DNAからタンパク質まで

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

遺伝暗号は縮退した普遍的なものである

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

ポリペプチド鎖に特定のアミノ酸の付加を指示するコドンに加えて、64個のコドンのうち3個はタンパク質合成を終了させ、ポリペプチドを翻訳から解放します。これらの3つのコドンはナンセンスコドンまたはストップコドンと呼ばれます。また、AUGというコドンも特別な機能を有しています。AUGは、アミノ酸のメチオニンを指定するだけでなく、翻訳を開始するための開始コドンとしても機能します。翻訳のためのリーディングフレームは、AUG開始コドンによってmRNAの5'末端付近に設定されます。開始コドンに続いて、停止コドンに出会うまで、mRNAは3つのグループに分けて読まれます。

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

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

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