Transcript ｽﾗｲﾄﾞ ﾀｲﾄﾙなし

細胞と多様性の
生物学
第７回 細胞外からの情報が核に伝わる
和田 勝
東京医科歯科大学教養部
外部の情報が細胞内へ
前回はホルモンを例に取り、細胞の外
からの情報が、セカンドメッセンジャー
を介して代謝の調節をしたり（水溶性
ホルモン）、転写の調節をしている（脂
溶性ホルモン）ことを学んだ。
ちょっと復習
脂溶性ホルモンの作用機構
Ｚｎフィンガー
ホルモン応答エレメント（HRE)
５’-AGGTCAnnnTGACCT-３’
脂溶性ホルモンの作用機構
ステロイドホルモンが受容体に結合
HspがはずれてDNA結合部位が露出
ニ量体となってDNAのHREに結合
下流の遺伝子の転写を促進
タンパク質合成
ふたたび転写について
前回はホルモンを例に取り、細胞の外
からの情報が、セカンドメッセンジャー
を介して代謝の調節をしたり（水溶性
ホルモン）、転写の調節をしている（脂
溶性ホルモン）ことを学んだ。
ちょっと復習
遺伝子と形質
形態
遺伝子
タンパク質
機能
タンパク質をコードする独立した遺伝
子がある。
遺伝子は相同染色体上にペアで存在
する。
遺伝子と形質
優性の遺伝子は機能的なタンパク質
をコードしているが、劣性の遺伝子は
機能が無いタンパク質をコードしてい
る。
したがって、ヘテロであれば劣性の形
質は現れないが、劣性ホモだと現れ
る。
(注）これはもっとも単純な場合で、実際はもっと複
雑である。
遺伝子の発現
ふたたび
セントラ
ルドグマ
実際に
転写して
いるのは
RNAポリメラーゼによる転写
RNAポリメラーゼというタンパク質がDNAと結合
して転写をしている。DNAとタンパク質の結合？
原核生物の転写調節
DNAには、転写の開始と終了を示す部位が存在
する。
RNAポリメラーゼ着地点
転写の方向
RNAポリメラーゼのプロモータ領域への着地の
仕方によって、転写の方向性が決まる。
実際は鋳型鎖の３’→５’を転写しているのだが、
結果としてはコード鎖を５’→３’に読んだものが
mRNAとなる。
プロモータ領域による転写の方向性が決まれば、
鋳型鎖を無視してコード鎖だけを考えればいい。
そこで川の流れにたとえて、コード鎖の５’側を上
流、３’側を下流という表現が使われる。
lacオペロン
原核生物の遺伝子は、機能的に関係あるタンパ
ク質をコードする領域が複数、連なっている。
これをオペロンという。lacオペロンは、ラクトース
を分解するβガラクトシダーゼとその他2つの酵素
タンパク質をコードする領域からなり、さらにその
上流にオペレータ部を含むプロモーター部位が
ある。
リプレッサーによる転写阻害
lacオペロンのプロモーター部のさらに上流にある
調節遺伝子が常にリプレッサータンパク質を作る
ように指令している。
リプレッサータンパク質はオペレータ部位に結合
してRNAポリメラーゼの結合を阻害する。
ラクトースによる
リプレッサーの不活化
ラクトースはリプレッサータンパク質と結合してリ
プレッサータンパク質を不活性化する。
転写のスイッチィング
この方式は、ふだんは転写スイッチを
オフにしておき、必要に応じてオンに
する方式。
ラクト－スしか無い環境では、ラクトー
スをグルコースに変える酵素が必要に
なり、スイッチをオンにする。
trpオペロン
trpオペロンの調節遺伝子が常に不活性なリプレ
ッサータンパク質を作るように指令している。
そのため、トリプトファン合成の代謝系は稼動し
ている。
トリプトファンによる
リプレッサーの活性化
最終産物であるトリプトファンがリプレッサーを活
性化する。
転写のスイッチィング
この方式は、ふだんは転写スイッチを
オンにしておき、必要に応じてオフに
する方式。
ふだんは必要なトリプトファン合成の
代謝系を稼動させているが、最終産
物であるトリプトファンがだぶつくと、ス
イッチをオフにする。
細菌と真核生物の遺伝子
真核生物の遺伝子は全DNAのホンの一部、しか
もコード領域が連続していない。
ヒトβヘモグロビンの遺伝子
プロモータ領域
翻
訳
開
始
CCCTGTGGAGCCACACCCTAGGGTTGGCCAATCTACTCCCAGGAGCAGGGA
GGGCAGGAGCCAGGGCTGGGCATAAAAGTCAGGGCAGAGCCATCTATTGCT
TACATTTGCTTCTGACACAACTGTGTTCACTAGCAACCTCAAACAGACACC
ATGGTGCACCTGACTCCTGAGGAGAAGTCTGCCGTTACTGCCCTGTGGGGC
AAGGTGAACGTGGATGAAGTTGGTGGTGAGGCCCTGGGCAGGTTGGTATCA
AGGTTACAAGACAGGTTTAAGGAGACCAATAGAAACTGGGCATGTGGAGAC
AGAGAAGACTCTTGGGTTTCTGATAGGCACTGACTCTCTCTGCCTATTGGT
CTATTTTCCCACCCTTAGGCTGCTGGTGGTCTACCCTTGGACCCAGAGGTT
CTTTGAGTCCTTTGGGGATCTGTCCACTCCTGATGCTGTTATGGGCAACCC
TAAGGTGAAGGCTCATGGCAAGAAAGTGCTCGGTGCCTTTAGTGATGGCCT
GGCTCACCTGGACAACCTCAAGGGCACCTTTGCCACACTGAGTGAGCTGCA
CTGTGACAAGCTGCACGTGGATCCTGAGAACTTCAGGGTGAGTCTATGGGA
CCCTTGATGTTTTCTTTCCCCTTCTTTTCTATGGTTAAGTTCATGTCATAG
GAAGGGGAGAAGTAACAGGGTACAGTTTAGAATGGGAAACAGACGAATGAT
TGCATCAGTGTGGAAGTCTCAGGATCGTTTTAGTTTCTTTTATTTGCTGTT
CATAACAATTGTTTTCTTTTGTTTAATTCTTGCTTTCTTTTTTTTTCTTCT
CCGCAATTTTTACTATTATACTTAATGCCTTAACATTGTGTATAACAAAAG
GAAATATCTCTGAGATACATTAAGTAACTTAAAAAAAAACTTTACACAGTC
TGCCTAGTACATTACTATTTGGAATATATGTGTGCTTATTTGCATATTCAT
AATCTCCCTACTTTATTTTCTTTTATTTTTAATTGATACATAATCATTATA
CATATTTATGGGTTAAAGTGTAATGTTTTAATATGTGTACACATATTGACC
AAATCAGGGTAATTTTGCATTTGTAATTTTAAAAAATGCTTTCTTCTTTTA
紫色はエキソン
１，２，３
ATATACTTTTTTGTTTATCTTATTTCTAATACTTTCCCTAATCTCTTTCTT
TCAGGGCAATAATGATACAATGTATCATGCCTCTTTGCACCATTCTAAAGA
ATAACAGTGATAATTTCTGGGTTAAGGCAATAGCAATATTTCTGCATATAA
ATATTTCTGCATATAAATTGTAACTGATGTAAGAGGTTTCATATTGCTAAT
AGCAGCTACAATCCAGCTACCATTCTGCTTTTATTTTATGGTTGGGATAAG
GCTGGATTATTCTGAGTCCAAGCTAGGCCCTTTTGCTAATCATGTTCATAC
CTCTTATCTTCCTCCCACAGCTCCTGGGCAACGTGCTGGTCTGTGTGCTGG
CCCATCACTTTGGCAAAGAATTCACCCCACCAGTGCAGGCTGCCTATCAGA
AAGTGGTGGCTGGTGTGGCTAATGCCCTGGCCCACAAGTATCACTAAGCTC
GCTTTCTTGCTGTCCAATTTCTATTAAAGGTTCCTTTGTTCCCTAAGTCCA
ACTACTAAACTGGGGGATATTATGAAGGGCCTTGAGCATCTGGATTCTGCC
TAATAAAAAACATTTATTTTCATTGCAATGATGTATTTAAATTATTTCTGA
ATATTTTACTAAAAAGGGAATGTGGGAGGTCAGTGCATTTAAAACATAAAG
AAATGAAGAGCTAGTTCAAACCTTGGGAAAATACACTATATCTTAAACTCC
ATGAAAGAAGGTGAGGCTGCAAACAGCTAATGCACATTGGCAACAGCCCTG
ATGCCTATGCCTTATTCATCCCTCAGAAAAGGATTCAAGTAGAGGCTTGAT
TTGGAGGTTAAAGTTTTGCTATGCTGTATTTTACATTACTTATTGTTTTAG
CTGTCCTCATGAATGTCTTTTCACTACCCATTTGCTTATCCTGCATCTCTC
AGCCTTGACTCCACTCAGTTCTCTTGCTTAGAGATACCACCTTTCCCCTGA
AGTGTTCCTTCCATGTTTTACGGCGAGATGGTTTCTCCTCGCCTGGCCACT
CAGCCTTAGTTGTCTCTGTTGTCTTATAGAGGTCTACTTGAAGAAGGAAAA
ACAGGGGGCATGGTTTGACT……
間にはさまれた白色は
イントロン１，２
翻
訳
終
了
転写とmRNAの修飾
１）転写開始部位から終了部位まで転写される。
この配列には、エクソン、イントロンとともに翻訳
されない塩基配列を両端に含む。
２）５’側に７－メチルグアノシン（Cap）構造が、３’
側
に100－250個の連続したＡ（ポリＡテイル）が付
加される。
３）イントロン部分がスプライシング酵素によってつまんで
切られる（スプライシング、splicing）。
４）完成したｍＲＮＡ（成熟ｍＲＮＡ）が核膜孔からサイトゾー
ルへ出る。
転写とmRNAの修飾
真核生物の転写調節
真核生物では、転写の開始に転写基
本因子が不可欠で、たくさん見つかっ
ている。
これらの基本転写因子がプロモータ
ー部に結合して複合体を作ると、RNA
ポリメラーゼが結合できるようになる。
真核生物の転写調節
これ以外に、遺伝子調節タンパク質（
リプレッサーとアクチベーター）が、転
写開始に影響を及ぼす。これらはかな
り離れた位置にある場合もある。
原核生物ではDNAは裸だが、真核生
物ではDNAはクロマチン構造をとって
いる。
真核生物の転写調節
原核生物よりかなり複雑
ホルモンの作用機構
ステロイドホルモン-受容体複合体は、
遺伝子調節タンパク質として働く。
水溶性ホルモンは、膜タンパク質であ
る受容体に結合し、細胞内にセカンド
メッセンジャーを作り、これが最終的に
代謝経路を動かす酵素を活性化（スイ
ッチをオンに）することによって、細胞
の働きを調節している。
ホルモンの作用機構
外部の情報が細胞内へ（２）
これとは逆に、セカンドメッセンジャー
を介して転写の調節する、また脂溶
性ホルモンが膜受容体を介して代謝
の調節などをnon-genomicにおこなう
ことができることがわかってきた。
転写のスイッチィング
インシュリン受容体
インシュリン
が結合
細胞内へ情
報が伝わる
受容体チロシンキナーゼ
細胞内シグナルタンパク質を活性化する
チロシンがリン酸化され
二量体型のシグナル分子が結合すると
受容体チロシンキナーゼ
不活性型Rasタ
ンパク質を活性
型に変える
Rasタンパク質はras遺伝子の産物で単量体
GTP結合タンパク質の一つ
受容体チロシンキナーゼ
活性化したRasタンパク質は、マップキ
ナーゼリン酸化カスケードを刺激する
最終のマップキナーゼは、さまざまな
タンパク質をリン酸化して、活性化す
る。
この中には、さまざまな遺伝子調節タ
ンパク質が含まれる。
リン酸化反応の相互作用
これまで述べてきたリン酸化酵素、A
キナーゼ、Cキナーゼ、CaMキナーゼ
、マップキナーゼは、相互に作用し合
って、複雑な「網」を形成している。
細胞は、これらの多数のシグナルを受
け取って適切に反応しているようだ。
ステロイドホルモン膜受容体
ステロイドホルモンは、細胞質にある
受容体に結合して、核内へ入り転写
の制御をするだけでなく、膜タンパク
質受容体があって、転写を伴わない（
non-genomic）な作用をしているらしい
ことがわかってきた。
ステロイドホルモン膜受容体
プロゲステロンやアルドステロンなど
の例が報告されているが、まだ不明な
点が多い。ここではこれ以上触れない
が、、、先日、
プロゲステロン膜受容体
http://www.utmsi.utexas.edu/people/staff/thomas/P
NAS_2003.pdf
プロゲステロン膜受容体
(a) Northern blot
analysis showing
mRNA expression
in ovarian (O, gel
loading: 1mg) and
other tissues (gel
loading: 5mg); B,
brain; T, testis; P,
pituitary; H, heart;
K, kidney; L, liver;
S, stomach; I,
intestine; G, gill;
M, muscle.
(c) Cellular localization
of receptor by Western
blot analysis using
stmPRapAb1 antibody
(gel loading: 10 mg).
OC, oocyte cytosol;
OM, oocyte membrane;
Folli., follicle cell
membrane;
(b) Western blot
analysis of
solubilized
ovarian
membrane
proteins using
monoclonal
antibody PR10-1.
I, plasma
membrane; II,
cytosol; III,
partially purified
membrane
fraction used to
generate
monoclonal
antibodies.
(d) Folli., follicle cells; PM, oocyte plasma
membrane; Cyt, oocyte cytoplasm. (Magnification:
1 cm ' 20 mm.).
プロゲステロン膜受容体
http://www.pnas.org/cgi/reprint/0436133100v1
遺伝子工学
以下にDNAを人為的に操作する遺伝
子工学の手法などを説明しているが、
他で学習していると思うので、広義で
は触れない。
遺伝子工学
特定の塩基配列（回文構造）を認識し
て切断する制限酵素が見つかった。
上の例ではAAGCTTを認識して、
右のように切断する。
クローニング
制限酵素で切断し、リガーゼでDNA
断片を挿入することができる。
DNAライブラリー
ゲノムDNAの断片
をプラスミドベクター
に挿入して、これを
大腸菌に導入する
と、ゲノムDNAライ
ブラリーができる。
プローブによるコロニーの検出
目的とするDNA断片が導入されたコロニーを
選び出す。
DNAライブラリー
mRNAから
逆転写酵素
によって
DNAにコピ
ーし、これを
DNAポリメラ
ーゼで2本鎖
にして組み
込む。
PCR(polymerase chain reaction)
DNAは加熱すると水素結合が切れて、一本鎖
になる。
1組のプライマーと原料となるヌクレオチドを加
え、DNAを合成させる。
PCR
この操作を繰り返すと、倍々に増えていく。
DNA塩基配列の決定
３’に水酸基がないジデオキシヌクレオシド三リ
ン酸を使うと、５’→３’合成がとまる。
DNA塩基配列の決定
ジデオキシヌクレオシド三リン酸を原料に少し
混ぜて、DNAの合成反応を進める。
ジデオキシヌクレオシド三リン酸が取り込まれ
たところで合成が止まった、いろいろな長さの
DNA断片が生じる。
DNA塩基配列の決定
４種の塩基でこ
れを行い、ゲル
電気泳動する。
４つのクロマト
グラムを並べ、
下から読んでい
くと、それが延
期の配列になる
遺伝子操作
こうして、ヒトゲノムの塩基配列は決
定された。また遺伝子を使ったさま
ざまな応用分野が広がった。
●発現ベクターに有用遺伝子を導入して
タンパク合成をさせる
●遺伝子導入（transgenic)マウスの作成
●ノックアウトマウスの作成
●反復配列の長さによるDNA鑑定