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1節 遺伝子の本体 

 

A 遺伝子の本体DNA

◆物理学者と生物学者

細菌に感染するファージは分子生物学で多用されている。教科書にあげられているハーシーらの研究もその代表例の一つである。その理由は30kb*程度の比較的長いDNA(プラスミドの場合はだいたい5kb程度)を組み込むことができ,また,容易にしかも特別な大腸菌のみに感染するために安価に安全に実験を行うことができるためである。

 

* kbキロベース(kilo bases)と読む。塩基1個を1bと表記する。500個の塩基が並んだ核酸鎖(DNA鎖でもRNA)500bあるいは1k=1000なので0.5kb1000kb1M(mega)1000kなので1Mbとなる。PCRの時に使用するプライマーは20塩基や50塩基であるが,20bとか50bとはせずに,慣例で,重合のポリマーpolymerに由来した20mer50merというように表記する。なおDNA鎖は通常二本鎖であるが,一本鎖が2kbであれば,二本鎖であってもそのまま長さとしては2kbとし,2倍にすることはない。とくに二本鎖を強調するときにはpairpを付加して,2kbpというようにbpbase pairsと表記する。

 

このファージに注目したのは,ドイツ生まれの物理学者デルブリュックである。彼はもともと化学結合の量子理論や原子核理論を専攻していた。その後,遺伝子に興味を持ち,放射線生物学の実験にもとづいた遺伝子のモデルを提案した。31歳のとき渡米して,カリフォルニア工科大学でファージの研究を始め,その増殖実験を手がけた。また,イタリア生まれで米国で研究していたルリアと共に,1940年代からファージの実験的な研究を始めた。ハーシーも彼らのグループで研究した一人である。1969年にデルブリュック,ルリア,ハーシーの3人はノーベル医学生理学賞を受賞している。

どうして物理学者デルブリュックがファージに注目したのだろうか。彼は,ファージが増殖する系を最も簡単な増殖モデルとしてとらえ,その解析に当たった。一般に,物理学者はより単純な系を出発点として,できるだけ普遍的に拡張できる理論の構築を目指す。例えば,実在しない理想気体を仮定して理論を構築する。そして,実際の気体に適用するには補正を加えていくやり方などがその典型であろう。この物理学者魂からすれば,複雑な構造を持つ多細胞生物よりも単純なファージを選んだのは当然とも言えよう。

では,生物学者はどうであろうか。基本的な生命現象を解明しようとするとき,できるだけ単純な系(大腸菌,あるいは精製した酵素)を用いようとすることも多い。しかし,一方において,生物界は「そんな簡単なものではない」として,知識を動員して複離な例外系を誇示する傾向もないとはいえない。その結果,思うように研究が進まず,「そんな簡単には割り切れはしない。生命現象は実に複雑だ」とすることもある。

現在,生物の多様性が注目され,それを保つことが人類も含めた地球上の生物にとって必要であると考えられている。複雑な「人の精神」の生物への探究が成果を上げている中で,大腸菌にもまだまだ解らないことは多い。大腸菌のゲノムの塩基配列やその遺伝子群も完全に解明されているのに,未だ「無生物」から「生きた」大腸菌を作り出すことはできない。単純系・複雑系,物理学・生物学を問わず,さまざまな分野や考えかたを今後とも組み合わせて行くことが必要である。

 

B DNAの化学構造

DNAの構造

DNAには大腸菌のプラスミド(塩基数として2K(K=103)個ぐらい),ヒトの最も短い21番染色体は約50 M (M=106)個,最大の1番染色体では250 M個と様々なものがある。人工合成は20塩基ぐらいのものは1万円以下の価格で1日あれば入手することができる。50塩基ぐらいまでは楽に合成することができる。両端を連結できるように設計すれば,酵素でつなぐことができるので,どんな長さのDNAも計算上は人工合成することができる。

DNAの構造のポイントは相補的塩基配列を持った二本鎖であることである。この結合は強固ではあるが,溶液を沸騰させるとほどける。しかし,冷ますと相補的な二重鎖が再び形成される。もっとも数%の違いがあっても二本鎖を形成することができる。しかし,それが一本鎖にほどける温度は完全に相補的な場合よりも低くなる。これを利用して,手持ちの塩基配列が既知のDNA鎖と未知の配列のDNA鎖とで二本鎖を作らせて,それが解離する温度から非相補的な塩基がどのくらい含まれているかを推測することができる。

RNA鎖が2本,あるいはDNARNA1本ずつでも二本鎖を形成することができる。伝令RNAは情報伝達手段であるため,細胞内にいつまでも伝令RNAが残っていると次の情報を伝えることができなくなる。あるいは,必要以上にタンパク質が作られてしまう。そのためRNA分解酵素が生物界で著しく発達している。DNA分解酵素はマグネシウムイオンを除去したり,軽く熱するだけで不活性化する。しかし,RNA分解酵素はぐらぐら煮ても失活しない。完全に除去するには焼かなければならない。そのため実験でRNAを取り扱う場合には手袋をして(皮膚はRNA分解酵素だらけ),つばが飛ばないようにマスクをしてきれいな部屋で慎重に実験を行う必要がある。この強力なRNA分解酵素の多くは二本鎖RNAを分解することはない。

 

C DNAの複製

DNAの複製

DNAの複製は二本鎖DNAが部分的にほどけて,それぞれのDNA鎖の塩基と相補的な塩基が連結することによって,結果的には元のDNAと同じ塩基配列をもったDNAが作られる。

DNAの複製が行われるのは,ふつう細胞の核分裂に先立つ時期である。細胞の一生を細胞周期といい,細胞周期は,G1(DNA合成準備期)S(DNA合成期)M(分裂期)G2(分裂準備期)に分けられる()。それらの中で,DNAの複製が行われるのは,S期である。各期の長さは,細胞の種類や状態により違いがある。生物IIでは,核酸は,細胞の構造と関連して取り扱われていない。しかし,核酸の機能を細胞の構造と結びつけて理解することは,重要と思われる。

DNAの存在部位は,細胞の核内の染色体であることは,よく知られている。ヒトの細胞の場合,1個の細胞内に約1.7m30億の塩基対をもつDNAがある。DNAは幅20(50万分の1mm)であり,核は直径1020μm(50100分の1mm)であるから,そんな小さい核に1.7mものごく細いDNAの糸が巻き込まれているのは,驚くべきことである。教科書の図などに,DNAの分子構造が拡大して示されているが,実際の大きさを考えてみると,全体を構成する分子がいかに精巧にできているかがわかるであろう。

DNAの遺伝情報は生命活動の基本情報であるために,ヒストンなどのタンパク質によってがっちり守られている。つまり,地下金庫に納められているようなものである。しかし,情報はため込んでいるだけでは,まさに,「宝の持ち腐れ」である。タンパク質合成のためには必要な情報を迅速に取り出す必要がある。コンピュータなら地下金庫室に守られたマスター・コンピュータの必要な情報を窓口の端末から素早く見ることができる。しかし,細胞核のDNAではタンパク質でがっちりまもられている。にもかかわらず,適切な領域でmRNAに迅速に遺伝情報が転写される。

 

 








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