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生物学は巨大なテーマです。 地球という惑星には、驚異的な数の生命体が存在しています。 すでに286,000種の草花、500,000種の菌類、750,000種の昆虫の存在が判明しています。 また、現在も多くの種が発見されている。 50年前、生物学は分野別に分かれており、それぞれが異なるレベルで生命を分析していた。 形態学、生理学、生化学、分類学、生態学、遺伝学などがあり、これらはすべて別々の学問領域で研究されていた。 しかし、遺伝学の発見により、生物学全体にとって最も重要な統一テーマがいくつか提供され、今では概念的な糸が下位の学問分野を結びつけている。 DNAは、生命のすべてのプロセスと構造の基礎となる情報基盤であることが分かっています。 DNA分子は、生命の重要な特性のうちの2つである生殖と形の生成を説明する構造を持っています。 本書では、DNAが二重らせん構造であり、その固有の設計により、2つの同一のコピーを作成することができることを学びます。 DNAの複製は、細胞や生物のすべての生殖の基礎となるものです。 DNAは細胞分裂の前に複製され、これにより染色体はクロマチドに分裂し、最終的には娘細胞に受け渡される娘染色体となる。 この複製と染色体形成の過程は、無性細胞と有性細胞の分裂の際に基本的に類似しており、図1-8に示すとおりである。 (ただし、この2種類の細胞分裂には多くの相違点があり、これについては後の章で説明します）。 したがって、細胞や生物の複製が作られ、時を越えて存続することができるのは、DNA複製の特性によるものであることがわかります（図1-9）。 つまり、DNAは私たちと進化の祖先をつなぐ糸と見ることができるのです。 さらに、DNAは形を生み出します。なぜなら、DNA分子の構成要素の直線的な配列には、生物を構築するための指示が書かれたコードがあり、これを情報、すなわち「形を与えるために必要なもの」と見なすことができるからです。 ある種のユニークな特徴は、構造であれプロセスであれ、DNAの影響を受けている。 したがって、形態学者が研究する構造、生理学者が研究する反応、進化学者が研究する相同性などの根底には、DNA分子という統一された糸が存在するのです。
図1-8
新しい細胞が作られるとき、DNAの複製によって染色体は一対の染色体になり、やがて娘染色体となり、新しい細胞に受け継がれるのである。
図1-9
DNA 複製は時間を通じて生命が永続するための基礎となる。
DNA はすべての生物でほぼ同じように機能します。 このことは、それ自体、もうひとつの統一的なテーマを提供するが、加えて、ある生物で学んだことが、しばしば他の生物にも原理的に適用できることを意味する。 このため、遺伝学ではモデル生物を多用し、その多くは本書のページで紹介されている。 実際、ここ数十年の間にヒトの遺伝学でなされた進歩は、大部分、細菌や菌類などの低レベルのモデル生物でなされた進歩によって可能になったものである。 その最たるものが、遺伝子解析の技術である。 この実験的アプローチでは、変異遺伝子がそれにどのような影響を与えるかを見ることによって、任意の構造またはプロセスを分解する、すなわち「解剖」することができます。 異常を調べることで、正常な場合を推論することができます。 例えば、受精卵から成体が発生する過程を研究する場合、発生異常を引き起こす変異遺伝子の一つ一つが、正常な発生過程の構成要素を同定することになります。 また、線虫の麻痺した突然変異株を遺伝子レベルで解析することにより、正常な運動を制御する遺伝子を解明することができます。 分子遺伝工学が応用バイオテクノロジーに新しい展望を開いたことを見てきましたが、同じ技術は基礎研究にも役立ちます。科学者は酵母の遺伝子を操作して、特定の実験目的のために大量のDNAを追加搭載できる、完全に人工で機能的な染色体を作りました。 最近では、人工のヒト染色体も作られるようになり、これをヒトやその他の哺乳類の細胞に導入することができるようになりました。 試験管内で遺伝子を分離し、その構造を特定の方法で変更し、生物に再び挿入する能力は、遺伝子解剖のための最も鋭いメスを提供した。 この技術は、法医学から細胞生物学、進化や生態学まで、生物学の幅広い分野で応用されている。 例えば、ヒトの病気の遺伝子は、染色体が無関係なマーカー配列に近接していることを利用して単離されるようになっている（ポジショナル・クローニングという技術）。 遺伝子を生物から生物へと移動させることができるようになったことで、遺伝学者は常駐遺伝子の代わりに、機能を検出し実験的に研究することが容易な「レポーター」遺伝子を用いるようになった。 (ホタルのルシフェラーゼ遺伝子は、動物や植物の染色体に挿入することができ、その場所にあったオリジナルの遺伝子が活性化していた発生段階に合わせて、細胞を発光させることができるのです。 クラゲの緑色蛍光タンパク質の遺伝子もレポーターとして利用されている。 この遺伝子を組み込んだマウスは、紫外線を当てると緑色に光ります（図1-10）。 このように、遺伝子工学は生物科学に大きな変革をもたらし、今日の生物学者にとって、この強力な分析手段を知らないわけにはいかない。 9038>
Figure 1-10
緑色蛍光タンパク質のクラゲ遺伝子を染色体に挿入したトランスジェニックマウス。 (KYODO News International/AP.)
MESSAGE
遺伝子解析は、今や生物学のあらゆる分野で必須の技術となっています。 これは、驚くべき速さで発展してきた魅力的な物語である。 今日、細胞における遺伝情報のコード化とその流れは、現代生物学思想の基礎であり、実験的探求の出発点となるベースラインである。 図1-11は、真核生物の一般的な細胞における遺伝子の働きの要点を図式化したものです。 真核生物は、膜で覆われた核を持つ細胞からなる生物である。 動物、植物、菌類はすべて真核生物である。 核の内側には染色体が並び、核の外側には小胞体やゴルジ装置などの膜構造体、ミトコンドリアや葉緑体などの小器官が複雑に配置されている。 真核細胞における遺伝子作用の簡略図
図1-11
真核細胞における遺伝子作用の簡略図。 遺伝情報の基本的な流れは、DNA→RNA→蛋白質です。 4種類の遺伝子を示しています。 遺伝子1は外部からの制御シグナルに応答して輸出用のタンパク質を作り、遺伝子2は(さらに…)
真核生物の核の中では、いくつかのタンパク質コード化遺伝子はそのタンパク質産物を多かれ少なかれ絶えず合成しているが、その他は細胞や生物の必要性に応じてオン／オフする必要がある。 遺伝子を活性化するシグナルは、例えば、ステロイドホルモンのような物質など、細胞の外から来るかもしれない。 調節物質は遺伝子の特別な領域に結合し、その遺伝子のDNAの転写物の合成を開始する。 真核生物の遺伝子のタンパク質コード領域には、タンパク質に翻訳される運命にないセグメントが散在している。 これらの非コード領域はイントロンと呼ばれ、最初の転写物から切り離される。 残りのRNA配列がメッセンジャーRNAを構成する。 mRNA分子は核膜孔を通って細胞質へ出て、リボソームと呼ばれる細胞質小器官がmRNAと結合し、そのRNA配列の情報をタンパク質に翻訳する。 mRNAはリボソームを通過し、ポリペプチドの組み立てを触媒する。リボソームは、タンパク質の一次構造を構成するアミノ酸の列を作る。 各アミノ酸は、mRNAの特定のコードユニットに結合する特異的な転移RNA（tRNA）分子によってリボソームへと運ばれる。 tRNAは特別なtRNA遺伝子から合成される。 tRNAはタンパク質に翻訳されることはなく、常にリサイクルされながら、特定のアミノ酸をリボソームに送り込みます。 リボソーム自体は、複雑なタンパク質とリボソームRNA（rRNA）と呼ばれる数種類のRNAで構成されている。 rRNAの遺伝子は、核小体オーガナイザーと呼ばれる染色体上の特殊な領域に存在する。 tRNAのように、rRNAがタンパク質に翻訳されることはありません。
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タンパク質をコードする遺伝子は、2段階の情報伝達を経て機能します：
それぞれのタンパク質コード化遺伝子は、細胞内（たとえば、図1-11の四角いタンパク質）または生物の他の部分への輸出（円形のタンパク質）のいずれかの特定の機能を持つ、個別のタンパク質をコードしています。 輸出用のタンパク質（分泌タンパク質）の合成は、大きな扁平小胞体である粗面小胞体の表面にあるリボソーム上で行われる。 完成したアミノ酸鎖は小胞体の内腔に入り、そこで自然に折りたたまれ、タンパク質の形になる。
細胞質で機能するタンパク質、およびミトコンドリアと葉緑体で機能するタンパク質のほとんどは、細胞質で膜に結合していないリボソーム上で合成される。 例えば、解糖系酵素として機能するタンパク質はこの経路で合成される。 タンパク質の合成も、同じ種類のtRNAを用いて、同じメカニズムで行われる。 完成したタンパク質はリボソームから離れ、細胞質で正しい形に折り畳まれる。 オルガネラに挿入されるタンパク質は、オルガネラへの挿入を目的とした特別なタグが付けられている。 また、ミトコンドリアや葉緑体には、それぞれ小さな円形のDNA分子が存在する。 ミトコンドリアや葉緑体のDNA上の遺伝子にコードされたタンパク質の合成は、オルガネラ内のリボソームで行われる。 ミトコンドリアや葉緑体のタンパク質は、核にコードされてオルガネラに取り込まれるか、オルガネラにコードされてオルガネラ内で合成されるかの2つの起源がある
原核生物は、細菌などより単純な構造の細胞で、核やその他の膜結合構造は存在しない。 原核生物のタンパク質合成は、mRNA、tRNA、リボソームを用いた真核生物と概ね類似しているが、いくつかの重要な相違点がある。 例えば、原核生物にはイントロンがない。
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DNAからRNA、タンパク質への情報の流れは、生物学的理解の基礎の1つになっている。
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