遺伝子と染色体3：遺伝子、タンパク質、突然変異

はじめに

人間の体を作り、動かすための青写真は、遺伝子と呼ばれるデオキシリボ核酸（DNA）の配列の中に保存されています。 この遺伝子情報は、筋肉や骨、皮膚を作るのに不可欠な構造タンパク質から、体の生存に不可欠な生化学反応を触媒する酵素まで、さまざまな機能を持つタンパク質を作るために使用されます。

タンパク質

タンパク質は人体の構成と機能の両方に不可欠なものです。 この複雑な高分子は、カルボキシル (-COOH) 基とアミノ (-NH2) 基を含む単純な有機化合物であるアミノ酸と呼ばれるビルディング ブロックから構築されています。 天然に存在するアミノ酸は20種類あり（囲み記事1）、その他の種類は実験室で合成することができる。 20天然に存在するアミノ酸

必須アミノ酸

• Histidine
• Isoleucine
• Leucine
• リジン
• メチオニン
• フェニルアラニン
• スレオニン
• トリプトファン
• バリン

非-系必須アミノ酸

• アラニン
• アルギニン
• アスパラギン
• アスパラギン酸
• システイン
• グルタミングルタミン酸
• グリシン
• プロリン
• セリン
• チロシン

アミノ酸

効率よく機能するために。 人間の細胞は、古くなって傷ついたタンパク質を置き換えるために、常に新しいタンパク質を作り続ける必要があります。 そのためには、20種類すべてのアミノ酸を安定的に供給する必要があります。 消化の際、消化管は食物に含まれる大きな動物や植物のタンパク質を順次ポリペプチド、ペプチドに分解し、最終的には腸壁を通過して血流に吸収される「遊離」アミノ酸に分解します（VanPutte et al, 2017）。

天然に存在するアミノ酸（ボックス1）は2つのカテゴリーに分けられます：

• 必須 – ヒト細胞が合成できないため食物から直接得る必要がある9つのアミノ酸；
• 非必須 – 食事による直接供給が少ない場合にヒト細胞が合成できる11つのアミノ酸。

いわゆる非必須アミノ酸は、実際にはタンパク質を構築するために必須であるため、この用語は混乱することがあります。

健康でバランスのとれた食事によって十分な栄養が維持されていれば、細胞にはタンパク質のターンオーバーに必要なアミノ酸が与えられます。 しかし、貧しい食生活、摂食障害、特定の薬物、および加齢（食欲を低下させることがある）により、アミノ酸、特に9つの必須アミノ酸の食事による利用が制限されることがあります。

タンパク質の種類

タンパク質は人体の最大の有機成分を形成し、典型的なヒト細胞の乾燥質量の約50％を占めています（Radivojac、2013）。 タンパク質は、細胞の細胞質で合成され、アミノ酸がペプチド結合によって結合し、数個から数千個のアミノ酸からなる長い枝分かれした鎖を形成します。 5971>

現在、人体で知られている最大のタンパク質は、タイチン（またはコネクチン）と呼ばれる筋肉タンパク質で、約33,000個のアミノ酸で構成されています。 分子バネとして働き、筋収縮の力に寄与していると考えられている（Powers et al, 2014）

ヒトゲノムプロジェクトにより、ヒトには個々のタンパク質をコードする2万弱の構造遺伝子が存在することが明らかになった。 しかし、各遺伝子は、それがコードしているタンパク質の最大100の変異体を生じさせることができるので、最大で200万種類のタンパク質が人体に存在することができる（Ponomarenko et al, 2016）。

一般的なタンパク質の例としては、以下のようなものがある。

• アクチンとミオシン – 筋肉に見られる収縮タンパク質；
• ケラチン – 髪、爪、皮膚の表皮に見られる緻密なタンパク質；
• コラーゲン – 汎用構造タンパク質（たとえば軟骨や骨の枠組みを作るために使用）、さまざまな繊維状の形態で存在し得ます。
• インスリンやグルカゴンなどのタンパク質性ホルモン – 通常はペプチドと呼ばれる短い鎖で、血液中を循環し、化学伝達物質として作用する。
• ペプシン、トリプシン、アミラーゼなどの異化消化酵素 – 食物の高分子を消化・分解して体が吸収できる単純な成分へと変化させる働きを持つ。
• DNAポリメラーゼ、リボ核酸（RNA）ポリメラーゼ、グリコーゲン合成酵素などの同化酵素-DNA、RNA、グリコーゲン（動物のでんぷん）分子の構築に関与。
• ヘモグロビン-赤血球中の酸素と二酸化炭素の輸送に関与。
• 抗体（免疫グロブリン）-免疫系で重要な役割を果たす小さなY字型のタンパク質で、異物に結合して破壊するための標識を付ける。
• 神経伝達物質-神経系で化学伝達物質として働く小さなタンパク質（たとえばサブスタンスP）。

リボソーム

タンパク質は細胞内でリボソームという小さな小器官が密に配列し、細胞質内の小胞体（ER）に埋め込まれて合成されます。 ERは平坦な膜が連なったシステムで、その表面のほとんどがリボソームで覆われているため、粗く凸凹した外観をしており、この領域は「ラフER」と呼ばれるようになった。 ここでリボソームは、アミノ酸を組み立ててタンパク質を作ることによって、遺伝暗号を「翻訳」します（Lewis, 2018）。

リボソームは、ほとんどがリボソームRNA（rRNA）という特殊な形態のRNAで構成されており、リボソーム自体の組み立てを助ける少量のタンパク質によって安定化されています（De la Cruz et al, 2015）。

遺伝子からタンパク質へ

構造遺伝子には、タンパク質中のアミノ酸の配列を決定するDNAの配列が含まれています。

• 転写；
• 転写後修飾；
• 翻訳；
• 翻訳後修飾の順で、DNA に含まれる遺伝情報を使用してタンパク質を構築するいくつかの異なる手順があります。

転写

細胞の核に格納された遺伝情報は、細胞質内のリボソームに届けられる必要があります。 細胞の核の中では、DNAは巨大な二重らせんの形で存在している。 DNA分子は大きすぎてリボソームに直接渡すことができないため、DNAに格納されている遺伝情報をより小さく、より移動性の高い媒体にコピーする必要があります。このプロセスを転写と呼びます。 一本鎖RNA分子はDNA分子よりもはるかに小さいので、核膜の小さな孔を通り抜けることができる。 RNA分子の役割は、タンパク質を構築する指示をリボソームに伝えることである。 このように核から細胞質へと情報を伝達する RNA をメッセンジャー RNA (mRNA) と呼びます。

DNA と同様、RNA もヌクレオチド塩基から構成されていますが、DNA とは異なりチミン塩基を持ちません。 RNAでは、チミンはウラシルという別のヌクレオチド塩基に置き換えられています。 したがって、転写における塩基対形成のルールは、DNA複製における塩基対形成のルールと若干異なっています（ボックス2）

DNAの転写の過程は、DNAの複製（第2回参照）の過程と非常によく似ており、次のような段階を踏みます。

• 酵素RNAポリメラーゼがDNA遺伝子配列の始まり（プロモーター配列とも呼ばれる）に結合する；
• RNAポリメラーゼがDNA二重らせんの小さな部分をほどいて一本鎖にする（しばしば、ジップを解くことに類似したプロセスとも表現される）–このほどいた一本鎖の小さな領域は、転写バブル（VanPutte et al, 2017）、と呼ばれています。
• 露出したDNA鎖のうち1本だけがタンパク質を構築するために有用な情報を保持している – その鎖は転写のテンプレートとして使用される;
• RNA polymeraseは転写塩基対規則を使用して相補的なmRNA鎖を合成する。

Box 3に転写の例を示します。

転写後修飾

mRNA鎖にコードされている情報のすべてがタンパク質を構築するために有用というわけではありません。 新しく転写された RNA 鎖は、2 つの要素から構成されています。

• エクソン – アミノ酸の正しい配列を持つタンパク質を構築するために必須の情報を含む配列、
• イントロン – エクソンのコーディング配列を中断し、通常はタンパク質の構築に役立つ情報を保持しない配列です。

イントロンを切り出し、エクソンをスプライシングして、連続した「高忠実度」mRNA配列を形成する必要がある。この切断とスプライシングは転写後修飾と呼ばれ、核内の酵素によって行われる。 このプロセスは図2に示されている。

遺伝暗号の性質

遺伝暗号とは、1つのアミノ酸をコードする3つの窒素塩基の三つ組のことである。 自然界に存在するアミノ酸は20種類なので、3つの塩基によって各アミノ酸を1つのトリプレットコードで表すことができる（中には複数回表されるものもある）。 また、トリプレットコードによって、「開始と停止」の指示がmRNA鎖にコード化され、リボソームがタンパク質の構築をいつ始め、いつ終了するかを知ることができます。 mRNA鎖上の最初のコドンは常に「開始」コドン-AUGと呼ばれます-で、リボソームにタンパク質合成を開始するように指示するものです。 AUG はアミノ酸のメチオニンもコードしているので、メチオニンはタンパク質に最初に組み込まれるアミノ酸であり、実際に必要ない場合は後で取り除かれる (Xiao et al, 2010)。 各アミノ酸には固有のtRNA分子が対応し、各tRNA分子は固有のトリプレットコードを持っており、mRNA鎖上のコドンに対応する。 これらのtRNA配列はmRNAコドンを補完するため、アンチコドンと呼ばれる（VanPutte et al, 2017）。

翻訳

転写と転写後の修飾の後、成熟した途切れのないmRNAの配列が生成される。 細胞質に入ると、この配列はリボソームに付着し、翻訳と呼ばれるプロセスでタンパク質合成に使用されるようになります。

DNAの翻訳（図3）は、一連のプロセスで行われます。

• 成熟したmRNAの鎖がリボソームに付着する。
• mRNA鎖上の3つの塩基（コドン）がリボソーム上に露出する。
• tRNA分子がリボソームに到着し、そのアンチコドンをmRNA鎖上のコドンに合わせて、対応するアミノ酸を送り出す。例えば、「開始」コドンAUGの場合、対応するアンチコドンUACはメチオニンを送り出す。
• mRNA鎖はリボソームに沿って3塩基ずつ進み、次のコドンを露出させ、次のtRNA分子がその相補的アンチコドンと共に到着して別のアミノ酸を送り出す。 対応するアンチコドンを持つtRNA分子はアミノ酸を送り続け、ペプチド結合が形成され、タンパク質鎖が長くなり続ける。
• 最終的には、mRNA鎖の末端に「停止」コドン（UAA、UAGまたはUGA）が到達してタンパク質合成が停止し、DNA翻訳の過程で粗タンパク質が作られます。

翻訳後修飾

粗タンパク質は通常、最終的に立体構造をとって体内で機能を果たすようになるまで修飾が必要である。 これらの修飾は、細胞質内のゴルジ装置（ゴルジ体または単にゴルジ体とも呼ばれる）と呼ばれる小器官で行われ、しばしば細胞の「包装および輸出領域」と表現される。

タンパク質は以下のような翻訳後修飾を受ける。

• タンパク質の粗バージョンが、膜に結合した小さな袋、トランスファー小胞にパッケージされる。
• トランスファー小胞は粗面小胞を出て、ゴルジ体へ移動する。
• ゴルジ装置では、粗タンパク質が精製されるが、これにはしばしばグリコシル化によってアミノ酸の鎖に糖残基が付加される（Huang and Wang, 2017）-人体の多くのタンパク質は実際には糖タンパク質（糖を付加したタンパク質）なのである。
• 精製されたタンパク質はゴルジ装置を出て、細胞内で使われるか、分泌小胞にパッケージされて輸出される；
• 輸出されるように設計されたタンパク質は、分泌小胞が細胞膜と融合すると細胞から排出される。

輸出されたタンパク質は、局所的に組織で利用されるか、血液によって体の遠方に運ばれるかのどちらかである。 例えば、膵臓のβ細胞で合成されるインスリンというホルモンは、血糖値が上昇すると直接循環器内に放出される。

突然変異

正しく機能するためには、タンパク質は正しいアミノ酸の配列を持たなければならないが、これは結局、遺伝暗号が一定であることに依存している。 しかし、ヒトのゲノムには非常に多くの塩基があり（約30億塩基対）、必ずエラーが発生する。 このようなエラーは突然変異と呼ばれ、正しく機能しないタンパク質が生成される可能性がある。

遺伝子の突然変異は、DNA複製のエラー（本シリーズの第1回で説明）に続いて、特に体が老化するにつれてランダムに発生することがあります。 DNAを損傷し、突然変異を引き起こす可能性のあるものはすべて変異原と呼ばれます（VanPutte et al, 2017）。 多くの遺伝子変異は、タンパク質をコードしないDNAの部分（例えば、ノンコーディングイントロン）で起こるため、通常、生理機能にはほとんど影響を及ぼさない。

DNAを損傷し、したがって突然変異のリスクを高めることが知られている要因には、以下のものがあります：

• 年齢の増加；
• 汚染物質；
• 感染症-特にウイルス感染、ウイルスはしばしばヒトDNAに自分の遺伝子を挿入して遺伝子配列を中断させる可能性があるので；
• 放射線-たとえば太陽からの紫外線（UV）や医療画像からのX線などです。

太陽からの紫外線（特にUVB）は、皮膚細胞のDNAを損傷することが知られています。 細胞分裂を制御する制御遺伝子やDNA修復酵素をコードする遺伝子に変異が生じると、結果として制御不能な細胞分裂や皮膚がんが発生する可能性があります（Hopkins, 2015）。 太陽光にさらされた人間の皮膚は、メラニン（皮膚を日焼けさせる黒い色素）の形で独自の自然な紫外線防御を生成しますが、オゾン層の枯渇や過度の日光浴は、皮膚がんのリスクを高める有害な量の紫外線につながる可能性があります。 日焼け止めはより優れた紫外線保護を提供し、紫外線による皮膚障害や皮膚がんを大幅に減らすことが示されています（Green and Williams, 2007）。

紫外線が皮膚のDNAに引き起こすような突然変異は、一般に世代を超えて受け継がれることはありません。 しかし、突然変異が精巣や卵巣の生殖細胞に影響を及ぼすと、子孫に受け継がれる可能性があります。 ヒトの生殖細胞では10万を超える変異が報告されており、その多くは一般的な遺伝性疾患と関連している（Vipond, 2013; Cooper et al, 2010）。 これらの一部は、本シリーズの最終回となる第4回で紹介します。

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