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DNAと遺伝子、ゲノム

遺伝子の構造と働き

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遺伝子の構造

 

 遺伝子はDNAの鎖の上で、特徴のある構造を作っています。ほとんどの遺伝子では、アミノ酸の配列情報をもつエキソンが、いくつかに分かれて、間にイントロンがはさまっています。イントロンとエキソンの境には、イントロンの切り出しに必要な情報があります。上流(5’)側の端にある最初のエキソンのさらにん上流には、遺伝子の発現の調節にかかわるプロモーターがあります。

 

 遺伝子の塩基配列は、イントロンを含めてそのままRNAの配列に写し取られます(転写)。そのRNAからイントロン部分を切り出して除き(スプライシング)、5’側にキャップ構造をつけ、3’側にAがつながったポリAの尾(テール)をつけたものが完成したメッセンジャーRNA(mRNA)です。この状態で核から出て細胞質に移動し、タンパク質合成の場であるリボソームに情報を伝えるので、まさにメッセンジャーです。mRNAノキャップやテールは、細胞質への移動やリボソームとの結合に必要です。

遺伝子の構造と情報の流れ

 mRNAのうち、最初のエキソンのメチオニンのコドンAUGは、翻訳開始のシグナルを兼ねています。リボソームでは、mRNSのMの位置からアミノ酸への翻訳がはじまり、最後のエキソンの停止コドンで翻訳が終わって、アミノ酸がつながったポリペプチド(タンパク質)ができます。なお、ポリペプチドから、さらに一部の区間が除去され、あるいは何個かが集まり立体構造を作って、最終的に機能をもつタンパク質ができる場合もあります。

 

遺伝子の大きさはいろいろ

 

 これまでの遺伝子でもっとも大きいのは、デュシェンヌ型筋ジストロフィーの原因になるジストロフィン遺伝子で、250万塩基対に近い大きさです。小さいほうは300塩基対をまずかに越えるヒストンH4の遺伝子などがあります。ヒストンH4や、性腺の睾丸側への分化にかかわるSRY遺伝子などは、エキソンが1個だけでイントロンはありません。当然ながら、エキソンが遺伝子の長さの100%を占めています。

 

 ジストロフィン遺伝子は79個のエキソンを含みますが、遺伝子によってはエキソンが100個を超えるものもあります。一般に大きな遺伝子では全長に占めるエキソンの割合が低く、ジストロフィンではなんと0.6%で、99%以上がイントロンです。

 

ハウスキーピング遺伝子と組織特異的遺伝子

 

 1個の受精卵から、さまざまな組織や臓器ができるのは、それぞれの細胞に含まれる遺伝子の活性化または長期にわたる休止が、規則的に行われているからです。

 

 遺伝子には、ハウスキーピング遺伝子と、組織特異的遺伝子があります。前者は、相棒のエネルギー代謝や浸透圧の調節などにかかわり、すべての細胞が生きていくのに欠かせない遺伝子です。当然ながら、すべての細胞で働いています。後者は、膵臓のランゲルハンス島のベータ細胞で働いている、インスリン遺伝子が例で、特定の種類の細胞だけで働いています。

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遺伝子の活動とその調整

 

 遺伝子の活動(発現)の調節には、さまざまなメカニズムが働いています。少し複雑ですが、いくつか紹介しておきましょう。

 

 まず、遺伝子のすぐ上流(5’)側には、前期のようにプロモーターがあります。その部分にはRNAへの転写の開始に必要な転写因子が結合するCAATボックス(CCAATなど)やTATAボックス(TATAAAなど)、GCボックス(GGGCGGなど)などの塩基配列が、さまざまな組み合わせで見られます。たとえば、ある遺伝子では、転写開始点の20塩基女流にTATAボックスがあります。

 

 転写因子やRNA転写酵素などが集まって、転写複合体(転写コンプレックス)をつくり、それがプロモーターに結合して転写がはじまります。

 

 遺伝子によってはエンハンサーもあります。これも転写を高めますが、位置は決まっておらず、遺伝子の下流(3’)側にあったり、イントロンの中にあったりします。プロモーターとエンハンサーにそれぞれ結合した転写因子などが、互いに密着すると転写が活発になります。

プロモーターの構造

 あるステロイドホルモンの濃度が上がると、それが何種類かの細胞の中に入り、受容体と結合します。すると受容体の性質が変わり、標的遺伝子のエンハンサーやプロモーター領域に結合して、その遺伝子の活性を変える、というのが短期的な調整の例です。タンパク質や糖などさまざまな物質が、細胞の表面にある受容体に結合することで、細胞内に情報を間接的に伝えて転写の調整を行います。

 

遺伝子の刷込みとは?

 

 遺伝子には刷込みという現象があります。対立遺伝子のうち、たとえば父(精子)からのは働いているが、母(卵子)からのは休んでいる(刷込みを受けている)のです。逆に、父からのが休んでいる例もあります。

 

 精神遅滞や肥満が見られるプラダー・ウィリー症候群(PWS)の患者では、ときに15番染色体が小さく欠けていますが、欠けているのはいつも父由来の15番です。母からの15番ではPWSの対立遺伝子が休んでいるので、欠けても影響はなにのです。

 

 同じ15番で、逆に父からの対立遺伝子が休んでいる病気も見つかりました。アンジェルマン症候群(AS)です。これらは長期にわたり対立遺伝子を休止させるメカニズムです。刷込みの本態は、遺伝子のCG部分のCのメチル化だと考えられています。シトシンの5の位置の炭素がメチル化され、5-メチルシトシンに変わっているのです。

シトシンのメチル化

 女性のX染色体のうち片方が不活性化していることは、1つの遺伝子で決まる性質や病気で紹介しましたが、不活性化したXでは、遺伝子がメチル化することで遺伝子が休止しているのです。

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