セントラルドグマとは｜複製・転写・翻訳の概要をわかりやすく解説
DNA合成を依頼する時によく使われるコドン最適化だが、少し誤解していたことが分かったので、調べたついでに。 同じアミノ酸に翻訳されるコドンでも、頻度が異なることが知られており、コドンバイアスと呼ばれている。 例えば下記の図は大腸菌O157:H7 sakai株ゲノム中の遺伝子配列について、各コドンの1000コドンあたりの出現頻度を示したものである。 同じアルギニンに翻訳される6種類のコドンを比べると、大腸菌ゲノム中のORF内で使用される頻度には1000コドンあたり1. 9のAGGから20. 9のCGCまで大きな開きがある。 AGGのような使用頻度の低いアミノ酸はレアコドンと呼ばれ、ORF内に多く存在すると、タンパク質の発現量を下げたり、翻訳の際にエラーの原因となりうることが知られている。 Modified from このことから、あるタンパク質を大腸菌内でクローニングして発現させる系を作る時、発現量が低い時の対策としてコドンの最適化を行うことがある。 翻訳後のアミノ酸配列は変えないように、同じアミノ酸に対応するコドンに同義置換をする方法である。 最適化すれば必ず発現量が上がるというわけではないが、遺伝子によっては発現量があがり、うんともすんとも言わなかった発現系が動くようになることもある。 GFPのORFに様々な同義置換をランダムに導入して調べたところ、活性に250倍の幅が出たという論文がある。 Kudla et al, Science, 2009 コドン最適化は、過去には1アミノ酸に対して1種類のコドンのみを使う方法が用いられたが、tRNAが偏って使用されてしまうため、細胞増殖に影響する可能性があった。 現在は遺伝子配列中のコドン分布が、ゲノム全体のコドン出現頻度に合うようにランダムに置換する方法が一般的である。 1種類のコドンを使う場合よりも多くの種類の配列をデザインできるため、繰り返し配列やリボソーム結合サイト、ターミネーター、制限酵素サイトを除いたり、さらに転写後に二次構造をなるべく取らないような配列をデザインすることが可能である。 これにより、さらなる発現量の改善が期待出来る。 現在IDT社が後者の方法に従ったcodon最適化ツールを公開している。 遺伝子配列のDNA断片を合成する際は、オリジナルの配列を使わなければいけない強い理由が特に無ければ、使用が推奨される。 どうしてもランダム要素はあるので、一番良いのは複数種の配列を合成し、それぞれ試すことである。 その中から１本でも動くものが出ればよいという考えだが、何本合成するかは研究費と相談である。
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コドンを持たないアミノ酸の意義と２つの系の共通点
転移 RNA（ tRNA） ・・・ RNAとアミノ酸をつなぐ、アダプター。 参考 ： 一次構造、二次構造、三次構造、四次構造、その他（ロイシンジッパー、 Znフィンガー） は、 mRNAと をつなぐ、アダプター分子です。 RNA ワールド において、 tRNA様のアダプター分子に、 RNA リボザイム がアミノ酸を結合させていた、という説があり、 アミノ酸と tRNAをつなぐ、 （ aaRS ）は、最古のタンパク質の一つである可能性があります。 （反応に が必要ですので、 aaRS誕生は、少なくとも ATP誕生以降と思いますが。 タンパク質の多くは、いくつかの ドメインからできており、ドメインは、進化的に関連したタンパク質でみられることが多いです。 ただし、ヘリックス構造でも、 のように、 疎水性の部分を内側に向けて二量化すると、表側に疎水性の面がなくなり、安定するようです。 後、小さすぎて内側に疎水中心を持たないドメインでも、 のように、 金属イオンや ジスルフィド結合、があると安定化します。 尚、これは、 1つの と、 2つの からなります。 ちなみに、 （ 黄鉄鉱仮説の拡張版）、という説もあります。 （運搬 RNA、トランスファー RNA ： tRNA） 73 〜 93塩基の長さの小さな RNAです。 リボソームのタンパク質合成部位で、 mRNA上の塩基配列（ ）を認識し、 対応するアミノ酸を合成中のポリペプチド鎖に転移させるためのアダプター分子です。 tRNA 遺伝子 ゲノム中の tRNA遺伝子の数は、生物により様々です。 出芽酵母 では 275です。 線虫 の核ゲノムには、全部で 19,000遺伝子があり、そのうち 659が tRNAをコードしています。 ヒト では 497個が知られており、アンチコドンごとに整理すると 49種となります。 またヒトのゲノム中には、 tRNA由来の偽遺伝子が 324個見つかっています。 真核生物の tRNAは、 RNA ポリメラーゼ IIIによって転写されます（ mRNAは、 RNAポリメラーゼ IIです）。 その後 Pre-tRNA スプライシングや、塩基修飾を経て、成熟型の tRNA分子になります。 tRNA の構造 D ・アンチコドン・ T 、という 3つのアームを持つ、 クローバーリーフ という二次構造を持ち、これが折りたたまれて L字型になります。 L 字の、長い側の先端には、 アンチコドンがあり、 mRNA上のコドンと対合します。 短い側の先端には、 アミノ酸が結合し、ポリペプチド合成に用いられます。 tRNA の塩基 は、化学修飾を受けているものも多く、 メチル化は頻繁にみられます。 D アーム L 字型の長い側の基部に相当し、アンチコドンアームに対して上流側のステムループです。 D ループ -Tループの相互作用は、三次構造形成に重要です。 アミノアシル tRNA合成酵素 によって認識される部位の可能性があります。 として、 ジヒドロウリジン D を含むことが多いです。 アンチコドンアーム L 字型の長い側の先端に相当するステムループであり、ループ中にコドンと対合する アンチコドンが存在します。 アンチコドンの 1文字目には、様々な がみられ、コドン認識に重要な役割を担っています。 アンチコドンの 3'側に隣接する 37位も、頻繁に修飾を受けます。 T アーム L 字型の関節部に相当し、アンチコドンアームに対して下流側のステムループです。 リボソーム によって認識される部位の可能性があります。 正確にはリボチミジン rT または 5-メチルウリジン m5U を含むことが多いです。 セレノシステイン -tRNA と、 ピロリジン -tRNA は、例外的に他の tRNAにない様々な特徴を持ちます。 アクセプターステム L 字型の短い側に相当します。 一次構造上の両末端が対合していますが、 を含む場合があります。 5' 末端は、リン酸基を持ちます。 3' 末端側は、 CCAの 3塩基が突出し、末端のアデノシン残基に アミノ酸が共有結合します。 CCA 配列 は、ほとんどの では tRNA本体と同様に遺伝子から転写されますが、 と では、転写後に CCA 付加酵素によって付加されます。 古細菌では、クラス I-CCA付加酵素、 真核生物（と一部の真正細菌）では、クラス II-CCA付加酵素によって行われます。 I-U 、 I-A、 I-C、 G-U の塩基対で、熱力学的安定性はワトソン＝クリック型塩基対（ A-U 、 G-C ）と同程度です。 遺伝暗号の適切な翻訳に非常に重要です。 アミノ酸の数（ 20）と、コドンの数（ 64）に差異がある遺伝暗号は、 差異をアンチコドン第 1塩基に起こる、 塩基対修正によって埋め合わせをしています。 修正塩基 に、ヒポキサンチン（ヌクレオシド型は イノシン I ）、 G-U 塩基対があります。 ヒポキサンチン は、ウラシル、アデニン、シトシンと塩基対形成が可能です。 ウラシル は、アデニンに加えて、グアニンとも塩基対形成が可能です。 アンチコドン mRNA 上のコドンと対合する 3 塩基です。 しかしこの対応関係は、 1対 1とは限らず、 1つのアンチコドンが同じアミノ酸をコードする複数のコドンを認識する場合があります。 1 対 1の場合、 61 種の tRNAが必要になりますが、通常はこれよりも少ない種類の tRNAしか存在しません。 これらの修飾塩基は、複数の塩基と水素結合を形成できるため、こうした tRNAは 3文字目だけが異なる複数のコドンを認識できます。 tRNA は、特定のアミノ酸としか結合しませんが、遺伝暗号が縮重しているため、 異なるアンチコドンを持つ tRNAが同じアミノ酸と結合する場合があります。 1 つのアミノ酸に対して 2種類以上の tRNAが存在し、 1 つの tRNAは複数のコドンに対応できるため、 30 から 40種の tRNAが 1つの翻訳系で使われます。 アミノアシル化 tRNA の 3'末端にある CCAのアデノシン残基には、 tRNAごとに特定の アミノ酸が結合して アミノアシル tRNAとなります。 この反応をアミノアシル化といい、 アミノアシル tRNA合成酵素（ aaRS ）によって触媒されます。 通常はアミノ酸ごとに 1種類の aaRSが存在しており、 アンチコドンが異なる複数の tRNAを 1種の酵素が認識してアミノアシル化を触媒しています。 コドンとアミノ酸の正確な対応には、 tRNAと aaRSの特異的な相互作用が必須となります。 この対応関係は、アンチコドンだけを認識して決定しているわけではないようです。 （ aaRS 、 ARS） 特定のアミノ酸を、対応する tRNAにエステル結合させて、 アミノアシル tRNAを合成する酵素です・・・ つまり、 と、 をつなぐ酵素ですね。 アミノアシル tRNAは、 リボソームに運ばれて、 tRNA部分の 3塩基からなるアンチコドンが、 mRNA のコーディング領域の と対合し、タンパク質合成に用いられます。 つまり、 3塩基のコドンと 1アミノ酸の対応付けが行われる場はリボソームであっても、 実際にコドンとアミノ酸の対応関係を示す遺伝暗号は、 aaRSの特異性にもとづいて規定されていることになります。 通常の生物では翻訳に使用されるアミノ酸 20種類に対し、それぞれ対応する aaRSを持っています。 3 つの生物界 、 、 の間で、一次配列上の特徴が分かれていることが多いです。 RNA ワールド において、 tRNA様のアダプター分子に、 RNA リボザイム がアミノ酸を結合させており、 aaRS は、基質特異性を厳密に維持しつつも、最古のタンパク質として多様な進化を遂げた、という説もあります。 分類 aaRS は、大きく 2つのクラスに分けられます。 それぞれのクラスは、さらに Ia、 Ib、 Icおよび IIa、 IIb、 IIcに分けられます。 多くの生物では、 バリン、ロイシン、イソロイシン、グルタミン酸、グルタミン、アルギニン、メチオニン、システイン、トリプトファン、チロシン、 に対応する aaRSが、このクラスに属します。 尚、クラス Iの、リジル tRNA合成酵素をもつ真正細菌、古細菌も存在します。 反応の第二段階において、 tRNAの 2' -OHに を結合させます。 多くは、 グリシン、アラニン、アスパラギン酸、アスパラギン、ヒスチジン、リジン、セリン、トレオニン、フェニルアラニン、プロリン、に対応する aaRSが、このクラスに属します。 反応の第二段階において、 tRNAの 3' -OHにアミノ酸を結合させます。 反応機構 aaRS は、 2段階の反応で ATPの加水分解と共役してアミノ酸を tRNAに結合させます。 ATP と対応するアミノ酸 または前駆体 が、 aaRSの基質結合部位に結合すると、 中間体である、 アミノアシル AMP アミノアシルアデニレート が形成され、 ピロリン酸 PPi が遊離します。 一次構造 ： ペプチドやタンパク質のアミノ酸配列です。 ： タンパク質の全体的な立体構造です。 四次構造 ： サブユニットから構成される多量体です。 その他 ： 、 タンパク質の構造でみられる、アミノ酸の繰り返し単位、または、特徴が共通して見られる単位や配列です。 タンパク質の配列や構造の一部で、他の部分とは独立に進化し、機能を持つものです。 ドメインは、コンパクトな三次元構造を作り、独立に折りたたまれ、自己安定化されることが多いです。 のような短いドメインは、金属イオンや、 、によって安定化されます。 多くのタンパク質が、いくつかのドメインからなり、ドメインは、進化的に関連した多くのタンパク質の中にみられます。 ：タンパク質が特定の立体構造に折りたたまれる現象です。 ： タンパク質は自発的に、 的に最も安定な立体構造をとる、というものです。 自発的にフォールディングせず、 シャペロンの補助を必要とするタンパク質もあります。 は、他のタンパク質分子が正しい折りたたみをして機能を獲得するのを助けるタンパク質です。 、などがあります。 ヘリックス 右巻きラセン型です。 （ DNAの二重ラセンも右巻きです。 ） 骨格となるアミノ酸の全てのアミノ基は、 4残基離れたカルボキシル基と を形成しています。 メチオニン、アラニン、ロイシン、グルタミン酸、リシン は、ヘリックスを作る傾向が強いですが、 プロリン、グリシン、チロシン、セリン はヘリックスを作りにくいです。 特に は、ヘリックス構造を壊したり、歪めたりしてしまいます。 また は、ヘリックスの形成を阻害します。 この構造は、ヘリックス内の 、タンパク質間相互作用、金属イオンの結合などによって安定化されます。 ループには、カルシウムイオンを結合するための が必ず含まれます。 三本鎖ラセン構造 歪んだ三角柱を形成し、それぞれの面はヘリックス内 に対し、平行になっています。 特徴的な 6残基の繰り返し配列を持ちます。 3 つのシートのうち、繰り返しモチーフを含む 1つは、二本鎖ラセンを作る他の 2つに対して曲がっているように見えます。 ループでつながった他の 2つのシートは、任意の長さを持ち、別のドメインを持つこともあります。 右巻きのものは、 ペクチン酸リアーゼや、 P22 ファージのタンパク質があり、 左巻きのものは、 UDP-N- アセチルグルコサミンアシルトランスフェラーゼや、古細菌の 炭酸脱水酵素などがあります。 中によく現れる構造です。 グリシン - プロリン - ヒドロキシプロリン 、の 3アミノ酸配列の繰り返しからなる、三本鎖ラセンから構成されています。 3 本の鎖は、 でつながっていますが、水素原子の供給源はグリシンのアミノ基であり、受容源は他鎖の残基のカルボキシル基です。 ヒドロキシプロリンのカルボキシル基も、水素結合に関与しています。 平面構造 隣り合ったペプチド鎖の間で、一方の主鎖の N-H の部分が、 隣接する主鎖の の部分と を形成し、全体として平面構造を形成しています。 こうして形成される多くの 水素結合により、安定で丈夫な構造となります。 シートの一方の面に現れるアミノ酸残基の多くが疎水性で、他方は親水性です。 最も基本的な機能は、突然変異などによって生じた余分な残基を収容し、タンパク質の機能を保つことです。 また 免疫グロブリンタンパク質などでは、 lgドメインの二量化を助けています。 アミロイドーシス、ポリグルタミンやトランスサイレチンのリピートなど、 様々なタンパク質の ミスフォールディング病の中間体となっていると考えられています。 右巻きのものも、天然に少数存在します。 H P P H P P P 、という 7残基の繰り返しを必ず含みます。 （ Hは疎水性アミノ酸、 Pは極性アミノ酸） ヘリックスと相互作用する領域には、 などの疎水性残基が多いです。 原形質のような水溶液中で、 2つのヘリックスを結合させる簡単な方法は、 疎水性残基同士を内側に向けて貼り合わせることです。 二量化すると、外側に疎水性の面がなくなるからです。 この構造を持つタンパク質には、遺伝子発現を制御するものや転写因子など、 重要な生物学的機能を持つものが多いです。 がん遺伝子由来の c-fos 、 junや、 筋肉中の トロポミオシンがあります。 （ヘリックス・ループ・ヘリックス） 2 つの が、短いペプチド鎖でつながった構造を持ち、 DNAに結合する性質を持ちます。 DNA への結合は、 と、塩基部分の によります。 遺伝子発現を制御するタンパク質に多くみられます。 しばしば カルシウムイオンを結合した、 12アミノ酸残基程度の短いリンカーループでつながっています。 ループ部分の 5残基がカルシウムと結合し、ここには や などの 酸性アミノ酸が非常に出現しやすいです。 ループ中の 6番目の残基は、必ず です。 残りの残基は、 疎水性アミノ酸であることが多く、疎水効果で 2つのヘリックスを強固に結び付けています。 シグナル伝達タンパク質の カルモジュリンや、筋肉に含まれる トロポニン Cでもみられます。 3 ヘリックスバンドル 三次構造のうち最も小さく、 DNA 結合タンパク質など、アクチンと結合するタンパク質によくみられます。 HIV にある 40残基の修飾タンパク質も同じような構造を持ちます。 4 ヘリックスバンドル 疎水性残基を内側に配して 4つのヘリックスが、 構造を形成していることが多いです。 隣接するヘリックス同士は、荷電アミノ酸同士を塩橋で架橋して安定化されています。 隣接ヘリックスは、逆平行であることが多いですが、平行ヘリックスの組同士が逆平行になっている場合もあります。 2 つのヘリックスからなるコイルドコイルは、それ自体で安定であるため、 Rop タンパク質 のように、 2つのヘリックスからなるコイルドコイルが 2つ集まった形をしていることがあります。 シトクロム、フェリチン、成長ホルモン、サイトカイン などがあります。 4 ヘリックスバンドルの配列に保存性は見られませんが、コイルドコイルの配列に近く、 4つかそれ以上の疎水性残基が必ずあります。 ヘモグロビンやミオグロビン の他、 フィコシアニンなどでみられます。 N 末端側の 2つのヘリックスは逆平行に並び、 C末端側の長いヘリックスは軸に対してほぼ垂直に配置しています。 DNA と直接作用するのは、この 3番目のヘリックスです。 DNA 、 RNAに結合し、 転写因子でよくみられます。 このドメインは、主に に存在しますが、 ラムダファージも高い相同性のタンパク質を持ちます。 真核生物のホメオドメインは、個々の組織や器官を作る遺伝子を協調して発現させ、細胞分化を引き起こします。 葉緑体 の 光捕集系複合体のサブユニットにみられます。 渦鞭毛藻 の ピペジニンや、 クロロフィルを含むタンパク質や、 真核生物 の 核膜孔複合体を作るタンパク質のドメインにもみられます。 シートの交差は x字型になり、 N末端側と C末端側のヘアピンが向き合う形になります。 この構造は、 ポリンなど、 細胞膜貫通タンパク質、 リポカリンなどの疎水性リガンドと結合するタンパク質でみられます。 酵素の活性中心 は、たいてい中央の窪みにきますが、ここでは 4枚の羽根がループでつながっています。 トリオースリン酸イソメラーゼ （ Triosephosphate isomerase ）の頭文字を取って命名されました。 主に 酵素中で保存性の高い構造です。 20-30 残基のアミノ酸の繰り返し配列で、疎水性の の割合が多いです。 シートとヘリックスの境界領域が疎水中心で、ロイシン残基が空間的に密に詰まっています。 このモチーフは、機能的な関連がない多くのタンパク質でみられます。 ジスルフィド結合の形成 や、 異性化を触媒する酵素に共通に含まれています。 も、 も持っています。 全体がねじれて三葉結び目（さんようむすびめ）型を作る構造をしています。 このフォールド形成は、 の異性化によって起こるようです この構造は活性部位にあり、 酵素の活性にとって重要な働きをしています。 多くはゆるい結び目ですが、 きつい結び目のものは、 の RNA 結合タンパク質、 の、 や、 転移 RNA修飾タンパク質でみられます。 真核生物では見つかっていません。 （ RNAアーゼ A） 一本鎖 RNAを切断 するエンドヌクレアーゼの 1つです。 この酵素は、 4つの を持ちます。 2 つはフォールディングに必須です。 RNA アーゼ A は、等電点が約 8. 63の 塩基性のタンパク質であり、多数の陽電荷が RNAとの結合に関与します。 さらに、非常に極性が大きく、疎水性基が少ないため、構造の安定化のために 4つもジスルフィド結合が必要となります。 がん遺伝子由来のタンパク質、 Src と Fpsの共通配列として発見されました。 シグナル伝達 に関わるタンパク質など、細胞間タンパク質が同様の構造を持ちます。 SH2 は、標的遺伝子のモチーフに存在する、リン酸化された を認識して、結合します。 リン酸化チロシンは、シグナル伝達の際に チロシンキナーゼによって生成されます。 この 2つの関係は深く、 の進化の過程で、チロシンキナーゼと SH2ドメインが同時期に出現します。 多くのシグナル伝達タンパク質が、細胞内局在や酵素活性の発現に対して、タンパク質 -タンパク質相互作用による調整を受けています。 複雑なシグナルネットワークを構築するのに、生物がどのように ドメイン間の相互作用を利用したのか、という重要な概念につながりました。 SH2 ドメインは、酵母には存在せず、進化上、原生動物と変形菌の間でできたと考えられています。 その他の構造など 二次構造のモチーフの 1つで、平行に並んだ による接着力を持ちます。 遺伝子発現の調整に関わるタンパク質など、二量化したドメインに共通してみられます。 このモチーフを持つタンパク質には、成長の調節を行う重要な転写因子である、 c-fos や c-junなど（ AP-1）や、 myc、 max、 mdx1などの mycファミリー があります。 主に真核生物の特徴ですが、原核生物でもみられます。 （ ジンクフィンガー） 1 つの と、 2つの からなり、 DNAに結合する性質を持ちます。 小さくて疎水中心を持たないため、 イオンが安定化にとって重要です。 Cys-X2-4-Cys-X3-Phe-X5-Leu-X2-His-X3-His 、という保存配列を持ちます。 多くの転写因子や調節タンパク質でみられ、 初期の神経の発達を調整する、ニューロン特異的な転写因子でもみられます。
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