非専門家のための生物学I

何を学ぶか。 DNAがどのように遺伝情報を保存するのかを説明できる

遺伝情報を保存し複製する能力は、DNAのユニークな構造が鍵です：

図1

この成果では、DNAの二重らせん構造、すなわち糖-リン酸バックボーンと窒素ベースの「はしご段」について学習します。

DNAの構造

DNAの構築ブロックは、ヌクレオチドである。 各ヌクレオチドの重要な構成要素は、窒素塩基、デオキシリボース（5炭素の糖）、リン酸基である（図2参照）。 各ヌクレオチドは、その窒素塩基によって名前が付けられている。 窒素塩基には、アデニン（A）、グアニン（G）などのプリン体と、シトシン（C）、チミン（T）などのピリミジン体がある。 ウラシル（U）もピリミジンですが（図2）、これはRNAにしか存在しません。

図2. 各ヌクレオチドは、糖、リン酸基、窒素塩基から構成されている。 糖はDNAではデオキシリボース、RNAではリボースである。

ヌクレオチドはホスホジエステル結合または連結として知られる共有結合で互いに結合する。 リン酸残基は、あるヌクレオチドの糖の5′炭素の水酸基と、次のヌクレオチドの糖の3′炭素の水酸基に結合し、それによって5′-3′ホスホジエステル結合を形成します。1950年代、イギリスのケンブリッジ大学で、フランシス・クリックとジェームズ・ワトソンが共同でDNAの構造を決定しました。 ライナス・ポーリングやモーリス・ウィルキンスのような他の科学者も、この分野を積極的に探求していました。 ポーリングは、X線結晶構造解析によってタンパク質の二次構造を発見していた。 ウィルキンスの研究室では、ロザリンド・フランクリンがX線回折法を使ってDNAの構造を解明していた。 ワトソンとクリックは、フランクリンのデータを基に、DNA分子のパズルを解くことができた。クリックもX線回折を研究していたからだ（図3）。 1962年、ジェームズ・ワトソン、フランシス・クリック、モーリス・ウィルキンスの3人にノーベル医学賞が贈られた。 残念ながら、このときフランクリンは亡くなっており、ノーベル賞は死後授与されることはない。 b部のX線回折パターンは左右対称で、ドットがX字型になっている

図3. 先駆的な科学者（a）ジェームズ・ワトソン、フランシス・クリック、マクリン・マッカーティの研究により、現在のDNAの理解につながった。 ロザリンド・フランクリンは、（b）DNAのX線回折パターンを発見し、二重らせん構造の解明に貢献した。 (出典：Marjorie McCarty, Public Library of Science)

ワトソンとクリックは、DNAは2本の鎖が互いにねじれながら右巻きらせんを形成していると提唱しました。 アデニンとチミンは相補的な塩基対であり、シトシンとグアニンもまた相補的な塩基対である。 アデニンとチミンは2つの水素結合を、シトシンとグアニンは3つの水素結合を形成し、塩基対は水素結合で安定化されている。 2本の鎖は反平行である。すなわち、一方の鎖の3′端が他方の鎖の5′端に面している。 ヌクレオチドの糖とリン酸が構造の骨格を形成し、窒素塩基が内部に積み重なっている。 各塩基対は0.34 nm離れており、らせんの1回転は3.4 nmである。 したがって、らせんの1ターンあたり10個の塩基対が存在することになる。 DNA二重らせんの直径は2nmで、全体に均一である。 プリンとピリミジンのペアリングだけが、この直径の均一性を説明することができるのです。 図4）

遺伝情報

生物の遺伝情報は、DNA分子に格納されています。 どうして一種類の分子に、私たちのような複雑な生物を作るためのすべての命令が含まれているのでしょうか。 DNAのどのような成分や特徴がこの情報を含むことができるのでしょうか。 DNA分子の骨格はすべて同じですから、窒素塩基に由来するはずです。 しかし、DNAには4つの塩基しかありません。 G、A、C、Tの4つの塩基の並び方によって、あらゆる生物を構築するのに必要なすべての命令が提供されるのです。 4つの異なる「文字」が、これほど多くの情報を伝えることができるなんて、想像もつかないかもしれませんね。 しかし、英語はたった26文字で膨大な情報を表現することができるのです。 さらに奥が深いのは、コンピュータのプログラムを記述するためのバイナリコードです。 このコードには1と0しか含まれていませんが、コンピュータができることをすべて考えてみてください。 DNAのアルファベットは、たった4文字で非常に複雑な命令を暗号化することができます。 例えば、大腸菌は500万以上のヌクレオチドを含むDNA分子に遺伝子の指示を載せています。 ヒトのゲノム（生物の全DNA）は約30億のヌクレオチドからなり、23の対になったDNA分子（染色体）に分割されている。

塩基配列に格納された情報は遺伝子に整理され、それぞれの遺伝子には機能製品を作るための情報が含まれている。 遺伝情報はまず、塩基の並びを保ったまま、別の核酸ポリマーであるRNA（リボ核酸）にコピーされる。 タンパク質を作る指示を持つ遺伝子は、メッセンジャーRNA（mRNA）に変換される。 特殊な遺伝子には、タンパク質を作らない機能的なRNA分子を作る命令が含まれているものもある。 これらのRNA分子は、細胞のプロセスに直接影響を与えることで機能します。例えば、これらのRNA分子の中には、mRNAの発現を制御するものがあります。 他の遺伝子は、タンパク質合成に必要なRNA分子、転移RNA（tRNA）、およびリボソームRNA（rRNA）を産生する。 まず、DNA分子に格納された情報は、細胞が分裂するたびに、エラーを最小限に抑えてコピーされなければなりません。 これにより、娘細胞は親細胞から遺伝情報を完全に受け継ぐことができる。 第二に、DNA分子に格納された情報は翻訳され、発現されなければなりません。 保存された情報が役に立つように、細胞は特定のタンパク質を作るための指示にアクセスできなければなりません。 糖-リン酸骨格を黄色で示し、水素結合（赤線）を介した特定の塩基の対を緑と紫（A-Tペア）、赤と青（C-G）で色分けしている。

図5. DNAの二重らせん。 Graphic modified from “DNA chemical structure,” by Madeleine Price Ball, CC-BY-SA-2.0

DNAに格納された情報のコピーと読み取りは、2本の核酸ポリマー鎖の塩基対に依存している。 リン酸基を持つデオキシリボースという糖が、分子の足場または骨格を形成しています（図 5 では黄色で強調）。 塩基は内側を向いている。 相補的な塩基は二重らせんの中で互いに水素結合を形成する。 大きな塩基（プリン）と小さな塩基（ピリミジン）がどのように対になっているかを見てみよう。 これによって二重らせんの幅が一定に保たれるのです。 この後のセクションでDNAの機能について説明しますが、塩基の特定の組み合わせには化学的な理由があることを心に留めておいてください。 インスリンは血糖値を調節する役割を担っています。 インスリン遺伝子には、個々のアミノ酸からインスリンというタンパク質を組み立てるための命令が含まれています。 DNA分子のヌクレオチドの配列を変えると、最終的なタンパク質のアミノ酸が変化し、タンパク質の誤動作につながります。 インスリンが正しく機能しないと、他のタンパク質（インスリン受容体）と結合できなくなる可能性があります。 生物学的な組織レベルでは、この分子事象（DNA配列の変化）が疾病状態（この場合は糖尿病）につながる可能性があります。 例えば、stableとtablesという2つの単語を考えてみましょう。 どちらも同じ文字（サブユニット）から作られた言葉ですが、その順番が異なることで、意味が全く異なってきます。 DNAでは、3文字の単位で情報が格納されています。 次の鍵を使って、暗号化されたメッセージを解読してください。 これで、DNAのヌクレオチドの直線的な順序で情報が格納されていることがわかるはずです。

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暗号メッセージの解読。 HIJMNOPQREFG – PQREFG – MNOYZAKLM – DEFVWXABC – EFGHIJYZABCDGHIEFG – PQRVWXJKLYZABCDSTUABCHIJPQRYZAVWX