生物学 第６回　遺伝子はDNAという分子だった 和田　勝

遺伝子とDNA これまではメンデルの要素と遺伝子あるいはDNAを、あまり厳密に区別をせずに使ってきました。また遺伝子が染色体に載っているとも言ってきました。これは一体どういうことなのでしょうか？ いよいよその謎解きに入ります。

遺伝子と染色体 減数分裂時の染色体の動きから、染色体と遺伝子の関係が明確になった、お話をしました。 染色体上に遺伝子が並んでいる？

遺伝子と染色体 モーガンが、ショウジョウバエを実験材料に使って、実験を開始します。 ショウジョウバエは一世代が短く、突然変異体を比較的容易に作り出すことができたからです。 左が野生型、右が白眼の突然変異体（伴性遺伝）

遺伝子と染色体 前のスライドの図は、白眼の突然変異体ですが、ここでは二遺伝子雑種の研究についてお話します。 体色が黒い突然変異体（b）と痕跡翅（vg）となる突然変異体が得られました。いずれも劣性です。体色の野生型をb+とし、痕跡翅の野生型をvg+とあらわすことにします。

モーガンの実験 メンデルの二遺伝子雑種と同じ実験（優性ホモの個体と劣性ホモの個体を掛け合わせ）をおこないました。 雑種第一代は、すべて優性の形質があらわれました。 ところが、雑種第二代では、２つの形質の組み合わせが９：３：３：１になりませんでした。

二つの形質の場合（第4回） これまでは一つの形質に注目してきましたが、二つの形質の雑種の場合はどうなるでしょうか。花の色に加えて種子の形をRとします。 FFRR　ｘ　ffrrとすれば、 雑種第一代はすべて、FfRrとなります。

雑種第二代は（第4回） FfRr ｘ FfRrで、FR、Fr、fR、frという組み合わせの、花粉と卵が生じます。これを掛け合わせると、 ９：３：３：１になります。

モーガンの実験 そこで、雑種第一代のヘテロの個体と劣性ホモの個体を掛け合わせ（戻し交配）、雑種第一代の２遺伝子の組み合わせを調べました。 もしも２つの遺伝子が別の染色体にあって、独立の法則に従うならば、メンデルの実験の花の色と豆の形と同じくb+vg+、 b+vg、 bvg+、bvgは１：１：１：１となるはずです。

戻し交配（検定交配）とは FfRr ｘ ffrr（劣性ホモ）の掛け合わせを行うことをいいます。 FR、Fr、fr、frのが１：１：１：１になります。

モーガンの実験 もしも同じ染色体上にあって、完全連鎖をしているなら、 b+vg+とbvgは、１：１のはずです。 実験の結果、b+vg+、 b+vg、 bvg+、bvgは965：206：185：944でした。 この結果は、２つの遺伝子が同じ染色体上にあり、遺伝子の組み換えがおこったことを示しています。

生殖細胞が作られる時 2つの遺伝子は別の染色体 b+ b vg+ vg

生殖細胞が作られる時 2つの遺伝子は同じ染色体で近接（完全連鎖） b+ b vg+ vg

生殖細胞が作られる時 2つの遺伝子は同じ染色体で離れている（不完全連鎖） 親と同じ組み合わせ 新しい組み合わせ 一定の割合で染色体の乗換え（交差、交叉）によって、染色体の組み換えが起こることがある

モーガンの実験

遺伝子の組み換え そこで組み換え率を計算してみました。 組換え体 206+185 ｘ100＝17% 全体の数 965+206+185+944 ２つの遺伝子座が、近ければ組み換えは起こりにくく、遠ければ起こり易いと考えられます。

染色体地図 そこで組み換え率は距離に比例すると仮定し、３つの遺伝子の２つづつを組み合わせて組み換え率を求め、３つの遺伝子の並び方を推定しました。 新しく同じ染色体上のcn（眼の色の突然変異体）で実験したところ、bとcnの組み換え率は9%、vgとcnは9.5％でした。

染色体地図 すでにbとvgは17%だと分かっているので、 b vg cn 9% 17% b vg cn 17% 9.5% X X 17% b

染色体地図 こうして、いろいろな突然変異体を使い遺伝子座の配列を調べていった結果、４つの連鎖群（ショウジョウバエの染色体は８本）があることが分かり、遺伝子座の相対的な配列が明らかとなりました。 遺伝子は染色体上に、線状に配列していることが確認されたことになります。

染色体地図

遺伝子の本体 最初は、遺伝という現象は複雑なので、タンパク質が遺伝子の本体であろうと漠然と考えていました。 遅れてDNA（はじめに述べたミーシャーのヌクレイン）が遺伝情報を担っているのではないかという研究があらわれます。 細菌やウイルスが使われました。

でもその前に分子とは？ 分子は、物質の最小の構成単位である原子で構成されています。 たとえば水はH2Oです。原子を表示するために、アルファベットを使います。 Hは水素（ hydrogen）、Oは酸素（ oxygen）で、水は2個の水素と1個の酸素から構成されています。

水分子 分子にも形があります。水分子は次のような構造をしています。

水の性質 水はH2O 電荷の偏りがある

水の性質 そのため２個の水分子が近づくと このような結合を水素結合といいます。 H＋-O－---H＋-O－-H＋ 水分子同士の水素結合のために、分子量が小さいにもかかわらず水はきわめて粘性が高く、また沸点も氷点も高いという性質がうまれます。

水は 液体の水は、この分子の集まりです。ものすごくたくさんの数です。１リットルの水は、およそ3.4ｘ1025個の分子の集まりです。

水は 固体 （氷） 気体 （水蒸気） 液体

水は たいていの場合、下のように書くのは煩雑なので、水分子は省略されています。前回に出てきたサイトゾールは本当はこん な感じなの です。

水の性質 タンパク質のような大きな分子も水が周りを包んで（水和という）、水は溶かすことがます。

水の性質 水に食塩の 結晶（上）、グルコース（中右）、タンパク質（下）が溶けている模式図。本当は水分子はもっといっぱいだが。

生体を構成する主な元素 生体を構成する主な元素*は、 炭素（C）、酸素（O）、水素（H）、窒素（N）、リン（P）、イオウ（S） です。これらの原子から生体を構成する分子ができています。 *原子とほぼ同じ意味ですが、原子というのは実体のある粒子を意味し、元素は種類を区別するために使う名称です

生体を構成する主な分子 生体を構成する主な分子は、 １）タンパク質 ２）脂質 ３）炭水化物 ４）核酸 　１）タンパク質 　２）脂質 　３）炭水化物 　４）核酸 です。すべて（生体）高分子で、基本的な単位がつなぎ合わさってできています。

生体を構成する主な分子 １）タンパク質＝アミノ酸 Ｘ ｎ個 ４）核 酸＝ヌクレオチド Ｘ ｎ個 アミノ酸は20種類あります。 R ４）核　　　酸＝ヌクレオチド Ｘ ｎ個 アミノ酸は20種類あります。 R NH2-C-COOH H R（側鎖）が20種類あるということで、赤い部分はすべてのアミノ酸で同じです。

アミノ酸は20種類 R O NH2-C-C H OH 一番、単純なアミノ酸はグリシンで、RはHです。 H O NH2-C-C H OH

アミノ酸は20種類 ロイシンは、次のような形をしています。Rは-CH2-CH(CH3)2です。 CH3 CH3 CH HCH O NH2-C-C H OH

アミノ酸は20種類 アルギニンは、次のような形をしています。Rは-CH2-CH2-CH2-NH-C（NH) -(NH2)です。 H2N NH HCH O NH2-C-C H OH

アミノ酸は20種類 Rの部分は、大きさと、水となじみがあるか(水素結合を作れるか、親水性といいます）、水とはなじみが悪いか（なるべく水から遠ざかろうとする、疎水性）の性質の組み合わさったものが20種類あるということです。 20種類のビーズに糸を通したものがタンパク質だと考えてみてもいいでしょう。

アミノ酸は20種類 これが20種類のビーズ

タンパク質 タンパク質はたくさんのアミノ酸がつながったもの（ポリマー） ペプチド結合といいます。 H2O アミノ酸は脱水縮合で鎖のようにつながる。まずは2つを例に。 ペプチド結合といいます。 これをジペプチドと呼びます。

タンパク質（アミノ酸4つ） Ｎ末端 Ｃ末端 これはテトラペプチドの場合。タンパク質はたくさんのアミノ酸。

タンパク質（アミノ酸たくさん） NH2- -COOH Ｎ末端 Ｃ末端 水色系＝親水性 緑　系＝疎水性

タンパク質 アミノ酸の並び方（配列）をタンパク質の一次構造といいます。 それでは二次構造は？ ペプチド結合を作っている＞C=Oと＞NHの間に水素結合ができ、部分的に規則的な繰り返し構造が生じます。これを二次構造といいます。

タンパク質の二次構造 αヘリックス構造

タンパク質の二次構造 βシート構造

タンパク質の高次構造 タンパク質は、この２つの二次構造の組み合わせで構成されています。 たとえば、酵素タンパク質であるリゾチームは、次のような構造をしています。

タンパク質の高次構造 Bean and stick模型 空間充填模型 卵白リゾチーム α-helix and β-sheet模型

タンパク質のはたらき タンパク質の表面にある、このような凹凸が、様々な機能を生み出すのです。 生体の機能は、基本的にすべて、タンパク質分子が担っています。

遺伝子の本体 さて、ようやく遺伝子の本体です。 これまで述べてきたタンパク質の形を決めているのは遺伝子です。遺伝子の本体はDNAなのですが、DNAそのものの発見は意外にもメンデルの晩年と同時代なのです。

DNAの発見 DNAが発見されたのは1869年です。ただし、このときは物質としてのDNAが発見されたのであって、機能はまったく不明でした。 ミーシャーが、膿（白血球の死んだもの）から抽出したのです。

DNAの発見 包帯を病院からもらう受けて、ここから細胞成分を洗い出し、これにアルカリ溶液を加えて核を集めました。 集めた核からリンが豊富な物質を得て、これにヌクレインという名前を付けましたが、しばらく日の目を見ませんでした。

遺伝子の本体 詳しいことは省略しますが、遺伝子はタンパク質ではなく、ミーシャーが発見したヌクレイン（DNA）であることが明らかになります。

DNAの構造 ヌクレインとして発見されたDNAは、4種類のヌクレオチドのポリマーです。 ＋ ＝ヌクレオシド ヌクレオシドにリン酸がついたものがヌクレオチド

DNAの構造 シャルガフはDNAの塩基の組成を調べ、４種の塩基の比は等しくないが、AとTおよびGとCの量が等しいという関係があることを見つけます。 したがってプリン塩基(A＋G)＝ピリミジン塩基(T＋C)という関係があることを明確にしました。

DNAの構造 ワトソンとクリックの二人はめぐり逢ったのです、イギリスで。 DNAの構造を解くことが生命の謎に肉薄できることをお互いに考えていたことで意気投合し、DNAの構造模型を組み立て始めます。 あるとき、塩基が相補的に水素結合を作ることができることに気が付きます。

塩基の相補性 A T C G

DNAの構造 フランクリンの撮影したX線回折像とシャルガフの通則にピッタリかなう構造をくみ上げることに成功。 二重ラセン構造模型を提出（1953年）

DNAの構造

DNAの構造 DNAの構造をChimeを使ってみてみましょう。 http://molvis.sdsc.edu/dna/fs_pairs.htm 上記のWebSiteにアクセスすれば見ることができますが、ここでは、ダウンロードしたファイルを開いて見ることにします。

DNAの構造 このDNAモデルによって、片方が決まれば塩基の相補性によって、もう一方も自動的に決まるので、体細胞分裂のときにDNAが誤りなく、２つの娘細胞に伝えられることが説明できたのです。

DNAからタンパク質へ それでは、４種類しかない塩基でどうやって20種類のアミノ酸を決めているのでしょうか。 ３つの塩基が1つのアミノ酸を指定していると考えれば、説明がつきます。 実際にこの仮説が正しいことが証明されます。塩基の３つ組をコドンといいます。

DNAからタンパク質へ セントラルドグマ DNAは核から外に出ないので、DNAとタンパク合成の間を取り持つメッセンジャーが必要だと予言されました。これがmRNAです。

DNAからタンパク質へ 実際に人工合成したmRNAを使ってタンパク質を試験管の中で合成させ、これを分析して暗号を解読しました。 最初にUUUがフェニルアラニンをコードしていることがわかります。 こうしてコドンとアミノ酸の対応表が解明されました。

DNAからタンパク質へ 2番目の塩基 T C A G １ 番 目 の 塩 基 Phe Ser Tyr Cys ３ Leu Stop Trp   2番目の塩基 T C A G １ 番 目 の 塩 基 Phe Ser Tyr Cys ３ Leu Stop Trp Pro His Arg Gln Ile Thr Asn Lys Met Val Ala Asp Gly Glu

要素、遺伝子、DNA こうして、メンデルが「要素」と呼び、後に遺伝子と呼ばれ、染色体上に載っていると考えられたものの本体はDNA分子だということが明らかになります。 ワトソン（左）とクリックがDNAの構造（二重ラセン）を解明し、遺伝情報が間違いなく受け渡される仕組みが説明できたのです。

遺伝の本体 遺伝子型　　　→　　　　表現型 （genotype） 　　　　　　　（phenotype） DNA　　　　　→　　　　タンパク質

DNAからタンパク質へ DNAの５’→３’の並び方 アミノ酸のN末端からC末端への並び方 《ただし3つの塩基（コドン）が １つのアミノ酸を指定》

DNAからタンパク質へ こうして、染色体を構成しているタンパク質とDNAのうち、DNAに遺伝情報が書き込まれていることが明かになります。 ３つの塩基の組み合わせ（コドン）がアミノ酸を指定（コード）しているのです。 塩基が変わればコードするアミノ酸が変わり、タンパク質が機能を失うことがあります。これが突然変異です。

小さい世界過ぎたので 分子の世界はとても小さな世界です。想像するのが難しいとおもうので、もう一度復習をしてみましょう。 次のスライドは、指先を例に、10分の一ずつ、拡大していったときの様子です。

サイズの感覚

DNAからタンパク質へ DNAの遺伝情報をもとに、タンパク質がどのように作られるか、もう少し詳しいお話は、次週に続きます。