遺伝子機能
このページのトピックスです。
- 転写
- 翻訳
- 遺伝子機能の概要
私たちの細胞内の染色体には、膨大な量の情報が含まれています。 ヒトの遺伝子はおよそ3万個あると推定されている。 それぞれの遺伝子はRNA分子をコードしており、それらは直接使用されるか、あるいは先に示したインスリンのようなタンパク質を形成するためのガイドとして使用されます。 細胞内の情報は、一般に、情報の記憶形態（DNA）から作業形態（RNA）を経て最終生成物（タンパク質）へと予測可能な順序で流れています。 この経路はすべての生物で使用されており、以下の図に示されています。
このように、DNAは、より多くのDNAを生成するためのガイドまたはテンプレートとして使用されます。 このプロセスは複製として知られており、ここで扱われます。
DNAの特定の部分（遺伝子）がRNAを生成するために使用されるプロセスは転写として知られています。 特定の遺伝子の転写における変化は、がんの発症に非常に重要であるため、転写について少し詳しく説明します。
任意の時点で「オン」になっている一連の遺伝子は非常に重要です。 私たちが生活している環境は変化に富んでいるため、異なる遺伝子は異なるタイミングで「オン」になる必要があるのです。 たとえば、食事に牛乳に含まれる糖分である乳糖が大量に含まれている場合、私たちの体は、乳糖を分解する酵素の生成につながる遺伝子をオンにする（転写する）ことによって反応します。
転写
転写の目的は、遺伝子のRNAコピーを作成することである。 このRNAはタンパク質の形成を指示したり、細胞内で直接使用することができる。 核を持つすべての細胞は、まったく同じ遺伝情報を持っている。 説明したように、特定の細胞でいつでもRNAを作るために実際に使われているのは、遺伝子のほんの数パーセントに過ぎない。
- 遺伝子は正しい時間に転写されなければならない。
- 遺伝子から作られるRNAは正しい量で作られなければならない。
- 必要な遺伝子だけが転写されなければならない。
- 転写をオフにすることは、オンにすることと同じくらい重要である。
これを工場にあるような高度な生産ラインと想像することができる。
ヒトの染色体には膨大な量の情報が含まれています。 各染色体は数百万個のヌクレオチドからなる非常に長い一本のDNAで構成されています。
下のアニメーションは、染色体の中のDNAの構成を示しています。 ちょうど糸巻きに糸を巻くように、DNAはきつく巻かれ、ループ状になっているため、スペースを取りません。 下図の染色体はコピーされたもので、特徴的なXの形をしています。
転写のステップ
転写が機能するためには、プロセスを開始する場所と停止する場所を特定する何らかの方法が必要です。 これは、転写される遺伝子の開始点に結合する特別なタンパク質によって達成される。
転写のプロセスはいくつかのステップに分けられます。
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転写因子は、転写される遺伝子の開始部位（プロモーター）を認識します。
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RNAを作る酵素（RNAポリメラーゼ）が転写因子に結合し、開始領域を認識する。
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酵素は遺伝子の末端に到達するまでコピーを取りながらDNAを進む。
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RNAがタンパク質をコードするものであれば、核を離れて細胞質に入ります。
上に描かれている遺伝子は、実際にはDNA分子（染色体）に沿ったヌクレオチドのストレッチであることを覚えておいてください。
転写因子の不適切な活動は、知られているほぼすべての種類のがんで確認されています。 これらの因子は細胞の秩序ある活動に不可欠であるため、誤作動を起こした因子は、細胞の他の部分すべてに重要な影響を及ぼす可能性があるのです。 生産ラインの例えに戻ると、転写因子が誤作動を起こすと、本来は稼働していないはずの生産ラインが稼働し、過剰な生産物が生み出されてしまうかもしれません。
転写因子
ヒトの癌で誤動作する転写因子の例としては、以下のようなものがあります。 p53遺伝子がコードするタンパク質は、細胞分裂を引き起こすのに関与する遺伝子の転写を制御するため、重要です。 p53遺伝子に関するより詳しい情報は、腫瘍抑制因子のセクションでご覧いただけます。
エストロゲンの作用機序を以下に示します。
小さな緑の球がエストロゲンを表しています。 これは小さな疎水性分子で、脂質膜を通過して細胞に入る。 細胞内に入ると、エストロゲンは受容体（オレンジ色）に結合し、その複合体が核内のDNAに結合して遺伝子を転写させます。
エストロゲンの遺伝子活性化機能を阻止しようとする薬がいくつか開発されています。 よく処方される例は、エストロゲンの活性を部分的に阻害する薬であるタモキシフェンです。 タモキシフェンは、下のアニメーションではピンク色で表示されています。
これらの薬は、エストロゲンとその受容体の存在に反応して増殖している癌の成長を遅らせるはずです。 エストロゲン受容体とがんに関するより詳しい情報は、がん治療のセクションでご覧いただけます。
細胞分裂に対する転写因子の重要性は何度か強調されてきました。 癌は制御されていない細胞分裂から生じるので、次に説明するプロセスは細胞分裂である。
翻訳
先ほどの転写プロセスでメッセンジャーRNA（mRNA）が作られると、そのmRNAは核で処理され、細胞質へと放出されます。
その後、mRNAは細胞質内に存在するリボソーム・サブユニットによって認識され、リボソームによってメッセージが「読まれ」て、タンパク質が生成される。 タンパク質の生成方向の情報は、mRNAを構成するヌクレオチドの配列にコード化されている。 3つのヌクレオチドのグループ（コドンと呼ばれる）はリボソームによって「読まれ」、成長するポリペプチド（タンパク質）に特定のアミノ酸を付加するように導かれる。 このプロセスは、以下のアニメーションに模式的に描かれている。
タンパク質は形成された後、活性な折りたたみ状態を獲得し、細胞内でその機能を発揮できるようになります。 タンパク質の適切な折り畳み、輸送、活性、最終的な破壊はすべて高度に制御されたプロセスです。
これらのプロセスを制御する遺伝子は、がん細胞ではしばしば損傷し、正しく機能していません。
Gene Function Summary
The Central Dogma
- 私たちの染色体内の DNA には、RNA に転写される遺伝子が含まれています。 メッセンジャーRNA（mRNA）は、タンパク質に翻訳されることがあります。 標準的な情報の流れは次のとおりです：
- DNA→RNA→タンパク質
- 任意の時点で「オン」になっている遺伝子のセットは重要です。
転写
- 転写の目的は、遺伝子の RNA コピーを作成することです。
- 転写因子は、遺伝子の開始点（プロモーター）を認識し、それに結合します。
- 酵素が遺伝子のRNAコピーを作る。
- 酵素が落ち、RNAが放出される。
- RNAは核に留まるか、細胞質へ出て行くかのどちらかである。
翻訳
- 翻訳の目的は、mRNAにコードされている情報を使ってタンパク質を作ることです。
- 翻訳のプロセスはいくつかのステップに分けられます。
- mRNAは核を離れ、細胞質でリボソームサブユニットに認識され結合します。
- リボソームはRNAを一度に3塩基（1コドン）読み取ります。
- リボソームはコドンに対応するアミノ酸を成長するタンパク質に挿入する。
- リボソームは停止コドンに遭遇し、タンパク質合成を終了する。
- タンパク質は高度に制御された折り畳み過程に入り、完全に折り畳まれた構造を獲得する。
- タンパク質の適切な折り畳み、輸送、活性、最終的な破壊を制御する遺伝子は、しばしば癌で損傷したり機能不全に陥ったりしている。 Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., & Reece, J. B. (2017). キャンベル・バイオロジー（第11版）. ピアソン.
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