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21.12:

DNAからタンパク質まで

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From DNA to Protein

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DNA contains genes, sequences of nucleotides, some of which are instructions that code for the series of amino acids in a protein. The flow of genetic information from DNA to RNA to protein is a process known as The Central Dogma. The first step of this process is transcription, where an RNA polymerase enzyme synthesizes an RNA based copy, or transcript of the gene. The DNA is used as a template where each new RNA base added to the transcript is complementary to the original strand of DNA. Some transcripts, called messenger or mRNA, code for proteins, while non-coding ones participate in other cellular processes. For example, ribosomal rRNA and transfer tRNA participate in protein synthesis. The next step is translation, where mRNA is decoded to synthesize a chain of amino acids. A set of instructions known as the genetic code is used to read the mRNA. Most organisms use this same universal code composed of three nucleotide groups called codons that translate to specific amino acids. There are 64 different nucleotide triplets but only 20 standard amino acids in proteins making the code degenerate, that is, multiple codon sets can give the same instruction. Sixty-one sets code for amino acids, and three signal the stop of translation. Translation occurs at the ribosome, a large complex of rRNAs and proteins, with the help of tRNA.  tRNA has a three hairpin loop structure. One loop contains a sequence called the anticodon, which has complementary bases to the codon. An amino acid corresponding to this sequence is attached at the end of the tRNA, which transports it into the ribosome. Proteins called initiation factors bring together the small ribosome unit, an initiator tRNA and the mRNA. After the assembly of the complex, the ribosome glides along the mRNA in search of the translation start site.   Here, the initiator tRNA anticodon binds to the complementary codon; the large ribosome unit binds to the assembly,  and translation is initiated. When the next tRNA comes in, the amino acid from the initiator is detached and transferred to the neighboring amino acid resulting in a growing polypeptide chain.    The addition of amino acids continues until a stop codon is detected in the mRNA. The ribosome then releases the chain so that it can fold into a functional protein.

21.12:

DNAからタンパク質まで

DNA→mRNA→タンパク質という細胞内の遺伝情報の流れは、「遺伝子がmRNAの配列を決定し、そのmRNAがすべてのタンパク質を構成するアミノ酸の配列を決定する」というセントラルドグマによって説明されます。ある分子から別の分子への解読は、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の中心であるため、DNA自体を保護したまま、細胞がタンパク質合成のためにこの情報のmRNAコピーを作成することは直感的に理解できます。DNAからRNAへのコピーは比較的簡単であり、DNAのヌクレオチドを読み取るごとにmRNA鎖に1つのヌクレオチドが追加されます。mRNAの3つのヌクレオチドがポリペプチド配列の1つのアミノ酸に対応しているため、タンパク質への翻訳は少し複雑になります。タンパク質への翻訳は、ヌクレオチド1〜3がアミノ酸1に、ヌクレオチド4〜6がアミノ酸2に…というように、系統的かつ共線的に行われます。

遺伝暗号は縮退した普遍的なものである

各アミノ酸は、トリプレットコドンと呼ばれる3つの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数が異なることから、科学者たちは、1つのアミノ酸はヌクレオチドの組み合わせで表されなければならないと考えた。2つのヌクレオチドの組み合わせは16通り(42)しかないため、ヌクレオチドの2重構造だけではすべてのアミノ酸を指定することはできません。一方、ヌクレオチドの3重構造は64通り(43)あり、アミノ酸の数よりもはるかに多いです。科学者たちは、アミノ酸はヌクレオチド3重項によってコード化されており、遺伝暗号は縮退しているという説を提唱しました。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、突然変異原であるプロフラビンを使って、ウイルスの遺伝子に1個、2個、3個のヌクレオチドを挿入しました。1、2個のヌクレオチドを挿入した場合、正常なタンパク質は生成されなかった。しかし、3つのヌクレオチドを挿入すると、正常なタンパク質が合成されるようになった。これにより、アミノ酸は3本のヌクレオチドで指定されなければならないことがわかった。この3つのヌクレオチドの集合体をコドンと呼びます。1つまたは2つのヌクレオチドが挿入されると、トリプレットのリーディングフレームが完全に変わり、後続のアミノ酸のメッセージが変化します。3つのヌクレオチドを挿入すると、翻訳時に余分なアミノ酸が挿入されるが、残りのタンパク質の完全性は維持されます。

ポリペプチド鎖に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3個はタンパク質合成を終了させ、ポリペプチドを翻訳から解放します。これらの3つのコドンはナンセンスコドンまたはストップコドンと呼ばれます。また、AUGというコドンも特別な機能を有しています。AUGは、アミノ酸のメチオニンを指定するだけでなく、翻訳を開始するための開始コドンとしても機能します。翻訳のためのリーディングフレームは、AUG開始コドンによってmRNAの5'末端付近に設定されます。開始コドンに続いて、停止コドンに出会うまで、mRNAは3つのグループに分けて読まれます。

1つのアミノ酸を複数の類似したコドンで指定することを「縮退」といい、縮退はランダムな突然変異の悪影響を軽減するための細胞の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、通常、1つのヌクレオチドだけが異なります。また、化学的に類似した側鎖を持つアミノ酸は、類似したコドンでコード化されます。例えば、GA*ブロックを構成するアスパラギン酸(Asp)とグルタミン酸(Glu)は、どちらも負の電荷を帯びています。このように、1塩基置換の突然変異が起こったとしても、同じアミノ酸が指定されるために効果がなかったり、類似のアミノ酸が指定されることによって、タンパク質が完全に機能しなくなることを防いでいます。

遺伝暗号は普遍的なものです。 いくつかの例外を除いて、事実上すべての種が同じ遺伝暗号を使ってタンパク質を合成しています。コドンが保存されているということは、馬のグロビンタンパク質をコードするmRNAをチューリップの細胞に移植すれば、チューリップは馬のグロビンを合成することができるということです。20種類のアミノ酸と64個のトリプレットコドンの組み合わせが約1084通りあることを考えると、遺伝暗号が1つしかないということは、地球上のすべての生命が共通の起源を持っていることの強力な証拠となります。

上記の文章は以下から引用しました。 Openstax, Biology 2e, Chapter 15.1: The Genetic Code.