核に存在するDNA&転写と翻訳

設計図を管理するコントロールタワーが核

細胞内には真ん中に丸くなっているがあります。核の中にはDNAがあります。DNAは正式名称をデオキシリボ核酸と呼ばれます。良く体の設計図に例えられますが、見た目は全く設計図には見せません。実際は4つの「ヌクレオチド」と呼ばれる物質が鎖状につながった1本の紐です。

ヌクレオチドの糖とリン酸が交互に結合してできる鎖が2本、塩基を向かい合わせにしてより合わさり、にじれたらせん構造をしています。1個の細胞にあるDNAを伸ばすと2メートルにもなります。

細くて長いDNAは、からまったり切れたりしないように、ヒストンというタンパク質に巻きついています。いくつものヒストンに巻き付いたDNAが連なって、真珠のネックレスのような構造をつくり、それが幾重にも規則的に折りたたまれ、染色体と呼ばれる太い構造をつくります。

ヒストンというアルカリ性のタンパク質によって酸性の核酸が中和されます。

1本の長い紐状のDNAがなぜ身体の設計図になるのでしょうか? 実は、DNAに組み込まれた「アミノ酸の配列情報」にその秘密があります。

細胞はタンパク質の工場になりますが、タンパク質はたくさんのアミノ酸がくっついてできています。なので、アミノ酸の種類や並ぶ順番によって、できあがるタンパク質の性質も違ってきます。

遺伝子に記録されたアミノ酸の配列

DNAが身体の設計図といっても、手足のサイズや、心臓や肝臓の場所というように、構造上の特徴がそこに描かれているわけではありません。DNAに記憶されているのは、身体に必要なタンパク質をつくるためのアミノ酸の配列方法です。

つまり、DNAには、つくられるべきタンパク質の情報(どのアミノ酸~全部で20種類あります~をどのように並べて、どんなタンパク質を作るかということ)が書かれているのです。「●●なタンパク質をつくれ」というタンパク質の「設計書」がDNAだというわけです。

DNAのうち、このアミノ酸の配列情報が記録された部分を「遺伝子」といいます。人間の場合、全体で5万~10万ほどの遺伝子があり、1つの遺伝子がもつのは1つのタンパク質をつくる情報だけです。なので、身体全体でつくることができるタンパク質の数も、遺伝子の数に等しい、ということになります。

長い紐状になったDNAの上で、遺伝子は飛び飛びに存在しています。DNA全体に占める遺伝子の割合はそれほど多くなく、人間など哺乳類の場合、その比率は10%以下だと言われています。

私達の体を作る60兆個の細胞にはすべて同じDNA、つまり遺伝子が収納されています。とうことは、どの細胞でも同じタンパク質が同じ量だけ作られる・・・と考えてしまいますが、ところが違って、心臓の細胞は、心臓に必要なタンパク質、脳には脳に必要なタンパク質しか作らないのです。

どうしてそんなことができるのかというと、タンパク質を作る際に、細胞は遺伝子にある情報のすべてを使うのではなく、必要な部分だけを抜き出して使っているのです。

つまり、データーベースは巨大だけれど、それぞれの細胞が使う部分はほんの少しずつしかないということになります。細胞ごとに別々のデーターベースを作ると大変なので、大量のデーターベースを持っていれば、環境が変化した際にも、必要な材料で細胞を作り替えることができるわけなんです。なんとも人の体は効率的にできています。

タンパク質をつくるための「転写」と「翻訳」

DNAの設計書はそのまま使えないので、いったん書き換えられる必要があります。これが「転写」です。

そして、転写によって書き換えられた情報をつかって、実際にタンパク質をつくるのが「翻訳」です。

タンパク質がつくられるための第一ステップが「転写」、第二ステップが「翻訳」ということになります。

タンパク質の合成には、まず、核内において核酸の塩基配列がmRNAに転写されます。その後、mRNAは核の外に出て、リポソームと結合します。

その際、転写された塩基配列は3文字ずつ翻訳され、これを基にtRNAがアミノ酸を運んできます。

この3文字を「コドン」と呼び、組み合わせにより運ばれてくるアミノ酸が決まっています。例えば・・1文字目がU、2文字目がC、3文字目がGの場合のアミノ酸は「セリン」になります。

転写はタンパク質を作るための準備段階

転写はタンパク質をつくるための準備段階です。転写では、タンパク質を作るために必要な道具が作られます。この道具が「RNA」です。DNAとRNAは名前からも想像できますがとてもよく似た物質です。RNAがなければタンパク質は作られないのです。

転写で作られるRNAには3種類あります。メッセンジャーRNA(mRNA)と、トランスRNA(tRNA)リボソームRNA(です。

わざわざRNAに転写するといった面倒な段階を踏まなくても、直接DNAからタンパク質が作られればらくちんなのですが、工作や料理をする際にも、のこぎりや金づち、包丁やフライパンが必要なように、タンパク質をつくるためにも「道具」を揃えなければいけません。これが「転写」です。

タンパク質の組み立て場所~リボソーム

アミノ酸を並べてタンパク質を作るということはわかったけれど、ではいったその作業はどこでなされるのでしょうか?

タンパク質を合成する場所は「リボソーム」になります。リボソームは、丸くて、小さなぶつぶつがです。核の外側に存在しています。

何も核の外側にある他の場所で合成しなくても、核の中で合成すればいいじゃない?と思いますが、核の中はとっても狭くてタンパク質を作る場所がないんです。

というわけで、核の外にあるリボソームでタンパク質が組み立てられることになります。

でも、ここで1つとても重要な問題が出てきます。

 

遺伝子に記録されたアミノ酸の配列情報は、とても貴重で大切なものになりますよね。なので・・・核外へ持ち出すのは禁止なんです。

核の外になるリボソームでタンパク質を合成するためには、DNAの設計図のコピーが必要になってくるわけなんです。そこで活躍するのがコピー機能です。細胞の中にコピー機があるの? と不思議に思いますが、実はとっても性能のすぐれたコピー機があるんです。

さらに、DNAの情報は膨大ですが、細胞によって必要な設計書は限られています。目の細胞を作るたんぱく質が必要なのに、胃の細胞を作る部分の説明書は要らないですよね。なので、「〇〇というタンパク質を作れ」と言う命令書が書かれたDNAの一部だけがコピーされ、核の外に出てタンパク質が作られるのです。

ということで、遺伝子の情報はまず、DNAにとても良く似た構造のRNAにコピー(転写)された後、RNAは核から外に出て、核の外にいるリボソームに結合して、写し取った遺伝子情報を伝えるわけなんです。

この「伝える役割」をするのが、3つ種類があるRNAのうち「メッセンジャーRNA(mRNA)」になります。

イラストは、DNAがRNAに転写される様子になりますが、以下の順序で転写が行われます。

① RNAに転写される部分のDNAの二重らせんの鎖がほどかれる

② DNA鎖の片方が鋳型(いがた)となり、対応する塩基を持つRNAヌクレオチドが結合していく

③ 一本の鎖のRNA(転写産物)ができる

転写でつくられるRNAの種類

転写でつくられるRNAには、

① メッセンジャーRNA (messenger RNA / mRNA)

② トランスファーRNA (transfer RNA / tRNA)

③ リボソームRNA

の3種類があります。

メッセンジャーRNA

DNAから遺伝情報を運び、タンパク質の合成をする際の鋳型となるRNAです。

トランスファーRNA

トランスファーRNAは、特定のアミノ酸と結びついて、それを運搬するRNAです

翻訳とは実際にタンパク質を作る作業

核の内部で行われた転写によってタンパク質を作るの準備ができれば、メッセンジャーRNAやトランスファーRNAは核の外に出て行きます。そして、実際に核の外側部分にいるリボソームという細胞小器官内において、タンパク質をつくる作業が始まります。このたんぱく質を作る作業が「翻訳」になります。

DNAもRNAもどちらも核酸という物質であるため、とてもよく似た構造をしていますが、異なる点もいくつかあります。タンパク質を合成するのに必要なのは、DNAの「〇〇なタンパク質をつくれ」という設計図の部分になりますが、なんと・・・タンパク質を作る作業員は「DNA語」が読めないんです。

そのため、作業員が読める言葉に書き直される必要が出てきます。後述しますが、この作業員はtRNAという種類になります。なのでDNA語で書かれている設計書は「RNA語」に書き直されなくてはならないんです。

mRNAからの情報がリボソームに届くと、材料となるアミノ酸を集める作業がスタートします。このとき、必要なアミノ酸をリボソームまで運んでくるのもRNAです。こうした運搬役のRNAは「トランスファーRNA(tRNA)」が担います。

1つのtRNAは、1種類のアミノ酸しか運べないので、たくさんのアミノ酸を運ぶためには、たくさんの種類のtRNAが必要です。

タンパク質をつくるのに必要なアミノ酸は20種類あるので、それを運ぶtRNAも20種類あります。tRNAは、mRNAに転写した情報を読み取り、20種類のアミノ酸の中から、指示通りのアミノ酸を運んできます。この作業を生理学では「翻訳」といいます。

こうして、転写から翻訳へと作業が進み、必要なアミノ酸がすべて揃ったところで合成、つまりアミノ酸を順番に繋げてタンパク質を作る作業へと進んで行くわけなのです。

タンパク質の構造

タンパク質の作り方を見て行く前に、まずはタンパク質の構造について勉強しておきましょう!

タンパク質はアミノ酸が連なってできています。タンパク質の構造は「一次構造」「二次構造」「三次構造」「四次構造」に分けられます。

タンパク質の一番最初の構造である一次構造は、アミノ酸が並んでいる状態です。イラストのようにビーズのように並んでいるのがアミノ酸です。このようにたくさんのアミノ酸が連なったものは「ポリペプチド」と呼ばれます。

ポリペプチドが、二次構造、三次構造と進むにつれ、分子同士が結合したりアミノ酸の鎖が折りたたまれたりして、最終的に「タンパク質」になります。

このポリペプチドをつくる、つまりアミノ酸を一列に並べて繋げていくのが「翻訳」という作業になります。

翻訳の流れ

タンパク質の情報が書かれているのはメッセンジャーRNAです。実際に翻訳の作業をするのはトランスファーRNAになります。

トランスファーRNAは特定のアミノ酸と結びつく

トランスファーRNA(tRNA)は、どのアミノ酸とでも結合して運べるかというとそうではありません。特定のアミノ酸としか結合ができないのです。

tRNAは3つの延期をもっています。そしてtRNAがどの塩基を持っているかによって、どのアミノ酸と結合できるのかが決まるのです。

アミノ酸は20種類しかありませんが、tRNAは40種類以上もあります。これは異なるアンチコドンを持つ複数のtRNAが同じアミノ酸に結合するからです。

例えば「UCU]「UCC]「UCA]「UCG「AGU」「AGC」の塩基を持つtRNAはスえてセリンというアミノ酸と結合します。

mRNAのコドン・tRNAのアンチコドン

tRNAの3つの塩基は「アンチコドン」ですが、なぜ「アンチ」というのでしょうか? アンチとは「反」という意味です。

単なる「コドン」はmRNAの3つの塩基のことです。ただしmRNAは塩基が連なった鎖なので3つずつ区切ってそれを1セットとしてコドンと呼びます。

このmRNAのコドンと反対になっているため、tRNAがもつ3つの塩基は「アンチコドン」と呼ばれます。

ここでいう反対とは「相補的」という意味になるのです。

RNAの塩基はチミン(T)ではなくウラシル(U)が使われる

DNAで相補的となるのは、アデニンとチミン「A-T」、グアニンとシトシン「G-C」の組み合わせです。

けれど、RNAにおいては、チミンの代わりにウラシルが使われます。なので「A‐T」ではなく、「A-U」が相補的塩基となります。

翻訳はリボソームで行われる

鋳型となるmRNAにアミノ酸をもったtRNAが結合し、さらにアミノ酸同士も結合することでポリペプチド、つまりタンパク質の一次構造ができあがります。

翻訳は細胞の中を漂っているtRNAが勝手にmRNAに結びついていくのではなく、リボソームという細胞小器官によって行われます。

リボソームが1コドンずつ動いていく

リボソームはmRNAにくっついています。

リボソームが存在する位置のmRNAの塩基とtRNAが相補的に結合したら、tRNAはもっていたアミノ酸をポリペプチド鎖に加えます。すると、リボソームはtRNAを追い払い、mRNAの3塩基分、つまり1コドンの分だけ少し動きます。

そして、また次のコドンに対応するアンチコドンを持ったtRNAがやってきてt、ポリペプチドに新たにアミノ酸を追加します。

こうしてtRNAがやってきてアミノ酸に付け加えては去って行くという行程が繰り返されることによってポリペプチド鎖が伸びていきます。

「開始」を指令するコドンから「停止」を指令するコドンまでリボソームは動いていきます。そして停止のコドンが現れると、ポリペプチド鎖はリボソームから離れます。

セントラルドグマ

以上のように「DNA→RNA→タンパク質」という経路で、DNAがRNAをコードし、RNAがタンパク質に翻訳されるという考えのことであり、これを「セントラルドグマ」と呼びます。

遺伝子情報は、基本的にこの順番で受け渡しされるため、DNA→タンパク質→DNAという順番では受け渡しされません。

絶対にDNA→RNA→タンパク質という経路で受け渡しされるというのが、セントラルドグマの考えになります。

「セントラルトドグマ」は、二重らせん構造を発見しノーベル賞を受賞したフランシス・クリックによって提唱された言葉になります。

「セントラル」は「中心的な」「中央の」という意味のある英語です。「ドグマ」とは、宗教においての「教え」のことを意味し、科学者であるクリックがこのような言葉を選んだのはとても面白いエピソードだと言われています・