第5回講義の内容 - 東京医科歯科大学

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生物学基礎
第5回 遺伝子の本体を求めて
和田 勝
東京医科歯科大学教養部
生物学の基本的な枠組み
5.遺伝子の実体
遺伝子の実体はDNAであった。
DNAの構造(二重ラセ
ン)が解明され、遺伝情
報の受け渡しが説明で
きた。
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
をせずに使ってきた。また遺伝子が
染色体に載っているとも言ってきた。
これはどういうことだろうか?
ちょうど今から50年前の1953年に、
DNAの構造が明らかになった。ここ
ではDNAと遺伝子について整理しな
がら理解していこう。
DNAの発見
DNAが発見されたのは1869年で、比
較的、昔のことである。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、機能は不明だった。
ミーシャーが、膿(白血球の
死んだもの)から抽出する。
DNAの発見
有名なホッペザイラーは、細胞説の
化学的な裏付けをテーマとして、研
究室で取り組んでいた。
研究室に入ってきたミーシャーに、
白血球の細胞の化学的成分の研
究を命ずる。
DNAの発見
白血球を生体から集めるのに苦労し
たミーシャーは、病院の包帯に付着
した膿に注目した。
膿は白血球の死体である。病院通
いをして交換して捨てられた包帯を
集めた。
DNAの発見
包帯を洗って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
めた。写真は当時の実験室。
集めた核からリンが豊
富な物質を得た。これを
ヌクレインと名づけた。
しかし、その機能は分からなかった。
遺伝子と染色体
第4回でお話したように、20世紀に入
ってすぐに、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。
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
開始する。
ショウジョウバエは世
代時間が短く、突然変
異体を比較的容易に
作り出すことができた。
左が野生型、右が白眼
の突然変異体
遺伝子と染色体
前のスライドの図は、白眼の突然変
異体だが、ここでは二遺伝子雑種に
ついての研究についてふれよう。
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た。
いずれも劣性である。体色の野生型
をb+とし、痕跡翅の野生型をvg+とす
る。
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)をおこなった。
雑種第一代は、すべて優性の形質が
あらわれた。
雑種第二代では、2つの形質の組み
合わせが9:3:3:1にならなかった。
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、当然
b+vg+、 b+vg、 bvg+、bvgは1:1:1:1
となるはずである。
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のはずである。
実験の結果、b+vg+、 b+vg、 bvg+、
bvgは965:206:185:944であった。
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た。
206+185
組換え体
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
いと考えられる。
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
%だった。
染色体地図
すでにbとvgは17%だと分かっている
ので、
17% 9.5%
9% 17%
cn
b
X
vg
b
vg cn
X
17%
b cn vg
9% 9.5%
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
明らかとなった。
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。
一遺伝子一酵素説
モーガンのところで眼の色の遺伝の
研究をおこなっていたビードルは、シ
ョウジョウバエでは埒があかないと、
アカパンカビに転向。
一遺伝子一酵素説
いろいろと突然変異体を作って、
栄養要求性にいきあたる。
アルギニンを培地に加えないと生
育できない突然変異体。
よく調べてみると、3つの系統が
あることが分かった。
一遺伝子一酵素説
野生型と3つの
系統を使って栄
養要求性を調
べる実験をおこ
なった。
結果は右の図
のようだった。
一遺伝子一酵素説
右図の
ように
考える
とうまく
説明で
きる。
一遺伝子一酵素説
こうして、遺伝子は酵素というタンパ
ク質をコードしていることが明確にな
る。
現在では、遺伝子は1つのポリペプ
チド鎖をコードしていると、訂正され
ている。
遺伝子の本体
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
漠然と考えていた。
遅れてDNA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
れる。
細菌やウイルスが使われた。
遺伝子の本体
グリフィスは、肺炎双球菌を使って
形質転換因子があることを示す。
遺伝子の本体
病原性のなかったR型が、死んだS
型菌と混ぜることによって、病原性
が現れ、S型菌に変わっていた。
何らかの因子が、病原性(およびコ
ロニーの形と莢膜のあるなし)とい
う形質を転換させた。
因子の本体は、わからなかった。
遺伝子の本体
アベリーは、形質転換因子が何かを
求めるため、分解実験をおこなった。
プロテアーゼ(タンパク質
分解酵素)で処理
形質転換
おこる
RNAase(RNA分解酵素)
で処理
形質転換
おこる
DNAase(DNA分解酵素
)で処理
形質転換
おこらない
遺伝子の本体
アベリーの実験は、形質転換因子の
本体がDNAであることを示している。
しかしながら、この結果はすぐには受
け入れられなかった。
4種類しかないヌクレオチドからなる
DNAが遺伝子だとは信じられなかっ
たからである。
バクテリオファージ
決定的な証拠はバクテリオファージを
使った実験から得られた。
バクテリオファージは細菌を食うウイ
ルスで、特有な形態をしている。
バクテリオファージ
バクテリオファージは大
腸菌の表面に取り付い
て、形質因子を大腸菌
内に注入。
大腸菌のタンパク合
成工場を乗っ取って増
殖する。
ハーシェイ・チェイスの実験
取り付いたバクテリオファー
ジが何を注入するかを確か
める実験をおこなった。
まず、外皮のタンパク質を放射性同位
元素Sで標識したメチオニンで標識し
たファージと、DNAを放射性同位元素
Pで標識したファージを用意する。
ハーシェイ・チェイスの実験
ハーシェイ・チェイスの実験
ハーシェイ・チェイスの実験は、ファー
ジはDNAを大腸菌内に注入し、これを
もとに外皮タンパク質をつくっているこ
とを示している。
遺伝子の本体はDNAだという決定的
な証拠が得られた。
DNAの構造
ヌクレインとして発見されたDNAは、ヌ
クレオチドのポリマー。
+
=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の量が等しいと言う
関係があることを見つける。
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
を明確にした。
DNAの構造
ワトソンとクリックの出会い
DNAの構造を解くことが生命の謎に肉
薄できることで意気投合し、DNAの構
造模型を組み始める。
あるとき、塩基が相補的に水素結合を
つくれることに気が付く。
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の画面をマウスで指し(指形)左クリック
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
をくみたてることに成功。
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ことで
複製のメカニズムの説明がついた。
DNAからタンパク質へ
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、説明がつく。
実際にこの仮説が正しいことが証明さ
れる。塩基の3つ組をコドンという。
DNAからタンパク質へ
セントラルドグマ
DNAからタンパク質へ
実際に合成したmRNAを使ってタンパ
ク質を無細胞系で合成させ、これを分
析して暗号を解読。
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る。
暗号対応表が解明される。
DNAからタンパク質へ
T
1
番
目
の
塩
基
C
A
G
T
Phe
2番目の塩基
C
A
Ser
Tyr
G
Cys
Phe
Ser
Tyr
Cys
Leu
Ser
Stop
Stop
Leu
Ser
Stop
Leu
Pro
His
Trp
Arg
Leu
Pro
His
Arg
Leu
Pro
Gln
Arg
Leu
Pro
Gln
Arg
Ile
Thr
Asn
Ser
Ile
Thr
Asn
Ser
Ile
Thr
Lys
Arg
Met
Val
Thr
Lys
Arg
Ala
Asp
Gly
Val
Ala
Asp
Gly
Val
Ala
Glu
Gly
Val
Ala
Glu
Gly
T
C
A
G
T
C
A
G
T
C
A
G
T
C
A
G
3
番
目
の
塩
基
遺伝の本体
遺伝子型
(genotype)
DNA
→
表現型
(phenotype)
→
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確になった。
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。
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
ある。これが突然変異。

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