分子生命科学の基礎

慶應義塾大学先端生命科学研究所

斎藤輪太郎

分子生物学分子生物学に足を踏み入れように足を踏み入れよう

地球上には様々な生物がいるけれど…

全ての生物がDNAを持ち、

全ての生物がタンパク質を持つ

生物ならみんな共通の部品を持つ

生命のことを分子レベルで理解すれば、全ての生物のことが一度に分かるかも知れない！

全ての生物は細胞を持つ全ての生物は細胞を持つ

細胞の主な成分は細胞の主な成分は…….?.?

3炭水化物

有機物

2脂質

2多糖

6RNA0.5DNA15タンパク質

巨大分子

0.5ヌクレオチド

0.5アミノ酸

1炭水化物

70水

無機物

細胞の重量比 (%)成分

タンパク質は生命現象の主役！タンパク質は生命現象の主役！

成長ホルモン，インスリン，グルカゴン細胞間連絡体内情報伝達

免疫グロブリン，補体，α２‐マクログロブリン

免疫システム免疫など

ヘモグロビン，ミオグロビン，炭酸デヒドラターゼ

肺と諸器官での酸素交換

呼吸

アルブミン，トランスフェリン，リポタンパク質血液タンパク質栄養の運搬

ペプシン，トリプシン，キモトリプシン，リパーゼ，ヌクレアーゼ

消化酵素食物の消化

コラーゲン，クリスタリン，ロドプシン目のレンズ，角膜，網膜，ガラス体

感覚器

ケラチン，コラーゲン，エラスチン皮膚，毛髪，骨，肺体の形を整える

構成タンパク質の名前（例）体の器官役割

タンパク質はどのように作られる？タンパク質はどのように作られる？

ヒトのタンパク質は数万～数十万種類存在

タンパク質は細胞内で合成される

どうやって数万種類ものタンパク質を正確に作るのか？

どこかに設計図があれば…

タンパク質の情報はタンパク質の情報は染色体の遺伝子に書かれている染色体の遺伝子に書かれている

染色体

核

バクテリア 真核生物

大腸菌、枯草菌、マイコプラズマ菌など 酵母菌、イネ、マウス、ヒトなど

染色体をさらに拡大すると染色体をさらに拡大すると……....

生体高分子生体高分子DNADNA

細胞内の全てのタンパク質の情報が書かれている

各部分はA、C、G、Tの４種類の化学的構造を持つ

DNAは2本鎖…A-T, C-G

ATCGTTTAACGTAGCAAATTGC

ＤＮＡを塩基配列として表すことができる

ggagctgcagcccgaccgcggggaggacgccatcgccgcctgcttcctcatcaactgcctctacgagcagaacttcgtgtgcaagttcgcgcccagggagggcttcatcaactacctcacgagggaagtgtaccgctcctaccgccagctgcggacccagggctttggagggtctgggatccccaaggcctgggcaggcatagacttgaaggtacaaccccaggaacccctggtgctgaaggatgtggaaaacacagattggcgcctactgcggggtgacacggatgtcagggtagagaggaaagacccaaaccaggtggaactgtggggactcaaggaaggcacctacctgttccagctgacagtgactagctcagaccacccagaggacacggccaacgtcacagtcactgtgctgtccaccaagcagacagaagactactgcctcgcatccaacaaggtgggtcgctgccggggctctttcccacgctggtactatgaccccacggagcagatctgcaagagtttcgtttatggaggctgcttgggcaacaagaacaactaccttcgggaagaagagtgcattctagcctgtcggggtgtgcaaggcccctccatggaaaggcgccatccagtgtgctctggcacctgtcagcccacccagttccgctgcagcaatggctgctgcatcgacagtttcctggagtgtgacgacacccccaactgccccgacgcctccgacgaggctgcctgtgaaaaatacacgagtggctttgacgagctccagcgcatccatttccccagtgacaaagggcactgcgtggacctgccagacacaggactctgcaaggagagcatcccgcgctggtactacaaccccttcagcgaacactgcgcccgctttacctatggtggttgttatggcaacaagaacaactttgaggaagagcagcagtgcctcgagtcttgtcgcggcatctccaagaaggatgtgtttggcctgaggcgggaaatccccat

遺伝子の発現のプロセス遺伝子の発現のプロセス

ＤＮＡＡＴＧ

mRNAＡUG

転写

翻訳

タンパク質

TAA

UAA

遺伝子

タンパク質合成タンパク質合成ーー翻訳翻訳

コドン

アミノ酸

UGCUCAUGUUGGACGAGUACA

システイン スレオニンセリン

ACC

スレオニン

mRNA

tRNA

タンパク質

GGG Gly (G)GAG Glu (E)GCG Ala (A)GUG Val (V)

GGA Gly (G)GAA Glu (E)GCA Ala (A)GUA Val (V)

GGC Gly (G)GAC Asp (D)GCC Ala (A)GUC Val (V)

GGU Gly (G)GAU Asp (D)GCU Ala (A)GUU Val (V)

AGG Arg (R)AAG Lys (K)ACG Thr (T)AUG Met (M)

AGA Arg (R)AAA Lys (K)ACA Thr (T)AUA Ile (I)

AGC Ser (S)AAC Asn (N)ACC Thr (T)AUC Ile (I)

AGU Ser (S)AAU Asn (N)ACU Thr (T)AUU Ile (I)

CGG Arg (R)CAG Gln (Q)CCG Pro (P)CUG Leu (L)

CGA Arg (R)CAA Gln (Q)CCA Pro (P)CUA Leu (L)

CGC Arg (R)CAC His (H)CCC Pro (P)CUC Leu (L)

CGU Arg (R)CAU His (H)CCU Pro (P)CUU Leu (L)

UGG Trp (W)UAG *UCG Ser (S)UUG Leu (L)

UGA *UAA *UCA Ser (S)UUA Leu (L)

UGC Cys (C)UAC Tyr (Y)UCC Ser (S)UUC Phe (F)

UGU Cys (C)UAU Tyr (Y)UCU Ser (S)UUU Phe (F)

遺伝暗号表

コドンからアミノ酸、タンパク質へコドンからアミノ酸、タンパク質へ

AUGCCACGUUACUAAM P R H

遺伝子

開始コドン 終止コドン

•• 遺伝子の部分が分かればタンパク質の配列が分かる遺伝子の部分が分かればタンパク質の配列が分かる•• 全遺伝子配列が分かれば、全てのタンパク質の配列全遺伝子配列が分かれば、全てのタンパク質の配列が分かる！が分かる！

入手可能なゲノム入手可能なゲノム(DNA)(DNA)配列の例配列の例

35,0003,000Mヒト

12,000170Mショウジョウバエ

14,000100M線虫

6,00015M酵母菌

4,0004.6M大腸菌

遺伝子数ゲノムサイズ種

全ゲノム配列全ゲノム配列

大腸菌

ヒト２２番染色体の一部

ヒトの染色体

ヒト・マウスゲノムヒト・マウスゲノムの解析の解析

ヒトゲノムのドラフト配列ヒトゲノムのドラフト配列

Nature Feb.15, 2001

２００１年初頭ヒトゲノム読み取り完了２００１年初頭ヒトゲノム読み取り完了

約３０億塩基対

国際プロジェクトチームによる配列

セレラ社による配列

0 10000 20000 30000 40000 50000

ヒトの遺伝子の総数は？ヒトの遺伝子の総数は？

イネ

トラフグ

シロイヌナズナ

線虫

大腸菌

ヒト (従来の推定)

ヒト

ショウジョウバエ

ヒトの遺伝子総数は思ったより何故少ない？ヒトの遺伝子総数は思ったより何故少ない？

タンパク質の組み合わせが複雑

１つの遺伝子から複数の種類のタンパク質ができる

RNA！？

AB

CA B B

CA

C AB C

DNA

A B C

ヒトゲノムのヒトゲノムの97%97%はタンパク質をコードしない？はタンパク質をコードしない？

遺伝子領域は < 3％ 遺伝子領域以外

– 偽遺伝子– ジャンクDNA?– 50%は反復配列（トランスポゾン)

LINE1

LINE1 LINE1ALU

ALU LINE1

飛び回る配列トランスポゾン飛び回る配列トランスポゾン

コード領域を持たないコード領域を持たないRNA?RNA?

Numata et al. 2003

ゲノム

RNA

さらにコード領域を持たないさらにコード領域を持たない多数の多数のcDNAcDNA??

タンパク質をコードしないタンパク質をコードしないRNARNA配列が多くある配列が多くある

ゲノム

RNA

ゲノムの62.5%をカバー

多くのRNAは翻訳されなくても機能を持つ？非翻訳RNAが多量に存在？

遺伝子ではっきり決まるもの遺伝子ではっきり決まるもの

アルコール

アセトアルデヒド

酢酸

ADH

ALDH

酒に強いか弱いか 血液型 遺伝子疾患

遺伝子でははっきり決まらないもの遺伝子でははっきり決まらないもの

遺伝子1

外界からの刺激

体重

遺伝子2

遺伝子3

遺伝子4

遺伝子5

遺伝子6