Molecular Biology of the Cell japonese edition [5 ed.] 9784315518672

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圏閤園都

位向I~~ THEC ELL~~i~i~~

細胞の分子生物学 第 5版

~~：~~~1~~ TH ECELL~~i：ぷ

第

5版

BruceAlberts AlexanderJohnson Julian Lewis Martin Raff Keith Roberts PeterWalter Withproblemsby

JohnWilson Tim Hunt

監訳 ：中村桂子・松原謙一 翻 訳 ： 青山聖子・ 滋賀陽子 ・滝田郁子 ・中塚公子 ・羽田裕子・宮下悦子

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監； 1 t 中村純 F

4 公J ポ謙一 翻； 1 t 1 ' f 1 I J巴 ＇（ − （第 I . 21 ; ' () 滋.r1 附｛－（指~ 8 .9 . 10.1 1 .1 2.1 3 .1 4 .1 5 .1 6t ; ' C)

沌I l l仰i { -（ 第7 ,1 8 . 20 24 25市） 目

目

＂＇ ~家公 ｛＇ （まえがき ．第 3 .4 .1 7 .1 9 . 217 戸 ）

羽川総 （ − （ 第 22.23市 ）

日' I悦 ｛ ＇（ 約5 .6T ; ' c ) l l JJ rf:!I~

・DVD解 . : l 1 . 釧 訳 キi 阪会社サイト編集室

G n r l a 1 1 dS c i e 1c e V i c eP r e si de n t:Denis eS chanck a s s o n A s s i st a n tEdi tor :Si g r i d肘l Produ ct ionE d i torandLayout :EmmaJ c f f c o c k S e n i o rP u b l i s her : J a c k ieHar bor ： トJ ig c lOrme I l l us t r a t or De si g 1 陀r :MatthewMcClement s ,B l i n kS t u d i o ,L t d E d i t o r s :Mar j o r i eAnder s onandSherr yGranum Cop yE d it o r :B r uc eGoat ly I n dexer :Mcr r a l lRo s sI n te r n a ti o n a l ,L t d . Per m is si o n sCoor d i n a t o r :MaryDispenz a

C e l lBi o l o gy/ 1 1 / e r n c t i v e Art is t icandS c i en t i f icD i r e ct ion:Pet e rW a l t e r Na r r a te db y :J u l ieT h e r i o t Produ ct ionDes i g nandDe v e lopme n t :Mi chae lMoral e s @ : >2 008,2002byBruc eA l b e rt s ,AlexanderJ ohns on,J u l ianL e w i s ,Marti nR a f f , K e it hR o b e r t s ,andPet e rW a l t er . e1983,1989,1994byBruceAlber ts ,DennisBr a y ,J u l i a nLewi s ,Mar t i nRa汀， K e i t hRober t s ,andJame sD .Wat s on .

' I b isbookcon t a i nsi n f o r ma ti o nobt a i n e dfroma u t hen t icandh igh lyr e g a r d ed sources Rep r i n tedm a t e r i a li squotedwithpermission,ands ourcesa r e i n d i c at ed.A wideva r iet yofr ef e r e n c e sa r el is t e d .Reason a b l eef f o r t shave beenmadet opubl is hr e l iab led a t aandi n f o r m a t i o n ,b u tt hea u t horandt he p u b l is herc annotas sumer e spons i bi l i t yf o rt h ev a l i d i t yo fa l lm a t e r i al so rf ort he cons e quenc e soft he irus e . 目

A l lr i g h tsr es e r v ed .Nop a r to ft h i sbookcover e dbyt hec o p y r i gh the r e o nmay n ymeans-graphi c , ber e p r o d uc e dorus e di nanyformati nanyformo rbya e le ct r on ic ,ormechani cal ,i n c l u d i ngphotocopyi ng,r e c o r d i n g ,t a p i n g ,or i nf o rmat i o ns t o r a g eandr e tr i e v als y stems-w it houtpermis si onoft hepubl is h er . P u b l is hedbyGar landS c i enc e ,Taylor& F r a n c i sGroup,LLC,aninforma bus ine s s ,270MadisonAvenue,NewYorkNY 1 001 6,USA,and2P a r kS q u a r e, M i l t o nPar k ,Abingdon,OX1 44RN,UK .

cNEWTONPRE SSI NC.2010 Aut ho r i z e dt r a ns l a t ionf r om Engl is hl anguagee d it ionpu b l is he dbyGa r land r anci sGroupLLC. S c i e n c e ,p a r tofTayl or& F Pri n t edi nJ a p a n

まえがき

L tきている細胞のしくみに比べ，宇宙の構造のほうが多くの ことがわかっている。太陽の

n 1 rして寿命の予知．はできるが．ヒトの寿命が 80年なのにマウスはたった 2年し 年齢を ； かない里l l 由はいまだに滋1 9 Jできない。 ヒト．マウスなど多くの生物組でゲノム塩基配列が 完全に決定された今でも．まだ研究が進んでいない逃伝子を変異させた場合の細胞の挙動 は予測できない。 J 止はたしかに細胞の

1043

I 脅も大きいが． 細胞は必より彼斜i で込み入っ

た・ h ' l t i l iをもち．物理I ＼ と化学の法則の産物としての驚l 拠の度合いはこちらのほうが大きい。 地球 卜．での生命発生から今 I Iまでの歳月は． 字官lの年齢の約 20%に相当する 。この｜ ！ 日 に ． 巡伝と l ' I然、選択を通じて．細胞はその分子機構を しだいに粉官官に し拡減 してきた。その笑 験結＊が泣伝情報として記却され．それが子孫に受け継がれている。

m

版を： ねるたびに. l i l fの版との悩jに現れ．記紋された網H / J 包生物学の新問視i の多さに 驚l 喫する。それ以上に驚くのは．発見された機構の見事さであり．網I I 胞をチ納｜に制べれば 訓べるほど．まだ不 1 9 Jなことカ｛ I t、 カ 、に多 U、カ、を．陪ることになる。初l 仮にj収り A 主 l んでいた知 j 飽の少なかつたH

るl i l f 逃だと l お采 したものだが．現在では．タンパク質は通常．他の多くのタンパク 1 1 1との 桜合体を椛成し．系として共同して働き．たがいの活性を微調整していることがわかって いる。 しかも. ） 忌場タンパクとの結合によ って特定の位置に回定され．決ま った三次元構 造をとる”化学工場”となるのである。ゲノム塩基配列の決定により．さまざまな生物の分 下部品のほぼ完全な リストが得られ．遺伝学と生化学によって．部品のJ i j 必 ！での作j 十 j や相

l 1については多くの情報が伴られた。 しかし相互にフィードパ ック 制御 される生物 互作J 化学系のダイナミズムについては理解が始まったばかりである。知l らせるにJ . E .る優れた研 究があるのも確かだが．細胞生物学にはさ らに大きな泌題が待ち受けているのも確かなの である。 約 5I 振では多くの分野で新しい知識が: I J l lわった。エピジェネティァクス．ヒス トン 修飾．小型 RNA. 比般ゲノミクスから．遺伝子発現制節の不安定t ' I : . 斜1 1 1 1 包竹絡の動態． 細胞m J J 抑制御，アポトーシス．幹細胞 ． がんの新治療まで広純凶におよぶ。 1 i fの版と 同じ く．網II胞に ｜刻して現有仰られている大 ill；の知識に対する概念の枠組みの悦供を試みた。 ~:ri:

尖の列準ではなく. II ~ を．事実を用いて推論し 111~ i l リしさらには使命系の挙動を制御

nいた。 する方法を習得することに i 進んで勉強したい人のために. J ohnWilsonと TimHuntによる市求問題を新しく 部入した。 ここ では. l 止的アプロ ーチ と実験からの. r m 理方法に重点を位いている。 付録としてさらに ill~ なのは．本舎に添付 の DVD-ROM ディスクである 。 ここには．

6を組える動i 薗を収録しである。細胞と細胞の反応の動態が視覚的に確認でき．本文に蹴

動！事をうえている 。 本版の DV D- ROM デ ィスク にはノド .＇~の l立｜ 去すべてを PowerPo int• に

編集しなおして収録しである。 ~5 版での最大の劣化は． その ”物理rr的”構造であろう 。 もち歩きやすくする II 的 で．

多細胞系を扱う 第 21∼ 2 5＿ ， . 戸 を H凶ディスクの H t{- ( PD F） 版の Jf~で従供 し. J，~ .;j.:(1りな調llJJ包 生物学のカリキュラムに十I I 勺する第 i∼ 204 tをこれまでどおりの印刷本の形にした。 し か し 第 21∼ 25章もそれ以外の部分と問機に完墜に改，汀 ・刷新したので.

. ： 光. f i ・ はこの

部分にも I I を通されることを切に望むものである。 本·＇~で探Jfl した表記法を ． 次の「読者への手引 き」の Jjiで詳述する 。 そこで；JVYJ する

ように. 1 ： .物種によって迫 ｛ぷ子の記: i fの規則が災なる似例に対 し．忠、い切 った ｝j法で対処 した。イ吋i ーでは初めから終わりまで.~I~物磁に かかわらず川 じ記述 を し . : i J f !常の机ね： 布の

r ， 羽 ； を使 J J Iして いない場合も少なくない。 立話になった。科学：上の手助けをして くれた ｝ j々ひ 今阿もまた．多くの人たちのお l とりひとりに対し心から感謝するものだが．なかでも特にお世話・にな った ｝ j々の i ' 1 1 i l iをこ 6i戸（ 細胞骨・絡）と節目 市（病原体．感染． 自然免疫）のほ こに記し誠意を表したい。第 1

ぼすべては J u l i eThe r iotが．第

Wala c eMarsha lが. ~2 0

1 n; q細胞周期）は Davi dMor g anが担当した。約 8市は

mは LauraAt t a r d iが大いに J J ) Jけてくれた。第 4i ; tのゲノミク

スの J l ' iは MaynardOlson. 的 1 8， ・ ； を はX ia odon gWang . 第1 5j ' 戸の植物の引は Ni c hol a s

Ha r be r dの寄与が大きい。 また. Ga r l a ndS ci e nc e十l ：の人たちにもほんとうにお l 世話になった。 5き下の努力が 洗練された作品として災を結んだの は．彼らのおかげである。 この企両全体を本いた

De n is eS c ha n e ! くは 機知と プロの判断）Jと寛容さで一筋制ではいかない務者たちに完成へ の辺を広ませた。Ni g e lO r me は ｜文II阪を 仕上げ． 災表紙を合む J::争~r一般をいつものセンスの よさで取り しきった。ルl a t t hewMcCl e me nt sは本朴とぷ紙のデザイ ンを担当した。Emma

j e f f c o ckはページのレイアウ トを鰐くべき速さでてきぱきと冷静にこなし数えきれない ほどのミスを完墜に修花し Mi c ha elMorales は大対の ~ljj (ilij やビデオなどを使いやすい

DVDRO Mに変換した。E le anorLawr en c eと S h e r r yGranumはJ T I語集の改定と

m舗を担

当し. J a c k ieHa r b o rと S i gr i dMa s s onはまとめ役をした。Ada mS e ndro 仔は．ゐ： 1 . . r i . および 説者・の民警と反応、とをつねに芯；織しているよう教えてくれ. Ma りor i eAnd e r s on.Br uc e

Goa t ly .S he r r yGranumの浦氏は本文のあいまいさ．不適切な併! i W.誤りを徹底的に探し 出 し除いてくれた。われわれは．これらすべての人々のプロとしての技と献身．われわれ をはるかにしのぐ仕 1 r i :の泌さに！謀略しながら．つねに変わることのない助 ） Jとぶ仰に感謝 してきた。楽しく この仕1 J i :ができたのは．彼らがいてくれたからこそである 以後になるが．われわれの伴似．家族．友人. loiJ僚に対し． 他の方々へと l•iJ じ く 心 からのお礼を -;j•いた い。 彼らがわれわれをがまん強く文え続けてくれなか っ たなら．本、月：

のどの版も 日の目を見なかったであろう 。

ト

翻訳にあたって

この文を，＇｝ ： くのも 5回目 になる。1 9831 1 ： .“ MO LECU LARBI OLOGYOFTHECELL ”とい う文字が期I t いて見え． しかもその内符のみごときに脱聞した時のことを） よ い 、1 1 1す。 l i 本の

J 干 し、 人た ちにも 泣非読んで欲 しいと翻訳を決め．教育社 （ 現在のニュートンプレス）に維製 をお願いしてから l ! Y半世紀が絞っのだと思うと．感慨深いものがある c その時には まさ かこれだけ大部のものがこれほど頻繁に改版されるとは思ってもいなかった 5 . 6年の H J I 隔で改版の努 )Jを続けてきたぷ：者らの熱E：にはほi が下る。本 − . ＇J でl ' lかれているのは． 「ま えがき 」 にもあるように．新しい科学的1e ~l に m~ なく ｜阪 を配 りな がらも ， それを’Ji'.たとし

て列うちするのではないという 安勢である。それらを務理し概念を I Y J縦 に し 体 系 づ け て いく試みなのである。一言で表すなら．ゐ， ( . / > j ・ に与えることを求めて いるのである。 ｝ると． 最初は分子生物学を お災に進めていけ 初版か ら第 5版ま での「まえがき」を よ ば．近いうちに細胞のことがわかるようになるところまできたという気持が！必じられた。 読む側もその立気込み に引 き込まれ., ・ : i似 したのである。その後．ゲノム解析も始ま って . . { f実に研究は進み．新事実が次々にゆ］らかにな るにつれて．日J 易！さは変化して きたc 細胞

そのもののみごときが．学I i ］ のすばらし さを組えていることがわかって きたからである。 さらに．細胞の構造よ りも次冗の ~·：； v 、 1111 .:m.

たとえばその振る舞い 一一細胞が取り込むさ

まざまな怖械 を何卜依にも線維に.！｛＇／制して例法や 機能や組織を作り上げ． そ の~介体がさ

らに発述していくという生命の特性一ー をJ i i l解するには．とにかく制御系を解I Y Jし そ れ を記紋してい くと いう 今の研究法では解決は ! l . f ! ; J l t tなのではないかという気持ちにさえなる。 過去に分 { I I ：物学が経験してきたジャンプが．． ： ． 組織の分子生物学”に 1 1 1 ］ けてふたたび必袋・ なのではないかと感じるのである。 実は．このようなわからなさこそがれ然を究めようとする 学問の魅 ）Jでもある。絞 殺さ に挑戦し新し い 地平を桁いていくであろう ~'iv、人たちのお役に伝つ ことを願 って ．

新しい版を i 去 りI l lす。 この版から．基本を扱う部分は従米どおりの本の形をとるが．多網I l 包系を扱う先日分 ！

mf版にな った。 とにかく大；止の情報なので．すべてを印刷したら持ち必き不能の o n : : , : : にな って しまうからである。 これだけ大 J （の制 ， mの＂ で．データに押し流されず．そこか

は

I

ら生命を如l るた めの枠組みを傑 しI l lすことがイ＇1 1 f 欠だとつくづく思う 。 制択は．これまでの版でも 1 E l l l 1 i な制以をし て本，1 ： ： の質を保つことによ1 ・1 1 決してドさ っ た 6人の ） jにお I Q ! iいし監訳者ーが内科 .J < J J J . のチ ェッ クと統一の役を来した

広純かつ大

h lの内科に対し充分の注意を払いぶりのないようにしたつ もりだが．お公づ きの場合は お教え fさるようお願いする。本i . ： ： は. I 町Y ：系の教科そ？として定析してきているようだが．

1 よく生命の科学に関わる 多 くの方に前川 していただきたい。生物の必本は細胞であり． そ

つ の JI~解は，，， { , f iについて考える J t ; . 位になるものだからである

終わりに．出版を引き受けて Fさったニュートン プレスの編集部の持機に感滋＂＇し

' lの高い編集能）Jを必に．献身的かっ込i i l iに制集作業を進めて下さ ったサイ 上げる。 また t ト制集計の

r藤英裕氏. l " J l / I J銚代さんにも心からのお礼を ＂ ＇し l ：げる。その助 )Jがなけれ

ばこのみ；はできなかっただろう 。 2009年

1 2月 。 I•村村i 子 ・ -tt:JJ；（謙一

目次概略 まえがき

v

靭訳にあたって

v i i

おも主主パネルと表

x

項目一覧

x i

本位への協力者

x x x i

読者への手引き

x x x v i i

PARTI 細胞とは 細胞とゲノム

2

細胞の化学と生合成

3

タンパク質

45 1 2 5

PARTl 遺伝の基本 4

DNA. 染 色 体 ゲ ノ ム

1 9 5

5

DNAの複製．修復．組換え

263

6

ゲノム情報の読み取り一一 DNAからタンパク質へ

329

7

遺伝子発現の謁節

4 1 1

PARTlll 研究手法 8

タンパク質.DNA.RNAの操作

5 0 1

9

細胞の観察

579

PARTI V 細胞の内部構造 1 0

際の梢造

61 7

1 1

小分子の膜輸送と．膜の電気的性質

6 5 1

1 2

細胞内区画とタンパク質の選別

695

1 3

細胞内における小胞の移動

749

1 4

エネルギー変綴一一ミトコンドリアと葉緑体

813

1 5

細胞の情報伝達

879

16

細胞骨格

965

1 7

細胞周期

1 0 5 3

1 8

アポ トーシス

1 1 1 5

PARTV 細胞のつくる社会 19

細胞結合．細胞援活．細胞外マ トリックス

1 1 3 1

20

がん

1205

2 1

有性生殖：減数分裂目生殖細胞目受精

1269

22

多細胞生物における発生

1 305

23

E 事同化した組織．幹細胞と組織の再生

1417

24

病原体．感染．自然免疫

1 485

25

適応免疫

1539

第 21∼25章 は．付録 DVDに収 録

m

用語

G-1

I n d e x

1 -1

索引

1 -88

おもなパネルと表 2 4

共有結合と非共有結合

5 3

4

細菌細胞の化学組成

5 5

典型的な細菌と晴乳類細胞のおよその化学組成

6 3

標準自由エネルギー変化 6G0と平衡定数の関係

77

’l

1 8

生物界の 3大ドメインに共通する機能によりまとめた遺伝子ファミリーの数

ι

l

句

斗 J﹄ 斗 J h J 4

﹁， ﹁ ， 、表， 、 表表表 表． 表

配列が完全に決定されたゲノムの例

4

ι

パネル 2 1 生体分子でよくみられる化学結合と基

1 0 6 -107

パネル 2 2 水の化学的性質と生体分子の挙動に対するその影響

1 0 8 1 0 9

パネル 2 3 巨大分子を結びつける非共有結合の基本型

1 1 0 1 1 1

パネル 2 4 細胞内でよくみられるいくつかの糖

11 2-1 13

パネル 2 5 脂肪酸とその他の脂質

1 1 4 -1 1 5

パネル 2 6 ヌクレオチ ドについて

1 1 6 -1 1 7

パネル 2 -7 自由エネルギーと生体内の反応

1 1 8 1 1 9

パネル 2 -8 解糖の 1 0個の反応の詳細

1 2 0 1 2 1

パネル 2 9 ク工ン酸回路の全容

1 2 2 1 2 3

パネル 3 -1 タンパク質に含まれる 2 0種類のアミノ酸

1 2 8 1 2 9

パネル 3 2 4通りの方法で描いた小型タンパクドメイン（SH2ドメイン）

1 3 2 -133

表3 1

一般的な酵緊の種類

パネル 3 3 酵素研究法

1 5 9 1 6 2 -163

表4 1

ヒトゲノムの重要な統計数値

206

表5 3

転移因子の主要 3群

318

表6 1

細胞内で作られるおもな RNAの種類

パネル 8 1 古典迎伝学の概観

3 3 6 5 5 4 5 5 5

表 1 0 -1

いろいろな細胞膜のおよその脂質組成

624

表1 1 1

一般的な崎乳類細胞の内舛のイオン；濃度

652

パネル 1 1 2ネルンストの式を導く

670

パネル 1 1 3イカの巨大軸索を用いた古典的実験

679

肝細胞内でおもな細胞内区画が占める体積の相対E

697

表 1 2 2

2種類の真核細胞における各種膜の相対

697

表1 4 1

糖と脂肪の酸化による産物の収量

8 2 4

表 1 2 1

パネル 1 4 1 酸化還元電位 表1 5 5

R a sスーパーファミリーに属する単盟体 GTPアーゼ

830 926

パネル 1 6 2アクチンとチューブりンの重合

978-979

パネル 1 6 3細胞骨格フィラメントの集合と位置を制御する補助タンパク

9 9 4 9 9 5

表1 7 2

主要な細胞周期調節タンパクのまとめ

パネル 1 7 -1動物細胞の M 期のおもな段階（有糸分裂と細胞質分裂）

1 0 6 6 1 0 7 2 1 0 7 3

項

目 世見

真核生物は起源の入り交じったゲノムをもっ

30

細胞とゲンム

真核ゲノムは大きい

3 0

真核ゲノムにl 注調節 DNAが大量に含まれている

3 1

地球上の細胞が共有する特徴

ゲノムが，多細胞生物の発生プログラムを決める

3 1

2

真核生物の多くは単細胞の原生生物である

3 2

すべての細胞は．鋳型を用いた重合反応で遺伝情報を複製する

3

酵母l ま忌小のモデル真核生物である

3 3

すべての細胞は遺伝情報の記されているところを転写して同じ情 ）を作る 報をもっ中間体（ RNA

1つの生物の全遺伝子の発現レベルが同時に計測できる

3 4

4

細胞の意昧を知るには数学．計算彼自定E的情報が必要である

35

すべての細胞は鎖状化学物質（ DNA ）に遺伝情報を収納している

すべての細胞はタンパク質を触媒として用いる

5

シロイヌナズナは 30万種の芯かからモデル植物として選ばれた

36

RNAをタンパク質に翻訳する方法はすべての細胞で同じ

6

動物細胞界の代表は線虫．八工 ． マウス．ヒト

3 6

1つのタンパク質に対応する遺伝情報領域を遺伝子とよぶ

7

ショウジョウパ工の研究は脊椎動物の発生を調べる鍵と怒る

3 7

生命l ま自由エネルギーを必要とする

8

脊椎動物のゲノムは重複の繰り返しの所震である

3 8

すべての細胞は同じ基本構成単位物質を扱う生化学工場である

8

遺伝的余剰は遺伝学者にとって難題だが．生物進化には好ましい

39

マウスはE 甫乳類のモデル動物である

39

すべての細胞は細胞膜に包まれており栄釜素と老廃物はそれを 通過する必要がある

9

ヒトは自分の独特芯点を報告できる

40

細胞は.500個以下の遺伝子で生きていける

1 0

細部をみれば．われわれはみん忽還っている

4 1

まとめ

1 1

まとめ

42

ゲノムの多緩性と生物の系統樹

1 1

章末問題

42

1 2

文献

44

細胞の化学と生合成

45

沼伝子には．すばやく進化するものとよく保存されるものがある 1 6

細胞の化学組成

45

細菌と芭細菌！c l :1000∼6000個の遺伝子をもっ

1 7

細胞は少ない種類の原子からできている

45

新しい遺伝子は。既存の遺伝子かう作られる

1 8

窓外殻電子が原子悶の相E作用を決める

46

遺伝子重複により細胞の中に類縁遺伝子のファミリーができる

1 9

共有結合は電子の共有によってできる

48

細胞を動かすさまざまな自由エネルギー源 細胞には窒紫と二酸化炭素を固定するものがありほかの細胞が これを利用する

1 3

生化学的な多機性は．原核細胞で最も著しい

1 4

生物の系統樹は、細菌．古細菌，真絞生物の 3系統よりなる

1 5

実験室でも自然界でも．生物聞で遺伝子の受け渡しが起こる

2 1

共有結合にはいくつかの種類がある

s o

性により．種内での遺伝情報の水平交換が起こる

2 2

原子は決まった半径をもつかのようにふるまう

5 1

遺伝子の機能は提言基配列かうかなり推測できる

2 2

水 ！c l : 細胞内で最も豊富な物質である

5 1

極性分子には重量や塩基となるものがある

5 2

200以上の遺伝子ファミリーが．系統樹の 3大分校のいすれにも 存在する

2 3

変異が遺伝子の機能を明らかにする

2 3

分子生物学者は大腸菌を集中的に研究してきた

2 4

まとめ

26

真核生物の遺伝情報

細胞内では 4種類の非共有引力が分子を結びつけている

5 3

細胞は炭素化合物からできている

54

細胞内にはおもな小有機分子群が 4つある

5 5

糖l 芯細胞のエネルギー源であり．多糖の構成単位でもある

5 5

26

脂肪酸はエネルギー源だが，細胞膜の成分でもある

58

真核細胞の起源はおそらく捕食者だろう

26

アミノ酸はタンパク質の構成単位である

59

現在の真板細胞は共生によって進化した

2 7

ヌクレオチドは DNAと RNAの構成単位である

6 1

細胞の化学反応は．注巴に値する特性をもっ巨大分子がしきって いる

62

非共有結合によって巨大分子の正確主主形とほかの分子との結合が 決まる

タンパク質は多くのファミ リーに分類できる

1 3 7

63

配列相向性検索で近縁種を同定できる

1 3 9

まとめ

65

さまざまなタンパク質の部品と怒るタンパクドメイン．モジュール 1 4 0

細胞の行う触媒反応とエネルギー利用

65

多くのタンパク質に対になったドメインがある

ヒ トゲノムが指令する複雑忽タンパク群の多くはまだ解明されて 1 42 い芯い

細胞の代謝は醇繋がつかさどっている

66

生物の秩序は，細胞が烈エネルギーを放出することで生まれる

66

光合成生物は太陽光を利用して有機分子を合成する

68

細胞は有機分子の酸化によってエネルギーを得る

70

酸化と還元に f ( j :母子の移動がかかわる

7 1

E 事紫l ま化学反応の障壁をj ！￡くする

72

酵素が益貨と出会う方法 一一分子運動の猛烈芯速~

7 4

反応が起こるひどうかは自由エネルギーの変化で決まる

75

反応物の濃度によって自由エネルギ一変化と反応の方向が変わる

76

連続して起こる反応については t:;.G• を加算できる

77

活性運搬体分子は生合成に不可欠である

78

活性運鍛体はエネルギー的に起こりやすい反応と共役して生成する 79

理論的に可能主主ポリペプチド鎖の主主かで細胞にとって有用芯もの 1 3 6 は比較的少芯い

1 4 1

大型タンパク分子の多くは複数のポリペプチド鎖から花よる

1 42

長いうせん状の繊維を作るタンパク質もある

1 4 3

のびた繊維状構造をとるタンパク質も多数ある

1 4 5

多くのタンパク質で，明確恕構造のないポリペプチド鎖部分が驚 146 くほど多い 細胞外のタンパク質は共有結合による架橋で安定化する

1 4 7

タンパク質がサブユニ ットとして集合し大き忽構造体になる

148

細胞内の構造体の多くは自己集合できる

149

複雑忽生体術造は集合因子の助けを倍りて形成されることが多い 1 5 1 まとめ

1 5 2

i i もよく使われる活性運鍛体分子である ATPはI

80

タンパク質の機能

152

ATPに蓄えられたエネルギーは 2個の分子の結合によく使われる

8 1

他の分子と結合し芯いタンパク質は花王い

1 5 3

重体である NADHと NADPHは亜要芯也子運E

82

細胞内にはほかにも多くの活性運搬体分子がある

83

タンパク質の分子表面のコンホメーションがその分子の化学的性 1 5 4 質を決める

生体高分子の合成は ATPの加水分解で進む

84

まとめ

87

食物からのエネルギー揺得 解糖は ATP生成の中心的経路である 発酵で｜ま酸紫なしで ATPが作られる

89

タンパク質問の結合にはさまざまな緩触様式がある

1 5 6

88

抗体の結合部位はとりわけ融通性に富む

1 56

88

平衡定数は結合の強さの尺度である

1 57

醇索は強力できわめて特異性の高い触媒である

1 5 8

基質との結合が酵索の触媒反応、の第 1段階である

1 5 9

解糠を見ると．酸化とエネルギー貯蔵を醇繋が共役させるしくみ がわかる

9 1

生物f ( j :食物分子を特定の貯蔵庫に蓄える

9 1

ほとんどの動物細胞は．食事と食事の間に隠肪酸からエネルギー を取り出す

95

穏と脂肪はどちらもミトコンドリアでアセチル Co Aに分解される 96 クエンE 豊田路はアセチル益を C0 2に酸化して NADHを作る

同族のタンパク質どう しの配列比較により．亜要なリガンド結合 1 5 5 部位が浮かび上がる

97

細胞のほとんどの ATPは電子伝達によって合成される

1 0 0

アミノ酸とヌクレオチドは窒紫循環系の一部である

1 00

代謝は組織化され目調節されている

1 01

酵素l ま遷移状態を選択的に安定化して反応速度を上げる

1 60

古事素は酸触媒反応と塩基触媒反応を同時に行える

160

リゾチームを例にしてみる酵素作用のしくみ

1 6 1

タンパク質に強く結合している小分子が特定の機能を付加する

166

復数の触媒部位をもっ酵素は基質を分子トンネルで運ぶ

1 67

複合酵素系の働きで細胞の代謝速度が抱す

168

細胞が酵索の触娘活性を調節している

169

アロステリック欝紫には相互に作用し合う 2つ以上の結合部位が 1 7 1 ある

まとめ

1 0 3

章末問題

1 0 3

結合告別立が共役している 2種類のリガンド l c l : . たがいの結合に影 171 聖書し合う

文献

1 2 4

対称的な組み立てのタンパク質は協同的にアロステリック転移する 1 72 アスパラギン酸力ルパモイル基転移酵素のアロステリ ック転移 f ( j : 1 7 3 原子レベルで解明されている

タンパク質

1 2 5

タンパク質の形と構造

125

タンパク分子の形はアミノ酸配列によって決まる

1 2 5

タンパク質はエネルギー~低のコ ンホメーシ ョ ンに折りたたまれる

1 3 0

共通する折りたたみパターン．αヘリックスと 9シート

1 3 1

タンパク分子はそれより小さ砿タンパクドメインの組み合わせで 1 3 5 作られる

タンパク質の変化の多くはタンパク質のリン酸化で起こる

1 7 5

真核細胞には多種のタンパクキナーゼやタンパクホスファターゼ 1 7 6 が存在する

Cdkと S r cタンパクキナーゼの調節かう．タンパク質がマイクロ チップとして綴能するしくみがわかる

1 7 7

GTPを結合し加水分解するタンパク質は．調節因子として細胞内 1 78 に広く存在している

GTP結合タンパクに GTPと GDPのどちらが結合しているかを濁 節タンパクは見きわめる

げ9

障壁配予IJDNAが隣獲するクロマチン領域に読みI Dき複合体が広が 227 るのを妨げる

タンパク質の大き芯動きは小さ芯動きから生み出される

179

モータータンパクは細胞内で大きな動きを生み出す

1 8 1

セントロメアのクロマチンから．変種ヒストンが特定の構造を作 228 るしくみが明らかになる

膜結合輸送体は肢を通した分子の移動にエネルギーを利用する

1 8 2

クロマチン構造の直接継承もありうる

タンパク質は大型の復合体を作ってタンパク装置として機能する ことがよくある 同4 タンパク装置は交換できる部品を使い遺伝情報を効率よく利用する

1 8 4

タンパク装置の特定の湯所への配置が活性化につながる

1 8 5

タンパク質の多くは復数部位の共有結合修飾により調節~れる

1 86

復維なタンパク相互作用網が細胞の綴能の基礎となる

1 8 7

まとめ

1 9 0

g末問題

1 9 1

文献

1 9 3

おO

真核細胞の染色体の機能に固有の性質はクロマチン構造に由来する 2 3 1 まとめ

233

染色体の全体構造

233

染色体は折りたたまれて．クロマチンの大きなループを作る

234

多糸染色体はクロマチン構造の視覚化に特に有用である

236

いろいろ忽形態のヘテロクロマチンがある

238

クロマチンループは中の遺伝子が発現するとき凝縮度が低くなる 239 遺伝子発現を変えるために．クロマチンは核の中で特定の位置に 239 移動することもある 大型分子の網目構造が核内を生化学的に特徴のある領i 或群に分け ている 2 4 1

DNA，染色体，ゲンム

1 9 5

有糸分裂時の染色体l ま巌も凝縮したクロマチンでできている

243

まとめ

245

DNA の構造と機能

197

ゲノム進化のしくみ

246

DNA分子は 2本の相倒的主主ヌクレオチド鎖でできている

1 9 7

ゲノムの変化は DNAの複製と維持の機構の失敗により生じる

246

DNAの構造から遺伝のしくみが決まる

1 9 9

2種の生物問のゲノム塩基配列の遣いは，それらが進化の過程で分

~核生物の DNA は核内に局在する

200

岐してからの時間の長さに比例する

まとめ

2 0 1

染色体DNAとそのクロマチン繊維への詰め込み

202

DNA塩基配列比較を基にした系統樹から，あらゆる生物の関係を たどれる 248

真絞生物の D N A l ; ; J ; 染色体のセッ トに収めうれている

202

染色体には長くつら怠った遺伝子が含まれている

204

ヒトゲノムの塩基配列から．ヒ トでの遺伝子の配置がわかる

205

ゲノムの比較から．進化において保存されてきた泡基配列がわかる 207 染色体は細胞周期の段階によって異なる状態をとって存在する

208

線状の染色体を形成している DNA鎖には．必す 1個のセントロメ 209 ア.2個のテロメアと復製起点がある

247

ヒ トとマウスの染色体を比較すると．ゲノム構造の分岐のしくみ 249 がわかる 奇縫動物のゲノムの大きさは．その生物種の DNA獲得と喪失の相 対的速度そ反映する 2 5 1 速い祖先のゲノムの DNA塩基配列を再現できる

2 5 1

多種間の DNA塩翠配列比較により．織能未知だがi l l 要な DNA短 基配列を同定できる 252

染色体内での DNA分子は高度に凝縮している

210

ヒ トで長く保存されていたのに近年急速な変化があった塩基配列 253 は．ヒトの進化上のきわめて霊要な段階の鍵をにぎる

ヌクレオソームは貝級生物の染色体構造の基本単位である

2 1 1

迎伝子の震複は進化において新しいものを作り出す源と怒る

253

盟復遺伝子の多様化

254

ヌクレオソーム・コア粒子の構造から DNAを詰め込むしくみがわ 21 2 かる ヌクレオソーム梢造は動的で.A T P依存クロマチン再術成復合体に よって構造を変化させる 215

グロビン遺伝子ファミリーの進化は目 DNAi l l 復が生物の進化に寄 256 与するしくみを示している

ヌクレオソームがまとまって凝縮しク口マチン繊維ができる

216

工キソン問の組み換えによって新しい遺伝子が作うれる可能性も 257 ある

まとめ

218

中立変異l ま集団に広まり．その個体数に応じた確率で固定される 2 57

クロマチン術造の調節

219

初期におけるクロマチン俗造の謎

220

ヘテロクロマチンは高次構造をとっており．遺伝子発現を異常に l lえている 220 コア−ヒストンl a :いろいろ芯場所で共有結合修飾を受ける

ヒ トにおける変異の解明でいろいろ忽ことがわかる

258

まとめ

260

章末問題

260

文献

262

DNA の複製，修復，組換え

263

222

少数の変種ヒストンが特異的位置に帰入されて．クロマチンはさ 224 らに多機に怒る 共有結合修飾と変種ヒストンの協同で．生物の機能を決める．ヒス トンコード．を作る 224 コード読み取りタンパクとコード8き込みタンパクの復合体が染 226 色体上に起きたクロマチンの修飾を速くまで広める

DNA 塩基配列の維持

263

変異が起こる確率は極端に低い

263

生命体にとって変異率は小さく忽ければなら芯い

265

まとめ

265

相同組換え

304

DNA 複製織構

266

相同組換えは細胞内でさまざま主主用途に使われる

304

塩基対形成が. DNA複製と DNA修復の基本に怒っている

266

相同組換えの特徴は．あらゆる網砲に共通している

305

DNAの復基対形成が相同組換えをき秀導する

305

DNA復製フ才一ク l e ! : 非対称である

266

DNA復製の高い忠実度には校正後構が必要である

268

DNA複裂が 5’→ 3’方向でないと効率的な校正はでき芯い

2 7 1

特定のヌクレオチド毘合酵繋がラギング鎖用の短いフライマー RNA分子を合成する

272

Rec Aタンパクやその椙同体は．一本鎖の DNAを二重うせん内部 307 にある相同な領主主と対合させる 分岐点移動により．ヘテロ二盟鎖領域がj 広大するか．新たに合成 308 された DNAが一本鎖と して遊敵する 相同組換えによって DNAの二本鎖切断を誤り芯く修復できる

308

細胞は. DNA修復への相同組換えの利用を1 浜田に制御している

310

滑る環偽造のおかげで.DNAポリメラーゼ分子は DNAから殴れす に移動する 273

相同組換えの際には，おもにホリデイ桃造が形成される

3 1 1

減数分裂組換えはプログラムされた二本鎖切断から始まる

312

複製フォークにある種々のタンパク質が協同して復製装置を形成 している 275

相同組換えは遺伝子変換の原因と怠ることが多い

314

復製フォークの前方で DNA~が開くのを助ける特定のタンパク質

がある

273

複製装置が見のがした複製の誤りは．不対合鎖の選択的修復系が 取り除く 276 複製中に DNAがもつれ主主いよう.DNAトポイソメラーゼが働く 278

あまり適合し砿い DNAの問で不適切な遺伝的絶換えが起こらない よう．不対合校正系が働く 315 まとめ

316

転移と保存型部位特異的組換え

316

DNA複製は只級生物でも細菌でも基本的にほぼ同じである

280

まとめ

2 8 1

動く遺伝因子は転移機構によってどん忽 DNA配列の中にも入り込 める 317

DNA複製の開始と完了

281

DNA合成は複製起点で始まる

281

DNA型トランスポゾンは切り貼り機約と複製織桃の両方により移 317 動する

細菌の染色体には通常 DNA復製起点が 1か所ある

282

真核生物の染色体には復数の複製起点がある

282

真核生物では細胞周期の一筒期だけに限って DNA復裂が起こる 2 84 同一染色体にあっても．爽主主る領域は 5期の異なる時期に複製さ れる 285 凝縮度の低いクロマチンの~伝子は初期に複製され．高度に凝縮

したクロマチンは後期に複製される

285

単純忽真核生物である出芽醇母で調べると．特定の泡基配列が複 286 製起点として働く 多数のサフユニ ットからなる大きな複合体が真核生物の複製起点 に結合する 287 複製開始を指示する附乳類の塩基配列は同定がむすかしい

288

新しいヌクレオソームが複製フォークのうしろで形成される

289

真綴生物の染色体復製微備のおかげでヒストンの修飾パターン は確実に受け継がれる 290

転移機構を使って宿主細胞の染色体に入り込むウイルスがある

31 9

レトロウイルス型レ トロトランスポゾンはレトロウイルスに似て いるが．タンパク $ > i 彼をもた芯い 320 ヒトゲノムのか砿りの部分は．非レト口ウイルス型レトロトラン 3 2 1 スポゾンに占められている どん芯転移因子が多いかは生物によって呉芯る

322

転移因子の移動が起こったおよその時期t e l :ゲノム頃基配列から読 323 み取れる 保存型部位特異的組換え ld:DNAの可逆的忽再編成を可能にする 323 保存型部位特異的紹換えはパクテりオファージ λで発見された

324

保存型部位特異的組換えを利用して遺伝子のスイッチをオン オ フできる 324 まとめ

326

宣言宋問題

327

文献

328

テロメラーゼが染色体の末端を複製する

292

テロメアの良さは細胞により．また生物により調節されている

293

まとめ

294

ゲンム情報の読み取り 一一

修復 DNA

295

DNAからタンパク質ヘ

329

へ DNAから RNA

3 3 1

員傷によって DNAの信基配列 l e ! : DNA修復がなければ．偶発的なj 急速に変化するだろう 296

DNA二盈らせんは容易に修復できる

296

DNA煩協の除去には復数の道がある

297

DNA修復と転写が共役して．細胞の鼠も重要な DNAを効率よく 修復する 299 DNA控室基の化学的性質が煩傷の発見を容易にする

300

緊急時には特殊忽 DNAポリメラーゼを使って DNAを修復する

302

二本鎖切断は効率よく修復される

302

DNAの煩傷は細胞周期の進行を遅らせる

3 03

まとめ

304

DNAの題基配列の一部が RNAに転写される

332

転写では. DNAの一方の鎖に祖術的芯 RNAを作る

333

細胞で作られる RNAには数種類ある

335

DNAには， RNAポリメラーゼが反応を始める協所．終える場所を 指示するシグナルがある 336 転写開始と終結を示すシグナルの庖基配列は多犠である

338

: C H 亥生物での転写開始には多数のタンパク慣が必要である

339

RNAポリメラーゼ｜｜は転写基本因子を必要とする

340

［ ポリメラーゼ Iは．転写活性化因子．介在因子．クロマチン修飾 342 タンパクも必要とする

折りたたみ方を誤ったタンパク質l e ! : 凝集体を形成し．ヒトの亜大 悲病気の原因になることがある 396

転写の伸長によって.DNAにはねじれの強力が生じる

343

DNAからタンパク質ができるまでには数多くの段階がある

399

真核生物の転写l e ! : .RNAプロセシングと密に連機して進行する

345

まとめ

399

世界と生命の起源 RNA

400

生命には保存された情報が必要である

4 0 1

p桜生物の mRNA前駆体に対するi l l 初の修飾反応は．キャッブ形 346 成である RNAスプライシングでは新たに転写された mRNA前駆体からイン トロンが除去される 347

ポリヌクレオチドは情報を保存できるうえに化学反応を触媒できる 4 0 1

RNA世界の前におそらく先 RNA世界があるだろう

402

RNAスフライシングはスフライソソームが行う

349

一本鎖 RNA分子はきわめて復維な備造をとれる

403

スフライソソーム｜ま一連の複雑な RNA-RNA再編成を行うために ATP加水分解を利用する 3 5 1

自己複製分子は自然選択を受ける

404

タンパク合成はどのように進化したのだろう

407

mRNA前駆体のほかの特徴やその合成され方が適切忽スプライス 部位の選択に役立つ 352

現存の細胞は遺伝物質として DNAを利用する

408

多くの非翻訳 RNAも綴で合成され目加工される 核小体はリポソーム製造装箇である 核にはさまざまな核内梢造が存在する まとめ

RNA かうタンパク質へ

7JnonU 吋 ノ ﹄ 、3 F h U 5 536 6 6 6 、 コ 、 、コ 、コ 、コ 、コ

真核生物の成烈 mRNAは緩から選択的に運び出される

366

mRNAの信基配列はヌクレオチド 3個すつの組み合わせとして読 367 み取られる tRNA分子が mRNAのコドンとアミノ重量を結びつける

368

tRNAは核かう運び出される前に共有結合修飾を受ける

369

特異的醇繋がアミノ酸を対応する tRNA分子に結合させる

370

tRNA合成醇紫による編怨で精度が保たれる

3 7 1

アミノ酸は伸長中のポリペプチド鎖のカルポキシ末錨に付加される 373

RNAの指令はリボソームで解読される

A匂

355

スフライソソームが触媒する RNAスフライシングl e ! : . 自己スブラ 355 イシンク機椴から進化したらしい 真核生物『nRNAの 3’末端は RNAプロセシング酵繋が作る

’

RNAスフライシンクは隠くほど柔軟性がある

章末問題

文献

A斗

動物や植物には．一部のイントロンを除去する第二の snRNP群が ある 353

まとめ

A守

349

noQJn u nunu l

スフライシングの起こる位也は海基配列が指示する

373

伸長因子は翻訳を促進し．精度を高める

377

リボソームはリポザイムの一種である

378

mR NAの寝袋配列がタンパク合成の開始点を指示する

379

終止コドンが翻訳終了を指示する

3 8 1

タンパク質はポリリポソームで合成される

3 8 1

標準的芯遺伝暗号にも少しだが迫った型がある

382

原核生物のタンパク合成陥寄剤は抗生物質として役立つ

383

正確な翻訳には自由エネルギーの消費が必要である

385

遺伝子発現の調節

4 1 1

遺伝子調節の概銭

4 1 1

多細胞生物では細胞の型が選っても同じ DNAをもっ

4 1 1

細胞型の違いは合成するタンパク質の組み合わせの泣いによる

412

外部からのシグナルが細胞の遺伝子発現を変化させることがある 413 遺伝子発現は DNA.RNA. タンパク質と進む経路のいろいろ砿段 415 階で調節される まとめ

415

遺伝子調節に働くタンパク質の DNA 結合モチーフ

416

遺伝子調節タンパクは．細菌遺伝学の研究で発見された

416

DNAうせんの外側をタンパク質が読む

416

遺伝子スイッチの基本成分は DNAの短い塩基配列である

418

遺伝子調節タンパクは DNA庖基配列を読み取る構造モチーフをもっ 418 ヘリックスーターンーヘリックス（ HTH）モチーフは飯も単純かっ一 般的は DNA結合モチーフの 1つである 419 ホメオドメインタンパクは特別な HTHタンパクである

420

DNA結合 Zn（ジンク）フィンガーモチーフには数種類ある

42 1

Pシー トも DNAを識別する

422

大きいf 的と小さい潟に入るループを使って DNAを磁別するタンパ 423 ク質もある ロイシンジッパー モチーフは DNAの結合とタンパク質の二塁体 形成とを媒介する 423 ヘテロ二罰体形成により~伝子調節タンパクが識別できる塩基配

385

列の範囲が広がる

424

一部のタンパク質の折りたたみ！cl: . 合成の~中に始まる

387

ほとんどのタンパク貨ではシャペロンが折りたたみを助ける

388

ヘリックスー ループー ヘリックス（ HL H）モチーフも二毘体形成と DNA結合とを媒介する

425

話題れた DNAが翻訳され芯いように．品質管理軽量禍が働く

露出した疎水位領i 或はタンパク質の品質管理に不可欠な目印となる 390

遺伝子調節タンパクが段別する卑基配列をすべて予測することは 426 まだでき忽い

ブロテアソーム l e ! : . 活性部位が露出しないようプロテアーゼを閉 3 9 1 じ込めた区画である

ゲルシフト法は復基配列特異的 DNA結合タンパクを容易に検出する 427

巧妙はユピキチン結合綴備が分解すべきタンパク質に目印をつける 393 多くのタンパク質は．制御された分解によって調節されている

395

DNAアフィ二ティークロマトグラフィーにより．塩基配列特異的 DNA結合タンパクを簡単に精製できる 428 遺伝子調節タンパクが識別する DNA』 g : i ; ! 配列は実験的に決定できる 429

系統発生学的フットプリント法は比較ゲノム解析によって調節 DNAを同定する

関乳類では.CGに富む．島．に多数の遺伝子が存在する

4 3 1

生細胞の中で遺伝子調節タンパクが結合する部位の多くはクロマ チン免疫沈降法でわかる の1

470

エピジ工ネティ ック機織により．安定した遺伝子発現のパターン が銀細胞へと受け継がれる 4 7 1 染色体全体に広がったクロマチン構造の変化が受け継がれる

473

432

遺伝子発現の調節は本質的にノイズに乱される

476

遺伝子スイッチの働くしくみ

432

まとめ

477

細菌の トリ フトファン 単純芯スイッチである

転写後の調節

477

433

まとめ

リプレッサーは遺伝子をオン オフする

転写のアテ二ユ工ーシヨンは RNA分子の合成を中途で終わらせる 477

遺伝子をオンにする転写活性化因子

435

転写活性化因子と転写仰制因子が L a cオペロンを調節する

435

細菌遺伝子の調節中に DNAのループ形成が起こる

437

選択的 RNAスフライシングにより目 同一遺伝子から複数の分子穣 479 のタンパク質を作ることができる

RNAポリメラーゼのE換性サブユニッ トを用いて遺伝子の転写関 438 節をする細菌

選択的 RNAスフライシングの発見により ＇ i 幽伝子の定般の修正が 必要になった 480

真核生物では遺伝子の転写を調節する複雑砿スイッチが進化して きた 439

ショウジョウパエの性決定は．一連の RNAスフライシングの調節 による 4 8 1

真核生物の遺伝子調節領i 或は．プロモーターと調節 DNAとから怒る 440

転写産物 RNAの切断ーポリ A付加部位の変化によりタンパク質の 482 仁末端が変わる

R級生物の遺伝子活性化タンパクは．転写開始部位における RNA ポリメラーゼと転写基本因子の集合を促進する

4 4 1

真核生物の遺伝子活性化タンパクはクロマチン構造を局所的に変 える働きもする 442 遺伝子活性化タンパクは相乗的に働く

444

真核生物の遺伝子I m 制タンパクはさまざまな方法で転写を阻害する 445 真核生物の遺伝子調節タンパクはしばしば協同的に DNAに結合する 445 ショウジョウパ工の発生過程を制御する複雑な遺伝子スイッチは 447 小モジュールから構築される ショウジョウパエの E v e遺伝子は絡み合わせによる調節を受けて 448 いる 附乳類のi n 雑な迎伝子調節f J j i 或も単純主主調節モジューJ レからでき 450 ている インスレーターは真核生物の遺伝子調節タンパクが離れた遺伝子 におよぼす影留をさえぎる 452

リボスイッチは太古型の遺伝子調節かもしれない

478

RNAの編集により RNAのもつ遺伝情報の窓昧が変わる

483

4 亥からの RNA輸送も制御を受ける

485

細胞質の特定の領域に局在する mRNA

486

mRNAの 5’侭！と 3’側の非翻訳領践が翻訳を鱈節している

488

開始因子のリン霞化がタンパク合成を全体として制御する

488

良核生物の翻訳開始は．翻訳開始部位の上流にある AUGコドンで 489 の開始により調節できる 配列内部のリボソーム進入部位による翻訳の調節

4 9 1

mRNA安定性の変化が遺伝子発現を制御することがある

492

細胞質でのポリ Aの付加により翻訳を調節できる

493

小分子の非翻訳転写産物 RNAが動纏物の多数の遺伝子を調節して いる 493

RNA干渉は細胞の防御機俗である

495 496

遺伝子スイッチは急速に進化している

453

RNA干渉によりヘテロクロマチンが形成されることがある

まとめ

454

RNA干渉は強力な実験道具になっている

497

まとめ

497

琵末問題

497

文献

499

専門化した細胞を作り出す分子遺伝健衛

454

DNAの再編成が関係する細菌の相変異

454

一連の泊伝子調節タンパク群が出芽欝母の細胞型を決定する

455

たがいの合成を抑制する 2つのタンパク貨が λファージの細胞内 での状態を決める 457 単純芯遺伝子調節回路を用いて記憶装置を作り出せる

458

転写回路によって細胞は論理演算を遂行できる

459

綿成的生物学は既存の生体部品から新しい装置を創出する

460

概日時計は遺伝子調節のフィードJ I .ックルーフに基づいている

460

1つの遺伝子調節タンパクが一連の遺伝子の発現を協調させること ができる 462

タンパク質， DNA, RNA の操作 則 細胞の単践と指餐

50 2

細胞を組織かう単践する

502

細胞は1 舌廷することができる

502

株化した真核細胞は均一な細胞源として広く使われている

505

~性幹細胞は医療に革命をもたらす

505

決定的忽遺伝子調節タンパクの発現が．下流にある一連の遺伝子 463 全体の発現を誘発することがある

体細胞核の移植で個人ごとに専用の幹細胞を作り出すことができる 5 07

組み合わせによる遺伝子調節が真核生物の多綴な細胞型を作って いる 4 6 4

八イブリドーマ細胞株を使いモノクローナル抗体を大母に生産で きる 508

1つの遺伝子関節タンパクが器官全体の形成の引き金となりうる 465

まとめ

510

タンパク質の精製

510

細胞を椛成成分に分画する

51 0

符椎動物の細胞が分裂するとき DNAのメチル化パターンが受け継 がれる 467 ゲノム刷り込みは DNAのメチル化に基づいている

468

項目一覧

”

xv

細胞の機能解析に細胞抽出液を使う

5 1 1

反応経路で働く遺伝子の順序を上位解析により決めることができる 558

タンパク質をクロマトグラフィーで分綴する

512

変異により同定されたi l : I 伝子の位置を決める

559

タンパク質の特異的芯結合部位を利用するアフィ二ティークロマ トグラフィ− 513

ヒ卜の遺伝学研究は特有の問題をはうんでいるが大き芯可能性も もつ 560

遺伝子操作による分子標識でタンパク精製が容易になる

514

精製した無細胞系で分子の機能を精密に吟味する

516

ヒトの遺伝子はハブロタイプブロックで遺伝し．これは病因とな る変異の探究に役立つ 5 6 1

まとめ

516

複雑は形質は複数の遺伝子の影響を受ける

517

逆遺伝学は既知の遺伝子かう始めて．その担霊能が細胞のどの反応 563 に必要かを決定する

タンパク質の解析

s o sポリアクリルアミドゲル電気泳動

563

517

遺伝子はいろいろなやり方で改変できる

564

特定のタンパク質を抗体を用いたプロットによって検出する

518

改変遺伝子はいろいろな生物の細胞に湾入できる

565

質問分析法により未知タンパクの感度の高い同定ができる

519

動物を泊伝子操作により改変する

566

二次元の分離法I d : 特に効果的である

5 2 1

流体力学を応用してタンパク復合体の大きさや形を知る

522

生化学的手法で相互作用しているタンパク質群を同定する

523

タンパク質問相E作用は 2八イブリツド法でも同定できる

523

タンパク質を分離する

多嫌な方法で得うれたデータを組み合わせて．タンパク質問相E 作用の信頼度の高い地図を作る 524 光学的方法によりタンパク質問相互作用をリアルタイムで調べる 524

遺伝子お入値物は．細胞生物学にとっても炭撲にとっても重要で 568 ある 標識っきノックアウト変異体を大規模に収集して全遺伝子の機能 を調べる手段とする 569

RNA干渉によって遺伝子機能が簡単迅速にわかる

5 7 1

リポーター遺伝子と i ns i t uハイブリッド形成法で遺伝子の発現部 位．発現時期を明らかにする 572 個々の遺伝子の発現を定霊的逆転写 PCRを用いて測定する

573

527

マイクロアレイで数千もの遺伝子の発現を一度に追跡できる

574

タンパク質の構造決定に X線回折を使う

527

単一細胞の遺伝子発現を解析すると生物学的．ノイズ舗がわかる

575

NMRで浴液中のタンパク質の構造を決定できる

529

まとめ

576

タンパク質のアミノ酸配列と偽造から機能のヒントが得られる

530

章末問題

576

まとめ

532

文献

578

DNA の解析と操作

53 2

大き芯 DNA分子を制限醇5 誌で断片にする

532

ゲル電気泳動で大きさの異なる DNA分子を分離する

534

細胞の観察

579

放射性同位体や標識物質を使って精製 DNA分子を i nv i t r oで標識 できる 535

光学顕微鏡で細胞を見る

579

ハイブリッド形成により核酸の特定の泡基配列を感度よく検出する 535

光学顕微鏡の分解能の限界｜ま 0 . 2μm である

580

ノ ザ ン プ ロ ッ ト サ ザ ン プロットにより．電気泳動で分厳し 538 た核酸分子のハイブりッド形成を調べる

位相差顕微鏡や微分干渉顕微鏡そ使うと生きた細胞がはっきり見 える 583

l : I 伝子をク口一二ングする DNAライブラリーを作り i

540

デジタル技術を用いて爾像の摺強と解析ができる

583

別々の目的に使う 2種類の DNAライブラリー

5 4 1

顕微鏡観察には組織を固定し切片を作製する

585

cDNAクローンの翻訳領域は分断されていない

544

特定の分子の細胞内分布は蛍光顕微鏡でわかる

586

隔できる PCR反応により好みの遺伝子を泡I

544

特定の分子の検出に抗体が利用できる

588

細胞を望みのタンパク質の製造工場として利用する

546

光学顕微鏡でも複雑な三次元構造の画像が得られるようになった 589

タンパク質や核酸を化学反応によって直援合成する

548

DNAの耳置基配列はすばやく決定できる

548

共焦点走査型顕微鏡は焦点のすれた光を排除した光学による切片 を作る 590

信基配予j l からタンパク質のアミノ酸配列を推定する

550

多僚主よ生物の全ゲノム塩基配列が決定されている

5 5 1

まとめ

552

遺伝子の発現と機能の解析

553

単一の分子を観察する技術もある

526

タンパク質の機能を小分子によって選択的に阻害する

古典遺伝学ではランダムに変異を誘発し細胞の機能を煩なったも のを得るところから研究を始める 5 53 遺伝子スクリー二ングによ り異常のある変異体を同定する

556

蛍光タンパクを利用して 細胞や生物体のタンパク質を生きたま 592 ま個別に標識できる 1

生細胞内のタンパク質の動きが追跡できる

593

急速に変化する細胞内イオン濃度を発光指示薬で測定する

596

膜を透過し芯い物質を細胞へ導入する方法がいくつかある

597

光は画像を得るだけで是正く，微小物体の操作にも役立つ

598

全反射照明蛍光顕微鏡法で個々の分子が見える

599

原子閤力顕微鏡法で個々の分子を触って動かせる

600

変異によりタンパク質の織能は欠損し．あるいは新機能を獲得する 557

分子を放射性同位体で標識する

600

4 目術性試験により ＇ 2つの変異が同じ遺伝子に生 じたのか違う遺伝

放射性同位体を用いて細胞内や生体内の分子を追跡する

602

まとめ

603

子に生じたのかを判別する

558

M

⑥

MW

m

走査型 子顕微鏡では表面の三次元像力t 得られる

白

免疫金電子顕微鏡で特定の巨大分子の位置がわかる

M 明

m子顕微鏡周の生物鼠料には特別の調製法が必要である

666

電子顕微鏡で細胞と分子を見る 電子顕微鏡は細胞内の微細偽造を解き明かす

小分子の膜輸送と，膜の 電気的性質

6 5 1

607

金属シャドウイングを用いると．透過型電子顕微鏡で表面のよう すを高倍率で調べられる 608

腹翁送の基本

651

タンパク質を含ま1 ( J . い脂質二重屈はイオンをほとんど通さない

652

ネガティブ染色法でも低温也子顕微鏡法でも高分解能で巨大分子 の像がi l ' tられる 61 0

阪にある主婆忽輸送タンパクは．輸送体とチャネルの 2種類である 652 輸送体が行う能動輸送はエネルギー源と共役している

653

複数の画像の組み合わせで分解能をi l ! l 大できる

まとめ

654

輸送体と能動膜輸送

654

イオン勾配による能動輸送

656

細胞膜にある輸送体が細胞質ゾルの pHを調節している

657

610

~まざまは方向から主主がめた図を組み合わせて三次元像を構築する 6 12

まとめ

61 2

章末問題

614

文献

615

膜の構造

6 1 7

指質二重層

617

上皮細胞では輸送体が非対称的に分布して．溶貨を細胞検断章郵送 658 する

ATP駆動型ポンプは 3種類ある

659

Ca 7 ＇ポンプl e ! :P型 ATPアーゼのうちで母も研究が進んでいる

660

細飽膜の P型 Na' -K＇ポンプは膜をはさんだ Na＇勾配を作り出す 6 6 1

ABC給送体は膜輸送タンパクの最大のファミリーをなす

663

まとめ

667

620

イオンチャネルと膜の電気的性質

667

脂質二重庖は二次元の流動体である

6 2 1

イオンチャネルには選択性があり．闘状態と問状！設を交互に繰り

脂質二岳胞の流動性は．その術成成分によって決まる

622

グリセロリン脂質．スフインゴ脂質．ステロールは細飽膜のおも 618 花王脂質である リン脂質は自然に二血屈を形成する

脂質二毘屈は流動性があるにもかかわらす．組成の異怠る区画を 作る 624

返す

動物細胞の股m 位はおもに. K ＋漏洩チャネルと細胞膜をはさんだ K＇の勾配によって生じる 669 静止股匂｛立は. Na+ -K＋ポンプが停止するとゆっくりと消滅する

脂肪滴はリン脂質！I~分子町に固まれている

625

脂質二箆厄の非対称柿造は機能上盤要である

626

すべての細胞膜の表面には糠脂質が存在する

628

まとめ

629

膜タンパク

629

m気的興奮性を示す細胞では電位依存陽イオンチャネルが活動勉

8 葉タンパクはさまざま忽方法で脂質二重層に組み込まれている 脂質アンカーはシグナルタンパクの膜への結合を制御する

669

細菌の rチャネルの三次元構造から．イオンチャネルの働き方が 6 7 1 わかる アクアポリンは水を過すがイオンは通念忽い

673

ニューロンの綴能は長くのびた構造に依存している

675

629

位を発生さゼる

676

630

ミエリン化は．神経細胞での活動電位の伝達速度と効率を高めて 678 いる

多くの膜口通タンパクではポリペプチド鎖の αヘリックス部分が 脂質二毘庖を白いている 6 3 1 膜民通 αヘリックスはたがいに栂E作用することが多い

667

632

Fバレルの恕かには限を口過する大型のチャネルを作るものがある 634 8 英タンパクの多くには側鎖がついている

635

膜タンパク l c l : . 界面活性剤を用いて可溶化 ・精製できる

636

パクテリオロ ドブシンは脂質二f f i r . T 1 を口通する 7本の αヘリ ック スからなり．光駆動プロ トンポンプと して働く 640

J Cッチクランプ法により．個々の電位依存チャネルはオン・オフ 型の方式で開閉していることがわかる 680 匂位依存陽イオンチャネルは．進化的にも梢造的にも相互に関連 682 している 化学シナプスで伝達物質依存イオンチャネルが化学シグナルを宿 気シグナルに変換する 682 化学シナプスは興奮性にも抑制性にも怠る

684

膜タンパクは大型の複合体として機能していることが多い

642

神経筋妓合部のアセチルコリン受容体は伝達物質依存陽イオンチ ャネルである 684

膜タンパクの多くは限平面内を銘散する

642

伝達物質依存イオンチャネルl 志向精神薬の主要標的である

686

細胞はタンパク質や脂質を．膜の特定区画内に局在さゼることが できる 645

神経と筋の伝達では 5種類のイオンチャネルが順次活性化する

687

ニューロンは復総主主演算処理装置である

688

皮庖の細胞骨格は細胞肢に後械的強度を与え．膜タンパクの鉱散 646 も制限する

ニューロンでの情報処理には．少なくとも 3種類の rチャネルの 述担L が必要である 689

まとめ

648

章末問題

648

町 i I 乳類の海馬での長期憎強（ L T P ）は. NMDA受容体チャネルを通る 6 9 1 Ca7 ’の流入に依存している

文献

650

まとめ

692

章末問題

693

文献

694

シグナル識別粒子（SRP）が小胞体シグナル配列を粗面小胞体膜にあ る特異的受容体へ導く 7 2 7 ポリペプチド鎖は転送装置の水の通る小孔を通過する

細胞内区画とタンパク質の

選別

6 9 5

細胞の区画化

695

;Q 抜細胞には必す．決まった組み合わせの膜で閉まれた小器官が

ある

695

各小器官の位置関係I d : . 進化上の起源を考えると説明できる

697

タンパク質が小区画の悶を移動する方法はさまざまである

699

シグナル配列はタンパク質を細胞の適切芯場所に誘導する

7 0 1

小器官の大半はゼロからの合成が不可能で．小器官自身のもつ情 7 0 2 報を必要とする “ 寸

﹃

必

A uy コ r U 0 3JJ 判

1’

まとめ

核膜孔複合体は核膜を貫通している 桜タンパクは綴局在化シグナルによって核に誘導される

1回殴貫通タンパクでは．ポリペプチド鎖の途中にある小胞体シグナ ル記事l j b ' §突を貫通する αヘリ ックスの形で脂質二鐙店内にとどまる 7 3 2

復数回鎮貫通タンパクの立体構造は輸送開始と停止を指示するシ 7 3 4 グナルの組み合わせにより決まる 転送が終わったポリペプチド鎖は粗函小胞体内腔で折りたたまれ 736 組み立てられる 籾面小胞体で作られるタンパク質の大半には共通の N− 結合型オリ 736 ゴ糖が付加される オリゴ糖はタンパク質の折りたたみ状態を示す棟議として使われる 7 38 折りたたみを誤ったタンパク質は小胞体から運び出されて細飽質 ゾルで分解される 739 小胞体にある折りたたみを誤ったタンパク貨は変性タンパク応答 740 を活性化する

−

J

絞ー細胞質問の分子の繍送

730

小胞体膜を通過する転送には．ポリペプチド鎖の同時合成は不可 7 3 1 欠ではない

膜タンパクのなかには．グリコシルホスファチジルイノシトール ( G P I）アンカーが共有結合しているものがある 7 4 2

7 0 5

膜の脂質二重層の大半は小胞体で組み立てられる

7 4 3

まとめ

7 4 5

核内股入受容体は核局在化シグナルと NPCタンパクの両方に結合 する 7 0 7 核外への織出は桜内への取り込みと方向が逆芯だけで似ている

7 0 8

l l 1 る輸送の方向性を決める R a nGTPアーゼが NPCをi

7 0 8

NPCを遜る輸送の調節I d : . 輸送装置ヘ物質を近づけ左ょいという方 法による 7 0 9

意来問題

7 4 6

文献

748

被膜は有糸分裂の際にばらばらになる

71 0

細胞内における小胞の移動

7 4 9

まとめ

7 1 2

膜輪送の分子織構と細胞内区画の多篠性維持

750

ミトコンドリアと葉緑体へのタンパク輸送

7 1 3

被覆小胞にはいろいろ主主種類がある

7 5 1

ミトコンドリアへの転送 I d : . シグナル配列とタンパク転送装置に 依存する 7 1 3

クラスリン被覆の形成で小胞ができる

754

かご状締造を作ら主主い被積もある

755

ミ トコンドリアのタンパク前駆体I d : . ほどけたポリペプチド鎖の 715 状態で取り込まれる

ホスホイノシチドは細胞小器官や膜区画の目印となる

757

m

細胞質タンパクが被覆小胞の膜からの切り践しと脱被覆を調節する 7 57

マトリックスへのタンパク質の取り込みは.ATPの加水分解と燦 位によって駆動される 7 1 6

単自体 GTPアーゼが被覆の組み立てを調節する

7 5 8

細菌とミトコンドリアではポリンを外膜に挿入するしくみが似て いる 7 1 7

輸送小胞はすべてが球形というわけではない

7 6 0

Rabタンパクは小胞を標的に導く

7 6 0

S NAREが膜の融合を仲介する

7 6 2

ミトコンドリア内膜と股間腔への輸送には数種類の経路がある

7 1 7

薬縁体のチラコイド膜にタンパク質を輸送するには 2種類のシグ ナル配列が必要である 7 1 9

結合状態にある SNAREをふたたび働かせるにl 広島幸践が必要である 7 6 4 ウイルスの融合タンパクと SNAREは同線な融合織織を使っている 7 6 4

まとめ

720

まとめ

766

ペルオキシソーム

7 2 1

小胞体かうゴルジ体を経由する給送

766

ペルオキシソームは分子状厳紫と過酸化水素を使って酸化反応を 行う 7 2 1 タンパク質のペルオキシソームへの取り込みは短いシグナル配列 が指示する 7 2 2 まとめ

723

小胞体

723

小胞体は構造も機能もさまざまである

7 2 4

m

シグナル配列は粗函小胞体に取り込まれるタンパク質で 初に見 7 2 6 つかった

タンパク質は仁O P l l被覆輸送小胞に入って小胞体から送り出される 767 正しい折りたたみと集合状態のタンパク質だけが小胞体力、うB 投出 される 767 小胞体からゴルジ体への輸送は小胞小管クラスターによって行わ 768 れる 小胞体への回収過程は選別シグナルを用いて行われる

769

タンパク質の多くは．働くべき区画に選択的に保留される

7 7 1

ゴルジ体は整然とした一連の区画から怠る

7 7 1

オリゴ糖鎖はゴルジ体で加工される

773

I ブロテオグリカンはゴルジ体で作り上げられる

775

シナプス小胞は工ンドサイトーシス小胞から直銭形成される

807

穏鎖付加は何のために行われるのだろう

776

まとめ

809

ゴルジ体を通過する鎗送は．小胞輸送あるいは蚕成熱によって行 われる 777

宣言末問題

810

文献

812

マ トリックスタンパクはゴルジ厨板の組緩化を助ける

778

まとめ

779

トランスゴルジ網からリソソームへの翁送

779

リソソームは細胞内で消化を行う主要部位である

779

リソソーム I d :不均一な小器官である

780

植物や菌類の液胞は際立って多様な役割をもっリソソームである 781 リソソームに物質を送り込む経路はいくつもある

782

マンノース 6 ーリン酸受容体はトランスゴルジ網でリソソームタン パクを譲別する 783 マンノース 6−リン酸受容体は特定の膜の聞を往復する

784

加水分解醇紫のポリペプチド鎖にあるシグナルパッチが M6Pの付 785 加の手がかりと怒る ヒトの GlcNAc リンM~転移醇緊に欠陥があると．リソソーム蓄

エネルギー変換一一

ミトコンドリアと葉緑体

8 1 3

ミトコンドリア

815

ミトコン ドリアには外線と内膜があり，内部は 2つの区画に分か れている 816 クエン酸回路は高エネルギー笹子を生み出す

817

化学浸透作用が酸化反応のエネルギーを A T Pに変役する

817

電子は 3つの大きな呼畷酵素複合体を経て NADHから酸素に伝達 819 される

積症が引き起こ＜！れる

785

リソソームの忽かには工キソサイトーシスされるものがある

786

也子が呼畷鎖を移動する擦に放出されるエネルギーは．ミトコン ドリア内膜をはさむ 気化学的主主プロトン勾配のかたちで2 蓄えら れる 820

まとめ

787

プロ トン勾配が A TP合成を進める

8 2 1

細胞膜かう細胞内への輸送一一エンドサイトーシス

787

プロ トン勾配が内膜を検切る共役輸送を駆動する

822

専門の食細胞は大きな粒子をj 貝取できる

787

細胞の A T Pのほとんどはプロトン勾配かう生産される

822

飲作用小胞は細胞般の彼槌ピット部分から作られる

789

ミトコンドリアは細胞内の A TP/ADPの比を高い値に保っている 823

飲作用小胞はクラスリン彼槌だけではない

790

細胞が A T Pを利用するには.A T P加水分解の 6Gが大き芯負の値に なっていなければ芯らない 824

細胞は受容体を介したエンドサイ トーシスにより外から巨大分子 を取り込む 7 9 1 エンドサイトーシスで取り込まれた物質のうち工ンドソームから 792 回収され忽いものは．リソソームにまわされる 特定のタンパク質が初期工ンドソームから回収されて細胞膜に返 793 送される 後期エンドソームへ向かう経路に多胞体が形成される

795

巨大分子は上皮細胞陪をトランスサイトーシスによって通過する 797 上皮細胞には 2磁類の初期工ンドソーム区画があるが．後期エン ドソーム区画は共通している 798 まとめ

798

トランスゴルジ網かう細胞外部への輸送一一工キソサイトーシス

799

タンパク質や脂質の多くはゴルジ体力、ら細胞表面へ自動的に輸送 されるらしい 800 分泌小胞はトランスゴルジ網から出芽する

8 0 1

タンパク質は分泌小胞の形成過程でタンパク分解の過程を経て加 工される 803 分泌小胞は内容をB 支出させるシグナルが来るまで細胞膜の近くで 803 待機している 調節性エキソサイトーシスは．限られた範囲の細胞膜とその直下 804 の細胞質が関与する局所的な応答である 分泌小胞の限成分は細胞膜からすばやく取り除かれる

805

調節性エキソサイトーシスには．細胞膜を広げる役割もある

805

極性のある細胞では． トランスゴルジ網由来のタンパク質は細胞 805 膜の決まった区画に輸送される 膜タンパクと脂質を選択的に正しい細胞膜区画へ導くいろいろ砿 方式 806

m

A T P合成酵素は逆向きに働いて.A T Pを加水分解して H’をくみ出 すこともある

826

まとめ

827

電子伝達系とプロトンポンプ

827

プロトンはきわめて移動しやすい

827

酸化還元電位は電子に対する親和性を示している

828

電子伝達により大畳のエネルギーが放出される

829

呼限鎖の多数の電子伝達体は分光学的方法で同定むれた

829

呼限鎖には内膜に埋まった 3つの大きは醇紫復合体が存在する

8 3 1

シ トクロム酸化酵素の鉄ー鏑中心が 02 の遡元を効率的に触媒する 832

m子伝達は．ミトコンドリア内膜内でのランダム忽衝突の際のm 子のトンネル効果によって起こる

834

H’のくみ出しに必要芯エネルギーは.3l 霊類の呼吸酵素復合体閤 で大きく変化する酸化還元電位から得られる

835

H・ポンプの作用機備は主要主主醇紫復合体 3l 霊類で異なる

835

H・イオノフォア I d : 恒子伝達と A T P合成を脱共役させる

836

呼服謁節は正常時に呼吸鎖を流れる母子のEを抑制する

837

天然の脱共役剤が渇色脂肪細胞内のミトコンドリアを発烈装置に 変えている 838 ミトコンドリアは細胞の代謝の維符に多くの盟婆な役割をもっ

838

細菌もエネルギーの利用に化学浸透織桃を用いている

839

まとめ

840

葉緑体と光合成

840

案縁体は細胞小器官である色索体に腐している

8 4 1

議縁体はミトコンドリアに似ているが．区画が lつ多い

842

葉緑体は太陽光をおl i t 足し．それを使って炭紫固定をする

843

炭素固定はりブロースピスリン酸カルポキシラーゼによって触媒 844 される

まとめ

875

章末問題

877

文献

878

細胞の情報伝達

879

細胞における情報伝達の基本

879

1分子の仁02固定にあたり ATP3分子と NADPH2分子が消費される 845 ある穫の植物では低濃度の C0 1でも成長できるように炭素固定反 応が区画化されている 846 光合成I d :クロロフィル分子の行う光化学反応に依存する

847

光化学系は反応中心とアンテナ復合体から構築されている

848

反応中心では目クロロフィルがj 雨促した光のエネルギーによって ( f . 電子供与体が作られる 849 弱い恒子供与体から強力1 非循環的光リン磁化反応では NADPHと ATPが生産される 葉緑体は循環的光リン酸化反応によって.NADPHの生成主主しに ATPを生産できる

850 853

光化学系 l と Hの術造には関連性があり．細闘の光化学系とも似て いる 853 プロトン駆動力はミ トコンドリアと葉緑体で同じである

853

葉緑体の内膜にある輸送体タンパクは．細胞質ソルとの代謝産物 854 の交換をつかさどる

細胞外シグナル分子は特異的忽受容体に結合する

880

細胞外シグナル分子 I d : . 短距敵でも長距磁でも作用できる

8 8 1

ギャップ結合によって．近隣細胞はシグナル情報を共有する

884

それぞれの細胞は特定の組み合わせの細胞外シグナル分子に応答 するようにプログラムされている 884 細胞の種類が異なれば同じ細胞外シグナルに対して異なる応答を することが多い 885 発生途上の細胞の運命はモルフォゲン濃度勾配中の位置で決まる 886 細胞内分子の寿命が短いときに限り．濃度を迅速に変えることが できる 886

葉緑体はほかの岳要主主生合成も行っている

855

まとめ

855

ミトコンドリアと色素体の遺伝子系

855

ミトコンドリアと薬緑体には完全な遺伝子系がある

856

核内受容体は．リガンドによって影醤を受ける遺伝子調節タンパ 889 クである

細胞内のミトコンドリアや色紫体の数は．小器宮の成長と分裂に 857 より一定に保たれる

細胞表面受容体タンパク I d : . イオンチャネル共役型 .Gタンパク共 盛類に大別される 8 9 1 役型．醇紫共役型の 3l

859

活性化した細胞表面受容体のほとんどは． 小分子や細胞内シグナ ルタンパクのネットワークを介してシグナルを伝達する 893

ミ トコンドリアと譲縁体のゲノムは多篠である

ミトコンドリアと菜縁体はともに細胞に共生した細菌が進化した 859 ものらしい ミトコンドリアのコドン使用は自由度が高く．実主主る遺伝暗号が 8 6 1 ある

一酸化窒紫は標的細胞内の特定のタンパク質の活性を直接制御 し 887 てシグナルを伝える

多くの細胞内シグナルタンパクはリン酸化や GTPの結合によって 活性化され．分子スイッチとして働く 895 細胞内シグナル伝達複合体は応答の速度や効率．特異性を抱強する 897

動物のミトコンドリアの遺伝子系は．既知のものの芯かでt iも悶 862 単である

細飽内シグナルタンパク聞の相互作用は．モジュール型相互作用 ドメインが行う 897

小器官の遡伝子にはイントロンを含むものがある

863

高等植物の葉緑体ゲノムには約 1 2 0個の遺伝子がある

863

細胞外シグナル濃度の緩やかな抱加に対して細胞は複数の線機 を利用してオン ーオフの応答ができる 899

ミ トコンドリア迎伝子は非メンデル遺伝により受け継がれる

864

多くの生物で細胞小器官の遺伝子は f : i j 性遺伝で受け継がれる

866

酵母のプチ変異株は．ミトコンドリアの形成に細胞核が非常に歪 要忽ことを示している 866

細胞内シグナル伝達ネットワークは．通常．フィ ー ドI ＼ックルー 9 0 1 ブを利用する 細胞はシグナルに対する感度を調節できる

902

まとめ

903

ミトコン ドリアと葉緑体は細胞核に指令されている組織特異的タ 867 ンパクを含む

Gタンパク共役型細胞表面受容体（GPCR） と小分子細胞内仲介物質 によるシグナル伝達 904

ミトコンドリアは自身に必要な脂質の大部分を外部から取り込む 867 が．葉緑体はその大半を合成している

仁Rかうのシグナルを中継する三畳体 Gタンパク GP

905

環状 AMPの生産を調節する Gタンパクもある

905

ミトコンドリアは細胞や個体の老化にかかわっているらしい

868

ミトコンドリアと葉緑体には砿ぜ独自の逃伝子系があるのか

868

まとめ

870

電子伝達系の進化

870

ごく初期の細胞はおそうく発醇によって ATPを生産していた

870

嫌気性細菌は也子伝達系によって．非発酵性の分子をおも主主エネ 8 7 1 ルギー源として利用できるようになった 無尽蔵の還元カを得て．光合成細菌は細胞進化における重大な際 害を克自E した 872

m

シアノパクテリアの光合成 子伝達系によって大気中に酸素が生 873 じ．新しい生命形態が生まれた

環状 AMPの作用のほとんどは．環状 AMP依存のタンパクキナー ）が仲介している 908 ゼ （ PKA ある磁の Gタンパクはホスホリパーゼ C 3 1の活性化により．イノ 909 シトールリン脂質のシグナル伝達経路を活性化する 仁ポ’は普遍的な細胞内仲介物質として働く

912

仁a 2 ＋濃度の周期的変動の頻度が細胞の応答に影響する

912

動物細胞での Ca2 φシグナルへの応答の多くは．仁a φ 2／カルモジユ リン依存タンパクキナーゼ（CaM−キナーゼ）が仲介している 914 ある穂の Gタンパクは直短イオンチャネルを調節する

916

喫: Rと視宛は環状ヌクレオチド依存イオンチャネルを調節する GPCRに依存する

917

細胞内仲介物質と醇索連鎖反応により細胞外シグナルが大幅に網 帽される 919

GPCRの脱感作は受容体のリン酸化に依存する

920

まとめ

9 2 1

醇繁共役型の細胞表面受容体によるシグナル伝達

9 2 1

受容体チロシンキナーゼは活性化すると自身をリン酸化する

922

意末問題

962

文献

964

細胞骨格

965

RTK上のリン酸化チロシンは細胞内シグナルタンパクとの鍍合部 位となる 923

細胞骨格繊維の自己集合と動的な構造

965

細胞骨格系は動的で適応性がある

966

ン酸化チロシン残基に結合する 924 SH2ドメインをもっタンパク質は υ

細胞骨格は安定な精進も作れる

969

−

R asは単自体 GTPアーゼの大きなス I C ーファミリーに属する

926

各種の細胞骨格繊維は，より小さいタンパクサブユニットからで きている 970

RTKはアダプターと GEFを介して R討 を活性化する：発生途上の ショウジョウパ工の眼かう得られたt f i E 拠 927

複数のプロトフィラメントから芯る繊維には優れた性質がある

9 7 1

R a sI d :MAPキナーゼシグナル伝達モジュールを活性化する

細胞骨格の亜合体形成では．絞形成が律速段階と怠る

973

928

足場タンパクは並行した MAPキナーゼ（MAPK ）モジュールが混線 930 するのを防ぐ

チューブリンとアクチンは同じ向きに並んで極性のある鎚絡を形 成する 973

Rhoファミリ − GTPアーゼは細胞表商受容体と細胞骨格を織能的 に共役させる 931

微小管とアクチンフィラメントは両舗の構造が異なっていて．伸 975 長速度も違う

P 1 3 ーキナーゼは細胞膜に脂質の媛沼部位を作る

繊維のトレ ッドミル状態と動的不安定は．チューブリンとアクチ ンによるヌクレオチド加水分解の結果生じる 976

932

P l 3 ーキナーゼーA k tシグナル経路は動物細胞を刺激して生存や成長 を促進する 934 RTKと GPCRが霊怒り合って下流のシグナル伝達経路を活性化する 935 チロシンキナーゼ会合型受容体の活性は．細胞質のチロシンキナ ーゼによる 935 サイトカイン受容体は J AK-STATシグナル伝達経路を活性化して． 937 シグナルを核にすばやく送り込む タンパクチロシンホスファターゼによってチロシンのリン酸化が 938 元に戻る

TGFPスーlて ーファミリーのシグナルタンパクは受容体セリン ／ト レオニンキナーゼと Smadを介して働く 939 シグナル伝達系を全体として理解する

トレッドミル状態と動的不安定は細胞骨格の迅速な再偶成を助ける 980 チューブリンとアクチンは真核生物の進化において高度に保存さ 982 れてきた 中間径フ ィラメントの構造は．束ねてねじったより合わせコイル 983 状である 中間径フィラメントは動物細胞に物理的は安定住をもたらす

985

薬剤が細胞骨格繊維の霊合反応を変化させる

987

細菌の細胞編成と細胞分裂は只核生物の細胞骨格の相同体に依存 している 989 まとめ

9 9 1

細胞骨格繊維の調節

992

9 4 1

細菌の走化性は．ヒスチジンキナーゼ会合型の受容体によって活 9 4 1 性イじされる 2成分系シグナル伝達経路に依存している

微小管の重合核形成は rチューブリンを含むタンパク復合体が行う 992

992

受容体のメチル化により細菌の定化性は順応する

943

動物細胞では．微小管は中心体からのび出す

まとめ

944

アクチンフィラメン トの重合桜形成は細胞膜で起こることが多い 996 霊合核形成のしくみは．大規模なフィラメン 卜の組織化に影沼する 998

シグナル伝達経路における潜在的遺伝子調節タンパクの分解の調節 946 受容体タンパク N otchは潜在的遺伝子調節タンパクである

946

繊維の伸長は遊殿サブユニッ トに結合するタンパク質によって調 節~れる

999

Wntタンパク I d :F r i z z l e d受容体に結合して十カテ二ンの分解を隠 容する 948

アクチンフィラメントおよび微小管I d : . 切断タンパクによ って長 1 0 0 0 さと動的ふるまいが制御される

まPatchedと結合し目 Smoothenedの隠容を Hedgehogタンパク l 950 解除する

繊維の側面に結合するタンパク質は繊維の安定化や不安定化にか 1 0 0 1 かわる

多窓ストレス刺激と炎症誘発刺激は N FKB依存のシグナル伝達経 952 路によって働く まとめ

954

植物のシグナル伝達

955

多細胞性と細胞間情報伝達は．動物と樋物で独立に進化してきた 9 55 受容体セリン／ トレオ二ンキナーゼは植物では細胞表面受容体の 956 費量も大き花王グループを織成している エチレンは核の特異的な遺伝子調節タンパクの分解を防ぐ

957

オーキシン輸送体の位置決めをして樋物の成長パターンを決定する 959 フィトクロムは赤色光を．クリ フ トクロムは青色光を感知する

960

まとめ

9 6 1

繊維宋舗と作用するタンパク質で繊維の動態が大憶に変わる

1 0 0 2

別種のタンパク質が急速に伸長する微小管宋縞の性質を変える

1 0 0 3

細胞骨格繊維は細胞内のより高次の構造体に組織化される

1 0 0 5

中間径フィラメン卜は架僑され，束ねられて丈夫主主配列を作る

100 5

いろいろ芯性質をもっ架僑タンパクの働きで，アクチンフィラメ 1006 ントかうさまざま芯備造ができる フィラミンとスペクトリンはアクチンフィラメントの網目綿造を 作る 1 0 0 8 細胞骨格婆紫は多くの箇所で細胞膜に結合する

1 0 0 9

まとめ

1 01 0

分子モーター

1010

アクチン上を動くモータータンパクはミオシン・スーパーファミ リーに属する 1 0 1 1 微小管モータータンパクはキネシンとダイ二ンの 2種類である

1 0 1 4

細胞周期の制御系は周期的に活性化されるサイクリン依存キナー dk ） によっている 1062 ゼ （C 仰制性リン酸化と仁d k阻害タンパク（仁K l）が仁d k活性を仰制する 1063 細胞周期制御系は周期的なタンパク分解に依存する

1 0 6 4

ミオシンとキネシンの備造類似は目進化上共通の起源を考えさせる 1 015

細胞周期の制御には転写調節も関与する

1065

モータータンパクは ATP加水分解を悩造変化と共役させて力を発 1016 生する

細胞周期制御系は．生化学反応のスイッチのオン オフで成り立 1065 っている

モータータンパクの速度論的性質は細胞の綴能に適応している

1020

モータータンパクは膜で図まれた小器官の細胞内輸送を行っている 1 0 2 1 細胞骨格は特定の RNA分子を局在化させる

1 0 2 2

細胞はモータータンパクの織能を調節する

1 0 2 3

まとめ

1 0 2 5

細胞骨格と細胞のふるまい

1025

｜｜型ミオシンとアクチンフィラメントの滑りによって筋肉の収縮が 起こる 1 0 2 6 筋肉の収縮は細胞質中の C a2 ＇濃度の急激怒上昇によって起こる 1 0 2 8 心筋は厳密に設計されたぬ械である

1 0 3 1

繊毛と鞭毛I~微小管とダイニンでできた運動のための摘造である 1031

有糸分裂紡錘体の術祭には．動的主主微小管と．多くのモータータ 1 0 34 ンパクの相互作用が必要である

まとめ

1067

5期

1067

S C dkが DNA復裂を開始させるのは周期あたり 1回である

1067

染色体の倍加にはクロマチン構造の倍加が必要である

1069

コヒーシンが姉妹染色分体を接着する

1 070

まとめ

1 0 7 1

有糸分裂

1071

M-Cdkは有糸分裂の開始を促す

1 0 7 1

有糸分裂の初めに．目覚リン酸により M -Cdkが活性化する

1 0 7 4

コンデンシンは倍加した染色体の分離に必要な環焼設定をする

1075

有糸分裂紡錘体は微小笠が集まってできる

1 0 7 5

微小管依存モータータンパクが紡錘体の形成と機能を司る

1077 1077

いろいろな細胞が固体の基賃上をはい回る

1 0 3 6

2つの綴備が協同して二極性有糸分裂紡錘体を形成する

アクチンのE合が細胞膜を突出させる

1 0 3 7

細胞周期の初めに中心体が倍加する

1078

1040

M-Cdkは前期に紡錘体形成を開始させる

1078

接着とヲ｜つ怒りによって細胞は前進する

Rhoタンパクファミリーの仲間がアクチン細胞骨格の大規模広州 1 0 4 1 造再績を引き起こす 細胞外シグナルが Rhoファミリーの 3種類のタンパク質を活性化 1 0 4 3 する 外部からのシグナルで細胞の移動方向が決まる

1 0 45

微小管とアクチンの細胞骨格どうしが連絡して細胞全体の極性や 移動を整合させる 1046

動吻細胞における紡錘体形成の完了には核膜崩壊が必要である

1079

有糸分裂中に微小管の不安定さが大きく i ! l 1 す

1080

分裂期染色体は二極紡錘体の形成を促す

1 0 8 1

動原体が姉妹染色分体を紡鐙体に付指させる

1 0 8 2

二方向性は試行錯誤の産物である

1 083

染色体は紡錘体上でいくつもの力で引っ張うれ移動する

1 0 8 5

APC/Cが姉妹染色分体分離と有糸分裂完了を促す

1087

三ユーロンの形態の複雑な特殊化は細胞骨格によって起こる

1047

まとめ

1050

極と結ばれていない染色体は姉妹染色分体の分離を阻止す る一一紡錘体形成のチェックポイン卜

1088

章末問題

1050

染色体は後期 Aと後期 Bで分雛する

1089

文献

1052

分続した染色体は終期に鍍絞の中に納まる

1090

減数分裂は有性生殖に特有の核分裂の形態である

1090

まとめ

1092

細胞質分裂

1092

収縮環のアクテンと H型ミオシンが細胞質分裂の力を作り出す

1 0 9 3

Rho Aの局所的活性化が収縮環の構築と収絡を促す

1 0 9 4

有糸分裂紡錘体の微小管が動物細胞の分割j 面を決定する

1 0 9 5

高等組物で I~隔膜形成体が細胞質分裂を誘導する

1 0 9 7

細胞周期

1 0 5 3

細胞周期の概要

1054

真級生物の細胞周期は 4つの時期に分かれる

1 0 5 4

あらゆる真級生物の細胞周期制御系は似ている

1 0 56

酵母の変異解析かう．細胞周期制御系を遺伝的に解析することが 1056 できる 動物の怪を使うと細胞周期制御系を生化学的に解析できる

1 0 5 7

略乳類のi 舌袈細胞を使って町細胞周期制御系の研究ができる

1059

細胞周期の進行を研究する方法はいろいろある

1 0 59

まとめ

1060

細胞周期制御系

1060

細胞周期制御系は細胞周期の主要芯過程の開始役と忽る

1 060

細胞質分裂にI d : 膜で包まれた細胞小器官が銀細胞に分配され怠け 1 0 9 8 れば怒らない 紡錘体の位置を変えて非対称分割l をする細胞もある

1 0 9 9

細胞質分裂主主しで有糸分裂が起乙るとともある

1099

G，矧には Cdkが不活性状態にある

1 1 0 0

まとめ

1 1 0 1

細胞の分裂と成長の調節

1 1 0 1

分裂促進因子が細胞分裂を促進する

1 1 0 2

特殊tJ:~I=分裂状態に入った細胞は分裂を遅らせる

1103

分裂促進因子が G 1 C d kと G i ! S ・ Cdkの活性を上昇させる

1103

DNAltl 傷は細胞分裂を閉止する 一一DNA損傷への応答

1105

ヒトの細胞には分裂回数を制限する織構が備わっている

1107

包磁シグナルは細胞周期の停止と細胞 がん細胞以外では．異常なi 死を引き起こす 1107

免疫グロプリンースーパーファミリーに属するタンパク質は C a ・ 2 に依存しない細胞緩若を媒介する 1146 シナプス形成では多種の細胞後活分子が並行して働く

1147

足場タンパクが接続復合体を形成させる

1148

まとめ

1149

密着結合と上皮の婿這

1150

密活結合が細胞悶隙をふさぎ．垣根を作って膜をしきる

1150

生物体や器官の成長は細胞の成長に依存する

1108

溜殖中の細胞は成長と分裂を協調させる

110 8

隣り合う細胞は細胞外シグナルタンパクを奪い合う

1110

動物が総細胞盟を制御する織桃はまだわかっていない

1 1 1 1

銭続復合体の足場タンパクが細胞焔殖の制御に不可欠な役目を祭 たす 1153

まとめ

1112

細胞問後泊と基底膜によって上皮の頂底領性が決まる

1155

g末問題

1 1 12

平函内細胞極性を制御する別のシグナル経路

1157

文献

1 1 1 3

まとめ

1158

細胞かう細胞への通路：ギャップ結合と原形質連絡

1158

アポ卜ーシス

ギャッブ結合によって細胞は電気的にも代謝的にも共役された状

1 1 1 5

！ 怒 に ＂ ／ ； ； . る

1158

プログラム細胞死は不要な細胞を排除する

11 1 5

ギャッブ結合のコネクソン｜ま膜口通裂のコネキシン ・サブユニッ ト6個かう怠る 1159

アポトーシスを起こした細胞は生化学的に譲別できる

1 1 17

ギャッブ結合は多犠な機能をもっ

1 1 6 1

細胞はギャッブ結合の透過性を調節する

1 1 6 1

植物では．ギャッブ結合と同じ機能を原形質連絡が担う

1162

まとめ

1163 1164

アポトーシスは．カスパーゼが介する細胞内タンパクの連鎖分解 に依存する 1118 細胞表面にある細胞死受容体が外部アポトーシス経路を活性化する 11 20 内部アポトーシス経路はミトコンドリアに依存する

1 1 2 1

B c l 2タンパクが内部アポトーシス経路を調節する

11 2 1

基底膜

I A Pはカスパーゼを随喜する

1 124

細胞外生存因子はさまざまなしくみでアポトーシスを悶寄する

1126

基底膜はすべての上皮の土台と怒るとともに．ある種の非上皮細 け6 4 胞を恋う

アポトーシスが過剰あるいは不十分だと筑患につ芯がることがある 11 27 まとめ

11 2 8

g末問題

11 2 8

文献

1129

ラミ二ンは基底膜の霞も重要主主成分である

1165

I V型コラーゲンがあると基底膜に強力耐性が生じる

1166

基底闘志多線な機能をもっ

1167

まとめ

1169

インテグリンと細胞ーマトリックス間簸沼

1169

インテグリンは膜白通のヘテロ二自体であり．細胞骨格と連絡する 1170 インテグリンは活性型と不活性裂のコンホメーション変化をする 1170

細胞結合，細胞接着，細胞外

マトリックス カドヘリンと細胞間援活

インテグリンの欠陥はいろいろ広治伝病の原因となる

1172

1 1 3 1

インテグリンは集合し強い援泊を形成する

1174

1133

細胞外マトリックス間結合はインテグリンを介して細胞の淘殖と 生存を制御する 1175

カドヘリンはあらゆる動物での Ca2• 依存細胞悶援活に関与する 1135

脊椎動物のカドヘリン・スーパーファミリーは何百種類ものタン パク質から怒り，シグナル綴能をもつものが多い 1136

インテグリンは．細胞と支持体の緩泊部位に細胞内シグナルタン パクを集合させる 1176 インテグリンは細胞内に局所的広差異を作り出す

1177

まとめ

1178

ばらばらにした脊縫動物細胞を選択的芯細胞悶嬢活によって再築 合させ組織を再生させる 1139

動物の結合組織の細胞舛マトリックス

1178

カドヘリンは細胞の選択的集合を調節する

1140

T w i s tが上皮ー悶充織選移を調節する

1 1 41

細胞外マトリックスはマ トリ ックスの中にある細胞が作り向き を決める 1179

カテ二ンは古典的カドヘリンをアクチン細胞骨格と連絡させる

1 1 4 2

）鎖は大き忽空間を占め．水和ゲルを グリコサミノグリカン（ GAG 形成する 1 179

媛泊結合はアクチンを利用して隣り合う細胞に協調迎動を起こさ せる 1142

ヒアルロナンは空間充i 真剤であると同時に．組織の形態形成や修 復の過程において細胞の移動を助ける 1180

デスモソーム結合によって上皮は強靭に主主る

1143

細胞悶媛~で細胞内部へシグナルを送る

1 1 4 5

ブ口テオグリカンは GAG鎖がコアタンパクに共有結合してできた 分子 1 1 8 1

セレクチンは血流の中で一時的な細胞問媛活を媒介する

1 1 4 5

カドヘリンI d : 同種親和性による媛泊を司る

1137

ブロテオグリカンは分泌タンパクの活性を調節する

1182

細胞表面のブロテオグリカンは補助受容体として働く

1183

細胞外マトリックスの主要なタンパク質としてのコラーゲン類

1184

コラーゲン鎖は観訳後に一連の修飾を受ける

1186

分泌後にブロペプチドがブロコラーゲン分子から切り除かれた後． 原繊維の形成が始まる 1187 分泌された原総維結合コラーゲンは原繊維を組織化する

1187

細胞はマ トリックスにおよぽす張力によって，分泌したコラーゲ 1189 ン原繊維の組織化を助ける

まとめ

1 2 2 3

予防できる発がんの原因

1224 1 2 2 5

全部では主主いが．多くの発がん要因は DNAに｝負傷を与える

m

発がんイニシエーターは DNAを 傷するが．発がんプロモーター 1226 は煩傷しない

＇

ウイルスなどの感染t Jヒトのがんの原因に怠ることもある

1 2 2 7

発がん因子を同定すれば．がんを回避する方法が見つかる

1229

まとめ

1230

がん化に重要な遺伝子の探索

1230

細胞が発生させる強力がフィブロネクチン原繊維の集合を調節する 1 1 91

4 幾能獲得変異と織能欠煩変異は同定法が異なる

1 2 3 1

フィブロネクチンは RGDモチーフによってインテグリンに結合 1193 する

レトロウイルスは細胞の挙動を変えるがん遺伝子を運び込むこと 1232 がある

細胞はマトリックスの生成だけでなく分解もしなくてはなら芯い 1 193

工ラスチンは組織に弾力性を与える

1 189

フィブロネクチンは細胞外タンパクでマトリックスへの細胞の付 活を助ける 1191

マトリックス分解は細胞近辺で集中的に起こる

1194

さまざまながん遺伝子の探索から 1つの遺伝子.R a sが突き止めら 1233 れた

まとめ

1 1 9 5

まれ芯遺伝性がんの研究により．がんi m 嗣j 遺伝子が同定された

1 2 3 4

権物の細胞壁

1195

がん抑制遺伝子は陸揚そのものの研究からも同定できる

1 2 3 5

細胞壁の組成は細胞の種類により異なる

1 1 9 5

細胞壁l ま蛮力に強く．植物細胞には膨圧が発生する

1 1 9 7

一次細飽壁はセルロース微繊維がペクチン多糠類の網目偽造に編 み込まれた形をしている 1 1 9 7 細胞壁の沈沼の方向が値物細胞の成長を制御する

1199

微小管が細胞壁沈沼の向きを決める

1200

まとめ

1202

章末問題

1 2 0 2

文献

1204

がんi m 制遺伝子は．遺伝子の変化でもエピジエネティック怒しく 1235 みでも不活性化する がんで変異を起こした遡伝子はいろいろ怒しくみで過剰活性型に 1237 なる がん化に盈要芯遺伝子の深索は続いている

1239

まとめ

1240

がん細胞の挙動とその分子レベルでの解明

1 2 4 1

庇発生と遺伝子改変マウスの研究が，がん化に盟要な遺伝子の機 能解明に役立ってきた 1 2 4 1

1242

がん化に重要芯遺伝子の多くは細胞焔殖を調節している

がん細胞で細胞周期の遂行と細胞の成長の調節を狂わせる経路は 1244 別かもしれない

がん

1 2 0 5

アポトーシスを調節する遺伝子の変異は．がん細胞を生存すべき 1 2 4 5 でないときに存続させる

がんに見る微視的進化過程

1205

p 5 3遺伝子の変異によって.DNAがl t l 傷しても生存しm 殖するが

がん細胞は無制限に泡殖し．ほかの組織にすみつく

1 2 0 6

ん細胞が多い

ほとんどのがんは l個の異常細胞から発生する

1207

がん細胞には体細胞変異が含まれる

1 208

DNA腫湯ウイルスは．鍵と怒るがん抑制タンパクの作用を阻止 する 1247

単一の変異だけではがんにとって十分で砿い

1 2 0 9

がんは少しすっ異常さをt 留す細胞からしだいに発達する

1 21 0

子宮顛がんは早期発見で予防できる

1 2 11

腫湯はランダムな変異の継承と自然選択を繰り返し広がら進行する 1 2 1 2 がん細胞に話積するエピジエネティックな変化にはクロマチン術 造と DNAのメチル化の継承がある 1 2 1 3

1246

転移につ主主がる陸揚細胞の変異はまだ謎に包まれている

1249

大腸がんは目に見える変化を続けながらゆっくり進化する

1250

少数の重要忽遺伝子の煩傷が大部分の大腸がんに共通してみられる 1 2 5 1

DNAの不対合修復系に欠婦がある大腸がんもある

1 2 5 4

腿街の段階的進行は特定の変異と関係づけられることが多い

1 2 5 4

がんはそれぞれに起きた遺伝子煩傷の順序を反映している

1256 1256

ヒトのがん細胞は遺伝的に不安定である

1 2 1 4

まとめ

細胞死や細胞分化の制御に欠陥があるとがんになりやすい

1215

がん治療の現状と将来

1256

がん治療の深索l e tむすかしいが．希望はある

1257

がん織胞は普通.DNA煩傷やその他のストレスを受けると変化する 1 216 ヒトのがん細胞は泡殖の制限機構をすり抜ける

1217

多くの盟諸高の緩符に小集団のがん幹細胞が働いている

1217

従来の治療法はがん細胞が遺伝的に不安定であり細胞周期のチ エツクポイント応答を欠慣していることを利用している 1 2 5 7

がん幹細胞が生じるしくみ

1218

飽甥の遺伝的不安定性の符性を利用する新築

転移には．悪性がん細胞が異質の環焼で生存しi l ! l 殖する必要がある 1 220

1 2 5 7

巡伝的に不安定なため．がんは段階的に治療に抵抗性になる

1259

経費富は血管新生を誘導する

1220

がんの生物学の知識かう新しい治療法が生まれつつある

1260

飽湯の微細環焼ががんの発生に影響する

1 2 2 2

特定の発がんタンパクを問答する小分子をE 宣言 十できる

1260

がんの抱殖にかかわっている多様な性質

1 2 23

胞持活の血管はがん治療の理にか怠った.Ii)~的である

1262

特定の腫渇に対する免疫応答をI 曾強して治療できるがんも多いだ

ろう

1 262

複数の薬の岡崎役与ががん治療に有効かもしれない

1 263

遺伝子発現プロファイル解析で臨床的に役立つがんの分類ができる 1 264 課題は依然として山積している

1 264

まとめ

1 265

草末問題

1 265

文献

1 2 67

第2 1∼25章 は． 付 録。VDに 収 録

有性生殖：減数分裂，生殖細胞， 受精

精子は多核細胞として発生する

1 2 9 4

まとめ

1 2 9 6

受精

1297

射精された精子は彪の生殖管で受精能力を得る

1 2 9 7

受精能を獲得した精子は透明帝に結合し，先体反応が起こる

1298

鞠子と卵の融合のしくみはまだよくわからない

1298

卵は．精子との融合による細胞質の Ca 2 +t 曾加で活性化する

1299

卵の皮沼（表層）反応により 1個だけの精子が受精することにはる

1300

精子はゲノムだけではなく中心小体も接合子にもち込む

1 3 0 1

ヒトの不妊治療に変革をもたらした体外受精と介助生箔医療

1 3 0 1

まとめ

1 3 0 3

文献

1304

多細胞生物における発生

1 3 0 5

有性生殖とは

1269

動物の発生の基本

1305

高等な真核生物では．一倍体の期間は非常に短い

1 2 6 9

動物の基本的な解剖学的特徴は共通している

1 3 0 7

減数分裂が遺伝的多綴性を生む

1 2 7 1

有性生媛は生物体に有利である

1 2 7 1

多細胞動物では細飽間相互作用や遺伝子調節に関与するタンパク 貨が鐙寓である 1308

まとめ

1 2 7 2

調節 DNAが発生のプログラムを決める

1309

減数分裂

1272

匪のi 楽作により細胞闘の相E作用が調べられる

1310

配偶子は 2回の特別忽細胞分裂で生じる

1272

変異動物の研究により発生の過程を制御する遺伝子が同定される 1 3 1 1

複製した組問染色体（と性染色体）は減数分裂の第一分裂の初めに 1274 対合する

観察できる変化よりもはるか以前に．細胞は発生にかかわる決定 1 3 1 1 を行う

1312

1275

細胞は体の中の位置を反映する位置価を記憶している

減数分裂特異的動原体結合タンパクが．相同染色体分離を担う

1276

減数分裂ではよく間違いが起こる

1278

銃導的シグナルは．愚初は同一だった細胞聞に秩序立った違いを 1313 作り出す

交差が遺伝子の再編成を促進する

1279

交差は厳密に制御されている

1 2 8 0

鴫乳類の雄と雌では減量貴分裂の制御のしかたが異t J . る

1 2 8 0

まとめ

1 2 8 1

踊乳類の始原生殖細胞と性決定

1282

相同染色体対合でシナブトネマ構造が形成される

鴎乳類の涯では周囲からのシグナルで始原生殖細胞が決められる 1 2 8 2 始原生殖細胞は発生途上の生殖腺に移動する

1 2 8 3

非対称的な細胞分裂により異なる姉妹細飽が生じる

1 3 1 3

正のフィードJ Cックにより非対称性が新たに作り出される

1 3 1 4

正のフィードJ . i ' ックでパターンができ．全か然かの結果を作り出 して. B e 憶をもたらす 1 3 1 5 少数のシグナル経路が繰り返し使われパターン形成を制御する

1 3 1 6

モルフォグンは長距離に働く誘導因子で．濃度勾配効果を示す

1316

シグナル分子に対する細飽外阻害因子により．誘導因子への応答 1 3 1 7 が変わる 発生シグナルは複数の異なるやり方で組織に広がる

1318

する

1 2 8 3

細胞闘有のプログラムにより発生の時刻表が定め 5れる

1319

有性生殖は動物の種類によって大きく異忽る

1 2 8 5

まとめ

1 2 8 6

飯初のパターンは小さな細胞領域で確立され．匿の成長に伴う段 1319 階的忽践導によって明確化される

~~

1287

卵はそれだけで発生できるよう高度に専門化している

1 2 8 7

線虫C . e l e g a n s 一 個々の細胞かう見る発生

1 3 2 1

卵の形成は段階を追って進行する

1 2 8 8

線虫 ζ e l e g a n sは解剖学的に単純である

1 3 2 1

卵母細胞は特別芯段構によって大きく成長する

1 2 9 0

発生途上の線虫の細胞の運命はほぼ完全に予測できる

1322

ヒトの卵母細胞はほとんどが成烈せすに死ぬ

1 2 9 1

e性効果遺伝子の産物が卵の非対称芯分裂を決める

まとめ

1 2 9 2

細胞間相互作用により．パターンは段階的に復雑さを泊していく 1 3 2 4

絹 子

1292

顕微手術と遺伝学により発生の制御のしくみを調べ．遺伝子クロ 1 3 2 5 ーニングと配列決定で分子織構を明らかにする

精子I d :自身の DNAを卵に渡すという目的に適応しきっている

1 2 9 2

鴫乳類の精製はたえす精子を生産している

1 2 9 3

S r y遺伝子が聞i 乳類の発生途上の生殖銀を精巣に分化するよう指令

1 3 2 0

まとめ

−

1323

細胞は時間経過とともに発生シグナルへの応答を変える

1 3 2 5

異時性遺伝子は発生のタイミングを制御する

1 3 2 6

項目一覧

細胞は内部プログラムの時期を知るのに細胞分裂を数えてはいない 1 3 2 7 アポトーシスにより．選ばれた細胞が発生プログラムの一部とし

xxvi i

神経芽細胞の非対称分裂では．細胞分裂の抑制因子を一方の妓細 飽に分離する 1 3 6 1

て死ぬ

1 3 2 7

まとめ

1 3 2 8

Notchシグナル系はいろいろの分化組織における，分化した細胞 1 3 6 2 のパターン作りを制御している

ショウジョウパエとパターン形成の分子遺伝学一 一体の基本設計 1328

細胞のタイプを決める鍵と忽る謁節遺伝子のほかに器官全体の発 1 3 6 2 生プログラムを活性化する遺伝子がある

昆虫の体は体節から怠る

1 3 2 9

ショウジヨウパ工は多核細胞として発生を始める

1 3 3 0

初期のパターン形成に必要な遺伝子のスクリー二ング

1 3 3 2

卵細胞とその周辺との相E作用が目玉の軸を決める一一卵極性遺伝 1 3 3 3 子の役割 背腹シグナル遺伝子は核内遺伝子調節タンパクの勾配を作り出す 1 3 3 4

Oppと Sogが匠の湾側の細かいパターン形成をさぜる第二のモル 1 3 3 6 フォゲン勾配を作り出す

まとめ

1 3 6 3

細胞移動と脊縫動物の体形成

1363

両生類の阪の極性は卵の極性によって決まる

1364

卵割により多数の細胞になる

1 3 6 5

原腸形成で中空の球状に配置された細胞が．原始的主主腸をもっ 3 庖の構造に変わる 1 3 6 5 原腸形成の動きは正確に予測できる

1366

化学的忽シグナルが動きを誘導する

1 3 6 7

3種類の分節遺伝子が母性依存の前後パターンを精密化し，区、を細 1 3 3 6 分する

細胞の集まり方が能動的に変化して原甥形成を引き起こす

1368

細胞援活分子のパターンの変化で細胞の配置が変わる

1369

分節遺伝子の局所的発現は位置情報の階層構造によって調節される 1 3 3 7

脊索の伸長と神経板の丸まりによる神経営の形成

1 3 7 0

調節 DNAがモジュール構造をしているので複数の独立した遺伝子 1 3 3 9 調節が行える

遺伝子発現の発振装霞が中医薬の体節への分節化を制御する

1 3 71

卵極性．ギャップーペア ・ルール遺伝子が一過性のパターンを作り． 1 3 4 0 ほかの遺伝子がそれを記憶する

厳密な調節の下に目玉の各組織に細胞が入り込んでくる

1 3 3 6

昆虫の背腹軸は脊縫動物の腹から背への輸に対応する

まとめ

1 3 4 1

ホメオティック遺伝子と前後輪のパターン形成

1 3 4 1

HOXコードは前後の違いを特定する

1 3 4 2

ホメオティック遺伝子は DNA結合タンパクを指令しそれがほか 1 3 4 2 の遺伝子調節タンパクと相E作用する ホメオティック遺伝子は Hox複合体中に並んでいる i 順番に従って 発現される 1 3 4 3

Hox複合体は位包情報の永続的な記録をもっ

1 3 4 4

脊縫動物の前後軸も Hox遺伝子に制御されている

1 3 4 4

まとめ

1 3 4 7

器官形成と付属器官のパターン形成

1347

条件変異と誘導体細胞変異により．発生後期の遺伝子の機能が解 析できる 1 3 4 8 成虫のハエの体の部分は．成虫原基から発生する

1 3 4 9

成虫原基細胞の位置情報の記憶に，ホメオティック遺伝子が必須 である

1 3 5 1

特定の調節遺伝子が付属器宮を作る細胞を決める

1 3 5 1

昆虫の麹原基は小さ主主区画にしきられている

1 3 5 2

4つのシグナル経路（W i n g l e s s .Hedgehog.O p p . Notch）が組み 合わされて麹原基のパターンを形成する

1 3 5 3

区画の大きさは細胞悶相互作用により調節される

1 3 5 3

脊縫動物の肢も似た機構で形成される

1 3 5 5

特定の遺伝子調節タンパクの局所的な発現を見ると細胞の分化 1 3 5 6 が予測できる 側方抑制によって，前神経細胞塊から 1つの感覚母細胞が生じる

1 3 5 7 側方抑制により感覚母細胞の子孫は異なる運命をたどる

1 3 5 7

非対称分裂の平面内極性は， F r i u l e d受容体を介するシグナル伝達 1 3 5 8 系により制御されている 非対称幹細胞分裂は中枢神経系でさらにニューロンを生成する

1 3 5 9

負のフィードパックの遅れにより分節時計の媛動が生じるらしい 1 3 7 3

1 3 7 3

移動性細胞の配置は．生存因子と移動を導く手がかりに依存する 1 3 7 5 脊椎動物の体の左右手陣す称性は初期医の分子の非対称性に由来する 1 3 7 6 まとめ

1 3 7 7

マウスの発生

1378

捕手し類の発生は特定の導入部から始まる

1378

鴫乳類の初期庇は高度に調節されている

1 3 8 0

分化全能の匪性静細胞を附乳類の匠から手に入れる

1 3 8 0

上皮と悶充織との相E作用により．枝分かれのある管状構造がで 1 3 8 1 きる まとめ

1 3 8 2

神経の発生

1383

ニューロンは箆生した時間と場所により異なる性質を与えられる 1 3 8 3 誕生時にニューロンに与えられた性質が． ニューロンの結合を決 める 1 3 8 5 軸索や樹状突起は先端の成長円錐により伸長する

1 3 8 6

生体内では．成長円錐が神経突起を正確な道筋に沿って誘導して いく 1 3 8 7 成長円錐は移動するに従い感度を変える

1 3 8 9

神経細胞の成長と生存を調節する神経栄餐因子は標的組織が自主出 1 3 8 9 する ニューロンの特異性に従って整然とした神経地図ができる

1 3 9 1

網膜の異なる領主まから来る軸索は．視蓋の忌遊物質の濃度勾配に 1 3 9 2 対して異なる応答をする シナプス接続は．まずおおまかなパターンを作って b 、う活性に依 1 3 9 3 存した再編成により綴密になる 経験が脳でのシナプス後続のパターンを作る

1 3 9 5

成体における記憶は発生時のシナプスの再編成と似た機構に依存 1 3 9 6 するのでは広い沙 まとめ

1 3 9 7

｜ ｜ 植物の発生

1398

植物の分子遺伝学のモデル生物としてシロイヌナズナが使われる 1 3 9 8 シロイヌナズナのゲノムは発生調節遺伝子におむ

1 399

Wntシグナルが露管幹細胞区画を総持する

1438

Notchシグナルは腸細胞の多犠性を制御する

1439

エフリンーE phシグナルは腸上皮細胞の移動を制御する

1440

植物の部分梢造は分裂組織から次々と作り出されてくる

1 4 0 3

Wnt .Hedgehog.PDGF. および BMPシグナル経路の組み合わせ 1 4 4 1 は幹細胞の生存環境を定める

芽生えにおける発生は環境からのシグナルに依存する

1 4 0 3

肝阪は消化管と血液の中継ぎとして働いている

1442

肝細胞が失われるとその泊殖が冗進する

同 43

庇発生は線ー芽軸の決定から始まり．穂子中でいったん停止する 1 4 0 0

植物の別々の場所で起こる発生過程を．戯れた場所から作用する 1 403 ホルモンのシグナルが協調させている 新しい構造を形成できるのは細胞が決まった方向に分裂と伸長す 1 406 るおかげである 纏物の各構造単位は．分裂組織のごく微細な原豪から生じる

1 407

極性化したオーキシン繍送が分裂組篠における原基のパターンを 1 408 制御する 細胞のシグナル伝達で分裂組織が維持される

1409

調節系の変異で分裂組織における細胞の挙動が変わり．値物の構 造が変化する 1 410

組織の更新は必すしも幹細胞に依存していない・ E 李鵬のインスリ ン分泌細胞の例 1444 まとめ

同45

血管．リンパ管と内皮細胞

1445

血管壁とリンパ管室の内側はすべて内皮細胞が覆っている

1445

内皮先鰯細胞が血管新生の先駆けと怒る

1446

遜う種類の血管を形成する内皮細胞は種類が遣う

同47

血流を必要とする組織は VEGFを紋出し目内皮細胞聞の N ot chシ グナル経路が VEGFへの応答を制御する 1448

花形成へのスイ ッチは過去と現在の環焼からの合図に依存する

1 41 2

ホメオティック遺伝子が花の構造を決める

1413

内皮細胞からのシグナルは周皮細胞と平滑筋細胞を動員し血管鐙 1450 を形成する

まとめ

1 4 1 5

まとめ

1450

文献

1415 多能性幹細胞による更新一 一血波細胞の形成

1450

専門化した組織，幹細胞と 組織の再生

1 4 1 7

表皮と幹細胞によるその更新

1417

表皮細胞は多層からなる防水壁を作っている

1 4 1 9

分化途よの表皮細胞は．成熱とともに各種の遺伝子を限を追って 発現する 1420

白血球は頼粒球．単球，リンパ球の 3種類に分類される

1 4 5 1

骨髄中での血液細胞の生産は種類己とに調節されている

1453

骨髄には造血幹細胞がある

1454

血液細胞はすべて多能性幹細胞から生じる

1 456

分化の方向づけは段階を追って進行する

1456

分化が方向づけされた前駆細胞が分裂し．専門化した血球の数を 指やす 1457 幹細胞はストローマ細胞からの接触シグナルに依存している

1458

造血を調節する因子は活安細胞系で閥べられる

1 459

基底細胞問の幹細胞は表皮を更新する

1 42 0

赤血球の生成は工り トロポエチンに依存する

1 459

幹細胞の 2個の娘細胞が別種の細胞に怠るとは限らない

1 4 2 1

好中球とマクロファージの生産には復数の C SFが影響する

1 460

基底庖には幹細胞のほか一時的に泊帽した細胞が含まれる

1 4 2 2

造血細胞のふるまいには偶然に決まる要緊がある

1 4 6 1

一時的僧楢分裂は成長制御戦略の一部である

1 4 2 3

細胞の生存の制御は増殖の制御と閉じくらい重要である

1462

幹細胞が選択的にもとの DNA鎖を維持する組織もある

1424

まとめ

1 4 6 2

骨格筋の発生，機能調節，再生

1463

新しい骨格筋繊維は筋芽細胞が融合してできる

1464

緊急に新しい細胞が必要に怠ると幹細胞の分裂速度は劇的に増加 する 1 425 多数のシグナルの相互作用が表皮の更新を支配している

1 426

乳腺は発生と退化を繰り返す

1 426

まとめ

1428

感覚上皮

1 429

一部の筋芽細胞は．活動しない幹細胞として成体中にも存在して いる 1466

膜覚ニューロンはつねに霞き換わっている

1 4 2 9

まとめ

聴覚有毛細胞は一生．働き続ける

1430

一生保持される細胞の大部分で．部品の更新がみられる一一網膜 1432 の光受容器細胞

筋細胞はタンパク質のイソ型を切り笛えて自身の特性を変えられる 1 465 骨格筋繊維はミオスタチンを分泌して自身の成長を制限する

織総芽細胞とその形質の変化

1465

1 4 67 結合組織

織維芽細胞は化学シグナルに応答して性質を変える

1 467 1467

まとめ

1 4 3 3

細胞外マトリックスは細胞の形や鍍泊性に影鑓を与えて結合組織 1468 細胞の分化に関与するらしい

気道と腸管

1 434

骨芽細胞は骨マ トリックスを作る

1469

ほとんどの骨は軟骨でできた雛形の周囲に作られる

1470

骨は内部の細胞によってたえす改造されている

1 4 7 2

破骨細胞は骨芽細胞からのシグナルにより制御されている

1 4 7 3

怖の肺胞では．異なるが隣り合う細胞が協力し合う

1434

気迫の消掃作業は杯細胞．繊毛細胞．マクロファージが協同で行 1 434 っている 小腸の内壁はほかのどの組織よりも速く更新している

1436

一 一一

一 一 一 一 一一 1 4 7 4

脂肪細胞は銭維芽細胞から生じる 脂肪細胞が分泌するレプチンI~. 摂食を抑制するフィ ー ド）＼ ック

8 量級となる

1 4 7 5

まとめ

1476

幹細胞工学

1477

造m 静細胞を利用すると病気の血液細胞を健康な細胞に置き換え ることができる 1 4 7 7

一 一 一旦 壬旦 斗

病原体の薬剤耐性問題はますます深刻になっている

1 5 2 1

まとめ

1 5 2 4

感染を妨げる趨壁と自然免疫系

1524

上皮表酪とデフェンシンは感染の予防に役立つ

1 5 2 5

ヒトの細胞は病原体に保存されている特徴を滋別する

1526

補体の活性化により．病原体を食作用や溶解の棟的にする

1528

表皮の幹細胞鍛団 l~ffi獲により拡大して組織修復に使える

1 4 7 7

T o l l綴タンパクと NODタンパクは古くからあるパターン畿別受容 体ファミリーである 1530

神経幹細胞は縫援により操作できる

1478

食細胞は病原体を探し出し，飲み込んで磁療する

1 5 3 1

神経幹細胞は中枢神経系に定宿し僧殖できる

1 4 7 8

活性化したマクロファージが感染部位の炎症反応に関与する

1533

成体の幹細胞は組織特異的である

1479

ウイルス感染細胞は思い切った手段でウイルスのi f i 殖を防く4

1534

E S細胞は体のどの部分でも作り出すことができる

1 4 8 0

ナチユラルキラー細胞はウイルス感染細胞を自殺むせる

1535

患者特異的芯 E S細胞は免疫拒絶の問題を解決する

1 4 8 1

樹状細胞は自然免疫系と適応免疫系をつなぐ働きをする

1 5 3 6

E S細胞は創薬と病気の解析に役立つ

1 4 8 2

まとめ

1 5 3 7

まとめ

1 4 8 2

文献

1 537

文献

1 4 8 3

病原体，感染， 自然免疫

適応免疫

1 5 3 9

1 4 8 5

リンパ球と適応免疫の級胞学

1540

病原体の概観

1486

適応免疫にはリンパ球が必要である

1540

病原体は宿主にとりつくための特別芯しくみを進化させてきた

1 486

自然免疫系と適応免疫系は連携して働く

1 5 4 1

B細胞は骨髄で作られ.T細胞は胸腺で作られる

1543

感染の徴候や症状には．病原体によるものと宿主の反応によるも 1 487 のとがある 病原体は系統発生的に多様である

1488

病原細菌は特定の毎性遺伝子をもっている

1489

寄生菌類や寄生原生動物は異なる形状をとる複雑な生活環をもっ 1 4 9 4 ウイルスは掴殖のあらゆる函で宿主細胞の装置に依存する

1496

プリオンは感染性タンパクである

1498

感染症を起こす病原体は．がん．心腹病その他の慢性疾患に関連 がある 1499 まとめ

1 5 0 1

感染の細胞生物学

1 5 0 1

病原体は防御障壁を乗り越えて宿主に入り込み住みつく

1 5 0 1

適応免疫系はクローン選択によって働く

1544

ほとんどの抗原は複数のリンパ球クローンを活性化する

1545

免疫記憶には．クローンの摺殖とリンパ球の分化が関与する

1 5 4 5

免疫寛容のおかげで自己抗原は通常．攻撃されない

1547

リンパ球は末梢リンパ器官をたえす循環している

1549

まとめ

1 5 5 1

8細胞と抗体

1552

B細胞が作る抗体には．細胞表面の抗原受容体と分泌タンパクとが ある

上皮に住みつく病原体は宿主の排除機構を回避し怠ければ芯らない 1 5 0 2 細胞内の病原体は目宿主細胞への侵入と脱出の両方のしくみを備 1 5 0 4 えている ウイルス粒子は宿主細胞の表面に提示された分子に結合する

1 5 0 5

ピリオンは．膜融合や小孔形成．膜の破主義によって宿主細胞に侵 1506 入する 細菌は食作用を利用して宿主細胞に侵入する

1 5 0 7

細胞内に寄生する真核生物は．宿主細胞に積極的に侵入する

1508

多くの病原体は．宿主細胞の膜移動を変化させる

1 5 1 1

ウイルスや細菌は．宿主細胞の紹胞骨格を利用して細胞内を移動 する 1514

1552

典型的な抗体には．同一の抗原結合部位が 2つある

1 5 5 2

抗体分子は H鎖と Li 鋭からできている

1552

抗体 H鎖には 5つのクラスがあり．各クラスは巽なる生物学的性 質をもっ 1 553 抗体と抗原の相互作用の強さI d :.抗原結合部位の数と親和性に依 存する 1 5 57 抗体の L鎖と H鎖は定常領域と可変領域からできている

1558

L鎖と H鎖は反復する l g ドメインから締成されている

1559

抗原結合部位は超可変ループで構成される

1560

まとめ

1 5 6 1

抗体の多織性を生み出すしくみ

1562

ウイルス感染は宿主細胞の代謝を乗っ取る

1 5 1 7

抗体遺伝子は B細胞の分化に伴って別々の遺伝子断片から組み立 てられる 1 5 6 2

病原体は宿主生物の行動を変化させて伝揺を促進する

1 5 1 8

遺伝子断片の不正確な連結が V領域の多様性を泡大させる

病原体は急速に進化する

1518

病原体の抗原変異は．複数の機構で起こる

1 51 9

B細胞が単一の特異性を示すのは.V ( D ) J組換えが制御されるため である 1 5 6 5

誤りの多い復製がウイルスの進化を支配する

1520

抗原は体細胞超変異を誘発して抗体応答を微調箆する

1 5 6 4

1566

B細胞は生産する抗体のクラスを切り替える

1 567

まとめ

1 568

T細胞と MHCタンパク

1 569

T細胞受容体（TCR）は抗体に似たヘテロ二毘体である

1 5 7 0

T細胞は樹状細胞の抗原提示によって活性化または寛容化する

1 5 7 1

自己ペプチド−MH 仁複合体によって活性化しうる細胞傷害性 T細胞 やへルパ− T細胞の大部分は，分化の過程で胸腺内で排除される 1 586 胸腺髄質で異所性発現する臓器特異的タンパクもある

1587

MH仁タンパクの多型はその機能で説明できる

1588

まとめ

1588

工フェクター細胞傷害性 T細胞I d : . 感染した標的細胞の自殺を誘 導する 1 572

ヘルパーT 細胞とリンパ球の活性化

1 5 89

ヱフェクターヘルjて − T細胞はほかの自然免疫系や適応免疫系の 細胞の活性化を助ける 1 573

T細胞の活性化は負のフィードJ I .ックによって制御される

調節性 T細胞はほかの T細胞の活性を抑制する

1 574

T細胞は MHCタンパクに結合した非自己ペプチドを識別する

1 5 7 5

MHCタンパクは．機能がわかる前に移植反応、で同定された

1 575

活性化した樹状細胞は複数の機構を用いて T細胞を活性化する 1 590

1 5 9 1

適応免疫応答の性質は工フエクターヘルl て − T細胞の種類によっ 1 592 て決まる T H l細胞は感染したマクロファージを活性化し．炎症反応を刺激 1 594 する

クラス l とクラス I Iの MHCタンパクは．よく似た構造のヘテロ二 量体である 1 576

8細胞受容体（BCR ）への抗原の結合は B細胞の活性化の 1段階にす

MHCタンパクはペプチドと結合し＇ l i 仁Rと相E作用する

1577

MHCタンパクは T細胞を適切な標的に働くようにする

1 5 7 9

抗原特異的ヘルパー T細胞はほとんどの B細胞の活性化に不可欠 159 7 である

CD4および CD8補助受容体は MHCタンパクの不変部分に結合 する

1 5 8 0

細胞傷害性 T細胞は．クラス IMHCタンパクと結合した非自己細 胞質タンパク断片に応答する 1 5 8 1 エンドサイトーシスで取り込まれてクラス HMHCタンパクと結合 一 T細胞が応答する 1 5 8 3 した非自己タンパク断片にヘルjて

将来役立つ T細胞は胸線内で正の選択を受ける

1 5 8 5

ぎない

特定の系譜の B細胞が T細胞非依存抗原を畿別する

1 5 9 5

1598

免疫系の識別分子は起源の古い l gスーjてーファミリーに属して いる 1599 まとめ

1600

文献

1600

XXXI

本書への協力者 本ii!..~ を まと め るにあた っ て． 多くの生物学者や生化学者 か ら た い へん有益な助 言を いただいた。 今l阪の準備に｜際し校l剣し て くだ さ っ

た以下のブJ々に加えて．第 l版. ~2 版． 第 3 ）坂．第 4 版で援助 し て い た だい た ）j 々に感謝するものである 。 （今版で援助 し てく ださ った方々のお r1 n r iを以初にあげ，そのあと に第 l版．第 2版. t{D版．第 4｝ 仮での援助者のお t ' 1 1 l ／をあげさせてい ただいた）

第 1章 ： W.FordDoolittle(DalhousieUniversi t y ,Can a d a ) ,

Gr een(Uni v e r s i t yofMassac hus e t t sMedicalSc hool ) ,Car ol

J e n n i f e rF r a z ie r(Exploratorium•, SanF r an c is c o ) ,DouglasKellogg

Gross( Univ er s i t yofCal i f or n i a, SanFr anci s c o ), C h r i s t i n eGu t h ri e

( U n i v e r s i t yofC a l i f o r n i a ,Santaζ r u z ) ,Eugenel くo onin( N a t i o n a l

( U n i v e r si t yofC a li f o r n i a ,SanFranci s c o ) ,A r tHorw i ch( Y al e

I n s t i t u t esofH e a l t h ) ,M i t c h e l lSogin(WoodsHol eI ns t i t u t e )

Uni v e r si t ySchool ofM e d i c i n e ) ,RogerKornberg( Stanfor d

第 2章 ： Mi chaelCox( Uni v er s i t yofW i s c o n s i n ,Madison), ChristopherMathews( OregonSt a t eU n i v e r s i t y ) ,DonaldVoe t (Uni ver si t yofP e n n s y l v a n i a ) ,JohnWil son( B a y l o rCollegeof Medicine)

Univ e r si t y ) ,Rei n h a r dUi hrmar 可（ MaxP l anckI n s t i t u t eofBi ophysi c a l C h e m i s t r y ,Gotti n g e n ) ,QuinnMitrovi ch( Uni ver s i t yofC a l i f o r ni a , SanF r a n c i s c o ) ,( Har r yN o l l e r( U n i v e r s i t yofCal if o r n i a ,Sant aCruz ) , RoyP a r k e r( Unive r s i t yofAr i zona) ,Rob er tSauer(Massachusetts I n s t i t u t eofTechnology ) ,JoanS t e i t z( Y a l eUn i v e r s i t y ) ,J ac kSzostak

第 3章 ： Davi dEisenberg(Univer s i t yofCal i f o r ni a ,LosAngeles ) ,

(HarvardMedicalScho ol ,How ardHughesMedicalI n s t i t u t e ) ,

LouiseJohnson( U n i v e r s i t yofO x f o r d ) ,SteveH a r r i s o n( Harvar d

DavidTolervey( U n ive r s i t yofEdinburgh ,UK) ,Alexander

Univ e r s i t y ) ,GregPetsko( B r a n d e i sU n i v e r s i t y ) ,RobertStroud

Var s havsky( C a l i f o r ni aI n s ti t u t eofTechnology ) , J onathan

( Un i v e r s i t yofCal i f o r n i a ,SanF r a n c i s c o ), JanetThor nton(European

Weissman( Unive r s i t yofCai l f o r ni a ,SanF r a n c i s c o )

B i o i n f o r m a t i c sI n s t i t u t e ,UK)

第 4章 ： Davi dAl l is(TheR o c k e f e l l e rU n i v e r s i t y ) ,Ad r i a nB i r d (WelcomeTr u s tC e n t r e ,UK ) ,Gar yFel sen f e l d( N a ti on a lI n s t i t u t e s ofHe al t h ) ,SusanGasser(Un iv e r si t yofGeneva,S w i t z e r l a n d ) ,E r i c Green(NationalI ns ti t ut e sofHeal t h) ,DouglasKoshland(Carnegi e I n s t i t u t ionofWashingt on, Bal t imor e ),U l r i c hL aemmi l( U n i v e r s i t y ofGeneva,S w i t z e r l a n d ) ,MichaelLynch( I n d i a n aU n i v e r s i t y ) ,Hiten Madhani( U n i v e r s i t yofC a l i f o r n i a ,SanF r a n c i s c o ) ,E l l i o t tMargulies ( N a t i o n a lI n s t i t ut e sofH e a l t h ) ,GeetaN a r l i k a r( Un iver s i t y ofCal i f o r n i a,SanF r a n c i s c o ) ,Maynar dOl son( U n i v e r s i t yof Washington)

第 5章 ：E l izabethBl ackburn( Un iver s i t yofC a l i f o r n i a ,San F r a n c i s c o ) ,J amesHaber( Br ande i sU n i v e r s i t y ),NancyKleckner

第 7章 ： RaulAndino( Uni ver s it yofCal if o r n i a ,SanF r anci s co ) , DavidB a r t e l(MassachusettsI n s ti t u t eofTec hnol o g y ) ,Michael Bulger( U n i v e r s i t yofRochesterMed i c a lCenter ) ,Michael Gr een( U n i v e r si t yofMas s achus et t sMedicalScho o l ) ,C a r o l Gross(Un i ver s i t yofC a l i f o r n i a, SanFr a n c i s c o ) ,FrankHol stege (Uni v e r s i t yMedicalCent er ,TheNether lands ) ,RogerKornberg ( S t anfordUniv e r si t y ) ,H itenMadhani( Uni ve r si t yofC a l i f o r n i a , SanF r an c i s c o ) ,BarbaraPan n ing( U n i v e r si tyofC a l i f o r n i a, San F r anci s c o ) ,Ma r kPt a s hne(Memor ialS l o an-Ke t t e r i ngCenter ) , U e l iSchibl e r( U n i v e r s i t yofGeneva, Swi t z er l a n d ) ,AzimS u r a n i (Uni v e r si t yofCambridge)

第 8章 ： WallaceM a r s h a l l[ majorc o n t r i b u t i on ](Un iv e r si t yof C a l i f o r n i a ,SanF r anc i sco )

( Harvar dUni v e r si t y ) ,JoachimL i( Uni ver s i t yofC a l i f o r n i a ,San F r a n c i s c o ) ,ThomasLind ahl( C ancerR e s e a r c h ,UK) ,Rodney

第 9章 ： Wo l f g angBaumeis t e r(MaxPl anckI ns t i t ut eof

R o t h s t e i n(Columb i aUni ver s i t y ) ,Azi zSancar( Uni ver si t yof

B i o c h e m i s t r y ,M a r t i n s r i e d ) ,KenSawin( TheWellcomeT r u s t

NorthC a r o l i n a ,ChapelH i l l ) ,Br uceS t i l l m a n(Col dSpri n gHarbor

Centref o rC e l lB i ol o g y ,UK) ,P e t e rSha w (JohnInnesCe nt r e ,UK ) ,

Labor a t or y) ,StevenWest(CancerR e s e a r c h ,UK ) ,R i c kWood

Wer ne rKuhl b r a n d t( MaxPl anckI n s t i t u t eofB i o p h y s ics ,Frank f u r t

( U n i v e r si t yofP i t t s b u r g h )

第 6章 ： Rau lAndino( U n i v e r s i t yofC a l i f o r ni a ,SanF r a n c i s c o) ,

amM a i n ) ,RonaldV a le( Uni v e r s i t yofC a li f o r n i a,SanF r a n c i s c o) , J e n n i f e rL i p p i nc o t t Sch war t z( N a t i o n a lI n s t i t u t e sofHealth )

DavidB a r t e l( MassachusettsI ns t i t u t eofT echnolo g y ) ,Richard

第 10章 ： Ar iHelenius( Swis sFeder alI n s t i t u t eofTechnology

E b r i g h t( Rutge r sU n i v e r s i t y ) ,D a n i e lF i n l e y( Har vardU n i v e r s i t y ) ,

Zur i c h ,S w i t z e r l a n d ) ,WernerKuh l b r andt( MaxPl a n c kI n s t i t u t e

Jo sephG a l l(Carnegi eI n s ti t u t ionofW ashi 『 1 g t o n ) ,Mic hae l

ofB i o p h y s i c s ,F r ank f u r tamMain),Di e t e rOster hel t(MaxPl anck

x x x i i

I

!

本寄への協力者

！

I n s t i t u t eofBi o c h e m i s t r y ,M a r t i n s r i e d ) ,K a iSimons(MaxPlanck

第 17章 ： DavidMorgan[ majorcontri b u t i o n ](Un iv e r s i t yo f

I n s t i t u t eofMolecularC e l lBiologyandG e n e t i c s ,Dresden)

C a l i f o r n i a ,SanF r a n c i s c o ) ,ArshadDesai( Univer s i t yofCal if o r n i a ,

第 11章 ： WolfhardAimers(OregonHealthandSci ence Univ e r si t y ) ,Rob e r tEdwards( U n i v e r s i t yofC a l i f o r n i a ,San F r a n c i s c o ) ,B e r t i lH i l le( U n i v e r si tyofWashi n g t o n ) ,L i l yJan ( Univ e r s i t yofCal if o r n i a ,SanFr a n ci s c o ) ,RogerN i c o l l( Uni v e r s i t yof Cal if o r n i a ,SanF r anc i s c o ) ,RobertStroud( U n i v e r s i t yofCai l f or n ia , SanF r a n c i s c o ) ,P a t r i c kWi l li amson( U n i v e r s i t yofMassachus e t t s ,

SanDiego ) ,BruceEdgar( F r e dHutchinsonCancerResearch ζ e n t e r ,S e a t t l e ) ,Michae lG l o t z e r(Uni v e r si t yofC h i c a g o ) , RebeccaHeal d( Un iv e r s i t yofCal if o r n i a ,B e r k e l e y ) ,E r icK a r s e n t i ( Europ eanMolecul arBiologyL a b o r a t o r y ,Ger many),Kim Nasmy th( Univ er s i t yofO x f o r d ) ,Jona thanPi nes(GurdonI n s t i t u t e , Cambr i dg e ) ,Char l esSherr( S t . JudeCh i ld r e n ' sHospit al )

第 18章： XiaodongWang[substantialcontribution]( The

Amher s t )

第 12章 ： LarryGerace(TheScrippsResearchI n s t i t u t e ) , RamanujanHegde(Na t i o n a lI n s t i t u t e sofH e a l t h ) ,Nikolaus Pfanner(Uni v e r s it yofF r e i b u r g, Germany ) ,DanielS c h n e l l (Uni ver s i t yofMassachusetts,Amherst),K a r s t e nWeis( Un i v e r s i t y

U n i v e r s i t yofTexasSouthwesternMedicalSchool ) ,J e r r yAdams (TheWal t e randE l i z aH a l lI n s t i t u t eofMedi c alR e s e a r c h ,A u s t r a l i a ) ,

’ sH o s p i t a l ) ,ShigekazuNagata DouglasGreen( S t .JudeChildren (KyotoU n i v e r s i t y ,Japan)

ofC a l i f o r n i a ,B e r k e l e y) ,SusanWente( V a n d e r b i l tU n i v e r s i t y

第 19章： Je仔reyAxelrod( S t a n f o r dU n i v e r s i t yMedi cal C e n t e r ) ,

MedicalC e n t e r ) ,PatWiliamson( Un i ver s i t yofMassachus e t t s ,

WalterBi rchmeier(Max-DelbruckCent erf orMol e c u l a rMedicine,

Amherst)

Germany ) ,K e i t hBur ridge( U n i v e r s i t yofNor t hCar ol i na ,Chapel

第 13章 ： ScottEmr(Universi t yofC a l i f o r n i a ,SanD i e g o ) ,Ben G l i c k( U n i v e r s i t yofC h i c a g o ) ,A r iHel enius( S w i s sFederalI n s t i t u t e ofTechnologyZU 』r i c h ,Switzer l a nd ) ,I r aMellman( Y al eU n i v e r s i t y ) , HughPelham(TheMedicalResearchCouncl i ,Cambridge), Giampie t r oSchiavo( LondonResear chI n s t i t u t e ) ,Graham Warren ( Y al eUniv e r s i t y ) ,MarinoZ e r i al (MaxPlanckI n s t i t u t eofMol e c u l a r C創IBiologyandG e n e t i c s ,F r a n k f u r tamMain)

H i l l ) ,JohnCouchman(Imper i a lC o l l e g e ,UK ) ,C a r o li neDamsky (Uni v e r s i t yofC a l i f o r ni a ,SanF r anc i s c o ) ,MatthiasF al （ くLehi gh U n i v e r s i t y ) ,DavidGarrod(Un i v e r s i tyofManchester,U K ) ,Dani e l Goodenough(Har v a r dMedicalS c h o o l ) ,Mart i nHumphries ( U n i v e r si t yofManchester,UK) ,RichardHynes( Massachusetts I n s ti t u t eofTec hn o l o g y ) ,KenKeegstra(Mic higanS t a t eUniver s i ty ) , MorganSheng(MassachusettsI n s t i t u t eofTechnology ) ,Charles S t r e ui I(Uni v e r s i t yofManchester,UK) ,MasatoshiT a k e i ch i( RIKEN

第 14章 ： Mi c ha e lGray(Dalhous i eU n i v e r s i t y ) ,AndrewH a l e s t r a p

KobeI n s ti t u t e ,Japan ) ,Kenne thYamada( N a ti on a ll ns t i t l 』t e sof

( U n i v er s i t yofB r i s t o l ,U K ) ,WernerKuhlbr andt(MaxP lanc k

Health)

I n s t i t u t eofBi ophysi c s ,F r a n k f u r tamM a i n ) ,C r a i gThompson (AbramsonFamil yCanc e rResearchI ns ti t u te ,Uni v e r s i t yof P e n n s y l v a n i a ) ,MichaelYa 仔e( Uni v e r s i t yofCai lf or n ia ,SanDiego)

第 20章： Laur aA t t ar di[ s ubst an t i alc o n t r i b u t i on ]( St ar 可f or d Univer s i t y ) ,An t onBerns( NetherlandsCancerI n s t i t u t e ,The N e t h e r l a n d s ) ,Michae lBishop( U n i v e r s i tyofC a l i f o r n i a ,San

第 15章： NicholasHarberd[substantialcontribution]( John

Fr a n c i s c o ) ,FredBunz( J ohnsHopki n s ) ,JohannDe-Bo no( T he

InnesCent r e ,U K ) ,HenryBourne( U n i v e r s i t yofC a l i f o r n i a ,

I n s t i t u t eofCancerR e s e a r c h ,U K ) ,JohnDick( U n i v e r s i t yofToronto,

SanF r a n c i s c o ) ,DennisBray( U n i v e r s i t yofCambr i d g e ) ,James

Canada),P a u lEdwards( U n i v e r s i t yofCambridge ) ,Douglas

B r i s c o e(NationalI n s t i t u t ef o rMedicalR e s e a r c h ,U K ) ,J ames

Hanahan(Uni v e r si t yofC a li f o r n i a ,SanF r a n c i s c o ) ,JosephL i p s i c k

F e r r e l l( S t a r 】f o r dU n i v e r s i t y ) ,Matt hewFreeman(Laboratoryof

( S t a n f o r dUniver s i t ySchoolofM e d i c i n e ) ,S c o t tLowe( ColdSpring

Molecul a rB i o l o g y ,UK) ,Al f r e dGilman(TheUni ver s i t yofTexas

Har b orL a b o r a t o r y ) ,BrucePonder( U n i v e r s i t yofCambridge),

SouthwesternMedicalCent巴r ) ,SankarGhosh( Y al eUniver s i t y

C r a i gThompson( Univ er s i t yofP e n n s y l v a n i a ) ,I a nTomlinson

SchoolofMedic i n e ) ,Al anHa l l(Memor i alSl oan-Ketter i ngCancer

(CancerResearch, U K ) ,RobertW巴i nberg(Massachus e t t sI n s t i t ut e

Cent er ) ,Car卜HenrikHeldin( L udwi gI n s t i t u t ef o rCancerR e s e a r c h ,

ofTechnology)

Sweden),RobinI r v i n e( U n i v e r si t yofCambr i dg e ) ,MichaelK a r i n (Un i v e r s i t yofCal i f o r n i a ,SanDiego) ,E l l i o t tMeyerowitz( C ai l f o r n i a I n s t i t u t eofTechnology),RoelNusse( S t a n f o r dU n i v e r s i t y ) ,Tony Pawson(MountS i n a iH o s p i t a l ,T o r o n t o ) ,Jul ieP i t c h e r( U n i v e r si t y CollegeLondon),LenStephens(TheBabrahamI n s t i t u t e ,UK)

第 21章： PatriciaCalarco(Universityofζalifornia,SanFrancisco) , JohnCar r o l l(Uni v e r s i t yCollegeLondon ) ,AbbyDernburg ( U n i v er s i t yofC a l i f o n i a ,B e r k e l e y ) ,ScottHawley( StowersI n s ti t u t e f o rMedicalR e s e a r c h ,KansasC i t y ) ,N e i lHunter( U n i v e r s i t yo f C a l i f o r n i a ,D a v i s ) ,Nan仁yKleckner( HarvardU n i v e r s i t y ) ,Anne

第 16章： JulieTher i o t[ ma j o rc o n t r i b u t i o n ]( S t a n f or dU n i v e r s i t y ) ,

McLaren(Welcome ／ 仁a ncerResearchCampaignI n s t i t u t e ,

HenryBourne( U n i v e r s i t yofC a l i f o r n i a ,SanF r a n c i s c o ) ,L a r r y

Cambridge),DianaMyles( Uni v e r s it yofCai lf or n ia ,D a v i s ) ,Ter r y

、

Goldstein(Univer si t yofC a l i f o r n i a ,SanDi e g o ) ,A l a r Hal

Orr-Weaver( Mass a chus e t t sI n s t i t u t eofTechnology),Renee

(MRCLaboratoryf o rMo l ec u larB i ol ogyandC e l lB i o l o g y ,U K ) ,

R e i j o( U n i v e r si tyofC a l i f o r ni a ,SanF r a n c is c o ) ,GeraldSchatten

JoeHoward (MaxPlanckI n s t i t u t eofMolecularC e l lBiology

( P it tsburghDeve l opmentC e n t e r ) ,Az i m Sur a n i(TheGurdon

andG e n e t i c s ,D r e s d e n ) ,L auraMachesky(TheU n i v e r s i t yof

I n s t i t u te ,U K ) ,P a u lWassarman(Mo untS i n a iScho o lofMedi c i n e )

Birmingham,UK ) ,TimothyMitchison( Harv ar dMedi c a lScho o l ) , Rona l dVal e( U n i v e r si t yofC a l i f o r n i a ,SanFr anc i s c o )

第 22章 ： Juli eAhringer(TheGurdonI n s t i t u t e ,U K ) ,Konrad B a s l e r( Uni v e r s i t yofZ u r i c h ,S w i t z e r l a n d ) ,Ri chardHarland

本書への協力者

xxxii i

(Uni ver s i t yofC a l i f o r n i a ,B e r k e l e y ) ,B r i g i dHogan(Duke

MichaelBanda( Un i v e r s i t yofC a l i f o r n i a ,SanF r a n c i s c o ) ,Corne l ia

U n i v e r s i t y ) ,KennethI r v i n e( R utge r sU n i v e r s i t y ) .D a n i e lS t .

Bargmann( Univer s i t yofCal if o r n i a ,SanFranc i sco ) ,BenBar r es

J ohns on( TheGurdonI n s t i t u t e ,U K ) ,E l l i o t tMeyer owi t z( C a l i f o r n i a

( StanfordUni ve r s i t y ) ,DavidBar t el( MassachusettsI n s t i t u t eof

I n s t i t u t eofTechn o l o g y ) ,Wi l liamMc Ginnis( U n i v e r s i t yof

Technolo g y ) ,MichaelBennett( Alber tE i n s t e i nColegeof

Cal i f o r n i a ,SanD i e g o ) ,E l i z a b e t hRob ertson( T heWelco meT r u s t

Medici ne ) ,Dar wi nBer g( U n i v e r s i t yofC a l i f or n i a ,SanDi e g o ) ,

Cen t r ef orHumanGen e t i c s ,UK ) ,F r a n仁o i sSc hwei sguth( F r ench

Me r tonBer n f ie ld( HarvardMedicalScho o l) ,Michae lBer r idge

N a t ionalCentref o rSci e n t i 自cResear c h ,Franc e ) ,JimSmith( T he

( T heBabr ahamI ns t it ut e ,Cambr idge ) ,DavidB i r k( UMNDJ-

GurdonI ns t i t u te ,UK) ,N i c o l asTapon( LondonResear chI n s t i t u t e )

RobertWoodJ ohnsonMe d i c a lSc hool ) ,Mi chaelBi s hop

第 23章 ： Ral fAdams( LondonResearchI n s ti tu t e ) ,Hans Cl ever s( Hubr e chtI ns t i t u t e ,TheNet he r l a n d s ) ,J e f f r e yGor don (Wash i ngtonUniver s i ty ,S t .Loui s ) ,Holge rGerhardt( L ondon ResearchI n s t i t u t e) ,SimonHughes( K i n g sCole g e ,UK),D a n i e l Louvar d( l ns t i t utCuri e ,France ，）町omOlsen(Har vardMedical School ) ,S tua r tOrkin( Har vardMedi c al School ) ,ThomasReh ( U n i v e r s i t yofWashingt on,Se a t t l e) ,AustinSmith ( U n i v e r s i t yof Edi nburgh,UK ) ,Char l esSt r et 』I i (TheU n i v e r s i t yofManchester , UK ) ,F ionaWatt(CancerResear chI n s t i t u t e ,UK )

( Un i v e r s i t yofC a l if o r n i a ,SanFranci s c o ) , TimB l i s s(Na t i onal I n s t i t u t ef o rMedicalResear ch ,Londo n ) ,HansBode( U n i v e r s i t yof C a l i f o r n i a,I rvi ne ) ,Pi e tBor s t( J anSwammer damI ns t i t u t e , Univer s i t yofAmst er dam),HenryBourne( Un i v e r s i t yofC a l i f o r ni a , SanF r a n c i s c o ) ,A l anBoyde( Univer s it yCollegeLondo n ) ,Martin Brand( Uni v e r si tyofCambridge),C a r lBranden( deceased) ,Andre B r a n d l i( SwissFe d e r a lI n s ti t u t eofTechnol ogy , Zur i c h ) ,Mark B r e t s c h e r(MRCLaboratoryofMol e c u l a rB io l o g y ,Cambridge), MarianneBr onner-Fr a s e r(Ca i l f or n i aI n s t i t u t eofTechnology), Rob er tBrooks( K ing ’ sColegeLondon),Bar r yBrown( King' s

第 24章 ： Jui l eTher i ot[ majorcont『i b u t i o n )( S t anfordUniv er si t y ) ,

Co legeLondon),Mich aelBrown( Univ e r si t yofOx for d) ,Steve

Mi chaelBi shop( Univ er s i t yofC a l i f o r n i a ,SanF r a n c is c o ) ,Har al d

Burden(NewYor kUniversi t yofMedicine) ,MaxBur ger( Un i v e r si t y

vonBoehme r(HarvardMedical School ) ,LynnEnquis t( P r inceton

o fB a s e l ) ,St ephenB u r l e y(SGX Phar maceut i cal s ) ,K e i t hBu r ridge

Uni v e r s i t y ) ,StanF al くow( S tanfordUniv e r s i t y） ， 。ougl asFearon

( Uni v e r si t yofNorthCarol i na ,ChapelH i l l ), JohnC a i r n s( R a d c l i f f e

(Un i v e r s it yofCambridge),Le wi sL a n i e r( Un i v e r si t yofC a l i f o r n i a ,

I n 白r mary ,O x f o r d ) ,ZacheusCande( Un i v e r s i t yofC a l i f o r n i a ,

SanF r a n c i s c o ) ,R i c h a r dLoc k s ley( Univer si t yofCai lf o r n i a ,San

Ber k e l e y ) ,L ew i sCantle y( HarvardMedica lSchoo l ) ,Ch a r l e sCanto r

Franci s c o ) ,D a n i e lPortnoy( Univer si t yofCal if o r n i a,Berk e l e y ) ,

( ColumbiaUni ver s i t y ) ,Roder i ckCapaldi( U n i v e r s i t yofOregon) ,

（ancerResearch,UK) ,RalphSteinman( The CaetanoRei seSousa仁

Mar i oCapecc hi( Uni ve r s i t yo fUt a h ) ,Michaelζarey( Univer s i t yof

Rockefele rUni v e r si t y ) ,Gar yWard(Un i v e r si t yofVe rmo n t )

C a li f o r n ia ,LosA n g e l e s ) ,Adel ai deCarp enter( Uni ver s i t yof

第 25章 ： Har al dvonBo ehmer(Har vardMedi cal School ) , Dougl a sFearon(Univer s i t yofCambridge ) ,LewisLani er ( Univ er s it yofCai l f or n i a ,SanF r a n c is c o ) ,P h il ipp aMarrack ( N a ti onal J ewi shMedi cal andResear chC e n t e r ,Denver ) ,Michael Neuberger( U n i v e r s i t yofCambridge ) ,Mi c h a e lNussenzwei g (Rockefel l e rUniv e r si t y ) ,W i l li am Paul( N a ti onalI ns t i t u t e sof Health ) ,K l ausRajewsky( Ha r v a r dMedicalS c h o o l ) ,CaetanoRei s eSous a(CancerResear c h ,UK ) ,Ral phSteinman( TheRockefe le r Univer s i t y ) .

用語集： El eanorLawr e n c e ,SherryGram 』m 読者への手引き ：DavidKashatus( DukeUniversi t y ) ,Emmanuel K r e i dl( U n i v e r si t yofVi e n n a ,Aust r i a ) ,NickRudzik( Un iv e r si t yof T o r o n t o ,Canada),DeaShahinas( Univ er s i t yofTo r o n t o ,Canada)

第 1版，第 2版，第 3版．第 4版 ： DavidAgard(Universityof Cai lf o r ni a ,SanF r anc i s仁o ) ,MichaelAkam( Univer si t yof Cambri dge ) ,F r edAl t( CBRI n s t i t u t ef o rBi omedicalResearch, Boston) ,LindaAmos(MRCLab orator yofMolecul a rB i ol o g y , Cambri dge ) ,Raul Andino( U n i v e r s i t yofC a li f o r n i a, SanF r a n c i s c o ) , Cl ayArmstr ong( U n i v e r s i t yofPennsylvania ) ,MarthaArnaud (Un i v e r s i t yofC a l i f o r n i a ,SanF r a n c is c o ) ,SpyrosAr t a v ani s Tsakonas( HarvardMedicalS c h o o l ) ,MichaelAshburne r (Uni v e r si t yofCambr idge ) ,JonathanAshmor e( Un i v e r s i t yColege London),TaynaAwabdy( Uni v er s i t yofC a l i f o r n i a ,SanF r a n c i s c o) , Pet erBaker(deceased) ,Dav i dBaldwin( St anf o r dUniver s i t y ) ,

C a l i f or n ia ,SanD ie g o ) ,TomC a v a l i er Smi th( Ki ng ’ sCol l e ge London) ,P i e r r eChambon( Uni ver s i t yofS tr asbour g ) ,E n r i c oCoen ( J ohnI n nesI n s t it u t e ,Norwich ,UK) ,Phl ii pCohen( Univ e r s i t yof Dundee ,S c o t l and) ,RobertCohen( Un i v er s i t yofCai lf or n ia ,San Franci s c o ) ,StephenCohen( EMBLHeidel ber g ,Germany ) ,Roger Cooke( Univer s i t yofCai lf o r n i a ,SanF r an c is c o ) ,JohnCooper (Washingt onUniv e r s i t ySchoolofMedicine,St .Loui s ) ,Nancy C r a i g(JohnsHop k i n sUniv er s i ty ) ,JamesCr o w( Uni ve r s i t yof Wi s c o n s i n ,Madison) ,S t ua r tC u l l-Candy( Un i v e『s i t yCo lege London) ,L esi leDale( U n i v e r s i t yC o l legeLond o n ) ,Michae lDexter ( TheWellcomeT r u s t ,U K ) ,AnthonyDeFranco( Uni v er s i t yof Cal i f o r n i a ,SanFr a n c i s c o ) ,Chri stopherDobson( U n i v e r s i tyof Cambr i dge),RusselDooi lt tl e( Uni v e r si t yofC a l i f o r n ia ,SanDi ego) ,

’ s Jul i a nDownward( C ancerR e s e a r c h ,U K ) ,K e i t hDudle y( K ing C o ll egeLondon),GrahamDunn( MRCC e l lBi ophysicsUni t , London) , JimDunw e l l(JohnInn巴sI ns ti t ut e ,Norwic h ,U K ) ,Pau l Edwards( U n i v e r s i t yofCambri d ge ) ,Rober tEdwards(Uni ver si t y o fCal i f o r n i a ,SanFranci s c o ) ,DavidEi senberg( Univ e r s i t yof ζ a l i f o r n i a,LosAnge l e s ) ,SarahEl g i n(W a s h ingtonUniv e r s it y ,S t . Loui s ) ,RuthEllman( I n s ti t u t eofCanc e rRese a r ch ,S u t t o n ,U K ) , B e v e r l yEmerson( T heSal kI n s t i t u t e ) ,Cha r l e sEmerson(Uni v e r s i t y o fVi r g in i a) ,S c o t tEmr( Uni ver s i t yofC a l i f o r n i a, SanDi e go) ,Sharyn Endow(DukeUniver s i t y ) ,Ta r i qEnver( I n s t i t u t eofCancer Res e a r c h ,London) ,DavidE p e l( S t anfordUniver si t y ) ,Ger ardEvan (Uni v e r s i t yofC a li f o r n i a ,Compr ehensi veCanc erCenter ) ,Ray E v e r t( U n i v e r s i t yofWi scons i n ,Madi s o n ) ,S t a n l e yF a l l くow( S t anford

xx 脚

L

本的協力

Univer s i t y ) ,GaryF e lsenf el d( N a ti o na lI n s t i t u t e sofH e a l t h ) .S tua r t

Techno l o g y ) ,DavidHousman( MassachusettsI n s t i t u t eof

Fer guson(Un i v e r si t yofO x f o r d ) ,C h r i s t i n eF i el d( Harvar dMedical

Technol o g y ) ,JonathanHoward( Univ e r s it yof Washington,

S c h o o l ) ,GaryF i r e s t o n e( Univ er si t yofC a l i f o r n i a ,Berke l e y ) ,Geral d

S e a t t l e ) ,J amesHudsp eth(TheR o c k e f e l l e rU n i v e r s i t y ) ,Simon

Fischbach(ColumbiaUni v e r s i t y ) .Rober tF l e t t er i ck( U n i v e r s i t yof

Hughes( K i n g ’ sCol l e g eLondon) ,MartinHumphries( U n i v e r s i t yof

C a l i f o r n i a ,SanF r a n c i s c o ) .HarveyFlorman( T u f t sU n i v e r s i t y ) ,

Manc he s t e r ,UK ) ,TimHunt(CancerResear c h ,U K ) ,LaurenceHurst

JudahFolkman( HarvardMedicalS c h o o l ) ,L a r r yFowke( U n i v e r s i t y

( U n i v e r s i t yofBath ,UK) , JeremyHyams( U n i v e r si t yCollege

ofSaskatchewan,Canada) ,Danie lFr iend(Univer s i t yofC a l i f o r ni a ,

London) ,TonyHyman(M axPl anckI n s t i tut eofMolecularCel

SanF r a n c i s c o ) ,E l a i neFuchs( Unive r s i t yofC h i c a g o ) ,JosephG a l l

B i ol ogy&Ge ne t i c s ,Dresden ) ,RichardHynes(Massachusetts

( Y a l eUniver s i t y ) ,RichardGardne r( Univer s i t yofOxford) ,Antho ny

I n s t i t u t eofTechn ol o g y ) ,Phi l i pIngham( U n i v e r s i t yofS h e f f i el d ,

Gardner Medwin( Uni ve r s i t yColegeLondon) ,P e t e rGar land

UK) ,Normanl scove(On tar ioCancerI ns t i t u t e ,Toront o ) ,Davidl s h-

( I ns ti t u t eofCancerR e s e a r c h ,London),WalterGehring

卜l o r owi cz(CancerResear ch,UK ) ,L i l yJ an( Unive r s i t yofCal i f o r n ia ,

( B i o 淀 川 rum ,U n i v e r s i t yofB a s e l ) ,BennyGeiger(Weizmann

SanF r a n c i s c o ) ,Cha r l esJaneway( d e c e a s e d ) ,TomJ e s s e l l

I ns t i t u t eofSc i ence,Reho v o t ,I s r a el ) ,L a r r yGe r a c e( T heScr i pps

ver s i t y ), (Col umbiaUniv er s i t y ) ,A r t hurJohnson( T e x a sA&M Uni

ResearchI ns ti t u t e ) ,JohnGe r har t(Uni v e r s i t yofC a l i f o r ni a ,

AndyJohnston( JohnInnesI n s t i t u t e,Norwich ,UK ) ,E. G .Jordan

B e r k e l e y ), GuntherGerisch( MaxPlanckI n s t i t u t eofBiochemistr y ,

(QueenEl izabethC o l l e g e ,London),RonKaback( U n i v er s i t yof

M a r t i n s r i e d ) ,FrankG e r t l e r(MassachusettsI ns t i t u t eof

Cal i f o r n ia ,L osAnge l e s ) ,RayK e l l e r( Univer s i t yofCai lf o r ni a ,

Technol o g y ) ,Sanka rGhosh( Y a l eU n i v e r s i t ySchoolofM e d i c i n e ) ,

B e r k e l e y ) ,DouglasKellogg( U n i v e r s i t yofCal i f o r n ia ,SantaCr uz ) ,

ReidGilmore( Uni ver s i t yofMassachusetts,Amherst),B e r n i e

Regi sK e l l y(Uni ve r s i t yofCal i f o r n i a ,SanF r a n c i s c o ) , John

G i l u l a(deceased ） ， ζ h a r lesGi l var g( PrincetonU n i v e r s i t y ) ,Michael

Kendrick J ones(MRCLaborator yofMolecularB i o l o g y ,

G l o t z e r( Univ e r s i t yofVienn a ,Aust r ia ) ,Lar r yGol ds t e i n( U n i v e r s i t y

Cambr i d g e ) ,Cynthi aKenyon( U n i v e r s i t yofC a l i f o r ni a ,San

可G omperts( Uni ve r s i t yCollege ofC a li f o r n ia ,SanDiego) ,B a s t i e r

F r a n c i s c o ) ,RogerKeynes(Uni v e r s i t yofCambridge),J u d i t h

Hospi t a lMedicalSchoo l ,London),D a n i e lGoodenough(Harvard

Kimb l e(Un i ve r s i t yofWisconsin ,Madi s o n ) ,RobertKi n g ston

Medi c a lSchool ), JimGoodr i ch( Univ er s i t yofColorado,Boulder ) ,

(MassachusettsGeneralHospi t a l ) ,MarcKi r s c hner(Har var d

P e t e rGo uld(Mi d d l e sexHo spi t alMedicalSchoo l ,London), Alan

U n i v e r s i t y ) ,RichardKlausner( N a t i o n a lI ns t i t u t e sofHeal t h ),

Grafen( U n i v e r s i t yofO x f o r d ) ,WalterGr a t z e r( K i n g’ sCollege

NancyKl eckner( Har var dU n i v e r s i t y ) ,MikeKlymkowsky

L ondon),HowardGreen( HarvardUn i v e r s i t y ) ,Michae lGreen

( Uni v e r si t yofCol o r a d o ,Bou l de r ) ,KelyKomachi( Univer s it yof

( U n i v e r s i t yofMassachus e t t s ,Amhe r s t ) ,Les l ieGr i ve l( U n i v e r s i t y

Cai l f o r n i a ,SanF r a n c i s c o ) ,EugeneKoonin( N a t i on a lI ns t i t u t e sof

ofAmst er dam,TheNether l and s ) ,Car o lGross(Uni v e r s i t yof

H e a l t h ) ,JuanKorenbrot( U n i ver s it yofCal i f o r n ia ,SanFranci s c o ) ,

ζal i f o r r 可i a ,SanF r a n c i s c o ),Fr ankGrosvel d(ErasmusUniversi t ei t ,

TomKornberg( U n i v e r si t yofCal i f o r ni a ,SanF r a n c i s c o ) .S t u a r t

TheN e t h e r l a n d s ) ,Michae lGr uns t e i n( Univ er si t yofCai lf o r ni a ,Los

K o r n f e l d(WashingtonUniver si t y ,S t .L o u i s ) ,DanielKoshland

Angeles),B a r r yGumbiner(MemorialSl o a n K e t t e r ingCancer

( Unive r s i t yofCal i f o r n i a ,B e r k e le y ) ,MarilynKozak(Uni v er si t yof

C e n t e r ) ,B r i a nGunning( A u s t r al ianN a t i o n a lUniver s i t y ,Canb e r r a ) ,

P i t t s b u r g h ) ,MarkKrasnow( S t a n f o r dU n i v e r s i t y ) .Werner

Ch r is t i neGu t h r ie(Uni ver s it yofC a l i f o r n i a ,SanF r a n c isco ) ,Ern s t

Ku 』h l b r andt(M axPlanckI n s t it u t ef orBi ophysi c s ,F r ankf u r tam

Hafen(Univer s i t a tZur i ch) ,Dav i dHaig( Har var dUniv e r s i t y ) ,A l an

M a i n ) ,JohnKu r iyan( Unive r s i t yofCal if or n i a ,B e r k e l e y ) ,Rob e rt

H a l l(MRCLaboratoryf o rMol e c u l arBi ol ogyandCelBi o l o g y ,

Kypta(MRCLaboratoryf o rMolecu l arCelBi o l o g y ,London),P e t e r

London),J e f f r e yH a l l( BrandeisU n i v e r s i t y ) ,JohnH a l l( U n i v e r s i t y

Lachmann(MRCC e n t e r ,Cambridge),U l r i c hLaemmli(Uni v e r si t y

ofSout hampton,UK) ,ZachH a l l( Unive r s i t yofCal i f or n i a ,San

ofGe ne v a ,S w i t z e r l a n d ) ,TrevorLamb( U n i v e r s i t yofCambridge),

F r anc i s c o ) ,DavidHank e( U n i v e r s i t yofCambridge),N i chol a s

Har tmutLand(CancerResearch,UK ) .DavidLane( Univer s i t yof

Har ber d(JohnInnesC e n t r e ,Norwich,UK) ,GrahamHar d ie

Dunde e ,Scot l a n d ) .JaneLangdale( U n i v e r s i t yofO x f o r d ) ,J ayLas h

( U n i v e r s i t yofDundee,Scot l and) .Ri char dHarland( Univ er s i t yof

( U n i v e r s i t yofP e n n s y l v a n i a ) ,P e t e rLawrence(MRCLaboratoryof

C a l i f o r n i a ,Berke l e y ) ,AdrianH a r r i s( CancerResear c h ,UK ) ,J ohn

Mol ec u l a rB i o l o g y ,Cambridge) ,P a u lLa zarow(MountSi n a iSchool

H a r r is(Uni v e r s i t yofOtago,NewZeal a n d ) ,StephenH a r r i s o n

ofMedicine ) ,Robe代 J .Lefkowit z(DukeU n i v e r s i t y ) ,Michael

(HarvardU n i v e r s i t y ) ,LelandHar t we l( Uni v e r s i t yofWas hing t o n ,

Levine( Univ e r s i t yofCai lf o r n i a ,Berke l e y ) ,WarrenL e v inson

S e a t t l e ) ,Adri anHar wood(MRCLabo r a t oryf orMolecula rCel

( Uni v e r s i t yofCai lf o r n i a ,SanFr a n c i s c o ) ,AlexL e v i t z k i( Hebr ew

BiologyandCe lBi o logyUn i t ,Londo n) .JohnHeat h( Uni ver s i t yof

Univer s i t y ,I s r a e l ) ,Ottol i neL eyser( U n i v e r s i t yofY o r k ,UK) ,

Birmingham,UK ) .A r iHel eni us( Y a l eUni ver s i t y ) ,Richard

JoachimL i( Unive r s i t yofCai lf o r ni a ,SanFr a n c i s c o ) ,TomasL i n dah l

Henderson(MRCLab o r a t o r yofMolecularB i o l o g y ,Cambri d ge ) ,

(CancerResearch ,UK) .Vi s huL i n gappa( U n i v e r s i t yofCal i f o r n ia ,

GlennH e r r i c k(Univer si t yofUtah), I r aHerskowitz( d e c e a s e d ) ,

SanFr a n c i s c o ) ,J en n i f e rL i p p i n c o t t Schwar ロ（ N a t ionalI ns t i t u t e s

B e r t i lH i l l e( Uni ve r s i t yofWas h i n gton, S e a t t l e ) ,Al anHinnebusch

ofHealth ,Bet he s d a ) ,DanLittman(NewYo r kUniver s it ySchoolof

( Na t i o nalI ns t i t u t esofH e a l t h ,B e t h e s d a ) ,NancyHol l i ngsworth

Medic i ne ) .C l i v eLloyd( J ohnInnesI ns t i t u t e ,Norwich,U K ) ,R i c h a r d

( S t a t eUniv er si t yofNewY o r k ,Sto nyB r o o k ) ,LeroyHood( Ins t i t u te

L o s i c k( Har var dUnive r s it y ) .RobinL o v e l lBadge(NationalI n s t i t u t e

f o rSystemsB i ol o g y ,S e a t t l e ) ,J ohnHopfield( P r i n ceton

f o rMedicalResear ch,L ondon),Sh i r leyLo we( U n i v e r s i t yof

Univer si t y ) ,RobertHorvit z(M assac hus e t t sI ns t i t u t eof

ζai l f o r n i a ,SanFranci s c o ) ,Laur aMachesky( U n i v e r si t yof

B i r m ingham,UK) ,JamesM a l l e r( U n i v e r s i t yofColoradoMedical

( U n i v e r si t yofCambr i d g e ) ,DanPortnoy( U n i v e r s i t yofC a l i f o r n i a ,

School ) ,TomM a n i a t i s(HarvardU n i v e r s i t y ) ,C o l i nManoil(Harvard

B e r k e l e y ) ,JamesP r i e s s( U n i v e r s i t yofWashington,S e a t t l e ) ,

MedicalS c h o o l ) ,P h i l i p p aMarrack( N a t i o n a lJewishMedicaland

DarwinProckop( TulaneU n i v e r s i t y ) ,DalePurves(Duke

ResearchC e n t e r ,D e n v e r ) ,MarkMarsh( I n s t i t u t eofCancer

U n i v e r s i t y ) ,E f r a i mRacker(Cor n e l lU n i v e r s i t y ) ,JordanRa仔

R e s e a r c h ,London ) ,G a i lMartin(Un i v e r s i t yofC a l i f o r n i a, San

(W ellcome / CRCI n s t it u t e ,Cambridge),KlausRajewsky( U n i v e r s i t y

F r a n c i s c o ) ,P a u lMartin( U n i v e r s i t yCollegeLondon) , Joan

ofCologne,Germany ) ,GeorgeR a t c l i f f e( Univer s i t yofOxford) ,E l i o

Massague( MemorialS l o a n K e t t e r i n gCancerC e n t e r ) ,B r i a n

R a v i o l a(HarvardMed i c a lSchool ) ,MartinRechsteiner( Unive r s i t y

McCarthy( U n i v e r s i t yofC a l i f o r n i a ,I r v i n e ) ,R i c h a r dMcCarty

ofUtah,S a l tLakeC i t y ) ,DavidRee s(Nat ion a lI n s t i t u t ef o rMedical

(CornelU n i v e r s i t y ) ,W i l liamMcGinnis(Univer s i tyofC a l i f o r n i a ,

R e s e a r c h ,London) ,Loui sReichardt( Uni ver s i t yofCal i f o r ni a ,San

D a v i s ) ,AnneMclaren(Wellcome/CancerResearchCampaign

F r a n c i s c o ) ,FredRichar ds( Y al eU n i v e r s it y ) ,Conl yRieder

I n s t i t u t e ,Cambridge),FrankMcNally( Univ e r s i t yofCal i f o r n i a ,

(WadsworthC e n t e r ,A l b a n y ) ,P h il l ipsRobbi ns(Massachus e t t s

D a v i s ) ,F r ei de r i c kMeir 可s ( F r e i d e r i c hMiescherl n s t i t u t ,Basel ) ,

I n s t i t u t eofTechnol o g y ) ,El a ineRobson(Un i v e r s i t yofReadi ng ,

StephanieMel(Univer s i t yofC a l i f o r n i a ,SanD i e g o ) ,I r aMellman

U K ) ,RobertRoeder( T heR o c k e f e l l e rU n i v e r s i t y ) ,J o e lRosenbaum

( Y al eUniv e r s i t y ) ,BarbaraMeyer( U n i v e r s i t yofC a l i f o r n i a ,

( Y al eU n i v e r s i t y ) ,JanetRossant(MountS i n a iH o s p i t a l ,T o r o n t o ) ,

Berkeley ) ,E l l i o tMeyerowitz( C al i f o r n i aI n s t i t u t eofT echnology),

J e s s eRoth( N a t i o n a lI n s t i t u t e sofHe a l t h ) ,JimRothman(Memor i a l

C h r i sM i l l e r(Brandei sU n i v e r s i t y ) ,RobertM i s h e l l(Un i ver s i t yof

S l o a n K e t t e r i n gCan ce rC e n t e r ) ,E r k k iRuo s l a h t i( L aJ o l l aCancer

Birmingham,U K ) ,AvrionMitchison( U n i v e r s i t yCollegeLondon) ,

ResearchFoundation ) ,GaryRuvkun( MassachusettsGeneral

N . A .Mitchison( U n i v e r s i t yCollegeLondon),TimMitchison

H o s p i t a l ) ,DavidS a b a t i n i(NewYorkU n i v e r s i t y ) ,AlanSachs

(HarvardMedicalSchool ) ,P e t e rMombaerts( TheR o c k e f e l l e r

(Univer si t yofC a l i f o r n i a ,B e r k e l e y ) ,A l a r Sachs( U n i v e r s i t yof

U n i v e r s i t y ) ,MarkMooseker( Y al eUni v e r si ty ) ,DavidMorgan

C a l i f o r n i a ,B e r k e l e y) ,Edwar dSalmon( U n i v e r s i t yofNo r th

(Uni v e r s i t yofC a l i f o r n i a ,SanF r a n c i s c o ) ,MichelleMoritz

Carol i n a ,ChapelH i l l ) ,JoshuaSanes(HarvardU n i v e r s i t y ) ,P e t e r

、

(Uni v e r s i t yofC a l i f o r n i a ,SanF r a n c i s c o ) ,MontroseMoses(Duk e

Sarnow( S t anfordU n i v e r s i t y ) ,L i s aSatterwhi t e(DukeU n i v e r s i t y

U n i v e r s i t y ) ,K e i t hMostov( Univer s i tyofC a l i f o r n i a ,SanF r a n c i s c o ) ,

MedicalS c h o o l ) ,Howar dSchachman( U n i v e r si t yofC a l i f o r n i a ,

AnneMudge(Univer s i t yCollegeL ondon),HansM u l l e r E b e r l 可a rd

B e r k e l e y ) ,G o t t f r i e dSchat z( Bi ozentrum,Uni ve r s i t yofBasel ) ,

( Sc r i p p sCl i ni candResearc hI n s t i t u t e) ,AlanMunro( U n i v e r s it yof

RandySchekman( Univer s i t yofCal if o r n i a ,Berkel e y ) ,Richard

Cambridge) ,J .MurdochMitchison(HarvardU n i v e r s i t y ) ,R i c h a r d

S c h e l l e r( S t a n f o r dU n i v e r s i t y ) ,Gi ampietroSchiavo(Cancer

Myers( S t a n f o r dU n i v e r s i t y ) ,DianaMyles( U n i v e r s i t yofC a l i f o r n i a,

R e s e a r c h ,UK) ,JosephS c h l e s s i n g e r( NewYorkUn i v e r s i t yMedical

D a v i s ) ,Andr ewMurray( HarvardUni v e r s i t y ) ,MarkE .Nelson

ζenter ) ,Michae lSchramm( Hebr ewU n i v e r s i t y ) ,RobertSchreiber

( U n i v e r s i t yofI l l i n o i s ,Urbana-Champaign) ,MichaelNeube『ger

( S c r i p p sC l i n i candRes e a r chI ns t i t u t e ) ,JamesSchwartz( Columbia

(MRCLaboratoryofMolecul a rBiology ， ， 仁ambridge ) ,Wal t e r

U n i v e r s i t y ) ,RonaldSchwartz( Nat i on a lI n s t i t u t e sofHeal t h) ,

Neupert( Univ er s i t yofMunich, Germany ) ,DavidNi c h o l l s

F r a n c ; o i sSchweisguth( ENS,P a r i s ) ,JohnS c o t t( U n i v e r s i t yof

(Uni v e r s i t yofDundee,S c o t l a n d ) ,SuzanneNoble(Uni v e r s i t yof

Manchester,U K ) ,JohnSedat(Uni v e r si t yofC a l i f o r n i a ,San

C a l i f o r n i a ,SanF r a n c i s c o ) ,HarryN o l l e r(Univer s i t yofC a l i f o r n i a ,

F r a n c i s c o ) ,P e t e rSelby（ ζancerR e s e a r c h ,UK) ,Z v iS e l l i n g e r

SantaCruz ) ,J o d iNunnari( U n i v e r s i t yofC a l i f o r n i a,Davis ) ,P a u l

(HebrewU n i v e r s i t y ,I s r a e l ) ,GreggSemenza( J o hnsHopkins

Nurse(CancerResear c h ,U K ) ,DuncanO’ D e l l( deceased),P a t r i c k

U n i v e r s i t y ) ,P h i l i p p eSenge l( Univer s i t yofGr enoble,F r a n c e ) ,

O’ F a r r e l l(Univer s i t yofCai l f o r n i a ,SanF r a n c i s c o ) ,MaynardOlson

P e t e rShaw(JohnI nnesI n s t i t u t e ,Norwich ,UK) ,MichaelSheetz

( Uni ver s i t yofWashington,S e a t tl e ) ,S t u a r tOrkin( C h il dren ’ s

(ColumbiaU n i v e r s i t y ),DavidShima(CancerR e s e a r c h ,U K ) ,

H o s p i t a l ,B o s t o n ) ,Ter r iOrr-Weaver(MassachusettsI ns t i t u t eof

Samuel S i l v e r s t e i n(Columb i aU n i v e r s i t y ) ,K a iSimons(MaxPl anck

Shea(HarvardU n i v e r s i t y ) ,Wi l l iamOtto Techno l o g y ) ,E r i nO’

I n s t i t u t eofMo l ecul arCelBi o logyandG e n e t i c s ,D r e s d e n ) ,Melvin

(CancerR e s e a r c h ,U K ) ,JohnOwen( U n i v e r s i t yofBirmingham,

I.Simon（ ζ a l i f o r ni aI n s t it u t eofTechno l o g y ) ,JonathanSl ack

U K ) ,DaleOxender( U n i v e r s i t yofM i c h i g a n ) ,GeorgePalade

(CancerResear c h ,UK) ,A l i s o nSmith(JohnInnesI n s t it u t e ,Norfolk,

( d e c e a s e d ) ,BarbaraPanning( Uni ver s i t yofC a l i f o r n i a ,San

UK ) ,J ohnMaynardSmi t h( Univ e r s i t yofS u s s e x ,U K ) ,Frank

F r a n c i s c o ) ,RoyP a r k e r( Universi t yofA r i z o n a ,T u c s o n ) ,W i l l i a mW.

Sol omon(MassachusettsI ns t i t u t eofTechnology),Michael

Parson( U n i v e r s i t yofWashington,S e a t t l e ) ,TerenceP a r t r i d g e

Solursh( U n i v e r s i t yofI owa),B r uceSpiegelman( HarvardMedical

(MRCC l i n i c a lSciencesC e n t r e ,Lo ndon) ,Wil l i amE .Paul( N a t i o n a l

School ) ,TimothySpringer( HarvardMedicalS c h o o l ) ,Mathias

I n s t i t u t e sofH e a l t h ) , TonyPawson(MountS i n aiH o s p i t a l , T o r o n t o ) ,

Sp r i n z l( U n i v e r s i t yofBayreuth,Germany),S c o t tS t a c h e l

HughPelham( MRCLaboratoryofMolecularBiology , Cambridge ) ,

(Uni v er s i t yofC a l i f o r n i a, B e r k e l e y ) ,AndrewS t a e h e l i n( U n i v e r s i t y

RobertP e r r y( I ns t i t u t eofCancerResearch,P h i l a d e l p h i a) ,Greg

ofColorado ,Boulder ) ,DavidStandring( U n i v e r s i t yofC a l i f o r n i a ,

Petsko( B r a n d e i sU n i v e r s i t y ) ,GordonP e t e r s( C ancerResearch,

SanF r an c i s c o ) ,MargaretStanley( U n i v e r s i t yofCambridge ) ,

U K ) ,DavidP h i l l i p s( TheRockefel l e rU n i v e r s i t y ) ,JeremyP i c k e t t -

MarthaS t a r k( U n i v e r s i t yofC a l i f o r ni a, SanF r a n c i s c o ) ,Wi l f r e d

Heaps( TheUniv e r s i t yofMelbourne,A u s t r a l i a ) ,Jui l eP i t c h e r

S t e i n( Hebre w Uni ver s i t y ,I s r ael ) ,MalcolmSteinber g( P r i n c e t o n

(Uni v e r si tyCol egeLondon),J e f f r e yPolard( A l b er tE i n s t e i n

U n i v e r s i t y ) .P a u lSternberg( C a l i f or n iaI n s t i t u t eofTechno l ogy) ,

Co legeofM e d i c i n e ) ,TomP o l l a r d( Y al eUniver s i t y ) ,BrucePonder

ChuckStevens( TheSal kI ns t i t u t e ) ,MurraySt ewart( MRC

LaboratoryofMolecularBiology ， 仁a mbridge),Monroe

f o rBiomedicalResearc h) ,AnneWarner(Univer si t yCollege

S tr ickbe r ger( U n i v e r s i t yofM i s s o u r i ,S t .Loui s ) ,RobertStroud

London) ,GrahamWarren( Y a l eU n i v e r s i t ySchool ofM e d i c i n e ) ,

( Uni v e r s i t yofCai lf o r n i a ,SanF r a n c i s c o ) ,Michae lS t r y k e r

Paul Wassarman( MountS i n a iSchoolofMedicine),FionaWatt

(Un i v e r s i t yofCai lf o r n i a ,SanF r a n c i s c o ) , Wi l l iamS u l l i v a n

(Cance rResearch ,U K ) ,C l ar eWaterman-Storer(TheScripps

( U n i v e r si t yofCai lf o r n i a ,SantaCr uz ) ,DanielS z o l l o s i( l n s t i t u t

Resear c hI n s t i t u t e ) ,FionaWatt(CancerResearch,U K ) ,JohnWatts

Na t i onal del aRechercheAgronomi q ue ,F r anc e ) ,JackSzostak

( J o hnInnesI ns t i t u t e ,Norwich,U K ) ,Kl ausWeber(MaxPl anck

(Massachuset t sGeneralH o s p i t a l ) ,Masatos h iT a k e i c h i(Kyoto

I ns t i tut ef o rB i o p h y s i c a lChemistry , Gotti n g e n ) ,Mart i nWei ge r t

Unive r s i t y ) ,C l i f f or dTabi n(HarvardMed i c a lSchool ) ,Di et har d

( I n s t i t u t eofCancerResearch,Phi l a d e l p h ia ) ,Har o l dWeintraub

Taut z( Uni ve r s i t yofCol ogne ,German y ) ,J u l ieThe r i o t( St anford

( d e c e a s e d ) ,K a r s t e nWe i s( Unive r s i t yofCal if o r n ia ,Ber k el e y ) ,I r vi n g

Univ er s i t y ) ,RogerThomas( Uni ver si t yofB r i s t o l ,UK ) ,Vernon

Weissman( S t anfor dUniver si t y ) ,JonathanWei ssman( U n i v e r s i t y

Thor n t on( Ki ng ' sCollegeLondon) , CherylT i c k l e( U n i v e r si t yof

ofCai lf o r ni a ,SanFranci s c o ) ,NormanW e s s e l l s( Stanfor d

Dundee ,Scotl a n d ) ,JimT i l l(O nt ar i oCancerI n s t i t u t e ,T o r o n t o ) ,

Univ er s i t y ) ,JudyWh it e( U n i v e r s i t yofVi r g i n i a ) ,StevenWest

LewisT il ney(Uni v e r s i t yofPenns y l v a ni a ) ,NickTonks(Col dS p r ing

(CancerResear c h, UK ) ,Wi l liamWickner(DartmouthCollege ) ,

HarborLa b o r a t o r y ) ,Al ai nTow nsend( I n s t i t u t eofMolec u lar

Michael Wilcox( d e c e a s e d ) ,L ewisT. Wil l iams( C h i r onCor p o r a t i o n ) ,

Medicine , J ohnR a d c l i 仔eHospi t al , Oxfor d ) ,P a u lT r a v e r s(Antho ny

K e i t hWil l ison(ChesterBeattyL a b o r a t o r i e s ,London) , JohnWilson

NolanResear chI n s t i t u t e ,London),Rober tTr el s t a d(UMDN J ,

(Bay l orU n i v e r s i t y ) ,AlanWolffe( d e c e a s e d ) ,R i c h a r dWolfenden

RobertWoodJ ohnsonMedicalSchool ) ,AnthonyTrewavas

( Uni v e r s it yofNorthCar ol i na ,ChapelH i l l ), SandraWoi ln( Y al e

( E dinburghUni v er s i t y ,Scot land) ,Ni g e lUn wi n( MR CLaboratory

U n i v e r s i t ySc ho o lofM e d i c i n e ) ,LewisWol p e r t( U n i v e r s i t yColege

ofMolec u larBi ol o g y ,Cambridge） 川ctorVacquier( Univ e r s i t yof

Lond o n ) ,R i c kWood( C anc e rResear c h ,UK), AbrahamWorcel

Cai lf o r n i a ,SanD i e g o ) ,HarryvanderWeste n(Wage ningen,The

( Univ er s i t yofR o c h e s t e r ) ,NickWr i g h t( CancerRe sear c h ,UK) ,

Net her la n d s ) ,TomVanaman( Uni ve r s i t yofK e n t u c k y ) ,Harold

JohnWyke(BeatsonI n s t i t u t ef o rCancerR e s e a r c h ,Gl asgow),

Varmus( Sl oanK e t t e r i n gI n s t i t u t e) ,Al exande rVarshavsky

K e i t hYamamoto( U n i v e r s i t yofC a l i f o r n i a ,SanF r a n c i s c o ) ,

( C ai lf or n iaI ns t i t u t eofTechnol o g y ) ,MadhuWahi(Uni v e r s i t yof

C h a r l e sYocum( U『1 i v e r s it yofMi c h i g a n ,AnnA r b o r ) ,Peter

C a l i f o r n i a, SanFr a n c i s c o ) ,Vi r g i n iaWalbot( S t a n f o r dUniv e r s i t y ) ,

Yurc henco(UMDNJ ,Rober tWoodJ ohnsonMedicalSchool ) ,

Fr ankWal sh(Gl axo-Smith k l i ne-Beecham,UK ) ,Tr evorWang( J ohn

Rosal i n dZ a li n(Univer s i t yCollegeLondon) ,P a t r ici aZambryski

Inn esI ns t i t u t e ,Norwich,UK), Y u L i eWang(WorcesterFoundation

( Univ er s i t yofCai l f o r ni a ,Berkel e y ) .

読者への手引き

本書の構成 各市は日j l々に読んでもよいが. 5百 j ）に分けて i 冶 里I ！ 的な順序で並べてある。第 l 部 の故初の 3 つの草は初~8.~ 的な IJ;Lfll！と JU警生化学を扱い． 生化学に初めて接する人のための入門判と

して．あるいはすでに乍んだ人の再教育＇ J I !に利川できる。 第 II 部は遺伝的械の IA~イi 発現．｛云述を扱う 。

第 川 部 は釧J 包研究川のおもな尖数手法のJ I ；（翌日を扱っている。 以降の各市の理解に とって．必ずしもこの 2つの市を読む必裂はないが．参考と して役立つだろう 。 第I V部 では細胞内部の俄成を論じる。 包ー細胞結合や細胞外 第 V部では． 多細胞生物を構築する細胞の挙動をたと’る。剥J

; 1は ． マトリ ックスか ら始め．免桜系に附する 2つの市で締めくくってある。 第 21∼ 25T 5 ・ L l l _ ¥し. ＇ ナ 鈷 の DVD-ROMに収録した。 持ち巡ぴの利使性を J

章末問題 第 l∼ 201 ; 1それぞれの本文の後に.j o h nWilsonと TimHuntが執行をした 1 : w 必集の一部を

h t t p：／九円刊紙 newto np r e s s . 拠収している。 これらの解終はすべてニュートンプレス社の HP( c oj .p ） ／ に拘載しである 。

参考文献 各正；zぶには． 主~な参与え・l献を本文の節こ・とにアルファベット順に並べてある 。 参考文献 には．重要な発見を i1占NJ に十~H与したJJ；〔判iが多数合まれる 。 第 8 ：！＇；主と第 9 ; ; 1には．重姿な技

術の発桜とそれにかかわ った科学者の名を記した年ぷもいくつか掲載した。 それ以外は．

i i fの1 , Ji l 夜は避けた。 例々の科学者の名 1

DVD4文字暗号 ノド文の随所に，記載された DVD4文宇附号は. I 則i fするビデオ映像ゃ ! f ( I J f t b jが DVD-ROM にあることを示 している。4文 ’H暗号は 心げにし〉のように．かっこでくくり亦色文字にし て悩訓しである。DVD-ROMの C e l lB i o l o g yI n t e r a c t i v eメディアプレーヤーの操作画而に 4 文乍附サを打ち込む作があり．そこにH 音号ーを人 )Jすると該当する映像がプレーヤーに読み 込まれる。

［ ト 用語集 キーワー ドは．それについて肢も詳しく論じている市で太字でぶして強剥した。英語を付

l J J 包生物学で広く使わ 記したのは．キーワードほどではないが重要な誌である。巻ぶには網l れる－＇－＇f.I”l川祁を解説した用語集 をまとめた。 よく知らない lji.jlfがみ；文 iJ• で説明なく 出 てき

た場合には．まずこのj 刊誌集を参考にするとよい。

遺伝子とタンパク質の命名法

i l l（ 云 ：チのザ［川的な命名法は．生物純によ って民なるが．必ずイタリ ック体を I f ！いる点は共 通している。 i l l 伝イ・ をすべて大文字：で表す磁（たとえばヒ ト）もあれば．すべて小文字で ：でぶす争［ ［ （マウスの 表す机（たとえばゼブラフイツシュ） • l文 字 目は大文字．残りは小文’I ほとんと・の泊：伝 f -など）もある。 （ショウジョウパエのように ) / i i初に発凡された変異対立 遺伝子のぷ現J t 9 .が優位か劣1 ' 1 ：かによって．大文字と小文字を使い分ける純もある。 タンパ ' tl l l的な命名法も同級にまちまちである。 ク質のf i ' .の不統ーには符がいらいらしている。やっかいでイ＇ f tJ I ［なだけでなく． こうしたぷ，l これは統かない。今後研究対象になるかもしれない数百万H lの生物それぞれで．独自に遺 f ' t J IJ 名を決めることは不可能である。 さらに．本件のような，＇ H 1 ' iでは特に．租i を特 伝子のf 定せずに i l l伝チについて ij＂），えしたい場合がよくある 。解説が ｜！的ならマウス i l l伝子でもヒ ト辿伝子でもニワ トリ泣伝子でもカパi l l 伝子でもみな同義だか らだ。 それならば． どんな 仙川 ， をI l lいるべきか。 ： では f l 司々の純に対する f ' t 川名を退けて．次の− 1 . t ' .のJ ; lU I Jにt i tうことにした。i l l 本 ， 1：

. r

r

ι

伝下名はすべて．人名や j 世名と J 1 i ， けi f ..I文字日は大文字．残りは小文’ と し イ タ リック 体で表す。 たとえば Ap e . Ba z o o k a . Cdc 2 . Di s he 1 ノ e l l e d .E g l lとする。対応するタンパク質 は遺伝子から命名する場合は． イタリック体ではなくローマン体（伝体）で同級に表す。た とえば Ape .Baz o o k a . Cdc 2.D i s he v ele d.Eg l lとする。生物を特定する必要があれば．そ れを i l l伝−− （名に接関前−としてつける。

Y Jすために．本， 1： ： で使I J Jす る命名法の細l lをい くつかタI ） 併する。従来．遺伝 完全を J 子＊・に l文 ’t ： つ け加 えて．機能や進化 のうえで｜ 閣述した i l l伝子を区別している例があり． この追加l 文下には通例どおり大文ヤを I l lいる （Lacz. RecA. HoxA4) 遺伝子~につけ加え た文字や数ソ：はハイフンで区切らない。 多くのタンパク質は. illf~

r が命名される以前に

与えられた生l UI 'の名前があり．もっとやっかいである。そのようなタンパク質の名 にはた くさんぶし ｝ jがあるが.

j J J I宇 部 （ GFP [ GreenF l u o r e s c e n tP r ot e i n.結 色 i l "うもタンパク］ ．

BoneMor phogene t i cP r o t e in# 4.什形成タンパク 4） ） を｜ 徐き．ほとんどは慣例的に BMP4〔 小文宇：で始まる （ a ct i n［ ア クチン］. hemog l o b in［ヘモグ ロビン l c at al a s e［カタラ ーゼ ］ ）。 普通の物質名（c he e s e［チーズ］ nyl on［ナイロン］）と同 じである。そのようなタンパク質 名をすべて一定の形式でそろえるのはあまりにも慣例にそぐわないので．慣例どおりとす る（a ct i n ［アクチン］ GFPなど） 。 このような例でも．対応する遺伝子

r . にはわれわれの

規則を j ¥ l . ¥ I T Jする （ A c t i 1 1.He m o g l o b i n . Cat al a s e . Bmp4. Gfp） 。 0 A 1々のや E に対する公式な取り決めを知りたい人のためにー泌を以ドのぷに示す。本

位では今述べたとおり．この慣例にはほとんと’従っていない。

読者への手引き

生物

種特異的な取り決めによる名称 遺伝子

タンパク質

Ho xa4

Hoxa4

H o . 瓦A 4

Bmp4

BMP4

Bm 凶

BMP4

れc e g r i na1.l e gaI

i n t e g r i n α 1

l n c e g r i na l .l t g a l

i n t e g r i nα1

HOXA4

HOXA4

ゼブラフィッシュ

c y c l o p s .e y e

C y c l o p s . Cyc

線虫 C a e n o r h a b d i t i s

un c 6

ショウジョウパ工 D r o s o p h i l a

s e v e n l e s s .s e v（劣性変異体の表 現型から命名） D e f o r m e d .Dfd（優性変異体の表 現裂から命名）

Deformed. DFD D e f o r m e d .Dfd

S a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a e（ 出芽酵母）

仁O仁28

仁d c28.Cdc28p

Cdc28

仁dc28

s c h i z o s a c c h a r omycespombe（分裂酵母）

マウス

ヒ

ト

x x x i x

HoxA4

。。

C y c l o p s .Cyc

UNC 6

Unc 6

Unc6

Seve nl e s s.SEV

S e v e n l e s s .Sev

Seven le s s . Sev

HoxA4

c l o p s .

C

HoxA4

Def コ ＜r med.。的

酵母

Cdc2

Cdc2.Cdc2p

Cdc2

Cdc2

シロイヌナズナ A r a b i d o p s i s

G A i

GA i

G a i

GAi

大腸菌 E . c o l i

u v r A

UvrA

U v r A

UvrA

付録 DVDROM MBoCSMediaDVDROM ： ： の凶表．顕微鏡写点をすべて収対し. PowerPoint• 形式で市ごとにまとめて DVD にはみ；， 1 ある。側々の i ; . ' ( I 去や顕微鏡写真は．別のフォ ルダーに J PEG形式で保存しである。パネル は PDF形式にしである。DVD には 1 40以上のビデオ映像．動阿．分子榊造教材．日分解 i l l 解のためだけでなく．本件の範囲を超えた 能顕微鏡勺． 点が収めてある。基本概念の深い J

l 内作を J M f l f i す る データも含むよう選んだつもりである。 l 収対 データは個々の ファイルとし lB i ol o gyI n t e r a c t iv eメディアプレ ーヤーを I l lいて も視聴で きる。前 述 ても ．あるいは Ce のとおり．メディアプレーヤー は本当の随所に記似した DVD 4文字情サで動作するよう プログラムしである。 デジタル資料の口次と概必は 『 DVD 解 説jに収めであり . DVDROM の11~初jの｜滑附または メディア プレー ヤー の Append ix に PDF ファイルとして ir.'.v 、で

ある。 また DVD-ROMには多細胞系を扱う第 21∼ 25i ; tを PDF形式で収録しであり ． Adobe＂ 十I：の Acrobat• Re a derなどの PDF閲覧ソフトを I l lい れ ば．印刷や検紫が附 r r ＿にで

きる。

Adobeと A c r o b a tは米国およびその他の国におけるアドビシステムズ社の笠録商標または商療である。 PowerP o i n tは米国およびその他の国におけるマイクロソフト社の笠銭高槻または商様である。

I

紹胞とゲノム 細胞の化学と生合成

タンパク質

細胞とは

細胞とゲンム j 也Y 求は lj ＿ ：物．つまり 1 ; i a聞から素材を取り入れて 1 ' 1 1 」を似製する彼維な組織をもった不思議

二場で満ちている。生物はとてつもなく多織に比える。 トラと海泌．あるいは翁1 1 狗 な化予J と本ほど. l ! i !うものがほかにある だろうか。 ところがわれわれの机先は．細胞も DNAもま か”を”生命”と ったく知らないまま．そこに何か共通するものがあることを感じその市J 嘆 し 定 義 しよ うと し それが何ものであり ．どう働 くのかを．物質と の よぴ．それに鴛l ｜刻述で説明 しようと してきた。

i 1 i 1 ・ 1 1 ： 紀にな された多くの発見て＼ 生命のみ；質に まつわるや1 1 泌は取り除かれ．いま で は， ＇I：物はすべて網llJJ包という単位からなか細胞の）.~4~ 的機能のしくみ は共通だというこ

とがわかっている。 しかしそれは．生命への鰐きを色あせさせる どころか．む しろ 強めた。 人 J .；~·IIは ），~本（10 に よく 似ている 。 生物学は－ ~ 作．き物 は．外か らよよれば｜拠りなく 多様だが.I

物l f 川々を特徴づける鰐くべき多様性 と基本的機榊にみられる鰐くべき杭＇ i ＼ ＂ 性 と いう 2つの 1－：題を対！！（（させる作業とい える 。 こ の 4tではまず．地球 ， .＿の＇I：.物 にj ~辿の特徴を考え ． 次

に．綱｜｜胞の多倣t ' I ：を概観する 。そして最後に．あらゆる’j ： ＿ き物の仕織を記述する暗号 （コ ード） がJ~辿であるおかげで．仕様を読み．日l"ill!J することによって微便物か ら巨大な生き

物まで．あらゆる使命体を統一的に理解できるようにな ったことを凡ていく 。

地球上の細胞が共有する特徴 地球｜・ ．には . f j l イ 1 : . 1 000 万位以上（おそらく l 位純） にのぼる， ，~物がい るとさ れる 。 極は そ れぞれに .i!il い ．

いずれも l~I 身を忠実に桜製して ｛－ 係を伐す 。 税は． ー日系がもつべき性質を

訂制l にm と ；する十 月十 Hを伝達する 。 この逃伝 （ he r edi ty ） と よばれる現象は．生命の定義の＂ ’

n ' 1の成長．ろう そくの燃焼．水 1 r i 1での波の形成なと’も秩序立った 伎をなすものである。急U 締法を作りはするが．税の特徴が子孫にもみられるという ｜ 則係はない。 ろうそ くの炎と 同 様に ．

’I~物も l' l J II エネルギーを消費してれ

らの組織をイ ヴ：りI lし．維持するが．生物の場合

には. 1 ' 1 11エネルギーによって動くのは. i l J :伝的判に よって脱定される桜雑で巨大な化学 システムである。

' I : 物のほとんどは単細胞である。 − ） j， ヒトなどの多翁1 1包生物は．膨大な数の細胞

i l l d i であり．そこでは細胞の集団が特定の機能を 以た し ． 入り組んだ通信システ からな る/ ムによ って紡ばれている 。 しかし l j i * f l l l 胞の綱1 11 : / . jだろうと． ヒ トのよ うな 1 0兆例以上の 網｜ ｜ 胞の集合体だろうと．生物の個体は l例の翁1 1包から始まり．その分裂によってできるの である。つまり．その i例の細胞は秘を決め るi ! J :（ ぷ的手l ！ を巡ぶ来−り物と いえる （ F i g.1-1） 。 その的事I {により．細胞は周囲から集めた材料で. l i o Jじ後をし治伝的判i の写しをもっW rし い細胞を作るしくみをもっ。 この能力を備えているものは細胞以外にない。

地球上の細胞が共有する特徴 ゲノムの多綴性と生物の系統樹 1 1 真絞生物の遺伝情報

26

2

1 細胞とゲノム

( A )

I

、

（ 仁 ）

I

1 0 0μ π

( B )

I

I

S Oμm

( F )

( D )

F i g.1 1 受精した卵細胞の遺伝情報が多細胞生物の個体の性質を決める。（ A .B） ウニの卵からはウこが生まれる。（ C .D)

マウスの卵からはマウスが生まれる。（E .F ） 海藻のヒパマタ F u c u sの卵からはヒパマタが生まれる。 （写真提供 . A ;D a v i d McClay .B; M.G i b b s ,O x f o r dS c i e n t i f i cF i l m s.C ;P a t r i c iaC a l a r c o 。G .M a r t i n ,S c i e n c e2 0 9 : 7 6 87 7 6 ,1 9 8 0より。AAASより 許話。 D ;0 .Newman,O x f o r dS c i e n t i f i cF il m s .E 斥C o l i nBrownl e e )

すべての細胞は鎖状化学物質 （DNA） に遺伝情報を収納している コンピュータが普及し情報を ; l l ' i J ! I J11ffiE な祉 と考 える ~~liftができた。 フロッピーディスク l枚は lメガバイト （ 本 子 ：＝300ページ分の文字あるいはデジカメ写真 l枚に相当 ）•

f t楽

t . 合である。一 方 向じ情報をさまざまな物理形態で C Dl枚は 600メガバイトとい った J 記録できる ことも周知l の事尖とな った。 コンビュ ー タが進化 したため. 10年前に残したデ ィスクやテープは現在の機秘では読めなくなった。細 胞 もコンピュ ータと同じく 情報を処 理し.35億年にわたって進化し多機化してきた。だから． どの細胞も情報を同じ形で保 持しており ．ある細胞の保存 ; i d 止をほかの細胞の情報処理装位で読めるなどということは ありそうもないと思し、がちだが．なんと読めるのである。地球上の細胞は例外なく．遺伝 情報を デオキシリポ核蛍 （ deoxyri bon u c l e i ca c i d . DNA ）の二本鎖分子の中に訴えている。 この分子は.A .T .C . G とよばれる 4筏類の単: L J 体からなる校分かれのない鎖状： ! T I合体 j i .j 化体は l 立 ダj lに並 び その~Eびがill伝情報を指令している 。 数 が対にな ってでき てい る。 J

字の. . ，”と・ぴの並び、がコンピ ュータファイ ルの情報を r~＇サ化し ているの と同 じである 。 ヒ 卜の綱｜｜胞か ら DNAの断片を取り川して織｜｜閣に入れても ．翁1 1 的 ． の DNAの一部を ヒト の細

l 製される 。 どのような DNA分 胞に人れでも ．その情報はきちんと読まれ．翻訳され ぬ 子でも （ たとえ数百万温基対の長さでも ）．化学的な手法で l j i . 11 k体 （ 温 基）の配列を完全 に読 み取って．そこに担われている i l l伝情報を解説できる。

3

地球上の細胞が共有する特徴

すべての細胞は．鋳型を用いた重合反応で遺伝情報を複製する 生命を成り立たせている機梢は， 二 本 鎖 DNA分子の行＇l t f i lに依平r ：している。DNA鎖 を 構

n u c l e o t i d e）は 2つの部分からなる。 リン酸基のつ 成する単抗体．つまり． ヌ ク レ オ チ ド （ い た 糖（デオキシリボース ）と．アデニン （ A) . グアニン （ G）.シトシン （ C）.チミン （ T）の いずれかの塩基 （ ba s e ）である （ F i g .1-2）。 新 は 必 ず リ ン 般 1 bを 介 し て 次 の 糖 と つ な がって おり．この重合体は. ~f－ リン般が繰り返す主お初、ら l出器が次々に突き出た形となっている 。

DNAは． 一 端 に 単t l H 本がつけ加わ ってのびていく 。 l f i i J : 体は．共通の部分を介して阿ー j i . ￡ 1 体をつけ の や り 方 で つ な がって い く の で．一 本 鎖 DNAに版羽！的にはどんな順にでも l 加えていくことができる 。 しかし細胞の ij• の DNA は．孤立 した自 F~I な鎖としてではな く ．

すでに存在する DNA鎖 を 鋳 型 と し て 合 成 さ れ る 。 既存の鎖から突き／. J ＼た広基と合成途上 の 鎖 の 溢 基 と は，塩 基の相 補 的 構 造 （ Fi g .4-4参）！（＼）という規則に従って

A は T と. Cは

G と結合する 。 この 塩 基 対 形 成 と い う 規 則 が あ る た め に． のびていく j J ' iの 次 に 4種 類 の 単

h l 体のうちのどれを付加するかが決まる。 このようにして. A .C .T . Gが 完全 に相補的 に 並 ん だ二 本鎖構造ができあがる。 この 2本 の鎖はねじれてたがいに巻きっき． 二重 ら せ ん構造をとる （F i g .l -2E ）。

( D ) 二本鎖 DNA

( A ) DNAの構成単位 リン酸

＼ ./糖

h

. .+IG

糖ーリン酸

− ・. .

出

泡基

ヌクレオチド

( B ) DNAの鎖

T

1 AI I A

GI T

糖ーリン酸から なる主鎖

f cl IA

水素結合 した堀基対

( E ) DNA二鍾うせん ( C ) 銃製を用いた新たな鎖のI i i 合

ヌクレ才チド（単鑓体）

穴

寸

' 4 己

ぷ

「 I~ I I

A

l GI T

< ( ; ) .

e r IA

F i g . 1-2 DNAとその樋成単位。（ A)DNAはヌクレオチドとよばれる簡単忽小単位からできている。ヌクレオチドl 手線ーリン厳分子に窒素

G. C . を含む糧基が結合した形をしている。泡基にはアデニン グアニン．シトシン． チミンの 4種類があり．それぞれのヌクレオチドは A. B )DNAの一本鎖は．糖ーリン酸結合によりヌクレオチドが次々につ広がった鳩造をしている。個々の穏ーリン酸鎖位は非対称で Tで表す。（ d :決まった方向性つまり 極性をもっ。この方向性があるので，細胞内で DNAの情報を靭訳し．複製す あることに注意。このため主鎖I C)鋳裂を用いた重合でI d :，新しい る分子的過程が決められ．英径の文章を左から右に読むように．情報はいつも同じ順に ． 読まれる. ( 0

DNA鎖にどのヌクレオチドがつはがるかは，既存の DNA鎖のヌクレオチ ド配列によって決まる。 一方の鎖のTlま他方の Aと対を作り． 同様に Gは Cと対を作る。新しい鎖のヌクレオチド配列は元の鎖と4 自衛的で 主鎖の方向は逆に芯る。たとえば．元の鎖がもT A A ・ ・・・ だと． それに対応して・ ・ ・ T I A Cと怒る。（ D）普通の DNA分子は 2＊の抱鴻鎖から芯る。各鎖の中のヌクレオチ ドは強い共有結合でつながってい

m

るがそれぞれの鎖の 倒的芯ヌクレオチドどうしは弱い水緊結合で結ぼれている。 （E )2本の鎖はねじれてたがいに巻きっき 二麗らせ んを形成する。この情造は普遍性をもち．話富基配列によってその基本構造が変わることはない。

I

4

細胞とゲノム

・ ・ J .る 鎖 鋳型と 1

F i g .1-3 DNA復製による遺伝情報の復 童 話。こ の過程では.ONA二鐙らせんの 2本の鎖が引き

／

1 硲 鎖を合成するた 殺さ れ ． それぞれが新しいm めの鈎型として働く。

新しいま員

元に1 J .るDN A二盟らぜんc m

新しい鎖

＼. .

鋳型となる鎖

.tl,U~Mの !HJ の結合は結ーリン自主結合に比べて弱いので.

DNAのー 二本鎖は．結ー リン

U J ' iをJ j l すことなく引き離せる。引き離された鎖がそれぞれU 1 同l になれば．今述 i i . よ − でr 分と相術的な新たな DNA鎖が合成され．遺伝t i ' I 械のがfたなコピーが作られ べた J 際結合の

る（ F i g .1 -3） 。DNA複 製 （ DNAreplication） の~さは細胞のタイプごとに民なり ｜ 卜 ． の¥ U J I 御も．過れ！を助ける補助分子ーも』もなるが. DNAが情報の保持災 i 1 1 ＇ . で あ り ．

IJH始やil.i~

情報の

抜製が”銚！＼~ を JIJ いた i l l 合（ t emp l a t e dpol ym e r i z a t ion）”であるところは＇ ＇ −物以に共通である。 ＇

すべての細胞は遺伝情報の記されているところを転写して同じ情報をもっ中間体 ( RNA）を作る DNAが的械を担うという務めを・ ! . lたすには. l ' I身の複製以外にもなすべき仕事がある。 情報を J I Jいて細胞内の別の分子の合成を指令し情報を発現させる （ expr e s s ）ことである 。

i l !で. RNAとタンパク質という 2f•闘の ifc~ な重合体を この党税のしくみも金生物に共 . 作る 。 この

i t l ・ r nc 第 6~；－.：および第 7 ~戸で詳しく述べる）は．

転写 （ transcript i on）とよばれる

鋭i＼~ i f (f r -でめまり. DNAの− Ui成が鋭盟とな って. DNA とよく似た．

しかし短い豆合体

である リポ核政（ r i b o n u c l e i ca c i d , RNA）分− f -が合成される。RNA分 − （の）（ ; ' ; I I 分は彼維な翻

（入

NA

( pr o t e i n）の介成を指示する （ F i g .1-4） 。

既

成

品 ロ

刊

A M n n

RNAの j J ' lは DNAとは少し . i l i lう視庁（デオキシリポースではなく リボース）からなり ．

︶ 写

l

訳（ t r a ns l a t i o n）という過程に進んで． 化学的にまったく見なる i f （合体であるタンパク質

塩基としては 4机矧のうちの lつチミン （ T）の代わりにウ ラシル （ U）が似われるが．残り M川

DH

RNAの A . U.C. G が ， DNAの T.A . G.C と対をイうする） 。 ，l1t；η：の1~1 には. RNAのJ j l . る（

A

: i ' i( A . C.G）は同じである。 これ ら 4磁 i l l iの: f 1 . t 基は DNAの中 1M i i ' l 0な中I手と対を作 の 3純1

｜ … 叩 ）

lok体が DNA を j)jJ＼~ として王子干していく 。 そのしくみは. DNAの版製H 年 とJ i 1 J じである。 こ

うして. DNA川 とはー 災ーなる RNAJ 1 Jの l j i 沿体が使われてはいるが．細胞の i l l伝情報の一部

タンパク質

を忠実に η し取ったヌクレオチド配ダl j のi f c合体ができる。

1 i ］ じU i J 或を何度も使 ってたく さん合成される。細 胞 が 転写産物 RNAは. DNAの J DNAという形で保持している : i 1 ' . i伝情報は厳驚で動かしがたいものだが.1 l i ;2 i ：泌物として の RNAはたくさん生産され．｛史い抗てられるのである （ F i g.ド 5）。後で述べるように． これ らの •I伝勺·；fa物は遺伝情報を受け渡す 小 IHI 体と して働き ． おもに メ ッ セン ジャ ー R NA

( me s s eng erRNA[ mRNA］）として.DNAにJ 己された桁令に従うタンパク伐の合成を導く 。 RNA分 − ［は．特別の化学的能力を 示す特徴ある . W t造をして いる。一本釘i であるた め主j J ' lが 1 1 1 がりやすく．白け1に折れ 1 11 がって．分子内のある部分と日J I の部分とで弱い結合

アミノ自主

F i g .1-4 DNAからタンパク質へ。遺伝情報は 2つの段階によって読み出され． 使われる 。 ま す ． 転写（t r a n s c 叩t i o n）で DNAのー領域が RNA 分子の合成を導くのに使われる。次1 立制訳

( t r a ns l a t i o n ）で．この RNA分子がタンパク分 子の合成をi l -く ．

地球上の細胞が共有する特徴

使い鎗ての情報但体となる RNA

5

F i g.15 遺伝情報が細胞内で使われるしくみ。 e tDNAのセットがあり．遺伝 すべての細胞に l

情報徳納庫としての＝本鎖 DNA

情報が担われている．この DNAの特定領主主が 転写

同じ転写産物 RNAの合成を何回も指示し． こ れらの転写産物 RNAが絡納店内の情報の実働 的芯写しと怒る。 DNA の良い配~ljからいくつも

RNA合成を指示する鋳型と怠る鎖

向じ配列をもっ転写産物 RNAが たくさん作られる

の部分を選択して転写する結果．何種類もの RNA分子が作られる。このため．保持している

d : 細胞ごとに湿ってくる。 情報の使い方I

r 的 に相 補 佐 を も っ 配亨I . J た と え ば ∼ ・GGGG… ． ． と” を形成できる。 ιW

・ c c c c ・ ： とは会

合しやすく ． このような内部会合により ． 各 RNAj j ' i ( ま配列に特災的な j 彰に折りたたまれ る（ F ig .1-6。 ） この RNA分子の］診が．日j lの 分 子 を 見 分 け て 選 択的 に 結 合 し 化 学 変化 を

fが角l t ！媒する化学反応、 触 媒す る の に 役立 つ ようである。 第 6）戸で述べるように. RNA分− は網l l J 胞が太 山 か らもっ基本的 な 過税 に 使わ れ て お り ． 生 命 の 進化 の初 J U Iに. RNAの中： ＼ ，J 五 い触媒作川が＂ ＇心的役測を来たした名残だろうと考・えられている 。

すべての細胞はタンパク質を触媒として用いる タンパク質 （ p r o tei n）分子は.DNA や RNA と 1•1］機．校分かれのない長い鎖状の iTI合体であ る。そ の l j i . i川本（ 椛成 l i j . 位）は会生物に共通で.DNA や RNA と｜吋じく．文~;1 を文字で；I~ く ように， むりが I§ I J につながった情 報 担 体 とな っている。例々の綱l J包には．い ろいろなタン パ ク 分 fが数多く合まれてお り．水を除いた t ' I J1 t の 大よ ｜ 与を占めている。 ＂本 l j i位 はア ミ ノ 酸 （ aminoa ci d）で. DN Aや RNAの J j 1 . 伎 が 4航額な タンパク貨の J のに対し.2 0Hi : J t i ある。 アミノ般の中 心をなす十 l t i l iは 共通で． これを川 いて結合する。 l j 1 ／

心tl~iliから突き Ill た fi!IJ鎖がアミノ般に伽H'-1: を ’1・ えている。アミノ股が特定のimに kli な っ た

タンパク分 ｛ − . すなわち ポリペプチド （ pol ypept ide）は正確な三次元構造に折りたたまれ． 耐に反応部｛立をもっ （ Fi g.1-7A ）。 タンパク質はそ こで 特 民的に ほ か の 分 子 と 結 合 そ の ぷl

F ig .1-6 RNA分子の立体的備選。 （A) 1： 本 の RNA鎖のc pで.I n なる領主主にあるヌクレオチド

どうしが対を作り．分子に独特の形をとらせる。 (B)D~肝炎ウイルスの RNA 分子の三次元構造。

RNA鎖の切断を触似する．時い υ ボンは糖ー り ン厳から怒る主~を． 体｜草題基対を表す。

( B ;A . R .Fe r r eD ' A m a r e ,K .ZhouandJ . A . Doudna,N a r u r e3 9 5 : 5 6 7 -5 7 4 ,1 998に基づく。 ( A )

( B )

M a c m i l l a nPub l i s he r sL t d .より t 午路）

6

1 細胞とゲノム

多穏の鎖

( B)

F i g .1-7

タンパク貨が化学反応の触媒として働くしくみ。 （A）タンパク分子の中で

は．鎖がアミノ酸の配列によって決まる特異的主主形に折りたたまれる。ここに示す醇 紫．リ ゾチームも特定の形に折りたたまれており．表面にある渦が触媒部位として働 B）単務が重合した多糠分子 （ 赤色）がりゾチームの触媒部位に結合し．溝の内侭j く。（ (A ）リゾチーム

にあるアミノ援が共有結合を切断する。

し J げ｛結合の生成や切断反応を触媒する酵素 （ enzy me）として働く 。 タンパク質は．こ うして細胞内の化学反応の大半を動かしている（ Fi g .ト 7B ） 。 タンパク質はほかに．構造ーの

謀 長Iなど．それぞれ逃伝的にもためられたアミノ酸の配列に応じ 維 持．述動の発生．信号・のh た機能をもっ。裂するに． タンパク質は細胞の遺伝情報をお' f i 動に変える分子である。 このように 核酸がタンパク質のアミ ノ酸の並び‘ をi J tめ．タンパ ク質が多くの化学 ： ！煤する。 そのなかには新たな DNA分子の合成反応もあり， DNAの逃伝情報が 以応をぬl RNAとタ ンパク合成に使われる。 このフィ ー ドパックループが．生物が自己創！煤的に自

己J ( I ／ 死i する基礎となる（F i g .1-8） 。

RNAをタンパク質に翻訳する方法はすべての細胞で同じ 遺伝情報を．絞酸の 4種類の文字配列からタンパク質の 20抱f i 類の文字配列に翻訳する過 程は抜書fl~である。 この翻訳に働 く規則は （わずかな例外を除き ）余生命体に共通である 。 そ

れは．むだがなく合理的とも見えるし奇妙なほどいいかげんにも見える 。 このいいかげ んさは．生命の歴史の初WI に似然、~まれたものだが．今も受け継がれ．すべての細胞の rj •

にしっかりと刻み込まれてしま ったので．これなしには生命は成り立たなくなっている。 メッセンジャ ー町叫A分子の塩基配列が担う情報は．ヌクレオチド 3倒ずつの単位 で読み取られる。 この 3個一刻l のヌクレオチドをコドン（ codon）とよぴ．タンパク質の中 のアミノ際 1例を指定する。 コドンとしては 64 (=4× 4× 4）通 りの配列が可能であり． 笑際にも使われているが． アミノ般は 20組類しかな いので．桜数のコドンが同じアミノ 酸に対1 忘する場合が起こる。 1 1 1 1 1 0 ーを読み出すのは．運搬 RNA ( t r a n s f e rRNA [ tRNA ） ］と いう小さい RNA分子である。tRNAの一端には特定のアミノ阪が結合し．他捕には 3例 のヌクレオチドの特定の配~IJ.

アンチコドン（anticodon ） があ る 。 アンチコドンが±益法対

形成をすることにより. mRNA中の特定のコドンが識日j lで きる（ F i g .19） 。 タン パ ク 合 成 の 際 に は ． 適 切 な ア ミ ノ 酸 を 述 ぶ tRNA分 子 の ア ン チ コ ド ン が mR NA分子 の コドンと順々に泡器対を形成する必要がある。 アミノ酸の結合によって．

必殺は 合成途上のタンパク質の鎖がのび．前を降ろした tRNAは解放 される。 この複雑な i すべて．巨大な多分子機械．

リボソームで行われる。 リボソームは． リボ ソーム RNA

( r i b osoma lRNA [ rRNA ] ) 2本と

s o極類以上のタンパク質か らなる 。 この進化上非常に

地球上の細胞が共有する特徴

F i g .ド 8 生命活動は自己触媒過程である。核

. . : : r 、 .

アミノ酸

ヌクレオチド

触媒俄j j g

'

J

タンパク質

7

酸（ヌクレオチドi l l 合体）とタンパク質（アミノ 酸霊合体）は．配列情報と触媒綴能を提供し， これらが．複雑な化学反応の組み合わせにより目 きらに綴酸とタンパク質の合成に働く。

配列情報

'

絞酸

、

古い分子の集合体は．山車のようで. m R t JA分子の末端にかみ合い．アミノ酸をもった

tRN A分子を捕らえ．そのアミノ酸をつなぎ合わせて新タンパク鎖を作りながら . mR NA 分子・に沿って進む（ F i g・1-10 。 ）

1つのタンパク質に対応する遺伝’情報領域を遺伝子とよ 1 3 ¥ DNA分子は一般に巨大で．何千ものタンパク質を指令する情報を担っている。DNAの会 .t'~~J;配列のうち．小さな領域がそれぞれ mRNA 分子に転写され．各領域が別々のタンパ

ク質を指令する。 このような DNA領減の lつ lつ が遺 伝子 （ gene ）である。植物や動物の

F i g .1-9 遜 織 RNA 。 （ A）アミノ酸のトリフト

ように複維な細胞では. 1つの DNA領域から1 1 伝写される RNAが何通りかに加工され．何

ファンに特異的芯 t R N A分子。 t R N A分子の一端

( i j 倒になるが．一般的には DNA. J ] , U J ;配 通りかのタンパク質ができることもあるので，活は f

< l : にはトリフ トファンが結合している。｛也端に l

トーまりタンパ 列の指令で生じる lつのタンパク質とその変化で生じるタンパク群（ RNAでJ

3個一組のヌクレオチド配列 CCA （トリフ トフ

ク質を作らない泊伝子の場合 は単一の触煤 RNA分子や椛J i iRNA分子）に対応する領域を

ァンのアンチコドン）があり，この配列がメッ センジャー RNAの中のトリフ トファ ンのコド

遺伝チと定義する。

e x p r e s s i o n）は淵節されている。綱l J包は．イノFり ／J _ ¥ 細胞内では．個々の逃伝子の発現 （

）トリフトファンの t R N A分 ンを識別する。（ B

せるタンパ ク質をいつもすべて全力で作るわけではなく．必要に応じて逃伝子 ごとにその

子の三次元偽造。（ A）では．コ ドンとアンチコ ドンが.DNA二短うせんの 2： ＜ $ ： の 鎖 （F i g .1 -2

転写と倒訳の速度を調節している。 タンパク質を指令する領域の問には調節 DNA( r e g u l a -

参照）と問機に．逆平行であることに注意。こ

或に特定のタンパク分子が結合して転写速度を同所的 t o ryDNA）があり ．これら非翻訳領J

のため．【 RNAのアンチコドンの配列は右から 左へ. mRNA中のコドン｜喜左から右へと読まれ る 。

アミノ酸 ／ （トリフトファン）

、

AMmプ ン ン 合 ＼

がのトのに

A lCIL C

崎山川トフコ、

町 、 司 −

Nm リ ア ド 陪 ＼

持契約な t R NA分 子

J

し 一 一 一一 一 一」 アンチコドン

L一 一 一 一 一_ J mRNA中のコドン ( A )

全体として ’アミノ酸はアミノ酸を 指定するコドンによって選択される

アンチコ ドン ( B )

8

1 細 胞 と ゲノム F i g. 1 10 仕事中のリボソーム。（ A）リボソームが mRNA分子に沿って動き．働く ようすを示す．リポソームは. mRNA中のコ ドンに対合する t R N A分子をj 僑らえ．そ

伸長中のポリペプチド鎖 アミノ酸をつけ

第 1段階

／

れを用いてタンパク鎖にアミノ酸をつり加える。こうして mRNAによりアミノ酸の 1

B )mRNA分子（橿色の小球の述なり）に沿って動く細白のリボ、ノーム 配列が決まる。（ の三次元縞造（薄い緑色と青色の部分）.I 偏促から解政までの過程の笛段階にある 3

たt RNA分子が

、： ノ

−、、 2

入ってくる

3

個の t R N A分子 （ 黄色．緑色．紅色）も示してある．リボソームI ; ! :5 0個以上のタンパ ク貨と RNA分子との巨大な集合体である。 （B ；図版挺供.J o a c h i mF r a n k ,Y a n h o n g L 1 , R a j e n d r aA g a r w a l ) 第 Z段階

リポソームの 2つ のサブユニッ ト

，1

／

2 − ー−3 4

に制御する （ F i g.1 1 1）。 J . I ；制以 DNAは この ほ か に も あ り ． そ の一 例は．側々のタンパク 句

t ' lを 指 令 す る t i ' i 報 の! l f i . i . ' ！ ：と終.＇.＇.（を示す句読点である の は やf i ' I J 1 ￡ は＇＇＇・物の極によ

。i 部 ！ 日 目 DNAや そ の 他 の . J I； 制 決 DNA

って 大 き く 異 な る が ． 基 本 的 な 立 必 は 共 通 で あ る

細 胞 のゲノ

ム（ g enome）.すなわち. DNAの全溢基配列に含まれる遺伝間報の総体は．このように． タ ン パ ク 質 のt ! J ' tを 決 め る だ け で な く ． そ れ ら を い つ ． ど こ で 作 る か も 抗 令 し て い る。

第ヨ段階

、 、

／

~

1

4

生命は自由エネルギーを必要とする 細胞は化学、I＇－衡からかけ離れた動的化学系である 。 細胞が成長し l'.:J 分と l•i］じ紛j)J包を新たに

作るには. J~.i l l J Iか ら材 料 と と も に ' 11 1 J : 1 エネルギーを取り入れ．作成反応をj 止めなければな らない。 1'1 1 1 1エネルギ－ ilH~ は生命の，！，~本であり．これが l ト．まれば細胞はj災れて化学：平衡 第 4段階

に向 かい. ~ビんでしまう の

. i l ' . tl ぷ ・ t i ' l t . 1 ｛も使命の J 島本だが.1 1 可 才； ーは ど う か か わっているのだろう 。間 報 の 伝 捕 に は 1 ' 1 1 11 エネルギーが必裂である

、 、

／

4

た と え ば lピ ッ トの間報を規定する．つまり. l•iJ じ確率で

起 こ る 2つ の 状 態 か ら lつ を選 ぶ に は ． 一 定一 祉の 1 ' 1 1 1 1エネルギーが必裂であり， n ・ 1 ）：もでき る。 両者ーの I l］の定治的関係には深い立味があり．第 2i ＇戸で述べるような

γli l lエネルギー”

という川加の正確な定義が必~：だが．基本概念は 11\!1主的に JI！！併できる 。

網 I I ） ］ 包l " Jの 分 T -は ． 然 エ ネ ル ギ ー を も ら った 物 体 の 集 l ・ lだ と 忠 え ば よ く ． ラ ン ダ ム に 激しく励き 1 1 1り ． た が い に ぶ つ か り 合 っている。 . i l ' . t伝 的 慨 を DNAと い う 形 で 胤 定 す る に は．この mm から分 fーを捕まえてきて．既存の鈎 Jt~ で決まる ~（［併に並べ．

第 1段階

，， ，

しっか り つ な が

なければならない 。 分子を j)fl＼~ l 二の適 切 な 場 所 に 保 持 し た り分 子 ど う し をつ な いだりする

1 Eしく丈犬な車，＇；イ？を 1 ( 1 （ 尖に作る

ために必 ~・なのである。 分 ｛－ をパオ、 仕掛けのわなにたとえ．所定の·HI T に II ＼ 会うと車内令し

よ り 宏 之 な 低 エ ネ ル ギ ー 状 態 に な る と 考 え て も よ い。 こ の と き ． 分 Tに 訴 え ら れ て い た エ

( A )

I 'lhエ ネ ル ギ ー）は 餅 欣 さ れ． 熱 と な って 放っ て いく 。 わながパチンと閉じたと ネルギー < f . 1 伐されるのと同じである き ． パ ネ の エ ネ ル ギ ー がW

細 胞 内 で の 的 秘 伝 述 のJ 主総となる化

午過 N はも っ と復雑だが．．．秩） j•；；の生成には白山エネルギーの fl'i1~ が必虫？”という ｝J；〔君！は同

じである こ の よ う に ． 細 胞 はi l l伝的判i を忠実に銀製するにも．イ l ：織と・ おりの桜紙な分子を作 るのにも 1 ' 1 1 1 1エ ネ ル ギ ー が 必 裂 で ． 何 ら か の か た ち でそ れ を ） ， ＇i ］ 聞 か ら 取 り入れ な け れ ば な らない

すべての細胞は同じ基本構成単位物質を扱う生化学工場である 細 胞は DN A.RN A. タンパク t iを作 り． こ れ ら の｜〔大分

ノ

r は そ れ ぞ れ 共 通 のf 1 I ' J l 1 父l l i . 位. l 洋

か ら で き て い る。 このため網｜ ｜胞は. l j i 収I . f ヌクレオチド．ア ミノ阪な ど の 似 通った 小 分 チ

Sl tRNA

／

Jに よ る 秩 序 破 壊 効 採 に f 底抗するだけの強さが梨ぶされる。 この過 た め の 結 合 に は． 然巡［Q れでは ｜’ 1111 エネルギーがil'J7~ される 。 自 由 エネルギーは.

次のアミノ 酸をつけた i i iしい

( B )

9

地球上の細胞が共有する特徴

! I W 1と．それらの合成に必援な物質をイIし．働かせなければならない。たとえば． リン酸 ア デノシン 三 リン椴［ a d e n o si net r i pho s pha t e ） ］ は DNAと 化 ヌ ク レ オ チ ド である ATP （

RNAの椛成単位として必必である。そして． このう・ ｝− ｛はいろいろな化学以応を j 止めるた めの「l 1 1 1エネルギーとリン般必の i ! ! !び手としても．あらゆる細胞で作られ. 細胞はどれも大きく凡れば似通った化学 i ；場といえるが．小分

H ' mされる。

r の取り扱いはさま

ざまで．そこに的~l を十I ！う 巨大分子のように血友衡な J~:illi性を見る のはむずかしい。 純物は．

O l i' I iな栄必素だけあれば．太陽光のエネルギーを平j l 川して l ’ l 分で使う小イ｛機分 r のほとん す。動物などは．ほかの生物に依存して＇ ＇ ＇ ・ き て お り．行機分 どを作り I＼

r の多くを既製品

として取 り入れる 。 こ の ｝ . ＇ .（ については改めて述べる。

すべての細胞は細胞膜に包まれており．栄養素と老廃物はそれを通過する必要が ある 網Ill泡すべてに J~ 泌する約三徴が少なくとももう l つある 。 細胞膜 （ pl asma

membrane）で閉ま

れていることである 。脱が選択的な障壁として働くので．制J 包 （; l : } . ' i ] l ! l lから栄必ぷを集めて

i 段紛し. I ’ i 分で使うために合成した物質を保ちながら名ガt 物を羽H J＼できる 。網｜｜胞I I 英なしに は．調II胞は調平11 のとれた化学系としての~を保てない

この肢を形成している分チは疎水性（ 水に浴けない）部分とおt 水

t u水に治ける ）部分

n

amphi ph il i c ）という l j . l 純な物期化学特性をもっ か ら な か 両 税 煤 二（

このような分子を

水 ii· に ir.'. くと n 然に凝集し昨~水位の部分がたがいに~り添っ て木を避ける・ li. 務lA1 0

個の反応をそれぞれ別の酵紫が触媒する。反応 4では六炭糟が分裂して三炭継が 2個できるの

で，これ以降，分子数は 2倍になる。反応 6か

OH

固

あとで見返りの あるエネルギー

ら解箔のエネルギー生成段階が始まる。初期の エネルギー役資段階では 2分子の ATPが加水

役資

反応 1

寸

89

分解されるので．正味ではグルコース 1分子あ たり ATP2分子と NAD H2分子が合成される（ パ ネル 2-8も参照）。

国

寸

反応 3

＇~H

フルクトース

1 , 6 − ピスリン厳

戸1

六炭穏が 2倒の 三炭穏に分裂

反応5

2分子のグυ セル アルデヒド 3 − りン酪

C卜1 0

Cト10

C卜1 0卜｜

C卜10 ｜ ト

C卜 1 2 0 p

園調寸 固

反応 6

←→

反応 7

ト 園調

ト回

反応8 反応 9 国

←寸

2分子の ピルビン酸

反応 1 0

ト 回 oo-

c o o -

仁

C=O

C= O

CH3

CH3

エネルギー生成

解 ね ！f に分千状Mぷ・は使われないが.NAO＋がグルコース分子由来の炭素から 7 伝子 を 取り去る （ NADI 1ができる ）ので際化が起こる。 この 反 応 は 段 階的に進み．般化エネルギ ーは小さな比として放 I l lされるので．エネルギーのすべてが熱とな ってしまうことはなく．

i g .2-69参！ ！ 日） 。 つまり．再変化で生じるエネルギ 多くが活性巡搬体分子に取り込まれる（ F ー の － ~II は. ADPと P；から ATPをi j ＼ 筏 合 成 す る のに似われ．一音Iは高エネルギ−

n : t子 述

搬体である NADH に屯子として孫え られる。

W fね！？で1立．グルコース l分 − fあたり 2分 チ の NADH が生じる 。 第 14j'立で述べる ように．好気ti：生物 （／｜ミ きるのに分チ状椴紫が必~ な ~le.物）では これらの NADH 分チから

1 託子伝 述 系 に ＇ i i i− − （が 波 さ れ，NADHは NAO←に反り ． ふ た た びW f 糖に使われる （ p p .1 20

∼1 21 . パネ ル 2-8の 反応 6参

m o。

発酵では酸素なしで ATPが作られる ほとんどの動物細胞や純物細胞にと って．！ 切 羽I fは食物分子分解の序章にすぎな い。向革新で で きたピルピン般 は す ぐに ミ トコ ンドリアに足l ば れ.C02とアセチル CoA に 変わり ． ｛ 変

90

2 細胞の化学と生合成

者は完全般化されて C02と H2 0 になる。 しかし分子状阪 k~ を利用せずに成長し分裂できる多くの嫌気性生物にとっては．

解織が細胞の AT P彼仰の主要手段となる 。 これは．分子状酸素の誌が限 られた環境で働 き続けるある般の動物組織（たとえば竹係筋）にもあてはまる。 このような嫌気条件下では． ピルピン阪と NAOH の氾子は細胞質にとどまり．ピルピン酸はほかの物質に変わって細 胞から排出される。たとえば．搬送やパン製造に使われる商事付ではエタノールと C02に 変 わ か 筋 肉 で は 乳 般 に 変 わ る。 こ の 過 程 で NADH は 也 子 を 欣 し て NAO＋に戻る。 NAO＋の再生は解納反応を維持するために必要である（ F i g・2-71） 。

w経路を発 酵 （fermentation）という 。商業的に主主主：

このような嫌気的エネルギー彼

な酔母発防の研究で． 初 J U Jの λ｜ミ化学は大きく発展した。1 9世紀の研究の I N杭 の 末 1896 年には．この j f 1 税が＇ : f . 体外で網l l J 包i t l l I L ¥物を用いて研究できるという． 当I I 寺としては驚くべ き発見がな され．発両手過ねの側々の反応を別々に研究できるようになった。1930年代 に解 精系が完全につなぎ合わさ れたことは生化学の大きな勝利であり．ほどなく．細胞内反応

1も1 9 ］らかになった。 この務で述べる基本概念の大半はかなり における ATPの小心的役；1

T i l iにわかっていたのである。

(A ） 事L i i 量が作られる発事事

ムコ； c： 品

M

2也盟主

2Xピルビン酸

o ／ 、 c

／ 、 c

0

0一

0

H - C一OH

C=O

CH3

CH3

2x 乳 酸

( B ）アルコールと C02が作られる発陣

： 品コ； 〈

2出乙 2盟 国＋ 訓

： コ

2出 企E

Fi g.2-71 ピルビン酸の Z通りの嫌気分解経

路。 （A）強く収縮している筋細胞内のような酸 索不足の状態では．解纏によって生じるピルビ

2xピルビン酸

／ 、 c

ン酸が乳酸に変わる．この反応では．解績の反

0一

0

I

応 6 で消費された NAO• が再生されるが．経

路全体で得られるエネルギーは．完全磁化に比

~ HC=O

C=O f '

べるとすっと少はい• ( B）傍母のように嫌気的

I

｜ 2！ ！と H, H l ,

( j . ピルピン政l ( jアセトア に成長できる生物で l

φ

CH,

’

I2xアセ トアルデヒド

-

叫一OH CH3

2x

、

CO

2xヱタノール

ルデヒドを経てこ俊化炭素とエタノールに変わ る。この経路でも. NADHから NAO• が再生さ れ．島容積が引き続き起こる。（A） も （B ）も発醇 ( f e r m e n t a t i o n）の例である。

食物か 5のエネルギー獲得

解糖を見ると，酸化とエネルギー貯蔵を酵素が共役させるしくみがわかる がJ 節で. J~役反応を説明するために商事訟を”羽根車”にたとえた （ Fig . 2 -56参 ！ ！ （ ｛）のを思い 出してほしい。両手ぷー はエネルギー的に起こりにくい反応を起こりやすい反応と共役させ

mなエネルギー を得る。 ここではfljlf秘の反応で．共役反応のし

有機分チの般化を j j J ' jして布

くみをつぶさに見てみよう 。 月停戦時の＂＇心となる

2つの反応 （ 反応 6と反応 7）では． アルデヒド法を 2段｜併でカル

ポキシ基に際化し． 三 i ） 占 有f 1' 1 1l l J体であるグリセルアルデヒドシリン般 （アルデヒド）を 3 ー ホスホグリセ リン 円 安 （カルボン際. pp.1 2 0∼ 1 2 1のパネル 2-8参！ 日） ！ に変換する。 反応全 体 では卜分な ， . ， ， ， ， エネルギーが放出されるので.ADPは ATPに変わり ．アルデヒドから 2倒の ' i E 子（ およびプロ トン l側）が移って NAO＋が NADHになる。 さらに．爪J i l iには十

され．反応全体がエネルギー的に起こ りやすくなる ( J : i _応全体の l : ! . . G 。は− 3. 0 分な熱が放 11 k c a J / molである ） 。

党ましいエネルギー獲得のしくみを F i g .2-72にまとめた。 ｜ 買い，.の化学反応 この「l

r

i i l i iの俗説 に掛 1 j l j l i J体が強く結合する ことで正しく進む。F i g.2-72にふ 紛｜を示すよ は.2N ・） 主 は．反応性の− S H t~ によ うに． 1つ Uの両手議（ グリセルアルデヒドシリン酸脱水素静主 ってアルデヒドと恒寿命の共有結合を作り ． そのままの状態で NAO＋によるアルデヒド

I の酵素一基質結合 l ま無機リン際イオンで：n 換されて山エネルギ の酸化を触媒する。 反応で: H J体は 2つ 卜！の両手ぷ （ホスホグ ーのリン敵＂ IHIJ体ができ．これが醇索から離れる 。 こ の • I I! リセリン際キナーゼ）に結合し． この向車素は．できたばかりの日エネルギーリン般を ADP に渡して ATPを作る反比、 （ エネルギー的に起こりやすい）を触媒する。 これで． アルデヒ ドを酸化してカルボン般にする過程が完了する。 この際化i 品お！を詳￡ i . したのは．開手素の介在する共役反応によ ってエネルギーが）l ' j ＇ 蔵 される典型例だからである（F i g .2-73 ） 。 拘平織系で 1！！~機 リ ン般から n·~~~.・4エネルギー リン 酸料i合ができるのは l以応 6 と反応 7 だけであり ， そのがi井~.

I分チのグルコースから 2分

p .1 2 0∼ 1 2 1のパネル 2-8参！ ！ 日）。 子の ATPと 2分チの NADH が符られる（ p 合をもっ以比、 l j l j l l J体が生じると ． このように. ATPよりも尚エネルギーのリン敵対i ADPから ATPができやすくなる。 リン酸結合は．それを加水分解で切断する際に生じる

i i I エネルギ一変化（ δC ） 。の似によって順に並べられる。F i g. 2 -74では. ATP の lo＇~エ 様準「I ネルギーリン般紙水結合をほかのリン酸結合 （ 角柑I f 系で生じるものを含む）と比較しである。

生物は食物分子を特定の貯蔵庫に蓄える 細胞内の秩序を保つには. ATP/ADP比をつねに向く保つ必要がある 。 し か し 動 物 は た まにしか食物にありつけないし純物は夜 f 1 1 J . I Iがささず光合成で秘を作り山せない状況 F i 肪を特定のかたちに変えて務える を来り切らねばならない。 このため． どちらも糖や）]

( F i g .2-75） 。 動物は長J U Jの絶食を布l lうために．脂肪酸を 町水 に溶けないトリアシルグ リセロール

削） j 捕のかたちで主として専用の胎 ）！ 万細胞の細胞質に訴えている 。似 J U J J t i ＇ 成 からなる）J

mに

gl ycogen）として粉 は．グルコースが校分かれしてつながっている大型多新の グリコ ゲン （ を訴える 。 グリコゲンは． 肝臓や筋肉など多くの細胞の網JI｝胞質＂ I ~こ小さな !llJi.'f立として平f.(:1:

し．その合成と分解は．必! J : ! ：に応じですばやく調節される。 J f l l 流から取り込む食物分子か ら作れる以仁の ATPが 必! J : ! ・な場合．細胞はグリコゲンを分解してグルコース ト リン酸を 作り．これがグルコース 6−リン般に変わって解新系に入る 。

91

92

2・細 胞の 化 学 と 生 合 成

( A )

F i g .2 -72 解穏の反応 6と反応 7における工

ネルギーの取 り込 み。この 2段階の反応では アルデヒドのカルボン酸への酸化が. ATPおよ グリセルアルデヒ ド テリン酪

び NADHの生成と共役している。（A）反応 6で グリセルアルデヒ ドテリン酸（基質）と， ーリン磁脱水繋酵繁 グリセルアルデヒ ド3 （酵紫）のシステイ ン側鎖の・SH ~との 悶に共有結合ができる。醇紫は. NA O •

とも非共有的に結合する。

ーリン酸）と． はます．基質（グリセルアルデヒド 3 醇手軽（グリセルアルデヒド 3 ・リン酸脱水繁酵紫） の表 面にある− SH基との闘に共有結合ができ る。次いでこの酵素が守グリセルアルデヒド 3 ーリン酸か ら NAO＇への水疑の（プロトン

lf 図

と電子 2個から怒る水紫化物イオンのかたちで

s

の）転移を触媒する。この厳化により E 支出され

H- C - OH

る工ネルギーの一部は NADHの生成に使われ．

H- C一O H

一部は酵索と基貨の問の結合を高エネルギーの

グリセルアルデヒ ドテリン酸の酸化が 起こる。 プロ トン 1個と電子 2個 （ 水禁化物イオン， F ド i g j2 -6 0診照）が． グリセルアルデヒ ーリン酸から

①

CH2 0

' "

ト 阻＋

r − 区

NAO • に移って N ADH ができる。

アルデヒドの酸化で店 主出されるエネル ギーの一部は NADHに普えられ． 一部は E 事 紫と基質（ グリセルアルデヒド3 ーリン 酸）の聞の結合を高エネルギーのチオ エステル結合に変えるのに使われる。

H+

十

一 高エネルギー結合 C =O （ チオヱステル）

チオ工ステル結合（赤色）に変えるのに使われる。 費者軽量リン酸がこの高エネルギー結合に置き換わ

り 高エネルギーの糖ーリン酸結合ができる（赤 色 ） 。 この時 点 で 酵 緊 は エ ネ ル ギ ー を NADH に替えただけで是 正 くω エネルギー的に起こり や すいアルデヒ ドの酸化反応を．エネルギー的に 起こり にく い高エネルギーリン酸結合の生成と

H- C -O H

i g .2-56の・羽 共役させたことになる。首事繋が F

①

根車”のように働き．後者の反応が前者の反応

CHp

。

によって推進されたのである。

リン酸

。

~貨と醇繁の問の高エネルギー結合が無

筏リンE 量で置き換えられ．高エネルギー ・ピスホス のアシル無水結合をもっし3 ホグリセリン滋ができる。

OH

｜ ｜

反 応 7では生成したばかりの高エネルギー 糖ーリン強中間体. 1 . 3 −ビスホスホグリセリン酸 が 2つ自の酵素。ホスホグリセりン酸キナーゼ

HO - P • 。

に結合する。反応性の高いリン酸基が ADPに

11 0

移って A TPが生じ．酸化された胞に I d :遊磁の力

1 , 3− ピスホスホグリセリン政

C=O

ルボキシ基が残る。

H- C ーーOH

( 8）反応 6と反応 7による化学変化のまとめ。

①

CH2 0

l , r -鈴 、 f 民 ~

o

p

｜〕 P ~O HO ' -l ’グ0

c

態化エネルギーの多くが活性運鎗体の

H- C- OH 3 ーホスホグリセリン酸

①

CH2 0

( B)

ATPと NADHに替えられた．

反応 6と反応 7のまとめ

H

0

" c〆 I

HO

0

" c

回国 グ ) _ I

一 白一

酸化エネルギーの多くが活性運B 自体の ATPと NADHに笛えられた。

食物からのエネルギー獲得

0

0 ｜｜

回国

0叫んん P一0一

0

。

、 ／ ｜ I

高エネルギー 結合の形成

r m

写。− I

F i g .2-73 解 糖の反応 6と反応 7で，NADH と ATPを生成する共役反応の模式図。仁− H結 合の酸化エネルギーにより. NADHと高エネル

、 ／ ｜

ギーリン酸結合の生成が引き起こされる。；欠に．

扇エネルギー 結合の加水分解

高エネルギー結合の切断により ATPが形成され る 。

H

／ Cll

、 。

ー 削甘え品川川田凹

と

0吋 仲 ？ −σ

0

0-

写

I I

93

ADP

0

OH

、／

c

仁−H結合のE 量 化 エネルギー

一 一 一 ＋

反応 6

反応 7

反応 6と反応 7の総エネルギー変化l 喜 一3k c al / mol で．全体としての反応はエネルギー的に起こりやすい

o- 0 ~ ~ c ｜

叩＝ C ーフ↑~o『

エノールリン酸結合

カルポン酸との然水結合

ト l 2 0

' '

0

0

c-c ーフII~o-

← 61. 9 )

たとえば.1 , 3−ピスホスホ グリセリン酸 （ パネル 2 8参照 ）

( 49 . 0 )

」 メー

ー1 0 . 3

( 4 3. 0 )

s u e−U4e陸宮沢尚昆

− 、

− 4 一戸−

リン酪結合の種頬

-11 . 7

︷

クレアチンリン酸 （筋肉中でエネルギーを 貯蔵する活性辺自由体）

たとえば.ADPに加水分解 されるときの ATP

リン酸ヱステル結合

ー1 4 . 8

"

-/-h~：：r1r0-

リン僚との 無水結合 ｛リン酸 然水結合）

ホスホエノールピルビン殴 (pp .120 ∼1 2 1の パネル 28参照）

3E

H2 0

クレアチン リン磁の リン酸結合

0 ｜ ｜

-10

ー7 . 3 ( 3 0 .6 )

5

たとえば，グルコース

6− リ ン酸（パネル 2 -8参照）

3 . 3 ー （17. 5 )

化合物の例と．そのリン酸筋合が 加水分解されるときの練潮自由 エネルギー変化（a G " )

。

F i g .2-74 リン酸結合はそれぞれi l iうエネルギー をもっ。左列の分子中に．さまざま芯リン酸結合の例を加水分解部位とともに示した。 灰色の炭素で始まっているものは分子の一部分。右側には．左のリ ン滋結合を含む分子の例を加水分解の自由エネルギー変化（単位は k c a l .

d :k J）とともに示した。第一の分子のリン酸結合の加水分解の療準自由エネルギー変化（nG"）が句第二の分子のそれよりも大き忽 かっこ内I 負の値をもっ忽ら 第一の分子からリン陵墓が転移して第二の分子ができる反応はエネルギー的に起こりゃすい。たとえば. 1 , 3−ピスホス ホグリセリン磁のリン酸基は容易に ADPに転移し.ATPができる。加水分解反応は．リン酸還が水に転移する反応とみなせる。

94

2・細胞の化学と生合成 F i g .2-7 5 動物細胞と値物細胞における穏と

脂肪の貯蔵。 （A）纏の他物における貯蔵形態で (A)

あるデンブンと動物における貯蔵形態であるグ リコゲンの偽造。両者ともグルコースの重合体

肝細胞の細胞 質にあるグリ コゲン頼粒

で。分阪点の現れる頻度が遣うだけである（黄 色の部分を下に鉱大してある）。グリコゲンの 肝細胞 ほうがデンブンよりも分肢が多い。 （ B） の細胞質にあるグリコグン頬粒を示す需子顕微 鏡写真。（ζ）抱物細胞の葉緑体の切片。葉緑体 での生合成の結果デンプン穎粒と脂質（脂肪 滴）が蓄積されたことがわかる。（ D）脂肪滴（赤

分厳点

グルコース構成単位

く染色）が動物の脂肪細胞にたまり始めたとこ ろ。（写真提供 B ;R o b e r tF l e n e r i c k ,Dani e lS F r i e n d .C ;K .P l a s k i n .D ;R o n a l dM .E v a n s ,P e t e r T o t o「 1 o z )

1~Im

( D )

o--OH

l

液 胞

( C )

細胞鍵 L一 一 一 一一 一J SOμm

1μm

脂肪 （ fat） はその貯蔵効率の ~·：j さゆえ．動物にとって民的 にはグリコゲンよりもは

るかに； ! f i : ' i t ・ な貯蔵減とな って いる 。 グリコゲン lgを酸化 して符られるエネルギーは． 同 誌の JJ行！！万 の場合の半分であるうえ 目

JJ行JI方 と~って大；止の水が結合 してい るため ．脂肪 と ！日l

i i lのエ ネルギー貯蔵には．脂肪 の 6怖のす〔此が必袋 となる。平均的な，， : x 人は． グ リコゲン を日常所助の約 i日分 し か1 答えていな いが. J J 1 1 ) 1 / jはがJl：か月分も干存えている。 この燃f ' H 貯 蔵をグ リコゲンで代行したら 体 重 は 30kg近 くも . w 1 えてしまうだろ う。 ttf［物は光合成によ って NA D Pl-l と ATP を作るが．そのための専川細胞小 ~ifH.

葉

緑体 はどちらの活性運搬体も通 さな いj 供で凶 まれ．細胞のほかの部分とは附てられて いる。 さらに刷 物 に は 級 の細胞のよ うに紫紺体 をもたず自分では糖を作 り1 1せ ない細胞も多数 ある。 そこで柏物は．業縁体でできた; j j , l fをイ何人l の令細胞の ミ トコ ンド リアに送る 0 f j l （物が

食物か 5のエネルギー獲得

F ig .2-76 値物細胞の代謝に必要な ATPが作

C0 2

C0 2 02

95

られる しくみ。俗物では ． 葉緑体とミトコンド

・・

・ 4

ミトコンドリア

⋮｜←回

-

リアが協力して細胞に代謝産物と ATPを供給す ' . 主参照）。 る（ 詳細は第 14j

代倒産物

必要とする ATPの大部分は. ~1：光合成生物とま っ たく同じ粉の般化的分解経路によ っ て ミトコンドリアで作られ．細胞内の別の場所に送られる （ F ig .2-76） 。

I lに．生成した紡の一 部が脂肪やデンプン 葉緑体では昼間．光合成能力が過剰な ! ( s t a r c h . グルコースの重合体で 動物のグリコゲンに似たもの）に変わる。植物の脂肪も ．

動物と同様にトリアシルグリセロールだが．主体となる脂肪阪が災なる。脂肪とデン プ ン 音い問のエネルギー源となる （ F i g. 2-75C参 m o。 はどちらも策緑体に寄与えられ.I 植物種子のl 庄は．発芽して楽を広げ太陽光のエネルギーを利用できるようになるま

! l l l l l . l 財政エネルギーで生きなければならないので．鶴子は大i 1 k の脂肪とデン プ での長いJ ンを蓄えている ことが多く ．ヒトを含む動物にと って重要な食料とな っている （ Fi g .2-77 。 ）

ほとんどの動物細胞は．食事と食事の聞に脂肪酸からエネルギーを取り出す 動物は食後．必嬰なエネルギーを食物由来の税i から I J I .り出す。過剰の秘があれば．減少 し たグリコゲンの補てんや脂肪の合成に使うが．脂肪組織に務えられた脂肪はす ぐによ びI I ¥ され．絶食している夜間は脂肪酸の酸化で必裂な ATPの大半を生み出す。 邸中のグルコースレベルが低いと脂肪の分解でエネルギーが作 られる。Fig.2-78 に示すように．脂肪細胞の脂肪前i に訴えられたトリアシルグリセロールの加水分解で脂肪 酸とグリセロ ー ルができ．脂肪鮫は Jfll流•＋• にl放出されて体内の網ll JJ包に肌く 。 動物は梢を簡

単に脂肪に変えられるが．脂肪を糖には変えられない。その代わか

J J 則的般を前接自主化で

きる 。

7

F i g .2-77 樋物の種子はヒ トにとって霊要な 食料とはる。 トウモロコシ．木の実．豆には． 種子の中の若い 目玉にエネルギーと生合成の材料

を与えるためのデンブンと脂肪が大混に蓄えら nne s れている。（図版提供。 JohnI F o u n d a t i on)

2‘細 胞 の 化 学 と 生 合 成

千・ ⋮

96

F i g .2 7 8 動物体内で雷えた脂肪が移動して エネルギーを作るしくみ。血中のグルコースレ ベルが低いと脂肪鴻中のトリアシルグリセロー ル分子が加水分解され．脂肪酪とグリセロール

一一一血 流

＜！：血流に入り．鐙密な血汲タ ができる．脂肪酸I ンパク血清アルブミンと結合する。筋総飽砿

脂肪細胞

ど．脂肪磁を酸化する細飽の般にある特定の脂 肪酸車輸送体が．脂肪酸を細胞質に取り込む。脂 肪酸はミ トコン ドリアに移動し白エネルギーが 筋細胞

一寸

~

作られる（F i g .2 8 0訟目的。

• C0 2

m

糖と脂肪はどちうもミ ト コ ンドリアでアセチル ζoAに分解される 好 気 代 議では．列車家制 I J 包 の 細 胞 質 でj 狩糖により生じたピルピン般はミトコンドリア

( mito chond r i o n）に移り. 3 f l T （ 鉱i の 醇 ＊か ら な る 巨 大 な ピ l レピン俄脱水 ぷ・ J ' i fぷ−似合体（ pyruv a t ed e h y c l r o g cna s ecomp l e x）によってただち にJ J R . 炭 般 され. C0 2i 分子 （！f~~：物）. NADH 1 分 子 ． お よ びアセチ ル Co A をL じじる（ F ig .2-79 。 ）

J f l流から取り込んだ脂肪酸も． ミトコンドリアに移動して般化される （F i g.2-80 ）。 A〔 f a t t ya c y lCoA］として）． 反 応 回 路 を 例々の脂肪椴分列ま （ 活 性 分 子 の 脂 肪 敵 ア シ ル Co I周 す る た び に カ ル ボ キ シ ル 末 端 か ら 炭 素 を 2例 ず つ 切 り 取 ら れ ． 完 全 に 分 解 さ れ る。l 周 ご と に l分 子 の ア セ チ ル Co Aが 生 じ .NADHと FADH2も l分子ずつ生じる（ F i g .2-81） 。 急時と JJ行l仰は．

ヒトを合む大部分の非光合成生物にと って i： ~なエネルギ－ i原である 。

し か し 今 述 べ た 2j 凶りの反応だけでは．糖と！脂肪の際化によ って引き I ll せるイ1 m なエネ

リポアミ ド還元醇繁・ アセチルl 3 転移慨無 の三毘体が 8個

ジヒ ドロリポ酸脱水紫醇繁 二置体が 6個加わる

ピルビン酸脱炭酸M繁 2個加わる 二毘体が 1

F i g .2 7 9 ピルビン酸の酸化によるアセチル Co Aと C0 2の生成。 （ A）ピルビン酸脱水祭器事

m

手軽復合体の州造。この 合体 I d :60個のポリペ プチド鋭から芯る大型の復合苦手紫系で．反応中 崎体I d :lつの酵糸から血縁．次の醇5 憶に渡され る. At 五細胞では．この復合体I ＜ ！ ： ミ トコンドリ

B ）ピルビン酸脱水紫醇緊復合体が アにある. C

( A )

ぺO λ 穴V?.¥ γω

【I I

行う反応．この復合体は．ミトコンドリアのマ トリックス中でピルビン酸をアセチル仁oAに 変換し岡崎に NADHも生成する。 A . B . ζ l < l : ( A ) に示す 3l 亜類の務索で.Aはピルビン酸脱炭酸 酵紫（ p y r u v a t ed e c a r b o x y l a s e ) . Bはリポアミ

l i p o a m i d e ド還元酵紫ーアセチル基転移醇潔 ( ） 。Cはジヒドロり ; f l r e d u c t a s et r a ns a c e t y l a s e 酸脱水寺 寝 静紫 （d ih y d r o li p o y ld e h y d r o g e n a s e )

( B )

包但ニE国 ＋Hφ

である。3f 血矧の砂採I d :ここに示すような連鎖 関係にある。

97

食物からのエネルギー彊得 細胞膜

ぺ 之 主 乙→→ 山 ピ ン 酸j j r →ピ ル ビ ン 磁＼ アセチル CoA

I

脂 肪＋

脂肪酸

亡三？

• -:::::u::;で

~ ~

，1，~~

／ ノ

‘ 同日

ミトコンドリア 細胞質ゾル

F i g .280 糖と脂肪かうアセチル CoAが作られる経路。真核細胞のミトコンドリアは．施と脂肪の双方の分子からアセチル Co Aを作る

i 易所である。ここで細胞の酸化反応の大節分が起こり.ATPの大部分が作られる。ミトコンドリアの偽造と綾能｜ま第 1 4扇で詳しく述べる。

ル ギ ー の大 部 分 は ． ま だア セ チ ル CoAに 1 r ；：泌さ れ た ま ま で あ る。 H気 性生 物 の エ ネ ル ギ 一代謝にと ってfはも大・J~ なのは．アセチル Co A の ア セ チ ル J J fを C 02と HzO に 酸 化 す る

叫路なのである 。 災被細胞では．これらの反比、はすべてミトコンドリアで起こる。 ク エ ン 般l j， 好気性紺l こ の た め ． 動 物 細 胞で は ATPの ほ と ん ど が ミ ト コ ン ドリ ア で作 られる。 −｝

F i g. 2-81 脂肪酸の酸化によるアセチル Co A

l 省の剣 J I 包には細胞質 しか な い ので ク エ ン 般 1 1 1 1 J r nの 以 応 も そ こ で 起 こ る。

の生成。 （A）細胞質中の脂肪滴の母子顕微鏡写 真（上）と．脂肪の構造（下）．脂肪はトリアシル グリセロールで．青色で示すグリセロール都分 に 3値の脂肪酸が工ステル結合で結合している。

ク工ン酸回路はアセチル基を C0 2に酸化して NADHを作る

脂肪｜ま水に湾｜ブす．大きな脂肪滴となって専門

1 9世 紀に生物学者は．調l l J 包はセ公がないと （ 嫌 気条 件 ）:FL~ （たとえば筋肉の J ° ） ；合 ）やエタ

の脂肪細胞内に讃えられる。（ B ）脂肪酸酸化回

1 ' i ' 1 ' 1して C02と ノ ー ル （ た と え ば 静 り の場合）を作り. 'l~公があ れば （好気条件） 02を 1

路。ミトコンドリア中の 4~.通類の酵紫が回路の

Hz O を作る こ と に 公 づ い た。 こ の 好 気代 減 の 経 ! W tを5起き I i 二めようと．

反応をl 頃醤に触媒する。回路を ll 司するたびに

ピル ビ ン 酸 の 酸 化

脂肪酸鎖は 2炭素すつ（赤色で示す）短く怒り．

過 程 を 集中 的に研究し. 1 937，， ，， に ク エ ン 酸 回 路（ c it r i ca c i dcy c le . トリカ l レボン椴凶路 ［ t r 卜

アセチル ζoAが 1：分子と目 NADHと F ADH 1が 1：分子すつ生じる。 FADH 2の織造 l c l :F i g .283B

に示す。（ A：，写真提供’ Danie l S .F r i end) ( 8 )

脂肪酸アシル CoA

c ー ＼

R- C H、 ー Clも 一 ／ “

仁出 −

5-CoA

炭化水紫の尾l l 6

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脂肪酸アシル CoAが 2炭素

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アセチル Co A

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エステル結合

田 園 出自 +H令

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R- C Hz c , -( ／ ＿ 人 目 . 1 . 5-CoA 日

／ ／

0 Cll , -0Cー 炭化水繁の忠節

0

98

2 細胞の化学と生合成

c a r b o x y l i ca c i dc y c l e］.クレプス阿路 ［ K r e b sc y c l e ］ともいう ）が発見された。クエン般 1 1 1 1路は．

1 i終生成物は ほとんどの細胞で炭素化合物般化の金行税のほぼ 3分の 2を担う 。 おもな 1 C02と. NA DH に取り込まれた ~·:iエネルギ－ 'i!J'.T である 。 C02 は廃棄物として放 111 され るが. NADHの目玉エネルギー屯子は股内の H i チ伝i 主系 （ 第1 4i ; : t）に波され．以後は 02と 結合して ト120 となる 。 クエン敵閉路 l~I 身が 02 を使うわけではないが.

1 1 1 1路の進行には

02が必裂である。NADH から屯子を取り去り. 1111路を 1111 し統けるのに必~な NA O ＋ を再 生するには．これしか効率的な方法がないからである 。 クエン般回路は．兵核細胞のミトコンドリア で起こり．アセチル Co A のアセチ J レ 基の決ぷ）J~（＋を完全に酸化して C02 にする 。 アセチル ），~ は 1立接酸化されず．まず 4 炭紫

分子であるオキサロ酢般 （ o x al o a c e t a t e ）に移 って 6以ぷ・ のトリカルボン酸であるクエン隊

( c it r ica ci d）を作る。 これが回路の名前の r l t来である。 クエン般分子は徐 々に般化され． この際化エネルギーを使 っ てエネルギーに1~＼＇ む前fl：巡搬体分子ができる。 1111路は 8 似iの 反

応からなか以後にオキサロ酢酸が再生されて次のサイクルに入る。概略を F i g .2-82に 示す。 クエン椴阿路では.f i l j 述 。 ＇ . ） NAD+-NADH対 （ Fi g.2 -6 0参照）を含めて 3 , f i [ （類の1 首 位巡搬体分イ−が生じ 同路を IJ~i] すると NADH 3 分子のほかに， FAD から FADH 2 ( j 泣元 型フラピンアデニンジヌクレオチド） l分子. GDPから リボヌクレオチドの GTP（ グアノ シン三 リン般）I分子ができる 。 これら 2種類の前t i :述搬体分チの構造を Fi g .2-83に示す。

GTPは ATPによく似てお り．回路の l周ごとにぶ端のリン際基を ADPにi 皮して ATPI 分子を作 る。FADH 2I ま . NADHと同様．山エネルギ−＇；［ 後で述べ るように．転砂しやすい i ・ : iエネルギ−

1 チと水素の運搬体である。すぐ

mrとして NADHや FADH2に訴 え られ

たエネルギーは．際化的リン際化 （ ox i da t i v ep h o s ph or y l a t i o n）による AT P合成に使われる。 酸化的リン般化は．食物の酸化的臭化のうちで大気＂＇

の椴ぷ （ 02 ）を必裂と す るl f 主 ーの過

松である。 パ ネル 2-9 ( pp.1 22∼ 1 2 3）にクエン際凶路の全符を示す。 クエン西空同断に入 った アセチル必を C02にするのに必裂な酸素原子 は．分 f状 R 安楽ではなく水から供給 される。 パネルからわかるように. I問ごとに 3分チの水が分f f J ! f .され．その酸素の一部 が C0 2に入 る。

0 ｜ ｜

H3 C- C -5-CoA アセチル仁oA

叩

酸 λご~ 6C 応 ；8 ＆~2

γ ＼

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＼＼

~＞t~•H'

反応 7

＼

" i二斗 一 仁 ： 反応4

(

全体では．回路を 1周するごとに NADHが3分子.GTPが1分 子 ． FADH2 が1分子生じ． 仁o， が Z分子E 支出される

2 8

Fi g .

ク エ ン 酸 回 路 の あ ら ま し。 回路はアセチル Co Aとオキサロ酢磁

の反応で始まり ． ますクエン滋ができる．回絡 02が2分 を 1周するごとに．廃棄物として C 子生じるほか，NADHが3分子. G TPが 1： 分 子．

F A DH2 が 1： 分 子生じる。各中間体のE 使者宅原子 数を爽色で示してある。詳細はパネル 2 9( p p . 2 3 ）参照。 1 2 2∼ 1

食物からのエネルギー獲得

H

・l l i m m

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OHCNZ

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GDP ( A )

99

→− ｜ C - OH H - Cー O H H-C-OH ( B )

ピルピン般と脂肪酸のほかに．アミノ般の一部も細胞質ゾルからミトコンドリアに 人り．アセチ 1 レCo A か．クエン酸回路の中間体のどれかに変化する 。つまり真核細胞では． : j : J . l f .J j f r J l J j'タンパク質のいずれからのエネルギー独特経路も．

ミ トコンドリアに集まって

くる 。

H2C-O-P

也旦 F i g . 2 ・83 GTPと FADH2の織造。 （A)GTPと GDPl < I : . それぞれ ATPと ADPによく似ている。 ( B )FAD カ トl e t . NADHや NADPHと同線． 水手 軽

クエン般川怖 と向革新は．オキサロ西j；~ ( oxal o a c e t at e ）や αーケトグルタル酸 （ α−ke t o -

）などの i l t: t : fな合炭素中 l : r J体 を 生み I＼すので＇ gl u t a r a tc

， ， イ ＿ ，t i ぷの I ＼ 発 点としても大切であ

f l lはミトコンドリアから細胞質ゾルに反され．ア る。 災化以応で生じるこれらの物質の−＇ − ；

と商エネルギー電子をi ! lぷE 量 級体である。ここ ：原子を に示すのは酸化型（ FAD）で．水紫を運，3

M色で示してある。

ミノ椴などの必須分子合成の前駆物質としていl 化反応に似われる （ F i g .2-84 ） 。

グルコース

「J

−−−−−−− ヌクレオチド

グルコース 6 ー リン厳 ---

！

フルクト了 ω ン磁

〆、

解穏

↓

セリン

アミノ警 積脂貝

｜ 穏タンパヨ

H Jヒドロキシ アセ トンリン政 H

脂質

ム

テホスホグリセリン酸

y

アミノ酸 ピリミジン君主基

ホスホエノールピルピン酪’

アラニン 九 一 一

J

ン酸

！ アスパラギン厳 その他のアミノ殴 プ リ ン 温 ！ ； ！

骨一一 オキサロ酢酸

t '

t

岡

／

蹴酸

＼

／

ピリミジン措ii~

2 品川

／ iクエン酸

/

、

F i g .2-84 解糖とクエン酸回路l e ! :.多くの軍要 1 J , 主主体分子の合成に必要な前駆物質を生み出す。

I

クエン厳 回路

1

r ケトグルタル酸

スん ニ ル ぐに＿＿＿／

＼必 諸

ここで生成物と怠っているアミノ酸．ヌクレオ

＇

チドー脂質．結．およびその他の分子f J，次に は細胞の巨大分子の前駆物質になる。図中の黒 い矢印は単一滋索による触媒反応を示し．赤い 草生成物を作るのに多段階の経路が必要な 矢印l ことを示す．

100

2 細胞の化学と生合成

細胞のほとんどの ATPは電子伝達によって合成される

飢タンパク

／

食物分 ｛－ の化学エネルギーの大半は．分解のJr~終段 l'Wで欣 If＼される 。 この過.f'1＇.で（j: ＇，正 ｛－述

搬 体 の NAD H と FADH2が． ほ か の 分 子 の 般 化 で 似 た ＇ 1 1 l了・をミトコンドリア ・J l λI ! 史（ F i g .

仁

1 4-1 0参 ！！ ｛ （）にある電子伝 達 系 （ e l e c t r o nt r a n s po r tc h a i n）にi 皮す。特定の＇ 1 ! 1− ｛受 ・' i f体 と 泣 f 供’j.{~，：が次々につながった 1伝子伝述系をたと’って .

麟

r nf はしだいにエネルギーのil~ぃ状態 ，

へ と 移っていく 。 この j t ¥ , f j ＼で屯チが欣 I l lするエネルギー で． ミトコンドリア 1 . 刊I の｜ 孟1 1 h jか ら外側へ肢を泊して H守イオン （プ ロトン）：がくみ｜：げられ. H＋イオン の j 皮！交勾配ができ

c

F ig. 2-85。 ） こ の 政 俊 勾 配 は 氾i 也の よ う な エ ネ ル ギ − i ぬとして． さまざまなエネルギ る（ －~ぷ1凶必 （ とりわけ ADP のリン般化による ATP の生成以応） を推進する

こ の ・ ，1f f ぷ述 の l r i後 l こ．屯子はミトコンドリ ア i 人l に 拡 散 した首長ぷ分子（ 02 ）にわた り. l•iJ 時に1.~1 1m の溶液 ij• のプロトン（W ）と 結合して水分子を形成する

これで1 伝子は松

低のエネルギーレベルに務ち．食物分子の店主化で . f ! J J l lできるエネルギーはすべて引き I I ¥さ

oxi d a t i v epho s ph o r y l a t i o n .F i g.2-86）は．網1 1 1 狗の網l l J J 包 れる。 こ の 過 机 酸化 的 リ ン 酸化 （

一

匹

目」

仁

｜

！ 院 でも起こる。 この : i t l.f~1＇.は． 細胞の進化に おける ｜ ｜覚 まし い成来の l つであり．的 1 4 1ト ＇：

A

−

H

心的，i , r ・ J l i jとして j以り ! : : I fる。 の＂＇

｛氏エネルギー電子

，

制j 抱は. I分 − ｛のグルコースを完全に般化して Hi O と C02に す る こ と で． 全 体 で

約 30分 − ｛の AT Pを作る。 こ れ に 対 し

F f .視庁だけで は l分 子 の グ ル コ ー ス か ら 2分

fの

ATPしか l ｝ ！られない。

F i g .2 8 5 電子伝遼反応によって肢の内外に H＋の漫度勾配ができる。高エネルギー電子（た

とえば代謝産物の厳化により得られたもの）

1 < t :.m置体 A .B . ζ を頗にわたってエネルギー

の低い状態に移る。この図で （J : . 逮綴体 B l ． 芯

アミノ酸とヌクレオチドは窒素循康系の一部である

m子が通過するときに .φ H をE 見の片方の函か

これま では炭水化物の代溺が寸1心で－~議ーや W!t ＆ の1 t ,/lt は取り 上 げてこなか っ た。 この 2

置で限内にあり. H・沼度勾配を生み出す。第

ら取り込み．反対側の菌からE 支出するよう芯配 つ の J亡ぶ・は． i[（~な μ 大分子の成分である 。 宅ぷ・と 1流 ＆の原チは可逆的な術m系により． 化~物 1111 で．また＇

' I : : 物とその環境との ! I l lでやりとりされる。

1 4宣言で述べるように．この濃度勾配は．エネ ルギーの鐙~なかたちの l つであり目これを利

分 ｛－状宅ぷ·（土地球大会L に ~.H•；に合まれているが．気体としては化学以泌'l'I: に乏しい。

用してほかの膜タンパクが A T P形成を進める。

これを窒繁固 定 （ n i t r o g e nf i x a ti on）という泊料でイ｛機分子に取り込める中物納はわずかで

iは一部の微生物が行うほか．稲 ) 1 _ ： 放H iとい った地球物理現象によ って も起 ある 。宅ぷ，，. ， ， ： . . こる

：できなかった は ず な の で これは生物間全体 この過ねなしには地球上に使命は存イ1

解I I でできた ピルピン厳

ピルピン殴

解舗でできた C0 2

NADH

02

F ig . 2 8 6 食物分子の酸化の最終段階。クエン 磁回路で生じた活性運級体の NADH分子と F A D ト i 2分子（図中には示さす） l < t :母子を供与し．

; ADP +P

アセチル仁oA CoA

その也子が霞終的には厳罰号気体を水に還元する

H2 0

のに使われる。これらの電子がミトコンドリア 内膜（または細菌の細胞殴）の電子伝淫系をたど

J : .A T P る問に店主出されるエネルギーの大都分I ミトコンドリア

合成を進めるのに利用されるので．酸化的リン 厳化とよぷ（第 1 4l ; ° ! 。 ）

食物からのエネルギー彊得

にとって i f i裂である。 しかし.; f J l イ子生物に合まれる S I 点化合物のうち．大気＂ ＇の宅ぷーがl 立

必須アミノ磁

媛同定された’1:1反物はごく 一 部で．ほとんどのイf 機;'Ik~ は生物!Ill を i的環したものである 。

トレオニン

つまり．現代の＊.ぷ｜川；江l 反応は. ~民家・の総供給日；に”仁積み”をしていることになる 。

メチオニン

脊 判 長! f i b 物l ま．ほぼすべての準点をタンパク 抗と核般の鋲取によ って得ている。 これ

1 0 1

リシン

らの巨大分列立体内でアミノ阪とヌクレオチド成分に分解され．そこに合まれる宅ぷ・を使

パリン

って新たなタン パク質や後 ~.さらにほかの分チを作る。 タンパク 1't に含まれる 20 純績

ロ イシ ン

のアミノ般のうち．約半数は脊微動物にとって必須アミノ酸であり（ F ig .2-87).ほかの

イソロイシン

j ( f 述のように． クエン酸凶飴 ＂! rl J l 体などの多 食物成分からは合成できない。それ以外は. j

ヒスチジン

様な J J ；（料から合成される 。必刻アミノ阪は純物などがエネルギーを大： l r Uこ使 う長い経路で

フェニルア ラニン

1 t成するが．この約路は r t -判t ! f O J 物への i l l i 化の際に失われた。

トリプ トファン

i t :なヌクレオチドは独 自の生合成経路で作 られる。 プ RNAと DNAを作るのに必 ' リン嵐），~ とピリミ ジ ン nu＆のすべてのさ立系（と 一 郎の炭素） は. :e~n：＇；なアミノ般であるグル

F i g .2-87 9稽類の必須アミノ酸。ヒトの細胞

タミン．アスパラギン~ .

では合成できないので食物として｝貝取する必

グリシンに 山 米しね＇fのリポースとデオキシリポースはグルコ

ースから作られる 。 食物として版取すべきヘ必、~Ji ヌクレオチド”はな い。 ’ t 合成に使われないアミノ般は際化 されて代謝エネルギーを生み出す。炭素J ； （ 子 と ； （ 了 ー は以後に C02と H2 0 になるが．宅茶店lfはさまざまに姿を変え.M: l をは以ぷ−と 水素J

1 1される 。 アミノ椴ごとにうも化のされ方は典なり．そのための一昨の両手ぷ反応が なって排 1 干 f 干 ：1 ：する。 地球卜．には両~＆が11止も R変化の進んだl流般イオン（So／－ ）のかたちで山口にイバ£し それを＇＇＇·物が使うには． 鋭化物 イ オン （ 52－） に~元する 必裂がある 。 52・ は．アミノ般のメ

チオニンやシステイン目 H u i 1 i tぷ A (Fig.2-62参m o .' i l ' . 子伝述に不可欠な鉄硫黄 ι ， ， 心（ F i g. 1 4-23参 ！！ 日）などの i f （ 必 な ＇ ＇ ＇ ・ 体分子の合成に欠かせない。綱 I I l 詣．閣類．他物にはこの滋元

過程が存イ1 ：し特定の両手ぷ鮮が ATPと巡元 ) Jを使って硫黄同化経路を作 って いる。 ヒト 流般イオンを i 虫疋できないので. ft謝に必要な硫~・を娘Jf.｛食物から獲得しな などの動物は 1 ければならない

代謝は組織化され．調節されている F i g .2-88 は解精系およびクエン椴凶路とほかの代i説経路の r~係を示すもので．これを見

れば．化学機械としての網！ ｜胞の複線さが！必じ取れるだろう 。 この市ではこの極の線l 立｜で代 謝を紹介してきたが．それらは細胞内のほんのわずかな隣家経路である。 これまでに汲 1 9 1 した代利作川 は ． 細胞の化学反応のごく −m ；にすぎない。 これらの j メ泌がすべて. 1 （筏 1 ＇ 0 .1m mにも 満たない制胞の 中で起こり ．それぞれ災 なる 両 手泌を必 ' i t :とする。F i g.2-88から わかる ように．同じ分子がいくつもの縦断のW t 成炭 素となる場介も多い。 たとえば． ピルピン般は半 ダース以上の防諜 ・ のj J i 1 ' (となり ．それぞ れ災なる 化中変化 を受ける。 ピルビン般をアセチル CoA に変える解説．オキサロ i r ＼ ： 般 に 変える両手ぷ＼ アミノ般のアラニンに変える両手指．礼般に変える両手議などがあり ． これらす べての経路が l~Alのピルピン般分子を求めて競争する 。 同級な競争が．ほかの何 千もの小 分子をめぐっていI l l 年l ニ繰り広げられる。 多剥l l J J 包 ＇I :物では さらに状況が彼雑である。細胞の組類が災なれば．必要な両手議l l Fも いくらか~ っ てくる

組織の純矧が撲なれば生物例体の化学現象への寄与も異なる。 ホ

ルモンや抗体とい っ た特定の生成物にも述いがあり．さらに．同一例体でも細胞の槌1£~ に よって”共通の”代溺経路に大きな~いがある

角革新．クエン般 J r ll f n . 脈伎の合成と分解．アミノ酸代謝にかかわる醇ぷはすべての イ ；1 ：するが．これらの過ねを必要とするねj 支は組織によって災なる。 たとえば．お 細胞にイf 此もえり好みの激しい事，，経細胞はグリコゲンや脂肪般を訴えておらず. J f li れ そらく体内で j からつねに供給されるグルコースのみで引きている。対照的なのは）f f 細胞で．的発に収紛

要がある．

102

2 細胞の化学と生合成

F i g. 2・88 解穏系とク工ン酸回路 l ま代樹の中

心にある．典型的忽細胞の約 5 0 0の代謝反応を 線図で表し．そのうち．島幸組系とクエン殴回路 の反応を赤色で示す．これ以) ' i . の反応l < I : . この 2つの主要経路に向かい．エネルギー生成のた めに異化される小分子を送り込むものか．この

2つの経路かう外に向かい．生合成に使われる 炭液化合物を供給するものである。

する筋綱｜ ｜ 胞にグ Jレコ ースを供 給 し 筋 細 胞 が 作 る手L 般をグルコ ース に戻している。 それぞ れが控J ! i ' Iの代 i 湖特性をもち．平常時も ．スト レスや飢餓に比、科するときも協力し介って い る。 こう説明すると ．系 全体 が非常に微妙なバランスを保つ必必があり．食物艇j伐の一時 的な変化 といった小さな変動でも刷れてしまう と思うかもしれな い。 しかし実際は．細胞の代謝バランスは鴛くほど安定である。バランスが乱 ； されると． 細胞は必ず元の状態に戻るように反応する。飢えにも病気にも細胞は順応し．働き続ける。

tにより反応経路が損傷を受けたり．失われたりもするが. 11訂正の必~ さまざまな突然変 Y 条 例：さえ I前たされていれば細胞は生きのひ’る 。 そ れが ”I 能なのは．日~J 御機構 （control mechani s m ）の巧妙な辿fj~ 網が．細胞のすべての反応の述肢を訓節し．調整し て いるから

である 。 こうした制御ができるのは．突き i 治めれば． タンパク質が問聞の環境変化 に応じ

' t質を変える能力をもつか らである 。 タンパク 質のよ うな大きい分 て れらの形状と化ヴ： 的I ( J l l [と．その； 0 1 . 1節の基になる化学的t i ： 聞は．次市で倣う 。 子が生成する J;

章末問題

103

まとめ グルコースなどの食物分子は制御された段階的酷化によって分解され．化学エネルギーが ATPや NA DHのわ、たちで得られる。そのために．解糖（細胞質で起こる）．ク工ン酸回路（ ミ

ミトコンドリアの内膜 トコンドリアのマトリ ックスで起ζ る）．および．酸化的リン醸化 （ で起こる）という 3つの反応群が順番に働き．各反応、群の生成物が次の反応群の出発物質 となる。解糖とク工ン酸回路の中間生成物は．代謝エネルギー源としても．生合成の材料 となる小分子の生成にも用いられる。細胞は糖の分子を．動物ではグリコゲン．植物では デンブンと して蓄える。また．動物も植物も．貯蔵食物と して脂肪を広く利用する。 これ らの貯蔵物質は，われわれが食べる細胞の乾燥重量の大半を占めるタンパク質とともに， ヒ トのおもな食料源となる。

章末問題

表 Q2-1 放射性同位体とその性質（問題 2-12) 軍大比放射能（ C i / mmol)

以下の記述の正誤を判断し．その理由を説明せよ。 2-1

試料rt• の放射能は半減期の 1 0 倍の時間後にはもとの約

L O O O分の lになる。 2-2

HCIの L0-8M i 制慌の pHは 8である。

2-3

巨大分子｜！日の相互作用の大半は共有結合でも非共有結合

1 4 ( 3 H 3 5 $ 3 2 p

9粒子 9粒子

5730年

日粒子 日粒子

1 2 . 3年 8 7 . 4日 1 4 . 3日

0 . 062 29 14 90 912 0

でも J 旦える 。 2-4

動物と純物は食物からエネルギーを l 政り出すのに再変化を

用いる。

c . 体主 70kgの人 （40Iの水を含む）は．法定J・ . 1 拠に述するまで

2-5

反応の ， ＿ ，で酸化が起これば． ， 辺元も必ずいっしょに起こる。

に 355mlびんの 5%ビー ルを何本飲めるか。 た だ し エ タ ノ

2-6

エネルギー 的に起こりにくい反応 Aー→ Bを．起こりや

ールの代謝は無視 し この人の水分合有訟は一定だとする。

すい反応 Bー→ Cに結びつけると .A −→ Bの平衡定数が変化 2-7

D. エタノールは．その濃度にかかわりなく体虫 lkgあたり l

I 寺l l Hに約 120mgの速度で代謝される。体

する 。 反応が自発的に進むかどうかを決める のは t , , G 。ではなく．

6 . Gである。 なぜなら.t , , Gは基質と生成物の波度を考慮に入れた ものだからだ。 2-8 締結は．その 1 5併もの ATPが得られるミトコンドリア

: m70kgの人のJflL'・I "

アルコール濃度が法定上！ 恨 の 2倍 （160mg/100ml)であるとき． （；｝.~定上限より低くなるまでにどれだけかかるか。

2-12 比放射能とは物質の単位 i lU生物学では通常モルで表す） Iキュ あたりの放射能量のことで. Ci/m molなどの単位で去す （

でのグルコース際化の前奏曲にすぎないので．ヒトの細胞にと

リー ［ Ci］ は I 分あた り 2.22 × 10• 2 崩壊 ［ 1 削立は dpm］にあたる） 。

ってあまり豆姿ではない。

生物学で多用される 4種類の同位体の性質をまとめた表 Q2-1か

2-9

! W J 物細胞でグルコースの酸化 に使われる酸素は C02とな

って大気に帰る。 以下の問題を論ぜよ。 2-10 生細胞での有機化学反応は．水浴液中で起こ ること と．

らわかるように．最大比放射能と 半減J U Iは反比例する。 これは 1 1 1 .なる偶然だろうか。 それとも理由があるのだろうか。あなた

の考えを述べよ 。 2-13 水のイオン税 Kw=[ W ] [ OW ］は 1.0 × 10- 1• M2で．偶 然にも切りのよ い他である。

界で トップの研究室で行われている有機化学反応とそれほど逃

A . pH7 . 0の溶液が中性と されるのはなぜか。 B. NaOI 1の lm M溶液の H＋濃度と pHはどれだけか。

うものだろうか。 これに対する考えとその理由を示せ。

c .

2-11 エタノ ール （ CH3C H2 0H ）の分子品ーは 46で管皮は 0.789g /

2-14 アスパラギン駿側鎖のカルボキ シ基がタンパク質＂ ＇で以 イr l iはどのような順祢になるか（ 低いほ 下の環境にあるとき .pK の

非常に桜雑であることの 2点か ら特別だとされる。 し か し 世

cm 3である。 A. エタノールをイ本初で 5%含むビールのエタノールのモル濃度

低カロリ ー はどれだけか （ピールのアルコール含有抵は約 4%［ スタウトピール］まで中面広い）。 ピール］から 8%［

ある裕 i l f .の pHが 5. 0のとき . o w濃度はどれだけか。

うから向いほうへ） 。その理由も説明せよ 。 l タンパク質の表而にあって．イオン化できる悲が近くにない。 2.タンパク表I 而の疎水位ポケ ッ トに捜ま っている。

B. 巡転者の J f l L "Iアルコ ール含有訟ー の法定上限は国により 黙な

3. 1 3 1 ! 水性ポケ ッ トに思まっていてグルタミン隊側鎖がすぐ近

f l l l 夜 I 00mlあたりエタノ ール 80mg ( J f l L中アルコ ール るが. J 濃度 0 . 0 8と表す）が多い。 この法定上限でのJ f l中のエタノ ール

4 .車I i 水宇l ： ポケ ッ トに . I . i lまっていてリシン側鎖がすぐ近くにあ

のモル波皮はどれだけか。

る。

くにある。

104

2，細 胞の化学と生合成

たすことがわかったが．プロトン化（荷i 芯）状態と J Iプロ トン化

l l J i ! : l i立 ！（ 衝突から衝突までの 1 : 1の迷皮）は チの平均｜憐 l v= ( kT!m)1 1 2

（ 非 仰' i ! . i : )状態のどちら で仰いて いるのか不 I Y Jである。 この疑lJ i

であり．ここで.k=1 . 3 8× 1 0' 6gcm2 /Ksec 2 .Tは絶対討u l度 ( l i j .

に答えるため.pH を変えて両手主主~it;t't を iJllJ定したがi米を Fig. Q2-1

f 立は K . 37℃は 310K).m は分子 l例の t ' l i l l( i j i . 位は g）である。

2-15 ある形式さの削減！よ機構でヒスチジン側 j J 1が i 永製な役；1 ”を来

＇

に示す。 NH~・活性に必~なのはどちらの状態のヒスチジンか。

8 ドルトン） ．グルコース分チ （1 80 ドルト 水分子 （ 分チ質量は 1

ン｝ ミオグロビン分子 （ 1 5, 000 ドルトン）の 37 ℃での｜瞬間述度を ,n ~r せよ

1 20

ついでに．科られた数似を km/I 時に変換せよ o ~n·n

の1 i l iに．分子の迷 J 支がi 堅いクロール援み （ ＜ ikm/1 1 , n か．散歩 1 0 0

t

並み （ 5km /I I 年）か．短距離の z 記録保持者並み （ 40km/I 年）か予処！

逼 60

榊成 l j l . f ¥ t ：の秋山は増す （ F i g .Q2-3） 。 し か し チ ュ ー プ リンの重

臨

合はエントロピーの明力I（ 秩作の減少）を伴う 。 どういうしくみ

' J ! .

3 言 IJ

してみよ 。

80

2-19 チュープリン（椛成 l j ' i .似）の i f （合で微小村ができるとき．

〈 ＋

逼 40

なのか

照

20 0 4

5

6

7

ト ァ− ＇ ；

・ ． ・

0 F i g .Q2-1 pHの関数として

の酵素活性（間短 215） 。

pH

j 園 陸 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．．． ． ．．．．．．．

2-16 本給 （ I 包な短距離走のとき ．筋肉はグルコースを嫌気的に

二 ニ ＋ ，腎

~

A fし. ~·~ii渋皮の乳敵が，，，＿じる 。 そのため血液と細胞~＇tの pH が 代 ，'

．・・

ドがり． ” 燃料”がつきるかなり 1 i l 1に走者は疲れてしまう 。pH変 化に対する J f l l液の緩衝作川 は．絞殺水素イオン ／C 0 2系がおもに

1 1 . っている 。 pK1=2 . 3

pK2=3 . 8

・ ．

． ・

F i g .Q2 3 チューブυ ン（椛成単位） の微少管への重合（問題 2-1 9 。 ） lつの 構成単位（緑色）とそれに会合した水分子（小さな球）の変化を示した。

pK3= l 0 .3

C0 2土 ： ； C02 土； ： Hi C 03 : = ; H’＋ HC 0 3 -: = ; H++HC0 3 -

2-20 体 i f i70kgの成人は.3mo lのグルコース （ 54 0g）を食べれ

（ 気 体） （ 溶解）

ば lI i のエネルギー必要祉を満たすことができる （ お勧めはしな

pH低，..を改苦したい必者には． レース直前の 1分 l i l ］.心、を止め

が ，， ， ＿ じる。綱 l l J J 包内の ATPi f . ' l ! 立は l まぽ 2m Mに保たれており. 7 0

る の と せわしく H 芋l 倣するのと

kgの成人の綱l l J 包内液体はが・ J25Iである 。細 胞内の ATP淡 j 立が一

いが） 。 グルコース l分子が C0 2に般化されると 30分子の ATP どちらを勧めたらよいか。そ

l b l 々の ATP分イ・は l1 1に平均何 l r f . 加水分解と 定だとすれば. i

. ! 1 1山も説明せよ。 のJ

2-17 F i g .Q2-2の 3つの分チには．生命現象によく役場する

P J合成を繰り返すか。

官 能J J , :が 7つ合まれてい る。細 胞の ほとんどの分チはこれらの

2-21 人体が 5x 1 0 1 3の細胞からなり. I例の剥I！ 包l 人j では ATP

T イ能 J J ;から作られる。 l : i 能J 左のf.Znと名前を示せ。

が 1分 l l Jに 109分子の速度で代溺 1 1転しているとすると．人体は

2-18 “拡散”と l l Hくと. I I 'ii~ 的な距離ではゆ っ くりした動きを

や ＞JW

思い浮かべるが細胞のスケールでは非常に述u 、 。治法 q . r の粒

だ し ATPの加水分解で 1 2k c a l / m o lが綜られると する。

をi’ i 1 Yしているか （IW は l)/ s .4 .1 8）が lc a lである 。 ） た

2-22 Sni c k e r s T Mキャンデイーパー l本（65g . 325kcal ）のエネ

ルギーは． ツェ ルマットの 1 1 1 r< . + : : m1660111）からマ ッターホルン ( 4478m.F i g .Q2-4）の頂

0 ｜ ｜ O-Pー 0

tまでなるのに卜分だろうか。それとも．

へルンリ ・ヒュッ テ （ 32 60m）で もう l本食べる べ きだろうか。 笠山花・ の 体i f （と装備は合わせて 75kg で．重力に対す る イ｜：’I~のみ

0

C=O

σo

・

同

o1 , 3 − ピスホスホグリセリン酸

’ ﹁﹂ll﹁ ﹁L l ﹂

令、

0 O- P=O

5ト1

／＝

CH2

。

HO-Cト1

ピルビン厳

CH2

−。

CトI ,

I

-

U

CH C I 'o NH3 ‘

システイン

F i g .Q2 -2 生命現象によく登場する 7つの官能還を説明するための 3つの

F i g .Q2-4 マッターホル

。 ）1 , 3 −ピスホスホグリセリン磁とピルピン殴は解織の中間体 分子（ 問題 2-17

-22） 。（ 写真皮供 ン （問題 2

であり．システイ ンはアミノ酸である。

Z e rma t tT ou r i sm)

105

章末問題

を考える （ 丞 −直に笠る）と し物理学の初歩で学んだ以下の式を

( A )

川いよ 。

没与化合物

ここで.gは! I t カ加速度 （ 9 . 8m/ s e c 2 )である。 また. 1jは lkgm2 / 必要なキ ャンディーパ ーの本数を少なく見積も って しま った

排出化合物

、

8炭窯鎖

" . . . . ./ , / '

仕事（ ］ ）＝ 質 : L 1( kg ）× g( m/ s e c 2）×登っ た日さ （ m) s e c 2であり.4 .1 8kJ： が lk c a lである。

0

r 、 「CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-C~ H o-

f、 「

0

H2-Ci j '

I

o-

＼＼づグ

フ工ニル酢殴

のは．どんな仮定のせいだろうか。 2-23 ピルピン般の発防による乳般生成は．一見. I 弊梢のおま

けの反応のように思える 。酸素なしで成長する細胞は． ピルビ

( B )

ン酸を＠楽物として捨てられないのだろうか。 もし発酵が起こ

役与化合物

るか。 発酵を行えない網II ！！包は． 間変索なしで向洋根~系によるグルコ

ース代謝を続けることが可能か。その理 l 主lも述べよ 。 2-24

! ' i l : 紫がないと ．網 ｜｜ 胞はグルコースを一定の速い速度で消

費するが. ~;f；を加えるとグ Jレコ ース消裂は急激に下がり．低

ρ「 印 H

＼グ

らないと．嫌気条件下では解粕のどの生成物が細胞内に務総す

IJ~tjj｛~fti!ltJ

。

一町イ、o-

2 -CH2-Cト1 2-C H2-CH2

、

7炭素鎖

／ ぺb、 グo

lJ

安 ，Q香酸

い述度に務ちずf＜。酸素がないとグル コース消費速度が速 く．あ

Fi g .Q2SH 旨筋酸の酸化を解析するための標設実験（問題 2 2 6 ） 。（ A）脂肪 酸鎖の炭紫が偶数の場合の投与排出誘導体。 （B l脂肪酸鎖の炭素が奇数の

ると遅いのはなぜか。

場合の投与排出誘導体。

2-25 肝臓は．食事と食事の間にグリコゲンを分解してグルコ

! i後から 2番目の段階でグルコース 6 ースを体内に送る。分解の: −リン酸 （ G6P）ができ．これからリン酸基が とれて （ t . G 。 ＝ -3 . 3

Tーレに線状に結え． ご く少量のトリプトファンの存在下で短

k c a l / mol)グルコースができる。肝臓が．グルコースからの G6P

時J n ］だけ府告をすると. 3本の滞い線が見えるようになる。閣のよ

生成反応 （グルコース＋ AT P一→ G6P+AD P .

a σ ＝ -4.0kcal/

うに．ほかの線の近くに活発な成長がみられる点がある。 これ

mol）を逆転させるのではなく．加水分解でリン酸恭を除くのは

q' i H J体供給）でき らの成長点は．ある変異体がほかと栄養共生 （

なぜだろうか。反応を逆転させれば．グルコ ースも ATPも緋ら

ることを示す。

れるのだが。 2-26 1 904年にクヌープ（FranzKnoop）は．代謝経路の研究で

F i g .Q2-6の栄養共生パタ ー ンから .T r p B .T r p D . ηpEの各泣 l 御する段階の順序を推測し理！！ I l lも述べよ 。 伝子の産物が市j

はおそらく M初の機織実験に成功した。末端をベンゼン環で微 減した！！F r I J 万般をイヌに与え．尿中に持I ' l l ＼ さ れたベンゼン i 免税体 を分析したのである。脂肪般の炭素数が偶数のときはいつもフ

栄養共生実験

ェニル酢殺が（ F i g.Q2-5A ）.奇数の ときは安息香般が （ Fi g .Q2-

SB ） 羽1 : 1 : 1 . 1された。 0 に般化 される この実験からクヌー プは．脂肪酸が C02と H1

T r p o -

Trp~

際には．炭紫 j J ' lのカルポキシ 2 左側から 2炭素ずっとれると : t ! f i i J l l J した。 彼 は な ぜ. 1 え紫がほかの数ではなく 2倒ずつ． しかも． 反対側ではなくカルポキシ基側からとれる と考えたのか説明せ よ。 2-27 微生物のアミノ般合成経路の一部は，経路の各段際を欠

T r p B -

l Jの栄養共生災験によって明らかにされてきた。 トリ く変災体 l

F i g. Q2 -6 栄寮共生実験によって トリフトファン合成経路を突き止める（問

TrpB-.TrpDぺ プトファン経路に欠陥のある 3級類の変具体 （

題2 2 7 ）。ト リフトファン生合成経路の各段階を欠く変異体問の栄獲共生実

TrpE ） − の栄養共生尖験の紡糸を F i g.Q2-6に示す。変興体をシ

験の結果。シャーレ上の色の濃い部分は細胞が成長している領域を示す。

炭素骨格 炭紫l ま細胞内で独特の役割を果たす。これは． 炭繁原子どう しが 強い共有結合を作るからである。そのおかげで炭素原子は鎖状縞 造を作れる。

現状機造も作れる。

＼ ！ ＼／

＼ 月 ／ 仁 ＂ ＂ ＇ L ... . . c＂ ＂ ＇ ノ ー ‘ ・ ・ー ｜ ｜ ｜ -c 、 ， C、 ，C一 I "c . ' . ・I" c , . . . , .¥

c " ' /c一 c-c 一 -c/ " ' c-

c’

／＼

／＼／

＼ C／ ＼

＼

仁十

／＼／

仁 一

＼／

＼ C／

／

＼ C／ ＼

﹁ ﹂ ‘

＼／ ／＼ ＼／

筏分かれ構造も作れる。

／＼！＼

¥/

/¥

/¥

コ 。 〆＼一

・﹂ 一

階畑一

も一

！

一

−つ一

ア﹂一

〉 − く

よ一

このようにも箔く

の

／ 、 一

−﹂一

筋一 も一

‘つ一

一

−﹂一

よ

の一

v ヘ ハ ／ ＼

¥/

共有結合

炭化水素

2個の原子が十分に近づき. 1個以上の電子を共有するとき．共有

炭紫と水素から炭化水紫という安

結合ができる。単結合では. 2 値の原子が~子を 1 個？っ出し合

定な化合物 （ または基）ができる。

って共有する。二重結合では，全部で 4個の電子を共有する。

炭化水素は非徳性で．水緊結合を 作らす． 普通l ま水に溶けない。

原子はそれぞれ．決まった本数の共有結合を空間的に定まった 配置で作る。たとえば，炭素は正図面体型に 4本の単結合を作る。 窒紫l ま3本の単結合を．酸素は 2本の単結合を下に示すような配 置で作る。

2本以上の共有結合で結ばれ た原子は．結合輔の周りを自 由に回転することはできない。 ま目多くの巨大分子 この制約l

二軍結合ができた場合は．空間配置が変わる。

の三次元構造に大き忽影響を

卜I

H

H - Cー ー

HC-H

卜l

H メタン

与えている。

メチル基

／

H2C¥ CHヲ

／

H2 C¥

交互に並んだ二重結合 炭素鎖の中に二重結合が入ることがある。単

環状分子の中に交互に並んだ二重結合がある

結合と二重結合が交互につ主主がっていると．

と．精道はきわめて安定になる。

CH,

／ − H2 C¥ CH、

結合電子は分子内を動き． 共鳴という現象に

／−

よって情造を安定化する。 H

一樹一

つ−／

目一

口抗

C／ ＼ E C J C C

一

／ ＼C ／ C

C ＼ ／C＼

c

＼

C／

一

c／

＼CJC＼

l＋

c

一 、’

LJ

、 、

似日／

日航

Z

一！批 肌

C

C C＼ ／

／

−

一 一 ＼ ︿／

H

H H

H

H H

CH 、

／−

へ、 ヘ

Hi

モ → H

Hz(¥

CH

／−

H

Hz

CH,

ベンゼン

」う箔くーい。

／− H3 C

脂肪酸分子の炭化水紫鎖の ． 尾 ．の− 8 6

仁一0化合物

仁−N化合物

アルコール

MH

−

m

一OHをヒドロキシ基とよぷ。

I

oメ’グ ＼H

アルデヒド

+W

I ¥H

ー~‘

/H

- C -N- H+

I ¥H

、 一 − − −

アミドは ． 磁とアミンの結合でできる。アミンとは遣い，水中では

仁

o 一 一

／＼

包荷を稽びない。タンパク質の中でアミノ酸をつなぐペプチド結合 はアミドの一例である。

C=Oをカルポニル基とよぷ。

C ／

／／＼

0

'

OH

I

0

-c~ ＋ぃ − ：− ； ＜ 0

主 カルポンE

I

/H

一 一C- N

﹁﹂ ／＼＼

C

＼

ケトン

m

アミンとアミドは炭素と窒緊の結合をもっ化合物の 要芯例である。 アミンは．水中では H’イオンと結合して正 荷を字詰ぴる。

O

HI cH

生体化合物には炭素と酸素の結合をもつものが多い。たとえば，

/ / -c

一仁OOHをカルポキシ基と よ ，3 i 。 水中では H＇イオンを o −に怒る。 失って ー仁o

＼ OH

-c イ I+Hi0 N一 一 C一 一

｜ ｜

アミン

酸

H

アミド

環状化合物に I d : 蜜紫を含むものがある。そのなかには．核酸の重要 な成分であるプリン塩基とピリミジン趨基も含まれる。

エステル

エステルl < l : .酸とアルコールの縮合反応でできる。

NH2 メ久

I / / o I I 1 ° -c-c + HO - C一一 一 ー −c-c・ I ¥ _ _ ｜＼ 。 日

N/ ｜

+ H, o l 一一．ー

エステル

/c .

2

0/

｜

N

C’

_ H シトシン｛ピリミジン泡基の一種 ）

｜ ｜

C、

ー

H

、

H

無線リン酸イオンは．リン酸（ H3 PO . ）からできる安

リン酸イオンと遊磁のヒドロキシ豆からりン酸工ステルができる。 リン酸~Iま．このやり

定なイオンで目 P ， と邸くことも多い。

方でタンパク質と結合することが多い。

I

0 ｜｜

卜1 0- P- 0-

o ｜ ｜

. ．

↑ −−o− 手

一 存 一 O H+ HO

o-

0-

I

｜

o ｜｜

一↑ −o- + H20

一 仁一 o I

0

カルポキシ廷とリン殴イオンが結合したり .2個以上のリン酸基が結合すると．酸無水物ができる。 HO

0

/

-c

¥OH

一 一 0- P -O H 0

o-

0

I I

+ HO - Pー o-

o-

J_

_ / / o ~ エネルギーのア シル リン厳結合

寸 一、－~－oo -

（カルボン酸とリン酸の領水物） I d : . いくつかの代謝産物にみうれる

ト~ 20

叩− fム 寸 叩

0

I I

0 ｜｜ + HO-Pー ff

このようにも箔く

0

/ / -c ＼

0- P

。。

I I

I I , リン酪無水物l 立高エネルギーの結合 一一 O -P- 0- P- 0 ｜ ｜ で ， ATPのような分子でみられる 0 0 『

このようにも描く 一一 0一一 P. -p

水

水の構造

共有結合で結ぼれている 2個の原子に結合電子を引きつける強さの遣いがある場合．

水分子は水繁結合によって一時的に裕子を作

結合には極性が生じ．結合の一方の翁はわすかに負電荷を裕ぴ（I i ・ ）．もう一方の端 l まわすかに正電荷を務ぴる（ I i φ ） 。

る.37Cでさえ. 15%の水分子が 4個の水分 子と結合して短寿命の集合体（．できては消え

・

るクラスター”）を作っている．

8 ・ 正m 荷を紛ぴた

／

領域

水分子l 立全体としては電気的に中性である（陽子と電子を同霊堂もつ｝が．電子の分布 が対称的でないため慢性をもっ。酸素の原子稼が水素原子力、ら電子をヨ｜つ頚るため．

水l 孟．表面張力．比罪事．蒸発熱がどれも高い

水禁原子はわすかに正常荷を裕びる。酸素原子では電子密度が淘し，わすかに負電

などの特異な性質をもつが． これは水が凝集

荷を干帯びた領綬が．図のような正四面体の 2つの頂点の位置にできる。

しやすいためである。

水素結合

結合長

・

ト i 2 0分子l ま転車位をもつので，隣り合った 2

HH

8

H

」一一一」

H

0. 10nm

水繁結合

・

共有結合

6

親水性分子 水に湾けやすい性貨を，

O

H

立 . 3儒の原子が直線上に並んだ 水素結合l i i も強い． ときに I

／

1 1 1 1 1

0 . 2 7nm

O

o•

結合の強さは．共有結合の約 20分の 1に すぎない。

水繁結合

＼

個の分子の間には水素結合ができる。水素

疎水’性分子 1 見水性という。親水性物質は. m 街の作用で水分子を引き

非領性結合が侵害与な分子l e ! : 普通は水に溶け

つけるイオンや極性分子からできている。水分子l 立国体物質の表面にあるイオンや

す ． 疎水性である。C-H結合を数多くも

3 i 。 短性分子を取り図み．沼波中へと運，

つ炭化水禁は．まさにこれにあたる。この

H H ＼ H∼ 0/ 0 -H 0 ( ) H ＼ Na -H

。

Oo

I

"

HH-< ¥

0

H

？ ’ H

／

＼

、

H

Ho•

H ／

H, . . . . O . . . . . . _ H

6・0企

ような分子 l e ! :水分子を引きつけす．水分子

f l ', 包

H

H

o•

0-Hφ 6 o• " o H w -o

H

H

¥

¥

荷をもっイオン（ Naつ も．負電荷をもっイオン ( Cl ・ ）も水分子を引きつけるので．水に溶ける。

,H

N-H1 1 1 1 1 1 10’ I I

ぷ~

¥

: O=C

H

H

／

Hー0

H /H

H

I

c

I

I

o ,

! ;

＼／、

H

一 一C

三

/ o,

H

尿然のよう怠慢性物質は ． 周囲の水分子と水察結合を ｛乍るので．水に溶ける。

H

＼／

N -H1 1 1 10 ・

H

m

. .

乞

H

J I 化ナトリウムのよう忽イオン性物質は，正

ったにない。

手

O

H.

H

に取り巻かれて溶波中に出ていく ことはめ

H H ¥ I Q - H1 1 1 1 1 1 10 ,H H

¥ / c

。 ＂ ＇ −

H

0/

H

H

H H1 1 1 1 , , J

／＼

H

0＼

~

H

H~＇＇＇＇＇·＼

H

溶媒としての水 家庭にある砂績をはじめ．多くの物質が水に沼 l : tる。つまり．分子がぼうぼうに t J .り．それぞれが 水分子に取り固まれる。

a• ro~＂ a"ao-ooo a

。a00-,.a0oce>

. .Q 0 Q -,.0 V W

c sQ 二csoc a 0~c0c

a− ？、＿1 9~，国，

砂寝が

H

”

la~u~~a；：... ι v / ' . . . 。。J Q -p ＠可」曹 』 Q-a. ._

水分子

J

，凪

物を湾波という。溶けた物質（ここでは

f)

I >"

1)－ 司－

砂穂）を溶質．溶かした液体（ここでは水）

a~了·＂ Q C J.!1；~＂ e土門 .Q ＂闘，.~av 。

溶ける

国 司 句 。 ”Q 甲 ＠ 旬 。

を湾媒とよぷ。水I~極性結合をするので．

多くの物質に対して優れた湾媒と t J .る。

c ＂~ コa a~ ci~同..！＇ "a ＠／と fJ’m ”l!fQ、 ・ u. ._ a ＇ イ了。−13 O na 〕J司 ぬ司＠ - . - -a

、 ， m， . ‘ • -a －・ ~

HS-C- C-N-C- C- C-N-C-C-C-C-0-Pー 0 - Pー 0-CH.

ES ’ 町

OH

H H H

H H 卜l

HO CH3H

I

o-

拙叩

宋

E

自

−

o

0

−

2

H

一

3 細胞内で特異的なシグナル分子として使われる。

3’O - o -P= O

0 5'CH2

3’OH 鎖の 3’ 末渇

I

f" /o, I レ／＼、J OH

o=r-o o -

P

’ 、 JrL

O

0

olp｜ 0

例 ： 1雨Ml f . A (CoA)

I

伊l ：環状 AM P(cAMP )

< x 5

~r~

生命は．すべての細胞の中で起こっている化学反応の復筏芯連 燐網で成り立っている。この連携網を織成する代謝経路を見る と．細胞が必要忽反応を進めるための酵素を進化させる能力を a : もってきたのかと思いたくなる。しかし．それは遣う。酵紫 1 強力な触媒だが．熱力学的に起こりうる反応を速めるだけであ る。それ以外の反応は．とても起こりやすい反応と共役 (coup l i n g）して後押しされるときにだけ進む。ある反応が自発

的に起こるのか．それとも．ほかの反応と共役する必要がある のかは．細胞生物学の重要な問題である。答えは．自由工ネル r e eenergy ）という置を見るとわかる。1組の反応が進む ギー（f かどうかは．全反応を遜じての自由エネルギー変化によって決 まる。このパネルでは．自由エネルギーとその細胞内での 要 性を理解するのに必要な基本概念を説明する。これらは化学と hermodynamics）から導かれる。 物理の 1分野である熱力学（ t

m

化学結合の変化で放出されたエネルギーが熱 に変わる

箱

〈⑧

海

宇宙

閉鎖系（ e ncloseds y s t em）とは．外界（系を除いた宇宙）との物 質のやりとりが忽い分子集団と定義される（たとえば．上図の“ 箱 の中の細胞”）。任窓の閉鎖系に含まれる分子の全エネルギーを E とする。このエネルギーは．分子の並進エネルギー．娠動およ び回転エネルギーなどさまざまなかたちに分かれているが．大 半を占めるのは分子を作る原子の間の結合エネルギーである。 a : . .どん この系で反応が起こるときにどんな型の反応が可能かl 忽過程が起ころうと．宇宙の全エネルギーは変わうない”という 法則の制約を受ける。たとえば．箱の中のどこかで 需品力学 A → B という反応が起こり．化学結合エネルギーが大量に放出 されたとしよう。このエネルギーにより．ます系内の分子運動（並 辰動．回転）が；激しくなる。これは温度の上昇にあたる。し 進. 1 かし．激しくなった運動はまも忽く系外に伝わる。つまり．分

mi

子衝突が繰り返されるうちにます箱の壁が．次に 9 i 界（図では海） が ；gめられる。最終的に．箱の中で放出された化学結合エネル ま ギーはすべて熱エネルギーに変わって箱の外に出ていき．系 l 邑初の温度に戻る。第 1法則により．箱の中のエネルギー変化 ( t : . E泊・以降は t : . Eと密く）と外界に出ていった熱エネルギー （ h と く）とは．符号が逆で大きさが等しくなければならない。つ : .E = -ht J . ので．系から熱が出ていくと箱の中のエネル まり. t 1 a : 減る。 ギー（ ￡） El ま．反応により外界に対して仕事がなされることでも変化す : . V ）としよう。 る。たとえば．反応で箱の体積がわすかに泡す（ t 箱が膨張するには箱の壁が一定の圧力（ P）に抗して周聞を押さな （川のエ ければならない。これは外界に対する仕事であり. p 品 ネルギーが必要なので． 第 1法則により．箱の中のエネルギー （￡ ） はこれと同鐙だけ減る。たいていの化学反応では．化学結合工 enthal p y .H と ネルギーが仕事と勲に変わる。エンタルビー（ く）はこの両者を含む復合関数である （ H = E+PV ） 。厳密には． 反応で外界に出ていく熱と等しいのは．閉鎖系のエネルギー変 t : . H）である。Hが減少する反応は 化ではなくエンタルビー変化 （ 周囲に熱を放出するので． 発勲反応．とよばれ. Hが焔加する反応 は周囲から熱を限収するので“阪罪事反応”とよばれる。よって． -h= t : .Hだが．生体内の反応でl 立体積変化を無筏できる喝合が ほとんどなので．以下のように近似できる。

m

-h=t : . H= .t : . E

熱力 学第 2法則 箱の中に 1 000f 習の硬貨がすべて衰を向いて入っているとしよ う。箱を強く綴って．分子がほかの分子と頻繁に衝突するとき のよう忽ランダムな運動を硬貨にさせると. I まぽ半数の硬貨が m返 しにはる だろう 。 このような並び替えが起こるのは.~初

の秩序立った状態を再現する方法は 1つしかない（すべての硬貨 が表を向かなければならない）のに対し，表と裂が半々の乱雑な 状態を実現する方法はたくさんある（およそ 1 0 2 9 9通り）かうであ

る。実際．表と援が半々の状態はほかのどん恕状態よりも実現 方法がたくさんある。各状態の出現確率は実現方法の数に比例 する。烈力学第 2； 去則 l a : .” 系1 a : O i 率の低い状態から高い状態へ と自発的に変化する” と述べている。確率の低い状般は高い状態 よりも”秩序立っている”ので目第 2法則は”宇宙はつねに乱雑さ の憎す方向に変化する”といいかえられる。

エントロビー， 5 第 2法則かう反応の方向（ di r e c t i o n）を予測できる （ 第 1法則か らはできない） 。そのためには確率 （ すなわちある状態の乱雑さ の程度）を表す使いやすい尺度が必要である。それがエントロビ ー（ 5）である。これは確率の対数関数で．反応 A → Bで 1mol の A が 1mol の Bに変わるときのエントロビー変化（ change i nentropy,65) 1 ま t 1 S=Rlnp8/pA

となる。ここで＇ PAと P eは状態 A と Bが現れる確率で，Rは 気体定数（ 2caldeg-1mo1-1 ）であり.65の単位はエントロビー e .u. ）である（訳注： SI 単位系では， R= 8 . 3J1 ぐ 1mo l -1 . 単位 （ 。 ） 1000個の硬貨の例で I d :，“ すべ 1e . u .= 4 . 1 8 4 JK-1mo1-1 てが表”（状態 A）と舗表と裏が半々”（状態 B）の相対確率はこの 2つの状態に至る方法の数の比に等しい。計算すると＇ PA= 1 .

Pe=1000!/ ( 5 0 0 ! x 500!)= 1 02 9 9となるので．硬貨の入っ た箱を激しく娠ったときに表と襲が半々になる反応のエントロ ビー変化は同様の箱 1mol ( 6× 10 2 3個 ） あたり RI n( 10 2 9 9 ) . 約 1 370e .u.と得られる。状態 A から状態 Bへの転移では上で 定義した 65が正 （ pe l PA>1）であることから，5が大きく指す （ つまり .65>0の）反応は起こりやすく自発的に進むことがわ かる。 第 2章で述べたように．熱エネルギーは分子のランダムな運 動を引き起こす。閉鎖系から周聞に熱が移ると外界の分子がと りうる記習の数が増すので，周囲のエントロビーが増す。決ま った蜜の熱エネルギーが生み出す乱雑さは高温のときよりも低 S（ 上の定義では 65淘）の値は，閉鎖 温のときに大きく ， 周囲の ι h）を絶対温度（ ηで割ったものに等しい。 系から周囲に移った熱 （ 企5 淘

＝

h!T

ギブス‘ の 自由エネルギー， G 閉じた生体系を扱うとき．ある反応が自発的に起こるかどうか を予測する簡単は方法があるといい。すでに見てきたように． 箆要なのは反応による宇宙のエントロビー変化の正負である。 箱の中の細胞という理想系では．宇宙のエントロビー変化は． 箱の中の閉鎖系とその周囲のづ毎”の双方のエントロ ビー変化か らなり．反応の予測には両者の合算が必要である。たとえば， ある反応で閉鎖系が熱を級収 し．周囲のエントロビーが減少す . 6 5淘 ＜ 0）と同時に箱の中の乱雑さが大きく絹 して （ . 6 5描＞ る（ 0) . 65宇 宙 ＝ 65濁 ＋ 65箱が正になることがある。この場合は勲 毎から系に移る阪熱反応であっても反応は自発的に起こる。 がj 実例として．水を入れたビーカー （ “ 箱” ） に塩化ナ トリウムを入 れて溶かす反応は．績が溶けるときに水温は下がるが自発過程 である。 P）目体積 （ V） .エネルギー（ ￡）.工ントロビー（ 5 ) 温度（ η．圧力 （ といった系の物理特性の組み合わせを表すのに，”複合関数”を 用いると便利である。エンタルビー （ H） もその 1つだが， 生物学 Gibbsfree でいちばん役に立つのはギブズの自由エネルギー （ energy ) .Gである。Gを使うと．箱の中の化学反応で生じる宇 宙のエントロビー変化を．海のエントロビー変化を別に考える ことなしに導き出せる。Gl ． ま

G = H-TS

と定義される。Hはエンタルビーで．体積 Vの箱では前述のよ うに E+PVであり， Tは絶対温度， 5はエントロ ピーである。 これうの盤はどれも箱の内部のものである。箱の中の反応によ はt iGと る自由エネルギー変化（生成物の G −出発物質の G） かれ．以下に示すように．反応が起こったときに宇宙で生成す る乱雑さの総量の直接の尺度である。

定温では．反応による自由エネルギー変化（ t i G ） はt i H- n s に等しい。t i Hは海かう阪収される熱田− hに等しいから

ns

t i G=t iH+

-AG=h+TAS よって

− AGI T=h!T+AS

である。しかし. h /7 ・ は海の工ントロビー変化 （. 6 5; i ; ;） に等しく． ま65酒であるから また．上式の 651 -AGIT=AS• +A S , .=AS 柑

となる。つまり目 自由エネルギー変化は宇宙のエン トロ ビー変 化の直接の尺度である といえる。反応は自由エネルギー変化 ( 6 G）が負になる方向に進む。その方向だと宇宙のエントロビー 変化が正になるかうである。 種々の分子がかかわる複雑な共役反応では．総自由エネルギ 一変化は，反応後のすべての分子磁の自由エネルギーの和から 反応前の和を引いたものである。よく見かける物質の自由エネ ルギーの値は一覧表になっているので． これを用いて反応の方 向を予測することができ．提案された機構の妥当性を簡単に確 かめることができる。たとえば ． ミ トコン ドリ ア内膜の電気化 学的なプロトン勾配の測定値とミ トコンドリア内部の ATP加水 分解の t i Gから，ATP合成醇繋が ATPを 1分子作るのに 1個よ りも多いプロトンの通過が必要なことを確認できる。 反応の t > Gの値は，その反応が平衡かうどれだけ離れているか の直接の尺度である。細胞内の ATP加水分解の l ¥ Gの負で大き い値は，細胞がこの反応を平衡から 10桁も離れたところに保っ i G= 0に還 ていることを反映している。反応が平衡．つまり t すると．反応はどちらの向きにもまったく同じ速度で進む。ATP 加水分解では.ATPの大多数が加水分解されたときに平衡に達 するが．これは死んだ細胞で起こる。

反応 1 グルコースは ATPによ

ヘキソキナーゼ

霊化され，糖リン酸と ってリンE なる。 リン殴基の負 荷のため．

m

+

m

ADP

＋

+

H+

1 店リン酸は細胞膜を通過できす． グルコースは細胞内にとどまる。

、 c ;

0 反応 2 化学構造の

6CH ヲO p

s L 二 ー ハ

可逆的な再配箇（異 性化）によりカルポ

/I

ヘ 卵

~，

w

r

グルコースリン酸 異性化酵素

_ H O -C -H ＋ ー ニ 1 s : . ト｜ー C - O H

しいヒドロキシ基が ATPにより リン酸化され． 三炭糖リン酸を 2個作る準備ができる。糠の解

CH2 0H

l と HめI

糖への取り込みは，この段階で フルク トースリン酸キナーゼの 調節により制御される。

C -0卜l

6CH2 0 P （鎖状構造）

フルクトース リン霞キナーゼ

+m

P OH2 C

O、

I C

CH2 0 P

H O " : : l

l " " " " ・可’O H

予圃圃可. O H

OH

寸 01

1 叩

三炭絡が 2個できる。 こ

C=O

C=O

の反応にすぐ進める。

o ‘

CH2 0 P

HO／ : l 、，， I

K l

−ー＋ . . . . . , _ _

l " " " " ー可. O H （環状禍造）

HO - C- H

アルドラーゼ

~ c 」 ＋"

HO- C- H

H- C- OH

成物であるジヒドロキシアセ ト ンリン滋が．異性化してグリセ ルアルデヒドテリン酸と怒る。

卜I

C=O CH2 0 P

ト リオースリン酸異性化欝索

0

CH2 0 P

CH2 0 P

TH2 0H

H

H - Cー O H

（鎖状偶造）

反応 5 反応 4のもう 1つの生

げ

P

H- C -OH

OH

+ ADP ＋

フルクトース 1 , 6−ビスリン酸

フルクトース 6 ーリン酸

O卜1 2C

I/ I

OH

TH2 0 p

p

HO) l2

（環状構造）

反応 4 六炭糖が分かれて のうちグリセルアルデヒ ド テリン酸だけが解績の次

I

一 平・・司 fOH 4 引

s 1

1 s

. 0 .

ト 、

H- C - 0 卜l

6CH2 0 P

P OH 2 写

SK

. . . ， ＿ ＿ ＿

一一＋

ー 41

（鎖状構造）

反応 3 1位の炭素に生じた新

P O H2 千6_,...O'-- 1 < ; =H20H

HO - C -H

H

ト1 - C - OH

（環状4 荷造）

l =O ｜ 31

1 4

OH

•

1 ~H20H

H- C 2 -0 H

ニル基の酸緊が 1位 A V 唱 の炭素から 2f 立の炭 HO ' 、 ， ／ ぺ ¥ . .1 3 21 / OH 紫に移動し ． 糠はア 、圃圃・ ルドースからケトー スに変わる（パネル 2-4参照）。

H

0

＼ 〆

c

H- C - O H CH2 0 P グリセルアルデヒド 3ーリン酸

反応 6 2個のグリセルアルデ

ヒ ドテ リン酸が酸化される。解 糖はエネルギーの発生段階に入

／ 、 c

0

グリセルアルデヒド テリン酸脱水紫醇索

り.NADHと．リン酸との新た

H-T-OH

な高エネルギー無氷結合が生じ る （F i g・2-73参照）。

CH2 0 P

＋凶

0

？

＋p

＋固

0

一 ／ 、 c

0

p

H－~－OH

ホスホグリセリン磁キナーゼ

+

CH2 0 P

n r

加

同

FH2 0 p

0

−−

H2 T -OH

較 的l f f :い。これが.3位の炭素

− 3

H

CIlc c

ホスホグリセリン酸ムターゼ

加水分解の自由エネルギーが比

／一

︷

也、一 E

。 。一 、 c/

に残ったリン酸工ステル結合は．

0

H- C - OH

ADP

CH2 0 P

3ホスホグリセリン酸

一 ／ 、 c

0

反応 9 2 ーホスホグリセリン酸

から水がとれ目 高エネルギーの 工ノールリン酸結合ができる。

。 。一 ／ 、 c

0

エノラーゼ

~－ 0

H -C- 0P

CH2

、

0

0一 c/

I C一O p

解穏は完了である。

+

+ HP

p

I I

CHP H

ネルギーの リン酸基が ADPに 転移し ， ATPができる。これで

＋ H+

H- C - OH

、 ／ c

ー から 2位の炭紫に移動 して 2 ホスホグリセリン訟ができる。

p

CH2 0 P

0 ルギーのりン滋基が ADPに転 移し，ATPができる。

、／

0

H

ADP

+

ピルビン酸キナーゼ

。 。一 ／ 、 c

＋ 園圃

｜

H+

C=O

-

｜｜

CH2

CH3 ピルビン酸

o／ 、 c

0

解穏のまとめ

写H20H

C=O

b一 一一0

図司

E司

m

国国

m

園2

A

2U ， 、 ，

ピルビン酸のほかに.ATPが差し引き 2分子.NADHが 2分子できる．

ー

m m

A Y

OH

CH3

ア o t ︵ ・ の 4 ＝ ら 亡 c clひ 汗・ u

パ / OH

、 a q、

1 ' OH HO " ¥ J

グルコース

HS-Co 八

0

クエン重量回路の全容。 この回路に入るアセチル

//

CoAの 2個の炭窯（穂負）I ま . 2周回以降に入って から ζ02に変わる。 この回で C0 2に変わる 2偲

C卜1 3 - C~

叩

G

︶

白

A

の炭素は膏色で示す。

A ︿

o

一 H10

／ 一 、

HO-CH coo-

てエン 益 四

レ－ ~

!

、 − −

反応 3

、」」／

＼

r ケトグルタル酸（S C )J . . .'

フマル政（4 C )

co o H

−4C) コハク酸 （

と ”

円2 ’

スクシニル CoA( 4 C )

-0 -, . . 「 0

_ 反応 4 師 4

一 、一

軍区画調 ＋H

'

co,

~H2

,亡 ／_ ＝O

~~o~＂ ~＝：~ 反町内2 ベ とoσ l m : m l, _ L とO C T/ J ¥ 、 九回 一

'

I

CH,

r r'

幽

l三

~＝ u

GDP S-¥oA

HS-CoA

coo -

Co Aの CH3；；からプロトン を取 り去ると．負電荷を俗

びた CH2 ーはオキサロ酢磁 のカルボニル炭型軽と結合を

C=O

O= C-S-CoA

合成M~

CH2

CH3

作る。 このあとで補酵素 A

ト10-c-coo-

TH2 HO-C-COO

CH2

CH2

coo -

coo -

coo-

ることにより．この反応は アセチル CoA

才キサロ酢政

反応 Z 水分子が一度脱隊

coo-

してから付加する異性化反

H- C - H

応により．ヒドロキシ基が

H o -c- co o H- C- H coo クエン殴

coo-

_L

CH2

(Co A）が加水分解で脱敵す 強力に縫進される。

HS-CoA

O = C- S-CoA ト120

クエン酸

＋

l

C02

P1

反応 1 酵繋がアセチル

元の炭窯の隣の炭~に移る。

J . f ' . . . . .

co o −八

~

反応 7 ' ¥ . . .

て

L

coo-

て

) ￠H2 仇 エ ン 削C He-coo-

オキサロ酢酸（4 C )

~H2 リンゴ酸（4C)

− ¥

co o -

z

H-C-O H

一−一

旧ク

−

CH2 coo-

反応 S

O ︶ O − K 一 0 2 C 20 引 OH HO 酸 ClCICICl CY

C=O co o −ー

A

b

ノ ﹁ 0／

rbh ︸ jf

−

サ

ロ

才

キ

co o -

'

ル

mω

イ

レ J ク

次

サ

の

回 国＋何

回目

・ ＋k − aud ’ ’ ’ ﹄ 1 卜 ア 5 lu− 蹴 − − OMe il− −Ill − O 3 −− M σ0 σ M刊 2 E O H40 酸 − C− C 酢 l Cl Cl

cooピルピン酪

s − シトリルー CoA中間体

卜1 2 0

クエン酸

仁oo-

cooH2 0

H-C-H

．

H - C- H

IH- c-coo-

c-coo トl z O

+

HS-CoA + H

~ －H cooc i s -アコニッ ト酸中間体

HO - C- H 卜1 2 0

coo イソクエン酸

反応 3 クエン酸回路の 4つの 酸化反応の 1m目。 ヒドロキシ 基のついた炭繁がカルポニル宴

c o o H- C- H

包ー

に変わる．この反応の中間生成

H- C- C

ま不安定で. i l 事 型 軽に結合した 物l

H O- C- H

ままで C0 2を失う．

反応 4 r ケ トグルタル酸脱水紫 番手紫復合体は ． ピルピン酪をアセ

c o o イソクエン滋 鋭水察隊察

c o o -

く似ている。働き方も似ており． 酸化反応を触嫁して NADH.C02 . および補酸素 A ( CoA ）との高エ

H- C- H

H- C - H

H－~－C~

(¥

(¥

C= O

也凶 回 国 ＋H・

H+

c o o -

反応 5 CoAが水溶液中の υ ン 酸との聞に高エネルギー リン磁 結合ができる。次いで．このり ン磁 ! i ! ;は GDPに転移し. GTP ができる（細菌や組物では．代 わりに ATPができる）。

H -C -H

仁

H -C - H

の酸化反応。FADがコハク酸か ら 2個の水禁原子を取り去る。

+ HS-CoA

(＼

C= O

也凶

c o o -

c o o -

c o o 「

HC -H

スクシニル Co A合成醇繁

~

( ( (＼

H- C -H C=O

ト1 2 0

S-CoA

P ;

己旦

E司

っ炭繋がカルポニル基に変わり． 再生される。

c o o -

コハク酸脱水繁酵素

C- H

H- C- H

｜ ｜

HC

c o o -

c o o C- H ｜ ｜

仁二

フマラーゼ

コ

T

H20

c o o -

反応 1に必要なオキザロ酢酸が

H －~－ H

c o o -

c o o -

c o o -

の磁化反応．ヒドロキシ基をも

H- C -H

．

コハク酸

H- C

反応 8 クエン酸回路の 4番目

S-CoA C02

伊

ドロキシ基がつく。

C= O

回 国 ＋H・

c o o

カルポニル炭素の隣の炭素にヒ

coo -

ト1-C- H

HC-H

反応 7 フマル酪に水が付加し．

C= O

H一 C -H

αー ケ トグルタル酪脱水素醇索復合体

スクシニル Co A

反応 6 クエン酸回路の 3番目

し

c o o -

ネルギーチオ工ステル結合を作る。

酸分子で誼を換えられ．コハク

C0 2

H-C-H

c o o -

チル Co Aに変える大型の複合酵 然系（ピルビン酸脱水紫醇紫） によ

c o o -

リンゴ酸脱水繁務繁

HO - C -H HC -H

c o o -

｛~

也凶

回 国 ＋H φ

coo HO- C- H H- C - H

coo -

HS-CoA

124

2・細胞の化学と生合成

文献 全 般 B e r g ,J M ,Tymoαko,J L&S t r y e rL( 2 α湖 B i o c h e m i s t r y ,6 t he d .NewY o r k :WH F r e e m a n . G a r r e nRH&G r i s h a mCM( 2 0 0 5 )B i o c h e m i s t r y ,3 r de d .P h i l a d e l p h i a :Thomson B r o o k s / C o l e . HortonH R ,MoranL A .S c r i m g e o u re ta l( 2 0 0 5 )P r i n c i p l e so fB i o c h e m i s t r y4 t h e d .UpperS a d d l eR i v e r ,N J :P r e n t i c eH a l l . N e l s o nDL&CoxM M( 2 0 0 4 )L e h n i n g e rP r i n c i p l e so fB i o c h e m i s t r y ,4 t he d . NewYo r k :W o r t h . Ni cho l l sDG&F e r gus o nS J( 2 0 0 2 )Bi oe ne r g e t i c s ,3 r de d .NewY o r k :Academic P r e s s Mathew sC K ,vanHoldeK E&AhernK・ G( 2 0 0 0 )B i o c h e m i s t r y ,3 r de d .San 吋aminCummi n g s . F r a n c i s c o :Be ・C a m b r i d g e ,MA:H a r v a r d MooreJ A( 1 9 9 3 )S c i e n c eAsaWayo fKnowing U n i v e r s i t yP r e s s . V o e tD .V o e tJG&P r a t tCM( 2 0 0 4 )F u n d a m e n t a l so fB i o c h e m i s t 『 弘 2nded ’： W i l e y . NewY o r k

細胞の化学組成 A b e l e sR H ,F r e yPA&J e n c k sWP( 1 9 9 2 )B i o c h e m i s t r y .B o s t o n :J o n e s&B a r t l e n . 9 6 )M o l e c u l e s .NewY o r k :WHFreeman A t k i n sPWれ9 o o z eJ( 1 9 9 9 )I n t r o d u c t i o nt oP r o t e i nS t r u c t u r e ,2nde d .New B r a n d e n ζ ＆T Y o r k :G a r l a n dS c i e n c e . ）刊em o l e c u l e so ft h ec e l lmembrane.S c iAm253 ・ ：1 0 0 B r e t s c h e rMS( 1 9 8 5 1 0 9 e t s k oGA( 1 9 8 8 )Weaklyp o l a ri n t e r a c t i o n si np r o t e i n s .Adv B u r l e ySK&P P r o t e i nChem3 9 :1 2 5 1 8 9 . DeDuveC ( 2 0 0 5 )S i n g ul a r i t ie s :Landmar ksont h ePathwaysofL i f e . Ca mbrid g e :CambridgeU n i v e r s i t yP r e s s . DowhanW ( 1 9 9 7 )M o l e c u l a rb a s i sf o rmembranephos p h o l i p i dd i v e r s i t y : e vB i o c h e m66 ・：1 99-232 Whya r et h e r es omanyl i p i d s ?AnnuR 『t i e so fW a t e r . E i s e n b e r gD&KauzmanW ( 1 9 6 9 )TheS t r u c t u r eandP r o p e O x f o r d :O x f o r dU n i v e r s i t yP r e s s . F e r s h tAR( 1 9 8 7 )Thehydrogenbondi nm o l e c u l a r『e c o g n it i o n .T r e n d s 2 : 3 0 1 3 0 4 . B i o c h e m S c i1 F r a n k sF( 1 9 9 3 )W a t e r .C a m b r i d g e :R o y a lS o c i e t yo f ζ h e m i s t r y . 1 9 2 7 )TheF i t n e s so ft h eE n v i r o n m e n t ,1 9 5 8e d .B o s t o n : HendersonU ( B e a c o n . N e i d h a r d tF C .IngrahamJ L&Schaech t e rM( 1 9 鈎) 1P h y s i o l o g yo ft h eB a c t e r i a l C e l l :AM o l e c u l a rA p p r o a c h .S u n d e r l a n d ,MA:S i n a u e r . P a u l i n gL( 1 9 6 0 )TheN a t u r eo ft h eC h e m i c a lB o n d ,3r ded . I t h a c a ,N Y :C o r n e l l U n i v e r s i t yP r e s s . Saenge r W( 1 9 8 4 )P r i n c i p l e so fN u c l e i cA c i dS t r u c t u r e .NewY o r k :S p r i n g e r . S h a r o nN( 1 9 8 0 )C a r b o h y d r a t e s .S c iAm2 4 3 : 9 0 1 1 6 c i e n c e2 0 9 : 4 5 1 4 5 7 . S t i l l i n g e rFH( 1 9 8 0 )W a t e rr e v i s i t e d .S T a n f o r dC( 1 9 7 8 )Thehydrophobice f f e ctandt h eo r g a n i z a t i o nofl i v i n g c i e n c e2 0 0 :1 0 1 2 1 0 1 8 . mane仁S T a n f o r dC ( 1 9 8 0 )TheHydrophobicE f f e c t .F o r m a t i o no fM i c e l l e sand B i o l o g i c a lMembranes,2nde d .NewY o r k :JohnW i l e y . 細胞の行う触媒反応とエネルギー利用 A t k i n sPW( 1 9 9 4 )TheSecondL a w :E n e r g y ,ChaosandF o r m .NewY o r k : S c i e n t i f i cA m e r i c a nB o o k s . a u l aJD( 2 0 0 6 )P h y s i c a l ζ h e m i s t r yf o rt h eL i f eS c i e n c e s . A t k i n sPW&DeP O x f o r d :O x f o r dU n 1 v e r s i t yP r e s s . r e b sH( 1 9 8 1 )TheE v o l u t i o no fM e t a b o l i cC y c l e s .N a t u r e B a l d w i nJ E& K 2 9 1: 3 8 1 3 8 2 . 句y .P r i n c e t o n ,N J :P r i n c e t o nU n i v e r s i t y Be r gHC( 1 9 8 3 )RandomW a l k si nB i o l P r e s s . D i c k e r s o nRE( 1 9 6 9 )M o l e c u l a rThermodynamics.MenloP a r k ,C A :B e n j a m i n Cumming s . 1 gF o r c e s :S t a t i s t i c a l ThermoD i l lKA&BrombergS( 2 0 0 3 )Mo l e c u l a rD r i v i「 目t r yandB i o l o g ドNewY o r k :G a r l a n dS c i e n c e d y n a m i c si nChem D r e s s l e rD& P o t t e rH( 1 9 9 1 )D i s c o v e r i n gE n z y m e s .NewY o r k :S c i e n t i f i c AmericanL i b r a r y .

E i n s t e i nA( 1 9 5 6 )I n v e s t i g a t i o n sont h eTheoryo f B r o w n i a nMovement.New Y o r k :D o v e r . 『p l a yo fC h e m i s t r yand F r u t o nJ S( 1 9 9 9 )P r o t e i n s ,E n z y m e s .G e n e s :Thel n t e B i o l o g y . NewH a v e rY a l eU n i v e r s i t yP r e s s G o o d s e l lDSい 9 9 1 )I n s i d eal i v i n gc e l l .T r e n d sB i o c h e mS c i1 6 乏0 3 2 0 6 . A( 1 9 8 6 )Thedynamicso fp r o t e i n s .S c iAm2 5 4 : 4 2 K a r p l u sM&McζammonJ 5 1 . K a r p l u sM &P e t s k oGA( 1 9 9 0 )M o l e c u l a rdynamicss i m u l a t i o n si nb i o l o g y . N a t u r e3 4 7 : 6 3 1 6 3 9 . KauzmannW ( 1 9 6 7 )The rm odynamicsandS t a t i s t i c s :w i t hA p p l i c a t i o n st o G a s e s .I nT h e r m a lP r o p e r t i e so fManerVo l 2 .NewY o r k :WAB e n j a m i n ,I n c K o r nbe「 gA ( 1 9 8 9 )Fo rt h eL oveo fEnzymes.Cambridge,MA:Har v a r d U n i v e r s i t yPr e s s . L a ve「 1 d aBH( 1 9 8 5 )B r o w n i a nM o t i o n .S c iAm2 5 2 : 7 0 8 5 . L aw l o rDW( 2 0 01 )P h o t o s y n t h es i s ,3 r de d .Ox f or d :B I O S . L e h n i n g e rAL( 1 9 7 1) T h eMole c u l a r B a s i so f B i o l ogi c al E n e r g yT r ans f o r m a t i o n s . 2nde d .Me n l oP a r k , C A :B e n j a m i nCummi n g s . LipmannF( 1 9 4 1 )M e t a b o l i cg e n e r a t i o nandu t i l i z a t i o no fp h o s p h a t ebond e n e r g y .AdvE nzymol1 ： ・9 9 1 6 2 . LipmannF( 1 9 7 1 )Wanderingso faB i o c h e m i s t .NewY o r k :W i l e y . l e e pNH( 2 0 0 1 )Theh a b i t a tandn a t u r eo fe a r l yl i f e .N a t u r e N i s b e tE E&S 4 0 9 : 1 0 8 3 1 0 9 1 . oM i t c h e l l :ahundredy e a r so fb i o e n e r g e t i c s . R a c k e rE( 1 9 8 0 )FromP a s t e u rt F e dP r o c3 9 : 2 1（ ト2 1 5 . S c h r b d i n g e rE( 1 9 4 4&1 9 5 8 )Whati sL i f e ? :TheP h y s i c a lA s p e c to ft h eL i v i『1 g C e l landMindandM a n e r ,1 9 9 2combinede d .C a m b r i d g e :Cambridge U n i v e r s i t yP r e s s . vanH o l d eK E ,JohnsonWC&HoPS( 2 0 0 5 )P r i n c i p l e so fP h y s i c a lB i o c h e m i s t r y , 2nde d .UpperS a d d l eR i v e r ,N J :P r e n t i c eH a l l . a t u r e4 0 9 : 2 2 6 2 3 1 . W a l s hC( 2 0 0 1 )Enab l i n gt h ec h e m i s t r yofl i f e .N Wes t heime rFH( 1 9 8 7 )Whyn a t u r echosephosphat e s .S c i e n c e2 3 5 :11731 1 7 8 . a r r sBL( 1 9 8 7 )M o l e c u l a rme c h a n i s m so fp h o t o s y n t h e s i s .S c i YouvanDC&M 5 6 : 4 2 4 9 . Am2

、

食物からのエネルギー獲得 ζramerWA&K n a f fDB( 1 9 9 0 )E n e r g yT r a n s d u c t i o ni nB i o l o g i c a lMembranes. NewY o r k :Sp r i n g e r V e r l a g DismukesG ζ， ｜ くl i m ovW,B a r a n o vSVetal( 2 0 0 1 ) T h eo r i g i no fa t m o s p h e r i c n n o v a t i o no fo x y g e n i cp h o t o s y n t h e i s .P r o cNat oxygenonE a r t hThei AcadS c iUSA9 8 : 2 1 7 0 2 1 7 5 . F e l lD( 1 9 9 7 )U n d e r s t a n d i n gt h eC o n t r o lo fM e t a b o l i s m .L o n d o n :P o r t l a n d Pr e s s . 【J P( 1 9 9 5 )Useands t o r a g eo fc a r b o h y d r a t eandf a t .AmJC l 的N u t r6 1 , F l a t 9 5 2 S9 5 9 5 . FriedmannHC( 2 0 0 4 )FromB u c y b a c t e r i u mt oE .c o l i :Ane s s a yonu n i t yi n e r s p e c tB i o lMed4 7 : 4 7 6 6 . b i o c h e m i s t r y .P 卜Gl i moreLA( 1 9 8 6 ) T h ee v o l ut i o no ft h eg l y c o l y t i cp at h w a y .T r e n d s F o t h e r g i l B i o c h e mS c i1 14 7 5 1 . H e i n r i c hR ,M e l e n d e z H e v i aE .MonteroFetal( 1 9 9 9 )Thes tr u c t u r a ld e s i g n ・ ：A ne v o l u t i o n a r ya p p r o a c h .B i o c h e mSocT r a n s2 7 : 2 9 4 2 9 8 o fg l y c o l y s i s HuynenMA,DandekarT&BorkP( 1 9 9 9 ) V a r i a t i o nande v o l u t i o no ft h ec i t r i c T r e n d sM i c r o b i o l7 : 2 8 1 2 9 1 . a c i dc y c l e :agenomicp e r s p e c t i v e . a t u r eR e vMo/C e l lB i o l K o r n b e r gHL( 2 0 0 0 )K r e b sandh i st r i n i t yo fc y c l e s .N 1 : 2 2 5 2 2 8 . a r t i nA( 1 9 8 1 )R e m i n i s c e n c e sandR e f l e c t i o n s .Oxford/New K r e b sHA&M Y o r k :C l a r e n d o nP r e s s / O x f o r dU n i v e r s i t yP r e s s e r s p e c tB i o lMed K r e b sHA( 1 9 7 0 )Theh i s t o r yo ft h et r i c a r b o x y l i ca c i dc y c l e .P 1 4 : 1 5 4 1 7 0 . M a r t i nBR( 1 9 8 7 )M e t a b o l i cR e g u l a t i o n :AM o l e c u l a rA p p r o a c h .O x f o r d : B l a c k w e l lS c i e n t i自E M c G i l v e r yRW( 1 9 8 3 )B i o c h e m i s t r y :A F u n c t i o n a l App r o a c h ,3r ded. P h i l a d e l p h i a :S a u n d e r s . MorowitzHJ( 1 9 9 3 )B e g i n n i n g so fC e l l u l a rL i f e :Me t a b o l i s mR e c a p i t u l a t e s s i t yP r e s s Bi o g e n e s i s .NewH a v e n :Y a l eUn i v e「 a r kC( 1 9 7 3 )R e g l 」 l a t i ono fM e t a b o l i s m .NewY o r k :W i l e y . NewsholmeEA&St ’：

：’

タンパク質

細胞を顕微鏡で観察したり．その：低気 （ 1 （ ］ . 生化学的病性を分析したりするときには．タン パク質を ; u . i べていることになる。細 胞の乾燥 i 1 i : ' l1 tのほと んどを占めるタンパク質は．細 胞 をW i t ! ? !する紫材であるだけでなく ．機能のほとんと’を担ってもいる。 たと えば． タンパク

タンパク質の形と構造

125

タンパク質の機能

1 52

! J 包j A Jでの化学反応に必必な桜維な分子表而を制i I え．細胞J J 児に埋め 質の一極である階以・は創l 込まれたタンパク質はチャネ Jレやポンプを作って小分子の細胞内外への輸送をつかさと・る。

l Jの情 報伝達や細胞朕から舷へ向けてのシグナル伝達系に関与するタンパク質や．細 細胞 l 胞質内で細胞小総官を動かすキネシン ( k i n e s i n）.もつれた DNA分子をときほぐすトポイ

t o p o isomerase ）なと’小さな分子もある。 ほかに．抗体．協議．ホルモン．凍 ソメラーゼ （ 結防止分子園 % 1 性繊維．ロープ．発光源となるものもある。遺伝子の働色筋肉の収縮． 町立伝滋. J I モの発生過程を合め （I 分の体の働き方を知るには． まずタンパク質 神経によ るf をよく理解しておく必立さがある。

タンパク質の形と構造 化学的にみて． タンパク分子はずば抜けて俊幸t fな構造 と精巧な機能を もっ。名タンパク質 のtl~ili と 化学的tt'l'lが． 数 i"tkJ6j＇す も の進化の雁~：の tjt で作り上げられ微淵推されてきたこ

とを考えれば．驚くにはあたらないのかもしれないが．タンパク質の新しい多機性には． ~·川’i家でさえl時に l i を ；凡悦ることがあるようだ。

! l iなったアミノ般の扱び方から．タンパク ' t ' t 本節ではまず．タンパク質を作る長く j

の k： イ 料1 q i l iが決ま るしくみを検， 吋し．その後. J ；（子レベルでのタンパク質の構造を基に．

4 千タンパク分子の形状がそれの網I I 胞内での機能を決めるしくみを述べる。

タンパク分子の形はアミノ酸配列によって決まる タンパク質を僧j 蕊するのは．化学的性質が i もなる 20J 値; { I i のアミノ般である。 タンパク質

( p r o t e i n）分子はアミノ般が長く辿なったお1 であり． 各アミノ酸は隣のアミノ阪とペプチ ド結合という jげ 1 ぷ ’i 介で車内ばれているので．ポリペプチド（ po l y p e p t i d e ）ともよぷ。 タンパ ク伎はみな．独自 のアミノ段門c~IJ をもち． 数Jj ものタンパ ク質が存干l：する 。

ポ リペプチド j J ' iの t j t心部分に沿ってi はれる. Ktf· の繰り返し~~~IJ を ポリペプチド主 鎖（ p o lype p t i d ebac kbone ）といい． その t jt でペ プチド結合形成に ｜ 則与・しない作アミノ般に の部分が側鎖 （ s i d ec h a i n）である。20組郊の側鎖 （ F i g .3-1）には. ~H..iWI:で疎水性 （水 問イi を嫌う ） のもの. ~ あるいは 1E'il1仰をもつもの．反応でi： に 1J むものとさまざまある 。 パネ

ル3-1( p p .1 2 8∼ 1 2 9 ）に側鎖の J J ; (f締i 立を. F ig .3-2に略号 ・ を示す。

125

126

3・タンパク質

。 ♂ 、 ／

メチオニン （Me t )

H H ＠｜｜

H ! H 、 。 円 I I-

ハ 〆v

｜

H

Cl l2

H

／~

H- N - C - C

｜

ロイシン（ L e u )

c

＼〈θ

＋

A

Cl l1

V

｜

｜

H

Cl l . _

＋

＼（θ

H

s

r.O

H

v

チロシン（ Tyr )

／＼

1 11 C

Cl I

司－ r - c~~

v

Cl l

アスパラギン 酸 （Asp)

。（

｜ ／ 〉

グ

H- N- C C

＋

＠｜｜、 H H v

H

r.

＠｜｜

H- N - C - C

v

H

Cl l1

Cl l1 卜1 2 0

H2 0

, . . . . . ,

OH ， ， . 入

o -

0

、 ／ 「

ポリペプチド主鎖

＼ アミノ末錨 または N末錨

H

)

~側 鎖 －－ Y

CH, H

0

91 I I I

1

CH,

−「「 rH I

H

−「 ハθ

0

I II I

I / , , . ,

- N -C- Cァ N- C- C.-N- C-C,-N-C-C

I I

H

I

CHヲ

｜‘ CH

~

II I I II

I

II I

L

ClI .

l

IH

H

01 )

＼ ペプチド／ 舘合

-

I

IH

｜‘

H

、（ v

カルポキシ来日 ’ または仁釆鋪

＼ ペプチ ド結合

F i g.3 ・1 タンパク質の構造要素。

タンパク質は．ポリペプチド主鎖 鎖がついた備造をしている。 に仰j それぞれのタンパク質で異なるの

Cl l

は．アミノ酸の配列順序とその保

I1 1C/ "c11 1

有数である。つまり．タンパク質 鎖の の迎いは．化学的に異なる仰j

CH』

配列の迎いである。ポリペプチド

ポリペプチド主鎖

鎖の両端I t 化学的に異主主り，遊離 のアミノ基（ NH ・ 3.または N H 2 )

l l l 式図

が存在する側をアミノ末端または N釆綿．遊 r gのカルポキシ基

(COO. または ζOOH ）のある側

をカルポキシル末絡または ζ禾織 とよぷ．タンパク質のアミノ酸配

? I J l t.つねに NからCの方向へ 配列

Met

As p

L e u

T yr

第2 1 ' ! 1で論じたように． 原子はそれぞれ決ま った半筏 （フ ァン・デル ・ワールス半 径［ va nderWaal sr adi us ） ］ をもっ硬い球のようにふるまい.2つの J （子 ； はi f ！なり合わないと いう制約がポリ ペ プチド鎖の結合角を強く限定する （ F i g .3-3。 ） それ以外の立体的制約も あるため．原子 のとりうる 三 次元配置 （コンホメーシ ョン［ c o n f o r m a t i on ） ］ は厳しく限定さ れるが．タンパク貨の ような長く柔軟性のある鎖では．それで も折りたたみ方がいろいろ ありうる。

J ' iの部 分 l l J に生 じる純々 の弱 い 非 共 右 結合 とこ ろで ． タン パ ク鎖の折りたたみは j ( non cova l entbond）によ ってさらなる制約を受ける。 これには側鎖の原子 だけでなく，ポ リペプチド主 j j ＇ （ の 郎 子 も関与している。 弱い結合には第 2' ( t ' ! :( p .5 4参！ ！ ｛）で説明したよう に水紫結合 （ hy dr o g e nbond）.イオン給一合 ( i oni cbond). ファン ・デル ・ワールス引力 （ va n

de rWaa l sattrac tion） の 3 純類がある 。 非共有結合の~Al さはJげiM ftの 30 ～ 300 分の l だが． 多くの弱い結合 が同時に働くことで. I本 の ポリ ペプチ ド鎖 卜 ． の 2つの領j 或をかた く結 び つけることができる。 このように多数の非共布結合 の )Jが組み合わ さって 折 り た た み 構

F i g .3-4 。 ） 造を安定にしているのである （

き．左から右へと読む。

タンパク質の形と構造

慣リ 鎖 負 電 荷を も っ 負 電 荷を も っ 正電荷 を も っ 正 電荷 を も っ 正 電荷 を も っ 電 荷 を も た す極 性 電 荷 を も た す極 性 電 荷 を もたす 極 性 電 荷 を も たす 極 性

アラニン グリシン パリン 口イシン イソロイシン ブロリン フェニルアラ二ン メチオニン トリフ トファン システイン

Al a

Gly Val Leu

i le Pr o Phe

Met

T r p

領 。鎖

Fi g .3-2 タンパク貨に含まれる 20種類のアミノ重 量。告アミノ厳

非極性

には 3文字路号と 1文字路号があ

非極性

る。極性側鎖とヨド極性側鎖の数は

非極性

等しい。しかしここに極性側鎖と

非極性

して示した側鎖の芯かに l c l :.大き

非極性

くて非僅性の性質をいくらかもつ

非極性

y r .T u r .A r g . ものもある（例. T

非極性

）。化学構造については． パネ L y s

非極 性

ル 3-1(p.128∼ 129）を参照。

非極性

仁

電 荷 を も た す極 性

アミノ酸

AGVLlpFM W

DERKHNQS TY

アスパラギン酸 グルタミ ン酸 アルギニン リシン ヒスチジン アスパラギン グルタミン セリン トレオニン チロシン

Pl r 9 5’−r 5n Ur nr s hT y A G A い山d Hs Al Ge ST

アミノ酸

127

非極 性

Cys

非 極 性 ア ミ ノ 酸 一一一一一」

極性アミノ酸

f す第四の弱い力がある。 第 2￥で述べたよう タンパク質の形に大きな修科をおよ（ ;

. l k 水性分子はたがいに集合して，水の分子問に に．水中ではアミノ酸の非優性側鎖などの f 生じている純白状の水素結合をできるだけ忠良さないようにする （ p .54お よ び pp .108∼ 109の パ ネ ル 2-2参 照） 。 したがって タ ン パ ク 質 の 折 り た た み 方 を 決 め る 大 き な 姿 図 に．

ア ミ ノ 酸 の 極 性 側 鎖 と 非 極 性f i l ］鎖の分布がある 。 フェニ J レアラニン ． ロイシン． パ リ ン． トリプトフ ァンなどの非綴性（疎水 性）側鎖は． 分子 の内側に集まる傾向があり （疎水 性 の

泊i 商が 水 中 で 合 体 し て 大 き な r 1 1 1 i 商になるのと似ている）．タンパク分子をとり囲む細胞内 ］ . アルギニンやグルタミン． の 水 との接触を避けている。 −／

ヒスチジンなどの極性側鎖

は 分子 の 外 表 面 近 く に 配i i ' tされ ． 水 や 他 の， 怯性分子とのl l J に 水素 結 合 を 作っている こ とが

F i g .3-5）。 タンパク分子内に迎め込まれて い る 極性 ア ミ ノ 酸 は． た い て い 別 の 極 性 多い （ アミノ酸かポリペプチド主鎖と水泌がi 合 を作 っている。

( A)

(B) +18 0

アミノ酸

＼：..：、，：~＇.ラ日九，ヲ＇~~l~’i：’~込~·毛、、；守：− 、 、 ！ ＇. . ..

目

ペプチド結合

＼

／

~~l;Jg

巴． ． ー−． ・ ‘ ・， ・？ ＇’ ．． ， ・ ， ，・ ． • ‘− 司 p

.. .

ー

~

ψ

。

． ． ・ ＂ ’− 、•ー ， , . . , ー .．

・ ．． ー− ． ． −

1 穐

’ b

。

-180 ー ー． ‘・ • -180

.°A・ ~ ....1...吋』....LI•

。 。

+180

（A）アミノ酸はペプチド主鎖で 3つの結合（赤色）を作る。ペプチド結合｜ま平面（灰色） Fi g .3-3 ペプチド鎖における結合角の立体的制約。 を作り．回転でき' 1 ( f .い。一方 Ca-C結合と N -Cu給合l c l : 回転でき．前者の回転角をブサイ（ 1 j 1），後者の回転角をファイ（中）という。アミノ

c l :簡便化して Rで表す。（ 8）タンパク主鎖の原子の空間的位置は．それぞれのアミノ酸について中.l j /角から定まる。 厳の側鎖（緑色の円） l アミノ酸内の原子の立体的衝突が原因で．中.l j /角の組み合わぜで実際にありえるものはごくわすかである。このラマチャンドラン ・ プロッ トとよばれる図では．実際にタンパク質でみられる中，v角の組み合わせを点で示している。図の左下の区画に集中した点は，日ヘリック ス締造 （F i g .3-7A参R 日）に細み込まれたアミノ酸での値を示す。（ B ;J .Richardson,A d v .P r o r . C h e m .3 4 : 174-17 5 ,1 981より。 AcademicP r e s s より許箆）

α炭素原子は非対称で. 2つの鏡像体（あ

るいは立体異性体）L , D が存在する。 アミノ酸の一般式

H

/

α炭素原子

ノ

H

アミノ塁 H2 N-T-COOH カルポキシ~ ∼＼＼、、 f 閉鎖

H

c o o -

甲自 ； 」

Rは一般に 20種類ある側鎖のうちの 1つ 。 pH7で

はアミノ基．カルボキシ基ともにイオン化している。 H

① I G 附 −r -coo タンパク質は L−アミノ滋だけでできている。

R

リシン

アルギニン

ヒスチジン

( L y s .または K)

(Arg.または R)

( H i s .または H)

普通のアミノ酸l ま．側鎖が

アミノ酸は普通．ペプチド結合とよばれるアミド結合でつなが

ペプチド結合 ．灰色で囲んだ部分の 4個の原子は堅固な平面単

っている。

位を形成する。C-N結合の周りでは回転できない。

l lC=NIl ・

v

H

C lI

｜｜

U

Oo

l lN

I

CH

¥I

﹁ ﹂

「

I ¥ lI I 0

ヵルポキシ瑚 または C宋消

- N- C - COO -

H

¥/

dグ ＼

I

／ − 、

｜

RIle− H

C lI ,

｜

NlH

, I

｜ー

ーでC . -C

H

OUC

一 C- N

H

clR

｜｜

C lI ,

−

トリペプチドの配列はヒスチジンー システインーJ＼リンである。

｜ +1 1, N- C

H

に N来舗を左側にして轡く。この

0

S H ｜

N

合でつながった畏い盟合体で．つね

＼

1 1

＼／

H o

アミノ宋鑓 または N末端

タンパク質はアミノ酸がペプチド結

HH

O

_J_

C

dF ＼

r l

R

RIClH

N

＼／

HH

oo

C

−

dグ＼

HIc

N

＼／

HH

＋

1 12 0

/ "

Ct 13 CH1

この 2つの単結合は回転可能なので．アミノ酸の長 い鎖l ま非常に柔軟である。

州割引 −﹂

ペプチド結合

h u 喧副， 性慰

H,N

問正

〆＼NH,

対紋

iH : r

−

Nl 11 +

例：アラニン ＝Ala=A

NH

こ比を

この8 1 ! 分l 立正電荷 が共鳴で安定化す るので強い泡延性 を示す．

．向棚

仁川，

H H ＼ にま ’ N ・日吾 一 川州 問 一

は次のように 3文字または 1 文字の省略形で表す。

−−

CH,

に 引H げ

Cl l,

J

類される。20種類のアミノ酸

u r什11 原 附 だ

CH

ら的 つ れ較も

. C lI

i 紫刈 る ／ ／ 痘くい ノの弱て

、

のいすれであるかによって分

︸一

｜

C卜I ,

OHNC

｜

H

C lI ,

4

H

非極性

一

- N - C - Cー

｜｜

ト l 水 ｜卜

- N- C- C -

電荷をもたす極性

0

｜ ｜｜

↓︵

H

H 0 ｜｜｜

糧基性

C − I 、 4｜ ﹀ lH｜ 戸 1／ l

酸性

非酸性側鎖

酸性側鎖

( A s p .または D)

( G l u .または E)

H

ー

H

｜ ｜｜

- N - C- Cー

- N -C- Cー

H

- N - C一 C一

｜｜

H

CH

／

＼

CH1 CH1

C卜t ,

H

0

｜｜｜

I I

｜｜ H C lt ,

CH,

f ' c, 0

0

−

0

｜ ｜ ｜

( V a l .または V)

N

H

( Al a. または A)

OUC 一 同

グルタミン酸

J Cリン

HIc c

アスパラギン政

アラニン

c

0

ロイシン

f '" '0 0,

イソロイシン

( Leu. または L )

( l i e. または I )

H

H

0

｜ ｜ ｜

- N - C - Cー

｜

H

｜

0

｜｜｜

- N - C - Cー

｜｜

、

CH

H

CH

／＼

CH3

CH

TH2

／＼

CH3

電荷をもたない極性側鎖

フェニルアラニン

または Q) (Gi n.

( Pr o .または P )

( Phe，または F)

H

H

グルタミン

0 ｜ ｜ ｜

トt

／ ＼

Ni t ,

Cトt ,

CH,

＼ふ／

1 " 2

c ,

（実際にl < I : イミノ酸）

c

f 'c, 0

NI I, メチオ二ン

トリフトファン

( Met.または M)

( Trp. または W )

H

H

0

｜｜｜

アミドの N原子l < I :中性 pHではI ; 荷を

- N - C - Cー

もたないが． 優位をもっ．

チロシン

( S e r .または S )

( Thr . または T)

( T y r .または Y)

H

H

H

0

0

｜ ｜ ｜ ｜ ｜ ｜

｜

｜

H

CH,

CHヲ

CH,

｜

−

H

( G l y，または G)

- N- C- C -

Olt

〈 文j N

~

システイン

OUC

− 一N - C一 C -

｜ ｜ ｜ ｜ ｜

H clH NlH

− 一N - C一 C一

グリシン

0

｜｜｜

- N - C - Cー

H

S- CH』

トレオこン

0

｜｜｜

｜｜ CH,

セリン

。

- N - C - Cー

｜｜ H C卜I ,

グ

0

｜ ｜｜

- N- C- Cー

｜ ｜ H C lI ,

0

0

｜｜｜

- N -C- C一

CH1

ブロリン

アスパラギン ( A s n .または N)

CH3

（ 仁y s .または仁）

H -N 一

0

｜｜｜

c-c一

I I

H

C i t, SH

ジスルフィド結合は．タンパク質の 2つのシステイン側鎖間で 作られる。

一一CH2-

S- S- CH2一一

130

3 タンパク質 グルタミン酸

H 0

I 0

ーヤ－~－c、 H

、

c 可

テイオン儲一 了 一 一方

、 』 ／

~H2

【＋！

/

R C− ＇ θ／ 0 0/

水緊結合

H'- /H N

／ cH2 H，①＂ Cト1 2 C卜1 2 ＝一

OH

E ICl︿l 判 ／ 、 ﹃H C ー！

トT l t ／ 、、H ， 、 s ： ＼一H ＼︿ h l c tH ！

Hリン

F i g. 3-4 タンパク質を折りたたむのに使われ

る 3種頬の非共有結合。このような結合は単独

︸

リシン

J S F ／ 、 出 ‘3， ， 判

H

﹃

X JH

N

＼／

H

− 、

c ;、Nf;l、 !I v

4 HV 3・ CI C H 3 、 川、 トl C ／、へ ︵

tH

CトI ,

ではか忽り弱いが．この伊j のように多滋が集ま ると全体として強力な結合に怒る．前の図と同 僚. Rl まアミノ酪仰i J mを一般的に示す。

アラニン

タンパク質はエネルギー最低のコンホメーションに折りたたまれる これまで述べたような l ' ll 五作 用の 結 果． タンパク質は通常．ア ミノ般向日l j で決まる特有の 三次 元W t . i l lをもっc ポリペプチド鎖の最終の折りたたみ榊i l i . すなわち コンホメーション

( confo rma t i on）は通常.

l ' Ir l lエネルギーが最低になる。 ： ・ ，i 純度のタンパク質を月］いた折り

たたみの尖験として．ある f i l l のi 容媒を用いて非共布結合を j裂すと．タンパク分子の折りた たみ椛i l lがほどけて変性 （denat ur e）する。 この処理により．タンパク質は「！ 然状態での決 まった形を失う 。 ところが変性用の浴媒を除 くと自然に折りたたみが始まり．元のコンホ メーションが 11~~ ( r e n a t u r e ）する （ F i g.3-6 ） 。 これは．タンパク質の三 次疋構造を決める

怖f l lはすべ て．アミノ限配列の中に含まれるという．細胞機能の J i i l 鮮のうえできわめて重 要なことを示唆する。 各タンパ ク貨の安定なコンホメーションは lつ な の だ が．網l J包i 付で他の分子と相互 作川すると．こ の構造がわずかに変化する 。後で検討するが．この形の変化がタンパク質 の機能にと って JI子市に ifc~・な こ とが多い 。

タンパク

nはおのずと正しいコンホメーションをとるが．細胞内ではシャペ ロ ン

( mol e cu l arc haper one）とよばれるタンパク質の助けを 1 1 ' 1 ＇りることが多い。 このタンパ ク 質

ー ー 一 一 昔 − 唾 一 一 一 一

， ” ’， ' 1 1 1

4

F i g. 35 タンパク貨が折りたたまれて密な立

体締造を作るしくみ。極性アミノ厳倶l 鎖l 韮タン E 聖水位のコアに I < ! : 非徳性の側鎖が

含まれる

分子の外袈濁にある 復位側鎖1 立水と 水無結合できる

パク貨の$＇！.f i l ）に鎮まりやすく目そこで水と銭触 する.~ド僅伎のアミノ酸侭lj鎖le!:水と直媛j妾触し ないように内部にi 嬰め込まれて. ［聖水性の中心 部（コア）を作る。この伐式図で表したタンパク

ほどけているポリペプチド

水性の1 買収中にあり. l 斤りたたまれた備選

貨は．アミノ酸 3 0個程度の小さ砿ものである。

タンパク質の形と構造

F i g. 3-6 変性したタンパク貨のたたみ直

( B )

( A )

1 31

し。 （A) 40年以上前に行われたこの種の

0

高漕度の尿紫を

尿繁を除く ・ ー ー ー ー ー 一 事 』

加える

実験で．タンパク質のコンホメーショ ン（ 立 体織造）がアミノ酸配列だけによって決ま

｜ ｜

c

／＼

H,N −

ることが証明された。 （ B）尿素の織造。尿 NHヲ − 5 需は水にきわめて溶けやすく ．水分子 6個 あたり尿紫分子 1f 函程度の高濃度にすると

細胞から分n 精製した

タンパクa

変位した タンパク質

本来のコンホメーションに戻る

は部分的に折りたたまれたポリペプチドに結合し．エネルギー的に最 も安定な折りたたみ になるのを助ける。合成されたばかりのポリペプチド鎖は一時的に疎水性領減がむき出し になるので．分子が密集している細胞質では．中u 互作川して塊を作りがちになるのをシャ

8 8参照） 。 た だ し タ ン パ ク 質 の 究 極 の三次元構造を決めるの ペロンが防ぐのである（p .3 はあくまでもアミノ酸配列であり ． シャペロンはそれが確実に行われるように手助けする だけである。 タンパク質は． アミノ酸 5 0∼ 2000個 くらいが普通で. Jf~ は笑にさまざまである 。 大 き な タ ン パ ク 質 は． ほ ぽ独立 し た 折 り た た み 単 位 で あ る タ ン パ ク ド メイン （ p l 叫 e i n

domain ）数1 掛からなる 。 これについては後述する。 タンパク質の詳細俄造は複雑なので． 強制したい特徴に合わせた簡略描写法が数種ある。 パネル 3-2 ( p p .132 ～ 133） に． 工~核細胞でill~：な機能を来たす 100 個のアミノ般 からなる SH2ドメインを 4通りの方法で図示した。 （ A）ポリペプチド主鎖模型. ( B）リボ

C）アミノ酸側鎖を含む針金模型. ( D）空i J i充填絞型である。パ ネルの各段には ン模型. ( 紫色）か ら C 同じタンパク質を奥なる向きから見た像を示しポリ ペプチド鎖を N末端 （ 末端（ 赤色）へたどれるようにす守色しである cくGTGA> パネル 3-2を見ると．タンパク質の コンホメーションが驚くほど複雑なのがわかる。 小 さな SH2ドメインですら，これほど複雑なのである。 だが次に述べるように．タンパ ク質の椛巡には共通の構造モチーフがあるので．その記述はかなり簡単になる 。

共通する折りたたみパターン．αヘリックスと日シート さまざまなタンパク分子の三次元構造を比べると． 全体のコンホメーションとしては独自

0年以上前に毛髪 でも .2部類の共通の折りたたみパターンがあるのがわかる 。 どちらも 5 や紛の研究で見つけられた。初めに． αヘリ ック ス （ αhe l 以）が．皮府や．毛髪．爪 f f Jな どl 文 民1 から派生した組織に大量にある αーケラチ ン （α−k e r a t i n）で見つかった。αヘリ ックス 発見から l年もせずに．第二の折りたたみ構造である

pシー ト（psheet）が．絹の主成分．

r o i n）で発見された。 これら 2つのパタ ー ンが広く存在するのは．こ の構 フィプロイン（白b 造はポリ ペプチド主鎖の N-H基と C=O基の J i lの水紫結合によ って生じ． アミノ隊側鎖 は｜ 剥与して いないので． さまざまなアミノ酸配列で形成されるからである。 どちらも ．ポ

i g .3-7にこの 2極類のコン リペプチ ド鎖が規則的に繰り返すコンホメ ーショ ンをとる。F ホメーションと．附略化したリボン模型を示す。 タンパク質のコアにはかなり大きな 9シートが存在することが多 い。F i g.3-8に示 すように日シ ー トは．同じ方向を向いている隣接ポリペプチド鎖 （ つ まり平行鎖） J i i l . ある いは l本のポリペプチド鎖が行ったり来たりして逆方向を向いて隣接する鎖の部分（逆平 行鎖）にできる。 どちらも隣接ポリペプチド鎖のペプチド結合を結ぶ水素結合によ って支

F ig .3-70参照） 。 えられており．きわめて闘い構造となる （

タンパク質の構造はほとける。

(A ）主制償型 ・ポリペプチド鎖の全体権造を示す． 類級タンパクの情遣と 比駁しやすい．

(B）リボン彼型 ： αヘリックスや日シートのような二欠禍遣を 視覚的に示す．

( C )針金慎型 ． 侭1 i m の配置とそれらの近態度がよくわかる。 活性に関与する アミノ阪がこの図からi 量測でき．特にE 事索で役立つ．

(D）空間充l a 線型 タンパク分子の舗事8 .タンパク質の分子の形，どのアミノ 盤側鎖が分子表面に露出しているか．水などの小分子や他のタンパク質かう どう見えるかがわかる。

134

3・タンパク質

αヘリックス

l i l t . 繋 窒紫

( A )

( B )

アミノ酸伺l 鎖

／ 1 会R

－~『k

日シート 0 . 7nm

R

、

f l¥ ＼ 』 ＇ ¥

#

︶ F r ︵

( D )

( E )

F i g .3-7 αヘリックスと日シートのポリペプチド主鎖にみ 5れる規則的広コンホメーション。＜GTAG＞ くTGCT>( A . B.C)αヘリックス の備造。どのペプチド結合も N-H基は同じペプチド鎖にある 4つ磁れたペプチド結合の C=O基と水素結合をしている。この図で， N-H 基はすべて上を向き，仁＝O基はすべて下向きに末端の方向を向いている）であることに注意。そのため . c末端はわすかにマイナスに. N 末焔I d :プラスに帯電し．ヘリックスに極性が生じる。（ D . E.F ）日シート。この例では．隣り合ったペプチ ド鎖はたがいに逆向き（逆平行） になっている。日シートのそれぞれのポリペプチド鎖（~ ストランド）は．織の鎖のペプチド結合との閣に水緊結合を作り ．各鎖のアミノ霞

侭l 鎖はシー ト面の上下に交互に突き出している。（A . D）ポリペプチド主鎖のすべての原子を示しているが．アミノ滋側鎖は略号 Rで表し .E）主鎖の原子のみを示す。（ C .F）タンパク質のリボン後型における q ヘリックスと 日シー トの簡略化記号（パネル 3-28参照）。 ている。（ B

タンパク質の形と構造

135

αヘリ ックスは．ポリペプチド鎖のペプチド結合 4つ目ごとの C=O基と N-H基 との l l l Jで水族 ・結合を作る結栄生じる （ Fi g .3-7A参！ ！の . 3 . 6アミノ酸残基ごとに l回転する 規則的な らせん椛造である 。パ ネル 3-2にあげたドメインには. 3本の鎖からな る逆ょ j Z行

9シートと αヘリ ックス 2つが含まれている。 αヘリ ックス領域は．輸送タンパクや受等学体などの細胞l 院に存在するタンパク 質に 特に多い。第 JOf~ で述べるように，！波乱迎タンパクが脂質二重層を 貫通する ffll分は．ほ とんどが非桜性アミノ酸からなる αヘリックスにな っている。 親水性であるポリぺブザ 喝

ドの，・ " i ことで．向身は疎水位j 脂質が作る I J 失内環境に出会わないようにしている （ F i g .3-78も参照） 。

αヘリ ックス 2本が巻きっき非常に安定 した より合わせ コイル （ c o i l e d c oi l )榊逃 を とるタンパ ク質もある 。2本の αヘリ ック ス （ 3本の場合もある ）の非極性 （ 疎水性）側鎖が 鎖の片側に集ま った場合など．これ らの非極性側鎖を内に向けてヘリ ックスがねじれるの である （ F ig .3-9 。 ） 紺ト長いタンパク質では．線状の より 合わせコイル構造がその構造の基 盟主とな っていることが多い。皮膚やそ の付属物を強化する繊維の成分である α ーケラチン や．筋肉の収納を担うミオシン分子は． より 合わせコイルである。

タンパク分子はそれより小さなタンパクドメインの組み合わせで作られる 小型のタンパク分子でも．数千個の原子が空間的に正確に配置した共有結合や非共布結合

F i g .3-8 2種類の 日シート構造。 （A）逆平行 日

F i g. 3-70参照）。（ B ）平行 Hシート。ど シート （

ちらもタンパク質に多数存在する。

i l l 結している。 この複雑な構造を 三次元表示以外に視覚化するのは至難である。そこ で． でJ

NH2

疎水位 アミノ酸 aと dから なる縦縞

Fi g .3-9 より合わせコイルの構造。〈 仁GGA> ( A ) I本の αヘリックス。アミノ酸 7個の繰り

返しの＂ a b c d e 句”配列（下から上へ）から忽る。 この配列ではアミノ酸 aとdが円筒の表面で近 援し．．縦縞’（赤色）を作り .(I.ヘリックスをゆ っくり巻いている。より合わせコイルを作る典 e ! : . -a· と ＂d ＂の位鐙を~I'極 型的なタンパク質でl

性（疎水性）アミノ酸が占める。その結果. (B) HOOC COOH

に示すように 2つの αへりックスはたがいに 巻きっき． 非極性側鎖が相手方の非極性側鎖と 相互作用する。 一方．親水性側鎖は周闘の水に

し一一」

銀出している。（（）

0. 5nm ( A )

( B )

( C )

x線結晶解析により決定さ

れたより合わせコイルの原子配担。赤色の側鎖 は非極性。

136

3・タンパク質

さまざまな説明 J I Jのグ ラフ ィッ クスやコン ピュ ー タ ・ソフトウエアがH Iいられている。本 呼の付録 。VDには．選り抜きのタンパ ク分子 をコンピュ ータで作成した綴型がいろいろ な手法で表示さ れ．回転もする。 生物学ではタンパク機迭を 4つの｜桜附に区別する。 アミノ酸配列は一次構造 （ p r is e co ndar ys t r u ct ur e ）.ポリペプ mar ys t r u ct ur e ）.αヘリックスや Pシー トなとeは二次構造（ チド ~Jiが作 る全体の三 次元コンホメ ー ションは三次構造 （ tertia ry s t r uct u r e） . タンパク分

子が絞数のポ リペプチ ド鎖の組み合わせでできている場合の全体構造は四次精進 （ qua t er nar ys tr uct ur e ）である。 さらに． タンパ ク質のコンホメ ー ション．機 能．進化の研究から 目この｜祈防と は別 の!fI 裂なtl~ili単位がある こ ともわかっ てきたc ポリペプチド鎖の一 部分に． ほかからは独

立 して後で安定な構造に折りたたまれている領域が存在する 。 タンパクドメイン （ pro t ei n domai n）とよばれ．通常．アミノ酸 40∼ 35 0個からなり．タン パ ク質を構成する規格単 位である。 ドメインはそれぞれ機能が異なる。干 NI 主動物細胞内のシグナル伝述経路で機能する Sr c（ ”サーク”と 読む） タンパクキナーゼを F i g .3-10に例として示す。 このタンパク質に

c末端ドメインはキナーゼ触媒活性 はドメインが 3つあり. SH2.S H3 ドメインは湖節. を担う 。本車後半で再度 Sr cタンパクを例にとり．タンパ ク質が分子スイッチと なり．情 報が細胞のすみずみまで伝達されるしくみを説明する。 構造の典なる 3磁類のドメインのリボン縦型を F i g.3-11に示す。 この例からわか るように． ポリペプチド鎖はまずド メ イン全域を横切ったあと ． 分子表而で~；fJJ J.立に折れ

1 1 1 1がる傾向がある。 ドメインのコアは折りたたみの基本単位である αヘリ ックス.

pシー

l l i ]者・のも｛ ［々の組み合わせで榊築される。＜CAGT > ． ト あるいは j

ドメインが lつしかない小 さい タンパク分子もあれば．数十のドメインが比較的構 造のない鋭いポリ ペプチド鎖で述結されている大きなタンパク分子もある 。 F i g. 3-10 多ドメインから怒るタンパク質。図

に示した S r cタンパクにおいて. 2つの突出部

理論的に可能なポリペプチド鎖のなかで細胞にとって有用芯ものは比較的少ない

（ 黄色と復色） をもっ ζ釆錦ドメインI d :タンパク キナーゼ活性をもっ．これに対し. S H 2 . SH3

原理的には 20組類のアミノ酸がタンパク鎖のどの位低を占めてもよいので， 4倒のアミノ 6 0 , 0 0 0種類. n個のアミノ酸からなる 酸 か らなるポリ ペプチドは. 20×20×20×20= 1 ポリ ペプチドは 20”組類．存在しうる。典型的タンパク質は約 30 0側のア ミノ阪からなり．

ドメインは飼節俊能をもっ• (A ） リ ボン模型．

( B ）空間充i 貝模型．どちらも赤色は塞貨の A TP 。

A T P結合部位I d : . キナーゼドメインの 2つの突 出部の焼界面に位置することに注意。SH2ド メ インの群細忽偽造は，パネル3 -2( pp .1 3 2∼ 1 3 3）に示す。

S H3ドメイン

( A )

SH2ドメイン

タンパク質の形と構造

137

F i g .3-11 3獲類のタンパクドメインが示す三

次元嫡造のリボン模型。 （ A）ミトコンドリア電 子伝達にかかわる単一ドメインタンパク目シト a : 1 まuへりツクスのみでできてい クロム b562。1 る 。 （ B） 乳酸脱水素醇索の NAO結合ドメイン。

αヘリックスと平行 Rシートが混じっている。 ( C ) 2つの逆方向 Hシートが箆怒った形の免疫 グロプリン（抗体）軽鎖の可変領滅。これらの例 で は ， uヘリックスを緑色で，。シートを忽すポ リペプチド鎖を赤色の矢で示す。 通常 ポリペプチド鎖はドメイン全体を機切 って行きつ戻りつしており．タンパク質の表面 でのみで鋭く折れ凶がることに注窓。突出した e t 他の分子との結合部｛ 立を形 ループ領域（黄色） l a n eR i ch a r d s o nt ! i 1 供の図 成することが多い。（J ( A )

（ 仁 ）

( B )

1 0 3 珂（ 203 叩 ） 純' 3 ' i 以仁のタンパク質が存在しうることになる。 これは膨大な数で．各組 l

分子ずつ作っても宇 i i iに干f ；夜する J ；（子より多い以子が必裂となる。 Y t j 斗をとれるのは．この惣 i 象を絶する数のポリ ペプチ ドのうちほんの 安定な三次元手i

一1 1 1 1でしかない。I O依に lつもな いらしい。笑在のタンパク質のほとんどが独自の安定し たコンホメーションをと っているのは．自然選択のおかげである。 コンホメーションや生 化学的活性が予測l 不能の変化をするタンパク質は総｜ ｜胞の生。ι こ役立たないので.！ ； . ＼ の述く

J をかけた進化 の試行錯誤を通し 1 : 1 事長選択により ｜ 徐かれてしま ったの なるような長い年 J だろう 。

1 ・ 1 然選択の紡糸. J J l 存のタンパ ク質には． きわめて安定なコンホメーションを lつ だけとるような アミ ノ阪配列しか存在しないことにな った。それに加え目こ のコンホメー

: m

ションは剥I I 胞内の特定の触媒や僻 上の機能を来たすべく化学的に微調殺されている。 こ のようにタンパク質はきわめて桁訟に作られているので．あるアミノ般の l j 1のJ J ; （ 子 を数倒 取り持えただけで分子の全体構造が.！$~れ．会機能が失われてしまうことさえある 。

タンパク質は多くのファミリーに分類できる 安定なコンホメーシ ョンをもっ有益な性質のタンパク 1 ' 1がひとたびできあがると．進化の

’

過程で榊造が多少変化し新たな機能を獲得するものが現れる lJ 能1 ' 1 :が I I ＼ てくる。 この過程 ）坐するのが泣｛ 去の機構である。逃 伝 子 は と き お り 倍 加 し コ ピーのうちの lつが独立 を加I に進化 し新しい機能を4 射！？することがある（第 4' i ; ' t )。 これは過去にしばしば起こ ったので． 現存するタンパク質の多くはアミノ酸配列や三 次元桃逃がたがいによく似たタンパクファ ミリー ( l j 矢）に分知できる。 例として． タンパク分解院議であるセリンプロテア ーゼ （ s e r i n ep r ot e a s e ）の ファ ミ リーを見てみよう 。 この大家族にはW I化酵素のキモトリプシン．

トリ プシ ン．エラスター

ゼのほか. lfll 液凝，，~にかかわるプロテア ー ゼも入る 。 これらの形ぷの プ ロテアーゼ活性に 必須な部位を比べると．ところどころに必ず一致したアミノ椴配列が作花する。鴛くべき ことに．三次元椛: i i iはさらによく似ており．アミノ際数百例 にもおよぶポリ ペプチド鎖領

1 1 1がり円までがほとんど同じである （ F i g .3-12)c にもかかわらず． 域の細かいよじれや 1 多純のセリンプロテアーゼがそれぞれ独自の酵素活性をもち．災なるタンパク 質の災なる

を改変）

3， タンパク質

138

F i g .3-12 2福類のセリンブロテアーゼのコン

ホメーションの比較。工ラスターゼとキモトリ プシンの主鎖のコンホメーション。ポリペプチ ド鎖の中で緑色のアミノ酸だけが同じだが．両 者の術造は｜ ま｜ ぎ金銭で驚くほど似ている。活性 部位I i i : 赤色の円で囲んである。基質タンパクI i i : ここに結合し．加水分解を受ける。セリンプロ テアーゼの名称は セリン側鎖が各醇索の活性 部位の一部であり．切断反応に直接あすかるこ とに由来する。

キモトリプシン

l）のペプチド結合を切断し独自の機能を来たすのである。 アミノ般の I これと l••J じことが．何百ものタンパクファミリーでみられる 。一 般に．同じファミ

リーに析するタン パ ク 質 は アミノ酸配列よりむしろ梢造のほうがよく保存されている 。

lじファミ リーに属するか アミノ限配列は変化 していくものなので.2つのタンパク聞が！” どうかは三 次元構造がわかるまでは結論できない。階 りの α2タンパクとショウジョウパ エの engrai l ed タンパクは． どちらもホメオドメイン ・ファミリーの j 立伝子調節タンパク だが（ 第 7市）.60 アミノ酸残基のうち 1 7個しか｜ 百 l じではなく． ｜ 白 ） i J 矢｜刻係は三次元十位進を

-13）。 多くの例から．アミノ隊配列が 25%以上向じ 2 比較し て初めて餓認できた（ Fig.3 Fi g .3-13 進化の過程で 10億年以上前に分厳

つのタンパク質は多くの場合同じ全体構造をもつことがわかってきた。 ファミリーが大きい場合は機能が興なるものが合まれることも多い。 同じフ ァ ミリ

J で述いのみられるアミノ肢は．それぞれのタンパク質に役立つ生物活 ーのタンパク質の l 性を付与し．災なる後能をもたらしたゆえに．進化の逃れで選択されたのだろう 。 アミノ

t巡や機能にイ｛利にも不利にもならない 般の変化には.. ， ，立．＼つまりタンパク質の基本的W

した 2溜の生物における. DNA結合ホメオド )2種のタンパク質に共通し メインを比較。 （A

）日炭素の配置。 E 事 母 た偽造のリボン綴型。（8 の α2タンパク（緑色） とショウジョウパヱの engr a i ledタンパク（赤色）の X線結晶解析で決

ものもたくさんある。 そもそも変興はでたらめに起こるものなので． タンパク質の三次元

定された三次元約造図。（C)A .Bに示す領主誌の

桃 造 を 変えて不 i ? i性化する有害な変化も多かったに追いないが．そのような生物は不利と

アミノ酸配列の比較。黒い点は同一アミノ酸． オレンジ色の点は α 2タンパクに挿入されたア （C .Wolbergereta l . , ミノ酸 3つの位置を表す。 Ce//67: 51 7-528,1991より改作。 E l s e v i e rより

許絡） ( A )

( B )

プ

． ．

ヘリックス 2

，

＼

NH2

( C )

醇母 ト 1 2N

G H R F T K EN V R I L E S WFA K N IE N P Y LD T K G L E N LM KN T S L S R IQ IK N WV S N R R R K E K T.I •

•

•

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． 一 正一 ・−I

R T A F S S E0 LA R L K R E FN E N - - -R Y L T E R R RQ Q L S S E LG L N EA Q_I K IW FQ_NK R. l 包＿ ICL_l(_K jS

ショウジヨウパエ

仁OOH

タンパク質の形と構造

139

なり．自然選択の : i t ¥ お！で排除され．欠陥 タンパクは消えていったのだろう 。 ゲノム溢）.＼，：配列を解説すると ． タンパクファミリーの存在が椛訟できる。 たとえば． 000のタンパク質指令逃伝子があることが ヒトゲノムの全 DNA溢必配列が決定され. 24,

わかり．そのうち 40%の遺伝子の産物が既知のタンパク憐造に符合し. 500以ヒのタンパ クファミリーに帰泌することが明らかになった。 各 ファミリーの例々のタンパク質は． F i g .3-1 2のエラスターゼとキモトリプシンのように．少しずつ独自の機能を獲得してい

るものが多い。 これらは．与もなる生物での類似したタンパク質（マ ウスとヒ トのエラスタ ーゼでは杭系遺伝子 ［ orthol og. オー ソログ］）と 区別 し 側系i l ' . t 伝子（ para i og. パラログ） とよばれる。

xi吸が1111111 解析と核磁気共I！！~ (NMR）法と い う強力 な技術のおかげで．すでに 2万 以 上のタンパク質の 三 次元桃造 やコン ホメー シヨンが IY~ ら か になって い る（第 8 j ' 戸 ） 。 く GGCC＞ 構造生物学者（~I：体分子桃迭の専 門家）がこうしたタンパク質のコンホ メー ショ

ンを綿常に比較 し

ドメインの折りたたみ様式には m~ り があって．おそらく 2000 種類程

度だろうと結論した。約 800観類の折りたたみ構造がすでに決定されている。既知！ の折り たたみ椛:i;l は l•iJ じものが多く ． 推定されている構造にあるドメインファミリーの 4 分の 3

を. 50 の折りたたみ十1'ltjJJ,が占める 。 生体内に存在する主~なタンパク貨の折りたたみの一 覧表ができるのもそう泣くないだろ う。

配列相向性検索で近縁種を同定できる タンパク質アミノ隊配列のデータベース には．現在 1000万以上の配列が主主録されており． ：＇~·.iili にm え続けている 。 次々とゲノムが解説され．

タンパク質を 指令する莫大な数の新し

いi l : 伝了ー が見つかっているからである 。強力 な検索プログラムで．新た に見つけたタンパ ク自の近縁櫛の倣補をデータベース か ら探し出せるようになって いる。共通の祖先泣伝子 j の類似性か ら谷坊に｜ 吋 定できる。 から進化したタンパク質は．統計的に有意 なアミノ酸西日J

データベースに合まれるタンパク質の数が非常 に多く．検紫プログラムで重要でな いねー合を拾うことも少なくない。 このノイズのために．最近縁主I (以外を；J p jりI l lすのが非常 類のタンパク質で自己列が 30% 一致すれば．狗： 合したと判断す にむずかしい。一般に.2利1 る。 もっと述縁の羽j向性を見つける場合には．多数存在する叙い特徴的な配列 （・・指紋”）が ！ よ くJ J Iいられている （ F i g.3-14） 。 構造の似たタンパク質は機能も似ていることが多いので． このような比較は重要で

l だとわかれば．数 ある。新しいタンパク質のアミノ酸配列が機能既知のタンパク質と相！ 日 年分もの尖験が何時できることもある。 この類推法の故初の成功例は. 1 1 1 0 乳類細胞をがん 化する遺伝子株がタンパク キナ ーゼと同じものであると突き 止めたことであった。 同様に．

J f発生においてパタ ー ン形成を淵節するタンパク伐の多くが泣伝子部J ショウジョウパエのJ

N iタンパクだという類推もうまくいった。

F i g .3-14 類縁関係のあるタンパクドメイン

の発見に利用される短い特徴的な配列。1 5ある いは 9アミノ酸から砿る短い 2つの配列（緑色） を利用して．多くのタンパク質にみられる SH2 ドメインを大規模データベースから検索する。 cタン ここでは，ヒトとショウジョウパ工の Sr パクの S H2ドメインの 1 0 0個のアミノ酸のう

o個のアミノ酸を比較した（ F i g . ち，長室初の s 3 -1 0参照）。コンピュータによる配列比較（黄 色の列）の結果を．ヒトとショウジョウパエの タンパク質が完全に一致したところはアミノ酸 1文字路号で．同一ではないが類似したところ WYFGK工TRRESERLL

GTFLVRESE WYFGKITRRESERLLLNAENPR, GTFLVRESBTTKGAYCLSVSDFDNAKGL-

W+F + R+E+++LLL ENP GTFLVR SE

Y LSV D+++ +G -

WFFENVLRKEADKLDLAEENPE GTFLVRPSBHNPNGYSLSVKDWEDGRGY-

1 0

2 0

3 0

40

5 0

特徴をもった配列 ヒト 符合した配列 ショウジョウパエ

はアミノ畿を ＋で．類似しないところを空白 で表した。この図でl < l : .緑色の特徴的芯配列に 対し一方または両方のタンパク質が正確に一致 した位置を．並置したアミノ酸配列上でオレン ジ色で示した。

1 40

3 タンパク質 EGF

さまざまなタンパク質の部晶となるタンパクドメイン．モジュール

キモトリプシン

ι

タンパク質は．ポリペプチド鎖のある V i i i 或が秘な構造に折りたたまれてできる症l ！ したド

・ 、 . . 回仁OOH

H2 N

メインがi l lなってで きている。 このような . i fなりは．各ドメインを桁令する DNAが 1 1 1 1 然 結合し てがf しい治伝子が生まれたために生じると与ーえら れて いる 。

新しい結合 l : < 1 f l iが＇: Iまれ．そこにタンパク質と小分

仁OOH

ト i 2 N

ウロキナーゼ H2N圃（，−−・. . . . . . . . . . . 』 仁O OH

ドメイン の桜~i~il には

r との紡 f l r n l i 立が見つかる ことが多い。

み介わさ って進化して きた。 この 大型のタンパク伐の多くは．既存のドメインが新しく剃l 進化 過れをドメインの悦ぜ合わせ （ domai ns h u I T Ti ng）とよぶ（ Fig.3-15） 。

． ． ． 第I X因子

H2N － ~ー咽~ COOH

プラスミノーグン

H2N

量

圃

‘圃．恒仁O OH

進化を ilii じ て~~I＇・ にjムま っ たドメイン併でとりわけ倣辿のきく椛j立のものを ．タンパ

F i g . 3-15 ドメインの混ぜ合わせ。タンパク質

クモジュール （ pr o t e inmodul e ）という 。パネル 3-2 (pp. 1 32∼ 1 33）にぷした SH2 ドメイ

の進化の週程で． ドメイン聞で大規放なつなぎ

立を Fig.3-16 ンはモ ジュー ルである。 それ以外でよくみられるタンパクモジュールの情j

換えが起こった。この図で．同じ形と色で示す ドメインは進化上の類縁関係がある。キモトリ

に示 す。 ここ で示したモジュ ールはいずれも．。シートか ら梢成 される安定なコア桝遣をも ち．そこからややイ＇ J ; I L ! l l J なj 彩のポリペプチド鎖ループ（緑色）が突き I l lている。抗 体 分

f

ブシンなどのセリンプロテアーゼl c l :2つの領域 （茶色）からなる。それより特異性が寓く．よく 調節された他の 3｛量殺のブロテアーゼの例も示

(F i g .3-41参 ！！ ｛）の . ＋1 l f f i lの基本となる免疫グロ プ リン ・モ ジュー ルで比ると．ルー プは 他

した。これらの例では． このフロテアーゼドメ

の分 r とのがi介古IH•i：を作るのにちょうどよい位 I~•＇. を内めることがわかる 。 このような P シ

イン 2個に lつ以上のドメインが連絡している。

ー ト を J.~ 本とするモジュールが進化 の過れ！で多 JIJ されたのは．突 Ill ル ープの形を少し変え

こうしたドメインとして．よ皮~殖因子（ EGF)

にあるのと同級忽ドメイン（緑色）．カルシウム

るだけでリガンドのがi 介郎伎を新しく作れる便利な枠組み構法だからだろう タンパクモジュールのイ！ H i t tを説明する第 二の特徴は．別のタンパク伐に組み込ま れやすいことである。Fi g .3-1 6に示す 6位 知のモジュールのうち

5 f t f i 知は. N ,.j~ 端と

C~

端がモジュールの 11!1j端にある 。 モジュールを指令する DNA に前列反復 J＼~ の ifi. 彼が起こる

結合タンパクに似たドメイン（ ; r t 色）．内部にジ スルフィド架僑を 3つもつ．クリングル．ドメイ ンに似たドメイン（向色）がある．キモトリブシ ンの図は F i g .3-12にある。

と（ゲノムの進化 ではめずら しくない。第 4i ' 目 的WI したモジュー J レが”ーダJ Iにつながった

桃: i iになれる。 l o i Jじものでも 日I ］ のl 立ダJ I 型 モ ジュ ールが人 つでも 椛 わな い （ F i g .3-17） 。モ

間体制御

l 型フィブロネクチン

i 也知囚子

モジュール

−モジュール

モジュール

F i g .3-16 タンパクモジュールの三次元借造

n

d : . シートを のいろいろ。このリボン収型で I 構成するポリペプチド鎖を矢印で示し. N末舗 と C末端には赤丸をつけてある。 （M .Baron, rends D . G . Normanand l . D . Campbell, T B i o c h e m . S c i . 1 6 : 1 3 1 7 ,1 9 9 1より改作。E l s e v i e r

免疫グロプリン・ モジュール

川型フィブロネクチン モジュール

クリングル ・ モジュール

より許諾。および， D. J .Leahye ta l . ,S c i e n c e 258 ：・987-991 ,199 2より改作.MASより詩話）

タンパク質の形と構造

141

ジュールがf i ' ( i j ! Jにつながってできた強くて長い十1 V i i J Iは目紺l ! J 包外マトリックス分子や．細胞

衣l f I Tの受T 何本タンパクの細胞外部分などによくみられる。 − ） J .SH2 ドメインや

F i g .3-16

に示すクリングル ・モジュ ールな ど は N , j ミ端と Cぶ端が近接する・差し込み”型であ り． ゲノムの 1 L J 制． 成があ って も 日 J I のタンパク質のループ領域に何人されて納まるようにな っ ている。 さまざまな ~·i核ll：.物でのドメイン利 Ill の相対lJ！［肢を比峡すると．タンパクキナーゼ

などの共通ドメインが使われる頻度は．両手 f : J :.柏物．総止しハエ．ヒトといった広範聞の 。 しかし 生物で似かよ っている（ Fig.3-18）

i ニ必組織迎合: i l 1伝子複合体（ m付orhistocom-

patibi l i t ycompl ex. MHC ） のぢL}Jf~ 識別ドメイン （ Fig. 25-52参！！ののように．ヒト では 57も

Li~の他の 4 つの生物には存イピしないという例外もある 。 これはヒト以外の兵

あるのに．

舷生物にはない機能に特化しており．進化の過程で~rri い選択がかかったため． 現存の数多

いドメインにな ったのだろう 。 問 機 に ,:':j~~~・4級生物で数が災常に増加した SH2 ドメイ ン は 多細胞生物に特に右利だったと般i J l l Jされる（ Fi g .3-1 8の多細胞生物と醇舟とを比較 のこと ） 。

多くのタンパク質に対になった ドメイ ンがある ゲノム f;J ），開~ijlj が解析された生物でのドメインの利川法を 'l~）：くと ． 大きな表になる 。 たと

えばヒ卜のゲノムには．約 1000の免疫グロプリンドメイン .500のタンパクキナーゼド メイン. 250の DNA結令ホメオドメイン .300の SH3 ドメイン. 120の SH2 ドメインが あると .JW~とされている 。 全一 次配列が決定ずみの IOOfi[［以上の真核生物や細菌や山梨II 閣の

( A )

( B )

Fi g・ 3-17 直列裂タンパクモジュールが速な

ゲノムにおけるド メインの出現頻度や分布を比政すると ． さらに重要な情報が得られる。

った長い織造。細胞外マトリックス分子フィブ

たとえば． タンパク質の 3分の 2以上 が 2つ以上のドメイ ンからなり． 一対の同じドメイ

ロネクチンの川型フィブロネクチンモジュー i g .3 -1 6参照）が 4個速なった禍遺体の （ A) ル （F リボン倹型と（ B）空間充壌模型。（ D J .L e a h y ,I

ンが. f l l対配；n も｜吋じに繰り返し現れることがI Y Jらかにな った。 ドメインファミリーの半分 は市制的．調11 拘. ~＇！；核生物で共通するが. 2つの ドメインが対になる形の共有率は 5% に 近 すぎな い。 そこで．特にイヲ益な対のドメインを合むタンパク質は．進化の中で比較的 M：

m

A u k h i landH. . PE r i c k s o n .C e / /8 4 :1 5 5 1 6 4 ,1 9 9 6

より改作。 E l s e v i e rより許諾）

に れたと.＇. J ＼われる 。 ィ~データの人 っ たデータベースで見ると.

どれかが．

！ 訟も数多く存｛ J . ＇する対のドメイン 2 00の

ドメインと識別できる領減をもっタンパク質の約 4分の lに存在する。 そこで．

この純のドメインをもっタンパク分子 lつについて中1 ' / f i ' Mな三 次元判l t J i lを解明すれば．その ，~，でドメインどうしがどうかかわり合 っ ているのかを明らかにするの ようなタンパク質の ，

に役、工つだろう 。 4 . 6 4 . 2 ~ 向 語、

3 . 8

4 日3 . 4 扇

G3 . 0

時J

話2.6 ~ 2 . 2

汚1. 8 F ト l 且1 . 4 頬

4 l l1 . 0

Fi g. 31 8 3つのタンパクドメインの 5濯の真

0 . 6

一 一 ． ．

0 . 2 醇母組物線虫 ｜ ヒ ト ショウジョウパ工 ) : I 級生物タンパクキナーゼ

DNA結合ホメ才ドメイン

SH2ドメイン

級生物での相対出現頻度。完全ゲノム泡基配列 から j 桂定した．台生物がもっと考えられるタン パク分子の数に対する ． そこに出現する台ドメ e ! :1 2 0 インの合計数の割合（%）。ヒトの SH2でl +2 4 , 0 0 0x 1 00= 0 . 5である。

142

3・タンパク質

醇母

ヒトゲノムが指令する複雑なタンパク群の多くはまだ解明されていない ヒ トゲノム塩基配列を決定してみ た ら．驚くべきことにヒトの染色体には遺伝子が約 25 , 00 0倒しか合まれていなかった。逃伝子数だけでみれば．アブラナ科のち っぽけな野

線虫

. 3倍税度という後維さしかない。 ゲノムから．脊 草シロイヌナズナと変わらず．線虫の 1 T O J 物のタンパクドメ イ ンのほと んどが無脊椎動物から受け縦がれた ことも明らかにな っ 椎！

た。 ヒ トで同定された ドメインの うち脊椛動物特有のものは 7%にすぎない。

ヒ ト

） 。 とはいえ. 11~1 々のタンパク質を 見 る と． ヒ ト のものは概して抜雑である（ Fig. 3-19 脊椎動物の進化 の過殺で ドメインが混ぜ合わさり．新たな組み合わせが多数生じたのだろ う。 ドメインの組み合わせを見る と．ヒト では線虫やショウジヨウパエの 2倍近く ある 。 たとえば． ヒトのトリプシン様セ リン プロテア ーゼ ・ドメインは少なくとも 1 8種類のド

F i g . 3-19 進化上で類縁関係があり，類似の機

能をもっと考えられるタンパク群のドメイン締 造。一般的に．ヒトのよう芯復雑主主生物のタン

hではわずか 5磁類としかつながっていない。 このように メインにつながっているが．線!

! t l c ! : . ドメインを多くもつ傾向がある。こ パク f

1 1 1の相互作mの幅も大きく広がっ ヒ トではタンパク 質の多様性が憎しており ． タンパク質 1

こでは DNA結合タンパクを例に示した。

ているが （ Fi g .3-82参！ ！の．それがヒトをヒトたらしめるのにどう 貢献しているのかはわ かっていない。 生物の彼~さにはぼう然とするし．

ヒ ト ゲノムで同定された l 万以上のタン パ ク質

の機能をどう解明していくのか．ちっぽけな手がかりさえない税状を点剣に受けとめるほ

f f 決すべき魅惑的な謎は山ほどあり ．これへの挑戦はこれからの細胞生物学者の かない。 P 仕: : i J Jである 。

大型タンパク分子の多くは複数のポリペプチド鎖かうなる くGCC T> 弱い~＇；共有名号令はポリペプチド鎖を折りたたんで特定のコンホメーションを作るだけでな

く．細胞内でタンパク質どうしを結びつけて大型の構造を構成もする。 タンパク質の表而

bi n d i ngs i t e ）という 。 にあり ．非共布結合を介して他の分子を結合させる領域を結合部位 （ タンパク質は結合部位で大小さまざまな分子と結合する。結合持1 1 1 立が他のタンパク質の表 面を識別すると．折りたたまれた形のポリペプチド鎖どうしがそこでし っかりと結合して． 正確に決ま った配的の大型タンパク分子ができあがる。 このようにしてタンパ ク質を構成

p r o t e i ns ubun i t ）とよぶ。 するポリペプチド鎖を ．タンパク質のサブユニ ッ ト（

l 1 止 もl j . i じ車 i i 合剖H 立で辿名＇ i し.2 1 1 . ¥ 1のサフゅユニッ トからなる左右対柄、 の似合体 （ ニl : J t 体［ dime r ］とい う）を作る場合である。Cr oリプレッサータンパク （ Cr or e pr e s so rp r ot e in）が この例である

( F i g .3-20） 。Cr oは． ウイルスの感染細菌で D NA に結合してウイルス遺伝子の発現を止 める謝節タンパクである。 同一のポリペプチド鎖が桜数集ま って対称、椛迭をとる複合体は 多く ．酵素・ノイラミニダーゼ （ ne urami n ida s e ）では．同一 タンパクサプユニット 4個 が ＂ i i i ' i と尾を突き合わせて”環状に並んでいる （ Fi g .3 21 。 ） 『

F i g .3-20 2つの同一サブユニットが結合して

できた左右対称のタンパク二量体。パクテリオ ファージ 入の Cr oリブレッ サータンパクは DNAに結合し．ウイルス遺伝子の発現を止める。

2つのサブユニッ トどうしは頭を突き合わせ目 疎水性引力（宵色）と水素結合群（黄色の部分）を 介して結合する。（ D . H .O h l e n d o r f ,D. E .T r o n r u d .Mo/ . B i o l .2 8 0 :1 2 9 1 3 6 , a n dB . W .M a t t h e w s .J c a d e m i cP r e s sより許諾） 1 9 9 8より放作。A

タンパク質の形と構造

143

F ig .3-21 同ーのサブユニ ット複数個かう怒 るタンパク分子。ノイラミニダーゼでは．同一 のポリペプチド鎖 4本が環を作っている。これ

f .リペプチド鎖のそれぞれは 色のついた うのi φ

矢で示した.4つの鎖でできた戸シートが 6つ 反復して楠成されている。小むな模式図は，同 級1 ( f . 結合を繰り返して構造ができるようすを示

している。

出

ノ イラミニダーゼタンパクの四鐙体

調1 1 1 / i ' ! .内のタンパク質は.2手 1 f ( 類か 3種類のポリペプチド鎖からなるものが多い。赤 J t f l 球の酸素述搬タンパクであるヘモグロビン（ he mo g l o b i n）では ． αーク・ロビン ・サプユニ ッ

ト2例と p −グロビン ・サブユニット 2例が対称に配世されている（ F i g .3-22） 。組l 胞には このような複数のサブユニットからなるタンパク質がよくあり ． なかには非常 に大型のも

i g .3-23に椛逃 がW f l Y Jされたタンパク質を示す。 これまで校型を示した比較 のもある。F 的小 さいのものと ．大きさも形も数段大きいものとを比較してほしい。

長いうせん状の繊維を作るタンパク質もある タンパク分子が集まって細胞の全長にわたるような繊維を形成することもある。いちばん 単純なのは． 分子の表而に同じ分子・の表而の他の音II位とのキI~布ll 的結合古II位があり．同じ分

了ー が次々つながって長い j J ' iを作る場合である（F i g .3-24 ） 。 アクチンフィラメン トがこの

c t i n）分子がたくさん集まって長い らせんf i ' l tmを作る（ F i g .3-25）。 アク 例で． アクチン（ a チンは点核細胞に大量に存殺し細胞竹格と い う大きな繊維網を構成する（第 1 61~ ） 。 生物界にはなぜらせんがよくみられるのだろう 。 ここまで見てきたように．生体物 t t i . 位 が：長く述なって j j l状になることが多い。 質はアミノ酸やタンパク分子など類似の構成 _

l : J1 エネルギーを最小にする 全単位が｜ 司ーの場合．鎖内で隣り合う単位がたがいの結合の「l

F i g .3-22

ように相対的位置を調艶しである形態に務ち着くので．構成 l j i（立の位t n関係は隣どう しで

値されているタンパク質。赤血球に多Eに含ま

すべて l•iJ じになる 。 つまり単位 l と 2 の結合と単位 2 と 3 の結合は IITJ じで．これが繰り 返されて い く 。 構成単位が完全な n·~,rJ~：I犬に~I~ぶのはめったになく ．

このような集合体は通

常.F i g .3-26に示すような規l i / j J ：. しいらせんl 格段の椛: i ¥ 与をとる 。｜ 消段の回り方に よって．

2種類のサプユニットが対称的に配

れるヘモグロビンは．日ーグロビンとトグロビン をそれぞれ 2個すつ含むタンパク貨である。こ れら 4本のポυ ペプチド鎖はいすれもへム分子 ）はここに結合する。す （ 赤色）を含み．酸素 （Oz

i g. 3-26日。巻き方は上下逆に見ても変わらな いが．鋭 らせんはれ巻きか左巻きになる（ F

なわち。血液中のヘモグロビン 1分子は 4分子

に映すと逆になる 。

の酪繋を還鎖する。

144

3 タンパク質

SH2ドメイン

力タラーゼ

デオキシリポヌクレアーゼ

コラーゲン ポリン

シトクロム c

カルモジユリン

インスリン

Snm

2 3 同じ縮尺で示すいろいろなタンパク分子。比較のためタンパク質に結合した DNA分子も 1つ示しておく。 こうした空間充l 以提裂で I d : . さまざま芯タ F i g .3 ンパク分子の大きさや形が叙観できる。ヘモグロビン カタラーゼ ポ リ ン アルコール脱水禁解緊．アスパラギン酸カルパモイル基転移酵紫は複数のサブユニ

d : パネル 3-2 ( p p .1 3 2∼ 1 3 3）に詳細を示してある。（D a v i dS .G o o d s e l l ,OurM o l e c u l a rN a t u r e .NewY o r k :S p r i n g e r V e r l a g , ットからなる。 SH2ドメイン（左上） I p r i n g e rS c i e n c eandB u s i n e s sMediaより許諸） 1 9 9 6より改作。 S

145

タンパク質の形と構道

(A ）結合してい砿い

F i g. 3-24 タンパク質の集合体。 （A） 結合部位

集会した偶造

サブユニット

が 1つだけのタンパク質l < t ;，同一のタンパク質 と二血体を作る。（ B） 異なる結合部位を 2か所 二思体

もつ同ータンパク質どうしは．長いらせん状の 総維を作ることが多い。（C )2か所の結合部位 が適当主主位置関係にあれば．タンパクサブユニ ット｜まらt き んで忽く閉じた環を作る可能性があ る （Aの例は F i g .3-20参照 .Cの例l < t ;F i g .3-21

( B )

主 主 目 的 。

ー 一 一 一 ー ー ’F

( C )

らせん併造は生体でよ くみられる 。小分子の l j i . f 立が共有結合で述結しているも の（ア ミノ 般からの αヘリ ックス ）もあれば．大型のタンパ ク分子を単位として非共有結合で述

アクチン分子

紡する もの （ アクチン分チからのアクチンフ ィラ メン ト）もある。 これは鴛 くにあた らない

マイナス錨

らせんは特別な例法ではなく 目同ーの l j i . 位を 多数悦べ る と き J i l jのものとの位 V i関係を i f 雌にき｝： しく航み l ] i ：ねていくとできる桃i l iなのである。。 1 1 1 1に沿って一定の同紙をしながら 一

i l f j f f iをすれば． らせんl 糖段状に なる 。 定の 1

のびた繊維状構造をとるタンパク質も多数ある ここまでに見てきたのはほとんどが球状タン パ ク （ g l o b u l arp r o t ei n）で．ポリ ペ プチ ドj J ' iが 術に折りたたまれて球状になり ．表面 は不怠H i i lである。両手ぷは．後数のサプユニ ッ トを合 み似維で大 きなものが多 いが．だいたい球状であ る（ F ig .3-23参！！の。一方．役割上．長 くのびている タンパ ク質もある。一般に単純な細長い三次元構造をと っており．繊維状 タ ンパク（ f i b r o u sp r o t e i n）とよぶ。 細胞内にあ る繊維状タンパクで大きなフ ァミ リーを構成する のは ． αヘリ ックスを ーケラチンとそのや1 1 1 / I Jである。 ケラチンフィラメントはきわめて 説明する際に例示 した α 安定で．宅援やf l J . 爪など長もちする f i ' ! ? i l iの＋成分である 。αーケラチン分子は ！ 日 ｜ーサプユ ニ ッ ト2つからなる こ ： ，（体であり．作サ ブユニットの長い αヘ リックスがより合わせコ

i g .3-9 参！！（~）.その両端にがi令部伎を合むJ;j(状のドメインが存在する 。 この イルを作り（ F 州 の タ ン パ ク 質 は こ の 部 位 で 集 合 し ロ ー プ状 の ' 1 1 1 1 1 11 釜フィラメント ( i n t e r m e d i a t e

f i l a m e n t）を形成す る。 これは細胞内の備j . ￡ d ' J ・ 怖の i f ( ' . J l f成分である （ F i g .1 6-1 9参 m o。 繊維状タンパ クは細胞外部に役山で．ゲル状の細胞外マトリ ックス （ e x tr a c elul a r

matr i x）を形成し． いろいろな細胞を結合して組織を作らせる。 これは細胞が外へ分泌し たも ので. il,~）以や長い繊維にな っ ていることが多 い。 !fw物組織の繊維状タン パ クとして J~

( A )

L一 一 一一 一一 5 0n 、 円」

( B )

F i g. 3-25 アクチンフィラメン ト。 （A） ネガテ ィブ染色したアクチンフィラメントの透過型電 子顕微鏡館。 (B）アクチンフィラメント内のア クチン分子のらせん状配窃。（ A : ，写真挺供 ： R o g e rC r a i g )

146

3 タンパク質

F i g. 3-26

5せんの性質。 （A∼ D）復数の

偶成単位をたがいに規則正しく連絡さぜる とうせんができる．写真の l番下に. 2個 の単位の連結のようすを示し．その~後に

は完成したうせんを示す。らせんが 1回転 するのに， （ A）では 2個.( 8 ）では 3個 （ （ ） ι

と （D）では 6個の単位が必要である。写真 のいちばん上は．集合体の全体像を真上か ら見たものである. (D）のらせんの回転半

J : l l 育 径は（（）よりも大きいが. 1回転に必婆T 成単位の数は等しい。 （E ）うせんには右著書 きと左巻きがある．主主考までに記すと，普 通の金属のねじで．時計回りに回転させる と前に進むものを右答きという．うt さんは 左巻き

上下逆にしても右替をは右巻き．左巻きは

右巻き

左巻きである。

( E )

( A )

( B )

（ 仁 ）

( D )

イ ：1 ：する コラーゲン （ c o l l ag e n）分千は長いポリペプチド鎖 3ノドで俄j反され．手キポ も大：， ； ： に イf リペプチド jJ~ のアミノ般 3 残:JS; ごとに Jド係性アミノ般のグリシンが｛占： in する 。 この脱llll正

しい 、 l V .びから. ，，~リペプチド釘iがどをき っき介 い.

1 長く脱則的な 三 屯らせんができる（ F i g・

F ig.3-27 コラーゲンとエラスチン。 （A）コラ

3-2 7A ）。 多数のコラーゲン分チが側而どうし．端どうしでつながり ．丞なり合う部分を

ーゲンは. 3本ののびたタンパク分子の鎖がた

もつ長い悦i 立体を作るので．第 1 9l 立で述べるように． きわめて丈夫な コラーゲン以繊維

がいによじれ合った三温うせん偽造をしている

となり．紡令組織に抗張力 が 発生する。

（下図）。細胞外の空間で惨状コラーゲン分子が 集合し架橋を作って，鋼のようは号｜つ袈り強度 をもっコラーゲン原繊維（上図）を形成する．コ

e l : . コラーゲン分子が ラーゲン原線維の縞似俗t

多くのタンパク質で．明確な構造のないポリペプチド鎖部分が驚くほど多い

8 ) 規則的な繰り返し配置をとることによる0 (

翁1 1 1 1 包外マトリックスに大量に存伝するエラスチン （ c l a s t i n）は． コラーゲンとは正反対に．

ヱラスチンのポリペプチド鎖l e ! : . たがいに架縫

f ［であることが以前から匁l られていた あまり 明確な構造をもたないポリペプチド j

この性

を作ってゴムのような弾性繊維を作る。強力が

質がエラスチンの機能に必須なのである。比 較 的ゆるく I Y J l l ( tな構造をもたないポリペプチ

加わると．個々の分子のコイルがほどけてのび た構造になり. ~長力がゆるむと自然に元に戻る。

3 単位線維

＼ ＼ ぉ−？＇:Jst子

／／＼＼ 引っ Y I る

1 . 5nm

コラーゲン 三箆らせん

ゆるめる

1個のエラスチン分子

． ・ ・ (A)

( B )

147

タンパク質の形と構造

ド鎖がJげT結合によ って会（－.t,!G され．ゴムのような •Jiji力性のある網目榊追を作り. F i g .3 -278 に示すように．づ ｜ っ rJJ~ っ たりゆるめたりすると．コンホメーションが変化したり I~ っ たり する 。 こ のような•Jljl1t繊維のおかげで. 1 文h 可 ゃl f U JI 派 ． ！ 日l などの組織がやI ＇ 紛i しでも絞れない

よう にな っている 自然界では. IYJli(I'. な椛iiiのない~i1或を合み．細胞内で重要な機能を来たしているタ ンパク質はかなり多い

先述したように． タンパク質は．

ドメインのコア領域から友商に

l iた短いポリペプチド鎖のループで他の分子と結合する。明確な構造をもたない領域 突き t がさらに多く存在するタンパク質では．そのような領域が他の分子 （ DNAや タンパクなど）

1 工作J nにl f Jいられる 。 この場合．他の分 子と の結合で椛造変化が生じ．特定の折り との祈1 たたみ榊: i iになる。 またなかには回大部分が不規! I l lである ことがその機能に必 ' l ! Jとい う ．

f ；イ ） $し ぬi 介体の内側l 表而に大；止にイバ1 ：するヌク エラスチンに似ているタンパク質もある。級f レオポリンなどは．ラン ダム ・コイルの網 l i 椛i 立が核輸送に密接にかかわる （ F i g .1 2 -1 0 参

m o。 本務で後述するように （Fig.3-SOC参m o .併 : i l iをもたない飢域が．結{ t P H H 立を結

i EをI l lさせる場介もある。 たとえば．大きな足場タンパク（ s c a f f o l dp r o t e in) びつけて触媒l がこのような柔秋竹に日む・飢城を”つなぎ網”のように使って反応にかかわるタンパク 昨を 集め．剥I l 包 ）j 、 ）l の的 ；， ・￡な場f f rに， ））イ l ： させてシグナル｛ 云迷を促進することもあ る（第 1 51~·＇.） 。 ア ミノ般の組成にみられる fl1~ りから．十位:ili のない領域を検知lできる 。 折 りたたみの

あるタンパク分子のコアを榊成する大きな J I ； 係性アミノ酸はこの領域にはほとんどなく．

Gi n .S e r .P r o . Gl u.L y sが大部分となる。 このような”I i i初から折りたたみのない”節減は． アミノ般の繰り返 し配列が多い部分でもある。

細胞外のタンパク質は共有結合による架橋で安定化する 細胞膜の外側に Hl ＜したり．分泌されて細胞外マトリックスの一部となるタンパク質も少 なくない。 それらは細胞の外部環境に直接ふれるので． ポリペプチド1.l'llllJ に ~~；（j'結合で当（－

. j { f ,して併造を安定化している

述結は｜ 白 l じポリ ペプチ ド鎖内の 2つのアミノ般 l l Jでも．複

数のサプユニットの別々のポリペプチド j J ' i l l l Jでも起こる 。 タンパク質にみられる放も 一般

v 1 W n J ; tr 1 1 1 1の J HW；合である。翁I J ) J 包外に分泌されるタンパク質では．合成前 的な匁橋は.r 後にジスルフィド結合 （ d i s ul f i deb o n d . S-S結合 ［ S-Sb on d］ とも いう）が形成される 。 ~

1 2l立で述べるように．折りたたまれたタンパク町内で近接するシス テイン側$ J i の− SH J 左 どうしは．小J I 包体｜人jで醇ぷによってつながれる （ Fi g.3-28 ） 。 この結合はタンパク質のコ ンホメ ー シヨンは変えず．イi 手 j lなコ ンホメ ー ションをかすがいで補強するような形で＇ ! J : 定

i羽細胞壁をi 作かすリゾチームは．こ のような保・ i f . F iで構造 化する 。たとえば．以に合まれ綱I

システイン

Ji ： ぷ ちI I

F ig.3-28

CH， ー Sト1

SH CH,

J 二 竺X

A 1

隣 ｝ 妥す

るシステイン国j l 鎖問に．共有結合のジスルフィ

CH,

f 「示、よ（

ジスルフィ ド結合。

E 量化剤

− ・− − ー ー ー ー 一 ー 還元A l l

f ー ＼と、 ー I

L

CH,

ジスルフィド結合

-

1 − ー ボリベフチド鎖内 5 ジスルフィド結合 Cト1 ヲ

； 戸 一？

ド結合が形成されるようすを様式的に抱く。図 に示すように．架備が同じポリペプチド鎖の 2 か所．あるいは異怒る 2本のポリペプチド鎖を 連絡する0 lつの共有結合を切断するのに必要 芯エネルギーは． 一群の非共有結合を全部切断 p . する際のエネルギーよりか主主り大きいので（

5 3の衣 2 -1 参照）．ジスルフィド結合l まタンパ を果たしている。 ク貨の安定化に大きな役割l

148

3 タンパク質 F i g. 3・29 同じザブユニッ トが複数回の媛触

ハチの奨状の府

によって集合する例。球状タンパクサブユニッ トがハチの災状に並ぶと．平面や円筒状に主よ る 。

／

。 ー

サブユニット

＼、 うせん状の円筒

：

カ ヤ ムi 主化 しむi ' ;1 f i i, r i t ' I :をi 長時川保っている。 細胞質では

I J 1 c 物質の i t !l l t" / ) {, ・ , ' : jいので.s s結合が還冗されて −SH基に以：ってし

まい．通常ジスルフイド結合は＇ I ： 成しない。細 胞l λ lという比較的おだやかな環境では．タ

l t i l i補強を必要としないのだろう 。 ンパク質はこのような H

タンパク質がサブユニットとして集合し大きな構造体になる タンパク分チが~ま っ て環や繊維を形成するのと同じ原理で．翁II胞内の大型の構造体もで

きる。

n r . 紫似合体．

リボソーム． タンパク繊維． ウイルス .I I 突などの超分チ桃i l lは. JHI

t ' i 0 'でできた｜｛大な lf附の分 r ではなく．多数の分子が~＇＂共イ1・結合で集合してできる。 大砲の H l i i l iを作る際にサプユニ ッ トを H Jいる利点はいくつかある 。 1 . l 種類iか数HLUi のサプユニ ッ トの繰り返しで大きな構造ができるので． 必~：な j立伝 的幸j~，：：が少なくてすむ。 ；

2. サプユニットどうしは比般的エネルギーの低い結合をたくさん使 って結びついてい

I がf fMに制御でき． しかも 可逆的である。 るので．会合．解出E 3 . サブユニットの集合叫に．ボ H ftのあるサブユニ ットを排除する修正機榊が働くの

i ' l t i l i 体形成の｜ 絞の以りを ｜ 除きやすい。 で. + タンパク質 （ サブユニット ） が／） . ：j怖

r に配 i j 1 . 1 ＇して. / 1 ' 1状になる ことがある 。脱に約三イi なタ

ンパク 1 1で.J J I H ' t二− o r （ 附内でこの配J 1 i . 1 ＇ をとるものもある。サブユニットの｝診が少し変化す

1 iに変わり （Fig.3-29 ） . さらに変化すると •＋• ：－.＇.＂.の球ができる。 るだけで．ハチの巣状の附がt 特定の RNAや DNA分 子を内部に結合できる 川間や球は ． ウイルスの外被となる。 環やがjやJ ; j (などの

が

mじた構造ができると．サプユニット （タンパク質）1 1の結合の数

mえるので安？と肢が附す

このような構造はサプユニ y トどうしの協同的な宇Il 工作

mに

よってできているので．伽1 々のサプユニ ッ トに比較的小さなぎ主化が生じただけで集合した

l l ¥は. ＂ ＇ ~の球形 （ . ・1 1 同体）をとる多くのウイルスのタンパク り解縦したりする。 この以J 外 被．すなわちキャプシド （ c a p s id）で見判こいきている （ F i g .3-30） 。 何 （jーという l•i］ ー タン パ ク サ プ ユ ニ ッ トからなるキャ プ シ ド は ． ウ イ ル ス の 絞 阪 を 包 み 保 護 し て い る （ F i g.

3-31） 。そのようなキャプシドを悦成するタン パ ク質は．特に融通の利く構造でなくては ならない。 イuJHLUiかの結合でJ;j(Jf~ になる必裂がありながら ． ウイルスが翁lllJ包に入 っ て似製

を始めるときには. ） 彩を ' t i .えて絞般を放 I ' .しなければならないのである。

タンパク質の形と構造

149

( A )

( C )

( B )

( D )

20nm Fi g. 330 ウイルスのキャプシド（ すべて同一倍率） 。（ A） トマト萎縮病ウイルス (B）ポリオウイルス。（ζ）サル館街ウイルス 40(SV40).(D) D

サテライ トタバコネクローシスウイルス．これらのキャブシドの偽造r : ax 線結局解析で決定され．原子レベルで詳細がわかっている．（写 爽｝ 定供： RobertG r a n t .StephanC r a i n i c ,JamesM. Hog l e )

細胞内の構造体の多くは自己集合できる 細胞内でμ大分 − （の似雑な集合体を 1 ： るための間報は．サプユニ ッ ト ！ ＇I 身にあるはずであ

l ¥ iしたサプユニ ッ トを適切な条（＇！： る。その説拠に．車内 '

1 −：にV i ltば l 守己集合して決まった構

造を作 る。椛成成分の「 l 己集合で大型の桃j 立ができることが最初に示されたのは． タバコ モザイクウイルス （ t obaccomosai cvi rus . TM V ）であ った。 これは長い惨状ウイルスで． ら

mにタンパク釘が筒状に並んでいる（Fi g・3-32) 0 せん状の RNA分子をど；にしてその問 I mサA とタンパクサブユニッ

トを解離させ．溶液＂＇で悦合すると．完全に活性のあるウイ

ルス純子が再構成される 。 集合の溢れ！は訴さ外 HUI~で．

タンパク質の二 if（の原がけ • lllJ体とし

て形成され．そこからウイルス外被ができる。

r 集合体の例に．紺｜ 必j の リボソ ームがある 。 r と 3Hi 飢の rR NA分 r とからできてお り．これらの成分を試験

十符！戊成分から 1 1 f H l t J 此で きる桜i mなI : . A .分

約 55磁: 1 3 1のタンパク分

恰・内で出ぜ合わせ適切な条件 Fにおくと. 1 ' 1 然に l 斗偶成する。 ここで最も . i l l 必なのは．こ のように I 引如実されたリポソームも タンパク合成触媒活性をもつことである。 予笠！どおり． リポソームの N御成には i ) と ま った脈・ j J：があ る

まず．特定のタンパク

nが RNAと 結 合 し

次いで別のタンパ ク質がこの似合体を放出I Jして結合する． という反応があい、て . M 終椛: i i l ができあがる。 さら に複維な l ’ l L ! .集合逃・ Nの市I J I ; 却のしくみは まだよくわかっていない。細胞内の例

150

3 タンパク質

F i g. 33 1 I : J ( 状ウイルスの櫛造。ウイルスでl 喜

多くの場合同じタンパクサブユニットが集合 して球状の殻（キャフシド）を作り， RNAか 二量体

／

DNAでできたウイルスゲノムを包み込んでい i g .3-30参照）。幾何学的には．正! i i iな対 る （F

称性で4 結成しようとすれば同じサブユニットを 60個まで しか詰められ忽いが．わすかに不規

則であってもいいのなら．もっと多数のサブユ 二ットを用いて二十函体の大きなキャプシドを 作ることができる。たとえば．ここで示すトマ ） は．直径約 33nmの ト萎縮病ウイルス（TBSV

殻ドメイン

球状ウイルスで目 386個のアミノ酸からなるキ ヤプシドタンパク 180分子と 4500ヌクレオチ ドの RNAゲノム 1つでできている。このよう

RNA結合ドメイン

に大きなキャブシドを作るためには．台タンパ ク分子は．他の分子との相互作用のしかたが遣 う 3種類の（図で 3つに色分けした）中間体をま す作り．その 3種類の部温から全体を構成する。 図は想定されている集合経路である。正確な三 次元構造は X線回折により決定されている。（図 t e v eH a r r i s o n ) 提供 S

リボン縦型で

示した単担体

1 一一一一」 20nm

）の構造。 （ A）ウイルス粒子の鱈子顕微鏡 F i g. 332 タバコモザイクウイルス（ TMV 写真。 l本の長い RNA分子の周囲を同一のタンパクサブユニットがらせん状に巻い て円筒形になっている。（B )TMVの構i きを示す模型（一部分）.6395個のヌクレオチ

d : . 158倒のアミノ ドがらなる一本鎖 RNA分子に らせん状の外被をかぶる。外被I I

酸銭￥からなる外彼タンパク分子 2130個でできている。精製 RNAとタンパク質を 試験管内で混合すると．完全主主感染力のあるウイルス粒子が自己集合により再偶成す ;R o b l e yWi l l i a m s.B ;RichardJ .Feldmann) る。（写真提供 A

( A )

5 0nm

( B)

タンパク質の形と構造

ヒ 二 ゴ＋ 聞

G斗

ぐ守口そ0 ( A )

コアの周図に集合

~~~ ~~~~醗

とヨヨ

( B ）ひすみの窃積

｛ 仁 ） i l J 尺型線網

ピ三巴三壬ヨ

F i g .3-33 大きなタンパク集合体の長さを決める 3通りの方法。（ A） ものさしとして

）次々とサ 働く細長いコアタンパクあるいは他の巨大分子に沿って．共集合する。 （B ブユニットが付加9るにつれて重合体備造中にひすみが醤穣し．ある長さを超えると 副 次のサブユニットを付加するエネルギーが大きくなりすぎて集合が停止する。（ζ） 尺型の集合。長さの異なる 2樋類の線状分子が少しすっすれた復合体を作り．ちょ うど分子の端がそろうまで成長する。計算尺と同じ原理に由来するので．こう名づけ られた。

i l i 体には．付t ＇I成分子の何倍にもなる長さがJ E般に i J . とまっているものがよくある。 長さを決・ 定するしくみは．その大半が謎である。予知される 3つの機構を示しておこう （ F i g .3-33）。

i i iもf l ' l jm なのは．長いコアタンパクか他の R人；分チが土台となって集合体の松終的な大き . J A鎖が決めている 。ある利i の創的 さを決める場合である。TMV粒子の長さは芯となる貯.

F i g.3-34）の長さや．筋肉の紺l いフィラメン トの長さも ． コアタンパク ウイルスの尾部 （ が決めているようである。

複雑な生体構造は集合因子の助けを借りて形成されることが多い 非共平I 結合で集合している細胞桃逃がすべて 自己集合でできるわけでは：な し、 。 ミトコンド リア．繊毛．筋

m繊維などは．成分となる卜i大分子を合む溶液から自ずと構築されること

はない。集合に ｜ 則する情報の一部を．特定の防 : k iや. 1 , I J 型として作用する他のタンパク質

l iの一部には が担っているからである 。後者は鋳型として榔築の桁針を与・えはするが．総i ならない。 かなり小さな構造体なのに． 向己集合に必要な要素がそろ っていないものもある。 ある翁J I 閣 ウイルスでは 頭部は l種類のタンパクサブユニットだけからできているが．集 lのタンパク質が作る足場の上で起こる。 このタンパク質はできあがったウイルス粒 合は日j チには存不正 しないので．頭部の構造を 1r1￥ ~W させると ，~， r.~ に TIJ 集合はできない。

また ，

ti！介

のj §ぉ！にタンパク質の切断が必須で、，それによ って不可逆的となる例も知l られている。構 造タンパクであるコラーゲンや．ホルモンであるインス リンなどの小型のタンパク集合体

i g .3-35） 。 これらの比較的単純な例から， ミ トコンド でさえ．こうしたことが起きる（F リアや繊毛のような複雑な構造の集合には． 多数の細胞成分が作り出す空11的 .I抑 J i 的秩 序が必 : J : !であることが容易に従訓j l できる。

F i g .3-34 パクテリオファージ λの電子顕微鏡写真。ウイルス尾部の先端が細菌細

胞表面の特定のタンパク質に銭触すると．頭部に密につまっている DNAが尾部を通 i g. 3-33Aに示す機構で正確に決まっている。 って細菌に注入される。尾昔日 の長さは.F

1 00nm

151

152

3 タンパク質 F i g .3-35 インスリンの栂築におけるタンパ

ブロインスリン

ク切断。ポリペプチドでできたホルモンのイン スリンl c l : . ジスルフィド結合が切断されると自 然には元の形に戻れ芯い．インスリンl 正大きな

l f

SH

SH

特定の折りたたみ状! ! ! l が ジスルフィド結合で安定になる

タンパク質（フロインスリン［proinsulin］）とし J , 形に折りたたまれた後でタ て合成され．特定1 ンパク分解協索で切断される。プロインスリン のポりペプチド鎖の一部が除去されるために 分子が自然に正常広コンホメーシヨンに折りた たまれるのに必要忽例報の一部が矢われる。 そ のため．インスリンを変性したり 2本のポリ ペプチドを分殿すると．南側成され1 J ,い。

聞を連絡し ていた ペプチドが除かれ インスリン分子の 完全な 2本の鎖が妓る

s- s

l

圃圃・・

還元 す る と 抑 制 不可逆的に分敵する

SH SH

T SH

SH

＋ ・ーー」

SH

ー

_l_

SH

まとめ タンパク分子の立体的なコンホメーシヨンは，アミノ酷配列によって決まる。ポリペプチ ド鎖内の異なる領i 或どうしの非共有結合による相互作用が． 折りたたみ梢造を安定化する。 疎水性側鎖をもっアミノ酸は分子の内部に集まる傾向をもち．近媛したペプチド結合間に 生じる局所的広水察結合で αヘリックスや p シート構造ができる。 ドメインとよばれる球状の領域が．種々のタンパク質の組み立て部品となる。 ドメ インは通常. 40∼ 3 50個のアミノ酸を含む。小さなタンパク質は通常． ドメイン 1個か らなり大き忽タンパク質はいくつかのドメインがいろいろは長さのポリペプチド鎖でつ ながっている。このつなぎ部分は明確な構造をもたないことが多い。進化の途上で， ドメ インが変化したり他のドメインと結合 したりして新しいタンパク質を作ってきた。梢造が 既知の 2万 以上のタンパク質において．約 8 00種類のドメインがこれまでに確認されて いる。 タンパク質を折りたたむ非共有結合は．タンパク質の集合にも関与する。自身の分 子表面に対する結合部位をもっているタンパク質は．集合して二塁体 閉じた環．球状の 殻．うせん状多E体などを作る。タンパク質と核酸を試験管内で混合すると．自ら集合し て複雑忽構造を作るが．多くの集合過程には不可逆段階が含まれる。 そのため細胞内の構 造体を成分にまで分解した場合．自動的に再集合できると l a :限らない。

タンパク質の機能 タンパク白はそれぞれ・ R iまったアミノ椴配列をもち．それにJ 去っ’いて特定の：次 J己的な j 杉． すなわちコンホメーションに折りたたまれることを凡てき た。ただしタンノ fクt ' W : I川い 塊ではなく目 t 1 1 ／術な ! f t ） ）きができる部分があ っ て そ の ） J学的動きと化学 b i . I . むが述動するこ とが多い。 このような化学と述動の共役こそが．ノt きている細胞での動的過れを文える、I i .

タンパク質の機能

外れた能 ）Jをタンパク

153

nに与えているのである。

' fが特定の分子に結合し それが活性につながるしくみを説 この節では．タンパク 1 l 列する。 また他の分子との結合能から．飽I ！ 媒 ．

シグナル受存体． スイッチ．モー ター．小

型ポンプとしての機能が生じる ことを示す。木市だけではタンパク質のもつ膨大な機能の すべては述べきれないが 問機な原理に必づく多微な機能に. Ljs:｛＇，~のどこ かで接するはず である 。

他の分子と結合しないタンパク質はない タンパク分下は．他の分子 との物理l l 的相互作 J I Jによ ってその生物学的特性を発部する 。た とえば．抗体はウイルスや細菌 と結合して分附の印をそこにつける し ． ヘキソキナーゼは ATP とグルコースに結合して二者 I l l !の反応を触媒しアクチン分子は相互に結合してア

クチンフィラメントを形成するという H合である。実際．あらゆるタンパク質は他の分 f と”がf T t ”する。結合には強力なものもあれば. 1 J 1 ）くてすぐ消失するものもあるが．つねに 出し、特典性 （ s peci f i ci t y）を示す。あるタンパク 質が I l l会う数千ものタンパク質のうち結合 相手になりうるのは lっか数個である。結令する物質は． イオン．小分子． 巨大分子 （ 他

l Jわず．そのタンパク質の リガン ド( l igand ）とよぷ （ラテ のタンパク質など）のいずれかを l i g ar eが語版） 。 ン 日 ！ ？ で” が；介”を立｜派する l い、選択性と.？J H l l t ' I :を付与する のは，水素結合 イ タンパク質と リガン ドの結合に 1 オン結合． ファン ・デル ・ワールス引力 などー辿の 1 J l )い非共イI 結合であ り．疎水性相互作 pp.1 10∼ 1 1 1のパネル 2-3参 ！！ （） ｛ 。側々の結合は月日いので．たくさんの結 用も役に立つ （

I Jは起きない。 これが” J 能なのは リガンド分子の 合が同時にできなければ有効な相互作J

去耐l のでこ（まことタンパク質の表面とが手と千袋のようにぴったりと合うときに限る ( F i g .3-36 ） 。 ndings i t e）は通常．アミノ酸が特定の タンパク抗がリガンドと結合する結合部位（ bi

空i I ! i 配i r ＇.をとることで生じるタンパク表而のくぼみである 。 ポリペプチドj j ＇［では離れてい F i g .3-37） 。後述するように． るアミノ阪が．折りたたみによって近くに集まるのである （

分子女而の j もなる部位に後数の結合部｛立が存在しそれぞれが別のリガンドと結合するこ とによ って祈れが訓節されたり ．ある部位の｛ ノ J ! J I Jで刻l J包内で特定の位位を占めたりするよ

H2 ドメ インをもっタンパク質は特定のシグナルに うになる。 後者・の例では．前述し た S 応じて砂動し．細胞内の特定領域に封じ込められる 。 め込まれている原イーは リガンドと紅媛接触は しないが．分子の タンパク町内部に担l 表j ( i j にでこぼこを作り化学的 ・力学的性質を決める竹剥l みとなっている。分子内部のアミ 師の結合部｛立が壊 ノ般にわずかな変化が起 こった だけで．三次元的な形が変化して分子表I れることさえある 。

〉ー

タンパク質

F i g .3-36 選択的なタンパク質と他分子との 結合。タンパク質が他の分子（リガンド［I i g and］）としっかり結合する際には．多数の弱 い結合が必要に主主る。タンパク質とリガンドと の問に多数の非共有性の結合ができるには．リ ガンドとタンパク質の結合邸位｜立手と手袋のよ うにひ．ったりと合わなければならない。

3 タンパク質

，

︷ 、 ． ‘E ，、 口

‘ ，

154

アミノ i i 側鎖

j ＼，

4

・ ・

J

J

aF

4

ミノ隊側鎖の航類だけでなく ．相互の位置関係にもよるのである。 そこで．同じタンパク

／ ＼︸

L ¥しているア つまり ．作タンパク分子の表面のもつ特桁の化学反応性は．ぷ而に銘 I

FC ＼ J2 4 a

似j l 鎖（ たとえば F i g.3-38にあるセリンの− CH20 H）が 前 性化 し．特民的な共有結合の生

成や切断に参加するようになる場合もある。

C H＼ ／

なる。 また．自（q j J 1が水紫結合を通じて たがいに相互作川することで．通常は反応性のない

H C

l m f i ザをもっ側鎖がたがいの というものである。 たとえば．タンパク質が折りたたまれ.t ぬイオンに対する税和ブJ がきわめて高く 反発ブJに逆ら ってたくさん集まる と．その部位は｜

F

第二 は．近 くにある極性のアミノ酸側鎖がまとまり．たがいの反応性を変化 させる

企

位は”乾いた”ままなの である。 ギー 的に不利であり．事実上リガンド結合者I

’

締i 立を作るので （ pp.1 08∼ 10 9の 水分子どうしは水ぷ結合を作る傾向が強く ．大きな網 l l

f l iの 械の 1 1 1に入るのはエネル パ ネ ル 2-2参！！日）．そこから水分子が 1つ外れてタンパ ク ぷ l

hE 1 aa 4v

n体の媛近に影鮮を与えずに排除する機榊は: t ! H 象しに くいかもしれないが．

＼

（ およびイオン紡介）は大いに強化される。 タンパク質の分子ぷ而から水のような小さな分

戸

部位をリガン ， . ＿と無い合うが．水分子が排除されれば目 タンパク質とリガンドの水素結合

合

結合部位と水分チの桜触が制限される。水分子は水ぷ結合を作りやすく．タンパク表而の

aF

H

f f . 作川 であり ． これにより リガンド 第一 は．ポリペプチド鎖内で隣り合う領域の相 .

川

ノ＼

作川 し．ア ミ ノ限側$J1 の化学反応性 を おめるからである。 この~111工作JIJ は大きく 2 つに分

類できる。

p JL b t vb 一同 ︸

タンパク質はす ぐれた化学反応性をもっ。 その分子 1 . < T f i iで空 白l l J 的に隣接する化学基が相互

a ， −

タンパク質の分子表面のコンホメーションがその分子の化学的性質を決める

−

この例では．環状 AMPがリガンドとして結合している。

川

、かy

N −

広大図。タンパク質とリガンドの問にできる水5 終結合やイオン結合を示す。 合部位のf

＼

h﹃

・

422

M の中で．いくつかのアミノ酸側鎖が特定 パク貨の表面に満ゃくぼみができる。このi のリガンドとだけ非共有性の結合を作るのにf 最適な配置をとっている。（B）実際の結

K

川

l

／

：

に

t

F ig .3-37 タンパク質の結合部位。 （ A)i f .リペプチド自民の折りたたみによって タン

子をリガンド

AHUN σ

＼

hai

− − ﹃ ’ ・ a ・

＼唱1 Jl

( B )

L／ 1

〆

9 白、︵ iGlun ﹁ ︿lef ZE γLH t ト

ト

i

︵、

−− 3 〆 J w O f ＼O

−

4

，

折りたたまれたタンパク貿

、⋮ ＼ ． ． ． ’ ・， ﹂ ﹁ ・ ・ ・

合 結

叩 Z

i N l・

川

L1

4

／d w’ ＝

ハ H ＼﹁＼ し−N

a

a

料／ 勺 ／ 0 70 H， t 1 1

：＼

N

2 0

rC＼F H ＼

H

frh

H

仁、

み た

／ ハ 、 ’ ・ ． 、 口 − 4 a ， ，’ ， ，

． ・ ，

帽H

斗J

た

ク た パ り ン 折 タ ll ＋

ど

。 志 ( A)

タンパク質の機能

活性型セリン

H

o

I

、、、，ノ，

o C . . . ,

I I

C O-H11 1 1 1 1 1 1N’

155

-0

’t

N- Hで 0-Cll, =

＼／

／ノ ，ぃ 〈

C= C ／

H

水素結合の 配置変え

F i g .3 38 醇索の活性部位にあり．反応性が異 常に高くなったアミノ酸。この例は．キモトリ 分子でも構造がわずかに j J t lうことによ って．化学反応性が1 ≫ 1 J 的に異なることがある。

ブシンや工ラスターゼ主主どのセリンブロテアー ゼ （F i g .3 1 2参照）にみられる．触媒三つ組残基． 0 2）の影留 であり．アスパラギン盤側鎖（Asp1

同族のタンパク質どうしの配列比較により ，重要なリガンド結合部位が浮かび上

i s5 7 ）がセリン 1 95から を受けてヒスチジン（ H

がる

水素イオン（プロトン）を奪い．セリンが活性化 される。このセリンが次にき韮箆と共有結合を形

前述のとおり．ゲノムの塩恭配列解析のがi : W : . タンパク質の多くのドメインは共通祖先か できるようになった。 同じドメイン ・ファミリ ーに属す ら進化 したファミリー （ 族 ） に分類i

成し．ペプチド結合の加水分解を鍛錬する。ポ リペプチド鎖はでこぼこを省略して示した。

るものの三 次元構造は酷似している。 たとえばアミノ酸配列の一致 率 が 25%と低 くても． 2n m( 2A ）以内の振れで共通した折りたたみ構造をとる。 ドメ イ ンにおける主鎖の原子は 0.

これらの事実をふまえて

ドメインの機能に l t iも重要な部位の同定に “ 進化追跡法”

が利用できる。 まずあるファミリーに属する既知！のタンパク質から．変化がほとんどみら れな いア ミ ノ 酸 を 探 し フ ァ ミ リ ー の ど れ か lつのタンパク質の三次元構造モデル上にそ のアミノ酸を位世づける。すると多くの場合．それはタンパク表而上の lつないしいくつ かの区域に集 lj • する 。 1）臼述の SH 2 ドメインの例（ pp .

1 32∼ 1 33のパネル 3-2参！ ！引を F i g.

3-39Aに示す。通常 ． 集中区域がリガン ド紡合部位にあたる。

F i g. 3 3 9 SH2ドメインに進化追跡j 去を適用 する。 （A )SH2ドメインの空間充i 呉模型を前後 から見た図。進化の過程で保存されているアミ

SH2 ドメインはタンパク t ' tl l J相互作用に関与するモジュールであり ． これをもっ

ノ酸のうち．分子表面にあるものを黄色で．分

タンパク質と 目特定のアミノ駿配列＂ ＇にリン際化チロシン側鎖をもっタンパク質とを結合

子の内部にあるものは赤色で示す。（ 8 ）ポリペ

させる（ F i g.3-3 9B参

m o。長い進化の l l J. リン酸化ポリペプチドの結合部位にあるアミノ

酸はほとんど変化せ ず．ペプチド識別ドメインの大きなファミリーとして SH2ファミリ ーが生じた。変災はでたらめに起こるはずなので． これは進化における選択的除去の結泉

プチドの結合した SH2ドメインの偽造。ここ . 4nm以内にあるア では結合したリガンドと 0

ミノ酸を育緑色で示し．リガンド分子内で箆要 な 2つのアミノ酸を黄色で．あまり重要ではな

といえよう 。SH2 ドメインが変化して SH2結合部伎が不活性化し.SH2 ドメイン機能が失

いアミノ酸を紫色で示す。（ A） と （8）が非常に

われると生物が生存できなくなるのである 。

L i c h t a r g e ,H . R . よく似ていることに注意。（0. B o u r n eandF . Eζohen,J .Mo . tBi ol .2 57 : 3 4 23 5 8 ,1 9 9 6より改作。 E l s e v i e rより許銘）

リガンドの ポリペプチ ド リン自主化チロシン

( A)

前 面

後函

( 8 )

前面

156

3・タンパク質 Fi g.3-40 2個のタンパク慣が結合する際の 3

通りの方法。2留のタンパク質の侵蝕する部分 片方のタンパク質の固 のみを示してある。 （A） い表面と．もう一方のタンパク質のポリペプチ ド鎖の作る良くのびたループ（．ひも”）が結合す )2本の αヘリックスがより合わぜコイ る。 （B

ヘリックス 1

ル構造を作る。（（） 栂術的主~JI~ をもっ 2 個の固

い表面がかみ合わさって結合する。 ( A )

表面とひも

( B）ヘリックスとヘリックス

（ 仁）表函と表面

ゲノム塩基配列解説時代を迎え 機能未知の新しいタンパクファミリーが数多く発 見されている。 ファミリーに属するどれか l つのタ ンパク質の三次元情J 1 tがW f .I Y J されれば． 進化追跡法を用いて．このフ ァミ リ一国平T の結合部位を同定しそこから機能を 4 f t 定でき る。

タンパク質問の結合にはさまざまな接触様式がある タンパク質どうしが結合する方法は．少なくとも 3つある。 よくみられるのは． タンパク 質の表而の一部に別のタンパク質からのびたポリペプチド鎖のループ（・・ひも）が接触する ものである （ F i g .3-40A） 。 たとえば S H2ドメインは．ほかのタンパク質の リン般化され たループを． この方式で識別する。 タンパクキナーゼがリン酸化する北質タンパクを滋日j l するのもこの方法による （ 以下参

m o。

2番目は.2つのタンパク質にある αヘリ ックスが対になり

より合わせコイル構

造を作るものである （ F i g.3-40B） 。 この接触は．第 n ' ; J . .で述べる i 立伝− f調節タンパクのフ ァミリーにみられる。 しかしタンパク質どうしの接触形式として舷も 多いのは.2つのタンパク伎の問い

m

表而どうしがぴったりとかみ合うものである（ Fi g .3-40C）。2つの而 の l l l J（ こ ！ い結合が多 ↓ j が 生 じ 当然の ことなが ら．表而どうしの接触 数作られることできわめて緊後な相互作j

の特異性はきわめて高く

細胞内のあるタンパク質が数万積ものタ ンパク質のなかか ら特

定の結合相手を選び出せるのである 。

抗体の結合部位はとりわけ融通性に富む くGCCG > どのタンパク 11.i~ . 機能を発揮するには特定のリガンドと結合する必裂があるが．

きわめ

て選択的な結合をするものに抗体ファミリーがある（詳細は第 25j ' 戸 ）。 抗体 （ a nt i body）すなわち免疫ク・ ロプリンは．体｜ 人Hこ似入した微生物などのぷ而にあ る異分子に応答して免疫系が生産するタンパク質である 。抗体はそれぞれ特定の際的分 子に強く結合し直後それを不活性化したり ．分解するため印をつけたりする。抗体はそ の標的 （ 抗原 ［ a nt i g en ） ］ をきわめて特異的に識別する 。 ヒ トが／L I会う抗似のや1 f ( 務i は数十億 に迷すると辺、われるので目抗体も数十億; f i l l 類必要 となる 。 抗体は Y字形をした分子で．抗 原 分子 表 H I Tの小 さな f . J ' l成 と相相i I 的な〕診をした紡合 部位を 2f悶もつ。 抗原結合音llf立の詳細な研究から．こ の汚Iii立はポリ ペプチドjj~ の Jレー プ数 値1 からなり ． ループは対をなして並んだタンパクドメインの端から尖き I Jた形にな ってい

ることがわかった（ F i g .3-41 ） 。抗体の基本椛造は変えなく てもこのループの長さとアミ 合部位が生まれる。 ノ敵配列を変えれば．膨大な数の抗原料i こ の種のループは他の分子を 捕 らえやすくできている 。 多数の 化学 2.~1.1 ｛ リガ ン ドを

取り凶み． たくさんの弱い結合で リガンド と結合できるからで タンパク質の リプ fンド紡

タンパク質の機能

157

抗原を結合するループ

v ，ド メイン

L一 一 一 一一 一 一 一 」

Snm

( A )

( B )

Fi g.3-41 抗体分子。 （ A）典型的な抗体分子｜ま

Y字形で，Yの 2本の腕の先に 1っすっ同ーの

抗原結合部｛立をもっている。このタンパク質は 4本のポリペプチド鋭からなり（向ーの重鎖 2

本と同ーの軽鎖 2本 ） ． それらがジスルフ ィド

c l :数個の免 総合で連絡している。おのおのの鎖l 疫グロプリンドメインを含み．この図では青色 か灰色に色刷りしてある。震鎖の可変領域（VH) 合音I I { 立によく使われる 。

と軽鎖の可変領域（V L ）が近接して抗原結合部i 立 を作り上げている。この領域のアミノ酸配列や 構造は抗体ごとに大きく異なる。抗体分子の 2

平衡定数は結合の強さのR度である 細胞内の分子はランダムな熱運動で頻繁にぶつかり合う 。衝突 した分子 どうしの表面がぴ ったり 合わな ければ非共有結合はほと んどできず. 2つの分子 はぶつかったと 同時に離れ る。 これと正反対に．たく さんの非共有結合が生じれば， 2つの分子は長い間結合 し続け

i g.3-42）。生体機能を果たすため分子問の結合を長もちさせる必要があるときには る（ F つねに．強い相互作 用 が生じて いる。RNA群と タン パク分子鮮が集ま って細胞内椛迭の リボソームを作る場合な どがそれであ る。

2つの分子の結合の強さはi 測定できる。同一抗体分子 群が j 溶液中に拡散してい る リ に突然出会っ たとしよう 。 リガ ンド分子が次々と抗体の結合部位に衝突 して．抗 ガンド M： 体−） ＇ ガ ンド複合体の数が増えるが． これには限界がある。時間とともに．複合体 が熱 運 動によ って解雌する制合が大き くな る。結局は．いかなる抗体分子とリガンドの集団でも

i g . 2 -5 2参！ 被。 ） 定常状態に達し（平衡）．毎秒起こる結合と解雌の回数が同じになる（ F 的支から． 平 衡 平衡状態におけるリガ ン ド．抗体．およひ。 抗 体ーリガンド複合体の i

e q u i l ibriumc o ns t a n t K)という結合の強さの目 安が符られる（ Fi g . 3-43 A）。2つの分 定数（ 目

子（A と B）が結合して複合体 （ AB）を形成する反応の平衡定数は l / m o lの単位で表す。 リガ ンドの濃度（mo l ! l )が l/Kに等 しい備にな るとき．結合部位の半分にリガ ン ドが結合して いる。結合が強いほど平衡定数は大き い。 これは結合状態と遊離状態の自由エネルギーの

ig.3 -43B,C ）.わずか数｛ 聞 の非共有結合が変化するだけ 差を 直接測定しているのであり（ F

本の腕の端のドメインはそれぞれループを作っ て ここで抗原を結合する。（ B)VLドメインが 作る指のような形のループを赤で示す。

3・タンパク質

158

は

（ （ 分子 A と B.Aと亡の表面は あまりひ． っ たりと合わす， 弱い結合が少しできるだけ なので ． 勲運動によって すぐに結合が爆れてしまう

（ （

｛ ｛

分子 Aが他の分子 B . C . Dと偶然に出会う

" ' . ＼＼

分子 Aと Dの表面はよく合い ． 弱い結合が十分にできるので． 勲運動にももちこたえ． mれすにいる

（ （

（ （

、

＼ 、 −

七 Fi g .3-42 非共有性の結合が巨大分子悶の相

で. F i g. 3-44 に示すように ， f~i令状態に劇的な影響が現れうる （ ここ で定義した平衡定数

互作用を仲介するしくみ。

性定数 K .ともいう ） 。 は親和I 結 合 の 強 さ と 平 衡 状 態 と の｜ 州 係 を 抗 体 と そ の リガ ン ド と を 例 に 説明 し た が ， こ の 原 理 は ． あ ら ゆ る 分子 や リ ガ ン ドにあ て は ま る 。 タンパク質の多くは商事素である。 こ れ か ら 述べるように．

リ ガ ン ドと の 結 合 が ま ず 生 じ 次 い で リ ガ ン ド 分 子 内 の 共 有 結合 の 切 断 や

生 成 が 触 媒 さ れる の であ る 。

酵素は強力できわめて特異性の高い触媒である 大 部 分 の タ ンパ ク 質 は 別の 分 子に結 合 す る だ け で その機 能 を 果 た す。 ア ク チ ン分 子は分 子 ど う し が 結合 す る だ け で 繊維ができる。 し か し タ ンパ ク 質の な か に は リ ガ ン ド と の結 合

解敵 A B 一一一一一一一ーー A + B

自由エネルギーの差と平衡定滋 の関係（37。 仁）

~ I

解殿定鍛＝解滋速度定数× ABの濃度 解滋速度＝ kor t [ AB)

平衡定数

A門

n n

ロ一

A

AE

一

＋

n o

A

会合定紋＝会合速度定数× Aの濃度 ×Bの濃度

[AB] ＝K [ A ] [ B ] { l / mol )

一一一一

10 10 2 10 3 10• 10 s 106 10 7 10 8 109 101 0 1 0 1 1

会合速度 ＝ ko n[ A ][ B J

平衡状態

会合定敏 ＝解限定主主 kon( A][ B J

=k。 w[AB]

f AB） 処 一 一 一 ＝. ， . ， ； ：t. =K.= , ! f i . 衡定； ！ ＜ [A] { B ] 司 。 布I ( A )

自由エネル ギーの差

臨ネル ギーの釜

AB-( A + B) AB-( A + B)

。

。

( kcal/moI )

( kJ/mol )

一1. 4

-5. 9 -11 .9 -17. 8 -23.7 -29. 7 -35 . 6 -41 .5 -47.4 -53.4 -59.4 -65. 3

-2 . 8 -4.3 5 .7 -7. 1 -8 . 5 -9. 9 ー1 13 ー12. 8 -142 -1 5 . 6

I

エネルギーl 樋 ジ ュー またはキロジュール（ 1000ジユ ール） で表されるが．細胞生物学 では自由エネルギーをカロリー ｜ ｜（仰 向 ロ カ ロ リ ー（ 1000 カロリー） で表すことが多い。

｜｜41.キ ロ カ 山kcal)は 1 B4キロジュール（ k J 。 ）

( B )

自由エネルギー変化の値 6Gと 平衡定数の関係l c l :次のとおり である。 ogK 6G ＝ー0.00458Tl 6Gの単位はキロカロリーであ

り ， Tはケルビンの絶対温度の 簡である（ 310K = 37° C 。 ）

( C )

F i g.3-43 結合エネルギーと会合反応の平衡定惣の関係。 （ A）図 1，図 2の逆向きの 2つの反応のつり合いによって。分子 A . Bと複合体 ABの平衡が保たれる。反応は分子 A と Bが衝突しなければ起こら芯いので会合速度は A.B各濃度の積 ［ A] x [ B ］に比例する（ここで［ ］ l ; J :濃度を表している）。図 3l < J : . 結合と島写真草の反応の速度定数の比がこの反応の平衡定鍛 （ K)に等しいことを示す。（ B）図 3に示す平衡定数 l < J :会合反応 A +B==ABのものであり．その値が大きいほど .A と Bの悶の結合が強い。自由エネルギーが 1 . 4kcal/mol( 5 . 9 1k . J / mol）減少

するごとに 37℃では平衡定数は 10倍変化することに注意。 平衡定数の単位は I/mo！である。単純な結合反応を取り扱う場合｜手続和性定数（a f f i n i t yconstant）や会合定数（ a s s o c i a t i o nconstant）とも よばれ．んと機記する。んの逆鍛は解離定敏（dissociationconstant)1 ≪ Jであり．単位は mof / 1である。

159

タンパク質の機能

がその作川 の第 l段階にすぎないものがある。酵素 （ e nz y me ）とよばれる多位できわめて 重要なタンパク 質がそうである。第 2草で述べたように．両手ぷは翁l l J J 包内で起こるすべての 毛布結合の生成と切断を取りしきる住 l l す べ き 分 チ である 。基 質 化 学変換．すなわち J

( sub s t r a t e ）とよばれるリガンドと結合しては．それを鴛民的な泌さで次々と化学変化させ

民. m 細胞内の 1000個の A分子と

1 0 0 0個の B分子を考える．

湿度l e i : 両分子とも約 109M である． A +B• AB の平lti定鍛（K ）が 1 01 0怒ら J c t 平衡状般では

odu c t ）を生成する。反応促進役の形議は．反応 . i ! l i伎をそれがない状態に比べて て産物（ pr 通常 JOO 万倍以上に上げるが． 触媒 （ cata l ys t）であって ，~， らは変化しない。 この触媒作 用

に よ か 細 胞 内 で は 秩 序 正 し く 共布結合が生成 ・分解する。両手議がー述の化学反応をきち んと触媒しているからこそ．細胞は自らを作り 山 し．保つことができ．生命は持続するの である。

1 i似の化学反応を行うという機能によ って分' l a iできる （ 表 3-1。 ） 名分煩内 百字紫は.'

270

270

730

A分子

日分子

AB分子

; ; .る． もし平衡定数が 1 0 8 以下怒 と1 らl e t .結合エネルギーが上の例から 2 . Bk c a l / mo l 失われたことを袋す。 これは水緊結合が 2.3倒減ったのと l 合 は ． 同じである． そのl

の醇紫はそれぞれ特典性がきわめて高く. Iつの反応しか触媒しない。トグルコースにリ ン酸基を付加するヘキソキナーゼ（ he x o l c i n a s e ）は．光 学 YH ＇ 主 体 である トグルコースとは反

91 5

915

85

l i l 液の凝問にかかわるトロンピン （ t hr o mb in）は. J f l L 液r l Iの特定のタンパク 応しないし J

A分子

B分子

AB分子

I lを切断するだけで．ほかの術所は切断しな 質の特定のアルギニンとその隣のグリシンの ! い。 ~ 21 ; tで詳述した ように．酵素は組にな って作 J T Iし あ る 醇Mの反泌産物が次の酵ー ぷ

の基質になることが多い。 その結果生じる込み入った代泌総路が．調｜｜胞にエネルギーを’子

m o 。

l lす （ Fi g .2 −持参 え．細胞が必要とする分子を大小とりそろえて大社に作り I

F i g.3-44

弱い結合の数のわすかな遣いが栂

ます。この例l e t .生 互作用に劇的な彫留をおよl 物系において．いくつかの弱い非共有結合性の 結合の有無がl1J~~効泉を生むことを示す。

基質との結合が酵素の触媒反応の第 1段階である 化学反応を触媒するタンパク質（酵素）にとって. ~~質分 （－ とのf｛；イti ま必~Ji の 1ilJ段｜併である 。 両手3 伝を E . 器質を S .i f i l 物を Pとすると .it~ も ）~本的 な反応終並行は. E+S→ E S→ EP→

E+Pと表せる。 これを見ると. Iつの醇索が一定 H 、 Hi l i内に処J i l lできる ） t ;~11 のi止には｜拠肢 があることがわかる。器質濃度が増せば産物の生成: i f i l l 慌 .が刷し．やがて i u大 1立に述する

( F i g.3-45） 。 その時点では酵素分子は基質で飽和しており．反応述皮（ ＼ ／ maxで示す）は隣 家による基質分子の処理速度だけで決まることになる 。 この11~大述J立を酵ぷi~I立で；1,Qj っ た

値を代謝回転数（ t ur n o v ernumb e r ）とよぷ。通常．両手，＃ l分子あたり毎秒必質 1 0 0 0分子松

表 3-1 一般的な酵素の 種 類 触媒する反応

一一

ゼゼ

アア

レテ

クロ

ヌフ

加水分解反応による切断反応を触媒する酵紫の総称。ヌクレアーゼ（ n u c l e a s e ）.プロテアーゼ（ p r o t e a s e ）などがあ I J .こ れらはその作用から具体的に名前がつけられている。 ヌクレオチド閤の結合を加水分解し．核酸を切断する。 アミノ酸悶の結合を加水分解し．タンパク質を切断する。 同化反応において 2個の小分子を縮合して新たは分子を作る醇紫の総称。

繁

欝ラゼ 化メ一 性リナ 異ポキ

合成酵繋

一

ゼ

1つの分子内での結合の湾編成を触媒する。

DNAや RNAの合成など重合体（ポリマー）を作る反応を触媒する。 分子にリン重量基を付加する反応を触媒する。タンパク質にリン酸基を付加するタンパクキナーゼr a :キナーゼ類のなかで も重要である。

ホスファターゼ

加水分解によりリン酸基を除去する反応を触媒する。

強化還元酵紫

一方の分子が酸化され．もう一方の分子が還元されるよう芯反応を触媒する酵緊の総称。この種の醇紫は具体的に．酸 x i d a s e ）.還元醇紫（ r e d u c 句史）．脱水紫醇紫（d e h y d r o g e n a s e ）とよばれることが多い。 化務紫（o

ATPアーゼ

ATPを加水分解する。さまざまな役割をもったタンパク質が自身の機能の一部としてエネルギーを利用するための ATP アーゼ活性を備えている。ミオシン（mys in）のようなモータータンパク. Na+ K ＋ポンプ（ s o d i u m p o t a s s i u mpump ） の ような膜輸送タンパク芯どはその例。

。

手 苦索の名称l 芯． アーゼ．が最後につくのが一般的である。例外はペプシン。 トリブシンートロンピン白リゾチームなどで．これらは 1 9世紀末に酪費者の命名に 関する取り決めが広く受け入れられる以前に発見され．命名されたものである。滋通．酵紫の一般名は滋賀と触娘する反応の両方を袋すものに怒っている 。 たとえば．クエン酸合成酵紫はアセチル CoAをオキサロ酢酸に付加するクエンA l t 合成反応を触媒する。

160

3 タンパク質 F i g.3-45 醇紫反応速度。際祭反応の速度 （ V )

Vm••

は益貨濃度の惚加に伴って泡加し．やがて霞大 V， ， ， ， ， . ） に注する．このとき．醇累分子上の基 値（

回

質結合~位l . . A CTCCATGfl../IAGMGGTGAGGCTGCAAC CAG CTAATGCACATTGGCAACAGCCCCTGATGC CTl¥TGCCTTA7TC AT CCC" . ' CAG MAAG GAT TCTTGTAGAGGCTTGATTTGC/¥GGTTAAAG TTTTGCTATGCTGT/ITTTTllCATTACTTAT ' : ' G T T T T A G C T G ' I ・ CCTCATGMTGTCTTTTC

DNAの構造と縫能

5

i l l 型と怒る鎖 S

F ig .4-8 DNAは自分と同じものを作るための

3 ’

’

1 ' 3

鎖S

可庄匝f i l t 0 ( ' 3 貌の DNA二重らせん

まTと.Gは Cとのみ．有 鋳型と忽る。塩基 Al 効な Jg~韮対を形 成 できるのでι

5 ’

それ ぞ れの

DNA鎖が鈎型となって．梱 i l i 鎖の庖基配列を

新しい鎖S’

f iうぜんは正l i { i 1 指定できる。こう して. DNA二f

新しい鎖S

2つの同ーの販 DNAらせんが作り出される。

s

鎖 S’

201

に復製され ． それぞれの貌の DNAらせんから

3 ’

\5~＇

5 ’ 鋳~となる鎖 5’

銀 DNA二E 世らせん

真核細胞が適切に働くためにきわめて前~である 。 核 で行 われて いるよ うな 区 11lij 化は生物

にとって重要な手段である 。 区国i 化 によって基質と それに作 J I Jす る百 子孫が阿部的に山i 間交 になり．生化学反応が起こりやすい環境が作られるとともに．細胞の特定の場所で必裂と される酵素が．他の場所での整然とした生化学経路に千沙するのを防ぐ。

まとめ 遺伝情報を担っているのは DNAのヌクレオチド鎖の配列である。そ れ ぞ れ の DNA分子は．

2本 の 相 補 鎖 が G-Cと A午塩基対閣の水素結合で結びついて形成される二重うせん構造を と っ てい る。遺伝情報の複製は. 1本 の DNA鎖 を 鋳 型 と し て 相 補 鎖 を 形 成 す る と い う や り 方 で 行 わ れ る。DNAに 蓄 え う れ る 生 物 の 遺伝 情 報 は． そ の 生 物 が 合 成 す る す べ て の タ ン パ ク 質に関 す る 指 令 を 含 み目ゲノムを構成している。真核細胞では. DNAは 膜 に 固 ま れた大きな区画である核に存在する。

DNAと付随タンパク ｛ クロマチン）．および 多敏の RNAと

タンパク分子

~小体

綴小体 微小笹

」一一一一 」 ( B)

( A )

1~Im

2μm

F ig .4-9 典型的は細胞核の断面図。 （ A）ヒト繊総芽細胞の核の薄い切片の電子顕微鏡写真。（ B ）核阪は 2枚の阪からなり，外脱は小胞体阪

に続くことを示す模式図（ F i g .12-8も参照）。黄色で示す小胞体内部の空間（小胞体内腔） I d : . 綴限 2彼の附の空間とつ1 ; s .がっている。核の 内践と外膜を術成する脂質二盈屈はそれぞれの桜膜孔で融合している。中間径フィラメン卜（茶色）からなる限状の網目術造が核限を f l i 強 する特殊な支符縞造を作り，核ラミナとよばれる（ ~草細は守第 lH宮参照） 。ラミナ近傍に位也するヘテロクロマチンは． 後述するような特

に凝縮した DNA領i 或を含む。

・

202

4

DNA，染色体．ゲノム

染色体 DNAとそのクロマチン繊維への詰め込み DNAの1 kも. i l : 袋な機能は遺伝子を運ぶこと である。逃伝子は．生命体を構成する全タン

パク質と RNA分子を指令する情報であり．それぞれのタンパク質をいつ．どの種の細胞で． どれだけ合成するかの悩報もそこに含まれる。真核生物のゲノムは複数の染色体に分納さ れる。この節では. . i 1 1 伝子がいかに各染色体に配i f !されているかを見たうえで．染色体が 正確に被製されて世代から l 止代へと 受け継がれるのに必援な． 特定の DNA配列について 述べる。 また. DNAの詰め込みとい うやっ かいな問題もここで扱う 。 ヒ ト細胞の 46本すべ ての染色体の二重 らせんを I本ずつ端でつなぎ合せていくとおよそ 2m に迷するのに． これがji＇~径わずか約 6µm の絞内にある。こ れは. 4 0kmの長さの極調u の糸をテニ スボー

ルの巾に詰め込むのに等しい。DNAを詰め込むという複線な作業ーを担当するタンパク質 は.DNAに結合しそれを折りたたんで．コイルやループを形成しそれによって高度に 組織立った締法を作り上げ. DNAが絡み合って収拾できない状態に陥るのを防いでいる。 驚くべきことに， DNAはきっちりと折りたたまれているのに．桜製や修復にかかわる多 くの両手紫が谷易に接近し. i l l 伝子から RNA分子やタンパク質が合成される 。

真核生物の DNAは染色体のセ ットに収め5れている ￡ . ' J核生物では．伎の DNAは染色体 （ c hr o moso me）のセッ トに分納されている 。たとえば， 約 3. 2× 1 09ヌク レオチ ドからなるヒトゲノムは 24種類の染色体に分配されている。それ ぞれの染色体は， 12 ドの非常に長い線状の DNA分子と それに結合したタンパク 質か らな り．この タンパク質が網I Jい DNAの糸を折りたたみ詰め込んで圧総i した. f l / Jj f iを作 り上げる。 この DNAとタンパク質の複合体をクロマチン（chroma t in）とよぷ（色; f ｛で染まりやすい こ とから。ギリシャ話で”色”を意味する c hromaにちなむ）。染色体には. DNAを詰め込む 役割のタンパク質のほかにも．遺伝子発現， DNAの複製と修復過程に必裂なたくさんの タンパク質や 肘J A分子が結合している。

釧I 省では．逃伝子全体が l例の DNA分子 （ 環状が多い）に l 以ま っている（ Fi g .ト 29

参

m o 。 この DNAにも詰め込みと凝縮役のタンパク質が結合しているものの．其核生物

の同様な機能のタンパク質とは異なる。細菌 “染色体”という行楽を使うことがあるが．真 核生物の染色体とは構造が逃う 。細菌 DNAの詰め込み方は解 1 9 ］が巡れて いるので．染色 体構造についての議論は．いきおい真；i 主生物の染色体の請になる。 生1 i l i 細胞 （ 第 21: i ; r）と ．高度に特殊化して附耳目iせず DNAを欠く少数の細胞 （赤血球 など）は例外として．ヒト 細胞には．染色体 がそれぞれ 2コピーずつある。 母親と父親か ら Iつずつ受け継いだもので． この対をなす ！ な方と父方の染色体を 相同染色体（ homoI ogo uschromo s ome ）とよぶ。男性の性 染色体だけが相同 になっておらず．父方の Y染色

体（ Ychromosome）と母方の X 染色体（Xc hr omoso me ）からなる。 このように． ヒ ト細胞 それぞれは 46本の染色体をもっ。男性と女性で共通の 22対と. 2本の．いわゆる性染色 体（男性では X と Y . 女性では 2本の X）である。

ms爺で詳しく述べるが. DNAハイブ

リッド形成法（ DNAhyb r i d i z a t i on）は．標識したヌクレオチド鎖を”プロープ”として．相 術的なヌクレオチ ド鎖がどこにあるかを調べる技術である。これを mいて．ヒトの染色体 ごとに述う色で“彩色”し識別することができる（ Fig.4-10 。 ） この染色体の彩色は，細胞 のうち染色体が尚皮に凝縮し観察しやすい有糸分裂J U I とよばれる H 年J Y J に行うのが普通 周知j である。 切に染色体に沿 それ以外で通常行われる染色体識別法は．色紫を使って．有糸分裂J って現れる特徴的で再現性のあ る縞模様を 浮かび上が らせるものである（ Fig.4-1 1） 。だ が．これと桃~との｜刻辿性はよ くわかっていない。 しかしこの方法で凡つかっ た． 染色

染 色 体 DNAとそのクロマチン繊維への詰め込み

203

F i g. 4・10 ヒトの繰色体。4 五分裂（有糸分裂）矧

の男性の細胞かう鍛魁した．高度に凝縮した状 般の染色体．それぞれの染色体は別の色に．彩 色．してあるので．光学顕微鏡ではっきり同定 できる．染色体の色紫4 頭取では，ヒトの DNA 分子に極々の組み合わせの蛍光色紫を結合させ たものを作って染色体と反応させる．たとえば． 第 1染色体由来の DNA分子はある組み合わせ

. 1し．釘l2染色体由来の DNA分子 の色黙で偲1 は別の組み合わせの色紫で棟践するといった具 合である。保践した DNAは．その DNAの由

a l i ! 対形成．す芯わちハイ 来する染色体としかl ( B )

( A )

ブリッド形成し忽いので（第 8預）．染色体ごと

L一 一 一 一 一 一 」 lOμm

に異なって槻餓される．この傑作 で は ま す 染 色体 DNAの二本鎖を一本鎖に分践し．染色体 体それぞれに問イi なこの紛鋭様から． ヒトの名染色体が｜”l 定され併り・がつけられたのであ

の偶造自体ははるべくそのまま保ちながら目一 本鎖の概銭 DNA と m~ 対を形成さt主る。（A)

る。 ; ( j "糸分裂 J Y lの ヒ ト 染 色 体 46ノドを並べたものをヒト緩型 （k a r y o t y p e）と よ ぷ。 染 色 体 の一部が欠失していたり．染色体どうしで一部交換されていたりすると．この紛校級や染

細胞を縫して．鐙出した染色体をそのまま顕微 鏡で観察したもの• (B ）向じ染色体を番号順に

並べたもの．このように染色体のセッ トを盤列

色 体 彩 色 パ タ ー ン の 変 化 と し て 検/ J Iで き る （ F i g.4-12）。 制 } j 包. i f l : { i 学では．こうしたパタ

させたものを綴型とよぷ。 C E .Schrockera l . ,

ーン の変化を平ljfll して．遺伝病と ｜地述のある染色体 y~·；；1· を検出したり．体網Il l胞の特定の染

Soence273:494-497,1996より .AAASより許

色体の再編成を合むがんの特性を湖べる（ ti~ 20市） 。

お ）

F i g. 4-1 1 ヒトの後色体のバンドパターン。第

3

u 、

_J

4

5

7

B

9

1 0

11

ーから第 22までの染色体の話号 l e ! : . おおよそ 1 2

の大きさの順につけられた。ヒ トの通常の体細

J l 8（生殖系列でない細胞） l e ! : . これらの染色体を

6

2本すっと 2木の性染色体（女性では X染色体 2本．男性では X染色体と Y染色体 l：本すつ）

2

廿甘− y

を含む．有糸分裂初期に凝縮が不完全主主状態に あるときに．捻色した染色体を用いて作成した

i 也図である．赤の検線l まセントロメア（分裂期 i g .4-21参照）の位置 染色体のくびれた部分. F

を示す.m1 3 .1 4 .1 s . 21 . 22染色体にある赤 い突起l e ! :.大きいリポソーム RNA （ 第 6宣 言 ） を 指令する巡伝子の位置を示す。これらのパター

16

1 3

1 4

1 5

l B

ンl e ! : . 染色体をギムザ染色して光学顕微鏡で観

17 1μm

寂して符jたものである。（顕微鏡像は F i g .211 8主 主 日 告 。 U Fr an k e ,C y 1 o g e n e 1 .C e l lG e n e t .31 :

午 給 ） 24-3 2 .1981より改作。 Kargerより E

204

4

・

DNA，染色体．ゲノム F i g .4-12 異常なヒト染色体。 （A）運動機能の進行性低下を伴う運動失調の患者由来

I I

の染色体 2対をギムザ染色 （ F i g .4 1 1参照）したもの。患者の第 4染色体対は正常だ が（左側の対）．第 1 2染色体は 1本だけが正常で．もう 1：本は通常より長い（右側l の対 ）。 2染色体の長くなった部分（赤のカギかっこ） が ． バンドのパターンから 異常広第 1 2染色体に結合し 第 4染色体の一部を染色体転座とよばれる異常な組換えにより第 1 ) (A ）と同じ患者の染色体 2対を色素標識で色 たものであることが判明している。 （B

( A )

( B )

2染色体は青色に標識。どちらの方法でも． 分けしている。第 4染色体は赤色に．第 1 2染色体の異常に関して同じ結論が得られるが．色緊標援のほうが解像度が高く ． 第1

より小さ芯染色体断片が転座してもはっきり特定できる。ただし．作業はギムザ染色 のほうが容易である。 C E .Sch『o c ke ta l . ,S c i e n c e2 7 3 : 4 9 44 9 7 ,1 9 9 6より改作。AAAS より許諾）

染色体には長くつらなった遺伝子が含まれている 染色体は．遺伝の機能単位である遺伝子の運び屋である 。遺伝子は．特定のタンパク質（ま たは類縁の一巡のタンパク質）の合成を指令する DNA領域と定義されるのが普通である 。 この定義 はほとんどの遺伝子 で成り立つが．何パーセントかの遺伝子は最終産物として， タンパク質ではなく RNA分子を 生成する。 タンパク質と同様，これらの RNA分子も細 胞において多様な構造や触媒の機能を担っている。 これについては後の立で詳 しく 論じる。 当然のことながら．生物の複雑さの程度とゲノムの遺伝子数の｜ 切には相関関係があ る（ p . 18の表 ト l参

m o。遺 伝子数はヒトの約 25,000に 対 し 細 菌 で は 500以下しかない

ものもある。細菌や酵母のようなある種の単細胞其核生物のゲノムは特に単純で，ゲノム

t 成する DNA分子 は遺伝子 だけをぎっ しり並 の全塩￡配列が解明されており．染色体を W べた場合よりわずかに長い程度で、あることがわかった （ F i g.4-13 。 ） 一方． ヒトを含むほ

J t !うとは思えない とんどの真核生 物の染色体には．巡伝子 以外に，重要な逃伝情報を : DNAが過剰に散在している。 これ らは細胞への有用性 が証明されていないため．ジ ヤン ク（ がらくた）DNAとよばれることさえあり ．この部分のほ とんどの塩基配列は重要でな い可能性がある。 だがこうした DNAの一部に．ある穫の逃伝子が正し く発現するにはき わめて重要な部分がある こともわかっている。 これについてはほかで再度述べる。 遺伝子に散在するこうした DNAの量に遠いがあるため．ゲノムの大きさには大き なばらつきがある （ F i g .l -37参照） 。 たとえば． ヒトゲノム は出芽酵母 Sc e r e v i s i a eゲノム の長さの 200倍 だが．植物や両生類のなかには ヒトより 30倍も 長いゲノムをもつものが あ る し ア メ ー パ の ゲ ノ ム は ヒ ト ゲ ノ ム の 200倍もある 。 さらに逃伝子数が同程度でも． 過剰 DNAの逃いにより ．似た生物 （ たとえば硬骨−魚）どうしのゲノム聞で DNA含立が数 百倍もの ｜ 井！きがある こともある。過剰の DNAにとーんな作用があれ， DNAを大世にもつ ことが高等真核生物にとって大きな障害とはならな いのは確かである 。 個々の染色体へのゲノムの筈j lり当て方も ．真；核生物の種ごとで異なる 。たとえば． ヒトの染色体は 46本 だ が 小 型 の シ カ で 体 細 胞 の 染 色 体 が 6本しかないものもある。 そ の一方でコイで 100本以上の染色体をもつものもある。ゲノムの大きさが同程度の近縁租 Fig.4-14 ） 。 このように． どうしでも．染色体の数と大きさが大幅に異なることもある （

染色体数と秘の複雑さ，および全ゲノムの大きさは単純に相関しない。現存種のゲノムと

F i g . 4 -1 3 出芽醇母 5 .c e r e v i s i a eのゲノムの

遺伝子配置。S . c e r ev i s i a eI d : 醸造やパン製造に広 く利用 Z される出芽酵母であり．ゲノムの遺伝子 6本の染色体に分布している。1： 本の染色体 は1 の小領践を任意で選ぴ．この種に特徴的な高密

度の遺伝子の配置を示してある。オレンジ色で 示すのは遺伝子で，下恒I J の鎖かう転写されるも のと．上側の鎖から転写~れるものとがある。

1 2 0 0万以上の塩基対から怒るゲノム全体で

1

遺伝子はおよそ 6300ある （ ゲノムが 460万塩 基であり遺伝子密度の高い細菌の例を F i g. 1 2 9 にあげる）。 醇母のゲノム DNAの0.5%

5 ’

3 ’ 5 ’

3 ’ 10,ooom 基対

遺伝子

染 色 体 DNAとそのクロマチン繊維への詰め込み

n on o(10

のの

のののの

の の 向n

向的

仰の

， 、 ， 、

， ． ． ‘ ’ e 、h

， 、 ， 、

， ． ． 、

・・ ．・

． ，4崎 ・ ・ ” ’6・・

． ‘ ． ‘

205

#tO

d

， 、 ， 、

0 " xy

シナホエジカ

インドキヨン

; I .る 2溜のシ力。イン ドキヨンでは進化の く異1

過程で別々に存在した染色体が融合したが，動 染色体はむしろ. 1 乏い進化の歴史において．ラ ンダム に起き た であろう 巡 伝 的 変 化 の 積 み 重ねと選択圧によって形成さ れてきたも の な の だ ろ う。

; I .影留はなかった。図の 2種の動 物自体に大き1

物の遺伝子数はそれほど変わっていない。（M.W g e r ,Evol ut i on,3 r de d .Sudbur y ,MA: S t r i c k b e「 J ones&B a r t l e t tP u b l i s h e r s ,2 000より改作）

ヒトゲノムの塩基配列か s . ヒ トでの遺伝子の配置がわかる 第 I' i : ; Iで. ONAの情 報 が 即叫A を介して 読 み出 され利用 され．タンパク合成に至るしくみ

t m 動 物の 染色 体 で の正 確 な 逃 伝 子 配 置が

i g . ト 4参照）。1 999年 にな ると ． 脊 を説明した（ F

初 め て 公I J f J された（ Fig.4-15）。2001年のヒト 全ゲノムの“概要版”．続 く 2004年 の” DNA 塩基配列完成版”の公 I J Hで．ヒト 全 染色 体 の 遺 伝 情 報 がだれにでも 利 用できるよう にな っ た。 ヒト ゲ ノ ム 計 画 で も た らさ れ た 情 報 誌 は 驚 く べ き も の であ る（Fig.4-16.表 4ー1） 。 そ の作 業 の 最 峨j 切に は.241 時間 体 制で l秒 あたり 1000塩 訟 の 述 度 で； 庖 基 配 列 が 決定 さ れ

F i g .4-15 ヒトの染色体の遺伝子情成。 （A）愚

も小さいヒト染色体の 1つである第 2 2染色体 0 6活基対あり． ヒト ゲノム全体の は 48x 1 1 . 5 %に相当する。第 2 2染色体左腕の大部分は

た。 これ らの情 報 を 完 全 に 解 析 す る に は今 後 何 十 年 も か か る だ ろ う が ． そ の 情 報 を 基 に 新

JDNAからなり．高度に凝縮した 短い反復配予I

たな実験が活発に始 め ら れ て お り ． そ の成 来はすでに本｛！＿） ：・の各主主に大きな影響を与えて い

クロマチンとしておめ込まれている。ヘテロク ロマチンとよぶこのクロマチンについてはこの

る。 ヒトゲノムの第一 の特色は驚くべきことに．タンパク質を指令する部分が少ないこ とである（Fig.4-17）。 そ れ 以 外 の 染 色体 の DNAの ほ と ん ど は． 進 化の 過 程 で 徐 々 に 染 色

寧で後から述べる。（ B l1 0倍に鉱大した第 2 2 染色体の− l l B 。ここにおよそ 40個の遺伝子が ( j : 既知の遺伝子．赤 存在する。こげ茶色の部分f

色の部分は遺伝子があると予想されるところ。 (() (B ）のお大図。 4つの溜伝子の全長を示し

ている。（ D) （（）をさらに 1 0倍に銘大し．遺

有糸分裂期のヒト第 2 2後色体。 DN A分子2つからなる. 1分子l ま48x1 06 盗塁対

(A )

伝子の典型的なイントロンーエキソン配置を示 す。赤色で示すそれぞれのエキソンはタンパク 質の一部を指令しており灰色で示すイントロ

ヘテロクロマチン

J l はあまり霊要ではZ 互い（ 第 6章 ） 。 ンの塩基配9 0 9措置基対） に ヒトの遺 ヒトゲノム（3 . 2x 1 伝情報のすべてがある。このゲノムのほとんど

・ ・ー ー ー ー ーー ・ ・ E 圃 ．． ． ，． ．． ． ． ： 約4 0個の遺伝子が存在 染色体の 10%目

l < l :.核にある 2 2本の常染色体と 2本の性染色

= ••111 ・・・ I I

( 8 )

( C )

~ ． ．

染色体の 1 % に4個の遺伝子がある

圃 ・ ・

．園 ・

．．

．司

,

調節 DNA

I

I で細胞内に複数存在して 1 6 , 5 6 9短基対の配事J

いる）。ヒ トゲノム信基配列（humangenome ン ドリアの DNAの控室基配列を合わせたもので

E

II

エキソン イントロン

ゲノムのごく一部はミトコンドリア（第 1章参 照。詳細 f ( j :第 1 4！ ＇ ； ！ ） の DNAである（長さ

sequence)l < l : . 核内の 2 4本の染色体とミ トコ

ある。ヒト体細胞は二倍体なので．細胞分裂の

3 . 4× 1 0 4寝基対の大きさの 1遺伝子

(D)=

体に分配されている（F i g .4-1 0と 4 1 1）。ヒト

I ,

I

I 遺伝子発現 圃ー園田園咽

タンパク質

↓

＆

． ． ． ．

ために倍加してい是正いときは，このおよそ 2倍 . 4x 1 0 9塩基対が存在す 置の DNA. すなわち 6 I n t e r n a t i o n a lHumanGenome る 。 (

a r u r e4 0 9 : 8 6 0 9 2 1 , Se quenci n gCons o r t i um,N

2001より改作。MacmilanPubl i s he r sL t d .より

f 庁りたたまれたタンパク質

許路）

206

4

DNA，染 色 体 ． ゲ ノ ム

体に！•ft人された動く DNA 断J'i• でできている 。 この．

いわゆる転移｜刈 （－

( t r a ns po s a b lee l e -

∼刈判J＞ 相、刈判」 仰1判l . i (

下しく述べる。 me n t）については後の市で；l ヒ ト ゲノムの節 ”ての ~：し い特徴は .

Iつ の i l l（ ぷf ーが平均 27, 000Ya.(J，~,tf と大きいこと

である。 すでに述べたが. j 位・の i ＼ ； i l l伝 f ー で は． ヌクレオチド配タI ］ はタンパク 1 ' tを構成する アミノ般の配列情報を担っている。 、 1 ＜均的な大きさのタンパク t ' (（ヒ ト で は 430ア ミ ノ 殴 30 0.ij,(J~対で十分である 程 度）を指 令 す る に は お よ そ 1

ill伝子の銭りの i~ii分はかなりの長

さ の 非 観 沢 領 域 で ． タ ン パ ク 伐 を 指 令 す る 比 較 的 短 い DN A~）i域はその小に散化している 。 第 6 ~戸で詳述するが．制;:Jf;;JiJ或を エキソン （exon ） .エキソンとエキソン の lllJ をうめる非

創 訳 配 列 を イン卜ロン C i n t r on）と よぶ （F i g .4-1 5と ぷ 4-1参照）。 ヒト i l l伝 子 の 大 1 主はこの fに 長 く つ ら な っ て い る が． イ ン ト ロ ン が そ の ほ と ん ど よ う に エ キ ソ ン と イ ン ト ロ ン がう どI

l l伝 列こはイントロンがないことが を市める 。 これとは対照的に． ゲ ノ ム が小 砲の 生 物 の i l l伝子が小さく （ヒ ト 泣 伝 多 い。 そ の た め． そ う し た 保 物 で は i

fの 約 20分 の

I ) . しかも

: iい 染 色 体の 小 で タ ン パ ク 質 を 指 令 す る 訓 合 がt

l l（ ぷ− （に｛まJ 』 1 節 DN A配 列 （ r e g u l a t o r yDN A イントロンとエキソ ンのほかに ． 千 干i s e que nc e ）があり

( B )

F ig. 4-1 6 ヒトゲノムの相対的忽大きさ。 （ A)

i 世｛ 云 fをi@切な H

はオ フにする。 ヒト の j 凶常 の i l l伝 − （の i 調節配ゲI ］ はや' 1 J i J 説法対にもおよぶ。 、 ＇ I 然 だ が． 小型

のように各塩基対悶を lmmで表すと．ヒ トゲ ノムの長さは 320 0kmに還し人類発生の地

のゲノムをもっ生物ではみMfiMl~§IJ は術にな っている 。 』出！日目 DN A配 列 の f ' F J I J機 併 に つ い て

である中央アフリカを検断できる長さ （ Bの赤

戸で述べる。 は 第 77

い線）に芯る．この尺度では．平均 1 3 0m ごと

. . ｝ ｝ ； ； 配ヂl j の解析からわかったのは． ヒトゲノムの話／

ヒトを作るためのill~ な十月報が驚

くべき｝！聖秩序 な状態でイI イ ：1 ：して いるらしいこと で あ る。こ ん な ふ う に も い わ れ て い る。− そ れは． 恥 •IUJ）； や寝室や冷h攻 Joi( や ｜｜ ’fo＇ ノ u;r；の よ うにも 比 える 。 きわめて例性的 だが！日I：秩序。

狭 測 された決断、はほ とんどなく ．膨 大 な ．． くず”と も い え る も の の 集 獄。 何 も 的 て た こ と が ない 。 その 中 に ．

ごくわずかな大切なものが無造作で.f!l~l!ll'[,,Yf に 散らか って い る 。．．

表 4-1 ヒ ト ゲ ノ ム の重 要 な 統 計 数 値 ヒトゲノム DNAの長さ

3 . 2× 1 0 9海基対・

遺伝子数

約 25,000

愚大遺伝子

2 . 4x 1 0 6塩基対

遺伝子の大きさの平均

27,000塩丞対

遺伝子あたりの愚小エキソン数 遺伝子あたりの盛大エキソン数

178

遺伝子あたりの平均エキソン数

1 0 . 4

短大エキソンの大きさ

17,106海基対

工キソンの大きさの平均

145塩護対

偽遺伝子数・．

20,000以 上

エキソン（タンパク質を指令する配列）の割合

1 . 5＜ ｝ も

その他のよく保存されている配列の割合・．．

3.5%

高頻度反復配列の占める割合

約 50%

・2 8 . 5億盗塁対の配事J I が正区にわかっている（悶泣いの起こる彼l f は 10万控室基に 1つ程度）。ONAの残り l : . 非常に短い反復配列かう怒り．反復団法l d : f f i i l 人によって巽芯る． の部分！c 霊能をもっ遺伝子とよく似た泡基配列をもつが．多くの変異が存在するために適切に発 “偽遺伝子は. i 現でき広い。そのほとんどは．機能をもっ遺伝子が血復した後に片方のコピーに欠陥につ忽がる変異が蓄 積して生じたと考えられる。 ・・・機能をもっ保存領i 或 5’首 ； 3’鮒の非籾訳領主主（ u n t r a ns l a t e dr e g i o n.UTR と略される）．偶~や機能 に関与する RNA.DNA上の保存されているタンパク結合部位を舟令する DNA 。

a

にタンパク貨を償令する遺伝子があることに怒 る。平均的芯遺伝子の長さは 30m.その中で タンパク質の翻訳領域I d :合わせて lm程度に しかなら忽い。

染色体 DNAとそのク口マチン繊維への詰め込み

パーセント

207

F i g .4-17 すでに配列決定の完了したヒトゲ

70

50

80

90

100

I N E .S I N E .レトロウイルス型要素． ノムの備成。L

DNA型トランスポゾンI C I : . 自己復裂し新しく

イントロン ｜ タンパク質を1 8 令する領主主 ーJ 遺伝子

一 一 一 」

イントロンでも観駅配列 でも芯い非反復 DNA L

領様霊復 反復配列

L一 一 一 一 ・ ー ー 一

特有の配列

一 一 ー 一 一l

できたコピーをさまざま広部位に傾入して掴殖 してきた動く遺伝因子である．動く遺伝因子に e で路じる （ p. 3 1 8の表 5 3参 ついては．第 s 照） 。 単純配列反復｜ま短い泡基配列（ 1 4Jg基対 以下）が何回も繰り返し述怒った榊這をしてい る。領域活復は．大きt . J ,区 画（ I O O O∼ 200, 0 0 0 提言葱対）で複数か所存在している。ヘテロクロ 或につい マチン内の最も反復度の商い ONA領i ては．塩益配列の読み取りがまだ完了していな N A J l . i l 基配列の約 10% は目この いので．ヒ卜 D

ゲノムの比較かう，進化において保存されてきた塩基配列がわかる ヒト染色体温法配ダlj の解釈にあたっての難｜刻は．そのほとんどが if（~ではない吋能性が大

きいことである。 ゲノムの翻訳領域（エキソン） は．温法配夢j l が1 E礁でなくてもよさそうな DNAの海に 浮かんでいる短い木片 （ 平均およそ 145塚必対）のようである。 そのため． DNAの温法配列か らすべてのエキソンを特定するのはむずかしい。lつの遺伝子がどこか

ら飴まりどこで終わるのか．そこにいくつのエキソンがあるのかを決定するのはさらにむ ずかしい。 をも っ部分が比較的多いところ 正確な逃｛ 云チの特定には． ヒトゲノムの，，，から十円相i

t lを抗I J / 1 1する必姿がある。 第 8I ; ' . tでこの方法にふれ．ここでは一般的） ｝ 法の l を使って的f つだけを述べることにする。 この方法では．機能をも っ配タj lは進化のj 必ねで比較的保存さ れ．そうではないものはランダムに変異するという事尖にJ.~づき ．ヒトのY:.U.li配列をマウ スなどの1d'i縁のゲ ノムの対応領域の塩基配列と比較する 。 ヒトとマウスは共通の11111~’L類祖

先から．約 80× 106年前に分岐したとされており．これだけの H 年｜！”があれば．ゲノムの 虫類のゲノム間で ほとんどの温法がランダムな変異によって変わりうる。 したがって . H 向い矧似性が似たれている領域は．変異を起こすと機能が引なわれ例体にと って不利益に なり．そのため I~ 然選択によって変異が集団から排除されるに述いない。 鎖似性の高いこ

のような ~iJ或は保存節減（conserved r e gi on）とよばれ. !11~長な俄能をもっエキソンや調節

配列がこれに B； 来 、 ＇1 する。 これに対して．非保存領域（ nonconservedr e g i o n）の庖必配列には

i f i 裂な機能がありそうにないc さらに．ラット．ニワトリ ．チンパンジー．イヌといった令ゲノム解析が完了した 動物のゲノムをヒトのゲノムとの比較の対象に加えていけば．この ｝ j法はより威力が増す だろう 。温法配列の比較研究から．何億年にもわたる自然のり必験”の紡来・としてのゲノム の If!~ な Ui域が浮かび上がってきている 。 この :i'~ の終わりに詳しく述べるが．ヒトゲノム

のおよそ 5%が”多航｜ 日 ！で保存された配列”である。驚くことに．こ のJ j , { 必配列のがn 分の

l l伝子の淵節に｜刻する lのみがタンパク質を指令する。保存されている非翻訳領域には. i

1 立が集まる領域や．転写された RNA分子がタンパク 1 1に制訳されない領 タンパク紡令官1 域がある。 しかしこうした場基配列の大半の機能はまだわかつてはいない。 この予期せ ぬ発見により．子'HU：動物の網II胞生物学的理解がJ思l いがけずまだ.fJJ~ミ的なものにすぎないこ

とを科学者ーたちは思い知らされたのだった。 もちろんこれから先．新しい発見の機会がた くさんあるだろうし多くの驚くべき発見が待ち僻えているだろう 。

Hiがあるだけでなく ． こうした比較研究から．ヒトと他の動物には同じ遺伝チのJ ゲノムの Jよい純凶で泣伝子の順序が同じこともわかった 。 後~ri· を シンテニ ーの保存 （ con­

s e r veds y nt eny ）という 。そのため．ヒト染色体の大きな領域にキ｜凶する部分が他の磁でも

] J I Jして．ヒト染色体の近年の進化 見つかる可能性があり．そこから．染色体彩色技術を平l } I＇ ； ！ ；： をj l f 榊成することができる（ F ig. 4-18 ） 。 のJ

. 図には含まれてい芯い。 （データ促供， E M a r g u l i e s )

208

・

4

DNA，染色体．ゲノム

a .

領先の染色体

ヒト第3染色体 lb の祖先 DNA d

F i g .4-1 8 ヒト第 3梁色体と他の陥乳類の関

7

連した染色体で示峻される進化史。 （ A）左上の 図（黄色の背蹟）は．附乳類の祖先の染色体に存 在したと￡ t 1定される; g3染色体の異なる領i 或の 並び順。現在の 3つの染色体それぞれの出現を

櫛 て

羽明する際に郡合のよい．祖先の染色体での母 小限の変化を示す（現在のヒ卜とアフリカ類人

ヒト第 21染色体 戸 の祖先 DNA 」

E 吉の染色体は．この解像度では伺じに忽る）。

-

( A )

ヒト第 3 t 長色体

e ! : . セントロ 現存の染色体の絵の中の小さ芯丸l メアの位t a を示す。附乳類では このよう芯梁 色体例成の変化につ広がる分裂と逆位は 5∼

1 0x1 0 6年に 1回の頻度で生じると考えられ る。（ B) (A）で示す図の根犯と怒った染色体様 鍛実験の一部。ヒ卜第 3染色体と霞も類似性の 高い染色体。ハイブリ ッド形成j 去を用い て 異

，． キツネザル

町‘ ’ 冒 ’ − A

b

a∼ dl e ! : .( A ）の祖先の染色体図にある a .b .c .

オランつータン

ヒ ト

・ −:＋ 岬

’ a

なる DNA断片.a .b .c .dを緑色に染めてある。

c d

a

b c d

dに栂当。（S .M u l l e re ta l . ,P r o c .N o r iA c o d .S c i .

U . S . A . 9 7206-21 1 ,2000より。N a t i o n a l ： ・

~~

Academyo fS c i e n c e sより許路）

・ ： ｜

a b c

I

d

( B )

染色体は細胞周期の段階によって異なる状態をとって存在する 染 色 体 内 で の 遺 伝子 の 配l i 1を 見 て き た が．後 能 を も っ 染 色 体 を 形 成 す る に は . DNA分子 は遺伝 子の 述 び 尽 以 上の 役割 を 求 め ら れ ． 細 胞 分裂 の た び に. i l l 伝子をぬi 製し彼製した コ ピ ー を 分 離 し 2つ の如硝 I胞 に 分 配 し な く て は な ら な い。秩 序 立っ たー 述の段｜析を統て

。。

進 行 す る この 過 程 を． 細 胞 周 期 （ c elc y c l e ）と よ び． 染 色 体 が 倍 加す る I 寺J Y J とそ れ が 2つ の 娘細胞に分離するl 時J U ］ に 分 か れ て い る。 細 胞 周 期 につ い て は第 1 7章 で 詩 し く 述 べ る こ と にし

g .4-19に示す。 こ の 訟で は 特 定の 段附 の み に i t t l す る。 染 色体 こ こ で は 概略 を Fi

紡錘体

遺伝子発現と 染色体の複製

間期染色体

− ー ー 吻 惨

有糸分裂

羽i 表色体 分裂l

問問

M悶

問問

F i g .4-19 W桜生物の細胞周期の簡単な模式図。問問の細胞は．活発に~伝子を発現してタンパク質を合成する。また．間期と細胞分裂

前には. DNAが複製されておのおのの染色体が倍加し， 2つの対をなす胤染色体が形成される（図では染色体対を 2つしかもた忽い細胞 を例とする） 。ONA復裂が完了すると 細胞は M 期 （M phase ）に入り．有糸分裂により抜は 2つの線絞に分けられる。 Mi 羽には．染色体が きなどのタンパク質かう紡錘体が形成される。凝縮した染色体に紡錘体が結合し．染色体が一組すつにをちんと 凝縮し ． 核膜が峻れ．微小t

i l l 終段階になると細胞が分裂して 2個の娘細胞 分かれて細胞の両端へと引き寄せられる。この娘染色体の周りに絞阪が再形成され.M期のf

I 乳類の多くでは 10 奇間程度である。 ができる。細胞周期のほとんどの期間は問問であり .M矧はそれに比べて短く．町i

染色体 DNAとそのクロマチン繊維への詰め込み

209

F i g .4 2 0 間期ののびたク ロマチンと分裂期 染色体のクロマチンの比駁。 （ A）分裂期染色体 i : r .凝縮した二倍体染色 の走査型電子顕微鏡写: 体でI d ; . 22ドの新たに形成された染色体がまだ i g .4 21参照）。くびれた部 つながっている（ F 分がセントロメアの位置1( F i g .4 2 1＇ 診 照 ） 。 （ B ) 問問の綴を溶かしたとき．大厄のクロマチンが L i l で出てくる。 その昭子顕微鏡 からみ合った状! 写真。倍率の迎いにj主~。（写真提供 ·A; T e r r y

D .A l l e n ,B ;Vi c t o r i aF o e )

L一一一一」 lμm

( A )

lOμm ( B )

が桜製する l l l J W I(i nt e r p ha s e ）と．染色体が尚H f :に凝縮し分離し 2伽｜の似細胞の絞に分配さ れる有糸分裂J~I (mito sis） である 。 分裂）gj の綱II胞の日伎に凝紛した染色体は分話~JP!染色体

( m i t o t i cc h r omosome ）とよばれ （ F i g. 4-20A）.染色体の j形がI はも凡やすい。； ) . f際．本市で これまでに示 した染色体の同は布糸分裂J U Iの染色体である。細胞分裂l 時に情加l した染色体 が紡錘糸により分離されるうえで．この凝縮状態は i f （立さである。 これについては第げ市 で諸 じる。 細 胞J W U Jのうち細胞が分裂状態にない ときには染色体はのびて．クロマチンのほと い糸がからま ったよ うにな って絞内にイパE す るので．伽｜々の染色体は織別 んどは長 くて絢l できない （ F i g .4-20B 。 ） こののびた状態の染色体を l l l J J Y J染色体 （ i n t e r p ha s ec hrom o s o me ）と よぷ。細胞は l l l l J U Jの時期がほとんどであり. i 1 ' . i :伝的報の読みI＼しはこ のl 時J U Iに行われる。 そのため． 日でi はもと らえにくいl 時期の染色体が翁I l 泡生物学の h . i大の関心r r i :とな っている。

線状の染色体を形成している DNA鎖には．必す 1個のセントロメア， 2個のテロ メアと複製起点がある 染色体それぞれは構造単位として機能している。細胞分裂u ， ＼ ・にそのコピーを似繍 ＇ H 胞に受け 波すには．それぞれの染色体を彼製し新たに作ったコピーを分縦して娘細胞にきちんと 分配しなければならない。 このような基本的機能にかかわるのは. DNAの 3純資i の特災 的温~~~~ダJj であり．それぞれの配列領域に特定のタン パ ク nが結合してぬi製と分離を i並行

させる装i 丘をここへ滋く （ F i g. 4-21。 ） 昨！な染色体は比較的小さくしかも操作しやすいので. I W 1 手を I l lいて．これらの機能 に必妥故小な DNAの出基配列が同定された。lつ は DNAの複製起点、 （ r epl ic at iono ri g i n) で．複製 U H ! l f i m ¥ 1 立にある。兵校生物の染色体には多数の彼製起点があり ．染色体が全体と して迅述に桜製できるようにな っている。 これは第 5市で持しく述べる。

持i 製後の 2つの娘染色体はたがいにく っついたままで．細胞川 J O Iが進行すると染色 体 の凝紛度が日まり．分裂J U I 染色体にな る。2つ 日はセントロメア （ c e nt r o me r e ）で．ぬi 製 し凝紛したそれぞれの染色体を lつずつ．細胞分裂が起きるときに各娘細胞に引き 込む地 税に関与−している 。動 ）J ； （ 体 （k i ne t oc h o r e ）とよばれるタンパク似介体がセントロメアで形

210

4

・

DNA，染色体，ゲノム 間期

I~

復製起点 ー

間期

有糸分裂

F i g . 4 -2 1 真綴生物の染色体が復製し．有糸分

裂を経て分磁するのに必要な 3種類の DNA領 主。おのおのの染色体には．復数の複製起点と 1個のセントロメア. 2個のテロメアがある。

細胞周期において通常の染色体で進行する一連

・

の過程を示す.DNA復裂は間期に起こり．復製

． aa ‘・

起点から始まって染色体に沿い両方向に進行す ＋

る。M期には 2本に主主った染色体のセントロメ アに紡錘体が結合し．有糸分裂に進U i .染色体

セントロメア 一 一

一回目回目H

W目

は l：本すつ嫌細胞に分配される。セントロメア は．分践の準備ができるまで復製した 2本の染 色体をまとめておく。テロメアはそれぞれの染

紡錘体の 一部

日

日

」」

」」

複製した総色体が 別々の細胞に 収まる

成され．彼製した染色体を ~Jj鋭体に結合させ，その後の分離を可能にする （第 1 7

T , 1 ）。

3つ 日は．染色体の 1 1 l i j 端 にある テロ メア （ t el omer e）である。 ここには反復庖碁配列 が含まれており．染色体末端の彼製を可能にしている。 テロメアにはそれ以外に機能があ る 。 テロメア反復配列は隣接領J或とい っ しょにな って特定の｛i'~:i立を作り．染色体の末端を．

細胞が修復を要する綴れた DNA分子 と問逃えないよ う保護している。 この舶の修復機構

; 1 で扱う 。 とテロメアの構造と機能は第 51

. f t f l ! U iの出器配列は．両手 l 手 紙I I 胞では比較的 染色体が受け縦がれるのに必要なこれ ら 3 000j 包恭対以下）目染色体の約半長谷祉の一昔Iしか使っていない。 短く（一般にそれぞれ 1

r . :

核生物ではテロメアは比般的単純で短いが目 t：； ~·予な生物ではセントロメ アと複製起点の塩

基配列は醇母の例よりはるかに長いものが多い。 たとえばヒトのセントロメアは 1 0万塩 ）を必嬰としていない らし く．以降に述べるが．それは染色 基対もあり．決まった温法配タI 体の複製l 時に受けつがれる胤則的に反復する大きなタンパク質ー核被複合体であるらしい。

染色体内での DNA分子は高度に凝縮している 工 ！ − 核生物はどれも. DNAを染色体に詰め込む悶イI のやり方をもっ ている。 ヒトの第 22染 色体には 4800万塩恭対の DNAがあり ． 長い完全な二世らせんとして端から端までのば すと 1 .5cmにおよぶが． 分裂J U Jには染色体の長さはわずか 2μmしかな く（ Fig.4-10と 4-11 参照）．圧縮率はおよそ l万 併にも なる。DNAを次々にコイル状に巻いて折りたたみ． ど んどん日次構造に圧縮する縦れ技を演じているのが−i . i l iのタンパク質である 。分裂J U ！染色

l l J J U J染色体の DNAもしっかりと訪め込まれていて．全体の圧 体ほどではないが．ヒト の l 縮 皮（ 染色体の DNAらせんの令長 ÷その染色体の端から端までの長さ ）はが: J5 00俗である。 これ以降を読み進む際．染色体の構造が! f Q J的である ことを 念頭に世く必要がある。 これまでに．染色体が細胞問 J U Jの M JU！には ，穴•，•；（，· な f'f.皮まで凝縮することを見てきた。 問

J U Iの染色体は視覚的には目 立たないが．屯裂なのは．斜I I 胞が．遺伝子発現. DNAの修復 と複製のために特定の DNAJ 包基配列との般触を必裂と するとき には特定の領域がゆるみ． 利用が終わるとふたたび凝紛することであ る。 したがって詰め込みは．必裂に応じてすば

色体の9 t 舗に特別なキャ ッブを形成する．

染色体 DNAとそのクロマチン繊維への詰め込み

211

ゃく DNAの特定の古1 1 1 立に起きるものでなければならない。 これからの節では． この種の 詰め込みに特化 したタンパク質について論じる。

ヌクレオソームは真核生物の染色体構造の基本単位である DNAに結合し真核生物の染色体を形成するタンパク質は ． ヒストン （ hi s t o ne ）と非ヒスト

ン染色体タンパク（ n o n h i s t o n echromo s omalp r o t e i n）に大別されるのが普通である。其核 細胞のこの 2種類のタンパク質と核 DNAの複合体を クロマチン （ c h r o m a t i n.染色質）と よぷ。細胞にはヒストンが大量に （ヒト細胞 1個に各純のヒストンが約 6000万分子ずつ） 存 在 し ク ロ マ チ ン に は DNAとほぼ問じi l kのヒストンがある 。 染 色 体 凝 縮 の 故 小 基 本 単 位 は タ ンパク質一DNA複 合体． ヌ ク レ オ ソ ー ム

( n u c l e o s o m e） で，1 974ij 三 に発見された。そこでは． ヒストンが重要な役割を来たしている。 問W lの絞をおだやかに域し電子顕微鏡で観察すると ．クロマチンの大部分は直径約 30

nmの繊維になっている（ F i g .4-22A 。 ） これを部分的にほどく処理をすると”ひもに通 したビーズ”が電子顕微鏡下で出現する（ F i g .4-22B） 。 このひもが DNA . ビーズが”ヌク レオソーム・コア粒子”である 。後者は．ヒストンでできたコアに DNAが巻きついた形 をしている。＜ACTC> ヌクレオソームの構造は．特定のヌクレアーゼでほどけた状態にあるクロマチンを 短時間処理lして， J I U にある DNAを切断して取 りI lした粒子について決定 された。短時間 の処理で． リンカー DNA ( l i 叫 ＜e rDNA） .すなわちヌクレオソーム ・コア粒子 J M ！に鉱出し ている DNAが分解される。それぞれのヌクレオソーム ・コア粒子は. 8個のヒス トンタ ンパク （ヒストン H2A .H2B.H3 . H4それぞれ 2分子ずつ）と 1 47塩基対の二本鎖 DNA の複合体である。 ヒス トン八五i 体（ h is t o neoctam e r ）がコアとなり．その周りに二本 鎖 DNAが巻きついている （ Fi g .4-23 。 ）

ヌクレオソーム ・コア粒子どうしは．数滋基対か ら約 80塩基対の長さのリンカ ー DNAで｜ 編てられている（．．ヌク レオソーム ”は厳密には．ヌクレオソ ーム ・コア粒子と隣接

する DNAリンカーの一方を含んだものだが町ヌクレオソ ーム・ コア粒子と同義で使われ ることが多い） 。 ヌクレオソ ームは平均約 200坂基対ごと に反復配世 している。6 . 4× 1 0 9 塩基対の DNA をもっ二倍体のヒト細胞には．約 3000万個のヌクレオソ ームが存在する 。 DNA分子はクレオソームに組み込まれると，長さがf J J めの 3分の lとなるクロマチン特

有な構造をとる。

F i g .4-22 電子顕微鏡で見たヌク レオソーム。

」」

S Onm

(A ）間期の核から直療に単践したクロマチンは． 電子顕微鏡では太さ 3 0nmの綴総状に見える。 (B ）単磁後にクロマチンをすっかりほどを（脱凝 縮）．ヌクレオソームが見えるようにした電子 顕微鏡写真。（写真挺供： A ;B a r b a r aH a m k a l o .

B ;V i c t o r i aF o e )

212

4

DNA. 染色体．ゲノム F i g .4-23 ヌクレオソームの分子術成。ヌクレオソームには 8分子のヒストンから

ヌクレオソームの コア−ヒス ト ン

なるタンパク質のコア（芯）がある.DNAを分解するヌクレアーゼで単駁したクロマ チンを処理すると．リン力一 DNA のみが分解~れて．ヌクレオソーム－コア粒子が

遊滋する（このヌクレアーゼは裸の DNAを分解するが．ヌクレオソーム コアに巻 きついた DNAは分解でき忽い）。$.敵したヌク レオソームをタンパク貨のコアと DNAとに分けるとコアに巻きついた DNAの長さがわかる。その長さは 147Jg基

対で．ヒストン・コアの周りに 1 . 7回答きつく。

ヌクレオソーム・コア粒子の構造から DNAを詰め込むしくみがわかる

~－ -.d?···~·…~－~

1 997年にヌクレオソーム ・コア粒子の高分解能解析が行われ．同銀状のヒストン ・コ ア . 7回転する僻: i i :の存在が l y : jらかになった （ Fig.4-24 。 ） の周りに DNAが左巻きにきつく 1 102∼ 1 35備の ヌクレオソ ームのコアを形成している 4種類のヒストンは比較的小さく （

~~tr:=~

アミノ敵）. 3つの α ヘリックスを 2つのルー プでi i l i 紡するヒス トン型折りたたみ （ histone ）と よばれる共通の構造モチーフをもっ （ F i g .4-25） 。 ヌクレオソーム桃築の際．まず f o l d このモチーフが相互作

mして. H3-H4と H2A-H2B二i1 k 体ができる。 次にこ の H3-H4ニ

垣で

1 1 （体が結合して四位体になり.H3-H4凹丑体がさらに 2つの H2Aー ト128二 : i l : 体と結合して． 凝紛伎の高い八i l l 休コアができ．その尉りに DNAが巻きつく（ Fig.4-26） 。 1 1 1の水 ヒストンと DNAとの接触而は広く．各ヌクレオソームで DNAとヒストン 1

2 終結合は

1 42悩も形成される。 これらの結合の半分近くは．ヒストンのペプチド主鎖と

1 4 7盗塁対の DNA二軍らせん

八鑓体の

ヒストン・コア

↓

DNAの梢ーリン敵主釘i との｜ 日 ！ で形成される。たくさんの疎水位相互作用 とイオン結合も． A とタンパク 質の結合を強める働きをする 。各ヒストンのア ヌク レオソ ームにおける D N

解雌

ミノ隠は 5分の l以上がリシンかアルギニンであり（どちらも側鎖が滋法性） ．こ の正氾荷

H2 A

H2B

‘

d F H3

角

p

H4

F i g .4-24 結品の X線解析により決定したヌ

クレオソーム・コア粒子の4 街道。DNA二盤うぜ んを灰色で．それぞれのヒストンを F i g .4-23 下から見た図

織かう見た図

と同級に色づけした。（K .Lugere ta l . ,N a r u r e 3 8 9 : 2 5 1-26 0 ,1 997よ り。 Macmil l a nPub l i s h e r s

。 ヒストン H2A

ヒ ス トンH2B

O ヒストン 旧

。 ヒストン H4

L t d .より許路）

染色体 DNAとそのクロマチン繊維への詰め込み

( B )

( A )

H2A H2B

N••••

c

N

H3 N

H4

C

N

ー圃圃量

ー − − −

N

N来織局部

ーー圃圃圃・且

( C)

ヒ ス トン型折りたたみ

F 』g .4-25 コア・ヒストンの情造。 （A）図に示すように．各ヒストン・コアは．何種

類かの共有結合修飾を受ける N来鵠尾部と．ヒストン型折りたたみ領主まから怒る。（ B) ヒストン型折りたたみの織造。この偽造l c l :4樋類のコア−ヒストンすべてにおいて 形成される。（（）ヒストン H2Aと H2Bが．握手．のよう砿相互作用により二置体を形 成する．ヒストン H3と H4も同銭高玉相互作用をして二鼠体を形成する。

が．負~［荷を結びた DNA 主｝j'（をうまく中和l している。 このような多数の相互作用が．

ど

んな滋恭配列の DNAでもヒストン八盆体コアと総合できるもととなっている。DNAは ヒストンの周聞に紛らかに巻きつくのではない。ー織ではないコア求聞から予怨されるよ うに．数か所でよじれている。DNAが i U l がるには. DNAらせんの刷械にかなり 大きなカ がかかる必要がある。副構で．特にカの加わりやすいある組のジヌクレオチドがあるし ヌクレオソームに対する結合力がほかより強い塩悲配列もある （ F i g .4-27） 。DNA鎖に沿 ってヌ クレオソームがきわめて正確な配位をとるという特別なケ ースは．こうした こと で 説明できるのだろう 。 し か し 染 色 体 の DNA塩基配列の大部分では．ヌクレオソームと 塩基配列の問の相性よりもっと重要な要素があるはずで．ほとんどの染色体で. DNA配 列に対しヌクレオソームがとりうる配慣は一定ではない。 ヒストン型折りたたみに加えて．コア ・ヒストンの N 末端には必ず長いアミノ酸”尾 苦I ”があり. DNA−ヒス トン ・コアから外へのびている （ Fi g .426 ） 。 この尾部が何種類かの

t : i 1 i :と機能のきわめて重要な調 共有結合修飾を受けることがあり．この修飾がクロマチン射／l 節に関与する 。これについてはこの後すぐ述べる 。 クロマチンの構造の剥節を通して DNA の機能に .ill~ な役~J をおよ（ fすヒストンは．

J i 核生物のタンパク質のなかでも i b ：ーも保存度が高い。たとえば．マメ : t f iとウシのヒストン H4 のア ミノ酸配列は 102 個中 2 倒しか逃 わ ない。 このような進化上の~·：； J!t の保存は．ヒ

ストンの機能にほぼすべてのアミノ酸が関与・し． どの｛ 立｛世の変災も細胞に有害ーである こと を示唆する 。この仮説は酵母細胞を朋いて検証された。i nv it r oで特定のヒストン遺伝子に 変異を誘滋し．その遺伝子を正常・遺伝子の代わりに両手母ゲノムに導入すると．予想どおり アミノ酸配列が変化したも のはほとんと’ が致死性であり．致死性を示さなかった少数の遺 伝子も発現糠式が変化するなどの異常・がみられた。 コア ・ ヒストンは出度に保存されてはいるが．只．核~物はアミノ般nu1J が通常のも

のと異なるある租l の変災コア ・ヒストンを少数だが生産している。 こうした変位は．ヌク レオソームのヒストンに対する驚くほどさまざまな共布紡合修館 i Iとともに. ~＇／j ~~：兵核生物 の DNA機能に必袈な多様なクロマチン構造を可能にしている。

c 仁

213

・

214

4 DNA，染色体．ゲノム Fi g .4-26 DNA上のヒストン八畳体の集合。

．録手．のような相互作用により．ヒストン H3-

f i !体 bl形成ぎれる。 H4二毘体と H2A-H2B= H4

次に H3-H4四畳体が形成され. DNAに結合す る。そこに 2つの H2A-H28二毘体が加わって

e ! :F i g ヌクレオソームが完成する．ヒストン l 4-24.ι25と同じ色で示す.Bつの N末端尾

E

， 一 一可 MH ， − S

N

体 畳

﹃

AM

MH

EEE ＆ ’

ヤ＼

パ一

部はすべて．円盤型のコア偶造から外へのぴ出 N

ていることに注意。コンホメーションはきわめ て柔軟である。 ここで示したようなヌクレオソームの総合l e ! :. 細胞内ではヒストン ーシャペロンタンパク

( h i s t o n ec h a p e r o n e）の媒介で行われる．この タンパク貨には. H3-H4に特異的主主ものや． H2A-H2Bに特異的なものがある． ( J .W a t e r b o r gによる図を改作）

H3H4四竃体

N

丈

MN

ー寸

N

H2A -H2B二置 体

N

／ ワ 2つの＝貨体が

H3-H4四竃体

H3 -H4四竃体

N " " -

に結合

N

N

＼

．

／ ワ ヒストン八置体

N＂ ＼ 】

_ _ )

N

ヌクレオソームの ヒス トン・コア （ ヒストン八畳体）

ヌクレ才ソームの DNA

F i g .4-27 ヌクレオソーム中の DNAのたわみ。

ヲ忍~ ·f, 句墜さトー＼

DNA二位らせんはヒストン八回体の周りに 1 . 7 N

N

） ： 「

I r

ここでは AA.TT . TA ジヌクレオチドが好まれる ｛ 内側に位置する小さい潟｝

回答きついている。この図で l e ! : . 谷きついた DNAらゼんの内側で小さい泌が圧縮されるよ

うすを示す.ONA分子の偽造上の特徴のため． 小さい渦の狭く怒った部分は図に示したような 塩基対が収まることが多い。ヌクレオソーム コアに対し籾和性の高い DNAE 童話配列がある のは．こうした理由によると考えられる．

250ミリ秒存在

x ｜﹁ r

DNAが望書きついた状態で

DNAがl 草すれた状態で 1 0 ∼s oミリ秒存在

染色体 DNAとそのクロマチン繊維への詰め込 み ヌクレオソームに再度 DNAが 望 書 をつ く

215

F i g. 4-28 動的なヌクレオソーム。単独のヌク レオソームの DNAI 手前くほど動的で，急速に ほどけたり．ヌクレオソーム・コアの周りに巻 きついたり していることが．動力学的測定から 示されている。図に示したよう主主動きにより ． ヌクレオソーム コアに結合している DNAの 塩慈配列は．他の DNA結合タンパクと接触で きる。 （ G .L ia n dJ .W i d o m ,N a t .S t r u c t .Mo/ . B i o l . 1 1 : 7 6 3 7 6 92004のデータより。 M a c m i l l a n

措 Z 基配列特異的 DNA結合タンパク

午 践 ） P u b l i s h e r sL t d .よりま

ヌクレオソーム構造は動的で，A TP依存クロマチン再構成複合体によって構造を 変化させる コア・ヒストンと DNAの結合は強力なので. DNA上の特定の位

mに形成されたヌクレ

オソームはそこで回定されるだろうと ．長年考えられてきた。しかしもしそうだとすると． や複製の装 特典的な DNA塩基配列にすばやく近づく遺伝子の読み取りのしくみや．転写ー 恨のすばやいクロマチン通過が説明しにくい。単独のヌクレオソームの DNAは．両端か らおよそ l秒あたり 4聞の速さでほどけ. 1 0∼ 50 ミリ秒ほ どするとほどけかかった状態 をやめて再度巻きつくのである。 こうして．単独のヌクレオソームの DNAのほとんどは． 他のタンパク質と結合できることになる（ F i g .4-28）。 細胞内のクロマチンに. DNA － ヒストンの相互作用をゆるめる必要が生じるのは ry~ らかである。

n核細胞には実にさまざまな ATP依存クロマチン再構 成 桜合体（chromatin

r emode l i n gco mplex ）が存在する。 この複合体を構成する ATPを加水分解するタンパ ク質 第 5主主）と類縁であ り．ヌクレオソームのコアタンパ クと ．それを は. DNAへリカーゼ （ 取り巻いている DNAの両方に結合する。 このタンパク質は ATP加 水分解で得たエネル ギーを使 って DNAのコアとの相対位置を動かし．ヌクレオソームの構造を一時的に変 化 させ. DNAとヒストン ・コアの結合をゆるめる。再構成複合体は. ATP加水分解を繰り 返しつつ．いわゆる”ヌクレオソーム ・スライ

γ

（ n u c l e o s omes l i d i ng）を触媒する。 この

ように．再構成複合体が DNA二重らせんに沿ってヌ クレオソ ーム・コアを引 っ猿るおか げで．細胞内のタンパク質がヌクレオソ ーム DNAに接触できるようになる（ F i g .4-29）。 ， ， ， ，

ATP依存クロマチン 再構成複合体

’ ， ，

F i g .4-29 ATP依存ク ロマチン再権威複合体 がヌクオソームのスライ ドを触媒する。再構成 T P加水分解のエネルギーを利用して 複合体は A

－ ~ 斗ム ヌ クレオソームの スライドを触燦

． 、 句 “

DNAに働きかけ．結合したヌクレオソームと DNAとの結合をゆるめる。 A T Pの結合．加水分 解.ADPと P ，の放出を循E 置するととに．図の矢

i t 体に対する 印の方向へ向かつて ヒス トン八! DNAの動きが生じる。このようなサイクルの 繰り返しで．図に示したようにヌクレオソーム

F i g .4--468も参照 ） がスライドする。（

216

4

DNA，染色体．ゲノム

ラ ？合体 ~

／ . . . . . ， ， .＿

ζ

＼ノ 」 三

．

、 ・ 今 、

異的ヒストン シャベロンと協同して．ヌクレ オソームかう H2A-H2B二畳体を除き（図の上 側の反応）. H2AZ-H2B二忽体（ F i g .4 4 1多照） 忽どの変樋ヒストンに置き燃える作用をするも

I¥

図

Fi g.4-30 ATP依存クロマチン再構成復合体 がヌクレオソームの除去とヒストン交換を触媒 J .かには．特 する。クロマチン再偶成復合体のT

j l 立 ｛ のがある。このほか．クロマチンの特定のg に結合し ヒストン八量体を完全に除去したり，

H2A H2B 二置体の交娩

ADP

ト

H．

負えたりす 災忽るヌクレオソーム ・コアに置き i るものもある（図の下旬I J の反応）。

て

・

ヌクレオソーム の忽い ONA

6

ヌクレ才ソーム・コア （ ヒストン八畳体）の交換

ヒストン・ シャベロン

a

' . 1 に ＝；屯 したタンパク質と協同して．ヌクレ ほかにも．ヒストン ・シャペロンとして働く j −

オソームからヌクレオソーム ・コアの金者i t か一日誌を取り除くことができる再椛成複合体も あり

.n体 的には. H2A-H2Bヒストン交換や DNAから八一抗体コアの完令除去を触媒す

る （Fi g・ 4-30） 。 細胞にはさまざまな役 i1l1J に特化した何十種もの ATP 依作クロマチン 11~桃成複合体

がある。 ほとんどは大きなタンパク綾子子体であり. 1 0個かそれ以上のサブユニッ トからな る。 この桜合体の活性は細胞内できちんと調節されている。 クロマチン再構成複合体が． 遺伝チのスイ ッチのオン ・オフに応じて DNAの特異的古川なに移動し．そこで局部的にク ロマチン構造を劣化させる （ 第 7T , ' tで論じる 。F i g . 4-46および以

rを参）m)。

先に抗摘したように．ヌクレオソームは染色体 DNAのほとんどどこにでも生成し うるが. DNA I ：に強〈結合した他のタンパク 1 ' tがあるとその彬科は大き い。結合タンパ J } j ;1 ；.してタンパク クのなかには．｜嫌にヌクレオソ ームを形成しやすくするものもあれば. {

質とタンパク質の l l Jへ移動させるものもある。そこで.DNA鎖｜二に生じるヌクレオソー ムの位世は．他の DNA結合タンパクの存在とその特性によ って決まる。ATP依存クロマ チン 1rrn~成複合体があるおかげで.

DNA上のヌクレオソー ムの r v : ! i ' 1 ＇ . は き わめて動的であ

り．細胞の必~に応じですばやく変化する 。

ヌクレオソームがまとまって凝縮しク ロマチン繊維ができる 染色体 DNAはヌクレオソームの i 1 fなった ビーズ桃造をと るのだが.， ， ＿細胞内でクロマチ ， ンがのびた状態になることはめ った にない。 ヌクレオソームは次々に i f （なって規則的な配 列を作り．その小で DNAはさらに凝縮した構造をとる。 i 伝子以微鏡のグリッド上で核を

t i すと”ひもに通したビーズ”状のクロマチンよりかなり太い 1 1 ' 1 :径約 3 0nm おだやかに J のクロマチン繊維が観察できる（Fi g. 4-22参

m o。

染色 体 DNAとそのクロマチン繊 維へ の詰め込み

217

( B )

F i g .4-31 30nmクロマチン繊維のジグザグモデル。（ A)X線結晶解析で決定された. 4つのヌクレオソームのうちの 2 ( A )

つのヌクレオソームの構造。（ B ) 4つのヌクレオソーム全梢造の様式図。H 番目のヌクレオソームはいちばん下のヌクレオ ソームのうしろに平行に並んでいるので盤怠って見え忽い。 （ζ） 30nmクロマチン繊維の精道モデル． ジグザグモデルの 模式図。（C . L .Woodcock,N o r .S t r u c t .M o / .B i o l12：・639-640,2005より改作。Macmi l l anPubl i s h e r sL t d .より許お）

30n mのクロマチン繊維にヌ ク レオソ ー ムは ど う詰め込ま れているのだろう 。 この

I l ] lいに対する明快な答 えはまだないが． 精製したヒス トンと DNA分子か ら 調 製 した均一 で短いひも状のヌクレオソームを高解像度で解析した結＊・重要なれ？報が科られた。X線 結品解 析 で 4例のヌク レオソ ームの構造を解析する と. 30nm 繊 維 の t j 1で 平たい川柱状 の

F i g .4-31）に 合 う 像 が科 られる。 一 ヌ ク レオ ソー ム がジグザグ状に積 み重なっ たモ デ ル （ 方 ． 低ifi!L~立子政l微鏡でより長 い ヌ クレオソームを 調べると ．

ヌク レ オ ソ ー ム どうし がから

み合 った ソレノイドモデルを支持する像 が観察さ れ る （ F i g .4-32）。

m

30n mの繊維の q 1で ヌクレオソーム が しっか り積 み： なるのにはどの よ うなし くみ 1 5( F i g .4-33）が 作 るヌク レオ ソーム H I ！ の が 働 くのだろう 。 ヒス トンの応部．特に H4尾古

つなが り が重~である 。 も う l つ．

ヌ クレオソーム ・ コア と I : Iの； 1 1 1 合 で存 紅 してい る

22

s A

19

− ー ー＋

7-

険

~

22

1 4

三芳 一 8

17 1 1 6

5 4

3

ノ

ー

’ I I 司・圃ml ・1 1 J

司

.... 匝

2

( A )

( C )

1 0nm

（A）ひもに連なったヌクレオソームを色分げして．ソレノ F i g.4-32 30nmクロマチン緩維のたがいにかたみ合ったソレノイドモデル。 イドが作られる しくみを模式的に示す。 （B ）鼠終的芯構造の様式図。（仁）禍造モデル。精製したとストンと特定の長さと特定の塩基配列の DNA分子から湾総成したヌク レオソームの集合体の．高雪解像度低温電子顕微鏡写真を基に作られたモデル。ヌクレオソーム八貨体とリン

カー・ヒ ス トン （後述） を用いて 白 72個のヌ クレオソームから砿る規則的反復織造を作った。（ P .Robinson,L .F a i r a l l ,V .HuynhandD . Rhodes,P r o c .N a t lA c a d .S c i .U . S . A .103:6506-6511,2006より改作。 NationalAcademyofSciencesより許諾）

218

4

DNA. 染色体．ゲノム

H4尾 1 l l ! H2B尾濁 H2A局1 l l ! H2A. E i ! l l l ! H2B尾! i l l

H3尾窃

ι~

− r

H4尾鑓

馬這ー

H3尾郡 ( A)

( B )

F i g .4-33 30nm線総形成におけるヒストン

ことが多い別刷のヒス トン ． ヒス トン H1 ( h is t oneH L ）も屯裂である。 これはリンカー・ ヒストンであり. l 流出のコア ・ヒス トンより 大きく．進化上の保存度は比較的低い。 ヒス

尾部の役割の推測。 （A） 友l e ! :，ヌクレオソーム 本すつ外へのびている合計 の各ヒストンから 1；

トン Hl分 子が名 ヌクレオソームに l個結合して DNAとタンパク質とに接触しヌクレ

8本のヒストン尾部のおよその位置．右は目実

オソームから I l lていく DNAの経路を変える。Hlがヌクレオソームを引きつけて 30nm

際の偽造。高分解能でヌクレオソームの禍造を s はほとんど明l i f f 1 ( j : 偽造をもたす． 調べると．尾g

繊維を形成するしくみはよくわかっていないが．ヌクレオソーム DNAを凝翁i r させ桜み. m : ねて 30n m繊維を形成するには， DNAの ／ I l ll の部分の変化がきわめて ill~ らしい（Fig . 4-34 ） 。ほとんどの兵核生物には ． 想1 縁だがかなり ｝ ＇（なるアミノ隊配列をも

っ数純のヒス

トン HIカfある。 訴さ色体の 30nm構造体は．異なる線式のものの混じりなのかもしれない。 たとえば．

非常に柔軟だと j佳測される• (B）ヌクレオソー

ムを 30nm総維に笛め込むためにヒストン尾 住測図。このモデルl ． ま 邸が果たす役割を示すj (1 ）ヒストン尾部は 30nm線維形成に役立つと いう実験的~!!I\と. ( 2)1つのヌクレオソーム

H lファミリーのリンカー ・ヒストンは Fi g .4-32のヌクレオソームには存イ1 ：する が. Fi g.

の復数の尾部が結晶裕子上で隣｝葺するヌクレオ

1 l i述のとおり隣どうしのヌクレオソー 4-31の 4 ヌクレオソームには存在しない。 また. i

ソームのヒストン・コアと｝呈していることを示 すヌクレオソームの X線結局解析かう得られた

ムを結びつけるリンカ− DNAの長さはさまざまでなので．その長さの. i i !いがJ.j f i 庁的な椛

構造に基づいている。

造のゆらぎをもたらす可能性があ る。 さらに． ヒス トンに直接結合するタンパク質や多く の DN A結合タンパクがヌクレオソ ームの配列構造に大きな先I J W :をもたらすことも考えら れる。

まとめ 遺伝子は．タンパク質．稿造 R NA. 触媒または調節 RNA分子の合成における機能単位と なる DNAの盗塁配列である。真核生物のタンパク質指令遺伝子には．イントロンと工 キ ソンが交互に並び．その並びの延長上に調節領域が存在する。染色体は．たくさんの遺伝 子 が一列に並んだ 1：本のとてつもなく長い DNAからなる。ヒトゲノムは 3.2× 1 0 9境 基 対からな I ' . )，これが 22種類の常染色体と 2つの性染色体に分納される。全 DNAのうち タンパク質や機能をもっ RNAを指令している領域はわすかである。染色体 DNAには，遺 伝子のほかに盟要な織能をもっ 3種類の塩基配列がある。複製起点とテロメアは DNAの 効率よい複製を助け．もう 1つのセントロメアは複製した DNAを紡錘体に結合させ．細 胞周期の M 期に 2つの娘細胞に正確に分配させる。 F i g. 4-34 リンカー ・ヒストンがヌクレオソー ムに結合する しくみ。ヒストン Hlの球状領域

の位置と拙造を示す．この領緩l e ! :ヌクレオソー 主 主 ム−コアからはみ出た 20Jg基対の DNA領 と相互作用する．この極の Hlによる結合I < ! : : . 30nmクロマチン総総を作るのに盟主E だと考え

c

られる。ヒストン Hlの良い C来縦尾部は. Hl がクロマチンに強く結合するためにも必要だが． 6 部の位凶もまだ明らかにな その位置も N末 端i

ア

っていない。（A）紋式図， ( B ） 桃造図。（ B ; D . Brown,T .I z a r dandT .M i s t e l i ,N o t .S r r u c l .M o / .

B i o l .1 3 : 2 5 0 2 5 5 ,2006より。 Mac m i l l a n ( A )

( B )

より許路） P u b l i s h e r sL t d.

クロマチン構造の調節

219

真核生物の DNAは同じ呈存在するヒストンと強く結合しており．ヌクレオソーム とよばれる DNA −タンパク粒子の繰り返し構造を作る。ヌクレオソームはヒストンタンパ ク八塁体のコアの周りに DNA二重うせんが巻きついてできている。200場基対ごとに 1 つのヌクレオソームが配置され，（ヒストン H l分子の助けで）各ヌク レオソームが半ば規 則的に詰め込まれて 30nm繊維を形成する。クロマチンは密に凝縮しているが．その構 造はきわめて動的であ り，その DNAに容易に近づける。ヌクレオソームで DNAはひと りでにほどけ．また巻きなおすのだが．一般的にはクロマチンの特定部分を可逆的に変化 させるには ATP依存クロマチン再構成複合体が必要である。細胞にはそのよう芯複合体 が多種類あり，適切な時期にクロマチンの特異的は領域に結合する。再構成複合体はヒス トン・シャペロンと協同して．ヌクレオソーム ストンとの再構成．ヌクレオソーム

コアに影響を与え．その配置．異芯るヒ

コアを全部取り除いて内部にあった DNAの露出を

助ける。

クロマチン構造の調節 DNAがヌクレオソームに詰め込まれ． さらにクロマチン繊維を作 るしくみについて述べ た。次 に 細胞ゲノムがさまざまな鎖域で災なるクロマチン構造を作り出す機構に話を移 そう 。点級生物の多くの遺伝子の調節はこのしくみで行われていることが今卜l わかりつつ ある。紋も重要なのは．クロマチンのある柿の構造が子孫細胞へと直接受け継がれること である 。 この細胞の記憶ともいうべ きものは.DNA；出基配列の変化ではなく 受け継いだ タンパク椛逃が基になるので．工ピジェネティ ック継承 （ e p i g e ne t i ci n he r i ta nc e）のー形で ある 。必J 訴の“e p i g en e t i c . .の接頭語、p i ”はギリシャ諦で“接して”を意味する。DNAを基礎 とした巡伝子” g e ne ..による継承に i l l :ね合わされたかたちで起こるここでの継承に .・ ・ e pi g e -

n e t ic ”という形容詞は適切である （ F i g. 4-35） 。

約7 1 ' ; tで．地伝子の発現を訓節する いろいろな方法を紹介する。そこでエピジェネ ティック継承を詳しく支i t べ．そのいくつかの機構を紹介するので．ここではクロマチン構 造を基礎とするもののみを扱う 。この節ではまず．受け継がれるクロマチンの榊. i dについ て述べ．次にその基盤となっているヌクレオソームのヒストンの共有結合修飾について述 べる。 こうした修飾部位がタンパクモジュールの識別部位となり．特定のタンパク複合体 をクロマチンの趨切な領域と相互作J I Jさせて泣伝子発現に影響を与えたり．他の＇ t物機能 を滋いたりする。そのような機構を通して． クロマチン構造は． ヒトを合めた J l 核生物の 発生．成長．維持に中心的な役割を栄たすのである。

F i g . 4-35 遺伝子による継承と．クロマチン精

道を墓に したエピジヱネティ ック継承の比較 。

d : .DNA復製による塩基配列 遺伝子による継承I 遺伝子による縫示 遺伝子 Xオン ． ． ． ． ． ．− ． ． ． ． ．． ． ．

エピジエネティ ック継承 ン 遺伝子 Yオ ．．．．、 ． ． ． ． ． ． ． ．

↓ 問題 酬 の変化

園 田且．ー

園 田ー園

伝子の変化のこのような也代間継承である。図 に示した工ピジエネティック継承l ま .DNAに結 合する｛也の分子が基になるので.DNA信基配列 の変化より永続性が低い。特に卵と籾子の形成

．．．

田園

遺伝子 X オフ

人

体細胞のl f l l i l i

時には．エピジエネティックな情報は通常（必 すではないが）消去される。 ζのe では目エピジエネティック機櫛のうち クロマチン摘造の継承を基にした 1つのみを扱

・ ・ ・「・一一一． ． ． －－－ － ・ ・ ・− ・ ・ ・ ・ 圃 ・・・ ・~ ・ ・ 圃 ・ 遺伝子 Xオフ ， 遺伝子Xオフ ＋

L一一一一

． ． ． ． ． ． ． ． 遺伝子 Xオ フ

の直媛的継承が基礎となる。 DNA糧基配列の変 化は体細胞によって細胞の子孫に忠実に伝え られるとともに．生殖細胞を過して次世代の生 物体にも伝えられる。遺伝学については第 8章 に概説するが．この分野の根底を忽すのは．遺

生殖細胞の生産 ・・圃·~ ~一一一 ． ． ． ．

・ ・ ・. − ・ ・ 園 田 フ 遺伝子Yオ

う。ほかの工ピジエネティック機織については． 遺伝子発現の調節を中心テーマとする第？？置で 論じる（ F i g .7-86参R 買 ） 。

220

4

・

DNA.染色体，ゲノム

初期におけるクロマチン構造の謎 30{ f -) ! i f . ヒス トン はあまり而 l 斗みのないタンパク質だとされていた。 ヌクレオソームは

安 調 ！｜ 胞にある美大量の DNA を訪め込んでコンパク 卜な染 染色体 DNAすべてを緩い. JH 色体を作るために存在すると考えられた 。 細菌 で符られた知疎からの~UIJ で. J ' l ; 核剥I I 胞の

i l l 伝子湖節にはヌクレオソームは｜ 則与せず．第三者的立場にあるとされていたのである。 しかしこの見方を疑 lflJ貌させる・r~柄があった。 生化学的に

l l f l j 乳類の染色体には

ヒス トンタンパクと非ヒストンタンパクがほぼ等量ずつ含まれることが示されていた。す なわち、F 均で． ヒト細胞の D NA200: ! ' w t 基対ごとに. 1 0 00例以上のアミノ酸からなる非ヒ ストンタンパク （ヒス トン八此体とヒストン Hlを足した以に相当）が結合 している。現イc こうしたタンパク 質の多くがヌクレオソー ムに結合 している ことが知られている。 ヒス ト ンはその多さから．詰め込み以上の働きをもつのではな いかと思われるようにな った。 ヒストンが遺伝子の調節に ·if~裂でないという見方は. 4つのコア ・ヒストンのアミ

ノ際 n c § 1 Jが．進化における保存度が篤くほど高いという官F：だからも疑問視される 。先述し たように. I i 日乳類とマメのヒストン H4の 102個のアミノ隊配列のうち 2か所しかi l lわな いという＇l~実は. H4のほとんどのアミノ般の変化 は lつだけでも有害になるということ

然選択で． たった 2つの を示唆している 。5億年以上ものランダムな変化 とそれに続く「｜ アミノ酸しか変化 していない というよう に． ヌクレオソーム ・コアの正確な構造をほとん ど変えられないのは， どうしてなのだろう 。 故後にやはり重要なこととして目ある特定の形状のクロマチンでは詰め込んだ巡伝 子が温法配ヂ1 ］のいかんによらず不活性となっており ． この状態が細胞分裂後の 2つの娘細 胞にも受け継がれているということが．遺伝学と細胞学の研究から明らかにな っている 。 次節で． これを扱う 。

ヘテロク口マチンは高次構造をとっており，遺伝子発現を異常に抑えている 1 930年代. i ・ : j等真核誕I l 抱での l l l J J Y Jの伎の光学顕微鏡飢祭により. 2経類のクロマチンの形

he t e r o chroma t i n.災 1 1染色質）と よばれるお！立に凝 態が認められた。ヘテロクロ マチン （ 紛したものと．凝縮皮の低いユ ークロマチン （ e uc hr oma t i n.l ' l ;1 E染色質）である 。ヘテロ クロマチンは4 守に凝縮！交が向く（ F ig. 4 -9参 ！！ ） 日 ． ょうやく その主要な分子特性がI Y Jらかに なり始めたところである。 ヘテ ロクロマチンは染色体上の多くの場所に存在するが．特に

i g .4-2 1 参！慣）特定の領域に＇＊ rl• している 。 llfll乳類細胞で セン トロメアやテロメアなど（ F は通常．ゲノムの 1 0 % 以上がこ のよう に凝縮している。

l l伝子も この構造に詰め込 ヘテロクロマチンの DNAにはほとんど遺伝子がなく .i まれると休止状態になる。 ”ヘテロクロマチンには特に i 疑紛！立が日いという共通の特色は あるものの．クロマチン構造としてはいくつかある ことがわかっている。ヘテロクロマチ j J :伝子がほとんど発現できな ンは 凶 死んだ” DNAを詰め込んでいるのではなく．大多数の j

L ¥しているのであ る。 い状態になるさまざまな凝粉状態を作り I ユークロマチンで正’i i ＼＇に発現している逃伝子をヘテロクロマチン領域に移す尖！殺を

i l e nc i ng ）状態にな る。 このような遺伝子発現の変 すると発現が停止しサイレンシング（ s 化を位置効果 （ p o si t i one 佐c t ）とよぴ.f i l ・ 伝子が染色体のヘテロクロマチンの近くにあると 丘効果はショウジヨウパエで最初に認められた現象だが．今では形l 主 他物． き起きる。位i ヒトなど多くの~核生物で制策されている 。

ヘテロクロマチンと｜刻係している位世効果には.. .まだら鋭機の位置効果”（ p o s i t ion

e 仇c tv a r ie g a t ion）と よばれる現象があり ． これがクロマチンの機能f l f .l ! F Jの大きな手がかり となった。 ショウジョウパエでは．染色体が切れてヘテロクロマチンの領域にユークロマ

f i J 袋がつながり チンの 1

近くのユークロマチンの泣｛玉子を不活性化する傾向がある。阪の

221

クロマチン構造の調節

I I L I

I

123 4 5

12 34 5

12 3 4 5 I

」ー

I I

I I

I

I

I

I I

I

I J

f l t 発生初期にヘテロクロマチンが作られ附録したユークロマチンに

広がっていくが伝婦の程度も範囲も細胞によって民芯る

r

｜

島田

，

m

胞 細

l vの l

ー ‘ ﹃・ L‘ f 円 ・

チ

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ロ

一 ア

ロ

7Jク

へ

遺伝子 1が 不活性に怠った 細胞クローン ( A )

｜

12 34 5

12 34 5

i l ' 1 伝子 1 .2 .3が 不活性になった 細胞クローン

123 4 5

~

↓

どの遺伝子も 不活性になっていない 細胞クローン

( B )

Fi g. 436 ショウジョウパエにまだら綴織位置効果が現れる原因。 （A）ヘテロクロマチン（緑色） は．特定の防壁（ b a r r i e r ）配列に妨げられて．

通常は隣銭したユークロマチン（赤色）領主主に広がら広い．これについてはこの後すぐ級う．ところが．特定の染色体荷量3 成を受l 才継いだハ エには． この際壁配列l まもはや存在しない. ( B ）そのようはハエの発生初期には．ヘテロクロマチンが隣媛する染色体 DNAに広がるが． 進む距鐙I d : 細抱によって異なる．この広がりはまも砿く止まるが．形成されたヘテロクロマチンのパターンl c l : 受け総がれていく．その結果． 同じ隣鍍遺伝子がヘテロクロマチンへと凝紹Z されて不活性化した子孫細胞の大きなクローンができあがる（それで. － ~まだう ＂ l交織が現れる ハエが出現する.F i g .4-37参照）．既存のヘテロクロマチンの隣に新たにヘテロクロマチンが形成されることを・広がる・ ( s p r e a d i n g ）と表

d :クロマチンのある領綬を． とばす． しているが．この表現は必すしも正憶では広い．ヘテロクロマチンが展開する遅濯で．ヘテロクロマチンI

n 伝子は抑制を受けすにすむことが示されている． 窃合があり．その領主主内のi

初 期 細 胞 の 磁 類 に よ っ て不 活 性 化 す る 領 域 の 広 が り がi もなるが．い った ん 巡 伝 チ が ヘ テ ロ

kされる（ Fig.4-36） 。 ク ロマ チ ン状 態になると ． そ の細 胞の子孫すべてにこれが安定に縦；J この注 l = Iすべき現象は．ハエの｜浪の赤い色素がまだらに政けるという現象の i l l伝 的 解 析 を

Fi g.4-37）.捕手L頬 雌の X染 色 体の 一 方 を 不 活 性 化 す る ヘ テ 通して初めて認められたが （ よがりも同じ特色をも っ て いる （ p . 473参！問。 ロ ク ロ マ チ ン のJ よ が り と そ の1 i : 定した継承を活性化．または抑制する遺伝子産 ヘ テ ロ ク ロ マ チ ン のl

F i g .4-37 遺伝子発現におよ l ます位也効果の

w郊 で 試 み ら れ た。 変 処 し た と き に

発見。ショウジョウパエの Whitei R伝子は眼色

的利で.. m：~な ま だ ら 脱 線 の 位 低 効 栄 を 活 性化 あ る い は 抑 制 す る 遺 伝 子 探 し で あ る。 このi

紫の生[tを調節する遺伝子であり．初めに同定

物 を 見 つ け る た め の 遺 伝子 ス ク リ ー ニ ン グ が ． ハ エ と

役 割 を も っ 巡 伝子 が 5 0 1 1 1 > 1以上 I t . I定 さ れ た。 近 年 ． こ れ ら の遺伝子沌物の訂・網｜！な研究か ら ． 多くは染色体の ~I； ヒストンタンパクで．ょ1核細胞の ill （.去 了・訓節に ifI~：な役目をしており．

された変異体の眼色にちなんで名づけられた。 正 常 砿 White逓 伝 子 を も っ 野 生 型 の ハ エ ( Wh i c e ' )l d : 正常に色紫を生産するので，眼は赤

そ れ に は コ ア ・ヒ ス ト ン の 正 雌 な ア ミ ノ 限 配: y 1 1 が 必 裂 で あ る こ と が わ かった。 ヒストンの

色である。ところが White遺伝子が変異して不

ア ミ ノ 隊 配 列 が 生 命 の 廃 ＊ を 通 じ て ほ と ん ど 変 化 し な かった こ と の 説 明 に な る。

活性に怒ると．変異したハエ （ W h i r e ・ ）｜草色素が 生産でき広いので眼 I d :臼く怒る。正 常 な W h i r e・遺伝子をヘテロクロマチン領域の近く

＼一 ／＼ 問

沼 lf ＼／

j 参

に移すと．眼は赤と自のまだうになる。白いと ころはヘテロクロマチンの影留で Whire＇ 遺伝 子が休止している部分の細胞に由来し．赤いと l ei l l 伝子を発現する細胞に由来する． ころは Whi

発生初期にヘテロクロマチン例造がます形成さ れるとき．隣i 呈するユークロマチンにまで広が

f f 細胞の磁類によってその広 ることがあるが. l がる程度が異なる（F i g .4-36参照）。赤いとこ ろと臼いところが大きなまだらで存在すること 1 1 1

治

障壁配列

ヘテロクロマチンの近くの Whi t e遺伝子

から．初期目玉でクロマチンの凝縮により一度決 定 した巡伝子の転写活性I d :.すべての奴細胞に 受け継がれることを示唆している。

・

222

4 DNA，染色体．ゲノム

−−

CH2

，・

ー ー ー ー ー ー ー. . . . .

‘~

−−

rH2

H

- N - C - Cー

｜｜ H ~Hi

rH2 CH,

一 ー 一 ＿ . .

0

｜｜｜

- N - C - Cー H

rH2

ーーーーーー一ー

rH2

rH2

CH 、 + -

~H2

N

N

I

J

モノメチルリシン

アセチルリシン

0

｜｜｜

｜｜

H

C

， 、 、 ， ．

−

＝ h

e o

H

リシン

H

＋＼

−−

rH2ム NH 3

−

CH2

一同町同同

H

﹄ UY1

H

OIC

0

II I - N - C- C一 一 I I

Hlief CEle CIle NllH

H

一／

−−

一同町内町＼

HIlelic elic CllN

一／

N11H

olc

(A ）リシンのアセチル化とメチル化は餓合反応である

’＋

/I" H3 C ~ 0・ 1 3

HミC/ I I"C卜l l

ジメチルリシン

トリメチルリシン

(B ）セリンのりン酸化

｜｜｜

rH2

OH

−

O ＝− P｜ 。

セリン

一 一 回 ・ ー

−

かある。

I I

H

O

タミン酸への ADP −リポースの付加．リシンのユピキチン化. SUMO化．ピオチン化

- N - C - Cー

−

してい忽いが．ほかにアルギニンのモノ．ジメチル化． トレオニンのリン酸化．グル

NlH

ことはm 要である。（B ）セリンのリン酸化はヒストンに A f i l 荷を与える．ここには示

0

OHC

H

ンパクに段別されるので．細胞にとって違う慧殺をもっ．アセチル化はリシンの正電

.

一ち

衷例。 （A）度合いの異なるリシンのメチル｛じを 3通り示す．それぞれが異なる結合タ 荷をなくすことに注意。アセチル化したリシンはメチル化を受けす その逆もいえる

C ll j

HIc olo

F i g .4-38 ヌク レオソーム ・ ヒストンのアミノ酸側鎖を共有結合により修飾する代

’

リン酸化セリン

コア・ヒス トンはいろいろな場所で共有結合修飾を受ける ヌクレオソームの 4fl[（~［のヒストンのアミノ酸側鎖は． 尖にさまざまな ~H1ふ’， 1t修飾を受 ける。たとえば． リシンのアセチル化とモノ ． ジ ．

トリメ チル化．セリンのリン般化であ

る（ F i g. 4-38 ） 。 側鎖の修飾は．ヌクレオソームから突き I l lたあまり明確な構造をもたな

F i g .4-39）.ヌクレオソームの い 8本の N 求総の・ヒストン尾部”で起こることが多いが （ 球状のコアでも特典的な側鎖修飾が行われることがある （ F i g .4-40） 。 上記の修飾はすべて可逆的であり．ヌクレオソームの特定のアミノ般側鎖の修飾は． 特定の商事ぷが行う 。ほとんどの際業は lっか．限られた部位にしか作 I l lせず．修飾j左を除 くのは別の両手ぷ・である。 たとえば．特定のリシンにアセチル ），~ を付加するのは．数値のヒ

ストンアセチルトランスフ エラー ゼ（ HAT ）であり ．除くのは数やR のヒストンデアセチラ

HDA C）である。 J o i ］ 織に． リシン側鎖をメチル化するのは数純のヒストンメチルトラ ーゼ （ ンスフエラーゼ（ヒストンメチラーゼ）で．除くのは数般のヒストンデメチラーゼである 。 各両手議はそれぞれの細胞の一生のある決まった l 時期に．クロマチ ンの特定の部位に集まっ てくる。 これらの両手ぷを集合させるのはほとんどの場合．染色体 l ι の特i 略的な DNA温法 配~lj に結合する泣伝子；品：]llj1 タンパク（gene

r e gu l a t o r ypro te in ）である 。

~~

7, ・ ; 1で述べるが．

時期に生産される。 し か し ヌ ク レ オ ソ ー ム の このタンパク伎は生物の一生のいろいろな i 共有結合修飾は．それを始めさせた遺伝子調節タンパクが消失してからも似たれ続ける場 合が匁l られている。 こうして成長の歴史が細胞に記録されることになる

このため．染色

H T t 1 i 1 t修飾が．さまざまなヌク 体上の位位．細胞の状況などによ って．きわめて多微な J レオソーム・ ' mに比つかる。 ヒストンの修飾はきちんと調節されており．それはきわめて低公ーなことである。 た とえば.

N！ミ ，2 街地古I J のリシンのアセチル化はクロマチンの十； 1； 立をゆるめる働きをする。 こ

れは． リシンへのアセチル法の付加l で正屯荷がなくなるために． 隣接するヌクレオソ ーム

223

ク口マチン構造の調節

？ 千 吟貯

一 一 一 ー−

一ゐ ¥u

一一 一 一 一

、司 1 6 :

S GRG K QGG K ARA ) ；タンパクも I I立つ。第 7￥） 。 多糸染色体の研究で仰 られた紡来の解釈に は＇ l l l J J V Jの染色体の概念が助けになる。 つことになり.

m

チンに富む染色中心付近には れ忽い．他の多 くの修飾ヒス トンや非ヒストンタンパクでも岡 織広実験ができる（たとえば.P o l y c o m bの染色 体上の位霞を検出する染色実験については.F i g . 主 主R f f ) . (A.E b e r t .S .L e i n ,G .S c h o c t a 2 2 4 5を a n dG .R e u t e r ,ChromosomeR e s .1 4 : 3 7 7 3 9 2 ,

p r i n g e 『より E 午 路 ） 2 0 0 6から改作。 S

特典性の向い抗体で染めると ，｜川平Iの ~I＇ ヒスト ンタンパク 併とともに与もな る修飾を 受けた

ヒストンが．多糸染色体バンドのいろいろな位世に i f iなるのが確認できる （Fig.4-60。 ） のきく研究下段が生まれる。 ヒストンコ ー ド（ F i g .4-39参 ！！ の を作 る ここから強力で応汀l さまざまなヒストンの修飾必それぞれに ~.9l く結合する抗体を組み合わせることにより．特

定のク ロマチン領j 或の桁僚となる修飾の組み合わせを決定できる。 クロマチンの数百極 の 非ヒストンタンパクのそれぞれを験別する抗体でl•i）被な尖験を行えば．ヒストン修飾のも

っさまざまな ; C T :I 床の解読に挑戦できる 。

．附 … の み - P c Gタンパクのみ

いろいろな形態のヘテロクロマチンがある 分 子的な研究か ら．ヘテロクロマチンの概念が再検討されること になった。何十年もの W I .

圃圃 附 と PcG

ヘテロクロマチンは．日 J 立に凝紛した構造と遺伝−子の氷続的休止状態とで定義されてきた。 しかしヘテ ロクロ マチンを. i 疑紛したクロマチンで＇

c Gもない H P 1もP

i 1 ' . t伝子を休止させ．エピジェネティ

二 をJ よが りま だら悦織の｛ 立・ i n効果を起こすものと定義すると ック継承が行われ．染色体J

( Fi g .4-3 6参 m o .1 明らかにヘテロクロマチン にはさまざまな種類がある ことになる 。実際． ヒト のセント ロメアの J l ' i で 3つの射があることをすでに述べた （ Fi g .4-50参 ！ ！ 百 ）。 ヘテロクロマチンの名制城は． 一述の非ヒストンタンパク が協同 して椴築 している と考えられる。たとえば. i l J i常のセン トロ メア ｝，＇i i 辺ヘテロクロマチンは．ヘテロクロマチ ンタンパク l( HPL ）など 6.fir（~｛以 lょ のタン パ ク質を合むのに対しヘテロクロマチンのい わゆる Po l ycom b型は．これとは） ｝l j C I )PcGタンパクをおよそ阿数含 んでいる。 ショウジョ 随には数行のヘテロクロマチ ンの小泌が分散しており．このためにそ ウパエの多糸染色体l れ らの場所の彼製は巡れて起きる（第 5j ' , 1） 。 このヘテロ クロ マチ ン領域を抗体染色してみ のヘテロクロマチンに対応するのは多糸バンドのヘテロク ロマチンの半数にも ると ．既知l およばない（ F i g .461） 。 したがって． 組 成 がわかって いないヘテロクロマチンが存在し ているに逃いなし、。 こうした災なる形態のヘテロク ロマチン はそれぞれ．細胞の巾で異な

1 P lを米たしているようである 。 る捌節を受け．災なる役 i

0

2 5

5 0

7 5

1 0 0

ヘテロクロマチン部位の比~（%）

F i g . 46 1 いろいろなヘテロク ロマチンがあ る恒拠。この研究では．ショウジョウパエの多 4 0の都位について． 糸染色体腕で複製の遅い 2 2f 重刻の非ヒストンタンパクが存在するか否か d :.2つの製の を調べた。これらのタンパク質 I ヘテロクロマチン形成にかかわっている（本文 参照）．抗体染色によると．およそ半分の部位は． これら 2つのどちらとも遭う型のヘテロクロマ チンであることが示唆された．このよう広実験 から．民級生物の DNA箔め込みの解明はまだ これから芯ことがわかる。 （l . F .Z himul e va n d

E . S .B e l y a e v a .B i o E s s o y s2 5 ・ ：1 0 4 0 1 0 5 1 ,2 0 0 3の データより。 J o h nW i l e y&S o n sより併路）

239

染色体の全体構造 各領域のクロマチンの緋造は．ヰキ Y U 内DNAj 猛J 主配列に結合す るタンパク 併に依存

RN A合成

しており． しかもこうしたタンパク群は．多細胞生物の細胞の純知や先生段 l 併によって変

・ ， ： J ： ふ ＇~~・− ・ ・

わることが知l られている。 こうして．クロマチンの領域ごとのパターンとそれをも育成する 成分 （修飾ヌクレオソームと非ヒス ト ンタン パク）は組織 ごとにi.it う 。 この~いからおのお ののill伝子を読み出すしくみの反応性に~いが生まれ. J 五発生における細胞分化もこうし

て とEじるのであろう（第 22章） 。1匹のハエから仰られる 2狐類の組織の多糸染色体を比較

J •

：.~ふ：：~. 日．

：~~： む代． ，a ~~二・ 守 、， . ・

・ ・∼・ ’m

~－

すると ． バンドとインターバンドのパターンはだいたい l••I じでも ． そこには JI』JJL1’l f i Eな泣

いがあ り． この考・え方が支持 される 。

• . •

・ ．

:.,,

. . ._ ,.

• I' ・ ~. ・

）， ・ ．・ミ ． ・ , ' . ' l r

L一 一一 一」 10μm

クロマチンループは中の遺伝子が発現するとき凝縮度が低くなる

I 止! i tでの発生段階の進展に伴って．新しい泣伝子が発現して古いものが発現しなくなり ． chr omoso mepuf f )が現れ．内いパフが それにつれて．多糸染色体に特徴的な染色体パフ （

加えていく （ F i g. 4-62 ）。パ フが比較的小 さくて染色体のバンドがまだ比分けられるとき に ~J,\f べると．ほとんどのパフは染色体の i つのバンドがほどけてできたものであることが

わカ、 る。 パフ を形成する個々のクロマチン繊維が~II

r 顕微鏡で観察できる。 うまくいくと．

F i g .4 6 2 多糸染色体パフでの RNA合成。ユ

スリカ C .cemansの睡目良から得た多糸染色体の 1つのパフのオートラジオグラフ。第 1l 事で叙 説し－~たmH~で鉾しく鋭明するように．遺

伝子発現のm i段階lcl:DNAを鈎型とした RNA の合成である．染色体の脱凝縮した部分l e i :RNA 合成をしているため．伸長する RNA鎖に取り 込まれる RNA前駆体の l H−ウリジン（ p.603参

先述した l 山 1 } 1 ミJ r iのランプブラシ染色体によく似たループが比える。発現していないときは

照）で叙射性標駁されている．（写真提供 J o s e

DNAのループは密な俳造．おそらく 30nm繊維が折りたたまれた j 診になっており．泣伝

B o n n e r )

1 i中にはループがのびるのだろう 。Uチ顕微鏡で見ると．ゆるくな った ループの 子発現のl 山 ｜j 側に 1 1 ' ：位するクロマチンはかなり凝縮度が向 く. lつのループはクロマチン m . i i iの機能 %U&lつであるよう に見える。 i l ¥ 'に折りたたまれたクロマチンのループは．その r j i :の ヒト細胞の在日終によ って も.' i l if . 1 . ；チが転写される｜祭に．のびて谷f l ＇ （ をi 析すことが示されて いる。 たとえば. 40)j∼ 200 I j J 包2 t ; 対の . f ! f ；活動の染色体領域は. FI SH をJ J Iいた欲光顕微鏡なと’ の技術で ” r t J l 化すると ． l l l J J U J の核では小さな点のように見えるが. i l l伝子が転写されていると きは. ...·.~に代わって

DNAの内める書店｛ 立の容績が均し長くのびてくぼみがある椛: i iに変化する。

遺伝子発現を変えるために，クロマチンは核の中で特定の位置に移動することも

ある 側々の染色体を悦' . i : i : 化する新たな方法によ って. l l : JJ U J ヒ ト細胞の 46本の染色体は核内で それぞれ特定の位的を 占める傾向があることが不された （ F i g. 4-63） 。 しかしこのような

. J ' l i f 殺は．染色体 DNAの平均化 した姿しか去して いない。染色体のヘテ ロクロマチン飢域 の紋慣を特定してみると．どの染色体でもその制域は核ラ ミナに近畿していることが多い。

i l ] J g j の伎は非常に興味深い｛象 を示す。 これはおそらく．そのときの活性遺伝チと不治性遺伝子の平均的なイバ五位 V iが民 ヒト染色体でill伝子密度が~·：， い DNA ~fi成だけを染めると.

10μm

4

9

1 0

1 4

F i g .4 6 3 ヒト間期の綴における染色体の “縄~ り ” の同時視覚化。多樋の蛍光色棄

をいろいろ組み合わせて染色体ごとに DNAに印をつけ。 7色を! . 1 別するチャネルを もった蛍光顕微鏡で FISH解析をすると．各染色体の三次元の縄張り図ができる。写 呉の下にこの模式図を示し，各染色体の位置を記入しである。2つの相同染色体（た e i :普 通 同じ湯所にないことに注意。（MR とえば，第 9染色体の 2つのコピー）l a t .R e v .G e n e l .6 : 7 8 2 -7 9 2 ,2 0 0 5より。 Macmillan S p e i c h e randN . P .C a r t e r .N P u b l is he r sL t d .より野 路）

2 7 15 1 7 6 1 8 21 520 4 1 7

240

4

‘DNA，染色体．ゲノム F i g .4-64 間期の綴で観察される．遺伝子が密なヒトゲノムの領 主 主の分布。遺伝子

が密な領主主は， A l u配列とハイブリッドを形成する蛍光プローブで可視化した。この i g .5-75参照） 遺伝子が密な染 反復配列は，ヒトゲノムに 100万コピー以上あり（F l u配列に包む領主主は 色体の領主主に集まっているが．その理由はわからない。図で. A

緑色．この配列がない領i 或は赤色．そのどちうでも芯い平均的芯領i 或l e i :！草色に見える。 或はない。 （A B o l z e re ta l . ,P L o SB i o l .3:826-8 42 , 綴膜近くの DNAには遺伝子が密な領i 2 00 5より。Pub i l cL i b r a r yof Sc i e nceより許諾 ）

Fig. 4-64 ） 。 なることを示 しているのだろう （

l l ｛ 云チの発 I J . がさかんなときには．絞内の泣 （ J . ；子の さまざまな秘類の実験によ り. i ｛ 立f 丘が変化す る と い う結論にな った。 t ＇ ；発に転写されて いる領域 は 広 がって．染 色 体 の 通 F i g .4-65） 。 第 6' i : ; tで 述 べ る が ． 遺伝 子発現の 常 領 減 か らルー プ状にとび出して見える （

第一歩・である転写 1 m始 時 に 100個以上のタンパク質が集合する 必 姿 が あ る の で．こ の過私！ は 当 然．これ らのタ ンパク鮮が特に ~.~~l~＼な Ui成で紋も迅速に起こるだろう 。

一般的 に，核はきわめて不均一で機能的に民なる領域があるのは W I らかで．遺伝子 Fig. の発現が変化するなど．奥なる生化学反応が起 きる ときには染色体の領域が移動する （ 4-66 。 ） こう した絞の領域には異 な る イ ノ シ トールホスファ チ ド で 目 印 がつ いており．こ

S μm

れは細胞質のいろいろな股にもこの ！ I 行質で日印がつ いているのを思い出させる（ F i g .1 3-11 参 照）。 し か し 篠 内 で こ の 脂 質 が 結 合 し て い る 相 手 は ま だ わ か っ て い な い。絞 で 脂 質 に 日 む 場 所 は．依I 交の脂質二重 層 だ け し か 知 られていない。

一一ー一一＋

( A )

F i g . 4 6 5 さかんな遺伝子発現が．綴内でのク

ロマチンの位置に影醤を与える。 （A）さかんに 転写されている遺伝子の位鐙の変化を示すヒト の核の蛍光顕微鏡写真。泡伝子（赤色）に隣接し

e i : . 活発に活動しているとき ている染色体領主主l には染色体の縄蛮り（緑色）から綴れているのが 観察される。（ B）遺伝子スイッチの ．オン．状態 で広がり， ” オフ．状態で縮小するクロマチンの 大き芯ループの模式図。発現がそれほど活発で 芯い遺伝子では．転写中も染色体の純張り内に ある ことが同じ方法で確認されている。（J . R ζhubbandW . A .B i c k m o r e ,C e l l112:403-406, ( B )

遺伝子・オフ”

遺伝子”オン．

l s e v i e rより許お） 2003より。 E

染色体の全体構造

241

F i g . 4 6 6 遺伝子は発現の変化に伴い．桜内で

遺伝子サイレンシング l ! 位 に適した I

遺伝子発現に適したB i l 位

異なる領岐に移動する。~~内部はきわめて不均

ーであり．それぞれの都位の環演が遺伝子発現 に固有の効果をおよl ますことが知られている。 図で示したよう芯動きは，~~内の156位によっ て．

遺伝子を取り巷くクロマチンと RNA分子の親 和性が変化する窃突を反映するのだろう。生細 胞の内部で位置を追跡できる印を利用すると．

ー 一 一 一 一 ー シグナルに

染色体のそれぞれの領戚がつねにランダム恕動

応答して

きをしているのが観察される。この動をは鉱貫主

細胞が変化

によるもので．特定の場所をめざした動きは必 要では忽いと考えられる。

4 芸膜

m内の異なる邸位へ移動： 遺伝子 AとCl 主活性化し． 遺伝子 Bはヘテロクロマチン として休止する

大型分子の網目構造が核内を生化学的に特徴のある領域群に分けている ~6 ; o 1で．核内にあるさ まざまな小灰阿の機能について述べる。小 ｜豆j i h jと しては l t i l ： 大でく

9世紀に顕微鏡制妓によってすでに知られ っき り比えるのが絞小 体 であり．その存在は 1 て いた （ F i g .4 -9 参！！日） 。 核小体のむiJ或は．。！玩'.Lj'. lj• の リポソーム RNA i l l伝チを取りどきくタ ： することが多い。細胞内 ンパク質と RNAの網目構造にな ってお り．複 数の 微小体が存証1 で リボソームの集イ？と成熟が起こる場であるとともに．特典的反応が多数起こる。 伎 の小には．これより目立たない小部行もいろいろ存在する。 たとえば．ほとんど

C a j albody） とよばれる球状十l~iliや．クロマチン IUJ の刷物や動物の細胞 には．カ ハル小 体 （

f J i 粒併が存在する（ F i g. 4-6 7。 ） 核小体と同級に．こ うした小 持1 ミは巡ばれた タンパク質 と RNA分 子を結合した網目構造を作っており. J , ' ; iりの核質にあ る 1 也のタンパク質や RNA 分チは． この網目構造を容易に巡 り抜ける（ F i g. 4-68 ） 。 このような構造は．核朕孔や核政と中fl ，，~ 作m す るタンパク質や RNA 分子がそ こに l•'•I 定さ れ るように.

j i t fばれた巨大分子砕を l 制定し．特徴をも った生化学的環岐を作るのに

役。： つ 。 以則的に．このような笠 l l Jに入った分子は彼維な反応経路によ って きわめて効率

mできる。 このようにしてこの純 の透過性が非常に向い繊出(fjl(の制 tlh ' l t i l iは．区間

よく処

p. 18 6参！ ！ （ ｛）と同械に核内での反応も J包こりやす くしている （ F i g. 469A。 ） しかし細胞 化（ 質1 A JのI J 史でできた｜ 豆I J 可（ 第1 2！ ￡）と災な ＇ ； り．彼内のこうした補助区伊j lには脂質二重肝がな いので．特定の小分子を j 農縦したり排除したりすることはできない。

4 亥の内部に災 な る 生化 学 的環境を作り I l lす（F i g .6 49参 ！! ¥ Oという 細 胞の篤くべき 能力のおかげで．第 6f,1で述べるさま~まな ill f云チ発現が容易 に なっている。 篠小体と同 じく．こうした小区画は必要なときにだけ形成されるらしく．そこで反応に必要な酵素や

し一一一 」 1μm

RNA分子の波肢が局所的に高まる。DNAが 放射線で損傷を受けたときは.DNA修 復に必

F i g. 4 6 7 よくみられる繊総貨の綴内小区画 Z

じよ うに核内の特定のI 必所に集合 して“修復工 場開 （ Fi g .5 -6 0参！ ！引 を 裂な一巡の師事ぷが！日l

つを示す電子顕微鏡写民。大き 1 J . 球l e i : カハル小

作る。絞にはまた数百におよぶ DNAや RNAf ; J 戊の場所があちこちにある。

体．小さな色の濃い球｜まクロマチン問穎粒群

これらはすべて. F i g .4-69Bで示した“つなぎ制”を利用 しているようである。 これ は民い柔軟 なポ リペプチ ドj J i（または｝J I Jの車合体 ）であり．鎖上に結合t i l l f 立が倣在し．ある

-をそこに淡紛する。 鰐くことでは 反応の触媒に必裟．ないろいろのタンパク質や RNA分 7 ないが．“つなぎ網”は細胞質内の反応においても．特定の反応の : i i l i J 立ーを上げる役に立って

( i n t e r c h r o m a t i ng r a nu l ec l u s t e r ） でs p r e c k l eと もよばれる（F i g .6・49 も主主目的。この・~内小器 官 ・1 まアフリ力ツメガエルのものである。（ K . E

Handwerge randJ . G .G a l l ,TrendsC e l lB i o l . 1 6 : 1 9 2 6 ,2 0 0 6より。 E l s e v i e rより許箔）

242

4

DNA，染 色 体． ゲ ノム

綴内の蛍光デキス トランの分子量 3 , 0 0 0

1 0 , 0 0 0

4 0 , 0 0 0

F i g .4-68 絞内小器官は巨大分子の透過性が 7 0 , 0 0 0

5 00 , 0 00

高いことを示す実験。卵勾細胞の核の顕微鏡写 真。上段：いろいろ芯分子置の蛍光デキス トラ ンを核質に注入して 1 2時間後の．核小体．カ

p r e c k l e ）の内 ハル小体．クロマチン悶頼粒群（ s 部と周囲の綴質の蛍光を比べる。それぞれの小 銭官の明るさは透過性を反映し．透過性の大き いものほど明るい．下段：比較のため．上段と

E 量光顕微鏡写真

哀小体を予言 同じものの光学顕微鏡写真を示し.t 色に彩色したもの。カハル小体は. ＊芸小体より 透過性が高いのがわかる。しかし定畳分析によ ると．いちばん大きなデキストランでも小器官

. E . にたくさん入り込む ことが示される。（K Handwer g e r ,J . A .CorderoandJ . G .G a l l ,M o / . B i o l .C e l l1 6202 -21 1, 2005より.A m e r i c a n ・ ：

光学顕微鏡写只

クロマチン 問頼f ! l l l f の ついた カハル小体

綴小体

し一一一一」

1 0μm

。 いる （ Fi g.1 6-38参 照）

絞1 1 、 l に も 細 胞 什 絡 の よ う な 枠 組 み が あ って 染 色 体 や 他 の 核 内 成 分 を 組 織 化 し て い nu c l e a rmatr L x ）や 起 場 （ s c a f f ol d）は ． 一 述 の 生 化 学 的 抗1 1 / J J る の だ ろ う か。 核 マ トリ ックス （ の 後 に も 綴 内 に 残 る 不 浴 性 物 質 と 定 義 さ れ て い る。 こ の 不 能 性 物 質 を 形 成 す る た く さ ん の タンパ ク 質 や 町叫A分 子 は ． 今 述 べ た 繊 維 質 の 小区 間に i ll ＊ す る ら し い。 タ ン パ ク 質 の な か に は ． 染 色 体 ルー プ の 法 鍛 と な る も の や． 核 内 で 染 色 体 を 他 の 構 造 に 結 合 さ せ る も の も

i J 』I mと な る 長 い 繊 維 が 篠 内 に あ る か あ る。 細 胞 質 に み ら れ る よ う な ． 抜 成 分 移 動 の た め の .

政

綴

1 寸1 1111d

F i g .4-69 肢を利用しない区画化。 （A）球状の綴内小器官（左）と．核膜のすぐ内側に あると考えられている似た偶造の小区画（右）の偶造の模式図。どちうの湯合も， RNA やタンパク質（灰色）が集合して多孔貨のゲル状構造を形成し．他の特定のタンパク質

B ) (A ）でのように． や RNA分子 （色をつけて表した）の結合部位をその中にもつ. ( 長くて柔軟な飯合体鎖をつなぎ綱にして．選んだ一連のタンパク質や RNA分子をつ 芯ぎとめることで．反応速度が大きくはる－~台．ができるしくみ。つ忽ぎ綱で特定の

巨大分子そ固定して触娘反応速度を上昇させる。このしくみは．細胞内の他の湯所で

i g .3 8 0 ζ も主主照）。 も利用されていると考えられる（ F

S o c i e t yo fC e l lB i o l o g yよりお話）

染色体の全体構造

F i g .4 7 0 中期の典型的な有糸分裂染色体。台姉妹染色分体に l c l : . 細胞周期のこれ （F i g . より前の段階で複製してできた同ーの銀 ONA分子が lっすつ含まれている。 1 7 2 6も参照）

243

緑色体 「一一一一寸

どうかは．まだ淡論の￡ i l :r l : 1 である。

有糸分裂時の染色体は最も凝縮したクロマチンでできている l l l J J U J染色体の動的情逃について述べたので．次に分裂J U I染色体にi 七l = Iしよう 。真核細胞の ほとんどで．染色体が巻きついて高度に凝縮した構造をとるイ［糸分裂 H 与には．染色体が光 学顕微鏡で見えるようになる 。 凝織によって．標準的な !llJ JUJ!.f~ 色体の 10 分の l 程度の長

さになるだけで．染色体の外観は鰐くほど変化する。

Lー 」

漁色分体

F i g. 4-70は．有糸分裂中j 切の典型的な分裂期染色体 （ m i t ot icchromosome ）である 糸分裂の｜時期については. F i g .1 7-3参 ！ ！ の。細胞分裂周期の U U J U Jに DNA複製によって （ イI I f ; :の娘 DNA分子 I i . それぞれ 2つの娘染色体．すなわち姉妹染色分体 （ s i s t e r できた 2.

c h r o m a t i d）となり

セントロメアで結合している （ F i g .450も参照） 。 これら染色体は大

惜の RNA−タンパク桜合体を含む多微な分子で覆われている。 これをはがして電子顕微鏡 で見ると．それぞれの染色分体は中心の足場から広がったクロマチンのループでできてい ることがわかる（ F i g .4-71）。DNAハイブリ ッド形成法で特民的 DNA配列を検出すると． 染色体上に凡える榊:ii! の ~l~ びは. DNA 上にあ る逃伝子の~l~ びをおおむね反映している 。

分裂 J U J染色体の凝縮は何段階かの染色体詰め込みの最終段｜併と考・えてよい（ F i g・ 4-72 ） 。 布糸分裂に伴う染色体の凝縮は高度に組織立った動的な過訟であり．少なくとも 2 つの i 1 1 裂な役目を来たす。第一は．凝縮の完成した中j 切には．姉妹染色分体はたがいのも つれをほどいて隣り合って並び．分裂装世が引き維そうとするとすぐに分離できる ように すること．第二は．引っ張られて 2つの娘細胞に分離されるとき．比較的もろい DNA分 子がj史れないよう凝縮によ って保護することである 。 川J U J染色体か ら凝縮した分裂! J H 染色体への移行は M J U Jの初めに始まり．細胞周期

のj 並行と街筏に l 刻辿する （ 第 1 7f , 1 。 ）M J U Jには遺伝子発現は止まり．クロマチンの再凝織

c on de n si n）とよばれる を助けるヒストンが特異的に修飾される。凝縮にはコンデンシン （ 一昨のタンパク質が関与する。 コンデンシンは ATP加水分解のエネルギーを利用して．

l l l J J U J染色体の 2本の DNA分 子 を ら せ ん 状 に 巻 色 分 裂J U J 染色体の 2つの姉妹染色分体を 形成する。 コンデンシンは SMCタンパク 二散体からなる大きなタンパク質で. 2つの困 ちaうつがい

く例I以したタンパク単品体が尾音I I で合わさって蝶番を形成し阿端の 2つの球状の頭部ド メインが DNAを結合し ATPを加水分解する （ F i g .4-73 。 ） 精製 DNAにコンデンシンを 加える と.ATPの加水分解によ るエネルギーを

mいて DNA分子−にれどさきの大きなループ

を作らせる。コンデンシンのクロマチンへの作用のしかたはわかっていないが.F i g .4-73C に示すコイル形成モデルは．コンデンシンが分裂期染色体のコアに｛創立する椛造成分であ

U Jの DNAの l万ヌクレオチドごと に I分子ずつ存在するという事実に基づいて り．分裂J

F i g .4-71 有糸分裂時の縫色体の舗に近い部分の走資型電子顕微鏡写真。こ，3 ； の よ うな突出部は．それぞれ別のループ領主主の先舗と考えられる。F i g. 4 70の 2つの同 . P . Ma r s d e na n dU . K .L aemml , iC e l l ーな染色分体の対がは っきり見分けられる。 （M 1 7 : 84 9 -8 5 8 ,1 9 7 9より 。E l s e v ie r より許路）

し」 0 .1μ ロ1

244

、 クσ、 σ 、 、 σ 。 、

4 DNA， 染 色 体 ． ゲ ノ ム

U手

m

DNA二 らせんの 短い領主主

m

F i g. 472 クロマチンの滋縮。高度に凝縮した 分裂期の染色体を作るうえでの．クロマチンの 段階ととの凝縮を示す悦式図．

干

‘糸に過したビーズ． 状のクロマチン

ヌクレオソームが E 吉 め込まれた 3 0nm クロマチン繊維

のびた形をとった 後色体の一部

S~r三J

些母型

側A 仏 仏

、

11nπ

l

3fm

300nm

染色体の凝縮した 部分

T l

有糸分裂J t l b 詰色体全体

DNA分子が凝縮された有糸分叡問後色体は． I l l 終的にはのl ましたときの 1 0, 000分の 1 の畏さにおめ込まれている ( A )

S O円m

1 軍雷 ＼

F i g. 473 コンデンシンの SMCタンパ ク。 （ A）納製した S MC二置体の電子顕微鏡 写真。（ B )S MC二置体の4 荷造。中央の長い節分 1 0 :逆平行のより合わせコイル( F i g .3-9 参照）で ，

Rん中は自在に凶がる店主主言になっている

0

( C )コンデンシンの SMCタンパ

クがクロマチンを凝縮させるしくみを示す悦式図．尖際に l e ! : .S MCタンパクははる

Smc 4

かに大きなコンデンシン複合体の一部である。細胞でl e ! : . コンデンシンl e ! : 長いループ 状のクロマチン領域を巻きあげ（ F i g .4-57参照）. M 矧細胞の高度に組織化した DNA の悦造的基盤を作っていると考えられる。（A；写真j 定供・ H . P .E r i c k s o n.Bと C ;T .

oc . R e v .M o / .C e l lB i o l .7:311-322 2006より改作。 MacmillanP u b l i s h e r sL t d H i r a n oN より許話）

t 仁 ： ）

, ,

i 笠平行のより 合わせコイル ( B)

」 一 一 一 一」

20n 、 向

245

染色体の全体構造

F i g .4-74 凝縮した分裂期染色体の中でコンデンシンが局在する位置。 （A）コンデン

Q 。高 シンの局在位置を示す．抗体で染色した分裂矧のヒトの染色体の蛍光顕微鏡写. 度に凝縮した染色体で． コンデンシンは染色体総に沿って切れ自のある線状機造体に 濃縮しているのが観察される。同線な実験によると. ONA鎖の二本鎖切断を可逆的 に行い．二箆らせんが相互にくぐり銭けられるようにする醇紫. ONAトポイソメラ ーゼ Hも同僚の局在パターンを示す（F i g .5-23参照）。（ B）免疫金鱈子顕微鏡法により， コンデンシンの局在位置（黒い点）がわかる。この写真では．染色分体が輪切りに怒っ :K .MaeshimaandU . K .L a e m m l i , た状態であり染色体輸が紙面に愛重である。（A D e v .C e / 1 4 : 4 6 7 4 8 0 ,2003より。E l s e v i e rより許路。 B；：写真提供.U . K .L a e m m l i .K . . K .Laemml , iChromosoma11 4 : 3 6 5 3 7 5 ,2005よ り。 M a e s h i m a ,M .E l t s o vandU S p r i n g e rより許話）

∼ ー ’ ・ ， 、 ・ ｜ ・、／、，＿＿_ .I

d

( A )

( B )

F ig.4-74 ） 。細胞からコンデンシンを笑験的に枯渇させると．染色体凝縮 作られている （ が起こりはするが．その過程は異常になる。

まとめ 一般に．染色体は間期には脱凝縮しているので．その構造の詳細は観察しにくい。例外と して有名芯のは．脊椎動物の卵母細胞にあるランプブラシ染色体と毘虫の巨大分泌細胞 にある多糸染色体である。これら 2つの間期染色体の研究から．染色体の長い DNA分子 のそれぞれは．クロマチンループとして組織される多数の異なる領域に分かれており．各 ループは 30nmクロマチン繊維が折りたたまれてできていると考えられるようになった。 ループ内の遺伝子が発現するときには．ループの凝縮状態がゆるんで．細胞成分が DNA に近づけるように芯る。 間期染色体は細胞の核内でそれぞれ固有の場所を占めており．からみ合っていない。 ユークロマチンは間期染色体のほとんどを占め，転写していないときは．きっちり折りた たまれた 30nm繊維として存在すると考えられる。ユークロマチンとユークロマチンの 聞にはいくつものヘテロクロマチン領域がはさまっている。ヘテロクロマチンは 3 0nm 繊維がさうに凝縮してできているので，通常は遺伝子が発現できたE い。ヘテロク口マチン にはいくつかの存在形態があり．一部はセントロメア内外とテロメア近くに大きな領域を 作っている。しかしヘテロクロマチンは染色体の他の部位にも多く存在し．発生上の重要 な遺伝子の調節に関与している可能性がある。 核の内部はきわめて動的であり 目ヘテロクロマチンは核膜やクロマチンループの近 くに位置 し遺伝子が活発に発現するときは移動してその固有の領域から離れる。これは核 内の小区画の存在を反映 していると考えられる。ここでは． 特定のタンパク質と RNAが 濃縮されており．異なる生化学的反応が起きるようになっている。小区画形成にかかわる 成分は自己集合し．核小体や力八ル小体のよう芯特徴的芯小器官を作る。また核膜のよ うな固定した構造につなぎ綱で固定する形で小区画ができることもある。 有糸分裂の聞は染色体の発現は止まっている。すべての染色体は M 期の初めに始 まる過程で高度に凝縮した構造に変わり，この時期に．複製した各染色体の DNA分子が 別個に折りたたまれて．染色分体ができる 。 この過程の後目ヒストンが修飾され．クロマ チンの詰め込みが促進される。この整然とした過程を経てからコンデンシンが働いて．合

DNA分子の端から端までの長さは間期に比べてさらに 1 0分の 1となって詰め込まれる。

4

ι

」一一一」 1 1 1町 、

O.Sμm

246

4

DNA，染色体．ゲノム

ゲノム進化のしくみ 本f , 1ではこれまで．地伝子の椛: i l l . 遺伝子の染色体への詰め込みゃ配1 Uについて述べてき

与1 1 1 1をかけて進化しこの地球仁の実に た。 この枇終節では．遺伝子およびゲノムが長い H

i l i化に｜ 刻す 多機な生物を作り上げてきた迫のりを考える。ゲノムの盗基配列決定は．分子. i ! 化の機併について膨大な怖 る概念に革命的変革をもたらし生物の類縁関係や一般的なi 卒n カ（1i~ ら ~1. るよう にな っ た。

広範聞の生物種に同じような機能をもっi l l伝了−が比つかったのは．さして鰐くべき ことではないかもしれない。 し か し こ の 25，，，二 I l l ！ での注目すべき新発見は． 多くのi l l伝 子のJj;(~配列の i'!j い保存性である 。 相同遺伝子 （homologous

g e n e ） .すなわち共通の・ H L 先

に由来するので塩基配列と機能が類似した逃｛云− ｛が．系統学的に大きく再生れた生物の 1 1に

U J迩いなくヒトの遺伝子に中f l l 1 i jな多くの遺伝子が．線止しショウジョ もよく検出される。 I 主． さらには紺l 幽にまで容易に見つかる。多くの場合.i f . ' jい類似性ゆえに．酵 ウパエ．両手l 母のタンパク質指令遺伝子がヒトの相同な遺伝 f と l~t き換え可能である 。 しかしヒトと

階付は進化史上で 1 0億年以上l l iに分岐したのである。 約3 : i ' 立で強烈l したように.i l l伝子やタンパク質の機能を推定するうえで．配ダj l の ＋1 ° 1 同性が坑t.f な手がかりになる 。 相i同性が見つか っ たからといって機能の類似性が1~~J1I：され

るわけではないが．重要な手がかりになることは 11 迎い ない。たとえば．生化学的．遺伝 的情報がなくても．他の生物の遺伝子の温基配列と比較するだけで．ヒトの遺伝チの機能 を予測することができる。 遺伝イ−の塩基配列は．ゲノム全体の構造よりもはるかにしっかり 1 栄作されている傾 向がある 。 先述したように．これに反しゲノムの大きさ．染色体数．染色体J：.にA~ぷ逃伝

a n

子の 帯． イントロンの此と大きさ．反復配列の i i i :などのゲノム構成の特徴は．生物 H Uで 大きく民な って おり.~物ごとの遺伝子の数もいろいろである 。

i l l伝子の数と生物の表現型の桜雑さには．ごく大創L 犯な相関しかない （ ぷ ト l参！ ！ 日） 。 l : t " I} J [ Iに伴う : i l ： 伝子数のj竹大の多くは．類縁の遺伝子ファミリーの拡 生物としての複雑さの . 張による。 この観察から．泣伝子の重複と分自主がおもな進化過程であることがわかる 。す

U Iに存在した少数の組先遺伝子の童話L 分l 技．遺伝子 べての税作辿伝子は．生物の山現初J

J r

断 の碍榊成過程で生じた子孫であるといえよう 。

ゲノムの変化は DNAの複製と維持の機構の失敗により生じる 生 M系列の釧J I 包はゲノムの榊巡を変化させる専門機併をもたない。偶然と l l J泌いが生じ．

m

そこに選択圧がかかると逃化が進む。1 1 伝移 DNA｜ 肱子の移動も重姿な役W J I を っているが． 似を修復する通常の機構の失敗に起因す 遺伝子劣化のほとんどは．ゲノムを抜製したり拡i

; ' . iで述べるように. DNA海基配9 1 1を維持する機併はきわめて粉猪だが．先日空で る。第 5t

E f f l 系列で はない。たとえば．精巧な DNA桜製 ・修復機構の岐外れた精度のおかげで. : は1 0 0万年に lj交．およそ 1000 塩基あたり l 駈），~対のランダムな変化 しか起きない。 そ うであっても 目進化の歴史の中で．純の進化 という制点から見れば短い 1 0 0万五 1 ： の1 1に ． l万体のニ f : ' i 体生物集団であらゆる塩基においてi 丘換を約 20回経験することになる 。

DNAの彼製．組換え．あるいは修復の限りにより温基配列の l温必対が他の溢器 対に

m換するといった単純なものから．遺伝子の欠失.l f i 桜．逆位.DNAの染色体l J 転

位などの大税伎なゲノムの再編成まで多彩なぎE 化が生じる。こうした泣伝のしくみの失敗 1 ; tで述べる動く DNA凶子もゲノムの変化の重要な要因である（ p ' . 3 1 8の表 5 3 に加え．第 s

m o。i i 伝移 DNA因子（トランスポゾン）はゲノムに”移住”して広まる寄生f : lDNAであり

参

疹動のi 必校で．既存のi l l伝子の働きをお起したり』制自有機仰を変化させたり．時にはトランス ポゾン配列と既存のi l l 伝子の断片との融合により新しいi l l伝子 を作ることもあ る。進化の

ゲノム進化のしくみ

長い年月の中で．

トランスポゾンはゲノム緋迭に~大な影響を与えてきた 。 笑際．

247

ヒトゲ

ノムの DNAの半数近くには既知のトランスポゾン溢恭配列と類似が認められ．過去の転 移の名残りだと考−えられる （ Fi g .4-1 7参照）。 ヒト ゲノムに太古の昔 （ 10 8年以上前）に起き た転移に由来するものが必ずやさらにも っと含まれるのだろうが．そうした転移はあまり にも昔のことなので..ll.i.i!左配~lj から推 iJlljする ことはもはやできな い。

2種の生物聞のゲノム塩基配列の遣いは，それらが進化の過程で分岐してからの 時間の長さに比例する 現存する種のゲノム J l Jの迎いは 30億五l 三以上にわた って蓄積されたものである。 この I H J の 変化を示す記録はないが．現存の！ : I ' = . 物のゲノムを詳細に比べるとゲノム進化 を再現できる。

i g.4-7 5に大型類人猿からヒト 比較ゲノ ミクスの基本的な手法は系統樹である。F への分岐を示す系統樹を n t i l j iな例として示す。 この系統樹作成の一番の椴拠は，遺伝子の 塩恭配列やタンパク質のアミノ限配列の比較である。 たとえば． ヒ ト遺伝子の塩基配列あ るいはタンパク質のアミノ般配列を大雪Hti 人~~iのものと比較すると．ヒ トと チンパンジー

は述いが対も少なく 目 ヒ トと オランウータンは逃いが松も多い。 ヒト とチンパンジーのような近縁の生物 ｜ ！ 日では．両者の絶滅した共通祖先の逃伝子 組基配列を再現するのは比較的やさしい（ F i g .4-76） 。 ヒ トと チンパンジーの遺伝子 l l Uの l l ]で変興の務, f i ＇ （ で き る ｜ 時間］が短かったからであり．同じ 類似性が高いのは．分岐した系統 I

配列を維持しなくてはならない機能的な ｛ ！l J j 約ではない。 フイプ リノペプチ ド（ p .264参照） を指令する塩基配列あるいは”｜司義”コドン （ 同じ アミノ酸を指定するコドン。F i g .4-76参 ！！世） の 3 喬 l~I の広訟のように ，塩基配列が機能而か ら 制約を受けない坊合にも ．ヒトとチ

ンパンジーでは塩基配列はほぼ同じであるという観察が． この考えを支持する。 ヒ トとニワトリ （ 3億年前に分岐）のようにこれより速い類縁関係の生物 l : Jの遺伝子 時間が不十分だったからではなく． 純 にみられる塩基配列の保存は．変異を生じるためのl 化選択 （ pur if y i ngs e l e c t ion.革製な : i l J :伝子機能を阻害する変異をもっ個体を排除する選択） によるところが大きい。 その結栄．タンパク質への翻訳領域や RNAへの転写領 域.DN A の調節配列は驚くほど保存されていることが多い。 これに対して．ヒトとニワトリのゲノ ムの問では．多くの変当時によ ってほとんどの出基配列はたがいに比較できないほどに大 き く変化している。

1 5

4 -75 塩基配列のデータに基づいたヒト F i g . と大型類人強との関係を示す系統樹。図に示宮

I I 後の共通祖先 1 . 5

1 毘

1 0

肘 ド ミ 0

~

5

。ヒ， ト

よ＼ 、、

チンパンジー ゴリラ

、

オランウータン

4つの生物種のゲノム J g ; ! j ! 配列は. I i i 後の共通 祖先のゲノムの泡基配列と 1.5%強白異なると

1 . 0ミ。 二 B 奇 R 事 .

見積もられている。変化は分厳後いすれの系統

l

制 星 野

0. 5

0. 0

でも別個に生じるので. 2つを組に した対比で は. I i i ! 後の共通祖先との配列の泣いの 2倍にな る。たとえば．ヒトとチンパンジーでは約 1 . 2%異なり，ヒトとオランウータンでは 3 % 強異怒る。 （F . C .Ch e na n dW.H. L i ,A m .J . Hum. Gene . r68:444-456,2001より改変。U n i v e r s i t y

of C h i c agoP r e s sより許箆）

248

4 DNA.染色体．ゲノム

ゴリラ

ヒト チンパンジー タンパク質

F i g .4-76 ヒト とチンパンジーにおけるレプ

CAA

Q GTGCCCATCCAAAAAGTCCAAGATGACACCAAAACCCTCATCAAGACAATTGTCACCAGG

チン遺伝子の翻訳領縫の復基配列比較から祖先

1 1 1 1 1 1 1 111 1 1 1 1 1 1 1 11 1 I1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 111 1 1 11 1 1 1 1 1 11 1

の配列を追跡。レプチンl c l : . 脂肪貯磁を適正に

GTGCCCATCCAAAAAGTCCAGGATGACACCAAAACCCTCATCAAGACAATTGTCACCAGG

VPIQKVQDDTKTLIKTIVTR

l 取とエネルギー消貨を調節す するために食物H るホルモンである。緑色で示すコドンのように． ヒトとチンパンジーという 2つの極の聞では

ヒト チンパンジー タンパク質

K ATCAATGACAT' 門 自 由CACGCAGTCAGTCTCCTCCA 抽 出.GAAAGTCACCGGTTTGGAC

全4 4 1J a U i ! iのうちわすか 5活基のみが異なる

II IIIII II IIIII 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 11 11 1 1 1 1 1 1

I な比べると．両者で が．さらに．アミノ酸配予J

ATCAATGACATTTCACACACGCAGTCAGTCTCCTCCAAA CAGAAGGTCACCGGTTTGGAC

INDISHTOSVSSKQ K VTGLD

ゴリラ ゴリラ ヒト

AAG

異忽るのはこれら 5か所のうち If J ＇ 所のみであ る。~基の呉tJ. る 5 か所についてゴリラの相当

部分の題益とアミノ酸も示す。2か所ではゴリ

CCC

p

TT CATTCCTGGGCTCCACCCCA TCCTGACCTTATCCAAGATGGACCAGACACTGGCAGTC

ラとヒトの泡~配列が一政し， 3 か所ではゴリ

1 1 1 1 1 1 1 1 1 111 1 1 1 1 1 1 1 1I IIIII I II1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

ラとチンパンジーの庖益配？I J f J l 一致している。

チンパンジー TTCATTCCTGGGCTCCACCCTATCCTGACCTTATCCAAGATGGACCAGACACTGGCAGTC タンパク質 F I P G L H P I L T L S K M D Q T L A V

煩後の共通祖先のレブチン遺伝子の題基配列は どうだったのだろう．ヒトとチンパンジーで遺

ヒト

v TACCAACAGATCCTCACCAGTATGCCTTCCAGAAACGτちATCCAAATATCCAACGACCTG

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1IIIII II1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 111 1 1 1 1 1 1 1 1 1

チンパンジー TACCAACAGATCCTCACCAGTATGCCTTCCAGAAACAτ沼ATCCAAATATCCAACGACCTG タンパク質 Y Q Q I L T S M P S R N M I Q I S N D L ゴ リラ ATG

ヒト チンパンジー タンパク質

D GAGAACCTCCGGGATCTTCTTCAGGTGCTGGCCγTCTCTAAGAGCTGCCACTTGCCCTGG

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1111 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1IIII I IIII I II III

GAGAACCTCCGGGACCTTCTTCAGGTGCTGGCCTTCTCTAAGAGCTGCCACTTGCCCTGG

ENLRDLLHVLAFSKSCHLPW

ゴリラ

GAC

DNA塩基配列比較を基にした系統樹か 5，あらゆる生物の関係をたどれる 分子の配列比較に基づく系統樹と 化石記録とを統合す ると. J J J . : ( Eの生命形態に主る進化を 見通す最良の知泌が符られる。化石記録は．化石が発凡された円附にある政射性 l n Jf 立体の j針演を基にしており．絶対的な年代記録としての ill~'l'I：ニは今でも交わらない。 しかし特

徴ある形態が鋭務できる保存状態のよい化石が残っている純でも．それを ） f ;に 極 ! I lの 正 確 な分岐年代を割 り出すこ とはむずかしい。 化石記録も取り入れて作成した系統樹は．特定の ill伝子の厄 lbr'i~ダIJ やタンパク質の

アミノ酸配列はほぼ一定 速 度 で 変化 する こ とを示唆している （ 偲 憎 の 2伐 の 速 度 で 変化 す る特定の系統もイバl ： は す る が） 。 この”分子 l 時J f 'の述さがいちばん大きく ． しかも 一定な のは．純化選択を受けない塩基配列である。 たと え ば．遺 伝 子 1 1 1 1官t M :.スプライシングや

’

調節のシグナルと無縁なイントロ ンの 一 部．変興により不 ll i 必的にイミ活性化 した i l l ：（云チ （ い わゆる偽造伝子［ pse ud oge n e］）などである 。一方．機能の {UIJ 約が~nt い ji.{ ），主配ダIJ では分子i時

計の進行はt i : 重い。 たとえば．多くのタンパク f iとの特典的結合にかかわるため構造が高度 に保存されているアクチン （ F i g .16-1 8ほかを参！！｛りなどのタンパク針がこの郊である。 こ の こ とは先述したし．第 5市でも再度述べる。 ときおり．きわめて保存度が高か った配ダIJ に二•.jili な変化が起こることがある 。 本市

で後に述べるが．このような例がきわめて興味深いのは．特定の生物航での之t 述な変化は その時点で選択的 な利点となりうる変異に強力な正の選択J j ：がかかっていることを反映す ると考えられるからである。

I ， 与f rの. i ! l i l 交は．変異述！交と特定の円t ' . § I Jに対す る 純化 選 択 の 松j 立によ 細胞内での分子I り決まるので．複製や修復の翁ll胞内機構が異なる泊伝刊こは．ま ったく ~~·なるか定法が必

1 r ， な 例 だ が． ミ トコンドリア

要 と な る。 動物斜1 1 1 1 包（ 植 物 細 胞 に は あ て は まらない）でイ DNAの機能的制約のない塩法配列 に 基づく

. i l i化 H守引は. i t 車内の機能的制約のない J ' ! . i器 配

伝子の進化過程で生じたと j 桂定される変異数を 思少に見積もる進化モデルに従うと．銀後の共

a ！！配列l c l :ヒトとチ 通祖先のレプチン遺伝子のl ンパンジーで一致する箇所はこれらと！電じとし 一致し広い箇所l c l :ゴリラの配列を銀問する．便 宜上 レブチン遺伝子の靭訳領主主の初めの 300 盗塁のみを示すが．妓りの 1 4 1l t i l 基l c l :ヒトとチ ンパンジーで共通である．

ゲノム進化の しくみ

オポッザム ワラビー

アルマジロ 祖先

Fi g.477 ゲノムが集中的に研究されている 崎乳類の系統樹。横線の長さは． ． 中立の置換．

数に比例するように表してある。これは．純化

ハリネズミ

コウモリ

249

. M . 選択のかから広い盗塁配列変化を表す。（G

イヌ

ζoopere ta l . ,GenomeR e s .15:901-913,2005

より改作。 Col dS p r i n gHarborL a b o r a t o r y P r e s sより許諾）

ウサギ

マーモセッ ト リスザル オナガザル（サバンナモンキー） ヒ ヒ マカク 才ランウータン ゴリラ チンパンジー ヒト

;づ く1 1 . n1 ・ よりはるかに述 く進行する 列に ）t

これは動物細胞のミトコ ンド リアでは変異率

いためである。 が ，・.＇：i

記 Hよりはるかに時 l lJ 分解能が日く．生物純川の形態と発生を比較 分子I年計は化イ l して作成 した従米の系統樹より f ; { f J i t l ： のt : iぃ洋綱｜ ！な系統十 ／ I t . i l lが 1 ! 1 ＼られる。 た と え ば 大 型 ~i 人紋とヒトとの厳術な ｜刈 .i!li1'1：は . l 980年代に人 り門 t ' . i j l jに附するデータが 卜分蓄積された

結 以 Fig .4-75に示す系統樹が作成 されて初めて解決で きた。脱イ1 じさまざまな1 1 1 n 乳類の DNA邸法配タl j の デー タが｝ ： .l ， （ に あるので． ヒ卜との｜ 則. i ! l i t l ： を. J f f ' . ) とする精度は路実に上り ig・ 4-77 ） 。 つつある（ F

ヒトとマウスの染色体を比較すると，ゲノム構造の分岐のしくみがわかる 予処1 されるように．ヒトとチンパンジーのゲノムは．ヒ 卜とマウスのゲノムに比べて はる か に 似ている。 ヒトとマウスのゲノムは．大 きさがほぼ j r i ）じで j r i J微な遺伝子群を含むが．

p , ; . mできる機会は．チンパンジー との l / I Jでの 600Jj{j. ＇ ＂に 対 し マ ウ ス と の l l i Jでは 変化の . 8000万 年 と以かった。 さらに F ig .4-77から不峻されるように．泌がH ' , ( i（ラッ トやマ ウス

在日｜ーは民常なほどi ! . ! ； く. i ! 主む。 そのため. ~~i 釘i はヒトから系統樹で遠ざかる など）の分 子 H のも 他純より ずっと j f i lい。 Fig.4-78 の DNA の訟法配列比•I皮からぷl俊されるように．選択汗．がかからないす

べての部位（イントロンのほとんどのf ; , , l ) t ;配列など）で．ヒ トと マウス H I Jの 単）J i配列は広 い ~聞にわた って． 公民による j)j! いが生じている 。 これとは対照的にヒ トとチンパンジ一間

では．以後の j七i l l i m 先 か ら分かれてから多数の変化が ＇＇ ＇・じるだけの l k ¥ ' l l l J が経過していない ために．ほぼすべての胤必配列の f>l:i~·＇.が同 じである

Fi g. 4-78 マウスとヒトのレプチン遺伝子の

一部の比較。−Jg基宜倹の結果塩基配列が異 なる位置を緑色で．ヌクレオチドの付加あるい 欠失により塩基配列の異なる位置を黄色で示す。 工キソンの翻訳領主主は除録するイン トロンより 高度に保存されていることに注目。

マウス

エキソン＋寸 一ーイントロン 司｜

GTGCCTATCCAGAAAGTCCAGGATGACACCAAAACCCTCATCAAGACCAτ"I'GTCACCAGGATCAATGACATτマCACACACG おTA-GGAGTCT CATGGGG GGACAAA GAT GTAGGACTAGA 寸 CA CACA CG 包TAAGGAGAGT-ATGCG GGGACAAA---GTAGAACTGCA GTGCCCATCCAAAAAGTCCAAGATGACACCAAAACCCTCATCAAGACAATTGTCACCAGGATCAATGACAT'I

ヒト

マウス

I

AC CAGAGT Cl ち AGAAACATGTCATGCACCTCCT AGAAGCT 也AGAGTTTATAAGCCTCGAGTGTAC AT-TAτ'TTC TGGT CA:τ'GGCTCTTGTCACTGCTGC CTGCτロ AAATACAGGGCTGA GCCAG--CCC”AGCACTGGCTCCTAGTGGC AC ' I ちGACC CAGATAGTCC AA GAAA CATTTATTGAA CGCCTCCT GAATGCCAGGC ACCT ACTGG AA GCTGA--GAA GGA TTTGAAAGCACA

ヒト

250

・

4

DNA.染色体．ゲノム

ー ＇f唄 ＝ 写 ＝ ＝ ヰ 有 司− ・

・ 司岬 ＝噂 野 明 白．→ ヲ

~－－ r

f"T'I • ーーーー『，

,

・・『軍枠2

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・ = :

F i g. 4 7 9 マウスとヒトのゲノムのシンテニ 一領域の比較。2つのゲノムの約鉛%がこのよ うに並べて対比できる．両者で合致する f 旨僚と 怒る~？IJ （赤色の縦線）が同じ順序に並ぶが． マ

マウス第 1 2染色体 200,000JI~

ヒトとチンパン ジ− l l l Jの状況とは対照的に．ヒ トとマウスでは, J J 所的な J U 伝子の並 びゃ染色体の全体の術i 立が大きく隔た っている。 ヒトとマウスが進化的に分岐してから合

801 1 1 1 . 染色体が切り離されたり合わさ ったりしていると概かされている。両者 わせて約 1

ウスでは図の全段に DNAの欠失がみられる。

c l :マウスのすべての領主主 この型の DNAの欠失 l にみられ．マウスのゲノムがヒ トのものより DNA慣が 1 4 %少忽いのはこのためである 。 ( Mo u s eS e qu en c i n gCons o r t i um. No r u r e4 2 0 :

5 2 0 5 7 3 ,2 0 0 2より改作.Ma c m i l l a nP ub i l s h e r s L 【 d. より訴諮）

で染色体数はほぼl••I じ （ー給体でヒトは 23. マウスでは 20） だが． 全体の悦迭は大きく異

なる。ゲノムの大幅な変動があ ったにもかかわらず．ヒトとマウスで遺伝子の説び方が同 じ大きな DNA領域がたくさんある。 こうした染色体の＂ Iで遺伝子の政ぴ方が保存されて いる領域を シンテニー （ s y n t e n y）領成という 。 完成したマ ウスとヒトの全ゲノム温悲配列の詳細な比較からのお；諭は予期せぬもの であ った。DNAの小領域が驚く べ きi l lさでゲノムから除去されたり 付加 されたりしてい るのである 。 その後行われた他のi~ll乳類どうしのゲノム比較でも ！日I ! > Y iの結通が得られた。

0位；出必対）をも っていたと仮 もしヒトとマウスの共通制先がヒトと同鋭紋のゲノム（約 3 定するなら．マウスは 8000J j 1 j ： で合わせて 45 % のゲノムを失い．ヒ トは約 25%を失っ

. m

竹 力Iにより．かなりの訟の温 たことになる。 しかし染色体の部分 彼や トランスポゾンのj

( ' i加｜し欠古与を J j lめている。 そのがi よ I t ヒトのゲノムの大きさは．以後の共通祖 基配列がl 先のゲノムから変わっていないが．マウスでは 3低訟法分納んで・ いる。

DNAの小・ i n域が進化のi 品ぬ！で失われるという証拠は． ヒト とマウスのゲノムのシ ンテニー領域のほぼすべてでの詳細！ な比較側 先 か ら科 られる。F i g.4-79を凡ると．マウ スゲノムのほうが小さくな っているのがは っきりわかる。 J己は相！向であ ったはずの DNA の大きい領j 或にわた って. J'l.i~.t::配列があちこちで失われている。 ゲノムへの DNAの付加は． 数万溢基対の染色体断l ' rの自然発生的な重複 （ この後 すぐ述べ る）や．活発な転移 （ 元の転移凶子のほとんどは．新しいコピーが別の場所に挿入 されても初めにあ った場所にとどまるので．転移反応のほとんどは i 直観である。F i g .5-74 参照）による。 ヒトとマウスでトランスポゾン r l 1来の DNAI 包｝ % ； 配列を比較すると. DNA 塩基配列のH lmのようすがわかる （Fig.4-80）。 l1l!山はわか っ ていないが．あ らゆる i~ll乳類でゲノムの大 き さは約 30 億塩基対であ

り. ＇ま l;f llij － の逃伝帽子併を含む。 およそ I ~ 5000 万.r~.u~対のみ. j包~配列特典的な機能 的制約を受けてい る。

F i g. 4 8 0 ヒトとマウスのゲノムの βーグロビ ン遺伝子群を比較し．転移因子の位置を示す。 ヒトゲノムのこの範聞には．も 唖 ｛揺をもったJ グロビン級遺伝子（オレンジ色） が5つあるが． ヒトの j l − クロビン遺伝子g . j ' . YG

E

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1 ! ＇↓ ↓

↓ ↓出 マウスの什クロビン週伝子野

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1 1111 ↓i~ 1 0 , 0 0 0 J S 遮対

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c l : 4つしか芯い．ヒ ト マウスの対応する領峨にl l u配列の位置は緑色丸印で．ヒトU 配列 のA の位置l c l : 赤色丸印で示す．マウスのゲノムには． 異なるが似た転移因子がある.Bl因子（ ヒトの

A l u配列に類似）の位置を筒色三角印．マウス の Ll因子（ヒトの L1I i ! 列に頬似）をオレンジ色 三角印で示す。グロビンの側道巡伝子の内部に d : . 純化遺択により．治伝子 転移因子が忽いのI 憾能の欠失を伴う j 市入が排除されたためと思わ o s sHa r d i s o n ,WebbM i l le r ) れる。（促供 ：R

ゲノム進化のしくみ

251

脊椎動物のゲノムの大きさは．その生物種の DNA猿得と喪失の相対的速度を反 映する 現イ1 ：.数多くの脊椎動物のゲノムで全 DNAJ 話基配列が I Y J らかになったので．ゲノ ムの大 きさにかなりのi!tいがあっても．それぞれの巡イ云子数に傾端な l~仰はな い ことが判明し て いる 。 マウスやイヌのゲノムの大きさはどちらも．通常の町IJ:fL ~i の大きさの範囲内 だが．

ニワ トリ はヒトの 3分の lの大きさ （1 0位溢悲対）しかない。 ゲノムの大きさが典例 な生 物納でイ1 ・名なものが． トラフグ Fu gurubrip e sである （ F ig.4-81 ） 。 作111~動物と し ては典例 なほどゲノムが小 さい （ 他 の多くの似の 10位 以 ； ！， ：対以 ， ！ l ：に対し 4位 、 ）。 フグのゲノムが小

F ig .4-81 トラフグ Fugur u b r i p e s 。（写真皮 供

ByrappaVenkatesh)

1 砲なのは．おもに イン トロンが小 さいせいである。具体的には． フグのイント ロンは． フ

グゲノムの他の非翻訳領域と j r J i, j ) ｛に．よ （ ＇ く研究されている 作微動物ゲノムで多く み られる 反復円~fljがな いのを特徴としている 。 しかしフグの イ ン トロ ンの位 irl は .

1 r i n 乳類のゲノ

ムと 比般 し てi~：存肢がきわめて 向 い（Fig. 4-8 2。 ）

勺j リ jは謎であったが．現イ正 ． 似た生物 U H のゲノムのこのような大きさの逃いを簡単 に必 I YJ できるようになっている。 あらゆる脊般i r w物で. DNAの燦失と彼得は常時起こっ

Iのせめぎあいの結栄 ているから．ゲノムの大きさは何 行力．年にわたる相反する 2つの作 ！ にすぎない

たとえば．フグにゼる系統で DNA獲得述度が非常に巡かったと仮定すると．

長い時lllJ の ij• で． なくてもさして ｜羽らない DNA 海基配列は．このf.~tのゲノムから こ・っそ り＂ i'ft化” されたものと ~(EiJ[IJ される 。 今振り返ってみると．フグの系統の巡択浄化の過程の 側先が），~ にな って ． 干Hit・動物の DNA .\k\），！，：配列がたった 4 ｛剖l~I の Y1o.UJ;対で l つ の機能1ji.｛立

を作 るという 仮説が生 まれた。

遠い祖先のゲノムの DNA塩基配列を再現できる 付l 先の’ I ： 物は現イ1 ：存在しないので．そのゲノムは般定できるが1 f （ 援に観察できない。現代 のカプトプf ニのような生物は 2低年前にいた化石側先と比た Iはそっく りだが．カプ トガ ニが他の進化系統と 同様な述J , ￡ で始終変化 し絞けていることは．いろいろな証拠からわか る 。 選択における拘束によ って．この系統の］倒産を 一定に似つうえで if（~な機能は維持さ

れたに ) J i ¥いない。 しかしゲノムの調作から．純化選択の ） Jがかかるゲノムの領域は小 さい ことがIYJ らかにな って いる 。 現代のカプトガニのゲノムは． 化イ i.t~U しかない絶滅祖先の

ものとは人；きく i もなっているに i l lいない。 こうした IIIJ組はどう扱ったらよ いのだろう。現有：~物の絶滅した相l先のゲノム盗基 Fi g.4・82 ヒ トとフグでハン チ ンチン (huntingtin）タンパクを指令する遺伝子のゲ ノム盗塁配列を比較。ヒトとフグの沼伝子（赤

ヒトの遺伝子

色 ）I まともに 67個の短いエキソンからなり. I. 1の対応で並んでいる。対応するエキソンを線 でつ広いだ．ヒトの巡伝子はフグの迎伝子の 7 . 5倍 （2 . 7万庖益対に対し 1 8万湿基対）大きく． この泣いl c l :ヒトの遺伝子のイントロンが大きい ことによる．ヒトのイントロンが大きいのは． レトロトランスポゾンがあることも一因である。 レトロトランスポゾンの位誼を緑色の鎖線で示 す。フグのイントロンにはレトロトランスポゾ ンl c l : 芯い．ヒトでは．八ンチンチン遺伝子の変

0. 0

100. 0 x1000泡選対

1 8 0 β

異によって遺伝性抑経変性疾患であるハンチン .Baxendal ee ta l . .N o r . トン病が発症する。（S G e n e r .1 0 : 6 7 -76 ,1995より改作。 Macmi l l an P u b l is he r sL t d.より Z 午筏）

252

4

・

ONA，染色体．ゲノム

配列の大部分を将来推定できるようになるだろうか。 ヒトやチンパンジーに近縁の生物で あれば．そうむずかしくはないだろう 。 この場合． ヒトとチ ンパンジーでの DNA滋 基 配 列のわずかな逃いのどれが.600万年ほど前に存在したはずの共通祖先から受け継がれた

F i g .4-76参 ！ ！ ｛ ｛ ）。現 存 の かを調べるのに．ゴリラの DNA溢基配列との比較が利用できる （ l lした但先を追い求めるには．多種の生物の DNA溢 l ； ： ！配列を同時に比 多純の生物を生み I 較 し．祖先の出法配列を ~ft定するのが l つの手段にな る 。 こ のような方法で. DNAI 益法

i f のl l f l j 乳類の全ゲノム 配列をかなり泌くまでたどることができる。 たとえば．現存の 20手 塩基配列がじきに俳られるはずであり．そうなれば．イヌ．マウス．ウサギ． アルマジ ロ ． ヒトなと’の多微な＇＇＇·物.f•f（のJ己に なった l 低年前の北方J'J,;以繁lのゲノム狙基配列のほとんど

を推定できるだろう（ F ig4-77参照）。 目

多種間の DNA塩基配列比較により， 機能未知だが重要な DNA塩基配列を同定

できる

・ . r :に とっ

データベースに大 J 1 （に抑制された DNA塩基配列 （ 1 0 00億 溢 器 対 以 上）は．平： ｜ 学

l 的への応川 が ! U H 与される位かな資源とな って い る。 この情報を．現存の生物を て秘 々の l 作り出 した 進化の道筋の両手1 91 に手iJJll できることはすでに述べた。 しかし l••I 11~

2左配列の比絞カ、ら．細胞や生物が機能するしくみについても多くの~I凡が紛られる 。 こ の

方面iでの11~ も￥ HI すべき発見は．ヒトゲノムのほぼ 1 .5% のみがタン パク質を 指令するが．

この約 3f 行（合わせてゲノムの 5% 。p .206の表 4-1参照）の｛；J [械 がl l 1 1 l乳類 の 進化の 過 程 で 栄作成ー が尚いということである。DNA塩 基 配 列 保存領域の総があるのは． 多 磁 きわめて 1

J 戒を ；J P . べて比較すると一目瞭然である。 このようにして． い わ ば の DNAのシンテニー符（

l !I 呆が配列 （ m u l t i s p e c i e sco ns er vedseq uence ）は容易に同定される（ F i g .4-83 ） 。 発見 多 種I

ヒト CFTR遺伝子（置飽性銀総症の原因遭伝子） 1 9 0 ,000l a 基対 ト一一一一一一トト一一一一一ート・Ht-ートーート一一一一一一一－1-1•トー’ト・H

： 一 一一 一

骨ー ート一一・E

3’

J

チンパンジー オランウータン ヒヒ マーモセット

キツネザル ウザギ

F i g . 4-83 多沼間保存配列の検出。それぞれの

ウマ

生物のゲノム活基配列比較をする目的で．ヒト ζ打 R遺伝子の図に示した領主主に対応するとこ

ネコ

5泡基対すつグループ化して鋼ぺ．シン ろを.2

イ ヌ

テ二一領主主の一致率を待グラフで示したもの

マウス

（ 緑） 。 加えてコンピュータ アルゴリズムを利

l 2 列で生物悶で保存度がき 用して．この領主主の1

オポッサム ニワトリ -lL

フグ 100l ! i遅刻

L

、

1 00% 50%

わめて高いものを創り出した。多種間保存配列 としてーエキソンを除いて. 3つの配列が見つ かった．こうしたヒトゲノムの配列の機能はま

r i cD . だほとんどわかってい忽い。（提供 IE 10 , 000泡基対

G r e e n )

ゲノム進化のしくみ

された非翻訳保存塩基配事l j は．比較的短く .50∼ 200繊器対か らなることがわかった。保 存度がきわめて高いことから ．重要な機能をもつため純化選択によって維持されたことが 示唆さ れる。 この機能はいった い何なのか。タンパク質を指令しない保存；鼠器配列のなか には．後の f , 1 .で述べるような 重要な機能をもつことが知られている翻訳されない 貯 M を作るものもあるしそれ以外に．第 7f , 1 .で述べるが，隣接する逃伝子の転' L } . ; t f l J , 節への l 則 与がわかっているものもある 。 し か し 保 存 さ れ た DNAのどれだけがこの説明に合致す るかはまだ明らかではなく．ほとんどが謎だといわざるをえない。この謎の解明は．医学 に甚大な影響を およぼすことは必至であり．脊椎動物の生物学において未知！なことがまだ どれほどあるかを明らかにするだろう 。 細胞生物学は この問題の解決に向かつてどう した らいいのだろう 。第 l段階として目 タンパク質を指令する保存領域と指令しない保存領成を区別し. 1 走者ーのなかで．他の日正知 機 能．たとえば構造問' 1 A分子を作るなどの機能をもたない領域に注目する必要がある。 そして次には．どういうタンパク質または RNA分子が．この謎の DNA塩基配列に結合

mす

するか． どのようにクロマチンに詰め込まれるか.R l サA合成において鋳型と して作

るかを見ることであろう 。 この研究の大部分はまだこれからだが．少し始ま っていて．す でに注目すべきいくつかの知見も得られている。非常に興味深いものの lつが． 他の動物 とヒトを分離させた進化上の変化 ． すなわち．近縁種で保存されていた DNA塩基配列に． ヒト系統で起こった突然の急．速な変化である。

ヒ トで長く保存されていたのに近年急速な変化があった塩基配列は．ヒトの進化 上のきわめて重要な段階の鍵をにぎる ヒ トとチンパンジーのゲノム DNA塩基配列が公開されるやいなや．両者の大き な述いを 説明できるような坂基配列の逃いを探す試みが始ま った。 この 2極のもつ 30億塩基対を 比較するのは．不可能に思えるかもしれないが． 多極｜切には っき りと保存されている お ，000の塩基配列（合わせて約 5 00万塩基対）に調査を限定するとかなり楽になる。 この 配列は．ゲノムの中で機能的に重姿な可能性が高い部分である。 こうした配列の保存度は 高いが．完全に保存されているわけではなく ．種 l l Jで比べると．最後の共通祖先から分か れた時 l l Jに応じて少しずつ変化しているように見える。 しかし倒査した多 くの配列のごく 一部に．進化上で突然急激な変化があ った兆候が得られた。たとえば．他の 11 1 1 乳霧i できわ めて保存度の高い DNA塩基配列のなかに． ヒ トがチンパンジーと分岐してから 600万年 間に例外的な速度で変化したものが見つかっている。 この． いわばヒト加速領域 （ human ）は．ヒトという 生物磁の特性を高めるのに特に重姿な役割l を＊ a c c e l er a t e dr eg i on. HAR たした機能 と密接に関係があると考えられている。 ある研究によると ． こうした領域がおよそ 50m i所確認されており． そのうち 4分 の lは神経の発達にかかわる遺伝子前＝の近くに存在する。・ M：も急速な変化 をとげた温器配 列（ニワトリとチンパンジーでは 2つしか違いがないのに．ヒトとチンパンジーでは 18も の違いがある）をさらに調査した結: l l t この配列は脳発達H 寺のきわめて重要な 1 1 ; ¥ ' J U J に人の 大脳皮質で生産される 11 8 ヌクレオチ ドからなる非翻訳 RNA 分子を指令することがIY~ ら かにな った（F i g .4-84） 。 このいわゆる HARl FRNAの機能はまだわからないが，こ の発 見がさらなる研究を刺激しやがてヒトの脳の最も IfI~ な性質がlj):］らかにされるだろう 。

遺伝子の重複は進化において新しいものを作り出す源となる 新しい逃伝子ができたり既存の遺伝子が変化して．進化が1 i : 主む。その しくみはどうなって いるのだろう 。一見ま ったく逃う生物．たとえば護士 毛類と鵠世I 駕L あるいはマウスと魚類 を比べると．一方の種にあり他方には相同 なものがな いという逃伝子はほとんど見当たら

253

254

・

4

DNA. 染色体．ゲノム F i g .4-84 新たに見つかった遺伝子で．以前は

保存されていたのに急に進化速度が上昇したも のの機能検討。 （A)RamonyCa j a l によるヒ ト ー レチ 新皮質の外表面のスケ ッチ。特にカ lUレ

皮質の 外表面

ウス ・ニューロンが詳しく渇かれている。（B) ヒト涯の脳組総の薄片。この写只は皮質の一部 で，カハルーレチウス ・ ニューロンが見える（黄 色の部分）。 上の写真はクレシルバイオレツ ト染色。下の写真l 草川 s i r uハイブリッド形成法 ns i c uハイブリ ッド形成法（白色）で検 による。 i

知した HARlFRNAを生産する細胞を赤矢印で

掌~－－

マ母了

Fはヒトの進化の途上で大型 指してある。 HARl 類人猿から分かれた後 目 急速に進化を早めた新

4・

RNAを生産するのが目カハルーレチウス・二ユ t "

rAP

． ‘ ‘・ ， ． ‘ −

しい非翻訳 RNA。新皮質の発生過程で この

去、 ・ ~

~

~~~－

( A )

( K . S .P o l l ar de ta . l , N o r u r e4 4 3 :1 6 7 斗7 2 ,2 0 0 6よ

． 〈

り改作。 M a c m i l l a nP u b l i s h e r sL t d . より E 干 諾 ）

~

1町 、 町、

u mと虫といった進化において大きく分かれている生物を比べてさえ. ~＇I I 同なも

ない。l l 1 1 l 手

のが見あたらない逃伝子はほとんどない。その一方.

: i ¥ 1（ 去チフ ァ ミリーで純によ って椛成

μの数が梨なるものは多い。そのようなフ ァ ミリーができたのは．遺伝子が繰り返し重複 し .ill秘したもののなかで．組によ っ て異なる新しい機能を ~ff得して変化するものが現れ

たことによる。 ヒト．線虫．ショウ ジ ョウパエの核内ホルモン受谷体を指令する巡伝子は．このこ

i g .4-85。 ） この核内ホルモン受谷体（鶏l l l J 包内受谷体ともいう）の とをよく物苅っている（F

I m型の多 くはこの 3種の生物 l l f Jで、 きわめてよく似ていて. l r i ］肢の椛成日よりも似ている 。 したがって．この大きな遺伝チ ファ ミリーの機能分岐は．これら 3 { f f ［の逃化系統の分岐以

J ! I Jされる 。その後．線虫の進化系統に｜決って．遺伝子 フ ァミ リーの主裂な 前に生 じたと推i 枝 lつが異常に拡大された。 これほど大規模ではないが．遺伝子フ ァミリーの系統樹を見

I 型が拡張する例が日につく 。 ると ．特定のm 遺伝子重複はすべての進化の系統で向頻度に起こ っていて．先述した DNA付加が きかんに起きる原動力にな っている。自主母の自然発生的な重複について詳細な研究が行わ れ.5万∼ 2 5万塩基対のi l l 桜がよく起こることがわかったが．そのほとんどは配列型の反 与に｜間違いが生じ 二本 j J ' i 染色体が切れたのにきちんと 復である。 これらは. DNA抜裂H 修復で きなかったために起こ ったものらしい。 ヒトとチンパ ンジーのゲ ノムを比較すると．

00万年ごとに各ゲノムにが）・ 500) J 地北対の領域が重複により付加され． 向者の分岐以来. 1

lつの昆複領域は平均 5万出器対の長さをも っている （ 両手町と同様． この 5的ほどの長さ のfil桜領域もある ）。 ~際に温法数を数えてみると.

で ． この結果l c l :興味深い 。 この皮質を形成する ときの細胞の活動については F i g. 2 2 9 9を参照。

，− 争＼

•

ーロンである。大き 古 主新皮質はヒトに固有なの

! I i ： 桜が作り出す変化は. IJ : ' i ¥ X ! i . k l 世換よ

りずっと大がかりなものであることがわかる。

重複遺伝子の多様化 f i抜逃伝子のi l l i命が大 きなl l : l H 題となる 。たいていの場合． ゲノムの進化では，新たに生 じた i 版本も写しも同等な機能をも つので．少なくとも以初は J f i i 反した状態を＊−I H ， ＇ ＼ す る選択はほ

ゲノム進化の しくみ

とんど働かないと推定される 。 したがって

255

m : 抜の後に起きるのは． どれかの遺伝子の機能

i 1 iの泣伝子が lコピーしかなかっ 欠損変異だろう 。 これによって，機能については量級の J

m

た状態に戻る 。実際．現存するゲノムの中にも 目：抜した遺伝子の lつが級数の変災で不

1 ¥ Jには．機能をもっ泣伝了ーとその主観 可逆的に不活性化 した例がたくさんみられる。長い 1 で生まれた偽遺伝子 （ pseudogene）との 問 の塩基配~lj の羽l 間性は．後手~－に多くの変興が帯

積してついには検出されなくなるだろう 。

包J , ! , : ! ' i G 列や. i 1 ' . t 遺伝子重複によって生じた 2つのコピーが機能を保ったまま残るが，J

i f ！絞と多機化”で． 伝子発現様式が変化 して別の役割を担うようになることもある 。 この ・ ・ f i l l f 1 ￥−される。生 複雑な生物には機能の閑述した大きな遺伝チファミリーが存在することがJ 物としての緩雑さを Jtj していく進化において ．

このi位税がきわめてill~：な役i1fll を iii"i じてい

ると考えられる。多紐の真核生物のゲノムの訓訟によると . Iつの遺伝子で . i f （彼が起こり その訟のほぼすべての例体に広まる雌率は. 1 0 0万年あたり約 1% である。 ゲノム全体の重複は. . i l l抜一多様化サイクルのなかでも極めつけとよんでよい。 生 はn t i l J iに起こ 殖細胞系列でゲノムが l回複製し．細胞分裂が起こらないと． 全 ゲノム重信1 る 。 まず． 染色体数が単純に倍になる 。 このような供数字I: の~·.激な矧力II は珍しいこと では

なく．特に菌類や植物ではよく起こる。全ゲノムが亙桜すると．すべての. i 1 ' . t伝下は 2つの コピーとして存在する。 しかし重複が生じたのが最近でそれ以後ゲノム構造が変化する 余裕がなかったのではない限り．部分的な重彼が次々と起きるので． これを凡ただけでは 時期に生じたものなのか会ゲノム重桜なのかはわかり に くい。 たとえばJ i r l乳 それぞれ別のl 類について．全ゲノムの重複と DNA領j 或の量殺l の 縦続でどのような役1 1 P lの述いがあ りう るかは不明である。 しかし 遺伝子重紋がたくさんあ った ことは I Y Jらかである 。

m

f ！抜あ るいは連続した応部的 ：桜が数億年l i t rに起 ゼブラフイッシュでは．全ゲノム . こっている。 このゲノム解析が． 今述べた泣伝子の. m . 抜と多様化の過程の解 l ! J Jに役立った。 重複したゼブラフイッシュ遺伝子には変異によ って失われたものが少なくないが.30∼ 50% というかなり大きな割合で．コピーが両方とも活性をもったまま機能的に分岐した

ものがある。多 くの場合．重複した遺伝子！日j の機能の Mも顕著な j@いとして．これらの 遺 Fi g .22-46参 ！ ！ （ （） 。 この 伝子が異なる組織で．あるいは輿なる発生の段階で発現している （

ような結果を説明する魅力的な説として．重複後す ぐに．両方のコピーにそれぞれ危険度

: Y I Jの変災によ り が低い変異が生じたという考えがある。 たとえば. Iつの コピーが湖節目G 特定の組織で発現できなくなり．もう lつのコピーが別 の組織で発現できなくなるとする と．かつては Iつの遺伝子でまかな って いたところに両方のコピーが必 ' t : ・ということにな か 不 活 性 化 を 伴 う 変 異 に よ る消失を免れる。長いU J Jに．それぞれのコピーはさらに変化 しやがて新たな専門化した特性を独得したのだろう 。 F i g.4-85 ヒトH .sap i ens，線虫 C .el egans,

キイ ロショウジョウパエ D.mel an ogas t erの 基づく系 綴内ホルモン受容体のアミノ酸配列にZ 統倒。三角はそれぞれの進化系統で綴内ホルモ ン受容体のサブファミリーが狐大したことを示 す。三角形の底辺の帽がこれらのサブファミリ ーを指令する遺伝子の数を表す。色刷りの縦俸

・ ・ ヒト ・ ・線虫

は遺伝子が 1つであることを示す。現存する 3

1 重の生物にみられる4 案内受容体遺伝子ファミ υ

・ ・ ハエ

ーを生じた遺伝子の箆復と分岐の進化のパター 車内ホルモン受容体につい ンは単純ではない。4 i g .15-14で述べる。このタンパク貨は， ては F

趨伝子調節に関与する。 細胞のシグナル伝還と i ( I n t e r n a t i o n alHumanGenomeSequenci ng Co ns o r t i u m ,Nacure409:860-921 ,2001より改

これ以外に 8遺伝子

これ以外に 30遺伝子

作 。 MacmillanPubl i s her sL t d .より許路）

256

・

4

DNA. 染色体，ゲノム 一本鎖のグロビンは 酸素分子 1個を結合する

F i g .4-86 一本鎖と四本鎖のグロビンの構造の比較。図に示す四本鎖のグロビンは

ヘモグロビンであり. 2本の αーグロビン鎖と 2本の pグロビン鎖から怠る複合体で ある。ある穫の原始的脊縫動物の一本鎖グロビンは二塁体を形成するが。酸素を結合

< t . 四本鎖グロビンへの進化の中間体であると考えられる。 すると解離する。これ l

グロビン遺伝子ファミリーの進化は， DNA重複が生物の進化に寄与するしくみを 示している

!

ヘムに酸繋が 結合する部位

~ffiTmmC

変異により

Z番目の

グロビン遺伝子ファミリーについては進化の歴史が特によく解明されている 。 このため．

グロビン鎖が

DNA重複によって新しいタンパク質が生まれるしくみを型解する i 改良の例となっている。

出現

I 旅な相同悦ーがあることから．その遺伝子 現存のグロビン類には，アミノ酸配列や椛造にゆJ がゲノム上に散らばっていても．共通の祖先遺伝子から生じたと考えてよい。 酸素を運搬する異なる l l iのヘモグロビンを作り I Hした歴史は，系統樹のいろいろな 位世にある生物でのヘモグロビンの比較から再椛成できる。大型動物は体表からの椴素の

I 胞生物が大きく成長するために 拡散だけでは組織に十分な酸素を供給できないので，多翁I はヘモグロビンのような分子が必要になった。その結栄．ヘモグロビン秘の分子は．脊t f t 動物のすべて. 1!!f；脊相I~動物でもかなりの種に存在する 。 動物にみられる l~ も原始的な酸素 述搬分子は．約 150側のアミノ敵からなるグロビンポリペプチドで．ゴカイ．昆虫．原始 的な魚類がこの租のグロビンをもっ。一方．高等脊椎動物のヘモグロビンは. 2種類のク・ ロビン鎖からなっており．約 5億年前，魚類の進化の過程で一連の迫伝子変異と重複が起 こった結果らしい。 こ れ に よ っ て ま ず わ ず か に 異 な る 2つのグロビン遺伝子（αおよび

四本鎖のグロビンは酸索分子

4個を協同的に結合する

トグロビン鎖の逃伝子）ができた。現存の脊椎動物のヘモグロビン分子は 2本ずつの α鎖 i g .4-86 ） 。α2 P2分子の 4伯1 の酸素結合古l l f 立は相互作用して． と P鎖からなる複合体である（F 時と放出 i 時に分子内で協同的なアロステリツク変化を引き起こすので． 一本鎖 酸素の結合 l のものより効率的に酸素の取り込みと放出ができる。 その後.l l [ f i 乳類の進化の過程て、 p i . i ' i 辿伝子が変異と重複を起こ し J台児に特異的な 第三の 戸様鎖を g ミじたらしい。 こうしてできた胎児のヘモグロビンは．成体のものよりも 椴鎖の遺伝 酸素に対する親和性が高く．母親から胎児への酸素の迩搬に役立つ。新しい P

Eとyという 2つの新しい逃伝子を生んだa d t l（ α 2 E 2 子がその後さらに重複と変興を起こ し. を形成）はI 台児の発生初期， y鎖（α ・ 2 Y 2を形成）よりも前に作られる。成体の 9 鎖遺伝子の重 ) −グロビン遺伝子が生じ認長類成体に 複はもっと後の霊長類の進化の過程でも起こり. 1

2 8 2）が作られた（ F i g ・4-87） 。 しかみら れない微量のヘモグロビン（α 重複遺伝子のそれぞれに点変異が起こって産物のヘモグロビンの性質を変え，それ 以外にも．逃伝子発現の｜ 時期と誌を決める調節領域の変化 も起こった。その結果．それぞ れのグロビンはヒトの発生のそれぞれの｜ 時期にさまざまな立が作られるようになった

第1 6染色体

「一一「

( F i g.7 -61B参照）。

・・¥ ~~~3;~

第 11染色体

I E

E:J II

沼肘睦

グロビン遺伝子ファミリーに注目する。比較的愚近＇ y鎖遺伝子が重複していとい を生じた。これらは同一の後能をもっ胎児の R様鋭である。ヒトゲノム内のグロビ i g .7 -60も参照）。 ン遺伝子の配置を系統図の上に示す（ F

5

α遺伝子と

P遺伝子を

引き磁す転m

7

0

p

¥ I I /I

、3

F i g .487 動物の血液中で酸紫を運隠するクロビン鎖の進化系統図。ここでは R 篠

川

ゲノム進化の しくみ

257

グロビンの多様性を生み出した遺伝子重複の 1 1 ： ＜ .終結＊は．ヒトにおいて元の P 逃伝 子から発脱したi l l伝子の集同を見るとはっきりわかる。 これらはたがいに 5万塩基対以内 NH2

の1 1 : 1附で一述の相同溢恭配列として並んでいる。 ヒトでは．α ーグロビン遺伝子の集団は別 の染色体に説んでいる 。 α と P のグロビン逃伝子 l作は.（~~i と 11111~’L実質では別々の染色体上に

あるが．アフリカツメガエルでは同一染色体上にあるので．約 3位、年前に！｜￡座が起こり． 2つの i l l伝子が分隊したと考えられている （ Fi g. 4-87参

m o。

αと p −グロビン逃伝子群のなかには．機能せず偽逃イ云 − − （ とな っているいくつかの f f （桜配列もある。 これらは機能をも っ遺伝子と z ぃ、 相｜ 引当ーをもつが．発現を阻止する変異 が起こ っている。 このような偽逃伝子の存在から予処！されるように. DNAの重複のすべ

l l伝子を生み出すとは｜ 製らない ことがI Y Jらかである 。 また.l l f t j 乳類のゲノ てが機能をもっ i ムにある大過剰の非翻訳 DNAから示唆されるように．機能をもたない塩基配列が急速に 除去されるわけでもない ことがわかる 。

HOOC COOH F i g. 4-88 抗体 （ 免疫グロプリン）分子の模式

重） 鎖と2本の 図。この分子は.2本の同− H （ 同一 L(軽）鎖の復合体である。各 H鎖には共有

工キソン閣の組み換えによって新しい遺伝子が作うれる可能性もある l l複は．たんに泣伝子フ ァミリーの拡張だけではなく．もっと小規 進化における DNAのl

結合でつ芯がれた 4つの同ーのタンパクドメイ ンが 各 L鎖には 2つの同一忽ドメインがある。 各 ドメインは別々の工キソンが指令する。すぺ

l l 桜 DNA領域を結ひ、合わせて lつの i l l 伝子を生成する過程にも重要な役割j を 般に． 短いi

ての工キソンは．単一の街先工キソンから一連

来たしている。 こうしてできた迫イ云子が指令するタンパク質は． たがいに似たタンパクド

の盈復過程によって進化してきたと考えられる。

F i g. メイン桜数が共有結合によって直列 に並ぶのでわかる。 たとえば免俊グ ロプ リン（ 4-88）やアルブミンや多くの繊維状タ ンパク（コラーゲンなど） は．始J j j ( 凡i 基配列の繰り返

し震被によ って進化 をとげた逃伝子で、あ る。 このように進化 で生じた逃伝子を含めたほとんと’のi l l伝子で．別｛ 問のエキソンのそ れぞれは．タンパク質の側々の折りたたみ単位．すなわちドメインを指令している。DNA の制 ;l!~'Wi域が－ ill のエキソンの問に長いイントロンが入り込んだかたちをしているために．

タンパ ク質の進化が著しく促進されたと考えられている。単一のi l l 伝子が指令するタンパ ク質が反復ドメインをも っている場合．その逃伝子は i l l桜で形成されたと忠われる。 この 宝級のための DNAの切断と再結合は． タンパクドメインを指令するエキソンの両側にあ

l J る長いイントロンのどこで起こってもよし、。 もしイントロンがなかったら .DNA分子 l で組換えが起こりドメインが重複できる音I 伎は．ほんの少ししかない。 イントロンは．重 複が起こるような剥l~~ え部位を婚やして． 者II合のよい1f（彼が起こる確率を高めている 。

一般論としてゲノムの塩基配列を見ると， 1 1 A 1 々のエキソンやその削節配列など泣伝 子の榊成~訟が l つの単位となって重複し ． ゲノム内を移動した結果が今日の生物の多様

性の必であると いえる 。その結来 として． さまざまな起 i J ； ［ をもっ ドメインを継ぎはぎした 現存タンパク質ができたのであり．そこに長い進化 の燃史が反映されている （ F i g .3-1 9参

m o。 中立変異は集団に広まり，その個体数に応じた確率で固定される 何百万年も 1 i iに分岐した 2つの生物種目J I の比較では．それぞれの磁のどの個体で調べても 逃いはほとんどない。 たとえば．典型的なヒトとチンパン ジー DNAの溢基配列はたがい % 災なるのに対して .2人のヒトのゲノムの｜ 吋 じ領域の追いは通常 .0 . 1% 以下である。 に約 1

矧縁関係のも っと雌れた生物問では．種内の変化は N tl l l の逃いに比べてい っそう目立たな くなる。 しかしヒトとチンパンジ一 間の 雌定した泌い” （ すなわちそれぞれの種のほぼ M

すべての悩体に特徴的な逃い）はまぎれもなく l個体の新しい変 i でから始ま ったものであ 1 止 初jの対立遺伝子頻度 る。変民の起こる交配集団の大きさを N とすると．新たな変災の 1

( a le l ef r e qu enc y） は二倍体生物に対して l /( 2N ）である 。そのようなまれな変異が集団でど のように制定さ れ．特定の個体のゲノム を超えて秘の特徴になるのだろうか。

258

・

4

DNA，染色体．ゲノム

答えは．変異ーが機能におよぽす彩特によって呉な ってくる。変異が生物体に重大な 悪影響をおよほす場合は．純化選択によって簡単に排除され定指しないだろう（ i 誌も極端 な場合，変異した個体は子孫を作る前に死んでしまう） 。反対に変異が個体の繁殖に有利 なら，すみやかに集団に広まるだろう 。 ヒ トは有性生殖をし配偶子形成のたびに逃伝的 組換えが起こるので （ 第 5f , ' . i : ， ） この変興ーを受け継いだ個々人のゲノムにはたくさんの祖先 から受け継 いだ領域群が独特に組み合わされており．組換えによるモザイク椛迭をとる。 選ばれた変異が近隣の配列とともに変異の発生した個体から受け継がれたとき ．それは膨 大なモザイクの lつとなるのである。 答のな い変異の大部分は有議でもない。 このような 中立 変異 （ s e l e c t iv e l yneut r al mut at i on）も集団の中に広ま って定着 し． ゲノムの進化における変化 に大きく 寄与する 。 このような変興は，まれに生じる非常に有益な変異ほどにはすばやく広まることはない。 このような中立な遺伝的変化が理想的な交配集団を通して受け継がれる過程は．驚くほど 単純な方程式で数学的に表せる。 ヒト の遺伝的変化 を分析するのに最も役立つ理想的なモ デルは．選択に対して変異は中立なものとし．集団の大きさは一定で任意交配することを 前提とする。後のほうの前・提はどれもヒト集団の歴史によく適合するとはいえないが，秘 内変興の解析にとってはよい出発点になる。 新たな中立変異が，任意交配する大きさ N の一定集団で生じるとすると．その変 異が最終的に固定される確率は約 1 /( 2N ）である。変異の固定に要する平均時間は. 4N佐 代となる。 ヒトの遺伝的変化 に｜ 刻する詳細 なデータ解析より．現在の泣伝的変異のパター ンの大部分が確立した期間にあ った祖先の集団の大きさは l万人程度だったと示唆されて いる。 この大きさの集団に新しい中立変異の定着する i T 官率は. 5× 10-sと小さく．固定に 要する平均年数は 80 万年程度と計z~：される (1 世代は 2 0 年と青1・~：） 。 ヒ ト は l 万 5000 年

ほど前に J ; ! k 緋を始めてから驚くほどの人口増を遂げたことがわかっているが，多様な遺伝 子変異のほとん どは．それよりはるか以前に生じた変呉が交じり 合った結果だと考えられ る。 そのころ少数集団だ‘ っ たからこそ．広く拡散したのである。

ヒトにおける変異の解明でいろいろなことがわかる 現代人 にみられる多様な変異の大部分はごく少数グループであった祖先で生じた変異に起 因し ているが，認められる変撲の数はきわめて大きい。変異が生じる重裂な源の 1つは， DNAの大きな断片の多数回の重複や消失であり． これについては長年考慮されて こなか った。ある推定によれば. I人のヒ卜のゲノムをデータベース上のヒトの機準ゲノムと照 合すると．長い DNA；庖基配列について．およそ 100か所の逃いが見つかるという 。 こう した”コピー数の差異”には．よくあるものか ら （F i g.4-89）少数の人 に しかみられないも ）。予備的観察によると． これらのほぼ半分には既知の逃伝子が見 のまである （ F i g・4-90 つかる 。脊＊ ＇主動物のゲノムでは

DNAの付加 や消失が広く行われてきた ことを 考えれば

( F i g .4-79参照）．これはきして驚くことではない。

i 主もよ く研究されている経内の変化は一塩基多型 （ s i ng l en u c l eo t i depol ymorphis m. SNP）である。 これはゲノム； 臨基配列の中の点にすぎず，ヒト 集 団を構成するほとんどの 人では lつの塩基であり ．他の集団では別の塩基である 。現存のヒ ト集団から任意に 2人 選ぶと．それぞれのゲノムの約 2 . 5× 1 0 6か所 （ 1300塩基対あたり lつ）にー担恭多型が確 認される。遺伝学をまとめる第 s 1 ; 1で述べる が．ヒトゲノムで多型 （ po l ymo rphism）を示

＇

す部位，すなわち 2人の倒イ本のゲノムで! Aなる確率がかなり高い （ 一般に 1 %以上）音I 位は． 遺伝分析にきわめて有用で．医学的科学的目 的のために．特徴 （ 表現型）と DNA塩基配列 の｜ 刻j f i lを調べるのに好都合である （ p. 56 0参

m o。

有史以前の祖先から受け継いだこの一般的な SNP以外に．変異が例外的に高い瀕 ！支で起 こる注目すべき配列がある。その顕著な例は CA反復で． ヒトゲノムや他の其核生

ゲノム進化のしくみ

259

F i g .4-89 ヒトでよくみ 5れるコ ピー滋変化を示す函像。調べた人の半訟は．デン

左 ） 。 それ以外の人 ブンを消化する酵緊．アミラーゼ遺伝子を 9コピーも っていた（

mmのために. DNAが失われたりI伺えたりし

でI d : . この領繊の一部に起きた欠失や

f : !る目的で，のびたクロマチン繊維に対し，アミラ て染色体が変化していた。画像をi ーゼ遺伝子の両織のそれぞれに結合する 2l 盟類の色のプローブをハイブυッド法で 結合させたものの画像を図に示す。隣の宵い線I d : . 長くのばしたクロマチン DNA像 であり．日j l の色繁を用いて染色し．見やすいように脇に移動させてある。（A . J .I a f r at e e ta l . ,N a t .G e n e t .36949-951,2004より改作。 M a c m i l l a nP ub l i s h e r sL t d .より許諾） ・ ：

n r n tと新生 DNA

アミラーゼ遺伝子の 5’ 舗に結合する 『∼∼∼｜ プローブ アミラーゼ遺伝子の 3’ 端に結合する プローブ

物ゲノムに広く存在する。 （ CA） ，，モチーフを合む配ダj lは．被 製 の｜ 祭に鋭

と の 川 で ス リ ッ プ を 起 こ し や す く ． 複 製 の 粉 肢 が比 較 的 低 い。 そ の た め

Hの イii はゲノム

により大きく輿なることがある。 ほとんどのヒトはヘテロ接合体であり．付税からある反 彼 ＇ ＂＇ 数（ 1 1）を ． 父 親 か ら日 j lの反復＇＂＇数を受け継 つの

I II ( 立をもっ。

ぐので． そ れ ぞ れ の CA反復に｜刻しても 2

このような反復配列は DNA l 二の よ い 遺 伝 マ ー カ ー と し て 使 え る。n1 r l i

の笈化はさほど頻繁ではないので税から子に CA反復がほぼ込·. ~たに伝えられるが． 変化は それほど低頻度でもないためにヒト集団ではこのヘテロ接合性は向く似たれている 。例 外 的 lこ ~·：i い変異率を示す CA

＇司人特定の おける i

l . l i f ! i :やその他の日l i l l iな I X : f U配列は．犯：. m t 史資や父税認知！などに

一一争 DNAll 掴大

DNA鑑定に利川 されている （ F i g .8-47参 ！ ！ ｛ ｛） 。

ヒトゲノム . I J . U 主配タj lの SNPや コ ピ ー 数 の 変 化 の 大 部 分 は 表 現 型 に 泌 物 し な い と 考 え られているが．そのなかには何らかの遺伝的劣化と｜刈述するものがあるに述いない。l つ のヌクレオチドの変化から．制；i ¥ ' .されるタンパ ク質の lつのアミノ阪の変化が生 じ そ れによ って重い病気が生じることが匁 l られている。 ヘモグロビンの突然公民から鎌状赤J i l l ￡ R 1 t 1 f 1 L が生 じるのがそれである。＜TTTT＞また. : i l t（ぷチのコピー数の約加lや半減とい った

i l l伝子の世そのものが．

その i l l 伝子産物の祉変化を通じて発生時のヒトに甚大な影特をも

− ー ー ー 噌 ’

DNA欠失

た らす こ と も あ る こ と がわか っている。 当然ながら. SNPで あ れ コ ピ ー 数 の . i ! i !いであれ． ヒトの 1 1 1 1のこのような多くのぷ民のなかには．他ML 1 I ; . : . e I L ふるまいに彩科をワー えるも の があ る と考えてよい。 さ ま ざまなヒトのゲノム で起こ る 数多 くの 'l • iL 変化の な かで．少な

くて も機能的に重裂な九日民を比つ けることが． ヒ卜 i l l伝学にと って むずか し い が i f t ： 裂な課 題 で あ る。

ヒト第 17染色体

1 000万温益対

「 一 一 一 一 一I

F i g. 490 ヒト第 1 7染色体にみられるコピー

敏変化。1 0 0人に対し. DNAのコピー数が調べ られる DNAマイクロアレイ解析；去を使って第

思cillr.trc

,J：；~t 41叫 kti~~h~”品Lrl. ~iu.,t

1 7染色体全i 或を調査したところ．図のように．

棟準にとった人の湯合と比べて.DNAコピー訟 の綱大（緑色傍線）とコピー惣の減少（赤色梅線） の起こりゃすいところが分似して存在している のがわかる。五E も短い赤色または緑色の棒線は． 調査した 200の梁色体で 1つだけ変化がみられ たことを表す。長い4 華線はI 曾大や減少がよく起 きたところで．変化の起こりやすい領主主の存在 がわかる．霊復がすでに起きているスき怒ブロ ックやその近傍で起こりやすい傾向がある。変 d : . 既知の遺伝子のところで起こっている 化に I

. L .F r eemaneta l . , ものが少なくない。 （J 6: 949 9 6 1 ,2006より改作。 Col d GenomeR e s .1

S p ri ngH a r b o rL a b o r a t o r yP r e s sより許認）

・

4

260

DNA，染色体．ゲノム

まとめ 現存生物のゲノムの塩基配列の比較ができるようになって遺伝子とゲノムの進化の概念 が革命的変貌をとげた。DNAの複製や修復過程の精度はきわめて高く．ゲノムの塩基配 列を維持する過程でランダムに起こる誤りはごくまれで．どの系統でも 100万年ごとに 1000塩基あたり約 1塩基のみ変化する程度である。したがって．約 60 0万年前に分岐し

たヒトとチンパンジーを比較しても．変化がほとんど芯いのは当然である。ヒトとチンパ ンジーの逓伝子は基本的に同じ芯だけではなく．各染色体上の迎伝子のI I 頃序もほぼ同じで ある。過去 600万年間 l こDNAの断片の重複や消失がかなり起こっているが.DNAの非翻 訳領域の大部分を占める転移因子の位置でさえほとんど変わってい忽い。 約 8000万年前に分肢したヒトとマウスのように類縁関係がもっと薄い 2穫の生物 のゲノムを比較すると変化はもう少し見つかってくる。そこでは自然選択の影響がはっ きり読み取れる。純化選択のおかげで，調節領域と翻訳領域（工キソン）の重要拡短基配列 は高度に保存されている一方で．重要でない塩遅配列（たとえばイントロン内の多くの領 域）は共通祖先を前提にした配列比較ができ芯いほどに変化している。 純化選択があるおかげで．複数の類縁穫のゲノム DNA塩基配列を比較することに よって．霊要芯機能をもっ DNA塩基記列を見つけることができる。ヒトゲノムではその 約 5% が純化選択によって保存されているが．この DNA領域の大半（多種の生物聞に保存 されている数万におよぶ DNA配列）の機能はまだわかっていない。これらの機能の特性 が明らかになれば．脊椎動物の生物学的理解も深まるものと期待される。 また‘ある DNA塩基配列比較から．現存生物の遺伝子の複雑さのほとんどは．大 昔の遺伝子ファミリーの拡張によるものであることがわかった。DNAの重複とそれに続

d : . 進化で新しい遺伝子が生まれる大きたE 原動力に忽っている。任意の 2人のゲ く多様化I ノムの違いは．ヌクレオチドの置換（一境基多型［SNP ］）や DNAの獲得や消失によるコピ ー数の変異が遺伝的に受け継がれる結果．生じたものである。こうした違いが解明されれ ば．医学やヒト生物学の発展に役立つことになろう。

→

章末問題 以下の記述の正誤を判断し．その理由を説明せよ。 4-1 ヒト染色体は. £.d't は 23 磁類で男性では 24 磁~iである 。 4-2 ヒトとマウスのような類縁の生物の DNAを比較し DNA保存領域を凡つけると．機能的に重姿な領域を探すのが容 ぁ ； に なる。 4-3

セ~な 4 狐~i'i のコア ・ヒス ト ンは.

0

~＇＂’ill＇に多くの正に’；;j~＇

-0- P= O

mしたアミノ阪をもっ比般的小さなタンパク伎である。 この正 m術によ って．温法配列にかかわらず DNAと強く結合する 。

0

ヌクレオソームと DNAは強 く結合するため．初めに集 合した場所から移動できない。 4-5 生物の後雑さの J M J J l lに．遺伝子の霊抜と多機化が重要な 役 ；l p Jを よ ・ ! lたしたと考えられる。 4-4

0 -0- P=O

以下の問題を論ぜよ。 4-6 綱I区i ウイルス M 1 3から l j i 離した DNAの組成は.A=25%. T=33% .C=22%. G=20%である。この結集・は妥当だろうか。答 えて．その理由を述べよ 。この似をどう説明すべきだろうか。 4-7 一本鎖 DNAの内： ￥1 1% （域の一部を Fig.Q4-1 に示す。 こ の DNA飢のよから l ； に1 l 1 J かつてどんな極性があるかを答えよ 。

0

F i g ・ Q4-1

一本鎖 DNAの内部の 3ヌクレオチド（ 問

題 4-7 )。DNA鎖の端に示す矢印は両方向へ偽造が続

いていることを示している。

。

章末問題

4-8

E 三一一一一 H4 F i g. Q4 -3 HPlタンパクの結合 Me5 10・ p修飾なし 特異性を調べる実験（間短 4-13 。 ） 修飾忽し K9・ 「一一「「一一「「一一「「一一「 IUB IUB IUB IUB S DSポリアクリルアミドゲル 気

ヒトの DNAには．分子数で青1 ・ n ：すると C が 20%含まれ

るc では. A.G.Tの割合を算出せよ 。 4-9

m

オランウータンの第 3染色体とヒトの第 3染色体の聞に

F ig.Q4 -2） 。l@I目の逆位 は. 2阿の逆位に由来する逃いがある （

で生じた中間体の染色体 を 図 示 し 各 同 の 逆 位 の 際 に ブ ロ ッ ク として祭！T O Jした領域を示せ。 4-10 30nmクロ マチン繊維は．長さ 50nmあたり 20個の ヌ

261

P a x S P el

・・ ー ・ ・ ・ ー

司 ， ， . ＿

・-

， ．

ー−ー・ー ー

S u v 39h1 HP l日

I- •

HP l ~

HP 1y

』 】

日 ー− − トー

泳動で分践した後，図の左に示し たタンパク貨を特定の抗体を周い て免疫プロ ット法で染色したもの。 ヒストン N末錨ペプチドのそれ ぞれに対し．投入した全タンパク 質を. I 結合しなかったタンパク

aを U.結合したタンパク質を B と表した。（ M.L a c hne reta l . ,

オランウータン

F ig .Q4-2 オランウータンとヒ卜の第 3

N a r u r e410 : 1 1 6 1 2 0 ,2 0 0 1より改

染色体（悶額 4-9 。 ） 色分けした領域は．

u b l i s h e r sL t d .よ 作 。 MacmillanP

過去に起きた染色体組換え時のブロック

り許認）

ヒ トを示す。 これらの紡栄か ら，調べたタンパク質のどれが．修飾されて いないヒストン尾部に結合する と結論されるか。HP！タンパクの

クレオソーム（ 1個のヌクレオソームあたり 200；臥基対）からなる

されたヒス トンの N末端 どれかと際単タンパクのなかで．修飾i

と仮定し．このクロマチン構造における DNAの凝縮度を計算せ

ペプチドに選択的に結合するものがあるか。 どのヒストンの修

よ。 この DN Aの詰め込みの程度を．凝縮皮が l万倍になる有糸

飾がヘテロクロマチンで見つかると予恕されるか。

分裂｜時のものと比較せよ。

4-14 転移悶子は動く DN Aの断片であり 目染色体に入り込み

4-11 ヒストンのアセチル化はつねに i l l伝子の活性化とかかわ

進化の過程で蓄殺されてきた結果．ヒトのゲノムの 40%を占め

舌性化か抑制j りがあるのに対しヒストンのメチル化は転写の i

長い散在反復配列） ている。4つの型の転移因子．すなわち LINE（

のどちらかにかかわる 。 メチル化という同一の修飾から異なる

SINE（ 短い散在反復配列）.LTRレトロトランスポゾンーDNA ト

紡来がもたらされるしくみについて考策せよ 。

ランスポゾンはほぼランダムにヒトゲノム全域に入り込む。 こ

4-12 2つのセントロメアをもっ染色体が不安定なのはなぜか。

oxA.Ho x B .HoxC. れらの附チは 4つのホメオボックス巡伝子俳 H HoxDのところでは著しく少ない。Fig.Q4-4に HoxDの例を．

予備のセントロメアがあると ．動防（体を形成して有糸分裂する 際に微小管に結合する機会が f gになるのは，染色体にとって不 都合なのだろうか。有糸分裂の際に染色体が取り賊されないよ

Hox併を欠く第 22染色体領域とともに示し である。各 Hoxl 洋は 0 0kb（ キロ塩基）にわたって 9∼ 1 1 1 1 1 i 1の泣伝子を含んでい 長さ 1

うにするのに有効で‘はないのだろうか。

i 副 l に沿って こうした逃伝子が少しずつ時期を る。発生）］￡の前後i

4-13 ヘテロクロマチンに存在するタンパクファミリーの HPl

ずらして発現していくことが． ヒトをはじめ多くの動物の体を

タンパクは．遺伝子のサイレンシングとクロマチン椛迭に関与

作で転移因子 形成するうえで基本的なしくみにな ってい る。Hoxl

. HP!J 3 . するとされている 。 ヒトの 3種類のタンパク質. HPlα

が非＇i ；＼・に少ないのはなぜだと考えるか。

HPlyは．きわめて保存度の高いクロモドメインを共有しており ．

クロマチンの局在を司ると考えられている。 これらのタンパク 質がヒストン H3の N 末端に親和性を示すかどうかを調べるた めに．次のような実験をしたa 修飾していないもの． リシン 9 をジメチル化 したもの（ K9-Me） 。セ リン I Oをリン椴化 した もの ( SI O -P）の 3厳類の H3N 末端ペプチドと修剣iしていない H4尾

部を．日I J身のピーズに共有結合させる。 この後． このビーズ と

第22染色体

1 1 1 1 1 1 1 1 1目閣R1 11 I I量1 l l f ll l l l I刷I I l I l 目1 1 11 I I

・1 1 1 1 1 岡・・｜ 劃聞・m ! L .. 1 1 1 目町｜ ： ・t 劃岡田川・1 ' 1 1 1圃 目 第 2漁色体

・ ・ ＂ I

I~ I

m 1 1削 1 1 1 1 11 1 1 1 1I i L 1 1 1 1 1 阻 圃 刷｜ 附1 1 1 1 1 1圃l L l J l l l l 聞 H 」一一」

1 0 0kb

L

ー ー ー ー ー ー ーJ

HoxD君 事

よ記 H T ! 類のタンパク質を混ぜ合わせ．結合しなかったタンパ

F i g. Q4 4 第 2染色体と第 2 2染色体の 1Mb （ メガ塩基対）領i 或 における転

ク質を洗い流し結合したタンパク質を解離させた後ウエスタ

移因子と遺伝子（問題 4-1 4 ）。上部の縦の黒線は既知の巡伝子の工キソンを

ン ・プロ ッ ト法で調べた。HP！タンパクがどうふるまったかは

示し．下部の赤線 l e ! : 転移因子を示す。転移因子の数は非常に多く（ヒトゲノ

F i g .Q4-3に示されている。．対照として遺伝子調節 タンパクの

ムの 4仰 b以上）. H o x遺伝子群以外の領主主ではほとんどくつついて見える。 （E .

PaxS. ヒストンに結合する ことが知られている Pol yco mb タンパ

L a n d e re ta l . ,N a r u r e 4 0 9 : 8 6 0 9 21 , 2 0 0 1より改作。M a c m i l l a nP u b l i s h e r sL t d

ク Pe l.

より許お）

ヒストンメチラ ー ゼの Su v39 hl も 11•］織に調べた 。

262

4

DNA，染色体，ゲノム

文献

S h a h b a z i a nMD&G r u n s t e i nM ( 2 0 0 7 )F u n c t i o n so fs i t e s p e c i 日ch is t o n e a c e t y l a t i o nandd e a c e t y l a t i o n .AnnuR e vBiochem7 6 : 7 5 1 0 0 .

全般

染色体の全体構造

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DNAの構造と機能 A v e r yO T .MacleodCM&Mc 仁a r t yM ( 1 9 4 4 )S t u di e sont h ec h e m i c a ln a t u r e x p o ft h es u b s t ancei n d u c i n gt r a n s f o r m a t i o no fpneumococcalt y p e s .JE Med7 9 : 1 3 7 1 5 8 . a h l FW( 1 9 5 8 )Ther e p l i c a t i o no fDNAi nE . c o l i .P r o cN a t lAcad Mese l s o nM&St S c i U S A4 4 : 6 7 1 6 8 2 r i c kFHC( 1 9 5 3 )M o l e c u l a rs t r u c t ur eo fn u c l e i ca c i d s .A WatsonJD＆ζ s t 『u c t u r ef o rd e o x y r i b o s en u c l e i ca c i d s .N a t u r e1 7 1: 7 3 7 7 3 8 .

染色体 DNAとそのクロマチン繊維への詰め込み J i nJ ,Ca i Y ,L iBeta l( 2 0 0 5 )I nando u t :h i s t o n ev a r i a n texchangei nc h r o m a t i n T r e n d sBiochemS c i3 0 : 6 8 0 -687 KornbergRD& Lor chY ( 1 9 9 9 )T w e n t y f i v ey e a r so ft h enucleosome, f u n d a m e n t a lp a r t i c l eo ft h ee u k a r y o t ec h r omosome . C e l l9 8 : 2 8 5 2 9 4 . L iG ,L e v i t u sM ,BustamanteC &WidomJ( 2 0 0 5 )R a p i dspontaneous ：・4 6 5 3 . a c c e s s i b i l i t yo fn u c l e o s o m a lDNA.N a t u r eS t r u c tMo/B i o l1 2 2 0 0 6 )Chromatinr e m o d e l i n gby Lor chY ,M a i e r D a v i sB&KornbergRD( nucleosomed i s a s s e m b l yi nv i t r o .P r o cN a t lAcadS c iUSA1 0 3 ・ : 3 0 9 0 3 0 9 3 . L u g e rK ,MaderAW,RichmondRKe ta l( 1 9 9 7 )C r y s t a ls t r u c t u r eo ft h e t i c l ea t2 . 8A r e s o l u t i o「 i .N a t u r e3 8 9 : 2 5 1 2 6 0 nucleosomeco r e問 r J( 1 9 9 8 ） 羽 可eh i s t o「 1 et a i l so ft h en u c l e o s o m e .C u r r O p i n L u g e rK&RichmondT Gene tDev8: 1 4 01 4 6 . M a l i kHS&He『i i i く o f fS( 2 0 0 3 )Ph yl ogenomi c so ft henucleosome N a t u r e S t r u c tB i o l1 0 ・：8 8 2 8 91 R i e dT ,S c h r o c kE ,NingY&Wi e「 1 b e r gJ( 1 9 9 8 )Chromosomep a i n t i n g :a u s e f u la r t .HumMo/G e n e t7 :1 6 1 9 1 6 2 6 . Ro b i 「 1 S O「 1 円＆ RhodesR( 2 0 0 6 )S t『u c t u r eo ft h e30nmc h r o m a t i nf i b r e :Ak e y r o l ef o rt h el i n k e rh i st o n e .C u r rO p i nSr r u c tB i o6 :1 8 i gt h ei n d u s t r i a l S a h aA ,W i t t m e y e rJ&C a i r n sBR( 2 0 0 6 )C h r o m a t i nr e m o d e l i「 r e v o l u t i o no fDNAaroundh i s t o n e s .N a t u r eRe νMo/C e l lB i o /7 : 4 3 7 4 4 6 「 v e tB i o /1 6 : 2 1 3Woodco c kCL( 2 0 0 6 )C h r o m a t i na r c h i t e c t u r e .C u r rO p i nS r 2 2 0 .

ハ

守 ：

クロマチン構造の調節 E g g e rG ,L i a n g ,G ,Apar i c i oA&J o n e sPA( 2 0 0 4 )E pi g e n e t i c si nhumand i s e a s e andp r o s p e c t sf o re p i g e n e t i ct h e r a p y .N a t u r e4 2 9 : 4 5 7 4 6 3 H e n i k o f fS( 1 9 9 0 )P o s i t i o n e f f e ctv a r i e g at i o na h e r60y e a r s .T r e n d sG e n e t 6 : 4 2 2 4 2 6 「 i i k o f fS&AhmadK( 2 0 0 5 )Assemblyo fv a r i a n th i st o n e si n t ochroma t ii n . He An nuRevC e l lDevB i o l2 1：・1 3 3 1 5 3 . e l s e n f e l dG( 2 0 0 6 )I n s u l a t o r s :e x p l o i t i n gt r a n s c r i p t i o n a land G a s z n e rM &F e p i g e n e t i cmechanisms. N a t u r eR e νG e n e t7: 703-713 . ll i sCD( 2 0 0 6 )H i s t o n eH3v a ri a n t sandt h e i rp o t e n t i a lr o l ei n HakeSB&A i n de x i ngmammaliangenomes:t h e " H3b a r c o d eh y p o t h e s i s . "P r o c Na t lAcadS c iUSA1 0 3 : 6 42 8 6 4 3 5 . JenuweinT( 2 0 0 6 )Thee p i g e n e t i cmagico fh i s t onel y s i n em e t h y l a t i o n .F E B S ) 2 7 3 : 3 1 2 1 3 1 3 5 M a r t i nC & ZhangY ( 2 0 0 5 )Thed i v e r s ef u n c t i o n so fh i s t o n el y s i n e m e t h y l a t i o n . N a t u r eR e vMo/C e l lB i o /6 : 8 3 8 8 4 9 M e l l o n eB ,E r h a r d tS&K a r p e nGH( 2 0 0 6 )TheABCso fc e n t r o m e r e s .N a t u r e C e l / B i o / 8 氾 7 -429 . 日c a t i o n s .C u r rB i o l P e t e r s o nCL&L a n i e lMA( 2 0 0 4 )H is t o n e sandh i s t o n emodi 1 4 : R 5 4 6 -R 5 5 1 c k aJ( 2 0 0 7 )Me t h y l a ti onofl y s i n e4on R u t henburgA J ,A l l i s仁D&Wyso gas i n g l ee p i g e n e t i cm a r k . h i s t o n eH 3 :i n t r i c a c yo fw r i t i n gandr e a d i『i M o l C e / / 2 5 : 1 5 -3 0

ゲノム進化のしくみ B a t z e rMA&Dei n i n g e rP L( 2 0 0 2 )ALUr e p e a t sandhumangenomi cd i ve r s i t y . N a t u r eR e vGe ne t 3 : 3 7 0 3 7 9 Bl anchet t eM ,GreenE D ,Mil l e rW, &Haussl e rD( 2 0 0 4 )Reconst r u c t i n g l a r g er e g i o n so fana n c e s t r almammaliangenomei ns i l i c o .GenomeR e s 1 4 : 2 4 1 2 2 4 2 3 . 『 i gZ ,V e n t u r aM ,SheXe ta l( 2 0 0 5 )Agenome-widec o m p a r i s o no fr e c e n t Che chimpanzeeandhumans e g m e n t a ld u p l i c a t i o n s .N a t u r e4 3 7 : 8 8 9 3 FeukL ,CarsonAR&S c h e r e rS( 2 0 0 6 )S t r u c t u r a lv a r i a t i o ni nt h ehuman ge nome.N a t u r eR e vG e n e t7: 8 5 9 7 . I n t e r n a t i o n a l HumanGenomeSequencingConsortium( 2 0 0 1 )I ni t i a l s e q u e n c i n ganda na l y s i so ft h ehumangenome . N a t u r e4 0 9 : 8 6 0 9 2 1 I n t e r n a t i o n a lHum anGe nomeC o n s o r ti um( 2 0 0 4 )F i ni s h ingt heeuchromat i c sequenceo ft h ehumangenome.N a t u r e4 3 1: 9 3 1 9 4 5 . K o s z u lR ,C a b u r e tS ,DujonB&F i s c h e rG( 2 0 0 4 )E u c a r y o t i cgenomee v o l u t i on t h r o u g ht h es p o n t a n e o u sd u p l i c a t i o no fl a r g echromosoma l s e g m e n t s . ・ ： 2 3 4 2 4 3 . EMBOJ23 M a r g u l i e sE H , NISCComparativeSequencing Program & Green ED ( 2 0 0 3 )D e t e c t i n gh i g h l yc o n s e r v e dr e g i o n so ft h ehumangenomeby m u l t i s p e c i e ssequencec o m p a r i s o n s . C o l dS p r i n gH a r b o rS y ,pQuamB i o l 6 8: 2 55 2 6 3 . MouseGeno meS e q u e n c i『1 gConsortium( 2 0 0 2 )I n i t i a lsequenci ngand ・ ：5 20 5 6 2 . compar a t i v ea n a l y si so ft h emo us egenome.N a t u r e420 P o l l a r dK S ,S a l amaS R ,LambertNet a l( 2 0 0 6 )AnRNAgenee x p r e s s e dd u r i n g c o r t i c a ldevelopm en te v o l v e dr a p i d l yi nhumans.N a t u r e4 4 3 :1 6 7-1 7 2 . i c h l e rE E( 2 0 0 7 )S t r u c t u r a lv a r i a ti ono ft h ehuman S h a r pA J ,ChengZ&E genome.AnnuR e vGenomicsHumG e n e t7 : 4 0 7 4 4 2 . S i e p e lA ,B e j e r a n oG ,Pede『s e nJ Se ta l( 2 0 0 5 )E v o l u t i o n a r il yc o n s e r v e d e l e m e n t si nv e r t e b r a t e ,i n s e c t , worm,andy e a s tgenomes . GenomeR e s 1 5 : 1 0 3 4 1 0 5 0 . TheI n t e r n a t i o n a lHapMapConsortium( 2 0 0 5 )A h a p l o t y p emapo ft h e humangenome.N a t u r e437 : 1 2 9 9 -1 3 2 0 . TheENζODEP r o j e c tConso r t i um( 2 0 0 7 )I de n t ii fc a t i o nanda n a l y s i so f f u n c t i o n a le l e m e n t si n1%oft h ehumange nomebyt h eE NCODEp i l o t p r o j e c t .N a t u r e447 : 799-81 6.

DNA の複製，修復，組換え 字I iのようなカオスの中で細胞が高度な秩序を保っていられるのは. DNAという化学物 止の遺伝情報が正確に複製されるからである。 この DNA桜製 （ DNA 質に孫えられた大 i r epi lc a t i on）とよばれる過程は. If 聞の細胞から泣｛ −的に同一な ム 2倒の娘細胞 を作り 1 1 1す前 ＇の化学 ：物質や肱射総． あるいは細胞内 に起こらなければならない。 また.DNAは環境＂ で生じた熱や反応性分子によって繰り返し似~を受けるので． 正確さを似つため には遺伝

的損i をたえず監視し修復することも必裂である。 この￥では.DNAの彼製と修復を行

ONA塩基配列の維持

263

ONA複製機構

266

ONA複製の開始と完了

281

ONA修復

295

相同組換え

304

うタンパク装1位について述べる 。 これらの袋世は細胞内で起こ る最も？.＇~泌で正維な 反応、を

m

免l ！媒するものであかその作 機械は細胞の化学反応の巧みさ．効率の日さをよく示して

いる。

転移と保存型部位特異的組換え

316

Y J ( t ' ; Jに生 細胞の短期的生存には DNAの変化防止が不 可欠だが．生物が却として長J き伐るには．何l世代にもわたる Ill］ に DNA の泡1~配タlj に変化が起こることが必須である。

自己の DNAを守るために細胞はたいへんな労 ） Jを費やすが．それでもまれに庖4配列に 変化がL I ：じる。そして長い ! H J にその変化によ って例体l l J l .集団間の遺伝・ 的な芯民が生まれ． そこに巡択圧が働いて進化がもたらされる。 この草ではまず. DNAが世代から世代へと受け継がれる際に起こる変化を取 り上 げ．次いで．こ のような変化 を松小 lfr~ にとどめる細胞の機構． すなわち D NA 彼製と修復

について説明する。最後に．細胞が DNAのJ J , i ； ＆配列を変化 させる興味深いしくみ． つま り DNA組換えや転移因子とよばれる染色体内で動く特殊な DNAに1 . 1 ； ＼ ； 以をしぼって考え てみることにする。

DNA塩基配列の維持 l i i l述したよ うに．般の長j 倒的な平｛続にと ってはたま に起こる： 遺伝的な変化が大切だが．個 体の生存にとっては遺伝的安定性が不可欠である。 しかしきわめてまれではあるが．細胞 の DNA 維持機構が~j~ りを犯し.

DNAにA ＜続的な変化を引き起こすことがある。 このよ

うな笈化．すなわち変異 （ mut a t i on . 尖然変民）がJ J , i ） 主 ， 配列の重要な f 立i 丘に起こ ると ．手Eに

f : :ることもある。

変異が起こる確率は極端に低い D N A の~2主配列に 制祭可能な変化が起こる f｛~'t1 .

すなわち 変異率 （ muta ti o n

r a t e ）は．大

) J 治的 ε s c he r i c h i ac o l i（ヒトのJ I 誌に住み．実験によく使われる ）などの綱1簡での実験で直峻t r

I l lできる（第 lJ;'.t） 。

大腸菌ーは実験条件下ではが~

4 0分に l回分裂し. II lもかからないう

ちにたった l例の細胞が数十億倒もの大集問になる。 これほどの大集問だと，治伝子に不 平l j な変異がき Eじた少数の網n mも．それが生存に必刻な i l l 伝子でなければ検I l l で きる。 たと

263

264

・

5

DNAの複製．修復，組換え

えば．ラクトースをエネルギ－ i原として利用するのに必~な遺伝子の変異率は．細胞をグ

m

ルコースなど｝） I J の糖でJ f f i 忘すれば決定できる 。ただし . i l ' . t伝チの機能が なわれる本は． 変民単よりは 低 い他と なる 。 なぜなら多くの変災は．」1 の 端l こ「 （ ＼ ， 、たとき ）に J I 二まる は ちf

るG ATC配列 l e ! :染色体全体に絞うばっていて． S e qAは結合しない．

こうして．多数の複製

フオ一クが染色体ヒでおのおの主Ii』工に働きなが ら．なおかつ 2 本の完令な ~n

DNAを作る

こ とができる

真核生物では細胞周期の一時期だけに限って DNA複製が起こる 1 i i fの 似 製サ イ ク ル が 終 わ ら な

J(')M i~J.l:t の~い綱Iii剥では DNA はたえず抜製を続けており.

いう ちに新 たなサイクルを飴めることもある c 一 方ほとんどの ~·i微細胞では.

製は網1111~~｝裂川｝りl の特定の ll封切にしか起こらない 。 これ を .

DNAの 後

DNA合 成 W I( DNAs y n th e s is

pha s e ）または 5期 （ Sp h a s e）と よ ぷ （F i g .5-30）。 時fi~t芳i細胞では S J U Iは j 泊常約 8時 I U Jだが． 酵りなどの '11.il•~ な災後細胞では. SJ Y Jが 40分 と 短 い こ と も あ る。SJ Y Jが 終 わ る ま で に 各 染 色体は彼製されて

2 4 :の完全なコピーが：！：.じ

セ ン ト ロ メ ア の と ころ で つ な が っ たまま．

V ](M pha s e.M はイI糸 分 裂 ［m i t o s i s ）を 表 す）を 迎 え る。 第 1 7市 で は 細 胞 周 期 を すぐに M J

F i g. 5・29 l l 絞生物の染色体上に復製フォー

進 め る 制 御 機 構 を 取 り 上 げ ． 調l J ］包周期j のある！切に人るためには 1 i i fの J U Iを きちんと 終 了 す る

クが形成されて動く パターンを調べる実験。ヒ

A トのJg餐細胞を使い．新しく合成される DN

必 裂 が あ る の は ど う し て か を 説 明 す る。 この 後 し ば ら く は.SJ U Iに 起 こ る 染 色 体 複 製 の 統 制の さ れ ） Jを は て い こ う 。

を般射活性の高いチミジン（ l H ーチミジン）で 短時間パルス槻股する。（A）細胞を怨してその

DNAをスライドガラス上に広げ写真乳剤で

t z .射性の DNA 積う．主主か月後に現像すると. r に沿って銀粒子が迎なって現れた。図中の茶色 の DNAはオートラジオグラフを解釈しやすく 沿いたもので．標践のない DNAは ， するために j

DNA

. a 複製廷：.

）も 実際にはこのよう忽実験では見えない。（ B 同級に尖駁したものだが．政射性物質の芯いJ g

1 也中でさらに反応を続けさせた．こうすると．

e ! :低レベルの政射能をもった DNAが復 後半に l

' Hーチミジンで 10分間I l l 置

8 ）でl e ! :，銭粒子の黒い 製されてつけ加わる 0 ( ( A )

， ι

，~1.! f 計副会

! . ' ; ! .，，.，，~沼野。

相·~，日比•ii''i''I

，．

百必午） ; J J ・： τ

銀粒子 10分間おくことにより．低温度の

点かうたがいに反対方向へ進むことが示された

' Hー チミジンが取り込まれる

・・・・・・・・’4会lτ·~＇＇＇＇：－.＼＇＂

・ " ' ' ' " ' ! f ＇ ＇ ＂ ＇ ＂ ・ ， ・ ．． ・．

複製の泡憎造

. ; , w

··•' I A鎖の i g .6-1lの第 3段階 ） 。1 0例ほと’をつないだのち （ここまでは． ポリメラ ー 合成を始める（ F

ゼは短いヌクレオチドオリゴマーを合成しては姶てるので．効率はあまりよくない） ．コ ア醇紫とプロモーター DN Aの結合が切れ．σ ｜ 刈子の結合がゆるむと．コ ア静紫は DNA に沿って l f l j Jき始め. RNAを合成する （ Fi g .6-1lの第 4 . 第 5段 階）。ポ リメラーゼはその l ' Jの第二のシグ まま鎖をのばし続け （ 細菌の場合．毎秒、約 50ヌクレオチドの速さ ）.DNA l terminator . 後述）に / J I会うとそ こで止ま り．新生 町叫A 鎖と DNA ナル． ターミネーター （

i l ： 』 型 鎖を維す（ Fig.6-1lの第 7段階） 。 ターミネータ 一部位で DNAから離れたポリメラ ー ゼコア酵紫は．遊離していた σ因子と再結合してホロ酵素 とな ると．ふたたび転写を始 める。 F i g. 6・1 1 細菌の RNA↑ ；f リメラーゼに a :.RNA よる舵写ザイクル。第 1段階でl

ポリメラーゼホロ酪紫（コア酵潔と σ因 子）が形成され．プロモーターを見つけ σ因子

ペ

る （F i g .6-12参照）．ポリメラ ーゼが．

ーター

転写を始めるべきJ J ; l p J i の DNAを｜まどき

で丈バ

（ 第 2段階）．転写を始める（祭 3段階）。 飯初の RNA合成（．合成未逐． という） は

I A

／ RNAiftリメラーゼ

J’

効率が比較的惑い．しかし何とか 10ヌ クレオチド程度の RNA鎖が合成できる

ー ー

ー ヨ

. ： ； ？

と．ポリメラーゼはプロモーター DNA から絞れ． 。因子との結合が弱まり．結 局1 ；；：切れる。これで RNAポリメラーゼ

は RNA合成の仰良状線に入り（第 4段 階）. DNAに沿ってこの図では右向きに 移動していく。伸長状服（第 5段階） で

J「∼ 、

三M

ー

−

ー

二忌？

？ ミ 込

'1 RNA

4

RNA鎖か弛れるのは終結シグナル . 7段 に出会ったときだけである（第 6

階）。終結シグナル l a :DNAに窃き込ま

I

／ 一 六

は転写は延々と連続して行われ．ポリ メラーゼが DNA鋳型や新たに転写した

れていて．その多く 1 ; ; :RNAに立体俗造 を形成させる。そのためポリメラーゼ

J Eしにくく忽る（第 7段階）。 が RNAを嫡l 細菌で l a : . RNA分子すべてが 1種類の RNAポリメラーゼの働きで合成E される

ので．ここに示す合成サイクルが， mRNAだけで忽く僧造成分 RNAや鎚媒

司 『 』 ー ー −

RNA

RNAの生産にもあてはまる。（ R o b e r t L a n d i c k提供の図より改作）

338

6 ゲノム情 報の読み取り 一一 DNAからタンパク質へ

1 00

50

75

逼 25

~

3 車

' < f ! .

5 ま

製 e ;

沼

e

。

~ s o

1 5

t ( a

1 6

1 7

1 8

1 9

-3 5配列と ー1 0配列の聞の短殿

す 、

i G

( 8)

担 割

F ig .6-1 2 大腸菌のおもなプロモーターのコ

旧 。 25

ンセンサス配列。 （A）プロモーターの符徴は． -35配列と− 1 0配列という 2つの 6盗塁配列 である。これら l e i : . 転写開始点（＋ 1と表す）に

。 T ( A )

対するおおよその相対的芯位置から名づけうれ T

G

A

35

C

A

・・ ・・＋ T 1 5 ∼19 ヌクレオチド 4

A

T

A

A

T

ー1 0

た。便宜的に一方の DNA 鎖のJl,i~配列を示す

が．実際には RNAポリメラーゼl e ! :プロモータ

0 0f 量綴の ーを二本鎖 DNAの形で際別する 0 3 プロモーターの比較をもとに.-35領主誌とー 1 0 領主義の 6塩基配列のそれぞれの位置について 4

A ポリメラーゼホロ酵素と DNAの立体構造の述 この転写開始の過程は複雑で．町ぜ

種類の庖基の出現頻度を調べた。グラフの下に

続した劣化が必援となる 。 こ の－~の変化では．両手ぷーはまず口を聞いて ii!it'l:：部位に DNA

示すコンセンサス配列l e i : . 各位置についてこの 3 0 0種類のプロモーターで鰻も多くみられる塩

fするま

基を表している。− 3 5領主主とー 1 0領域の閣の

を人れ．次に閉じて DNAと 貯. J Aをしっかり締めつけ. I例の遺伝子の転写が完

で解離しないようにする。完成1il1 に RNA ポリメラーゼがj鮮高I~ した場合．合成は 1rrn1 できず．

e i : . 際立つた類似性l c l : 1 C よ い.( B ） 大 復基配列に l

ふたたびプロモーターからやり直さなければならない。

腸菌のプロモーターの−3 5領主主とー 1 0領主誌を

DNAの終結シグナルは．どのようにして ， 以反応小のポリメラーゼを停 止させる 対材、配列の後に A-TJ J . i） 主対が続く のだろう 。制的遺伝子の終結シグナルの大半は．二 位l ・I i :写された後． 対￥1 ： 配$ i l jがワトソン ・クリック温法対を作って折 という榊成で. RNAに

1 iをとる（ Fig.6-1l参！ ！｛ ｛ ） 。 ポリメラーゼによる i i 以万がターミ りたたまれ．”へアピン”榊 i ネーターにさしかかると．へアピン情巡のために~写必物 RNA が活性苦lH立から”づ｜っ張

られる”

活性部位の DNA/RNAハイブリッドは． ターミネーターの場合 U-A. 1 1 . i） 主対（水

素結合が 3本ではなく 2本なので.GCt 民基対に比べると安定性が低い）だけでがi 合した 状態にあるため． 町叫A $.l'i をそのままの位Jn に I~~つほどの必度がないので解離してしまい． ポリメラーゼは DNAから雌れる （ F ig . 6-11の第 7段 I P r T >。 このように転与の終結は．ある

I 市 ． ｝ ｜ 以' . t fIJf.J ~fi の｜祭に起こる flit造変化の逆戻りでもある 。

また転写終結過私！は，こ のポを l't

く J~品!l の l つ．すなわち折りたたまれて特災 （l~tl/tili を とるという 町寸A の特例がゲノムの 解説のさまざまな而に影号~i をおよぼしていることを示す例でもある 。

転写開始と終結を示すシグナルの塩基配列は多様である ここまで述べてきたように. •I廷1ij.の IJf.J 始と 終結 には．

タンパク質.

DNA. RNAの− i l lの

ぬi 維な十； q ) 1 i変化がかかわっているので．このような変化を指令する DNAシグナルは解明 しにくい場合が多い。尖際に細菌のプロモーターを多数比較すると．驚くほど多機f tが向 刈子が直接識別する DNAの特徴が． い。 しかしどれにも知似性のある配列が合まれ． σi

c o n s e n suss e qu e nc e ）と ある利！立浮かび上がる。 この共通した特徴は．コンセンサス配列 （ してまとめられる （ Fi g.6-12） 。 コンセンサス塩基配列 （ c o n s e n s usn u c le ot i d es e que n c e ）と は. l1il じl.~本機能をも っ多数の配列を比較して ． それぞれの位置に最もよく 111 てくるヌク レオチドを集計して i浮き llJ したもので．多数の溢）~配列の・平均． を表している 。

隔てる配列の長さの分布。 この 2つのグラフ l e i : .RNAポリメラーゼと貴重 も多い。因子（c r , oとよi 3 i）が際別するプロモー ターのもの。次箪で説明するが。細菌には少数 派の c因子類もあり．それぞれ段別するプロモ ーター配列が透う。 RNAポリメラーゼと c r 7 0b ¥

5 重別する特に強力忽プロモーターl e i : .3 5領域 よりもさらに上流（図では左方向）にもう 1つの 配列があり. RNAポりメラーゼの別のサブユニ ットが滋別する。

へ

DNAから RNA

個々の紺l 必プロモ ーター の塩基配列には i . ! i 1いがあかそれがプロモー ターの強度（単

( A )

DNA二重うせん

l Jあたりに転写 l 対始が起 こる回数）を決める。進化の過程で．各プロモー ターが必要 位 時l な頻度で転写 l l f l ! l f i するように精密に調整されることにより. 5rtt~lj さまざまな多様なプロモ ーターが生じた。大量に存在するタン パク質の遺伝チのプロモ ー ターは． まれなタンパク

339

＼

ccccccccc仁 仁 仁 ζccccc

5’ ・ 3’ 』

−3’

GGGGGGGGGGG G G GG G G G

伐のものよりはるかに強く 町その迷いは弘基配列が決めている。

5 ’

プロモーターと問機．細菌 の転写タ ー ミネーターにもさまざまな配列があるが．日l

ある。

3’

τCCCCCC ¥

lji な RNA へアピン椛造を形成するという 11~大の共通Jji をも っ ている 。 そのような塩恭配

列 は ！ ！ ＼f : ! H −！とい ってもよく ． ターミネーターのti.~法問cf1J はプロモーターよりもさらに多機で

・ s ’

RNA

、 』 ー ー ’ ，，

左から右へ動く RNAポリメラーゼは下部 j の 鎖を鈎型にし て RNAを作る

包法配列の解析における重姿なポイントを示すために ｜｜ 綱 閣のプロモ ー ター． ゲノム l ターミネーターをかなり詳しく説明した。 これらについてはかなりの知識が得られ．顕著

( B )

t j . J 左配列にさまざまな述いがあるた な特徴を 示すコンセンサス配列も導き出せたが．その .

めに．ゲノムの溢基配列を見ただけでプロモ ー ターやターミネーターの正確な位訟を決め るのはむずかしし、。

n核生物の場合には．余分な DNA配列もあり．これらの配列の位1 i ' l

決定はさらにむずかしい。 ゲノムに存在する 短い DNAシグナルの位

mを決め．詳しく 解

GGGGGGGd 『 、＼

3’

5 ’

cccccccccccccccc仁仁

5 ’

圃 3’

3’ L ， ー ー ー 一__.15’ GGGGGGGGGGGGGGG G G G

l 列するには．災験などの有l l 足情報が必嬰な場合が多い。

DNAは二本 j f ［なので． どの遺伝子も. I J ; ( J : ! l l的には 2本の鎖をそれぞれ鋳型にして 2 秘~iの RNA 分子が転写できる 。 しかし普通は l 例の逃伝子はプロモ ー ターを l 例しか

もたず． しかもプロモーターの配列は非対称なので（ Fi g .6-12参 ） ！ ＼ ＼ ） .ポリメラーゼは判 定の J r i j きにしかがi f tできなし、。 ポリメラ ーゼは RNAを 5’→ 3’方向にしか合成できない ので. DNAの

− I fの鎖しか＊. z ; 写できないことになる （ F i g .6-13） 。ゲノムのどちらのお1 が

悶サA 合成の鋳型になるかはプロモーターの位 i~t と Jlrj きに応じて決まり

逃伝子によって

Fi g・ 6-14） 。 さまざまである （

右から: tへ動く RNAポリメラーゼlまよ11111の 鎖を鋳型にして RNAを作る F i g .6 ・1 3 R NAポリメラーゼの向きの重要性。

鋳型として働く DNA鎖はつねに 3 ’ か ら5 ’ 仮j l へと読まれる。そこで （ A）と（ B）に示すように ．

RNAポリメ ラーゼの動く向きによ って. DNA

細 菌の 1！ ぼ与を説明したので．次に点核生物に日を向けよう 。p ; 核生物の RNA合 成は目

二本鎖のどちらが RNA合成の鋳型になるかが 決まる。ポリ メラーゼの向きは．転写を開始す

はるかに桜~tである 。

る寝所であるプロモーター配列の向きによって 決定されている。

真核生物での転写開始には多数のタンパク質が必要である RNAポリメラーゼが lfjf［~i しかない稲11 1利とは対照的に．民級生物のJ核には RNA ポリメ ラーゼ I .RNAポリメラーゼ I I .RNAポリ メラ ーゼ I lの 3組類があり．構造はたがいに （ 制 的の RNAポリメラ ーゼにも）よく似ていて．共通のサプユニッ トももっ。 し か し こ の 3 脱獄は•I伝乃．する逃伝子群が迷う（表 6-2） 。 RNA ポリメラーゼ！と Ill は．運搬 RNA . リボ

ソーム RNA..｛並々の低分子 RNAの逃伝子を転写する。RNAポリメラーゼ I Iは． タンパ

' H 行令遺伝子すべてを含む．大多数の遺伝− − ［を』｜反りするので．以降は この酵素を中心に ク ＇i 話を進める 。 只校生物の貯~A ポリメ ラー ゼ TI は．翁 I I 的の RNAポリメラーゼと構造上の類似点

Fi g .6-15）.大きな相異点もいく つかあり．特に次の 2つは重要である。 が多数あるが（

F i g. 6-14 細菌染色体の一部と．そこで起こる 転写の方向。DNA鎖の一方を鋳裂として転写さ

れる迎伝子と，もう一方から転写される遺伝子 とがある。転写の方向を決めるのは．それぞれ の遺伝子の殴初の部分にあるプロモーター （ 緑

眠写産物 R NA

3 ’

ー ・

−ー白お圃ー 遺伝子 d 遇伝子e

＼

5 ’ 遺伝子 a

遺伝子 b

色の三角） である。ここに示すのは 大腸菌の

5 '

右に転写される遺伝子は下侭l の DNA鎖を鋳型 J l l jの とし目右から左に転写されるものはよ1

. 2 %( 9 00 0復基対） である。左から 染色体の約 0

漉伝子 E −司ーーーーーーー""T

− − − − ・

3 '

500 0泡歪対

遺伝子 f 遺伝子 q

− − ー

DNA鎖を鋳型とする。

340

6 ゲノム情報の読み取り 一一 DNAからタンパク質へ

表 6-2 真 綴細胞の 3種 類の RNAポ りメラーゼ ポリメラーゼの種類

転写される遺伝子

RNA; f lリメラーゼ｜

5 . 8 5 .1 8 5.2 8 5r RNA遺伝子

RNAポリメラーゼ I I

タンパク質指令遺伝子すべて，snoRNA遺伝子.miRNA遺伝子． s i R N A遺伝子とほとんどの snRNA遺伝子

RNAポリメラーゼ I l

tRNA遺伝子.55rRNA遺伝子．一部の snRNA遺伝子と他の小分 子 RNA遺伝子

r R N Al e ! :.超遠心での沈降速度を示す ・ s ・ の値により名づけられている.s の値が大きいほど．大きい r R N A 分子である。

1. 制的の RNAポリメラーゼが i nv i t r oで転与を開始するのに必袋なタン パ ク質は l 例だけ （ σ因子）だが．京級生物の RNAポリメラーゼは．転写 2 ＆本 p q子 （ g e n e r a l ）とよばれる多数のタンパク府・を必要とする。 t r ans cr ip t i o nf a c t o r

2 .

n 級生物は転写開始の際に．網l l f f iの染色体にはないヌクレオソ ームや凝編i i i 度の高い クロマチン構造をと っている DNAを対象にしなければならない。

RNAポリメラーゼ｜｜は転写基本因子を必要とする 転写基本因子 （ g e n e r a lt r a n s cr i p t i o nf a c t o r ）は．悶' J Aポリメラーゼがプロモーターに正しく 結合するのを助け. DNA

の 二 本鎖をほどいて ，，伝写を始められるようにし

，，伝~： 開始後は

ポ リメ ラーゼを プロモー ターから店mしてやl ' J 乏状態をとらせる働きをする。＜C1 ' A 'I ・ 〉これら

l l i 作川する 一群のタンパク質で. RNAポリメラーゼが利用するプロモータ ーほぼす は｛l IJ l lの転勺1 ・ 羽子 （ t r a ns c r i p t i on べてに必袋なため転写”基本”肉子 とよばれる 。ポリメラーゼ I I )という 意味で TF I Iをつけて. TFIIB .TFIIDなどと名っ ・けている。 f a c t orf o rp o l y m e r a s eI

これ らは絢l 的の σ因子に相当する機能を来たすといえ．実際に T日I Fの三次元締造の一 部は． σ 閃子の対応する部分と 11•］ じである 。

F i g. 6-16に. RNAポリメラーゼ J Iが利 J l 1するプロモーターに転 ' . L j ' .2 ＆本因子が会合

m

するようすを示し 表 6-3にはその機能をまとめた。会合は．二 ： らせん DNAの主とし

i 伝写基本 l 入｜ 子 TF I IDが結合するところから始まる。 この て T と Aからなる短い配列に .i TAT Abox ）とよばれる。TFIIDのサブユニット 配列は TATA配列または TATAボック ス （ でこ の配列を識別するのが TBP( TATA結合タン パク）である。TATAボ ックスは通常．転 写l l } J始部｛立の約 25塩基上流にある。 ! i 王写 l : H始のシグナルとなるのはこ の配列だけではな

F i g .6-17) .RNAポリメラーゼ I Iのプロモーターにとって．この配ダj l が最も重要で いが （

F i g . 6 1 5 細菌の RNAポリメラーゼと斑絞生 物の RNAポリメラーゼ Iの術遣にみ 5れる類 荷造が類似した領i i を緑色 似性。2つの番手索で4 e i :細菌の醇紫 で示す．只核生物のポリメラーゼl よりも3 てきし＼（ワブユニット1 2飽と 5個） ． 多 求｜ 手ポリメ い部分の一部を灰色で示す。宵色のi ラーゼの偽造成分となる Z n原子を．赤色の球 l e i : 盤合反応の活性銀位にある Mg原子を表す． 今日存在するあらゆる細胞（細菌．古細菌．英 級生物）の RNAポリ メラーゼは非常に似ている ので この醇終の基本的芯性質はこれら 3つの φ

系統が分岐する以前に生じたことがわかる。（ 図 挺供 ：RC r a m e , rR .K o r n b e r g )

DNAかう RNAヘ

F i g. 6-16

n級生物遺伝子の RNAポリメラーゼ Hによる砥写開始。RNAポリメラー

転写開始 TATAボックス「ー

ゼI ＜！：.伝写を始めるためにいくつかの転写基本因子を必要とする。（A）プロモーター には転写開始節位から 2 5泡霊祭れた位置に.T A T Aボックスという復基配列が存在す る•

3 4 1

( A )

( B )T F l l DがTBPというワブユニットをナして T A T Aボックスを畿別して結合す

ると．その隣に T F l l Bが結合できるようになる（（）。簡単にするために.T F l l Dの結合

ト ー

TBP T F l l D

で生じたゆがみは図に示していない（F i g .6 1 8参照）. (D ）残りの転写基本因子と RNAポリメラーゼがプロモーターに結合する.( E )T F l l Hが ATPを使って転写開始部 位の DNA 二本鎖を解磁させ，鋳型鎖を露出~せる。また TFllH が RNA ポリメラーゼ

( B )

ト~

I；をリン酸化して立体例造を変化させるので目ポリメラーゼI ＜！：転写基本因子かう書まれ て転写伸長期に入れる。ここに示すように．ポりメラーゼ分子から畏く尾のように突 き出した C 末時市ポリペプチド鎖．日IJ名 C 末韓首領~（ CTD ）がリン酸化される。図に示

す拠合の順序は i nv i c r oでの実験からj 佳定したもので. i nv i v oで転写基本因子がブロ モーターに結合する正確な順序は遺伝子ごとに異怒る可能性がある。転写さ基本因子群

( C )

、 TFllF

LIU

I

は進化の過程で高度に保存さ: Y l ていて．生化学実験でヒト細胞由来の転写因子の代わ

I

りに醇母の因子を使えることもある。 T F l l E

T F l l H R N A i f .リメラーゼ H

ある。TFI IDの結合によ って TATAボ ックスの DNAには大きなゆがみが生じ （ F i g .6-18 ) . これが． 巨大なゲノム小で活性あるプロモーターの位

mを示す物理的目印になるらしい。

このゆがみによって 1 1 1 r n 1の DNAがたがし、に近づき．タンパク質が次々集合できるように なり. RNAポ リ メ ラ ー ゼ I Iと ほ か の 因 子 と が 集 合 し て 転 写 開 始 複 合 体 （ t r a n s c r i p t i o n ほも複雑な転写基本閃子は TFIIHで 9例 i ni t ia ti o ncomple x）が完成する （ F i g .6-1 6参！ ！ ｛ （ ） 。i 宮町叫Aポ リメラーゼ I II こ近い大きさで．この後説明するよ のサプユニ ット からなり．ほ l うに．転写 1m!lfiに必~ないくつかの酵素反応を行う 。

U T P ,ATP C T P ,GTP

ヘリ力ーゼ活性化と CTDυン磁化

プロモータ− DNAのところで転写開始複合体を形成した RNAポリメラーゼ J II i . 次に転写 I m始部位の鋳型鎖に後触しなければならない。 これを可能にするのが TFIIHで ．

I i i 写基本因子の ほとんどが角尊厳

サプユニットの lつとして DNAへリカーゼをもち. ATPを加水分解して DNAをほどき． 鋳型鎖を鉱山させる。RNAポリメラーゼ I Iは．細菌のポリメラーゼと同機に プロモ ータ ーに結合したまま短い RNAを合成するうちに立体構造が変化 し．プロモーターから解離

− ・ ・ ・ ・ ・ ・

して転写のl f i lJ 乏段附に人る。 この解離の鍵となるのが．町ぜA ポリメラーゼの尾部 （ C末端 領減．時して CTD）への リン政基の付加である。 ヒトの CTDはアミノ敵 7側の配列が 52

RNA

U n l ' . 9 1 Jで. RNAポ リメ ラーゼの中心構造か ら長くのびている。 転写：J I U 始の 例繰り返す反 1 際には．反｛! i 配ダl jの 5千 件n にあるセ リン （S e r s）を TF!IHがリン際化する。TFJIHは．別の

・ 司

転写

表 6-3 真被生物の RNAポリメラーゼ Iによる転写開始に必要な転写基本因子 因子名

サブユニット数

転写開始における役割

T F l l D TBPサブユニット TAFサブユニット

T F l l F T F l l E T F l l H

、 コ ﹁ t nツ

T F l l B

約 1 1

TATAボックスを議別する 転写開始部位付近のほかの DNA配列を議別し.TBPの DNAへの結合を銅節する プロモーターの BRE配列を怒別し.RNAポリメラーゼを転写開始部位へと正しく配置する RNAポリメラーゼと TBP.T F l l Bの結合を安定化し.T F l l Eと T F l l Hを引き寄せるのを助ける T F l l Hを引き寄せ．調節する 転写開始部位の DNAをほどを.RNAポリメラーゼの CTDの S e r sをリン酸化し目 RNAポリ メラーゼをプロモーターから解離させる

T F l lDI < ! : .TBPと約 1 1f 国の TAF( T S P関連因子）とよばれるサブユニットかうなる。 CTDはC禾錦領減。

6 ゲノム情報の読み取り 一一 DNAからタンパク質ヘ

342

転写開始きE 位

・ ・

F i g.6-17 真級生物の RNAポリメラーゼ Hの

「

353 0

BR ETAE TA

+30

I N R

転写開始部位周辺にみうれるコンセンサス配列。 告コンセンサス配列について名祢（左の樹）と殴

DPE

別する砥写基本因子（右の繍）を示す。 Nは任意 のヌクレオチ ドを．また ． ／．で区切った 2つの

配列名

BRE TATA

軍E 写基本因子

コンセンザス配列 ー

G / CG / CG/ A仁 G仁 C

T F l l B

TATAA汀 AA斤

TBP

I NR

汀 ANT/AC 汀C 汀 ζITC

DPE

A/GGA汀 CGTG

-q

文字はその位置に 2つのヌクレオチドが同じ頻 度で出現することを意味する。実際に l c l : . 各コ

6 1 2に示したのと同級 ンセンザス配列は F i g . 芯ヒストグラムを簡略に表したものである。

T F l l D

RNAポリメラーゼ Hの転写開始部位のほとん

T F l l D

どは．これら4種類の配列のうち 2つ広いし 3 つだけをもっ。 たとえば．ポリメラーゼ Iプロ モーターの多くは T ATAボックスをもち ． 強い． φ

I N R配列はもた1 ; J .いものが多い。転写開始を左 サプユニ ッ トの lつ と し て タ ン パ ク キ ナ ー ゼ を も っ （ F i g .6-1 6の

D と E参！ ！ （ ｛） 。 次にポリ

メラーゼは．’I i ;＇ . ！ § ： 基 本 ｜ 正I f l t ＼＂から雌れて − l ! Eの 構 造 変 化 を 経 て DNAとの結合を強める。

nが加 わ っ て

ここ で さ ら に 新 た な タ ンパ ク

DNAから解出t I せ ず に 長 い 距 離 を 進 み． とき

右する配列の大半l c l : 転写開始部位の ・ 上流．にあ るが，図に示す DPEのように．転写される領

i 或内にあるものもいくつかある。

には何H与 llH も •I伝1]：を続けられるようになる 。 ポリメラーゼ II ：炉転勺： 陀物 RNA をのばし始めると．ほとんどの転写 ）~ 本悶子は

DNAか ら離れ ． 別 の RNAポ リメラーゼとい っ しょにな って 次の 転写開始に平I J ) I Jされる。 この 後 説 明 す る が． 町' I Aポ リ メ ラ ー ゼ I I尾 部 の リ ン 酸 化 が き っ か け と な って RNAプ ロ セ シ ング（ 加 工） 装位の成分がポリメラーゼに結合し． 新 たに転写されてポリ メラ ーゼから 出てきた RNAを加工 する

ポリメラーゼIは，転写活性化因子，介在因子，クロマチン修飾タンパクも必要 とする こ こ ま で 説 明 し て きた 転 写 I J H t mの モ デ ル は. RNAポリメラ ー ゼ H と転 写J 主本｜刈 f ー を i n

ν i t r oで 精 製 鋳 型 DNA」二で働かせた品i J f究から組み立てられた。 しかし第 4巾で . i l iべたよう に. J'L級制｜｜胞の DNA は ヌクレオソームを形成し ． それがさらにj•,J） 次のクロマチン構造を

c

F ig .6-18 DNAに結合した TBP( TA TAボッ B P l d : 転写基 クス結合タンパク）の三次元締造。T 本因子 T F l l Dのワブユニットで.DNA（赤色）の

TATAボックス配列を識別して結合する。 TSPが 引き起こす DNAの独符な折れ凶がり（部分的に ほどけた DNAをはさむ 2つのよじれ)bl目印と 怒って．ほかの転写雲本因子が引き寄せられる らしい。 TBPは 1；本のポリペプチド鎖でできて おり．折りたたまれて 2個のよく似たドメイン を形成している（腎色と緑色）。 ( J . L .K ime ta l . , Nature3 6 5 : 5 2 0 5 2 7 ,1 9 9 3より改作。

M a c m i l l a nP u b l i s h e r sL t d. より許認）

DNAかう RNAへ

343

F i g・6-19 J : I 絞細胞の RNAポリメラーゼ Hに よる転写開始。生体内での転写開始には転写活

TATAボックス

一 一 一 ー−ー

L

転写開始

RNAポリメラーゼ． 転写基本因子. 構成m 合体． 介在因子．クロマチン再4 ヒストン修飾醇緊が箱合

性化タンパクがなくては忽ら忽い。第 7章で述 手DNAの短い特 べるように．転写活性化因子l 異的配列に結合する。図には 1j 函だけを示すが． 通常の真核生物遺伝子には多数の転写活性化タ ンパクがあり その作用の総合で転写速度やパ ターンが決まる。これらの遺伝子調節タンパク は，ときに｜手数千復基対（ DNA分子中の点線で 表す）も滋れた場所から作用 して.RNAポリメ

t

ラーゼや転写基本因子守介在因子がプロモータ ーに集合するのを助ける。また転写活性化因子 は.A T P依存性のクロマチン再構成複合体とヒ ストンアセチラーゼを引き寄せる。 第 4t 聖で述べたように自然状態のクロマチン

0nm緩維で（F i g .42 2参照） 転 はおそうく 3 ヒストン修飾醇索

写開始が起こるのは，この形になった DNAの 可能性が高い。簡単にするために．図には示し

転写の開始

とっているので，尖際の転写開始は粉製 DNA でのそれよりはるかに複雑で， さら に多く 伝写活性化因子（ t r ans cr i p t ion a la c t i v a t or ）とよばれる のタンパク質を必要とする。 まず. j

Aポリメラ ーゼを転写開始部位へ 泣伝子澗節タンパクが DNAの特異的配列に結合し. RN F i g .6-19 。 ） 転写活性化凶子は i l l伝子発現調節のおもな方 と引きつけなければならない （ を取り上げるので．ここでは．真核細胞での転写開始に 法の lつ だ が目第 7章でその役割l 転写活性化因子が必~な こ と だけを述べておく 。 そのほか． 立．核生物の生体内での転写 IJfl

始には．介在因子 （ me d ia t or ）とよばれるタンパク複合体が必袈である。 これは．転写活性 化因子とポリメラーゼ II や~岳写基本因子群との適切な辿挑に役立つ。 最後に．クロマチ

ン再榊成複合体やヒストン修飾酵素などのクロマチン修飾税務の局所的な動員を必I } Qとす る。第 4f , ' ！＇，で述べたよう に ． どちらの酔紫もクロマチン，， ， の DN A を反応しやすい状態に するので．その働きによって転写開始装 世 が DNAに結合しやすくなる 。 これ らの酔索が 転写開始に＊たす役割については第 7訟でふたたび取り上げる 。

Fi g .6-19に示すように. p ;核緑l l J 抱での転写 I J f J ! J t lには. i l ¥ i写 I J f . J始点に多数のタン パ 00個以上）が集合しなくてはならない。 これらのタンパク質の ク質 （ サプユニ ッ トにして 1 集合する順序には決まった道筋はなく．遺伝子によ って異なるようである。実際．これら の タ ン パ ク 複 合 体 の な か に は DNAか ら 離 れ た 場 所 で た が い に 結 合 し 複 合 体 と し て

DNAへと巡ばれるものもある。転写開始のためには RNAポリメラ ーゼ がこの大型複合 g. 6-1 6に説明した各段階のほかに活 体から離れなければならず．それには多くの場合 Fi 性化 タンパクのその場での分解が必要になる。 この f : J J題は第 7f ; iでもう一度取り上げ．」＇.！.

J包でのJ i 伝写 I J H始の調節のしくみを説明しよう 。 核純l

転写の伸長によって， DNAにはねじれの強力が生じる いったん転写を始めても .RNAポリメラ ーゼは DNA分子に沿って滑らかには進まず．あ る配列で止まったり，あると ころでは高速で転写したりとぎくしゃくした動きをする。細 l jl 長反応を進めている RNAポ リ メ ラ ー ゼ は 遺伝子末端まで行か 菌でも兵核生物でも. f

e l ong at ionf a c t or ）と結合している 。通 常 この因子は ないうちに離れるのを防ぐ伸長因子 （

I 日始直後に RNAポリメ ラー ゼ と 結 合 し 遺 伝 子 に さ ま ざ ま な 配 列 が あ っ て も ポ リ メ 転 ＇ . ＆ ＇ .J

てい忽い。

344

6 ゲノム情 報の読み取り 一一 DNAからタンパク質へ

( A )

F i g. 6-20 DNAのねじれの強力が溜 5ぜんの

( B )

ー舗が自由砿DNA

雨量唱が固定された DNA

干 、 。 、 。 、 。 、 ぬ 。 、(A_'V)、 。 、X

干 、 。 、 。 、 。 、 。 、(A_'V)、 。 、(A_"¥{。尺 X 、

／

方の鎖に切れ目があって自由に回転できる）

DNA分子の場合.10Jg基対分を開くごとに DNA二温うせんは 1回転する。（ B）回慌が妨げ

DNAのうせんを 101Sm対分 （ らぜん 1答き分）ゆるめる

DNAのらせんを 10泊箆対分 （らせん 1巻き分）ゆるめる

形成を引き起こす。（ A ） 一緒が自由主~（または一

られている湯合． らせんを開くと DNAにねじ

N カをE 守容する方法 れの強力が発生する。この5

、

の 1つは．開いてい忽い二箆うせんの巻きをき

ぬ~~ －－！｝ラピ、匂もハ

ぬC 》 》 》 》 、° ＂ ＊ W'

ν

DNAらせんが 1回転 する必要がある

っくして. 1替をあたりの塩基対を 1 0個から

1 1f 習に憎やすことである。しかし DNAニm う

DNAらぜんは 1巻をの 超らせんを作る

せんはこのよう忽変形にはばねのように抵抗し． 闘がって超うせんループに忽ることでこの張力

0 を解消する． その結果.DNA二軍らぜんを 1 泡i ! ! 対開く ごとに DNA這う t さんが I（習できる。

（ 仁 ）

タンパク分子

DNA

これは．正の超らゼんである. (C) DNA二盤 うせん中を移動するタンパク貨によって.DNA

~、。、。、。、。、。、σ、。、グ、~

にI d : 超うせんが生 じる。図の DNAは．両院揺が 自由に回転できす またタンパク分子も移動時 には自由に回転できないものとする。このよう

・時

砿条件の下でタンパク質が移動すると．その前 方ではうせんの巻きが淘え そのうしろでは巻 きが減る．

負の紐 s せんの形成 うせんが開きやすく怠る

正の紐§ぜんの形成 らせんが開きにく くはる

ラーゼがうまく進んでいけるように助ける。点． 核生物の RNA ポリメラーゼは.

1 J . r n 2に沿

って動く際にクロマチン榊逃に対処する必要があり ．通常は ATP依存クロマチン符榊成

l ' i 'りるらしい （p p .215∼ 2 16参 ！ ！ （ ｛） 。 ぬl f i 体はポリメラ ーゼとともに移動す 似合体の力を i るか．たまたま立ち往生しているポリメラーゼを凡つけて助けるかのどちらかだろう 。 ま た 以 級 生 物 の 貯. J Aポリメラーゼに結合する { I l l長閑チのなかには．特にエネルギーを佼わ

l J .を助けるものもある。 その詳しいしくみは未島平明だが．ヌ ずにヌクレオソームを通る転' クレオソームコアから H2A-H2B 二fiH本を 一 時的に J~ り 外し．ポリメラーゼがヌクレオ

ソームを j l f Iり抜けた後．元に戻すらしい。 引と J ' . t 級生物どちらのポリメラーゼにと っても. 制I

i l 1長の妨げとなる l l J J ! 必がもう

l

つある 。 これを論じるには．まず DNA二重らせんがもっ不思議な性質. DNA超らせん

DNAs upe r c oi l i ng ）について考える必要， がある。DNA趨らせんは．ねじれの張力によ 形成（ って DNAがとる立体 構 造で．らせんにさまざまなループやコイルを作ると．このような

1 t: f J i J< 1 ミじる。F i g. 6-20に. DNAに超らせんを引き起こすトポロジー （ 位相縫何学）上の

： 日

制約を示す。DNA二 ! f Iらせんの l回転あたりの J j I ) J , : 対 は 約 10個である。両端が相対的に 同定されたらせん （ 紺｜凶の染色体のような環状 DNAや

.n 核生物の染色体にみ られる間

定されたループ領械の DNA）を考えると. 1 0庖 ｝ ； 対 がI mく（ほどける ）ご とに． そのl . ! l lめ合 わせとして DNA超らせんが l例できる。超らせんの形成は．聞かれた部分以外の滋 基 対 形成領域を正常なねじれに泌すので．エネルギ− ( 1 0に有利である。超らせんがで きなけれ ば．両端 が間定されてい るこの領域は過剰にね じれてしまう 。 ねじれの波力は．両端を悶定された Dr¥Aに沿って RNAポリメラーゼが移動する F i g .6-20C参 m OoRNAポリメラーゼがすばやく自由回転できない｜限り ときにも生じる （

i 伝写産物との結合を考えると． ｜ 口 ，伝できそう ， ， もない）．ポリメラ （ ポ リメ ラーゼの大きさと i

Eの．後方の DNAには負のねじれの以プJが ーゼの移動につれて．その前方の DNAには i

DNAから RNAヘ

( A )

貝級生物

( B)

原級生物

写

EE

園 駅

EE

. .

． 圃

r … ・ ー ー ー l ・ 圃

RNAキャッブ ＼ mRNA

M川

タンパク質

転写単位

一次転写産物 RNA

A

エキソン

／＼

m

DNA

n n

核

転 ． 翻

’ ，’ ． ． − ， − − −

DNA 細胞質

イントロン

345

RNAスブライシング

F i g .6-21 真級生物や細菌で遺伝子からタン

3，ポリアデニル化

パク貨ができるまで。細胞内の愚終的なタンパ

AAAA

伽 の 縦

mRNA −一 一 一 一 一 一 一 AAAA ↓翻 訳 タンパク質

ク置l e i :.告段階の効率と ， RNAやタンパク分子 の分解速度によって決まる。 （A）真絞細胞でl e i :. 転写で作られた RNA分子に翻訳領主主（工キソ ン）と非翻訳領域（イン卜ロン） が含まれている。 この分子の両端が修飾され．酵素による RNA スフライシング反応でイントロンが除去されて mRNAと忽り．抜かう細胞質へと運び出され． そこで初めてタンパク質へと翻訳される。図で はこれうの過程が l段階すつ頗を追って起こる ように表しているが，実際にはこれうが同時に 起こることもある。 たとえば.RNAキャッブ構 造の付加やスフライシングの開始は普通．転写 が完了し忽いうちに起こる。転写と RNAプロ セシンクが密接に迎燥しているため，普通l e i : 完 全な一次転写産物（加工がなければ生じるであ ろう逮輪上の RNA)l e i : 細胞内にほとんどみあた

生 じる 。 これは真核生物にと っ ては幸 い で ． ポ リ メ ラ ー ゼ の 前 方 に生 じた正の張力は

ら広い。 （B）原核生物でl e i : . mRNA分子はもっ

DNAらせんを聞きにくくするが．ヌクレオソームに巻きついた DNAをほどけやすくする。

と簡単にできる。 mRNA分子の 5 ’末端l 芯転写

ヒストンのコアから D N A を外せば.

I Eの張力の解消に役立 つ か らである。

DNA二重らせんの一方の鎖に沿って単独で移動するタンパ ク質は． ねじれの張力

開始の。 3’末端l e i : 転写終結の際に作られたとき のままである。原骸細胞には核がないため転 写と翻! R i c i :同時に 同じ細胞区画で起こる。実 φ

を発生 させやすい。真核生物では，DNAトポイソメラ ーゼがこ のねじれの張力をすばや

際．細菌の mRNAの翻訳は．転写の完了前に

p . 278参 照）。一方斜I I 閣では.DNAジャイレース（DNAg y r a s e）という特別の く取り除く （

始まることが多い。

トポ イソメラーゼが. ATP加水分解のエネルギーを使って． たえず DNAに超らせんを導

ne g a t i v es u p e r 入 し ね じ れ の 張 力 を 一定 に 保 っている。 この趨らせんは負の超らせん （ c oi l )で. DNAらせんの一 部をl f . Jいたと きに生 じる正 の超らせん （ p o si t i v es up er c o i l) ( F i g . 6-2 0B参照）とは．逆向きである。剥l l~i DNAでは．らせんが聞くとこ の負 の 超 ら せ ん が 取り除かれ．ねじれの張力が減少する。 したがって． 大腸 菌 の DNAらせんを聞くのは．

f lくのに比べ．エネルギー （ 1 9に有利である。紺i 趨 らせんを形成していない DNAらせんを l 閣では DNAジャイレースが. RNAポリメラーゼによる転写の l l f . J t l tなど．らせんを l l f lく必 裂のある過程を起こりやすくしている （ F i g .6-1 1参照）。

真核生物の転写は， RNAプロセシングと密に連携して進行する ここま で にみてきたように細菌の mRNAは．ゲノム上の特定の場所 から動き始め．決ま った場 所 で止まる RNAポリメラ ーゼの働 きだけで合成される。 し か し 只 核 生 物 で は 状 況 は か な り 異 な か 転 写 は mRNAを作る の に必要な ー速の反応の第 l段階にすぎな い。 や．！｜廷写産 物 RNAの 途 中 か ら イ ン ト ロ ン （ i n t r o n その後. RNAの 両 端 の 共 有 結合 修剣i ）をl 収り除く RNAスプライシング （ 町吋A s p l ic i n g ）なと’が起こる（ F i g .6-21。 ） s e q ue n c e

6 ゲノム情報の読み取り 一 一 DNAからタンパク質 へ

346

原級生物 mRNA 5 ’

7− メチルグアノシン

翻訳領主主

~I'翻駅領主主

¥

p p p

二二コ「ー

一寸 タンパク質。

タンパク質 α

E二ー タンパク質 y

Cl1 1

民級生物 mRNA P P p

5’ δ’ 三リン 酸結合

非叡駅領主主

＼

L一 一 一 一 一 一 一 一 」

( 8 )

＼

AAAAA15 ι 2 5 03

一 ブ

一ツ 一ヤ

一

L

C｜ ︵

Jト

︻ ＋ ︼

一4 r一 ー 5

翻訳領主主

一次底写産物の 5 ’ 末錨

HO OH

3 ’

タンパク質

( A )

n級 生 物 の mRNA末端の修飾は. 5’ぶ端のキャップ形成（capping）と 3’. ； f dl J /の ポ pol y a den y l a t i o n）である （F i g .622）。 この印のおかげで．細胞は mRNA分 リア デニル化 （ 子に河端がそろっている（つ まり中の情報が完全）かどうかを判 断 し て か ら 核の 外 へ 巡 び． タンパク伐に制訳できる 。RNAス プ ラ イ シ ン グで は 分 か れ た タ ン パ ク 質 制 訳 領 域 が つ な ぎ合わされる 。高等兵核生物は．こ うして同 じ； Q t伝子からいくつかの異なるタンパク伎を 合成できる。

RNAプロセシング（力I工）はすべて．村＇I J ' . j 'なしくみを介 し て転写の伸 長 と 官 後 に 述 郷している 。 RNA ポ リメラー ゼ H による転写 llf.J 始の；T（ ~な鍵は．前 述したように ．ポリ

F i g. 6 ・22 原級生物と民級生物の mR NAの稿 遥の比較。（ A）細菌の mRNAの 5’末鵜と 3 ’ 末 端は，R NAポリメラーゼが合成を始め．終了し たときのままで修飾｜草花よい。 ~級生物の mRNA

メ ラーゼの ｝. ； （ −百 Iにある CTD( C末 端 領 戚）のリ ン際化 である。町吋A ポリ メラーゼがJ i 伝’与を

の場合l e ! :.5 ’末端l e ! : キャップ例造の付加 3’ 末

l l . f J 始 して DNAに沿 って動 くにつれリン般化が徐々に進み．それによって. RNAポ リメラ

NA前駆体の切断とポリ A尾部の付加 端は mR

ーゼ I Iが｜伝写 。 I m始 百I I 位 に あ る ほ か の タ ン パ ク 質 か ら 引 き 離 さ れ る だ け で な く ． 転 写 のや1

によって修飾されている。図には，それ以外に

J 乏と RNAプロセシングにかかわるほかのタンパク質がポリメラ ーセ． 尾部にがi 合できるよ

NAと真級生物 mR NAの遠いを も原級生物 mR

うになる。 次 に 説明 す るように．プロセシングタンパクの一部 は ポ リメラーゼ尾部から 新生 RNA 分子へと”飛び移！？ ”．

ポ リ メラ ー ゼから高I~ れた RNA 分子をすぐに 加工し 始め

るらしい。 つまり 1 1長 状 態 の RNAポリメラ ー ゼ I Iは. DNA から RNA への~~写と 作 っ た

示してある。細菌の mRNAには復鍛の異主主る タンパク貨の製造指令が含まれている場合があ るのに対 し．真絞生物の mRNAはほとんどの 湯 合 1留のタンパク貨の情報しか含ま主主い。

RNAの力IU：の両方を行 う RNA工 場 とみなせる（ F i g. 6-23 ） 。 CT D はのばすと RNAポリ

( B ）真核生物 mRN Aの 5’ 宋 島 市のキャッフ構造 。

O倍近 い 長 さがあり． 相l々のタンパク 質 を 必 要になるまで近く メラーゼの残 りの部分の J

7 −メチルグアノシンが！通常にはないシー5 ’ 結 NAでは 合をしていることに注意。民核生物 mR

Iロープの働きをしている。 これは．その後の反応 速 度を 速め る．細胞内 に にとどめる係 W よく みられる 方 法である （ F i g . 4-6 9.1 6 -38参！ ！ 日）。

このほかに .2番目のリボースの 2∼ヒドロキシ 基がメチル化されていることが多い（図には示 していない）。

真核生物の mRN A前駆体に対する最初の修飾反応は，キャ ップ形成である RNAポ リ メ ラ ー ゼ I I/ J {RNA を約 25ヌクレオチ ド合 成 す る と す ぐ に．新 生 貯 M 分 子 の

5’末端には．修飾グアニ ンヌクレオチドからなる”キ ャップ”が付加される （Fi g.6 -22B参 照）。3組郊の両手素が！阪に働いてキャップを形成する 。 ま ず lつ目 （ ホスフ ァターゼ）が新作三

RNAj j ' [ O )5’末端から リン敵基を l側 取 り 除 き． もう 1つ（グア ニ ル酸転移両手ぷ）が 逆向 き に（ 5 ’ J’ではなく 5’ − 5 ’ ）GMPを結合させ.3つ I I（メチル法転移醇素）がグアノシンにメチ ル基を付加する（ Fi g. 6-24 。 ） 3種類の際業が． 則吋A •I~ リメ ラ ーゼの尾背IIに結合 して待機 し て い るので．

その ｝＇€， 古II は！Iii写開始の際に TFI L H によって 5 位のセリ ンがリン酸化 され．

新 しい転与雌物の 5 ’末端がポ リメ ラーゼから I I ＼ てくるとすぐに修飾できる 。

5’メチ ル 化キャップは工L 核 生 物 の mRNAの 5’末端を示す目印で．調l l J 包内にあるほ か の RNAとの議別に使われる。RN A ポリメ ラーゼ Iと I I Iが合成する RNAにはキャ ップ

へ

347

DNAから RNA

RNAポリメラーゼ ¥

F i g .6-23 真級生物の RNAポリメラーゼによる” RNA工渇 ”。ポリメラーゼは DNA

を RNAに転写する際に ． 尾部で mRNA前駆修プロセシングタンパクを運び．これが まCTDとよばれ 2個のセリンを含むアミ 適当な時期に新生 RNAに移動する．尾部l ノ酸 7包の配列が 52飼っ芯がった領援を含む．転写開始の後期にこの反復配列の S e r sがリン直霊化されると．ますキャッブ付加タンパクが RNA; r tリメラーゼ尾都に結 i g .6-16参照）。 この方法をとると. RNA分子の 5’天消が RNAポリメラー 合する（ F

キャ ップ 形威因子 p 、 1 、 ＇ . .~ ~ 25

P

mRNAの 5’ 末歯 虫

2~

ゼから出てきた途舗に．効率よくキャップ備造の付加ができる。伸長状態に入ったポ リメラーゼが転写を続ける間に．ポリメラーゼに結合しているキナーゼが おr 2をさ

こ い

）ン酸化し．最後には S e r sが脱リン酸される。スフライシングタンパクや 3’ 末 らに I

鉛のプロセシングタンパクはこれらの修飾によってポリメラーゼに引き寄せられ待機

2

するので．新生 RNA分子がポリメラーゼから出るとすぐに作用できる。 RNAプロセ シング醇紫は多数あり．すべてが ; r tリメラーゼに結合して動くわけではない。たとえ ば RNAスフライシングの場合．尾昔日が運ぶのは数個の必須月五分だ1 1 で．これが RNA

可圃園田園

スフライシング タンパク

分子に移動し核と怒って残りの成分が釦合する。 RNAポリメラーゼI d : 転写を終了した後は DNAから限れ．水沼性ホスファターゼの

働きで尾部のリン酸基が除去され．ふたたび次の転写を開始できる状態になる．プロ モーターから RNAの合成を始められるのは．このように脱リン磁された RNAポリメ ラーゼ Iだりである。

がないのは．これらの両手ぷに CTD がない こと も一四である

倣．では．キヘ・ップは CBC（ キ

i i l と核外への輸送を J J } Jける。5’メチ ャップ結合似介体）に結合し． こ れ が RNAの 正 し い 処 J

3’ 末鑓プロセシング タンパク

J J 包t ' tでの mRNAの 糊 訳l 侍にも盃裂な位制をする（後述）。 ル化 キヘ・ップは利I

RNAスプライシングでは新たに転写された mRNA前駆体 力 ＇ Sイントロンが除去 される 約 4)';'t で述べ たように．点綴生物のill: 伝子のタンパク自制，；~｛飢城は illi'i l ＼＂.タンパク質へと 制以されない介イl ： 配ダl j (イントロン）によって分断されている。I 9771 1 ' . これが発見された と き ． 平 ｜ ・ ＂ （ ：

. f l ・ は 篤いた。 それまでよく知られていた翁1 1 1 道i l l伝 − ｛の翻訳領域は注切れなく続

いて おり．そのまま mR! 吋A へと 転写される。 ところがJ ＇ .［校生物の i l l伝 子は翻決領践が紺l か い 断i ； − に分かれ （ 発 現 さ れ る 配9 1 ][ expre s sedseq uenc e］すなわち エキソン ［ cxon ） ］ . その I J : Jにそれより長い介。：配列（ i n t e r v e n i n gsequence）すなわち イント ロン C i nt r on）がはさま っ

・来鑓 合成された転写産物 RNAの 5

ていた のである

5 ’ pppNpNp

つ ま り 点綴 生 物遺 伝 子 で は タンパク質のアミノ般配列情報をもつのは

。 泣 伝 子全体の ほ ん の 一 部にすぎない ことが多い（ Fig.6-25）

ト

ライシング イ ン ト ロ ン と エ キ ソ ン は と も に RN Aに中ぷ’与さ h. ここヵ、ら RNAスフ． ( RNAs p l i c ing ）によ ってイントロンが取り除かれる。紛｜ 胞 内 で の RNAスプライシングの

ほ と ん ど が mRNA' 1 : 1 ぷI . ＼＇に行われるので．ここ

・ ・

p

で は mR! 吋A Jill店I~体 （プレ mRNA） スプラ

＂~~

イシングに訴をし l まろう 。前 駆 体 は 5 ’末端と 3 ’末端のプロセシングやスプライシングを 受けて初めて. m RNAとよばれる RNAになる。 スプライシング反応 Iliil につき．イントロン l 例が除かれ る 。 ~I~~ には．エステル 転移とよばれるリン椴J.h:•I伝移反応が 2 回述続して起こ ってエキソン 2 例がiNみされ．

3 ’

イン

Gp ppNpNp

（｜ 髄

トロンは”投げ 刺悦 j i l＇＂ となって取り除かれる（ Fi g .6-26） 。 。，·：~； エネ ル ギーリン際結合の数 は変わ らないので．この反応はJ ；（型的にはヌクレオ シド三 リン般の加1 ; J c分解なしでも進む。

・ ・

< + >

F i g .6-24 RNAポリメラーゼ Hが合成した RNA分子の 5’ 末現置にキャップをつける

ーメチル G残混と転写産物 RNAの 5・ 反応。思終的なキャップでは．正電荷をもっ 7 5’の結合ができている（ F i g .6-22B参 釆織との悶に．これまで出てきたことのない 5∼

目的。文字 NIま.4種類のリポヌクレオチドのうちのどれでもよいことそ示すが.RNA 鎖の先頭のヌク レオチドは遇常I d :プリン（Aか G）である。 （A . J .S h a t k i n ,B i o E s s a y s 7 : 2 7 5-2 7 7 .1 9 8 7より。I C S UP r e s sより許絡）

一GpppNpNp

仁H1

••

II Jポースにメチルl i ! t . > 1 ｜付加（ −l l f ! のキャッフだけ）

c '

CH1-GpppNpNp CH1

・ ・

348

6 ゲノム情報の読み取り 一一 DNAか 5タンパク質ヘ

I I I因子遺伝子 ヒト第 V

ヒト仕グロビン遺伝子

、 ． ．

イントロン

. .

10 / 1 4¥ 22 I 門 1 r1 I 「『 ・1 . −ー 二 岨Cl l I I I』l L i iI1 1I こ = inn

12 目〆 3

ι1

I f

25

26

エキソン

u 2000題基対

200,000活基対

( A )

( B )

F i g. 6-25 工キソンとイントロンの配慣を示す 2穂類のヒト遺伝子。（ A）酸素運搬タンパク，ヘモグロビンのサブユニットの 1つトグロ

ビンの遺伝子（F i g .4-7も参照）は比較的小型で．工キソンI d :3個ある。（ 8） 第 VI I因子遺伝子ははるかに大型で．エキソンが 26個ある。こ れは血液凝固系で働くタンパク質（第 V I II 因子）の遺伝子である。血友病ではこの遺伝子の変異が原因となるi 易合が疲も多い。

l l i駆体 の ス プ ラ イ シ ン グ 装 i r . ' .は 非 常 に 彼 しかし mRNAT

i mで. RNA5分 子 と タ ン パ ク 質

200個 以J て か ら な か 反 応 の た び に 多 数 の ATPを加水分解する。 このような複雑さのお

かげで．スプライシング反応は非常に正確でありながら. . ！＇￡核細胞にみられる膨大な位類 のイントロンに柔秋に対応できるのである。 多数のイントロンを捨てる ．一見むだに思えるスプライシングが起こる理由として．

f : H 1 ' ［でのがfしい有f l !タンパク の 出現 エキソンーイン トロン という構成のおかげで． 進 化の i が容易になるとの考えがある。多数のイントロンがあるおかげで．典なる逃伝子のエキソ j tにつなぎ合わすことができる （ p .1 40参 ！ ！ ｛｛ ） 。既存の地伝子の一部を組み ンを組換えて附 l

合わせるのだから ．新しいタンパク質指令遺伝子が進化 しやすい。 第 3I 主で述べたように この凡方は回収存の細胞タンパクの多くが．共通のタンパク小 J ' i '. ドメイン （ domain）を 翁・せ集めたパッチワークになっているという在日祭によ って災づけられている。

RNAスプライシングには現時点で‘の手l j l ) ： も ある 。 ！ l 核1 :物の遺伝子の多く （ヒトの 場 合．金正I 伝子の約 75%とされる ）は．転写産物がf u Jj 盛りものスプライシングを受けるた

め 何種笈i ものタンパク

nを作り出せる （Fig.6-27）。RNAスプ ライシングは最初に思っ

たほどむだではなく．そのおかげで町 そもそも大きい兵核~I:物ゲノムの情報量ーがさらに大

きくな っているのである 。 これについては本草と次草で繰り返しふれるが．まず． この巧 妙な作業機併を説明しよう 。

( A )

( B )

. − − イントロン

5 ’エキソン

3’エキソン

引けぷヘ

5’ー－－ ~＇ふ ．』3’

'

に 戸

1 宣げ錦織造の形で 一一」 切り取られる イントロン

。 に: J ?/5 ＇瑞

ーへ − ・ s

_.;I

- ・3

--0

6 1 R寸b 1

-

~－

Fi g .6-26 mRNA前駆体のスブライシング反 A）ます鰻初に．イントロン中の特定のア 応。（

デ二ンヌクレオチド（赤色）が 5’スプライス部 位を攻繁し，その部分で RNAの穏リ ン酸主鎖 を切断する。切断されたイ ントロンの 5 ’末織 は （ B）に録しく示すようにアデニンヌクレオチ

NA分子にループを ドと共有結合でつながり ， R の3 ー ’OH末端が 作る。生じた工キソンの遊間t

＿ . . . ， . . . . . −！ 量げ縄締造

次のエキソンの先頭部分と反応して. 2つのエ キソンをつ芯ぎ合わせるとともに イントロン

A

＋ 5 ’

3’ ' -OH

3 ’

イントロンの 3’末治

l a r i a t ）として取りはずす。 その結 を没げ純構造( 果 ， 2個のエキソンがつながって連続した翻訳 領主主と芯り．遜自在したイン トロンはやがて分解 されてしまう。

DNAかS RNAへ

F i g .6-27 ラットの r トロポミオシン遺伝子

FJ

、

笥4J

のスブライシング。日ートロポミオシンは．よ

i g り合わせコイル禍造をもっタンパク質で（ F の

i

a dlv ’

、3・レし

心ニ 行デ

−T 庁

イントロン

プ1 1ポ と 写断 げ − 転切

ヱキソン

Illi −− v

＼＼／

A N n u

A

3 ’

ll ﹁ ﹂

r トロポミオシン遺伝子 5 ’

349

3 9参照）．筋細胞では収縮を調節する。一次 転写産物は．図のように何通りかのスフライシ ンクを受けて異なった mRNAとなり．その結 果それぞれ異芯るタンパク質ができる。スフラ

5 '

繊紋筋 mRNA

ヨ f

3 ’ 平j f j 筋 mR NA

ぢ f

3’ 銭縫芽細胞 mR NA

る αートロポミオシンは．平沼筋で作られるも

3’ 総経芽級抱 mR NA

のとは異なっている。図の上部に示す三角は 。

5 ’ 5・

脳の mR NA

イシングのパターンには．細胞によって決まっ ているものもある。たとえば．織紋筋で作られ

切断とポリ A尾部の付加が起 こって成熱

mRNAの 3’末錦ができる位置を示す。

スブライシングの起こる位置は塩基配列が指示する F i g.6-26に示す m RNA 1lli 店I~体のスプライシング反応では ．

スプ ラ イシング機構が 1)fj 総体

の 3つの音I I 紘 一一5’スプライス部位＇ 3’スプライス部位． イントロン 1 . 1 ’ にあ って切り取ら れる投げ純綿造の結び目にあたる分岐点 を識日l jしなくてはならない。 当然ながらこれら 3 つの部伎には純々のイントロンに共通するコンセンサス配列があり．スプライシングを行

F ig.6-28） 。 しかしこれらの配列は比較的短く．かなり多機性 うべき場所を示 している （

I I 胞はコンセンサス配列以外の t i l報を加味して．各 RNA分 が高い。 この後説明するが．調 子のどこでスプライシングを行うか．正確な位 f i lを1 ；（終決定する 。 スプライシングにかかわるコンセンサス配列の多様性の高さは．ゲノム塩基配列を 解釈するうえで特にむずかしい川旭である。イントロンの大きさは約 10塩基から 1 00,000 塩基までさまざまで．各イントロンの f 1 l 1 j 端の位世を正確に突き止めるのは 強力なコンピ ユータを使って も雛組である。 ゲ ノムの塩基配列だけからタンパク質の アミノ酸配列を . J m 定するのは．選択的スプライシングの可能性があるためさらにむずかしい。 ゲノムの金泡 恭配列からの全遺伝子の同定を妨げる大きな問題の lつはこのむずかしさであり ． ヒトゲ

1 （ で しか わ か らないの は．これがおもな原因の lつである 。 ノムの遺伝子数がおおよその1

RNAスプライシンク． はスブライソソームが行う RNAス プラ イシングでは． これまで凡てきた m R NA生成反応とは逃い．タンパク質では なく RNA分子が鎖t t をMる。判 定 の RN A分子がス プ ライシングの起こる佐世を示 す脳 恭

F i g .6-28 ヒトのほとんどのイ ン トロンにみ

200塩;J，~ 配 列 を 総 別 し ス プラ イシング反応にもかかわる。 この RNA 分子は比較的短 く（

られる．イントロンの始めと終わりを示すコン

未満） .mRN A ilii ~li. 体スプライシングにかかわるのは 5 種類（ U L U2.U4.US.U6）ある 。

センサス結益配列。イントロンの除去に必要な のは．ここに示す 3種類の皇軍基配列だけで． そ れ以外の部分はどん忽復基でもかまわ広い。図

Cは通常の RNA塩 基 Rはプリン（ A の A.G.U. または G ) . yはピりミジン（Cまたは U）を表す。

c l : . スフライシンク反応でできる段げ 赤色の Al

「~，「ム1 で＼

純綿造の分厳点である。スフライシングのコン センサス配列のうち イントロンの始めにある 一次転写産物の一部

！ ＼ ） ） ／ ！

GUと終わりにある AGだけは共通するが．そ れ以外の部分は分岐点の Aでさえ．（図に示す 庖基の場合が多いものの）異主主った盗塁がくる

ン；ロン ト

： トロンの除去

工

ン

可能性がある。 3つのコンセンサス配列閤の距 践はきわめて多綴だが．分鮫点と 3’ スプライ

i l ' ! mは ， 5’スプライス部位と分岐点 ス部位とのf との距磁よりはるかに短いのが普通である。

6 ゲノム情報の読み取り 一一 DN Aかうタンパク質ヘ

350

こ れ ら は snRNA（ 核 内低 分子 RNA.smallnuclearRNA）と よ ば れ． そ れ ぞ れ が 少 な く と も 7つ の タ ン パ ク サ プ ユ ニ ッ ト と 複 合 体 を 形 成 し sn悶 寸p（ 核 内 低 分 子 リ ボ 絞 タ ン パ ク ）とな

る o snRNP を核にして. m R N Ai 1 i i l f l H t > : の ス プ ラ イ シ ン グ を 行 う RNAと タ ン パ ク 1 ' tの 大 別 sp l iccosome） が 形 成 さ れ る。 複 合 体 ． ス プラ イ ソ ソ ー ム （

ス プ ラ イ ソ ソ ー ム は 彼 維 な! I o 1 f 1 9 t 混合体で目 i nv i t r oで の 研 究 で は m RN A1 i i i駆 体J ・ . に い く つ か の 成 分 が 集 ま ってそt じ ス プ ラ イ シ ン グ 反 応 が 進 む に つ れ. . f { rた な 成 分 が 加 わ ったり．役1 1 を終えた成分が雌れたりする （ F i g .6-29）。 し か し 細 胞 内 で は ス プ ラ イ ソ ソ ーム は

始 め か ら 金 成 分 が 似 く がi 合 し て 存 在 し ． 協 調 し て RNAを 捉 え て ス プ ラ イ シ ン グ

Fi g .6-29 mRNA前駆体のスプライシング筏

色つきの円） 情。RNAスブライシングは.snRNP（

’スプライス在日｛必 を 行 い ． 遊 離 し そ の た び に 人 ； 似 に 再 編 成 さ れ る と 考 え ら れ て い る。5

と別のいくつかのタンパク質（図では大部分を

立の波別はおもに. 分 岐 点. 3’ス プライス古M

省略）が集合してできたスフライソソームが触

: : J H ' Iで あ る m R NA 1iiim6体 の コ ン セ ン サ ス 配

媒する。スフライソソームは mRNA前駆体分 子のスフライス部位を示すシグナルを識別し イントロンの両端を近づけ.2つの反応で酵素 i g .6-26参照）。 作用を示す（ F

5’スプライス部位

3’スプライス部位 BBP

エキソン 1 ¥

5 ’

／

・ ・ ・ ・ ・

3’ mRNA前駆体

・ ・ ・

3 ’

／ 一／，

E

r

転写産物である の一部

U1snRNPが 5 ’スプライス銀位と泡基対を作り ( Fi g .6-30A童 書P . ! 0 . B B P（分厳点結合タンパク）と U2AF( U2繍助因子）が分厳点を蕊別する。

nRNP （ ， . . ー 骨 ー U2s

U1s nRNP

BBP U2AF

5 ’

／

イントロン

． ． ． ． ． ． ． ．

I エキソン 2

U2AF

． ． ． ． ． ． ． ．

A

』

. J ’

U2snRNP

イントロン A

上 ←

E

U2snRNPが BBPと U2AFに代わって分厳点のコ F i g・6-30日参照）。 ンセンサス配列と塩基対を作る（

U4/U6・ 出 トリプル

圃 ・ ・ ・

5 ’

3 ’

" ' -us州 NP

U4/UG・us・トリプル＂ snRNPがスフライソソーム < l : . U 4と U6 に加わる。 このトリプル snRNPでl 立強く泡基対形成している。 次に再編成が起 snRNPl こってスフライソソームの活性部位が形成され，基 質と1 J . る mRNA前駆体分子の適当な部分が． 鼠初 のりンE 韓基転移反応を受けるのにちょうどいい位 2 蹴される。 置にA

i役げ銅術造の形成と

--15’スプライス部位の切断

U 1 ,U4

投げ縄構造 UGsnRNP

5 ’

・ ・ ・ ・ ・

I

-RNA再編成が獄図起こって U4 / U6 さらに RNA 淘基対を引き践し. UGsnRNPが 5・ スプライス部 位の U1と交代できるようになり（ Fi g・6-30A参 m. 活 性 ！ ！6 1 宜が形成されて 2回目のリン酸塁転移 反応が起こり．スフライシンクが完了するe

3 ’

＇ スプラ 切断と両側の ヱキソンの連結

斤＼ ＼＼ 役げ縄の形で切り取られた イントロン（ イントロン A

~· ’

OH

＋

RNAlま絞内で分解~れ， snRNPl 立再利用される）

エキソン 1 工キソン 2 5’一一一一一一一一一一一ー一− 3 ' mRNAの一部

ヘ

DNAかう RNA

351

列と snRN Aとの瓜基対形成による （ F i g .6-30） 。 スプライシングの泊料でス プラ イソソ ー ムには何阿かの 笈化が起こり ．そのたびに一帯の塩基対が域れて．代わりに別の温法対が

m o。

泣き換わる （ F i g. 6-30A 参 形成される。 たとえば. 5’スプライス部位では Ulが U6にi

この組の RNA-RNA再 編 成 （Iつ の 即寸A RN A結合の形成に．日j lの RNA -RN A結 合 の 破 RNA配事j lを繰り返しチ ェッ クす ること で．

峻 が 必 妥）は数＇＂＇起こり．化学反応が進む前に スプライシングの粉肢を日めている。

F i g .6-30 mRNA前駆体のスプライシングの

際にスフライソソームで何回か起こる再編成。 出芽酵~

スブライソソームは一連の複雑な RNA -RNA再編成を行うために ATP加水分解 を利用する

( A )Uls nRNPから U6snRNPへの総換は目思 i g .6-29 初のリン酸基転移反応の前に起こる（ F

ATP加水分解は. RNA スプライシング反応そのものには必要 な い が， スプラ イ ソソーム

の集合や

S a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a eの例を示す

まヒト細胞の場合と少し奥定よる。 が．塩基配列l

w制成に必裂である 。 スプラ イ ソソームの一部の構 成 タンパクは.ATP加水 分 解

参照）。この白換には 5’スプライス部｛立を 2種 類の異主主る snRNPが読み取る必要があり．ス ’スプライス部位の選 フライソソームによる 5

の エ ネ ル ギ ー を 使 って ほ有： の RNA-RNA 結 合 を 壊 し ． 新 しい 結 合 が 作 れ る よ う に す る。

択の精度が高く主主る。 （ B）分岐点は ます侵初

尖 際. F ig.6-29に示 す ー述 の 過 程 は． 分 岐 点 へ の BBPのがi 合と 5’ス プラ イス部 位 へ の

B P . 次に U2s nRNPによ って段別される。 はB

Uls nR NPの結合以外は．すべて ATP加水分解やほかのタンパ ク質を必必と する。 ス プ

(A ）の場合と同僚に．この．検査と再検査圃方式

ライシングには. snR NP を形成 す る タ ン パ ク 質 を 含 め る と 全 部で 200以トーのタンパク 質

により．部位選択の精度が高まる。 U2の分鮫 点への結合によってアデニン（赤色）の活基対が

が必袋．であ る。 スプライソソームでは. ATPを必袈とする RNA-RN AM編 成 が. snRNP内部 で．

’スプライス 渡れアデニンは活性化されて 5 i g .6-29参照）。 部位を攻撃できるようになる（ F

あ る い は snR NP と mRNA i i 1 J駆 体 との ！ 日 l で 起 こる。 再 編 成 の 最 大 の 機 能の lつ は． ス プ

これと BBPによる滋別とを組み合わせて．スフ

： 触媒部位を作ることである。mRNA 前 駆 体主 Hltにス プラ イシング成 ライソソームに前七l

ライソソームは．思案書的に分鮫点に砿るべきア

分が~ま っ て 11千編成がすんで初めて活性触媒部位ができるという 作ij役は． 不川 ff. なスプラ

デニンを正確に 選び出す。（（）~初の リン酸￥

イシン グを 防 ぐのに特にイi 効である。

転移反応（左）が起こった後で，一連の再編成に よって 2偲の工キソンが近づき 第二のリン酸 適切に配留すると同時に 2回の反応のために触

s 媒部位（の全体あるいは一部）を提供する。 u s nRNPはこの再編成前からスフライソソームに

含まれているが．わかりやすいよう左の図では ︾

，3 、

H A同

再鋸成

Ul A r p u−−、 Ul A 6 A GU

G G

ン圃 ・

’

キ 工 叶什

＇. 回 −

5

E置 ADP ＼／ b 0 l u b 03

11 ソ

U1

・ ・ ． ．

( A)

c l :.反応物を 基転移反応（右）が起こる。 snRNPl

省略した。本文で述べたように スフライソソ ι

ームで起こる RNA-RNA再編成はすべて（図に 示すものも省隠したものも同級に）．さらにほ かのタンパク質や ATP加水分解を必要とする。

( B)

エキソン 2

m

＼ . ＿ ノ

3 '

5 ’ − UACUAA仁

ADP

再I i i 或

A

5 ’ ーUA仁 UAC

3’

III III

AUGAUG

U2

（ 仁）

A

5’－ G~ 、吋町でρ『

工キソン 1

A

II III

-3 U-

u s

UACUACA ACUAGi>U IIIIIII rA AUGAUGU-

’

エキソン2

U2

352

6 ゲノム情報の読み取り一一DNAからタンパク質へ

' U ' iで最も意外なのは．触媒f f i l f 立の大部分が （ 令部ではないと スプライソソームの1 しても）タンパク質ではなく RNAだという こ とである。 この f , ' tの以後に．触媒作J l lをす る RNAの構造物＝性． 化学特性について述べるが．ここ では. U2s nI U 吋A と U6snRNAが 正確な立体制昨逃をとることによ って mRl サAr i i i 駆体の 5’スプライス部位と分岐点とを並ぱ せ.

: l u初のリン敗退E転移を行う （Fig.6-30C参照）らしいことだけ指摘しておく 。 lil織に．

5’スプライス部位と 3’ス プ ライス苦f)位が近くに述ばれると （ このとき必~なのは us

s n町吋A）.第二のエステル転移反応が起こ りやすくなる。 ス プ ライシングが終わ っ ても snRNP は投げ純射＇~ill に結令したままで. AT P加 ＇ ＇ ＊ 分 j仰を必~：とする RNA- RNA J I J綱引戎が起 こって初めて離れる。 もとの b ： 体十 ／ I J j むに戻った

s n肘I 'Pは．新たなスプライシング反応に再利用される 。 スプライシングが完

fすると

mRNA のそれまでイン トロ ンのあ っ た部位近くに．スプライソソームの (f~J きで−

H r のタ

ンパク質が結合する。 このエキソン媛合部後合体 （ exonj u n ct i o ncomple x E JC）はスプラ 目

l l !命を左右 イシングがうまく起こ った場！ ？？を示す目 印で．後述するが.mRl サAのその後の i する。

mRNA前駆体のほかの特徴やその合成され方が適切なスプライス部位の選択に役

立つ 前述したようにイントロ ンの大きさはさまざまで．中には 1 0万海基対を紹えるものもあ る。 スプライス部｛立が．タン パ ク質を含まない既成の町吋A分子への s nRNPの作

mだけ

で選択されるとしたら．エキソンを読み飛ばしたり ．あやふやなスプライス部付；を使って しま ったりといったスプライシングの誤りが非常に多くなるだろう （ F ig.6-31） 。 しかし スプライソソームには．車内肢をより日める要因がさらに 2つ備わっている。第一の ' } ; f閃は． RNAポリメラーゼ 1 1が mRNAJiiJ！！！区体を合成している Ill］ にスプライシン グの初JUI段I~~が 起こることである。， ， 日3 ：の際には RNAポリメラーゼのリン般化された j己 古I がスプライソ ソームの成分の一部を巡ぴ （ Fi g .6-23参

m o.RNA が合成されるとこれらが16~ilから l立接

移動する。 この作戦は．細胞がイント ロンと エキソンをうまく捉える J l ) Jけになる。 たとえ ば 5’スプライス部位の snRNP には初めのうち 3’スプライス；~ii位は l

0 司しか比えない。

それより下流はまだ合成されていないからであり．このような転写とス プラ イシングの協 調がエキソンの不適切な読み飛ばしを避けるために特に重要である。 ~切なス プ ライス 古llf立の選択のために細胞が月］いるもう l つ の ）j 法は．”エ キソン

I Y J示”とよばれる。エキソンはイントロンに比べるとたがし、に大きさが似て いて．と・ のよ工 核生物でも す1＜均 1 50 溢）~l'M変である （Fi g. 632） 。エキソン明示説によれば．ス プライシ

ング機構はまず．この比’険的大 きさの均ーなエキソンを探し 1 1 1す。町叫A合成が進むにつれ． ほかのスプライソソーム成分．特に S Rタ ンパク （ 名前の 山米はセリンとア Jレギニンの多 い領域を合むため）がエキソン仁に集まり ．町サAの 5’末端から始めて 3’スプライス部位． 5’スプライス古~I{立に II 印 を つ けていく （ Fig. 6-33 ） 。 こ れ ら の タ ン パ ク 質 が 次 に Ul

snRl 寸A . U2AFを引き ' ( . f せ. Uls nRNAがエキソンの下流側ぶ端の. U2AFが l ： 流側末端

( A )

． ．

エキソン 1

3 3 ( B )

エキソン 2

5 ’

エキソン 3

’

エキソンの l 読み飛l < tし l エキソン 1 ヱキソン 3 s ・3 ’

． ．

エキソン 1

エキソン 2

5 ’

」J

’

あ や ふ や 主 主 ． あやふや忽 I ． スプライス I スフライシング シグナル 部位を選択 I エキソン 2の−8 1 1 ヱキ 色 白3’

Fi g.6-31 スフライシングの Z積額の限り。

( A） 工キソンの読み飛ばしo ( B） あやふや忽ス ; f .＂スフライシ フライス部位を選択。 ． あやふや1

e i : . ほんとうのスフライシンク ングシグナルと l シグナルによく似た控室基配列である．

( A )

(B)

ーー ヒ ト 一一 線 虫

6

5 0

ーー 八 工 5

語 口3 0 4

ロ .L

、 4

入 ヤ

EU

3

H

b E

R

凋崎、

4 か︶川相軍門店入、パ砕

さ 40

2 0 1 0

。 100 200 300 400 500 600 700

。 3 0 , 0 0 0 イントロン長（海基対） F i g. 6 3 2 ヒト ， 線虫，ハエのゲノムにみる．

の｛ 立i 丘を示す役をする 。 こうしてエキソンに目印をつけ．その比較的均一 な大きさをうま く利 J I！ することで．新~ RNA に最初jのスプライシング成分が配li'i' されるときの精度が1·::i

まり．あやふやなスプライス部｛ 立を避けやすくなる。SRタンパクがエキソンとイントロ

イントロンとエキソンの長さの多織性。 （A）エ キソンの大きさの分布。 （ B）イン ト ロンの大き さの分布。工キソンの長さはイン トロンに比べ， はるかに均一である。 （I n t e r n a ti o n alHuman

（ ス

s o r t i u m ,Nocure4 0 9 : GenomeS e quen c i n gCo『1

プライシングエンハンサー ［ sp l i ci ngenha n c e r］とよばれる）に選択的に結合することが知ら

8 6 0 9 21 , 2 0 01より改作。 M a c m i l l a nP ub li s h e r s

J J I Jしでもか れている。 あるアミノ阪を示すのに．原理的には数組類あるコドンのどれを平I

L t d. より許諾）

ンを区別する ）J 法の詳細｜は不明だが

一 部の SR タンパクがエキソンの特定 RNA 配~lj

まわないので．エキソンが指定するアミノ酸配列を変えることなくエキソンの溢法配列を

l f 立を作るだけの自由度はある。 調整して SR タンパク結合告l エキソンとイントロンの境界への目印づけとスプライソソームの形成はともに．

mが意味

剖 ： ： RNA分子の合成中に始まるが．実際のスプライシ ングは後で起こる 。 この H

するように目 イントロンは必ずしも RNA鎖上の順番どおりに mRNATitr~巨体から除去 さ れるのではない。 また．スプライソソームの形成が転写と 司 ｜l 時であっても ．スプライシン 伝' J f J後 ． すなわち mRNA前駅体が完成してから起こる場合もある。 グ自体はi i ＇ .

動物や植物には，一部のイントロンを除去する第二の s nRNP群がある 酵母のような単純な r~級生物は snRNP が l 組だけで．こ れが全 mRNA 1iU ＆体のス プラ イシングを行う 。

しかしハエや um 乳 類や植物のようにもっと複雑なぷ校 ~I ＝.：物は日lj の

s nRNP静をもち．これがスプライシングを行うイントロンもある。 この少数派ス プライ ソソームは＇

, l 彼 自l jする自己ダl j が 5’ ス プライス部位. 3’スプライス部位．分岐点とも通常の

・3 3 エキソン明示説。S Rタンパクは F i g .6

2塑スプライソソーム スプライソソ ームとは災なり .U12Sn即 叫Pが関与することから U1

mRNA前駆体の工キソンに結合して.snRNPを

( U1 2l ypes p l i c e o s o m e）とよばれる （ F i g.6-34A 。 ） 識別する塩基配列は災な るが．こ の ス

適切主主イン トロン ／工キソン涜界へと銃場する という説 。 SRタンパクによるエキソンの範囲決 定は転写と同時に起こり. 5 ’ 宋舗の CBC（キャ ッブ結合復合体）のところで始まる。図のよう

イントロン ＇泡蓋対 1 0 ∼1 0

エキソン 約2 0 0盗塁対

イントロン 1 0 ∼1 0 5 泡基対

に mRNA前駆体のイントロンl ま極綿に長いこ

「一一一一一一「

とがあるが. hnRNP（ ヘテロ核内リ ボ核タンパ ク）復合体に詰め込まれて扱いやすい術造と怒 り おそらくあやふや忽スプライス部位も隠さ

hnRNP U2

5 ’

3’ ポリ A 結合

タンパク

れるのだろう。hnRNPタンパクは好んでイン ト ロンと結合し．スフライソソームがエキソンと イントロンを区別するのを助けているとされる。 しかし 図に示すように． 少1 d -くとも一部の hnRNPタンパクは工キソンにも結合する。 ( R .R e e d, C u r r .O p i n . C e l lB i o l .1 2 : 3 40 3 45 ,2 0 0 0

hnRNP復合体

より改作。 E l s e v i e rより許諾）

354

6 ゲノム情報の読み取り 一一 DNAかうタンパク質ヘ

( A )

通常型

U1 2型

U1

圃園田 Gu

U2 A

AG -

上 刷

U 1 ,U 4

~~1u ＿ ー

U12 A

・・

A三E

上削 ( -

トランス

圏直 U4

us

AG-

U4

UGA U2

j 量げ縄禍造と

s n R N P

G~

~：：！~と斗

J

− 一 一l

エキソン 1 エキソン 2

型

m

− 一

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

A

us

us

エキソン 1 エキソン 2

( B)

U2 A

U 1 1 ,U 4

UAA U 1 2-A

伊 と寸

us

エキソン 1 エキソン 2

・ ・ 圃・ ・ ・

・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 圃 ・ ・

E呈 E

F i g. 63 4 3種類の RNAスフライシング後構 のあうまし。 （A) 3種類のスフライソソーム 。 通常のスフライソソーム（左）. U12型スフライ

U12製

r u

U1 A

A

U G

R − −

ソソーム（中央）． トランススフライソソーム

A G A G

、 ﹁

（右）の形成を 2段階で示す。U12裂スフライソ ソームが除去するイントロンは．通常のスフラ イソソームの場合とはコンセンサス提言基配列が

2型スフライソソームが 異怒る。ヒトでは U1 除去するイントロンは 0 . 1 %とj 量定されている。 プラ イソソー ム の s nRNPが mR NAとの l l l Jや村山：に作 る RNA -RNA結 合 は． 通 常 の

ヒトにはみられ広いトランススフライシングの 反応にかかわる S Ls n R N Pは.S Ls n RNAの一部

s nRNPのj 必f tと川 じである（ Fig.6-34B。 ） ！ i i 述したように通’，：；＼・のスプラ イソソ ームの成分

NAのI N 初のエキソンに芯るために が成熟 mR

:qIの RNAポリメ ラー ゼ H とともに移動す るが. Ul2J~ スプラ イソソームの場合は は ！ ｜ 日j

消~されて し まう。（ B ）通常の U 6

s n RNPと

発 現にこの J Wのスプラ イソ ソー ムを必要 とする 数百の遺伝了・のスプラ イシン グを同時に調

Ul2型スフライソソームの U6snRNPはどちら も 5’スプライス部位を議別するが．そのため に作る盗塁対 l 事実なる。図に示す配列はヒ トの

節する方 法になるら しい。 かな りの数の 1 1 m 乳類 mR NAには．通常のスプライソソーム に

Y . T .Y ue ta l . .T h eRNAW o r l d ,p p . 場合である。（

よって除去さ れるイン トロンと少数派スプラ イソソーム によるものが混在してお り．その

l dS p r i n gH a r b o , rNew 4 8 7 5 2 4より改作。Co Y o r k :Co l dS p r i n gH a r b or L a b o r a t o r yP r e s s .

述 うら しい。そのため U1 2を介する スプラ イシ ングは巡れる 1 1 J能性があ り．この遅れが．

おかげで特 に彼総なパターンの選択的ス プライ シングが行えるとされている。 ょ工伎とt物 のー 古II.

アフ リ カ トリ パノソーマ鋭（ Ill~ り病 ）の原 因となる単細胞の原!lt ト

リパ ノソーマや尖験モデルに多則 される多綱 I I 胞の線虫などでは ．

トランス スプラ イシンク

( t r an s s pl ic ing）とよ ばれる特定の型のス プラ イシングがみられる 。 トラン スス プラ イシン グでは. 2仰1 の伝 T . J" f i . ： 牧lRN Aのエキソンがつ なぎ合わさ れて成熟 mRNA分子が lつでき る（ Fi g .6-34A参） ! ( O。 トリパノソ ーマは全 RNAをこの ） I 式で作るが，線虫の場合．

トラ

% にす ぎな い。 どちらの場合 も．細胞が作 るさ ンススプラ イ シングででき る RNAは約 1 i t i ： 万旅物 RNAの 5’末端に．特定のエキソ ンが II 1 A I つなぎ合わさ れる。 そのため まざまなl トランススプラ イシングの産物 は. 5’エキソンはまったく l••J じで 3 ’エキ ソン は異 なるも のになる。 トランススプラ イシングでも 通常のスプラ イシングと ｜ υ lじ snRNPが多 数作用

i . I . じに特イi のs nRNPが l個あ り（ SLRNPとよばれる ） ．これが共通な 5’エ す るが． この I キソンを巡 び込む（ Fi g .6-34参 ！ ！ の。

1 9 9 9 )

へ

DNAから RNA

Fi g.6-35

9サラセミア患者にみられるかグロビンー；欠転写産物 RNAの異常なプ

ロセシング。これらの例では．患者のゲノムにはスプライス部位の変異（黒のくさび形） がみられ これが病気の原因となっている。濃い両色の節分は. 3つの正常忽エキソ ’ と3 ’スプライス部位を示している。簿い青色部分は 変異 ンを示す。赤色の線は 5 の結果霞終的芯 mRNA分子に含まれるようになる新しい寝袋配列である。変巽の 結果．対に怒るm 手のはい正常なスプライス部位が残ると．エキソンが 1f 園読み飛

355

( A ） 正常な成人トグロビンー；欠転写産物 RNA

二ぷ孟／＼＼孟ン ＼／ 3個の工キソンから正常なmR NAを生成

ばされるか.(C)や （ D） のように 近くにある ・あやふやな．スプライス部位（ 1つある . H .O r k i n ,i nTheM o l e c u l a rB as i so f いはそれ以上ある）が相手として利用される。（ S B l o o dD i s e a s e s[ G .S r a m a r o y a n n o p o u l o se ta l . , eds . ).p p .I 06 -1 2 6より一部改作。 P h i l a d el p h i a: S a u n d e r s ,1 9 8 7 )

( B)1J i 基変化によって正常なスプライス! ! I l l . 立 が

i 護れ．ヱキソンを読み飛ばす

正ーご＼＼下回

トランススプライシングを行う生物がある理 I l lはわかっていないが．共通な 5’エ キソンが 『 nRNAの創訳に役立っているのかもしれず．

｛ 仁 ） 1題益変化によって正常忽スプライス告 別 立 が 寝れ．あやふやなスプライス部位が活性化

トラン ススプライシングで作られ

る線虫の mRNAは．特に制訳の効率が高いようである。 工キソン 3が長くなった mRNA

RNAスブライシンク． は驚くほど柔軟性がある

' − − −

( D )1塩基変化によっ て新しいスプライス部位が

これま で見てきたように．ス プライス；i ' i ＞位の選択には mRNA1 l l i 駆体の性質が i f i .' E Z :である 。 RN A上 の 3つのシグナル （ 5’スプライス音I 位. 3’スプライス 持l l f 立． 分 l ' ! S ( . o . ' . 0とスプライス 装iりの税不flt！：.’伝勺．と問 ｜時に起こるスプライソソーム形成． エキソンの純 IJ~ly],J~の下地と

なる ・ ・ 1 = 1 J ' . : I Jづけ”などである 。 後で説明するように．スプライシングに失敗した m R NAを d, t ' l l i l l ］ 術l 機桃がいくつかあるので．選択の . 1 E{ t " ( 1 ：さはよくわからない。 すみやかに破峻する ＇ ， しかしスプライシングが追伝子・発現のほかの段階と 比べて ~！~外れて采 1l~t生が山いことは

わかっている。 た と え ば あるイントロンのスプライシングに必裂な J J , U J : :配列に変興が生 じても ． スプライシングがまったく起こ らなくなるわけではなく．新しいパターンが生じ ることが多い （ F i g.6-35） 。J 1 i l :も多いのはエキソン l111司の読み JI~ ぱしだが （ Fig. 6-35B） .“ あ やふやな”スプライス部位が効率よく使われるようになる （ F i g .6-35C ）こともある。 1 止適 1J するよう進化してきたスプライシング機構だが． その古1 1 1 立が変異 なスプライス部位を利J

で使えなくなると次の最適パターンを探しこれを繰り返すようであ る。 これは. ~~：に よって生じたスプライシングパ ター ンの変化が．逃f ぷ子や生物を進化させる主要な方法と なってきたことをポしている。 RNAスプライシングの柔軟性には．細胞がそのパターンをみ刊行できる という意味 l l fに説明したように．選択的スプライシングによ って 1 li ］じ. i f i f i . ； γ−から見なるタン もある。 1

パク抗が作 れる。 なかにはこれを常 H 与行っている細胞もあるが． 多くの場。合．ス プライシ ンク．パターンは災なるタンパク質を異なる 1 1 , ¥ ' ) U Jに兵なる組織で作 るように訓節されている ( F i g.6-27参 ！！ 日 ）。i : N7i ' ； ＇（で．スプライシング調節の%；・殊 例 をあげてぬじよう 。

スブライソソームが触媒する RNAスプライシンク は，自己スフライシンク‘ 機構 1

か5進化したらしい スプライソソームが見つかったとき．分子生物学者は悩んだ。 なぜ．ス プライス 泌似の織 日j lやスプライシング反応での主要な役：i 却を．タンパク質ではなくて RNA分 − f -が十I［ ってい i , { ：初から 5’ と 3’スプライス部位を近づけ． それらを切ってつなぐもっと簡単な るのか。 J

方法をとらずに． 投 げ純構造という ι J II U J体を経るのはなぜなのか。 この符えは．スプラ イ ソソーム のたと’ってきた進化の道筋から・ i Hかんでくる 。

生じ．新しいエキソンを取り込む

町、~ A­

'

エキソン 2と3の悶に余分な エキソンができた mRNA

6 ゲノム情報の読み取り 一一 DNAからタンパク質ヘ

356

~ P;-t で附 lji. に述べた ことをこ のJ~の以後の節でさらに詳しく扱うが．太 『ljの細胞

は触媒にタン パク 1 ！でなく町、J A を利 J j Jし 遺 伝 情 報 も DNAでなく RNAの 塩＿）t ;配列に 蓄えていた ら しい

J Aが触媒するスプライシング反応が重要な役割を来たし そこでは 悶'

た だ ろ う し そ のJ 1 Eと して今日でも．自己ス プライシングを行 う RNAイントロン （ s e l f -

s p l ic i n gRNA i n t r o n . RNA分子にあるイン トロンで． タンパク質やほかの 即吋A 分子がな くてもス プラ イシングによって切 り 取 られる）がいく つか伐っている（たとえば．繊毛山知 の一利テ トラヒメナの核内 r R 1 叫A遺 伝 子．パクテ リオフ ァージ T4の 少数の逃伝子． ミト コンドリアと J W 献体の i l l伝子の一部）。

i ・＇F l , Jでぷl べたところ . 1 ・ 1 己スプライシングをす イン トロンを合む RNA分子を試験t るイントロンが大きく 2つ の グ ル ー プ に 区 別 で き た。 グループ Iのイントロン （ gr oupI ）では．イントロンへの G の結介に よりスプライシング反応が始まる G i nt r o ns equ e nc e が活1'1：：化されて攻綾川の'R＇・能基となり．スプライシングで切断される ll~初のホスホジエス

テル結合 （ 5 ’スプライス部位の結合）を 切る。 グルー プ Iの イ ン トロン （ groupI Ii n tr on ＆が攻怒必となり．投げ純構造の s equenc e）では．イントロン内の特に反応性の向い A伐 J

I " I H I

体 を 作る。 1 1 l j ・ i f cはその他の点では反応経路が？？：しく．ともに大＇ 1 1 ＇ の 機 構 の名伐と考え

られる（ F ig. 6-36） 。 どちらの i'l 己スプライシング反応で も．イントロ ンのj話基配列が非常にi(c~・で．イ

ントロンの RNAが折りたたまれて特典的 な立体構造をとることで 5’ と 3’スプライス部

m o。 スプライ

｛ 立が近づき . I i .応す る恭が適切な位置に きて化や反応が進む （Fi g.6-6C参

ソソームによる mR NA1 i l i 駆体スプライシング機構での化学反応がグループ H のイント ロ ’ l Uスプライシングと鋭似してい るので． そこから進化 したという i 況がある。 この ンでの l

グループ l自己スフライシングイントロン

ロン グループH自己スプライシングイン ト

イント ロン イントロン

5’ 工キソン

HO~ G

3’ エキソン

ヲー品目J J ・・＂ ~ 3·’

5エキソン

前駆体の RNA分子

~oごh

rエキソン

タムー − − ＇・ . − . / 国ー」 3’

F i g .6-36 2種類の既知の自己スフライシング イントロン。2つの惚織の類似点を強劉して示 ま反応を加速する細胞内タン す．両者とも通常l パクが補助するが．触媒作用を行うのはあくま でもイン トロン内の RNAである．グループ｜の イントロンは．スフライシング開始時に. RNA の特定の部位に遊践の Gヌクレオチドを結合す る。グループ Hのイ ントロンは．同じ目的のた めにイントロン中にある反応性の商い Aヌクレ

' -G . . -OH

s· －ー~ .......＿＿；－ 3·’

一時的広 中間体

OH A

Y

圃 圃 圃 園 田 ＇， 、 ＿ ＿ ， ，・−・3

オチドを用いる。図は 2つの悦仙の類似性がよ くわかるように箔いてある．どちらの湯合にも． イントロンが折りたたまれて非常に特異的主主立 体偽造をとる必要があり．それによって触媒活

F i g .6-6参照）．グループ Iのイン 性が生じる ( c l : . イントロンl c l : l . 2 げ縄情造に トロンの混合に l 怒って外れる．これはスフライソソームが触媒

切り取られた イン トロン

する mRNA前駆体のスフライシンク反応によ く似ている（ F i g .6 2 9と比較）．真綴細胞の

RNAスフライシングの大半l c l :スフライソソーム G

＋ 5 ’

A

OH

3’

連絡された エキソン

＋ 5 ’

が行い．自己スフライシンクする RNAは珍し ー ーOH

3’

い。 （T . R .C e c h .C e l l4 4却 下2 1 0 ,1 9 8 6より改作。 E l s e v i e rより許賂）

へ

DNAから RNA

357

F i g .637 真4 室生物の mRNAの 3’ 末舗を作

るための切断とポリアデニル化を指示するコン

AAUAAA

センサス配列。この配列はゲ ノム中にあり．

孟3 0温基

10 ∼ 30泡塁 仁A

RNAへの転写後に特異的タンパクが読み取る。 GUまたは U2 . ) 多い配列

6~基配91JAAUAAA には CPSF が切断部位よ

り後の GUの多い配予j lには C s t Fが結合し（F i g . 6-38参 目 高 ） . CA配9 1 Jには切断の際に必要な第

三の因子が結合する。この意で取り上げたほか AA UAAA

CA十OH

GUまたは Uの多い配列

I( F i g .6-1 2参照）同様．少 のコンセンサス配事J

しすつ違いのある切断シグナルー ; r tリアデニル

絞で分解

化シグナルがあり，この配列は代表例である。

AA UAAA

y

DNAに岱き込まれた

説 に 従 え ば町 スプライソソ ーム の snR NPがグループ I Iイント ロ ンの椛造的．化 学的役 ；1 f j l

RNAitCリメラーゼ

切断シグナルと ポリ Aシグナル

を代 将したときに． イン トロ ンの配列 に｜則する厳しい H J J I 約がなくなり ． スプライシングさ れうる R N A の事（ ［類が急激に増えた こ とになる。

真核生物 mRNAの3’ 末端は RNAプロセシング酵素が作る 前述したように. RN Aポリメラーゼ I Iが作った m R N AriUE体 の 5’末端は．ポリメラー ゼから解離 f!'J：後にキャ ップ を付加される 。 その後．ポリメラ ー ゼが遺伝子に沿って［~J i き絞

ける ll J に． 問サA 上でスプライソソ ー ムが形成され．イン トロンとエキソンの境界に印を S で. RNAが つける。 この過程を協調させるのが RNAポリメラーゼ C 末端にある長い尾百I

酔紫から離れて ／ ＿ ¥ : Iてくるとキャップ形成成分やスプライシング成分が尾音Iから RN Aへ 移 る 。 この節 で~見l列するよ う に . R NA ポリメラーゼ I Iが : i l : 伝 子 の最後部に迷したときにも．

m RN Aの 3’末端の位 i 立を指 定 す る シ グ ナ ル は ． ゲ ノ ム に i J l ＝ き 込 まれている （ F i g .

結 合 タ ン パクと RNA プ ロセ シ ン グ 酵 紫 に よ って（ RNAの か た ち で）識別 さ れ る （ F i g . ） Cst f（ 切断促進悶子）と CPSF （ 切断ポリアデニル化特典因子） とよばれる 2つの多 6-38。 サ プユニ ットタ ンパクが特に重要で．町ぜA ポリメラーゼの尾部に乗って逝ばれ. RNA分 子がポリメラーゼから出てくると 3’末端プロセシング配列のところへ移される。 ポリメラ ー ゼから出てきた 貯.JA 分子の特災的配~fltこ CstF と CPSF が結合 したのち．

さらにタンパク 1 1が結合して m RN Aの 3’末端を作る。まず RN Aを切断 し（Fig.6-38参

m oー

でき た 3’末端にポリ A ポリメラーゼ （ PA P ）が A ヌクレオチドを l 伺ずつ． 全部て泳！~ 200

例 付加l する。付加 されるヌク レオチ ドl i f i ! W 体 は ATPで ＼ 通 常の RNA合 成 と同 じ 5 − ’3’結

m o。 通 常 の RNA ポ リメラーゼと巡って． ポ リ A ポリメラー

合が形成さ れ る（ F i g.6-4参

RNAの切断

ポリ Aポリメラーゼ ( PAP )

，払

6-37） 。 このシグナルは R NA ポリメラーゼ I Iによ って RN Aへ と転写され． 一昨 の RNA

． ．・ ・ ・丈 、 、 ク 飴

i l i ! j g 休 3’末端が処翌日される 。 同じしくみを使って mRNA T

RN Aポ リ メラーゼが 転写を終了

AAAA AAA AAAAA A

ポり Aの長さの調節

追加のポリ A 結合タンパク

AAUAAA F i g ・6-38 真綴生物の mRNAの 3’ 末舗を作るためのおもな反応。これに栂当する

細菌の後備では. RNAポリメラーゼが終結シグナルで苑写をやめ．転写産物の 3’ 来 舗と DNA鋳型から離れるだけだが（ F i g .6 11参照），こちうはそれよりもはるかに復 雑である。

、 圃 ，

mRNA分子の成黙 3’末現描

358

6 ゲノム情報の読み取り 一一 DNAからタンパク質ヘ

ゼはjJH＼~を必要とせず.

f l 微生物 mRNAのポリ Al 邑古都はゲノムが1 ［按桁令するものでは

ない。 ポ 1 ) A 1€/;-JIが合成されるにつれポリ A 結合タンパクが結令し． しくみはわからな いが｝~ 部の長さを決める 。 ポリ A

* i i . f tタンパクの一 部は mRNAが絞から網l I l 胞質へ移行す

るときにもポリ A I t ,日1 ；に結合したままで． リポソームでのタンパク合成にも ’ 役目うが． これについては後述する

i f l邸付事では.3’末端が切断された後も RNAポリメラーゼ I Iが転 . ！ ＇ ￡ 核 保 物 mRNA1 写を続け．場合によっては数百 fi.i~.！.：も合成するが．やがて})fl伐を縦し転勺： は終わる c 3 ’

末端の切断後に作成されてポリメラーゼか ら出てくる新しい RNA には. 5’キャップ俄造

i iのな い RNAは．ポリメラ ーゼ比百1に来って動 く 5 ’→ 3 ’エキソヌ がなし、。 この似議椛i ク レアーゼによ ってすぐに分解 される。 この RNA分解が. I 此終的に RNAポリメラーゼ を ONA から I~刊m させるらしい。

真核生物の成熟 mRNAは核から選択的に運び出される ここま で. ~·£核＇ ＇＇·物の mR NA 1i1Jm＆体合成と加J~が絞 ｜人j で服山よく起こ るしくみをみてき た。 しかし良敏生物.q キにイントロンがエキソンよりもはるかに長い彼雑な 1 . ： 物では．こ

i l i ! l l i体のごくわずかな部分 れらの反応からある特別な 日 ！ ｜泌が生じる。合成された mRNA1 （ 成熟 m肘 < I A）だけが平I ］川され．切り取られたイントロンや峻れた RNA. うまく加工でき

i l J 現行事は役に伝たないだけでなく．危険を招きかねない なかった mRNA1

細胞は.1 J tし

ておきたい比較的少数の成熟 mRNA分子と圧倒的に多いプロセシングのゴミをどのよう lするのだろう 。 にして反日j

科えはこ うである 。RNA分

r は} J I J工 につれて特定のタンパク質と南I t れたり 日I J のタ

立l になる。たとえば． これまで凡 ンパク自と紡介したりしこれが各段階の完了を示す介l

てきたように．キャップ t.11-A' 複介体．

エキソン接合 rn；似合体．

ポリ A キ~Ii 介タンパクの存

イ1 ：は．それぞれキャップ形成 ． スプライシング． ポ リAj 己部の｛州Hが完 fした l : l lである。 また j t $ i切に処. f l iされた mRNA分−− ｛は ． タンパク質がないことでも比分けられる。 たとえ

nRNPがあれば不完令または民常なスプライシングを示す。mRNA分 ばs

r卜．のタンパク

t ' tを総合的に凡て．加 l ： が1 Eしく行われた と判断 されるときにだけ mRNAは般から細胞 質へと巡ばれ．そこでタンパク

nへと翻訳される。 うまく JJll工できなか った mRNAや

附< I Aのゴミは被内に伐され．内部に 3’→ 5’ RNAエキソヌクレアーゼを多く合む大型の

exosome ）によって分解される。 このように点綴細胞は石川 タンパク似合体エキソソーム （ な RNA分 fだけを細胞質に迎ぴ． ゴミは核内で処分する。 RNA ポリメラ ーゼに•！ti;'1j：された直後の mRNA i 1 l J 駆体に結合したタンパク質として

Fi g. 6-33参！ （ ！0。hnRNP （ ヒ 紋も多いのは.hnRNP （ヘテロ 依内リボ核タンパク ）である （ トには約 30ある ）のなかには. RNAのへアピンらせんをほどいて悶サA スプライシングシ グナルなどのシグナルを ，：，·i:みやすくするものもある 。 また．彼~t な＇I：：物のill伝子によくみ

られる械端に長いイントロンの RNAを．かたくまとめる働きをするものもある 。 これら の hn RNP が．成熟 mRNA をプロセシングのゴミと区 別 するうえで if（~な役；1111 を来た し

ているらしい。

n u c lea rpor ecompl e x.NPC）を辿っ うまく 加て された mRNAだけが核膜孔複合体 （ ） 包質へと j f i lばれる。伎I I 央 イL 惚合体は核）｝失にある水チャネルで．核 1 1と細胞質とを 1 1 ¥ U i て刺｝

している （ F i g .6-39） 。 小分 （ （ −5万ドルトン未満）はこれを j J ] jって 「1 1 1 1に拡散できるが．

mRNAとタンパク質の似合体をはじめ細胞内の巨大分子のほとんどは．大きすぎて特定

:大分子を の輸送過料を絞ないと通過できない。細胞はエネルギーを使って．このような p 核I I 失礼飯合体を通して両 } J l l J 1に能動愉送する。 第 1 21 戸で述べるように. l ik:T ｝子は伎輸送受符体 （ nu c l e a rt r anspo r tr e c ep t o r ）によ

って核I I 則L 彼什体を通って巡ばれる。舷ー から細胞質へ巡び I＼ す か 逆に巡ぴ込むかは．巨

ヘ

DNAから RNA

359

．運び出し準備完了” 状般の R NA RNAポリメラーゼから 出てくる RNA

ー ー ー・ . . .

j j. . _,¥

ノ

転 写 ー＋

クロマチン ( A )

L一一一一一 」 20 0nm

( B)

（A )mRNA分子が RNAポリメラーゼによる合成や種々の核タンパク F i g . 6-39 桜膜孔複合体を過して起こる大きい mRNA分子の紛送。 による梱包を経て成烈するようす。 この図は並外れて大量に存在するパルビア二環の m RNA を電子顕微鏡写~に基づいて箔いたもの。（8)

は写真の一例。パルビア二環はある種の昆虫細胞にみられる。 （A ;B .D a n e h o l t .C e l l88: 5 8 5 5 8 8 ,1 9 9 7より改作。E l s e v i e r許諾. B ;B . J . S t e v e n sandH .S w i f t ,J .C e l lB i o l .3 1・ : 5 57 7 ,1966より。 TheR o c k e f e l l e rU n i v e r s i t yP r e s sより許諾）

大 分 子 の 紐 類 に よ っ て 決 ま る。mRNAを 運び I ＼すには. ＊＼ ＇定の核 外 輸 送 受 谷 休 が mRNA に 結 合 す る 必 要 が あ り ． 少 な く と も 一 音I ）の生物では 3’切断とポリアデニル化と協調して

I ： 射し複 合 体 か ら の 搬出 を助け た 後 で mRl 吋A から向性れて核 これが起こる。 この 受 容体 は核I l 人j へと戻り ． ふ た た ひ’ : r rしい mRNA分子 を 運び出す（Fig.6-40。 ） ~~外れて m RNA f 止の多い昆 虫の パル ピアニ環泣伝子・ では.mRNAータンパクぬl 0 " 体

の 核 外 輸 送 が屯 子顕微鏡で観察できる 。 この遺伝子 が 転' f i ＇ .されると ．新 生 貯 M が h nRNP. SRタンパク．スプライソソームの成分などのタンパク質に よって まとめられるのが比 え．

このタンパク質ー貯 . J A桜 合 体が. RNAの ) J U工} J l) , C , ；、のため と思 わ れ る 一 連 の 構 造変 化 を絞

て 1 11 が っ た 繊 維に なる （ F i g .6-39参 照）。 こ の 繊 維 が 般 質 を 移 動 し て 核 股 孔 似 合 体へと

S Rタンパク CBC

r 翻駅

級外輸送 複合体 核に限定される タンパク質 F i g .6-40 “運び出し準備完了”状販の mRNAと．核膜孔を通過するその輸送の模式図。図のように．一部のタンパク質は mRNAととも

に核膜孔を通るが，ほかは核内に残る。 mRNAの核外輸送受容体は．スフライシングとポリアデニル化が正しく行われたところで mRNA に結合するタンパク復合体である。この受容体は.mRNAが細胞質へ運び出されると mRNAから離れて絞内に戻り再利用される。 mRNA I d : . 緩から出た直後．キャッブ結合複合体（ CBC)が限れる前に，ナンセンス変異による分解（「1 o n s e n s e-medi a t e ddecay ）とよばれるm : 終

検査を受ける。これについては後で，本文で説明する。mRNAがこの検査をパスした後も．さらにタンパク質の遊間E と新たなタンパク質の 結合が続き．その後でタンパク質への観訳が効率よく行われる。 EJCは工キソン後合部復合体。

360

6 ゲノム情報の読み取り一一 DNAからタンパク質ヘ

5’キャ ップを先頭に） ．通過しなが らさらに述絞した情造変化をする。 これらの観 入り （ 吋A1 i i f駆 体ータンパク複合体と mRNA −タンパク桜合体は動的構造を もち ． 察結栄から. mRl

RNA合成． 加lL 愉送の過ねで多数のタンパク

nが結合したり解縦したりすることが明

らかになった （ F i g .6-40参！！の。

1 i i ii l lしたように．これらのタンパク質の一部は mRNA成熟のさまざまな段階の日 印であ る。mR NAが4 案内にある仰に結合したほかのタンパク釘は. mRNAが細胞質へ迎 ばれてからの迎命を在府する。1 1 1陪 I Aに核内で結合し．伎外への愉j 針変も紡合したままの 胞質での mRNAの安定性，タンパク間への鰍沢先） jホ .M K > 冬目的地など タンパク質が．制H

r 発 。lのi i 即3 ：・f ， 長 淵節を i r ） ｛ りJ .

をすべて決めることもあ る。 これについては．約 71 ; ' 1 .で. i t t f . i . ; げるときに説明しよう 。

貯' 1 Aのイ 干j 戊と } J J Iてが細胞内で密接に述携していることを凡てきたが．核外への搬

出もこれ ら 2っと 一体化していると考えてよい。パルピアニ環 RNAは絞質内を動いて核 膜孔から外へ I l lるのが凡えるが．ほかの mRNAは筏J ) 英 イL 彼合体のごく近くで合成され． 加工されるらしい

点敏生物遺伝子では こち らが多数派で.mRNAの作成．加l 工．輸送す

べてが術援に）！！！御しているらしい。つまり被膜孔から I l lてくる mRNAは．組み立てライ

I て くる新 i j (の ようなものといえる。 この市の後のほうで況 I 列するが．各 m陪 ' 1 Aは ． ンから I 細 胞の品賞作用機構による検査を受けてから．初めて ? i . 1 J ＇ 事よくタンパク抗へと鈎訳される ようになる 。 た mRNAの i l l i命を論じる T J l jに．非糊 以 RNAの合成と } J I J＿（について簡単 級 外 へ 11

t 割以に不可欠な rRNA に説明しよう 。 いろいろな例があるが. mRNAからタンパク抗へのi に訊−をし l まろう 。

多くの非翻訳 RNAも核で合成され．加工される 町-IA は i~ll乳'fti細胞の乾燥豆祉の数パ ー セントで. mRNAはその約 3∼ 5%にすぎない。

残りには分解 1 i i lのイントロンもあるが. RNA の大二j'： は．行~.iii 的な役刈や触媒機能を＊た している （ p .3 3 6のぷ 6 1参 ！ ！ （ ｛）。細胞内で最も多いのはリボソーム RNA ( r RNA ）で．さ かんに分裂している細胞では即サAの約 80%にもなる。 後でt淀川するように．この RNA がリボソームのコア （ 芯）となる。細胞内の RNAすべてを l f o f i l j j ' iの RNAポリメラーゼで 合成する制的とは巡 って．点．級生物では rRNA~： M'li導川の両手ぷ－， RNAポリメラ ーゼ Iが 存在する。 これは l i l ii l lの RNAポリメラ ーゼ I Iとf l l t mが似てい るが.c末端l 丞部がなく．

4 忘1 ' j : ：政物がキャ ップ付加もポリアデニル化 も受けない。 1 i i fにも述べたが．この逃いで．細 胞は~I：制，U~

RNAと mRN A とを l 天 日j lしているのである。

mRNA分チが桜数阿翻訳されればタンパク分子の＇ E i l t l a tは大きく J 竹中日されるので． 細胞内に牧山にイf イ ：l ：するタンパク質も．一倍体ゲノムに l例しかない i l l伝子から合成でき

l l :終産物なので. J i ) 店長＂Iの l l i l l乳 類 細 胞 が る。 これに対してリポソーム町叫A は遺伝子の i 1 0 00万例ものリボソームを作るためには．各種のリボソーム RNAを細胞 1世代ごとに約 1 0 0 0万分子合成しなければならない。十 分: l . J ・ の リボソーム RNA ( rRNA）が合成できるの は．そのための rRNA遺伝子 （ rRNAgene ）が多数存イ1 ：するからである。大腸菌でさえ．必 要なリポソームの供給のために r RNA遺 伝子 が 7例ある。 ヒト細胞にはー依体ゲノムあ

0 00 A I の rRNAi 世（ I ;− − ｛があり. 5本の染色体に分かれて小 f f i l・ Hとして存在している たり約 2 ( F i g .411参 ！！ ｛ （）。 アフ リカツメガエルの細胞では. -1l~体ゲ ノムあたり約 600 例の rRNA 遺伝寸じがあり. I本の染色体の lか所にかたまっている（ F ig. 6-41）。

n .校生物 rRNAは 4f虫類あり．

リボソームにそれぞれ l分子ずつ合まれる。 その

S S .5 . S S .28S）は. Jつの大きい rRNA1iil~I~体の 化学修飾と切断によ ってでき うち 3純矧（ I る（ F i g. 6-42 ）。4つ I J( S SRNA）は. 5 ) 1 ］の遺伝子必トH から悶サA; f -リメ ラーゼ I l lという別 の両手紫によ って合成され．化学修飾は必要としな い。

DNAかう RNAヘ

361

F i g . 641 直列に遊んだ r RNA遺伝子の転写 の電子顕微鏡写真。転写されている遺伝子と転 写され芯いスペーワーが交互に並んでいるのが 見える。さらに高倍率の写真は.F i g .6 9に示す。

o e ,ColdS p r i n gH a r b o rS y m p .Q u a n r .B i o l . ( V . E .F 4 2 : 7 2 3 7 4 0 ,1 9 7 8より。 ζ o l dS p r i n gH ar b o r L a b o r a t o r yP r e s sより許諾）

1 3 , 000. 1 1 . i " . 基の r 貯M l i i l駆体 に は． いろ い ろな化 学 修飾が施さ れてから rRNAが 切 り1 1 1され リボ ソームに組 み込まれる。 この化学 修 飾 は.t l . ' fの 2’ーOHが約 100か所メチル 化 され．ウ リジンからプソイ ドウリジンへの災性化が 1 0 0か所で起こる （ F i g .6-43A）など で．その詳しい意味はわからないが．おそらく多くは

r r u サAへの折りたたみと集合を助 け ．

また一 部は リボソ ーム機能の微調整をしているのだろう 。化学修飾は. r RNA前 駆体 の 特 定の位悦 で起こり．この位 i 丘を指定する約 I SOの”案内 RNA”が. r R J 吋A1 l I i駆体 に溢器対 形 を述 切なf 企. i ' . ! ' .へと誘議する（ F i g .6-43B 。 ） 成 熟 rRNAの 成 を介 して結合 し．間叶A修飾両手紫ー

l lしを促進する 2 知人 jRNAもある。 おそらく . r RNA! i i i 駆 体の立体行4 逃を変化 させ て． 切り I ヌクレア ーゼによる切 断部位を露出 させるのだろう 。 これらの案内 RNA はすべて．核内

s m a l ln u c l e o l a rRNA. snoRNA）と よばれる種類の の 核小 体で働く 核 小 体 低 分子 RNA ( 肘J Aである。s noRN A は．ほかの遺伝子．特にリボソームタンパク質指令遺伝子のイン

トロ ンから作 られることが多い。 つまり．これらは RNAポリメラーゼ I Iによって合成さ れ ． 切 り取 られたイ ン トロ ンの加工により生じる。

1 J 止近. snoRNA に似た RNA がJJj~細胞だけ で合成 さ れて い るの が凡つかった。 こ れ らは rRNAではなく mR NAの修飾の案内役と考えられており ， 砕しい j 伴I Y Jはま だ だ が． 新しい組類の遺伝子湖節機構 である可能性が目玉ぃ。

5 ’ ppp-

．．

4 5 5r R N A前駆体 圃圃圃圃圃圃圃圃圃圃

E’ ー OH

1 3 , 0 0 0溜基

｜ 悦 飾

A ー」ι − − − − − ＂ ＂ ＇一一−＇ 」一一 企 ．

宅 圃

. t A τーーす『r -• _, .•.•

鮒

れる 制 寸

・-

」

同

値 F i g .6 4 2i = l 綴生物の 4 55rRNA前駆体分子

切断

が 3つの異なる r R N Aになる際の．化学修飾と

1 8 5r R N A . 企 企

T"r ・円 −

5 . 8 5r R NA 企

,.

2 8 5r R NA ＆園園圃圃占占

5 5r R N A

組み込まれる

6 4 3に示す）を受けてから分解される。この前 駆体でl e ! :，半分近いヌクレオチドが4 室内で分解

. ほかで作られた

υポソームの小サブユニットに

R N A l < l :2種類の化学修飾（色分け l e ! :F i g . 加工。r

リポソームの大サブユニットに 組み込まれる

される.r R N Aの名前は．超還心における沈降 速度を表す．スベドベリ単位（$）＂を用いてつけ られている。スベドベり単位が大きいほど。

r R NAも大きい。

362

6 ゲノム情報の読み取り一一 DNAか5タンパク質へ F i g .6-43 案内 RNAによる ほ NA前駆体の化

( A )

)rRNA合成後に起こる 2種類のお 学修飾。 （A もな共有結合性修飾．思初に取り込まれたヌク レオチドと遣う部分を赤色で示す．ブソイドウ リジンはウリジンの異性体で．この盗塁は積に 対 して相対的に・ねじれ．ている. (B）図のよう

noRNAが. r RNA前駆体中にある栂織的な にs

OH OH

配列と塩基対を形成して．修飾の起こる部位を

O卜10

決める。この snoRNAにはタンパク質が絡会し

c 1 11 プソイドウリジン

e tsnoRNPとよばれる。 て お り 複 合 体 全 体l

r・o − メチル化ヌクレオチド

snoRNPには．案内役をする配列と rRNA修飾 活性をもっ欝紫の両方が含まれる。

snoRNP

( B )

snoRNP

核小体はリポソーム製造装置である 核小体は． 点舷網l J包の核｜ 人jに光 学顕 微 鏡 で比 える l 此も 1 9 J l l i 五な榊 逃 体 で あ り ． ， ＇ ／＇から綱

I I ！ 胞学

1 898年 に： i ;： ー：か れ た総 説に 7 00も の 参 考 文献 が あげ ら れ て い る。 現

F i g.644 ヒト繊維募細胞の核小体の超薄切

代で ・ は ：． これ は rRNAの加 工 とリ ボ ソー ム ・サ ブ ユ ニ ッ トへ の組 込 み を 行 う場 で あ る こ

片竃子顕微鏡写J : l 。3つの 怒る区主主が見える。

・ nと は 巡 っ て股 に聞 ま れておらず（ Fig.6-44). rRNA. i 1 : t伝

( A）核全体。（ B ) i 笥倍率で見た核小体。 rRNA遺

者 が さ か ん に研 究 し

とがわか っ て い る。 ほかの 小 捺

子 本体. rRNA1 ) i f駆 体. 1 ￡熱 rR NA. rRl 叶A プ ロセ シ ン グ両 手議. s no悶吋 P . リボソームタン

n

伝子の転写は．繊維状中心偽造と電子密度の高 い緩急維状成分との問で起こり.rRNAの加工と 2

パク．翁lみ立て 。 I• のリボソームなどの巨大分 子が集ま っ て大相凝集体を作 って いる 。 おそ

個のリポソーム ザ フ ユ ニットへの組込み l e t .

I 』l i t tに行

電子密度の高い厳維状成分のところから外債j の

らくこれらの成分が流：集 して い る お か げ で． リボ ソ ー ム の 組 み 立 て が す ば や く .

周辺の頴粒状成分へと盗んでいくと考えられて

われるのだろう

. G .J o r d a n .J .McGovern) いる．｛写真鍵供’ E

綴腺

核小体

線車産状 中心情這

電子密度の高い 線級状成分

頼給状成分

． ． ． ． ． へ

DNAから RNA

・ 圃 ・ 量 ・. ・ . .

F i g .6-45 細胞周期とともに変わるヒト細胞内の絞小体の形態変化。この図には綴

のみが悩いてある。多くの真板細胞では絞際は有糸分裂燭に消失するので 図では点

4 裏 腹＼

線の内で示す。

363

叫 ／声 絞小体は．その悦泣や化争反応、にさまざまな J＼~の RNA 分チが if（~：な役；lpj を果たし

G

2

ていることから考えて. RNA触媒が主役だった時代の細胞がもっていた構造から進化し てきたものと思われる

今I I 存住している細胞では. r RNA遺伝チも伎小体の形成に重要

NA遺伝子は I01 I A I の泣｛ぷ・ − f 1 洋に分か な役：！”を来たしている。 ー併 体のヒト細胞では. rR F i g .4-1l 参！！（~） 。 川 れていて. 5羽｛類の染色体名 2本ずつの先端付 近に l例ずつ存在する （ J U I にはこれら 1 0水の染色体からの DNAループ（ rR NA遺伝子を合む）が集まって核小体 切には染色体が凝集して．被小｛本は i l ' i ' kする。有糸分裂の以後．終J U Iには染色 になる。M j

' . X

体が1 三ぱ分散した状態に民り.1 0本の染色体の先端が集合して核小f 本が l ' i 例祭される（ F i g .

645と 6-46 。 ） このi 的引には. RNAポリメラーゼ lによる r RNA逃伝子の転写が必要で

4 夏小体の魁倣

ある 。当然．核小体の大きさは細胞が作るリポソームの数を反映しており．制｜｜胞によって

． −． ・ ．

有糸分裂 の準備

初期

言 首

公

益中 期

民なるだけでなく. Iつの細胞でも変化する。 人 ；i 1 l ：のタンパク質をさかんに什成している

網 I I 胞では．核の総体制の 25%を占めることもある 。 後期

み、工てられる逃桜は彼純だが. l t iも重要な部分を F i g .6-47に示す。 リボソ ー ムがおl

．

微小体は．リボソームの構築に重要なだけでなく．ほかの 町 、iAや RNA−タンパク複合体 の組み立ての場ともなる

． ・ ． ・ ． ． ．

たとえば. mRNA1)IJ~H 体のスプライシングにかかわる U6

s nR NPは （ F i g .6-29参 ！ ！ 日）目 lf t A 1の 貯M 分

r と少なくとも 7個のタンパク質でできており ．

似合体も絞小体で作られ． タンパク合成の際にアミノ酸を述ぷ tRNA ( i l l i 搬 RN A）も核小

i l l こされるので. t RNA遺伝子も r 肘> I A泣 f . 1 . ;r と l••I様に篠小体に集ま っ ている 。 この 体で｝J ように伎小体は．さまざまな非観i'.RRNA を •Iば勺：．加 てしてタンパク伐と結合させ．いろ

いろなリボ核タンパク似合体を作る大型の製造技 l i ' 1 ＇.なのである 。

S 書矧

− ・

_

U6s nRNAは．核小体で s noRNAによ って化や修 f i f l iを受けてか ら U6s nRNPに取り 込 ま れる。 テロメラ ーゼ （ 約s ~：·o やシグナル j故）Jlj;f'ii: (（ 第 1 2i'.;1）などの iTi：~な RNA－タンパク

. ． ． ． ・ ． ． ． ． ． −

−

綴小体の集合

．

−

． ． G i

DNA復 里 遺 の準備

−

板にはさまざまな核内構造が存在する 伎の内部でl t iも L I立つ椛造は絞小体だが．それ以外にもいくつかの小悦治体が見られ． 研 究されている （ F i g.6-48 ) たとえばカハル （ C a j al ）小 体 （ 1 906年に発比した科学者の名に ちなむ） • GEMS ( g emini o fC付a l bod y）.クロマチン H I J穎粒訴 （核政E . i . ' 1 ：ともよばれる）など 般に．これらの核内小構造体は l 泌 をもたず．非常に動的に変化する。 である。核小体と！日l

． ． S

DNAin 製

． ．

F i g. 6 46 t 蓑小体の抱合 l i ! J l lヒト滋維芽細砲 の光学顕微鏡写真。核小体絵合のいろいろな段 0

階が見える。有糸分裂後 r RNA遺伝子集団を もっ 10 ：＜$：の染色体それぞれに小さ 1CM~小体が

生じるが．それうはたちまち成長して融合し． 問H J J細胞に特有の 1個の大きい核小体に芯る。 10pm

足供 ：E . G . J or da n , J .Mc Go v e r n ) （ 写Rl

364

6 ゲノム情報の読み取り 一一 DNAからタンパク質ヘ

i l l伝子発現にかかわ るl i. k 5 ｝チの合成．集合. l 目＝厳にかかわ

日に比える形で現れるのは

n？と度に集合するためだろう 。 カハル小体と GEMSはよ く似

るタンパク質と RNA成 分 が

ていて．舷内で対をなしていることが多く ．別の榊 i i i 体 か どうかはっきり しないが目 どち

noRNAや s n町' I Aが共有結合性修飾を受けてタンパク 質と結合する場 ら しい。 低分 らも s 子カハル 貯~A ( s ma lC a j al RNA. scaRNA）とよばれる 一 昨の案内 RNAが塩基対形成して

Sは. s nR NPを＇＂ ＇ 収してスプライシング反応の 修飾すべき耳目伎を選ぶ。 カハル小体 ／GEM 際に再編成された RNA ( p .3 5 2参！！引を”元に戻 す”場にもなっているらしい。一方．クロ

l l J~Ji粒 r.宇は． 完 成した snRNP や RNA プ ロセシングにかかわるほかの成分を マチン l mRNAi 1 f i 駆体の生産にすぐに使えるよう保管しておく場J リ？とされる（ F i g. 6-49 。 ） これまで核内小f l i t ) 主体の機能の解明がむずかしかったのは．こ れら構造体の外 見 が 生物によって迎い．

の進行に作い．また環境変化に応じて大き く変化する しかも細胞周知j

ことも 一 閃である。

1 u近．モデル生物に定；問的に羽人した変異やヒトでの白然発生 変災の

もた らす影轡を調べる i l l伝学的手法の お か げで. j 並； t ＜がみられた。GEMSには SMN （ 速

絞小体形成体中の DNAループ

r RNA遺伝子

＼

1 45SrRNA vvvv 、 ハJ』 前駆体

転写

. . . ． ・ . ; a ; -••

r RNAの

修飾と加工 。 。 九

r RN Aの

加工に かかわる タンパク質

一

、 て い−. . . . . 細胞質で 作られた

りポソーム タンパク

（ ー ー 、 大き拡 ∼ 』 リポ核 一 一吋 にも ＼ タンパク ｜く 邑 pl

粒子

.• -;;-'

＼ ， ＿ ／ ＇ . .ニ J

I

や3

S Sr 州

＿

~

c . z .. s > 絞小体

．

＿ . − ！ . 、

：.；~

− ． ・

Jr R N Aの加工に かかわった RNA と SS rRNA

タンパク質の湾利用

②

大限ニット F i g.6-47 4 主小体がリポソームやその他の リ

ポ綴タンパク合成に果たす役割。455r R N A前駆 体l e ! :，細胞質から運び込まれたさまざまなリボ ソームタンパクと結合して．大きt . ；υ ポ核タン パク粒子に怒る。 この粒子が核小体にとどまっ ている悶に．加工されて特定の断片が加わった り浴てうれたりして．リポソームの大サブユニ ットと小サブユニットに芯る．しかしこれらの サブユニットはまだ未完成で．それぞれ別々に 核膜孔を通って細胞質へ輸送され．初めて織能 をもった般終的怒りポソームになる．ここに示 すテロメラーゼをはじめ，ほかのリ＊ ＊~タンパ

ク復合体も核小体で組み立てられる。

DNAか ら RNAへ

365

( B)

（ 仁｝

( E )

( D)

L一一一一」 5~1 m

F i g. 6-48 緩内で目立ついくつかの小梅造体。 （ A）からの）の顕微鏡写真I d : . 同じヒト細胞核をそれぞれ特定の術造体が見えるように処理

したもの。（ E ） は 4枚の画像を広大して重ね合わせた。（A）はフィブリラリン（一部の snoRNPの成分）の位置を示しており 核小体とカハ ル小体に存在する。カハル小体を矢印で示す。 （ B）はクロマチン閥穎粒群＜1 i < m 点）で. rnRNA前駆体のスフライシングにかかわるタンパク 箆に対する抗体を使って検出した。（C)はクロマチン全体が見えるように染色したもの。（ D ) I 主力ハル小体（矢印で示す目 F i g .4-67も多照） に存在するタンパク質コイりンの位置を示す。 ( J . R .Swedlowa ndA . I .L a r n o n o. G e n .B i o l .2 ・ ：1 7 .2 0 0 1より。 BioMedC e n t r a lt 午隠 顕微鏡

u d i t hSleeman) 写真提供・ J

動 ニ ュ ー ロ ン 生 存 ） タ ン パ ク が 含 ま れ て い る こ と が わ か っ た の で あ る。 こ の タ ン パ ク 質指 令遺伝子の特定の変一典は．筋肉の変性を特徴とするヒ トの泣 伝 性 脊髄性筋金5 編 i症 の 原因と

nRNPの 組 み立 て の 異常 に よ っ て 起 こ る らしい。s nRN Pが 完 全 に な なる。 この病気は. s くなると ． 死んでしまうだろう 。 部分的に集合した s nRNP

ι 』

‘ ’

' " b

snRNP タンパク

4 軍隊 ＼

" : )

r

長 ミ

F i g.6 49 桜内情造の綴式図。脊縫動物の典型

的芯核にはカハル小体が数個あり. snRNPと

snoRNPがI i 終の修飾を受ける場とされる。ク ロマチン悶頼粒群 I d :完成した snRNPの貯蔵部

緩小体

d :普通. 20∼ s o個 位とされ，脊機動物の核に I

ある。 合成後の snRNAI ま核から運び出され. 5’ 末 婦と 3 ’ 未舗の加工を受け.7栂類の共通した S「 1RNPタンパク（Smタンパクとよばれる）と結

合する。この snRNP復合体はふたたび核内に

e aRNAにより鰻終 運び込まれ，カハル小体で s の修飾を受ける。さらに綴小体で. snoRNAが U6snRNPを化学修飾する。活発に転写とスフ

ライシングが行われる部位（脊格動物の綴には 2000∼ 3000か所ある） I d : . 匂子顕微鏡で見え

る．辺縁部クロマチン繊維．に相当する。（J . D .

L ew i sandD .T o l l e r v e y ,S c i e n c e2 8 8 :1 3 8 5 1 3 8 9 . 2000より改作。 AAASより E 午 路 ）

6 ゲノム情報の読み取り 一一 DNAからタンパク質ヘ

366

RNA プ ロ セシングに核 内 の刷次榊遣がill~ だとすると．多数の RNA とタンパク

成分を必要とする mRNATltr~巨体のスプライシングも．核内の特定の苦1\f:立で起こるのでは ないか とも思える。 しか し mR NAJ) j l 駆体へのスプライシング成分の集合は転写と同 H 寺に 起 こるので．スプライシングは染色体の多くの場所で起こっているに逃いない。典型的な l 浦乳類細胞では．約 1 5 , 00 0ほどの泣伝子が発現しているが．転' J : j ' .とスプライシングが起 こ る音｜；｛立は核内の数千か所に ｜浪られるともいう 。 こ れらの部位向体が~＇＂＇／；＼·に動的に変化す

るのは．おそらく！I 伝写．とスプライシングを行う成分が結合して．日所的にこれらの成分波 度が向くな った小さな．組み立てライン”ができているからだろう 。RNAプロセシングを

I l駅粒r . tは転’ヴの起こる部位の隣にみ られ．必要な 行う成分が貯蔵されているクロマチン ! 成分の補給に備えているかのようである。このように核はいくつかの領域に分かれた整然 l l Jを s nR NP. sn oR~叩．その他の成分が．細胞の浦安に応えて秩 とした椛成をもち．その l

序正 しく移動しているようである（ Fi g .648と 4-69参照） 。

まとめ タンパク質を合成するには．その前に mRNA分子を転写によって作らなければならない。 細菌では RNAポリメラーゼ（ DNAかう RNAへの転写を行う酵素）が 1種類で．これがプ ロモーターで転写を開始し，鎖伸長反応で RNAを合成し．ターミネータ一配列で転写を やめ，完成した mRNA分子や DNA鋳型かう解離すると mRNAが 1分子できる。真核細 胞では転写過程ははるかに複雑で.RNAi t {リメラーゼは 3種類（ポリメラーゼ .I I. II l l ）ある。 これらはたがいに．また細菌のポリメラーゼとも進化上の関連がある。

υ

， RNAポ メラーゼ ｜｜ が合成する。この百事事 長が単離 DNAを鋳 真核生物の mRNAは 型と して転写を開始する場合には転写基本因子とよばれるタンパク群が必要で，細胞内で クロマチンを鋳型として転写を開始するには目さらにほかのタンパク質（クロマチン再構 成複合体やヒス トン修飾酵素など）を必要とする。 転写の伸長期には．新生 RNAは 3種類の加工を受ける。ます 5’末端に特定のヌク レオチドが付加され（キャッブ形成）. RNA分子の途中かうイン トロンが切り取うれ（スフ ↑ T リアデニル化）。これらの加工は.RNAポリ ライシンク‘） • 3’末精力1形成される（切断と 7

メラーゼ Hの長い C末端尾部に結合していっしょに移動するタンパク質によって始めら れる。スフライシンクーは．重要主主反応をタンパク質では芯く特定の RNA分子が行うとい う点で独特である。適切に加工された mRNAは．核膜孔複合体を通って細胞質へと運ばれ， そこでタンパク質へと翻訳される。 遺伝子のなかには RNAが最終産物にたE るものもある。真核生物では白このような 遺伝子は通常. RNAポリメラーゼ l または川が転写する。 RNAポリメラーゼ l はりボソー ム RNAを合成する。 rRNAは長い前駆体として合成され．その後．絞小体内で化学修飾を 受け．切断され. 2個のリボソーム−サフ‘ ユニットへと組み立てられる。核小体は核内に ある明確芯構造体で．細胞がもっと小型の RNA −タンパク複合体を作るのも助けている。 このほかにも核内小構造体があり （カハル小体やクロマチン間穎粒群など）. RNAプロセシ ングにかかわる成分が集合．貯蔵．回収目再利用される場とはっている。

RNAかうタンパク質へ

r

前節で説明したように． 一部の. i l ' . t f . 1 . ; のM： 終i l r物は.snRNPや リボソ ームなどに合まれる RNA分子それ自体である。 しかし細胞がもっ大.，.，の . i 1 ' . t伝子が作るのは タンパク質への

道を中継する mR NA分子である。 この節では，細胞が m R NA分チのもつ情報をタン パ ク分子へ と変換するしくみをみていこう 。この制，沢という巧みな技に，，，物学者が関心をも 95 0年代の終わか”コ ドンの 1 1組”というかたちでだった。RNAのヌクレオチ ったのは 1

RNAからタンパ ク質 へ

367

ドの~IE びに記された的械が．ヌクレオチドとは化乍的にまったく jli! うアミノ般の並びに翻

沢されるのはどのようにしてだろう 。心をそそるこの川題に当時の科学・ i r .・は熱中した。 そ

1 1 ) 0 ー を .3 0( Q ' . 1 f '以 l ：をかけた進化の｛ ＇ 1 ' 1 1 1 1 1 1の l つである人類 してついに．自然が作り ｜ ：げた 1 庁りが次々と解き I Y Jかされただけでなく．細胞がこのH 行日ーを読み取 が解説したのである 。 H るために使う精巧な我山．リポソームの 締法も.2 0001 1 'にはついに J J ; (−（ レベルで解明され i

た。

mRNAの塩基配列はヌクレオチド 3個すつの組み合わせとして読み取られる 転 写 と 加 丁ー を経てできた mRNAの 温） ［ ； 配ダl j t i ' /f~l を JIJ いてタンパク質が作られる 。 転写は． 情 報 の 受 けi 度しとしては l j i . 純である。D N Aと RNAは 化学 的に も 榊; ; ' i ( I りにもよ く似ている の で． 相 補 的 な t i . I ' 基対形成によ って D N Aを2 克明にして RN Aが合成できる 。 ”転写”とい う UHさのとおり．手，I~ きの手紙をワー プ ロでi11f.'~するように． 三i"Jffそのものも？？式も変わ

らず．文 字 も ほ と ん どいl じである。 これに対して RNAの情報をタン パク貨に変えるのは． まったく巡った文字を使う 別 の言 説 へ の翻 訳 （ transl a t ion）に等しい。I l l附サA には HJi 鎖のヌクレオチドしかないのに タンパク質には 2 0組郊のアミノ阪が佼われているので．この創沢は．ヌクレオチドとア

混I YJ できない。 i l l伝 f ー のt l . l . J 主配列を m町寸A を介してタンパク質 ミノ般の l対 l対 応 で は i lに変換する倒沢は． 遺 伝 暗 号 （ genet i ccode. 遺伝コードともいう ）とよぶ のアミノ隊配ダj

規WI に則って行われる。 この l l i i ' けが解説されたのは.1 960年代初日i r iだった。 mRNA 分チのj包），~配ダlj は .

i l i統 し た 3引A lず つ の グループ．すなわちトリプレット

として読み取られる 。 RNA は 4 組制のヌクレオチ ドが、怯んだ線状iT~ 合体なので. 3倒のヌ

と ＇ . 4× 4× 4= 64: i U iりある。 しかしタン パ クレオチドの並び方は AAA. AUA. A U Gな ク抗に将通みられるアミノ阪は 20Hi 類しかないので．ま った く 使 わ な い ト リ プ レ ッ ト が あるか.

i l l :（ 云l l f ' i サが紛i f iしていて． 級 数のトリプレッ トで指定される アミノ阪があるかの

どちらかである。 : k際 に は. Fig.6-50にぷすように．後者が花しい。RNAの述統した 3 例のヌクレオチド．

トリ プ レッ トはコドン （ codon）とよばれ ． そ れ ぞ れ が lつ の ア ミ ノ 般

を指定するか． あるいは似，u~終 f を指ぷすゐ 。

このH 資分は. .f)lイがするすべての生物で J~j凶である 。 H庁号ーのごく わずかの逃いがいく つか凡っかつてはいるが．そのほとんどはミトコンド リア D N Aのものである。 ミトコン ドリアは独自の転’勺．とタンパク合成の系をも ち．これが細胞内のほかの部分とはま ったく 独 立 に働くので. l l ( ' iり・ の系に起こ ったわずかな j l i !いを維持できたのも飢ける（第 1 4l : : t） 。

AGC AGU ζ仁A UCA ACA u e c c ACC AUA c CCC u UAC UUC CCG UCG ACG CAC AUC CUG AAA CAU AUU CUU AAG AUG UUU CCU UCU ACU UGG UAU UUA UUG ζUA

GCA GCC GCG GCU

AGA AGG CGA 仁GC CGG GAC AAC UGC GAA CAA CGU GAU AAU UGU GAG CAG

Al a

Arg

Asp

Asn

Cys

Glu

Gin

Gly

H目

A

R

D

N

仁

E

Q

G

H

GGA GGC GGG GGU

i le

Leu

L y s

Met

K

M

Phe

GUA GUC GUG GUU

Pro

S e r

Thr

Trp

T y r

V a l

p

s

T

w

y

v

UAA UAG UGA

袋止

Flg.6-50 遺伝暗号。アミノ阪の 3文字表記の下に標準的忽 1：文字表記を示す（アミノ酸名と4 荷造については.pp.128∼ 129のパネルト 1 を参ft~ ）.コドンf;j;慣習として．必す 5’釆昔話側のヌクレオチドを左にB く。ほとんどのアミノ酸には 2 つ以上のコドンがあり．各アミノ酸

をt宙定する復主主のコ ドンにはある樋の法ll•Jがある。閉じアミノ酸に対するコドンは 1： 醤自と H番目のヌクレオチドが共通で. 3話回が異

怠る場合が多い。3つのコドンがアミノ般に対応せす目タンパク質靭K R 領域の終わり．つまり終結部位を示す（終止コドン）。コドン AUGは タンパク質蹴訳領域の始めを示す開始コドンと メチオ二ンを指定するコドンの 2つの働きをする。

6 ・ゲノム情 報の読み取り 一一 D NA からタンパク質へ

368

のとeれを使っても， RNA配列の観訳ができる （ F i g .6-51） 。 し か し mRNA分子では 3種

3 ’

5 ’

原理的には. l l t J I 去を読み始める位置によって決まる 3. f t f i ' n lの 読み 枠 （ readi ngframe ) 1

I . i品d品邑d白幽d時品d時品 一 −Leu-

類の読み枠のうち．目的のタンパ ク質を示すのは lつしかない。 これは各情報の最初に読

S e r− 一 一 − Val− 一 一 一 Thrー ー

み始めを示 す特定のシグナルがあ って正しい読み枠を設定するか らで．このしくみについ ては後でみることにする。

z担品品品d由占出品品臼ー凶d出 - S e r− 一 一 − Ala-

Leu-

P r o-

tRNA分子が mRNAのコドンとアミノ酸を結びつける mRN A 分子のコドンが也桜アミノ酸を識別するわけではない。 トリプレ ッ トは．アミノ

3

i . 出品品回由品出品品回白＆出 − 一 Gln-

酸と直接結合はしない。mRNAをタンパク質に翻訳するにはアダプタ 一分子 の介在が必要

A r g− ー一Tyr− 一 一 Hi s一

役 目j J する。 このア ダプタ一分 で．この分子が片側でコドンを．もう 一方の側でアミノ般を J

F i g . 6-5 1 タンパク合成で可能な 3通りの読

子 は 運鍛 RNA( t r a ns f e rR1 寸A. tRNA）とよばれ．約 80ヌクレオチドの長 さの小さな RNA

み枠。ヌクレ才チド配列（背色）をアミノ酸配列 d :3個 （赤色）に翻訳する際には.mRNAの配列I

である。 前述したように RNA 分子は折りたたまれて正隊に決ま っ た三 次元f／~j主をとること

があるが. tRNA分子 はそのみごとな例で．短い領域 4か 所 が二重 らせ ん を 形 成 し 絞 式

すつのヌクレオチドの紹として 5 ’から 3 ’方向 へ読み取られる．したがって原理的には．同じ RNAi t ! 列が．読み枠によってまったく泣う 3

Fig.6-52 。 ） たとえば 5 − ’GCUC-3’という 的に表すとクローパーの撲の形にな っている （

種類のアミノ酸配列を指定できる。しかし．こ

配列は．問じ分子内の別の部分にある 5’－ GAGC-3’という配~Jj と．かなり ~niい結合を作る 。

れら3種類の読み枠のうち実際には lつしか

クローパー紫形の分子は．分子内の領域間にできる水素結合によ って さら に折りたたまれ

使われ忽い。

て．驚にまとま った L字形の構造をとる。 タン パ ク合 成 で tRNAが働くには，この L字形の両端に佼位する. . l j , l i ! ￡対 形 成 し ていない 2 つの~Ii成が非常に重~である 。 そのうちの l つがアンチコドン （anticodo n） で．

正二二二二二』

アンチコドン

場 長 クローバーの葉

( A )

( B )

（ 仁 ）

5’ GCGGAUUUAGCU CAGDDGGGAGAGCGC仁AGACUGAA'JA'l'CUGGAGGUCCUGUG T'l'CGAUCCACAGAAUUCGCA~CA ＇ − − ー 司 ＿ ，

( D )

( E )

3 ’

アンチコドン

F i g . 6-52 tRNA分子。フ工ニルアラニン （Phe）に符奨的拡 tRNAのさまざまな表し方。 （A） 分子内二極らt 主んを作る相備的泡基対（赤色の

I である．コドン ／アンチ 綴）を示すクローバーの薬形の図。アンチコドンは. mRNAのコドンと塩基対を形成するヌクレオチド 3飽の配ヲJ

来絡に結合する。 tRNAには特殊芯庖塞がいくつか含まれているが．これらは tRNA分子が合成さ コドンに適合したアミノ酸が tRNAの 3’ れてから化学修飾を受けてできたものである.' I ＇で哀した泡基（ブソイドウリジン。 F i g .6-43参照）. Dで表した泡基（ジヒドロウリジン F i g . 6-55参照） I d :ウラシルから生じる。（Bとζ）x 線解析でわかった L字形の分子の全体像。フ工二ルアラニンに特異的は tRNAの場合を RNAすべてが非常に似た榊遥をもっ。 ι ι A ( D ）この tRNA分子の一次庖基配列。A .B .Cで色で表した1 5 6 分を同じ色で 示すが．ほかの t

この本では．このアイコンで t RNAを表す． 示す.(E）

RN Aからタンパク質へ

ここにある 3個のヌクレオ チドは mRNA分子のコドンと相補的な塩基対を形成する。 も

う lつは 3 ’末端にある短い一本鎖領域で．ここに．コドンに適合するアミノ股が結合する。 暗号には ” 紛! f ： （ ＇ が あ り . l例のアミノ酸を指定するのに複数のコドンが使える 遺 伝i F i g .6-50参照） 。 それには．対応する tRNA 分子を 2種類以上もつア ことは前に述べた （

ミノ酸があるか. 2種類以上のコドンと対合できる t RN A分子があるか．どちらかでなけ ればならない。実際にはどちらも正しい。2純類以上の ほN A分子をもっアミノ酸もいく つ か あ る し コ ド ン の 始 め の 2つの塩基とは』日（＇1な誕生主対形成を必要とするが. 3番目は 誤っても大丈夫な （ ゆらぎ ［ wobble ] ) tRNAもある （ F i g .6-53） 。lつのアミノ般を指定する コドンが複数あるとき. 3徐自の上説法だけが与もな っている場合が多いのは．ゆらぎで説明 Fi g.6-50参 ！！の。紺閣では．ゆらぎのおかげで．わずか 31種類の t 陪 ＞ ！A 分子で 20 できる （

種類のアミノ酸を 61個ものコドンに対応させている。t 即J Aの種類数は生物秘によって異 なり．ヒトのぼN A遺伝子は 500近くある 。一方．アンチコドンの種類はわずか 48である。

tRNAは核か 5運び出される前に共有結合修飾を受ける 兵 級 生 物 の 貯I Aの多くと問機. tR N A も絞外へと迎び出される前に共有結合によ って修 飾される。 tRNAは ．

n核 生 物 の tR1呼A は RN Aポリメラーゼ 川 が合 成する。細 菌 と 真 核生 物 の

どちらも大きな tRNA前駆体として合成され，いらない部分が切り取られて成

熟t RNAとなる。 また.9 Jり取らなければならないイントロンをもっ t RN A 分子もある （ 細 i l i l f 巨体のスプライシングとは 菌でも真核生物でも 。 ） このスプライシング反応は. mRNAJ

t J : i iの中 日体はできず． ｜ ！ タンパク触媒による切り貼り機構によ っ 化学的に呉なり．投げ制付l て行われる （ F i g .6-54 。 ） 不要部分の切り取りとス プライシングはどちらも .t RN A 前駆｛本 がクローパー楽形に正しく折りたたまれていないと起こらな 、 し。折りたたみを誤った

tRNA

tR N A前駆体は適切に加工されないので．切り 取りとス プライシングが t RNA生産の品質

管理を担っていると思われる。 t RNA分子 は 必 ず． さまざまな化学修飾を受ける。成 熟 成N A分子 では，ほぽ 10

悩に lfl~j のヌクレオチドが通常の G, U .C . A リボヌクレオ チドから変化 している。50種 類以上知られている tRNAの化学修 f l f i lのいく つかを Fi g.6-55に示す。一部の修街i Iヌク レ オチド （ 特にアデノシンの脱アミ ノ化によ ってで きるイノシン）は立体構造やアンチコドン の塩基対形成に大きく影響し適切な m R N Aコドンを織別しやすくする （ F i g.6-53参照） 。 ほかの修飾は. t RNAとアミノ般の結合の J E 織さに彬科す る。 3 ’

5 ’ mRN A

細菌 結合しうる アンチコドン泡基

ゅうぎの位置の コドン泡基 Fi g.6-53 コドンとアンチコドンの題基対形成のゆらぎ。19 1 J 自に記した塩基は．コ

u

ドンの 3番目すなわちゆらぎの位留にくると. 2列目にあげたどの措置基とも控室基対を

c

形成できる．たとえば．イノシン（｜）がアンチコドンのゆらぎの位置にあると．その

A

t RNA は．細菌の場合には 3 種類のコドン. ~核生物の場合には 2 種類のコ ドンのど

G

れとも結合できる。 tRNA中のイノシンは. tRNA合成後に起こる化学修飾の 1つ．ク ア二ンの脱アミノ反応（ F i g .6-55診照）で生じる。 イノシンとの窓基対など 変則的 拡活基対は通舗の塩基対より普通は弱い。コドンーアンチコドンの短基対形成はコド ンの 1 . 2番目の位置ではもっと厳密で 通常の復基対 しか許されない。細菌と真絞 生物でゆらぎの持軍基対が異なるのはおそらく タンパク合成装置であるリポソームの .Gut h r i eandJ .Abelson, TheMolecul a r 構造にわすか芯遣いがあるからだろう。（C 4

B i o l o g yoft h eY e a s tS o c c h o r o m y c e s :Metabo l ismandGeneExp r e s s i o n ,pp . 487-5 28

より改作。ColdSpr i n gHarbo r , NewY o r k :C o l dS p r i n gHa r b o rL a b o r a t o r yP r e s s . 1 9 8 2 )

A .G. または 1 Gまたはl

寸 ＂

Uまた はl

」 ｜

｜ コ

仁または U

真4 室生物

ゆらぎの位置の コドン溜~

結合しうる アンチコドン坦基

u

仁 − ー ヨU l

A G

Gまたは l u

1「τ

c

369

370

6 ゲノム情報の読み取り 一 一 DNAか5タンパク質ヘ F i g ・ 65 4 tRNA前駆体に結合した tRNAス フ ライシングエンドヌクレアーゼの4 荷造。このエ ンドヌクレアーゼ（サブユニッ ト4個から怒る） が. t R N Aのイントロン（宵色）を除去し．；欠に 多控霊能 t R N Aリガーゼという別の酪梁（図では 省略）が. t R N Aの半分にあたる 2個の断片をつ 定供： H ongL i ,C h r i s t o p h e r なげる。（写真l

T r ota ,J ohnA b e l s o n )

特異的酵素がアミノ酸を対応する t RNA分子に結合させる DNAの 遺 伝 1 1 / 1りーを読み取るために．調H J ! 包がひとそろいの t RNAを 作 る こ と は わ か っ た。 0種類のアミノ般のなかか ら適切な相手を選ぶ ） J 法であ 次に知りたいのは. tRNA分 子 が 2 aminoacy l tR NAs y n t het a s e）で．そ る。 その役をする の はア ミ ノ ア シ ル tRNA合 成 酵 繁 （ 洋に共有 結 合 さ せ る （ F i g .6-56と 6-57）。 ほ と ん ど れ ぞ れ の ア ミ ノ 般 を 対 応 す る ほ NAl

0. l ' J i 釘l の合成両手ぷ・ がある） ． の細胞ではアミノ椴ごとに合成両手議が異なり （ つまり 全 部 で 2 それぞれが．たと えばグリ シンの コドンを識別す る すべ て の ほ NAにグリ シンを．アラ ニ ンのコドンを減別するすべ ての tRNAにアラニンを結合させる。 し か し 網1 1 1 ' . f i で は合成 醇

0粍 : l : i ' i以ドで． ｜ 百 lじ合成両手議が後数のアミノ般を但当する 哀が 2

l州 知の合成両手ぷ・ が 2位

頬 の tRNAに ！日 lじア ミノ酸を結合 させるので．アンチコド ンに対応するア ミノ阪をもつの はー ｝ jだけということになる

”誤って”結合したア ミノ般は．日J Iの両手ぷ が tRN Aの ア ンチ

コ ドンにふ さわし くなるよう化学修飾する。

。

− ＜ 工 ＞； ， 」

叫 門

r n,

H

H

P

2個の水紫が Uに付加されている

（ ジヒドロ U)

ち

: : C J "

冶 ｜

P

Uの酸素が硫f i t に置き倹わっている ( 4・ チオウリジン）

ィ 止： H

＇~

Aの目 見アミノ （イノシン）

F i g. 6 5 5 tRNAに存在する通常と巽怒るヌク レオチドの例。これらのヌクレオチドは目普通 のヌクレオチドが ; f lリヌクレオチド鋭に耳目み込 まれた後で共有結合で修飾されてできる．こ

l 盟主目の修飾ヌクレ：司 令チドは F i g .6 4 3 のほかの 2 に示す。ほとんどの t RNAで．約 1 0%のヌク レオチ ドが修飾されている（ F i g .65 2参照）。

RNAか5タンパク質へ

R

, . , , 0 トt , N-C-C了 I " OH II アミノ磁

m

F i g. 6-56 アミノ酸の活性化。アミノ酸は．ア

OH

I

371

ミノアシル t R N A合成酵素による 2段階の反応 で活性化される。図のよう に．アミノ酸を

t R N Aに高エネルギー結合で結びつけるために， A T Pの加水分解で生じるエネルギーが使われる。

tRNA

ますアミノ酸のカルボキシ基が直箆 AMP部 ｜ ミ

2 P,

分に結合して活性化され，アデニル化アミノ酸

, . , , 0

( a d e n y l a t e daminoa c i d）と忽る。この AMPと

O Ol

C

AF ＼

N H

RIC lH

I

I I、 N-C-C' " I ' . . .Pーリポースーアデこン I I アデニル化アミノ酸

TP分子 の結合は通常起こりにくい反応だが.A の加水分解が原動力と怠る。 AMPに結合したア ミノ酸のカルボキシ基は合成酵素についたま

R N Aの 3’末端の糖のヒドロキシ基に移され まt

アミノアシル

t RN A

る。この転移でアミノ酸が t R N Aと活性エステ

p」リポースーアデニン

ル結合を形成し，鼠終的なアミノアシル t R N A

AMP

分子が生じる。この図には合成醇薬は示してい 広い。

アミノアシル t RNA合 成 形 議 によ ってアミ ノ酸が tRNAの 3’末端に結合する ！ 又応 はエネルギーを政 I l lする ATP加水分解と共役しており（ p p .79∼ 81参 ！t ! O . tRNAとアミ ノ般との l l Jには山エネルギー結合ができる。 この結合エネルギー はその後の タンパク 合 成

の過者t で ＼ アミノ般を共イ' i 結合でつないでポリペプチドj j ［ を や， ，長 さ せるのに使われる。 H 苛号 W f . t ; 売のうえで． アミノアシ ル tRNA合 成酵素と tRN A は同じく らい主要な アダ プターである （ F i g.6-58）。 これを確かめる尖験として． アミノ敵 （システ イ ン）を対 応す

ノアシル t RNAを使って . 1 ! 1 怖l l J 包系でタンパク合成を行うと． この ほNAが 働 く た び に

ポ

RNA に述紡した後．化学反応で日j l のアミノ椴 （ アラ ニン）に変換した。 この ”混J l f l ”アミ るt

リペプチド鎖のその位 ' W tに；決ったアミノ般が挿入された。 この実験で． 遺 伝H 行i ； ・ はこの 2 般類のアダプターの述統作川によ って制訳される ことが証明さ れ た が 後で説明するよう に．網I l 胞にはこの純の l l l J述いを避ける品質？？翌1機構がある。各アダプターが I1 A 1 の分了・と 別の分子とを！！（（合して特典的に組み合わせ，そ の 述係 プ レーが mRNA分子 の 説 ん だ 3例 の復基（コドン）を特定のアミノ般と結びつけるのである 。

t RNA合成酵素による編集で精度が保たれる t RNA合 成両手拡 が各 t RNAに正しいアミノ般を維実に結びつけられるように．いくつかの しくみが辿係して働く 。 まず合成r ' i ¥ : , tが正し いアミノ酸を選ぶ必裂があ る が． ほとんどの 場合 これは 2 段｜併で行 われる 。 第一 に．合成両手紫の活性古llf立の くぼみ にI1~ も 尚い税利型｜．を

もつのは正 しいアミノ阪であり ． ほ かのアミノ般より選ばれやすい。柄に，正しい アミノ

F i g . 6-57 アミノアシル基と t RNAの結合の 構造。アミノ酸のカルポキシ基が． リ1 1 ¥−スと

( B)

( A)

アミノアシル

t RNA

0

NH2

o-P= O

「 V-! Io ＂ ＇ ノo

L

NI1 2

I 0, I

i

」

1 ' l

, . . . C _ ,

｜ 〆 円、C’ ＂ ＇N ο HC I I I 5’ 1 . . "w c. .N° " " 'CH < ; : H2 I ＇~ 3 '" ' r 圃圃守2’

O、 ／

0

OH

NH,

出するので．このよう芯結合をしたアミノ酸は 活性化されているという。 （A）綿造の模式図。 アミノ酸t e l :t R N Aの 3’末端のヌクレオチドに結 合している（ F i g .6-52参照）。（B )( A ）の磁線で 囲んだ部分に対応する実際の構造。合成爵索に l ; l :2i 重類あり. lつはアミノ酸をリポースの

3 ’ ・ OH益に直鐙結びつける。もう lつは窓初に 2’・OH~ に結びつけるが．その後 アミノ酸は．

c

卜1 -C-R

エステル結合を形成している。この工ステル結 合は加水分解により大き主主自由エネルギーを放

アミノ強

エステル転移反応によって 3 ’位に移動する。 F i g .6-56と同線に，アミノ酸の＂ R＂ は 倶l ] i 員を表 す。

6 ゲノム情報の読み取り 一一 DNAからタンパク質へ

372

H

＼ ？ ど /

〆、r--~H2 ｜

｜

＼ ν人

H

#o H2 N一存一− c 三 I

tRNA ( t RNA T r p )

I

o

ι

~／

〆「r t-

｜ ｜

｜ ｜

'

WC H

I

#o

H,N- C - C

高エネルギー

ー ｜ 、？

／ 結合

CH，

ぐ

〆 ~ i:.­

｜ ｜

｜ ｜

｜ ）

＼ ／ 人N〆CH ぷ l

H

園I AMP +2P; 〉』_ L ／／

t RNAが RNAの

アミノ滋と tRNAを結合

コドンに結合

tRNA合成酵素

5’ I-

（トリプトファニル

tRNA合成番 手 禦 ）

- I3’ mRNA

n

酸 よ り も 大 き い ア ミ ノ 阪 は 活性部位から効率よく持 除される。 だ が． イソロイシンとパ

鰻総結果 ：アミノ酸が コドンに応じて遺ばれる

迷 い は メ チ ル 基 I個だけ）を正しく見分けるのは. l段 リンのように似た 2つ の ア ミ ノ 酸 （

F ig .6-58 遭伝暗号の翻訳には. 2種類のアダ

階の総｝J I Jだけではむずかしい。そ こ で ア ミ ノ 般 が A MP と共有結合した後で（ F i g .6 -56参

プターが順に関与する。E 霊初に働くアダプター

照）．もう I1 1 1 1減目J Iす る。合 成 防 素 と 結 合 し た tRNAは ． ア ミ ノ 酸 を 合 成 酵 素 に あ る 第二

はアミノアシル tRNA合成欝紫で特定のアミ

のくぼみへと送り込もうとするのである 。 このくぼみは大きさが厳衝に・ f i とまっていて．正 j 1へ 入 り 込 む。 この編集ポケットに入 っ しいアミノ般は入らないが．よく似たアミノ般は 1

ノ酸をそれに対応する tRNAに結合させる。第 二のアダプターは tRNA分子自身で．そのアン チコドン（ anticodon） が mRNA上の対応するコ

たアミノ般は. A M P （ すでにアミノアシルーt RNA結合ができているときには tRNA）との

ドン（ codon）と題基対を形成する。どちらの段

結 合 が 加 水 分 解 さ れ ． 酵 素 か ら 遊 離 す る。DNAポ リ メ ラ ー ゼ の エ キ ソ ヌ ク レ ア ー ゼ 活 性

階でも誤りがあれば．タンパク質に間違ったア

F ig.6-59 ). tRNA／ア ミノ酸述結の精 による編集作業と似たこの加水分解による編集で （

ミノ畿が取り込まれてしまう。 ここに示す例で

度は高まり.~りが 4 万四に 1 回程度になる 。

l e ! :.mRNA上のコドン UGGによって． ト

υフ

トファン (Trp）が選ばれている。 ( A )

編集部位

額った アミノ酸は 除去される

−・4・・ E 異ったアミノ酸

U I鎖

合成 ( B)

限ったヌクレオ チドの付加

血合1 5 6 1 立 DNAポリメラーゼ

／ 5 ’

3’

3’

5 ’

5 ’ ’ ち

~ 笥集部位 合成

Fi g.6-59 加水分解による編集。 （A) tRNA合

成醇紫は，誤って結合したアミノ酸を加水分解 するという繕集作業を介して．自うの絞りを訂 正する。本文で述べたように．正しいアミノ酸 は編集部位から排除される。（ B )DNAポリメラ

’ ‘ 編集

ーゼが行う該りの訂正作業には類似点もあるが． 鋳裂との対合が誤っているかどうかによって除 g .5 8参照）。 去が決まる点が異なっている（ Fi

RNAか らタ ンパク質 ヘ

373

F i g . 6 6 0 アミノアシ ル tRNA合成畿索による tRNA分子の箆別。この t RNA ( t R N A α ＇）では．アンチコドン（底に位置する） ＂ とアミノ酸受容腕の両方に特異的ヌク R N Aを段別できる。結合した A T P分 レオチドがあるので．合成醇紫（宵色）が正しい t t e i t z ) 子｜主演色で示す．（写真鍵供 TomS t R 1 叫A合成両手ぷーは. t 町 、＇ Al 洋も正し く謙別 しなければならない。 合成醇議は， tRN A との構造的．化学的な相補佐が広い領域におよんでいるおかげで. tRNAのさまざまな特

i g.6-60 。 ） ほ と ん ど の ほNA介成形訴は．対応する tRNAのアンチ コ 徴を感知！ できる（ F f & ) J I Jする。 この醇 紫に は 3例のi ! E 統したヌクレオチド紡合ポケッ トがあり．そ ドンを依桜 J れぞれがアンチコドンのヌク レオチドと形.

¥ U f . l iが相補的にな っている。 ほかの合成醇素

RNAの数 では受容j院の溢J.~nc列がJ敗目IJ の鍵を！!il っている。 ほとんどの場合 ． 合成酵素は t か所の塩基を”読み取って”い る。

アミノ酸は伸長中のポリペプチド鎖の力ルボキシ末端に付加される アミノ般がまず t 肘叫A分子に結合する こと をi 淀川したが． 今度はアミノ般をつなげてタン パク質を作 るしくみをみてみよう 。 タンパク合成の必本反応は. ，，，，長してい くポ リペプチ ド鎖の末端カルボキシ必と．取り込まれる遊離アミノ般のアミノ哉との 11のペプチド結合

i 1 Jけて l個 ず つ の び の形成である。 したがって．タンパク質の鎖は N末端から C末端に 1

l f l .ポリ ペプチド鎖 の カルボキ シぷ紛には t 貯I A分 子が共布結合しており （ ペ ていく 。 この l プチジル t 町J A分子）．これによって活性状態が似たれている。 この山エネルギー共 有 結 臨むたびに成れ．新しいア ミノ般ととも に同 じがl 介が巡び込ま れる （ F ig . 合 は 反 応 が l段 i

6-61）。 このように．付加 されるアミノ阪自 身が mt 1 ： 化 エネ ルギーを巡び込むのだが．そ のエネルギーは，.， 分自身ではなく次に来るア ミノ酸の付加｜に平I J JI Jされる 。これは Fi g .2-68 で説明した＇＂liJ'i:~ll f t l t J , ! ; ' " ll~ の混合の 例 である 。

F i g .6 61 アミノ践のタンパク質への組込み。

RNAの指令はリポソームで解読される

ポリペプチド鎖は.c 宋織にアミノ磁が 1っす

タンパク質の合成 は mRNA分子 が巡ぷ情報i に1 i f . :って行われる。 1 Eしい読み枠を保ち． 精 度 （I万アミノ敵につき訣り l例程度）を維持するために．タンパク合成は触媒作用をもっ 分子装置． リボソ ーム （ r i b o s ome ）で行 われる。 リボソームは 5 0f . 直結l 以上のタンパク質（リ

i b o s o ma lpro t e i n ） ］と ボソームタンパク［ r

数純労i の リボソ ーム RNA ( r i bosomal貯 ' 1 A .

n

っ加わって伸長する．伸長中の鎖の力ルボキシ

R N A分子との共有結合によって活性化 末舗は t されているので，ペプチド結合の形成がエネル ギー的に起こりやすい．伸長する宋錨を活性化

R N A結合は．反応ととに再生 するベブチジル t

rRNA）からな る似合体である くCGCC ＞。通常の山被細胞は．制J I 包 に数百万個のリボソ

される。アミノ滋側鎖l ま簡略に R ， ・R 1 .R3 .凡

F i g .6-62）.そのサプユニ ッ トは．被小体で制l み立てられる 。 リポソ ームタ ームをもち （

のように示す。参照しやすいように．ポリペプ

ンパクは細胞質で合成されて絞内 へ と巡び込まれ． そ こ でf tl 必 修飾された r RNAと結

チド鎖の

合する。 こ うしてでき た 2例のリボソーム・サブユニッ トが細胞質に巡びI L ¥され． 合体し

< l : . ペプチド鎖に 4つ自のアミノ酸（赤色） の図l

R』

♀

＇ 。

｜

−−

H H0

﹁L

R1

df

ト~2N-cr-c γr －~十r- c ，「＼ノ t'1

o o＼

R？ト O I ' ' 1ρ 1 1 . ' C C '

、ue−

O

I I グ

＼け

H H

RfC H

R, 1 ・

をつないでいるところである。

OH C h H IFVl Hl N CHO ヲ− − Ri elH NlH OHC

II I

HI C−R N ． ， H

H 0

2 m自のアミノ酸に灰色をi l l ねた。こ

アミノアシル

何度中のポリペプチド鎖の 仁末虫歯についたベブチジル t R NA

t RNA 4

ベプチジル結合力、う 遊 商 量した t RNA分子 4

伸長中のポリペプチド鎖の C末端についた新しい ベプチジル t RNA

6 ゲノム情 報の読み取り 一一 DNAからタンパク質へ

374

F i g .6-62 真核細胞の細胞質にみうれる リポ

ソーム。細胞質切片の断面を表す電子顕微鏡写 真。リポソームは黒い点 （ 赤色矢印）に見える。 細胞質に遊践しているものと小胞体膜に結合し el S. ているものとがある。 （写真提供： Dani F ri end)

てタンパク合成を行う 。

!'L核 ~I＝.物と IJ;l敏生物のリポソームは緋成も機能もよく似ており．大サフ．ユニ ッ ト l 個と小サフ・ユニット l例 が 組 み 合 わ さ って．質弘一数百万ドルトンのリボソームを形成して いる （ F i g.6-63）。 小 サフ・ユニッ トは町 tRNAと mRNAの コ ド ン を 正 確 に 対 応 さ せ る 場で

BOS

705

／＼

s o s

M W1,600,000

／ ＼ 235rRNA

SSrRNA

C弓 120

畦 ‘ − ー ー ー 三 −； ： ： ： ： ー コ ≫ : :

ヌクレオチド

2900

ヌクレオチド

郎／＼

305

M W900,000

／ 165rRNA

三雲 1540

ヌクレオチド

M W2 ,800,000

M W1 . 400,000

／ ＼＼＼ SSrRNA

c : : 芸 1 20

ヌクレオチド

285r RNA

喜 言

405

／

5. 85r RNA

co 160

ヌクレオチド

185rRNA

三 三 1900

ヌクレオチド

4700

ヌクレオチド

u

34タンパク

21タンパク質

原級生物のりポソーム

約 49タンパク質

約 33タンパク質

1 4 級生物のリポソーム

F i g.6-63 原級生物とi 4 級生物のリボソームの比駁。原核生物と災被生物のリポソームは， rRNAやタンパク質の数や大きさが違うにもか RNAには．細菌の対応する r RNAには主主 かわうす白ほとんど同じ備造をとり よく似た緩備で働く。真核生物のリボソームの 185と 285r

l l 花王る怖入で生じたものだが白余分忽領域を作るだけで，個々の い余分のヌクレオチドがたくさんある。これうのヌクレオチドはたびi rRNAの基本的偽造は変化させない。

RNAからタンパク質ヘ

375

認ず−

( A )

金」

( B )

小サブユニット

大サブユニット

9 0 '

F i g. 6-64 リポソームの RNA結合部位。リボ ソームには. mRNA結合部位が lb 、所と t R N A P! l l l 位

El l l ! 位

結合部位が A .P . E（アミノアシル t R N A . ペプ

A8 6 宣 ｛

＼｜ ん…

R N A .出口［e x t i ］の窓）の3か所ある。（A ) チジル t

細菌のリボソームで，小サブユニットを前に（緑

f

E P A

’

の大サプユ ニット

；－ － ζ二： －－ ~ －－ ； －. . . ∼ リポソーム ” ー7 ・ ーー−−− −− ， ； − の小サブユ ／ ニット mRNA結合8 6 位

色）．大サプユニットをうしろにして（薄緑色）．

r R N Aとリボソームタンパクを両方とも示す.E f 5 ! l 位l こt R N A分子が絶合してい 部位.P部位.A る（それぞれ．赤色.m 色 黄色で示す）。この 図では 3つの t R N Ag(l位すべてに t R N A分子 が結合しているように表してあるが．実際のタ

( D)

c l : . 3か所すべてに t R N A ンパク合成の過程でl 分子が同時に結合すること lcl:~い （ Fig.

6 6 6参

照 ）.(8）大サブユニットと小ザフユニットの構 造を. (A）の図から本を開くように聞いて表し のリポソームを 9 0 ι 回転させ．大 た。 （ζ）(A） あり（ Fi g .6-58参！！の．大サ ブユ ニ ットはアミノ酸 l l Jにペプチド結イ？を 形成し てポリペプ

Fi g. ふ 61参（ ！ ！0を作 る。 チ ド飢 （ いるが目 m貯-IA 分子があると．その 5’~端付近で会合してタン パク合成 を始める mRNA がリ ボソームの rt• を通過していき．コドンがリボソ ーム の 小 心部に人ると

t RNA

をアダプタ ーに使ってポリペプチド鎖の末端に 1［しい順序でアミノ阪が付加され. mRNA の taJ.~ 配~lj がアミノ限配列へと翻訳される c 終，，ニ コドンに Ill 会うとリボソームは完成した

タンパク質を離 し 2つ の サ プユニ ッ トはふたたび解除 し 改めて別の mRNA分子上 で 次のタンパク質の合成を始める。 工依細胞では. If 問のリポソームが l秒 l J l リボソームの作業効率は驚く ほど日 く. l に 2例のアミノ放をポリ ペ プチ ド 鎖 に つ な ぐ 制 的 で は さ ら に 向 述 で . I秒 間 に 20例も 幼＇－%よい翻訳に必 ~な数多くの作業を ．リボ ソームはどう協調さ

せているのだろう 。 リポソ ームには RNA結合 ； ｝I I 位 が 4か所ある。lつ は mRNAJ l l ほか

R l 寸A朋 （ A/ ' ; I I 位. p古I 位 .E古 l l f 立）である（ F i g .6-64 。 ）t 貯. J A分子は．そのア ンチ の 3つ は t コ ドンがリボソームを通 る mRNA 分子のコドンと Y;,U.~ 対を形成できるときだけ.

A ；~Hv:

や P古 I 位に保持される （・・ゆらぎ”は詐される ） ( F i g .6-65）。A 古l l f 立と P百l l f1 ／：は近いので．

ニの隣媛コドンと Y , i . i , J ， ！ ； 対を作り . そ こにあ る tRNA2例 は mRNAJ

ている. ( D ） リ ボソームの供式図（Cと同じ配

, B , C ; M . M 置）．以降はこれを周いる。 （A

タンパク合成を行っていないときにはリポ、ノームの 2倒のサプユニ ット は解験して

のアミノ般を結合する

ザブユ二ツ卜が上．小サブユニットが下になっ

I l l肘 . J A上 の読み枠が 1 E

しく維持 され る。 タンパク合成が始まると.tRNAの結合．ペ プチド結合形成．大サプユニ ッ トの移動． 小サプユニットの砂動という 4段｜併からなる反応サイクルごとに． ペプチド鎖にアミノ酸

! I I の移 動 のがi 来． リボ ソーム全 体 が mRNA l ニを 3ヌクレ が l例 ず つ 付 加 されて い く。2!

c i e n c e2 9 2 : 8 8 3 8 9 6 ,2 0 01より Y u s upo ve ta l . ,S 改作。A AAS6 午鐙．提供 A l b i o nB a u c o m , H a r r yN o l l e r )

376

6 ゲノム情報の読み取り一一 DNAからタンパク質ヘ

F i g .6 ・65 リポソームの小ザブユニットを遜 d :F i g .6-64Bの右側の る mRNA （宵色）。 配置 I

図と同じ．（提供・ HarryF .N o l l e r .G . Z .

e l ll 06 ・：2 3 3 2 41 , 2 0 01のデー Yusopovae ta l . .C タに基づく .E l s e v i e rより併話）

｛噂侵中のポリペプチド鎖

l

第 1鵬

• - 2

掲

lJ

オチド分修動し次のサイクルが始まる （ Fig.6 -66 ）。ペプチドの釘［{ I l l長反応についての i誕 1y~ を． すでにいくつかのアミノ酸がつながり ．

ポリペプチド鎖末端に J毛布結合した

tR N Aがリボソームの P古I 位に結子干しているところから始めよう 。 第 l段｜析で．次のアミ

ノ酸を紡合した tRl 叫A 分 子 が． 銘I llした A f\ii伎の mRNA のコドンと J包｝，~対を形成するので． P苦 I位と A l~ilf1i: に tRNA が並ぶ。 第 2 段｜併で．ポリペプチドjj＇（のカルボキシ末端が p l 1 1 1

位 の tRNAか ら は ず れ （ tR N A とそれに結合したアミノ酸との 1 1 1 1の ： ・ ，j エネルギー結合が切

、3 『

2N ~

」

、；；，

4

新たに鎗合した / tRNA

; " 、可ーE I 5' 1 解臨した t RNA

3 ’ El ! B 位

PB B 立 ！

A! l l ! f 立

第 2段階

／‘ 之 、 HiN’~

、4

れる ）.A 部位にある tRNAに結合したアミノ般の遊離のアミノ恭と．新しいペ プ チ ド 結 合を作る。 タンパク合成の中心とな るこの反応を角M ! f するのは．

リボソームの大サ プユニ

ッ トに含まれるべプチジル基板、移醇素（peptidylt r ansferase ）である

第 3段階では．小サ

3 ’

5 ’

プユニットが保持する mRNAに対して大サプユニットが移動し. 2例 の tRNAの 受 容 脱 が 大 サ プ ユ ニ ッ トの巳書店位と P部 位 へ と 移 動 す る。 お 4段階でも立体構造が変化して． ニを正磁に 3ヌクレオチド分移動し． 今度は小サブユニットが mRNAJ の 配i 世に J . i :り次のアミノアシル t 貯J . Aが結合できる状態になる

第 3段階

リボソームは最初

ここにまたアミノアシル

， ，2 HiN" "1

t 貯 仏 が 人 って第 l 段｜併が始まり．これが繰り返される。＜CG・ I ・ T> この 4 段!Pr~の反応が l 巡するたびにポリペプチド鎖にアミノ阪が l i l A 1ずつ付加され．

終止 コドンに I l l会うまで．釘l はアミノ末端からカルポキシぷ端へとのび続ける。

F i g .6-66 mRNAの翻訳。伸長するポリペプチド釧の宋舗に；欠に付加されるアミノ

第 4段階

酸I d : . tRNA分子のアンチコドンと mRNA鎖の次のコドンとの栂繍的芯信基対形成に よって選ばれる。細胞にはさまざま芯樋類の tRNA分子があるが．各コドンと盗塁対

3 ’

5’

. . . .2

を作れるのは l種類だけ芯ので．ポリペプチド鎖にどのアミノ滋が付加されるかは コドンによって特異的に決まる．タンパク合成I d : . この 4段階の反応の繰り返しで ある。第 l段階ではリポソームの空いた A部位にアミノアシル tRNAが結合し．使 用済みの tRNA分子は E部位から殿れる。第 2段階では新しいペプチド結合が形成さ れる．第 3段階では大サブユニットが小サプユニットに対してすれ. 2個の tRNAI d :. 混 成．結合部位（すなわち．一方は大サブユニットの Pと小ワプユニットの Aから怒る

5’ 第 1段階

2

m位．もう一方は大サブユニットの Eと小サブユニットの Pから怒る部位）に結合し た状態に怒る。第 4段階で小サフユニットが移動すると， mRNA分子はリボソーム中 を 3ヌクレオチド分移動したことになる。これでリポソーム I d : . 次のアミノアシル tRNAが結合できるよう A部位が完全に空いた．リセッド状惣に怒る。図のように． mRNA分子は 5’ → 3’方向に翻訳され．タンパク質は N未舗が殿初に｛ 乍 ら れ 。 1回の

留すっ加わっていく。 サイクルごとにポリペプチド鎖の C宋錨にアミノ酸が lj

Hi N

−＜ . 乙＼

4

Hi N

RNAかうタンパク質ヘ

377

伸長因子は翻訳を促進し，精度を高める F i g .6 -66

に概時を 示すポリペプチドjfi{l l• 長反応の悲本サイクルには．

このほかにも翻訳

の幼＇ ｛三と制度を高める悶子がかかわっている。2種類の｛l I l 長｜刈子 （ e l o n g a t i o nf a c t o r）で．サ イクルごとにリボソームについたり雌れたりしながら．それぞれ GT Pを GDPへと加水

j , ' q : i i ; : が変化する。細菌では EF Tuと EF ・ G . 』工絞生物では EFlと 分解し．その過程で立体.

EF2とよばれる。 リボソ ームは. i nv i t r oでも条件によ っては 1 1 1 1民間 − ｛のJ J ) J けや GTP加水 分解なしでタンパク質を合成できるが．非常に遅くて効率が必く． しかも不正確である。

GTP加水分解によ って起 こるf i l l 長国子の併造変化とリポソームの状態の変化が連動する

5で需予~ 3'

と． タンパク合成述！皮が大中；，＼に上主1 ー する。 このときのリポソームの状態変化はまだ詳しく

J J i 益いないo 解明されていないが． リ ボソーム ［I• 心部での RNA 再編成がかかわるのはほぼ H を般%に・・i 1 l f il 1 J き”にし．そのため翻訳が効率よく進行する （ F i g .6-67） 。

bる をA す 対 州舷

楠間

m核生物では EFI）は．制以を進めるのを助けるだけでなく ．いくつかの

} j 法でS 割以の制度を日めている。 第一に. E F T uは．アミノアシル tRNAをリボソームへ

正

参 ！ ！ （ （ ） 。EF-T u

泊るに たす的 つ成先 嗣 M 形優

！ 日 1 j j i l iしたように. E F-Tu は GTP とアミノアシル t肘-IA~こ l1i]ll与に結合する （ Fig. 3-74

gJUMm

ド ド

f t l 1 1 毛l k lチのが｛合.GTP 加水分解．やI •長閃子の 19柑It というサイク Jレがリボソームの状態変化

P．

RNAとアミノ酸の組み合わせの正しさを検先する。その調べ方は不明だ と滋噂しながら t 肘I A−アミノ阪は EFTuとのお』布l 性が厳？とに決 が. −；況によれば．正しい組み合わせの t

Tuは．大 ざっぱにではあるがさまざまな総み合わせのアミノ酸− まっているため. EF tRNAを凡分けられ. jEしいものを選んで リボソームへと巡び込めるという 。 第二に． EF Tuは. i l !び込んだアミノアシル t RNAのアンチコドンと A昨日仏：にある mRNAの コ ド 此初にできる結合を検査する。 アミノアシル tRNAは GTPL＼~ の EF・Tu に結合 ンとの川にj すると”的 1 1 °1＇し．この 1 ! 1 がつた リペプチド j J ' iへのアミノ般のj 収り込みはできな b、 。正しいコドン−アンチコドンの対が7 彩

-、

j 反されると． リボソームがすばやく GTPを加水分解する。すると EF ・ Tuが t 陀I Aを放し 即サA がタンパク合成にアミノ般を供給できるようにな てリポソームから解離するので. t

る。 ところで．コドンーアンチコドンの組み合わせの”正しさはどのように判断するのだ ろう 。 この縦れ ;r~ は．悶寸A を平IJJTJ してリボソーム自身がしてのける 。 リボソームの小サ

ブユニットの r貯~A がコド ンーアンチ コドン対といく つかの水ぷ結合を作り．組み合わせ

のi i ；しさを判定する（ F i g.6-68） 。 ~：するに. r RNAがコドンーアンチコドン対の周りを邸み． 対が閉じる （ 正 しいアンチコドンが米たときにだけ起こる ）と GTP加点分解の引き金を引

i g .6-53に示したゆらぎがあるのに．この誘導適合 く。驚いたことに．塩基対形成には F 機械は正しいコドンーアンチコドンと正しくないものとを区別できるのである。RNAスプ ライシングと同様．この例からも . RNA が~~（カできわめて巧k少に分チを識別 できる こと

「 ＞ G

がみてとれる 。 ここで説明した E F T u .t R NA. リボソームの相互作I l lは ． タンパク質合成に不可 欠な校J I ： 作業を．まず最初J のt 肘叫選択の段｜併で行う 。 だが. GTPが加水分解され EF T u がリポソームから雌れた後にも．ペプチド鎖に問追ったアミノ般を付加するのを防ぐ機会 がもう l1 1 1 1，訪れる。GTP加水分解と. tRNAが述ぷアミノ阪がリボソームの所定の位置に つくまでには．短い時 l l J のずれがある。 このずれは．正 しい コドンーアンチ コドン対がで きている場合のほうが．正しくない対の場合に比べて短い 。 しかも．ぶ っ た t肘~A 分子は

コドンとの紡合が正しい対よりも l i l iいため．解縦しやすい。 そのため．誤って結合した

F i g . 6-6 7 翻訳の反応サイクルの鉾細。F i g .6-66に示す翻駅過程の概略に，翻訳を 促進する 2つの伸長因子 EF T u.E F Gの役割をつけ加えた．また本文で述べたように． E F T ul c l :’コドンーアンチコドンが一致するよう校正冒る 2回の機会を作る働きもする。 こうして．候って結合した t RNAl c l : 選択的に排除され．観釈の精度が高まる。

ツ

378

6 ゲノム情報の読み取り 一一 DN Aからタンパク質ヘ

t RNAのほとんどはリボソームを離れ（正しく結合した t RNAもかなり の 数 が解 離する） ．

1 Aからタンパク質への翻訳の 99.99% タンパク合成には使われない。 リボソ ームによ る 悶' という初度は．これらの校正作業すべての積み重ねのおかげである。

リポソームはリポザイムの一種である リボソームは大型の； 複合体 で.3分の 2が RNA.3分の lがタンパク質である 。2000年には． リボソームの大サプユニットと小サフ．ユニットの完全 な三次元梢逃決定とい う構造生物学 ． に とって画期的な 出来 事があ った。 この解析で．タンパク質ではなく rRNAが

リボソ

ームの会イ材1 ' l t造. mRNA _ I 二 』こ t RN Aを配世する働き． ペプチ ｜ 味方合形成の触媒作用 を担っ

アンチコドン

コドン

F i g .6-68 リポ ソー ムの小サ ブユニッ トの rRNAによる．コドンー アンチコドンの正しい

ているという見方が強く裳づけられた。 リボソ ーム RN Aは慌に折りたた まれて厳密な三

組み合わせの磁別。小サブユニット rRNAのヌ

次元椴i l ' .をとり．これが リボソームのし っかりしたコア となって． リボソーム の 全体 の 形

クレオチドと正しいコドンーアンチコドン対の 1番目のヌクレオチドの相互作用を示言。 rRNA

Fig. 6-69 。 ） を決めている （

主役 の rRN A とは対照的に．

リボソー ムタンパクは表而にあり．折りたたまれた

RNAのすきまや桃を J i l lめている （Fig.6-70）。一部の タンパク質にはポリペプチド鎖の長

くのびた部分があり. RNAコアの穴に少 し入 り込んでいる （ Fig.6-71） 。 リポソームタン

のほかのヌクレオチドとコドンーアンチコドン 対の 2番目. 3番目のヌクレオチドの悶にも． 同線な相互作用が形成される。小サブユニット の rRNAがこのよう忽多数の水繁結合を作れる

パクのおもな役制は．効 率 よ い タ ン パ ク 合成を進め るのに必袈な rRNAの立体構造の変

のは コドンーアンチコドン対が正しい組み合

化を 許容しながら RN Aコアを安定化することにある。 また．最初jに rRNA が集まって リ

わせの窃合だけである。本文で鋭明したように．

ボソームのコアを作る際に．それを助ける働きもするのだろう 。

この小ザブユニット rRNAによるコドンーアン

rの ぼN A結合部位 （A. P.E部 位）がおもにリボソーム RNA リポソー ムでは. 3かW でできているばかりか．ペプチド結合形成の触媒部位も RNAでできていて．アミノ薮は いちばん近 いものでも 1 .8n m以上離れている。 この発見は驚きだった。肘. T Aは タンパク

チコドンの倹資によってタンパク合成の精度が J . M .Ogl eeta l . ,S c i e n c e292:897-902, 高まる。 ( 2001より。AAASより許路）

( B)

F i g .6-69 X線結晶織造解析で明うかになった細菌リポソームの大サブユニッ ト中の r RNAの構造。 （ A）大サブユニットの rRNA(SSと 235）の三次元締造。リボソーム中にある形のままで示す。リボソームのタンパクサブユニットの lつ （ L1 )はリポソーム内で特徴的広突起

を作っているので．位置の参照用として図に示す。｛ B）広範忽持軍基対形成のようすを示す 235rRNAの二次綿造の燦式図。この構造は 6つ の．領減．に分かれている。それぞれの色は（A）での色と一致している。この二次構造の図は，できるだけ多くの構造を二次元上に表すため 志 1： 本 の RNA分子である。たとえば領 に高度に様式化してある。そのため目RNA鎖に裁か所切れ目を入れてあるが．実際には 235rRNAl

域I lの泡基は，図ではすきまがあるように見えるが，領減 I Vの泡基に続いている。 （N .Bane tal , .S c i e n c e289:905-9 2 0 ,2000より改作。

AAASより許諾）

RNAからタンパク質へ

( B )

( A )

379

仁 （）

F i g . 6 70 細菌リボソームの大サプユニット中に占めるタンパク成分の位置。r R N A( S S.2 3 5 )l c l : 灰色で．大サフユニット のタンパク質（ 3 l l 重類のうちの2 7種類）は金色で表す。便宜上タンパク質はポリペプチド主鎖だけを示す。 （ A )F i g .6 6 4 6 と同じ方向から見た. ljlザブユニットとの緩触画。（B )( A ）の図を垂直翰に沿って 1 8 0 。回転させて見た．大サブユニッ c i e n c e トの裏側。（（） ( B ） を対角線に沿ってさらに少し回転させると，ペプチドの出口が中央に見える。 （N.B a ne ta l . ,S

2 8 9 : 9 0 5 9 2 0 .2 0 0 0より。AAASより E 午 箆 ）

P lとは巡って．ペプチドキi介形成のような似i mな！反応の触媒として利用できるイオン化し やすい官能基をもたないからである。 そのうえ .RNA分子が化学反応を触媒するのに よ

i l）も ， リボ、ノームの前例． 部位にはみあたらない。代 わ く利加する金胤イオン （ こ の市で後J りに .23SrRNAがし っか りした十i l ' . j i 1 i :のポケットをイ 午 り．多数の水紫紺i 合を介して 2つの 反応物質 （や 11 長するペプチド jJ'l とアミノアシル t RNA ）を 11·：ーしく ！l~ ばせ．共布結合の形成を ~ni く促進すると考えられている 。 また P m1 1 立にある tR NAも前性日I H 立を十 i ' l t成する − J 1と

して．触媒作川 に1 1 ＼般かかわる反応性 O HJ，~を従供する らしい。 t RNA がリボソームの正 しい位f i lについたときにだけ雌尖に触煤！ 又L 七、が起こるのは． この機f t ' l iのおかげらしい。 触媒活性をもっ RNA分子を リポザイム （ r i b ozyme）とよぶ。 この訟でも ． 自己スプ

ig .6-36参！ ！の 。肘J A分子が ライシング反応でのリポザイムの働きを説明した （ たとえば F さまざまな反応で創！燃とし て働くことが初期の細胞の進化にも つ意味は絞後の節で考える として．ここ では．細胞で1 1 ，＇，：初に触媒とし て使われたのはタンパク質ではなく RNAだっ たと考えるに足る十分な思！巾があることだけを指摘しておく 。RNAコアをもっ リボソー ムは．生命の肢史のごく初J U J . すなわち リボザイムがすべてを取りしきるなかでタンパク 合成が進化した時代の

r ， 残なのかもしれな い。

mRNAの塩基配列がタンパク合成の開始点を指示する 翻訳の｜ 井l 始 と終了は.1 ¥ l i J &の1 1 11 . f :サイクルと共通点が多い。m R NA 仁でタンパク 合成が始

i ' r ＇.はねーに丞裂で．それによ って十月報令体の読み枠が決まる。 ここで lヌクレオチド まる位 l

F i g .671 細菌リポソームの大サプユニ ット

でもずれると ．そこから後のコドンがすべて問追 って読み取られ．誤ったアミノ駿配列を

の L15タンパクの稲造。球状の領主主｜まリボソ

もった機能しないタンパ ク質ができて しまう 。 この段｜椛は別の意味でも非常に重姿である 。 大半の遺伝子では.mRNAを創訳してタンパク 1 ' lを介成するかどうか．この段階で細胞が

ームの表面にあり のびた部分が RNAコアへ と深く入り込む。Ll Sタンパクは黄色で，リポ ソームの RNAコアの一部を赤色で表す。（D .

松終判断を 下すからであ る 。 つまりタンパク合成の｜品l~f1；生成は．タンパク合成述！交の決定

Kl e i n ,P . B. MooreandT . A .S t e i tz , J .M o / .B i o l .

因子の lつなのである 。細胞が翻ぷ開始の訓節に J I !いる機備については. t 1 1?I 江で説明す

3 4 0 : 1 4 1 -1 47 , 2 0 0 4より。 A c a d e m i cP r e s sより

る。

許諾）

380

6 ゲノム情報の読み取り一一 DNAからタンパク質ヘ mRNAのf r 1 1 f t Rは AUGコドンから始まり．それには特定の t 悶叫Aが必要である。 こ

の開始 tRNA( i n i t i a t o rtRNA ）は．必ずメチオニン （ 細菌の場合 はメチオニンの誘導体であ るホルミルメチオニン）を述ぶので．タンパク合成が始まる側. N末端の最初のアミノ酸 は必ずメチオニ ンに なるが．通常このメチオニンは，特異的プロテ アーゼが除去してしま う。開始 t R 1 叫A はメチオニンを運ぶ通常の恨NAとは塩基配列が災な るため．開始因子に 特異的に総別される。

n ：核生物では．開始 t r u 寸Aーメチオニン複合体（Me t tRNAi ）は．まず開始因子 （ e u c a r y o t i ci ni t i a ti onf a ct or .e l F）となるタンパ ク質とともにリボソームの小サプユニットに結 開始 t RN Aが 結合した リボソームの 小サブユニッ ト

F i g.6-72 ） 。細胞にあるアミノアシル t RNAのなかで．リ ボソームが完成 してい 合する （ なくても小サフ． ユニ ッ トに悶く結合できるのは， メチオニン と結合した 1 m始 tRNAだけで． これが P部位に結合する。次にこの小サブユニットが. m即 I Aの 5’ キ ャップ構造とそれ

AAAAAAAA− . . ‘

IF4E （キャップ構造に杭接結合する）と e l F4Gを目印 に結合し ている 2種類の開始因子 e

~・・ 司色

-a e l f 4 G. 4 '

寸A分子の 5 ’末端に結合し（ F i g .6-40参照） . mRNAに沿って 5’→ 3’方向に移 として mR1

ノ− ＂ mRNA e l f 4 E 5’ キャッブ

動して最初の AUGを探す。別の開始因子が ATPを利用するへリカ ーゼとして働いて助 叫A に二次構造があ っても移動できる。mru ぜAの 9 0 %で けるおかげで．リボソ ームは mru

｛也の開始因子

は．小サブユニットがI . I : ¥会った最初の AUGから創訳が始まる 。そこで開始因子が小サブ 5 ’

始 以持 山崎

其核生物の mRNAでは． 開始部位の周辺の塩訟が. AUGを探す際の識別効率を左

3 ’

M fの町 川町 制 酎

参照）。

閲 附動 州

固仰

g .6 72 まま P部位にあ って A部位が空いているので，す ぐにタン パク合成が始め られる（ Fi

mRN A

制｜ ﹁ 寸

l れ．大サブユニッ トが結合して リボ ソームが完成する。開始 t RNAはその ユニ ットから自l

右する。 この間別世I I 伎がコンセンサス配7 j l j(5’－ACC~立旦G-3 ’）とあまりにも迷うと．とき にはリボソ ー ムの小サ ブユニッ トが最初の AUGコドンを通り過 ぎ ， 2i 存自 や 3番目の

AUGに行って しま うことがある。細胞は．この”走査の見逃し” とよばれる現象を活用して． 同 じ mRNA分子から N 末端の異なる 2種類以上のタンパク質を作 り出す。遺伝子によっ

5 ’

.~

3’

ては．この現象のおかげで同じタンパク質で N 末端にシグナル配列をもつものともたな

− 」

P ; +" GDP

い ものが作られ． 同 じタンパク質が細胞内の別 々の区画へと述ばれる。

l H始コドンを探し始める位置を示す 5’キャ ップ悦逃がなく．その代わりに翻 ームに翻訳 l 訳 開始用の AUGの数塩基上流に特異的なリボソ ーム結合配列 （ 発見者にちなんでシャイ ン ・ダルガルノ配列とよばれる）が存在する。 コンセンサス配列は 5 − ’AGGAGGU3’ で ，

6 5rRNAと塩基対を形成し．これを J I H 始 AUGコ ドンへ リボソ ームの小 サプユニットの 1 と誘導する。 この逃税とその後大サブユニッ トが結合してリボソームが完成するときと

いー I

e l f 2とほかの 開始因子が

細菌の I J l . J始コドン選択法は真核生物とは違って いる。細菌の mRNAには．リ ボソ

I

解灘する

. .

. q

5 ’

3 ’

、 a a

に ふ 」

NAの中ほどにある I J f J始コドンでも． 真核生物とは典なり ，細菌の リボソ ームは mR その数塩基上流に リボソ ーム結合配列があり さえすれば直接総合できる。 したがって細菌

Met a a II

の mRNAは ． ポ リシス トロ ニツク（p o l y c i s t r oni c）.すなわち l本の mru ぜA にい くつかの 異なったタンパク質の情報が並び＼同じ mRNA分子から異なるタンパク質が翻訳される の情報しかも っていない。

•

リポソームの 大ザプユニッ ト が結合

Met

J f . J始因子が協調して働く 。 に ． 一群の I

場合が多い （ F i g. 6-73） 。 これに対して其核生物の mRNAは．通常は l種類のタンパク質

E

tRNAが結合 （ 第1 段階）

3’

‘ ー 母初のペプチド

結合の形成

（ 第 2段階） ＼

l F 4 Gが結合する。このように翻訳 そこに結合したポリ A結合タンパクにさらに e 装組は，mRNAの両端が無傷かどうかをタンパク合成開始前に確認する（ F i g .64 0参

M

、

F i g . 6 7 2 真核生物におけるタンパク合成の開始。翻訳開始に必要な多くの開始因 子のうちの 3種類だけを示す。 効率のよい観訳開始には mRN Aの｛ 7 ↑I)A尾部も必要で．

3’

5 '

ft~） 。 図では GTP 加水分解は l 回しか描いてい忽いが．大サプユニ ットと小サブユ二

ツトの結合直前にも 2回目の加水分解が起こることが知られている。 a aはアミノ酸 の略。

以下同級

381

RNAからタンパク質へ

5 ’

3 ’ mRNA

p p p

AUG

AUG

タンパク質α Fi g .6-73

タンパク質p

タンパク質 y

典型的な細菌の mRNAの櫛造。5’キャッブ構造を必要とする真級生物の

リボソームと遣い．原核生物のりボソームl e ! : . リポソーム結合部位（シャイン・ダル f , I 位は mRNA分子のどこにあってもよ ガルノ配列）で翻訳を始める。リポソーム結合g い。そのため細菌は. 1本の mRNA分子から 2種類以上のタンパク質を合成できる。

， ， ，

終止コドンが翻訳終了を指示する

Hz N'

翻訳領域の終わりには.3毛 m 類ある終J ］ニコドン （ s t opc odon . UAA.UA G. UGA）のどれか

E

A

がある （ F i g.650参 照） 。 終止コドンは t RNA に総別されずアミノ酸を指定しないので目

I 伎に終止コドンがくると． リボソ ームに翻訳終了を合図すること になる 。リボソ ームの A 苦I 終結因子 （ r e l e as ef a c t o r .遊離因子ともいう ）とよばれるタンパク質がそ こに 結 合 し リ ポ

s ’

3’

ト・占

ソームにあるペプチジル基転移酵素活性がペプチジルーt 町吋A にアミノ酸の代わりに水分

F i g .6-74） 。 この付加1 反応で． 成NA分子に結合していたや1 1 長中のポリペプ 子を付加する （

AB S ！ 立 に 結合

チド鎖のカルボキシ末端が.tRN A分子から遊離する。イ l j l長: i I Jのポリペプチド鎖をリポソ ームにつなぎ止めているのはこの結合だけなので，完成したタンパク鎖はただちに細胞質 に放出される。 リボソ ームは mRNAも放出して 2つのサプユニッ トに 解 雌 し ま た 同 じ

， ， ，

HzN’

mru ぜA分子や別の mRN A分子上で会合して．新たなタンパク合成を始める。 終結因子は．分子擬態 （ mo l e cu larmi mi cr y）のみごとな例である。分子縫態とは． ある種類の巨大分子が化学的に異なる種類の分子に形状が似る ことで．こ の場合．終結因 子（すべてタンパク質でできている）の三次元構造が 成NA 分子の形と ~1\lf分布に似る（Fig.

5 ’

6-75） 。形と電荷がそっくりなので．終結因子はリボソ ームの A部位に入 って転写を終

Hz O

了させる。 /COOH

翻訳の際の新生ポリペプチド鎖は． リボソームの大サプユニットにある．水の満ち

翻駅終了

た太い通路 （ 約 !Onm× 1 . 5nm）を移動する （ F i g .6-70 C参照）。 この通路の俊はおもに 23S

rRN A でできており ．親水位の面に小さい疎水性の領域がまだら状に点在している。 この 構造はどのペプチドにも相補的ではな く．”テフロン加工”のように働いてポリペプチド鎖 を通りやすくしている。通路の寸法から考えて．新生タンパクはリボソーム通過時にはほ

Me t

， ， ， ， NH2

とん ど高次椛造をとってい ないらしいが．通路を荷佐れるがI に αヘ リックス領域が一部形 成される こともある 。 リポソ ームを離れた新生タンパクは．細胞の役に立つように折りた たまれて適切な三次元構造をとらなければならない。折りたたみのようすは．この f , 1の故 後で述べる ことに して．翻訳過程そのものをもう少し説明しよう 。

3 ’

5 ’

タンパク質はポリリポソームで合成される ほ とんどのタンパク分子の合成は 20秒から数分で完了するが．こ の短い 問に. l本の

mRN A上で次々と湖訳が始まるのが普通である。lつの リポソームが制訳を進め．十分な 距離が開くとすぐ．次の リボソ ーム が mRNAの 5’末端を捕ま える。 したがって餅訳中の

mRN A分子は通常．ポリリボソ ーム（ p o l yr i b o s om e . ポリソ ーム［ pol y s ome）ともいう ）と

． ρ

AUGAACUGGUAGCGAUCG

5 ， 畳且量E且量E且... 且E且且E且且 3 '

タンパク合成の飯事警段階。A部位に来た終止コドンに終結因子が結合する と．翻訳が終了する。完成したポリペプチド鎖が放出され 他のタンパク質と GTP

F i g.6-74

φ

加水分解を必要とする一連の反応（図では省略）が起こって，りボソームl e ! :2つのサ ブユニッ トに解隊する。

382

6 ゲノム情報の読み取り 一一 DNAからタンパク質へ F i g .6-75 ヒトの翻訳終結因子 （ eRF 1）の徳造 とtRNA分子との類似性。タンパク分子を左に． t R N A分子を右に示す. ( H .S o n ge ta l . .C e / /1 0 0 : 3 1 1 3 2 1 ,2 0 0 0より.E l s e v i e rより許諾）

よばれる状態になっている。つまり ．細胞質内では 1： 本の mRNA分子に 80ヌクレオチ ド程度の lllJ ~ でいくつものリボソームが結合した集合状態をとっている （ F ig . 6-76 ） 。こ

うすれば. I例のタ ンパク分子が完成するのを待って次の創訳を的める場合に比べ． 一定

r

I I 寺l l l Jに合成で きるタンパク分 ははるかに多くなる。くGAAG> 網II I迎も fリ~＇ I：物もポリソームを使い 町

しかもさらに合成述肢を山める方策をとって

l 狗の mRNAは加［の必泌がなく ． しかも合成＂ ＇でも近づける。そこでリボソ ー いる。紺l ムは. mRNAの ！｜ ほ勺：が終わらないう ちにその遊離米織に結合して翻訳を l l f l ! mし. RNAポ リメラーゼが DNAj j ' i に沿って進んでいくそのすぐうしろを追いかけるように翻訳を進め る。其級生物では. i t l f j ￡ のように mRl 吋A の 5 ’末端と 3’ぶ端が結合するため（ Fi g .6-40と

6-76A参！！り．例措i fしたリポソームの 2つのサプユニ ッ トは. l••I じ mRNA 分チですぐに 観沢を始めるのに11~；＠ な位In にある こ とになる 。

標準的な遺伝暗号にも少しだが違った型がある 第 lT立で述べたように．泊｛ 去H 庁り ー（ F i g .6-50 に ~す）は大きく 3 つに分かれる生物集凶す

M川

PH

A

ヤ

ン刈

リシ

セN r u

ぢ剖

噌 i.r-

~

ポ リペプチド鎖

1 0 0nm ( A )

1 0 0nm ( B )

F i g .6-76 ポリリボソーム。 （A）真核生物の 1 本の mRNA分子を，同時に多量史のリポソーム B ll = l 1 ! < 細胞のポリリポソ が翻訳するようす. ( ームの電子鋭微鏡写真。 (B；写良提供： John H e u s e r )

RNAからタンパク質へ

383

セレノシステイン 特異的関駅因子

セリン ／

s

事

、

H2 N

一一朗げ倹

↓肋 作

BJ

ん変 一を − 一ン ハ つに

， − 一 ．lレ

HU

FL

合成醇紫

A

セ リ jレt RNA A CU

セセ

よ →

SC

一 一 一 ＋

伸長中のペプチド 鎖にセレノシス テインを付加

ACU ’ ち

セレノシステイン のt RNA

」 幽 ーJ

その前の UGAが

せレノシステインを 指定することを 示すシグナル F i g. 6・ 77 伸長するポリ ペプチド鎖へのセレ

ノシステインの取り込み。特定の t R N Aに通常 のセリル t R N A合成醇索によってセ リンが連結

ただ珍しいとはいえこの u g :号にも例外はある 。たとえば． ヒトの病原性真菌で最も 一般的

され．その後このセリンが薄紫によってセレノ システインに変漁される。 mRNA中の特異的な R NA備造（特定の塩基配列をもっステムーループ

なカンジダ Candi daa l bi c a n sは．ロイシンに捌訳されるはずの CUG をセ リンに捌訳する。

梢造 ） がシグナルとなって，近くの UGAコドン

世の大半は．そのゲノム情報から作ら ミ トコン ドリア（独自のゲノム をもち．その翻訳装 i

にセレノシステインが取り込まれる。図のよう

べてに通用し地球上の生命すべてが共通の祖先をもつことの重要な証拠となっている。

れる ）でも ＇

t 1 { i ¥ J I 的な迂I 伝暗号からの逸脱がいくつもある。 たとえば1 r i n 乳類の細胞質では

AVAはイソロイシンだが． ミトコンドリアではメチオニンである （ p.862の表 1 4-3参 ！ ！ の。 このような逸脱は．その生物や細胞小器官に”固定的”である。 一方．翻訳の再1 1 1 ¥ '号 化 （ t r a ns l a t i onr e c o di ng）とよばれる変化は多くの細胞で起こる。

mR NAの特定部位にある逃伝l 暗号の意味を．閉じ mR NA内のほかの塩基配列の情報が変 えるのである。通常の暗号ーでは．細胞はタンパク合成に 20秘類のアミノ酸しか使えないが． 細菌. l~I 細菌． ー立．級生物ともに ． 観 ilf｛の再 H音号化を介して ． や11 長中のポリペプチド鎖 に 21組 類 Mのアミノ般を取り込む ことができる。 システインの硫故原子がセレンに代わ っ

たセレノシステインは さまざまな酵素−の機能に不可欠なアミノ酸であり．通常は翻訳終 了を示す VGAコドンと塩基対を形成する t 貯仏分子に結合したセリ ンから．酵素によ っ て作られる。UGAコ ドンのと ころにセ レノシステインを挿入すべきタンパク質の mR NA には．その近くに再 1 1 ' . ' i 号化を起こす塩基配列が存在する （ Fi g. 6-77）。 もう lつのJ 写H

n

つの ml 主I 吋Aカ 、 ら 2樋類以上の夕ンパク質が作られる。 これは 核生物に感染する病原体 レトロウイルスに広くみられ． 同ーの転写：産物 RNAからキャプシドタンパク （ Gagタン

r ot e i n ） ］ と逆転写酵素およびインテグラ ーゼ （ P o lタンパク［ Polp r o t e i n ） ］が作ら パク［ Gagp れる （ Fi g .5-73参

m o。 レトロウイルスは Polタンパクよりも Gagタンパクを多く必要ーとし

この以の湖ー 終を .Gag巡伝子のすぐ後に P o l 遺伝子を別の読み枠でもつことによって行 っ ている。P o l逃伝子の産物が少量できるのは．上流でたまに翻訳のフレームシフトが起 こ り ．

Gagタン パクの終止コドンが読み飛ばされるからである。 フレ ームシフトは mR NA内の 特定のコドンで起こり．特典的な再暗号化シグナル（ r e c od i ngs i g nal ）を必要とする。 この 音I I 位より下流の RNA抱基配列が もっ椛造の特徴がシグナルとなるらしい（ F i g .6-78） 。

原核生物のタンパク合成阻害剤は抗生物質として役立つ 現代医学：で有効に使われる抗生物質の多くは｝泊費裂のf rる化合物で．細菌のタンパク合成を 1 ! 1 : 1 . 害する。菌類と細菌とは．同ーの微小環境をめぐって競合することが多く．何百万年も

の共進化を経て. j;{;j類は剥II菌に対する強力な l!H ~.!l：物質を作るようになった。 その多くは．

に．これにはセレノシステインに特異的芯翻訳 因子が必要である。

384

6 ゲノム情報の読み取り一一 DNAからタンパク質へ ウイルス RNA

5 ’

y

I

、 、

F i g. 6-78 レトロウイルスの逆転写静繁とイ

3 ’

I

ンテグラーゼを作る爾! R のフレームシフ ト。ウ イルスの逆転写酵紫とインテグラーゼは. Gag

・ ＂

" :RNA H シユードノット I I I 5 ’ ・ − UUUUUAGGG 4 J 5 ’ ・ 田UUUUUAGGG・4 J L euを取り込んたのち． 1フレームシフ ト H2 N--Phe L eu A r g ー＋ など Hi N--P he L e u Gl y ー＋ など l

岬

m H

JE

ク

ン H 、 ，タ ーーーし

人＼可〆ノ

、

M川

入 、 ／

れてできる。もっと多量にある Gagタンパク が切断されると．ウイルスのキャプシドタンパ クができる。 Gagタンパクと Gag-Pol融合タン パクの合成｜手間ーの mRNAで始まり.Gagタ

-COOH

フレームシフトは起こら忽い （リポソームの 90%)

とP o l両方からなる大型のタンパク質（Gag-Pol 融合タンパク）がプロテアーゼによって切断む

ンパクの吻合は図に示した配列の下流にある終 止コドンで止まるが.Gag-Pol融合タンパクの

フレームシフト（リポソームの 10%)

翻訳ではこの終止コドンが銃み飛ばされ，長い 融合タンパクが合成される．終止コドンの読み 飛ばしは．図のような翻訳のフレームシフトが 制御のもとに起こることによる．局部的7 a :RNA

細菌と l H 実生物でリボソームの構造や機能が逃うことを平J j J I Jして細菌のリボソームにだけ r jするので．かなり山淡度で似つでも人体に強い，l ) ; 1 " . I :がない。多くの抗生物質は． リポ 作J

1のポケッ トに入 り込み．リ ボソームの川滑な作業 を妨げる（ Fig.6 79。 ） 表 ソーム RNA' 四

6-4には． よく使われている抗生物質その他目 タンパク合成を阻害する化合物をまとめた。 このなかには其絞細胞に作則するものがあり．それ らはもちろん抗生物質として は使えな

u 、 。

の特徴的な偽造（図に示す RNAループを含む） が原因で． 伸長する＊リペプチド鎖の C末端に 結合している t RNALeuが とをおりリボソーム I

上で 1ヌク レオチドだけ滑って戻る．するとこ R N A " "は．霞初にその取り込みを指定した のt UUAコドンの代わりに u u uコドンと対形庇す

売み粋による次のコドン（ A G G ) l < l : . る．新しいE

ぷ 6-4の化合物の多くは. DNAからタンパ ク質に歪 る合成過程の特定の段附を I I T T

1 ' f するの で．細胞生物学の研究に役立つ。 クロラムフ ェニコール （ ch loramphen icol ） .シ クロヘキシ ミ ド（ cy c l o h e x . i m i d e）.ピ ユーロマイ シン （ purom yc i n）はいずれもタ ンパク合成

グリシンでははくアルギニンを指定する．この ようにうまく制御されて滑るのは，ウイルス mRNAょにできたシユ ー ドノット（ p s e u d o k n o t ）が一因である（ F i g .6 1 0 2参照）。図に示

を特典的に m l 符 し こ の 組 の 研 究 に 広 〈 使 わ れて い る。 たとえばクロラムフ ェニコールは．

す配列は白ヒトのエイズウイルスー HIVのもの

l J J 包で は ミ トコンドリ ア（および純物の策似体）｜人！のリボソームによるタ ンパ ク合成だ 其級紙l

T .J a c k se ta l . ,N o r u r e3 3 1：・2 8 0 2 8 3 . である. (

l l l ' , l i -す る。 これはおそらくこれらの細胞小路’（ （が J ; J t 抜生物起源、 であるこ とを反映して けを l

1 9 8 8より改作。 Macmi l anP u b l i s h e r sL t d .より

いるのだろ う （ 第1 4f , ' . t）。一方．シクロヘキシ ミ ドは細胞質のリボソームだけに作川す る。

許路）

ピユーロマイ シンが絡別興味深いのは． アミノ取を結合 した t 町寸A分子 に構造が似ている から で．これも分子擬 態 の一例である。 リポソームがこれを本物のアミノ阪と誤認 して取 り込み.

f i l長中のポ リペ プチ ド鎖の C末 端 に JHi結合さ せ る の で． ポリ ペ プチ ド は 未完

成 の まま 合成が停止し遊離して しまう 。予 ：［！されるように．ピユー ロマ イ シン は以敏生物 ・ 其 校生物 どちらのタンパ ク合成 も阻害する。

F i g. 6-79 細菌 リポソームの抗生物質結合部

位。リポソームの小サプユニット（左）．大サブ ユニット（右）を．本を開くように広げ結合し ている tRNA分子を紫色で示す（F i g .6-64参照）。 図に示す筑生物質の大半は．リポソーム RNA 分子が作るポケットに直後結合する。ハイクロ ( j : 靭訳の摂りを引き起こし．スペク マイシン B(

チノマイシンはべフチジル tRNAが Ag { l 位から P部位に移るのを防げ．ストレフ トグラミン B ( ( j : 新生ペプチ ドの伸長を隠留する．図に示した

ェυ スロマイシン ストレブトグラミン B

ほかの抗生物質の阻害鎗備は．表 6-4にまとめ J .P o e h l s g a a r dand5 .Dout h w a i t e ,Noc た 。 (

R e v .M i c r o b i a l . 3 : ・ 8 7 0 8 8 1 ,2 0 0 5より改作。

リポソームの小サブユニット

リポソームの大ザブユニッ ト

M a c m i l l a nP u b l 目h e r sL t d. より E 午絡）

RNAからタンパク質へ

385

表 6-4 タンパク質および RNAの合成阻害剤 阻奮剤

特異的作用

細菌にだけ作用 テトラサイクリン ストレフトマイシン クロラムフエ二コール エリスロマイシン リファマイシン

アミノアシル tRNAのリボソーム A部位への結合を悶害 合成開始段階から鎖の伸長段階への移行を妨げ．翻訳の誤りを起こさせる i g .6-66の第 2段階） リボソーム上でのペブチジル基転移反応を阻宮（F リボソームからのペプチドの出口に結合し．ペプチド鎖の伸長を阻害する RNAポリメラーゼに結合して.RNA鎖の合成開始を問書（RNA合成問書）

細菌と真綴生物に作用 ピユーロマイシン アクチノマイシン D

ポリペプチド鎖の伸長端に結合し．未完成な新生ポリペプチド鎖を遊鍛させる DNAに結合し. RNAポリメラーゼの移動を悶寄（ RNA合成阻害）

真級生物に作用するが，細菌には作用しない リボソーム上での移動反応を阻害（ F i g . 6 6 6の第 3段階） シクロヘキシミド i g . 6 6 6の第 2段階） リポソーム上でのペブチジル纂転移反応を隠密（F アニソマイシン α ーアマニチン RNAポリメラーゼ Hに選択的に結合し.mRNA合成を阻害 m~生物のミ トコ ンドリア（および葉緑体）のリボソーム le!:. 阻容剤に対する感受性が細菌のリポソームに似ていることが多い。したがって．これらの抗生物

質には．ヒトのミトコンドリアに有告なものもある。

正確な翻訳には自由エネルギーの消費が必要である リボソームによる倒訳は．正 l i ' ( Iさと速さという 相反する要求の妥協の i > i ' i物である。 たとえ

0 ' 111~1 あたり訟り i 11~1) のためには．ペ プチドjJ'l に新しいア ミノ般を ば．正確さ （ アミノ般 1 つなぐたびに少し l 時l / Jをおく 必裂があり．制訳の j f i l j 立は細菌の場合で l秒 l / I Jにアミノ酸 20例松！立にな る。 リボソームの小サプユニ ッ トが変異して．ア ミノ般をつなぐたび長め

にH 年l l Jをおくため観沢の制度がかなり向くなった細菌の変異株があるが．タンパク合成が あまりに退く．ほんの少ししか生き残れない。

l lエネルギーが消費さ 現在のようなタンパク合成の粉肢を速成するには．大訟の白 i れる 。 ~ 2: 4 fで述べたよう に．細胞内での秩序を日めるには代償を裂するのである。ほと

んどの細胞は．ほかの生合成過程に比べて多くのエネルギーをタンパク作成に貨やしてい る。新しいペプチド結合を lつ作 るたびに．少なくとも 4つの日エネルギーリン般結合が

i g .6-56参 m o .伐る 2つはリボソー 使われる。2つは tRNA分子へのアミノ般の結合に（ F ムでの反応サイクルのi 並行に使われる（ F i g .6-67参！被）。 さらに．誤ったアミノ般の結合 を tRNA合成隣家が加水分解するときにも （ F ig. 6-59参照）．誤った tRNAがリポソ ーム に入って GTP加水分解を引き起こした後で俳除されるときにも（ F ig .66 7参m o.そのつ ど余分なエネルギーがf l ! l 7 ' iされる。 こういう校正機械が効果的に働くには. 1［しい結合も かなりの割合で分解せざるをえないので．みかけ以仁｛こエネルギーが他 われている。

壊れた DNAが翻訳されないように，品質管理機構が働く

n核生物では.mRNAはi i 伝' . J ; j ：と入念な J J l lT とを総て作ら れるが．これは核 l 人J . すなわちリ 1u.：先了後の mRNAが細胞質へと巡びI＼されて ポソームとは隔たったところで行われ. J 制限される（ F i g .6-40参照）。 この方式も絶対安全というわけではなく. ;!l'~ って 加 工さ れ た m RNAがうっかり細胞 質に述ばれてしまうこともある。 また．伎を離れるときには無 傷だった mRNA分子が．細胞質 I こ巡ばれてから峻れたり傷ついたりすることもある。綾 れた mRNAや一部しか加工されていない mRNAを観訳する （ 中途で切断されたり異常の あるタンパク質ができる ）と非常に危険なので．細胞に は．これを避ける 1 必々を機併がい く っか悩j わっている。

386

6

ゲノム情 報の読み取り 一一 DNAからタンパク質ヘ

j 災れた mRN Aを制訳しないように．

観 沢I J f l ! t f i 装l r . ' . t 立制， J { I J f l l t . i 1 i 1H こ5’キャ ップ情 造

l 1 : f a lとを餓必す る（ F i g .6-72参 照） 。mRNAが隊かに J ［しくスプライ シングされ とポリ A J

てから制；）｛されるよう助けるのがエキソン接令部桜介体 （ EJC）で．これはスプライシン グ 後に m R N Aに結合し（ Fi g .6-40参 照） ．その後.mRNA の劉，；J~ を促進する 。 hl: も ~nU1 J な m RN A検 資 機 械 は ナ ン セ ン ス 変 異 に よ る mRNA分 解 （ nonse ns e -

med ia t edmRN A decay ）とよばれ. mRNAの不良 i ¥ i ' 1 をタン パク自に捌訳される 1 l 1 Jに取り除 NA 分チの”不適切な ．．場所 にナンセンス （ 終止）コ ドン（ UAA. UA G. UGA） が存在 く。m R

する （ このような状似は. mRNA分子が誤っ たスプライシングを受けたときに生 じやすい） と細胞が判断したとき 目 この機構が働 く。 スプライシングがうまくいかないと ．特に ヒ卜 e 均サイズが大き い生物では （ Fi g .6-32B参 のように イ ン トロンの、 r

m o .mRl叫A の内音Iに読

み枠に合った終 l 卜 ． コ ドンがランダムに生じてしまう 。 は. m r u 寸A 分子が核から細胞質へ是l ばれるときから働き 始める 。5’末 この倹作機材t

i f iをI l lすとすぐにリボソ ームがとり っき．制泌を始める 。翻訳が進むにつ 端が絞眼孔から l イ 刊本 （ EJ C）はリボソ ームによ れ. mRNAの作スプラ イス滞位に結合したエキソン接合総括i

F i g .6-80 ナンセンス変異による mRNA分解。

右に示すように. mRNA前駆体のスフライシン クが正しく起こら主主いと，タンパク質の読み枠 に合った中途終止コ ドンが生じてしまう。この ような．インフレーム．終止コドンは．イントロ ンの非常に長い附乳類では特に起こりやすい。 このよう芯異常芯 mRNAが翻訳されると異常 ます恐れがあ タンパクが生じて細胞に留をおよl

って取り外 されるら しい。正常な終止コドンはi i i後のエキソン l 人l にあるので． リボソーム

る。しかし．下段右側に示すように．このよう

がそこにがl 述 し て伴i i ： . し たときには. mRNAにはもう EJ C は残 って いない。 このとき．

まナンセンス変異による な異常芯 mRNAl

この m RNA は”検作に合絡．．したことになり．細胞質へと欣 11され ． そ こで本格的に翻沢

mRNA分解によって磁波される。あるモデルに

。ー｝ ） . リボソ ームが中途終 J I ニコ ドンに I i会 って 停止 したときには． される（ Fig.6-80）

よれば. mRNA分子にはスフライシングがうま J C ) く完了した目印にエキソン短合部複合体（ E

EJ C が m RN A I 二に伐って いるのを感知 して． この mRNA分

m

r をすぐに分解する。 こうす r のi i f i ltl ：を湖べら れる。

れ ば，細胞は l1 1 1 1 1l の釧以によって．核か ら てくる m R NA分

< : 災による分解は進化において特に沢弘： ：である。 そのおカ、げで工l ナンセンス f は’完全長のタンパク

nを作れる mRNAだけを選択 して制似でき. DNAの再編成や変異！∼

選択的スプライシングによ って生じた新しい遺伝チの検討を N l i l j i . に行える 。ナンセンス変 興によ る分解 は．先生途上の免疫系細胞でも JI~である 。 広範な DNA 1 1 J 編成が起こるた

め中途終，： ， コ ドンが生じる ことが多い（ Fi g .25 -36参照）からで．このような再編成遺伝子 から生じる mRNAはこ の検査機構 が 分 解 し 中途 切断タ ンパクによる；I f -を防いでいる。

が結合していて. f t 1 初に出会った I )ボソームが ． 試し．に I@ I f ! 釈を行う。 mRNAがリポソーム の狭い通路を巡るにつれて E J Cは取り除かれ ． e ! :遊灘してその後何回も観 できのいい mRNAl

m

訳される（左側）。しかし．リポソームが 後の 霊合g j l 複合体に出会う前にインフレー エキソンj ムの終止コドンに出会うと（右側）．むζに結合 している Upfタンパク （ 緑色）が引き金と怒り． ナンセンス変異による mRNA分解が起こる。 ナンセンス変異による mRNA分解が起こるた めには．中途終止コドンが正常怒タンパク質と y k ペe 同じ読み枠になければなう忽い。（J .L Ande r s e ne ta l . ,C e / /103:1121-1131.2000より s e v i erより許路） 改作。 El

開始コドン "' AUG

− ・ 圃 圃 ・ ・ ・ 圃』 mRNA前駆体

インフレーム終止コドン

正常な悠止コドン

〆

~

UA A/

UA

イントロン

イントロン

正常なスフライシンク

AUG

異常なスフライシング

↓

↓

月

UAA

AUG

。

AAA20

UAA

AA ! ' . U− ・ ・ ・ ・ ・ ・ AAA2

伺

エキソン緩合85復合体（ E J仁 ） 被

》｜《 細胞質

・ ・ ・ ・ ・

0

AUG

AUG

IL.

リポソーム

mRNAl 草 生きJ ! I J .効率よく翻訳される

mRN Aが分解される Upfが引き金を引いて.

387

RNAからタンパク質へ 寝れた mRNA上で 停止したりポソーム

F i g. 6-8 1 不完全な mRNA分子上で停止した細菌のリポソームの救助。t mRNAは

363" 富基の RNAで. t R N AとmRNAの俊能を併せもつことからこうよばれる。アラ

l B 位に入り．このアラニンをポリペ 二ンを結合していて．停止したリボソームの Ai プチド鎖に迎絡させる点l e tt R N Aに似ているが，これを指定するコドンが存在し広い

Hi N

点が~なる。 その後りボソームは tmRNA かう 10 個のコドンを到訳するため．タン

パク貿に 1 1アミノ酸からなる棟援がつくことに怒る。この機騒をブロテアーゼが議 日I J L , ,，タンパク質全体を分解する。図に示したのは細菌の例だが．真核生物も同銀広 やり方をする．

またこのナンセンス袋災による検査機慨は． ヒトの逃伝病の症状のl続減にも 1TI~ な 役怖 を来たしている。 i 1 i f . i ￡ のように遺伝病は通常．ヘモグロビンやJ i l li 皮凝 t } ; jl l i !子のような if!~：なタンパク質の機能を引なう変異が原因である 。 ヒトの泣伝病の約 3 分の l は．ナン

センス変災かナンセンス変災を読み枠に合うよう動かす笈災（フレームシフト変災やスプ ライス部位の変異）の結決である。変異 i l l伝子と機能をもっi l l伝子を l位i ずつもつ例体で は．ナンセンス変異による分解で災＇ii＼•な m則サA が除かれると .

' i l J ; t ' J :をもっ恐れのあるタ

r

ンパク質が生じないですむ。 この去三全策がなければ．機能する i l l伝子と変以.1 美術i l l（ 云− ” を対でもつ個体は．はるかに総状が重くなる可能性が刈 u 、 。

l 1 i f 述したよ うに制的では点絞生物のような mR NAの彼維な加工は起こらず.RNA 分 fの合成が完了 しないうちに制訳が始まる こと が多いが．それでも．不完全な mR NA やj 災れた mRNAに対処する 1 1 1 ! 1 1 ' ￡f l 'J i l ！ 機 構は倣わっている。創的のリボソームは．不完全 な RNA を lk後 まで翻，U~ しでもそれを遊離させない。 これを赦うのは特別の附~A ( tm即叫A

とよばれる）で. A部位に入ってそれ肉体が翻訳されると．

伊オ

リ ボソームは荷t~れる 。 すると

、Al a

小途切断型のタンパク質の C~端にアミノ敵 l i例からなる特定の椋泌がついて．これが

F i g. 6-8 1）。 プロテア ーゼへのシグナルとなってタンパク質が分解される （

を

わるものではない。細胞の役に立つには．新しいポリペプチドm が折りたたまれて独特な

加使

ill 伝子~VJ!. は．タンパク質を悦成するアミノ般を ill伝ll)y ひに悲づい て Jilli に援べただけで終

ン閲 ド再 コが の良 A仰 、 MH・ 7 Rコ

EEEE E E

−・ ・ AV − ・− ・

一部のタンパク質の折りたたみは．合成の最中に始まる

三次兄構造をとり．活性に必援な小型の補助問予知をすべて結合し．タンパクキナーゼな どのタンパク修飾防ポによる適切な修館i を受け．ほかのサプユニッ トと 正しく集合しなけ 《、

Al aA l a

i g. 6-82） 。 ればならない（F この過程に 必 ~：な i'i'i 制i はすべて．アミノ限配ダIJ.

すなわち リボソ ームが mRNA 分

r を翻訳してポリペプチドi nを作 ったときのア ミノ 般の花ぴ方に含まれている。第 3j"~£で 述べたように．タンパク t ' t が小 さくまとまった榊泣へと折 りたたまれるときには．疎水性 伐J , l ;の大半が内側に入り込む。 また．分子のさまざまな部分の問に非共有結合が多数形成

される。 これらのエネルギー n 0にイI 利な配i 置の総平1 で決まるのがポリペプチド鎖の J i l 終的

l1 : !エネルギーのJ i lも低いコンホメー ションなのである な折りたたみパターン．すなわち C

不完全なタンパク貿

( p.130参 ！ ！ の。

何位、年もの進 化の イ1 : J J をれて．それぞれのタンパク質のアミ ノ隊配列は．

立体~llt:i立

その ものだけでなく．折りたたまれるすばや さと い う, o . ' 1 . ； .ヵ、らも選択されてきている。一部

n

j ミ端を先日 にしてリボソームから のタンパク質では折りたたみは．ポ リペプチド鎖が N ,

I lてきたときから始まる。 このとき．各ドメインがリボソームから 出る たびに数秒以内に まとまった機造をとるが．その中には J U終的な二次付＇l t i l i（ αヘリックス. pシート ）のほと んどが合まれ．

H2 N

ほほ正しく •lt ぷ（ Fi g. 6-83）。 このJIミ’，：j＼•に動的 で柔軟な構造はゆる い球状

榊j 主体 （ mol t engl o b u l e ）とよばれ．タンパク質の多くのドメインは． これを出発点 として 比較的ゆ っくりと ．多数の i l 附i を， 測3 をして / i i 終的に』 Eしい三次行＇l t : i 1 ￡ を形成する。 平均的な

↓

アミノ酸， ，個で . l i でをた練l

折りたたみがほどけ．分解される

388

6 ゲノム情報の読み取り一一 DNAかうタンパク質へ

霊能をもったタンパク貨ができるまで．リポソームで mRN Aの配列がア F i g .6-82 8

合成されて9ぐのポリペプチドI l l

ミノ厳に窃訳されただけでは．タンパク質の合成は終わら芯い．復能を果たすために

J Tりたたまれて正しい三次元構造をとり．必要主主福助 は．完成したポリペプチド鎖I d :l 因子すべてを結合し．相手と怒るペプチド鎖（ もしもあれば）と会合し怠ければなら広 い．これうの変化は．非共有結合の形成によってi 盆められる。図に示すように．多く のタンパク質では．特定のアミノ酸への共有結合修飾も必妥である。霞も多いのはタ ンパク質のグリコシル化とリン酸化だが，共有結合修飾は 1 00極類以よも知られて

l

… 糊 因 子 の

結合｛非共有結合による）

いる（たとえば.F i g. 3 -81＇ 参 照 ） 。

bru

rM

酸 ン飾

卜

リ・修 やどる 化なよ

νf レ − i﹂ j シル合

−v

−EEEEEEEEBEE

コチ結 リセ有

すると きに折りたたみ過お！の大三 ！とが完了してい る タンパク質もある（F i g.6-84） 。

グア共

大き さのタンパク 自の介成には数分かかるので．なかにはリ ボソームから C末織が遊離

p

ほとんどのタンパク質ではシャペロンが折りたたみを助ける

の合 か結

質ツ

ほと のト

クニ

タサ

ンブ

E E EZEEEE

( c hap er one）とよばれる特定のタンパク質に出会う 。 まったく ． あるいは一 部しか折りた たまれていないタンパク 質をまとまった故終桃逃へと変えて い く迫筋はいくつもあるので．

パユ

リボソームでシャペロ ン

− ・ ・ − ・， − ・

ほとんどのタンパ ク質は．合成中には折りたたみは始まらず．

細胞にと ってシャペ ロンの役i l , q jは大きい。 タンパ ク質の多くは．シャ ペ ロンがないと．途 中 の ij•J/IJ体の一部が凝集して故終桃造への道から外れて袋小路に取り残されてしまうだろ

う（ F i g .6-85） 。 シャペ ロ ンの多く は熱ショックタンノTク（he a t s hockpr ot e i n . Hs p）とよばれ．細胞 を ，·：rii比 （通常 3 7℃で徐行する 細胞の場合．たと えば 4 2℃ ） に ~J:ll.~l/IJ お くと大幅に誌が榊 え

織J j g をもっ成黙タンパク

る。 これはフィードパ ック機構が働くために起こる現象で．放 って折りたたまれたタンパ ク質 （同地などの彩特で~じる）の増加に対応 して ．これをほ どいてたたみ置すシ ャ ペ ロン

の合成が促 進 されるらしい。

ょ 1 級編lJ 包には．シャ ペ ロンのフ ァミ リーが Hs p60と Hs p70を始め． い くつか存在 ごとにフ ァミ リーの異なるメンバーが働いている。 第 1 2' i ; t 'で述べるよ する。網l l J I 包小終了f うに．

ミ トコンド リアは．細胞質のものとは災なる重J t 「 ！ の Hsp60と Hs p70分子をもち．

小J I 包体ではまた別の Hs p70( BIPとよばれる）がタンパ ク質の折りたたみを助 けている。

F i g. 6-83 ゆるいI:J(状織~体。（ A ）シ ト クロム b 闘 のゆるい球状構造体は. ( 8 ）に示す飯後ま で折りたたまれたタンパク質よりもすきまの多 い．規則l 性の少ない禍這である．ゆるい1 . ' l ( 状4 荷 造体I d : . 完成したタンパク質の二次偽造の大学 を含んでいるが． αヘリックスの末時書I d : ほどけ ているし。ヘリックスの 1つは部分的にしかで きてい忽い。（写真鑓供 J o s huaWand.Y . o l .S 1 r u c 1 .B i o l .1 : 3 0 3 5 .1 9 9 4より。 F enge ta l . ,N ( A )

( B )

Ma c m i ll a nPub i l s he r sL t d. より併路）

RNAか らタン パク質 へ

タンパク貨の折りたたみは リポソームから滋継した 後に完了

折りたたみ中の

389

F i g.6-84 翻訳と同時に起こるタンパク貨の

折りたたみ。伸長するポリペプチド鎖がリボソ 荷造を形成 ームから出てきて．二次楠造．三次4

仁末時 制 領 主 翼

d／ ぽ＼

主が l a 初に折りたたまれ． するよ うす。N末錨領主 C宋儲領主主はまだ合成されている．この例のタ

折りたたまれた N末鍋領峨

ンパク貨では．リポソームから出てきた筒点で．

9終的芯コンホメーションが完成してい砿い。 ( A . N.F e d e r o va n dT . O .B a l d w i n ,J . B i o l . Chem. 2 7 2 : 3 2 7 1 53 271 8 , 1 9 9 7より改変）

−・4

惨

リポソーム

mRNA

この際.Hs p6 0タンパク も Hs p70タンパク も． それぞれに凶布のいく つかの付随タ ンパ クのブJを 借 りる。トl s pはどれも ．折 り た た み が 不完 全なタンパ ク 質の路 I l lしている疎 水性領域に親布l 性をもち. ATPを加水 分 解 し そ の分解サイクルのた びにタンパ ク質への 結 合 ・解 離を繰 り 返すも の が多い。 しかしほかの l f iでは. 2組 類 の Hs pタンパ クの働 きは 典なる。Hs p7 0が 作る3 史的は タンパ ク質 のー恨の初jめ のほ う に か かわり ． タンパク 質 が リ 日jに. 7つ ほ ど の 疎 水 性アミ ノ阪が述 なった部分に結合するら しい ポソームから解離す る！

( F i g .6-86 ）。 これに対 し Hs p 6 0ファミ リータンパ クは大きな槻 i l lの f l / I J J ' . iで． タンパク 質 が 完 全に合成 された後 にかかわる。 このシャ ペ ロンはシャペ ロニ ン（ c ha pe r oni n）とも よば れ．絞 って折りたたまれたタンパ ク質を収作する ” ｜ 刷 出I R 室”として働き ．凝集を 防 いで. T l }

J 交: t rりたたみを試み るのに総合のよい環境を提供 する（ Fi g .6-87 ）。

折りたたみの予定

辺を外れた

元に戻せZ 互 い

どおりの泡筋

折りたたみ

明古賀

ゆるい球状

ク＼

備遺体

＼＼

~ ／／

F i g .6・8 5 タンパク貨の折りたたみについて

現在考えられているモデル。新たに合成された タンパク質の各ドメインは．すばやく ・ ゆるい

正しく折り たたまれた タンパク質

ン／ ：

￡！（状禍造体．になる。次に分子全体の折りたた みがゆっくりと進むがたたみ方もいろいろで． シャペロンの助けを借りることが多い．それで もなお正 しく折りたたまれない分子があると。 本文で説明するように ． それらは特異的プロテ

i & l 表される。 アーゼに議別され.l

390

6 ゲノム情報の読み取り 一一 DNAかうタンパク質ヘ

P

噂急話

＆

70

正しく締りたたまれた タンパク質

m

、 号 ‘

リポソーム

候って折りたたまれた タンパク質

F i g .6-86 Hsp70ファミリーのシャベ ロン。

これらは．早い段階でタンパク表聞にある疎水 性アミノ酸がつながった部分を鍛別して働く。 小型の Hsp40タンパク （ 図で I d :省略）の助けを 信りて.ATPと結合した Hsp70が線的タンパク に結合し.ATPを ADPに加水分解する。すると 街道が変化して， Hsp70が標的をさらにし 立体4 っかりつかむようになる。 Hsp40が解駁した後． ADPが放出されてすぐにふたたび ATPが結合

すると.Hsp70は解離する。実際には.F i g .6-85 に示すように. Hspタンパクが結合と解灘を繰 り返すことが．標的タンパクをふたたひ1 庁りた

F i g.6-86と ふ87に示 す シ ャ ペ ロンは. 1： 本のペプチド鎖を正しく折りたたむため

に ATP加水分解を何凶も行うことが多い。 この

a ・ mエ ネ ル ギーの一部は力学的作梁にも

たむのを助ける。

使われるが．おそらく折りたたみの正確さのために費やされるほうがはるかに多いだろう 。 転写．スプラ イシン グ．翻訳のと こ ろでみてきたように．細胞は白山エネ ルギーを~~やす

ことによ って．生物過程の制 度を改千r f ’で‘きる。 タンパク質の折りたたみの場イI ' .ATP加 水 分解 のおかげて 、． シャペ ロ ンは絞って折りたたまれた さまざまな椛造を減目l jし そ れ 以 上 ぶりを重ねないように止 め．秩序正しい折りたたみを再 I J f lさせることができる。 ここ では 2種類のシャペ ロ ンに訴 を 絞 る が．細胞にはさまざまなシャペロンがある。 細 胞 のタンパク質は非常 に多微なので．何にでも対応できる盟主視．修正能力をもっべく幅 広くシャペロンをそろえる必袈があるのだろう 。

露出した疎水性領域はタンパク質の品質管理に不可欠な目印となる 細胞に放射性アミノ殺を短時 1 1 1 1与えて．新たに合成されたタンパ ク 質 が成熟して機能をも っ完成型になるようすを追跡；できる。 この種の笑！殺により. Hs p70が リボソ ー ムによるタ

’

~ GroES というふた

F∼＼

a ・園田h

E掴

ーーーーーー. . . . . ， ・

_ i _

− ー ・ ー ー ー ー ＿ ＿ ＿ ， . ・ ・

ADP+ P ;

Hs p 60繊タンパク ( A )

複合体

F i g .6 ・8 7 Hsp60ファミリーのシャペロンの楠造と機能。 （A）タンパク質の再度の折りたたみを触媒する。

! b i 初に， t 尊型{ 1 4 造の縁が作る疎水性結合によって。誤って折りたたまれたタンパク貨を内部にi 甫らえる。次 に ATPとタンパク質でできたふたが結合すると．樽の直径が広がり．中に入ったタンパク貨を一時的に引き のl ざす（部分的にほどく）。こうして中にタンパク質を閉じ込め．新たに｝斤りたたみ直す湯を提供する。約 1 5 秒後に ATPの加水分解が起こり．彼合体の強度が下がる。さらに ATPがもう l分子結合するとタンパク質 が放出され．うまく折りたたまれたかどうかにかかわらす．ふたたびサイクルが繰り返される。この極のシ p 6 0 . 誇後動物細胞の細胞質にあるの ャペロンは．シャペロニンともよばれ白ミトコンドリアにあるのは Hs

はTCPl. 細菌のものは GroELと名づけられている。図に示すように 1回の反応では．対称的拡栂型備造の )X線絡晶悦造解析で決定した GroELの鳩造。Gr o E Sというふ 一方で 1個のタンパク質だけに作用する。（ B

たと総合している。左の図 l 引時型構造の外見．右の図は中心部で切った断面図。 （B ;B .B u k a ua n dA . L . H o r w i c h .C e l l9 2 : 3 51 3 6 6 ,1 998より改作。 E l s e v i e rより許諾 ）

( B )

RNAかうタンパク質ヘ

391

ンパク合成の中途から働き ．ト！ sp60機タンパクはその後で．完成したタンパク質の折りた たみを J J J Jけるためにしか働かないことがわかった。 し か し 誤 っ て 折 り た た ま れ た タ ン パ ク t't .

すなわち ATP を利川して折りたたみ 1 1' 1：す必~のあるタン パク質 を．細胞はどのよ

うに織別するのだろう 。 これに答え るには．タンパク質が制訳後にたどる道筋を考え る必裂がある。普通は．

1 J l t 水性アミノ酸が表 l f iにかなりの大きさで鉛 I l lしているタンパク質には．リボソームを離 れてからの折りたたみを，決ったか．後になってf 』ザらかの事情で部分的にほどけたか．大型 体を形成する中！ I f .に I l l 会えなかったかの．いず れかの異常がある。 このようなタン の綾子T パク質は細胞にとって！！！日産なだけでなく．危険ですらある 。疎水位鎖成が鉱山した異？古タ ンパクは．大型の凝集体を形成して沈殿しやすく．後で; ¥ ! i i 列するように．まれにこのよう

f f 病 のI J ; ¥ I 刈になる な凝集体が実際に形成されヒトの i

ただし普通は．強力な品質管理機構

が働いてこのような危険を防いでいる。 そこで．タンパク nの疎水性領域をみ別して：i!.~l~轡を最小限に ¥11 える巧妙なしくみ

を細胞が進化させてきたのは、＇ I 然である。 しくみのうち 2つはシャペロンによるもので． 究I 疎水性領域に結合して欠陥タンパクにもう 11 1 1 1 1 ；しい折り たたみの機会を与え．修f 髭を｜

ると同H

l l i造をとれる タンパク 折りたたみ f

nはd点水f上P ! i成が銘 1 1 1 しないので

a

シャ ペ ロンはかかわ

らない。

Fi g.6-88は．新たに合成された折りたたみにくいタンパク質のために．細胞がj日 立している品質位里11機仰のあらましである 。 ~1［りたたみ直しに失敗したときには第三 の機

構 がl l! f d J し．タンパク t ' tを完令に分解する。 この分解約路は． タンパク表聞の奥＇ i＼＇な疎水 或をまずi 減 目I Jしこのタンパク質を｛政j 史談 i 1 i ' . すなわちプロテアソームとよばれる桜 性 飢J 合プロテアーゼへと i l !び込んでイ｜ ・恨を終わる。次に説明するが． この政成過程はタンパク

1 1に H内lをつける巧妙なしくみで成り立っている。 この様議機械は．正常なタンパク質を も選択的に破j 裂するもので．調1 1 1 包の

. m . i ：：な機能を十I ［っている。

ブロテアソームは．活性部位が露出しないようブロテアーゼを閉じ込めた区画で

ある タンパク質の折りたたみのぶりを 1 Eす際． タンパク分解装位とシャペロンは談合する。合 成されたタンパク質がすばやく折りたたまれる場合には．分解されるのはほんの一部です

nにねらわれる時間が長くなり．正 むが．ゆっくり折りたたまれるタンパク質だと分解袋 i しい折りたたみ構造をとる 1 i i lにl V 1 域される分子が多くなる。 なかには．変興や転写.RNA

Fi g.6-88

タンパク貨の合成後に働く 品質検

スプライシング．制i以の，~~りがあって絶対に 1 ［しく折りたたまれないタンパク質もある 。

査織摘。新たに合成されたタンパク質が自身で

このような告になりそうなタンパク質の敏明は．細胞にとって特に ! f f 姿である。

斤りたたまれ．適切忽姻手と結合すると 正しく i

興治・タンパクを f l ' !i f fに依I 裂する ATP！ 火 作のプロテア ーゼでできた袋償がプロテア

l 斤りたた きには．それはそのまま政置される..

ソー ム （ proteasome） で．細胞内に大なにあり.~タンパク質の 1 % 近くにもなる 。 プロテ

みが不完全なタンパク質は．シャベロンの助け

アソームは細胞質にも伎にも多数散在し小11~1本のタンパク質も磁再認する 。 小JI包体に述ば

を受けてふたたび折りたたまれる．このとき． 5 聖初は Hsp?Oファミリーのシャペロンが働き

ときにはその後 Hsp60の仲間が働くが．どち ーーーー． ，タンハク貨の

u u :

新たに合成された タンパク質

らの場合にも タンパク袋商に館出した異常忽 疎水性アミノ酸領主主を目印として殴別する．こ 幾怖と競合する別の殴備 れらの．タンパク救済− t I するとその があり．異常に露出した領威を段目J タンパク質に目印をつけ．ブロテアソームに~

時間経過

不完全に折り 助1 1 t o :しに正しく シャベロンのカを たたま れ 目 締りたたまれた 俗りて正しく j 斤りたたまれた ブロテアソームで タンパク質 消化される タンパク質 タンパク質

話題させる。多量貨の疎水性領i 或が非特異的に集ま ると目大毘のタンパク質が細胞内で凝集してし まうが，これを防ぐにはこれらの綴摘すべての

i 型例が必要である。

6 .ゲノム情報の読み取り 一一 DNAからタンパク質ヘ

392

( A )

F i g. 6-89 ブロテアソーム。 （A)X線結晶解析

( B )

で明らかになった 205の円筒構造の断面図。 ブ ロテアーゼの活性部位を赤い点で示す。（ B） ブ ロテアソーム全体の稲造。中央の円筒（黄色）の 両端を 1 9 5キャッフ（紫色）がふさいでいる。キ ャッブの構造は．電子顕微鏡写真をコンビュー タ処理して決定した。この複雑主主キャップ構造 （調節粒子ともよばれる）が分解の目印として ユビキチンがついたタンパク質に選択的に結合 し ， ATP加水分解を利用してそのポリペプチド 鎖をほどき，狭い通路（ F i g. 6-91参照）から 2 0 5 の円筒構造の内部へと送り込み 短いペプチド にまで分解させる。（8; W.B a u m e i s t e re ta l . , I

l s e v i e rより許諾） C e / / 9 2 : 3 6 7 3 8 0 ,1 9 9 8より。 E

れてから折りたたみや組み立 てが正 しく行われなかったタンパク質は．小J包体の1 な視機構 r et r o t r a ns l o ca t i o n）され．分解される （ 第 12！ ； − ！ ） 。 によ って細胞質へ逆輸送 （

プロテアソームは絞数のサブユニットからなる中空の円筒 （ 20Sコアプロテアソー

i l t成している （Fig.6-89）。 ム）で．サブユニ ッ トの環状七最体が 4つ積み重なって円筒を t これらのサプユニットの一部はプロテアーゼで．活 性古1 1 1 立が門官jの内側を向いている 。 こ のような椛逃のおかげで．これらの強力なプロテアーゼが細胞内に広がらずにすむ。 円筒 の両端には巨大な複合タンパク （ 19Sキャップ）が結合 している 。 これに含まれるサブユニ ット 6例からなる環状タンパクの穴を通って標的タンパクがコアへと送り込まれ．そこで 分解される （ F i g .6-90 ） 。送り込みには ATP加水分解のエネルギーが使われ．標的タンパ クはキャップを通り抜けるときにほとけ．コアの内 1 l ! I Jに汲んだプロテアーゼに接触する ( F i g .6-91。 ） キャップの広H 1 ' l f造の構成タンパ クは， AAAタンパク （ AAAp r o t e i n）とよばれ

る”アンフォルダーゼ”フ ァ ミ リ ー に 属 し そ の 多 くは六品休として働き．作用機椛には DNAへ リカーゼが ATPを利用して DNAをほどく 反応と共通点がある （ F ig .5-15参 照） 。

プロテアソームの重要な特徴で．その椛迭を抜幸E Iにしている原因の lつが． ・ ・迷 統 反応性”である 。 £質のポリ ペ プチド鎖を l ：か所切断しては離れる ·· 1~1 － ” プロテアーゼと

は対称 （ I 甘に． プロテアソームは基質全体 が短いペプチドに分解されるま で．基質全体を捕 らえて自mさない。 19Sキャッ プは，内部のタン パ ク質分解室の入口を管理するとともに， 日印のつい

たタンパク質を プロテアソームに結合 させる。2 . 3の例外はあるが． プロテアソ ームが作 用す る タンパク質には，破壊の対象となる特定の目印が共有結合でついている 。 目印は． u b i q u i t i n）とよばれる小型 タンパクがつながったもので （ F i g. 6-92A ）.細胞内 ユピキチン （

のユピキチンは，遊離しているか．細胞内のさまざまなタンパク質に共有結合 しているか F i g. 6-90 プロテアソームによるタンパク貨

ずれ 一一川

、 −

の連続的分解。ブロテアソームのキャッフが識

・ ＂ d ”E’ポリユピキチン鎖が

れ よ υ

中央の

｜

…

別した基質タンパク（図ではポリユピキチン鎖 の目印がついている。F i g. 6-92参照）は句フロ テアソームのコアへと送り込まれそこで分解 される。ユピキチンは初期段階で切り取られ 再利用される。プロテアソーム・コアへの移送 は環状の ATP依存タンパクの働きによって起こ

ー − ・・ − ー

． −

円筒禍造 ｜ （ ブロテ ｜ アーゼ） ｜

atit

、 」回・ ついた標的タンパク

り基質タンパクはこの環を通り抜けてコアへ

E

． ・．

i g. 6-9 1参照）折りたたみがほどけ 入る聞に（ F

る。（ S .P r a k a s handA .M a t o u s c h e k ,T r e n d s B i o c h e m .S c i . 29 : 5 9 36 0 0 ,2 0 0 4より。 E l s e v i e r

より許諾）

RNAからタンパク質 へ

393

r 、 、 事 、 、 . . . , .m

( B)

折りたたまれた

k＼ . ＿ ， .墨貨タンパク

別の目印

六量体の

AAAタンパク

ム

− ・

ー

＼

Z 草貨の結合

‘・−

p

I

、プ ATP加水分解が ／ ：コンホメーション 〆 変化を引き起こす 変形した環状4 再選が 1 1 貨を引き込む

F i g. 69 1 六量体のプロテインアンフォルダーゼ。（ A)AA Aファミリーに属するサプユニ ッ ト6包からなるアンフ才ルダーゼの情造。 （ B) AA Aタンパクの AT Pに依存したアンフ才ルダ ーゼ活性のモデル。A TPが結合した AAAタンパクの環状六畳体が. ！庁りたたまれてはいるも

e ! ;f a 滋する）ょう目印をつけられた基質タンパクに結合する。こ のの．ほどく（そして飯終的に l

制牛品 抑

の包印は．ポリユピキチン鎖（本文で後述）や合成の不完全芯タンパク質を示すペプチド（ F i g 参照）である。 A T P加水分解によって起こる不可逆忽コンホメーシヨン変化が基貨を中央 6 8 1＇

一

のコアへと引き込み．環状構造を変形させる。ここでく’ っと引っ張られた; ! i i ; 質タンパク I d ;.

部がほどけてさらに孔の中へと入り込むこともあれば. t 荷造を保って解践することもある。安 定住が非常に高い基質タンパクでは AAAタンパクの環にうまく引き込まれるまでに. A T P加 水分解と解穫を何百回も繰り返す必要がある場合もある。いったんほどけた基質タンパクは． それから連続的に起こる A TP加水分解によって比鞍約すばやく孔を通り銭ける。 （A ; X .Zh a ng

e ta l . ,M o / .C e l /6 : 147 3 -1 4 8 4 , 2 0 0 0と AN.L u p a sa ndJ .Ma r c i n , Cu r r . Op i n .S t r u c t . B i o l .1 2 : 7 4 67 5 3 ,2 00 2より.B ; R . T .S a u e re t a l .C e l /1 1 9 : 9-1 8 ,2 0 0 4 .すべて E ls e ve r より終路 ）

のどちらかである。ユピキチンの目印がつくと．大半はプロテアソームで磁波される運命 をたどる。 し か し こ の 目 印 が ま っ た く 別 の 意 味 に な る 場 合 も あ る 。細胞 が 目 印の意味を

F i g . ど う 受 け 取 る かは． 結 局 は ユ ピ キ チ ン 分 子 の 数 と そ の つ な ぎ か た 次 第 で 決 ま る （ 6-93 。 ） 次項では．タンパク分解におけるユピキチン化の役i 仰を砕しく凡ていこう 。

巧妙なユビキチン結合機構が分解すべきタンパク質に目印をつける ATP依 存 の ユ ピ キ チ ン 活 性化 （ u b i q u i t i na c t i v a t i n g ）醇紫 （ El ）がユピキチンを活性化して El結 合 ユ ピ キ チ ン を 作 り ． ほ か の タ ン パ ク 質 に 結 合 で き る よ う に ． ユ ピ キ チ ン 結 合 ( ub i q ui t i n -co n j u gat i n g）酵素 （ E2）の lつへと移す （ F i g .6-92B。 ） E2I ま補助タンパク （ E3）と 結 合 して働く 。E2-E3彼合体はユピキチン巡結両手索 （ ubiq ui t i nl i g a s e ）とよばれ. E3成分 が 基質タンパクのデグロンとよばれる特異的分解シグナルに結合し．そのJ l ) Jけ で E2が 基 質 タンパクのリシン側鎖にポリユピキチン （ p o l y u b i q u i t i n ）鎖を形成する。 この鎖では．各ユ ピキチンの C 末端技悲が前のユピキチン分子の特典的 リシンに紡合するので （ F i g .6-93参 照） ．線状のユビキチンーユピキチン重合体ができる（ Fi g .6-92C参！ ！（ ｛ 。 ） プロテアソ ームの 特異的受容体が総別するのは．標的タンパクに結合したポリユピキチン鎖である。 lrill乳類i には．構造はほとんど同じだが異なる E2 が 30 総~j ほどあり.

q 守典的な E2

と複合体を作る E3タンパクは数百種類もある。 したがってユピキチンープロテアソーム 系 は，非常に多秘縦だがよく似た分解経路から成り立ってい る。 これらの経路は.Eli Jt ” 先

394

6 ゲ ノム情 報の読 み取り 一 一 DNAからタンパ ク 質へ

頭”でプロテアソ ー ムが”必後”に来る点は共 通 だ が. E2-E3ユ ピ キ チ ン 辿 結 醇 紫 や 補 助 因 子の構成が異なっている。ユピキチン述結酵素が異なると識別する分解シグナルが異なる ので．各酵素はそれぞれ．細胞内の異なるタンパク群に目印をつける。 変位したり．折りたたみを誤ったり．酸化などで異常になったアミノ酸をもっタン パク質は．ユピキチンープロテアソーム系の E3が 分 解 シ グ ナ ル と し て 識 別 す る ア ミ ノ 酸 配列や構造モチーフを表面に露出している こ とが多く．異常タンパクと識別されて壊され る。 正常な場合にはもちろん．このような配列やモチーフは内部に埋没していて近づけな い。 異常タンパクを綾すタンパク分解系は，”完成した”が”誤った”コンホメーションをも っタンパク質と ． リボソームで｛i l l 長 中で（あるいはリポソームから遊離したばかりで）まだ 正しいコンホメ ー ションがとれていない多くのポリ ペ プ チ ド鎖とを区別できなければなら な い。 こ れ は さ さ い な 問 題 で は な い。 実際に．新たに形成されたタンパク分子の多くは． 異 常 で は な い の に 成 熟（ 正 し く 折 り た た ま れ た）状態では内部に埋もれているはずの分解 シグナルを一時的に露出したという理由で．ユピキチンープロテアソーム系によって壊さ れている。

NH2

F i g . 6 -92 ユビキチンと ． ポリユビキチン鎖によるタンパク質の領磁。 （A）ユビキチ

6アミノ酸からなる。（B ）ユピキチンの C宋舗は． ンの三次元締造。比較的小型で 7 忽初に Elタンパクのシステイン側鎖と寓エネルギーチオエステル結合を作って活性

T Pが必要で。共有結合による AMP −ユピキチン中間体を 化される。この反応には A 経て進行する。 E l （ユピキチン活性化静紫ともよばれる）についた活性化ユピキチン は．次に E 2ファミリーの 1つのシステイン残基へと移される。E 2分子は. E 2以上に 多数から忽る臼 ファミりーのメンパーと復合体を作っている。 （C)標的タンパクへ のポリユピキチン鎖の付加。嫡乳類細胞に I d : . 数百種類もの E2−臼複合体があり． それぞれが日成分の働きで．線的タンパク上の異なった分解シグナルを段別する。 臼はユピキチン結合酵素とよばれる。 E 3はこれまでユビキチン連絡醇紫とよばれて きたが．正確にいえばこの名にふさわしいのは E 2E 3複合体である。このような複 合体の 1つの詳しい構造は.F i g .3-7 9に示した。

’ ’

(' ¥

ユピキチン 活性化際緊

m

(A )

HOOC

＼ ＼ 、 タンパク質の リシン側鎖に 接続される部分

E l ¥-SH

ユビキチン連絡 醇繁への結合

AMP ＋

p-p

ユビキチンと結合した ユピキチン連絡惨察

( B )

の

− − t− 川肘JJ i

ンミ

鎖怒

リ﹁

シア

初、 機的タンパクの 分解シグナル ( C )

ー 一 ー 『 ー ー ー-t・ ，

ユピキチン迎結醇紫に 棚的タンパクが結合

I ! 初のユピキチン鎖が 標的タンパクに付加

ポリユピキチン鎖が 付加した練的 タンパク

RNAか5タンパク質へ

モノユピキチン化

F i g .6-93 ユビキチンによるタンパク箆の標 餓。図に示した修飾パターンそれぞれが，細胞

ポリユピキチン化

マルチユビキチン化

395

にとって特定の意昧をもっ。 2種類のポリユビ キチン化は．ユピキチン分子どうしの結合のし かたが異忽る。 L y s 4 8を介した連絡はフロテア

y s 6 3を介し ソームによる分解を指示するが. L た連絡はほかの意味をもっ。ユビキチン標援を ．読み取る．のは．修飾それぞれを特異的に議別 するタンパク質である。 ヒ ス トン調節

エンドサイ ト ーシ ス

ブロテアソームによる分解

DNA修復

多くのタンパク質は，制御された分解によって調節されている 細胞内タンパク分解機仰の機能の lつは．前述したように折りたたみの絞りをはじめ何 らかの異常があるタンパク質を識別して取り除くことである 。 さらにもう lつの機能とし 交を l ' ! l鹿に変える必援のある場合．そ て．正常なタンパク質でも．細胞の状態に応じて淡l の寿命を縮める（励きもしている。短命のタンパク質のなかには．常｜時．すみやかに分解され ているものもあるが．多くは“条件 に応じて”寿命が決まり．ある条件下では代謝的に安定 だが．細胞の状態が変化すると不安定になる。 たとえば有糸分裂サイクリンは細胞周期の

l l J存在し続けるが．第 17f , 1で説明するように有糸分裂の最後にな って突然分解さ れる 。 このようなタンパク分解はどのように制御されているのだろう 。いくつかのしくみ は．後で個別 に例をあげて説明する 。一般的な機併の lつは（ F i g .6-94A).E3のリン酸 化や．特異的 な小分子や大型分子の結合が引き起こす E3のアロステリック変化による． ユピキチン述結群索の活性化である。 たとえば．細胞分裂の後期促進桜合体（ APC ）は多数

Y Jに合わせて有糸分裂｜ 時 にサブユニッ のサプユニットからなるユビキチン連結酵素−で．周 J 糸分裂サイクリンや i 1 1 J U Jから後 トが付加する と活性化 される。活性化された APCは．手T

J U J への遷移を調節する因子を分解する （ F i g .1 7-44参 ！ ！ ｛ （）。 これとは別に．細胞内シグナルや環境か らのシグナ ルに応じてタ ンパク質に分解シ グナルが生じ．急激なユピキチン化とプロテアソームによる破域の原因となる場合もある 。

I I 位の リン般化で．これに このようなシグナルのできかたの lつは． タンパク質の特典的音 I ¥する。 シグナル露出のもう iつの方法は．タ よって通常は隠れている分解シグナルが銘 I ンパク質のサ ブユニットの制御された解離である。そのほか．ペプチ ド紡合を 1：か所切っ て強力な分解シグナルを作ることもある。 切断によってできた新たな N 末端が．特異的 な E3によ って”不安定化”ア ミノ酸だと認識 される（ F i g .6-94B） 。

N末端型の分解 シグナルは， ” N末端f ! I J ".すな わち生体内 でのタ ンパク質の寿命 と N末端アミノ際残悲の級努i に関連があることから生じる。 I : / HHW・ f 手S .c e r e v i s i a eの N

0f i [ （矧のアミノ酸のうち．不安定化アミノ酸は 1 2税額 （ A r g .L y s . 末端則では．通常の 2 Hi s .P h e .L e u .T y r .T r p ,I le .A s p . Gl u .A s n . Gin） である。N 末端の不安定化アミノ酸は． 静母からヒトまで広く保存されている特定のユピキチン述結酵素によ って総別される。 前述したように．あらゆる夕ンパク

nはイ干｝ 戊H

I 刻の場合はホル ミルメチオニン） をも つ。 これは N末端 t i l l では安定化アミノ酸である。新 生タンパクの先頭のメチオニン除去にはメチオニンアミノペプチダーゼとよばれるプロテ アーゼが関与することが多いが．除去は. 2帯・gのアミノ殴も N末端W Jの安定化アミノ酸 である場合に｜ 浪られる。そのため．どうやって生体内で N 末端型分解の恭賀が生じるのか． 最初はわか らなかった。 しかし今では．この器質が苦I I 位特異的プロテアーゼによって作ら れることがわかっている。 たとえば．姉妹染色分体を付着した状態に保つ桜合タンパク．

lから後J V Jへの巡移｜時に古I i 立特典的プロテアーゼ コヒーシンのサブユニッ トの lつは．中W によって切断される 。 この 制胞周期に応じ た切断によって姉妹染色分体が分出I~ し有糸分

396

6 ゲノム情報 の読み取り一一 DNAからタンパク質へ

裂は完了する（ Fi g .1 7-44参 ！ ！ 現 ）。切断されたサブユニットの C 末端側断片は，不安定化 ア ミノ酸アルギニンを N 末端にもつ。N 末端型分解経路をもたない変異細胞では．染色体 の欠失が大幅に増える。 コヒ ー シン ・サプユニ ッ トの断片が分解でき ないため．次の細胞 周期で新しい染色分体にコヒーシン結合複合体が形成できないのだろう 。

折りたたみ方を誤ったタンパク質は凝集体を形成し． ヒトの重大芯病気の原因に

なることがある ヒトの多くの巡伝病（たとえば．鎌状赤血球貧J ( l l[ p .1 495参照］や．肝臓病や l l i l i 気 ）J 長に結び‘ つくことの多い α・トアンチトリプシン欠乏症など）は．変異タンパクが細胞の品質管理機 械の目を逃れ． 誤って折りたたまれて凝集体を形成する ために起こ る 。 これ が重要な巨大 分子を吸着すると細胞にとっては深刻な打怒となり．細胞死の原因になることさえある。 ある巡伝子の変異対立遺伝子を l個受け継いでも病気に なることが多い。正常な遺伝子コ ピーが l個あ っても．凝集体による破壊的作用は防げないからである。 健常なヒトでも．細胞のタ ンパク 品質管 理機構がしだいに衰える と．正常タンパク ig .695。 ） ときには．死んだ細胞か が凝集体を形成して病気の原因になることがある（ F

らタンパク凝集体が放出 され．周凶の細胞を取り巻く細胞外マトリ ックスに蓄積され，極 端な場合．組織を

( A)

m傷する。 ）i J 近はや1 1 経細胞が集ま って高度な組織を作り 上げているので特

ユビキチン遭結酸素の活性化

トー

タンパクキナーゼに よるリン酪化

( B)

リガンドの結合による アロステリック転移

タンパクサブユニットの付加に よるアロステリック転移

分解シグナルの活性化

F i g .694 特定のタンパク貨の分解を引き起

こす 2つの一般的な方法。 （A）特異的拡日分 子の活性化によって，新たなユピキチン連絡醇 紫を作る。（8 ）分解すべきタンパク質に， R出 した分解シグナルを作る。このシグナルにユピ キチン連絡酵素が結合して，近くのリシンにポ リユピキチン鎖を付加する。 ここに示す 6つの 経路はいすれも．特定のタンパク質をフロテア タンパクキナーゼに よるりン酸化

タンパク質の解脱に よる露出

不安定な N末端の形成

ソームへ移動させるために細胞が実際に使って いる方法である。

RNAからタンパク質ヘ

39 7

( A)

い化 ﹃

し変 一

修道 一 に岨情一 常体一

昨 仲立 一

一

ー・司~・ ・ ・ 園 田園 層圏 堕凪 ’圃

(B）感染性の・タネ・ から始まるアミロイド緩維形成

〉一

よL

. _ _ . . . . .

ヘテロ二置体

ホモ＝貨体

アミロイド

-

圃． ， ・． 圃 ・・ a ・ ・ ．． ． ． ・ ・ ・ ・ ・， ・ a・ ・ ・ ・ ー・ −邑 宣 ！ ！ ！ ＇ ・ 圃 圃 骨 哩E里 圃 圃 園 田 司野 ・・・哩盟国明曹!!!P~・・p ・ 園 田 画聖 堅田園 ． ， ・ ・ ・ ・ ・ 岡 ，v二＝温 ． ．祖 ． 国 ー 圃 ・・ −・ − 陣 圃 由 ・・ ・ 困 ・． ・ 国 圃. ・ 回 . ． ． ． “’ ， ー . .. − 固 ‘ ・ ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ーー・ 岡 田 園 圃 圃 圃 噌 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ‘ ー ・ ・・ ・ 圃 画． 喝 由 圃・ ・ ・ ・ ・・ ー

−− −ー

．・ ・ ． ・・ 同 ・ ． ． ・． 4 ” ‘ ． 圃 唱曲 ・ ”’ 同 圃E 圃 園 田 ， ・ ＿

f空 豆 量e-or-=

孟三孟語

・ − ＝ ＝ −

・-=:::I:' 一司 F・ L一一一一」 Snm

(D)

Fi g. 6-9 5 ヒトの病気の原因となるタンパク凝集体。 （A）あるタンパク質の立体締造が変化してクロス F 繊維の材料ができるようすを様式

的に表す。（ B）ブリオン病の重要主主特徴であるタンパク凝集体の自己感染性を模式的に示す。 P r P（ フリオンタンパク）は非常に風変わりで， r Pに媛触すると．正常な P r Pにも立体構造変化を引き起こす。タンパク凝集体が原因で起こるヒ ト 候って折りたたまれた P伊勢が正常な P

の病気のほとんどは．非常に凝集しやすい変異タンパクの過剰生産によるが．タンパク凝集体が．ある動物から別の動物へと広がること l 草 花 王 い ． （ ζ）ヒトの持経疾患によくみられる．プロテアーゼに抵抗性のタンパクE 霊祭体．クロス H繊維.~ シートの水素結合はポリペプチド 主鎖の原子閣に形成されるので（ F i g .3-8参照）．異常忽折りたたまれ方をしたタンパク質の多くが．この備造を形成できる。 （ D)P r Pから P r P ＊への変指定にはいくつかモデルが考えられるが．その 1つ.2本の αヘリックスが変化して 4本の P ストランドに変化する。正常なタン

パク質の構造は正確に決定されているが．感染性 P r P *l c l : . 凝集のために通常の備造決定妓術が使えす．まだ健実な4 揖造がわからない。（仁； 図提供 L o u i s eS e r p e l l 。M .Sundee ta l . ,J .Mo/ . B i o l .2 7 3 ・：7 2 9 7 3 9 ,1 9 97より改作。AcademicP r e s s許諾。 D ;S . B .P r u s i n e r . η・ e n d sB i o c h e m . 1: 4 8 2 4 8 7 ,1 9 9 6より改作。 E l s e v i e rより許信） S c i .2

に被害を受けやすい。 そのため． タンパク凝集体はおも に神経 変性疾忠 の原 因になる。 な かでも有名なのがハンチン トン病 とアル ツハイ マ ー 病 で. 1 走者が原因となった 1 J U齢に伴 う

a 2 . 知症は現在世界で 2000万人を超える。 あ る タ ン パ ク 凝 集 体 が 生 成 し 成 長 し 生 物 に損傷を与えるには．細胞 内外でのタ ンパク分解に抵抗性をもっ必要がある。 問題を引き起こすタンパク凝集体の多くは．ポリ ペプチド鎖の 9シー トが積み重なって層をなしタンパク分解に強い抵抗性をもっク ロス

P繊 維 （cross-betaf i lame nt ）とよばれる原繊維を形成する （ Fi g .6-9 5C ） 。 タンパク凝集体が 原因の神経疾忠 ではこのような構造が多くみられ．異常に染まる沈殿を作り． アミ ロイ ド ( am yl oi d ）とよばれる。

これらの病気のなかでも特に悪名高いのがプリ オ ン病 （ pr i ond i s e a s e ）である。ハン チン トン病やアルツハ イマー病と違ってプリオン病は．タンパク凝t 具体を含んだ生物の組 織を食べると感染する。 ヒツジのスク レイピー． ヒ トのクロイツフェルト ・ ヤ コブ 病 （ CJD ) . ウシ海綿状脳症 （ BSE ）は. PrP （プ リオ ンタンパク ）が誤って折 りたたまれ凝集 して起こる 病気である。 PrPは通常 は 細胞 膜 の外側 に存 在 し 特 に ニュー ロ ンに多い。正常 な PrPの

398

6flゲノム情報の読み取り 一一 DNAかうタンパク質へ F i g .696 異なるプリオン稼の i nv i t r oでの作

製。この実験では，アミロイ ド繊維を変位さゼ． さまざまな温度で復元さゼた。 3種類の異なる

アミロイド

性

変

， ・

−BEE −EEaEE l

〆／

アミロイドが生じたが，そのどれも．新た花王サ ブユニットを加えると．自身と同じものを憎や す 。

＼＼「

4。 c

株2

株1

株3

機能はわかっていないが．きわめて特殊な異常総: i l Iに変換されるという闘った性質がある

( Fi g .6 95A参照）。 この椛逃はプロテアーゼ耐性のクロス

P繊維を形成するだけでなく ．

正常に折りたたまれた Pr Pを｜ 百 l じ病原性 Pr Pに変えてしまう“感染性”をもっ。 この性質 ［のフィ ー ドパックループとなるため，Pr P 伶とよばれる異常型 PrPがJ { ' l刑して（ F i g. がi

6-95B参 m O J J 単の細胞から細胞へと急激に広が り．動物やヒトを死に至らせる。英国でウ いわゆる”まl ：牛病． ．）が広がったのをみてもわかるように. P rP 勢を含 シからヒトへと BSE （ む動物組織を食べるのは危険である 。幸い. P r P 発さえなければ. Pr Pの典＇i i ＼＇型への変換は 非常に起こりにくい。 j 只って折りたたまれてかつ感染性のある立体椛 : i i iをとるタンパク質は珍しいが．百 字

l まにも ，不可思議な ”タンパク質だけに よる伝染”の例がみられる。両手母で感染性タンパク の研究ができたおかげで．プリオンの顕著な特徴がもう lつ｜ 列らかになった。 同ーのポ リ ペプチド鎖から明らかに拠なる数極類の凝集体を形成ししかもそれぞれの凝集体が感染 r ; jじ型の異常構造へと変化 させる力をもつのである。 こうし 性．つまり正常分子を自己と 1

i から数種類の異なる感染粒子 ” 株．が生じる （ F i g .6-96 ） 。lつの て ． 司ーのポリペプチド釘 ｜ ポリペプチド配列から複数の凝集体が形成される過程は完全に解明されてはいないが． ど のタンパク凝集体 もクロス

P繊維（Fi g. 6-95C参WOに似ており．おもにペプチド主鎖の相

互作J I ]で桃 i l iが保たれている可能性がある 。そのためアミノ般側鎖は自 E I Jに災なるコンホ メーションをとることができ．それが自 己伝椛性をもっとすれば．』でなる”株”の存在が説 明できるかも しれない。 ところでプリオンは病問として発見されたが．細胞内で有用な役；1 1 qも来たしている らしい。 たとえば．ある位の＠a lはプリオンの変化を利用 して異な った

wの剥I I 胞を作る。

まだ議論のあるところだが．プリオンが． ヒトなどの桜雑な多紺J ) j 包生物で記憶の擁立にか かわっているとの説も l 却されている。

RNAかうタンパク質ヘ

F i g.6-97 .綴細胞でのタンパク質の生産。真 絞細胞に存在するタンパク質の畳終的な量l e ! : . ここに示す各段階の効率で決まる。

イントロン ／／

〉＼

転写開始

． ．． ． EEEEEEEEE4V

組側

＼ 造

カ

ツ ヤ

キ

キャップ形成 伸長 スフライシング

． ． ・ E

緩外への紛送

I AAAA L一一」

mRNA

ポリ A属部

4 裏 細胞質

AAAA

トーー

mRNA

mRNAの分解

. .

，~

’タンパク合成（翻訳）の開始

． ． l ト~－

ー孟孟孟孟孟孟孟＝孟 AAAA

タンパク合脚完了と タンパク質の折りたたみ

&:2~

' " 'u

ト」~~；ンパtク貨の

〆I 句、 I

・

切d

&2~0。H DNAかうタンパク質ができるまでには数多くの段階がある

r . cでは. i l : t伝子に含まれる情報から始まって正しく折りたたまれたタンパク 質ができ

この

i g .697 。 ） 正しく折りたた ま るまでに．何段階もの化学反応が必要な ことをみてきた（F れたタンパク質の細胞内の最終的な量は．その各段階の効率で決まってくる。 次のf , 1 .では，細胞には必要に応じてタンパク質の拡を変化 させる能力が備わっ てい ることをみていこう 。原理的に は．どのタンパク質も .Fi g .6 9 7に示す段階すべてで調節 f ; lでふれるように．どの段階での調節も例があるが．転写 I J H始時の遺伝子発 できる。第 7'

現湖節が最も 多い。 これは理に適っている。遺伝子が発現しないようにするには最初の段 階．すなわち ONAから RNAへの転写の段階で止めてしまうのが最も効率的なのである。

まとめ mRNA分子の塩基配列からタンパク質への翻訳I d : . 細胞質にある大型のリポ核タンパク

d : m 初に tRNA分子に連結さ 複合体りポソームが行う。タンパク合成に使われるアミノ酸1 ） れ.tRNA分子が相補的塩基対形成によって， mRNA上の 3個すつ組になった塩基（コドン を識別する。mRNAの塩基配列は．こうして一方の端から順に．遺伝隠号に従って 3個ず つ読み取られていく。

399

400

6 ゲノム情報の読み取り 一一DNAからタンパク質ヘ 翻訳の開始には．ますリボソームの小サブユニットが mRNA分子上の開始コドン

(AUG）に結合する。このコドンを識別するのは．開始 tRNAという別芯 tRNA分子である。 次に大サブユニ ットが結合してリボソームが完成するとタンパク合成が始まる。タンパ ク合成では．それぞれ特異的アミノ酸と結合したアミノアシル tRNAが mRNA分子上の 適切なコ ドンのところに順に結合し．コドンと tRNAのアンチコドンの聞に塩基対が形成 される。名アミノ酸が伸長中のポリペプチド鎖の C末端に連結される反応は， 4段階で行 われる。ますアミノアシル tRNAが結合し．次にペプチド結合が形成され．最後にリポソ ームが 2回移動する。伸長因子は GTP加水分解のエネルギーを利用してこの反応を進め． アミノ酸選択の精度を高める。 mRNA分子がリボソームと結合してかう 5’ → 3’方向にコ ドン 1個分すつ進むうちに. 3種類ある終止コドンのどれかがリボソームに達すると．終 結因子がリポソームに結合し翻訳を終了させ．完成したポリペプチド鎖を解厳させる。 真核生物と細菌のリボソームはよく似ているが．構成成分である rRNAとタンパク 質の数や大きさには濃いがある。翻訳作業の主役は r RNAで．リボソーム全体の構造を決め． tRNAとの結合部位を作り .mRNAのコドンと tRNAとをう まく適合させ．アミノ蹴をつ 芯ぎ合わせるべブチジル基転移醇紫の活性部位を構成する。 タンパク合成の最終段階では. 2種類のシャペ口ン Hsp60と Hsp70がポリペプチ ド鎖の折りたたみを誘導する。シャペロンはタンパク表面に現れた疎水性領域を識別 し． タンパク質の凝集を防ぐ。シャペロンが芯いと．新たに合成されたタンパク質で．正しい 三次元構造への折りたたみと凝集とが競合する。タンパク質の折りたたみと競合するもう

1つのしくみが巧妙なタンパク品質管理機構で．表面に疎水性領域が露出した異常芯タン パク質を破壊する。この機摘では．誤って折りたたまれたタンパク質にユピキチン連結酵 素がユピキチンを共有結合で付加する。生じたポリユビキチン鎖をブロテアソームのキャ ッブが識別すると．タンパク質全体がブロテアソームの内部へ運ばれ． そこで分解される。 よく似たタンパク分解機構として．ユピキチン連結酵素が識別する特異的な分解シグナル を利用したものがあり．多くの正常タンパクの寿命の決定に利用されている。この方法で は．特異的シグナルに応じてタンパク質が選び出され．細胞から取り除かれる。

RNA世界と生命の起源 i 立伝情報の発現は DNAから RNAを介してタンパク質へと進行し．それには非常に複雑 な機併が必裂なことを見てきた。この機構には．重大な矛盾がある。 タンパク質の合成に 核被が必要で．その核般の合成にタンパク質が必要だとすると．このような相互依存的な 機構はどのようにして生まれたのだろう 。lつの考え方は．現存生物の登場古iに．地球上 には RNA世界 （ 町 叫Aw o r l d）が存花 したと する もので （ F i g .6 98 ） ，この説は， J ；（始細胞で 司

は．加I Aがi l i : 1 云M報を保管するとともに化学反応も 触媒したとす る。DNAがi l l 伝物質の

/ I J を．タンパク質が細胞の主要な触媒と構造成分の役割l を引き継いだのは．進化i 必殺の 役l もっ と後に なってからだというのである。この説が正しいなら .RNA世界からの脱皮は まだ完了していないことになる。この f , ' tでみてきたように．現存細胞でも RNAが触媒す る重姿な反応が存在し．これらは初J V ） 世界の分子化石といえる 。 この節では. RNA世界況の裏づけとなる諭拠をいくつかみていこう 。現存細胞が

RNA世 界

山 1 00

ビッグ・パン

現在 太陽系の 生成

DNAをもっ I i i 初の細胞

鰻初の 明 乳X I I

F i g . 6・98 宇宙の陸生か5の歴史。生命の初期

に RNA世界があったことを示す。

RNA世界と生命の起源 もつリボソ ーム や mRNA前駆体スプライシング装置などの驚くような特徴のいくつかは． RNA世界で代謝の主役だ った RNAを介した複雑な相互作用ネットワークの子孫だと考

えると，最もわかりやすい。 また．どのようにして DNAが遺伝物質の地位を受け継いだ のか，巡伝暗号はどのようにして生まれたのか， タンパク質が現在の細胞における生化学 触媒の役割の大部分を 陀' 1 Aからどのようにして奪い取ったのかも ．考えてみよう 。

生命には保存された情報が必要である 地球で最初の“生体”分子は，無機物の結晶の表面上で金属の触媒作用によって形成された との見方がある。原理的には．最初の細胞の誕生よりはるか以前に．分子の合成と分解（ 代 謝）を行う粉巧な系が結晶表面上に存在したということは考えられる 。綴論はあるが．多 くの科学者は，自己の合成を触媒できる低分子が原材料をめぐってたがいに競い合う“化 学進化”が，生命以前の地球上でかなりの規模で起こったと考えている。 しかし生命にははるかに多くのものが求められる。第 l辛で述べたように，生命の 核となる性質はおそらく“；遺伝”だろう 。細胞は，原材料を使って触媒反応ネットワークを 作るだけでなく．それを．遺伝情報という巧妙な指令に沿って行わなくてはならない。こ の遺伝情報が複製されるおかげて＼細胞の複雑な代謝作用が正確に再現できる 。生命のも う lつの重要な性質は．この追伝情報の変化による遺伝的可変性である。選択圧の彩響の 下で，この可変性が地球上にみられるきわめて多様な生命を生み出したのである。 このように生命の出現には，情報を保存し，複製し，変化させる方法や．触媒作用 を介してこの情報を役に立つ化学反応に変換する方法が必要である。だが，このようなし くみは最初どのようにして生じたのだろう 。 ~存の細胞で最も広い用途に触媒として使わ

れているのはポリペプチドで．化学的性質の異なる側鎖をもっさまざまなアミノ酸で構成 されるため，化学反応性に富んだ部位をたくさん制甘えた多様な三次元椛造をとることがで きる。 またポリペプチドは．アミノ酸の配列の形で情報を媒介することもできる。 しかし ポリペプチドが，自身と同じ配列をもっ分子の形成を直接誘導して自己を再生産する例は 知られていない。

ポリヌクレオチドは情報を保存できるうえに化学反応を触媒できる ポリヌクレオチドには．ポリペプチドとは対照的な性質が lつある。自 身の配列を写し取 った分子の形成を直接誘導できるのである。それはヌクレオチドが相有I I 的な塩基対形成を するからで．そのために．あるポリヌクレオチドが別のポリヌクレオチド形成の鋳型の役 割を果たせる。この辛や前章でみてき たように．この相補性に基づく鋳型機械が現在の細 胞の DNA複製や転写の基本である 。 しかしこのような相補鎖を鋳型とするポリヌクレオチド合成には，重合反応を促 進する触媒が必要である 。触媒がなければ反応は遅く．誤りが多く．効率は惑い。今日で は．鋳型を利用したヌクレオチド重合反応は. DNAポリメラーゼや RNAポリメラーゼな どのタンパク酵素が触媒するが，適切な特異的触媒活性をもっタンパク質が出現する前に は，重合反応、はどのように触媒されていたのだろう 。1982年 ， RNA分子に触媒作用が発 見され．この疑問の解明の糸口となった。 この辛ではすでに，細胞の主要な反応の lつ ， アミノ酸を共有結合でつないでタンパク質を作る反応を. RNA分子が自t l媒するという例 をみてきた。情報の媒体であり触媒でもあるという 肘' 1 A分子の独特な性質が，時' 1 A世界 仮説の基盤である。 このように RNAは．自身の合成を含め，さまざまな化学反応を触媒する分子の必 要条件をすべて備えている（ Fi g .6-99 。 ） RNA分子の自己複製系そのものは 自然界で見つ かっていないが，実験的には必ず作れると信じられている。 これができたとしても，地球

401

6 ゲノム情報の読み取り 一一 DNAか5タンパク質へ

402

F i g .6-99 自身の合成を触媒する RNA分子。

（）

; J . 控室益配列をもっ第二の この仮説では．椙帯電的1

RNA分子の生産と．この第二の分子を鋳型に使

った．元の分子と同じ配列をもっ多数の RNA 分子の生産という. 2つの触媒作用が必要にな る 。 この仮想 RNA醇索の活性部位を赤で示す。

の生命誕生の主役が自己複製のできる RNA分子だったという J i E I Y : J になるわけではないが． その可能性を示 すことにはなる。

RNA世界の前におそうく先 RNA世界があるだろう RNAは自己桜製す る生化学触媒の中心となるにふさわしい分子だが. RNAが この ような 条件を満たす最初の分子だったかどう かはわか らない。純粋に化学的な見地か らいうと． まったく酵紫の力を借りずに長い 間寸A分子が形成されたとは考えにくい。lつには．町叫A のt i l f駆体であるリポヌクレオチドが酵紫なしでは形成されにくいからである。 しかも． 即吋Aの 形 成 に は 3 ’→ 5’結合 を述縦 し て 形 成 す る必裂 が あ る が．これには加水分解．

2’→ 5 ’結合や 5 ’『 5’結合の形成などといっ た 競合する反応が立ちはだかる。 こういっ た問題を考えると ．自 Ul活性と情報保存能をあわせもつ1 1 立初の分子は. RNAに似てはい

j . l 純な宜令体だっ たと忠、われる （ F i g. 6-100 。 ） 現存の細胞にはこの るが化学的にはも っとl 化合物の名残はま っ たくないし 化石 に も ~WM＇ はないが． 情報保存能と触媒活性をあわせ も つ地球上で初め ての生体~'.Ji分子は．こ の “町叫A に似た ill合体”の l つのほうが RNA よ

りも単純な分だけ似つかわしい。

0

L ,0 、

0

， B

OH

~~

0

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OH

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− 下 ；tB

；ts ~~ 下

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＼ ー ぐ j

B

o= p ~o-

OH

O＝ヤ− o -

＼ ぐ ＿

j

B

0

F i g .6-100 RNAと RNA類似の情報媒体化合

物 2覆頬の情造。いすれの場合も .Bはプリン

＼− ぐ

4 υ

8

ピリミジン活基の位置を表す.TNA（トレオー ス絞酸）は. RNAのリボース（五炭割高）の代わり d :. に四炭穏をもっ.PNA（ペプチド核酸）で I RNAのリポースーリン酸主鎖がタンパク質にみ

られるペプチド主鎖になっている。RNAと同篠． TNA. PNAともに相術的混: g 対形成を介して二

0

重うせんを形成できるので．原理的には自己を RNA

TNA

PNA

合成する鋳型になれる。

RNA世界と生命の起源

5 ’

、千ム， y

E’

403

→

l

同 ｜ ｜ ｜ ｜ ｜ 圃

3’

f二本鎖

一本鎖

5 ’

3’

5 ’

3寝袋パルジ

U ！基パルジ

3’

5 ’

5 ・

5’

・

3’ 圃 』曲、

r，、， 』 』 5’

対称な内部ループ

『 ぜ

s ・

ー

I

5 '. . . : x : 3 ／ 弔3 ’

5 ’ 非対称な内部ループ

・ 3

I II I

3’

｜ ｜

s ・ l ¥ : r 1 1 :

3’ 5 ’ 圃F F， 、， I、 『 醐 『 圃 3 ’

3 ’

へアピンループ

5 ’

2翰の迎結． 別名．同蛤速結

3’

5 ’

3'

3舶の迎結

’ 5

4輸の連結

F i g .6-101 RNAニ；欠備造によ くみられる重 要

素。通常の栂補的な塩基対は RNAの二重らせ 先町叫A 世界仮説が正しいとすれば目RNA世 界への移行は．こうい った単純な化合

ん部分にある赤色の＂ l < l :しとの段・で表す。

物 の ど れ か を 鋳 型 と 触 媒 の 両 方 に 使 っ て 町' I Aが合成されたために起こったのだろう 。先

RNA世界と RNA世界の詳細i はわからないまま終わりそうだが. RNA分 子 がさまざまな 化学反応を触媒できることは確かである。 次に．この能力の基になる RNAの性質を見て いこう 。

一本鎖 RNA分子はきわめて複雑な構造をとれる す で に 説明 したように. RNA分 子は．同じ鎖の中で相布l l 的 な塩基対やその他 の 水 素 結 合 が形成されるために．塩基配列によって決まる独特な形に折 りたたまれる（ Fi g .6 6 . 6-52. 6-69などを参 ！ 現） 。 多 数 の 即吋A構 造 の 比 較 か ら ． よ く 保 存 さ れ た モ チ ー フ ． す な わ ち 大

きな構 造の中に部品として繰り返し何度も現れる短い鎖からなる構造要素が見つかってい る。RN Aの二 次構造モチーフの一部 を F i g .6-101にまとめる。 さら に ． もっ と複雑で 長

i g .6-102に示す。 い領域にわたることが多い三 次的結合の例もいくつか F

F i g . 6-102 RNA三；欠結合の例。これらの結合

によって．同じ RNA分子内の灘れた部分や 2 個の RNA分子が結びつくこともある。

、

5 ’

3’

3 ’

5 ’

5 ’

3 ’

II

3 ’ シユードノット

~

へアピン対合

5 ’

3 ’

へアピンループ とパルジ結合

404

6 ・ゲノム情報の読み取り −

DNAか 5タンパク質へ

F i g .6-103 リボザイム。この単純な RNA分子l ， 手 ) l l j の RNA分子を特定の部位で切

ウイ 断する反応を触媒する。 このリボザイムは．植物に感染する大型の RNAゲノム（ ロイドという）に組み込まれている。自然界ではこの切断反応は，このリボザイムを 含む周じ RNA分子内の離れた部位で起こり. RNAゲノムの複製過程の 1段階となっ ている。図には示さなかったが．触媒作用には活性部位に Mg分子が必要となる。 （T . R C e c ha n dO. C .U h l e n b e c k ,Nature372:39-40,1994より改作。M a c m i l l a nP u bl i sh e 「 5 L t dより許諾）

5 ’

3 ’

リ ポザイムと塞貨の 聞に温室対が形成

タンパク触媒には，そこで基質が反応できるような独特な形状と化学的性質をもっ 表而が必要だが（第 3T , 1 ) . RN A分子もまったく同じで，適切な折りたたみ構造をもった

RNAは酵素として機能する（ F i g .6-103） 。一部のタンパク質と同様に．多くのリボザイ

f 立に金属イオンをもっ。そのおかげで．ポリヌクレオチド鎖の限られた化学基 ムも活性音！I だけでは望めない偏広い触媒活性が実現できるのである 。

5 ’ 3 ’

しかし現在の細胞には比較的少数の触媒 RNAしか存在しないし RNA世界に｜刻 断 切

が行われる （ F i g .6-104） 。 このような実験によってさまざまな生化学反応を触煤する

質 益

れたものである。そこから，ある特定の性質をもっ数少ない RNA分子を選び出して研究

の

−EE・ EEE EEA − ・’ ’

する推iJllJ の多くは，実験室で ランダムな配列をもっ多数のむ~A 分子を作る実験から得ら

RN Aが作られていて（表 6-5） .その反応促進作用はタンパク質に匹敵する 。 これらを考 えると．現在の細胞でタンパク触媒がリボザイムよりもはるかに数多い迎由ははっきりし ない。実験によれば，タンパク質に比べて RNA分子は， 1 U 1 がりやすい疎水位の基質に結

5 ’

合しにくいらしい。また．塩基は 4種類しかなくアミノ敵は 20極類もあるので，タンパ

F i g .6-105） 。RNA触媒の発見以来， RNAがきわめて多様な機能をもつこと れで異なる （ は明らかになっており ．過去に生化学的に洗練の板みに達した RNA世界が存在したと考 えてもおかしくはない。

自己複製分子は自然選択を受ける 折りたたまれたポリヌクレオチドの三次元構造が．安定性，ほかの分子への作用，複製能 に影響するので． 自己： 複製分子の混合物のなかでも ．特定のポ リヌクレオチドが特に優勢 になる。複製の過程では必ず誤りが起こるので． こういったポリヌクレオチドには． とき がたつにつれ新たな配列が生じる。 生命の初期進化では，ある種の触媒活性が非常に重要だ、っただろう 。具体例として．

F i g . 任 意 の RNA分 子 を 鋳 型 に し て 重 合 反 応 を 触 媒 す る RNA分 子 を 考 え て み よ う （ 6-106） 。 このような分子が自身のコピーに作用すれば． ； 複製ができる。 同時にこの分子は．

周辺にあるほかの RNA分子の複製も促進する（ F i g .6-107） 。周辺にあった町' l ' A分子の たとえば， リ なかに．別のかたちで RNAの生存を助ける反応を触媒するものがあれば （ ボヌクレオチドの生産を触媒するなど），異なる RNA分子からなる集団が．それぞれ別々 の働きを専門に担当して，非常に効率よく複製する協同的な系へと進化する可能性がある。 しかしこのような協同的な系が進化するには．ある区町内に共存する必要がある。 たとえば，ひとそろいの互恵的 RNA ( F i g.6-107の例のような）が自 分たちをそろって複

灘 解

ibosw i t c h）のところでもいくつか取り上げる。RNAの最も顕著な立体構造変化の l ッチ（ r つは人工リボザイムの例で. 2通りのまったく異なる立体椛造をとり．触媒活性もそれぞ

貨 基

化する。その例はリボソ ームとスプライソソームで見てきたが，さらに第 7章のリボスイ

の

タンパク質と同機に RNAも．低分子やほかの RNA分子に応答して立体構造が変

−・ E E E EBEE E − ・ ’ ’− −

ク質のほうが多様な触媒戦略をとることができる。

3 ’

RNA世界と生命の起源

405

F i g. 6-104 合成したりポザイムの i nv i t r oでの選択。実験室で合成した多数の核骸

分子の主主かから，特定の触媒活性をもっ数少ない R NA分子を単献して研究できる。 1 つの例（§己リン酸化するリポザイム）；を示すが白表 6 -5に示すリポザイムの多くは． この手法を少し変えて入手された。自己υ ン酸化の際には．日I J の分子の・交差．リン酸

NA分子は十分に希釈する。実際に l e ! : . この蝕銀活性をもっ非常 化を避けるために.R に珍しい R NA分子を選び出すに l e ! : . この方法を繰り返す必要がある。つまり．カラ ムかう溶出 した物質を DNA へと戻して大幅に泊中置し （第 8~聖で説明する逆転写醇素

とP C Rを使う）．転写によってふたたび RNAに戻し これを材料に選択を繰り返す。

ランダムに作った異なった泡基配列を もつ＝本鎖 DNA分子群

( J . R .L o r s c ha n dJ . W .S z o s t a k .Nocure37 1: 3 1 3 6 ,1 994より改作。M a c m i l l a n P u b l i s h e r sL t d .より許諾）

製できるのは. j 存型を使った重合 を行う RNAの周辺にすべてがとどま っている場合だけ である。 しかも．区画ができれば．等生するだけの RNA分子が系に入るのを防げる。 ひ とそろいの RNA分子 群 が作る 自己複製系がその性能によって効率よく選択されるように なるのは．それを聞い込む何らかの区画が形成されてからである。 初期の大まかな区画化は．表而や枝子への l 政 治という単純なものだっただろう 。 さ

amp h i ph i l i c ）という らに高度な聞い込みは. J J I Jの種類の分子．すなわち小型で別税媒セE( 単純な物理化学的性質をもっ分子が簡単にや ってくれる 。両親媒性とは疎水性（ 水 に 不i 容） の部分と親水性 （ 水 に 可 液）の部分をもつことで， このような分子を水に入れると ．疎 水性 の部分が相互にできる限り接触し．親水性の部分を水と接触させるようにして集合する 。

i l a y er ）を形成し．閉じた小胞を作り． 適当な形の両親媒性分子は自然に集合して二車府（ b 中に閉じ込めた液を外のi作煤から｜府高I~ する（ Fig. 6-108 ） 。 この現象は．試験管の中でリン

脂 質 と 水 を 混 ぜ る だ け で 再 現 し 適当な条例ーがそろえば小 胞 ができる。現存の細胞はすべ

p l asmame mbrane ) て両親媒性分子（主としてリン脂質）からなるこのような形状の細胞 股 （ に閉まれている。 これらの分子については第 1 0怒で詳しく取り上げる。

I 財1 1 t 造を作り目 両 親媒性分子が集ま って自然にJ

1 3己彼製する RNA分 子 （あるいは

先 RN A 分 子）などを聞い込んで（ F i g .6-109 ）できたのが. I I 央で凶まれた最初の細胞なのだ

ランダムに作った異怒った泡基配列を もつ一本鎖 RNA分子群

一 ： ヰ概： ど も ? ぞ う 斗金 o-

自己リン酸化能をもっ滋少1 ( f .い RNA分子だけが硫黄を取り込む

硫黄をもっ.に強く 結合するカラムで， リン酸化分子を選択

表 6-5 リボザイムが触媒する生化学反応の例 活性

リポザイム

タンパク合成におけるペプチド結合形成

リボソーム RNA

RNA切断.RNA連 絡

自己スフライシンク R N A .RNアーゼ P.i nv i t r o で選択された R NA

DNA切断 RNAスフライシンク

自己スフライシング RNA 自己スフライシング R N A . スフライソソームの

RNAにもその可能性 RNA重合 RNAと DNAのりン酸化 RNAのアミノアシル化 RNAのアルキル化

i nv i t r oで選択された RNA i nv i t r oで選択された RNA i nv i t r oで選択された RNA 的v i t r oで選択された

RNA

アミド結合の形成

的v i t r oで選択された

RNA

グリコシド結合の形成

i nv i t r oで選択された RNA

酸化／還元反応

i n附 roで選択された R NA

炭索ー炭紫結合の形成

i nv i t r oで選択された RNA

ホスホアミド結合形成

i nv i t r oで選択された RNA

ジスルフィド交換

i nv i t r oで選択された RNA

I カラムに結合 しなかった 4寸 RNA分子l < l : I 治てる I 0 I I

お合した分子を湾出

lJ l l . J 「 -S-P-0 I 「、J

・ ，

。 ー キナーゼ活性をもっ l § ： しい RNA分子

， ハ一 ︵ノ

406

6 ゲノム情報の読み取り 一一 DNAからタンパク質ヘ

ヘ

骨 ー ー ー ー ー ー ー ー ー

~

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− 圃 園 ・. .

5

リガーゼ製 折りたたみ

~~~

3’

F i g ・6 ・105 2種類の異怒った構造をとる RNA 分子の例。88ヌクレオチドかうなる この RNA分子は実験的に作られたもので．自己連絡反応（左）または自己切断反応（ 右 ） ， ’5 ’ホスホジエステル結合ができてピロリ を行うリポザイムとなる。連絡反応では 2 ン酸が遊敵する。この反応で.RNA分子に実験的に作った切れ目（灰色）がつ芯げられ

e ! : .この RNA分子l e ! :悶じ位置（矢印で示す） る 。 HDV型折りたたみのときに行う反応で l で切断される。この切断｜ま B型肝炎サテライトウイルスである D型肝炎ウイルス

(HOV ）の生活環にみられる切断と似ている。それが．この偽造の名前の由来である。 含ヌクレオチド l e ! :色つきの丸で表す。色は 2種類の折りたたみパターンの遣いを際

e ! :2種類のリポザイムの二次偽造 立たせる目的でつけたもの。折りたたまれた偽造l を表し. Jg~対形成領主主le!:. 丸を近くに並べて示す。この 2 つのリポザイムには．共 通するこ次禍造がまったく広いことに注意。（ E . A .S c h u l t e sandD . P .B a r t e l .S c i e n c e 289 ：’4 4 8 4 5 2 .2000より改作.AAASより許結）

ろう 。 生 物 触 媒 が 進化 し て い く ど の 時 点 で こ れが 起 き た の か は は っ き り し な い が . RNA 分子が肢の＂ ＇に 聞 い 込 ま れ て か ら は ． 遺 伝 情 報 の 担 体 と し て の 本 格 的 な 進 化 が 始 ま っ た と 思 わ れ る。 そ こでは RNA内身の桃迭のほかに．！百 l じ朕内にあるほかの分子に与える影科 も選択を左 右 す る。 こ う し て RNA分子の塩基配列が. Iつ の 生 細胞 の 特 徴 と し て 表 現 さ れ る よ う に な ったのである。

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F i g . 6-106 鋳型を使ってヌクレオシド三リン 酸から RNAを合成する．実験室で作られたリ ポザイム。 （A）リポザイムが勉燥するま華裂を使 )i 差益対形 った箆合反応の 1段階の綴式図。（B

成のようすがわかるように箔いたリボザイムの 控室基配列。このリポザイムは．効率はあまりよ くないが （ 長さの短い RNAしか合成できない）． 95%以上．鈎型の錆示するとおりの正しい活基 . K .J o h n s t o ne ta l . .S c i e n c e292 を付加する。 （W 1 3 1 9 1 3 2 5 .2 0 0 1より。 AAASより許路）

407

RNA世界と生命の起源

ゆ部ゆぬ必部 必 奇 》 ゆ ぬ

F i g .6-107 l 目互に助け合う RNA分子の集団。 1つがリポザイムで．自身とほかの RNA分子 を複製する。それ以外の分子は，この協同的な

系の生き残りに必要な二次的な作業．たとえば． RNA合成に使うリボヌクレオチドや区画の形成

に使うリン脂質の合成を触媒する。

刃

ゆ部ジ？

・ d f d f

必効怨1 勃 勃勃 タンパク合成はどのように進化したのだろう 現存の細胞では．タンパ ク合成の基本となるしくみはとてつもな く複雑に見える。そのほ とんどが解明されてはいるが.DNAの転写．修復．複製のような概念的に当然と思える しくみではない。 タンパ ク合成のしくみの進化過程を想像するのは非常にむずかしい。現 在のタンパク合成はタンパク質 と RN A分子 とが複雑にからみ合った機構によって行われ ているが． このタンパク質は，それ以前に翻訳装置がなければ明らかに存在できなかった O RNA世界仮説が非常に魅力的なのは.RNAを情報と触媒両方に利用すれば経済的であ り． 概念的にもすっきりしているからである。初期の生命像としては興味深いが，こ の説では 現在のタンパク合成機構がどのように生じたかは説明されない。 タンパク合成や遺伝H 音号 J l j l するしかないが．いくつかの実験によって，可能性の高い筋書きが の起源については捻 i

捕かれている。 現存の細胞には．リボソームなしに合成される短いペプチド（抗生物質など）がある。 その合成には mRNAによる指示はなく．ペプチド合成商事素がアミノ酸を適切な順序でつ なぐ。 この非観訳性の原始的なタンパク合成が最初に RNA位界で生じ．そのときには触 媒は RNA分子だった可能性が高い。 こう考えるのは，概念的にはむずかしくない。すで に見てきたように．現存の細胞でも．ペプチド結合形成を触媒しているのは rR NAだか らである。 また．実験的に作られた リボザイムには特異的なアミノアシル化反応を行うも のがあるので， t RN A とアミノ酸の特：異的組み合わせが作れる こ とになる。 すなわち． tRNAに似 た特異的にアミノ酸と結合するアダプタ ーが RN A世界ですでに生じていて．

迂I 伝暗号の始まり となった可能性がある 。 原理的には．ほかの RNA( mRNAの祖先）が．数種類のアミノ酸のランダムでない 重合を指示する初歩的な鋳型として働いた可能性もある 。役に立つポリペプチドの合成を 助ける RNAがあれば．生き残りをかけた進化の競り合いの際に著しく有利になるだろう 。 また特異性のあまり高くないペプチジル基転移酵素活性をもっリボザイムが， l 侍とともに 大 型 化 し ア ミ ノ 酸 と 結 合 し た tRN Aを RNA鋳型ょに正しく並べる能力を獲得して．結 局は現在のようなリボソ ームに発展したとみる こともできる。 ひとたびタンパク合成が進

油

. . . . . . . . . . . . . . .. . ” ． ． ． ・ ・ ・ ・ ・ .

− ．eF − ‘ ’ 2 油 ・ ー1 ，． ・

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~

Fi g .6-108 リン脂質による細胞膜の形成。これらの分子は親水性の頒部と親油性の

自と水の界函で頭部を水に尾部をj 自に向けて盤列する。水中では集 尾部をもつので守 j 合して二重層の閉じた小胞を作る。小胞では．親油性の尾部がたがいに接触し． 親水 性の頭部は水に媛する。

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三 色 町 、 1

2

りン脂質 単分子腐

リン脂質 二重層

6 ゲノム情報の読み取り 一一 DNAか 5タンパク質へ

408

F i g. 6-109 単純な両親媒性分子による RNAの図い込み。この実験では. RNAと脂 )RNA（ 赤 色 ） で覆っ 肪磁をまとめるのに．粘土鉱物モンモリロナイトを使った。（A たモンモリロナイト粒子が．脂肪厳の小飽（緑色）に閉じ込められている。（ B ） 溶i 夜中 の RNA（赤色）が．脂肪酸（緑色）に包まれている．これらの実験から．モンモリロナ イトが筒貌媒性分子の小胞の自発的形成を大幅に加速し．内部に RNAを閉じ込める ことがわかったs これと原理的に同じよう忽作用によって．地球上に初めての原始紹 ta l . ,S c i e n c e302 引 86 2 2 , 胞が登湯したとの鋭が出されている。（ M.M.Hanczyce

」」 1μm

( B )

( A )

2003より.MASより許蕗）

l . i 立よりは 20級類のほうが機能の帆が1 よいために触媒や桃造成分 化すれば.4磁まれの桃成−＇ l としての役i＇~J の大半はタンパク質が町叫A に代わって担うようになり．タンパク質中心の

世界へと移行したのだろう 。 ここでや1 t べた筋併さは机上のものだが．知られている RNA 分子の性質から凡て．この4 1 f U J ! I Jはつじつまが合っている。

現存の細胞は遺伝物質として DNAを利用する RNA世界仮i 滋 の進化についての凡方が正しいとすれば．初J U Jの細胞は．逃伝情報を DNA ではなく RNAのかたちで似平f ーしていたという点で． 今 l 二 lわれわれが自にする細胞とは根 本的な逃いがある （ F i g .6-110 。 ） RNAと DNAの化 学 的 性 質 の 述 い に ． 進 化 の 過 程 で

RNAのほうが DNAよ り先に脱れたという証拠をみてとれる。 リボースは．グルコース などの

n n 1 r .な炭水化物と 同級に.J；（始地球に似た環境を作る尖験で簡単に生じる単純な化

合物の lつ， ホルムアルデヒド（ HCHO ）から生成する。 デオキシリボースを作るのはも

9 CRNA分デに Mづく生命系

G…

っとむずかしく．現存釧I I 包ではタンパク苦手索を触媒 としてリボー スから合成される。つま り細胞内では． リポースがデオキシリポースに先だって生じたと考えられる。おそらく後

1 ' . t伝情報の永久保存に適していることがしだいに明 で現れた DNAのほうが. RNAよりも i

谷、

る わ

て

と

− ﹂

っ

分

子

H

M問

A

先

。

に修復がしやすくなるからである （ p p .296∼ 297. 300∼ 301参照） 。

M刊

5f , ' i :で詳しく説明したように．航仰が起こるのは避けられないとしても. RNAよりはるか

hu

なくチミンが使われていることで．これが DNA分子の安定住をいっそう高めている。 第

n n

これ以外の RNAと DNAの迷いは. DNAの二重らせん構造と塩基にウラシルでは

A

R N A j J ' iよりも化学的にはるかに安定になり．長くな っても 切れにくい。

v Illi − −

らかにな ったのだろう 。特に．純一リン酸主鎖のデオキシリボースのおかげで DNA鎖は

。

RNAに湿っく集合子

A

まとめ 現存の生物や生体分子に関する知見を総合すると．生命系の基本と芯る自己触媒機構の発 達は．みすからの複製を触媒できる分子集団の進化によって始まったと考えうれる。やが て．協同して作業する RNA触媒袋団が．ポリペプチドの合成を指縛する能力を獲得した のだろう。 DNAが現れたのはその後のことだが，タンパク触媒が蓄積するにつれて効率 が高く複雑な細胞が発達するとそのような細胞に必要な遺伝情報の置が抱え．これを保 存するため．いっそう安定忽分子である二重らせん構造の DNAが RNAにとって代わった。

l … …

コピーを作る新しい静黙が道化

F i g. 6-110 進化の過程では. ONAやタンパク質より先l こRNAが存在したという仮 説。愚も初期の細胞では．先 RNA分子が遺伝徳能. ~昌造容霊能．触媒軽量能をあわせも っていたが．しだいに RNA分子がこれを引き継いだ。現在の細胞では遺伝情報の保 存I d :DNAが行い．細胞内の勉媒として働くのはほとんどすべてタンパク貨である。 現在の RNAのおも忽彼自目立タンパク合成の仲介だが目盤婆な反応の触媒機能も少し

I d : 残っている．

。 NA-

RNA −

A

似てク

語末問題

409

章末問題

によ って巡択的に一方がJ J Iいられるエキソンで．エキソン 7と 8

以下の記述の正誤を判断し．その理由を説明せよ。

しい記述はどれか。それは．エキソン 7と 8についても般も正

も同級である。 次の文のうち．エキソン 2と 3について紋も正

；転~：の~（りは. DNA絞製の誤りに比べれば．屯大な｜！日制

6-1

イントロンは遺伝的にはほとんど”がらくた”なので．

6-2

RNAスプライシングの際に．一次転写産物から正確に除去する

ゆらぎのある邸器対は．コドンの l番日とアンチコドン

f l Jにできる。 の 3帯自の：温法の l 6-4

ない。 B. エキソン 2と 3はそれぞれ．コドンを幣数似合まなくては

ならない （ すなわち．ヌクレオチド数を 3で ；1 1ると経数になる）。

必裂はない。 6-3

l山も説明せよ 。 しいか。型 A. エキソン 2と 3は．ヌクレオチド数がて干しくなければなら

ではない。

ζ．

エキソン 2と 3に合まれるヌクレオチド数をそれぞれ 3で

; 1 1ると ．あまりが等しくなければならない （ 0 .I .2のどれか l

現有：の釧I J 包ではタンパク酵紫の数がリボザイムをはるか

つ） 。 細胞を化学公災以で処翌日して. 2Ht~iの公民体を .tjt 南w. した 。

に上向るが．それはタンパク醇謀ーのほうが．制！~としてリポザ

6-8

イムよりもはるかに多様な反応を． はるかに述く進められるか

変災体の一方では．タンパク

らだと考えられている。

立にアラニンが．もう ー ） Iではメチオニンが来ていた （ F i g . 位i

nの正常ならパリンになるはずの

Q6-3） 。 この 2つの変民体をもう lj 1 1 j j 1 i Jじ変災以で処理し．そ

れぞれから．本来のパリンの位

以下の問題を論せ．よ。 F i g .Q6-1に示した超らせん機造ができるのは. RNAポ

6-5

nにトレオニンをもっ変呉体を

F i g .Q6-3） 。すべての変異がヌクレオチド lf 闘の変化によ 得た （

リメラーゼが鋳型上をどちらの方向に動いているときか。RNA

ると仮定して．変化が起こった部位のパリン．メチオニン． ト

; f -リメラーゼが鋳型 DNAに沿って進みながら DNA根 1 1 の周りを

史われたコドンを l l ti J lせよ 。パ リンがト レオニン．アラニンに f

自由に回転できれば．超らせんは生じるだろうか。 1回目の 理

RNAポリメラーゼ

ι

r : ち 汗 す 功 、 ： ＼ ） . . ＂ ＼ ， .

弘 〓2叫 が 可 、 町 判 明 、 戸 、 山、 ーが認可号、．沼田』明、＇＂ ＂ ＂ ＇ − ＂ ＇ − ＂ ＂ ＼ . . .

Ll~. r ちに》！~~~~

~l~_j ~l'1.~_j

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い〆 ？Q'1_.___}

［

／ Met

F i g. Q6-3 あるタンパク質の lb ' P i i で. 2回の変異続発処理によって起こ

。 ったアミノ酸の変化（問題 6-8）

負の超らせん

正の超らゼん

F i g .Q6-1 移動中の RNAポリメラーゼ周辺の超らせん（問題 6-5 ） 。

1 1 1の処理で得ることはできるか。 レオニンに変化した変火． 体を. 1 6-9

f 1 t 1長岡子

EF-Tuは．コドンーア ンチコドンの溢必対形成

: I Jに 2 1 1 1 1 の剣い時 1 1 1のゆとりを生じさせ とペプチド結合形成の l 6-6

転4 ： の際には． 町叫A ポリメラーゼ I Iの CTD( C Jミ端 ~iJ浅）

る。 このゆとりがタンパク合成の利伎を向める。 このゆとりと

にリン酸が｛ナ｝J Uされる。RNAポリメ ラーゼ I Iの CT Dのリン般

はどのようなもので どうして初沢精度が改持されるのか。

には．どのようなものがあるか。 化の役割j

6-10 Hsp60徽シャペロンと Hsp70は．どちらもタンパク表I 師

ヒト αートロポミオシン逃伝子は種＃の細胞で選択的スプ

に鉱山した疎水位節減に対し貌. f l l ' f ' tをもち．これを ．折りたた

ライシングを受け．数値類の αートロポミオシン m貯~A が作られ

j f f lしてい る。 このような みが不完全な ことを示す指僚として平l

る（ F i g .Q6-2 ） 。 どの mRNAも．エキソ ン lとエキソン 10が指

疎水性領域が．

定するアミノ酸配列は同じである。エキソン 2と 3は. mRNA

ナルになるのはなぜか。

6-7

タンパク伎の折りたたみ状態を示すill~ なシグ

6-11 ほとんどのタンパク伐の 1 . Fしい折りたたみにはシャペロ

体はどのようにして正 ンの助けが必要だが．ではシャペロンドl しく折りたたまれるのだろうか。

｛ス）ヒト αートロポミオシン遺伝子

-I t i 23

4

5 6 910

トーート 怜ト トート ト ート 一 一 一・ 一一 78

1

1 2

13

( B )4祖Bの異なるスフライシング

6-12 RNAが．進化において DNAやタンパク貨の先駆者ーとし

i ＼ ＇に舷力的だ ったのは．どのような特徴のおかげだろうか。 て非＇i DNAが 貯. J Aよ りもi l l伝的判i の保存に適してい るのは．どう し

てだろうか。 6-13 RNA分子が. F i g .Q6-4に示すよう に．対称的な内部i ル

ープをも っへアピン術 ; ' . iをと るとき ．これに｛1 1納 ( l ( jな RNAも似 たような構造を作れるだろ うか。作れるとすれば. 2つのへアピ

l iにまったく j 1 i j ーの領域はあるだろうか。それはどの部分か。 ン椛 i F i g. Q6 -2 ヒト αートロポミオシン遺伝子から選択的スフライシングで生じ る rnRNA（ 問題 6-7 ) .( A） ヒ トαートロポミオシン遺伝子のエキソンの位箇と l4i 霊頬の αートロポミオ 相対的忽大きさを．商色と赤色の長方形で示す。 （B シン mRNAのスフライシングパターン。スフライシングl e t . その mRNAに

含まれるエキソンを線で結んで示した。

C-U ， 、

5 ー ’G-C-A

C-C-G、

3’ーC -G－ ~ 、，G-G-C'U A-C

句 Q64 対称的忽内部ループをもっ RNA へアピンt l i li l i（ 問問 6-1 3 。 ）

410

6 ゲノム情報の読み取り 一一 DNAからタンパク質へ

刊 omasMC&C h i a n gCM( 2 0 0 6 ）刊eg ene r a lt r ans c r i p t i o nm a c h i n e r yand

文献 全般 Be r gJ M ,TymoczkoJ L&S t r ye rL( 2 0 0 6 )B i o c h emi s t r y ,6 t he d .NewY o r k :WH F r eem an . Br ownTA( 2 0 0 2 )Genomes2 ,2nde d .NewY o r k :W i l e y L i s s . G e s t e l a n dR F ,CechTR&A t k i n sJ F( e d s )( 2 0 0 6 )TheRNAW o r l d ,3 r de d .C o l d Sp r i ngHa r b o r ,N Y :C o l dS p r i n gHarbo rL a b o r a t o r yP r e s s . H a r t w e l lL ,HoodL ,Go l dbergMLe tal( 2 0 0 6 )G e n e t i c s :fromGenest o Genomes,3 r de d .B o s t o n :McG r awH i l . l Lod i s hH ,B e r kA ,K a i s e rCe tal( 2 0 0 7 )M o l e c u l a rC e l lB i o l o g y ,6t he d .New Y o r k :WHF r e e ma n . S t en t GS( 1 9 7 1 )M o l e c u l ar G e n e t i c s :AnI nt r o d u c t o r yN a r r a t i v e . SanF r a n c i s c o : WHF r ee ma n . TheG e n e t i cCode( 1 9 6 6 )C o l dS p r i n gH a r b .SympQuamB i o l3 1 . 刊 eR ibosome( 2 0 0 1 )C o l dS p r i n gHarbSympQuamB i o ゆ6 WatsonJ D ,B a k e rT A ,B e l lSPe ta l( 2 0 0 3 )M o l e c u l a rB i o l o g yo ft h eG e n e ,5 t h e d .MenloP a r k ， 仁A :B e n j a m i nCummings.

g e n e r a l co f a c t o r s .C r i t i c a lRevB i o c h e mMo/B i o l4 1 : 1 0 51 7 8 . Wang D ,B u s h n e l l DA,Wes t o v e rKOeta l( 2 0 0 6 )S t r uct u r a lb a s i sof t r a n s c r i p t i on: r o l eo ft het r i g g e rl oopi ns u b s t r a t es peo 日ci t yandc a t al y s i s . C e / /1 2 7 : 9 4 1 9 5 4 RNAからタンパク質へ A l l e nGS&F r a n kJ( 2 0 0 7 )S t r u c t u r a li n s i g h t sont h et r a n s l a t i o ni n i t i a t i o n i v e r s a li n i t i a t i o nc o m p l e x .Mo/M i c r o b i o l63941c o m p l e x :g h o s t so fau『i 9 5 0 . A n f i n s e nCB( 1 9 7 3 )P r i n c i p l e st h a tg o v e r nt h ef o l d i『i go fp r o t ei nc h a i n s . 2 3 2 3 0 . S c i e n c e1 8 12 しYoungmanEM,SharmaDe ta l( 2 0 0 6 )Thei n t e r a c t i o nbetween B r u n e l l eJ C75o ftRNAandt h eA l o o po ft h eribosomes t i m u l at e spe pt i d y l t r a n s f e r a s ea c t i v i t y .RNA1 2 : 3 3 3 9 . 1 i e nP .Wei s s manJ S ,& DePaceAH( 2 0 0 4 ) .Emerging p r i n c i p l e sof 引 7 6 5 6 . c o n f o r m a t i o n b a s e dp r i o ni n h e r i t a n c e . A n n uRevBiochem7 3 ickFH((1966 ）刊eg e n e t i cc o d e :I l l .S c iAm2 1 5 : 5 5 6 2 . H e r s h k oA ,C i e c h a n o v e rA&V a r s h a v s k yA( 2 0 0 0 )Theu b i q u i t i ns y s t e m . 0 7 3 1 0 8 1 . N a t u r eMed61 l b b aM&S o l lD( 2 0 0 0 )A m i n o a c y l t R N As y n t h e s i s .AnnuR e vB i o c h e m印 刷 76 5 0 . K o z a kM( 1 9 9 2 )Regul a t i o nof t r a n s l a t i o ni ne u k a r y o t i cs y s t e m s .AnnuR e vC e l l B i o / 8 : 1 9 7 2 2 5 . KuzmiakHA ,&MaouatL E( 2 0 0 6 )A p p l y i n gnonsense-mediatedmRNA decayr e s e a r c ht ot h ec l i n i c :p r o g r e s sandc h a l l e n g e s .T r e n d sMo/Med 1 2 : 3 0 6 3 1 6 . MoorePB&S t e i t zTA( 2 0 0 5 )Theribosomer e v ea l e d .T r e n d sBiochemS c i 3 0 : 2 8 1 2 8 3 . N o l l e rHF( 2 0 0 5 )RNAs t r u c t u r e :r e a d i n gt h er i b o s o m e .S c i e n c e3 0 9 :1 5081 51 4 . OgleJ M ,C a r t e rAP&Ramak r i s h n a nV( 2 0 0 3 )I ns i g h t si n t ot h edecodi 「 1 g mechanismf r o mr e c e n tr i b o s o m es t r u c t u r e s .T r e n d sB i o c h e mS c i282592 6 6 . P r u s i n e rSB( 1 9 9 8 )N o b e ll e c t u r e .P r i o n s .P r o cN a r iAcodS c iUSA9 5 : 1 3 3 6 3 1 3 3 8 3 . R e h w i n k e lJ ,R a e sJ&l z a u r r a l d eE( 2 0 0 6 )N o n s e n s e m e d i a t e dmRNAd e c a y : 前c a t i o no fe f f e c t o r s .T r e n d sB i o c h e m T a r g e tgenesandf u n c t i o n a ld i v e r s S c i 3 1日 9 6 4 6 . S aue rR T,B o l onON, Bur t onBMetal ( 2 0 0 4 )Scul pt i n gt hepr o t e omew it h A A A ( + )pr o t e as e san ddi s a s s embl ymac hi ne s .C e / /11 9: 9 1 8 . S h o r t e rJ&L i n d qui s tS( 2 0 0 5 )P r i o nsa sa d a p t i vecon du it so fme mo r yand 4 5 0 . i n h e r i t a n c e .Na c u r eRe νGene t 6泊 5 V a r s ha v s k yA( 2 0 0 5 )Re gu l a t e dp r o t e i nd e g r a d at i o 『 i .T r e n d si nBiochemS c i 302 8 3 2 8 6 . sD ,Z w i c k lP&BaumeisterW( 1 9 伺 ） The2 6 Sp r o t e a s o m e :amo l e c u l a r V句 e machined e s i g n e df o r c o n t r o l l e dpr o t e o l y s i s .An nuR e vB i o c h e m6 8 :1 0 1 5 1 0 6 8 . WeissmannC( 2 0 0 5 )Bi r t hofap r i o n :s p o n t a n e o u sg e n e r at i onr e v i s it ed .C e l l 1 2 21 6 5 1 6 8 . YoungJ C ,AgasheV R ,S i e g e r sKeta l( 2 0 0 4 )P a t hwayso fch a p e r o n e m e d i a t e d p r o t e i nf o l d i「 1 gi nt h ec y t o s o l .N a r u r e R e v M o / C e l lB i o /5 : 7 8 1 7 9 1 . ：・

： ・

。 。

・ ：

へ

DNAから RNA

B e n t l eyDL( 2 0 0 5 )R u l e so fengagement:c o t r a n s c ri p t i o n a lr e c r u i t m e n to f pr e-mRNAp r o c e s s i ngf a c t o r s .C u r rO p i nC e l lB i o /1 7 : 2 51 2 5 6 . B e r g e tSM,MooreC&S h a r pPA( 1 9 7 7 )Sp l i c e dsegmentsa tt h e5’ t e r m i n u s ・ : 3 1 7 1 3 1 7 5 o fa d e n o v i r u s2l a t emRNA.P r o cN a t lAcadS c iUSA7 4 ・ B l a c kDL( 2 0 0 3 ) .Mechanismso fa l t e r n a t i v epr e-messengerRNAs p l i c i n g AnnuRevB i o c h e m7 2 : 2 9 1 3 3 6 . Br enne rS ,JacobF&M e s e l s o nM ( 1 9 6 1 )Anuns t ab l ei n t e r m e d i a t ec a r r y i n g i n f o r m a t i o nfromgenest or i b o s o m e sf o rp r o t e i ns y n t h e s i s .N a t u r e 1 9 0 : 5 7 6 5 8 1 . C a t eJ H,Goo di 「 1 gA R ,P o d e l lEeta l .( 1 9 9 6 )Cr y s t als tr u ct u r eo fagroupI 6 7 8 -1 6 8 5 . i rbo z y medomai n: pr i n c ipl e sofRNAp a c k i n g .S c i e n c e2731 ChowL T .G e li n a sR E ,B r o k e rTRe ta l( 1 9 7 7 )Anamazing sequence a r r a n g e m e n ta tt h es ’ endso fa d e n o v i r u s2messengerR N A .C e / /1 2 : 1 8 Cramer P( 2 0 0 2 )M u l t i s u b u n i tRNAp o l y m e r a s e s .C u r rO p i nS t r u c tB i o /1 2 : 8 9 9 7 . D a n e h o l tB{ 1 9 9 7 )Al o o ka tmessenge rRNPmovingt hr ought h en u c l e a r p o r e .C e / /8 8 : 5 8 5 5 8 8 . Dr e y f u s sG ,K im V N ,&K a t a o k aN( 2 0 0 2 )Messe ng e r R N A b i n d i n gp r o t e i n s andt heme s s a g e st h e yc ar r y .Na wr eR e vMo/C e l lB i o l 3 :1 9 5 2 05 . Hous e l e yJ ,L a c a v aJ&To l l er veyD ( 2 0 0 6 )RNA-qua li t ycont r o lbyt he e x o some . Natu r eR e νMo/ C e l lB i o l75 2 9 5 3 9 . I z q u i e r doJ M ,&V a l c a r c e lJ( 2 0 0 6 )As i m p l epr i n c i p l et oexp l a i nt h ee v o l u t i on o fpr e mRNAs p li c i n g .G e n e sDev2 0 :1 6 7 9 1 6 8 4 Kornber g RD( 2 0 05 )M e d i a t o randt h emechan i smoft r a n s c r i p t i o n al 沼 5 2 3 9 . a c t i v a t i o n .T r e n d sB i o c h e mS c i30 目 d e rRG( 2 0 0 5 )Dynamic陀 gu l a t i ono fp o lI It r ans c r i p t i onbyt h e M a li kS&R mamm a l i a nMe di a t o rc o m p l e x .T r e n d sB i o c h e mS c i3 0 : 2 5 6 2 6 3 . Mats ui T ,S e g a lJ .WeilP A&Roede rRG( 1 9 8 0 )Mul t i p l ef a ct o r sr equi r edf or a c c ur at ei n i ti at i o no ft r an s c r i p t i o nbypui r 白e dRNApol y mer a s eI .JB i o l Chem2 5 5 : 1 1 9 9 2 -1 1 9 9 6 . P a t e lAA& S t e it zJA( 2 0 0 3 )S p l i c i n gd o u b l e :i n s i g h t sfromt h esecond 昭R e vMo/C e l lB i o l4 J : 9 6 0 9 7 0 . s p l i c e o s o m e .Natu P h a t n a n iHP&Gr e e n l e a fAL( 2 0 0 6 )P h o s p h o r y l a t i o nandf u n c t i o n so ft h e T D .G e n e sDev2 0 : 2 9 2 2 2 9 3 6 . RNAp o l y m e r a s eIC QueryCC&K o n a r s k aMM( 2 αぁ ， ）S p l i c i n gf i d e l i t yr e v i s i t e d .Na c u r eS t r u c tMo/ B i o /1 3 : 4 7 2 4 7 4 . R u s k i nB ,K r a i ne rA R ,M a n i a t i sTe tal( 1 9 8 4 )E x c i s i o no fani n t a cti n t r o na sa i c r o .C e l l38317 -331 . nove l l a r i a ts t r u c t u r edur i n gpre-mRNAs p l i c i n g的 v S p e c t o rDL( 2 0 0 3 )Thedynamicso fchromosomeo r g a n i z a t i o nandgene r e g u l a t i o n. AnnuR e vB i o c h e m7 2 : 5 7 3 6 0 8 . 巧 ， S t a l e yJ P&G u t h r i eC( 1 9 9 8 )M e c h a n i c a ld e v i c e so ft h es p l i c e o s o m e :moto c l o c k s ,s p r i n g s ,andt h i n g s .C e / /9 2 : 3 1 5 3 2 6 . ・：

・：

・：

： ・

・：

・：

RNA世界と生命の起源 J o y c eGF( 1 9 9 2 )D i r e 亡t e dm o l e c u l a re v o l u t i o n .S c iAm2 6 7 : 9 0 9 7 . O r g e lL ( 2 α治) 1O r i g i no fl i f e .As i m p l e rn u c l e i ca c i d .S c i e n c e2 9 0 :1 3 0 6 1 3 0 7 . .ZaugPetal(1982)Sel f s p l i c i n gRNA:A u t o e x c i s i o n K r u g e rK ,G r a b o w s k iP anda u t o c y c l i z at i o no ft h er i b o s o m a lRNAi n t er v e n i n gseuenceo f T e t r ahymena. C e / /3 1 : 1 4 7 1 5 7 S i l v e r m a nSK( 2 0 0 3 )RubeG o l d b e r ggoes( r i b o ) n u c l e a r ?M o l e c u l a rs w i t c h e s ands e n s o r smadef r o mR N A .RNA9 : 3 7 7 3 8 3 . S z o s t a kJ W ,B a r t e lDP&L u i s iPL( 2 0 0 1 )S y n t h e s i z i n gl i f e .N a r u r e4 0 9 : 3 8 7 3 9 0 .

遺伝子発現の調節 調 I T 胞を形づくる金問吋A とタンパク分子の生成に必要・な

m判iは DNAがもっている。しかし

DNAの塩基配? j i J − 組閣では数百万塩基対． ヒ トでは数十億泌恭対ーー を完令に読み取 っても ．生き物を復元できるわけではない。! J t l j i 訟のリストからシ ェイクスピアの戯 1 1 1 1を 再現できないのと l••J じである 。 D NA 塩基配列にしても t何時にしても．その使い方がill~

なのである。 どんな条件にな ると 遺伝子の産物が作られ．ま た．できたものは何をするの だろう 。 本1 ; 1では．こ のうち J u i 初の問題． すなわち細胞ごとに特定のi l l伝子併が巡ばれ．発 現するガl t ! I Jと機械を見ていく 。逃伝子発現の調節はさまざまな段i 併で起こるので目次いで

遺伝子調節の概観

4 11

遺伝子調節に働くタンパク質の

DNA結合モチーフ

416

遺伝子スイ ッチの働くしくみ 4 32 専門化 した細胞を作り出す分子遺 伝機構

454

転写後の調節

477

その各段階を論じる。 まず．多網l I l 泡生物における遺伝子制節の抜本J ; t老lを概制するところ から始めよう 。

遺伝子調節の概観 多細胞生物にはさまざまな細胞があり．構造も機能も鰐くほと’~ っ ている。 たとえば附乳 類のニューロンとリンパ球を比べると ． その~いはとうてい l••J じゲノムをもっとは思えな

いほどである （ F i g.7- 1 ） 。 細胞は通常． 不可逆的に分化するので．研究者はまず梨llJJ~ :'.i:J-化 の際に i l l伝子が選択的に失われるのではないかと考えた。 しかし今 l i では．細胞分化はゲ ノムの温法配列が変わるのではなく ．遺伝子の発現が変わるからだということがわかって いる。

多細胞生物では細胞の型が遣っても同じ DNAをもっ 多細胞生物にさまざまな細胞型があるのは.§ もなる RNAやタンパク分子を合成し帯梢し ているからである。細胞が通常 DNAの塩基配列を変えないことは．今では古典とな った カエルの実験で示された。除校したカエルの卵に．完全に分化 した細胞の核を注入すると ． 供与した核が働いて正常なオタマジャクシが生まれる （ Fi g.7-2 A） 。 このオタマジャクシ は．供与した核の DNA復基配列に由来する細胞からなるので．分化した供与細胞は重姿

t i l l物でも符られる。分化し な DNA盗基配列を失っていないはずである。問機な結論は. た槌物組織の断片を J g . 必し．細胞をばらばらにすると ．その細胞 lつから完全な植物体が 再生するのである （ Fi g .7-2B） 。 ヒツジやウ シ．プタ ．ヤギ．イヌ．マウスなどの附乳類で も同じことが示された。核を除いた卵に体細胞の伎を収入し．代J l ! I f f J :の予告・に移航すると ． ある割合でこの卵 （ j l ｝構築j 圧という ）から世l ! ' i 古な動物がi 誕生する （ F i g .7-2C） 。

411

412

7 遺伝子発現の調節 Fi g .7-1 捕乳類のニューロンとリ ンパ球の比較。網膜のニューロンの長い．枝’ は ．

多くの細胞から電気信号を受け取り．その信号をたくさんの隣り合う細胞に伝える。 リンパ球は．感染に対する免疫応答に関与する白血球で．体内を自由に移動する。ど 塁 走Eる。（ B . B ちらの細胞も同じゲノムを含むが．発現する RNAとタンパク質は 5 B o y c o t t ,E s s a y sont h eN e r v o u sSystem [ R .B e l l a i r sandE . G .G r a y ,e d s . ］ よ り 。O x f o r d . U K :Cl arendonP r e s s ,1 9 7 4 )

さらに．脊相fi!f~J~勿の有糸分裂l時三にみられる凝縮染色体上のバン ドパターン（縞模様．

F i g .4-1 l参照） をい ろいろな細胞で比べた結果からも．発生の過程で. DNAの大きな断片

」」

2 5~tm

が失われたり再編されたりはしない こと がわかった。 ヒトの体を作っている分化した細胞 は．同じひとそろいの染色体をもっと考えてよい。組換え DNA技術を用いたいろいろな 細胞のゲノムの比較からも．多細胞生物の発生の基礎となる遺伝子発現の変化には．原則 として遺伝子の塩基配列の変化 は必要な いことがわかった。ただ し わずかとはいえ発生 の過程でゲノムの DNA再編成が起こる 例も ある。i J f l乳類の免疫系に多様性をもたらす DNA再編成が特に有名である（第 25f , ' . i :） 。

細胞型の遣いは合成するタンパク質の組み合わせの遣いによる 細胞の分化を理解するには． まず．異 なる細胞t i lの巡いの程度を知る必要がある 。 この基 本的な疑問に対する詳しい答えはまだ得られていないが．いくつかいえることがある。 1. すべての細胞で多くの過程が共通である。Iつの生物の 2種類の細胞を比べると共

通するタンパク質がたくさんある。 たとえば染色体の構造タンパク. RNAポリメ ラーゼ.DNA修復隣紫． リボソ ームタンパク．悲本的な代謝反応、に関与する百字紫群． 細胞骨格を形成するいろいろなタンパク質などである。

2. 特定の細胞でしか機能せず．そこには多i l l :に存在するが．それ以外では検出できな いタンパク質がある 。 たとえば， ヘモ グロビンは赤1~1球でしか検出できな い。

3. mRNAの種類を調べてみると，ヒ トの典型細胞のある時点で発現しているのは，

約2 5 , 0 00個の遺伝子のうち 3 0∼ 60 % である。 ヒトのいろいろな細胞における mRN A の発現を比べると．ほぽどの i l l 伝子も細胞型によって発現: L 1が典なってい

るが．大部分の逃いはヘモグロビンほど顕著ではない。すべての細胞で発現してい る遺伝子でも．発現i 訟は細胞型によって異なる。 さまざまな mRNAの発現品（第 8 r : ; I ' で述べる DNAマイクロアレイを用いて i lリ 定）は細胞裂によ り興なるので．がん g .7-3） 。 細胞がどの組織に由来するのかを決めるのに利用できる（ Fi

4. 型が呉なる細胞I ll ］ の mRNAの違いも著しいが． できたタンパク質の様相はそれ以 上に迫っている。後に詳述するが．遺伝子の発現は転写後にもいろいろな段階で調 節される。 たとえば．スプライシングのしかたによって lつの遺伝子から一連の異 なるタンパク質が作られる。合成後のタンパク質も．共有結合で修飾されることが

i tと翻 ある。 それゆえ，細胞問の逃伝子発現の巡いを見るには． タンパク質の生産f g .7-4）。 訳後の修飾を直接比較できる方法が望ましい（ Fi

ニューロ ン

．

リンパ球

遺伝子調節の概観

川 ⋮

／

体⑦ 来受精卵

⑦ 払 一 川H＼ 1

(A )

413

紫外線による隊綴

( B )

欝− ： 轡 ーハ ニンジンの切片

細胞の線開と なって繍殖

；夜体士吉地中で 細胞をばらば らにする

1個の細胞

クローン細胞が 分裂増殖し S 担! J V となる

若い匪

m

若い 物 体

ニンジン

( C)

府元青戸

〆づミー／〉ジンI ：：お~~った卵細胞と飴 来受籾卵細胞

輔 駆

底

莞 ：i ：：の

仔ウシ

紡錘体と染色体を いっしょに取り除く

F i g .7-2 細胞は分化しても完全忽生物体を形成するのに必要な全遺伝情報をもつことを示す実験。 （ A）カエル成体の皮膚細胞から取り出

産した卵に移樋すると．完全花王オタマジャクシが生まれてくる。破線矢印のところで．移徳したゲノムが匠の環焼に時間をか した絞を．除t ）多くの値物では分化した けて適応できるように．発生を始めた初期日壬から核を 1個取り．また別の除核した卵に移植する操作を行う。（ B 閣の細胞に由来する子孫細胞のクローンから．やがて完全芯植物体を形成させることがで 細胞は．脱分化．する能力を保持しているので， 1f C )ウシ成体から録取した分化した細胞の綴を別のウシの除絞卵に注入すると．仔ウシが産まれる。同一のウシの分化した細胞の絞 きる. (

を移植して産まれた復数の仔ウシは遺伝的に同一であり目たがいのクローンである。（ A ;J . B .Gurdon.S c i .Am.219 ・ ：2 4 3 5 ,1 968より改変。

S c i e n t i f i cAmericanより許箆）

外部からのシグナルが細胞の遺伝子発現を変化させることがある 多調I I 胞 生 物 の 体 を 榊 成 す る 専門 細 胞の多くは．斜I I 胞外からの合図に応答して遺伝子の働き 方（ 発現線式）を変えることができる。 た と え ばJ H ：細胞をグルココルチコイ ドというホルモ ン に さ ら す と 数 鶴 の 特 定 タ ン パ ク の 合 成 がf C : ' . f t ' lする。 グ ル コ コ ル チ コ イ ド は 飢 餓 や 激 し い 運 動 に よ って体 l 人 l に 放/ 1 ' 1さ れ ． ア ミ ノ 駿 な と’ の小 分 チ か ら グ J レコ ー ス を 量 産 す る よ う 肝

1 ＼ す。 合 成 を 誘 称 さ れ る タ ン パ ク 釘 に は ． チ ロ シ ン の グ ル コ ー ス へ の 変 換 を 臓への合図を 1

414

7 遺伝子発現の調節

白血病

F i g .7 3 ヒトのさまざまながん細胞における

問がん

mRNAの発現量の違い。実 1 ( J :る患者由来の 1 4 2の陸郷細胞妹（図の左から右に配置 ） につい て 1 8 0 0個の遺伝子（上から下に配置）の

mRNA発現置を姻べた大規模な測定結果．若手い 線I d : . その遺伝子が全細胞妹の平均よりも有意

d : に多く転写されていることを示す．緑色の線I 発現・が平均よりも低いことを示し黒い線は 発現置が種々の腫怨の平均に近いことを表す． データの作成方法（ mRNAの筆書室と DNAマイ

f!(pp.574∼ 575） 参 クロアレイ解析）は，第 8 照．ある遺伝子を図に沿って友から右に見てい

8 0 0個の逓伝子それぞれの相対発現置は くと 1 服織により巽怒ることがわかる。また， Mi~揮の

種類によって特徴的主主遺伝子発現儀式を示すこ とがわかる。 この悩報を利用し．組織起源のわ かっている腰湯の遺伝子発現プロファイルと比 べ合わ世て来同定のがん細胞がどの組綬に由 来するかを特定できる。たとえば目図中の釆知

i l :料 I d : . 肺がんと判定された。（画像縫供− のK P a t r i c k0 .Br own,D a v i dB o t s t e i n ,andt h e S t a n f o r dE x p r e s s i o n ζ o l l a b o r a t i o n )

. . . -

(A ）ヒト脳

・

K

( B）ヒト肝屍

． 司、 ‘． ． ． ．

'O I

. . 圃凶

．

司 ，

f i : ; 3 司・

，・

； −

M

’・ 今 ・ ・・ ・ ． 、

・ ．．

・ −−・

− ・ ？ギ~ て ・て ．・． ・．・・ ． 一‘ − ・． ・． ．一． ー − ； ＿ . ；・ ・ ・・ ・・ ・ ，＿ ． ・． ・ .. ..− 一 一 ． ・叫．・・・． ： ~ ．−ー ・・ ’ ・ ・ − − ． ． − ． − a 喝a • d

•

. : : . ‘ 町

句

一 −− ・ ・ ・ j . ー 、 ． 同 ・ ・ ・ ・

・ ~

一

磁性

•

・ ・ −

. . ’

’ 守 ・ . . 4

!

− − ー ‘ ・w

等' 8 点

− ．． ．

. ，、＇ 』

マ

．

−・ 極基 性

．

.・ ~ ・・． ．−−− − ・ ・・一 ．− ． ．． ・ ． ・、 P、 ・− ．． ・ ・ ・− − ．一 ．一 ． ． ・ ． ・ ． 一 ’ 司 ・ι . -. . ． − ・． ‘ ・ ・ 唱』 ． − .：. ＿ . ・ ー ア ・ v・ ． ．．． . . ・ ・ ． ． − ，・ −． ・ ，.. . . ： . . ・・ e l ． ・、一 ー ・ ． ． ・・一．

・・

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• -

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． −

F i g .7-4 ヒトの 2種類の組総で発現しているタンパク貨の遣い。タンパク質を二次元ポリアクリルアミド p .5 2 1∼522参照）を用いて示してある．タンパク質l 草分子Bに従い上から下へ分磁し．次 ゲル電気泳動（ p いで等電点 す主主わち全体としてのm 筒をもたない包有の pHのところまで右から左へ分恕されている。便

d :2つの組綬に共通であり．腎色で示す点は一方の組経に固有である.2 宜上．赤色で示すタンパク質の点I つの組際試料問1 でI d : 類似より相巽のほうがはるかに多い。また．両組織で共通のタンパク質であっても．発 現!ftは相対的に ~1(!: ることが多い。この方法は．タンパク質を大きさと !U荷により分離していることに注意

しよう。したがって．たとえばあるタンパク質が復放のリン磁化状態で存在すると，右図の右上に見えるよ うに一連の水平に並んだ点として現れる．台民料について全タンパク質領主主の一部のみを示してある．二次

2 1）を利 元ゲル母気泳動で 2つのタンパク鼠料聞の遣いが容易に見分けられるが．質毘分析法（pp.519∼5

i i 像鍵供’ TimM y e r sandL e i g h 用したほうが詳細芯情報が得られるので．こちらが繁期されている。（i Ande r s on ,L ar geS c al eB i o l o g yC o r p o r a t i o n )

遺伝子調節の概観

不活性な mRNA 絞

mRNA

-

分解の調節

J

II

転写産物

転写調節

II細胞質

RNA

ロセシン グ の網節

II RNA II 鰯送と I1局在化の

t

町

山 町山

調節

本章で論じる。段階 6のタンパク質の活性調節

J

は．リン酸化．アセチル化．ユビキチン化芯ど おもに共有結合による窃訳後の修飾（p .1 8 6の 表3 -3参照）によって起こ り ． 本曾で随時諭じる。

凋｜タンパク 河 ｜貨の活性

ぺ

l ／ 活~~~~

タンパク貨ー 一 ー ーく

＼活性のある 壬

I l } J けるチロシンーアミノ基転移酵素などがあり．ホルモンがなくなると．これらのタンパ

ク質の合成は正常他に戻る。 細胞の型が逃うとグルココルチコイドに対して異なる応答をする。たとえば．脂肪 細胞はチロシ ンーアミノ基転移酵素の合成 を 減 少 さ せ る し ま ったく応答 しない細胞 もあ る。このように．細胞型が迩うと 細胞外からの同じシ グナルに対する応答が異なる ことが しばしばあ る。 このような外来シ グナルへの応答の制整によ って．細胞はそれぞれ独特な 泣伝子発現様式をもち．独自性を保っているのである。

遺伝子発現は DNA,RNA，タンパク質と進む経路のいろいろな段階で調節される 個体を構成するさまざまな細胞の違いが逃伝子発現の逃いによるものとするなら．逃伝子 の発現制節はどの段階で行われるのだろう 。前章で述べたよう に.DNAからタンパク 質 に至 る迫はいくつもの段階で榔成されており．基本的にはどの段階でも削節がなされる 。 すなわち剥I I 胞は．合成するタンパク質の調節を. ( 1）遺伝子をいつ． どれだけ転写するか の訓節（転写鯛節 ［ t r ans c r i pt i ona lco n t r o l ] ) . ( 2）転写産物 陀J Aのスプライシングと 加工の 調節 （ RNAプロセシングの調節 ［ 町叫Aproc e s si n gco n t r o l ]). ( 3）どの m肘 J Aを核から細胞 質に搬出し細胞質のどこに局在させるかの選択（ RNA輸送と局在化の調節 ［ RNAt r a ns por ta ndl ocal iz a ti onc o n t r o l ] ). ( 4）細胞質にあるどの mRNAをリボソーム で翻訳するか

の選択 （ 靭訳鋼節 ［ t r a ns l a t i ona lco n t r ol ]). ( 5）細胞質の特定 mRNA分子の選択的不安定化 ( mRNA分解の関節 ［ mr u サA d eg r a da t i o nco n t r o l ]). ( 6）合成されたタンパク分子の選択的

活性化．不活性化 ． 分解または局在化 （ タンパク質の活性銅節 ［ pr o t e i na c t i v it ycont r o l] ). のいずれかによ って行う（ Fi g. 7-5。 ） 大部分の遺伝子では転写ーの翻節が最も重要である 。Fi g.7 -5の制節可能な段階のう ちで．転写の訓節だけが細胞に余分な中間体を合成させないので．これは耳目にかな ってい る。次節では. DNAとタンパク 成分による遺伝子の転写開始の削節について論じ． 他の 泣伝子発現制節については最後にふれる 。

まとめ 細胞はゲノム DNAの塩基配列の中に，数千かう数万種類のタンパク分子と RNA分子を 作らせる情報を含んでいる。細胞は通常目 一部の遺伝子だけを発現する。多細胞生物にさ まざまな細胞が生じるのは．発現する遺伝子の組み合わせが異なるためである。さらに細 胞は，ほかの細胞から来るシグナルなど環境の変化に応答して遺伝子の発現様式を変える ことができる。遺伝子の発現に関与する段階はすべて原則として調節を受けるが，ほとん どの遺伝子では RNA転写の開始が震も重要な調節点である。

Fi g .7-5 真絞生物の遺伝子発現調節にかかわ る6つの段階。1∼ 5の段陥で働く調節織織を

I

'

翻 叩 咽楠

415

416

7 遺伝子発現の調節

遺伝子調節に働くタンパク質の DNA結合モチーフ 細胞はたくさんの泣伝子のうちどれを転写するかをどのようにして決めるのだろう 。第 6 f , ' tでふれたように． この転写制御は遺伝子の転写 I J f l始部位の近傍にある DNA調節領域が 械には. H 虫類のシグナルで働く I ' i 純なスイ ッチ になっているものも 行っている 。調節句i あるが．多くは持at~でマイクロプロセッサのように働き．多微なシグナルに応終してそれ

らを解釈 ・統合し．泊伝子転写のスイッチを入れたり切ったりする。複雑か単純かを問わ ず．これらのスイッチはすべての細胞に見いだされ.2つの恭本成分．すなわち. (I ） 特定 のJ 包基配列をもっ短い DNA古I I 分と. ( 2 ）それ を微別 してが｛介する i l l伝子制節タンパク と からなっている 。 逃伝子2 品川口タンパクの話を．それらが発見された経緯から始めよう 。

遺伝子調節タンパクは，細菌遺伝学の研究で発見された 特定の遺伝子併のスイ ッチ をオン ・オフする遺伝子鋼節タンパク （ g ener e g u l a t o r ypr o t e i n.

i 必然と”転写閃ドとよぶことが多い）の存在を初めて実証したのは 1 950年代に行われた細 i nf 云解析であ った。パクテ リオファ ージ入（ b a ct e r i opha g el a mbd a）という細菌ウイル 的の : スが作 る入リプレッサー （ 入r e p r e s s o r ）はこのような訓節 タンパクの lつである。 この転写 抑f~lj 因子は． 新しいウイルス粒子のタンパク成分を作る遺伝チをオフにするので．ウイル

スゲノムは紺l 凶の決色体に潜伏した状態にあり ．網1 1 1 !の地硝にイT. f l ］ な条件下で細菌ととも にJ ( 1える（ F i g .5 7 8参

m o。λリプレッサーはi ' 1 i l : : J リ jに淵べられた i l ' . tf : i ； − 子 訓l 節タンパクで．後

illするように :lti も frlif. IYJ-n~:iffi んだものの l つである 。 細菌 にはこのほかに．特定の代謝酵素

: r I 下が不安なときにその i l ' . i伝子併をオフにして栄養条件 に応科する調節タンパクもある 。 La cリプレ ッサー （ L a cr e p r e s s or ）はJ u 初に確認された細菌の訓節タンパクで．士官地にラク ：しないときにこの糖の代謝に関与するタンパク自の生産スイ ッチを切る。 トースが存イ1

i 立伝子謝n iの理解はまず．綱l I l 溺や入フ 7一ジを m い て 車 ， ＼ ＼ ｝ ： 己 のj 立｛去子 1 洋をオフにでき ない変』' 4 株を分R 佐することカ、ら始まつた。大制i 分の変』建

mをもつものとされ．確認は後でなされた。遺伝子調節タン

t ' tに欠 的に抑制する夕ンパク '

よしかイバEしないため. l i離がむずかしかったのだが．結局は細胞羽1 j 1 1 1 1i 夜から精 パクは少i j に結合する ことが示さ れ 製され．制節する泣伝子のすぐ近くにある特定の DNA；嵐法自己ダl

総別する DN Aの極基配列は．古典的遺伝学と 4 > : 1 ; 1 :で後述するタン たのである。 これらがJ

lI T . 作J I J の研究法とを組み合わせて i ためられた。 パク質− DNAf

DNAうせんの外側をタンパク質が読む

u

赤色．リンを賞色で示す。

溝鴻

ONAの空間充l : R 縦型。原子｜草 炭紫を濃宵色，窒手轄を淡惰色。水紫を白色酸素を

− −

F i g .7-6 DNAの二霊らせん4 荷造。二返らせんの外側の大きい渦と小さい滴を示す

ELv

t .配列の情報は二垂らせんの外側に現 ないかと考−えられていた。 しかし今では. DNA溢 J

i− ー ﹂ −−﹂﹁ lIll−

いので．当初J はタンパク伎が二 i f i :らせん内部の泌法対 1 1 1 1の水ぷ結合に凶：接接触するのでは

さき 小大

子調節タンパクは．この構造の内部にうずもれた特定の塩悲配列を滋別しなければならな

寸Illi

第4 i ' ; J :で述べたように．染色体 DNAは長い二重らせんからなっている（ F i g .7-6）。遺伝

遺 伝子調 節に働くタンパク質の DNA結 合 モ チー フ

417

？にきい J 均

？にきい満

？にさい 淘

？にきい渦

F i g .7-7 異怒る塩基対が二軍うせんを閃かすに外側かう磁別されるしくみ。復基対の 4つの可能は配置を示す。水祭結合供与体l e t宵色．

水紫結合受容体l ま赤色で示し目題基対の水紫結合は赤色の短い平行線で表してある。疎水性の突起を作るメチル基l ま黄色．炭紫に結合して いて水紫結合形成に利用でき芯い水緊原子は白色で示す。（ C .Brandenand. JToozeI nt r o d u c t i o nt oP r o t e i nS t『uc t u r e ,2nde d .NewY o r k : Gar l andPub i l s h i n g ,1999より）

れ て お り ． 逃 伝子 調 節 タンパク は二 重 ら せ ん を I mかずにそ れ を 識 別できる こ と が わ かって いる。 谷 広 器 対 の 外線 部 は二 重 ら せ ん の 外 側 に 銘 I lし て 水 紫 結 合 供 与 体．水 紫 結合受・草冬

休. J J ! i 水性の；1 ; i l 分からなる独 特 のパ ターンを M示 し て お り ． タンパク質は大き い 椛 （主税 ） 梓 （1 7 ' 1 J構 ）の ど ち ら か ら で も 配 列 を 波 別 で き る が （ Fig.7-7 ).4N i 類 の塩 基 対 の 配 と小さいi

l l iによ るパタ ー ンが大きく 奥 な る の は 大 き い 携である（ Fig.7-8）。 このため．後述するよ

小さい： m

M 大きいi 崎.

eト 三‘ く ’ − A

体体

T

弼併

A

塁 ル

‘ ’‘ ’‘ ’

a a a ー 一 一 ー 一 一 ー 一 一

A e ト 三‘’ 〈 ーT

合合子 結結原

J

禁事情紫チ 水水水メ

A

凡

F

例＝ ＝ ＝ ＝

.A..A. 1 1 . . 】 -' 司 ， 司 ，， 司 、 f a ‘ ’‘ . ，‘ ’ ’ ・ ‘ ， ． ‘ ， ． 司、 c『 •＇＂~、 .，.‘ a’‘ a’‘ ＇ − ＇， 司司 ， 司 ， G

． ．

うに i l l伝 子 調 節 タ ン パ ク は一 般 に大 きい椛と特典． 的 に筏触する。

F i g .7-8 DNAを怠別する暗号。大きい満と小 さいii~で9j.かう見える各窟基対の縁は．水緊結

合供与体と水緊結合受容体とメチル基の独特の e t . 4つの パターンとして見える。大きい渦に l 泡~対の配也のそれぞれに独自の特徴的拡パタ

ーンが現れている。 一方．小さい潟で l e t.G-C と C・ G . および A Tと T Aのパターンが似て見 i g .7-7と同じ. ( C .Branden える．球の色は F andJ .T o o z e ,I n t r o d u c t i o nt oP r o t e i nS t r u c t u r e , 2nde d .NewY o r k :G a r l a n dPub l i s hi n g ,1 9 9 9よ り ）

418

7 遺伝子発現の調節

遺伝子スイッチの基本成分は DNAの短い塩基配列である 特定の塩基配列は. DNA二重らせんの表而に現れた特徴的な分子のパターンとして “ 読ま れる＼ 一般に．特典的な遺伝子調節タンパクが結合する識別部位となる巡伝子スイッチ の基本成分は. 20塩基対以下の特定の塩基配列である。 このような DNA塩基配列がたく さん問定されており．それぞれを異なる遺伝子削節タンパクが単独で （または ｜ 刻述した遺 伝子書l刊行タンパクが組になって）識別する。本j ' : tで論じる遺伝子調節タンパクと． それが 識別する塩基自己列を表 7-1に記す。 ここ で.i l l 伝子スイッチの第二の基本成分である遺伝子調節タンパクに話を移そう 。 人jの短い特異的 DNA塩基配列を識別するこれらのタンパク質の構造の特 長い二重らせん l

微から始める。

遺伝子調節タンパクは DNA塩基配列を読み取る構造モチーフをもっ 一般に生物における分子の識別 は. 2つの分子の表而どうしが正確に迎合したときに起こ か 泣 伝 子 制 節 タ ンパ クはその最も顕著な例である。 この識別は， タンパク質の表而がそ

表 7-1 遺伝子調節タンパクとそれが識別する塩基配列の例 タンパク質 細 菌

L a cリブレッサー

磁別する塩基配列・ 5’AAT'I ‘ GTGAGCGGA TAACAATT

111111111111111111111

3’TTAACACTCGCCTATTGTTAA

CAP

TGTGAGTTAGCTCACT

1111111111111111

ACACTCAA'I ℃GAGTGA

入リプレッサー

TATCACCGCCAGAGGT

1111111111111111

ATAG'τ'GGCGG ’ 工 ℃TCCAT

惇 母

G a l 4

CGGAGGACτロτ℃CTCCG

1111111111111111

GCCTCCτ'GAC AGGAGGC

Matα2

C l ' i τ'GTAAτT

1 11111111

GT ACA ’ πAA ， ＇

Gcn4

ATGACTCAT

111111111

TACTGAGTA

ショウジョウパ工

Kruppel

AACGGGTTAA

1111111111

T ' I ； ： 『ccCAATT

B i c o i d

GGGATTAGA

111111111

CCCTAATCT

鴫乳類

S p l

GGGCGG

111111

CCCGCC

O c t lPouドメイン

ATGCAAAT

11111111

TACGTI'TA

GATAl

τ'GATAG

111111

ACTATC

MyoD

CAAATG

111111

GTTTAC

p53

GGGCAAGTCT

1 11111111

CCCGTTCAGA

・便宜上．各タンパク質について 1つの議日 j l 泡基配 予l j だけを示し ． コンセンサス配列（ F i g.6 -1 2参照）は示 していない。

遺伝子調節に働くタンパク質の DNA結合モチーフ

419

の領域の二重らせんの表而と高い柑布l l 性をもつために可能 となる 。泣伝子制節タンパクが DNA と次々 に接触すると ． そ こに 水素結合や イオ ン結合． 移転水位相互作用 が生じる 。 11~1 々

の作用は弱いが． タンパク質と DNAの界而には通’；；＼・ 2 011~1Jllj 後の接触昔II位があり ， その 合算で特異性が向くきわめて強い相互作用が生じる （ F i g .7-9） 。実際.DNAとタンパク質 主l で枇も判決イl むな分子 r m相互作用といえ る の相互作用のなかには．生体内における松も強l

ものもある。 タンパク質による DNA識別を詳細にみればそれぞれ独特tだが．数百 におよぶ逃伝 子制節タンパクの X線結品解析と NMRスペクトル分析から．多くのタンパク質が DNA 結合構造モチ ーフを Iつまたはいくつか組み合わせてもつ ことがわかった。 これ らのモチ ーフは． α ヘリ ッ クスか 9 シートを使 って DNA の大きい riv~ に結合する 。 大きい械には特

定の塩基配列を識別するのに十分な情報がある。 この適合はきわめて良好なので．核酸と タンパク質の基本構造単位が共進化し分子がかみ合えるようにな ってきたのだと考え ら れる。

ヘリックスーターンーヘリックス（ HTH）モチーフは最も単純かつ一般的な DNA結 合モチーフの 1つである 最初jに確認された DNA結合モチーフは．ヘ リックスーター ンーヘ リックス （ h e l i x-t u r n-

h e l i x ,HTHと略）である。 このモチーフはまず．細菌のタンパ ク質で問定され．その後． のα 真核生物や原核生物の数百におよぶ DNA結合タンパクで見いだされたもので.2伽1 ヘリックスが短いアミ ノ酸の鎖で述結され．そこで ”折り返し （ター ン）”ている （ Fi g. 7-10 。 ）

2個のヘリヅクスは．両者 I i ］の相互作用によって角度が悶定されている。C末端側のへリ 7 クスは

DNAの大きい桃にはまるので識別ヘリックス（ r e c o g n it i o nhe l 以）とよばれ．その

アミノ酸側鎖はタンパク質ごとに異なり．結合する塩基配列の識別に重要な働きをする。

HTH領域の外側では． タンパク質の構造はそれぞれ大きく異なっているので （ F i g . 7-1 1）.各 タンパク質は独自の方法で DNAに HTHモチーフを ＂t ' t 示”することになる。 その結果．モチーフが識別対象とする塩基配列の磁類が~I え .

HTHモチーフの融通性が

燃すと考えられる。多くのタンパク質では HTH ドメインの外側のポリペプチド鎖も 一部

DNAと接触しており ．相互作用 を微調整している。

DN A結合タンパク（遭伝子調節タンパク）

・ ・・ ， ，・ F

、 4 与

るマ

3 十

F i g .7-9 遺伝子調節タンパクと DNAの大き い溝との結合。1つの鐙触部位だけを示す。一

纏ーリン酸主鎖の外縁

0∼ 2 0個 般に．タンパク貨と DNAの界面は 1 のこのよう是正獲触部位からなり守そこに含まれ る種々のアミノ殴がそれぞれタンパク質−DNA 相互作用の強さに寄与している。

420

7 遺伝子発現の調節 Fi g .7 1 0 DNAに結合するヘリ ックスーター

ンー ヘリ ックス （ HTH） モチーフ。 （A)HTHモチ c l : それぞれアミノ磁の中心炭素 ーフ．白色の球l

： ； 長 時 晴 側 の αヘリックス（赤色） I まONA を表す.c の活基配列特異的際日J I に関与するので目譲別ヘ

レ

、 、

リックスとよばれる• ( B）に示すように

この

ヘリックス lcl:DNAの大きい溌にはまり込み目

NH2

そこで泡基対の録と｝霊能する（ F i g.7 7も参照）。 N末綿倶j の αヘリ ックス（青色） l c l : . 議別ヘリッ

クスの位置を合わせる働きをする構造成分であ る。

／

CO OH ( A)

( B )

Fi g .7 -1lに示す HTH 合有タンパクは .DN A結合タンパクに特有な併i 去をしている。

l ； 体として結合 対称的復基配列をもち”宇部位．とよばれる DN Aに．対羽；俄造をも ったこh するのである（ Fi g.7 -12） 。 この配i 白では目2つのタンパク 1 向。 上体がほぼ同じように接触す るので．がiftm平liftが：~：しく 1r1h11する 。 概算では．接触部｛立の数が 2 1たになると相互作朋

の自社l エネルギーは 2併になり．税f ; 1 l t 主定数は 2来になる。

ホメオドメインタンパクは特別な HTHタンパクである 最 初 のi l l（ 云 ：チ i 測節タンパクが細菌で発見されてまもなく．ショウジョウパエ Dr o s o ph i l a の遺伝解析から．発生時のハエの務官編成にきわめて重袈な役割jを糸たすホメオティック homeot icsel ect orgene)/ l ' fが見つかった。 第 22l ' ! ' rで論じるが，その後この逃伝子 遺伝子 （

は脊椴動物の発生でも lb本的かつ竜安な役；l~J をもつことが示された。 この遺伝子に変異が

あるとハエの体の一部 分 が別 の部分と i 丘き換わる場合があ ることから.

f 1 ！ ら れるタンパク

質が発生時の ifr.~ な決定泌総を調節することがわかる 。

いくつかのホメオティック遺伝子の塩基配列が 1 980年代の初めに決定されて．そ

0個のアミノ殻配列があることがわかり． ホ メオドメ のタンパク質に共通する特徴的な 6 イン （ homeo doma in）と名づけられた。 ホメオドメインの三 次元構造を解明したところ．

−−

m L V一 Il A 3 ni 4 − −−

トリブトファン・ リブレッサー

λ仁r oタンパク

λリブレツザー断片

仁AP断片

DNA

F ig .7 -11 HTH含有 DNA結合タンパクの仲間。これらのタンパク質はすべて. 2個の銭円J I ヘリックス（赤色の円筒）がちょうど ONAうせ

んの 1巻き分（ 3 . 4nm）だけ総れている二鐙体として ONAと結合する.HTHモチーフのもう 1つのヘリックスは.F i g .7 1 0と同級に宵色で 示す． λリプレッサーと Croタンパクは パクテリ才ファージλの遺伝子発現を調節し．トリフトファン ・リブレ ッサーとカタポライト活 は大腸菌の遺伝子の発現を調節する。 性化タンパク（ CAP）

421

遺 伝子調 節に働くタンパク質の DNA結合 モ チ ーフ

細

FUB

A同

i g .7 1 1； を参照。 造は F

，5 、

T

氏M

F﹂

AH

、

r u r

BF U

，r 、 Tl A ’ r 、 ’ ’ γE ’ ’ r u ’ a ’ ’ 仁l G

w

TB EA ， ， 、 r

r tlru

一 口

、 r ， ， ． 、

3

Al T Cl G A1 T Al T

J

Ta ai AH

，、

が同じようにして DNA l 5 6 位の半分？っ（土幹部位）を段別する。タンパク質の実際の稿

、 戸

F i g. 71 2 パクテリオファージ hの C r oタンパクが議別する特異的盗塁配列。緑色 で示す泡廷は対称的に並んでいるので 同じく緑色で示すタンパク単毘体のそれぞれ

5 ’

mの 遺 伝 子 調 節 タ ンパ クと同じように HTH モ チ ー フ を も つ こ と が わ か か 細 菌 で 確立 A

された泣伝子調節の原則が多細胞生物にもあてはまる ら しいと 示 唆 さ れ た。 今 ではショウ ジョウパエだけで 6 0 . f ! l ' （類以」：のホメオドメインタンパクが発見されており．ホメオドメ インタンパクは両手母から純物．ヒトに主 るま で． 事実卜．すべての点綴生物 で 見 つ か っ てい る。 特異的な DNA 溢~配タiJ に結合したホメオドメインの椴造を Fig. 7-13に示 す。 細

菌 の 遺 伝 子 調 節 タ ン パ クの HTHモチーフはさ ま ぎまな構造に取り凶まれているのに対し て．ホメオドメインの HTHモチーフはいつも （ホメオドメインの残り部分を形成する ）同 じ付＇~:ill に閉まれており．基本的にはある 一定の線式で DNA に錠示されるのだろう 。 笑際．

m母 と シ ョ ウ ジ ョ ウ パ エの ホメオドメインタンパ クの構造を比べると. 60例 の ア ミ ノ 酸の うち 1 7 側しか一致しないが．形は ~1： ·；；＼· に似ており ．

ほほ同じやり方で DNA を識別して

いることがわかる （ Fi g.3-13参 照 ） 。

DNA結合 Zn（ジンク）フィンガー ・モチーフには数種類ある HTH モ チ ー フ は ア ミ ノ 際 だ け で 構 成 さ れ て い る が ， 第二 の 重 要 な DNA；＇ ＊；合モチ ー フ l 洋 は桃造成分として l1 r 司以 l 二の . f i l鉛 原 子 （Zn）をf r .んでおり. Zn （ジンク ）フ ィンガー （zi nc

f i n g e r ）とよ ばれている。 もっ とも．このよびカは党比H 与に拙かれた絞式図の凡かけ を示 す

. r

ものにすぎず （ Fi g.7-14A ）. そ の 後 の 榊 i 1 i研 究 か ら こ れ ら が 数 宇に分獄できる こ とがわか った。 ここではその 2つ につ いて述べる。 以 初 に 発 凡 さ れ た の は．ー 只 核主 i ミ 物のリボソ ー ム

R N A : i l 1 伝 子の転写を的性化するタンパク質であり． αヘ リ ックスと

Rシー ト がT I I T鉛 で つ

ながれた単純な構造をしている （ F i g .7-14B）。 この純の Znフ イ ン ガ ー は 縦 に 並 ん で い る ことが多く．それぞれの αヘリ ック ス が DNAの 大 き い 械 と 桜 触 し i t Y i ょに沿って ほ ぼ 述 統 的にのびる形をと って いる。 こ の よ う な 基本 単 位の繰 り 返 し で ． 強 く て 特 典 的 な DNA − タ ンパ ク 質 相 互 作J I !が形成される （Fig.7-15。 ） 別 種 の Znフ ィ ンガーが．細胞内受 存体タン パ ク （ 第 1 5f , 1）という大きなフ ァ ミリ ーに見いだされている。 これは上記とは災な る例 . i l iで .2倒 の

αヘリ

ック ス がT I I I鉛原子と

F i g .7 -1 3 特異的tJ ,復基配列に結合したホメ オドメイン。同じ構造を正面と織から見ている。

(A ） ホメオドメイ ンl ま3健の αヘリ ックスに折 りたたまれ． それらは疎水位相互作用によって 密花王織造をとっている。ヘリックス 2と 3を含 む部分l まHTHモチーフによく似ている。 （8）磁 月J I ヘリッ クス（赤色のヘリックス 3)I d :DNAの 大きい満と箆要な媛触を形成し．たとえば．ヘ リックス 3のアスパラギン（ A s n）は F i g .7 9に 示すようにアデ二ンと媛蝕する．ヘリ ックス l についた柔軟砿院は小さい潟の盗塁対と銭触す る。ここに示すホメオ ドメインは爵母の遺伝子 調節タンパクのものだがいろいろ砿貝級生物 のホメオ ドメインもこれによく似ている。

ACGT>C C .Wol b e r g e re ta l . ,C e / 1 6 7 ・ ： 5 1 7 5 2 8, 1 9 91より改作。E l s e v i e rより許絡）

422

7 遺伝子発現の調節 F i g .7-14 Znフィンガータンパクの一例。こ

s HOO C---N 、 K、

れは仁ys-Cys-His-Hisファミリー（歪鉛をつか

，Y---NH,

23

, K

3

んでいるアミノ酸にち忽んだ命名）の Znフィン

R" . 'V;i 、：. ~ （

三？ 'Q, ＞− 久 ／ L I l l19

ガータンパクである• ( A ） カエルのタンパク質

の Znフィンガーのアミノ厳配列の役式図。（B) この Znフィンガーの三次元備造は逆平行の p

6 ~

R

E

I

R

シート（アミノ霞 1∼10）とそれに続く αヘリ ックス（アミノ酸 12∼ 24）からなっている。 歪 鉛と結合している 4｛ 国のアミノ酸（Cys3.Cys6.

ょ｜ S

＼ ／

K

H i s19，トi i s23） が 臼ヘリックスのー舗を日シー

トの一端にしっかりと固定している。（ f v l . S .Lee

F 10

e ta l . .S c i e n c e245:635-637,1989より改作。

V

AAASより E 午路）

＼ ／

( A )

いっしょに詰め込まれ． トI T Hモチーフと似た形をとっている （ Fig.7-16 ） 。 H Tl Iタンパク と同様に．このタンパク 質 は二 1 』 t 体 を 形 成 し 各 サ ブ ユ ニ ッ トの

2例 の αヘ リックスの l

つ が DNAの 大 き いi 昨と村 L ! I作川する 。 こ の H i f l類 の Zn フィンガーの榊逃はまったく其 なるが． 椛ili~：泌ーとしての •HI歩合の利m .

11 舗の αヘリ

ックスを J T Iい た DNAの 大 き い 椛 の

織別と いう 2 つの if（~：なtH't は共通している 。

Pシートも DNAを識別する 今までに論じた DNA結合モチーフでは．特異的塩基配列を紋別する主要t l l f i l iは αヘリッ j， まったく拠なる識別戦略を巡化 さ せてきた− l 干の遺伝子調節タンパ クスであ った。ー ）

クがある。 アミノ政側鎖を DNAの 方にのばした 2本のポリ ペプチド鎖からなる

Pシート

が ． 大 き いi おのぷ而にある情報を読むのである（ Fig.7-17） 。pシート ・モチーフも．

αヘ

リ ックスの場合 と ｜ ”l 械．。 シート を構成するアミノ般の配列によって次・ なる盗基配列を識 別する。

COOH

3’

F i g .7-15 Znフィンガータンパクと DNAの

結合。 （A）マウスの遺伝子関節タンパクの一部 分が特契約芯 D N A ! l ! l位に結合した偽造。 この タンパク貨 l e ! : . 同方向に反復して並んだ C y s NH2

F i g ・7-14参 C y s H i s H i s型の Znフィンガー（

照 ） 3留を使って DNAをE拐 j l する。

げこ’

( B ) 3個の Znフィンガーは類似のアミノ酸配

列をもち．同じようにして DNAと媛触する。（A) と（ B ）の各 Znフィンガーの亜鉛原子は小さい 1 求で袋してある。 （N.Pavl e ti chandC .Pabo, ( B )

S c i e n c e252:810-817,1991より改作。MASよ

りE 午路）

遺伝子調節 に働くタンパク質の DNA結合モチーフ

423

F i g .7-16 特異的な盗塁配列に結合した細胞

内受容体ファミ リーの Znフィンガードメイン

nフィンガードメインに 二量体。それぞれの Z は受鉛原子（小さい灰色の球で袋示）が 2個すつ 含まれ 1個は DNA議別ヘリックス（各サプユ ニットで茶色と赤色で表示）を安定化し．もう 1 1 冨は二量体形成に関与しているループ（紫色

で表示）を安定化する。個々の亜鉛原子は. I ま

l ま等悶隔に位位する 4個のシステイン残基と配 i g .7 11に示す HTHタンパ 位結合している。F

クと同様．この二畳体の 2本の! f f l 8 1 J ヘリックス は DNAニ髭らぜんの l巻き分に相当するE 臣殿

大きい溝と小さい溝に入るループを使って D N Aを識別するタンパク質もある

だけ限れている。典型的主主例と してグルココル チコイド受容体の断片を示す．ストレスに応答

αヘリ ックスや 日シ ー ト では な く ． 突 き 出 た ペ プ チ ド ル ー プ を 使 っ て 塩 越 配列 を 読 む

して副腎皮質で作られるグルココルチコイ ド

DNA結合タンパクが少数ながら ある。 たとえば．ヒトの重要ながん抑制閃子（ tumors up -

（ホルモン）がこの受容体タンパクを介して検知

pr e s s or ) p53は． ループを H Jいて大きい械と小さい緋から塩恭対を滅別する （Fig.7-18。 ） p53タンパクの本来の役¥ I リ は．細胞の成長と地殖を厳重に調節することであり ．その丞嬰

性は．

され．細胞の遺伝子転写を活性化する。（B . F . L u i s ie ta . l , N a t u r e3 5 2 : 4 9 7 5 0 5 ,1 9 9 1よりE 刻字。 MacmillanP u b l i s h e r sL t d. より許路）

ヒト のがんのほ ！ ？半数で p53逃伝 子 の体調H J 包変異があると ！ いう事実か らもわかる。

第 20t ; tで見ていくが．こ の段階が多数の腫務が進 行する鍵にな る。 がん制j 胞で観察され る p53の変異には. DNA結合性の欠失や変化 が多い。 笑際.DN Aの小 さい椛と接触する Arg248( F i g.7-1 8参！！日）は．ヒトのがんで最も日頻度に変異を起こしている。

口イシンジ、 ッパー・ モチーフは する

D N Aの結合とタンパク質の二塁体形成とを媒介

多くの泣 伝子制節タンパクがホモ二量体とし て DNAを織目I J す る のは. l l i l l iに形成 できるからだろう（ Fi g .7-1 2参 い特典的結合を f

L e t: i l iしたように強

m o。 一般には．タンパク質の

ニ抗体形成に関与−する部分と D NA の結合に ｜ 剥与する 部分とは別 々 にイHI ：する。 し か し 巧妙かつ経済的にこの 2つの機能 を一体化したモチーフがある。 ロイ シンジッパー・モチ l euci nez i ppermot if )がそれで．単f 孟体から αヘリックスが l本ずつ I＼ て短いよ り合 ーフ (

わせコイル （ F i g .3-9参

m oを形成するので．こ のよう に名づけられた。2本の αヘ リック

Jの側聞からのびた疎水位アミノ酸側鎖どうし（多くはロイシン）の相 スは．それぞれのー ） 互作用により 結合している。二益体の接触而の先で 2本の αヘリ ックス は離れて Y字 構

F i g. 7 -17 細菌の Me tリプレ ッサータンパク。

細菌の Metリブレッサーは．メチオ二ン合成 を触媒する酵素を作る遺伝子群を燭節する。メ テオニンが豊富にあると Metυ プレッサーに 結合し．タンパク禍這を DNAに強く結合でき

認 造 を 形 成 し 側 鎖 が DN Aの大きい構と接触できるようになっており．物干しざおの洗j

る形に変えるので．酵素合成が遮断される。（ A)

ばさみのようにニ i i !らせんをつかむ（ Fig.7-19）。

DNAに強く結合するため.Metリブレッサーは

− アデノシルメチオニンと復合体 赤色で示す s を形成する必要がある。二置体を桃成するサフ ユニットの一方を緑色．もう一方を背色で示し てある.DNAに結合する pシートは，それぞれ のサブユニットから 1：本すつ出た 2本のポリペ プチド鎖（濃緑色と濃青色の矢印で波示）で形成 される。（ B)DNAに結合した Metリブレッサ ーの簡略図。 2本の鎖から怒る 日シートが DNA の大きい満に結合しているようすを示す．わか りやすくするため. Metリプレッサーのほかの l l i p s ,C u r r .O p i n .S r r u c r . 部分は省略。（A;S.Phi

B i o l .1 : 8 9 9 8 ,1991

より改作。 Elsevier ~午街。 B;

W.SomersandS .P h i l l i p s ,N a t u r e359387-393, ・ ：

1 9 9 2より改作。 MacmillanP u b l i s h e r sL t d .より

E 午 跨 ）

424

7 遺 伝子発 現 の 調 節 F i g .7-18 p53タンパクによる DNAの際別。 DNAとの媛触に愚も霊要芯部位 I ＜！：アルギニン 248とリシン 1 2 0で．突き出たループからこれ らがのびて小さい溝と大きい潟に入る0 p53タ ンパクの折りたたみには亜鉛原子 （献で表示）が 必要だが． このタンパク質による亙鉛のつかみ 万I ＜！：前述の Znフィンガータンパクと 1 0 :まった

く異怠る．

ヘテロ二塁体形成により遺伝子調節タンパクが識別できる塩基配列の範囲が広が る

r

これま で 凡 て きた 泣 f ム .； 郡山首タンパクの多く は. 2つ の！ 日 ］ ー サ プ ユ ニ ッ トか ら で き た こ 量 日 l ー ではない相手と会合して児なる 体 ． すな わ ち ホモ 二以 体 と して DNAに 結合するが． ！ サ ブユニットからなるヘテロ ニ ； ， ＿ （ 体 を 形 成 す る 巡伝 子 訓節 タンパクも多い。 ヘテロ 二 位 体

' H " I : ： の は一 般 に DN A結 合 特 5

wなる 2つ の タ ン パ ク 質 か ら 形 成 さ れ る の で． タンパク 質 が

示 す DNA結合特拠七: I の 純 聞 が 楽 し く 広 が る。F i g .7-20に示すように. J ) ; (J l l l 的 には. 2磁 H iの ロ イ シ ン ジ ッ パ − 1 1 .: 1 , ； 体 か らは 3 種 類 の DNA結 合 特 典 性が 生 じ 3 f l f i % i の単 此 体 か t 矧 ……．と いう J t . 介 に な る。 らは 6H

DNA

F i g .7-19 DNAに結合 したロイシンジッパ一二置体。2本の αへ l jックスの DNA 結合ドメイン（下の部分）が αヘリックスのロイシンジッパー領主主 （ 上の部分）を介し て二竃体を形成し．連立ちの Y字偽造に主主る。 Y字の院は単量体から 1本 ：すつ出た α

F i g. 7-20 ロイシンジッパータンパクがヘテロ二軍体を形成すると

ヘリックスによって作られ. DNAの大きい満の盗塁配列への結合を媒介する．

DNA結合の特異性が変わる。ロイシンジッパーのホモ二畳体l < I : .左

d : 対祢約 DNA織遣の片側に結合する。ここに示す それぞれの uヘリ ックス I

と中央の図に示すように対称4 荷造をもった信基配列に結合する．こ

のは.~界のアミノ磁を利用できるか否かに応答して転写を調節する醇母 Gcn4 タン

の 2つのタンパク質I d : . DNAの 赤 色 錆 色で示す異怒る忽基配列を

パクの偽造である。（T . E . E l l e n b e r g e re ta l . .C e / /7 1 :1 2 2 3 1 2 3 7 .1 9 9 2より改作。

殴別する。異なる単置体が会合してヘテロ二重体を形成すると．赤

E l s e v i e rより許信）

色領i 或と宵色領域から芯る混成型の泡基配列を霊童別する．

遺伝子調節に働くタンパク質の DNA結合モチー フ

425

F i g .7 2 1 2つのm メオドメインタンパクから 仁

なるヘテロニ置体の DNA磁別配列への結合。

Mal α 2）の鈍色で示すヘリック 右のタンパク質 （

＇

ス 4は左のタンパク質（ M a t a1 )f J芯いと構造化 ~れ広いが．ヘテロ二B体ではヘリックスを形

成する 2つのタンパク質は協同で信基配列を 0

~別する .

M a t α 2タンパクと DNAのi 妾般の一

部は F i g .7 -1 3に示した。 この 2つのタンパク 伐は出芽酵母のもので．ヘテロ二股体が細胞型 を決定する（ F i g .7 6 5怠日開）。ヘリッ クスには F i g .7 -1 3と同じm 号をつけてある。（T .L ie ta l . , S c i e n c e2 7 0 : 2 6 2 2 6 9 ,1 9 9 5より改作。 AAASよ

り許結） ただしこ の泌成には制限がある。 たとえばよ＇£伎細胞にイFイl：する多値~i のロイシン

ジッパータンパクがすべてヘテロ 二抗体を形成すると．遺伝子； . 1 1 r n n同断 J i l l の ”拠線”によ っ て混乱を生じかねなし、 。実際にヘテロ 二 i 主体が形成されるかどうかは. 2つの ロイ シンジ ッパーの αヘリックス領域のアミノ隊配列によ ってもたまる疎水性ぷ l 侃がどのくらいうま 化体を形成できる相手は｜渋 くかみ合うかに依存するので．ロイシンジ ッパータンパクがニ j られている 。 ヘテロ 二抗体形成は．側々のタンパク質ではなくタンパク質の組み合わせによ って 細胞内過程を制御する組み合わせによる調節 （ combinatori alc on t r o l )の例である。 遺伝チ

i ' . ! :（ 云チ測節タ 発現の組み合わせによる調節機怖としてのヘテロ 二抗体形成は．多倣多微な . ンパクで起こる （ F i g .7-21 ）。 組み合わせによる訓節は．イヰ~：'.i: で繰り返し 11\ 会う こ とにな る主題であり ．ヘテロ二社体型の遺伝子調節複合体の形成は．こ のしくみの lっ と位前づ けられる。 遺伝子調節タンパクの組み合わせは．細胞内での”配線接続”といってよい。 たとえ ば 2つの災なる DNA結合ドメインが． 長い進化の過程で起こる . i ' . I :伝チ jlJ編成によ ってi i i 結 さ れ ． 新 た な DNA結 合 特 異 性 を 示 す I 匹ー の ポ リ ペ プ チ ド 鎖 に な る こ と が あ る （ Fi g ・

7-22 。 ）

ヘリックスーループーヘリックス（ HLH ）モチーフも二塁体形成と DNA結合とを媒 介する ロイシン ジッパーに｜対述したもう lつの重要な DNA結合モチーフは．ヘリックスールー

HLH）モチーフ （ he l i x -l o o p-he l i xm o t if )である。HLHモチーフは．短い α プーヘリ ック ス （

・ ち

F i g .7 2 2 柔軟忽ポリペプチドで連絡された 2 個の DNA結合ドメイン。ここに示す Pouドメ インとよばれる榊造は．ホメオドメインと HTH 構造が破線で示す柔軟芯ポリペプチドのーつな ぎ紐．により連絡されている．タンパク質全体

仁

が 1つの遺伝子から作られ．連続したポリペプ チド鎖として合成される。このように 2つの織 造が共有結合で連絡されると．別々に存在する 場合に比べ．特定の泡M配列への貌和性が大舗 に上昇する．問乳類ではこの偽造をもっ一群の 遺伝子鯛節タンパクが畑殖因子．免疫グロプリ ン．発生に関与する各随分子の生産を関節して

c t lタンパクを示 いる。ここでは一例として O す。（ 」. D .Klemme ta l . .C e l l7 721 -3 2 ,1 9 9 4よ ・ ：

l s e v i e rより併路） り改作。E

426

7 遺伝子発現の調節

仁

7-23 DNAに結合したヘリックスールー F i g.

C

プー ヘリックス（ HLH） 二量体。2個の単置体が 4 本のヘリックスの束にまとまっている。各単燈 体l 草タンパク質の柔軟芯ループ（赤色）で迎絡さ れた 2本の日ヘリックスを与える.4本のヘリ ックスの架から突き出た 2本の αヘリックス が ． I Jに結合している. (A . R .F e r r e 特定の措置基配 §

o ’ Amaree ta l . .Nature3 6 3 : 3 8 4 5 ,1 9 9 3より改 l a nP u b l i s h e r sL t d . より許路） 作。Macmil

N

N

ヘリックスと長い αヘリックスがループによってつながった形をと って いる。 ループは 柔軟で．一方のヘリックスが折り返りもう一方と車なる。F i g. 7-23に示すように． この 2 つのヘリックスからなる構造が DNAと．もう lつの HLHタンパクの J ILHモチーフと ホモ二 i 1 t 体になる）でも j ￡ うもの （ ヘテロ に結合する。第二の HLHタンパクは同 じもの （ 二公体になる ）でもよい。 いずれも．二 : L J -体の接触而からのびた 2ノドの αヘリ ックスが DN A と特異的に接触する。 HLHタンパクのなかには. DNAとの結合に l 閣 ’7 ・する αヘリ ックス部分が欠けたも

のがある。 これが完全な： l 乏さの HLHタンパクとヘテロ 二 i l i : f 本を作 っても．後制！古I I 分が半 分しかないため DNA と ~At く結合できない。 つまり．ヘテロ 二品体の形成は i古性別ニ抗体

を作るだけでなく．特定の遺伝子調節タンパクを抑える働きにもなり. ｝ ぶく ， j 日いられてい る（ Fi g. 7-24 。 ）

遺伝子調節タンパクが識別する塩基配列をすべて予測することはまだできない これまでに論じてき た種々の DNA結合モチーフは．特定のアミノ隊側鎖が DNAの特典 的広器対と結合を作る枠組みとな ってい る。 そこで.

' I i純なアミノ隊一泡北対J 彼 自l j の組み

合わせ（たとえばいつも特定のアミノ敵側鎖が G-Ciji~対と接触するなど） がj別待できそ うだが．答えは否定的である 。 もちろん．ある砲のアミノ酸と塩基との相互作川が特に頻 繁にみられる ことはある （ Fi g .7-25） 。 第 3f , 1で述べたように. 2 0組綴のアミノ般からほ とんど任意の形と 化学的特徴とをも ったタンパク表耐を作り出せるので.

l l l f 去チ調節タン

パクは． これらをいろいろ利 J l 1して特定の塩器配列に相補的な表而を作るのである 。 こう

i g . 7-26） 。 して．同じ塩基対が．状況に応じいろいろなやり方で減別できることにな る （F とはいえ．タンパク質による DNA識別の原則の理解は治尖に進みつつあり．やがて特定 の出基配列を識5 . l J iする新しいタンパク質を設計できるようになるだろう 。 遺伝子調節タンパ クの一般的特僚を概説したので． ここ で話題を，｜伝じ．現在研究に 活性のある HL Hホモ二置体

活性のない HLHヘテロ二置体

F i g .7-24 中途で切れた HLHタンパクによる e tこ飽体形成と 阻書的調節。HLHモチーフ l DNA結合の両方に関与する。左図では， HLH

ホモ二位体が対称4 荷造をした DNAの泡基配§ I J を殴別する．右図では. DNA結合 aヘリ ック スを欠く短縮型 HLHタンパク（緑色）に完全' I d . HLHタンパク（宵色） が結合してヘテロ二置体を

作っており．これは DNAに強く結合でき広い。 短縮型タンパク分子が過刻に存在すると。完全 DNA

な長さの HLHタンパクのホモ二毘体形成が妨 げられ.DNAに結合でき芯い。

遺伝子調節に働くタンパク質の DNA結 合 モ チー フ

F i g.7-25 典型的なタンパク質 ー DNA相互作用の一例。水紫結合受容体の特異的な

427

DNA結合タンパク

立体配置（ F i g .7-7参照）により，アルギニンの側鎖l 喜正確にグア二ンを綴別する。タ i g. 7-9に示してある 。 ンパク貨−DNA相互作用のもう 1つの典型例は F

CHヲ ｜

アルギニン

T H 2 T H 2

使 わ れ て い る 方法を い くつか紛介 しよう 。

NH

ゲルシフト法は塩基配列特異的 DNA結合タンパクを容易に検出する

H

C

＼ぷ士、／

H

N’ （ ＋ ） 、N ｜ ｜ H H

遺 伝 子 制 節 タ ン パ クを淵べるのに．網i I i 海や両 手l 悲やシ ョウジョウパエでは遺伝解析が有効だ っ た が． 脊 椎 動 物 で はそう 簡単 ではない。 そ こ で．干州主動物の遺伝子澗節タンパク を入手 J l jの 研 究 万 法 が工 夫 された。 特 定 の遺 伝子 の 発 現を調節する t 包装配 列 を識 別 す る た め に. 5

する DNA結 合 タ ン パ ク を ． 細 胞1 1 1 1 1 お液の ＂ ＇で 検出 す る 方法 で あ る。 最も 一 般的 な 方 法 の

lつ が ． タ ン パ ク 質 の 結 合 で DNA分 子 の

m場 内 で の 移 動度 が 変 わ る こ と を 利 用 す る も の

である。

パ：： ，： ：： ： ： ＂

＇~べ0 H2 N

H2N

ト 1 2 N

H2 N

I H- N ) = /

F i g .7-26 6種類の Znフィンガーとそれうが

磁別する盗塁配列との特異的拡相互作用のまと

e t全体とし め。6種類の Znフィンガーの構造 l i g .7-14参f l ! l）.それぞれは異 ては同じだが（ F

左よる塩基配列に結合する。話号をつけたアミノ 酸｜ま泡基配列を識別する αヘリックスを形成す Z i fフィンガー 1

Z i fフィンガ− 2

る （F i g .7-14 7-15）.特異的花王泡基配列と媛触 目

するアミノ酸｜草緑色で．タンパク質と媛触する ト i 2 N

e tオレンジ色で示す。アルギニンとグア二 泡塞l

H2 N

ンとの接触が一銭的だが（F i g .7-25重要照）．図 に示すように セリン．ヒスチジン，リシンも I する。また．同じアミノ酸｛こ グアニンを銭円J

こではセリンを例示）が複数の泡基を餓別でき る。例示する Znフィンガーのうち 2つはショ ウジョつパ工の発生に関与する TIKタンパク． 2つは F i g ・7 -1 5で説明したマウスの Z i f 2 6 8タ

ンパク. 2つはヒトの G l lタンパク （これの異 常型はある種のがんを生じる）に由来する。 A IT

3 ’5 ’

GL1フィンガー 4

3 ’5 ’ GL 1フィンガー 5

(CBrandenandJ .Tooze.Introductionto P r ot e i nS t ruc t u r e .2nde d .NewY o r k :Gar l a n d P u b l i s h i n g ,1999より改作）

428

7 遺伝子発現の調 節

DNA 分子は強い負 m荷をもつので．電場に世くと正~11極の方向にすみやかに移動

する。 ポリアクリルアミドゲル電気泳動法 （ p.534参 照）では．小さい分子は大きい分子よ りもゲルの細かい網闘をくぐり抜けやすいので.DNA分 子 は 大 き さ に 従って分雌する 。

DNA分子にタンパク分子 が 結 合 す る と ゲ ル 内 を 動 く 述 皮 が 遅 く な か 通 常 は結 合 したタ ンパク質が大きいほど．移動度もそれだけ遅くなる。 これを利用したゲルシフ ト法 （ g e l -

m o b i l i t ys hi f ta s s a y ）は．痕跡誌の塩基配列特異的 DNA結合タンパ クでも 容易に検出でき DNAクローニングまた る。実際には．特定の塩基配列をもっ長さのわかった DNA断片 （ , 1）を放射性標識 し 細胞抽 出液 と 混 ぜた後にポリアクリルアミ は化学合成で作る ． 第 8f レ低気泳動を行う 。 この DNA断片が複数の溢基配列特異的タンパクの結合する染色 ドゲ J −タンパク複合体はそれぞれ巡れの秘 I l ' .が災なる 体領域に対応している場合．｛｜司々の DNA

p p .602∼ 603参 照）で複数のバンドが現れる。 次に．ゲ の で．オートラ ジオグラフ イー （

F i g .7-27 。 ） ル上のそれぞれのバンドに対応するタンパク質を．細胞抽出液から分離する （ 塩基配列特異的 DNA結 合 タンパクを粉製 した ら． ゲルシフト法 を利則 して純々の DNA 塩基配列との相互作用の強さや特典型t . DNA−タンパク複合体の寿命のほか．細胞内でタ ンパク質が働くのに重要な性質を淵べる こ とができる。

DNAアフィ ニティークロマトグラフィーにより．塩基配列特異的 DNA結合タン パクを簡単に精製できる 遺 伝子 調節タン パ クが識 別する DNAの塩基配列を決定すれば. DNAアフィ ニテ ィー ク

DNAa f f i ni t yc hr oma t ogr a ph y）という強力なタンパ ク粉製法が利用でき ロマト グラフィ 一 （ る。 総別塩務配列を 含 む二 本鎖オリゴヌクレオチドを化学合成し． アガロースなどの不溶 性多孔質充t J l 邦l に結合させ．この塩基配列を識別するタンパク質を選択的に紡合するカラ

政射性 DNA断片

自 主 射 性 DNA断片 ＋細胞姻出滋

F i g .7 2 7 ゲルシフト法。 （ A）原理。この例で Cl 「一一一一「仁4

ζ1

. .

C2 「 「 ・

F

C4

c s CG

M 園町間れど入 hmM判

． 圃

仁3 「一一寸

l c l : . 抗体を生産する細胞株の錨出波を．この細 （軽鎖）遺伝子の約 1 6 0 l a 纂 胞徐が作る抗体 L鎖

ーー『 c s'

対の調節 DNAを含む放射性 DNA断片と混ぜ

「 ーー 一 一 寸 CG

る。始出波中のタンパク質が DNA断片の移動

「一一一一「

度におよl ます影留を．ポリアクリルアミドゲル 電気泳動後にオー トラジオグラフィ ーを行って まゲルの下部へす 分析する。遊離の DNA断片l みやかに移動するが．タンパク質に結合した断

選IUDNA

バ

片は移動が遅れる。遅れたバンドが 6本あるの 霊 で．泊出液中にはこの塩基配列に結合する 6l

類の泡基配列特異的 DNA結合タンパク（Cl∼

θ，（ 1-

(6で示す） のあることが示唆される（簡潔にす

ー− （1

( A )

． ． ⑤

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

- C4

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

_ (5

-c s

. . . . . _C2 ∼ 臼

． ． ． ． ． ． ． ． _ (6 ． ． ． ． ． ． 一 泡 敵 DNA

ゲル電気泳動の結果

るため，復鍛のタンパク質が結合 した DNA断 -C4

① ( B )

一仁6 一週 E 敵DNA 10

20

30

40

J S 濃度を上げはがらクロマトグラフィー カラムから湾出させた函分雷号

） 通常のクロマトグラフィー（ pp 片は省略）。（ B

5 1 2∼5 1 3参照）を用いて鈎出汲を分図し（上 図 ） ． 各薗分に絞射性 DNA断片を混ぜ．ポリア クリルアミドゲルの各レーンに順番にのせ. ( A ) と同級に分析した（下図） 。 （B ; C .S c h ei d er e i , tA . H e g u ya n dR . G .R o e d e r ,C e l l5 1: 7 8 3 7 9 3 ,1 9 8 7 より改作。 E l s e v i e rより許諾）

遺伝子調節に働くタンパク質の DNA結合モチーフ

429

ムを作る（ Fi g .7-28） 。 この方法により．あまり手聞をかけずに精製！立を l万 倍 に も 高 め られる 。 遺伝子湖節タンパクの多くは細胞内にきわめて低波度でしか存在しないが．アフイ ニティー クロマトグラフイ ー を利用すれば．質量分析法（第 8f , ' t）などでの部分的アミノ酸 配列決定に十分な誌の純タンパクを単離できる。生物のゲノム全体の塩基配列がわかって いれば．一部分のアミノ酸配列を基に遺伝子を特定できる 。 その逃伝子からタンパク質の 全アミノ駿配列がわかるだけでなく ． 第 8章 で も 述べるように．遺伝子組換え技術により 望みのタンパク質を大誌に作る こともできる。

遺伝子調節タンパクが識別する DNA塩基配列は実験的に決定できる 識別する塩基配列がわからなくても巡伝子調節タンパクは発見できる 。たとえばショウジ ヨウパエのホメオドメインタンパクの多くは，ハエの発生過程に｜刻する変異体から発見さ れた。 そのタンパク質の遺伝子を特定し．培養細胞を用いてタンパク質を過剰に発現させ て精製したのである。粉製した遺伝子調節タンパクを用い．それが総別する塩基配列を決 める方法の lつに DNAフットプリント法 （ DNAf o o t p r i n t i n g ）がある。 これには．タンパ ク質の識別部位を含む二本 鎖 DNAの精製断片が必要である。対象となるタンパク質が調 節する遺伝子の翻節領域に該当する DNAを使う必要のある場合が多いが．短い識別塩基 配 列 は 長 い DNA断 片 な ら ど れ に も 偶 然 生 じ う る。DNAの ホ ス ホ ジ エ ス テ ル 結 合 を 手 当 たり次第に切るヌクレア ーゼか化学試薬で処理すると．遺伝子調節タンパクが結合してい るホスホジエステル結合は攻’' J lされず．タンパク質の識別部位が保護区域．つまりフット

i g.7-29。 ） プリントとして現れる（F 遺 伝子 測節 タンパクが識別する塩基配列を決める第二の方法では．そのタンパク質

第 1段階でi 碍 た DNA結合タンパク

細胞の全タンパク質 第

． ・ − ． ． ． ． ． ． ・ ．・ ． . ・ . ． − ． ．

1段階

第 Z段階

． ． ・ ・ ． ． ． ・ ．

F i g.7-28 DNAアフィニティークロマトグラ

フィ一。第 l段階では.DNAと結合できるすべ てのタンパク質を．種々の短主主配列の DNAを 含むカラムを用いてほかの細胞タンパクかう分

GGGCCC CCCGGG

さまざま芯泡墨配列の DNAを含有する充涜剤 を館めたカラム

だけを含有する充規 制をおめたカラム

取する。ほとんどの塩基配列特異的 DNA結合 タンパクは。全 DNAに対して弱い （非特異的） 親和性をもつので．カラムに保持される。この 親和性はおもにイオンの引力によるので。中程 度の；態度の提言溶液で DNAカラムからタンパク 質が湾出する。第 2段階で.DNA結合タンパク

低濃度の担、内 一‘ 争し. 1 r z 』 市液 c : ， ， f 7 ' : 1 』 DNAに結合しZ 互 い に・ 1 --1 タンパク質を除去 ｜。叶 I 円 。l

…

中程度の湿度の塩溶波 でj 先浄し．福々の DNA 結合タンパクを溶出

I

．

中程度の濃度の B 波で洗浄し目 塩i GGGCCC CCCGGG

に符異的ではい タンパク質を すべて除去 高漬度の泡溶耳査で洗浄し． GGGCCC CCCGGG

を特異的に! i i i 別する微量 のタンパク貨を湾出

の混合物を特定の泡益配列の DNAだけを含 むカラムに通す。多くの場合．すべての DNA 結合タンパクがカラムに股泊するが，大部分は 非特異的相互作用によるものである。中程度の 濃度の纏溶液でこれうはふたたび溶出するので． 特異的に．したがって強く結合するタンパク質 （ たいていは 1種類かほんの数種類）だけがカラ ムに残る。残ったタンパク貨は．高濃度の短溶 滋で港出させる。

430

7 遺伝子発現の調節 DNA結合タンパクで 主 主 保護される DNA領

F i g. 7-2 9 DNAフッ トプリント法。 （A）方法 i g . 8 3 4に記述した手順で DNA断片 の綴路.F

の一舗を l 2 pで槻駁する．次に DNAをヌクレ

( A )

5 ’ 3’

アーゼか化学鼠凝で処理して 1；本の鎖をランダ

3’ 5 ’

ムに切る.DNA分子を変性させて 2本の鎖を躍 した後．棟録した鋭から生じた断片をゲル電気

楽園 楽 園 田

｜ヌ ク レ ア ー 援 で ラ ン ダムに切断した後． タンパク質を 除去して DNAの鎖を践す

泳動で分圏在して．オートラジオグラフィーで検 i g . 8 3 3参照）。ゲル上のバンドのパ 出する（F

楽 園圃圃

ターンを， DNA結合タンパクの存在下で DNA

米・圃圃圃 叫，

を切断したときと非存在下で切断したときとで

争 終

5 位のヌク 比べると．タンパク質があると結合 g

楽

レオチドを破ってホスホジエステル結合の切断

6 ｛立が宋舗に怒る標滋断片 を妨げるため． 結合8

l ま出現せす．パンドのパターンに・フットプリ で ンドとよばれる部分が銭る．ここに示す伊j は.DNA結合タンパクが 7個のホスホジエステ

l

ル結合を DNA 切断院~から保複する。 （8）ヒト

5’ 釆舗が領E 草されたいろいろな長さの一本鎖 DNA分子

の遺伝子関節タンパクの結合都位決定に実際に 使われたフットプリント．切断録薬と し て ほ ｜ま等頻度ですべてのホスホジエステル結合を切 断する小分子の欽含有有軽量化合物を用いた。（写

EE

E E

切断が観照されt I . い ” フットプリント阿部分

−・ − − −

．．．．．．．．．．．．− ・ ．．．．．．．．．．．． ・ ． ．．．．．．．．． ・ − −− ．．．．．．．．．．．

EE

・ −

EEE

EE

．．．．．．．．．．．−・ ・ ．．．．．．．．．． − −− − ・ ．．．．．．．．．．． ・ − − ．．．．．．．．．．． − ・

ゲル電気泳動山

真提供 . B ;M i c h e l eSawadogo.R o b e r tR o e d e r )

l l 上部 ゲルのI

( B)

軍事田園田園副画担置圃 結合タンパクなし 結合タンパクあり L一 一 一 一 一 一 一J

フットプリント

、

︸ ︶ 明 列 、ペ 間

DNA結合特異性未知の 遺伝子関節タンパク

が 澗 節 す る か も し れ な い 遺 伝 子 を 知 っ て お く 必 袈 は な い。 無 作 為 に 合 成 し た 配 列 の 異なる 多 数 の 短 い ONA断 片 の lド か ら 精 製 タ ン パ ク に 強 く 結 合 す る DNAを 選 ぶ の で あ る 。 選 択 を数回繰り返した後. ~~l ＜結合する DNAの 塩 基 配 列 を 決 定 す れ ば ． そ の 逃 伝 子 調 節 タン パ ク の 総別 す る コ ン セ ン サ ス 配列 がわかる（ F i g .7-30 ）。 そ こ で ． コ ン ピ ュ ー タ に よ る ゲ ノ ム 検 察 を す れ ば ． 求 め て い る 巡 伝 子 の 候補 を l 侍定 で き る。 し か し 多 く の 生 物 は よ く 似

、、 官

組

F i g .7-3 0 遺伝子調節タンパクが箆別する泡基配列の決定法。精製した遺伝子調節

タンパクを題塞配列の異なる何百万個もの短い DNA断片と混合する。この多銭な

吋 ︷ グ｜ ｜ 合

; i i '

DNA断片は．望みの復基配列の DNAを化学合成する DNAシンセサイザーという装

。たとえば 1 1J S基疫の DNA断片では 4＂.す 芯わち約 で合成できる （ 第 8章） 420万櫓類の復基配列が可能である。次に．遡伝子鋼節タンパクに強く結合した二本 i g .72 7 鎖 DNA断片を．結合し芯い DNA断片から分限する．この分隊法の 1つは F

m

で脱明したゲルシフト法である。遊 の DNAかう DNA −タンパク復合体を分滋した

1 ·~＂＞•~~…合した 1 1 1 m DNA断片の

配列を決定

後。タンパク質から DNA断片を除去し この選択過程をむらに数回繰り返す（図に l e ! :示していない）。選択を何回か繰り 返して残った DNA断片の塩基配列を決定し．

コンセンサス配列を求めればよい。

温伝子銅節タンパクが1 語別する コンセンサス配列

l

遺伝 子調節に働く タンパク質の DNA結合モチーフ

431

5初頭の近縁醇母種由来 DNAの泡塁配列

AT

M

自助

制

…

白

山

国

2 − − ーCAACGGTAGTTTCGAGGTTGCATATAAT−ー CCGGTGGA-CTGGCGTTAAAGTTAGAAGTCCACTTCACTTCT-TC--ATTG-TATTCTGTCTTATC 且CTCAAAATT-ACGTCCACTTTCCCCTGTATATTATGTTTTGTCGAT 3 TCTTGATGGCAGTCTTGATACCGTGTAAAAC---C CACGTGGTCTAGTCTCAT 且ー TGTATCTTGCCCCT 4 ---CAAAACTGATCC-AGAAGCACT CCTGATTCACCTTTGATACCAATCGATTCATTCAAATCGGCCTGAACCTTG-AT---AT 且 CTTTT-ATTGTATA-TAACGCTATGTATT 5 ---TAATACTGATCCCATAGGTGCTCTT .A--CACCCGCAGT-CTGGCCTTATGATTGAAAGTTAATCGAA

遺伝子銅節タンパクの結合部位 G且ACAGAAA--

l ＇……

2 CTCTGCTCTATAGTAGCACTTCTAACTTCATTGAGAAACAATAAAGACAGAA---CTACTTAACAGCTCTAGCA− ー ー ー ー 3 ー CTCAGTTT-TGAAATAACAGCA 且CCGCAGAC---A − ー ーーCAAAACCTCTAAA− − ー ー ー ー − − TGTTTTGTGATAGCACTTG

ー − − TGTTGTACGATAGCACCCTTGTGTTCGCTTGAAAACACCAAAGGAAGACAGCTAGCCCCATCCCCACGACTCCAGC 5 ー − − TGTTTTGTGATAGCACTCTCAAGTTTACTTGAAAAGGACAAAAGAAGAA---CCGCCCGACGCCTCCAAT− − ー ー ー ー 4

F i g.7-31

遺伝子の 翻訳領豊富

系統発生学的フ ットプリント法。この例は.5l l i 類の近録番手母がもっ同じ遺伝子のよ流の DNA塩基配列を比較したものである。

同じ泡基l c l : 黄色で活色した。系統発生学的フットプリント法で調節タンパクの DNA識別部位がわかるのは．譲別部位が一般に周囲の短基 配列よりも保存度が高いためである。この例では特定遺伝子の上流領域だけを示したが．この方法は一般に全ゲノムの解析に使われる。赤 21に示してある。この例にみられる短い保存領域のいくつかは別の遺伝子調節 い線で図んだ部位に結合する遺伝子関節タンパクl c l :Fig.7 タンパクの結合部位だが．すべてのタンパク質が同定されているわけではない。（ M.Kelliseta l ., N a t u r e4 2 3 : 2 4 12 5 4 ,2003より。 MacmillanPubl i s h e r sL t d .許諾。および DJ.Galgoczyeta l . ,P r o c .N a t l .A c a d .S c i .U . S . A .1 0 1: 1 8 0 6 9 1 8 0 7 4 ,2 0 0 4より。NationalAcademyof Sciencesより許認）

0 0%確 た塩基自己列を識別する近縁の泣伝子調節タ ンパク 砕を生産しており．この戦時は 1 実と はいえない。遺伝子澗節タンパクの作用部位をゲノム塩基配列の検索坊、ら予測した場

t ! ：がある。 合は．実験で稲；認する必i

系統発生学的フットプリント法は比較ゲ‘ノム解析によって調節 DNAを同定する 全ゲノム塩基配列が広く利朗できるようになり．結合する遺伝子調節タンパクが不明でも

DNA上の調節部位 を驚くほど簡単に同定できるようになった。数磁の近縁生物種のゲノ ムを比較するのである 。適切な生物種を選べば．ゲノムのタンパク質への制訳領域はきわ めてよく 似 ていながら．それ以外の領域は．大部分が機能的に無関係で進化 の過程で制約 を受けないのでかなり分岐している。 た だ し 逃 伝 子I ! 伝写を制御する捌節溢基配列は例外 で．非保存ヌクレオチドの海に保存配列のぬがはっきり見える（F i g.7-31）。保存された

DNA塩基配列を識別する逃伝子調節タンパクの正体をほかの手段で特定する必婆がある が．系統発生学的フットプリント法は逃伝子発現を捌節する DNA塩基配列をたくさん同

l とする強力な手法である。

生細胞の中で遺伝子調節タンパクが結合する部位の多くはクロマチン免疫沈降法 でわかる 遺伝子調節タンパクはゲノム DNAと結合しうる部位のすべてをいつも占拠しているわけ ではない。 そのタンパク質が合成されず細胞に存在しない場合もあれば．存在するがヘテ ロ二品体を形成する 相手がいない場合もあり．細胞外から適切なシグナルを受け取るまで 抜から締め出されている場合もある。 遺伝子訓告白タンパクが核内に存在 し DNAに結合す

432

7 遺伝子発現の調節 F i g. 7-32 クロマチン免疫沈降法。生体内で遺伝子胸節タンパクがゲノムに結合す るすべての部位を特定する方法。ポリメラーゼ連鎖反応（ P C R ）による DNAの泊帽に i g .8 4 5重 要 照。沈降し焔偏した ONA断片を特定するには．第 8f ; !で銭明 ついては F するように断片の混合物を ONAマイクロアレイとハイブリッド形成させればよい。

調節タンパク A

二 ・ ・ ‘

・ ・ 生鰻胞 遺・ 伝 子− 1

調節タンパ クB

迦・

ー ー ＝ 面 画ー 遺伝子 2

↓叫アルデヒドで J I タンパク質をDNAに架!

l

細胞を湾解

る能力があ っても． ｜ 日 l じか一部 l f i なる DNAj 包必配列に結合する日j l のi l l伝子湖節タンパク

↓ 川 を3 間基 以下の断片に分断

またはクロマチンの構成成分が DNA上の結合”f 能な部位をふさいでいることもある。 クロマチン免疫沈降法 （ c h r o m a t i nimmuno p r e ci p i t a t i on）は．特定の条件下で遺伝子 調節タンパクが DNA と結合する ;'iii （立を決める~験法の l つである（ Fig.

7-32） 。生きた

細胞内でタンパク質を DNA と ~Hi 紡介により ~t,(f, させ．細仰を j裂した後 DNA を機械的

に破砕して小断片にする。次に遺伝子 E羽節タンパクに対する抗体を I l lいて．それに共有結 合している DNAを精製する。 この DNAを ． 会ゲノ ムからの DNA断片が存在するマイ

m o .抗体で沈降した DNAのゲノム

クロアレイとハイブリッド形成させれば （ F i g .8 7 3参

圃 x． 一

・ ・ ・ 圃 圃 ・ ・・ ・ ・ 圃 圃 ・ ・

＋

ゲ ノムの残りの 鶴分の DNA断片

l

…夕ン／（

t 高 体を周いて DNAを沈降

上の位世を決められる。 このようにして．遺伝子，捌節タンパクが結合する部依すべてのゲ ノム上の佼 l uが決定できる （Fig・7-33）。

t隊法は．いろいろな純潔i の修飾ヒストンによ って凝縮したゲノム クロマチン免疫i の佐世を同定する際にもよく I l lいられる（第 41 ; ・ 0。 この場合には．ぷjべたい特定のヒスト ン修飾に特異的な抗体を月l いる。

x-

ド ル ム 一 一 l を外してタンパク質を除去

・ ・h一一一・E・

沈降し……糊

まとめ l i d 伝子調節タンパクは.DNA二塁らせんの特定の短い塩基配列を識別 し，たくさんの遺 伝子の中から細胞内でどれを転写するかを決める。いろいろ芯生物種で数千種類もの遺伝 子調節タンパクが同定されている。これらのタンパク質はそれぞれ独自の性質をもってい るが．その多くはホモ二畳体またはヘテロ二毘体として DNAに結合し．いくつかある構 造モチーフのうちの 1つを介して DNAを識別する。一般的なモチーフには. HTH. ホメ オドメイン．ロイシンジッパ一. HLH.Z n（ジンク）フィンガ一群などがある。モチーフの 中に折りたたまれたアミノ酸配列が．遺伝子調節タ ンパクが議別する特定の塩基配列を決 める。ヘテロ二塁体を形成すると識別できる塩基配列の範囲が広がる。今では．これら のタンパク質とその遺伝子や識別する海基配列の同定と単離．そしてこれらがゲノム上で 調節する泊伝子すべての位置決定に利用できる強力な妓術が開発されている。

遺伝子スイッチの働くしくみ 1 i l f節では．巡伝子スイ ッチの ） $ ；本成分．泣伝子訓節タンパクとそれが議別する極集配列に ついて述べた。 ここからは．これ らの成分が純々のシグナルに応終して: i 1 ' l伝子発現をオン・ オフするしくみを諭 じる。 20世紀のよ ｜ 主ばには. i l l伝子をオン ・オフできるという ・ 5 )・ え 「1 体が；y ；＿命的だ った。

大腸磁が培地の組成の変化にどう適L じするかという研究から的まって．大 きな進渉といえ るこの概念がと I : .まれた。並行して行われたパクテリオフ ァージ λの研究で同じ結諭が得ら れ． 根本的なしくみの理解に役立った。 l••J じ以UIJの多くは只依細胞にもあてはまるが．後

: i l i するように.j•；＇：； 等生物では DNA がクロマチン fi'ltfil をとるためもあ っ て :i1'l伝子湖節は非 常に絞雑であり. ；~~節のための特別なしくみがつ け加えられている 。 まず．肢も＇Ii純な例

細胞内で遺伝子調節タンパク Aが結合して いたゲノム上の位置に相当する DNA

遺伝子スイッチの働く しくみ

。 。‘

議色体番号

F U S 3 RDH54 10 D P S 1晶 DPS2 MAT≪l&MATu2 3 l 砂 HO 4

2

5

I= o

7

c t

8 9

‘

。

AGA2

S T E 5

MFAl

。

・33 遺伝子関節回路：出芽醇母において F i g .7

3つのm 嬰な関節タンパクが制御するすべての

RMEl

遺伝子群を闘節タンパクの DNA結合部位から 推定した。Mat a1 . Mat a1および Mata2とよば

BARl 10

--

S T E 6 S T E 3

れる関節タンパクが．この単細胞生物の一倍体

α SAG1

・

。

S T E 1 8

の（縫性および雌性配偶子に似た） 2種類の媛 合型を指定する．酵母ゲノムの 1 6本の染色体 （灰色）に示した色つきの縦線は.3つの関節タ

NE』1

O L R 0 4 0 C CCW12& HOG1 ！ ‘ 1

1 2

ンパクがいろいろ芯組み合わぜで結合する部位 である．各結合部位の上に．綱節される線的遺

' O

1 3

1 4

M F < . < 2

F A R l

1 0 1 1

I C S 2&AMNl l 砂

一」O S T E 2

6

DDR2 Mfu1

1 6

α1l < l : 伝子の産物タンパク名を犯した。 Mat

MFA2

一一ー一 ・ 一

1 5

433

。

一一

一一一一 回一ーー

O

-

O~

Mcmlという別のタンパク質と複合体を形成し

S T E 4

て作用し．赤色で示した遺伝子の発現を活性化

AXLl

する.Matα21 < . --＿，，＿＿.−一一∼＼ 遺伝子 A

壁配列の特性。インスレーターI d :エンハンサー

ヘテロクロマチン

m箆配列

け．これが本物のエンハンサーと相互作用し砿 いようにしている可能性がある．あるいは． DNAを綴般につ芯ぎとめて．エンハンサーと

不適切忽プロモーターとの聞の DNAループ形 成を妨げている可能性もある。

I . . ;A

附！

，...~.子

·~~. 4 -. . 宅

宅 一

b

｜

L一一一一」 10μm

Fi g.7-63 ショウジョウパエの多糸染色体におけるインスレーター結合タンパクの

分布。多糸染色体（第 4宣言参照）をヨウ化ブロピジウム（赤色）で染色したバンドの縞 d :暗いすをまとして見える（上図）。 鎖線を示す。バンドは赤色で．インターバンド I BEAFというインスレータータンパクの結合した部位I d :，このタンパク質に対する抗 d :インターバンドの領i 或に分布し．染 体を用いて黄緑色に染めてある（下図）。 BEAFI

色体を機能よはもちろん．構造上の領i 或にも組織化する役割を担うととを反映してい る。便宜上 lつの多糸染色体の 2つの顕微鏡写真を銭像に配位した。（写真提供− I

U li Laemml . iK .Zhaoe ta l . .C e / /8 1: 8798 8 9 ,1 9 9 5より。E l s e v i e rより許諸）

インスレーターに結合するタンパク質が問定されているが．これがエンハンサーの作用を 一方向だけにとどめるしくみは謎のままである。 機併は砕しくわかっていないとはいえ．ゲノムはインスレーターと際滋配列の分布 によって．遺伝子の淵節とクロマチン椛造に附する独立した領域に分けられていると考え られる（ Fi g. 7-63） 。 この組織化のようすは．これらの配列 D N A に結合する特定のタンパ ク質を利川 して染色体全体を染色すると観祭できる。

T Jしないようにな 染 色体は絞然とした領域に編成され．エンハンサーが見境なくれ： J っているが．ある染色体に存在するエンハンサーが別の染色体の i l l伝イ・を活性化するとい う特別の状況も見つかっている。 I ＠乳類の l 災党受容体の調節で l ≪ i 新な例がみられる。 この 附乳鎖は何千もの与もなるにおい 受存体タンパクは感覚ニューロンで発現しそのおかげでl を正確にかぎわける （ p. 9げ参！！現） 。 たとえばヒトには 350倒の｜央党受容体遺伝子があり． 各感覚ニ ューロンでこれらの泣伝子の lつだけが発現するように利節されている。 i 災 ：r t 受・ 容体遺伝子はいろいろな染色体に散在しているが．エンハンサーは lつしかない。 このエ ンハンサーが調節飢成と結びついてある受容体遺伝子を治性化すると．この｜ 則係はずっと 安定で．ほかの’長谷体泣伝子は活性化しない。機構はよくわかって い な い が 転 写 調 節 戦 略の極度の多機性を示している例である。

遺伝子スイッチは急速に進化している

JH 奈生物の泣伝子制郎官［（( J 或が長い DNA鎖の全体に W c f : Eすることが多いのに対し．原核生 物で、 は ！I 伝' 1 J ： のI J M始点近傍に群がって いることを見てきた。制閣の: i l l 伝子スイッチのぎっし f ! I Jいた進化の選択｝ fl こ応じ．散在したものから り詰ま った配世は．小さなゲノムの維持に ( 進化したと思われる 。 しかしこの圧縮には相当な代償が必~で.

{ ! J I ］御装 j i ' 1 ＇.を桜雑にし適

応牲を ~·：j めようにも限度があ る 。 これに対してp;核生物の広い剥 nn領j或では．

長いスペー

サー DNAで断てられた湖節モジュールが．進化の過砲で並べ終えられ．新しい初！節！日l 路 を作り I l lしたり古い同路を修正したりする。第 l草と第 4: i ' ; Iでふれ． 第 2 2市でも見てい

t 多様な生命の根底にあるのは．新たな i l l 伝子の彼符ではなく遺伝 くように．地球 tの多H 子調節の変化なのである。現存の遺伝子調節領域の進化史の解明は生物学者にと って魅惑 的な ! I l l 組であり．ゲノムからたく さんの手がかりが待られる 。

遺伝子スイ ッチの働 くしくみ

453

454

7・遺伝子発現の調節

まとめ 遺伝子調節タンパクは．細胞内で個々の迫伝子の転写をオンまたはオフに切り替える。原 核生物では．これらのタンパク質が RNAポリメラーゼによる転写開始点近傍にある特異 的塩基配列に結合し．調節タンパクの性質と開始点に対する結合部位の位置とに応じて 遺伝子の転写を活性化したり抑制したりする。また.DNAうせんのループ形成により ，離 れた部位に結合したタンパク質でもプロモーター部位で RNAポリメラーゼに影響を与え られる。高等真核生物では，ゲノムが大きく ．多様な細胞型が作られることを反映して遺 伝子謁節もはるかに複雑である。真核生物では 1個の遺伝子が，プロモーターから伺千塩 基対も離れた塩基配列に結合した多数の遺伝子調節タンパクの調節を受ける。真核生物の 活性化因子と抑制因子の働くしくみはさまざまだが．一般にクロマチン構造を変化させ． プロモーターでの転写基本因子や介在因子や RNAポリメラーゼの集合を調節する。各遺 伝子が転写される時期と場所はもちろん．異なる条件下での転写速度も．その遺伝子の調 節領域に結合する多種多様は遺伝子調節タンパクによって決まる。

専門化した細胞を作り出す分子遺伝機構 すべての細胞は環境の変化に応じて逃伝子をオン ・オフしなければならないが．多細胞生 物は．この能力を進化させて多様な細胞を組織化する高度に専門化 された J j訟を獲得した。 特に．多網I I ！ 抱生物のある細胞がいったん特定の細胞型に分化すると．その後{ l t Jl 世代もこの 選択を維持していく 。つまり ．細胞は選択に関与する遺伝子発現の変化を記憶、している。 この細胞の記憶 （ c e lmemory ）によ り ． きちんと構成 された組織を作 りI l lし 安 定 に分化 した細胞型を維持できるのである。一方．総l 凶の場合や．災核生物でも他のi l l 伝子発現の 場合．変動は一時的である。たとえば刺閣のトリプ トファン ・ リ プ レッサーは ．

トリプト

ファンがあると トリプトファン遺伝子群をオフにするが．培地か ら ト リ プ トファンを除く とすぐに巡伝子はオンに切り替わる。細胞の記憶と関係ない。 ところが翁I I l 狗でも. i l l伝子 発現の変化が安定に受け継がれる場合がある。 この節では．翁l J包記憶のしくみだけでなく．遺伝チ剥節の装 1 i ' . tを組み合わせて”諭

n

理回路”ができるしくみも考える。この回路によ って網I I 胞は シグナルを統合し. I 時を， ・ り ． 過去を記憶し全染色体にわたって逃伝子の発現f 訟を湖獲する。細菌や形可制胞で．解 I Y J の進んでいる細胞分化の遺伝機桃を考察するところから始めよう 。

DNAの再編成が関係する細菌の相変異 通常＇ l~：i等真核細胞の分化は．検出可能な DNA 泌悲配列 の変化を i't' わ ないことは説明 し た。 これに対し j 点核生物では．特定の遺伝子f 下 をt i ' r 性 化または不活t ' I : 化する DNAの・ 1 1 f 編 成によって．遺伝的に安定な逃伝子~~節のしくみが作られる場合がある 。 温悲配列の変化

はその後のすべての DNA複製周期を通じて i f .確に彼写されていくので．再編成が起こ っ た細胞の子孫はみな．遺伝子活性が変化した状態を受け継ぐ。この T ＇ 崎山花のなかには.T i f 逆的で元の DNA配置に戻る f 同体もある。その結保． 何｜削にも置J H誌を続けると : i nf ぷイー の働 き方が交互に変わるものが検出できる 。 この分化機併は細菌・ のサ J レモネラ Salmone l l aでよく研究されており．相変異 （ ph as e

v a r i a ti on） と いう 。高等兵核生物ではこれに似た分化綴式は 長Iられていないが．術 K l ｜｜ 刻閣 が免疫系による探知を回避するために手l j ) I Jする 相変災が．動物にかなりの彬判i をおよぼす

0 0 0塩恭対の特定の DNAi f i 械がと ことがある 。サルモネ ラの逃伝子発現の切 り称えは. 1 I ！抱表而タンパク．フラジェリンの きおり逆向きになることで起こる。 この変化により．調I 発現がJ j l ；科を受ける（ F i g.7-64） 。 古lliii：特典的組換え 両手紫が逆伎を角~！ Alよし 逆似 を起こ す

専門化した細胞を作り出す分子遺伝機構

逆位を起こす領滋 プロモーター

白

( A )

才ン

F i g .7-64

H2

オン

銅剣タンパク の遺伝子

出

才ン

特定の DNA領慢を ~向きにする

・ ． H2

タンパク

f l ! I 菌における DNAの逆位による遺

伝子発現の切り醤え．サルモネラの 2つのフラ

l 附 RNA

455

3 パクが

ジエ リン遺伝子の選択的転写l c l : . プロモーター を含む小さ主主 DNA領主主を逆向きにする単純主主

オ フ

部位特異的組燃え反応により起こる．このプロ

H1合成を閉止

モーターは. (A）の向きでは H2フラジエリン 遺伝子の転写だけでなく.HIフラジ工リン遺伝

抑制タンパク

子の発現を閉止する抑制l タンパクの転写も活性 化する．プロモーターが逆向きになると（ B). H2やJ [ p : f i ! J 因子をオンにせす. l Q J 俗l を解除され

プロモーター ( B )

負え綴椛 た HI遺伝子が代わりに発現する。組j

巴コ

0 5回の細胞分裂に はまれにしか活性化しない（ 1

．

逆位を起こす領織

ク

11 H‘ ン 。 ‘ 、 タ

' P J i J ＆の内部にあるプロモーターの J i i jきを変える。 フラジェリンには . i ' . t 伝 子 が 2つあり．プ ロモーターが特定の向きになると 一方のフラジェリンが合成され．プロモーターが逆の｜古l きになると日J I のフラジェ リンが合成 される。逆伎はまれにしか起こらないので，調l l f i iのク ローンは全体としてどちらか一方のブラジェリンをもつことになる 。 中II 変興は街主となる脊椴動物の免疫泌答から網lliY-i~ l'li を守るために進化したのだろ

う。術 i ミが一方のフラジェリンに対する抗体を作っても. リンが変化した少数の細菌が生き残り.

i l l伝チの逆N：によってフラジェ

l M H lしていく 。

l ’ l 然治iから分離した網I I 閣は．複数の表現形質について相変災を示すことが多いが． 尖験室で.Ii~必し続けた斜111有株はこの”不安定性”を失うので．

その必ノド機椛の研究例は少な

い。 また. { f l変災のすべてが DNAの逆伎を伴うわけではない。 たとえば．ヒトの性感染 症を 引 き起こす淋~ N e i s s e r i agon o r r h o e a eは．逆位ではなく遺伝

r変換（第 5t;•i:) で細胞表

而の遺伝的性質を変化させて免疫による攻繋を回避する。 このとき．休 止状態の 岨 遺伝子 カセット”を遺伝子の発現している部伎に移して．細菌の主必必間タンパクの変異体をた くさん作る。

一連の遺伝子調節タンパク群が出芽酵母の細胞型を決定する 両 手l 手は. Jf¥1をと巡伝的操作が特長！， なので. n核細胞における .ii'.t伝子 ~.·rnn機総研究のモデル 生物として J T Iいられてきた。パン酵母 Saccharomycescerev i s i a eはー似体でも 二倍体でも生 イがする I 附l l J Y i l l . : ! . ' L 私生物で. 3つの釧l 胞型に分化する能力をもつので特に脚光を浴びてきた。

ma t i n g ）によって生じる。 この場合．両者の接合 二似体制胞は. 2例の一倍体細胞の接 合 （ 製（ ma t i n gt y p e . 性）が異なる必婆がある。S .c e r e v i s i a eには． αと aという後合のために特 殊化した 2つの接合型がある。それぞれ特異的な拡散性のシグナル分子（媛合因子）と特異 的な翁I 胞表商i 受容体タンパクを合成し．その共同作用 で相手を；削J I すると同時に相手の細 胞に減別され．たがいに融合できる。生じた a ／αという こ似体細胞は．いずれの殺とも 災なり接合能はない。栄養分がなくなると胞子を形成し．減数分裂（第 21・;・;t ）を経てー併 体制）胞を生じる 。

I 胞型を確立 し維持する機構は．これまでに諭じてき た泣伝子発現総式 この 3つの網I を変化させるいくつかの戦略のよい伊jである。 一倍体細胞の接合別は．接合型遺伝子座

1回程度）ので．どちらか一方のフラジェリン

の合成が細胞のさきクローンにほぼ忠実に受け継 がれる．

456

7 遺伝子発現の調節

( ma t i ng t y p el o c u s . MatE 益と略）という単一の 泣 伝 f J : < l S .によ ってもたまる。ルt a t/: 諜迎であり ． 完全な解 I Y J は まだとはいえ．広範

囲にわたる生物での研究により．さま ざまな l.~--t~ と．そこに関与する分子 ll下がIY］ らかに な

っている。動物に｜則しては．ショウジョウパエの概 1 1 1 1. ¥ ' ,l l ・ を. i f iめたり巡 らせたり．あるい は動かなくしたりする変民の研究から多くの ~II 比が仰られている 。 そして.

｜時計にも同級の ことが起こっているとわかって きた。

P 1 l 1 乳頻の概日

4 0 3 : 3 3 5 3 3 8 ,2 0 0 0より改作。 M a c m i l l a n P u b l i s h e r sL t d .より許路）

462

7・遺伝子発現の調節 F i g.7-73 ショウ ジョウパヱの細胞における

＝ ＝ ＝→

日

続日時計の線機の線要。この概日時計！C t . Tim

ノ

下 二 体 J 一 ←・ ＿ ＿ ＿ ＿ ： ： ： ： . 一一

P e rのりン酸化と 分解が調節される

」~＇－

.

Timタンパク

v 二ブ

『』』ー一一＋

軍

圃圃圃圃園田園圃圃

ー－＋

• Per タンパク

ム ー 為給与~~

( t i m e l e s sの路．遺伝子変異の表現型に基づく） e r( p e ri o dの路）の 2つの逓伝子調節タン とP

パクが周期的に蓄積， 溺駁することがおも砿特 徴である。これらのタンパク貨の mRNAは細 胞質で翻訳され．各タンパク質が一定箆以よ蓄 体を形成する。時間をおい 積するとヘテロニm てヘテロ二罰体が解総し.Timと Perl 立核に輸 送され．時計の作用を媒介するいろいろは逃伝 e rは核に入ると． ηmおよ 子産物を調節する。 P びP e r遺伝子のj 印刷も行い。 Timと P e rの霊を

減らすフィードJ Cック系を作る。 この転写のフ ィードパックに加え．概日時計にはほかの一連 のタンパク質も必要である。たとえば．図に示 e rの分解が調節されて， Timと P e r すように P の周期的主主審積に遅れが生じ．それが時計の機

J . 影認をおよl ます。特定の遅延が生じ 能に重要1 る段階を赤い矢印で示してある。 ショウジョウパエの概日時計のしくみの概要を F i g.7-73に附淑に示す。周期的変

紋日時計は．新た1 J . 明暗周期に応じて合わせ

l ! i写のフィードパックループである。 ある重要な遺 動の中心となるのは．後退い型で働く l

座される。ほとんどのショウジョウパ工細胞に

伝子産物が都新すると l l i r . 写スイッチ を切るのだが. j 盛れがあるので．細胞は（おおまかに

は良の光受容体は芯いが．細胞内フラボタンパ

i 伝写スイッチがオフの状態と産物が存在せずi i 伝写スイッチがオン いうと）産物が存在してi

ク （ 月I J 名クリブトクロム）が光を感じると Timタ

の状態とを繰り返す。 侍詰｜．の悲木 b ； 〔 迎 ！ は 比i i 変的 I 担 概日 l して .i 品J 文変化がある。l i 副主変化は． 一般に巨大分子の会合を述めたり返くし たりする原 因となるため. ~琉円｜時計はこれを緩和しなければならない 。 また. ~祝日時計は正確に動く と同時に.

r i :設定できなければならない。温度変化にかかわらず生物時計が一 定の速度で

動くしくみは解明されていないが．ショウジョウパエの概日時計を合わせI 立す機構には． 鍵となる遺伝子調節タンパクの lつの光分解が含まれている （ F i g .7-73参照）。

1つの遺伝子調節タンパクが一連の遺伝子の発現を協調させることができる 細胞は個々に遺伝子のオン ・オフを切り替えるだけでなく．』もなる逃伝子からなる大きな 集団を協； w . 1して発現させる必要もある。たとえば．静止j t J Jのt r 級紙I I 胞が分裂シグナルを受 け取ると．それまで発現していなかったたくさんの泣伝子がいっせいに発現し始め．細胞 分裂に至る（第

1 n ; 1）。綱I I 凶i では．一辿の巡伝子の発現を協測させる方法の lつ として. l

つのプロモータ ーが制御するオペロン（operon）にそれらを集めている（F i g.7-34参 H ¥ 0。 しかし其核生物では．名巡伝子は別々のプロモーターから転写される。 では.

J ' t 核生物はどの ようにして逃伝子発現を協調させるのだろう 。すでに述べた

ように . t r 核生物の i l l 伝子調節タンパクの多くは湖節タンパク”委日会”の一日として働い てお り．それぞれが適切な細胞で適切な時期に．適切なシ グナルに応答して適立の遺伝子 を発現させるのに必要なので． これは重要な間いである。巡伝子株会体のスイッチをすば やく確実に切り称えるにはどうするのだろう 。 逃伝子の発現が組み合わせによる調節を受けていても. Iつの泣伝子調節タ ンパク は結局．特定の泣伝子のオン ・オフを決めるという事笑がその答えである 。特定の遺伝子

! i l l ! J l jの効採を最大にするのに必要な組み合わせを作る際．この遺伝子の の活性化あるいは J 調節タンパクが最後に取り込まれるのである。 ちょうど数字合わせの鍵の以後の数字を はこの数字に合わせるだけで聞 回すのと同じで．ほかの数字がすでに合わせてあれば．議l く。 また．以後に同じ数字でJ I 日く鍵がたくさんあるよ うに．以後に特定タンパクを追加す

ンパクと会合してその分解を引き起こし．時計 が合わぜ直される。（J . C .Dunlap,S c i e n c e3 1 1 : 184-1 86,2006より改作。 AAASより許諾）

専門化した細胞を作り出す分子遺伝機構

463

ること でた くさんの逃伝 子 をオンにで きる。 ヒトでは． グルココルチ コイ ド受容体 タンパク （ gl ucoc o r t icoi dr ecept orpr ot e in）に よ る 遺伝子発現の捌節 の例がある 。 こ の前lllli タンパクが DNA の ;u.~ nrrn~ f i i ： に紡 介す るには．

まず コルチ ゾール （ F i g .15-1 3参！ ！のなどのグルココ ルチコ イド分子と 彼合体 を形 成する 必 要があ る。 このホルモ ンは飢餓や激しい巡勤時 に放 I L Iされ.

J f f 細 胞を刺激 してアミノ椴な

J l 細胞 は． 代潟両 手務・その他 の j l f l 物を作 と 。 の小分 子か らグルコ ースを作 らせ る。 そのため に）

mを上手1 ・ さ せ る。 これ らの : i l : 伝 子はそれぞれに彼維な淵節領域を

るさ まざまな逃伝 子 の 発

もつが．ホ ルモ ンとグル ココルチ コイド受容体の抜合体が 各: i l : 伝 チ のl 訪 問問I i i 立に結合する と発現が燥大になる 。体 が回 復 してホルモンが山 なくなると ．肝 臓 の j ! J f 云チ発現 はすべて 正常 に戻る。こ うして.lつ の遺伝子調節タンパクで多数の泣伝子の発現が 調節 される（ Fi g・

7-74。 ） グルコ コルチコイド受容体が影枠をおよ l ますのは.J I 制l 胞だけではない。 ほかの細 胞 でも ． ホルモ ンに よりこ の調節 タンパクが活性化すると ．いろ い ろな逃伝子の発現l J ； が 変化 する。 た だ し 影 響を受 ける遺伝子は．肝臓の場合と は災なる こ とが多い。 これまで 見 て きた ように．それぞれの細胞に特布の遺伝子調節タンパク群の組み合わせで； o 相官が 行 r ]もそれに彩科される。受平河本は多機な細胞 われるので． グルコ コルチコイド受谷体の作 J

型 の特異的な逃伝子調節 タンパク l 1 干と会合 し ． ホルモンでスイ ッチが人ると細胞型ごとに 違った作用 をするのである。

決定的な遺伝子調節タンパクの発現が．下流にある一連の遺伝子全体の発現を誘 発することがある 多数の遺伝子のス イ ッチを協調 的に切 り杯える し くみは 日 常の細胞機能に と って.m~であ

るだけでなく

真 核 生 物 が阪発生の過程で特 定の裂の細胞 へ と 分化 していく ｜ 務にも不可欠

・ ‘3

F ig.7-74 1つの遺伝子調節タンパクがいくつ

かの遺伝子の発現を儲調させる。グルココルチ

詰 莞 長が

六〈 ＼

コイド受容体の働きを示す様式図。左側の図は，

． グルココルチ日

各遺伝子の調節領域にいろいろな遺伝子活性化 タンパクが結合したところだが．これだけでは

a企

． ． ． ． ． ．

S込へ

つ 日J I の遺伝子調節タンパク（グルココルチコイ ド受容体とグルココルチコイ ドの複合体）が加

遺伝子 1

わった場合で，これによって効果的芯転写開始

盆 込ヘ（ : -

成し遺伝子はそろってオンになる。このホル

遺伝子 1

に必婆芯遺伝子調節タンパクの組み合わせが完

「一 一 一ー

一 一 恥

．

「一 一→

転写の活性化効率が低い。右側の図は．もう 1

遺伝子 2

遺伝子 2

モンがはい場合には この受容体｜ま DNAに結 I

合できない。 遺伝子発現の活性化に加え．ホルモンと結合 したグルココルチコイ ド受容体は すでに調節 領減に存在する遺伝子調節タンパクによっては 巡伝子の転写を抑制する場合もある。したがっ て グルココルチコイド受容体の影醤I d :.細胞 1

型細胞内の遺伝子調節タンパク．遺伝子の調 節領l 或によって異芯る。グルココルチコイド受

{ ! f 頻度の遺伝子発現

高頻度の巡伝子発l 見

容体の DNA結合都分の摘造I d :F i g .7 -1 6に示す。

464

7・遺伝子発現の調節

定 の殺到のアクチン．

ミオシン．

の

細

第 1 6~：＇（で述べたように . l l 1 1 l 乳郊の’ ・ 1 ・ 1絡筋綱l J包は4 c ＼＇徴のある大 i＼蛸 l J包で．筋芽細胞 ( myob l a s t ）という筋 1 i i i 駆細胞が多数融合して生じるので多数の伎を合む。 J 必然筋剥J I J 胞は特

らル かナ F 舛グ11 胞シ

者な例である。 である。筋 細胞 の発生はその修i

Myo D

I ) . トロポミオシン． トロポニン（いずれも収縮波間の一音I

クレアチンホスホキナーゼ （ 筋細胞の特典な代謝を包・む）．アセチルコリン受谷体 0 1 英 を や ， ， 経~ill 激 に対して！必応性にする）など． 多数の特徴的なタンパク伐を合成する 。 ！｛＂：殖中の筋

w

芽制胞にはこれら筋 4 ， ・ 可 的タン パ クとその mRNAは平f 干1 ：しないか． あ って もごく低汲皮 である。筋 非 細 胞が た がいに融合 し始めると．関与する辿・伝子のすべてが｜助訓的にオンに なり．迂I ら；イ・の允脱線式が全体として転換する。

l J J 包だけで発 J J !している 通常 は筋網l

筋細胞の構造i l : l 伝子群

HLH タンパク ． いわゆる 筋 形 成 タンパ ク （MyoD.

MyfS, MyoG. Mrf4）のどれか l つを培養皮胤繊維芽k~ll胞な どに将人すると．筋分化のプ

筋発生

ログ ラム全体を；活発できる（ F i g .7-75A 。 ） これ らの調節 タンパクのがi 令 部位 が多数の筋特

t l "に隣接して f f . { ￡ する調節 DNAの中にあり．筋形成タンパク が直後これらの 典 的 逃 伝 子l 遺伝チの転写を治性 化するためである。筋形成タンパクは l ’ l 身の転勺：を促進するとともに． 筋発生に附与するさまざまな遺伝子調節タンパクの転写も促進し筋肉の発生プログラム ：のフィードパッ クとフィードフォワードの込み入 った経路を作ってい を展 開し維持する 1 る。 このプログラムは初めのシグナルの消失後も総統する（ F i g .7 7 5 8 .

( A )

t i ¥22' i ; ' iも参照） 。

筋形成タン パ クを加えると筋細胞に変わる細胞は．筋形成タンパクと協 ；~.~して筋特

異 的 遺 伝チ砕をオンに 切り 称えるいろいろな泣伝イ・調節タンパクをすでに諸積していたの だろう 。 ーブ ＇ J ' . MyoGやその｜刻述タンパクを加えて も 筋肉にならない綱l l ! J i H ι ほかの必要 な巡伝ザ制日＇ Jタンパクを務総していないのだろう 。

l J J d .）が別の網l l J J 包型 た った lつの逃伝子訓節タンパクによって特 定 の 細胞 （繊維牙総l

し一一」 20μm

F i g .7 7 5 筋発生における筋形成調節タンパ クの役割。 （ A）織維芽細胞における MyoDタン パク発現の影怨。免疫蛍光顕微鏡写真が示すよ うに，二ワト υ 医由来の皮膚繊維芽細胞は実 験的に誘むした MyoD巡伝子の発現によって筋 細胞に変化した。 MyoD~伝子の発現誘導によ

（干J·格筋細胞）』こ変わるというづけ4が． 木f;'l で述べてきた紘基·~!:JJ;l則 を ·I ＇~雌認させる 。 すな

り細胞は融合して伸長した筋細胞に似た多核

わち．遺伝子発現の~いが．大きさ．形，化学的性質． 機能の巡いという細胞裂の特徴を

細胞になり．筋特異的タンパクを検出する抗体

生み／ ） ＼ しているのである。

で緑色に染まっている。MyoD遺伝子の発現し ていない繊維芽細胞が常設にうっすらと見えて いる。（ B ）骨格筋発生に関与する泊伝子誠節タ

組み合わせによる遺伝子調節が真核生物の多様な細胞型を作っている

ンパクの一部を示す絞式図。細胞外からシグナ ルを受け取ると. 4f亜頬の~！妾に関係した筋形

複数の巡伝子；~~節タンパクが組み合わさって． 個々のill 伝子の発；Bl を 制御するしくみにつ

成遺伝子調節タンパク（MyoD. MyfS. MyoG.

いてはすでに述べた。 しかし筋形成タンパクの例は．剰lみ合わせによる正I伝子；~月自首がそ

Mr f 4 ）が合成さ才1る。これらの遺伝子調節タン

れ 以J 二の立l 川＝をも つこ とを示している。す な わ ち 各i 立（ 云了．が多数の訓節夕ンパクに. r . t ； 答

パクは．フィードパックのI D : ; t 忽経路で自身の 合成とたがいの合成を活性化するが，図に示し

すると 同 H

i 立｛ 云子訓自百夕ンパクには l j i .一 の網｜ ｜ ！ 泡型に 特 典的 なものもあるが’多くはさまざまな細 胞で

たのはその一部にすぎない。続いてこれらのタ ンパク質が直銭白筋細胞の偽造泊伝子群と. 8 1 J

位 で， 発生 のいろいろな｜ 時期 に ス イ ッチを入れる。 このことを F i g . 働 色 体 内の桜数の古I

の遺伝子調節タンパクを作る M e f 2 i i ' . 1伝子の転

7-76に 紋 式 化 し i l l 伝子訓節タンパクが比較的少数でも．制 l み令わせによる r u :伝 子 調節

2タンパクはフィードフ 写を活性化する。Mef

により~·~ 伎な生物学 的抜書m さを生み 出す しく みを 揃 いた 。

組み合わせによる湖節の場合．ある泣 伝子調節タンパクが． 判 定 の li 総i のi ' _ j ・ 伝子に 舟令したり 4 守定の細胞 型 を指 定 したりするなど簡単に定義できる l j i−機 能 をもっとは｜ 浪ら ない。 むしろ.

r u : 伝− −（ （J I J節タンパクは. 1 j i認と l lじように．さまぎまな文l 派でi 主う意味で 百

使 われ．単独で意味 をもっほうが珍しい。 上手に選ばれた組み合わせに なると ． 逃 伝子 調 節を指定できるのである。 組み合わせによる湖節に必要な条件は．複数のill伝 f調節タンパクがl•iJ 時に作別し

て 最 終i j ! l ; ' . L . j ' . 述！ 立 にj 伝特をおよぼすことである 。進 化 l 二l 刻述のない般の l 羽生生物の遺伝チ 調 節 タンパクでも. lつ の細胞 に導入すると協同的に働くことが尖験でポされている。 これ は•

!ji!;'.I｝＇.機十/IJ の山 い1~~｛.r: 1 立 を反映している。桜数の機能をもっ辿イ云− f , U / . J節タンパクが．ほ

：

かの逃伝 子訓 節 タンパク 1 下 .i l ¥ l ； 写基本凶子．介在 l l ; fイ＂ RNAポ リメラーゼ． クロマチン

修f i l i l 酵素併と i l l 動 して働くしくみは．進化_ I .厳 し い制約 と な ってきた と思われる。 −

ォワード経路で筋形成タンパクと組んで働き目 筋細胞の構造遺伝子群の転写をさらに活性化し， それとともに 筋形成遺伝子鮮の転写を維持す る別の正のフィードパックループを形成する。 (A ；写真提供 Stephe nTapsco 札 H aro l d W e i n t r a u b .B ;J . D . Molk e n t i nandE . N .Ol s o n ,

P r o c .N o t / .A c o d .S c i .U . S . A .9 3 : 9 3 6 6 9 3 7 31 9 9 6

より改作。Na【i o n a lAcademyofS c i e n c e sより 詩諾）

専門化した細胞を作り出す分子遺伝機構

465

この考えによると ． 細胞に新しい . i 1 ' l 伝子−調節タンパクが力I I わ ったときの修科は．そ の細胞の庖腔によ って興なるはずである。 細胞内に存在す る泣伝子· ，u.1rn~ タンパクは .

i I 試 航 空

r

によって決まるからである。 したがって．細胞は発生 i l l 訟の初期l には辿｛ムー 発現を変えず に－ j_illの遺伝子調節タンパクを格納する 。 必~・な泣伝子湖節タンパクの以後の l つがそろ

−

う と 調 節 情 報 が 完 成 し 泣 伝 子 発 現 が 大 き く 変 わ る。 l i ' j . の訓節タンパクを加 えたとき 引 き起こされる．繊維芽細胞から筋釧 JI包への！~IJ (I甘な転換は．このような機併で説明 できる 。

また． 第 2 2 1 ' . ；をで論じるが．溺I I 胞が発生途上で特定の述命に方向づけさ れ る殺l l l J i ' . l i た .定 （ c e l

' tを発現して い く細胞分化 （c e l l de t ermi n a t i on）の過程と ．方向づけされた細胞が特民的なでH di 仔e r e nt i a t ion）の過穏の重袋な述いも．この機構で 説明 される。

1つの遺伝子調節タンパクが器宮全体の形成の引き金となりうる

u 核生物の遺伝子では組み合わせによる調節が際準だが．適切な組み合わせを光成する役 者l j をもっ lつの逃伝子調節タンパクが．遺伝子 l 作全体 のオン ・オフの切り併えを決定し． 細胞の型を変えることも見てきた。 この劇的な例がショウジョウパエ．マウス ． ヒトの l I

医細胞

伊 う 日

｛ ） ③ 目

F i g.7-76 発生には組み合わせによる遺伝子

調節が鑓要である。少数の遺伝子調節タンパク の組み合わせにより．発生過程でさまざまな細

。~9 む~Q

胞が生じる。この単純で理想的なモデルでは． 対になった異なる遺伝子関節タンパク（丸の中 の雷号で示す）のどちうを作るかの ・ 決定．は． おのおのの細胞分裂の後に行われる。涯の中で の相対的位置を感知して. I 荏の左置J Iに生じる娘 細胞はつねに 対のうち偶数香号のタンパク質 を合成するよう忽銃おを受け 右側に生じる銀 4

細胞l e t奇主主雷号のタンパク質の合成を誘導され る。逓伝子関節タンパクの合成l e t . 一度開始す ると無限に継続すると仮定している （F i g .7 -68 参照 ）。このように。細胞の記憶を過して段終 的忽組み合わせによる特異化が段階的に総築さ

c l : . 5種類の遺伝子調節 れる。この仮怨の例で l タンパクが 8つの最終的細胞型（G∼ N）を作り 細胞 G

細胞 H

細胞 1

細胞 J

細胞 K

細胞 L

細胞 M

細胞 N

出している。

466

7 遺伝子発現の調節

成虫の限になる 細胞群

成虫の脚に怒る 細胞群

（ 赤 色l < l :Ey遺伝子を発現している細胞を示す）

ショウジヨウ パエの幼虫

ショウジヨウ パエの成虫

正常主主ショウジョウパ工

Ey遺伝子を! W の前駆細胞で 人為的に発現さぜたショつジョウバエ

( A )

( 8 )

F i g.7 -77 ショウジヨウパエの却の前駆細胞

の発生の研究で見つかった冶伝子調節タンパクで．ハエでは Ey( E y e l e ssの 附）. rr+mrr~1物 では P ax6とよばれている。 しかるべき状況で Eyが発現すると. IHi 智i の細 胞 が で き る だ

ができる。 で Ey遺伝子力t発現すると御に彼自R (A）ショウジョウパエの幼虫で. E y遺伝子が正

常に発現した場合（ l i :）と．闘に r < I . るはすの細胞

けでなく．さまざまな般預の細胞が三次元~1111 にき ち んと配位された ~if'(\ ( 1 1 ）ができるの

y遺伝子も発現さぜた場合（右）に で人為的に E

である。

生じる結m を表した綴式図。（ B ）復限のついた

Eyの役割l のみごとな J 1 E 拠は．ショウジヨウ パ エの実験で示された。発 生 の 初 J U I に

y . i f l :伝チを人為的に発現させたところ. ~＼＇.－＇ii＼•な j世（J.; − （発現により 脚を作るはずの細胞で E

異常広脚（ F i g .22-2も診照）。 (B；，写真提供： Wal t e rG e h r i n g )

脚 に 被I U l ができたのである （ Fi g・ 7 -77）。 ショウジョウパエの｜肢は数千もの細胞で構成されており ． 遺伝子，湖節タンパクがど のようにして器官全体の構築を協調させるのかは．発生生物学上 ifi.~ な｜！日姐である 。 第

22￥ で 論 じ る が．こ れ に は 細 胞 内 の 遺 伝 子 調 節 タ ン パ ク だけでなく．制）j 包U I J羽l 任作

mも

f J lを直 関係している。 ここ では. Eyはい ろ い ろ な 泣 伝 チ の 調 節 鋲 械 に 結 合 し て ． そ の 発 . 接制御すると記しておこう 。 Ey が制御する遺伝子のなかには．別の遺伝 fの1em を＇~~~~

する調節タンパクの j i 1 伝− f -もある。 さらに．これらの調節遺伝− − ｛産 物の な かには. E y自身 に作用して．細胞が分裂 し て さ ら に 分化しでも Eyタ ンパクを合成し続けるための正のフ ィー ドパックルー プを作るものもある （ F i g.7-78 ） 。 この よ う に た った lつ の 調節タン

1村l . ! J ； 作 パ クが働いて遺伝子調節 タンパ クの述j J ' i : f i ' )耐 と 細 胞 1

mの機構に永続的なスイ ッチ

が入り．さまざまな細胞昨が務然と形成される。 この J J ; ( F l lを繰り返して．似維な生物が部 分 ごとに組み立てられるようすを想像できるようにな った。

シグナル

F i g . 7-78 ショウジョウパエの眼の発生を指示する遺伝子関節タンパク器。T o y ( T w i n o f e y e l e s s）と E y( E y e l e s s )I d :，類似した遺伝子関節タンJ Cク Toyおよび Eyを作る。こ

のどちらかが正規の場所以外で発現すると．そこに限が形成される。正常広限の発生 では， E yの発現に T o y遺伝子を必要とする。T o yによって転写がいったん活性化すると． E yは So( S i n eo c u l i s ）と E y o( E y e s o b s e n r ） の転写を活性化し．これらが協調して Doc ）遺伝子のスイッチを入れる．緑色の矢印で示すように，遺伝子調節タ (Dachshund

ンパクの一部は一連の運動する正のフィードパックループを形成し．限の発生過程を yタンパクは水晶体のクリスタリン．ロドフシンその他の光受容タンパク 補強する。E

溢伝子に直俊結合することがわかってい の遺伝子忽ど線の発生にかかわる多数の槻的i る。 （T .Czernye ta l .M o / .C e / /3 : 2 97 3 0 7 ,1 999より改作。El s e v i e rより併路）

／

467

専門化した細胞を作り出す分子遺伝綴構

シトシン

脊椎動物の細胞が分裂するとき DNAのメチル化パターンが受け継がれる

r

これまで．タンパク質が DNAに結合する . i l ' . t（ ぷ 転写調節を重点的に見てきた。 しかし

DNAl’l 身も ）~；｛Tltt合で修飾できるので．次に修飾による遺伝子発現の；』刊行を凡ていこう 。 脊~（［；動物の綱1111包では．シトシンのメチル化が泊伝チの働き方を子孫細胞に引き継ぐ重裂な

機緋にな ってい る。 シ トシンのメチル化型である 5 −メチ ルシトシ ン （5 −メチル C）とシト シンの関係は．チミ ンとウラシルの 関係と J1iJ じであり．メチル化 されても J'.:.U~対形成には l~~科しな い （Fig .

7-79） 。脊椛動物の DNAでは. DNAのメチル 化 （ DNAmethy l a t i o n）は

。

テメチルシトシン

o苛

F i g .7-79 5 ー メチルシトシン l ま，DNA二重5

せんのシトシン庖基がメチル化されてできる。

CG 配列 iJ• のシトシン （C） ヌクレオチドに｜拠られており．この配列は DNA らせんのもう

脊惟動物では．このメチル化は CG配列中にあ

-1 ］ ＂の鎖の同じ配列 （ 逆方向）と温基対を形成する。 したがって. DNAのメチル化パタ ー

ヌクレオチドに限られる。 る特定のシトシン（ζ）

ンは 単純な機構で娘鎖 DNAに直接受け績をがれる

維持メ チラーゼ （ m a i n t e n a nc emeth y l -

t r an s f er a s e）は．メ チル化されている CG配列と温必対形成する CG配列に優先的に作

m

するので．毅j J ' iDNA のメチル 化パターンが娘鎖 DNA のメチル化のj)j~ となり ．複製後 も受け継がれる （F i g. 7-80 。 ）

DNAのメ チル化パタ ー ンの安定な縦糸は．維持メチラ ーゼで説明で きる。一方 ． ；動物の発生過ねでの DNAメチル化パターン は動的である。受t i ' J 1 ' ( 1 1 ( :にゲノム全体 で 脊制i 悦メチルが起こり .DNAか らほとんどのメチ ル基が外される。 この脱 メチルは． 波状の j 維持メチラーゼ活性が抑制さ れて DNA絞製のたびにメチル基が受動的に失われたり．特 ~~的脱メチル静索が働くためらしい。 発 ~t が進むと ． 塩基配列特異 的 DNA 結合タンパク

により DNAに引き得せられた新規修飾 DNAメチラーゼ （ denovoDNAme t h y l t r a n s f er a s e)

1 1 1 ： が．隣接した CGヌクレオチドをメチル化し新たなメチル化パターンを榊策する。 い ぷわっていく 。 った んできあがったパターンは維持メチ ラーゼの働きで DNA複製 ごとに｛ 1HW動物の綱1111包では DNA のメチル化がいろいろに活用さ れる 。 iはも 'li~ な役；切は．

ほかのill伝子発現調節機十／It と i1W~ して jffi(I：にチ係細胞に伝わる効率的なill伝子発現綴式を f i t ( （立する こと である（ F i g.7-81 ） 。 これでイ~~な .il'.t 伝子が強く抑制 されるので． 脊.fli：動物

の泣伝子の転写述 J 立には組織によ って 1 06併もの泌いがある。 i l l伝子の発税状態と非発現

状態との転~：速度の迎いが最大でも 約 lOOO fl~ね伎の細菌 と 比べると. 1Hft動物 の ~J！発JJL

. i l ' . t伝子は． 転写の ”もれ” のJ 立合いがはるかに 低い。

F 』g .7 ・8 0 DNAのメチル化パターンが正確に

安け継がれていくしくみ。脊縫動物の DNAで は ．

CG配列中のシトシンヌクレオチドl まメチル化 i g .7-79参 照）． メチ されていることが多い（F ル基があると働くメチル化醇紫（維持メチラー ゼ）が存在するため. DNAのメチル化パターン がいったんできあがると．図に示すように． そ 喜子孫 DNAに受け継がれ のメチル化パターン1 る 。

れ さ

た

化ン

ルシ

チト ／ メシ ／ ／

CH1

T

A C GT A T C GT

． − ． − ． − − ． − ー ・ ． ・ ． ・ ・ ． ・

A 仁 G TA T C G T

5 ’

3’

3 ’

5’

T G CA T AG CA

メチル化

ヲ

． − ． − ． − − ． − ． ・ 圃 ・ ． ・ ・ ． ・

3’

T G CA T AG CA

T

3一／G

CIc

T − − A − − T − − G − −

− −

圃 ・ − −

・ ・ A

G A T A C

ち’

3’

5 ’

CH1

3’

c｜む

G てン ＼ ＼E れシ 、 A T ﹁コ、 3

U

さト

化シ ，v 引 ・1 チな 、 ，

メい

． ．

CH3

DNA複 製

t 量得メチラーセに 際別されない

総j 奇メチラーゼ に f t ! Jl j される

3

仁H 3

A C G TA T C G T

． − ． − ． − − ． − ． ・ ． ・ ． ・ ・ ． ・

A CG TA T C G T

5 ’

3’

3’

5・

T G CA T AG CA

~H3

メチル化

． − ． − ． 圃 圃 ． ー 圃 ． 圃 ・ ． ・ ・ ． ・

5 ’

3’

3 ’

5 ’

T G CA T A G CA 仁H 3

468

7 遺伝子発現の調節

DNAのメチル化が遺伝子発現を抑制するしくみの詳細はわからないが．次 の 2つ の機俄は 1 91 らかにな って いる。 i l l伝子のプロモーター飢域あるいは調節配列の DNAがメ チ ル化 されると ． 転 り l l f l! t . iに必要なタンパク l 洋のがi 介 が1 （接 1 ＇ 妨げられ．また．メチル化

DNAに特j 略的に結合する ー 併のタンパク質が （ F ig .7-81参m o . ほかのタンパク質の扱近 Q [ Jl :している をI

ヒトにと っ て D NA のメチル化が吊：~なことの表れの l つは．がん の進

行にはこの機構のぶりがJ ム純にかかわっていることである （ 第 20市）。

DNAメチル化 による i l l伝子のサイレンシングについては. . l j d ; ' kで後に X染 色 体 不

l l 伝 子 のサイレン シングを論じるときにふれることにしよう 。 そ 活 性 化やほかの大劇伎な i の1 l iにまず. DNA のメチ ル化がゲノム に l;l3~平をおよ lますしくみをいくつか述べる 。

ゲノム刷り込みは DNAのメチル化に基づいている 附乳まれの細胞は父殺から受け継いだ遺伝子と l 伴えから受け継いだi l l伝チを l盆l ずつもつこ れ写体で． どちらから受け稿者いだかによって発現の民なる j 立伝 子が少数ながらある。 父 親 か ら受け縦いだ遺伝一 f ー がiM t ： をもち付税からの泣伝

r が休 l 卜 ．しているときと .i 些の場合と が

genomici mpri n ti ng）と いう 。 よく v r f ’先された例がイン ある。 この現象をゲノム刷り込み （

遺伝子発1 見をj 印刷する 遺伝子関節タンパク復合体

ヒス トン．続み取り．タンパク

Fi g .7-8 1 いろいろな綴構が安定忽遺伝子抑

制に関与している。この模式図の例では．ヒス トン銃み取りタンパクと書き込みタンパクが遺 伝子銅節タンパクの指示を受けて， I Q ! 用I J ! ¥ : iクロ マチンを作り上げる。新規修飾 DNAメチラー ゼがヒストン銃み取りタンパクにより DNAに 引き窃ぜられて近隣のシ トシンをメチル化する と．そこにメチル化 DNA結合タンパクが結合 する.ONA復製の過程で修飾された（宵い点 で表す）ヒストンが娘染色体のどちらか一方に ~Iii.JI修飾 DNA メチラーゼ

受け継がれ．各~N染色体で同じパター ンのクロ

マチン修飾が湾悦E 草されていく（ F i g .5 ・39参 照 ）。岡崎に. F i g .7 8 0に示したぬ仰が働を． 両方の般染色体が同じメチル化パターンを受け 継ぐことになる。この 2つの継承機協は. DNA メチル~

メチル化がヒス トン曾き込み醇紫の活性を刺激 する忽ら織強し合う 。 この模式図で.~染色体

がヒス トン修飾と DNA修飾の両方を受け総ぐ ことを鋭明できる。また染色体に治って広が りやすいクロマチン修飾があることも説明され る（ F i g・ 445要 重照） 。

専 門 化した細 胞を 作り 出 す 分子遺 伝 機 構

469

ρ ρを ま っ た く 発 現 し な い マ ウ ス は 正 常 マ ウ ス の 半 分 の 大 き さ

ス リ ン 機I 怜殖因子−2 ( ins u l i n l i k eg rowt hf a c t or 2 . IGF2 ）の遺伝子（担 ）で あ る。担 戸 は 出 生前の成長に必要であり．担

で~I~ まれる。 ただし父親由来の lgf2 だけが転写されこの現象に重要なので．それに変

興 の あ る マ ウ ス は 発 育が 妨 げら れ る が． 以来J l r li : U との l gf2逃 伝 子 に 変 呉 が あ っても I f :常 に 発 育 す る。 初J U J J 応 でj , f j lり込みを受ける i l l 伝 子 は．車内子ーの染色体 由来 か 卵 の 染 色 体山来 か に よ っ が 決 ま る。 その結」＋！：. DNAの メ チ ル 化 は て メ チ ル化 のされプJ

2つ の l i J -i l i 伝了ーを総別す

る去1 J i : 1 1となる（ F i g .7-82）。 刷 り 込 ま れ た 遺 伝 子 は． 受 精 直後 に 起 こ る 波 状 のl 悦メチル（ p .

467参 ！！のから守られるので．体細胞はこの刻印をもとに 2コ ピー あ る 泣 伝子 そ れ ぞ れ が 総マウス

I l l ! マウス

遺伝子 Aの刷り込みが あった対立遺伝子

、 〉 ・

両親は遺伝子 Aの同じ 対立遺伝子を発現

「~戸 干干干

子 一 父親から受け継いだ絶体 − ｛ 占占占

遺伝子 Aの発現する 対立遺伝子

体細胞

体細胞

／／＼

生殖細胞における尉り込みの解除とそれに続く減量豊分裂

／＼、 経型の閉jり込み

雌型の制り込み

、 と . ？ − ・

炉＜

干. ＇ − ＇ .

. . 品 、−

ー

仔マウスでは遺伝子 A の 異怠る対立遺伝子が発現

， ，

mRNA

··－~「‘

仔マウスの体細胞

仔マウスの体細胞

F i g .7-82 マウスにおける刷り込み。図のいちばん上I d :雌経の成体マウスの体細胞の 1対の4 目同染色体を示している。この伊j では.2匹とも上側の相同染色体を

父親かう白下側はE 号親かう受け継いでおり．父1 見由来の刷り込みがあった遺伝子（オレンジ色）はメチル化されていて発現しない。母親由来の同じ遺伝子（黄色）は 発現している。下の図に．この 2匹のマウスの交雑の結果を示す。生殖細胞が形成する過程で．減数分裂が起こる前に刷り込みが解除された後．生殖細胞が発 達すると ． ふたたび性に特異的恕刷り込みが起こる（真ん中の図）。雌から生じた卵では.~伝子 A のどちらの対立遺伝子もメチル化されていない。雄の精子で

は遺伝子 Aの対立遺伝子が両方ともメチル化されている。図のいちばん下は．仔マウスに受け継がれる可能性のある 2つの刷り込みを示し．左のマウスは親と 同じ刷り込みパターンに怒るのに対し．右のマウスは逆のパターンに私る。遺伝子 Aの 2つの対立遺伝子が奥なる場合遺伝子 Aの 2つの対立遺伝子の塩基配

i ' 1 いにより仔マウスの表現裂は異なってくる。刷り込みにより遺伝法則の例外が現れることに芯り．マウスでは数百個 列が完全に同じでも刷り込みパターンのi の遺伝子がこのよう忽影響を受けると考えられる。しかし．刷り込みが起こるのはマウス遺伝子のごく一部なので。メンデルの法剣はマウスゲノムのほとんどに 対して成立する。

470

7・遺伝子発現の調節 V吠 間 ”

，P

母親から 受1 1 鐙いだ

l g f 2遺伝子

インス エンハンサー レーター

染色体

F i g . 7-83 マウス l gf 2遺伝子の刷り込み告書纏。 T C Fとよばれ 雌から受け継いだ染色体では. C るタンパク質がインスレーター（ F i g . 7 6 2参照） に結合し．エンハンサー（ 緑色）と l g f 2遺伝子（オ レンジ色）悶の情報伝達を閉止するので，母親 から受け継いだ染色体からは I G F 2I 立発現しな い。刷り込みにより雄由来の染色体のインスレ

ー ／； ？＼

父親から

l g f 2遺伝子

染色体

インス エンハンサー レーター

T CF ーターはメチル化むれている。このため C 受け継いだ

タンパクの結合が妨げられてインスレーターが g f 2遺伝子の 機能し是正いので．工ン八ンサーが l

転写を活性化する。刷り込みの別の例では 遺 伝子の転写に必要芯タンパク質の結合がメチル 化により妨げられ．遺伝子発現が閉止される。

どちらの税に！ I H I ーするかを．記憶．し．それに従って発現を調節できる。一般に．メチル化 の刻印は近くの i l l 伝子の発現を休止させるが. I 刷こ活性化する場合もある 。たとえば担ρ の場合は．父税 l 土＇＊＇の染色体のインスレーター

（ F i g .7-62参照）がメチル化によ って機能

立慨にあるエンハンサーが I g f 2i l l伝子の転写を活性化する。 母親 l b米の染 せず．離れた i 色体ではインスレータ ーはメチル化されていないので．転写が起こらない （ F i g .7-83）。

l 1 l リり込みが何ゆえに存在するかは謎である。脊; f ' f ( I動物の場合．刷 り込み現象は布！！？？

A

費削1 1 J 乳類に l l Mら ており ．刷 り込まれる遺伝チの多くはl 治児の発育に関与している 。 1： リ り

込みは．少しでも大きな子孫を残したい維と大きな子孫を宿したくない雌との進化的闘争 の妥協点を反映しているという考えもある 。 U的が何であれ刷り込みは J : ' ! i l 基配ダj l以外の DNAのq 守徴が受け継がれるという術般的な事実を表している 。

晴乳類では，CGに富む“ 島” に多数の遺伝子が存在する DNA修復隣家が働くしく みから見て．メ チル化 C ヌクレオチドは進化の過程で除去され

やすい。 メチル化されていない Cが偶然に脱アミノすると．普通は DNAに存在しない U になる （ F i g .5-45参照）。 これは，ウラ シル DNAグリコシラ ーゼという DNA修復隣家に よって容易に織別されて切り出され. Cと1 l lき換わる （第 5￡ 4。 ） ところが. 5−メチル Cが 偶然に脱ア ミノしでも この方法では修彼されない。脱アミノの産物は T であり. DNAに 元からある T と灰別できないか らである。 この変興によって生じた T ヌクレオチドを除 去する特別な修復系が存在するが. J ) 見アミノの多くは検出されないので，メチル化した C は．進化の過松で Tに変興していく 。 その紡」！！：.進化の過程で CG の 4 分の 3 以上が失われてきたので．脊材I~ ! f d J 物には

CGが板端に少ない。残っている CG配列はゲノム内にきわめて不均一 に分布しており． CG島 （ CGi s l a n d ）とよぷ 1000∼ 2000温法対の長さの特定の領域に．平均の 1 0∼ 20倍 の管度で存在する 。CGぬは．いくつかの民投：な例外はあるが． どの細胞型でもメチル化 されないままのようである。CGぬは．い わゆるハウスキ ー ピング遺伝子 （ hous e k e e p i n g

g e ne ） .つまり細胞の生存に必須の多数のタンパク質を作り 出すゆえにほ とんどの細胞で 発現する i l l 伝子のプロモー ターの周辺にあることが多い （ F i g .7-84） 。 この CG向 （ CG塩基対の CGと区別するために CpGぬとも 1l！＇く）の分布は．脊＋u~ 動 物 が. DNAを転写ーできない状態を維持するために CGメチル化を採用したと仮定すれ ば目説明できる（ F i g .7-81参照）。脊椎動物で 5 −メチル Cから Tへの新しい変災が次の世 代に受け継がれるのは．生殖系列細胞 （卵や精子になる 細胞系譜） だけである 。 干州~動物の

生殖細胞の DNAの大部分は不活性で目？ ： ＇ ，j伎にメチル化されている。長い進化の過料で．

4 7 1

専門化した細胞を作り出す分子遺伝機構

CG~

イントロン

／

． （ィヘ 5 ’

／＼

RNA

DNA

の四角形I d :各 CG島の範囲を示す。附乳類の多 くの遺伝子と岡般に（ F i g. 6-2 5参照），工キソ

3 ’

． 5 ’

．

ジヒ ド ロ葉自主還元静繁の遺伝子

F i g. 7 -84 附乳煩の 3つのハウスキーピンク・

遺伝子のプロモーター周辺にある CG島。黄色

ン（波赤色）がイントロン（ 淡赤色）に比べて非常

・

ヒポキサンチンホスホリポシル基転移醇紫の遺伝子

RNA

I

I

I

・ ・

1

DNA

に短い。（ A P .B i r d ,T r e n d sGene . t3 : 3 4 2 3 4 7 , 1 9 87より改作。E ls e vi e rより許認）

3’

リボソームタンパクの遺伝子 I II

5 'E

DNA

I

RNA

ー＋

3 ’

1 0 , 0 0 0題基対

これらの不活性な領域のメチル化された CG配列は. j ，凶然起きた脱アミノが修復されず． 宣伝子（ほとんと’ のハウス 失われていったのだろう 。 し か し 生 殖 系 列 細 胞 で 活 性 の あ る i キー ピング泣伝子を含む）のプロモーターはメチル化されていないので．偶然に脱アミノ が起きても正しく修復される c このような鎖械が現存する脊椛動物細胞の CGぬとして残 ったのである（ Fig.7-85）。 また．成体の遺伝子の機能や調節を損なう CG配列の変興は 選択されないだろうから．これらの遺伝子では重姿な CG配列が通常以上の？制立にな った 結栄存在する CG応もあるだろう 。

l l f f i 乳類のゲノム には推定 2万 例 の CGJ みがある。CGi : bの多くは. i i 伝' . 1 ; :1 r . 1 立（治伝子 と考えられる部分）の 5 ’末端側に存在する。CG1 : bの存冶：により ．脊f f f n f 0 1 物ゲノムの O NA 塩基配列では遺伝子が同定しやすい。

工ピジ‘ エネティ ック機構により ，安定した遺伝子発現のパターンが娘細胞へと受 け継がれる す でに見たように．生 体 の 細 胞 は いったん特定の細胞型に分化 するとその状態を維持す るのが普通で．娘細胞もその特徴を受け継ぐ。肝細胞．色素細胞． 内皮細胞など（第 23市）

1 す。分化した は，個体の一生 を 通 じ て 何 度 も 分 裂 し 正 確 に 同 じ 細 胞 型 の 似 細胞 を作り 1 細胞は．特定の遺伝子発現のパターンを記憶 し 細胞分裂を通じて子孫に伝え続けている に違いない。 娘細胞による”記憶”の方法のい くつかはすでに述べた。 f 誌も簡単なのは正のフ ィー

i l : 伝子湖節タンパクが直接あるいは間媛的に自身の遺 ドパ ックループを通じて．鍵となる : F i g .7-68 .769参 伝子の転写を活性化する方法である （

脅縫動物の姐9 & のDNA

m o。 I Eのフィー ドパックループが

仁メ

列ど

のが

系ん 殖と 生ほ

−E− a − − − EEEBEBE−−− E

に増す （ F i g .7-758, 7 78） 。 また. DNAのメチル化 が子孫に遺伝子発現のパタ ー ンを伝え る手段となることも前述した （ Fi g .7-80参！ ！ 日） 。

園仏 陥

圃聞 の さ 苦化 圃 圃 配ル 圃 Gチ

圃

・

連動すれば．泣伝子調節タンパクの波！立の変動がやわらげられ. ill王~回路の安定性がさら

＠骨””骨・ ・，−」 ・ ， ，圃圃ー−・ ・ ー p p

.l.__l-1-l. ムムムムムム斗_J_

E

F

1 . .

l

f i i J E i J J ! F t . の進化

F i g .7-85 脊縫動物ゲノムに CG配列が極度に少ない半面. CGSとしてまとまって

存在することの鋭明。黒い縦線は庖基配列中の CGジヌクレオチドの位置を示し．赤 脊維動物の DNA

写される遺伝子の調節配列に存在する CG配列はメチル化されていないので進化の

二 主

o : o : : c ロ

過程で保存されやすい。一方．メチル化された CG配列は．その CG配 予I J が生存に組

a :い限り白s −メチル Cから Tへの脱アミノにより失われやすい。 要でt

CG島

・主

い丸のついた縦線は CGジヌクレオチドにメチル基があることを表す。生殖細胞で転

472

7 遺伝子発現の調節

: I Eのフィ ー ドパックループと DNAのメチル化は網｜｜｜判と f l 絞生物の， 可 ，｝ jに共通だが． J't般生物は細胞の分化状態をや•I I l：代にもわたって維持する日j lの手段も利川できる 。 ¥ : l ' }4章

で見たよう に． クロマチン f i ' / t i l iI ’ l 休 が税調I I 胞 から娘細胞へと 1 E 般に伝わる。 この機W tもい くつかあるが. 1 止も N l i l i iなのは J HI結合によるヒ ストン修剣i である。 すでに比たように． この修飾が・・ヒストンコード．． を 形 成 し 修 飾 パ タ ー ン のi 主いによって与もなる，：；.：み取りタン パクの結合；i~il位になる 。 次にこれらのタンパク質が·＇~き込み隣家として働き （あるいは告

さ込み両手議を引き寄せ）． まずその際議を引きつけたまさにその修飾パターンを桜製すれ ！ ！ 日） 。 ある ば． クロマチンのi首位~fiJ或と休 1 1二領域の分布が＂：確に （~ えられる （ Fig. 5-39参 意味では． ヒストンの n 己維持 （ I ］ （修 飾 は一純 の 1 Eのフィードパックループであり. DNA に｜対述はするが塩基配ダl j の｜ 則’ j .はない。 I 胞に存在していた泣伝子発現総式の記憶を娘細胞が引き継ぐのは． エピジェネ 税調]

ティ ック機構によ る継承 （ ep i genet i ci n he r i t ance ）の一 例である 。 この

l < . mの立l味は生物学

孟基配列の変化に起 l 刈しない の分野によって微妙に典なるが．ここでは広義に. DNAのJ

l l伝的，＂＜；；.災としよう 細胞または生物の表現瑚の i

（ F i g .4-35参 ！ ！ 日） 。 エピジェネティック変

化の似J!r：にある紋も耳！~な機仰を 3 つ論じてきたが．

ほかの機怖もがit：する （ Fi g. 7-86 ） 。

細胞はしばしばこれらの機械を組み合わせて．ヒト の場合 1 0 0＂＇三かそれ以

l 二にもわたり ．

遺伝チ発現のパターンを維持し J E般かつ確尖に受け綜：いでいくのである。

キ1 1 1 ：紀以上もの l l J J . DNAが i l l ( i ・情報を巡ぶということばかりに関心がもたれてき た。 それはそれで正しいのだが．

ヒトの染色体は DNA のYii~.！：： rii!91J 「！体には合まれていな

mり

いエピジェネティック的慨もたくさん i l l !んでいることがI Y Jらかになってきた。 一例カ｛ 込みだが．

ヒトの 2 つある遺伝 r のうち － ｝j だけがヲMl.する ljl.一対＞l：迂ti.1-~ r ~M』（ mono-

はが

Aい A

れ

さ 成 合

る

貨は質 クれ ク

ン成ン タ合タ

パさパ

−E−− E EEE 会 V

ドプ 一 −

イル化 フク性 の ツ活

正パが

〈

－＜ ~ぬ

新しい遺伝子 発l . l l l 霊式の

継承

( A )

正のフィードパック

DNAの

メチル化

( B )

， メチル化されてい思い

I

DNA領 峨

’メチル化された I

ヒストン修飾

， WI: 状態への ｜ 立体偽造の変化 I

正常広折りたたみ 備遣のタンパク質

’ 異常な! I iりたたみ備遣のタンパク質 ，，ーー『、、 ／（ プリオン）

DNA領 媛

d

（言 語） ＜ −~t~鍛造

(..J“ゐ“~ ＼ ＿＿＿／ 新しい DNA l 雫警守 Fjベ、 メチ附バ ¥ ••••••• I 、 ターンの＊！！~

F i g .7-86 生体でエピジエネテ ィック形式の 継~をもた 5 す 4 つの機摘。（ ヒ ス ト ン修飾の

継承については F i g . 4 -5 2参照．タンパク貨の ( C ) DNAのメチル化

( D )

タンパク質の凝線状態

5診照） 立体構造の継承については F i g ・ 6・9

専門化 した細胞を作り出す分子遺伝機構

473

a l le l i ce x p r e s si on）もその例である 。多くの；遺伝子では．対立迫伝子のどちらが発現しど ちらが休止するかは偶然に決まるが．いったん決まればそれが子孫細胞に受け継がれてい く。次J j ' ［ で ・ .x 染色体不治性化におけるこの現象の極端な例を見ていこう 。 ヒ トで偶然に環境要因で誘発されるエピジェネティック変化の正｜床の影響は． 一卵 年基配列をも つ が．ヒストン修館i tと 性 双生児を比較するとわかる。2人のゲノムは同じ j DN Aのメチル化パターンには述いがたくさん観察される。 これらの逃いは年齢だけでな く， 2 人が目！~れて過ごした JUJ 問と も大まかにHI ！則するので，環境因子も述いの版図になる

と考え られる（ F i g ・ 7-87 ）。エ ピゲノム（ e pi genome ）の研 究は始まったばかりだが．紺I l 包が

F i g. 787 磁れて育てられた一卵性双生児。

環境事象を恒久的に登録できるという考えは興味深く，次世代の生物学者に重要な課題を

（写真提供。 Na nc yLS e g a l )

突きつけている。

染色体全体に広がったクロマチン構造の変化が受け継がれる クロマチンの状態と DNAのメチル化が受け縦がれ．構築された逃伝子発現様式は何世代 もの網！Ill包で維持されることを見てきた 。 このl：~斡のおそらく：M も顕著な例がllflj乳類にみら れ．染色体全体のクロマチン椛造の変化がその染色体の金泣伝子の発現）~：：を 訓節している 。

雄と雌では性染色体 （ s e xchromo s ome ）が典なる。雌には 2本の X染色体があり． ！！~には X 染色体と Y 染色体が I本ずつある。 したがっ て 雌 の細胞には維の細胞の 2倍

の X染色体遺伝子がある 。1 J 1 l 1 乳類の X染色体と Y染色体の遺伝子の内平等はまったく異なり． X 染色体は大きくて 1000個以上の遺伝子を含むのに対し， Y染色体は小さく巡伝子は 1 00

個以下である 。｜ ！日 ！ 乳類で、は逃伝子抗補償 （ d o s a g ecompens a t i on）と いう 雌雄問の X染色体 逃伝子産物の盆を等しくする機構が進化しており．これを妨げる変説は致死的である。 し たがって X染色体と常染色体（ a u t o s o m e . 性染色体以外の染色体）の泣伝子産物の的確な 比が生命維持に欠かせない。

J 1 1 l乳類は．雌の体制｜｜胞の 2本 の X染色体のうち l本を転写できな いようにする X 染色体不活性化 （ Xi na c t i v a t i on）により逃伝子i 止を補償す る。雌の￡ 1 1の発生初J P Jの数千個 の細胞からなる ll~'lYJ に，各細胞の X 染色体のどちらかが高度に凝縮してヘテロクロマチ

ンにな る。以前はパー小 体 （ B a r rbody） と よんだ凝縮した X染色体は核！肢の近くに存杭し

1 1 ¥ J J Y J の細胞では光学顕微鏡によって谷易に観察できる （ F i g. 7-88 ） 。X染色体不活性化によ り Iつの核の中に 2本の X染色体が． ｜司じ拡散性遺伝子調節タンパクに I H会っても発現 はま ったく興なる状態で共存できる 。 母親由来 （ Xm）と父親由来（X p ）のいずれの X染色体を不活性化するかの選択はラン ダムだが 以後．細胞分裂を繰り返しでも休止状態は子孫まで維持される。不前性状態は DNA複製と有糸分裂が何回続いても店、災に似たれるのである。X 染色体不活性化は！庄で

数千個の細胞が作られた後にランダムに起 こるため．雌は X＂ と Xmのどちらかが休 l ト ． し

(A )

F i g .7-88 脳細胞における X染色体不活性化＇ （ A）活性のない X染色体だけが X I S T j をもっ蛍光標設 RNAとの i ns i t uハイブリ R NAで夜われているのが．栂補的塩基配事l ッド形成で見える。写真l e t 隣り合う 2つの細胞の核を示している。（B ）同じ試料を． P o l y c o m b群複合体の成分に対する抗体で染色したもの。この複合体I d :X染色体の表 面を怒い．遺伝子発現の休止を促す。（ B .P a n n i n g ,Met h o d sE n z y m o l .3 7 6 : 4 1 9 -42 8 , 2004よ り。 A c a d e m i cP r e s sより許諾）

（ 日 ） 10μm

474

7・遺伝子発現の調節

たクロ ー ン細胞集聞からなるモザイクとなる （ F i g .7-89 。 ） 発生が進んでも姉妹編I胞 どう しは近くに配置する傾向があるので．このクローン集団は成体では小さな塊となって分布

x染色体不活性化の例である。X染色体の l本に毛の色 する。赤と以の”三毛幼” （ 雌）は. を赤くする泣伝子．もう l； 本に巣くする対立泣 ｛云チがあり．ランダムな X染色体不活性 化の結よ~2 つの色のまだら模様になるのである 。 こ の遺伝チ系統の雄ネコ は 母親からど 1 ＼ 一色 になる。 ちらの X染色体を受け継いだかにより赤一色かよ.

X染色体不活性化は何千四もの細胞分裂を通して維持される が．けっして永久では ない。 特に生船細胞形成の l時期には， すべての － 11~体卵4；坤llJ胞が前性のある X 染色体を

もち. x染色体の泣伝子産物を発現できる。 染色体全体の転写が不活性化するしくみは どうな っているのだろう 。X染色体では．

. x不活性 化センタ ー （X-inactivationcenter .XI C ）から不活性化が

X 染色体の＂ ＇ 火 のー百I H 立

始まり周凶に広がる。XJCの産物は XJSTRNAという活1 ' I :のない X染色体で しか発現し な い ー胤変わ っ た 貯~A 分子で.x 染色体不活性化にはこ の発現が必須である 。 XJST 貯~A

はタンパク質に翻訳されずに核にとどまり ．やがて活性のない X染色体を桜ってしまう 。 XISTRNAが XJCから全染色体に拡散する のと相｜ 刻して遺伝子−の休止が広がる ことか ら ， XJST RNAがヘテロクロマチンの形成と拡大を批准すると 示唆される （ Fi g .7-90 。 ） 不思

議なこ とに .X染色体の遺伝子の約 10%は休止せず．活性状態にとどまる。 XJSTRNAの存イ. 1 ：に加え .X染色体ヘテロクロマチンの特徴として．ヒス トン H2A の独特な itt＼~ .

ヒストン H3 と H4 の低アセ チル化．

ヒストン H2Aのユピキチン化． ヒ

初期医の細胞

⑩ ⑬ ン 人 〈轡 ランダムに選ばれた X~色体の凝縮

X

x

⑩人⑩

Xm

⑨人の F i g.7-89 X染色体不活性化。崎乳類の雌では．

このクローンでは x . ， ， の み が活性をもっ

このクローン で1 c i : x ，のみが活性をもっ

活性のない凝縮したX染色体がクローンと して 受け継がれる．

専門化した細胞を作り出す分子遺伝機構

475

F i g.7-90 瞬乳類の X染色体不活性化。X染色 体不活性化｜ まXI((X不活性化センター）座かう

の XIST( X染色体不活性化特異的転写建物） RNAの合成から始まる。 X I S TRNAが雌の 2本 のX染色体の lっと結合するのと相関してその 染色体が凝縮する。匠形成の初期に. XISTの結

e i : .X I 仁座から染色体の末端 合と染色体の凝縮l に向かつて徐々に進行する。この詳しいしくみ はまだ解明されていない。

活性のない X染色体

活性のある X染色体

ストン H3の：｜守定昔1 1 1 立でのメチル化. DNAの独特のメチル化パターンがあげられる （ これ らの特徴が原因としてどう附述づけられる可能性があ るかにつ いては.F i g .7-81参照）。 これらの修飾が組み合わされて活性のない X染色体の大部分が転写できなくなるのだ ろう 。 これら の修飾は．少なくとも 基本的には自己増殖性をもつので．い ったん形成され れば活性のない X染色体が何回もの細胞分裂を通して安定に維持されるようすは考えや すい。 l 浦乳類の X染色体不活性化についてはまだ解明されていないことが多い。どちら

の X染色体を不活性化するかの決定はどのよう にして下すのだろう 。 もう lつの X染色 体が不活性化しないようにする機構はどうな っているのだろう 。XlSTRNAはヘテロクロ マチン形成 をどの ように協調させるのだろう 。X染色体の遺伝子の一部はどの ようにして 不活性化を免れるのだろう。 人鎖の有ー絞の鍵を 担るこの泣伝子・i~:.J節の機椛 lえわかり始め

たばかりである。 雌での X染色体不活性化は． 有セt 生地生物が逃 伝子: h l ；補償を述成する方法の iつ にすぎない。 ショウジョウパエでは．雄細胞に存在する l本の X染色体の泣伝子の大者S I 分が．雌細胞の同じ巡伝子の約 2 倍i1t転写されている 。 この！（1~.dt は．雄の X 染色体全体

のクロマチン椛造の変化に起因する 。X染色体から転写．された 2つの非鰍訳 RNAのほか

n m 複合体”が. X染色体沿いの何百 もの許l l f 立

数. f J （のヒストン修 f i l l i r i ￥.紫昨を含む“逃伝子品有

l ! i . 与を J ( " 1 で 集 合 し 維 の X染色 体の大部分の遺伝子で！｜伝写の 開始またはや｜ト長に影響して l 強するヒストン修飾パターンを作り出すのである。 線虫は．第三の遺伝子公補償戦時を！日いる。線虫の性には雌（ X染色体が l本）と雌 雄I n ！ 体（ X染色体が 2本）の 2種類があり ．雌雄同体の細胞の 2; ; j ； 正 の X染色体それぞれの !I伝'-9＇.を約 2 分の l に減少させて逃伝子以布｜ぽt を行う 。 これは，削UI~ 問体の X 染色体全体

の行＇l t : i f i : 変化によ って もたらされる （ F i g.7-91）。 ショウジョウパエのものとはま ったく災 なか有糸分裂と減数分裂の際に染色体を凝紛させる コンデンシン（ c o n d e n s i n ） 複合体（ Fi g. 1 7-27参照）に似た遺伝子公補償 複合体が．雌雄同体の各 X染色体沿いに集合し．機梢は

不 明だが X染色 体全体の各遺伝子の発現品を通常の 2分の lになるように抑制する。 遺伝 子 i l t 布 i I 償に I lu、る戦略と成分は i r 1 n 乳 類． ショウジョウパエ．線虫で異なるが． いずれも X染色体全体の構造が変化し てい る。有性生損i [ 動物が巡過する逃伝子制節の特

476

7・遺伝 子発 現の調 節

F i g .7-91 線虫

C . e l e g a n sf l l l 錐同体 （ XX） の綴の X緑色体に局在する遺伝子量循償

タンパク。この画像には発生過程の目玉の核がたくさん見える.DNA全体は DNA結合 性色紫 D A P Iで青色l ζ .S dc 2タンパクは蛍光色紫を結合した筑 S d c 2抗体を使って赤

dc 2タンパクが結合する染色体（( j :限定されることを示 色に染色した。この実験は. S しており後にこれは 2本の X染色体だと判明した.S dc 2l c l :X染色体全体に沿って 結合し．遺伝子量縞償復合体を引き寄せる。 （ H. E .Daw e seta l . , S c i e n c e2 8 4 : 18 0 0 1 8 0 4 ,1 9 9 9より。 AAASより許諾）

殊問題を必服するために．進化の過程で将: i l ! l的な染色体f l l t j i lが独立に適応し . f l j川されて

遺伝子発現の調節は本質的にノイズに乱される ここまで．逃伝子発. . F J lは厳術に決定論的な j 必ねであって．｜則泌する l羽節タンパクその他の 即立がわかれば遺伝子の発現 l i :は正確に子忽できるかのように E冶じてき 調節分子すべてのi た。攻尖には．細胞のふるまいにはかなりでたらめなところがある。 この翌日山の 1つは． 環境に不規則な変動があり．これが細胞内の調節分子の波j 立に子 i l [ Jできない変化をもたら すためである 。 また．網II!！包内調節系の後~mすぎるふるまいがJJ;(I刈になる場合も巧ーえら れる。 数理解析をすれば．かなり ir.純な調節系でも f~Jj 御変数に対して非常に敏感になる 11f能性が

あり．たとえば. /1~初の条 件のわずかな泌いが·fU本的に災な る持続的な結決をもた らす こ とがある 。 だが．この l~illlJ できない JJ;t 凶のほかに．議II胞のふるまいすべてがどうしでもあ

る松度ランダムにならざるを仰ない基本的理1 1 r 1 1 がある。

J 包は比較的少数の分子からなる化学：系であ り．例々の分 − ｛の化学：反比；は基本 （ 1 0に 制I ランダムに．すなわち総本命的 （ s t o cha s t ic ）に起 こる。任立の分子は単位l 時間あたり決ま った確率で化学反応にかかわるが． どの 瞬間にも そうであるかどうかは．無秩け： な熱衝突 と以子力学の官｛正常 （10il~llリ次第で予測できない。 細胞内部の沿科を文配する分子の数が少な

いほど. I例の分 fに起こるランダムな化学反応の彩科が大きくなる 。 したがって細胞の

mにある程度の確率的史家があるが．なかに何日端になりゆき f f ：せのよ ふるまいのあらゆる 1 うになる過程がある

9 ＇.の調節は．治伝子のおかれた化学的条件に ／i ＇ .イ i される。調節鋭J 或に転写活 特 に 転' 性化タンパクが結合していると遺伝子が，伝写され．結合していないときは転写が休止する 単純な理想例を与ーえ てみよう 。 調節 DNA とタンパク質の会合 ／ 解出j［反応は!l（~＇私論的に起

こ り ．キ＜＇i介状態の ·1~減JYJ t 1 1 2が 1I 時間だとす ると ．活性化タン パク が解脱する i 1 i lに．遺 伝

子はと きには 3 0分 I l）以，...ときには 2.3 1 1 年H I !かそれ以 l 二, i , f ・ tl ： 化し ている 1 1 f能t i ：がある。 つま り4 ほ' L fは．器本的に . l ! f ；秩序にオンとオ フが切り杯わ る。 ・ 1 . 1 均 切り伴え j 生成な らびに． オン状態とオフ状態に~~やす平均l時 lllJ の比率は．結合反応の k。f( 古代と k。n 他および綱Ill！包内

の ili性化タンパクのi~H立によって決まる。 制II包内に孫右tする .il'.t伝卜｜伝'.!:j＇. 産物の；，1 はそれに

J 応 じて変動するので．似勺：産物の」F 命 が t112 と比べて長ければ変動はやわらぎ．糾ければ ひどくなる。

l l伝 fコピーが発現するときの不規則変動を証明するのに．遺伝子操作で i 例々の i コピーの i l l伝子調節領域を緋色蛍光リポータータンパクを作らせる溢 J t ;配列に i l l紡し．も う l つのコピーを赤色蛍光リポータータンパクの配列に i.'.li紡した~験がある

この 2つの

人＿ ［. i 1 J :伝ー 列立同じ網I l 包 ）l 人l にあり． 同 じ環境の彩杯を受けているのに．両. f l ・ の1 e . f J l: , t はそれ 来，同じ 2つの人じi : i ： 伝チをもっ紺I J包集｜ 刊 の＂ Iに．制色の細 ぞ れ独自に変動す る。そのがi 胞．亦色の翁I l！包目あるいはこの 2色が拠じり合ったさまざまな色合いの＆色の細胞が現れ る（ F i g .8-75参 ！ ！ （ ｛）。一般に，細胞述命の決定が降格論的になされることが多いのは．こ ; 1で． さまざまな組制の l ' I J J f L 球の発 のような不規則変動のためだろう 。 一例 として第 231

さ ｜ て を』命じ る。

しー」 10μm

きたと思われる。

転写後の調節

477

細胞却によ っては制I I 胞のふるまいに． 今述べたようななりゆき任せの遺伝子転写の 訓節によってランダムな変化が起こり．日j lの型の細胞では別の以悶によるランダムな変化 が現れる 。 調節系の ノイズが布 ；If になるとこ ろでは ．そ のJ~号事を松小限にとどめるため特

別な調節機梢が進化してきた。i 1 l f ￡ i :のフ ィードフォワ ード経路はこのような装恨の一例で あり．湖節シグナルの急激な公邸） jの影響を取り除く機能を来たしている。 しかしどの細胞 でも ある程度の無秩序は避けられない。それは．細胞のふるまいの基本的特徴なのである。

まとめ 動植物でさまざまな細胞が作られるのは主として．転写されるひとそろいの遺伝子が細胞 の種類によって違うからである。等同化した動物細胞は．細胞分裂を繰り返しても．また

i 苔養僧殖下でも，固有の性質を維持できるので，各細胞での遺伝子調節機構は．いったん 確立されると安定で，細胞が分裂しても受け継がれているに違い芯い。この特徴は．細胞 による発生履歴の記憶を反映している。細胞の記憶は細菌や酵母でもみられ． 遺伝子調節 機構の研究に有用なモデル系を提供している。 ＼ ックループは．遺伝子調節タンパクに自らの合 直接または間接的な正のフィ ー ド｝

成を永続させることができ．細胞記憶の最も単純な機構になっている。転写回路も．細胞 が論理演算を行い．時間を計る手段になる。単純な転写回路の組み合わせで巨大広調節ネ

f f 発生プログラムを推進している。 ッ トワークが作うれ．非常に精巧なl RNAt i i 写の開始

真核生物では，どの遺伝子の転写も遺伝子調節タンパクの組み合わせによって制御

りン ト RN~~~の

されている。高等真核生物の各細胞型には，適切な遺伝子だけを発現させる一組の遺缶子 調節タンパクがあると考えられる。遺伝子調節タンパクはさまざまな状況で働く可能性が あ り 通 常 1つが多数の異なる遺伝子の調節に関与している。 細菌とは異なり．真核細胞は遺伝子発現の調節にクロマチンの凝縮状態を受け継ぐ 機構も利用し細胞の記憶を作り出す。哨乳類雌の 1本の X染色体全体の不活性化は，

長3；；と 卜叩~:ir

最も劇的な例である。真核生物では DNAのメチル化も受け継がれ遺伝子を休止させる。

H

DNAのメチル化は晴乳類のゲノム刷り込み現象にも関与しており． ここでは遺伝子が母 親由来か父親由来かによって発現が決まる。

を 基本的には.i l l伝子発現の過程はどの段階でも調節可能である。それぞれの段階に調節の r : ] l例が見いだされ．多くの逃伝子は複数の機構で調節されている 。すでに見たように．す

べての遺伝子にと って重要な初節は転写 1 m飴の制御だが． その後の経路で働 く制節 も．逃 伝子産物の合成訟を調整し．産物タンパ クのアミノ酸配列を正確に決める ；場合さえ ある。 RNAポリメラ ーゼが遺伝子のプロモー ターに結合し て RNA合成を始めた後に働くこ の

m( po s t t r a n s cr i p t i o n a lcontrol ）は． 多くの遺伝子の ~o綿布に欠かせない。 転写後調 1

翻訳開始

ドー ー

転写後の調節

頃合により翻訳の 再暗号化

渇合により RNAの安定化

ト

NA分 解

以下．い ろいろなi l ( i ; 写後調節を. i i 伝与 I J f J 始後に RNA分子が経験するであろう順序 タンパク合成へと続 く

i g ・7 -92） 。 に従って考策する（ F

遺伝子発現の転写後調節。タンパク 貨のI N 終的合成率は．原則として図に示すどの 段階でも調節できる。RNAスフライシンク． RNAの編集および翻訳の再陪号化（第 6 章参照） l < l :タンパク質のアミノ酸配列も変えることがで きるので．細胞は同じ遺伝子から 1種類以上の タンパク質を作ることができる。1つの遺伝子 の調節に重要なの l < l : . ここに抱いた段階のほん の一部らしい。

F i g. 7-92

転写のアテ二ユ工ーションは RNA分子の合成を中途で終わらせる 細菌では. i i 伝2 ヲ ・ をlド途で終わらせる転写のアテニュエーション （ t r a n s c r i p t iona t t e nu a t i o n . 転写減衰）という現象により ．ある種の逃伝子の発現が抑えられる こと が昔から知られて

1 1 l t . : 作用して転写を ， − ， ， ， 断させるような構造を いる。新生 RNA鎖が RNAポリメラ ーゼ とf とる場合もある 。 遺伝子産物が必姿になると．調節タンパクが新生 RNA~J'i に結合して転

写のアテニ ュエーションを妨げ． 完全な RNA分子ができる。

478

7・遺伝子発現の謂節

転写のアテニュエー ショ ンは只核生物でも働く 。後天性免疫不全症候群つまりエイ ズの病原体. HIV （ヒト免疫不全ウ イル ス）の生活環で起こる例は研究が進んでいる。Hrv が縮主ゲノムに組み込まれると．ウイルス DNAが細胞の RNAポリメラーゼ I Iによ って 転写される （ Fi g .5-71参！ ！ ｛ ） 。 しか し通 常．宿主のポ リメラーゼは数 百 . ＼ ＇ ＆ ｛ 恭転写す ると l l 伝 写を終了してしまい．ウイルスの全ゲノムは効率よく転写 されない。 ウイ ルス増舶に適し た条件になると．ウイルスがタンパク質 Tatを作り．それが”はみ出た晦基”を含む新生 町~A の特定ステムールー プWtili に結合して Ii I 途終結を妨げる 。q 守定 RNA十位進 （ Tarとよぶ） に結合 した Tat は．数種類のタンパク質を集めて RNA ポリメラーゼによる転~を続行さ

せる。 こ れ らの タンパク質の少なくとも 一部 の 通 常 の 役 測 は目調I l 抱治伝子を転写 す る RNA ポリメラーゼが休JI: して中途終結するのを抑えることである 。 ょ~核生物の多くの遺

伝了−には長いイン卜ロンがあるので，効率的な転写のためには RNAポリメラーゼ I Iが立 Vが l 正常細胞の機構 を 改 ち止まりそう な溢基配列でぐずぐず していては図る。 そこで HI

造し. I倒の ウイルスタンパク によ ってゲノ ムの効率的な転写を制御で きるようにな った のだろう 。

リボスイ ッチは太古型の遺伝子調節かもしれない 第 61 ; 1で.

J J ! . 存 の 細胞がf : J lれる j j l j の地球上では. RNAが辿伝情報の保也・も化学反応の触

b oswi t ch） の発見は．即吋A がi 宣 媒もしていたという見解を 論 じた。最 近のリボスイッチ（ ri

伝チ発現を調節する制御装 i ' ! ' .も作れることを示している。 リボスイ ッチ は．代謝産物 な ど

i 1 Iを変える短い RNA配列である 。各リボスイ ッチはq 守典的な の小分子と結合して立体椛: 小分子を議別し． 立 体構造を変化させて逃伝子発現を淵節する。 リボスイッチは mRNA の 5’末端付近に位世することが多く

m r u サA合成中は折 りたたまれており ．調節小分子

が結合しているかどうかによ って RNAポリメラ ーゼの進行を阻止したり可能にしたりす Fi g. 7-93 。 ） る（

i泊．によくみられ．細胞内の リボスイ ッチは特に網I

m要な小分子代謝産物を！感知して

泣伝子発現を s 制2 をする。その k l 'も顕著な特徴は．各リボスイ ッチが特定の小 分子 だけを識 別するという日い リポスイ ッ チ グアニン

一 転写ターミ ネーター RNA ; f lリメラーゼ

／

( A )

プリン生合成 逓伝子群底二

プリン生合成 遺伝子群 オフ

( B )

F i g .7-93 グアニンに応答するリポスイッチ。 （ A） 細菌のこの例では．リボスイッチがプリン生合成遺伝子

群の発現を調節する。細胞内のグアニン濃度が低いと，伸長中の RNAポリメラーゼがプリン生合成遺伝子 8）グアニンが量豊富にあると りポスイッチ 群を転写するので．グア二ン合成に必要芯醇繋群が発現する。 （ F i g .6-1 1参照）。（ ζ） リ に結合してその構造を変えるので. RNAポリメラーゼは転写を終結せざるをえ広い （

ポスイッチに結合したグア二ン（赤色）。グアニンが結合するくぼみを形成するヌクレオチドだけを示す。ほ かにも多数のリボスイッチが存在し.5 − アデノシルメチオ二ン。繍惨事 R811・フラビンモノヌクレオチド．ア . R .B r e a k e r .N o r .Re以 M o / .C e l lB i o l .5 : 4 5 1 6 3 , デニン．リシン，グリシン忽どを僚別する。（M.MandalandR 200 4より改作。Ma c m i l l anP u b l i s h e r sL t d . より許絡。CK .Vander poolandS .Gottesman . M o / .M i c r o b i a l .5 4 : 1076 -1 0 8 9 ,2004より改作。B l a c k w e l lPu b li s h ingより訴諾）

( C )

転写後の調 節

479

選択可能なヱキソン

読 み取り （ Fi g .7-93C）. 小分子とタ ンパ ク自の l l l Jで観祭されるのと 同 じくら い強い結合 親 相 性を示す。 リボスイッチは． 調節タンパク を まったく 必要としないので. l i iも経済的 な遺伝 子

2

g.7-9 3の 例 では転 写 のや1； 長 を制御しているが．他の段｜携で も遺 伝子 制御 装位 とい える。Fi

選択可能なイントロン

丘が尖現 で きる 発 現 を 調 節する （ 後述）。鋭 い RN Aによ って．非常に利巧な泊 伝 子制御 装i 1

のである。

2

たがいに俳他的なヱキソン

選択的 R NAスフライシングにより，同一遺伝子かう複数の分子種のタンパク質 を作ることができる

； 買い

第 6t ; ' . tで論じたように．ょH亥生物の 遺伝 子 の・ ｜ 記7 J ： 産 物 は. RNAスプライシングに よって

C0巾

内留のスプライス節位

mRNAjjiJ~巨体から イ ン トロ ンが除去さ れて鋭くなる こ とが多 い。 転写経物 RNA のスプラ

イ シ ン グ の 泌い に よ り. l o i j 一 巡 伝子 か ら 彼 数 の ポ リペ プ チ ド釘i が生 じ． これを 選 択 的

2

RNAスプ ライシング （ a l t e rnat i veIU サA sp l i cing ）とよぷ （ F i g .6-27参 ！ ！ 世 .F ig.7-94 。 ） 動物遺

%. ヒトでは 75%ほど）が．こ うして彼数の分子 伝子の相当数 （ シ ョウジョウパエでは 40 径のタンパク質を作る。

F i g .7-94 選択的 RNAスプライシングにみら

れるパターンは 4つある．いずれの頃合も同 じ転写産物 RNAのスフライシンクのしかたの

L J ' . f l 物 の 数か所でスプラ イ シングが起 これば. 1つ の 泣 伝 子か ら数 卜， f ! [ （ 類 のタ ン 転' ＇ （ ； ＿

1と 2 ) .2樋類の mRNAを生じる。 泣いにより （

, 000位 パク質ができる。極端な例として． ショ ウジョウパエの場合. 1つの遺伝子から 38

濃t ! I色は両方の mRNAに含まれるエキソン．

矧ものタン パ ク質ができる 可能性 があ る が （ F ig .7-95）.実 験的に観察されたのはその一

淡青色I~ 一方の mRNA だけに含まれる ヱキソ

部だけである 。 ショウジョ ウパ エ の ゲ ノムには約 1 4 , 0 0 0の i l l 伝T ー が問 定 されて い るが． タンパ ク 貨の抜斜Ii さ は:ill:伝子数をはるかに J:. fill る 。 こ の fflj は， ~！協lの抜斜I さを :ill:伝子の数

ンを表す。赤色の線の両端でエキソンどうしが

. つながり，イントロン（黄色）が除去される。（ A Andr e a di s ,M . E .Gal l egoandB .Nadal -G i n a r d ,

だけで考えることの危 険性 を示 して いる。選択 的スプライシングは単細 胞 の I l l芥酵母では

A n n u . R e ν .C e l lB i o l .3: 2 0 7 -2 4 2 ,1 9 8 7より許可を

比較的 まれだが目 ショウジョウパエではよくみられる 。 I l l芽 隣町に は 6200例 ほ ど の 泣伝

得て改作。 AnnualR e v i e w sより訴路）

子 があるがス プライシングを受けるのはがno o例 にす ぎ ず．そのほ とんどがイン トロンを lつ しか もたな い。ハ エ の泣伝 子は酵母の 2∼ 3倍 しか ないと い うと ． この 2つのゲノム

の彼雑さの制 民を過少評価することになる。

エキソン A

「一一一一 一 一 − ， 1

工キソン仁

エキソン B

1 21

48 1

エキソン D

3 3

「寸

12

Ds c am遺伝子

mRN A1 1 1 1111 11 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1

8 2 4

02

3 8 , 0 1 6巡りのスフライシンクのパターンのうちの 1つ Fi g .7 ・9 5 ショウジ ョウパエ Dscam 遺伝子の転写産物 RNA の選択的ス プライシング。 Dscam タンパク I~輸索誘湾受容体で． 神経系の発

生過程で成長円錐を適切な機的にさし向けるのを助ける。録。健的f i f . m R N Aには 2 4個のエキソンが含まれ．そのうち A . B.C . Dの 4個I ． ま 一連の選択可能なエキソンとして Dscam遺伝子に存在する。各 mRNAには 1 2個からi 翠ぷエキソン A（赤色) . 4 8個から選ぶ工キソン B（ 緑 色） 33個かう選ぶエキ、 ノ ンc （青色） 2個から選ぶエキソン D（黄色）が 1っすつ含まれる。可能忽スフライシングの組み合わせをすべて 用いると. Dscam 遺伝子から 38016 種類のタンパク質が合成Eされることに広る。図I~. 多殺の可能なスフライシングのパターンのうちの 1 つを遺伝子の下に添い線で示し．生成する mRNA を下に示す。さまざま 芯 Dsαm タンパクはどれもだいたい周じ偽造（大部分I~一連の

細胞外免疫グロプリン様ドメインに膜口通領減がつ芯がる. F i g .2 5 7 4参照） に折りたたまれるが， ドメインのアミノ酸配列はスフライシ ングのしかたによって異なる．この受容体の多係性が復雑芯神経回路の形成に寄与するのだろうが．さまざま芯 Dscamタンパクそれぞれ . L .B l a c k ,C e l l1 0 3 : 3 6 7 3 7 0 ,2000より改作。 E l s e v i e rより併路） の性質と綴能についてはまだわかっていない。（ D

480

7 遺 伝子発現の調節

．． I m 制因子

(A ） 負の調節 ( ! ! J J制）

一次転写産物

F i g .7 96 遺沢的 RNAスフライシングl ま負と

正の調節を受ける。 （A ）負の調節でl c l : .l l J J f ! j ! Jタ

ーー四ーーーーーーーー一一－•・・・・・

ー ー ー ー ー ー ー ー ー ー二 二 二・ ・ ・ ・ ・ 卜 フライシング

ンパクが一次転写産物に結合し，スフライシン ク装組がスプライス部位に鍍近するのを妨げる

ト プライシ刈 起こ う芯い

ので．隠されたスプライス部位が使われるよう

．

nRNA

ーーー皿ー−ー一 一 ー ニ・ ・ ・ ・ ・ ・ mRNA

『

の調節でl c l : .活性化タンパクの助けがないとス

活性化因子 (B ）正の調節

｛ ； 古 性 化 ）

− ； 欠転写産物

． ．

l

フライシング装慣は特定のイントロンを効率よ く除去でき広い。活性化因子が結合するigu配 列は目この因子が調節するスプライス m i 位から 伺~基対も殴れている場合もあるので．スフラ

>75ill換え分子の切れ目は.

ガーゼでJHf~.＇ffi に民す （ Fig.

DNAリ

8-39 ） 。

1 , y的に DNA透過性に した紺l l制~II胞 にこの環状組換え D NA を導入 次の段｜併で. -1 する。 これらの制i I i ね細胞はプラス ミドを J I !いて i l l伝子j 弘人した（ t r a n s f e c t）という 。組換え プラスミ ドは 3 0分ごとの細胞分裂とともに桜製するので．外来 DNAを組み込ん だ環状

DNAも膨大な数になる（ F i g .8-40 ） 。細菌プラスミドの多くは抗生物質耐性i l l（ ぶ・チをもっ ているので （ 第 24］戸） ．抗！ J ；.物質の存在下で府必すれば．プラスミドをもっ細胞だけが生 き伐る

こうして逃（ I ;− （を将人できた細胞だけを巡ぴI i iすと．その調I i有は．おのおのがそ

れぞれ i もなる外米 DNAを州人したプラスミドを受け取っている。名綱H 1 ' f i l立i 杓刑して小さ なコロニーを 作るので．それを構成するすべての f係紺1 i : uにわf f 人 DNAが受け継がれてい る。

DNAの解析と燥作

541

F i g .8-39 DNAリガーゼを用い．細菌プラス

現状二本鎖 プラスミド DNA （クローニングベクター）

ミドに DNA断片を姉入。プラスミドを制限解 紫（この窃合．相i f i 末出荷を｛乍る酵紫）で切って開 き．クローニングしたい DNA断片（同じ制限醇 茶で処理しておく）と混ぜ. DNAリガーゼと

A T Pを加える.~§ I市末端は』！H革対を形成するの で.DNA主鎖の切れ目を DNAリガーゼでつ芯 ぐと，完全1 J , 組燃え DNA分子ができる。（画像

制限醇察で切断

n t i n g t o nP o t t e r.D a v i dD r e s s l e r ) 提供 Hu

」」

し一一J 2 0 0nm

2 0 0n 、 円

プラス ミ ドは 1 000∼ 3万 塩 基 対の DNA断 片 の ク ロ ー ニ ン グ に 使われ．これより 大きな DNA断片は扱いがむずかしく．クローニ ング も作品 b で なかった。 し か し 形 付 人 工染 色 体 （ y e a sta r t i f i c i a lchromosome. YAC ）をf 史うと.

J r . ’ i ＼＂に大き

な DNAが扱える （ F i g.

8 4 1）。 また．現在は 30万 ∼ 100万 溢 基 対 の DNA悶l f J ' 1 ・ の クローニ ングに．大腸 l 溢が天 然 に も つ Fプラスミドを新しいプラスミドベクターとして使っている。 小さな斜I Il 指プ ラ スミドと泌い. Fプ ラスミド （ およひ‘それを必に作った細菌人工染色体 ［ bac t e r i a la r t if i c i a l ］ は．大腸菌細胞あたり l例 か 2i J . 1 1しかがイ ピでき ない。調 ｜｜ 悩剣胞 が chr omosome. BAC）

BACの 数 を 少 な く 保つ おかげで大きな DNAクローンを安定し て維持でき るら しい。 つ l l Jで剥l 換 えを起こ まり. BACの数が少ないために. DNAクローンが他の プラ ス ミ ドと の l しにくいの だろ う。安 定で．大きな DNAを婦人で き．扱いやす いため. BACは現住． ヒ トやマウスな ど複 雑 な 生 物の ゲノムの DNAラ イブラ リー を作るベク ターとして 1 よく使 わ れている。

別々の目的に使う 2種類の DNAライブラリー r r i 1述のように．細胞のゲノム全体 を 特 定の制限形式ミで切って令体をクロ ーニン グす る J i法 では．きわめて多 数 の （ l l 1 1 l 乳 郊 のゲ ノム で は百万の桁になる ）DNA断 J ' 1 ー が ＇I ＂ .じ それぞれ

・ nを！1 f i 人

の DNAを取り込んだ細菌のコロ ニーが 数 （j J iもで きる （ BACを使え l 工大 き な 断

1 1 1 i細胞の数は少なく てす む）。 そ れぞ れ できるので．ゲノム全 体を網級するのに必裂な W のコロニーは l例の剥・ u nから／）＼発したクローン であり ．断 片 化されたゲ ノムの特定節減の

ハ

J

コ

F i g . 8 4 0 プラスミドに挿入された DNA断片 の畑帽。特定の DNAのコピーを多数つくるに は．この DNA断片をます F i g . 8 3 9に示すよう

︸

ζ 1-CQ) 細菌細胞

。 、

LB 、 ’L

二本鎖組換え プラスミド DNAを 細菌細胞に導入

にプラスミドベクターに州入し次いで．得ら 負えプラスミド DNAを細菌に導入する 。 れた組j

細胞t 吉援で新しい細菌が 数億｛音にもm殖

細菌細胞を港箇し l 1 蹴精製する。 プラスミドをt 多数のコピーがmられる

細菌の l ! I J 殖とともに目的の DNAも数百万倍に も復製される。

542

8・タンパク質， DNA.RNAの操 作

OR I A

F i g .8 4 1 醇母人工染色体（ YAC）の作割。YA(

ヒトDNA

醇偲の人工猿色体ベクター

ベクターを使うと巨大 DNA分子をク口一二ン

司

グできる。 T E L .CEN.O R Iはそれぞれ出芽酵母 S a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a eのテロメア． セン ト

ロメア．複製起点を示す。Y ACの複製にはこれ

a r n ト 1と E c o R I l ぷそ らすべてが必要である。B れぞれの制限毒事紫が DNAを切断する部位。 A Bで表す配列l ま．人工染色体をもっ醇匂細胞を

B

BamH1

畠』

』

4

4

− 圃E

る部位である。細菌は酵母より分裂が速いので．

B a m H I

現在Id: 大規俊広クロ一二ングには大腸~を使 っ

イBar nH IとE c o R Iで切断

て DNAを泡備することが多い。 （D . T .B u rくe. G . F .仁a r l ea n dM . V .O l s o n .Soence2 3 6 : 8 0 6 8 1 2 ,

I

司司.＿......−

TE L

’

・ ・ − − ・ ． I

B

単践する際にマーカーとなる診察を指令してい

AO R I CEN

E

1 987より改作。AAASより許諸）

B ＋

左 E 自

右腕

大きな娘色体断片

l

T E L

−

ー 圃 圃 ー

．

DNAを潤してから開削にお入 B

AO R I CEN

5 . 6x1 0 'l a 昼対

1 0 ＇泡盛対まで

T E L

3 . 9×103泡盛対

ヒトDNAを婦入した静母の人工白鳥色体

コ ピ ーがたく さ んに WI え た状u.~ にな って いる （ Fig. 8-42 ） 。 このプラスミドはゲノム DNA

クローン （ genomicDNAc l one）を もっと いい． プラスミ ド集1 1 1全体がゲノム DNAライブ ラ リー （ genomicDNAl i br a r y）を榊成するという 。 しか しゲノム DNAをランダム に断片

ヒトの二本鎖 DNA

化するため．遺伝子を端 か ら端まで合む 断片は ほとんどない。 しかも．山 ~-.y,：点核生物では ゲ ノム DNA の大部分が第 4 ポで述べたように ~I＂棚沢 DNA からな って いるので． ゲノム

！・＇−で切断

DNAクロ ー ンの大 部分は非制収 DNAしか合まない。

、 局ー

もう lつ の クロ ーニ ング法は.m RNA に’lti；勺：される DNA の血,i，~Nc91J. つまりタン パク質を指令している : i ' . i ： 伝 子に対応する温法配タj lだけ を巡ぶところから始める 。mRNAを

紺l i j 包ヵ、ら羽1 1 1 1 1し．各 mRNAに対して DNAのコピー．いわゆる十l補的 DNA( comp l emen t a r y DNA. cDNA）を作る。 この l メ応を削！ l z . ¥ ょする のは. RNAをj ) J 明として DNA鎖を合成する

fを次に DNA レトロウイルスの逆転写両手ぷ− で．そ れ に よ っ て 合成 された一本 鎖 DNA分− ポリメラ ー ゼで二本 鎖 DNA分 子 に し こ れ を プ ラ ス ミ ド か ウ イ ル ス ベ ク ターに押入して クローニングする （ Fi g.8-43） 。 この J J i Lで科られたクロ ーンを cDNAクローン （ cDNA

c l o n e ). II T I Iの 調 製 で 符 ら れ た 令 mRNAか ら 作 ったクローンの集凶を cDNAライブラリ

つ＞r

「 ＼ 、 困 J v

ザ’ 鍛百万本のゲノム DNA断片

j ＂－~·－＂－＂~

プラスミドに婦入

ー（ cDNAl i b r a r y）とよぷ。

F i g.8-44に示すように． ゲノム DNAクローンと cD : I Aクロー ンには i 延 安な述い がある。 ゲノム クローンはある生物の DNA全 体か ら無作為に選んだ』 景品であり ． ご くま れな例外のほか．その生物の どの明の細 胞 を 似つでも” ｜lじものができる

-) JcDNAク を ド入 ミ導 スに ラ菌

プ細

l

’ ゐ

の細胞は J 1 lう mRNAのセ ッ トを作る の で．｛史 う細胞の州知によ ってできる cDNA ライブ

−BEBEE −−

ローンは．ゲノム｜人l で mR NAに 』 ｜￡勺：される f l j ' ( J 或だけしか合まなし、 。 つま り， 民なる組織

ラリ ーは巡ってくる

F i g .B 4 2 ヒトゲノム DNAライブラリーの憎祭。ゲノムライブラリーには通常．各 細菌がヒト DNAのそれぞれ異なる断片をもっ集団として保存されている．説明を簡 単にするため．数個の断片（色で示す）のみのクロ一二ングを示す。実際には，灰色の

DNA断片部分もすべてクローニングされる。

＠~e~® ヒトゲノム DNAライブラリー

54 3

DNAの解析と操作

F i g. 8-43 cDNAの合成。組緩から全 mRNA 一 細m

一u ・製 一 ’ ； f 一 勧川 ・ ・ 一 − eu 一 胞則

をi 白出し．逆転写醇紫（p .3 2 0参照）；を使って mRNA分子の ONAコピー（cONA ）；を作る。説 f 国の mRNAから cONA 明を簡鍛にするため ， I

を作るようすを示す。ます mRNAの 3 ’末端の

組織

（たとえば脳）

m

; . J . 短いオリゴヌク ポリ A応部（第 6章）に 倒的1

／／

レオチドを RNAとハイブリッド形成さゼ．逆

mRNA

5 ’

3 ’ AAAAAAA

誌の働 転写醇祭のフライマーとする．逆転写醇S きで RNAと 相 備 的 な ONA鎖が合成され．

ポリ Tブライマーと ハイブリッド形成

ONA-RNAハイブリッドができる。これを RN

アーゼ H ( F i g .5 -1 2参照）で処理すると. RNA

5 ’

mにニック（切れ目）とギャッブができる。次い

！

で ONAポリメラーゼが，残った一本鎖 cONA

： ？ と

から二本鎖仁ONAを作る。図のように．元の mRNA断片が．第二の ONA鎖合成のフライマ

ーとして働く。第二の DNA鎖の合成に煙車く DNAポリメ ラーゼは結合している RNA分子

を仰しのけ忽がう合成反応を進めるが 仮初の i

ONA鎖の 3’ 末 時 請に足軍基対形成した RNA （左織

色）だけは残る。この RNAはその後のクロー ニングの段階で分解される。このため. cONA ライフラリーでは元の mRNA分子の 5・末端の

DNAポリメラーゼで DNA栂術鋭を合成する． RNA断片l 孟ブライマーとして働く

ヌクレオチド配列が欠けている湯合が多い。

3· ~~~~~~~~~~~~~＇

緑色体 DNA

遺伝子 B

遺伝子 B ／

「」宣伝子 A「

mm:m o r 1 1

回 周 回｜

1nmm:lm1 ー

非転写鎮媛

伝写

転 写 産 物・ 園 ， ． ． ． ． RNA

制限醇繁で分解

－~ ・・ ・ ＝ ・ ・ 園 ・ 二 ・ ・ ・ ・圃・~ 圃 掴＝ ・ 圃

= : m : c=

． ． ． ． ． ． ． ．

Bl c l : 頻繁に転写される．また．どちうの遺伝子

こ

グ

・ ・ 田 園 田 ・ ． ． ． ． ． ．

にもイント ロンが存在する （緑色）．ゲノム

・ ・ ・ 回 ・ ・

i 或（桃色）も含まれ．クローンの大多滋は遺伝子

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

逆転写と DNAクローニング

~I

= =

富 山

~

園 田E

国

= =

mRNA

ン

M川

n u

盟

lllz ＋ ロIll1 ク A

= = =c :

l ' J 伝子 は．遺伝子 Aはまれにしか転写されす.i

RNA スプライシング

DNA断片

F i g. 8・44 同じ DNA領減由来の c DNAクロ

ーンとゲノム DNAクローンの遣い。この例で

ONAライブラリーにはイントロンや非転写領

を含んでいるとしても．翻訳領主主（赤色）の一部 分しか含んでいない。一方.cDNAクローンでは． mRNA （宵色）形成のときに RNAスフライシン

クを受けてイントロン（黄色）が除かれているの 或がつ忽がってい で．どのクローンでも靭訳領i る．例示の cDNAライブラリーを作った細胞で は．遡伝子 Bが遺伝子 Aよりも頻繁に話写さ れるので cDNAライブラリー中には遺伝子 B が多く存在する。それに比べゲノム DNAライ

ゲノム DNAライブラリーのゲノム DNAクローン

c DNAライブラリーの cDNAクローン

a .

ブラリー中の Aと Bは．原則として等

8 タンパク質， DNA, RNAの操作

544

c DNAクローンの翻訳領域は分断されていない

r

cDNAライブラリーには. . i ' . i伝 をクロ ーニングするうえでいくつかの利点がある

第一

に．タンパク質には J ) j . ’ 「i 化した制) J 包で多誌に作られるものがあるが．このような細胞では その mRNAが 人 ；j 止に作られていることが多い。 このような細胞から作った cDNAライブ ラリーは目的とするタンパク伐を指令する cDNAの含有率が向く．そのクローンを符易 に l•iJ 定できる （ Fig.

8-44参 ！ ！ 自） 。 たとえばヘモグロビンは．亦J f l [ . f . ; j (になる細胞で大；止に作

られているので．グロビン遺伝 （ ・ はM：も平くクローニングされた遺伝子の lつである 。

cDNAクローンは逃伝子の制訳領域を分断のない形で合んでいることが約：の利点

r

ぷ （ ・ （ 立j J . ! i常. ~\i.い蹴，mM或 （エキソン ） を長い である。すでに述べたように. 付金生物の泣f JI：制沢領域 （ イントロン ） が分断した形をしており .m 貯~A イ'ii戊に際しては故初J の・i反ち．産物

から~＇＂翻訳~iJ或が除かれて ．残 っ た翻沢領域が総1：ぎ合わされる （ ス プ ライシング） 必裂があ

る。紺I U ’も階付制｜｜胞も．高等点抜綱I I 胞の逃伝子か らできた RNAにこのような俊民を施せ ない。 したがってクローニングの日 的が. DNAか らタ ンパク白のアミノ酸配ダl j を. j f { ：定し たり．細菌や俳 l 手 綱I I 胞内でこの遺伝子を発現させてタンパク t ' tを大 l 止に作らせたりするこ とならば， cDNAから 出発す るほうがはるかに常ましい。cDNAライブラリーにはまた別 の平IJ川法もあ る 。 第 71;1 で述べたように ．

ヒトを合む俊幸m な ~I：.物では多くの mRNA が選

択的スプライシングを受けるが. cDNAライブラリーは．ある刻l l J J 包株や組織で巡択的スプ ライシングを総て作られた mR NAのすべてではないにしても．その多くを合んでいる 。 ゲノム DNAや c DNAライブラリーは．研究・ i r .が共布する無尽蔵の 1 t t i b ; ！である。現 ：では．このよ うなラ イブラリ ーが数多く，， ， .阪されている。 イl

PCR反応により好みの遺伝子を増幅できる ノトでは．非常に 多くのゲ ノム の出），~ 配列が何られているので．先に DNA ライブラリー構

築をしなくても ．ポ リメラ ーゼ連鎖反応（ p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n . PCR）によ って迅速直 按に . i ' . i伝子クローニングができるようになった。ゲノム全体を I l発材料として．その中の

" I fみの領域の DNAを PC Rによ って数十億倍以 1 ・ .に刷やし.I i 的の DNAを幼中よく”桁製” できる。 望みの~J.~ 配列の両端の配ダlj にあたる l

; t . J ・ の DNAオリゴヌクレオチドを化ヲ：合成

l ！ ！ し その一本鎖を ； i : .に精製 で作り．プライマーとして使う 。 ゲノム全体の DNAを熱処 f

DNAポリメラーゼを使って i nv i t r oで DNA合成を行う 。 プライマーは合1 反応： 物の 5’ 末 端に残る（ F i g .8-45A ） 。

DNA合成の ／i初の l巡では．。jも特別l なことは起こらない。PCRの城 ） Jは DNA 合成が繰り返されると明らかになる。 反応サイクルごとに合成される DNAの l 1 ＼：は併にな る 。 反応ごとに鋭！＼~ DNA の てみ：鎖を分離するために短時間の熱処理が必要なので，

PCR

では H熱磁 1 1 1;1~ で熱処却を繰り返し行っても活性を失わない~ －＼＇・ 1主の D NA ポリメラーゼを 使う 。 DNA 合成 を繰り返すたびに新たに合成された DNA 断片が~n に鋳型となり ．数サ

イクルのうちに．元のプライマーにはさまれた部分に相当する DNA断片がほとんどを占

F i g .8-458参 ！ ！ （ ｛） 。 めるようになる （ 実際には. DNA を十分J('j~j，＼するには ）Ji.泌を 20 ～ 30 1 1 1 1繰り返す必裂がある。各サ イクルの生成物が次のサイクルの DNA の鋳型となるので，ポリメラーゼの”j1!jj~反応”と ~I つ．けたので’ある 。 l サイクルはが） 5分で終わり．全過程を f i l i1 1 1 .に i ' l ! I i 由化できる。 f i t米の

Iかかるが．この方法でなら 2 . 311寺 11:1 のうちに DNA 断）＼• の”！慨細胞 クローニングには数 I 系によるクローニング”ができる。PCR法は . F J J .イ 1 ： .ゲノム DNAからでも細胞から l j i縦し

i l t伝子の DNAクロ ーニングに l l ' i l ＼ ＂ 的 にJ i !いられている （ F i g. た mRNAからでも．望みの : 8-4 6）。

D N Aの解析と操作

545

D N Al分 子 で も 検1 1 で き る し 決 断 ：J1 k松 ） 立の

PCR法はきわめて鋭敏で．試料＂＇の

RN Aも. J成主I） に逆転~：両手議で DNA に変えて ｜”I 織に分析できる 。 PCR クローニングは遺

伝 病 の 診 断 や 低 レ ベ ル の ウ イ ル ス 感 染 の 検1 ¥ i lとして． サ ザ ン ・プロッ トに代わって広く

杵1 えしている。 ま た こ の 方 法 は ． ご く 微 量 の f J l l : / . J ' . iや 組 織J ・でも ＼ ． わず か 細 胞 l例 につ い て で も 分 析 で き ． 泣伝的”桁紋”をよl , / f べ て 人 物 を 特 定 で き る の で . il l夫？：の分~！f' でも 11川 とな って いる （ F i g. 8-47）。

．

( A )

熱処理で 二本鎖を分蹴

二本鎖 DNA

フライマーが 対形成

E孟− ニ ＝ I .

段階 1

段階 3

段階 2 第

Tサイクル DNA 鎖の解~と

( B)

m

DNA鎖の解 と

DNA合成

フライマーの対形成

DN A UIの解~ と

DNA合成

． ．

− ・

フライマーの対形成

＼ 民

言 語ヘ ／

I ー＼ 巳

・ 圃

／

／

• ー

ーー ヰ＝ 三 ＿ . . ， . ， .− ＝ ＝ ＝ ＝言

". ／

A

DNA合成

ブライマーの対形成

冒

• ー

／− -, . . .

，’ ー " * ＼

Z 官tサイクル

第 2サイクル （ 二本鎖 DNA分子が 4つできる）

｛二本鎖 DNA分子が Zつできる） Fi g .8-45 PCRj 去による DNAの細細．

つ作る．一方のフライマーl e i : .

第 3サイクル （ 二本鎖 DNA分子が Bつでをる｝

組編したい DNA復基配列の情報を基に．合成 DNAオリゴヌクレオチドフライマーを 2

m偏したい領域の一方の鎖の末錯配列と稲簡約であり．他方はもう一方の鎖の反対側の宋舗と栂備的と怒る

ように作る。これらのオリゴヌクレオチドをフライマーとして i nv i t r oで DNA合成を行わせると，泊中置する DNA領域の雨量告をこれらのフ ライマーが決めることになる。（ A)PCRは二本鎖 DNAを元に開始する。反応の各サイクルごとに，短時間の烈処理で二本鎖を解離させる（段 階1 ） 。次に 2組類のフライマーとなる DNAオりコヌク レ才チ ドを過剰に加えて全体を冷却すると．フライマーはおのおのの DNA鎖の椙 術的忽配列と対を形成する（段階 2）。ここに DNAポリメラーゼと 4l 畳類のデオキシリボヌクレオシド三リン酸を加えて反応させると. 2 つのフライマーから DNA 合成が始まる（段階 3）。新しく合成された DNA 鎖を烈処理して分隊し．次のサイクルを始める• (B ）これを繰り

e ! : 霞初の鈎型の 2つのフライマーではさまれた領ほ（フライマーも含む）と 返すと．新しく合成された断片が限番に鋳型となり．数回後に l d : . ほかの部分に付着するフライマーは存在しないので 仮初の反応に使わ 同一配列の DNAがほとんどを占めるように芯る。この反応でI

m

6本に え．そのうち 8 れた DNAの 2つのフライマーにはさまれた配列だけが. j曾幅~れる。（ B ）に示す伊jでは. 3ワイクルで DNA鎖は 1

本（黄色で阻んだ）が同ーの長さで．元のはさまれた配列（左端に示す）のどちらか一方と正砲に一致する。飯初の数サイクルで複製された DNAの芯かには．元の配列の下流配列を余分に含んでいるものがある。しかし．さうに 4サイクル繰り返すと 2 56の DNA鎖のうち 240

がはさまれた配列と正確に一致するものと怒り．さらに数サイクル繰り返すと.DNA鎖のほとんどが同ーの長さになる。

8 タンパク質， DNA.RNAの操作

54 6

F i g. B46 PCRを利用してゲノム DNAのクロ

細胞

＠〉 ＠コ （ め⑥⑨

ーンや cDNAクローンを得る。 （A )PCRを使 ってゲノム ONAのクローンを得るために．ま す細胞から染色体 ONAを精製する。クロ一二

G⑥ く §

ングしたい ONAの領i 或をはさむ PCRフライマ mRNAを 単 .

ーを加え．反応を繰り返す（F i g .8 -45参照）。 染色体 DNAのうち．フライマーにはむまれた

， ， ， 圃. . .ー

クローニングしたい mRNA配列

一1

一「_j_

『

部分（フライマ一部分も含む）が焔綱され．短い 或の ONAが十分花王純度で得られる。（B ) 領i PCRを使って遺伝子の cDNAクローンを得るに は目ます細胞から『1 1 R N Aを精製し，第一のフ

第一のブライマー．逆転写醇繁． デオキシリi t : ヌクレオシド 三リン磁を加える

二本鎖の両軍隊と フライマーの対形成

2 ! 転写醇紫により．相術的 ライマーを加えて. i O N A i ! ' l を作うせる。次に第二のフライマーを

4 5に示すように PCRを繰り返し 加え. F i g .8 て ONA分子を焔領する．どちらのクロ一二ン

＋

グでも．求める領主主のヌクレオチド配列が少な くとも一部分｜手事前にわかっていなければ怒ら 芯い。

ー− ~君 −EB−ム曹 EE ’

棚岨

↓

園 町司 園 田 圃 園田 園 竺 ・ ・ ．．．圃圃−−

・ 田 ・田 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 祖 国・ ・ ・ ・ ・ ・ ーョ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・． ． ． ． ゲノム クローン ( A )

’ 圃 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・・ ・ ・ ・ ， ． ． ．． ． ． 田 ・ ・ ・ 圃 ・ ・ ・ ・・ ・ ・ ‘ ・ ・ ・・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・・ ・ 圃 ・ 園 田盟 園 田 園 田 ・． ．． ． ．

網

o n 、 r n r

m

PCR 帽

cDNA クローン ( B )

細胞を望みのタンパク質の製造工場として利用する 細胞に含まれる数千鶴~i にも l：るタンパク質には. ill~ な機能にかかわるけれども械微量 しか存在しないものが圧倒的に多い。 そ の ほ と ん ど に つ い て ． 数 マ イ ク ロ グ ラ ム 以 仁 の 純 品 を 手 に 入 れる の は ． 以 前 に は 不 可能 で は な い として も極端にむずかしかった。 DNAク ローニングと遺伝チ工学が網l J包生物学にもたらした放火のよ’I 献 は． どんな細胞タンパクで も拡的にほぼ！日f ; l b l J阪に生産できるようにしたことである。 望みのタンパク質を生細胞で大武に生産するには． 発 現 ベ ク タ ー （ expr es si o nvec t or ）を使う （ F i g .8-48 ） 。 通常．ベクターにはプラスミドを J l lい ． 綿 入 したのちに細凶．両手

l 主 .r 己虫. l l 1 1 l ! f しまれの細胞内で安定な m町サAを大 l l i :に＇l : . N iし 効 率 よ く タ ン パ ク 質 に 糊 沢 されるよう設

. nしておく 。 外来タンパクが人； l i :発 現 し て 術 i ミ 細 胞 のm 舶を妨げないよう．

i 滋常は外来 mRl 叫Aの 合 成 と タ ン パ ク 質 の 合 成 は 細 胞 を 集 め る I l lJ 1 l ！まで始まらないように 。 ） しておく （Fig.8-49

' J l ベクター i J J来 の タ ン パ ク 質 は 細 胞l λ lで・生産：さ れ る の で．細胞を溶かし．クロマ 発l トグラフ イーで術主細胞タンパクから分離精製しなくてはならなし、。 もっ とも．このタン パ ク 質は含イJ : I ，（が非常 に多い（金細 胞 タ ン パ ク の l∼ 1 0% に も 述する）ので． 精 製 は数 段 ｜ 併でできることが多い。 発 現 ベ ク タ ー を 細 工 し て. 1 V J J .したタンパク伎に僚議 （i l i統する

547

DNAの解析と操作

PC R産物をゲルで分魁

ラ

−｜ 司製紙日 11 1

Kブ／ EE

園 、 一四 帽一 マ 四 一 一 の酬R明イ 韮

( A )

回羽田国＼

染

体 色

組

同

田岡

・ ・ ・ − ＝ ＝ ＝

一一u 掴圃

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山辰

( B )

母方

z z lN則巾 斑押H

Fti llli−−111111L

父方

Aさん

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j 去医学l i t 料F

仁さん

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・……………←

連E彊 量

1

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田=mi:呂田

酒田

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＂ 目 白』 目目

E 回骨＠索開 dN開

VNTR座 1

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‘ 、 ・目 ・ 目 目 ・ 目 山− ・ ＂ ＂ ＂ ’ 目 白 目 目 目 目 目 ＇ ＂ ・ 、 ‘ 111111111111

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フ生 「 35

． ． ． ． ． ．

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圃 ・． ．・ ”

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・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ． ．園 田 ・ ・ ・

1 民 1 5

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

10

・ ・ ・ ・ 岡 田

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・ ・ ・ ・ ・ 園 田 ・

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． ． ． ． ． ． ．

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． ．闘． ． ． ．

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

。

F i g. 847 法医学での PCRの利用。 （A）この分析でl e ! :DNAが多様性を示す領域．たとえば CACACAのような短い反復配列がつながった 領i或を使う．このような配列は．ヒトゲノムのさまざま忽位置~（Im位）にある。短い反復単位の繰り返し回数le!: ヒトの集団内で多係性があり．

個体によって 4∼ 40固と異なっている．この樋の反復ヌクレオチドl e ! : . 高度可変ミクロサテライト配列（ h y p e r v a r i a b l em i c r o s a t e l l i t e ）と よばれるが. VNTR配列（v a r i a b l enumbero ftandem陀 p e a t . 畏さが多級1 ; , J .直列反復配列）ともよばれる。 これらの座位の配列l e ! : それぞれ 多械性があり各人は母籾と父親から呉怒る反復回数の配列を受け継ぐ。したがって．類縁で広い人の座位が同じ反復回数をもっ可能性は ほとんどはい。ある座位をはさむプライマーを使って PCR解析をすると．各人ごとに泊中自 DNAの 1対のパンドが現れ．このうちの 1つ は母方．他方I J : 父方の特徴を示す。国姻 DNAの長さ．つまり電気泳動で現れるバンドの位置は．この座位の反復回主主を反映する。（B ）こ の様式図で｜芯. 3人の容疑者（個体 A .B . C)に対して同じ 3か所の VNTR!m 位をポリアクリルアミドゲル句気泳動で調べており ．各個人に つき 6つの DNAバンドが現れた。人によって共通するバン ドが呪れる場合もあるが。全体のパターンは個体ごとに特徴がはっきりしている。 てターンは個人をほぼ特定できる＂ j 旨紋．として使うことができる．友から 4話回のレーン （ F ）は.）去医学猷料について したがって目バンドl 同級の反応を行った結果を示す．このような PCRは．犯行現場に残された l：本の頭援や微置の血波からでも行える。 5∼ 10種類の VNTR 座位で多蟻性を調べた場合．無作為に締出した 2飼体が偶然に同じパターンをもっ健率l e ! :1 0 0億分の lである。この例の場合.Aと Cl 手 容疑を9 f . れ. Bには犯行の明らか忽容疑が残る．同綴の方法が現在．父親鑑定の目的でも日常的に使われている。

548

8 タンパク質， DNA, RNAの操作 DNA究明ベクターと怒る

F i g. 8-48 翻訳領域を発現ベクターにクローニングして細胞に導入し．タンパク質

を大優生産する。プラスミドベクターに強力拡プロモーターを総み入れ．そのプロモ ーターに除復するよう縛入したタンパク質指令遺伝子から mRNAを大置に作らせる。 クロ一二ングベクターの特性に応じ．プラスミドを細i ' . t i . 醇母． 昆虫．哨乳類の細胞 市入遺伝子を効率よく転写さゼタンパク質を合成させる． に専入して. l

ヒスチジン伐j， ら あ るいは小 さなマー カータンパク）を付加｜しておくと . 1 l i f. i fしたようにア

ニセ鎖フラスミド

《

c :

タンパク質に翻駅される 領 起 草 をI 申入

フィニティークロマ トグラフイーで簡単に和製できる（ F i g .8 -1 6参 ！ ！ ＼O 。 タン パク 質を作

I

I

・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ − −、』1 ・ ・ 圃 圃 圃 圃 ・ 圃 一 す

I 胞 の 純J l iに合わせて．いろいろな発現ベクターがある 。 こうして細胞に．医 らせる街主綱I 学 的に有

mなタンパク質一一 ヒト

・インスリンや成長ホルモン．インターフエロン．ワク

チンに役立つウイルス抗阪などを大誌に作らせることができる。 もっ と一般 的 な使い道と f t !倹え DNAを

しては．細胞あたり数分子・しか仔{Eしないものも含めて．すべてのタンパク質がこの方法

細胞に導入

で大川に作れるので．機i 告や機能の詳細な研’先に使える。

DNA技術は. l j i離遺伝子からの RNAの大i 止坐厳にも使える。 たとえば RNAスプ I A両手素の研究は．純粋な RNA分子が入手できるようにな ライシング． タンパク合成．町、

1 ；しかイバE せず．他の細胞成分．特 って飛雌的に逃脱した。 多くの RNAは細胞内に極微1 に細胞内に存イ正する他の数千におよぶ RNAから分離精製するのが非常にむずかしい。 し

o ,

/8 ・ . . I . .

かしどんな RNA でも．まずその DNA を前述の方法のどれかで作かそれを ~!it)J なウイ

ルスの RNAポリメラー ゼを J I Jいて転写すれば目 i nv i t r oで効吟tよく合成できる 。 こうして 作 られた単一利の町吋A を. }Jf)＼~ DNAと RNAポリメラ ーゼから分隊料製すればよ いc

過測に発現

8 1

タンパク質が 見 過剰に発I

タンパク質や核酸を化学反応によって直接合成する 必p ; fなアミノ限配列や舷酸の配列を化学反応によって直接合成できる方法が考−奈され．細

f iらずに ι E 体 分 チ が｛後得られるようになった。化学合成は．！日 1 （ 1 f. i d iの PCR法 胞や両手紫に f 0 0ヌクレオチド以ドの絞般を得るには J i , ; ：適の方法である し ま による研究に欠かせない 1 た．好みのペプチドを合成してタンパク質に結合させて．そのペプチドに対する抗体を作

mされ る方法である c

2 5 。 仁

I常的に利 らせる際にも I

4 2 ・ Cでの 時間経過 ご

DNAの塩基配列はすばやく決定できる

1 壬； 立の DNA断J I ・ の店法配ダl j を簡単迅速に決定する方法のおかげで．何万もの遺伝子の塩

DNA −へリカーゼ

J 非配列や．多くの生物の全ゲノム DNAの 塩 必 配 列 が 決 定 さ れ た （ p .1 8の ぷ ト l： 参照）。 出J 非配列に｜則する附卒I H 1 tは膨大になり（数百｛( j : J 包J ん）．向性能のコンピュータな しにはその

F i g. 8-49 プラスミド発現ベクターを使ったタンパク貨の大鑑生産。細菌細胞に

DNAヘリカーゼの観訳配列を導入した例。転写l c l : . 温度が 3 7 ℃以上に怒ったときだ 5 ℃でJ g f i lしたとき（へ け活性化されるウイルスのプロモーターで調節する。細菌を 2 リカーゼは生成しない）と， 42 ℃に移して 2時間まで1gmしたとき（へリカーゼが細胞

! I l出波中に大思にたまっている）の金細胞タンパクを s o sポリアク リルアミ ドゲル電 気泳動で分析した。（写真鑓供 J ac kB ar r y )

EhHea 晴山阪信 Ill111 a ←V

維持や解析はできなくなった。

DNAの解析と操作

549

1 970年 代 の小 ごろ に ジデ オ キ シ 法 （d i de o x yme t h o d）が 開 発 さ れ． 膨 大 な ，（の溢基 ： l が 決 定 で き る よ う に な っ た。 こ の 方 法 で は . DNA鎖の｛I l長 を J l :め る ジ デ オ キ シ リ ボ 配 事j

l ' Cfに. i nv i t r oで DNAを合 成 さ せ る （F i g. 8-50 ） 。 ヌ ク レ オ シ ド三 リン酸のイf

( A )

ジデオキシリポヌクレオシド三リン酸

デオキシリポヌクレオシド三リン酸

F i g. 8-50 醇索を用いる控室益配列決定j 去（ ジデ

d : . デオキシリポヌ オキシ法）。 （A）この方法にI クレオシド三リン酸の 3’ヒドロキシ哀を欠く p p

ジデオキシリポヌクレオシド三リン磁を使う。 ( B ) i t i 基配列を決定 したい DNAの一本鎖分子

（灰色） .DNAポリメラーゼ．合成に必要砿短い

3’011

／

／

この 3 ’ ＊舗ではま調が伸長

この 3 ’ 末ま置では鎖が伸長できない

フライマ− DNA（鐙色）， 4樋類のデオキシリポ ヌクレオシド三リン酸（dATP. dCTP. dGTP. ：それぞれ青色の A .C . G. Tで示す）を含 dTIP む混合液中で純粋主主 DNAを i n v i t の合成させる。

( B )

通常のデオキシリポ どれか 1稲類のジデオキシ ＿ . − − − リポヌクレオシド三リン滋 ヌクレオシド三リン酸 . . _ 4G12GA＿ ( dATP.dCTP. dGTP. dITP) T4 r_GτCT ( ddATP）を少量 TATιG4

~~ci?f4 T

・

GGe r ONAi ↑ f リメラーゼがたまに ONAポリメラーゼに必要な I ジデオキシヌクレ才チドを 殴り込む 、 と .ONA鎖は オリコヌクレオチド・フライマー 5 ’ ¥ J それ以上伸長しない GCTACCTGCATGGA. . . 園田園圃園田園園田園C GATGGACGTACCTCTGAAGCG3’ ／ 5 ’

，

18~1!2列を決定 しようとする

（ 赤色）を 1種類加えておくと DNA鎖に取り込 ま れ る が 生 成 DNA鎖I d :3 ’ OH基を欠くので． 次のヌクレオチ ドの付加が臨書されて. DNA鎖 の仲良がそこで止まる．図でI d :.少置のジデオ キシ ATP (ddATP. 赤色の Aで示す）を用いて いる．これが多毘に存在させてある遜常のデオ キシ ATP(dATP.青色の A）と見見合するので． ddATPは伸長する DNA& ' t にときどきランダム

一本鎖 ONA

に取り込まれる。 この反応液中では．配列を決

M問

めたい鋳型 DNAに相術的主主 DNA鎖が作うれ

A

鎖

。

3'CGTATACAGT 仁AGGTC5 ’

本 一 一

5’G仁ATATGT 仁AGTCCAG3 ’

11114

( C )

このヌクレオチド混合液中にヌクレオチ ドの類 似化合物であるジデオキシリボヌクレオチド

るが．いろいろ砿 Aの部分で伸長が止まるため． いろいろ悠長さの生成物ができる．合成建物の

正 日E な畏むを求めれば．伸長している DNA鎖

機隠したブライマー 5’GCAT3’

の Aの位置を決定できる。（C) DNA断片の全

’ 一本鎖 ONA 3 ' CG TATACAGT仁AGGTC5

1 ・

泡基配9 1 J を決定するには．ます二本鎖 DNAを

の dATP

過剰

一本鎖に分離 し 一方を盗益配列決定の鋳型に

dITP dCTP dGTP

する.DNA鎖の伸長を止める 4種類のジデオキ シリポヌクレオシド三リン酪（ddATP. ddCTP.

+ddITP I+ddCTP l ONAポリメラーゼ t+ONAポリメラーゼ

+dd ATP +ONAポリメラーゼ

+ddGTP +ONA; f lリメラーゼ

GCAT A

GCATAT

GCAT ATG TC

G仁ATAT G

GCAT ATG TCA

GCATATG T

GCAT ATG TCAGTC

GCATATGTCAG

什下

GCA T ATGTCAGTC CA GCATATGTCAG T

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

・ ・ ・ 圃 ・ ・ ・ A

・ ・ ・ ・ ・ 田 ・

． ． ． ． ． ． 仁

G

ゲルの下からよへ復基1 1 2 列を続み取ると ATGTCAGTC仁Ac t 1-

.1 2 .

できる。この 4つの反応産物を 4つのレーンに

.T .C . G）.新しく合成された断片は． る（A

3 ’

DNA鎖の伸長に使ったフライマーあるいは 1

1 虫類のデオキシりボヌクレオシド三リン酸のど ちらかに取り込E 正せておいた標蛾（放射性ある いは蛍光）で検出する。台レーンに I d : . いすれ かのヌクレオチ ド（いちばん左のレーンでは A) について. DNAの異左よる位置で伸長が止まった ー迎のバンドが現れる．ゲルの下から阪にすべ てのレーンにわたってバンドを読み取ると．新

5 ’ T

GCATATGTCAG TCCA G

て別個に 4つの合成反応を行う。各反応でI d : 異 忽る配9 1 J の位置で伸長が止まった一連の産物が 並べてポリアクリルアミドゲル電気泳動で調べ

G A仁 仁T G A CT G TA

． ． ． ． ． ． ．

． ． ． ． ． ． ．

． ． ． ． ． ． ．

GCAT ATGTCAGT 仁仁

ddGT P.ddl 寸P：赤色で示す）をどれか 1~重刻す

っ加えて．同じ一本鎖 DNA （灰色）をIll~ とし

しく合成された DNAの泡基配列が決定できる。 ゲルの右側の緑色の矢印に配列を示す。この配

d :元の二本鎖 DNA分子の鋳型鎖（灰色）と相 列I 倒的であり，緑色の 5 ’司 3 ’鎖と同一である。

8 タンパク質， DNA. RNAの 操 作

550

1 E ぬ

F i g.B-51

190

“ ” “

C T G 向 T T T TC自由 A T

E

DNA控室基配列の自動決定。コンビ

ュータ函函に現れた自動泡基配列決定のデータ

T G C E向

の一部を下段に示す。色のついた大きいピーク はそれぞれ配列中の 1m基を示す。ここでは． 7 3話回から 1 9 4番 読み取り開始から数えて 1

目の寝基までの配列が読み取られている。基線 に沿った小さいピークはパックグラウンドの ． ノイズ．で． ． シグナル．ピークより十分小さけ れば鏑視してよい。この例は．シロイヌナズナ

A r o b i d o p s i sのゲノム DNAの全泡基配列を決定 定供− した圏際研究かう引用している。 0 Geo『geMurphy)

J J , U J l lは同じだが．現在は改良されたいくつかの ）j法が使われており . ~孟1主配列の決 定は今や完全に ! ' I動化されている 。 白動装世が試楽を似合し．分析3 史的にかけ．ゲルに現 れ た' : J ：.［基配列を読み取る。 読み取りは. DNAのイ1 1 1 1 . ， ！ ； を止 め る そ れぞ れ の 温 法 を色 の j もな る ：i l ＇光色素で紋 ：泌することで作劾になっ た。 この場合. F i g8 -50で の 4通 り の 作 成 l 反応を 目

分けずに同じ反応竹内で行わせ．生成物はゲルの l••l ー レーン で分離する 。 ゲルの下端付近 に検出総をi泣き．バンドがレーザ一光を検切ったときの蛍光標識の色を ~ri に読み取って記

制する（F i g.8-51 ） 。 この嵐｝，~riMIJ を．コンピュータが読み収り保イfーする 。 沿近の袋 れで はゲルをまったく 使 わず ． キ ャピラリ ー （ 毛網1 1 1 1 引正公i i k l l i hで絞酸を分離する方法をとるも のもあり ． 符 易 に i 旦速な自動化分析ができる。

塩基配列からタンパク質のアミノ酸配列を推定する DNAの 溢￡ t配ヂl j決 定 が 非 常 に : i l i . i 生で信頼性の日 u 、ものになるとともに．ほとんどのタン パ ク 質 の ア ミ ノ 酸 配 列 は． 溢 J 必配ヂI ］により間接 的 に決定されるよう に なった。 タンパク質 を指令する溢基配ダlj がれ｝られれば．あとは附l~. である 。 原理的にはタンパク質に制沢され る DNA の塩基配~IJ には読み枠が 6 つあるが（2 本の DNA 鎖に 3 つずつ） 'i ' i ：しい 読 み 枠

には終止コドンがめったに現れず．それとわかる （ F i g .8-52）。 逃 伝 1 1 70 ＂を扱 った 第 6 ¥

上側の鎖について配列を臨む方向 ー→

( A )

B-52 F i g・

N- i l e l e u phe a r g v a l i l e a r g prot h r arg asn phe t h ra r g C N- t y r phe i l e 担r s e r asn s e r t h r l eu 出 n a l a l y s l eu hi s l eu t h r ・ C N- l e u phe t y r phe g l uphe asp l eu l y s arg g l u t hr s e r l eu asn C

DNAの糧基D c ! 列中にあるタンパク

貨を指令する領主主の推定。（A）原理的に lei: . ~

基配列をアミノ酸に翻訳する際それぞれの鎖 について続み枠が 3通りあるので．読み取れる

TTATTTTATTTCGAGTAATTCGACCTTAAACGCGAAACTTCACTTAAC AATAAAATAAAGCTCATTAAGCTGGAATTTGCGCTTTGAAGTGAATTG

3

アミノ酸配列が 6 通り考えられる。~基配列は

5

必す 5 ’から 3’方向へと読み取られ．またポリ

l y s i l e glu l e u l e u g l u v a l l y s phe a l a phe s e rl y s v a l N C - i l e l y s asn arg t h r i l e arg g l y v a l arg phe l y s v a larg ・ N C - asn•・ lys s e r t h r asn s e r arg l e u arg s e r val gl u s e r l e u s e r -N

C--

・ 圃

＋ー 下側の鎖について配列を臨む方向

ペプチド鎖の N末書苦から ζ末端へと指令する． ランダム1 J .泡基配列をある読み枠で読むと．タ ンパク合成を終結さぜるコドンが現れる確率は 闘である。 48 平均しておよそ 20アミノ酸に 1j 庖基対のこの伊j でl e i : . このよう砿コドン（終止

( B )

続榊

上側の鎖について配列を霞む方向ー＋ I31 Ill II I I II I2「 一「 一「 ー ー ーT

II

ロ

・

皿工III]

DNA~： 1 -1L一 一L』・・・L一一一一」一一一一一一一一一一一一＿ ＿ . ・E」ー 且 ム 」一 一−− I ll

1 1I

I

I

I I II I圃 II I Il 圃 l II I I

だけこれが現れ芯い。（B )1 7 00Jg基対の泡基 配列の翻訳領主主を検索した図. (A）で示すのと

E

I1

E 売み粋 1 21

コドン）は向色で表してあり．読み枠 2の湯合

ロ二口 豆

I

I •

I

I I

l 3W」ー」一一一」圃圃且J.m 」」ー・・・・・ム」圃圃圃圃圃圃L且＿.＿圃圃且」 且』・L 圃圃圃圃圃 4 ー下側の鎖について配列を続む方向 500 泡~対

3・ 5 ’

同級に．終止コドンを商い線で表す。また．タ ンパク合成の開始 ー終止のシグナル（ pp.379∼ 3 8 1）にはさまれた形に怒っている部分は赤色で

示してある．実際には，読み枠 1の場合だけが 475アミノ酸残基をもっタンパク質を指令する。

DNAの解析と操作

で見たように．ランダムな j l . , ( J 主配列では読み枠1 rIにタンパク合成の終結シグナルが．平均 しておよそ 20アミノ般に lつ現れる。 これよりずっと長〈続くアミノ隊配列のl l f f号があ ればエキソンの候補と考えられ．（コンピュータで）アミノ酸に翻烈し．データベースにあ る他の生物に同I ~とする既知タンパク質との知似1t を l羽べる。 必要があれば．打i製タンパク

のアミノ般配ダj lを少し決定し. DNAから桃山した配列を確認する。 しかしタンパク質指令遺伝子の塩基配列を全ゲノム溢基配列から決定しようとす ると ．問題がある。他方. DNAがイントロン のない細菌や古細菌の染 色体あるいは cDNAクローンに由来するのならば. ~益基配~IJ•I• のill伝子の位JU'. は. DNAの! M ；徴を調べ

てt m定できる（第 61: 1） 。つまり . I J H始コドン （ 辿 ＇i ; ・¥ ATG）で始まり終J I 二 コ ドン （ 1 ＇ ・ AA.TAG. J Hいた読み枠 （ openr e a d i n gf r ame. ORF） のJ J , V , l :配列を探せばよい。誤りを TGA）で終わる I 減らすため. ORFの検索にはコンピュータを J I !い．ある桂皮の長さ．たとえば 1 00コド 決別するように設定しておく 。 ン以上の配列を遺伝子としてJ !f~J純物のようにもっと彼維なゲノムの場合には．遺伝子の観訳領J或内に大きなイン

トロンが存在するために．作業は桜雑になる。 ヒトを含む多くの多袋l J 抱生物では．平均的 なエキソンの長さは 1 50出必ほどしかない。 したがってこの場合．逃伝了・のイ？｛1 ：を示す他 の特徴．たとえばイントロン／エキソンの境採や特徴的なヒ流調節領域などを探さなくて はならない。松近は．コンピ ュータ が既知l の例からエキソンの境界を示す特徴を学んでエ キソンを凡つけ I l lすという．人J . . :知能を利川した T r . tに頼るようになった。 染色体の鍬訳tii'iJ浅を l•iJ 定する第二 の方法として. mRNAの塩基配列を （ 対応する

cDNAを利用して）調べるやり方がある。m肘 I A（ および mRNAから作った cDNA）には

i l l伝子内のイントロン．訓節 DNA. 巡｛ 云チを ｜ 亥切る ” ス ペーサー ” DNAがない。 したが って， 目的とする生物のたくさんの cDNAについて配列を決定すれば．制訳配ダl j の大 き なデータペースが作れる。 これらの配列を利J I Jすれば．長い染色体の中でi l l（ 玉− ｛に相当す る配亨j lからエキソンとイントロンが容易に見分けられる 。

多様な生物の全ゲノム塩基配列が決定されている DNA溢基配列決定の

n動化がj並み．多くの＇ t物について金ゲノムの配列が決定された。

たとえば植物の葉緑体．動物のミトコンドリア．多数の紺l l 逝や古網I I 瑳. l またr i f .I 弘線虫， ショウジョウパエ．シロイヌナズナ．マウス．イヌ．チンパンジーなど研究家で 1 1 :常的に 扱われる多くのモデル生物のほかに．ヒトの令ゲノムが解説されている。 ヒトに対するさ まざまな病原体の全 DNA溢 J b配列を導き I l lす研’先も進んでいる。たとえばコレラ．結綴．

4 毎i l f . . 淋病．ライム病. ' / T l ' t 1 } }を引き起こす制関． 1

天然f 交ウイルスやエプスタイン ．パ一

ウイルス（｛ 云染性1 詳J 核列； を引 き起こす） なと の砂f 究カ、ら．その毒性を示す機椛の手がかりが符られるだろうし新しい幼瓜的な治療法 も手にできるだろう 。 インフルエンザ附 Haemop hi l u si n f l u e n z ae （ 子供に: q :の感染症や髄脱炎を引き起こ す細菌） は．会ゲノム温法配~IJ が決定されたM：初Jのとlミ物である 。 そのゲノムは 1 80 万ヌク

レオチドからなか現在位も将通に用いられているショットガン法（s hotgunsequencing met h od ）で決定された。 ショッ トガン法では. DNAの長い配列をラ ンダムに切って多く の短い断片に分けて各断片の地法配列を決定し

iTi：なり合 っ た古II分の配~IJ を Mi りに細切れ

の配列をコンピュータを使っ て . ！l E べ目完全な染色体あるいはゲノム抱悲配タI J を榊築する。 ショッ トガン法は．ゲノムが小 さい場合に有効である。ゲノムが大きく．反彼も多い場合 の配列決定には工夫を要するが. BACにクロー ニングした大きな DNAl t f r l i "の分析を組み 合わせて．ショットガン法も大いに役立っている。 科学i途文に新しい.ti.（）~配~I］が発表されるスピードは治尖に期加l しており.

5 もなる生

物の全ゲノム塩基配列を比較して泣伝子や生物の進化的｜ 則i 1 !を明 らかにし.i l l伝子を発見

551

552

8 タンパク質， DNA. RNAの録作

しその逃伝子の機能を t u ；定できるようにな った（第 3.4: ( j ' i : )。泣 （ . 1 . ;fの機能の決定には． lとモデル生物山来の芳l 似配ダj Jとの比較をよく J I Jいる。モデル生物に その遺伝子の温法配ダj

H 41 ¥ i￡ .c o l i .出芽両手l 手s .αr e v i s i a e .分裂醇l 辻s . は．研究に多mされね・徴がわかっている大J p o m b e . 総出 C e l e g a 1s . ショウジョウパエ Dro s o p h i l aなどがある（第 l・ i 向。 ゲノム泡恭配ヂl j が決定されている生物の l l l Jでは多くの生化学経路が共辿で．ア ミ ノ 限配タj l や椛i l iが拘J I 日 ！ なタンパク

nも少なくない。 しかし新しく joiJ定されたタンパク質の

大部分は機能がわかっていな い。生物にもよるが．配列決定のすんだゲノムに）1： ：き込 まれ S∼ 40%は．機能既知l のタンパク質と似ていない。このま古来は．ゲ ているタンパク質の L

f .析からは． ノミクスとい う新 しい研究分野のもつ 1つの｜以持を 示している。ゲノムの比峡W

i l l伝子や生物相互の芳i 縁関係についてきわめて多くの情報が得られたが．これらの泊伝・ チ の機能や生物における生理的役割l について前援のt i ' /羽i を得ることはほとんどできない。た とえば．いくつかの好然網1lfi の全遺伝子を比般しても． こ の刺仰がなぜ 70℃を超える~·~

i l 1 tでや f fするのかわからない。途方もな い欣射線耐空I ： を もっ網l l l f iD e i 1 1 o c o c c u sr a d i o d u r a n s のゲノム研究も ．こ の，，~物が．ガ ラスをもろくするほどの放射線 を俗びても生存できる Jfil

i l lを泌l 列できないc 泣伝子とそれが作り出すタンパク 質の生体内での機能決定には．ノド！; 1 のあちこちで述べているような．生化学的および治伝学的研究をさらに進めることが必裂 なのである。

まとめ DNAク口一二ングによって，細胞に伺百万種もある DNAや RNAの配列から特定の部分 { ! l やせるように芯った。染色体 DNAを制限酵紫で切断 して を取り出 し．純粋かつ大毘に i

断片としそれをウイルスやプラスミドの自己復裂できる染色体の DNAに挿入するとそ の塩基配列の断片を摺幅できる。通常．プラスミ ドベクターを用いて．伺百万もの細菌を 担い手とする鋪ゲノム DNAライブラリー”を作る。各細菌には異芯る DNA断片がク口一 二ングされており個々の細胞を摺殖させればライブラリーに由来する個々の DNAクロ ）と ーンを大量に生産できる。別の DNAク口一二ング法に．ポリメラーゼ連鎖反応（PCR いう直接的な方法がある。これは DNA塩基配列がわかっている場合に適用でき．黙安定 性の高い DNAポリメラーゼを利用する。

mRNAに対応する塩基配列をもっ DNAクローンを得る方法もほとんど同じだが， mRNAをコピーした DNA分子．すなわち cDNAから出発する点が異なる。ゲノム DNA クローンと違って cDNAクローンにはイントロンがないので．遺伝子の産物タンパクを 解析するときに便利である。 核酸のハイブリッド形成反応は遺伝子や目的の塩基配列を検出する感度のよい方法 である。条件を厳しくすると（溶媒と温度を組み合わせて完全な二亜うせんがやっと保た れる条件にする）．二本の DNA鎖の塩基配列がほぼ完全に相補的な場合だけ”ハイブリッ ド”を形成する。この反応は非常に特異性が高いので．ヌクレオチドの一本鎖を放射性同 位体や化学物質で椋識すれば目数百万におよぶ DNAや RNAの分子が細胞や細胞摘出液 中にあっても．相補的なヌクレオチド鎖を見つけるためのプローブと怠る。この種のプロ ープは特定の遺伝子に対応する核酸の検出に広く用いうれ．その遺伝子の精製や特性研究 に貢献するだけでなく ，細胞内．組織内．生物体内での遺伝子の存在位置の決定にも役立 つ 。 DNA の境基配列は．ジデオキシ法に基づく高度に自動化~れた技術ですばやく容

易に決定できる。この技術のおかげで．多くの生物のゲノムの全塩基配列決定が可能に忽 った。異なる生物のゲノム塩基配列の比較分析は．遺伝子や宝物の進化的関連の追跡を可 能 に じ ま た 新 しい遺伝子を発見してその機能を推定するのにも役立つ。

DNAを分析・操作するこれらの授術のおかげで． 調べたい生物について泊伝子の

遺伝子の発現と機能の解析

同定．単離．塩基配列決定が可能に芯り関連技術のおかげで，これら遺伝子の産物タン パク質を大塁に生産させて．梢造や機能の詳細な研究や医療に役立てることができるよう になった。

遺伝子の発現と機能の解析 i l l伝子とそれが指令するタンパク n が生体内でどのように働くのか．この解 I Y Jがわれわれ の究阪の望みである。ー凡逆に思えるが. i l l f . t . i− ｛の働きを直接匁l る最良の ）i i 去は．その遺 伝チが失われたときに和jが起こるか調べることである。 . I J J 2 主犯列に変化や欠失のある変異 体の研究は．生物学の常: f f下段であり．遺伝学 （ genet i c s）という分野の . i l : 袋な基礎をなし ている。変興ー体では細胞の以泌が妨げられ．それを手がかりに遺伝チの働きが理解できる。 内典的な遺伝学：では．耐「 l い．あるいは｝¥ J . ' i i ¥ ＇な変災体をとるところから｛］：’

J iを始める。 シ

ョウジョウパエで（I いI U lや以り返った姐をもつものがその例である 。こうした外観や行動 などの表現型 （ phenotype ）を下がかりとしてそうさせる遺伝子型 （ ge no t y p e）を決めるの である ( J＼ネル 8-1） 。 多数のゲノムの i l l ）主配合j lが入手できるようになって．遺伝子の働きをあ1 べるのに DNAのJ i . l基配列から I l l党することが多くな った。 ここでは目配列から機能へと読み取ら

ねばならない。lつの ） j法は．すでにふれたように新しい泣伝チが指令するタンパク質と よく似たアミノ際問~~lj をもちよく解析されているタンパク質をデータベースから探すこと

である。そこから．すでに述べた午・段により機能をさらに訓べる。 しかし I J 廿妥に細胞や

r

化体 l 人jでの働きを突き l 卜 ． めるには．そのr uf i の機能が欠けたり変化したりした変異体を 訓べるのが・ i i iも布効である 。当足以によ って細胞のどのJ ; i . J , i )が似つけら れたかを調べること により．その i l l伝了ーの役；1 1が よL えてくることが多い。 この節では. K;.U.!i何c§lj から迫 っ たり ． 興味をひく表現II'~ から迫 っ たりしながら遺伝 チの機能を調べる方法につ いて，：＃.I列する。 まず 1 1i 典illfi~：の手法．すなわち変災体を入手

し（ g e n el i cscreen） .そのぷ脱却をもたらす遺伝子 （ または泣伝子群） の liiJ~へと進む方法の 説明から始めよう 。次に.j j j ・ 伝子や泣伝 − （のJ ' i . tJ M i c ダ リ ヵ、らその機能決定を試みる逆巡伝学 ( r e v e r s eg e n e t i c s）の説 I YJ をする。 この ｝j法は. t c : Y H 本を作り表現型を調べるほかに．よ り

似維な者｛こi J l Jを伴う作業．つまり相 i 同配ダj lを検討片したり．遺伝子の発現｜時J Y Jや発現部位を決 めることカf し（ ;f し（ ;f必・~：となる 。

古典遺伝学ではランダムに変異を誘発し細胞の機能を損なったものを得るところ かう研究を始める 遺伝子クローニング技術が現れる以 1 i l fには.i l l伝子はそれが変興したとき生じる異常を基 にして同定された。 変災体のぷ.5JA~に対応した泣伝子を l•iJ 定するというこの古典ill伝学的

. wく．遺伝l f （］な取り敏いのできる生物．たとえば調1 1 1 1 4 . ~~母．線虫．シ

研究法は．繁殖が

ョウジョウパエなどで：）£ 行しやすい。 l’ I t！.~ に起こる変災は数千あるいは数万例体という非

常に大きな~問を .111~ べなければ凡 つ からないことが多いので．変災体をとるには DNA を

-I'll｛：！｝する薬剤や欣射線で公民を起こすやり ）jがはるかに効率がよい。 変 ~\J./J；〔物質で処理す

ると非常に多数の公民体が符劫に＇ I ：じ仰f 究対象となる特定の欠陥をもつぎ足災体を選び出 せる （ 後述） 。 化学物質や欣射線による公民誘発に代わる ｝ j r l ;として.fi市入~J~， ( i n s e r t i o n a lmutag ene si s ）がある。ゲノムにランダムに J 1 f i人された外米 DNAが．迂H云− − ｛やi l l伝−（ −の調節配 ¥1］に入 り込んだときに変災が起こるのを平IJ)IJ する 。 l•fi人 された DNA は温法配ダlj がわかっ ており ．決された巡｛たr- をあとでl•iJ 定．クロ ーニングする際に ． 分イ·r.:·i織として役立つ （ Fig.

8-53） 。 ショウジヨウパエでは. •I伝移1'1：：の Pl刈 fーによ っ て逃伝子を不 ii1i•性化する手法が石iJ f

553

i ' . l 伝子 ：遺伝の綴能単位。通常は 1個のタンパク質を指令する DNAの 一領主主に相当する ゲノム ：生物がもっ全 DNA

．．

遺伝子i r e ゲノム上での遺伝子の位置 野生型 正常な．自然界に存在 する型

ノ

対立遺伝子 同一の遺伝子座にある遺伝子の別の形 ＼

~.fl. ホモ媛合体 AJA i白伝子 ~ij

ホモ鍍合体 a / a

ヘテロ媛合体 a / A

〈 〉

ある個体のゲノムにあ

る対立遺伝子の組み合わせ

変異体 ：遺伝子の変化（変異）に より野生型と異なった性質をも つもの

〈 〉

衣i 見む 個体の示す性質

対立遺伝子 Al ま （aに対して）優性．対立遺伝子 aは（ Aに対して）劣性 上の例では．ヘテロ銭合体の表現裂はホモ鍍合体（ 2通りある）の一方の表現裂と一致する。ヘテロ 簸合体の表現裂がホモ縫合体のどちらとも異なる喝合.2つの対立遺伝子は共優位であるという。

期の染色体一一 1本の良い梅状 細胞周期の愈初. G1

mうせんを表す．

の染色体は DNAの 1本の長い二 セントロメア 短腕（ p)

長腕（q)

細胞周期の忌後．中期の染色体一一染色体は復製を終えて凝縮し ており .2本の同ーの姉妹染色分体（それぞれが 1本の DNA二盟 らせんわ、らできている）が．セン トロメアで結合している。

もP

中期の正常は二倍体の染色体のセットを 広げた形で見たもの。中期の細胞を緩し． 染色体を染色する。ここに綴式的に示す 例では. 3対の常染色体（性別にかかわ

＠方第 3

父方第 3

りなく雨貌かう同等に受け継いだ染色

e ! :母方から． 体）と 2つの性染色体一一× l yは父方かうーーがある．生物の積類 母方第 2

によって．性染色体の滋や磁類．性の決 定に果たす役割はさまざまで．常皇居色体 が伺対あるかも穏によって~ti;J: る。

©＿ ~

~~ 官 ＼ ／ 〆

争 事： ： ；

1本の染色体にある 2つの遡伝子座 の位箇が綴れていれば．交鐙が起こ 減数分叡と組~え

って 2つの遺伝子の組燃えが起こ る可能性が遣い。配偶子の x%で 組倹えが起こっている渇合．この 2 つは遺伝子地図上で x単位 以 セン

二信体生殖細胞 遺伝子製

AB ー でー

ao

チモルガン）離れているという．

変異の種類

． − − − −

お

T

欠失 ：染色体の一部が失われたもの

点変異 ：ゲノムよの 1点．つまり 1個の遺伝子の 1倍の泡基対．

・圃圃

あるいはごく一部分に変異が起こったもの

←J

圃圃－ • .：・4

4・ －~－－f

． ． ．

逆位 緑色体の−! l B が逆転したもの

致死変異 ：発生途上で禾烈広まま死に至うせる変異。

転座： 1本の染色体から一部が敵れて別の梁色体に結合したもの

E 霊能m : m 変異 ：遺伝子の活性を高めたり，不適切忽状況でも活性にする

条件変異 ：制限条件とよばれる特定の条件下でのみ．表現型に変化が現

もので．通常l e ! : 優性変異である。

れ，他の条件（許容条件）下ではみられないもの。たとえば．温度感受性

優位悶~変異

変異では．制限条件は高温．許容条件は低湿である。

るもの。正常な逓伝子コピーがあっても表現型は機能欠銅になる。この

0変災 遺伝子の後能が低下 したり失われたりする変異で．変異 機能欠 1

現象は．変異遺伝子産物が正常遺伝子産物の彼自E を阻留するときにみら

r a

遺伝子のS 霊能をF 自書する変異でしかも悶密が優性に現れ

e ! : 劣性で．正常遺伝子 としては も一般的なもの．織能欠探変異は通常l

れる。

が少なくとも 1つ残っていれば．生物l 立正常に綴能できることが多い。

サプレッザ一変異 ：ほかの変異による表現型の変化を現れたE くする変異

然発現｛ヌル）変異 ：遺伝子の機能が完全に失われた後能欠銅変異。

で．そのため二重に変異したものは外見上正常になる。遺伝子内サブレ ツサ一変異は．第一の変異が起こった同じ遺伝子内にサブレッサ一変異 が起こったもの。遺伝子外サブレッサ一変異｜ 立．別の第二の巡伝子に起 こったもの。この第二の遺伝子の産物は第一の巡伝子の産物と阻銭に相 互作用する場合が多い。

遺伝子は 1個か 2個か 同じ表現型を示す 2つの変異があるときに．この 2つが悶ーの遺伝子

窓も簡単な相矯性誌験では．一方の変異に閲してホモ縫合の個体と．も

内にあるものかどうか．どうすればわかるだろう。変異が劣性なう（多

う一方の変異に関してホモ縫合の個体とを交配する．子孫の表現型から．

くの渇合そうだが）． 相縮性鼠験で答えが得られる。

問いへの答えが得られる。

組織性あり ：変異l 主翼怒る 2つの遺伝子内にある

相補性なし ：変異 l e ! : 同一遺伝子内にある

It イブリッドの）子孫l 立正常忽表現裂を示す。 交錯で得た （

l ' 1 伝子の ハイブリッドの子孫は変異表現型を示す。変異i

それぞれの遺伝子に 1個すつ正常コピーが存在する。

正常コピーは存在しない。

556

8・タンパク質，DNA. RNAの操作

F i g .853 キンギョソウ， A n t i r r h i n u mの錆入変異。遺伝子調節タンパクを指令す

る単一遺伝子の変異により．花が生じる湯所に葉のついた枝が発生する。この変異が 起きると細胞は正常芯植物では異なる部分にあるはすの形貨を選んでしまう。左は 変異体植物．右は正常主主値物。（写真提供・ EnricoCoen. Rosemaryζarpenter)

究に革命をもたらした。転移因子 （ p .31 8の表 5 -3参照）による変災体の生成は．組l 硝．酵 母. ~Ii花刷物のシロイヌナズナ Arabidopsis などでも用いられている 。 これらの研究は笑耳炎j 日生物について詳しく研究するには非’i i ＼＇に泊しているが ． ヒト の遺伝子の機能を調べるには向かない。 これらの生物と逃い．ヒトは繁殖が. i : l ：くないし 意図的に変興版物質で処理するわけにはいかない。そのうえ.DNA桜製のよう な必須の 過程に豆大な欠陥があれば生まれてこない。 ヒトの泣伝子の研究を可能にするおもな方法は 2つある。第一に．遺伝子や遺伝子 の機能が進化を通じて高度に保存されていることを利用して．ヒ卜ほど複雑でないモデル 生物の類似した遺伝子や反応の研究か ら的報を得る。 これに対応するヒ卜の泊伝子をヒト 培養細胞でさらに調べればよい。第二は． ヒトの集団に自然発生する致死性でないいろい ろな変興を利用する方法で． リソソームや綱I l ）包表而受符体の組織特・ 典的欠似などがこれに あたる。変興をもっ例人の表攻却の解析と. j； 苦 養翁l l J J 包で． のf ! j f究とを合わせる ことにより ． ヒト細l 庖の 1 f i l まれにしか存〈正しないが．変異をもっ人は特別な医療を受ける必裂があり．見つけやすい。

遺伝子スクリー二ングにより異常のある変異体を同定する 両手母やハエのようなモデル生物で変拠体をたくさん集めても． ｜ 刈心のある表現型をもった 変呉を見つけるには数千という個体を訓貸しなければならない。 このような選別を遺伝子 geneti cs cr een）とよぷ。 ゲノム が大きくなるほと’特定の遺伝子が変異する スク リーニン ク・ （

可能性は低 くなるので＼そのスク リーニングには手間がかかる 。選日j lの対象となる表現型 には. l j i . 純 なものから複雑なものまである 。単純な表現型．たとえば特定のアミノ酸や栄 養素なしには生育できない変異は．多数の例体を迅速にスクリー ニングできるので見つけ るのも簡単である 。 被~~な表現型．たとえば学習や記憶に欠陥のある変興のスクリーニングには．より

手の込んだ方法が必要になる （ F ig.8 -5 4） 。 しかし複雑な生理的機材jをI今I ！；＼とするための 泣伝子スク リーニングも ．その； ・ i i剛はなるべく l j i . 純にする必裂があり． できるだけ一時に 多数の変災体を 部！ べ られるよう にするのが望ましい。例とし て．ゼブラフイツシュの視覚 情報処Jlli にかかわる遺伝子群の選日IJ に使われたスクリ ー ニング it~ を紺介しよう 。 まず． 外

の動きに対応するゼブラフイッシュの応答を調べ 行動の異常を探す。 野生 i＼~ ゼブラフイ ツシュは動くものを認知するとその方 l 1 j 1 へ泳ぐ性質があるが．悦＇ f t系、に欠陥をもっ変異体 はでたらめな方向に泳ぐので．平手主））に凡っかる 。 このスクリーニングによ って発見された lつの変災体は l a k r i t zとよばれ．制I I 失神経節調I I 胞の 80%欠失体だった。網膜神経節細胞

H m動物に

はo f l か ら脳への祝党信号の伝述に 剥 ｜与・ する。ゼブラ フイツシュの網J J 火の構成は干

共通するので， このような変異休の研究はヒトの侃党処理に｜射する かl 終につながるだろう 。 ｝.~＊的な制）j包の反応．たとえば RNA の合成．加工．細胞1;•1JJ!IJ のljjlj 術！などに必要な

遺伝子の欠陥は．だいたい致死となる。 これらの遺伝子 の機能研究には．条 件 変 異

遺 伝子 の 発現 と機 能の解 析

557

F i g .8-54 生物の行動に影留をおよ l ます変異 を遺伝子スクリーニングする。 （ A）野生型線虫

C .e l e g o n sは．集塊となって侵食する。線虫は 別の線虫！こ出くわすまで動き回り．いっしょに 侵食を始める。（B ）変異型線虫｜手単独でf f ! 食す る 。 （ 写真提供 C o r n e l i aB a r gm a n n ,C e l l9 4： 表 紙. 1 9 9 8 。E l s e v i e rより許諸）

L一 一一一」 1mm

( co n d i t i o n a lm u t a t i o n）をもっ個体を使う場合が多い。 変興例体の遺伝子の機能は・前＝容”条 件 下 で あ れ ば 正 常 だ が “非許容” （ i H リ ｜ 決）条 件 に す る と 然 常 を き た す。 i l n ' L度感受性変当時

( t emp e r a t u r e s e n s it iv emut a t i on）をもっ生物では. i 1 1 U 立を変えるだけで簡単に製常のスイ ッチ を入れたり切 ったりできる。 したがって生存に必須の遺伝子が温度感受性変異を起こ して非許容温度では生きられない細胞も．許容温度でなら正常に生育できる （ F i g .8-55） 。 このような変興体の温度感受性遺伝イ・には．産物のタンパク質にわずかな変化を起こさせ る点変興が多い。

剥I I 簡では. DNAの 複 製 に 必! ) k fなタンパク質を作らせる : i i !伝 子 のi J ; , u 度感受性変興俳； が数多くとられている。細 菌 集 団 を 変 災 以 物 質 で 処 理 し 30 ℃ で は 正 常 だ が 42 ℃にすると

DNA合 成 が停止する細胞を選び山したものであり. DNA複製タンパク （第 5牢）の同定や 解析に大いに役立った。酵母における細胞周期調節や分泌経路を介したタンパク移動にか かわるものも.

i l u ' t 皮 感 受 性 変 異 体 を 使って多数同定されている（パネル 1 3-1参！ ！ 百） 。

同じ

ようにして．細菌や酵母の主要な代謝経路の酵素（第 2草）の機能を問ぺ．ショウジヨウパ エの！圧が示すJ l J （序だった発生にかかわる : i i !伝子産物（第 22f , ' . i :）が稜々発見されている。

変異によりタンパク質の機能は欠損し．あるいは新機能を獲得する 巡 伝子 の変当地は一般 に ” 機 能 欠: t i rと・ ・機 能 獲 得”に分類される。機能欠焔変興を生じると ． その遺伝子産物は働かないかほとんど働かなくなるので．正常な逃伝子の機能がわかる 。 時と場所で働いたり．新たな働 機 能 獲 得 変 異 で は ． 遺 伝 子 産 物 が 働 き す ぎ た か 不 適 切 なl き1 rをしたりする（ F i g .8-56）。

許容潟度で｜ ま変異細抱も t 筒殖してコロニーを形成 する

・ ・ 、 ・ c 、 、 ・ 』 ・ ‘ ,,,-__.--,

v I

..

＆

u

のシャーレに移し取り． 一方のシャーレは許容

ノ1

ι

， ，

r. . .

シャーレに燭いた変興 ℃で 続発処理細胞は 23 淘殖してコロニーを形成

スクリーニング。変異誘発処理をした細胞を許 番 く。細胞が泡殖して生じ 容湿度でシャーレにl たコロニーをレブりカプレート法によって 2つ

『『＼＼

L

．ふー

F i g .8-55 細菌や酵B Jの温度感受性変異体の

2つのシャーレに コロニーを移し取り． 別々の混度で活祭

非許容温度では変異細胞は

温度で．他方は非許容温度でi 舌餐する。i 旬殖に

< I . い でき 1

必須の遺伝子に温度感受性変異をもっ細胞I d : .

t 由殖でをすコロニーを形成

通常の許容温度芯う分裂憎殖できるが．非許容 の高温ではできない。

8・タンパク質， DNA . RNAの操作

558

野生型

織自E 欠J 員変異

尊重能強l ! J 変異

＆＆，＆＆泌

5

1 幾i j g 欠狽条件変異

F i g .8-56 産物（タンパク質）に修響する遺伝

子変異のいろいろ。この例では．野生型タンパ

a ， 岡 司 ・ −・ . ！ ＇ ， ー ，

、 − 司 ・

一

。

3 7c

・ 島

F守干、

2 5 。 c

クはある特定の細胞機能を担っている（赤い印 で示す） 。 この後能を失わゼる変異．溜強する 鼠感受性！こする変異を示す。温度感受 変異．高j 性の条件変奨体には 1個のアミノ酸置換（赤色） があるため.37℃では適切な柿造がとれ忽いが． 2 5 ℃では正常広構造と緩能をもっ。 このよう広 条件変異l e ! :必須の遺伝子の研究に特に役立つ。

変異した細胞や生物の逃伝解析の初期段階では，変異が機能の欠航か獲得かをかj べ 格的な試験では．変異が｛必性 （ dominan t ）か劣t ' t( r e c e s s i v e）かを調 ることが重要である。棋i べる c 優位変異であれば．聖子生裂のi l l伝子が l側あ っても変異による表現型 をとり ．劣性

' l : l l i .の遺伝子が 1 1 1 司あれば変災の表現型をとらない。機能欠損変興が俊 変』廷であれば．型f

セ t の例と ．機能彼科変異が劣性の例を示したが目ほとんどの場合．劣宇I ：変異は機能欠m 変 興であり ． 優位：変拠は機能5接待変災である 。 変興が優位：か劣t~I：かは． 変災体の綱llJJ包ある い

はと l ミ 物を町・生担とかけ合わせるだけで楽にわかる。科られた二倍体の子孫はその変災に｜ 刻 してヘテロ接合体なので．

もし~~＂.－表現型を示していなければこの変民は劣性で、あり．機

能欠損変異の可能性が高いと結論できる。

相補性試験により ，2つの変異が同じ遺伝子に生じたのか違う遺伝子に生じたの かを判別する 大；鋭校な遺伝子スクリーニングをすると ．同じ表J J l ! ¥ 2を示す別々の公民が見つかることが ある。欠陥は同じ過れに働く別の泣伝子 にあるのかも しれないし ｜ 吋じ遺伝子内の別の変 災を表しているのかもしれない。lつの逃伝子に 2つの型があるときそれ らを対 立遺伝 子

( a le l e ）という 。対立遺伝子問で巡いがあるとき . I 広1，~対の変化がM：も多いが．遺伝子の −］怖が欠失. i 丘換.i f i 抜を起こしていることもある 。 ！ i iじ表現l l iを生じる 2つの変興が同 一遺伝子に起こ ったものか. ~も なる泣伝子 に起こ っ たものか． どうしたらわかるだろう 。

l l伝子の機能欠似を示すならば． 相補性試験 （ c omp i e もし変異が劣性．たとえば特定のi ment a ti o nt e s t ）によ って．変異が！ 日 j ー遺伝子にあるのか日j lの遺伝子にあるのかを係認でき る。二倍体少．物の相布l l 性試験では． 一方の変興のホモ後合体を他方の変災のホモ接合体と 交配させる。 ホモ接合体は， 2つの対立巡伝子が｜白l じ変災をも っているので． もし第一 と 第二の変異が同じ泣伝子にあれば．子孫にも正常遺伝子が存在せず．変災体の表現型しか 現れない （ パ ネル 8-1参照） 。 しかし変異が災なる遺伝子にある場合には．生じる子孫 ． はすべて正常な衣攻却 を示す。 これらは第一の遺伝子も第二の逃伝イ−も正常なものを lつ 変興し たものを l つもっ ているので変災を相互に布ll い． 正’；；：，·な表現~＼~を表すのである 。 変

災体の相補性試験によ っ て． 商事l手のガラク卜ース分解に必要な 5 つの逃伝子． 大j協閣の純~

毛の機能に必姿な 20の遺伝子．パク テリオフ ァー ジ T4ウイルスの枝子形成にかかわる 48の遺伝 子．総出が受精卵から成体に発生するのにかかわる数百の遺伝子などがいl 定さ

れている 。

反応経路で働く遺伝子の順序を上位解析により決めることができる 特定の生物反応にかかわる遺伝子 l t lを！ 日 l 定し終えたら．多くの場什．その遺伝子が機能す る !llW字決定に進む。 遺伝子の／I凶作は代謝経路で~見191 するとわかりやすい。 たとえばiW ~ A

が酵素 Bの器質を作るのに必裂なとき．酵素 A を指令する泣伝子は醇索 Bを指令する i l l 伝子より前に ( J 二流で）働くという 。同 機 に あるタンパク’丘が＞J I Jのタンパク質の活性を湖 節するならば. 1 i l i: f i ・ は後者より 1 ) l j に働くとし、う 。多くの場合.m r o； − ； は ． 経路にかかわる i l l

生物を許容条件下で生育させたのち 非許容条 件に移して遺伝子の機能を調べられる。

遺伝子の発現と機能の解析

559

｛ 五 .{-jl~物の作Jilt幾併がわからなくても純粋に inf~解析だけで決められる 。 段附 A が完了しないと段階 B が進まないような~合成経路があって．段際 A には

i i lf i{ -A が．段 階 Bには遺伝子 Bが必要だとしよう 。すると泣伝 − ｛ Aが J ！ 告発現変異（ヌ n f ム − 子 Bが機能をもっていても反応は段階 ル公民・機能を完全に失う笈災）を起こすと＇ i Aで止まってしまう 。 − ｝ ） . 遺伝子 Bが無J e J J L変災を起こしたときには遺伝チ A が機能 していれば反応、は段附 Bまで進んでそこで止まる。 このような場合．泣伝チ Aは逃伝子 Bに対して上位 （ epi s t a t i c）である という 。 したがってさまざまな笈災の組み合わせによる 衣説明を比べれば．遺伝下の働く順序を決められる。 このや［［のW H J r i . 去を上位解析（ e p i s t a si s ）とよぷ。隣町のタンパク分i 必経路の 1 r q ， 析例では．タンパク質が小 I J ( i 1 本 ；．あるいは a n a ly si s ゴルジ休 に穴＇＇ii＼•に抗航するいろいろな変災が凡つかったが．小JJ(._J.1.本で｜肌！？を起こす変災と

ゴルジ体でm1·;1~ を起こすぎりもを何方もつように改変した細胞では．

タンパク質は小J 包体（二

千界都す ることがわかった。 これは．タンパク抗の分泌では． ゴルジ体に送られる前に小胞 i l l i 必しなければならないことを示している（ F i g. 8-57 。 ） 厳管にいうと．ある経路の 体を j

遺伝子の順序が上位解析によってわかるのは．どちらの変災も無発現変拠であって．かっ i j ！られる。 機能を部分的に残している それぞれの泣伝チがホモ綾子子体になっているときに j

と． 仁｛占：解析のが；＊の解釈はむずか しくなる 。 二i f l : t : 興作は．どちらか lつの変興をもつものよりも防省の i [ t :いぷ現却や新たな表 現地を示すことがある 。 この槌の遺伝的相JJ:f~：川を合成ぷJJm~

( s y n the t i cphe no t y p e）とよ

ぴ．その表現仰が生物に死をもたらすときには合成致死性（ s y n t he t i cl e t ha l it y ）とよぶ。多 くの場合．合1＆：ぷ現1＼~ はその 2 つの迫イ云了－が．刻llJJ包｜人j の J1iJ じ過松をつかさどる 2 つの経路

で日I J 々に働いていることを示す。すなわち二 i f (t i .災体で1 1 l i j / jの経路が駁されると．そのi 必 松はま ったく機能しなくな り．合成表現型が生じる。

変異により同定された遺伝子の位置を決める スクリーニングによって変興．体を手に入れた ら目次にその変化した表現型に対応すると考 i l j ・ 伝下・あるいは i l l 伝子群を同定する。州人公民法で変黙を i 誘導した場合には．淡 えられる . された .il'.i:伝チの位 W•＇. を突き止めるのはかなり間中である 。 jifi入された ii伝移 向子やレ ト ロウ

イルスなどを合んでいる DNAの断片を集め て PCRi 去でi 白川し．州人百I 分をはさんでい る DNAの温法配ダr j を決定する。 この配列を合むタンパク賀川の読み枠をゲノムデー タベ ースで検泌する。 DNA を化学：物質でj哀して変異体を生成した場介には．不活性化された遺伝子の 11•]

定はめんどうなことが多い。 いくつかの方法があるが. Iつは．まずその逃伝子のゲノム

1 − . のf , ; : 1 位を決めるところから始める 。新 規i l l{ i ;− ｛を捻色体」：に大まかに位世づけるには． ゲノムですでに位j i ' 1 ＇.のわかっているほかの j f i伝子からの距維を訓べればよい。遺伝子座 I l l ] の距離の見積もりは通常．述鎖解析 ( l i n k a g ea n al y s i s）によって行う 。 この ）I i 去は．染色体 仁でたがいに近くにある逃伝子はいっしょに i i ' . t f えするという傾 J i 1 ］ に） $ ；づく 。 しかし緊？とに 述鎖している遺伝子でも．減数分裂での組換えによって分離することがある 。2つの逃伝 F i g. 8-57 遺伝子の機能する順序を決める。正

小胞体

ゴルジ体

常細胞では．分泌タンパク l 草分泌小胞に話めら

分泌小胞

れ．この小胞が細胞設と融合して細胞外液に中 身を分泌する。Aと Bの 2つの変異体はタンパ ま小胞体にタン ク貨を分泌できない．変異体 Al パク貨を蓄積し．変異体 B i e l :ゴルジ体にタンパ 分泌 タンパク

ク貨を蓄積する。ところで．二箆変異体 A B i e ! : 正常細胞

分泌変異体 A

分泌変異体 B

二飯変異体 AB

小飽体にタンパク質を雷積する。このことから．

タンパク貿l 草分泌

タンパク質は 小胞体に奮積

タンパク質I < ! : コルジ体に務積

タンパク質l ま 小胞体に茜積

分泌経路では Aの遺伝子が Bの遺伝子より前 に働くことがわかる．

8・タンパク質 ， DNA, RNAの操作

560

子刈4 の距離が脅佐れるほど． う どノ引こよ っ て 分 鍛 す る 機 会が ! f lえ る の で（パ ネル 8-1参照） ． 遺 伝イ・ l l l Jの組 換 え頻 度 を 計 算すれば．そのおよその距離が決定できる

ある i l l伝

r のゲノム

卜 ． の1 : , ; ; nが わ か れ ば ． 第二 の足t f , 1 . ;r のI 川町もそれか ら ＇i ' I J I 飾できる。 1 A I 々の泣伝子は必ずしも

1 E f i ( l tな佐川決定がで きるほどた が い に 近 くにあるわけで、は

r

ないので. j ! l i j j ' i解析で未知l : i l l :f 云 の 似i ' o ' .をもためるには．ゲノム ｜ ：に伏めた 物則 的なマーカ ーを . f l j 川 す る こ と が 多u 、 。 マ ー カ ー と し て は一般に．短いヌクレオチド配列でそのゲノム 1 − . のf 1 : il i 1 1 ＇.がわか ってお り ． かつ 出） J i配 列 がi 畠うもの を使 う。 そ の i i iも l j l .純 な 例 が ． 集 団 の

例 体 lJ で lr~応対のヌクレオチドが jもな る知：ぃ配タIJ. -Y，~）t.多型（single- nucleotide p ol y -

mo r p h is m. SNP）で．ハイブリッド形成法ーで検 I l lできる。 染色体全体にわた って分布する たくさんの物理的マーカーがさまぢまな生物で収集されている。 こ れ らのマーカーの分布 が 十 分 術 な らば. t : :具 体 表 現i l .と lつ 以 上 の SNPが い っ し ょ に 遺 伝 す る ね 肢 を 述 鎖 解 析 で よJ べ て． 変 災 . i l J :伝子の嵯｛立を 2 .3 の .i\J: （~チしか合まない領J!x にまで絞めることができる 。 次にこれらを紋補泣伝子として ． その他店と機能を f1'1：~妥訓べて ．

i 立｛ ー ム

r がどれかを決定する。

変W1本の」！；:J:JJA~ を生じる

ヒトの遺伝学研究は特有の問題をはうんでいるが大きな可能性ももっ ヒトに対して 泣 伝 学 尖 験を 行 う ことは J I ＇ 倫 理 的 だ し 法 的 に も 祭J l ニ さ れている

しかし

ヒトにはさまざまな遺伝病がある 。 j!lijJ'i解析は．ヒト の遺伝性疾忠ii'lfぷ fの l•iJ I 主にも有効

I された多くの家系から DNAi 武苧｜を集め．州 l k l . i f i 伝子に である。 この解析には． 病 気 に i i l i釘i した SNPなどの物理¥ I 的 マーカー（病気の人にはつねに受け縦がれているが. 1 内気でな い. i ' J l f j ) iに は 受 け 継 が れ て い な い も の）のイf イ ：l ：を訓l べ る。 ( j , ；に. T i f j /i ' ,の ) j j ； ： ）で 州 閃 . i ¥ J :｛ ぷ子の ｛以内を決定する （ F i g. 858）。 こ う し て 挺j 血性繊維症やハンチントン病などの泣伝子が発 凡 され た。

m

l l の染色体対 疾 をもっ母f

疾患をもたない父親の染色体対

疾患を引き起こす ＼＼ 欠陥遺伝子

F i g.8-58 ヒトDNAの物理的マーカーを利用

した遺伝子選鎖解析で遺伝子を見つける。この 例では．ヒトのある特定の表現型 （ この場合は

／ ／ ／

この染色体だけにある

i 自伝病）と S N Pマーカーとの連鎖を調べている。 N P この遺伝病を恕う個体のほとんどが特定の S

S N Pマー力一

紹子

マーカーをもっ怒らばこの疾患の原因遺伝子

N Pマーカーは．染色体よで近獲して とその S いる可能性が高い。 この連鎖の統計的有意性を ほかめるには．何百例もの分析が必要である。 連鎖は S NPマー力ーがその遺伝子に存在する 湯合以9 1 l c J :完全では広いことにj 主怒。卵や刺子 を形成する減~分裂の際に交差が起こり.

S NP

マーカーが病因遺伝子と分滋することがたまに 疾恕

S NPマーカー

＋ ＋

＋

＋

＋

＋

＋

7人の子供の検蛮結果

結筒 ー疾患を引き起こす遺伝子が疾患をもっ母貌から S NPといっしょに遺伝する寧1 < 1 :75%である。 他の家系を調べても同じ関係がみられる怒ら．この疾m の遺伝子はこの染色体上.S N Pマーカーの近 くに位置づけられる . S N Pが泡伝子と同じ染色体上にあっても非常に破れている渇合や．遺伝子とは 別の染色体にある渇合I i i : .いっしょに遺伝する般率は 50%しかない．

ある．右舗の例がそれである i ' i ! 列決定歩みの 0

ゲノムで行う際は 連鎖する率が 100%に怒る まで1 現初の S NPの両側にある SNPについてこ の手l 闘が総り返される。 対に左ょった染色体のうちの 1： 本だけが卵や精 子によって籾から子へ伝えうれる。

遺伝子の発現と機能の解析

ヒトの遺伝子はハプロタイプブロックで遺伝し．これは病因となる変異の探究に

役立つ ヒトの令ゲノム溢基配列が決定されたので．数年 1 i i fまではイ.； 1 1 f能だった方法でヒトの遺伝 学的研究ができ るようになった。たとえば. DNAの迎いか らひとりひとりを区別できる ようにな ってきた。 （ 一卵性双生児を除いて）2人の人 U I JがHーのゲノムをもつことはない。 名人はJ'l,JJ，~t'iG~IJ に ill いのある多型をもち ． それゆえユニークである 。 これらの多型はi立伝 地1:.:(1 を 作 る ｜祭や．特定の病気や病気の紫囚を l つの多 m と ｜刈辿づける遺伝解析を行う I~の

マーカーとして似え る。 川 組は．どの 2 人を 比較 しでも温基i'l~ )i lj に 一 般 的には およそ O 1 %

の述いがあるこ

とだ（ IOOOヌクレオチドにつきおよそ l例の述い） 。つまり例人側人の U I Jで約 300万もの 述いがあることになるので．特定の遺伝病やその系・ l k Jの lっか 2つの多型を．理論的には この 30 0万もの多型の 1 1 から探して同定しなければならない

そこで．調べなければなら

ない多期の放を絞るため．ヒトの遺伝子は塊とな って遺伝する傾向があるという故近の発 見を巧みに手l j 川する。

iとしては比絞的若く．およそ 10J j｛ドi 1 f iにアフ リカに f l ： んでいた比較的小 ヒトはH さな集 問 の f係であると考えられている 。 この11 l先 ~Fil か らわ れわれまで．た っ た 三．

1 4 千 世代しか絞って いないので．ヒトの染色体は．減数分裂 I . ＼；の組換えによ ってもあまり 大きく変わらずに波から子へ と受け継がれてきた。 ：~1：~.ある特定の対立巡伝子の組み合

わせは（S NPを合めて） ．染色体内の大きな塊として . i l ' . J :（ ぷすることがわかっている。但先 の染色体のこの部分（ 1 1 ：代を経てもほとんと’ i l l伝的 l ' ft ' it ' . ) i j lなしに塊と して泣伝して きた対

¥ i . : i l ' . l :f ぷ子の剰 l ） は ． ハプロタイプ ・ブロ ック （ hapl o t y p ebl ock）という 。災な る対立迫伝子 噌としてがイ1 ：する .QI: 伝チや SN P そ の 他のill伝マーカーと l•iJ 織に．ハプ ロタイ プ ・ ブロッ

クもヒ トのJ I W Iに共 : i t J jした．数の限られた鋼材・色”となる 。これらはそれぞれが．大昔の共 先から伝えられた対立泣伝子の組み合わせをぶしている。 辿の担 l 研究行らは現イt ： .ハプ ロタイプ ・ブロックに ） ， ＼ ： づいたヒトのゲノム地図を作ってお り．これをハプロタイプ地図 （ ha p lo t y p ema p.ハ ップマ ップ ［ hap map ） ］ とよんでいる。 i l l

ι l 感受性: i l l伝子の探索がは

伝学的にはヒトのハプロタイプ地図によって. ~1~lkl .il'.J: f~ fや紋

るかに行いやすくなると JYHま されている 。 ヒト m 1·t1 のや•I l ' TJ Jという

SNPをいちいち調べ

なくても. j l J lばれたかなり少数の SN Pセ ットをぷl べれば．病気をもっ個人に受け継がれ ていると思われるハプロタイプ ・ブロックを 同定することができる（それでもこれらの探 宗には多数の人々の DNA試料を必要とし SNPが l ’ ｜ 動分析の技術をも！＇.って調べられてい るん ある扶忠をもっ人々に特定のハプロタイプ ・ブロックが共通してみられる 党 ！合いが． そうでない人々より向ければ．その疾忠 に｜則 jfil した公民がそこにある 可能性が~~j い（ F ig・

8-59） 。そうなればその疾忠に関連する遺伝子を探しあてるには そのブロックに照準を 合わせればよい。以型的にはこの方法によって．ぬi 数の . Q tf i ;− − ｛がかかわっている疾忠の遺 伝解析ができる。 ハプロタイプ ・ブロック を詳細に調べると．ある対白；: i l l伝子が自然選択に対して有 利であ っ たかどうかさえわかる 。 通常．新たに，，~ じた対立.il'.t f三子が巡択聞での優位性を備

えていないときには

.m問内で広まるには長いH与l l Jを泌する。 このような対立遺伝子が集

Hiされていればいるほど（すなわち古いほど）．それを合むハプロタイプ ・プロッ 問内で J クは小さいはずである 。 減数分裂l時に起きる剥H~ えによって近傍の多裂から 引き 離される

機会が. 1 1 ：代を i l lねるごとに j行えるからである 。 新たな対占：i む伝子がその生物に とって劇的なヰI J . 1 内をもっときには．集問内に急速に 広まるだろう 。たとえばある変異が感染に対する紙抗 ） Jを強めるならば．この変興をもっ 生物はノI ＝ .き伐りやすくなるので選択され．その変災は f 係に伝えられる。個々の: i l l伝子の ハプロタイプj也｜ 誕 ｜ を研究した結果． ヒト ではマラリアに~J~ t i ' L i ' I 二を与える ： 2つの遺伝子がこ

5 6 1

8 タンパク質. DNA. RNAの操作

562

ヒトゲノムの 1 5 , 0 0 0分の 1 ( 2 0万控室塁対） ー「 「一 遺伝子 1

F i g. 859 ハ ブロタイプ ・ブロ ック内の SNP

「一一一遺伝子 2一一−，

の遺伝僚式を調べて病因遺伝子の位置を突き止 める．遺伝子 1に病因となる変異を起こした抱

< l :.子孫にその変異を伝える。 この遺伝子の 先l ｜郡 山 の変異 遁I i 病を引を起こす

この個人とほとんどの他人とを 区別できる 2 00個の SNP

一郎は．赤色で示したハフロタイプ ・ブロック

( SNP約 30個 を含む）内にある。祖先 の 20万

（赤ff~で示す）

マー 新た1 J . 遺伝病の先祖

~

約 四 の SNPの 連なりが現在でも 祖先と同−

マ

’

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

l

て

t

ベ“ ＋”

D .

ハプロタイプ・ ブロック

l

l < l : . 病気をもっ現代の子孫に至る 400世代の問 に．減数分裂の際の組換えによって切り混ぜら

4 川 代伽万年）の簡に ＋起きた告書色体交差 ~

れている（宵線で示す）（黄色と赤が盟主よると償 色に．資色と宵が盟主主ると緑に怒っている）。 しかしハブロタイプ・フロッ ク内の 30SNPは

”

”

1 1 1 1 1 ・1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ! 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1H 11111111111111111•111 lll•Ull

J

T " ' E i l I I l l l l I I I: :

＋

変異

泡基対領減にわたって存在していた多くの SNP

ア

i J l l l ! I ! I l i l I I二

遺伝病をもっ現代の子孫

父団として受け継がれ．組換えで分概されすに いる．この遺伝病の原因遺伝子の位置を決める には．たくさんの患者の S NPパ ターンを解析

これらの筒線で示す SNPは配偶者たちのぬ色体に由来するため異なる

する必要がある。ある患者が ． この八ブロタイ プ・ブロックの中で祖先の SNPパター ンを維

結t 吉遺伝子 1内の変興によりこの遺伝病が起こる

c J . る変異はこのハ 持していたとすると，病因とT フロタイプ−ブロック内 したがって遺伝子 1 内にある可能性が高い。ハプロタイプ地図をこ の樋の連鎖解析に使う利点は

の よ う な 正 の 巡 択 を 受 け た こ と が わ か っ た 。 こ れ ら 抵 抗 性 遺 伝チ は 集 団 に 広 ま っ ているが． 巨 大 な ハ プ ロ タ イ プ ・ブ ロ ッ ク の ＂＇にあるので．ヒトの泣伝チプールの中で

l l 立つほどに

な った の は 以 近 で あ る こ と を う か が わ せ る （ Fi g. 8-60 ）。

ι

全 SNPの一部

だけを調べればすむことである。ヒトゲノムに

0 %を 存在する有用主主 300万の SNPのおよそ 1 調べるだけで．遺伝子の位置がわかる 。

ヒ ト の進化 を考えるうえで．ハ プロタイプ地図は過去を知｜ る：：~である 。 また．疾患 へ の 感受・性や抵抗七: Iを 与 え る 遺 伝 子 の 発 見 を 助 け ． 例 々 の 人の 将 米 に か か わ る 大 ま か な ガ イ ド と もなり うる 。

(A）興型的な対立遺伝子を含むハブロタイプ ・ブロックの大きさ

個人 A

個人 B

個人 仁

目白l f l I I TO J i ll i i l l f i l 皿制”

~W＇°＇剛l lITOOallll l川）~］~~ IOI岡田岡

( B ） 遺伝子 2の対立遺伝子を含む異常に大き忽ハプロタイプ ・ブロック

・ ・・ ・ ・ 園 田. . . . . . ・ ・ ・ ・ ・ ・・・ ・ ・ 遺伝子 2

個人 X

1 1 I U0 11 I Ei n l 1 • ・・・ . . .. . . ...

個人 Y

凪I Ol•• 11 • 1 1 1Ill i

個人 Z

IT1Illll1•• 11・I・1m l1

EH E

ハブロタイプ ・ブロック

F i g . 8・60 異常に大きなハブロタイプ・ブロッ ク内にある対立遺伝子は．ヒトの進化の歴史の 中でかなり母近選択された。SNPは縦線で示 し ．

! S i ! . i ! i 配列によって白か尽に色分けしてある．染 色体上の八ブロタイプブロック l < l : 赤色．遺伝 子は涜色．他の部分は宵色で示す。これらのデ

< l :ヒ トの歴史 ータから．遺伝子 2の対立遺伝子l の中でか忽り霞近生じたことがわかる。

遺伝子の発現と機能の解析

複雑な形質は複数の遺伝子の影響を受ける ピアノ i i i f / k家にはバイオリン演奏家の伯母がいるかもしれない。ある家族では肉親も子供 もみな太っているかもしれない。 祖母がアルコール ij•,lJ；で孫が麻薬 '111lよという家族もある

だろう 。符楽の才能．肥満．麻薬常用品事といった ' f ' t t ' tは．どの程度遺伝するのだろうか。 これに符えるのはたいへんむずかしい。ある形質や州%は”家系に特桁”ではあっても．ご く少数の組族に限定されたり．容易に見分けられない形でしか現れなかったりする。 l j i . 純な池伝械式 （メン デル追伝）には従わないが．辿伝的な説家をもっ形' l ' 1を．複雑

な形質 （ compl e xt r a i t）とよぷ。 これらの形質は ポリ ジー ン （ pol y g ene）によるこ とが多い。

mに複数の逃伝子が少しずつかかわっている 。 これらの泣伝子の

つまり ．その形質の表現

影特は相加的で．少しずつ撲なる形質を集団内に作り I l lす。 ポリジーン形質に貢献する遺 f す 伝子は．それぞれは単純な様式で子孫に分配されるが．すべてが表現型に彩符． をおよ（ ;

ため．

子孫に受け縦がれた形質の現れ方は非常に桜~t になることが多い。

ポリジーン形質の単純な例は自の色で．メラニン色素の生成と分配を制御する酵素

mによって決定され． メラニンが多く作られるほどけの色は濃くなる。多くの泣伝子がメ

ラニンの生成に関与するので目 ヒトの自の色はごく i 浮い以色から濃いチョ コレート色まで． さまざまである 。 t J f l Lや l f l l友病などの単一泣伝チの変民に必づく疾忠は．ヒトの逃伝性の 鎌状赤血球1 表現｝悼のうちで11~ も早く認められたものだが．こうした単一遺伝子によ って決 まるヒトの

形質はほんのわずかにすぎない。身長．体 i l l . Hの色．空2 ・の色から知能目体質．社 交t t 気t i ：など．ヒトの衣m l l ! lで日立つもののほとんどは．たくさんの泣伝子の相互作用で生じ ぜんそ〈

る。 ごくありふれたヒトの疾忠一一緒尿病．心臓M . 内Jil圧． アレルギー. I I 尚息．事宮病や 統合失~症を含むさまさ’まな精神疾忠一ーへのmi忠fltili•J の般底にあるのも複数の遺伝子ら

しい。研究者らは．ヒト独特のいろいろな形質を決定する遺伝子！日j の緩維な相互作用を理 解するために. 1 i i i 述のハプロタイプ地図の平I J J T Jを合めて．新たな戦略を探っている。

逆遺伝学は既知の遺伝子力＇ S始めて．その機能が細胞のどの反応に必要かを決定 する 今まで凡てきたように．古典遺伝学は変異の表現1~ （あるいは ヒトの場合はさまざまな性

' f l）から出発して．その原因となる変巽 （したがって遺伝子）同定に進む。 しかし組換え DNA技術とゲノム泡） i J配列決定のおかげで．日j lの i l l伝学的研究法が可能にな った。変 異 体から 1 1 1発して i l l（ ： 云r とそのタンパク質の同定に進むのではなく．特定の逃伝子から出発 l l J 包や変災生物を作り 1 1 . . 1して泣伝子の機能を解析す してその逃伝子に変興を起こし変異緑I る。 この新しい方法は池伝学の伝統的な方向とは逆なので （ 変異体から泣伝子へではなく． 遺伝子から変異体へと進む） ．逆遺伝 学 （ r e v er s eg ene t i c s ）とよばれる。 j 迫i l l伝学は．クローニングした遺伝チや．細胞から単離したタンパク質．あるいは

' I i . 純にゲノム温恭配列から始める。出発点がタン パク質ならば．対応する遺伝子をまず同 定し．必~ならばその広恭配列を決定する 。 泣｛玉·fの配ダlj がわかれば. i nv i t r oで改変して

俊民体を生成させる。 この改変遺伝子に適切な訓J l n j , J （城をつけて網l I ! l 包に導入する と ． 染色

I I 胞のゲノム内に永続するようになる場合がある。改変された細胞の子 体に組み込まれ．制 孫はすべて．ぎりもi l l（：云チを含んでいる 。 遺伝子導入をした細胞が受精卵の場合．’災｝もが致死性でなければ．その変異遺伝子 をも った多細胞生物が生まれる。 これらの動物のなかには改変遺伝子が生殖細胞に組み込 まれるものもあり （ 生純系列変異［ge rml inemut a t i o n］）.その変異遺伝子は子孫に伝えら れる 。

563

564

8 タンパク質，DNA , RNAの操作 F i g. 8-61 アフ リカツメガエル初期医の体朝発生に作用するシグナルタンパク Wnt

の異所性発現。Wntの mRNAを腹侭i J t 遺物i ! ; l j！求に注入したところ．二次体軸が誘導さ 宮 ） ， ( 5 .S o k o leta l . ,C e / /67 目：7 4 1 7 5 2 ,1 9 9 2より。 E l s e v i e rより許諸） れた（第 22t

遺伝子はいろいろなやり方で改変できる ある遺伝子を欠く変異生物を問主導すれば．その泣伝子からできるタンパク質の機能がすぐ わかることを見てきた。 そのため．遺伝子の”ノックアウト． （ 二倍 体生物のその逃伝子が

両｝ jとも不活性化あるいは欠如している ）は特に役立つ変災である。 し か し 実 験 に 役 立

r u

t 伝的改変の種類はほかにも多数ある 。 たとえば．ゲノムに再滋人する J i fに イ云子の湖 つA （ ＇J i 域を l 次 公 し て その巡f云 r産物を大拡に発現させる．あるいは，，ir~ った組織や発生途上 節；

の 不i 歯切な｜則的に発現する変異体を作ることができる（F i g .8 -61。 ） 遺伝子を誘導プロモ induc i t ヲl epromot er ）の調節下に i 町いて. . i 1 ' . i :伝子のスイ ッチを 1 ' 1 1 1 1にオンやオフに ーター （

して影仰を調べることもできる。特z 定の組織だけで働く誘滋プロモーターを使えば． その 組織で遺伝子をオフ （ あるいはオン）にしたときの彩斡が調べられる。 以後に．優位阻害 ( domi nant -negati ve ）変異は．ゲノム内に改変遺伝子を加えるほうが7亡の遺伝子を世き換

l i ' l iな場合に特によく使われる。優位｜盟各戦略は．大多数のタンパク質が大きな えるより n タンパク複合体の一部として機能していることを利用する方法である。桜合体中に機能し ないタンパク成分が lつでも入り込むと全体が不活性になってしまう 。 したがって．複合 体は｛午らせるが機能は妨げる公民タンパクを大量に合成するような遺伝子によ って．正常 i l i jブ T 1 r ：必していても複合体はすべて不活性という細胞を入手す タンパクと変興タンパクがf

ることができる（Fig.8-62 ）。 1 1 i典 . i 1 ' . i :伝学：ですでに述べたよう

に．そのタンパク質が紺＂ 泡 （または生物）の存在に必

須だと．優位阻害変異体は死んでしまい． タンパク質の機能は調べられない。逆遺伝学で はこれを避けるために．誘導プロモーターを変災i l l伝子につけて．指凶 （たとえば．温度

・ 1 1や特定のシグナル分子の存イ1 ：など）があったときだけ欠陥i l l伝子産物を生産させる。 の」ニ 遺伝チとその指令するタンパク質の働きを澗べるには．必ずしもや区別な変化 ーーそ ：伝子産物 を ま ったく 作 ら せ な い な の タ ン パ ク 質 を 細 胞 内 で 大 川 に 作 ら せ る と か ． 立i どーー をぶめなくてもよい。 タンパク質のどの部分が機能にとって武咲かを分析したいと きは．タンパク機造のわずかな変化 のほうがかえって役に立つ。 たとえば静ぷ−の活性研究 には.

i f i 1 ' 1 ： 部i 立のアミノ敵

lつの変化が役に立つ。 i l l伝子 （したがってその産物タンパク ）

を微妙に改変するには特殊な技術を裂する。 まず＇

E ' . ！ .みどおりに i l l（ 去チの一 部を改変した

泡器配列をもっ短い DNA分 子を化学合成する。 次に．この合成 DNAと．改変したい坂 ~Ui~91J を合む一本$Ji プラスミド DNA を ． 完全に 一致しなくても対形成する条件下でハイ

ブリッド形成させる。 この介成オリゴヌクレオチドをプライマーとして DNA合成をさせ ると．

二 本jj~ の 一方に改変した配ダlj をもっ 二本釘i

DNAができる。 これを滋入 （トランス

F i g .8-62 優性問書変異の~·。 この伊jでは．

復合体を形成する 正常タンパク

変異タンパクから なる復合体

変異タンパクと 正常タンパクを 含むI l l 合体

遺伝子を自主作して正常なタンパク貨の軽量白告を図 書するよう司王変異タンパクを作らせている。正 常忽タンパク質が，複数のサブユニットかうな る復合体を形成したときに初めて活性を示すが 変良タンパクが正常タンパクと混在すると．不 活性芯混成復合体が作られるので．正常花王機能 の発現が妨げられる。このやり方によると．変 異遺伝子が 1コピー ゲノムのどこかに何入さ れれば目正常芯産物を不活性化することができ

活性

不活性

不活性

る ．

遺伝子の発現と機能の解析

565

フェクション）し て 完全な改変型遺伝子をも ったプラスミドを待．この DNAを発現ベ クターに挿入して細胞の 1 : 1 1で改変タンパクを作らせ．その性質を調べる。 この方法を部 位

s i t e d i r e c t e dmutagene s i s ）とよひ＼タンパク質中のアミノ酸を選択的に変 指定変異誘発法 （ 化 させて分子の折りたたみや． 他 タンパク質との相 I I I 作j 羽田酵素活性なとεにかかわるポリ

F i g .8-63 ） 。 ペプチド鎖の重要部分を厳衝に淵べる ことができる （

改変遺伝子はいろいろな生物の細胞に挿入できる 改 変i l l 伝子を細胞に瀞入するにはいろいろなやり方があり . l~li乳類細胞に対しては. DNA をガラスのマイクロピペットで微量注入したり．外来遺伝子を運ぶように改変したウイル スを使うことができる。植 物 細 胞 で は．微 粒 子 銃（パーティクルガン）法 と よ ば れ る 技 術 が よく使われる。DNAを 小 さな金の粒子に塗りつけて．文 字 ど お り 特 殊 な 改 造 銃 で 細 胞 墜 を通して打ち込む方法である 。 ＇ i l i 気 穿孔 法（エレクトロポレ ーション ［ e l e c tr o p o r a t i o n ） ］に よると ．細菌やその他若干の細胞に DNAを導入することができる。細胞膜に屯気ショ ッ クを与えて一時的に透過可能にし．外来 DNAが細胞質に入り込めるようにするのである。

クローニングに使う プラスミドベクター ( A )

¥ .

姉入されている正常遺伝子

－~'011111111111川Ill川川川1 1111

圃」

CTG

Fi g .8-63 合成オリゴヌク レオチ ドを使って

~

弘＇／ ／1 1 11 1 1 1 1 1 1 11 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 』 1 1 1 1 11 1 11 1 1 1 1 1 1 11 1 11 1 11 1 1 1 1 1 1 11 1 1 11 1 1 1 1 1 ¥ i , .t

(A）目的とする遺伝子を挿入した組み燃えプラ

スミドの DNA鎖を解離させ．一本鎖 DNAに 成マ

つブ

合イ たラ

E 列オ

配レ 叫 異ク 比 マ

的り

のゴ

園 変ヌ

・ 一 目オ

二本鎖を鰐駿

−mH

＝

遺伝子の叡駅領主主に部位指定変異を導入する。

する＠合成オリゴヌクレオチドフライマーを加 え 不 完 全 な DNAハイブリッド形成が起きる 条件下で二本鎖を作うせる（ F i g. 8 3 6参照）。 合成フライマーは．この遺伝子の庖益配列の一

( B )

l …

部に栂術的だが，あらかじめ選んだ位位の泡基 を 1（固だけ変化させてある。（ B）フライマーは 1か所だけ誤対合のまま DNAとハイブリッド C) i nvi t r oでフライマーから DNA 形成する。（

..X5-itcDNA

リガーゼで鎖を完成させる

（ 仁 ）

合成を開始合せて二本鎖とし DNAリガーゼで つないで環状にする。（D）できた DNAを細菌

仁TG-

ぷt

さ

Gパ

、，

園田 白 色

に導入し復製さぜる。 一方の鎖からの複製では

壬

正常忽 DNA分子ができるが．もう一方（フライ マーを含む鎖）の複製では．予定した変異を含

I細胞に導入，復製により I2福類の姐細胞ができる

む DNA分子ができる。目的の変異遺伝子を含

一 山 一

GAC−ー・ 〓叫：弘

ぶr

むプラスミドは子孫細胞の半数に受け継がれて いるが．変異遺伝子をもつものを同定して分自主 できるので．これを洛護して純粋忽集団とする。 このようなやり方で誘導できるいろいろ芯変異

% 。 州

のうち．ここでは 1つだけを示してある。適当

1 1 1 1 1 州

芯配列のオリゴヌク レオチドを使えば．岡崎に 5 ’

GAC圃 園 田 3’

5 ’

GCC圃 圃 ・ 3’

複数のアミノ殴を置換したり，アミノ酸の付加 や欠失を起こさせることもできる。ここでは示 さないが目適切なオリ ゴヌクレオチドと PCR

Asp

正常なタンパク質ができる

Ala

目的とするアミノ磁が 1個 変化したタンパク賓ができる

を（ プラスミド復裂の代わりに）用いて変異遺伝 子を組閣し 部位指定変異を作り出すこともで きる。

566

8 タンパク質. DNA.RNAの操作 F i g ・ 8 ・6 4 遺伝子の置換，遺伝子ノッ クアウ

正鍛遺伝子 X

ト，遺伝子付加。遺伝子導入生物を作り出すた めに正常忽遺伝子を改変する方法はいくつかあ

遺伝子置換

一 一

る 。 （A）正常遺伝子（緑色）を変異体遺伝子（赤色）

1

(

負えてしまう遺伝子置役。これを で完全に置きj 使うと正常遺伝子に妨害されること恕く変異遺

遺伝子付加

ノックアウト

伝子の情報が得られるので．小規模で微妙芯変

一一

変異遺伝子だけが働く

異の影響が調べうれる。（8）正常巡伝子を完全 に不活性化する場合で．たとえば大規綴な欠失

活性をもっ遺伝子力1 存在しない

どちらの遺伝子も働く

( B )

（ 仁 ）

( A )

を起こさせた場合など。これを遺伝子ノックア ウトという。 （ζ）ゲノムに変異遺伝子を付加す る。生物の種類によっては．このやり方が遺伝 子操作として最も容易にできる。導入した変異 遺伝子が優性問答変異のように（ F i g .8 6 2参 照）白正常逓伝子の機能を妨げる場合に．この

I 胞 で二倍 体 だ が．細菌や酵 S J :.梨l J 抱性粘菌 Di c t y o st e l i u mなど 高等真核生物は多謝I − ／

は一昨体単細胞生物である。 これ らに変興治伝子の DN Aを人為的に導入すると．かなり

i ' lき換えら の日頻度で相同組み換えを起 こして lつしかない正常遺伝子が生誕逃伝子に l i g. 8-64A） 。 こうして．特定のタンパク質を れ．そのような変興イ本が簡単に入手できる（ F 作ら ない細胞や．変興し た産物を作る細胞を入手で きる。下等兵核生物での直接の巡伝子 li'.i 換と一倍体としての通常・の泣伝解析との組み合わせを！日いる方法は． 点核~ミ物とも共

通する生命活動を詳しく調べるのに重姿な役割を来たしてきた。

動物を遺伝子操作により改変する

i l l 伝子の追加や世換は動植物でも 可 能ではあるが．下等生物よりはむずかしい。 i l l伝−子挿 入．遺伝子欠失．あるいは遺伝子世換によって永続的に作りかえられた勤勉物を 遺伝子導 入生物 （ t r a n s g e n i co r g a n i s m . トランスジエニック生物）とよぷ。 また．追加された外来遺 伝子や．改変巡伝子を 導入遺伝子 （ t r a ns g e n e ）とよ ぶ。 ここでは．著しい進歩のみられた 巡伝子導入マウスに的を絞って論 じる。変災逃伝子を含む DNAをマウスの細胞に将入す

l f 立を選ばず挿入される。 しかし 1 0 00I 百！ に ll !I くらいは相同組 ると ．通常は染色体に許l

mき換わることがある。このまれに起こ る”遺

換えによ って正治な遺伝子 2個のうち l例 と

世換し 伝子ターゲテ イング（ねらい怒ち） ”を利！日 して．マウス細胞の任意の遺伝子を直接i て4 守定の遺伝子を変え たり不活性にしたり できる。 目的の泣伝子が 2倒とも不活性化 され

kno c k outmous e ) たり失われたりした場合には 生じたマウスを ・・ノックアウト．．マウス （ とよぷ。 あるいは撚的巡伝子 以下． その方法を説明しよう 。 まず．変異した遺伝子 DNA （ ）をベクタ ーに 挿 入 し 端接 した際性幹細胞 （ ES細 胞 を｜盟書するように 設 l汁 した DNA

F i g .8 -5参照）に導入する。 この細胞はあ らゆる細胞型を 生じる 可能性をも っている。一 定W J l l U細胞を均殖させ．有l l f i l 秘1 換えによって巡伝子世換を起こしたと 思 われる数少ない細

i l （ （かに組換 胞のコロニーを単維する。 この中から .PCRかサザン ・プロッ ト法を使って. ' えが成功し挿入した DNA断片が i個の正常泣伝子（の全体か一部分）を世換したものを選 び出す。第 2段階で，選んだコ ロニーから細胞をマイクロピペットで吸い上げて．マウ ス j fに注入する。導入さ れた ES網 l l J 包は宿主となった肱細胞とい っ しょに外見上正常 の初期J

なマウスに成長する。 このキメラ動物では体のかなりの部分が滋入した ES細胞に. 1 I J来す るものになることが多く ． うまく い くと生殖系列の細胞もこの ES細 胞由来になる（ F i g.

8-65） 。 生嫡系列に導入泣伝子をもったマウスを繁殖させると . l l J 越の遺伝子に｜則してヘテ

i 1 1 伝子と変当時 i l l伝子を Iつずつもつ）である維や雌 が手−に入る。 ロ桜合体（すなわち正常 な:

方法から有用な情報が得られる。

遺伝子の発現と機能の解析

567

こ れ ら を 交 配 す る と ． 子 マ ウ ス の 4分 の ll ま変拠地伝イ・に l 則してホモ接合体となるので． こ れ を 使って 正 常 遺 伝 子 の な い 条 件 下 で 変 異 遺 伝 チ の 機 能一 一あ る い はj l t伝 子 の 働 き を 失 った こ と に よ る 影 響ー ー を湖べることができる。 既知！の遺伝子を欠く j l t 伝子導入マウスを作る方法はすばらしい進歩であり．今円．

i g.8-66） 。 特定の方法で条例ニ変 マ ウ ス の 泣 伝 子 機 能 を す べ て 調 べ る の に使 わ れ て い る（ F に特定の組織で目的とする遺 民 体 を 作 り 出 す こ と も で き ． そ れ に よ っ て ． 発 生 の一 定時期l

I Jして．標 伝 子 の 働 き を 選 択 的に 妨 げることができる。 こ の 手 法 は 部 位 特 民 的 組 換 え を 利J 時 期 に 切 除 し て 機 能 を 失 わ せ る も の で あ る。 I 訟も一 的 遺 伝 子 を 特 定 の 部 位 あ る い は 特 定 のI

/ loxと よ ば れ る 方 法 で ， マ ウ ス や 他 物 の i l l 伝子 I l l換に！よく使われている 般 的 な の は Cre i

( F i g . 5-79参 ！ 江）。 この例では.ES細 胞 内 の 標 的 辿 伝 fを.l o x；~II位という短い l 対の DNA の 泡 基 配 列 で は さ ま れ たi l l伝 子 でi 丘換する。 この i l l伝.− ［の 機 能 は 完 全 な ま ま な の で ． 生 じ

( A )

( B )

ES細胞を倍獲

I l l マウス

・ ， . . . ＂ ・

~~~

＠フ判明〔E

Jぐ フα gむ

を

h M m入 一 D導 ニ

子胞コ

のにロ

伝細にる 遣の胞せ 異絞細己 変多告作

hJ

−子 I幻

−

−

山判航一明

臥変伝

一史鍵園開

目変 遺

を

Q llJ-UO~す ES細胞を 初期医に注入

−酌 ｜ ，王がESできる 初期E l

F i g.8-65 マウスに遺伝子置換を起こさせる

方法の要約。第 1段階 （ A） .改変した遺伝子を

験

活禁圧性務細胞（ E S細胞）に導入する。少数の

E S細胞で．相同組i 負えが起こり．正常芯遺伝 削聞に

娠 妊 備 を入 底導

初ス のっ こマ

子とこの変異泡伝子とが箇換される。手間のか かる手順ではあるが．これらのまれ芯細胞を同

．

p，

定し，それを活援する。得られた子孫はそれぞ

匂

i

れ 1対の遡伝子のうち一方に変異遺伝子をもっ。 次の段階（ B）で．このお細胞をマウスの初期医

僚的遺伝子の 1コピーが 変異遺伝子に世銀した ES細胞 a

・」y A』

l

｜ 出産

f f の一部とな に注入する。この細胞は成長中のf ま変異遺伝 り，生まれるマウスの体細胞の一部l 子をもっ（茶色で示す）．その芯かには生殖細胞 系列にも変異遺伝子をもつものがあるので．こ のマウスを正常マウスと交配すると．子孫のな かには全細胞に変異遺伝子と正常遺伝子を 1っ すつもつものが生じる．そのようなマウスどう

子から体細胞に変異遺伝子を もつものを選んで交配し． 系列細胞に変異のある 生 男E 子篠を深す

しを交配させると（図示していない） ．子孫のな かにすべての紹犯が変異遺伝子を 2つ（各梁色 体に 1っすつ）もつものが生じる。 変異が~伝子の担霊能を完全に不活性化する線

合l c l :，このホモ｝韮合体をもっマウス｜手ノックア ウトマウスとよばれる。発生に必要芯遺伝子を 生殖系列細胞の織的遺伝子の 1コピーが変異遺伝子に 置検した遺伝子導入マウス

失ったマウス l c l : . 成体に達する前に死ぬことが 多い。この致死的忽欠陥を調べると．失った遺 伝子の機能を解析することができる。

8 ，タンパク質 ， DNA,RNAの操作

568

F i g.8 ・66 DN Aへリカーゼに変異をもっ遺伝

孟早期老化を示す。Xpd巡伝子が 子導入マウス l 指令するへリカーゼは，転写と DNA修復にか かわる。同適齢の野生型のマウス（ A）と比べる と 欠 陥 X凶をもっ遺伝子導入マウス（ B )l < l : . ζヲそし＂

骨粗~症. ~主弱．体毛の退色生殖能力喪失，

短命主主ど．多くの早期老化の症状を示す。ここ ( A)

で使われた Xpdの変興はヘリカーゼの活性を

( B )

低下させ．ヒトの硫賀欠乏性毛袋発育異常症（脆 弱毛．骨格異常．短命の特徴をもっ疾怒）を引 き起こす変異に似ている。これらの結果から． DNAj 負傷の笥積は．ヒトでもマウスでも老化 る ill 伝子滋入マウス l立正常な表現1＼~ を示す。 lox 官M立は C re 組換 え 両手必 のJ段目lj 百II位なので．

このマウスを．誘滋プロモーターの制御下 に C r e組換え両 手ぷ泣：伝子を発現する遺伝子導入

の一因と怒ることがわかる。 C J .d eB o e re ta l . , S c i e n c e2 9 6 :1 2 7 6 1 2 7 9 ,2 0 0 2より。 AAASより

eのプロモーターのスイ ッチを特定の細胞や特定の組織でオンに マウスと交配させる。Cr

訴諸）

すると . C r eが 2つの l o xl i I H 立の H I Jで組換えを起 こさせて然的遺伝子を切除してしまうので． その機能が失われる。 ショウジョウパエの条件変災体のf rl l H こも 1 J J i 織の制l 換 え機構が平1 Jm されている（ Fi g .22-49参 ！ ！ ｛ ｛） 。

遺 伝子 導 入 植 物 は ， 細 胞生 物 学に と って も農 業に と っ ても重 要 で あ る 刷物では．ダメー ジを受けると成熟分化 した細胞が“脱分化 ”し . Wt .M し jl~分化し て元と 巡 った却の細胞を作 りI l lすことにより修復してしまうことが多い。条「 ｜ ー に よ って はこのJ J 見 分化した細胞から別制分裂組織が形成され．般物体が J l f ' i うして配1 尚子を作ることさえある。 植物細胞にはこのように驚くべき発生上の柔軟性があるので．それを手I J J I Jして培養細胞か ら遺伝 子導入机物を作り I : ¥す こと ができる。 M物の組織J'i喝を栄養分と適当な 成長調節物質 を 11;'む J!!r; ai~J血 でI行 必すると ．ほと ん

どの細胞は期航 し て カ ル ス （日l us ）とよばれる分化ね伎の低い不定形の綱l l J I 包塊となる。 しかし栄必分と成長誠節物質を適切に調整すると．カルス内に＊となる名前端分裂組織． 続 いて似端分裂組織が生じ完全なN i 物倒体を f l 泊三できることが多い。 カルスを機械的にほぐして I 詳 細 胞 に し 浮 遊I 店長として成長と分裂を続けさせるこ ともできる。 タバコ．ペチュ ニア．ニンジン．ジ ャプfイモ．シロイヌナズナなどいろいろ な植物で．こ うした l j i .離細胞 を成長させて小さな集塊（クローン）としたのち．完全な植物 体 をj l j : 形成できる。生物全体 になる能 ） Jをもっそのような網I I 胞は． 全能性をもっ （ t ot i po・

t e nt ） と 考えてよい。公災マウスが遺伝的に操作した l , 1 ¥ 1 ' tES釧J包から作 られたのと 同様に． DNA を討二入し た l例の令能性純物細胞から治伝子綿入品目物 を作 り/ JI すことができる（ Fig.

。 8-67） 遺伝子滋入植物は．板i 物成長調節物質の受存体の l j i .離や．形態形成や泣伝子発現の

l）包学の多くの分貯に加L i 率的発腿をもたらした。 さら 機椛解析などに大きくは献し 他物剥I に 1:i~食生産の分自fでも．牛産者．消費者双方に望ましい新しい可能性が数多く’J：.ま れてき た。 たとえば組子 lj • の脂質．

デンプン．タンパク質のJt）＇ 縦形態を笈えたり.

ルスに対する耐性を純物にもたせたり ．海水の入る iW 也や水はけの：思い

~~14虫 やウイ

l :J 也など徒指ーな環

境条件にも耐える純物を作り I I したりでき る。 動物の発生に｜ 則する重要な進歩は．ショウジ ョウパエや級以 C e l e g a 1 1sを使ってお もに進められてきた。 これらは遺伝解析が行えるうえに災験的に扱いやすいからである 。 これに比べると .{ t i [ 物の発生の研究は進歩が遅かった。i l l伝解析に適し ているトウモロコ 年間が長く．ゲノムもきわめて大きいので. 111I J 処的な j f i（ 云竿：でも シや トマ トなどは． ｜ 吐代H 分｛ − ）立伝学でも月T シロ イヌナズナ Ar 「 i b i d o p si st hal i a阿aカ＜ jJ口されるようになつた。 これは i l l f . i ；学の”モ デル

遺伝子の発現と織能の解析

569

F i g.8-67 遺伝子混入組物を作り出す方法。

切り取った擦を遺伝子組倹えした アグロパクテリウムと 2 4時間， 活獲する

タバコの薬を円形に 小さく切り取る

(A）方法の概略。小円形に切り取った禁を．ア

g r o b a c t e r i u m細胞（選択マ グロパクテリウム A ー力ーと取り込ませようとする遺伝子を含んだ 紹漁えプラスミドをもっ）といっしょに Jg援す る．切り取った漢の錨の傷ついた細胞から誘引 物質が分泌され． 続号｜されたアグロパクテリウ ム細胞はこれらに DNAを注入する。目的の DNAを取り込んで遺沢周マーカ一泊伝子を発

1 5 1 也を使って ， 選択1 細菌から DNAを 受け取った御物 細胞だけをt 也知

l ' l 殖してカルス 現する値物細胞だけが生育し. l 草分を加 を形成する。カルスに成長調節物質と5

させる

すると．ます芽が．次に視が生じ ， 目 えて訴 事3 的の遺伝子をもった完全芯織物体に生長する。 ( B）紹換えプラスミドの調裂と植物細胞への湾

ONA 入。アグロパクテリウムのプラスミドは T-

の塩基配列をもっている。T ONAには 2つの

2 5塩基の反復配列があるので．その悶に選択 綬を誘導する

菌に成長

用のマーカー遺伝子（ カナマイシン耐性週伝子

搭地に移纏

広ど）と．導入しようとする遺伝子を組み込む。 このアグロパクテリウムが値物細胞を i . ' : i 8 J Jし

( A )

初めに細菌がもっていた 遺伝子を受け取り完全な 個体に生長した織物

ONA分子を効率よく組物細胞に送り込む。こ

の際．下ONAが通常組み込まれるのと同じ織備 で，組換え配列をもっ DNAが個物細胞に組み 込まれる。

細菌細胞

4 宙物細胞

アグロパクテリウb . の 組漁えプラスミ ド

( B )

Ni 物”

細菌内で DNAはプラスミドかう線状分子として切り出され． 御物細胞に直後送り込まれてその染色体に組み込まれる

と して い く つ も の平I J / : 1 ；を備えて いる （ Fi g1 -4 6 . 22-1 12参！ ！ ｛ ）。 シロ イ ヌ ナズ ナの ゲ 目

ノム は 比 較 的 小 さく ． そ の配 §1 ］が完 全 に 解 説 さ れた 最 初の純 物 となり ． 今や モ テ ， ）レ動 物 に

i l iさ で研究 が 進め ら れ ている 劣 ら な いj

標識っきノ ックアウト変異体を大規模に収集して全遺伝子の機能を調べる手段と する I l l応両 手f ' : JS .c e r e v i s i n e .線 ! . i t . ショ ウ ジ ョ ウ パ エ． シロイヌ ナ ズ ナ． マ ウ ス な ど ． さまざ まな モ デル生物 に おけ る変興の包指的ライ ブラ リーを作 ろ うと い う．大規艇な JU•iJ 作業が j 並行してい る。 いず れ も． そ の 生 物の あ らゆ る遺伝チをあるいは欠失．あるいは条例・によ

って 機 能 を う たうよう に改 変 し た コ レク シ ョ ン の 収 集 を 1指 して い る。 こ の 航 の 収 集 は ． ゲ

8 タンパク質.DNA.RNAの操作

570

醇母の標的遺伝子 xに

4 目同な配列

選択用マーカー 遺伝子

独符の ”バーコード”配列

， ， ， ，，

醇母染色体

’

」

rー ー圃圃圃圃圃圃圃圃圃圃圃圃圃圃圃圃圃圃圃圃圃圃圃圃圃圃圃圃圃 圃 圃 ・一 一 一」

機的遺伝子を 転移因子が磁品目

転移因子の一昔日~苦IJと

相同な PCRフライマー

. . . _ _ _ _ . . . .

福田

− え

組

問

相

， −

EEEE EEEEEBEE

’

」ー一一一一一 醇母の標的遺伝子x一一一一一一一」

f "I

繍的逓伝子の一部配列と 組問な P仁Rフライマー

転移因子が標的遺伝子に締入された ． ． ． ． ． ． ． ．． ． もゲのルの上みで＋告白さ産れ物るができ．

標的遺伝子 xが選択用マーカー遺伝子と

PCR

それに結合した”バーコ－ ~·配列で笛検される

(A ） 醇母

I

＋

( B )

シロイヌナズナとショウジョウバ工

F ig. 8-68 変異体生物の収集。 （A）酵母で利用される欠失力セット。棟約遺伝子 xの両術部と相同な DNA配列（赤）．選択用のマーカー（宵）， 約 20~基対の独特砿．パーコー ド．配事lj(緑）を含む。この DNA を醇母細胞に導入すると。 相同組j負えによって標的遺伝子と置換を起こす。

それぞれ別々の遺伝子に対応したこのよう主主力セットの集包を利用 して おのおのの巡伝子の変異体をもっ変異体醇母ライブラリーが作れ ）同僚に．シロイヌナズナとショウジョウパエでも 標設っきノックアウト変異体を作り出ぜる。この場合は，転移因子が標的遺伝 る。（ 8 子へ偶然に持入されて変異が生じたものを使う。できたすべての変異体生物から DNAを集めて，転移因子と標的遺伝子の配列をもった D(Rフライマーを使い．目的の遺伝子が破話題されているものをすばやく選び出す。転移因子が僚的遺伝子に符入されたもののみ P C R建物

i g .8 4 5参照）。 ができ，グル上で検出できる（ F

ノム規模で泣伝チ機能の解析を行ううえで非常に重要である。 収 集 し た 例 々 の 変 異体 に そ れぞれ分子標識をつけて区別する場合もある。 変巣立H 云ー 子を迅j f i lかつ平等坊に ＞ . ！ .分 け る 試 み もなされている。

m芽 酵 母 の 場合 ． それ ぞ れ のi l l 伝 子 を 欠 失 さ せ.6 000の 変 具 体 のそろ いを作る作業 は．防防の初l 同翁 l換えを利 JI] して谷弘に できた。それぞれの ill 伝子 に ”欠~·カセット．．を JI!

E；する。 カセットは．れ際的足I 伝 子 ご と に そ の 末 端 の 配 列 と 勾 し い 2組 矧 の s oヌクレオ チ ド の1 1 1 1に． 選 択 川 の 傑 識 （ t ag ）をもっ DNAをはさ んだものである。 さらに この DNA分 r には．

でき た変災株をあとで附j似 lこ l•iJ J . Eできる ように．特定の ”バ ー コ ー I ， .”配列標識を

J q ！，め込んでおく （ Fi g.8-68 。 ） 逃伝子ノ ックア ウト ぎ りも体の集刊1 を作り ． さまざま な 選 択 条

n .た と え ば 栄 必 欠乏 . l品j立変化．集斉lj の存在下などで.r,~－~ し．生き伐 っ た細胞をその

r i t ' . ; i l j 絞 殺 を 使って！ ”l 定する 。 集 団 の＂＇ の 変 児休 が どの 松 皮＇ ＇ ＇・き妓る かを，Wf 1 1 iして． 加 え た 条 件の下での~！： Tl' にどのill 伝子が必須か． イT 川か．あ るいは無関係かを判断する 。

このような防 ：変 f ） ： 具体 を 使って． そ の 表 現型 か ら 泊 伝子 の 活性 や 生 物 学 的 役 割 を 1 f i

i J l Jする のはむずかしいぷ題である。 欠陥のなかには．た とえばヒスチジンが干f 治：しないと 1 ＇ （ 接 示すものもある が 生 育 できない な ど 野 生 相 巡 伝子 の 機 能 を 1

のもある 。 急激な ilu\J刻I~

｜期連性が1 9 1白で な いも

F lこ！感受性をぷす場合．その遺伝− fは細胞に とってと ん な 役割l を e

栄 た す の だ ろ う か。 こうした問題は昨りよりもはるかに彼雑な生物ではさらに深刻である。

l l : 伝 子 の機 能 欠 紛が 発 生 段 階 も 純 類 も さ ま ざまな多数の組織 たとえばマウス で は. I例 の i に彩科することもあれば．何ら 19~ (I な 脳 科 の な い: i 1 H云了ー欠H Iもある 。 マ ウス の 変災 体 が 示

す 衣 現 型 の 解析には．向平i 引 I J . 組織．病店L L l . : J l！..行動などに｜ 射する広範な知織と徹底的 な 剥 交 が必要なこ とが多 い。 そうはいっても ． 変災体の ライブラリ ー を調査するとたくさんの刊•iJJ長を作ることが できる 。 たとえば．これま で場基配;y'IJ が解析されたなかでj~ も小さなゲノムをもっマイコ

プラズマ My c o p l a smage n it a l i umにつ い て 変 災体をたく さ ん 集 め た 結氷ーか ら．細胞の生存−

i i少 セ ッ トが同定で き た。M.g e n i t a l i u mが尖験議の培必条例：ー ドで生育す に 必 須 な 泣 伝 子の i

l l伝 子 の う ち 約 4分 の 3が 必 創 で あ る。 この る に は． そ の タ ン パ ク 質 を 指 令 す る 480の i

遺伝子の発 現と機能の解析

うち約 1 00 は機能が未知lで． 調HJ抱訴動の~t;礎 と して働く分チ機構のうちまだたくさんの も

のが発見されずに残 っている ことを示している 。

RNA干渉によって遺伝子機能が簡単迅速にわかる 遺伝子の機能を知るには．その泣伝子をノックアウトして結決を調べるのがi i iもよいだろ うと思われるが．最近．ず っと簡単に遺伝子を不活性化する方法が見つか った。RNA干 渉（ RNAi n t er f e r e n c e . RNAi )とよばれる方法で．多くの他物. ! f d J 物．菌類. J ；（生動物があ （か ら身を 守るために使う「！然の機併を利用してい る （ F i g .7-11 5 る位のウイルスや！｜ 伝移困 −

参照） 。 まず．不活性化 したい . i l伝了ー の一部とヌクレオチド配手l j が一致する 一本釘iRNA 分 チ 色 調l l J J 包またはさ＇＇・物に羽入する

。するとこの RNAは細胞内で処理 （ 切 断）さ れ て 燃

i l伝子ー か ら作ら れた mRNAとハイブ リッドを形 成 し そ れ を 分 解に導く 。 次いで制l J 包 的. l lいてさらに多くの二本鎖 RNAを作 り出し.f . : ' !( 1 0mRNA はこの分解ーされた RNA断片を I の除去を続ける 。 こ れらの鋭い 貯~A 断 Jt は子孫細胞に受け継がれるので.

RN Aiは遺伝

子発現に . i l l伝性の変化を引き起こす。 しかし RNAiが水統的に i l l伝子を不活性化させる u~ －. の ）J法がある （第 7 ！ ＇ ； ） ）。細胞質の . ＇ r jIで切断された RNAl t f r片は核 に入 り 械 的i l l伝 − （

l 河身に作川して．！ ｜伝' E j . ： がJ ! i H l i l Jされたクロマチ ン型に形を公えさ せてし まう 。 このようなこ ’ j 汁ーるきわめて効公的 な手段 段榊えで泣伝子発現を制御する RNAiは．遺伝子を例別に ll

となる 。

RNAi法は ． ショウジョウパエと f l f l j 乳類のY 店主主細胞株での泣伝子不活性化によく使 Ai分子のセ ッ ト（lつ lつ われる。実際に．シ ョウジ ョウパエについて 15,000純郊の RN がおのおのの逃伝子に対応する ）を使えば．培養細胞で起こる観察可能なすべての反応で

U :伝子がどのような役？”を 来たすのかを数か ｝Jで訓べる ことができる。 マウス それぞれの i やヒ トの 25,000種類の泣伝. − （についても l i 1 J 様の分析がやがて 1］＇能になるだろう 。RNAi 法

l 川されている。級品l の場介．二本鎖 RNAの将人は は．総出の逃伝子機能研究にも！ム・く手j N f jl j iで. IU 吋A をJ J 誌に白：J 妥注入するか．こ の RNAを作るように操作した大J J 詩的を えさと し F i g .8-69） 。RNAは線虫の体内に l ムがり ． さまぎまな組織で際的足t { i ;下 て』 子えればよい （ g［ ＇ ； ！ ； . を 起 こす。線虫は完全 なゲノム塩恭配ダ1 ］ が決定されているので．各泣｛ζ・ − （の機 の発現 j

能をジとめる手 D J ； けとし て RNA iが使われている 。

I i i近 で は．こ のような技術がマウスにも使われるように な った。 この場合には RN Aiを注入したりえさとして与える代わりに．組 換え DNA技術を使い．誘導プロモー

l l伝子導入マウスを作る。 この RNAは ターの制御下に RNAiを発現する i

途 ， ， ， で折り返

して分子内で塩基対を作 るようなヰI 定の設言｜であることが多く ．こ の二本 i ' J ' i 予 1 υ i xが RNAi

( B )

f l W 変異。 （ A） 二本鎖 RNA( d s R N A）を導入 F i g .8-69 RNA干渉で作り出された優位P するには， 線虫に（ 1 )d s RNAを発現する大腸菌をえさとして与えるか. (2) dsRNA を腸に芭媛注入する。 （ B）受精直後の野生型線虫座。卵と箱子の前核（赤い矢印で示す） f f の後部へ移動して合体する。（ C)細胞分裂にかかわる遺伝子が R NAi で不活性化 は! された同時期の匹 。 2つの前桜はうまく移動できない。（ B.C ;P .G i : i n c z yer a l . , Na t u r e 408 : 331 3 3 6 ,2000より。Macm i la nP ub l i she r sL t d. より許諾）

( C )

し一一一 一一一J 20μm

5 7 1

8・タンパク 質 ， DNA,RNAの操作

572

装

nに よ っ て 議日j Jされる。 こうすると. RNA i の温基配列 に 1Eli（~ に一致する遺伝 （＇ のみが

不i l " i f l ： になる。 活 羽 プロモー ター を 選 んで． 指 定 し た組 織 ． あ る い は 発 生 の 特 定 のH 針 。j に

RNAi を作らせれば．際的.ilt 伝子の機能の誹梨II ~：解析が可能になる 。 RNAiは多くの’ I ：物で逆遺伝学を l j i _純 で 効 率 の よ い も の に し た が ． 本 米 の . i l t伝的ノ ックアウ トに比べると m~料がある 。 Jlll rt I は不明だが. RN 八iはどんな i l l伝子でも効率よく

不 日・ f l ニ化 ： できるわけではな い。 しかも中ー体内の組織によ っては RN Aiが 働 か な い こ とがあ

r

る（たとえば級以 のニユーロン）。 また．多くの生物が大きな . i l t f J . ; ファミリーを もち． そ の メ ン バー がた が い に 似 た J U . 必配列をも つことも 問 題である 。 こうなると RN Aiが ． 保 的 遺 伝 子 の ほ か にl 則i i l i遺 伝ーf -まで不活性化してしまう川甘外れ”） 公j瓜をも た ら す こ とも 起きる。 成に対応する多数の小さ な そ の よ う な 問 題 を 避 け る た め に ． 遺伝 子内 の い ろ い ろ の 飢 j

RNA分 fが

mいられる。RNAi尖験はどれも. Tl：常な迂H三 f機能の~ft\J） ；なヒントを ＇］・えは

するが．祇 IYJ になるとはm~ らない。

リポーター遺伝子と i ns i t uハイブリッド形成法で遺伝子の発現部位．発現時期を 明うかにする

r

泣｛ 去 機 能 を 知る下がかりは．それが綱I l 胞や生 物 全体 の どこでいつ発現するかをぷl べて符 られる こと が 多 い

. i l t伝 子発現のパタ ー ンと H 針 。j を知 るためには． その 遺 伝 子の制沢智' i 1 或

をリポーター .ilt 伝子 で I~•＇.換するのが有効である 。 リポ ー ター ill （ぷ 1己のヲVJ! は．その産物の

示す栄光や百~；｛－i汀it'J：によって謝べる（ Fi g. 9 -2 6 . 9・27参 ！ ！ （ ｛ ）。 ~~ 71 ; " 1 ： でi 作 しく述べたが目翻訳領域の上流か下流にある l削節 DNAが 遺 伝 子 発 現 を flii] f~llする 。 ，U,',JM DNAはj 立伝子がいつ ど こ で 発 現 す る か を 制 御す る ので． リポー ター泣｛云

r をその m 1 1 御 ， .に V iいた剥l 換 え DNA分 子 を 作 って細胞へ将人すれば．オ： :； s 艇の . i l t ( i− − （ を制

i g.8-70）。 御する調節配列の働きがわかる（ F

( A ) 出発材料と怒る DNA分子

遺伝子 Xの発現繊式 タンパク Xの翻訳領主主

正常 2

『ー~二工一一一一一一］ /

＼

RNA合 成開 始 郡位

遺伝子 Xの 発現を決定する 調節 DNA

リポータータンパク Y の獄釈領主主

組；換え体

2

正常遺伝子 Xの発I 兄係式 細飽

A

「7「

B C D

リポーター遭伝子 Yの発現 儀式

F i g .8・70 リポータータンパクを利用 して遺 伝子発現綴式を決定する。 （A）この例では．タ

リポーター遺伝子Yの 発現儀式

( B ) 検定する DNA分子

3

亡 二二二二＝

幽−」

( C ) 結筋

一関節配列 3は細胞 Bの中で遺伝子 Xのスイッチを入れる 一鈎節配列 2 1 i l : 細胞 D .E .Fの中で遺伝子 Xのスイッチを入れる < 1 : 細胞 Dの中で遺伝子 Xのスイッチを切る 一郎節配列 11

に怠る• ( B ）候補と芯る調節配列者をいろいろ主主

句み合わせで含む DNA断片をリポーター遺伝 ¥ I A分子 子 Yに付加し．できあがった組漁え D

2

2

ンパク質 Xの鼠訳領主主をタンパク質 Yの翻訳領 海で置き倹えている.x とYの発現儀式は同じ

仁口 仁口

をいろいろな附乳類細胞に導入して，発現を調 草 （C)。真核細胞の宍駿に I d :リポー べる．結果l ター遡伝子として．島事紫日ーガラクトシダーゼ

( p g a l )と緑色蛍光タンパク（ GFP ） がよく用いら れる （ F i g .9-26参照）.p g a /遺伝子を利用して ショウジヨウパエ妊における E v e遺伝子の調節

i g .7・ S SBに示す。 配列の活性を飼べた例を F

遺伝子の発現と機能の解析

573

F i g .8-71 i ns i t uハイブリッド形成で RNAの 所在を知る。 （A）ゼブラフィ ッシユ初期妊にお l c a CmRNAの発現機式。この遺伝子は ける De

No t c hシグナル伝達経路（第 1 5章）のリガン ド を指令し．ここに示されたパターンは体節（脊 縫動物の体幹や尾に怒る領主 ） 主 の発生における この遺伝子の役割を反映している。 （B）高解像 度で i ns i t uでの R NAの所在を観察した工ンド

NAが合成さ ウの細胞の核小体。リポソーム R れる位置がわかる。ソーセージ様の構造の直径

( B )

( A ) 0. Smm

L一一」 1μm

は0. 5∼ lμmで. r R N A遺伝子を含む染色体 DNAから出たループに相当する。小さな臼点 はそれぞれ，1個の r R NA遺伝子の転写を示す。 （写真鍵供 ・ A ;Y unJ i nJ i ang.B ;P e t er Shaw )

ある i l l伝チの mRNAがいつどこで産物として発現されるのかを直接観察する方法 もある。 このやり方では．前記のリポータ− : i Y :伝子法と同じ情報しか科られないことも少 な く な い が ． ほ か の 情 報 を も た ら す こ と も あ る。 た と え ば． 逃 伝 子 は 転 写 さ れ て も

mRNAがすぐには制訳されないときや．泣伝子の I i i終 i r l i .物がタンパ ク質ではなく RNAで あるときなどである。 この方法は i ns i t uハイブリ ッ ド形成法 （ i ns i t uhy b r i d i z a ti on）と よば

J J I Jする。組織をおだやかに固定して RNA れ．すでに述べた核般のハイブリッド形成を手I を銭山させ．様殺した＊1 1 祁i 的 な DNAあるいは RNA とハイブリッド形成させる。 このよ うにして．組織内の特異的な遺伝子発現が観察でき . 4 守定の RNAの細胞 内での存従佼 i i ' l を決定できる （ F i g.8-71） 。 ショウジヨウパエの脹で このような発攻様式の観察を行った 紡糸から発生途上で異なる場所にある細胞の間に差災がやじてくるしくみについて．新

: ; t ） 。 しい知見を得ることができ た（ 第 22r 問機なブ＂j~ を j宵いて細胞内の特定の DNA 配列を見ることもできる 。 組織．調llJJ包．

あるいは染色体試料を高 pHに 短 時 間 さ ら し て 底 器 対 を 峻 し 細 胞 DNAを核君主プロープ

i g. 835参！ ！ 日）。 によ ってハイブ リッ ド形成させて可視化する（ F

リポータ− i l l伝子と i ns i t uハイブリ ッ ド形成法は i l l伝子発現級式を明らかにするが．制

l :を直接測定して遺伝子発現を ; l h J l J iしたいこともある。 ノザン ・プロッ ト 胞内の mRNA1

411 凶額損桐劉

個々の遺伝子の発現を定量的逆転写 PCRを用いて測定する

Fi g.838参 ！！ の も この目的に使えるが. PCRの J J ; 型 （I [に基づいた方法のほうが正確であ 法（ る（ F i g .8-72）。 この方法は定量的逆転写 PCR ( q u a n t i t a t i v er ev e r s et r a n s c r i p t i o npol ymer -

: : H をから全 mRN A分子を精製する。 a s ech a i nr e a c t i o n）とよばれる 。 まず．組織や細胞 J DNAは桁製の段｜ 併で除くか．酵素分解して．試料＂＇には合まれないようにすることが抗 姿である。 部l べる逃伝子に合う 2H f 類 の DNAプ ライマーを． 逆転写形紫. DNAポ リメ ラーゼ. DNA合成に必嬰な 4種類のデオキシヌクレオシド三 リン阪と ともに加える。枇 初J の合成は． 一 方のプライマーを使 っ た mRNA から DNA への逆転写である 。 ij~＇c い て．

ー述の加熱 と冷却l の繰り返しによ って. PCRY tによる DNAjf［！白帆が起 きる（F ig.8-45参

l ー ができるのは. PCR産物が生じる . i i l i l 立と ．対象とする mRNAの悦初 照） 。 この方法で定 h のi 伎肢が正比例関係にあるからである 。二本 j J ' iDNAに結合したときだけ蛍光を発する化

l ! I J定によ って 反 応 の 進 行 が わ か り 増 幅 さ れ た 学 色紫 を PCR反 応 に加 え れ ば． 蛍 光 i

P C Rザイクルの回数） 一一ー 時間（ F i g. 8-72 RNAの量は定量的逆転写 P CRによ って測定できる。二本鎖 DN Aに結合したとき だけ蛍光を発する色紫を用 い そ の蛍光を測定

C R反応によって生 じた二本鎖 して逆転写 P DNAを定回する （F i g .8-46参照） 。通常．二本 鎖 DNAの岱が 大俗の半分に達するまでに要

m

するサイクル数を浪l j る が 赤 で示した試料中の NAは．青で示 した試料のもの 測定対重量の mR よりも少数回の P C Rザイ クルで達するので．

mR NAの初 J U J i . 即交が正確に計算できる （ F i g .8-72 参mo 。 級車f~そうに見えるが．こ の定厄；

濃度が高い。この差に基づき. 2つの試料中の

的逆転写 PCR法 （リアルタイム PCR[ r e a lt i m ePCR］ と もい う ） は研究室で比較的簡単迅速

mRNAの相対盤が正確に決定できる。

574

8・タンパク質.DNA.RNAの操作 F i g . 8-73 DNAマイクロアレイを利用して．数干の遺伝子の発現を同時に調べる。

遺伝子を特異的に代表する DN Aを鎮める

マイクロアレイは．自動装置でスライドガラスょに DNAの断片（それぞれ 1つのi 宣

m

PCR 鍋

伝子に対応）を固定して作る。市販されているアレイも多い．この例では．異怒る 2 つの細胞から mRNAをとり． それらの遺伝子発現の相対置を直媛比較している（たと えば．同樋頬の紛胞をホルモン処理したものとし忽いものからの試料）.mRNAを

自勧装慣でガラス娠に．印刷．

cDNAに変挽し. 1つは赤色蛍光色素．他方I d : 緑色蛍光色黙で棟援して混ぜ．マイク ロアレイとのハイブリッド形成に供する。反応後．アレイを洗い．蛍光を走査する。 例示されているマイクロアレイの一部I d :11 0個の醇勾遺伝子の発現を表す．赤色の

4

誕 伊r]1lIP'1"

点I d : 試料 1の遺伝子のほうが．相当する民料 2の遺伝子より発現軍が多かったもの． 緑色の点I d : 試料 2の遺伝子のほうが試料 1より発i 見置が多かったものを示している。 黄色の点は両細胞で同程度発現している遺伝子を袋す． 目 白い点I d : . 遺伝子がどちらの 試料でもわすわ＼あるいはまったく発現してい忽いことを示す。（マイクロアレイ画 .D e R i s ie ta l . ,S c i e n c e278:680-6 8 6 ,1 9 9 7より。A A A Sより許諸） 像挺供： JL

∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼ ∼∼∼ ∼∼

∼∼ ∼∼ ∼ 、 ， ∼，

~ ，、，

眼科 1から作った

c DNA・赤色蛍光

l i t 料 2から作った cDNA：緑色蛍光

色索で療臨

色察で爆磁

ハイブリッ ド形成

↓ 洗浄

↓ 赤色と緑色の信号を走査 し ． 画像を組み合ぜる に 行 えるので． 純々の j 立（ ； ￡（ ＇から l j : _じる mR NAを定：，（する j は；cの ） j法 と し て ノザン ・ プロ ッ ト法に J ~ って代わ っ てしま っ た。

マイクロアレイで数千もの遺伝子の発現を一度に追跡できる これまで J 命じてきたのは． 一度に lつ の遺 伝 子（ あ る い は ご く少数の遺 伝− f)の発現を追跡 す る 技 術 だ った。1 990i f ：代に I J ↓ l 発 さ れ た DNAマイクロ ア レイ （ DNAmic r oa r r ay ）は. ) j il~ 1 − .の本命であった。 これな ら． 数 千 も の 治 伝 子 の i l i ' t物

現 を分析 で きる

RNAを イ 立 に 追 跡 し i l l伝 子 発

非常に多 く の 泣 伝 子の発現を同時に訓べられるので．細胞の生理にかか

わ っている遺伝子の発現線式を検討できる。細胞の成長．分裂．分化．あるいはホルモン

X . L t ；してスイッチの入る （ あるいは切れる）泣 伝 や ぷ Mに I

r はどれかを調べられるのである

DNAマ イ ク ロ ア レ イ と し て は ． 顕 微 鏡 周 ス ラ イ ド ガ ラスと f 1 i Jじくらいのガラス 叙 に多数の DNA 断片を終然と l•'il 定したものを m いる 。 作 l析） ＇，・はそ れぞれ別々の遺伝子のプ

ロープとなる配ダI J を合むようにする。 h えも街 l 立の

nいア レイは重I I 似切手より小さな i t i . i t x に

断片 を数 J I 1 I A I ものせて．多くのハ イ ブ リッ ド形成反応を川I 午に行えるよう にしである （ F i g ・ 8-73） 。PCRで 別 や し た 断 ｝ ＇ ， ＇を＇ ！I 動淡泊でガラス似に配ヂI ］させ た マ イ ク ロ ア レイもあり ＇ 路を焼き つけるのと 似た技術を , j < I JJ I J してガラス滞板表 I 筒で 短 また．コンピュ ー タ索チに ＇＂ いオリゴヌクレオチドを［＿［接合成するアレイもある。 アレイ l 二の令プロープの正確な配列

f i : i i ' Oはわかって いるので．ハイブリ ッ ド形成したヌ ク レオチ ド配ダj lは．その結合し た （ とf ｛主的からどの .i1'.i: 伝子の雌物かがl •i] /i::'. できる 。

DNA マイク ロ アレイを手lj)IJ して遺伝子発現を迫跡するには•

調 べる細胞からまず

I

m町叫A を羽h l l ¥し c DNAに変換する （F i g .8-43参 照） cDNAを蛍光プロープで標設し．マ F i g .8-73参 照）。次に. i：しく結 イクロアレイと反応させてハイブリ ッ ドを形成させる （ 合していない cDNAを洗冷して取り除く

標 識 DNAが結合したマイクロ アレイ の・f f:i nを

！守動燃作梢レーザー顕微鏡でl •iJ 注しそ の位世か ら発現した .i1'.l:伝 子 を；lpj り出す

, t i ¥ 平｜をたとえば赤い蛍光色ぷで傑J 殺し．対 m t . 訳本｜はi 込う色の蛍光色ぷ （た と え ば 緑 色）で f.：~ , 1 践し似合したものを使うと.

r

I的 細胞 のある . i 1 ' . i :f ぷ の RNA発 現 拡 が対 ！！ （（ 試米｜

より 相対的 に l ! 1}JIJ すれば亦色の！.＇.O: が＇i ＇.じ． 逆に ． 対！！（｛比率：｜ より ）~J)l : 1 , ； がi 成ると緑色の点に なる。対 ！ ！ （l , ; ば平｜と比べて変化がなければ此色の点になる。 そのような内部対照を利川して．

マイクロアレイの小領綬を鉱大． 1 1 0｛留の爵母遺伝子の発現が表されている

遺伝子の発現と機能の解析

575

。 時間

15分 30分 1時間 2時間

3時間 4時間

8時間

1 2時間 1 6時間 20時間 24時間

． ． ． ． ． ． ． 傷治I D 遺伝子群

細胞周期

遺伝子群

コレステロール 生合成遺伝子群

Fi g.8-74 クラスター解析を用いて儲閥的に調節されている遺伝子群を同定する。同じクラスターに属する遺伝子群は．細胞内で共通の

経路や過程にかかわっている可能性がある。クラスター解析を行うため．異怒る条件に箇いた細胞からマイクロアレイのデータを得て．発 音主主液に血清 現様式に協調的忽変化がみられる迫伝子群をまとめて分類する。この実験では．ヒト繊維芽細胞を 48時間無血清下に置き.J を添加した時点を Oとして．経時的に細胞を採取しマイクロアレイ解析を行った。DNAマイクロアレイ上の 8600個の遺伝子を分析したと ころ．血清の再添加に応答して 300個以上が 3倍以上の発現線式の変化を示した。ここで．赤色l < l : 発現の泡加緑色｜ま発現の減少を示す。 多量史のマイクロアレイ実験の結果に1 基づき 8600個の遺伝子は発現線式の類似によってクラスターに分類された。この解析の結果．傷の 治癒にかかわる巡伝子群は血清を加えたときスイッチが入り，その一方で 細胞周期の進行調節にかかわる遺伝子群とコレステロール生合 ι

i s e ne t a l . ,P r o c .N a t lA c a d .S c i .U . S . A .95 ・ ：1 4863-14868,1998より。 N a t i o n al 成にかかわる遺伝子群は停止することがわかった。（ M.B.E ） A c a d e m yo fS c i e n c e sより許諾

発現のプロファイルは非常に詳しく表される。

DNAマ イ ク ロ ア レ イ は. i l l伝 （発 現 の あ ら ゆ る 研 究 に ) I Jい ら れ． イ チ ゴ が：ぶると きの変化． ヒトのがん細胞における泣伝子の発J . J l . / ) ) t i : ¥ :( F ig .7-3参 ！ ！ 日）．細胞刷）g j や温度の 急変への対応などに利用されてきた。 尖際． マイクロアレイは多数の逃伝子を同時に.~.＼］べ

られるので．細胞の外見や挙動に現れな い ような微妙な変化 も検出できる 。 遺伝子発現の包括的な f~f究は．逃イ云子機 能のニfiJllj にも役立 つ。 すでに 目

タンパク質

りその機能の手がかりを得る ことにつ いては述べたが．この原則は. .ifili~ の結合相手を知l チにもあてはまる 。遺 伝 子 の 機 能Wt ＊は．発現様式を共イ｝ーする遺伝 f ー を 同定すれば推i J ! l jで

l us t e ranal y si s ）とよばれる技術は．協制的に調節される −／ t lの 辿 きる 。 クラスター解析（c

l lできる。 災なる環境で同時にスイッチが人ったり切れたりする遺伝子は． 伝 子 同 定 に 利I 細胞内で協調して働く可能性がある 。 それらは同じ桜子ヤタンパク装 j i ' 1 ＇ . の 一部と なるタン パ ク質や.DNA複 製 や RNAスプラ イシングのような桜雑な協調活動にかかわるタンパク質

91 遺 伝 子 を 転’う．の挙動が 1 1 r Jじ既知l 遺伝子とひとま を指令している可能性がある。機 能 不 1 とめにして解析するやり方もあり． ”述座” （ gu il tbya s s o c i a t i o n）と よぶことがある。 クラ スタ ー解析は． ヒ トの傷治癒をはじめたくさんの＇− I ＝物反応の基礎をなす i l l伝子発現プロフ ァイルの解析に利川されてきた （ Fi g .8-74 ）。

DNAマ イ ク ロ ア レ イ は． ゲ ノ ム の 各 i l l伝 （に対応する mRNA； 止を調べる以外に U製の進行状況も訓べられるし （Fi g . 5-32 も多くの用途がある。 た と え ば．線｜｜胞内の DNAt 参 ！！ 夜）． 免 疫 沈 降 と 組 み 合 わ せ れ ば ． あ る 遺 伝− f ; o : . J ! W iタンパクがゲノムに結合している場 所を突き止めることもできる （ F i g .7-32参 照）。 ま た 多 数 の 病 原 体 の ゲ ノ ム DNA配列を 京、凶微生物のj 且 集めたアレイに．感染組織から得た DNAをハイブリッド形成させれば. J

a ;な同定もできる。

単一細胞の遺伝子発現を解析すると生物学的“ノイズ”がわかる J − .記の mRNA測 定 法 に よ る と 細 胞 銀 問 で の mRNAの平均発現誌がわかるが． i l l '光リ ポ ータータンパクを研究対象の プロモーターの制御 f＇にお いて発現 させれば11~1 々の細胞の発

576

8・タンパク質. DNA. RNAの操作

J ) l : h ¥ ： をi 正確に i J ! I Jることができる。この新しい研究プj j : j ；によって均一な 網l J J 包集トJ I でもその 1 ¥ Jには．驚くほと’発 J J l ) i ( ：のばらつき （ ＇l ニ物学的ノイズ ［ b i o l ogi calnoi s e ]) ， ，の例々の細胞の 1

があることや．また．集団内にさらに小さな個別集問があることが示された。 m1 手l 全体の

$ .していてはそのようなイバ五がわからなかっただろう 。たとえば．発現況 ヂ均仙だけを考！0 もなる状態にイi イ ：1 ：しているわけだが （ Fig.875) . の分布がご曲全性だと ．網｜｜胞集団は 2つの j 集ト i J 全体として測定すれば lつの平均発現） 1（が待られるにすぎない0 1 司々の細胞の挙動を ： ／ . りつしている細胞がある ことなど 淵べてみると．つねに 2つの状態川をすばやく行きつ J

J : ' J ! < fなヒントになる 。 がわかげ生物のしくみを理解するうえで；T

現在.1悶々の網llJJ包内での遺伝チヲ~.f.Jl を迫跡する liil~Iま Z つある 。 II~：桜花見終i去では． 生細胞をスライド ガラスにのせ．蛍光顕微鏡で観察する。 この fj法の長所は．ある lつの 時変化がわかる。第二のブ＇i i L フローサイトメ トリー では． 細胞を追えるので＼発現の経l

W v、貯：濁波を流しながら光を当て．検出器を通過する際の例々の細胞の：i 五 ・ 光を測る 細胞のl ( F i g .8-2参照） 。 このブi法は．非常に多くの細胞の発現！1 b 5 { j J ! l jれる長所はあるが．ある l

つの網I I 胞の経時変化は追跡できないので. 1 f （緩観察法と補い合うものである。

まとめ 遺伝学と遺伝子工学によって．細胞と生物個体の遺伝子機能研究に強力忽手段がもたらさ れた。古典遺伝学の手法では．ますランダムに変異を誘発し．スクリー二ングによって特 定の生物反応を欠損した変異体を同定する。次いで．これらの変異体を使って対応する遺 伝子の位置を決め．その機能を調べる。

F i g .875 大腸菌集団内にある個々の細胞の < l : . 同ーのプロモ 泊伝子発現の差。この実験でl ーターによって制御される 2l 歪類のリポーター タンパク質（緑色と赤色の蛍光をもっ）遺伝子が． すべての菌に導入されている。 方の遺伝子し か発現し広いため励起光を当てると赤色か緑色 に見える細胞もあり両方を発現するため黄色 に見える細胞もある。蛍光の異なる色合いを示 < l :.均一に見える細胞集団内 す細胞があること l にも．遺伝子発現置にばらつきがあることを示 . B .E l owt i z , A . J .L e v i n e ,E. O .S i g g i a している。（M . S .S w a i n ,S c i e n c e297: 1 1 8 3 11 8 6 ,2002よ andP り。AAAAより許諾）

遺伝子の機能を調べるには，逆遺伝学の技術も有用である。遺伝子工学によって任 意の遺伝子に変異を起こさせ．それをふたたび染色体に組み込ませて安定なゲノムの一部 とする。このような遺伝子をもち込む操作を受精卵（動物の場合）や全能性を備えた培養植 物細胞に対 して 行 う と 遺 伝 子 導入生物が得うれ，変異遺伝子が発現し．かっその遺伝子 は子孫へと受け継がれる。細胞生物学にとって特に重要なのは．この技術によって細胞や 生物を特異的に変化させる道がひらけたことで＇ 1個のタンパク質や RNA分子を変化させ て．細胞や生物にどのような影響が現れるかを調べることができる。 これらの方法は発展して．ゲノム規模で遺伝子の機能を調べる研究にも利用される ようになってきている。全造伝子を欠失したり破壊したりした変異体のライブラリーは． 生命活動の基となっている精巧な分子の協同作業にかかわる遺伝子の役割を探る重要な手 段となっている。 DNAマイク口アレイなどの技術を使えば，数千にもおよぶ遺伝子の発 現を同時に調べて，復雑な細胞の反応にかかわる遺伝子発現の動的様相を詳細で包括的砿 パターンとして知ることができる。

章末問題

8-4

以下の記述の正誤を判断し，その理由を説明せよ。 8-1 モノクロ ーナル抗体は特異的 1 J ' t : J J ； （ 自l ¥ f 1 i : (エピトー プ）を議 別するように作られているから 対象となる特異タンパクにし かが；合しない。 8-2 技術は飽くな き進歩を遂げるので．分 Fの検出感度は i i i 終的にはヨクトモル（ I 0 2• モ ル ）レベルを起えるだろう 。

r

8-3 衣而プラズモン共 I！！~ ( SPR）は.t 放はの無線議の分 −を川 I ! i の会合: i i l i J 交 （k o n）と解荷量i 創立 （ k 。 π ）をリアルタイムでj l f l j いて分チi 2 とできるが．会合定数（ K）の決定に必裂な情報は符られない。

PCRの lサイクルごとに DN A合成以が約h l l するならば．

1 0サイクルで 1 0 3併に .20サイクルで 1 0 6 1 ; ' 1に ， 30サイ クルで

1 09f 討になる。

以下の問題を論ぜよ。 8-5 動物組織から細胞を 1 1 1雌する一般的な ）i i : 去として． ト リ プシン，コラゲナーゼ.EDTAによる処理！が行われる。なぜこの f l Hが必要なのか。それぞれの処別によりどのようなこ ような処 . とが起こるのか。これ らの処翌日によってなぜ細胞は死なないのか。 8-6 ある抗体に対する抗体を作ることが可能だろうか。解説

章末問題

B. DNAの浮遊術！立はいくらか。、 （1 : i 術状態で DN Aが”浮かぶ”

をつけて終えよ 。 8-7

r

述j 交i 尤l l 利上と・ ： 衡沈降法の逃い と．それぞれが一般的に

l f 1 0に使われるのかを述べよ 。大きさの〉もなる 2締 どのような I 郊のタンパク伐の分般にはどちらが~していると 思 われるか。

トロポミオシンは 93kDa（ キロドルトン）で.2.6s で沈降

8-8

577

し ヘモグ ロビンは 65kDaで.4.3s で沈降する（沈降係数 5は沈

場 ！ ？？ の浴 i ！ ￥ . 符j 立を. DNAの ＂i 7 ・ i 佐秘 JCと定義する） C . DNAを 2f 符あるいはそれ以上長 く泌心しでも． バンドの幅 g .QS-2の l需下のバンドとほとんど変わらない。 なぜバ は Fi

ンドはもっと抜くならないのか。

・ r n r 状態での DNAバンドの

f l l ¥ 11を与 − えよ。 この幅を説明できるいくつかの .

降述！ 立に比例し． スベ ドベ リ l j l . f 立Sで去す）。 これ らのタンパク

8-10 ハイプリドーマ技術によ って ． ’J~尖上どんなタン パク 質

: . j J ' iモデルを F i g .Q8 -1に示す。大きいタンパク質 伐の α此説 l

に対し でもモ ノクロ ーナル抗体を作ることができ るにも かかわ

が小 さいタンパク

らず．エピトー プで際織したタンパク

nより ゆっくり 沈降するのはなぜか。 ll常の

nを使う ｝ji);が非常によ

J J Jけ る よ う な こ れ に 似 た こ と が ら 経験で．この川巡の思解を I

l1 1 1され るのはなぜ か。特に．エピトープ標識がタンパク ' a く 平j

はないだろうか。

の機能を損なう可能性があ って も 平I J J l fされるわけを考えよ 。

nが細胞内に例制あれば．ゲル 卜．でバンド

8-11 あるタン パ ク

00μgの細胞紺l として見えるだろう か。 ゲルにのせられるのは 1 } l染色によ って検出できるのは 10ng I l l物. l本のバンドとして j . ," 1 t l t 0 1 ! J ' 。 ＂ ＇同

とする。細胞内のタンパク質の i 成度はおよそ 200mg/mlであり 細胞の体新は通常．附乳類i で約 1 000μ m3 .釧l 泊で約 Iμ m3である。

支写窓事~ ヘモグロビン

ゲル kでバン ドが検 I l lでき るためには. 1 20kDaのタ ンパク質の Fig.QS -1 トロポミオシンとヘモグロビンの主鎖モデル（問題 8-8） 。

r r njにそれぞれやI例存在するこ とが必要

場合. 1 1 1 J乳類細胞と紛

人

かを．上記の数似から計算せよ 。

n . 1 ・ r に先立ち．私 ’iよ；：・の桁数を

4 1 E i J l リしてみよ 。 Mese l son と St ah lは DNAのニ ド保存的観製を J 1 1 : 1 y 1した古

8-12 F i g .Q8-3 に示す 2 つのfl.l ）~fi~;ilj の 1111 の DNA をi竹中話した

典的，論文； で． 、 I ＇ 術i t l 略法を行うと DN A自体がバンドを形成する

いとする。 この D NA を PCRによ ってJ 抑制させるための対とな

文が 1. 71g/mlになるように洲税した C s Cl溶 ことを示した。術 j

るプラ イマーを （I ）から（ 8 ） の lいか ら滋べ。

8-9

液に． ランダムに｜断） ＇jイヒ した大IJ~1 I 狗 DNAを混ぜた。 i 喰) Jの 7)j 併で述心を続けると. 11i~ザj は泌心1:1：全体に分散 して いた DNA が． H判Ill の経過とともに集合し ： I• 火 にはっきり した バン ドができた

( Fig. Q8-2） 。

沼崎させる DNA 5’ −GA CCT GTGGAAG C 3’ ーCTGGAC ACCT TCG

CAT ACGGG ATTGA-3’ GTATGCCCTAA CT-5’

A. l 時 ｜ ！日の経過とともに何が起こ っているのカ＼なぜ DNAが I

本のバンドになるのかを滋l 列せよ 。

時間

。

F " "..，.

週心力 一一＋ 同 世C

官

， . ， . ， . .『 T

2. 1

プライマー ( 1 )5’ −GACCTGTCCAAGC-3’

( 5 )5’ ーCA TACGG GAT TGA-3’

( 2 )5’ ーCT GGACACCTTCG-3’

( 6 )5’ −GTATGCCCT AA CT-3’

( 3 )5’ ーCG AA GGTGTCC AG-3’

( 7 )5’ −TGT TAGGGCA TAC-3’

( 4)5’ ーGCTTCCA CAG GT C-3’

( 8 )5’ −TCAATCC CGTA TG-3’

F i g. QS3 浴中高させる DNAとフライマーの候簡（問題 8-12 。 ）

4 . 3 6 . 4

8-13 ゲノム DNA を使った PCRの 1 1 i初のサイクルでは.DNA

8 . 5

プライマーから始ま った合成は．サイク ルが終わる （ DN Aの端

1 0. 7

に行き泊く ） まで停止しない。 し かし （ 千均的 なJ竹中川 の IF• I 数であ

1 2. 8

る ） 20から 30問のサ イクルの終わりには．検 I l lできる版物はき

1 4 . 9

F i g. QS-2 速心中の大関菌 DNA

っち り DNAプライマーによ って はさまれた長さのものだけにな

のバンドの．時間順に並べた紫

る 。 正 しい長さ の こみ；鎖断片が~初に生じるのはイ11Jサイクル阿か。

外線吸収写真（問問 8-9 。 ） DNA

8-14

1 9. 2

は紫外線を日産収するので写真に

の笈拠は向者とも．なぜたいてい能性なのだろうか。

2 1 . 3

指く写る。右側が主主心径の底に

8-15 以下の主張について諭ぜよ 。 ”インスリンの欠如l が結尿病

23. 5

. W. あたる。（M.MeselsonandF

という深刻な病気に結びついていなか ったなら． 今 日でもイン

S t a h l ,P r o c .N a t lA c o d .S c i .U . S . A .

スリンの調 節ホルモ ン として の 屯 ~1'1＝： に気つ． いていなかっただ

4 4 : 6 7 1 6 8 2 ,1 958よ り。 National

ろう 。 インスリンの欠如が引 き起こ す恐ろしい紡来があ ったか

花むより許諸） Academyo fS e i e r

ら こ そ ．インス リ ンの 同定と ~L=..ell機能の先I Y J ができた 0 ••

17. 1

3 6 . 5 43 . 5

機能獲 1！，＼ 変｝~と i憂性阻：， 1；. 変災の .i!il いを説明せよ 。 こ れら

578

8

タンパク質.DNA, RNAの操作

文献 全般 AusubelFM,B r e n tR ,K i n g s t o nREe ta l( e d s )( 2 0 0 2 )S h o r tP r o t o c o l si n d .NewY o r k :W i l e y . M o l e c u l a rB i o l o g y ,5t he BrownTA( 2 0 0 2 )Genomes2 ,2nde d .NewY o r k :W i l e y L i s s . e l l s ： ・ AL a b o r a t o r y Spec t o rD L ,G o l dmanRD&LeinwandLA( e d s )( 1 9 9 8 )C M a n u a l .C o l dS p r i n gH a r b o r ,N Y :C o l dS p r i n gH a r b o rL a b o r a t o r yP r e s s . A ,M y e r sRM&W i t k o w s k iJA( 2 0 0 7 )RecombinantDNA Wat s o nJ D ,CaudyA GenesandGenome sASho『ICo ur s e , 3 r de d .NewY o r k :WHF r e e m a n . ’ ：

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タンパク質の精製 deDuveC&B e a u f a yH( 1 9 8 1 )As h o r th i s t o r yo ft i s s u ef r a c t i o n a t i o n .JC e l l 1: 2 9 3 s 2 9 9 s . B i o l9 KroganN J ,CagneyG .YuHetal( 2 0 0 6 )G l o b a llandscapeo fp r o tei n S a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a e .N a t u r e440: 6 3 7 4 3 . c o m p l e x e si nt h ey e a s t 1 9t h ea s s e m b l yo f LaemmliUK( 1 9 7 0 )C l e a v a g eo fs t r u c t ur a lpr o t e i n sd u r i「 t h eheado fb a c t e r i o p h a g eT4 .N a r u r e2 2 7 : 6 8 0 6 8 5 . N i r e n b e r gM W&M a t t h a e iJH( 1 9 6 1）刊edependenceo fc e l l f r eepr ot e i n synthesis i nE .colion natural l yoccurring orsynt hetic r o cN a e fAcadS c iUSA4 7 :1 5 8 8 1 6 0 2 p o l y r i b o n u c l e o t i d e s .P o’ F a r r e l lPH( 1 9 7 5 )H i g h r e s o l u t i o ntwo-dim e n s i o n ale l e c t r o p h or e s i so f p r o t e i n s .JB i o lChem250 刈0 0 7 4 0 2 1 . P a l a d eG( 1 9 7 5 )I n t r a c e l l u l a ra s p e ct so ft h ep r o c e s so fp r o t e i ns y n t h e s i s . S c i e n c e1 89 ・：3 4 7 3 5 8 . a n t o rC R（ゆ9 4 )P r o t e i nP u r i f i c a t i o n :P r i n c i p l e sandP r a c t i c e , S c o p e sRK＆ζ 3 r de d .NewY o r k :S o r i n g eトV e r l a g・

タンパク質の解析 B r a n d e nC&ToozeJ( 1 9 9 9 )I n t r o d u c t i o nt oP r o t e i nSt r u c t ur e ,2nded .New Y o r k :G a r l a n dS c i e n c e . 1 9 8 9 )An o v e lge n e t i cs y stemt odet e ctp r o t e i n p r o t e i n F i e l d sS&Song0( a r u r e340 ・：2 45 2 4 6 . i n t e r a c t i o n s .N ）刊Ef l u o r e s c e n tt o o l b o xf o ra s s e s s i n g GiepmansB N ,AdamsS Re ta l( 2 0 0 6 c i e n c e312 ・ ：2 1 7 2 4 . p r o t e i nl oca t i onandf u n ci t o n .S C(1961)Thet h r e e d i m e n s i o n a ls t r u c t u r eo fap r o t e i nm o l e c u l e . KendrewJ S c iAm205: 9 6 11 I K n i g h tZA&ShokatKM( 2 0 0 7 )Chemic a lg e n e t i c s :Wh er eg e n e t i c sand pharma 仁o l o g ym e e t .C e / /1 2 84 2 5 3 0 . R i g a u tG ,ShevchenkoA ,R u t zBe ta l( 1 9 9 9 )Agenencp r o t e i npun 白c a t i o n methodf o rp r o t e i ncomplexc h a r a c t e r i z a t i o nandproteome a r u r eB i o c e c h n o l1 7 :1 0 3 0 1 0 3 2 . e x p l o r a t i o n .N WashburnM P .W o l t e r sDandY a t e sJ R( 2 0 0 1 )L a r g e s c a l ea n a l y s i so ft h e y e a s tproteomebym u l t i d i m e n s i o n a lp r o t e i ni d e n t . f i c a t i ont e c h n o l o g y . N a t u r eB i o c e c h n o l1 9 : 2 4 2 7 . W u t h r i chK( 1 9 8 9 )P r o t e i ns t r u c t ur ed e t e r m i n a t i o ni ns o l u t i o nbyn u c l e a r magne t i cr e s o n a n c es p e c t r o s c o p y . S c i e n c e2 4 3 φ： 4 5 5 0 . ： ’

DNAの解析と操作 AdamsMD,C e l n i k e rS E ,H o l tRAe ta l( 2 0 0 0 )Thegenomesequenceo f

D r o s o p h i l am e / a n 句a s 限 S c i e n c e287 ・：2 185-21 95 . t a r kGR( 1 9 7 7 )Methodf o rd e t e c t i o no fs p e c i f i c A l w i n eJ C .KempDJ&5 RNAsi na g a r o s eg e l sbyt r a n s f e rt od i a b e n z y l o x y m e t h y l p a p e rand r o cN O ￡ /AcadS c iUSA7 4 ： ・5 350-5354 . h y b r i d i z a t i o nw i t hDNAp r o b e s .P B l a t t n e rF R ,PlunkettG ,B l o c hζAe ta l( 1 9 9 7 )Thecompletegenome sequenceo fE s c n e r i c h i ac o l iK 1 2 .S c i e n c e2 7 7 : 1 4 5 3 1 4 7 4 . CohenS ,ChangA ,B o y e rH&H e l l i n gR( 1 9 7 3 )C o n s t r u c t i o no fb i o l o g i c a l l y f u n c t i o n a lb a c t e r i a lplasmi d si nv i t r o .P r o cN a e fAcadS c iUSA7 0 : 3 2 4 0 3 2 4 4 . I n t e r n a t i o n a lHumanGenomeSequenc ingConsortium( 2 0 0 0 )I n it i a l a t u r e409: 8 60-921 . s e q u e n c i n ganda n a l y s i soft h ehumangenome.N I n t e r n a t i o n a lHumanGenomeSequencingConsortium( 2 0 0 6 )TheDNA N a r u r e s e q u e n c e .a n n o t a t i o nanda n a l y s i sofhumanchr omosome3. 4 4 0 : 1 1 9 4 1 1 9 8 . J a c k s o nD ,SymonsR&B e r gP( 1 9 7 2 )Bi o ζ h e m i c al methodf o ri n s e r t i n gnew g e n e t i ci n f o r m a t i o ni n t oDNAo fs i mi anv ir u s40 :c i r c ul a rSV40DNA mole cul e sc o n t a i n i n glambdaphagegenesandt h egal a c t o s eoperon s c he r i c h i ac o l i .P r o cN a e fAcadS c iUSA6 9 : 2 9 0 4 2 9 0 9 . o fE l( 1 9 7 8 )Thei s o l at ionofs t r u c t u r a lgenesfroml i b r a r i e so f M a n i a t i s丁目 a e / /1 5 ： ・6 8 7 7 0 1 . e u k a r y o t i cDNA.C c i M u l ' i sKB( 1 9 9 0 ) .Theu n u s u a lo r i g i no ft h ep o l y m e r a s ec h a i nr e a ct i o n .S Am2 6 2 : 5 6 6 1 . N a t h a n sD&S m i t hHO( 1 9 7 5 )R e s t r i c t i o ne n d o n u c l e a s e s1 nt h ea n a l y s i sand AnnuR e vB i o c h e m44 ・ ：2 7 3 9 3 . r e s t r u c t u r i n go fdnam o l e c u l e s . S a ik iRK ,G e l f a n dDH,S t o f f e lSeta l( 1 9 8 8 )P r i m e r d i r e c t e denzyma ti c c i e n c e a m p l i f i c at i o no fDNAwi t hathermostabl eDNAp o l y m e r a s e .S 239 泊 7 4 9 1 . SambrookJ ,R u s s e l lD( 2 0 0 1 )M o l e c u l a rC l o n i n g :AL a b o r a t o r yM a n u a l ,3 r d e d .C o l dSp r i n gH a r b o r ,N Y :C o l dS p r i n gH a r b o rL a b o r a t o r yP r e s s . SangerF ,N i c k l e nS&Coul s onAR( 1 9 7 7 )DNAs e q u e n c ingw i t hc h a i n t e r m i n at i n gi n h i b i t o r s . P r o cN O ￡ /AcadS c iUSA7 4: 5 463-5467 i o s c iR e p1 4 : 5 1S m i t hM( 1 9 9 4 )No b e ll e c t u r e .S y n t h e t i cDNAandb i o l o g y .B 6 6 . Sout h e r nEM( 1 9 7 5 )Detectiono fs p e c i f i csequencesamongDNA / B i o l98 ・ ：5 0 3 5 1 7 . f r a g m e n t ss e p ar a t e dbyg e le l e c t r o p h o r e s i s .JMo TheA r a b i d o p s i sGenomeI n i t i a t i ve( 2 α氾 ）A n a l y s i so ft h egenomes e q u e n c e r a b i d a p s 臼c h a l i a n a .N a t u r e408河 6-81 5 . o ft h ef l o w e r i n gp l a n tA l e g a n sSequenci n gConsortium( 1 9 9 8 )Genomesequenceo ft h e Theζ e l e g a n s :ap l a t f o r mf ori n v e s t i g a t i n gb i o l o g y .S c i e n c e nematodeC .e 2 8 2 : 2 01 2-2018 ft h ehuman V e n t e rJ C .AdamsMA,MyersEWe ta l( 2 α削 Thesequenceo c i e n c e2 9 1 :1 3 0 4 1 3 51 . genome.S

遺伝子の発現と織能の解析 BooneC .B u s s e yH&AndrewsB J( 2 0 0 7 )E x p l o r i n gg e n e t i ci n t e r a c t i o n sand ne t w o r k sw i t hy e a s tN a r u r e R e v G e n e t8: 437-449 . a v i sRW( 1 9 8 0 )C o n s t r uc t i o no fa B o t s r e i nD .Whit eR L .S k o l n i c kM &D geneti cl i n k a g emapi nmanu s i n gr e s t r i c t i o nfragmentl e n g t h e n e r32 ：・3 1 43 3 1 po l y m o r p h i s m s .AmJHumG De R i s iJ しI y e rVR&BrownPO( 1 9 9 7 )Exp l o ri n gt h emet a b o l i candgene t i c c o n t r o lo fgenee x p r e s si ononagenomi cs c a l e . S c i e n c e2 7 8 : 6 8 0 6 8 6 . I n t e r n a t i o n a lHapMapC o n s o r t i u m( 2 0 0 5 )Ahapl o t y p emapo ft h ehuman a t u r e4 3 7 : 1 2 9 9 3 2 0 . ge nom e .N L o c k h a r tDJ&Win z el e rEA( 2 0 0 0 )Genomics.genee x p r e s si onandDNA a t u r e4 0 5 : 8 2 7 -8 3 6 . a r r a y s .N M e l l o ζ ζ ＆Cont eD( 2 0 0 4 )R e v e a l i n gt h ew o r l do fRNAi n t e r f e r e n c e .N a t u r e 4 3 1 : 3 3 8 3 4 2 . o l h a r dC&WeischausE( 1 9 8 0 )M u t a t i o n sa f f e c t i n gsegment N u s s l e i n・V r o s o p h i l a .N a t u r e2 8 7 : 7 9 5 8 0 1 . numberandp o l a r i t yi nD P a l m i t e rRD&B r i n s r e rRL( 1 9 8 5 ) T r a n s g e n i cm i c e .C e / / 4 1 : 3 4 3・ 3 4 5 . Rub i nGM&S p r a d i n gAC( 1 9 8 2 )G e n e t i ct r a n s f o r m a t i o no fD r o s o p h i l aw i t h t r a n s p o s a b l eel ementv e c t o r s .S c i e n c e2 1 8 : 3 4 8 3 5 3 . e rS F ,F r yBe ta l( 2 0 0 6 )P o s i t i v en a t u r a ls e l e ct i o ni nt he S a b e r iP C .S c h a仔n c i e n c e3 1 2 :1 6 1 4 1 6 2 0 . humanl i n e a g e .S W e i g e lD&G l a z e b r o o kJ( 2 0 0 1 )A r a b i d o p s i s ： ・ AL a b o r a t o r yM a n u a l .Cold S p r i n gH a r b o r ,N Y :C o l dSp r i n gH a r b o rL a b o r a t or yP r e s s . マ

-1

細胞の観察 細胞は小さく． しかも桜i mだ。構造を見たり分子組成を l 列ら かにしたりするのも たいへん

光学顕微鏡で細胞を見る

だが．細胞成分の機能のJiil附ーはさらにむずかしい。 研究の m~斜は飢 える手法によ って 決ま

電子顕微鏡で細胞と分子を見る

るので．新技術の滋入ごとに．大きな進泌があった。 したがって現代の細胞生物学の理解

579 604

には．その手法の期解が必裂である。 この章では．調I J ) J 包の研究に使われる主袋な顕微鏡法を概況する。細胞の機能を知る

t iを知る ことは不可欠である。 まず．光学顕微鏡から始めよう 。細胞生物 うえで．その桃i 乍 は先学顕微鏡とともに始ま り ．こ の辺H· は今も if（~である 。 近年．網llJJ包成分を特典的に t摂取して阿保化し． 三 次元榊造を再現する手段が開発されたので．その.ill~司性はさらに憎

している。光学顕微鏡に使う光には．対象を倣岐しにくいという手I J , o . ' . （がある。特定の網H J 泡 成分にi l t . i ' Gタンパクなと’ の' . i l ：光標識をつけ. ， ， ミ 翁l l J J 包内での巡卸パ吋II 工作用 をそのまま制空気 できる。 しかし光学顕微鏡には可視光の波長による分解能の限界がある。一方. •，正ー子紙l を使う

m子顕微鋭では．調llJ J 包内の巨大分イ・ 複合体がほとんどJ （− ； （−レベルで三次元保として

制策できる。 光学顕微鏡法も ' i l 1 チ顕微鏡法も重要な技術だが. I f i i ( Iいのはそれらを用いて発見さ れた細胞の構造のほうである。 したがって本市は. f:去の~の綿入ととらえず．各市と l則述 づけて参照しながら ， 涜むとい う使い方をしてほしい。

光学顕微鏡で細胞を見る 動物細胞は通常.1 1 ' [筏 1 0∼ 20μm，つまり｜勾｜以で見える I i i小松子の約 5分の lしかな い。 したがって．動-ltf［物の組織がすべて細胞のM~ まりだとわかっ たのは. 1 9世紀の初頭目優 れ

た〉む学顕微鋭が現れてからの ことである。 この発見を. 1 8 3 8年 に S c hl e i denと S c hwann が細胞税（ c e ld o c t ri n e） と し て 提 起 し 制J l ) j t l ! _ L I ：.物学が誕生した。 動物~~II胞は小さいうえに無色透明なので．その内部Wt.iil は. 1 9世紀後半に染色技術

が 発 達 し 十 分 なI Y J l l l ＇＼＇をつけて観察できるまでよ

ょっからなかった。1 940年代初めに 光 学：

顕微鋭よりはるかに強 ) Jな屯子顕微鏡が導入されてからも． 内部のぬl 維な微細構造をあま すところなくゆjらかにするには．やはり細胞の問定や染色の妓術l f l発が不可欠だった。 こ れま での顕微鏡鋭祭にとって ． 試料作製技術が機器の性能と l•iJ様 if（~であったので．以下

のJ j iでは．機協と；！；＼料作成の両方を扱う 。では．光学顕微鏡から始めよう 。

579

580

9 細胞の観察

eむ 心♀~

F i g .9-1 細胞か 5原子まで，大きさの感じを

つかむ。手の親指かう皮膚の細胞．さらにりポ ソーム．そして体内のタンパク分子を作る原子

F i g.9-1に．親指を段階を追って細部まで観察し原子の集団に至る想像図を＿ ！］ ［ ！ ＿ べ

0倍すつ鉱大してみるとどう見え 集固までを. 1

た。 どれも 1 0倍 ずつ拡大されてい る。 肉眼で見えるのは最初の 2つで．光学顕微鏡では

i 後の 2つの図に示す巨大分子の るかを示す。I

1 ¥ 伝子顕倣鋭では 7番目と 8番目の J l i lくらいまで見えるはずだ。Fi g .9-2 だいたい 4番目まで.

詳細な構造は．電子顕微鏡でも見え広い。

には．細胞およびその構成成分の大きさと ．顕微鏡の種類によって凡える大きさの純聞を

示す。

光学顕微鏡の分解能の限界は 0. 2ロ mである ！！日射線 （可視光線 ・然 外 線 ・X線 .y線など）をその波長よりはるかに小 さい構造を［O Mべる ために使えないのは当然で．これが顕微鏡の本質的｜製持である。つまり光学：顕微鏡の分解 能の限界は．可

m光の波長域一一約 0.4μm（紫） か ら 0.7μm（赤 ）ーーで決まる 。具体的に

581

光学顕微鏡で細胞を見る

u m ーやミトコンドリアが．光学顕微鏡 ( li g h tmi c r o s c o p e ）で

1c m

は．師が約 500nm( 0 . 5μm）の綱

はっきり見分けられる最小の物体であり．これ以下のものは．光がもっ波としての性質か ら生じる効果によってぼやけてしまう 。 これを理解するには，光線が顕微鏡のレン ズを通 るとき に起こ る現象を知る 必~がある （ Fig. 9-3 ） 。

光は波としての性質を もつので．光学系を通過するとき幾何光学：で、予測される よう な iつの道筋ではなく．わずかずつ迫った経路を過かたがいにー ｜ ニ捗し合って回折 （ di f -

/ J i .の位相が正有f に一致 f r a c t i o n）効栄 を生じる。異なる 道筋を通って同一点に述した 2つのi 自し．逆に. i 皮の位 して．山と山．谷と谷が合っていれば．たがいに強め合って明るさを l

徳物細胞

相が合っていなければ．たがいに下渉して部分的に．場合によっては完全に打ち消し合う 動物細胞

( F i g .9-4 ） 。光と物体が相互作川すると光波の位相！の関係が変わり複雑な干渉効栄を生 む。 たとえば向倍率では ． 波長のそろっ た光で均等に ）！~らしでも ． 物体の縁が何本もの平

行線に 見 え 丸い j立がいくつもの同心円に見える （ F i g .9-5 。 ） 同じ理! l「，，で．点がぼやけた 円盤に見え．近接した 2点が重なり合って lつに見える。 レンズをどんなに改良しでも 細菌

光が波としての性質をもっ限りこの限界は克服できない。

2つの物体が別々に見える最小の J l f j隔を意味する分解能 ( l imito fr e s o l u t ion ）は．光 するレンズ系の／f J . J 口数 （ nume r ic ala p e rt ur e）とに依存する 。 ／ ! f l口数とは物体 の波長と使m との距離によって決まる顕微鏡の人射ひとみの帽の尺度で．顕微鏡が大きく目を／ J f lくほど． 物がはっきり見える （ F i g. 9-6 ） 。紫色の光 （ 波長＝ 0 . 4μm ）と開口数 1 . 4という最適条例・下

．

ウイルス

リポソーム

10nm 縁状 タンパク

1n円1 小分子

網膜

( A )

原子 ( B )

~~

目

’ 哩 ’

a

0 . 1nm ( 1A )

F i g.9-2

分解能。細胞およびその偽成成分の

大きさを対数目盛りで表し．肉眼．光学顕微鏡． 電子顕微鏡で見える範囲を示す。顕微鏡観察に は次の長さの単位が使われる。 μm （マイクロメート ル ） = 10-6m

nm（ナノメートル ） =10-9m

A＜オングストローム）

民料

集光レンズ

F i g .9-3

光学顕微鏡。 （ A）復合顕微鏡の光路の模式図。光は祭光レンズにより獣料

に集まる。光を当てた蕊料の像に焦点が合うよう．対物レンズと緩眼レンズの組み合 わせを調mする。 （B ) f 最 新型の研究用光学顕微鏡。（B ：，写真提供 A n d r e wD a v i e s )

=1 0-1 0m

582

9 細胞の観察

位相の合った 2つの渡

l i l t 自の合っていない 2つの波

( A )

( B )

F i g .9-5 織と点光源の像。（ A）光源と観測者

の悶に置かれた固い物停の緑を．ある波長の光 暗い

が通過する際に起こる干渉効果（干渉縞）；を高倍 ）点光源の像。回j 斤により広がっ 率で示す。 （8

明るい

て復総花 P . i : I 状パターンになるが．その広がりは

F i g .94 光波の干渉。位梱の一致した 2つの光波が合わむれl < f . 合成波の仮備は大

光学系の関口数に依存する。関口数が小さいほ

留す。位相が合っていない場合l またがいに部分的に打ち消し合い． きくなり．明るさはt

e ! :大きくなる（ぼやける）。2つの点光 ど回姉像 l

窓姻（つまり明るさ）が減る。

e ! :.一方の俗の中心が他方の像の股小の黒い 源l 環のよにあれば．やっと分離して見える。分解 能はこのようにして決まる。

l ；命仁 0.2μmよ り わず か に小 さいイ1 / iの 分 解 ＠ が 符 ら れ る。 顕微鏡製作者ーた ち は 1 9I 止 で．里l 紀 ぶ に こ の 限 界 を き わ め た が ． 現 代 の 顕 微 鏡 は 仁 場 生 産 な ので 尖は そ こ ま で は い っ て いな

. 2μm以 い。 スク リ ー ン に 映 写 す る な ど し て 像 は い く ら で も ”拡大 ” で き る が． 約 0

Fの U : J

附 の 2つ の 物 体 を 光 学 顕 微 鋭 で 区 別 す る こと はできず. Iつ に見 え て し ま う 。 1 i l fi l iの”分解 能”と“検出”の~いにjtft. しよう 。 分解能以下の小物体でも．自ら j'（：， を発すれば比えるし 検Ill できる。し たがって 光乍顕微鏡の分解能の約 10 分の l の創｜｜ さの微小竹：も．当~）＼＇.；事＼~ .1践

す れ ば 検 出 で き る。 た だ し M折 効 果 に よ っ て ぼ や け .0.2μm以 上． の太 さ に 見 え る （ Fi g .9−げ 参！ 日）。 佼 笠 の 星 は ． 肉 眼 に よ る 分 解 能 よ り は る か に 小 さ く と も ． 明 る い 光 を 発 し て い る の で比つ け る こ と が で きる。 そ れ ら は 色 と 光 度 が 典 な る だ け で ． す べ て 似 た よ う な 点 光 源

1 1? . i fを 使 え ば ． 単一 の 蛍 光 タ ン パ ク 分 で あ る。 感 度 の よ い 検 1

fで あ っ て も ． 光 学 顕 微 鏡 で

分解能 ・ 顕微鏡の分解能l 孟円錐状の光の頂角． つまり集光レンズと対物レンズに依存し． ；欠式で計算できる

レンズ

像

対物レンズは同銀状 の光を鎮めて像を 作る

J . k 光レンズl 事館料の 告点に円錐状に光を 中させる

0. 6 1 λ 分解能＝一ーで

n引 nu

ただし 。 ＝ l i t 料中の 1点から対物レンズによって 鎮められる円錐状の光の頂角の 2分の 1 （理由大頂角l ま1 80 。だから， s inOの短大 簡は 1)

n= l i t 料と対物. m 光レンズの間にある f i 率 銀貨（通常は空気か油）の屈!

光

入＝ 使用する光の波長（白色光の渇合は 0. 5 3μmという簡を通常用いる｝

. m

NA）とよぴ 光能の指槻と怠る。 関口数 ：よの式の 円引円り をレンズの関口敏（ 3 :1を超え忽いが. i ! t l 漫系レンズでは 大 1. 4と怒る。 乾燥系レンズで1 閲口数が大きいほど分解能が高く．像も明るくなる（明るさは蛍光顕微鏡では盤婆に怒る）

a

代わりに ， 作動~e敵（ lit料 と対物レンズ伺の距魁）と餓点深度は非常に小さくなる。

F i g .9-6 関口数。顕微鏡中で光が透明な読料

を通り！＆ける際の光路を示し．日目口敏の観念と 開口数と分解能の関係を概説する．

光学顕微鏡で細胞を見る

583

検 出 し 殺 飯 店i l lうことができる。 次は．無 染色の細胞を生き た状態で研究できる．阿折と 干渉の利用について述べよ

フ。

位相差顕微鏡や微分干渉顕微鏡を使うと生きた細胞がはっきり見える 顕微鏡の J . ' J .川家は．試才l ，を調製する I l ！に網I l 泡成分が失われたりゆがめられたりする可能性 にたえず悩まされてきた。 これらの問題を逃け る1 1 m−の何l i ; . i fな方法は．｜ 調定も凍結もせず に．細胞をと I ： き たまま制策することである。 これには特妹な光学系をもっ光学顕微鏡がヰf 効である。

Iが変わる。核のように相 光が生細胞を通る際には．細胞の周折本 に よって放の｛ 立中

tとは位羽l に羨ができる。位 対的に術な郎分を通った光は遅れ．疎な細胞質部分を辿った J phas e c o n t r a s tm i c r o s c o p e ）も微分干渉顕微鏡 （ d i f f e r e n t i a l ・ i n t e r f e r enc e c on t r a s t 相差顕微鏡 （ ）も．位相l に差ができた波がふたたび合わさるときに生じる干渉効果を利用し mic r o s c o pe

ig .9-7）.どちら も生細胞の観察に広 細胞悦造を像として比 える ようにしたも のであり（ F くf 史われている。＜TCAA> 生釧）j 包の構造をもう少し簡単に見る方法として.. f o [ （々の制l 抱成分が散乱した光を在日

d a r kf i e l dmic r o s c ope ）がある。！ ！ （I YJ を航ー か ら当て. I 波乱光だけが顕 祭する 暗視野顕微鏡 （

−1 rJ ; tにI Y J るく浮かび上がる。明視野顕微鏡 微鏡のレンズに人るようにすれば，細胞は：Hぃ ( br i g h tf ie l dmic r o s c ope ）の場合は．細胞を透過する光が1 1 ' ：般倣を作る。4種 類i の光学顕微 鏡で似た l •iJ －細胞の像を.

F i g .9-8に示す。

1 VA l, t . 微分 1 二渉.I J 背視野顕微鏡法を利 J J Iす れ ば．イ1 ・ 糸分裂や細胞の移動などの動 きが間然できる。 ほとんどの細胞運動は実l時 lllJ では!f~J きが泌すぎるので．こま保り搬影 （微

J i l i l 立船影法）が役立つ。 一定間隔で lこま lこまを縦り． できあがったフィル ムを普通の 泌さで映せば．加速した動きが見える。

デジタル技術を用いて画像の増強と解析ができる 近年.

a u − ＜ デジタ ル）阿｛ 象システムとそれに付随した画像処理 （ ima g ep r o c e s s i ng ）技 術が ．

光学顕微鏡を大 きく変え た。光学系が不完全なために起こる顕微鋭の災用 上の限界をほと J I （しただけでなく ．人間の自がも っ本質的制約 2つを決り越えたのである。2つとは． んど必)

( A )

入射光

( B )

｛ 白色光｝

入射光

｛ 緑色 光 ｝ F i g .9-7 光学顕微鏡でコントラストを強める

位相が 合っている

2つの方法。 （A）細胞の決色された部分は．そ

こを通る特定の波長の光を限収するが．他の波 長の光は過すので．通常の明視野顕微鏡で．色

! fられる。（ B ）染色してい のついた細胞の像がl ない生細胞を通る光l ま．担軍備がほとんど変化し 広大しても細部織道は見 ないので．像をいくらt 染色して い琢い細胞

位相が合って いない

え砿l ,＇・しかし光が細胞を通り銭けるとき．内 務偽造の密度の廷によって位相が変化するので． 位栂差顕微鏡や微分干渉顕微鏡を用いて干渉効

J . 位棺の遣いを像として 果を利用すると．小さ1 見えるようにできる．

584

9 細胞の観察

( A )

( B)

( C )

( D)

50~Im

F i g .9-8 4種類の光学顕微鏡法。J g 養中の同一繊維芽細胞の 4種類の像を示す 。 愚近の顕微鏡のほとんどは．部品の交役でこの 4種類の

Gられる。（A）明視野顕微鏡法。（ B ）位相差顕微鏡法。 （ζ）ノマルスキー型微分干渉顕微鏡法。(D） 路視野顕微鏡法。 像がすべて1

あまりに H 行い光の下ではよく見えないことと . ~＇'f）；（がi珂 るいと光の ~rrt伎のわずかな差 を ！ぷ じとれな いことである。故初の l l i JJ mは. l l i i 1 放鋭に向感度デジタルカメラを J f Y .りつけて解決

I T販のデジタルカメラのものと似た屯術紡合議子 （ c har g e c o u p l e d した。 このカメラには.T devi c e . CCD）がついており．冷却して像のノイズを減らす。 こうして．非常に暗い場所

l Jにわたる細胞観察ができるので．従来のような強い光（と熱）による細胞の損傷 での長時 l が避けられる 。 このような低！！的支カメラは．以下で説明するように生きた細胞内の蛍光分 下を見るのに特に適している。

CCD カメラによる間像は’心気1 , t { : J 'なのでデジタル化しやすく． コンピュ ータに読 を取り I l lせる。 このような j 1 1 i j像処理によっ み込んでさまざまな処理を加えると隠れた附羽i

l い 分解能を J ! H 論上の限界まで日めることができるだけでな て．顕微鋭の光学的欠陥を布l く目 コントラストを大幅に強めて L Iでは区別できない小 さな差も検 I l l できる 。 この処理は

l i j f 象をデジタ ？？訟の不規則な変化も強めることになるが．こ れは何も写っていない純分の p J Iけば除ける 。 こ うして．これまでは背景と区別できなかった小さな透明体 ル処恕で悲 しi が見えるようになった。 微分干渉顕微鏡法にコンピュータを組み合わせると強いコントラストが科られ．直

0分の l以下 （ 0 . 0 25μm）の微小管でさえ見えるようにな った （ F i g .9-9 ） 。 径が光の波長の 1

( A )

微小 I f ' ¥ 'l本 l本を蛍光襟識すれば．蛍光顕微鋭でも観察できる （F ig.9 -1 5参！ 日） ！ 。ただし どちらの場介も回折効栄は避けられなし、から . f ! ! ! i f . 創立（ i 'け．微小作 が 0. 2~t ill の太さに見 えるので. Pf 王なのか数本の＊なのかは見分けられない。

Fi g.9-9 薗像処理。染色していない微小官の微分干渉顕微鏡像（ A）と それにデジ

タル画像処理を絡した像 （ B ）。不均一広明るさの背療をデジタル処理で差し引いたの ち．コントラストを強めれば．はるかにわかりやすい像に怠る。 微小笹I~動いており

画像処理前後の像で長さや位置が変化していることに注意。（写真提供 Vi k iA l l a n )

( B )

10~I m

585

光学顕微鏡で細胞を見る

顕微鏡観察には組織を固定 し切片を作製する ほとんどの組織は叫すぎて．個々の紺l 胞を向的不で山： 接凡るわけにはいかないので． ごく

・ , -(sect ion） にしなければならない。 まず同 定剤 （fixative） で処理して細胞の!f~J きを 部い切 J 止め．殺し組織内に保持する必~がある 。 阿~方lj としてよく使われるホルムアルデヒド

て

上色覆

のしう

ス染で

F ig .9-10）。 れを冷却 または重合によって悶め．鋭い刃をもっミクロトームで切片にする （

ラをス ガ片ラ ド切 ガ

にする 。包 以斉j lは通常ロウか樹脂であ り．液状で｜ 古｜ 定された組織に佼 透 し 包 み 込 む。 こ

／／

回定後でも飢餓は一般にやわらかく壊れやすいので．支持方l j l j : I に包趨！してから切 J I

イの一 ラ 逮パ ス 一力

パク 1 ［ ＇どうし に当日柄して安定化し その場に同定する。

一

やグルタルアルデヒ ド は ． タンパク質の遊離会アミノ 2.~ と共イJfi1；合を作り ． 隣り合ったタン

できた切片 （ 普通は保さ l∼ 1 0μm）は顕微鏡川スライドガラスの表簡に平らに並べられる。

l 包（ その i 電力t の7 0% は水）内には光の透過を妨げるものはほとんどないので． 自 紺I 然状態の細胞は目

l•'tl 定し切片にしても将:i!!i の光学顕微鏡では見えない 。 細胞や細胞内の特

F i g . 9-1 0 組銭切片の作製。包埋した組織をミ クロトームで切片にし，光学顕微鏡周の試料を 作る方法を示す。

定の成分を比えるようにするために . l 事い組織切｝ 「 を処 J i l l するおもな方法は 3つある。 第ー は． 細胞の特定成分に特異「19親手ll'lt を ／J~すイf機色ぷで組織を染めるという． ？？

から行われてきた方法である。たとえばへマトキシリン （ hem a t o x y l i n）は負に荷浴した分 子に親和l性があるので， DNA や RNA や椴性タンパクの~~Ill抱内 の分布状態がわかる （Fi g .

9-11 。 ） もっとも ．各染色剤のもつ特典性の化学的制拠はわかっていない場合が多い。 第二 は．組織切れ‘を用いて．古 I I ｛立に よってぷのあるほ伝子発現の閏有パターンをよL るときに使われる。すでに述べた i ns i t uハイブリッド形成によって（ p .5 7 3），組織切J ＇ ， ・ や 小さな生物あるいは aff 官で発現している lひ~A 分－f の創ll)J包内分布や坑を l列 らかにするブi 法

である （ F i g .9-12。 ） 第三 は．次項で解説する：t i t） ＼ ＇ . ； 色 オ； やマ ー カーを利用する非常に感度 のよい Ji(l~ で．

m

1( 1 0の タンパク質の位R ' . . tを突 きJト ー めるためにJ よく応 できる。

F i g. 9 -1 1 染色した組織切片。 （ A） 腎 臓の尿道管の切片をへマトキシリンと 工オシンで染色した。この色素の組み 合わせは組織学でよく使われるもので ある。尿道管はぴったりとくっつきあ った細胞（核を赤色染色）が輸になって できておりその輸を細胞外マ トリッ ） 宕 クス（紫色染色）が包んでいる。（ B い植物の根の切片をサフラニンとファ ーストグリーンで染色した。ファース

e ! :セルロースの多い細胞壁 トグリーンl を染め．サフラニンはリグニンの多い 木部の細胞壁を明るい赤に染める。

( A )

I

I SOμm

( B )

1 0 0~I 円1

( A ;P . R .Wheat e re ta l . ,F u n c t i o n a l H i s t ol o g y ,2 n de d. L o n d o n :C h u r c h i l l L i vi n g s t o n e ,1 9 8 7より。 B ，写真提供 S t e p h e nG r a c e )

一弘

一 ふす 一 、

f 一

一

一

一

一

一級幹与 bw 一

一

b 予− Lf v L F tw ιi

＆九 人 一 ‘

JdV

￠

一 ’

一

一

一会ずみ4 d一 一 与 す 一

9’細胞の観察

一一 手守 一

586

F i g. 9-12 RNAi ns i t uハイブリツド形成。第

8箪で述べたように（F i g .8 7 1参照）．的 s i t uハ イブリ ッド形成によって．組鐙内のいろいろ芯 RNAの分布を見ることができる。これは．八工

の初期庇の形づくりに関与する 5種類の遺伝子 の転写パターンを.1つの庇で示したもの。RNA プローブは目それぞれ日J I の方法で ( i i J媛あるい

c l : . 個々 は間後的に）蛍光機段してある．画像 l の転写産物がはっきりわかるようにコンビュー タで沼色し．合成した．発現の分布が示されて

lOOμm

c l : .w i n g l e s s（ 黄 ）• e n g r a i l e d（ 向 ）， いる遺伝子l s h o r eg a s c r u l a 1 i o n（ 赤 ）•i n c e r m e d i ac e

たc c i v e（ 緑 ） .m u s c l es p e c i f i c n e u r o b l a s 1 sde D .Kosma ne ta l . . homeobox（紫）である。（

特定の分子の細胞内分布は蛍光顕微鏡でわかる

S c i e n c e305 ：・846,2004より。 AAASより許路）

m光 分 fーは．ある波長の光を l吸収し．それより長い波長の光を発する。 そ の よ う な物質を そ のl 吸光波長で！照射し．発光波長しか. i ! iさないフィルターを . i ! iして凡ると. 1 1 ； ￥ ぃ1 ' f ) ; tの 中 で光って比える

1 ' f '} ; tが附いので．少： 1（の蛍光色素でも検出できる

従米の染色法では．

I 分 を 通 過 し た 光 に ほ ん の か す か な 色 が つ く だ け な の で 比 え な かった 分 チ 数 で ぷ科の染色白H も．この ) i i ； ｝なら見える。 細胞を決色した：i ' ：光色ぷは． 蛍 光 顕 微 鏡 （ 日uorescencemicr oscope）で検 出 す る。 こ れは .i!!i'ii＼＇の K／；~：以微鏡とは民なり.

•irti )J な光源からの！！切りb を.

） ＇ （ ： .が ， 氏本｜に

l i T lく1 i 1 Jと試科

＼ て く る と き の 21 1 1 1 . フィルターに j ! J }す。 第一 のフィルターは比率：｜ ι こ！照射する光のう から I ち 蛍 光 色 ぷ・ を 励 起 す る 波 長 だ け を 通 し 第一 二のフィル ターは励起光を さえぎって蛍光 色 素 F ig.9-13 ） 。 からの発光波以だけを通す （

蛍 先 顕 微 鋭 は ． 細 胞 や 組 織 の 特 定 の タ ン パ ク 質 な ど の 検/ I Iに M もよく , f i J l l Jされる。 非常に強)J で広く JIJ いられているのは．蛍光色~を抗体分 fーと結合させる }jjJ; である 。 抗

体は網U J J 包内や細胞外マトリ ックスにある特定の巨大分子を誠別し巡択的に結合するので． 抗体分

r と紡イ干した鍛光色ぷは非常に特典的かつ），j : ; J I J範 l ! i jの1 ム・ぃ染色 n i lとなる。 1 1 i ：通｛史わ

れる：i i ＇光色ぷは．

1 ' iい光で励起されると強い緑色の蛍光を発するフルオレセイン（ fluores-

c e i n）と，！W . 料色の光で励起されると深い亦色の：i l '光を発するローダミン （rhodamine）の 2

ム 脚レンズ主ヨ

3 第二吸収フィルター フル才レ セインに特有の滋良 520∼56 0nm の緑色の蛍光をi ! すが.l i f t > 、 の 不要1 6 . 光I ＜ ！ ： 遮 断 す る F i g. 9-13 鐙光顕微鏡の光学系。フィルターセ

） と ットは. 2つの阪収フィルター（図中 1と 3

光源

ダイクロイックミラー（光線を分ける鏡．図中 2 ) 2 タイクロイックミラー . 510nm 以下の光I ＜！：下へ向けて反射するが． 510nm以上の光は上へ透過させる 1 第一政収フィルター ： 波長 450 ∼490nmの青色光のみを過す

から忽る。ここでは．蛍光色紫フルオレセイン からの光を検出するフィルターセットを示す。 倍率を固定すると．蛍光像の明るさ l c l : 関口数の 4乗に比例するので．この裂の顕微鏡では対物

レンズの関口数が大きいことが特に鐙婆である

( r i g . 96も参照）。

光学顕微鏡で細胞を見る

587

F i g・ 9-14 蛍光色索。一般に利用されるいくつかの蛍光色紫の震大励起波長および

短大蛍光波長を スペクトルの対応する色で示す。色素分子から般出される光子のエ ネルギーは．阪収される光子より必すI i i い（波長は長い）。このため．励起光と蛍光で 盛大波長に差が生じる。 C F P .G F P .Y F P .R F Pはそれぞれ疑．晋緑．貫録オレンジ 色の蛍光タンパクである。これらは色紫でははいが．本車の後半で詳細に論じる。

D A P II 喜一般的主主蛍光 DNA色繋で．紫外線を吸収し明るい紫色の蛍光を発する。 F I T C （蛍光イソチオシアネートの絡）はよく使われるフルオレセイン誘諮体で．明るい緑色

460nm

の蛍光を発する。その他の色索はすべて白抗体などのタンパク質を蛍光標識するのに よく使われる。

i g .9-14。 ） ある分子の抗体をフルオレセインと結合させ．日J I の分子の抗体を つである（ F ローダミンと結合させ この 2つの蛍光色素それぞれに特典的な 2組のフィルターを切 り 人j でのそれぞれの分子の分布を比較できる。 j r r jじく. F ig.9-15に 示 称えると ． 同一細 胞l

すように. 3つの蛍光色素を同時に

mいて. j1;j ー細胞内で 3 樋~nの分子を検 Ill することも

できる。 蛍光顕微鏡川に Cy3 .CyS.Al exa色ぷなとe新 しい蛍光色素がいろいろ開発されて いる（ F ig.9-14参！ ！ ｛）。 た だ し これらの有機蛍光色訴にはいくつかの欠点がある。励 起 には色京ごとに厳術 に定まった別 々の波長の光が必裂であり．そのうえ！照射を続 け る と か なり急A iに i l l色することである。 そ こ で l 1 i l : 近．も っと ' t i . ＇定な . l ! f ；機蛍光色素が I J f l発された。 ナノ紋

. rあるいは

. I ’ ぶH ¥ ＇ 域

1 1（チドット（ q uantumdot ）とよばれる ニ ド将体の小 さな結 1 1 c l 1 1で.

のi ' f色光に よって励起さ れて蛍光を発する。 ： t i t光 の 色 は 1 F f i { 1 ：にナノ紋子の大きさ （ 凶： 経2

∼ 10nm）に依作し．退色もしにくい （ F i g. 9-16） 。 したがって．これら のナノ粒チを抗体 事的な辿制；がJ . ！ ’J i .にできる 。た と え ばl 伍の：，，の などのプロープと結合させれば． 分子の経I 生綱！ I l 包l例に導入すれば．蛍光を頼りにその子孫綱I I 胞を Hを迫ってたどれるので．調 I I 日 包 系 請が突き 1 十 ．められる。 あとで l 冶 じるが．蛍光顕微鏡法は. 1 1 :きている ．細胞内での特定分子の波度や分布 の 変化 の間務にもキI J J I Jできる（ p .592参 ！ ！ ｛ ｛） 。

F l g.9・15 多鑑蛍光色素を利用した顕微鏡法。

3櫓類の細胞成分を 3種類の蛍光色紫で染色し た．有糸分裂中の細胞の合成顕微鏡写真。

GTCT＞紡錘体微小管は緑色蛍光抗体．セント ロメアは赤色宣言光抗体．凝縮した染色体の

D N A l < I :筒色蛍光色紫 D A P Iで染色した。（写真 1 0μm

提供： K e v i nF . S u l l i v a n )

588

9・細胞の観察 F i g. 9 1 6 蛍光を発するナノ粒子 （量子ドッ ト） 。置子 ドットは．半導体であるセレン化カ ドミウムの小さ忽ナノ組子で．皮殴で溜って水 沼性にしてある（A）.抗体やストレフ トアピジ ン芯どのタンパクプローブと結合させたE子 ド ットを細胞に湾入すると．目的のタンパク質と

( A )

( B )

0秒

20秒

120秒

結合する。.子ドットの大きさによって出され る蛍光の色は爽芯るが（粒子力t大きいほど渡良 は長くなる） すべて同じ湾色光で励起される。

特定の分子の検出に抗体が利用できる

( 8）ほとんどの有線蛍光色紫と異 1 d :I ' . ). I i ! 子ド

H U : r r o 1 物の免疫系で作られるタンパク質で （ 第2 4~；·n.

抗体は感染防御のために干

数十億税

＊ ットは何週間も光り続ける。この細胞では. 五

タンパクl e ! :有機蛍光色紫（Al e x a4 8 8 ）で緑色に

矧 も あ る 抗 体 の lつ iつ が． そ れ ぞ れ 異 な る 結 合 百I位 に よ って 特 定 の 棋 的 分 チ （ 抗原

e ! :ストレフ トアビジンと結合さ 標識し．微小笹l

[ a n t ig en ） ］ をj 彼 自j l できるという特別l な性質を もっている 。 この 6 技術な抗 I f , ＼特然性ゆえに．

ゼた量子ドットで赤色に染色した。官色光を連

抗体は細胞生物学の強力な武店長となる 。蛍 光 色ー ぷーで線治した抗体を使えば．特定の分子の

e ! : 急速にi l l l 色 続して照射すると．有後蛍光色素l

細胞 lλJ~｝.（fi が蛍光顕微鏡でわかるし （Fi g .

mf終J伎 の 高

9-17）. コロイド状の金主立子など

い粒 − ｛と結合させれば. ~II 子顕微鏡で特定の分子の f1/: i ' . ' .がわかる （以下参！！日）

l J I 包1 J 、 j の特定の分子を検 1 1 1/ . ￡ 1 1（する際には．シグナルを化学 抗体をプロープとして翁l

するが目量子ドット l e ! :蛍光を発し続l : tる ．

( B :X .Wue ta l . ,N a t .B i o c e c h n o l .2 1: 4 1 4 6 . 2 0 0 3 より。M a c m i l l a nP u b l i s h e r sL t d .より許お）

的 に j抑制することが多い。 たとえば．蛍光色素ーなどの様減分子を特典的な抗体 （ 一次 抗 体

[ p r ima r ya n t i b o d y ） ］ に前J 妥結合させることもできるが． 一 次抗体は無様織のままで目そ れ に結合する多数の抗体 （ 二次抗 体 ［ s econdarya n ti body ） ］ を際線して使うと．さらに 1 9 1い蛍・ 光が1~~ られる （ Fig.

9-18）。 これは I l！桜免疫法 ( i n d i 1 官 t immun o c y t o c he mi s t ry ）とよばれる。

i J 止も！ぷ！交がよいのは． 二次抗体に付 加する際派分 子として醇ポを 1 1 1い る ）J i tである。 たとえばアルカリホスファターゼは． 適切な化学物質がイバ1：すれば！！！~機 リン 般を生じ 色

のついた沈殿物を生成する。 この両手京を 二次抗体に車, 1 i f ;させておけば． 二 次抗体の位 j l ' 1 ＇ . が わかり．がi 米として二 次 抗 体 が 結 合 す る 抗n ; t−抗体桜介体のイU ・ ( Eもわかる。 千 十 両 手 M分 子 は 触伐として働き何千分

r もの w . 物を生じるので．ごく微；，（の抗原分チも検 I I ¥でき る。 この

J i ; L J l l ＼に必づく 醇 ぷ結 合免 疫i l ( l j定 法 （ e n zymel i n k e dimmunosorbent a s s a y . ELISA）は．妊娠 や純々の感染旋の』1 ' i : 感度検 Iり ： tとして医学でよく利JI J されてい る

もっ と も 師事ぷの i 杓幅

によ って 測定法の~~，立が非常によくなっても．色の つ いた沈殿物が酸素と織れて拡散する

と顕微鏡で凡たときの雫Ill！ 分解能が制限される 。 そこで泌常．抗原の｛立i丘が11~ も i日立に

F i g .9 1 7 免疫鐙光法。 （A ) J g 餐上皮細胞の周 辺部の透過型電子顕微鏡写真．微小管1 " J .どの銀 総の分布が見える.(8）問媛免疫盟主光j 去を用い． 微小径を摘成するタンパク貨であるチュープリ ンに対する蛍光抗体で（A）と同じ領主主を染めた もの （F i g .9 -1 8主f t f t）。赤い矢印はー（A )( B ） で ともに見分けられる個別の微小管を示す．回折 効果のため．光学顕微鏡では微小管が実際の幡 である 0 . 0 2 5pm より太い 0. 2ドm に見えるこ

10pm

.O s b o r n .R .W e b s t e r . a n dK . とに注意。（M W e b e r ,J .C e lB i o l .7 7 : R 2 7 R 3 4 .1 9 7 8より． R o c k e f e l l e rU n i v e r si t yP r e s sより許路）

光学顕微鏡で細胞を見る

二次抗体 ： t 事 鶴を結合 した抗ウサギ抗体

間＼

定原

さA

因抗

イ よー

ァ L Y

−；欠銃体 ! J i 原 Aに 対するウサギ抗体

589

Fig.9-18 間接免療法。この検出法で！c l : . 抗原

に結合する一次抗体を多数の二次抗体分子が譲 別するので．非常に感度が高い。二次筑体は傑 践分子と共有結合しており．たやすく検出でき る。よく使われる標設分子と して 蛍光色紫（蛍 I

ム

光顕微鏡周）やホースラディッシュペルオキシ ダーゼ（従来型光学顕微鏡周や恒子顕微鏡周） ， コロイド状金粒子（電子顕微鏡用）．アルカリホ スファターゼやペルオキシダーゼ（生化学的検 出用）などがある。

わかる蛍光標識を利用するのである。 ウサギやヤギに抗原を数回注射してから J f I L 清を集めるのが．抗体を得る i 誌も簡単な 方法である。 この抗血7 i ' f( a n t i s erum）には．さまざまな抗体生産細 胞 （ B リンパ球）が作る 多純の抗体が含まれており ．なかには t i ' C J J ； ＼ 分子の異なる部分（抗) J i （ 決定基あるいはエ ピト ープ とよぶ）を識別するものもあれば目抗J ；（に混在していた不純物と反応するものもある。 ( i L 消の特典性を高める には．ほかの分− fに結合する抗体分子を除く 特定の抗版に対する抗J 必~：があ る 。 たとえば．タン パク X に対 して作 っ た抗Jfllii'f を抗KCX を結合 した アフィニ

ティーカラムに通せば．抗 x抗体だけがこの抗原に結合し．ほかの抗体はカラムを素通 りする。その後．結合した抗体をカラムから流し出せばよい。 それでも抗血清はま ったく 均一 にはならず．これが利用の限界 となる。 この限界は単一のタンパク質からでき た抗体． モノクローナル抗体（ F i g .8-8参

m oを利J目すれば克服できるが． ここにもまた問題がある 。

抗原の単一部位 （ あるいは単一エピ トープ）に特異的ではあっても ．エピ トー プへの結合し

m

やすさ ．つまり 抗体としての有 性が試料によって異 なるのである。 たとえば．回定処理¥ I されていない抗原としか結合 しないもの．特定の固定液で処理済の抗原 としか結合しない もの.SDSポリアクリルア ミドゲル上で変位したタンパク質としか結合 しないも のなどい ろいろある。

光学顕微鏡でも複雑な三次元構造の画像が得 5れるようになった これまでに説明した通’市の光学顕微鏡では．組織を l Wu、切片にしなければな らない。切）「

Wければ薄いほど画像は鮮明になるが．立体とし ての情報は失われる。細胞や組織の三 がl 次元像を得るにはどうすればいいのだろう 。 また．何 らかの理l 山で 切＼・ ） にできな い試料の 微調I I 術造を見るにはどうすればよいだろう 。複雑な 三次元W t : i l iの試料を従来の光学顕微鏡 T ( 象が焦点外 か で見ると ． どの商に焦点を合わせてもその上下の部分も！！ 現らされ．微細な阻I

らの光でぼやけてしまう ので．細かい解釈がむずかしくなる。

n .

この問題の解決には．数他 勿． と光学的手法の 2つが使われている。三次元顕微凶i 像法であり．！穿い試~'31· の~司三定の而に J.r.~. . IYJ な ll~v 、’．光学切片”を見 るのである 。 さ ま ざまな焦点深度で411~）；びした述統光学切片 をコン

ピュータに記憶させれば．容易に三次元｛ 象を構築できる。顕微鏡学者−にと って この方法は． 人体を訓べる放射線科医 にと っての CTスキャン と同じ役制 を来たしている（原理は輿 な る ）。 どちらも内部構造そのままを詳細な切片像にす るのである。

590

9・細胞の観察 Fi g.9・19 函像デコンポリューシヨン。 （ A） 蛍

光 DNA結合色梁で染色したショウジョウパ工 巨大多糸染色体の光学顕微鏡写真。（ B）画像デ コンポりユーション処理後の同じ視野。染色体 の翁様様が明郎に見える．色バンドは厚さ約

0 . 2 5~· m で．光学顕微鏡の分解能の限界に近い。 （写真i 定供： t h eJ o h nS e d a cL a b o r a c o r y )

( A )

L一一一一」

( B )

Sμm

数官1( ,\1·~）：による !ii.去は Jlhj 倣デコンボリューシヨン （ image d e c o m o l u t i o n）とよばれる。

' H ' tがあるため. 光に波としてのt

l U i 微鏡のレンズ系では . i . ' i ：の間伐 i 象がぼんやりとした小 さ

なl けになり（ F i g .9-5 参！！日） 目 間記＇~ （ . ＇ がf ι！.＇！： 而 の上ドに出I F . : I’ Lるほど｛象はぼやける 。 このほや けた ｛ 象を. . ' ' . U . ぶがり｜見l 数（ poi n ts p r e a df un c t i on）という に対応するぼやけた )Lい 1 f 1 i が

似維な物体の｛象は. ；試料の作点

mまってできるわけで. t ' i来的にぼんやりした全体像になる。

デコンボリューションではまず．冷却I CCDカメラで述統した J . l ¥ l . (J 師に次々 W i 徴 鋭 の1 た収 を介わせ．述絞した（ぼやけた） Jlhjf~. 裂するにぼんやり としたそ次元保を 1~，~る

この削除

の杭み i f （ねをコンピュータ処. P l ［し．できるだけ焦点ぼけを除く 。 顕微鏡の点l ム・がり｜則数を

平l j 川 して仰に対するぼけの；形制iをi l ! I J定しそれに介わせて”｛まけ修J C （デコンボ リューシ ヨン） JIJ プ ログラムで．ぼやけた 三 次元｛象をくっきりした光ヴ：切 ｝~ に変換するのである 。 iJift）：がかなり絞殺なためl拠採があったが．コンピュータがρ~j . i l i化し次官l iになったおかげで f

阿保デコンポリューションの 1 ' I :能 が 1 − . が り ．普及してきた

一 例を F i g. 9-19にぷす。

共焦点走査型顕微鏡は焦点のすれた光を排除した光学による切片を作る J~ 焦点Jじ代i＼~顕微鋭でも 11hj f象デコンボ リ ュ ー ションと ｜”I級な 1花見~－が符られるが目

こちらは

デ ジ タ ル で は な く ア ナ ロ グ 校 体I であり．測定前に光を操作する。共焦点走査型顕微鏡

( c o n f o c a lmic r o s c o p e）の光学系は彼雑だが．基本的な与え J iは F ig. 9-20に，jミすように単 純 で. 1！｝られる結~－は 1it －＊ の光学 l«i微鏡より絡段に倍近れている （ Fig. 921) 辿常. J~J.l.VU主1i:11rni 微鏡では蛍光を Ill いるが （ Fig. 9 -1 3参 m o . -J iに，，，＼：干｜全体 を mm・Iせずに．ある深度の一点にJ.l.~.o：’i を合わせる

それには非常に 1 9］ る く っ1を！！”J でき

i J ， 』j る光泌が必裂で. . する：iiD℃を !I~ め．光検 11\Wの人 11 で｛集を走ti ばせる

一 ル と ！ . ＇ . ＇ ： . ＇ . ＇ . （ を

検1 1 1日 品f i lI のピンホ一ルを.

m ¥ f Hピンホ

J tイ Tする （ c o n f o c a l )J:劾 i9r. つまり’決利(J)！！（~~J.'.'.O:カ、ら発する J℃線が.f.'.\.'.'.O: を結ぶ

場所に W•＇. くと．このm＼身．

J . f °. ¥ . ' . (I 而以外カ、らの j ℃はピンホ一ル ll で. I ' ！ ミ ...：を釘；（まないので．ほとんど検 I＼慌には人 らな い （ F i g .9-2 0参 ！！ （ ｛ ） 。 一次； l ; f 象を仰るには. J . f ¥ . o . ' . (1 f 1 iの終点からのデータをテレビ剛 而

光学顕微鏡で細胞を見る

(A) ( C )

国

5 9 1

F i g .9-20 共焦点走査型顕微鏡法。基本的芯光

i g .9-13に示す通常の蛍光顕微鏡と似 学系は F ている．ただし．レーザー光を小さなピンホー ルへ照射し. ~史料の一点に焦点を結ばせる点が 異なる （ A）.民料の焦点から発した蛍光l ま．第 二のピンホール （ 共焦点ピンホール）に焦点を結

ダイクロイック

ぶ （ B）。試料のそれ以外の部分から発した蛍光

t を作らない はここでは焦点を結ばないので ＇ I （（）.光ビームで試料を走fl(スキャン）すると．

A

試料のほかの領域からの光でぼやけることのほ とんど芯い．非常に鮮明忽焦点画の二次元像が 対物レンズ

得られる。

三次元託料

焦点

ピンホールを通って一点で焦点を結ぶ光を．

5 量光染色した鼠純に照射

焦点から発した鐙光は 共焦点ピンホールに 結像し． 光倹出器に 遼する

焦点以外からの光は l l−ルに結像せ す ． 総点ピンi

大節分l -1 . 1 Ab l あるいは ATPを除く 1 .0 0

5

Kl ai n. R . L .KlemkeandR . Y . T s i e nP r o c .N a t lA c o d .S c i .

. S . A .9 8 :15003-1 5 0 0 8 ,2 0 0 1 10 1 5 20 25 30 U

反応時悶（時間｝

述べよ 。

（あるいは非存在下）でグラフ に示す時間反応させ矢印の 時点でチロシンホスファター ゼを加えた。（A . Y .T i n g ,K . H .

J 、 、

たものと．酵素−を結合させたものの．それぞれの長所と短所を 9-9

ターを Ablと ATPの存在下

より。N a t i o n a lAcademyof Sc i encesより許 諾）

Fig.Q9 -3 に． さまざまな色の｝むを発する ー 述 の 修 飾

GFPを示す。 まったく l 1 j iじ発色問が波長の災なる多くの蛍光を :11:.i 近のmT顕微鏡の~質的な分解能は． およそ 0.1 n mで

発する ことができるのは．どのようなしくみだと考えられるか。

9-11

9-10 前性あるチ ロシンキナーゼの細胞内分布を謝べるために．

l f ! II 数（ 1 1s in8） が ノj 、さいことからきて ある。 この制約はおもに. l

文献

いる。 l t l口数は， （ 対物レンズに集め られる 光線の f f J＇交幅の半分

( A )

615

( B )

である） 0 によ ってO/IJI~..［ される。 電子・の波長 （λ）が 0.004 nm. l i f ! 折本 （n） が 1.0 と似定して ． 。の他 を，＼H~：せよ 。 光学顕微鏡の燃準

的な 0の怖であ る 60 。と 比べて この1 1 1 （はどうか。 0 . 61入

分解能 ＝一一一

r lS i l lt i

9-12 i ； 診 をつけたパターンを見 ただけでは．こぶと 注みを 比分

けるのはむずかしい。彩をつけた数例の川 を指Iいた F i g .Q9-5を 凡て考えよう 。F i g .Q9-SAでは川はこ ぶに見える が ． 絵の上 下を 逆にするだけで（ Fi g .Q9 -SB ）円は律みに見 える。 これはよく知ら れた錯覚だ。Fig.Q9-5の 2枚の

m子顕微鏡等兵ーでわかる ように．

金属シャド ウイングでも ！ I i ］じ錯覚が起こ る。一方の写只では，l 肢 がこぶで毅われてい る ように見えるが．他方 では窪みだ らけに

E J ＇ .点を見る際． 一方の見方が正しいと 比 える 。電子顕微鏡 '

3え

るだろうか． それとも独断になってしまうだろうか。そ う考え る峡拠も述べよ 。

文献 全般 C e l i sJ E ，ζ a r t e rN ,SimonsKe ta l( e d s )( 2 0 0 5 )C e l lB i o l o g y :AL a b o r a t o r y Handbook,3 r de d .SanD i e g o :AcademicP r e s s .(Volume3o ft h i sf o u r 陀n tl i g h tande l e c t r o n v o l u mes e tc o v e r st h ep r a c t i c a l i t i e so fmosto ft h ec u r i m a g i n gmethodst h a ta r eu s e di nc e l lb i o l o 似 w h i l evolume4c o v e r st h e t r a n s f e ro fm o l e c u l e si n t oc e l l s . ) P a w l e yBP( e d )( 2 0 0 6 )Handboo ko fB i o l o g i c a lC o n f o c alM i c r o s c o p y ,3 r ded NewY o r k :S p r i n g e rS c i e n c e .

光学顕微鏡で細胞を見る AdamsMC,SalmonWにGupto『1S Le ta l( 2 0 0 3 )Ah i g h s p e e dm u l t i s p e c u a l s p i n n i n gdi s kc o n f o c a lmicroscopesystemf o rf l u o r e s c e n ts p e c k l e e t h o d s2 9 : 2 9 4 1 m i c r o s c o p yo fl i v i n gc e l l s .M e d a tJW( 1 9 8 9 )F l u o r e s c e n c em i c r o s c o p yi n A g a r dD A .H i r a o k aY ,ShawP&S t h r e ed i m e n s i o n s .I nMethodsi nC e l lB i o l o g y ,v o l3 0 :F l u o r e s c e n c e Mi c r o s c o p yo fL i v i n gC e l l si nC u l t u r e ,p a r tB( D LT a y l o r ,YLWange d s ). S a n D i e g o ・： AcademicP r e s s C e n t o n z eVE( 2 0 0 2 )I n t r o d u c t i o nt om u l t i p h o t o ne x c i t a t i o ni m a g i n gf o rt h e e l lB i o /7 0 : 1 2 9 4 8 . b i o l o g i c a ls c i e n c e s .MethodsC ζ h a l f i eM ,TuY ,E u s k i r c h e nGeta l( 1 9 9 4 )G r e e nn u o r e s c e n tp r o t e i na sam a r k e r f o rgenee x p陀 s s i o n .S c i e n c e2 6 3 : 8 0 28 0 5 . 目e nRY{ 2 0 0 6 ) T henuo r e s c e n tt o o l b o x GiepmansB N ,AdamsS R . E l l i s m a nMH＆丁 c i e n c e3 1 2 : 21 7 2 2 4 f o ra s s e s s i n gp r o t e i nl o c a t i o nandf u n c t i o n .S a n eD( 1 9 8 8 )A n t i b o d i e s .AL a b o r a t o r yManua . lC o l dS p r i n gHar b o r . H a r l o wE&L ： 仁o l dS p r i n gH a r b o rL a b o r a t o r yP r e s s . NY HauglandRP( e d )( 1 9 9 6 )Handbooko fF l u o r e s c e n tP r o b e sandR e s e a r c h 仁h e m i c a l s ,8 t he d .E u g e n e ,O R :M o l e c u l a rP r o b e s .I n c .{ A v a i l a b l eo n l i n ea t 仁o m!) h t t p J / w w w . p r o b e s . J a i s w a iJ K&SimonSM( 2 0 0 4 )P o t e n t i a l sandpi t f a l l so fnuor e s c e n tquantum r e n d sC e l lB i o /1 4 : 4 9 7 5 0 4 . do t sf o rb i o l o g i c a li m a g i n g .T o v i nTM( 2 0 0 3 )F R E Ti m a g i n g .N a t u r eB i o t e c h21 ：・1 3 8 7 -1 3 9 5 . J a r e s Er i j m a nEA&J a t t e r s o nG( 2 0 0 3 )P h o t o b l e a c h i n gand L i p p i n c o t r S h w a r t zJ ,A l t a n B o n n e tN&P p h o t o a c t i v a t i o n :f o l l o w i n gp r o t e i nd y n a m i c si nl i v i n gc e l l s .N a t u r eC e l lB i o l S : S 7 S1 4 . M i n s k yM ( 1 9 8 8 )Memoironi n v e n t i n gt h ec o n f o c a ls 臼 n n i n gm i c r o s c o p e . S c a n n i n g1 0 :1 2 8 -1 3 8 . M i y a w a k iA ,SawanoA&K o g u r eT( 2 0 0 3 )L i g ht i n gupc e l l s: l a b e l i n gp r o t e i n s t u r eCe lB i o l5 : 51 5 7 . w i t hn u o r o p h o r e s .Na gc e l l s .I nL i g h t P a r t o nRM&R e a dND( 1 9 9 9 )Cal c i umandpHim a g i n gi nl i v i『1 M i c r o s c o p yi nB i o l o g y .AP r a d i c a lApp r o a c h ,2nde d .{ L a c e yA Je d )O x f o r d ・ O x f or dU n i v er s i t yP r e s s . a t u r e S a k oY&Y a n a g i d aT( 2 0 0 3 )S i n g l em o l e c u l ev i s u a l i z a t i o ni nc e l lb i o l o g y .N : S S1 S S S R e vMotC e l lB i o l4

F i g . Q9 -5 こぶと窪み（間関 9-12） 。 （A）影をつけた円がこぶに見える。（ B )

影をつけた円が窪みに見える。（（）こぶだらけに見えるような向きに箇いた 電子顕微鏡写 電子顕微鏡写真。（ D）窪みだらけに見えるような向きに置いたf C .D：，写真提供： AndrewS t a e h e l i n ) 真 。 C

S e k a rRB&P e i r asamyA( 2 0 0 3 )F l u o r e s c e n c er e s o n a n c ee n e r g yt r a n s f e r( F R E T ) e l lB i o /1 6 0 : 6 2 96 3 3 . m i c r o s c o p yi m a g i n go fl i v ec e l lpr o t e i nl o c al i z a t i o n s .JC 5 h a n e rN C .5 t e i n b a c hP A&T s i e nR Y( 2 0 0 5 )Ag u i d et oc h o o s i n gn u o r e s c e n t a t u r eM e t h o d s2 : 9 0 5 9 0 9 p r o t e i n s .N ロMP{ e d )( 1 9 9 7 )L a s e r T w e e z e r si n ζ e l lB i o l o g y . M e t h o d sC e l lB i o f5 5 . 5 h e e 5 1 u d e rG&W o l fDE( 2 0 0 7 )V i d e oM i c r o s c o p y3 r ded . M e t h o d sC e l lB i o l81 . l l a n( 2 0 0 3 )L i g h tM i c r o s c o p yT e c h n i q u e sf o rL i v eC e l lIm a g i n g 5 t e v e n sD J&A S c i e n c e3 0 0 : 8 2 8 6 . T s i e nR Y( 2 0 0 3 )I m a g i n i n gi m a g i n g ’ sf u t ur e .N a t u r eR e vMotC e l lR e v4 : 5 51 6 5 5 21 W e i s sDG,M a i l eW ,WickRA&S t e f f e nW ( 1 9 9 9 )V i d e om i c r o s c o p y .I nL i g h t M i c r o s c o p yi nB i o l o g y :AP r a c t i c a lA p p r o a c h ,2nde d .( A JL a c e y凶 ）O x f o r d : O x f o r dU n i v e r s i t yP r e s s . W h i t eJ G ,AmosWB&FordhamM ( 1 9 8 7 )Ane v a l u a t i o no fc o n f o c a lve r s u s c o n v e n t i o n a limagingo fbi o l o gi c a ls t r u c t u r e sbyf l u o r e s c e n c el i g h t e l lB i o l1 0 5 : 4 1 4 8 . m i c r o s c o p y .JC c i e n c e1 2 1: 3 4 5 3 4 9 . Z e r n i k eF( 1 9 5 5 )HowI d i s c o v e r e dp h a s ec o n t r a s t .S

電子顕微鏡で細胞と分子を見る A l l e nTD&G o l d b e r gM W( 1 9 9 3 )H i g hr e s o l u t i o nSEMi nc e l lb i o l o g y .T r e n d sC e l l : 2 0 3 2 0 8 . B i o /3 店u a l i z i n gt h em o l e c u l a r B a u m e i s t e rW ( 2 0 0 2 )E l e c t r o nt o m o g r a p h y :t o w a r d sv u r rO p i nS c r u c tB i o /1 2 : 6 7 9 6 8 4 o r g a n i z a t i o no ft h ec y t o p l a s m .C i eSA＆仁r o w t h e rRA{ 1 9 9 7 )D e t e r m i n a ti ono ft h ef o l do ft h e B o t t c h e rB ,Wyn「 a t u r e386 : 8 8 c o r ep r o t e i no fh e p a t i t sBv i r u sb ye l e c t r o nc r y o m i c r o s c o p y .N 9 1 DubocherJ .A d r i a nM ,ChangJ Je ta l( 1 9 8 8 )Cr y o e l e c t r o nm i c r o s c o p yo f 問c i m e n s .Q R e v B i o p h y s2 1 : 1 2 9 2 2 8 . v i t r i f i e ds F r a n kJ( 2 0 0 3 )E l e c t r o nmicroscopyo ff u n ct i o n a lribosomecompl e x e s . B i o p o か m e r s6 8 : 2 2 3 2 3 3 . H a y a tMA( 2 0 0 0 )P r i n c i p l e sandT e c h n i q u e so fE l e c t r o nM i c r o s c o p 払4 t hed C a m b r i d g e :Cambr i dgeUni v e r s i t yP r e s s . ト l e u s e rJ( 1 9 8 1 )Qu ic k f r e e z e , deepe t c hp r e p a r a t i o no fs a m p l e sf o r30e l e ct r o n r e n d sB i o c h e mS c i6 : 6 4 6 8 m i c r o s c o p y .T L i p p i n c o t t S c h w ar t zJ&P a t t e r s o nGH( 2 0 0 3 )Developmentandu s eo f n u o r e s c e n tp r o t e i nm a r k e r si nl i v i n gc e l l s .S c i e n c e3 0 0 : 8 7 9 1 . a s t r o n a r d eD( 2 0 0 5 )Newv i e w so fc e l l si n 30 ・： an M c i n t o s hR ,N i c a s t『O D&M r e n d sC e l lB i o /1 5 : 4 3 5 1 . i n t r o d u c t i o nt oe l e c t r o nt o m o g r a p h y .T r e e z i n g ,c e l l ul a rtom 句r a p h y , and McDonaldK L&A u e rM( 2 0 0 6 )H i g hp r e s s u陪 f B i o c e c h n i q u e s4 1: 1 3 7 1 3 9 . s t r u c t u r a lc e l lb i o l o g y . e l lB i o l P e a s eDC&P o r t e rK R( 1 9 8 1 )E l e c t r o nm i c r o s c o p ya n du l t r a m i c r o t o m y .JC 9 1: 2 8 7 s 2 9 2 s UnwinPNT&HendersonR( 1 9 7 5 )M o l e c u l a rs t r u c t u r ed e t e r m i n a t i o nby 亡t r o nm i c r o s c o p yo fu n s t a i n e dc r y s t a ls p e c i m e n s .JMo/B i o /9 4 : 4 2 5 4 4 0 . e l e

I V

自 腹の舗這

小分子の膜事由送と. B l の‘気的性 質

細胞内区画とタンパク貨の遺別 細胞内における小胞の移動

エネルギー変換 ー ミトコンドリ アと薄緑体 細胞の情穂伝遺 .細胞骨絡 細胞周期 : 1 アi f (トーシス

細胞の内部構造

一一一」 膜の構造 w

細胞膜 （ pl a s mame mbrane ）は．細胞を包んでその境保を決め．細胞質を外部環境と ，なる

脂質二重居

617

状態で維持し細胞の生存にとって不可欠な役を＊たす。瓦絞細胞の場合には．小！抱体．

膜タンパク

629

I 胞質ゾ ゴルジ体． ミ トコンドリアその他の小器官にも映がある。 このI ' I 失も．その内谷と網I ルを隔て．それぞれの特徴を保たせている。朕タンパク特有の働きによって作られたI ' I 見内 外のイオン itt伎の＇~は. ATP 合成や特定の i~げIのl段通過輸送に手IJ J IJ され．またや11経や筋肉

などの細胞 I A Jで1 丘公シグナルの生成や伝達に l 刻ワ−する。調l J 胞膜には例外なく外部のシグナ ルを感知するタンパク質があり ． ほかの細胞からのシグナルを合めて．外界か らの ~ilj激に

応 じた糸 l f l j J をとるのに役立っている。 これ らはタンパクセンサー．すなわち受符体 （ r e -

c e pt or ）であって. I J 失を横切って（分チを運ぶというより ） 情報を伝述する。

r

機能はさまざまだが すべての生体）肢は脂質とタンパク分 が ー tとして非共布結合 で集合したきわめて滞 い構造をしている （ F i g .10-1） 。細胞I J 犯には流動性があり．梢成分 J 処 ・1 < 1 f l i卜．を移動できる。脂 t 1 t 分骨 子は.J I ： ！ ，さほ （ i '5nmですきまのないこ i f t . J 併を チの大半はI

i l l h ' 1( li p i db i l a y er ） が流動的構造の基本で．ほとんとsの水治t i : 分寸こ 作っている。 この脂質二.

i l ! h ' 1をr tくタ ンパク分子 0民民辿タンパ にとって通過しにくい降墜とな って いる。脂質二 ， ク ［t ransmembranep r o t e i n] .F i g .I 0-1参照）はl 肢のいろいろな機能をほぼすべて l i l ってお り．たとえば特定の分チの' l J 失通過輸送や. ATP合成のような朕を起場にした反応の触媒に

' t 通タンパクには. j J 行町二 屯附を越えて細胞外マ トリ ックスや隙の 附与す る。細胞肢の脱l I 胞竹怖を結合させるものや．細胞外の化ザ：シグナルを受け取って細胞l 人j に伝述す 細胞に網I

r ' 体として働くものなどもある。細 胞 が 機 能 し 環 境 と 相 I ［に作用できるためには． る受t ＞~ f'!.~.

3 1 ＂ ’ i i ＼ ＇ に 多f ! f t ' 3 iの朕タンパクが必要になる 。実際. i f l j j 物綱I I 胞のゲノムが指令するタン

J ' . 3 0 %はI J 央タンパクであると見和もられている。 ＇ パク質のほ （ この切では．生体I J 央の二大榊成成分である脂質と股タンパクの構造と椛成を考策す る3 主として制J j 包I J 民に焦点を定め るが．基本概念のほとんどは細胞内服系にも j j f i l J I Jできる。 細胞膜の機能は．日J I の ？; 1で扱う 。 たとえば ATP作成は第 14j ' 戸．小分 子の脱輪送にl 則する 役i 1 P l は第 lI, ・ ; ・ t , 細胞問のシグナル伝迷や細胞どうしの桜れについては節 目 市と第 19' l ; ' l : で諭じる。 第 12市と第 13？戸では．細胞内I J 史系について． また内I J 誌を通過する．あるい は内膜系 l : t lでのタンパク質の紛送について論じる

脂質二重層 脂質二重庖 ( li p i db i la y e r ）はすべての細胞肢の基礎椛泣であり．それは H t 子顕微鏡で簡単に

W l 務できる。二 i l ! h ' 1の構造は 単純な人工条例：ドですら白然に何i : 9 1 1して二重肘を作りやす いという Jj\j't'( 分子 I·＇~有の性質に起 i刈して い る 。

617

10 肢の構造

618

( B )

( C )

タンパク分子

F i g.101 細胞膜の櫛造。

( A） ヒト赤

血球細胞絞検断頭の電子顕微鏡写真• ( Bおよ

び C)細胞殴を二次元的．三次元的に表した綴

グリセロリ ン脂質，スフインゴ脂質．ステロールは細胞膜のおも芯脂質である たいていの動物綱l l J J 包では．細胞I J 犯の総. i l l l 止のほぼ 50%を脂質分

r が1 1 iめ. ~.Ii: りのほとん

どがタンパク抗である。脂 質ニ i f i . h ' 1Iµm 四方に はが~ 5 x L06例 の I J I H ' t 分ずがイf イ ：1 ： する 。 この数からすると．小i＼~ の!fQJ物細胞の細胞膜は !09 例の脈11分子を合んでいる 。 網Ill）包IJ見の

脂質はすべて両親媒性 （ amph iph i l icまたは a m p h i p a t h ic ）で，親水性 （ hy d r o p h i l ic . すなわ

.1 " 1 :[ p o l a r ］の） ，！ d l A fと疎水性 （ hy d r op h o b i c . すなわち J I ミ似性 ［ nonpo l a r ］の） 末端をもっ。 ちW ！院に 11~ も J、；：.~ にイf：イ1：する）J民間は りン脂質 （ phospholipid） で.

' 1 ・：の炭化水ぷ釘i の j己部 （ h y d r o c a r b o nt a i l)2つ か らなる。動 物 水1

i 見水 f ' I :の頭部 lっと疎 ・M物 ・緑I I 的調I J J J 包では．

1 1 r n 1 ； はJ J 則的阪でできており．その i 長さはさまざまで （ 通常. i 之ぷ数 1 4∼ 24側）．通常 2 つのうち l つはシス i＼~ の て if( f , 1 1 f , -を

lから数例合む不飽和 （ uns a tu r a t e d）脂肪民主．もう l

つはま ったく ー ニ抗結合を合まない飽和 （ s a t u r a t e d))Jll)J}j~ である F i g.10-2に示すように．

_ _ :I f （結合のところで 1 6はh l i l l l Jしている 脂肪阪の｝己の長さや飽和俊は．分 − ｛が初任に術集 できる俊合い． つまり II央の流動1'1： に彩科する重'J2 な ~k；である （ ド，U参！！（｛） 。

ほとんどの動物の細胞映のおもなリン脂質はグ リセロリン脂質 （ g l y c e r o pho s pho ・

l i p i d）である。 これは j えぷ 3例からなるグリセロール （ g l y c e r o l )竹絡をもち （ F i g .1 0 -2参mo. このうち 2例の隣り合った炭ポ I J ; (− ｛には 2本の長鎖脂肪般がエステル結合している。 第三 のj えぷ J / ；（予にはリン般 ）J iが結合し．そこに数極類の化合物のうちの lつが結合している。

J l ' i ) J J J 限と l i J W I ；を組み合わせて．細胞は多州知のグリセロリン J J l ' i 1 ' 1を作る。 1 1 J : f L ' h l ' i 数州知の J の網l l J J 包I J ! i : ' .では．ホスファチジルエタノールアミン （ phosp h a ti d yl e thanol amine ）.ホスファ チジルセリン （ pho s p h a t i d y l s er i n e ） .ホスファチジルコリン （ p h o s p h a t i d y l c h o l i n e ）がそのお

F ig .10-3A -C） 。 もなものである （ もう lつの吊： 2 ：：なリンJ J 行伎はスフインゴミエリン （ s p hi n g o m y c l i n）とよばれ．グリ

s p h i n g o s i n e ）からできている （ F i g .1 0 -30-E ) スフィン セロールではなくスフインゴシン （ ゴシンはアミノ J . ! ;( N H2 ）と 2つのヒドロキシ基 （ O H）を分子の一端 にもつ長いアシル鎖で ある。 スフィンゴ ミエリンでは脂肪般の尾はアミノ J .！；に結合しコリンリン般: J J ;はぶ端の ヒドロキシ必に結合しているので. I つのヒドロキシ ），~が結合に他われずに残 っ ている 。 この l’ i 山なヒドロキシ ），~ が頭部に＃＼判．を与え． 隣り合っ た脈t'tの向日II や．水分チや. J I 央タ

ンパクと水ぷ結合を作る。 ホスファチジルコリン．ホスファチジルエタノールアミン．ホ スフ ァ チジルセリン．スフィンゴミエリンを合わせると．ほとんどのl~ll.fL矧の細胞膜で脂

質l 止の半分以｜：になる （ ぷ1 0-1： 参 ！！ ｛） （ 。

式図．脂質とタンパク成分の一般的広配置も示 す。（写真1 2 供 .A :D a n i e lS .F r i e n d )

619

指質二重居

． ．

川 V 日

﹁

叩

目

位性

郡部 頭尾

のの

﹁

跡跡 ll﹂寸Ill1 1J

4

﹀

＝ H2 2H2H2H2 2 2 HHH

−

( D )

A白

臨’

戸 −

思 −

幻

ι

山 t uγ

仁 、

4F

HHHH

Hc 、 、 。

、 、 c 一 比

・ 山川、

、、ι、

t r ， ‘c ン ー， ／ H司 ／H 仁 ＼ H E

え も

． ． H H HHHH

（ 疎水位） の尾部

−

2

euR特﹄︸軒町 回且

非極性

H

圃＝川 町 内 HHH

1

u IClc、 CIG clulu CIClClC

同

rclC lclEIClElE1Clc Clo IClElcICICICIElclc

グリセロール

−

− − コ f

リン酸襲

一一o

（親水性） の頭部

N

V 4 h− 0151GIP 010

コリ ン 極性

4

同

（ ζ）

( B )

( A )

Fi g .10 -2 グリセロリン脂質分子の構造。例としてホスファチジルコリン分子を示す。様式図（A） .化学構造式（ B ) .空

間充i 奥様型（C ) . および記号表示 (D） 。この図では．シス型二箆結合のために生じる屈幽を強調してある。

。

泊

。

のI

。

θ

︸

？ ？？

( B )

( C )

0

｜ ｜

CH CH C出

｜｜

OH

OH

Hr-r：~CH2

Cトl NH

I I

I

T H C｜= O

I~

スフィンゴミエリン ( D )

癒信包

ホスファチジルコリン

OH

同岨陵商何回留

ホスファチジルセリン

＝↓ −0θ

O

積 担 同 四 回

θ

糧腿割回開園阻閣

国岨眠巡回同包

C= 0 1 = 0

陣掴賃制帽恒回畑町

−−

( A )

暗闇蟹樹園恒国阻四

糧眼樹園但出題

臨岨眼趨笛怒

ホスフアチジル エタノールアミン

−−

C=0 1 = 0

0

0＝~－0θ

ー

Ic ClO 一 o ．＝ h C OI c

？？

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一向

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0

同

肝

0

G−。｜PlO｜む N lCI

①

のl ' i .

CH1 Cトl 1. . . . _ _ . f, _ , , . . . C H1

スフインコシン ( E )

F i g .10・3 鴎乳類の細胞駿にある主要な 4議類のリン脂質。頭部の種類が異なるものは記号表示の色を変えて示してある。 （ A-C)の脂

質分子グリセロリン脂質はグリセロール誘導体である。（0）は脂質分子がスフインゴシン C E ）誘導体のスフインコミエリンなので．スフイ

m

ンゴ脂質である。ホスファチジルセリ ンだけが正昧の負電荷をもち （その重要性は後述）．ほかの 3つは生理的 pHでは正電荷と負 荷を l 個すつもつので電気的に中性である。

620

1 0・膜の構造

OH

］極性の顕g 5

柔軟性にとl ましい ステロイド環楠造

CH1C 卜l 、 ’ ／ CH J

f C H2 f CH2

炭化水5 脅かうなる 非樋伎の尾部

CH, CH

／＼

CH3 CH3 ( A )

( B )

F i g .104 コレステロールの精道。化学術造式

(A ） .模式図（ B）.および空間充脱税型（ C J o

多くの細胞I J 犯の脂質二重対は． リン脂質のほかにコレステロールや納脂質 （ g l y c o l i p i d）を合んでいる

災核生物の細胞膜には．リン桁質分子 l例に対して l伽！というほど

c h ol e st e r o l .F i g . 10-4 ）が存不正する 。 コレステロールはステロール 多川のコレステロ ール （ であり．柔.，次ドI： にとぼしい琉構造に 111明の極性のヒドロキシ ）.~ と免j1, 、 JI：材＼t'I：の炭化水禁主l'i

が結合した形をしている 。J J 行抗二 ）T C M ' i 1のコレステロール分自立.

J . ' , i凶のリン脂質分子の

極nmim1の近くにヒドロキシ基が来るように配li•J している （ Fig. 1 0-5） 。

リン脂質は自然に二重層を形成する リン脂質分子が水悦の i 作k 集中で l ’ l 然に二

m府を形成する のは．その形 と1 J L j : m _煤性に恭つ ’ い

ている 。 第 2 市で，I~ じ たように．親水性分子が水に i容けやすいのは.

HWiをもっ基や極性

をもっ ）J 5が水分 fと1 ' i t' 1 l的な相互作J I ]をしたり．水ぷー がi 1 守を形成したりするからである。

r が水にi 作けないのは．それを桃成する J J ; (r のほとんどがH t 仰をもってい ないか非優位であり．水分子とエネルギー的に好ましい相 I f _作m がで きな いからである。

−｝ ） . 疎水型i ： 分

~1：械1"1:分子を水＂＇に分散させると ． 近くの水分子がTIJ:ri~flj して氷に似たかご状椛造を作り．

J I ： 販制二 分チを取り I J l jむ （ F i g .10-6 ） 。 この併造は周聞の水よりも規則性が向いので． 白山 エネルギーが駒大する 。 非極性分子 ． あるいは両親娘1"1：：分 r の~，，僅性百II分が集ま っ て くれ

れば．水分了・への j 炉i ＜ が! i i小 I r ＞！にとどまり . I 当i l l エネルギーの支 1 1 1が ！ i小 になる。 』行 n分子のJf~（水t'U'ill分と親水性部分も同織にふるまう 。 したがっ て. J j f r質分子は疎 ll