆体のスプライシングは、スプライセオソームと呼ばれるタンパク質とRNA分子との複合体によって行われます。

ビジュアルコネクション

図15.13 | mRNA前駆体スプライシングは、一次RNA転写産物からのイントロンの正確な除去を含みます。スプライシングプロセスは、タンパク質と低分子核内RNA(snRNA)と呼ばれるRNA分子とから構成された、スプライセオソームと呼ばれるタンパク質複合体によって触媒されます。スプライセオソームはイントロンの5'および3'末端の配列を認識します。

スプライシングの誤りはがんや他の人間の病気に関係しています。どのような変異がスプライシングの誤りを引き起こす可能性がありますか?スプライシングの誤りが発生した場合のさまざまなあり得る結果について考えてください。

70を超える個々のイントロンが存在することがあり、それぞれがスプライシングのプロセスを受けなければならず、さらには5'キャッピングおよびポリA尾部の付加もあります。単一の翻訳可能なmRNA分子を生成するためには、それらのことが行われるということに注意してください。

学習へのリンク

このウェブサイト(http://openstaxcollege.org/l/RNA_splicing)で、どのようにしてイントロンがRNAスプライシング中に除去されるかを見てください。

tRNAとrRNAのプロセシング

tRNAおよびrRNAは、タンパク質合成において役割を果たす構造分子です。しかしながら、これらのRNAはそれ自体が翻訳されるわけではありません。rRNA前駆体は、核小体中で転写され、プロセシングされ、そしてリボソームへと組み立てられます。tRNA前駆体は核内で転写およびプロセシングされ、次いで細胞質内に放出され、そこでそれらはタンパク質合成のために遊離アミノ酸に結合されます。

真核生物および原核生物におけるtRNAおよびrRNAの大部分は、最初に、複数のrRNAまたはtRNAにまたがる長い前駆体分子として転写されます。次いで酵素はこの前駆体をそれぞれの構造RNAに対応するサブユニットに切断します。rRNA前駆体の塩基のいくつかはメチル化されています。つまり、安定性のために-CH₃メチル官能基が追加されています。tRNA前駆体分子もメチル化を受けます。mRNA前駆体と同様に、tRNAまたはrRNAになるように定められている真核生物のRNA前駆体において、サブユニット切除が起こります。

成熟したrRNAはそれぞれのリボソームの約50%を占めます。リボソームのRNA分子のいくつかは純粋に構造的ですが、他のものは触媒活性または結合活性を有します。成熟tRNAは、分子内水素結合によって安定化された塩基対の局所領域を介して三次元構造をとります。tRNAは折り畳まれて一方の末端にアミノ酸結合部位を、そしてもう一方の末端にアンチコドンを配置します(図15.14)。アンチコドンは、相補的塩基対を通じてmRNAコドンと相互作用するような、tRNA中の3ヌクレオチド配列です。

図15.14 | これはアミノ酸のフェニルアラニンを成長中のポリペプチド鎖に付加するtRNA分子の空間充填モデルです。アンチコドンAAGはmRNA上のコドンUUCに結合しています。アミノ酸のフェニルアラニンはtRNAの他端に結合しています。

15.5 | リボソームとタンパク質合成

この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•タンパク質合成のさまざまなステップを記述する
•タンパク質合成におけるリボソームの役割について議論する

タンパク質の合成は、他のどの代謝プロセスよりも多くの細胞のエネルギーを消費します。また、タンパク質は他のどの生物の構成要素よりも多くの質量を占め(水を除く)、タンパク質は細胞の実質的にすべての機能を果たします。翻訳(あるいはタンパク質合成)のプロセスは、mRNAメッセージをポリペプチド産物へと解読することを含みます。アミノ酸は、約50から1000を超えるアミノ酸残基にわたる長さで、ペプチド結合を連結することによって一緒に共有結合的につながっています。個々のアミノ酸はそれぞれアミノ基(NH₂)およびカルボキシル(COOH)基を有しています。ポリペプチドは、あるアミノ酸のアミノ基が他のアミノ酸のカルボキシル基とアミド(すなわちペプチド)結合を形成するときに形成されます(図15.15)。この反応はリボソームによって触媒され、そして1個の水分子を生成します。

図15.15 | ペプチド結合により、あるアミノ酸のカルボキシル末端と別のアミノ酸のアミノ末端が結合し、その過程で1つの水分子が生成されます。この図を簡単にするために、ペプチド結合に関与する官能基のみが示されています。RおよびR’の記号は、それぞれのアミノ酸の構造の残りを指しています。

タンパク質合成装置

mRNA鋳型に加えて、多くの分子および高分子が翻訳のプロセスに寄与します。それぞれの構成要素の組成は種によって異なります。たとえば、リボソームは、生物に応じて異なる数のrRNAおよびポリペプチドからなります。しかしながら、タンパク質合成装置の一般的な構造および機能は細菌から人間の細胞にいたるまで同等です。翻訳には、mRNA鋳型、リボソーム、tRNA、およびさまざまな酵素因子の入力が必要です。 (注:リボソームは、アミノ酸結合部位がmRNAによって特定されている酵素と考えることができます。)

学習へのリンク

このPBSインタラクティブ(http://openstaxcollege.org/l/prokary_protein)の手順をクリックして、実際のタンパク質合成を確認してください。

リボソーム

mRNAが翻訳される前であっても、細胞はそれぞれのリボソームを構築するためにエネルギーを投資しなければなりません。大腸菌では、いかなるときでもそれぞれの細胞に1万～7万のリボソームが存在します。リボソームは、構造的および触媒的なrRNA、および多くの異なるポリペプチドから構成される複雑な高分子です。真核生物では、核小体は、rRNAの合成および組み立てに完全に特化しています。

リボソームは原核生物の細胞質ならびに真核生物の細胞質および粗面小胞体に存在します。ミトコンドリアおよび葉緑体もまた、基質およびストロマ中にそれら自身のリボソームを有し、それらは外膜のすぐ外側の細胞質内のリボソームよりも原核生物のリボソームに類似しています(そして類似の薬物感受性を有します)。リボソームは、タンパク質を合成していないときに大サブユニットと小サブユニットに解離し、翻訳の開始中に再結合します。大腸菌では、小サブユニットは30S、大サブユニットは50Sと記述され、合計では70Sです(スヴェドベリ単位は加法的ではないことを思い出してください)。哺乳動物のリボソームは、40Sの小サブユニットおよび60Sの大サブユニット(合計80S)を有します。小サブユニットはmRNA鋳型の結合に関与し、一方で大サブユニットは順次tRNAに結合します。それぞれのmRNA分子は、多くのリボソームによって同時に翻訳され、すべて同じ方向にタンパク質を合成します:5'から3'へmRNAを読み取り、N末端からC末端へとポリペプチドを合成します。完全なmRNA/ポリリボソーム構造はポリソームと呼ばれます。

tRNA

tRNAは、RNAポリメラーゼIIIによって遺伝子から転写された構造的RNA分子です。種によって、細胞質には40～60種類のtRNAが存在します。トランスファーRNAはアダプター分子として働きます。それぞれのtRNAは特定のアミノ酸を保有し、タンパク質内のアミノ酸の順序を定義する1つまたは複数のmRNAコドンを認識します。アミノアシルtRNAはリボソームに結合し、対応するアミノ酸をポリペプチド鎖に付加します。したがって、tRNAが実際にRNAの言語をタンパク質の言語に「翻訳」する分子です。

64個の可能なmRNAコドン(またはA、U、G、およびCのトリプレットの組み合わせ)のうち3個はタンパク質合成の終結を規定し、61個はポリペプチド鎖へのアミノ酸の付加を規定しています。これら61個のうち、1個のコドン(AUG)は翻訳の開始もコードしています。それぞれのtRNAアンチコドンは、そのアミノ酸について1つかそれ以上のmRNAコドンと塩基対を形成することができます。たとえば、配列CUAが適切なリーディングフレーム内のmRNA鋳型上に存在する場合、それは相補的配列GAUを発現するロイシンtRNAに結合するでしょう。いくつかのtRNAが2つ以上のコドンに一致する能力は、遺伝コードにそのブロック状構造を与えるものです。

tRNAが、翻訳のアダプター分子として、そのような小さなパッケージに非常に多くの特異性を収めることができるのは驚くべきことです。tRNAは3つの因子として相互作用する必要があることを考えてください:1)それらは正しいアミノアシル合成酵素によって認識されなければなりません(下記参照)、2)それらはリボソームによって認識されなければなりません、3)それらはmRNA中で正しい配列に結合しなければなりません。

アミノアシルtRNA合成酵素

RNAポリメラーゼIIIによるtRNA前駆体合成のプロセスは、アダプター分子のRNA部分のみを作り出します。対応するアミノ酸は、tRNAがプロセシングされて細胞質に輸送されたら、その後に追加しなければなりません。tRNAが「チャージ」する過程で、それぞれのtRNA分子は、アミノアシルtRNA合成酵素と呼ばれる酵素のグループの1つによって、正しいアミノ酸に結合されます。20種類のアミノ酸それぞれに少なくとも1種類のアミノアシルtRNA合成酵素が存在します。アミノアシルtRNA合成酵素の正確な数は種によって異なります。これらの酵素は最初にATPに結合して加水分解し、アミノ酸とアデノシン一リン酸(AMP)の間の高エネルギー結合を触媒します。この反応ではピロリン酸分子が追い出されます。次いで、活性化されたアミノ酸はtRNAに移され、そしてAMPが放出されます。アミノ酸をそのtRNAに結合させる高エネルギー結合は後にペプチド結合の形成を駆動するために使用されるので、「チャージ」という用語が用いられています。それぞれのtRNAはそのアミノ酸によって命名されています。

タンパク質合成のメカニズム

mRNA合成と同様に、タンパク質合成は3つの段階、すなわち開始、伸長、および終結に分けることができます。翻訳のプロセスは原核生物と真核生物とで似ています。ここでは、私たちは代表的な原核生物である大腸菌でどのように翻訳が起こるのかを探り、原核生物と真核生物の翻訳の違いを特定します。

翻訳の開始

タンパク質合成は開始複合体の形成から始まります。大腸菌では、この複合体は小さな30Sリボソーム、mRNA鋳型、3つの開始因子(IF:IF-1、IF-2、およびIF-3)、およびtRNAᴹᵉᵗᶠと呼ばれる特別な開始tRNAを含みます。

大腸菌のmRNAでは、シャイン-ダルガノ配列(AGGAGG)と呼ばれる、最初のAUGコドンの上流の配列が、リボソームを構成するrRNA分子と相互作用します。この相互作用は、30SリボソームサブユニットをmRNA鋳型上の正しい位置に固定します。プリンヌクレオチド三リン酸であるグアノシン三リン酸(GTP)は、伸長開始時とリボソーム転座中との両方において翻訳の間のエネルギー源として作用します。mRNAの30Sリボソームへの結合はまたIF-IIIを必要とします。

次に、開始tRNAは、開始コドンAUG(またはまれにGUG)と相互作用します。このtRNAはアミノ酸のメチオニンを運んでおり、メチオニンはtRNAへの結合後にホルミル化されます。このホルミル化は、ホルミルカルボキシル基とメチオニンのアミノ基との間に「偽の」ペプチド結合を形成します。fMet-tRNAᴹᵉᵗᶠの結合は開始因子IF-2によって仲介されます。fMetは、大腸菌によって合成されるすべてのポリペプチド鎖を開始しますが、通常は翻訳が完了した後に削除されます。翻訳伸長中にインフレームAUGに遭遇すると、非ホルミル化メチオニンが通常のMet−tRNAᴹᵉᵗによって挿入されます。開始複合体の形成後、30Sリボソームサブユニットは50Sサブユニットによって連結されて翻訳複合体を形成します。真核生物では、mRNA、40Sリボソーム小サブユニット、真核生物のIF、およびヌクレオシド三リン酸(GTPおよびATP)からなる同様の開始複合体が形成されます。Met-tRNAᵢと呼ばれるチャージされたイニシエーターtRNA上のメチオニンはホルミル化されません。しかしながら、Met-tRNAᵢは、それがIFに結合することができるという点で他のMet-tRNAとは異なります。

シャイン-ダルガノ配列で蓄積する代わりに、真核生物の開始複合体は、mRNAの5'末端にある7-メチルグアノシンキャップを認識します。キャップ結合タンパク質(CBP)および他のいくつかのIFがリボソームの5'キャップへの移動を補助します。キャップに達すると、開始複合体はmRNAに沿って5'から3'方向にたどり、AUG開始コドンを探します。多くの真核生物のmRNAが最初のAUGから翻訳されていますが、これは常にそうとは限りません。コザックの規則によると、AUG周辺のヌクレオチドはそれが正しい開始コドンであるかどうかを示します。コザックの規則は、次のコンセンサス配列が脊椎動物遺伝子のAUGの周りに現れなければならないと述べています:つまり、5'-gccRccAUGG-3'。R(プリン)は、AまたはGのいずれかであり得るがCまたはUのいずれでもあり得ない部位を示しています。本質的に、配列がこのコンセンサスに近いほど、翻訳の効率が高くなります。

適切なAUGが同定されると、他のタンパク質およびCBPは解離し、そして60SサブユニットはMet-tRNAᵢ、mRNA、および40Sサブユニットの複合体に結合します。この段階で真核生物における翻訳の開始は完了します。

翻訳、伸長、および終結

原核生物と真核生物では伸長の基本は同じなので、私たちは大腸菌の観点から伸長について検討していきます。翻訳複合体が形成されると、リボソームのtRNA結合領域は3つの区画からなります。A(アミノアシル)部位は入ってくるチャージされたアミノアシルtRNAに結合します。P(ペプチジル)部位は、成長するポリペプチド鎖とペプチド結合を形成したもののそれらの対応するtRNAからはまだ解離していないアミノ酸を有するチャージされたtRNAに結合します。E(出口)部位は解離したtRNAを放出し、その結果それらを遊離アミノ酸で再チャージすることができるようにします。しかしながら、原核生物および真核生物の両方において、開始メチオニルtRNAが翻訳の伸長期の開始時にP部位を占めています。

翻訳の伸長中、mRNA鋳型はtRNA結合特異性を提供します。リボソームがmRNAに沿って移動するにつれて、それぞれのmRNAコドンが読み取られ、そして対応するチャージされたtRNAアンチコドンとの特異的な結合が確実にされます。もしmRNAが伸長複合体に存在しなかった場合、リボソームはtRNAを非特異的かつランダムに結合するでしょう(?)。

伸長は、それぞれの新しいアミノ酸がポリペプチド鎖に付加される際に順次リボソームに出入りするチャージされたtRNAとともに進行します。A部位からP部位へ、そしてE部位へのtRNAの移動は、3'方向に3塩基だけリボソームを前進させる立体構造変化によって誘導されます。リボソームに沿った各ステップのエネルギーは、GTPを加水分解する伸長因子によって提供されます。GTPエネルギーは、新しいアミノアシルtRNAのA部位への結合およびペプチド結合形成後のP部位へのその転座の両方に必要とされます。A部位tRNAに結合したアミノ酸のアミノ基と、P部位tRNAに結合したアミノ酸のカルボキシル基との間にペプチド結合が形成されます。それぞれのペプチド結合の形成は、50Sリボソームサブユニットに組み込まれたRNAベースの酵素であるペプチジルトランスフェラーゼによって触媒されます。それぞれのペプチド結合形成のためのエネルギーは、各アミノ酸をそのtRNAに連結する高エネルギー結合に由来します。ペプチド結合の形成後、成長しているペプチド鎖を保持しているA部位tRNAはP部位に移動し、空になったP部位tRNAはE部位に移動してリボソームから排出されます(図15.16)。驚くべきことに、大腸菌の翻訳装置はそれぞれのアミノ酸を加えるのに0.05秒しかかからず、これは200アミノ酸のタンパク質がたった10秒で翻訳され得ることを意味します。

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図15.16 | 開始tRNAアンチコドンが、リボソームの小サブユニットに結合したmRNA上の開始コドンを認識したときに翻訳が始まります。リボソームの大サブユニットが小サブユニットに結合し、そして第2のtRNAが動員されます。mRNAがリボソームに対して移動するにつれて、一連のtRNAがリボソームを通って移動し、そしてポリペプチド鎖が形成されます。A部位への放出因子の侵入は翻訳を終結させ、そしてこれらの要素は解離します。

多くの抗生物質は細菌のタンパク質合成を阻害します。たとえば、テトラサイクリンは細菌のリボソーム上のA部位を遮断し、そしてクロラムフェニコールはペプチジル転移を遮断します。これらの抗生物質のそれぞれがタンパク質合成にどのような具体的な効果をもたらすと予想しますか?

テトラサイクリンは、________に直接影響を与えます:
a.リボソームへのtRNAの結合
b.リボソーム集合
c.タンパク質鎖の成長
クロラムフェニコールは、________に直接影響を与えます:
a.リボソームへのtRNAの結合
b.リボソーム集合
c.タンパク質鎖の成長

ナンセンスコドン(UAA、UAG、またはUGA)に遭遇すると翻訳が終結します。これらのナンセンスコドンは、A部位と整列すると、tRNAに似たタンパク質放出因子によって認識されます。原核生物および真核生物の両方における放出因子は、ペプチジルトランスフェラーゼに対して、P部位アミノ酸のカルボキシル末端に水分子を付加するように指示します。この反応により、P部位アミノ酸がそのtRNAから離され、そして新たに作られたタンパク質が放出されます。リボソームの小サブユニットと大サブユニットは、mRNAから、そしてお互いから解離します。それらはほぼ即座に他の翻訳開始複合体に動員されます。多くのリボソームが翻訳を完了した後、mRNAは分解されるので、ヌクレオチドは他の転写反応に再利用することができます。

タンパク質の折り畳み、修飾、およびターゲティング

翻訳中および翻訳後に、個々のアミノ酸は化学的に修飾され、シグナル配列が付加され、そして新しいタンパク質は分子内相互作用の結果として特徴的な三次元構造に「折り畳まれ」ます。シグナル配列は、それを特定の細胞区画に向かわせるタンパク質のアミノ末端にある短い配列です。これらの配列は、最終目的地へ向けたタンパク質の「列車の切符」と考えることができ、車掌として働くシグナル認識タンパク質によって認識されます。たとえば、特定のシグナル配列末端は、タンパク質をミトコンドリアまたは(植物の)葉緑体に向かわせるでしょう。タンパク質がその細胞の目的地に到達すると、シグナル配列は通常切り取られます。

多くのタンパク質は自発的に折り畳まれますが、複雑な折り畳み過程でそれらが凝集するのを防ぐために、シャペロンと呼ばれるヘルパー分子が必要なタンパク質もあります。たとえタンパク質がその対応するmRNAによって適切に特定されていたとしても、異常な温度またはpH条件によって正しく折り畳まれるのが妨げられたならば、それは完全に機能不全な形態になることがあります。

重要用語

7-メチルグアノシンキャップ:mRNAを分解から保護し翻訳を補助するためにmRNA前駆体の5'末端に付加された修飾

アミノアシルtRNA合成酵素:tRNAと対応するアミノ酸との間の結合を触媒することによってtRNA分子を「チャージ」する酵素

アンチコドン:mRNAコドンに対応するtRNA分子中の3ヌクレオチド配列

CAATボックス(GGCCAATCT):結合転写因子に関与する真核生物の必須プロモーター配列

セントラルドグマ:遺伝子がmRNAの配列を特定し、それは次にタンパク質の配列を特定すると述べるもの

コドン:翻訳中にアミノ酸の挿入またはポリペプチド鎖の放出を特定するmRNA中の3つの連続したヌクレオチド

共線的:RNAおよびタンパク質に関して、RNAの3つの「単位」(ヌクレオチド)が連続した方法でタンパク質の1つの「単位」(アミノ酸)を指定する

コンセンサス:同一または類似の機能を果たすために多くの種によって使用されるDNA配列

コア酵素:α、α、β、およびβ’からなるがσを欠く原核生物のRNAポリメラーゼ。この複合体が伸長を実行する

(遺伝コードの)縮重:所与のアミノ酸が複数のヌクレオチドトリプレットによってコードされ得るということを記述する。コードは縮重しているが、曖昧ではない

下流:mRNA転写の方向において開始部位に続くヌクレオチド。一般に、mRNA上のある部位に対して3'末端側にある配列

エクソン:mRNA前駆体スプライシング完了後にタンパク質をコードするmRNAに存在する配列

FACT:転写を行うRNAポリメラーゼIIの前のヌクレオソームを分解し、ポリメラーゼが通過した後にそれらを再構築することによって「クロマチン転写を促進する(facilitates chromatin transcription)」複合体

GCが豊富なボックス(GGCG):細胞因子を結合して転写効率を高めるような、真核生物の必須ではないプロモーター配列。プロモーター中に数回存在してもよい

ヘアピン:それが自身の上に折り返されて相補的ヌクレオチド間に分子内水素結合を形成するときのRNAの構造

ホロ酵素:α、α、β、β’、およびσからなる原核生物のRNAポリメラーゼ。この複合体は転写開始を担っている

開始部位:そこからmRNA合成が5'から3'方向に進行するようなヌクレオチド。「+1」で示される

開始tRNA:原核生物においては、tRNAfᴹᵉᵗと呼ばれる。真核生物においては、tRNAᵢと呼ばれる。開始コドンと相互作用し、リボソームのP部位に直接結合し、そして特別なメチオニンに結合してポリペプチド鎖を開始するtRNA

イントロン:プロセシング中にmRNAからスプライスされる、タンパク質をコードしない介在配列

コザックの規則:真核生物のmRNAにおける正しい開始AUGを決定する。以下のコンセンサス配列がAUGの周囲に現れなければならない:5'-GCC(プリン)CCAUGG-3'。太字の塩基が最も重要である

ナンセンスコドン:翻訳の終結を指定する3つのmRNAコドンのうちの1つ

非テンプレート鎖:mRNAの転写に使用されていないDNAのストランド。このストランドは、DNA中のTヌクレオチドがmRNA中のUヌクレオチドによって置換されていることを除いて、mRNAと同一である

八量体ボックス(ATTTGCAT):細胞因子を結合して転写効率を高める、必須ではない真核生物のプロモーター配列。プロモーター中に数回存在してもよい

ペプチジルトランスフェラーゼ:50Sリボソームサブユニットに統合されてペプチド結合の形成を触媒するRNAベースの酵素

プラスミド:染色体外の、共有結合的に閉じた環状のDNA分子で、1つまたは少数の遺伝子しか含まない場合がある。原核生物に共通している

ポリA尾部:mRNAを分解から保護し、核からのmRNAの輸送を補助するためにmRNA前駆体の3'末端に付加された修飾

ポリソーム:すべて同じ方向に向かう多くのリボソームによって同時に翻訳されているmRNA分子

前開始複合体:DNA鋳型の転写のためにRNAポリメラーゼIIを動員する転写因子および他のタンパク質のかたまり

プロモーター:RNAポリメラーゼおよび関連因子が結合して転写を開始するDNA配列

リーディングフレーム:特定のタンパク質を規定するmRNA中のトリプレットコドンの配列。いずれかの方向への1つまたは2つのヌクレオチドのリボソームシフトはそのタンパク質の合成を完全に無効にする

rho依存性終結:原核生物において、DNA鋳型上の一連のGヌクレオチドにおけるRNAポリメラーゼとrhoタンパク質との間の相互作用による転写の終結

rho非依存性:原核生物のmRNA合成の終結配列に依存した終結。ポリメラーゼを失速させるmRNAのヘアピン形成によって引き起こされる

RNA編集:すでに合成されているmRNAの中における1つかそれ以上のヌクレオチドの直接の変更

シャイン-ダルガノ配列(AGGAGG):30SリボソームからなるrRNA分子と相互作用することにより原核生物の翻訳を開始する

シグナル配列:タンパク質を特定の細胞区画に向かわせるアミノ酸の短い尾部

低分子核内RNA:mRNA前駆体のスプライシングや転写因子の調節など、さまざまな機能を持つ、RNAポリメラーゼIIIによって合成された分子

スプライシング:mRNA前駆体におけるイントロンの除去およびエクソンの再結合のプロセス

開始コドン:mRNA上のAUG(またはまれにGUG)でそこから翻訳が始まる。常にメチオニンを指定する

TATAボックス:真核生物および原核生物における保存されたプロモーター配列であり、転写開始部位の確立に役立つ

テンプレート鎖:相補的mRNA分子を特定するDNAのストランド

転写バブル:mRNAの転写を可能にする、局所的にほどかれたDNAの領域

上流:開始部位の前のヌクレオチド。一般に、mRNA上のある部位に対して5'末端側の配列

この章のまとめ

15.1 | 遺伝コード

遺伝コードは、DNAのアルファベット(A、T、C、G)、RNAのアルファベット(A、U、C、G)、およびポリペプチドのアルファベット(20個のアミノ酸)のことを指します。セントラルドグマは、遺伝子からmRNA、そしてタンパク質へという細胞内の遺伝情報の流れを表しています。遺伝子は転写のプロセスによってmRNAを作るのに使われます。mRNAは翻訳のプロセスによってタンパク質を合成するために使用されます。mRNA中の64個のトリプレットコドンは20個のアミノ酸と3個のナンセンスコドンしか特定していないため、遺伝コードは縮重しています。ほとんどのアミノ酸はいくつかの類似のコドンを持っています。地球上のほとんどすべての種が同じ遺伝コードを使用しています。

15.2 | 原核生物の転写

原核生物において、mRNA合成は、RNAポリメラーゼを動員する2つのコンセンサス配列からなるDNA鋳型上のプロモーター配列で開始されます。原核生物のポリメラーゼは、4つのタンパク質サブユニットのコア酵素および開始のみを補助するσタンパク質からなります。伸長は、1秒あたり40ヌクレオチドの速度で5'から3'方向にmRNAを合成します。終結はmRNAを遊離させ、そしてrhoタンパク質の相互作用またはmRNAヘアピンの形成のいずれかにより起こります。

15.3 | 真核生物の転写

真核生物における転写は、転写される遺伝子に応じて、3種類のポリメラーゼのうちの1つが関与します。RNAポリメラーゼIは縦列に複製されたrRNA遺伝子を転写するのに対し、RNAポリメラーゼIIはすべてのタンパク質コード遺伝子を転写し、そして、RNAポリメラーゼIIIは5S rRNA、tRNA、および低分子核内RNA遺伝子のようなさまざまな低分子RNAを転写します。真核生物における転写の開始は、コピーされる遺伝子の上流に通常は位置する複雑なプロモーター配列へのいくつかの転写因子の結合を含みます。mRNAは5'から3'方向に合成され、そしてポリメラーゼが通過するとFACT複合体は移動しそしてヌクレオソームを再組み立てします。RNAポリメラーゼIおよびIIIはタンパク質依存的またはRNAヘアピン依存的方法により転写を終結させますが、RNAポリメラーゼIIは遺伝子鋳型を越えて1000またはそれ以上のヌクレオチドを転写し、そしてmRNA前駆体プロセシングの間に余剰物を切断します。

15.4 | 真核生物におけるRNAプロセシング

真核生物のmRNA前駆体は、5'メチルグアノシンキャップおよびポリA尾部で修飾されています。これらの構造は成熟したmRNAを分解から保護し、核からそれを輸送するのを助けます。mRNA前駆体はまたスプライシングも受け、その中でイントロンが除去され、エクソンが単一ヌクレオチドの正確さで再結合されます。5'キャッピング、3'ポリアデニル化、およびイントロンスプライシングを受けた完成したmRNAのみが核から細胞質に運ばれます。rRNA前駆体およびtRNA前駆体は、ヌクレオチドの分子内切断、スプライシング、メチル化、および化学変換によってプロセシングされることがあります。まれに、mRNAが合成された後に欠けている塩基を挿入するためにRNA編集が行われます。

15.5 | リボソームとタンパク質合成

翻訳には、mRNA鋳型、リボソーム、tRNA、そしてさまざまな酵素因子が携わります。リボソームの小サブユニットは、シャイン-ダルガノ配列(原核生物)または5'キャップ(真核生物)のいずれかでmRNA鋳型に結合します。翻訳は、mRNA上の開始AUGからメチオニンを指定して始まります。ペプチド結合の形成は、遺伝コードにしたがって、mRNA鋳型に適合する連続アミノ酸間でそれらのtRNAによって起こります。チャージされたtRNAはリボソームのA部位に入り、それらのアミノ酸はP部位のアミノ酸と結合します。mRNAの全体はリボソームの3ヌクレオチドの「ステップ」で翻訳されます。ナンセンスコドンに遭遇すると、放出因子が構成要素と結合してそれらを解離し、新しいタンパク質を放出します。タンパク質の折り畳みは翻訳中および翻訳後に起こります。

ビジュアルコネクション問題

1.図15.10 | ある科学者が真核生物のプロモーターを細菌遺伝子の前に接合(スプライス)し、その遺伝子を細菌の染色体に挿入したとします。あなたは、この細菌が遺伝子を転写すると予想しますか?

2.図15.13 | スプライシングの誤りはがんや他の人間の病気に関係しています。どのような変異がスプライシングの誤りを引き起こす可能性がありますか?スプライシングの誤りが発生した場合のさまざまなあり得る結果について考えてください。

3.図15.16 | 多くの抗生物質は細菌のタンパク質合成を阻害します。たとえば、テトラサイクリンは細菌のリボソーム上のA部位を遮断し、そしてクロラムフェニコールはペプチジル転移を遮断します。これらの抗生物質のそれぞれがタンパク質合成にどのような具体的な効果をもたらすと予想しますか?

テトラサイクリンは、________に直接影響を与えます:
a.リボソームへのtRNAの結合
b.リボソーム集合
c.タンパク質鎖の成長
クロラムフェニコールは、________に直接影響を与えます:
a.リボソームへのtRNAの結合
b.リボソーム集合
c.タンパク質鎖の成長

レビュー問題

4.mRNA中のAUCおよびAUAコドンは両方ともイソロイシンを特定します。遺伝コードのどのような特徴がこれを説明するでしょうか?
a.相補性
b.ナンセンスコドン
c.普遍性
d.縮重

5.12個のmRNAコドンには何個のヌクレオチドがありますか?
a.12個
b.24個
c.36個
d.48個

6.分子生物学のセントラルドグマと矛盾する事象はどれですか?
a.ポリAポリメラーゼ酵素は核内のmRNAをプロセシングする。
b.エンドヌクレアーゼ酵素は損傷したDNAをスプライシングし、そして修復する。
c.科学者たちは逆転写酵素を使ってRNAからDNAを作り出す。
d.アミノ酸を特定するコドンは縮重しそして普遍的である。

7.大腸菌ポリメラーゼのどのサブユニットが転写に対して特異性を与えますか?
a.α
b.β
c.β’
d.σ

8.原核生物のプロモーターの-10領域および-35領域は、________ために、コンセンサス配列と呼ばれます。
a.それらがすべての細菌種で同一である
b.それらがすべての細菌種で類似している
c.それらがすべての生物に存在する
d.それらがすべての生物において同じ機能を持っている

9.3つの異なる細菌種は、保存された遺伝子の上流に以下のコンセンサス配列を有しています。

表15.2

これらの細菌を、遺伝子転写の開始の最も効率の良いものから最も効率の悪いものまで順に並べてください。
a.A > B > C
b.B > C > A
c.C > B > A
d.A > C > B

10.原核生物と真核生物の両方に見られるプロモーターの特徴はどれですか?
a.GCボックス
b.TATAボックス
c.八量体ボックス
d.-10と-35の配列

11.どの転写産物が低レベルのα-アマニチンによって最も影響を受けますか?
a.18Sおよび28S rRNA
b.mRNA前駆体
c.5S rRNAとtRNA
d.他の低分子核内RNA

12.エンハンサーとプロモーターはどのように違いますか?
a.エンハンサーは転写因子を結合して遺伝子発現を静止させる一方、プロモーターは転写を活性化する。
b.エンハンサーは遺伝子発現の効率を高めるが、転写に必須ではない。プロモーター認識は転写開始に必須である。
c.プロモーターは転写因子を結合して転写の効率を高める。エンハンサーはRNAポリメラーゼと結合して転写を開始する。
d.違いはない。どちらもDNA中で転写因子に結合する配列である。

13.翻訳を始めるためには、どのmRNA前駆体プロセシング工程が重要ですか?
a.ポリA尾部
b.RNA編集
c.スプライシング
d.7-メチルグアノシンキャップ

14.どのようなプロセシング工程がtRNA前駆体とrRNA前駆体の安定性を高めますか?
a.メチル化
b.ヌクレオチド修飾
c.切断
d.スプライシング

15.ある科学者が、以下の構造を有するmRNA前駆体を同定しました。

5'キャップおよび3'ポリA尾部を除いて、対応する成熟mRNAの塩基対(bp)の予測サイズはどれほどですか?
a.220bp
b.295bp
c.140bp
d.435bp

16.リボソームのRNA成分は、________で合成されます。
a.細胞質
b.核
c.核小体
d.小胞体

17.どの種においても、少なくともいくつの種類のアミノアシルtRNA合成酵素がありますか?
a.20
b.40
c.100
d.200

18.ある科学者が、60Sリボソームサブユニットを非機能的にする突然変異を人間の細胞株に導入しました。翻訳に対する予測される影響は何ですか?
a.開始AUGコドンが同定された後に翻訳が停止する。
b.リボソームはA部位およびP部位におけるtRNA間のペプチド結合の形成を触媒することができない。
c.リボソームはmRNAと相互作用することができない。
d.tRNAはリボソームのE部位を出ることができない。

クリティカルシンキング問題

19.一般的に存在するアミノ酸が20個ではなく200個あると想像してみてください。あなたが遺伝コードについて知っていることを踏まえて、可能な限り最短のコドン長はいくつでしょうか?説明してください。

20.遺伝コードの縮重がどのようにして細胞を突然変異に対してより頑健にするかを議論してください。

21.mRNAの配列決定をしている科学者が、以下のストランドを同定しました:CUAUGUGUCGUAACAGCCGAUGACCCG。このmRNAが翻訳されるときに作られるアミノ酸鎖の配列は何ですか?

22.もしmRNAがDNAテンプレート鎖と相補的で、DNAテンプレート鎖がDNA非テンプレート鎖と相補的であるならば、mRNAの塩基配列とDNA非テンプレート鎖とが同一ではないのはなぜですか?それらは同一になることができますか?

23.あなた自身の言葉で、原核生物における転写のrho依存性終結とrho非依存性終結の違いを記述してください。

24.ある細菌のDNAの断片が次のようでした:3' –TACCTATAATCTCAATTGATAGAAGCACTCTAC– 5'。この断片がテンプレート鎖であると仮定すると、転写されるmRNAの配列は何ですか?(ヒント:開始部位を確実に特定してください。)

25.ある科学者が、ある細胞がタンパク質を作るのを妨げるようなRNAポリメラーゼ欠乏症を有していることを観察しました。この欠陥の原因がRNAポリメラーゼI活性の欠陥であって他のポリメラーゼの問題ではないという結論を一緒になって支持するであろう、3つのさらなる観察について記述してください。

26.慢性リンパ性白血病患者は、しばしば彼らのスプライセオソーム機構にナンセンス突然変異を抱えています。スプライセオソームのこの変異がmRNA前駆体の最終的な位置と配列をどのように変化させるかを記述してください。

27.以下のDNA配列(非テンプレート鎖)を転写し、そして翻訳してください:5'- ATGGCCGGTTATTAAGCA-3'。

28.単一ヌクレオチドの変化がどのようにしてタンパク質の機能に大きく異なる影響を及ぼすことがあるのかを説明してください。

29.5' –UGCCAUGGUAAUAACACAUGAGGCCUGAAC– 3'と書かれている正常なmRNAが、配列を5' -UGCCAUGGUUAAUAACACAUGAGGCCUGAAC– 3'に変える挿入変異を受けました。元のmRNAと変異したmRNAを翻訳し、挿入変異がどのようにしてタンパク質に劇的な影響を与えることがあるかを説明してください。(ヒント:開始部位を確実に見つけてください。)

解答のヒント

第15章

1 図15.11 いいえ。原核生物は真核生物とは異なるプロモーターを使用します。3 図15.16 テトラサイクリン:a、クロラムフェニコール:c。4 D 6 C 8 B 10 B 12 B 14 A 16 C 18 A 19 一般的なアミノ酸が200種類の場合、4種類のヌクレオチドからなるコドンは、少なくとも4ヌクレオチド長でなければなりません。なぜなら、4⁴ = 256だからです。この場合の縮重ははるかに少なくなります。21 Met Cys Arg Asn Ser Arg。アミノ酸配列を書くための最初のステップは開始コドンAUGを見つけることです。次に、ヌクレオチド配列をトリプレットに分離します:CU AUG UGU CGU AAC AGC CGA UGA。私たちはUGAで翻訳を停止します。なぜなら、そのトリプレットは終止コドンをコードするからです。私たちがこれらのコドンをアミノ酸に変換すると、その配列はMet Cys Arg Asn Ser Argになります。23 rho依存性終結は、成長するmRNA鎖上のポリメラーゼの後ろを追跡するrhoタンパク質によって制御されます。遺伝子の末端近くで、ポリメラーゼはDNA鋳型上の一連のGヌクレオチドで停止します。rhoタンパク質はポリメラーゼと衝突し、そして転写バブルからmRNAを放出します。rho非依存性終結は、DNAテンプレート鎖中の特定の配列によって制御されています。転写されている遺伝子の末端にポリメラーゼが近づくにつれて、それはC-Gヌクレオチドに富む領域に遭遇します。これはmRNAのヘアピンを作成します。ヘアピンは、ポリメラーゼがA–Tヌクレオチドに富んだ領域を転写し始めるときにポリメラーゼを正しく失速させます。A-U結合は熱安定性が低いので、コア酵素は脱落します。25 RNAポリメラーゼIの変異または欠損がタンパク質産生の欠陥を引き起こしていることを決定するために、この科学者はRNAポリメラーゼIIおよびIIIが細胞内できちんと働いているという証拠を提供するような観察をする必要があるでしょう。RNAポリメラーゼIIを欠陥として排除するような観察には以下のものが含まれます:核内のmRNAの転写・細胞質中のプロセシングされたmRNAの存在。RNAポリメラーゼIIIを排除するような観察には以下のものが含まれます:細胞からの低分子核内RNAの単離・細胞からのマイクロRNAの単離・核内での5S rRNAの転写・細胞質内でのtRNAの存在。RNAポリメラーゼIが関与するという観察には以下のものが含まれます:細胞質内の機能的リボソームの欠如(RNAポリメラーゼIまたはIII)・RNAポリメラーゼIタンパク質の欠如・RNAポリメラーゼIが非機能的である。27 mRNAは5'-AUGGCCGGUUAUUAAGCA-3'でしょう。タンパク質はMAGYです。6つのコドンがあったとしても、5番目のコドンは終点に対応するので、6番目のコドンは翻訳されないでしょう。29 元のmRNA:5' –UGCC AUG GUA AUA ACA CAU GAG GCC UGA AC– 3'。翻訳:Met — Val — Ile — Thr — His — Glu — Ala。変異mRNA:5' –UGCC AUG GUU AAU AAC ACA UGA GGCCUGAAC– 3'。翻訳:Met — Val — Asn — Asn — Thr。挿入変異はコドンのリーディングフレームをシフトさせるため、挿入変異はタンパク質に劇的な影響を及ぼします。これは、mRNAによってコードされるアミノ酸を変化させ、そして未成熟の開始または停止部位を導入することがあります。

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