DNAには、遺伝情報が塩基配列として記録されています。一方、細胞内で働く酵素や、細胞の構造をつくる主な物質の一つはタンパク質です。形も役割も異なるDNAとタンパク質が、どのようにつながるのかを順番に追います。
なんでなんで？！ DNAは塩基が並んだ物質なのに、その情報からどうやって酵素などのタンパク質がつくられるの？
DNAの必要な情報をRNAへ写し、そのRNAを読み取ってアミノ酸を並べます。DNAそのものがタンパク質へ変わるのではなく、記録された情報が二段階で利用されます。
この記事でわかること
- DNA→mRNA→タンパク質の情報の流れを説明できる
- 転写と翻訳の違いを説明できる
- mRNA・tRNA・リボソームの役割を大づかみに説明できる
- 塩基数とアミノ酸数の簡単な関係を判断できる
これまで学んだDNAと遺伝子が、細胞の働きへどうつながるかを見ます。転写で相補的なmRNA配列を求める方法、コドン表、tRNAの詳しい働きは、続く記事で段階的に扱います。
遺伝情報の流れを先に確認
DNA上の遺伝情報はmRNAへ転写され、mRNAの塩基配列はアミノ酸配列へ翻訳されます。アミノ酸がつながってできるタンパク質が、酵素や細胞の構造などとして生命現象を支えます。
遺伝子発現とは
遺伝子発現とは、遺伝子がもつ情報をもとにRNAやタンパク質がつくられ、その働きが現れることです。
DNAには多数の遺伝子がありますが、すべてがいつも同時に働くわけではありません。細胞の種類や状態に応じて使う遺伝子が選ばれます。
ある遺伝子をDNA上にもっていても、その細胞で転写されていなければ、その遺伝子はその時点では発現していません。共通テストでは、ゲノムの違いと発現の違いを区別します。
第1段階：転写――DNAからRNAへ写す
転写では、DNAの必要な領域の塩基配列をもとに、相補的なRNAが合成されます。タンパク質合成の情報を運ぶRNAがmRNAです。
mRNAは伝令RNA、メッセンジャーRNAとも呼ばれます。真核細胞では、転写は核内で行われ、できたmRNAは核の外へ移動します。
RNAはDNAと少し違う
| 比較項目 | DNA | RNA |
|---|---|---|
| 糖 | デオキシリボース | リボース |
| 主な塩基 | A、T、G、C | A、U、G、C |
| 鎖 | 通常は2本鎖 | 通常は1本鎖 |
| この記事での役割 | 情報を保つ | 情報を運び、利用する |
RNAをDNAと見分ける重要な特徴が、塩基のウラシル（U）です。RNAでは、DNAで使われるチミン（T）の代わりにウラシルが使われます。
転写では、DNAの2本鎖のうち鋳型となる鎖に対して、相補的なRNAがつくられます。鋳型鎖のAには、TではなくUが結合します。それ以外は、TとA、GとC、CとGが対応します。詳しい配列の求め方は、転写の記事で扱います。
第2段階：翻訳――mRNAからアミノ酸配列へ
翻訳は、mRNAの塩基配列をリボソームが読み取り、アミノ酸を順番につなぐ過程です。
mRNAの塩基は3個ずつ一組として読まれ、この三つ組をコドンといいます。塩基の並び方と指定されるアミノ酸との対応関係を遺伝暗号といい、各コドンは特定のアミノ酸を指定したり、翻訳の開始や終了に関わったりします。
tRNAは転移RNA、トランスファーRNAとも呼ばれます。それぞれのコドンに対応するアミノ酸をリボソームへ運びます。
- 転写：DNAの塩基配列 → RNAの塩基配列
- 翻訳：mRNAの塩基配列 → タンパク質のアミノ酸配列
アミノ酸配列からタンパク質の形と働きへ
翻訳によって並んだアミノ酸は、結合して鎖になります。この鎖が折り畳まれ、一定の立体構造をとってタンパク質として働きます。
アミノ酸配列は、タンパク質の立体構造や働きに関係します。塩基配列の変化によってアミノ酸配列が変わると、タンパク質の働きが変化する場合があります。
タンパク質の役割は一つではありません。
- 酵素：細胞内の化学反応を進める
- 構造：細胞や組織の形を支える
- 運搬：物質を運ぶ
- 受容体：細胞外の情報を受け取る
『酵素とは？触媒作用・基質特異性・温度とpHを整理』で学んだ酵素の多くも、遺伝情報をもとにつくられるタンパク質です。
同じゲノムをもつなら、どの細胞も同じタンパク質を全部つくるの？
すべてを同じようにはつくりません。細胞ごとに発現する遺伝子が異なるため、つくられるタンパク質の種類や量も異なります。
使う遺伝子の違いが細胞の違いにつながる
同じ個体の体細胞は、原則として同じゲノムをもっています。しかし、皮膚細胞、神経細胞、すい臓の細胞などでは、発現する遺伝子の組合せが異なります。
その結果、つくられるRNAとタンパク質が異なり、それぞれの細胞に特徴的な形や働きが生じます。細胞ごとにDNAを取り替えているのではなく、同じ情報全体から使う部分を選んでいると考えます。
塩基数とアミノ酸数をつなぐ
mRNAでは、3個の塩基からなる一つのコドンが、基本的に一つのアミノ酸を指定します。問題文で「示されたすべての塩基がアミノ酸を指定する部分である」とされているなら、塩基数を3で割るとアミノ酸数を求められます。
アミノ酸を指定するmRNA部分が900塩基で、すべてが3塩基ずつ読まれるなら、900÷3＝300個のアミノ酸に対応します。
実際のmRNAには、アミノ酸を指定しない領域や、翻訳を終わらせる終止コドンなどもあります。計算では、問題文がどの範囲を数えているか、終止コドンを含むかを確認します。
共通テストでは情報の段階を追う
- DNA：どの遺伝子領域について述べているか
- 転写：DNAのどの情報がmRNAへ写されたか
- 翻訳：mRNAを何塩基ずつ読んでいるか
- タンパク質：アミノ酸配列や働きにどんな変化があるか
- 条件：非翻訳領域や終止コドンを数えるか
途中の段階を飛ばさず、DNA→mRNA→アミノ酸配列→タンパク質の順に追うと、長い資料でも整理しやすくなります。
確認問題
問1 遺伝子発現とは何ですか。
問2 転写と翻訳の入力と出力を、それぞれ答えてください。
問3 mRNA、tRNA、リボソームの役割を簡潔に答えてください。
問4 DNAそのものがタンパク質へ変化する、という説明は適切ですか。
問5 アミノ酸を指定するmRNA部分が600塩基で、すべてが3塩基ずつアミノ酸を指定するとき、アミノ酸数はいくつですか。
問6 同じゲノムをもつ皮膚細胞と神経細胞の働きが違う主な理由を答えてください。
まとめ
- 遺伝子発現は、遺伝情報がRNAやタンパク質の働きとして現れる過程である。
- 転写ではDNAの情報をRNAへ写し取る。
- 翻訳ではmRNAの塩基配列をもとにアミノ酸を並べる。
- mRNAは情報を運び、tRNAはアミノ酸を運び、リボソームが翻訳の場となる。
- すべての遺伝子が常に発現するわけではなく、発現の違いが細胞の働きの違いにつながる。
DNAはタンパク質へ変身していましたか。
変身じゃない！ DNAの情報をmRNAへ転写して、その情報を翻訳してアミノ酸を並べるんだね。できたタンパク質が細胞の働きを支えるんだ。
Plus｜セントラルドグマという見取り図
遺伝情報がDNAからRNA、RNAからタンパク質へ伝わるという基本的な方向性は、セントラルドグマと呼ばれます。複雑な生命現象を考えるための重要な見取り図です。
ただし、RNAをもとにDNAを合成する逆転写など、DNA→RNAだけでは表せない情報の移動も知られています。これは基本的な見取り図が無意味ということではなく、どの情報移動が起こり得るかを区別する材料になります。
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