タンパク質合成

タンパク質合成を理解するのは、私たちの DNA をレシピ本と想像すると簡単です。 この本には、私たちの体内のあらゆるシステム、臓器、組織のあらゆる小さな部品を作る方法を細胞に示す指示が記載されています。 これらの個々の部品はすべてポリペプチドです。 髪や爪のケラチンから、血液中を流れるホルモンに至るまで、ポリペプチドとタンパク質はあらゆる構造の礎石となっているのです。

RNAポリメラーゼという酵素は、細胞核の中にあるDNAレシピブックを開きます。

RNAポリメラーゼという酵素が、細胞核内にあるDNAレシピブックを開き、特定のコードをブックマークとして使い、正しいページを探します。 このレシピブックは外国語で書かれており、mRNAはそれを理解することなく、書かれていることをコピーします。 レシピは、後に他の分子が解読できるような言語に翻訳される。 翻訳者はリボソームとtRNAである。 彼らはレシピを読み、正しい材料を集め、正しい順序で、ポリペプチドの完成品を作ることができる。

DNA Sequence

核の中では2本鎖のDNAは窒素の塩基によって結合されています (nucleobases or basesともいいます) 。 シトシン、グアニン、アデニン、チミンの4つの塩基が、DNAレシピ本の単語の文字を形成しています。

DNAの1本の鎖は、オリジナルのコードを保持しています。 このコードの指示に注意深く従えば、特定の正しいポリペプチドを核の外で組み立てることができる。 2本目のDNA鎖、すなわち鋳型鎖は、オリジナルの鎖の鏡像である。 核酸塩基は相補的な相手としか結合できないので、鏡像でなければならない。 例えば、シトシンはグアニンと、チミンはアデニンとしかペアにならない。

CTA といったコードを見てきたと思いますが、このようなコードもあるのでしょうか？ 生物の教科書には、ATA、TAA、CCCなどが載っています。 これらが元のDNA鎖のコドン（3つの塩基のセット）であれば、鋳型鎖はそのパートナーを使ってこれらにくっつくことになります。

次に、メッセンジャーRNAが鋳型鎖をコピーします。

次にメッセンジャーRNAが鋳型鎖をコピーし、最終的に元の鎖の正確なコピーを作成します。

次にメッセンジャーRNAが鋳型となる鎖をコピーします。 この例から、mRNAがコピーする鋳型鎖はCUA, AUA, UAA, CCCとなる。

The codes can be read by transfer RNA outside the nucleus.DNA DNA DNAは、核の外にある転送RNAによって読み取られます。 レシピは、オリジナルで使用されている言語を完全に理解していない分子でも理解することができます（チミンを理解せず、ウラシルのみを理解します）。 トランスファーRNAは、適切なパーツをリボソームの組み立てラインに運ぶ手助けをする。 そこで、元の DNA 鎖の指示に一致するタンパク質鎖が構築されます。

タンパク質合成の貢献者

コピーされたコードのストレッチ（転写）を行うには、RNA ポリメラーゼという酵素が必要です。 これらの酵素は、核の中に自由に漂っているメッセンジャーRNA（mRNA）分子を集め、コードの文字を形成するためにそれらを組み立てます。 DNA コードの各文字には独自の鍵があり、mRNA によって形成された新しい文字は、tRNA のように、この鍵に合った錠前を運んでいます。

私たちが文字について話していることに注目してください。 これは重要なことです。 核の中では、DNAコードは理解されず、単にコピーされ、転写されるだけです。 この文字でできた言葉を綴ることでコードを理解すること、つまり翻訳することは、後の段階で行われる。

RNA polymerase はテンプレート鎖の各窒素ベースに適した mRNA 分子を探して持ってこなければなりません。 選択されたmRNA分子は互いに連結し、文字の鎖を形成する。 最終的には、これらの文字がフレーズに相当するものを綴ることになる。 それぞれのフレーズは、特定の（ポリペプチドの）産物を表している。

メッセンジャーRNAは今や暗号と化しています。

メッセンジャーRNAは今やコードとなり、製造工場として働く次の重要な貢献者のグループへと移動する。

リボソームは細胞核の外で、細胞質内か、粗い小胞体に付着しています。小胞体を「粗く」しているのはリボソームです。 リボソームは、翻訳されたフレーズの先頭にある特別なコード、すなわち開始コドンを認識して接続する。 トランスファーRNA分子は、それぞれの成分を持ってリボソームに入る。 これらのすべてのプロセスと同様に、接続を行うには酵素が必要である。

mRNA コドンごとに鍵があれば tRNA には鍵がついているわけである。 mRNAのコドンに対するtRNAの鍵はアンチコドンと呼ばれる。 tRNA分子は3塩基のコードに一致する鍵を持つと、ドアを開けて荷物（アミノ酸）を降ろし、リボソーム工場を出て別のアミノ酸の荷物を集めることができる。

メッセンジャーRNAは、まるでベルトコンベアーに乗っているかのようにリボソーム上を移動する。 次のコドンでは、別のtRNA分子（正しいキーを持つ）が次のアミノ酸を運んでくる。 このアミノ酸は前のアミノ酸と結合する。 アミノ酸が結合した鎖、すなわちポリペプチドの鎖が形成され始める。 このポリペプチド鎖が完成すると、DNAレシピ本の指示通りに製造された正確な最終製品になる。

mRNA コード翻訳の終了は停止コドンにより通知されます。

完成した製品、つまり新しく合成されたポリペプチドは、細胞質へと放出されます。

タンパク質合成の現場

タンパク質合成の現場には、2つの側面があります。 転写（コードのコピー）は、DNAのある細胞核内で行われる。 DNAの小さな部分のmRNAのコピーが作られると、核の孔を通って細胞の細胞質へと移動する。 細胞質内では、mRNAの鎖は遊離のリボソームまたは粗面小胞体に付着したリボソームに向かって移動する。

リボソームの新しい役割

平均的な哺乳類細胞には、1000万個以上のリボソームが存在します。 がん細胞は、毎分7,500個ものリボソームサブユニット（小および大）を産生することができます。 ポリペプチドを生産する工場として、すべての生物の存在、発達、機能はリボソームに依存しています。

これまで、真核生物のリボソームがタンパク質合成に関与（新しいタンパク質という効果をもたらす）のは効果因子だけだと考えられていました。 しかし、最近の研究により、リボソームは翻訳プロセスも制御していることが分かってきました。 リボソームは、どのタンパク質をどれだけ作るかを決定する役割を担っているのです。

タンパク質合成における転写

転写プロセスは、タンパク質合成の最初のステップです。 このステップでは、DNAから細胞質または粗面小胞体のリボソームへ遺伝情報を伝達する。 転写は、開始、伸長、終結の3つの段階に分けられる。

Initiation

開始には二つの特別なタンパク質群が必要とされます。 最初のグループは転写因子で、これらはDNA中のプロモーター配列を認識します。 プロモーター配列とは、1 つの遺伝子の先頭にあるコードのセクションで、コピー プロセスを開始する場所と、このコードを読み取る方向を示しています。

転写開始に必要な2つ目のタンパク質群は、DNA依存性RNAポリメラーゼ（RNAP）から構成されています。 RNAポリメラーゼ分子はプロモーターに結合する。 この結合が行われると、二本鎖のDNAがほどけ、開く（アンジップ）。

2本鎖のDNAは塩基同士がつながって二重らせん状になっており、この二重らせん状の部分をRNAポリメラーゼ（RNAポリメラーゼ）と呼びます。 2本の鎖のジッパーを開けると、個々の、今は結合していない塩基が露出したままになります。 RNAPは、転写停止点またはターミネーターに到達するまで、DNAの伸張に沿ってこのプロセスを繰り返す。 したがって、転写開始には、プロモーター配列の認識と、転写因子およびRNAポリメラーゼの影響下でのDNAの部分の解凍が必要である。

Elongation

転写過程の次の段階として伸長（elongation）が行われます。 コード化された配列が露出しているため、RNAPは鋳型鎖上の個々のアデニン、グアニン、シトシン、チミン塩基を読み取り、それに正しいパートナー塩基を接続することができる。

例えば、鋳型鎖上の短いDNA配列がC-A-G-T-T-Aまたはシトシン-アデニン-グアニン-チミン-チミン-アデニンで表される場合、RNAPは核内の自由浮遊塩基集団から得られた正しいパートナー塩基を接続します。 この例では、RNAポリメラーゼはグアニン塩基をシトシンに、ウラシルをアデニンに、シトシンをグアニンに、アデニンをチミンに結合させて、コード化された窒素塩基配列G-U-C-A-Uを持つメッセンジャーRNAの鎖を形成することになる。 このプロセスは、RNAP酵素がそれを終結させる遺伝暗号の配列-ターミネーター-を検出するまで繰り返される。

終結

RNAP は終結のシーケンスを検出したら、転生の最終段階、終結が行われます。 RNAPの列はDNAから切り離され、その結果、メッセンジャーRNAの鎖ができる。

メッセンジャー RNA は、主に拡散によって核膜孔から核を離れますが、目的地に到達するために輸送酵素と ATP の助けを借りることもあります。

タンパク質合成の翻訳プロセス

翻訳プロセスでは、リボソームの大小のサブユニットが mRNA の鎖を閉じて、内部にゆるやかに捕捉します。 リボソームは鎖をコドンまたは3つの窒素塩基文字の集合に並べる。

リボソームはコードの一部を認識するので、コードを理解していると言えるでしょう。

リボソームはコードの一部を認識するので、コードを理解していると言える。転写の段階で作られたコピー文字のごちゃごちゃは、翻訳の段階で読んで理解することができるのである。

例えば、GGU、GGC、GGA、GGG はグリシンというアミノ酸をコード化します。 RNAポリメラーゼが誤ってシトシンの代わりにアデニンをGGに接続しても問題ありません。 GGCもGGAも同じアミノ酸のコードである。 20種類の非必須アミノ酸のmRNAコドン一覧はこちら

開始コドンのコードは1つだけです-AUG。 TAA、TAG、TGAの3つのコドンは停止コドンを表している。 開始コドンも停止コドンもアミノ酸のコードには一致せず、非コード化されている。 このコドンホイールには、1つの開始コドンと3つの停止コドンが明確に記されています。

コドンホイール

コドンが見えるようになると、つまり前のコドンがアミノ酸につながると、転移RNA分子の一部がmRNAのコドンにはまり込むようになる。 この「鍵」はアンチコドンと呼ばれる。

何万ものトランスファーRNA分子が、ポリペプチド鎖を作り出す。

何万もの転移RNA分子がポリペプチド鎖を生成する。タイチンまたはコネクチンは最大のタンパク質分子で、約33,000個のアミノ酸を含む。 最も小さな機能的ポリペプチドはグルタチオンで、わずか3個のアミノ酸を含んでいます。 グルタチオンを生成するためには、まずリボソームとtRNAが開始コドン（3塩基）を読み、次にタンパク質をコードする最初のコドン（3塩基）、2番目（3塩基）、3番目（3塩基）、そして停止コドン（3塩基）を読まなければならない。 グルタチオンのコードDNAとmRNAのレシピ（配列）には9塩基が含まれている。 このレシピの中に、さらに非コード化DNAの部分がある場合もあるし、ない場合もある。

転写のプロセスと同様に、リボソーム内での翻訳も、開始、伸長、終了の3段階に分かれる。

開始にはリボソームによるmRNA開始コドンへの認識とが含まれ、また、終了にはリボソームによるmRNA終止コドンへの認識が含まれます。 伸長とは、リボソームがmRNAの転写物に沿って移動し、個々のコドンを認識して露出させ、tRNAが正しいアミノ酸をもたらすことができるようにするプロセスを指す。

最後に、リボソームがmRNAの停止コドンを認識すると、終結が起こる。 完成したポリペプチド鎖は細胞質に放出され、細胞内や他の組織など必要な場所に送られ、エキソサイトーシスにより細胞膜から外に出る。

クイズ

参考文献

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• Barna M. (2013). リボソームが制御する。 米国科学アカデミー紀要, 110(1), 9-10. https://doi.org/10.1073/pnas.1218764110
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