遺伝子発現は、特定の遺伝子にコードされた情報を使用して機能タンパク質または RNA 分子を生成する細胞プロセスです。真核生物、原核生物、ウイルスなど、既知のすべての生命体で発生します。遺伝子の mRNA 分子への転写、および mRNA の機能性タンパク質のポリヌクレオチド鎖への翻訳は、分子生物学のセントラル ドグマとして知られています。遺伝子発現は、転写、転写後修飾、翻訳、翻訳後修飾などのプロセスのさまざまな段階で調節できます。遺伝子の発現差により、細胞は細胞の機能に必要な量のタンパク質を産生することができます。
対象となる主な分野
1.遺伝子発現とは
– 定義、転記、翻訳
2.遺伝子発現はどのように調節されているか
– 真核生物と原核生物における定義、規則
重要な用語:真核生物、遺伝子発現、mRNA、原核生物、タンパク質、転写、翻訳
遺伝子発現とは
遺伝子発現は、遺伝子命令を使用して遺伝子産物を合成するプロセスです。一般に、情報は DNA から mRNA、タンパク質へと流れます。遺伝子発現の 2 つの主なステップは、転写と翻訳です。分子生物学のセントラル ドグマは 図 1 に示されています。
図 1:分子生物学のセントラル ドグマ
文字起こし
転写とは、遺伝子の情報を新しい RNA 分子にコピーするプロセスを指します。これは、真核生物と原核生物の両方における遺伝子発現の最初のステップです。 RNAポリメラーゼは、転写に関与する酵素です。転写中には、メッセンジャー RNA (mRNA)、トランスファー RNA (tRNA)、リボソーム RNA (rRNA) の 3 種類の RNA が生成されます。 mRNAは、核から細胞質へ遺伝情報を運びます。 tRNA は、mRNA とアミノ酸の間の物理的なリンクとして機能するアダプター RNA です。 rRNA は、リボソームの不可欠な部分を形成します。文字起こしのプロセスは 図 2 に示されています .
図 2:文字起こし
しかし、一部のウイルスでは、遺伝物質はマイナスセンス RNA です。ここで、RNA 依存性 RNA ポリメラーゼがネガティブセンス RNA を mRNA に転写します。
転写後修飾
転写後修飾とは、一次 RNA 転写物を成熟した mRNA 分子に変換するプロセスを指します。それらは主に真核生物の遺伝子発現で発生します。転写によって生成されるmRNA分子は、一次RNA転写物またはプレmRNAとして知られています。これは、5' キャッピング、ポリアデニル化、および選択的スプライシングの 4 つのステップで処理され、成熟した mRNA 分子を生成します。 5 フィートのキャッピング プレmRNA分子の5'末端へのGTPの付加です。 ポリアデニル化 プレmRNA分子の3’末端にポリAテールを付加したものです。 5' キャップと poly-A テールの両方が mRNA 分子の分解を防ぎます。真核生物の遺伝子は、イントロンとエクソンで構成されています。遺伝子のアミノ酸配列をコードしているのはイントロンだけです。したがって、エクソンは RNA スプライシング中に削除されます。 オルタナティブ スプライシング イントロンの異なるパターンを組み合わせることにより、いくつかのポリペプチド鎖のコード配列を生成することです。真核生物の mRNA における転写後修飾を 図 3 に示します。 .
図 3:転写後修飾
ほとんどの原核生物の遺伝子は、オペロンとして知られるクラスターで発生します。オペロンは、単一のプロモーターによって制御される、機能的に関連するいくつかの遺伝子で構成されています。それらは転写して、いくつかの機能的に関連したタンパク質を合成するポリシストロン性 mRNA 分子を生成します。
翻訳
翻訳とは、mRNA 分子によって運ばれる遺伝暗号が解読され、特定のタンパク質のポリペプチド鎖が生成されるプロセスを指します。リボソームによって細胞質で発生します。ポリペプチド鎖の各アミノ酸の決定には、3 つのアミノ酸のシステムが関与しています。アミノ酸を表す mRNA の 3 つのヌクレオチドは、コドンとして知られています。完全なコドン システムは、遺伝暗号として知られています。異なる tRNA 分子には、mRNA の各コドンと固定するアンチコドンが含まれています。したがって、それらはポリペプチド鎖の合成に対応するアミノ酸を持っています。翻訳は 図 4 に示されています。
図 4:翻訳
翻訳後修飾
翻訳後修飾は、機能性タンパク質のポリペプチド鎖の共有結合および酵素による修飾です。機能性タンパク質を生成するために、さまざまな多糖類、脂質、または無機基が追加されます。これらの修飾は、グリコシル化、リン酸化、硫酸化などとして知られています。タンパク質の機能を調節するために、さまざまな補因子を追加することもできます。インスリンタンパク質の翻訳後修飾は 図 5 に示されています .
図 5:翻訳後修飾
遺伝子発現はどのように調節されていますか
細胞は遺伝子発現を調節して、細胞内で産生されるタンパク質の数を増減させます。真核生物では、転写、転写後修飾、翻訳、翻訳後修飾などの遺伝子発現のさまざまなステップを通じて達成できます。しかし、原核生物では、遺伝子発現の開始時に遺伝子発現の調節が達成されます。
結論
細胞内での機能性タンパク質の産生は、ゲノムでの遺伝子の発現によって達成されます。遺伝子発現の 2 つの主なステップは、真核生物、原核生物、およびウイルスを含むあらゆる種類の生物における転写と翻訳です。転写は、遺伝子のヌクレオチド配列に基づくmRNA分子の生成です。翻訳とは、mRNA 分子のコドン配列に基づくポリペプチド鎖の生成です。真核生物では、遺伝子発現は転写レベルと翻訳レベルの両方で調節できます。しかし、原核生物における遺伝子発現は、転写開始時に調節されます。
参照:
1.「10.3.1 遺伝子発現とタンパク質合成」。 活動中の植物 、ここから入手できます。
画像提供:
1. 「酵素による分子生化学のセントラル ドグマ」Dhorspool 著 en.wikipedia (CC BY-SA 3.0)、コモンズ ウィキメディア経由
2.0) Commons Wikimedia 経由
3.「図 15 03 02」CNX OpenStax 著 – (CC BY 4.0) Commons Wikimedia 経由
4.「0324 DNA 翻訳とコドン」OpenStax 著 – (CC BY 4.0)コモンズ ウィキメディア経由
5. コモンズ ウィキメディア経由のフレッド・ザ・オイスター (CC BY-SA 4.0) によってアップロードされた「インスリン経路」
