central dogmamuraka-h/class/2015/biochem-10.pdf遺伝暗号 遺伝子 dna a, g, c, t の配列...
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遺伝暗号 遺伝子 DNAA, G, C, T の配列タンパク質のアミノ酸の結合順を規定
タンパク質(酵素) => 生化学反応を担う20種のアミノ酸が一定の配列で結合して作られる
messenger RNA (mRNA)遺伝子 DNA の配列のコピー A, G, C, U
transcription 転写 DNA の配列をコピーする事
translation 翻訳 mRNA のAGCUの配列(遺伝子DNAの配列)にしたがい、アミノ酸を結合させて行く(タンパク質合成)
replication 複製 2本鎖 DNA が自分自身のコピーを作る(DNA合成)細胞が分裂する前に遺伝子DNAを2倍にする
Central Dogma
---AGCTAGGTTC------GCGATCCAAG---
~~~AGCUAGGUUC~~~
transcription
どのような約束でアミノ酸の配列に変換されるか
遺伝暗号
細胞にはおもに3種類のRNAが存在する ー タンパク質合成に関与
H DNA
OH
OH2'
2'
messenger RNA (mRNA) 塩基配列をDNAから写し取ったものtransfer RNA (tRNA) 特定のアミノ酸を結合しリボソームでmRNAの配列にしたがい並べる。ribosomal RNA (rRNA) ribosomalタンパク質とともにribosomeを構成 アミノ酸を結合させ、タンパク質を合成
tRNA
mRNA
ribosome
tRNA
AGCU
RNA
分子細胞生物学第4版 Fig4-20
5' 3'
Stryer生化学4章p114
遺伝暗号 genetic codeどのような規則にしたがって、mRNA の AGCU (AGCT) の配列が、20種類のアミノ酸の配列に変換されるか。アミノ酸 20種nucleotide 4種 (AGCU)4種 (AGCU)で20種を規定するにはどうしたらよいか?
2ヶのnucleotides で1つのアミノ酸を規定? (AGCU) x (AGCU) 4x4=16通り20種のアミノ酸を規定するには、組み合わせが不足
3ヶのnucleotides で1つのアミノ酸を規定? 4x4x4=64 通り 20種のアミノ酸を規定するには十分(あまる?)
3ヶの塩基の組 = codon 時には複数の組み合わせが、同じアミノ酸を規定する。 同義コドン synonym
たとえば、 Val GUU, GUC, GUA, GUG 4通りが Val を規定縮退 degenerate
アミノ酸を規定しない組み合わせ: UAA, UAG, UGA Stop codon (terminator)-> 「タンパク質合成を止める」指令
「タンパク質合成を始める」指令 = Start codon AUG (Met の codon)すべてのタンパク質は Met ではじまる。
Stryer生化学4章p119
遺伝暗号の解読
大腸菌の無細胞抽出液 cell free extractsmRNA 以外の タンパク質合成に必要なすべてのものを含む
cell free extracts
化学合成した RNA
UUUUUUUUUU---タンパク質を合成させる
Phe-Phe-Phe---合成されたものは
AAAAAAAAAA---CCCCCCCCCC---
Lys-Lys-Lys----Pro-Pro-Pro----
分子細胞生物学Fig4-22
Nirenberg and Matthei 1961
-ACACACACAC--- -Thr-His-Thr-His---
ACACAC
ThrHis
-AACAACAACAACA---
AACACACAA
AsnThrGln
-Thr-Thr-Thr-Thr----Asn-Asn-Asn-Asn----Gln-Gln-Gln-Gln---
3種類のタンパク質の混合物が合成される。
上の2つの実験結果を比べると ACA -> Thr CAC -> His
分子細胞生物学Fig4-23
Koranaの実験
化学合成RNA
化学合成RNA
filter非常に小さな穴が開いている
tRNA, 3塩基のmRNAはfilterを通りぬける。ribosomeは巨大なのでfilterを通過できない
各アミノ酸を結合したtRNA(20種類)とribosomeと化学合成した3塩基のRNA(1種類 この場合は UUU)をまぜると、適切なアミノ酸を結合したtRNAとribosome上で複合体を形成
通過できずfilter上にとどまったtRNAに結合しているアミノ酸をしらべれば、UUUに対応するアミノ酸Pheが判明Nirenberg らの実験
Codon Table
1番目の塩基
2番目の塩基3番目の塩基
たとえば mRNA の配列で UCG -> Ser1 2 3
AUG -> start codon
UAAUAG -> stop codonUGA 合成を終わる
合成を始る
縮退 (縮重)degenerate複数のcodonが同じアミノ酸を規定
3番目の塩基はいずれでも良い場合が多い
reading frame 読み枠C
5' --- -GC CUG UUU ACG AAU UA- ---
3'
N 端
--- --- Leu - Phe - Thr - Asn - ---同じ mRNA でも、どこから3塩基づつアミノ酸に変換する(読み始める)かで、合成されるpolypeptideのアミノ酸の配列が全く異なる。
第1の読み枠
第2の読み枠
第3の読み枠
3通りの読み枠が存在する
分子細胞生物学第4版Fig4-21どの塩基から読み始めるかが非常に重要 Stryer生化学4章p121
GAATTCCGGAAGGGGGCTCTGACCCGTTCCGAGCGCCAACGCAGCCTCTGTAGCCCGCAAGTCTTCGTCGCTTGCTCCGGGCTCTGAAGTCCGGGGCCACCAGGGGCCGCAGCGCTGGGGGGTCGGTCTAGCTGCGAGGATCCGGGCTGCCCACGAAGCGAAGGGCGGGCGCCCAGGATGGGATGCGTGAAGTCCAGGTTCCTCCGAGATGGAAGCAAGGCCTCAAAAACAGAGCCAAGTGCCAATCAGAAGGGCCCTGTGTATGTGCCGGATCCCACGTCCTCCAGCAAGCTGGGACCAAACAACAGCAACAGCATGCCCCCAGGGTTTGTGGAGGGCTCTGAGGATACCATTGTGGTCGCACTGTACGACTATGAGGCTATTCACCGTGAAGACCTCAGCTTCCAGAAGGGAGACCAGATGGTGGTTCTGGAGGAGGCTGGGGAGTGGTGGAAGGCACGGTCCCTGGCTACCAAGAAGGAAGGCTACATCCCAAGCAACTATGTGGCTCGAGTTAACTCTTTGGAGACAGAAGAGTGGTTCTTCAAGGGGATCAGCCGGAAGGATGCAGAGCGCCACCTCCTGGCTCCAGGCAACATGCTGGGCTCCTTCATGATCCGGGACAGTGAGACCACCAAAGGGAGCTACTCGTTGTCTGTTCGAGACTTTGACCCCCAGCACGGAGACACCGTGAAGCACTATAAGATCCGGACGCTGGACAGTGGAGGCTTCTACATCTCTCCAAGGAGCACCTTCAGCAGCCTGCAGGAACTCGTGCTCCACTACAAGAAGGGGAAGGATGGGCTCTGCCAGAAGCTGTCAGTGCCCTGTGTGTCTCCCAAACCCCAGAAGCCATGGGAGAAAGATGCTTGGGAGATTCCTCGAGAATCCCTCCAGATGGAGAAGAAACTTGGAGCTGGGCAGTTTGGAGAAGTGTGGATGGCCACCTACAACAAGCACACCAAAGTGGCGGTGAAGACAATGAAGCCAGGGAGCATGTCCGTGGAGGCCTTCCTGGCTGAGGCCAACCTGATGAAGTCGCTGCAGCATGACAAACTGGTGAAGCTACACGCTGTGGTCTCTCAGGAGCCCATCTTTATTGTCACGGAGTTCATGGCCAAAGGAAGCCTGCTGGACTTTCTCAAGAGTGAAGAAGGCAGCAAGCAGCCACTGCCAAAACTCATTGACTTCTCAGCCCAGATCTCAGAAGGCATGGCCTTCATTGAGCAGAGGAACTACATCCACCGAGACCTGAGGGCTGCCAACATCTTAGTCTCTGCATCACTGGTGTGTAAGATTGCTGACTTTGGACTGGCACGAATCATCGAGGACAATGAGTACACAGCTCGGGAAGGAGCCAAGTTCCCCATCAAGTGGACAGCTCCTGAAGCCATCAACTTTGGTTCCTTCACCATCAAGTCAGATGTCTGGTCCTTTGGTATCCTGCTGATGGAAATTGTCACCTATGGCCGGATCCCTTACCCAGGTATGTCAAACCCAGAGGTGATTCGGGCACTAGAGCATGGGTACCGTATGCCTCGACCAGATAACTGTCCAGAAGAGCTCTACAATATCATGATCCGCTGCTGGAAGAACCGCCCCGAGGAACGGCCCACCTTTGAATACATCCAGAGTGTGCTGGATGACTTCTACACGGCCACTGAGAGCCAGTATCAGCAGCAGCCTTGACAGCAGTAAGGACATGAGCAGAGCCAGAAGCCCCATCAGTGCCTTGACACGCCCAACTTGCTGGGCCCACTCTCAGACACCACACCACACACACTGCAGCTGTTGAGTGGGTGGGAGGACTTCACAATCTCTTTCTGACTCTAGTCATCTGCAATCCGCCACTCTCAGGGCCTCCAAGTTGGTATGTCTCATTTGCCTGGAATGACTGAATTCAATCTATAGCTGTGATTTAAGTGGAAACTGTTAGAATAGTATTTAAATAAAAGATATGAATGTCAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
mouse Hck 遺伝子の cDNA の塩基配列 cDNA mRNA の配列をDNAで書き換えたもの
ATG の位置 タンパク質合成(translation)が始まる可能性がある位置stop codon の位置 タンパク質合成が終了する位置open reading frame タンパク質合成(translation)が起こる可能性がある
( ORF ) ATG (start codon) から stop codon まで
第1のframe
第2のframe
第3のframe
分子細胞生物学第4版Fig8-4
野生型遺伝子
遺伝子にコードされている polypeptide
- coding 鎖、sense 鎖 鋳型鎖、antisense 鎖
1ヶ所、塩基が T->A に変異codon が UUU -> UUA に変化アミノ酸が Phe -> Leu に変化
UUA CGA UGG AUA GCC AAU --missense 変異アミノ酸がひとつ異なるアミノ酸と入れ替わる
nonsense 変異アミノ酸に対応していたcodon が stop codon に変化したため、タンパク質合成が途中で終了
UUU CGA UAG AUA GCC AAU --1ヶ所、塩基が G->A に変異codon が UGG -> UAG に変化アミノ酸が Phe -> Stop に変化
1塩基が T が挿入それ以後のframeがずれcodonが AUA -> UAU GCC -> AGC ----- に変化アミノ酸がほとんどすべて変化途中でstop codonが出て合成が終了する事が多い
mRNA UUU CGA UGG UAU AGC CAA U--
frame-shift 変異塩基が挿入または欠失したためそれ以後のframeがずれ、アミノ酸が変化してしまう。
- 4塩基欠失した場合
3塩基の挿入、欠失ではアミノ酸が1ヶ挿入、欠失するのみで frame はずれない
変異 mutationDNA は coding 鎖に注目
左側が 5'
遺伝子に変異が起きた場合、遺伝子が code する酵素はどうなるか。
transcription
translation
DNA
mRNA
タンパク質(酵素)
ある遺伝子 (coding region)
Leu
Phe
アミノ酸が1つ置換する酵素の立体構造が一部変化酵素活性が低下 (あまり影響がでないこともある)重要な部位のアミノ酸の場合は酵素活性がほとんど消失
野性型酵素
missense 変異
nonsense 変異stop codon が挿入 タンパク質合成が止る。変異部位までの、できかけのタンパク質となる。酵素活性は通常消失する。
frame-shift 変異変異部位から後のアミノ酸がすべて変化酵素の立体構造も変異部位以降、完全に変化酵素活性は通常消失する。
5' 3'5'3'
5' 3'