分子生物学 — DNA複製・転写・翻訳

分子生物学を調べるとき、多くの学生がまず知りたいのは DNA複製、転写、翻訳の3つの基本過程です。複製は細胞分裂の前に DNA をコピーし、転写は遺伝子の RNA コピーを作り、翻訳はその RNA を読み取ってポリペプチドを合成します。

これらの過程は互いに関係していますが、役割は異なります。複製は新しい細胞のためにゲノムを保存します。転写と翻訳は遺伝子発現の一部であり、細胞が DNA にすでに保存されている必要な情報を使うしくみです。

DNA複製・転写・翻訳の違い

DNA複製

DNA複製は、もとの DNA 分子をもとに新しい DNA コピーを作る過程です。標準的な細胞生物学では、これは細胞分裂の前に起こり、それぞれの娘細胞が完全なゲノムを受け取れるようにします。

重要なのは、もとの DNA の2本の鎖がどちらも鋳型として働くことです。その結果、1本は古い鎖、もう1本は新しい鎖からなる DNA 分子が2つできます。

転写

転写では、遺伝子の DNA 鎖のうち1本を鋳型として RNA を合成します。産物が後で翻訳される場合、その RNA は通常メッセンジャーRNA、つまり mRNA です。

これは選択的な過程です。細胞はふつう、すべての DNA を一度に転写するわけではありません。その条件で必要な遺伝子だけを転写します。

翻訳

翻訳は、リボソームが mRNA 配列をコドンとして読み取るときに起こります。コドンは3つのヌクレオチドからなる単位で、リボソームはそれに従ってアミノ酸をつなぎ、ポリペプチドを作ります。

リボソームが直接読むのは DNA ではなく mRNA です。トランスファーRNA、つまり tRNA は、遺伝暗号に従って各コドンに正しいアミノ酸を対応させるのを助けます。

3つの過程を簡単に区別する方法

3つの役割を1文で区別したいなら、次のように覚えると便利です。

• 複製は DNA を DNA にコピーする
• 転写は DNA を RNA にコピーする
• 翻訳は RNA を読み取ってタンパク質にする

この言い方は単純ですが、よくある混乱を防げます。翻訳は別の種類のコピーではありません。情報の解読です。

例題：DNA から mRNA、そしてタンパク質へ

ある遺伝子に、次の コーディング鎖 DNA の配列断片があるとします。

$$5' - A T G\ G A A\ T T T\ T A A - 3'$$

その位置にある相補的な DNA 鎖は次のとおりです。

$$3' - T A C\ C T T\ A A A\ A T T - 5'$$

複製では

複製の間、それぞれの DNA 鎖は新しい相補的 DNA 鎖を作るための鋳型になります。したがって細胞は、標準的な塩基対形成の規則、つまり $A$ と $T$、$G$ と $C$ の対応に従って、対応する相手鎖を再構築できます。

重要なのは、できあがる産物がやはり DNA であることです。

転写では

この遺伝子が転写されると、mRNA 配列はコーディング鎖と同じ並びになります。ただし RNA では $T$ の代わりに $U$ を使います。

$$5' - A U G\ G A A\ U U U\ U A A - 3'$$

こうなるのは、mRNA が最初に示したコーディング鎖ではなく、DNA の鋳型鎖に対して相補的だからです。

翻訳では

次に、mRNA をコドンごとに読みます。

• $AUG$
• $GAA$
• $UUU$
• $UAA$

標準遺伝暗号を使うと、次のようになります。

• $AUG$ はメチオニンを指定し、一般に開始コドンとしても働く
• $GAA$ はグルタミン酸を指定する
• $UUU$ はフェニルアラニンを指定する
• $UAA$ は終止コドンである

したがって、この mRNA はメチオニン-グルタミン酸-フェニルアラニンというアミノ酸配列をもつ短いポリペプチドの合成を指示し、その後に翻訳は停止します。

この1つの例だけでも、基本的な違いは十分にわかります。同じ DNA 領域でも、複製でコピーされたり、RNA に転写されたり、間接的にアミノ酸配列の指定に使われたりしますが、これらは同じ過程ではありません。

なぜ $5'$ と $3'$ が重要なのか

生物を学ぶ学生は、最初のうち $5'$ や $3'$ の表示を見ても軽く流してしまいがちです。しかし、それが後で混乱の原因になることがよくあります。

DNA と RNA の鎖には方向性があり、酵素はその方向性に従って特定の働きをします。どちらの鎖が鋳型なのか、配列がどちら向きに書かれているのかを見失うと、複製された DNA 鎖、転写された mRNA、翻訳で読まれるコドンを混同しやすくなります。

分子生物学の基本でよくある間違い

複製を、タンパク質合成のたびに必要な過程だと考える

複製は通常、細胞が分裂の準備をするときに起こります。細胞は、毎回ゲノム全体を複製しなくても、同じ遺伝子を何度も転写・翻訳できます。

mRNA は DNA の鋳型鎖と同一だと考える

mRNA は DNA の鋳型鎖に対して相補的です。コーディング鎖とは一致しますが、RNA ではチミン $T$ の代わりにウラシル $U$ を使います。

リボソームは DNA を直接読むと考える

標準的な細胞内翻訳では、リボソームが読むのは mRNA です。DNA は通常ゲノム内にとどまり、mRNA が作業用のメッセージとして働きます。

すべてのコドンがアミノ酸を1つ追加すると考える

終止コドンはアミノ酸を指定しません。翻訳の終了を知らせるシグナルです。

すべての遺伝子がすべての細胞で働いていると考える

遺伝子発現は細胞の種類や条件に依存します。ニューロンと肝細胞は通常、同じゲノムを持っていますが、転写する遺伝子の組み合わせは異なります。

これらの過程が使われる場面

これらの考え方は、DNA 配列と生物学的な結果を結びつけたいときに重要です。たとえば、突然変異の解析、遺伝性疾患、遺伝子調節、バイオテクノロジー、さらに PCR、シーケンシング、組換え DNA 実験など多くの実験手法に関わります。

また、教室の外でも役立ちます。遺伝子編集、mRNA ワクチン、遺伝学的検査に関するニュースも、DNA をコピーすること、RNA を作ること、タンパク質を作ることを区別できれば、ずっと理解しやすくなります。

似た配列で練習してみよう

短いコーディング鎖 DNA 配列を1つ用意し、相補的な DNA 鎖を書き、mRNA に変換し、その mRNA をコドンごとに区切ってみましょう。これをきちんとできるようになると、複製・転写・翻訳の違いはずっと早く腑に落ちるはずです。