『分子生物学』 - 第一薬科大学

第一薬科大学
3年生
『分子生物学』
後期第1回
分子生物学教室担当：荒牧弘範
(H25.9.30)
B．ゲノムと遺伝子
ゲノムと遺伝子の関係を説明できる
ポイント
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遺伝子の本体はDNAであり、生殖細胞（配偶子）の全
DNA（核DNAとオルガネラDNA）がゲノムである。
ゲノムには、タンパク質のアミノ酸配列の情報をコードす
る遺伝子の他、機能性RNAの遺伝子が存在する。
ゲノムの非コード領域には、縦列反復配列や分散型反
復配列などの要素がみつかり、それらの意味が注目さ
れている。
①ゲノムの概念
ゲノム：
` 種を維持し、個体を形成するための遺伝情報の総体が
である。
` 具体的には、生殖細胞（配偶子）の全DNA（核DNAとオ
ルガネラDNA）となる。
ａ．ゲノムとDNA
ヒトゲノムの実体であるDNA塩基の配列情報がすべて解明さ
れた結果（３１億塩基対）、遺伝子以外のDNA領域のほうがは
るかに多いことがわかった。
（１）核ゲノムとミトコンドリアゲノム
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真核細胞ではDNAは核に集められ、染色体として存在
している。
DNAは、それ以外にも、細胞小器官のミトコンドリアにわ
ずかだが存在する。
（２）性とゲノム
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ヒトの場合、卵子ではX染色体と22種の相同染色体で、
精子ではY染色体もしくはX染色体と22種の相同染色体
がゲノムを構成する。
女性の体細胞には、 X染色体に22種の相同染色体を加
えた23種の染色体が二組存在する。
すなわち、女性の場合、23種の染色体のDNAと１種のミ
トコンドリアDNAを合わせたものがゲノムにあたる。
男性の場合にも、22種の相同染色体が二組存在するが
、性染色体はX染色体とY染色体が一つずつなので、24
種の染色体DNAと１種のミトコンドリアDNAがゲノムに
なる（表5・1）。
(p87)
母性遺伝
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ヒトの場合、父親と母親の間に出来た子供のミトコンドリ
アは、母親のミトコンドリアゲノムを100％受け継ぎ、父親
のミトコンドリアゲノムは受け継がれない。→ 女性の系
統の祖先が解る。
この現象は、精子と卵の受精の過程に由来します。
受精時には、精子の頭部内に存在する核とミトコンドリア
が卵細胞に進入します。精子由来の核は、卵由来の核
と融合します。ところが、精子由来のミトコンドリアは、卵
細胞の分解酵素によって分解されてしまいます。その結
果、受精した後の卵細胞には卵由来のミトコンドリアの
みが残るわけです。
巻貝の遅滞遺伝がよくわかりません。
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♀AAを右巻、 ♂aaを左巻の遺伝子として
♀AA(右)と♂aa(左)を交雑しF1、F2と自家受精していっ
た場合、どうしてF2のaaは左巻きにならないのですか？
説明不足であればまた追記します。
巻貝の遅滞遺伝がよくわかりません。
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遅滞遺伝は、核内の遺伝子によらない遺伝です。
卵の細胞質による遺伝です（母親の表現形が直接遺伝
する→母性遺伝）。
実際に検証
♀（ＡＡ）×♂（ａａ）
↓
Ｆ１Ａａ ♂♀全て右巻きです。
↓
Ｆ２ＡＡ：Ａａ：ａａ＝１：２：１
Ｆ２のａａが遺伝型では左巻きですが「母性遺伝」のため
左巻きにならず右巻きになります。
巻貝の遅滞遺伝がよくわかりません。
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Ｆ２のａａが♀だった場合のみ、Ｆ３に左巻きが出現します
。
１代遅れて表現されるため「遅滞遺伝」とよんでいるので
す。
細胞質がaa、すなわち母親の細胞質がaaでないと左巻
にはならないってことですね。
ｂ．ヒトゲノムの大きさ
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ヒトという生物種のゲノムは、先の定義に基づけば、24
種の染色体DNAと１種のミトコンドリアDNAとなる。
ヒトゲノムの大きさは、約31ギガ（31億）塩基対である（表
5・1）。
Y 染色体は3番目に小さい染色体（51メガ塩基対）なので
、ゲノムの大きさに1.5％程度しか寄与しない。
また、ミトコンドリアよりも核に存在するDNA量のほうが
圧倒的に多いので、核DNA分子の一セットである核ゲノ
ムをしばしばゲノムと呼ぶことがある。
(p87)
２．ゲノムと遺伝子
われわれは多種多様な生物を見て形質を比べ、それぞれの
集団を区別することができる。
個々生物集団は子孫に同じ形質を伝える。
このように形質が遺伝するのは、遺伝子が存在するからであ
る。
ａ．遺伝子の種類
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遺伝子には、転写後に成熟mRNAとして残るエキソン部
分と、成熟mRNAができる時に切出されてしまうイントロ
ンと呼ぶ非コード領域が存在する。
ａ．遺伝子の種類
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エキソン部分がゲノムに占める割合は、わずかに1.5%で
ある。一方、イントロンが占める割合は多く見積もっても
24％である。
ａ．遺伝子の種類
`
第１エキソンの5’-上流側に隣接する転写に必須なDNA
配列（コアプロモーター）まで含めて、遺伝子と呼ぶこと
が多くなっている。
ａ．遺伝子の種類
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ゲノムには、転写・翻訳される遺伝子以外にも、遺伝子
が存在する。それらは機能性RNAの遺伝子である。
（１）機能性RNAの遺伝子
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最も良く知られている機能性RNAは、rRNAやtRNAであ
る。両者とも転写されて、リボソームにおけるタンパク質
合成に必須の役割を果たしている。
rRNAやtRNA以外にも、タンパク質合成に深く関わる
RNAが存在する。
それらは、核内低分子RNA(snRNA)や核小体内低分子
RNA (snoRNA)である（表5・2）。
それぞれイントロンを切出すスプライシングやrRNAのプ
ロセシングに関与している。
核小体内低分子RNAの中には、イントロン内に遺伝子
が存在する例が知られている。
（２）新たな機能性RNA
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この他にも、翻訳や転写の制御に関わるマイクロ
RNA(miRNA)やアンチセンスRNAのように、遺伝子数の
多い機能性RNAが見つかっている。
これらの遺伝子数は、今後の詳細な研究によりさらに増
加する可能性がある。
また、テロメラーゼやシグナル認識粒子（SRP; signal
recognition particle）を構成するRNAも機能性RNAであ
る。
ヒトでは機能性RNAの遺伝子の総数は、タンパク質をコ
ードする遺伝子の数の10％程度である(表5・2）。
ｂ．遺伝子を含まないゲノムの領域
`
ゲノムに存在する遺伝子以外のDNAの配列には、エン
ハンサーやサイレンサーのように、遠くからコアプロモー
ターに作用し転写の制御を行う配列が存在する。
ｂ．遺伝子を含まないゲノムの領域
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集合する複数の遺伝子を組織特異的に共通に発現制
御する遺伝子座制御領域（LCR; locus control region）、
制御領域外の調節要素が領域内の遺伝子発現に影響
が及ばないように防ぐ配列、絶縁エレメント（insulator;イ
ンシュレーター）も存在する（図5・4）。
ｂ．遺伝子を含まないゲノムの領域
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ゲノム上には遺伝子として機能できない偽遺伝子が
20,000個も存在する。
また、縦列反復配列や分散型反復配列と呼ぶ反復配列
が存在する。
偽遺伝子の生成に、分散型反復配列が関与する可能性
が考えられている。
③
非コード領域を埋める反復配列
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DNAを制限酵素で切断するとDNAが断片化する。
その混合物を密度勾配遠心にかけ分離すると、大部分
のDNA断片は一つの主ピークに集まる。
それより密度が少しずれて、小さなピークを形成するの
がサテライトDNAである。
サテライトDNAは縦列反復配列と呼ばれるものの一つ
である。
これに対して、一定の長さの配列をした転移性DNA因
子（トランスポゾン）がゲノム上に分散して存在している。
それらを分散型反復配列と呼んでいる。
ａ．縦列反復配列
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サテライトDNAはセントロメアに多く、動原体の形成や複
製の制御に関係すると見られている。
ミニサテライトDNAとしては、テロメアのTTAGGG繰返し
配列がある。
(CA)/((TG)のような2塩基反復配列やAやTの1 塩基反
復配列に代表されるマイクロサテライトDNAは、ゲノム
上に広く分布している。
ａ．縦列反復配列
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ある位置の反復配列の反復回数が個人によって異なっ
ていることから、マイクロサテライトDNAは個人の識別に
利用されたりする。
ａ．縦列反復配列
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このような反復配列の部位では、スリップ複製により反
復配列が伸長したり欠失したりしやすい。
ｂ．分散型反復配列
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真核生物では、DNA上の
反復配列から転写された
RNAが逆転写酵素により
二本鎖DNAに変換され、
ゲノム中に再び取り込ま
れることにより生じたレト
ロトランスポゾンが大半で
ある（図5・6a）。
ｂ．分散型反復配列
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興味深いことに、分散型反復配列である転移性DNA因
子の配列の総和は、ゲノム全体の45%にもなることがわ
かった。
それらの大部分は、大昔は転移能を持っていたが現在
では活性をなくし、化石のような存在となっている。
（１）Alu配列とLINE-1
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レトロトランスポゾンの中で重要なのは、Alu配列とLINE1である。
Alu配列の中には現在も活発に転写されているものがあ
る。
また、LINE-1のうちの100個が今も転移能をもっており、
遺伝子を破壊して疾患を引き起したことが報告されてい
る。
（１）Alu配列とLINE-1
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Alu配列は、短い分散型反復配列（SINE; short
interspersed nuclear element）の一種である。
約300塩基の長さで内部に制限酵素Aluの切断部位があ
ることから名付けられた。
Alu配列内部のプロモーターにRNAポリメラーゼⅢが結
合し、転写を開始する。
Alu配列は、シグナル認識粒子中の7SL RNAに由来して
いるが、逆転写酵素はコードしていない。
（１）Alu配列とLINE-1
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一方、LINE-1は、長い分散型反復配列（LINE; long
interspersed nuclear element）の一種である。RNAポリメ
ラーゼⅡが配列の末端にあるプロモーターに結合し、転
写を開始する。
LINE-1がコードする逆転写酵素が、Alu配列の転移や後
述する偽遺伝子の生成など、細胞内でおきる逆転写反
応に関与している。
（２）DNA型トランスポゾン
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DNA型トランスポゾンは
自身を切り出すか複製し
て標的DNAに転移する
が、ヒトでは現在は活性を
失ってしまっている。
しかし、組換え酵素やセ
ントロメア結合タンパク質
をコードする遺伝子は今
も機能しており、それらは
DNA型トランスポゾンに
由来している(図5・6b)。
ポイント
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遺伝子の本体はDNAであり、生殖細胞（配偶子）の全
DNA（核DNAとオルガネラDNA）がゲノムである。
ゲノムには、タンパク質のアミノ酸配列の情報をコードす
る遺伝子の他、機能性 RNAの遺伝子が存在している。
ゲノムの非コード領域には、縦列反復配列や分散型反
復配列などの要素が見つかり、それらの意味が注目さ
れている。

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