概要 遺伝子工学 ここでは、遺伝子発現の調節に関与する エレメント（核酸塩基のシグナル）の基本構 成とその機能を解説し、そして人為的な遺伝 子発現制御の各手法を概説する 第10回、11回 遺伝子発現量の人為的制御 1 10.1 遺伝子発現のための基本単位ー大腸菌ー 2 DNAからタンパク質へ 大腸菌での外来遺伝子発現に必要なエレメントとしては、プロ モーター、Shine‐Dalgarno（SD）配列、ターミネーター等がある。さ らに、その発現を制御するエレメントとしてオペレーターなどがあ る。 遺伝子によって、転写されるRNAの量が 異なる。当然、タンパク質への翻訳される 量も異なる。 3 4 RNAの構造 RNAの構造２ アデニンとウラシルと塩基対 をつくる RNAは1本鎖であるが、分子内で塩基対を形成して、特定の構造をとる 5 6 転写に必要なエレメント 転写 プロモーターは、転写を開始する際に、RNAポリメラーゼが結合 するDNA領域をさし、一般に２対のエレメントをもつ。 5’‐TATAAT‐3’ （転写開始点から10塩基上流、Pribnow box) 5’‐TTGACA‐3’ （転写開始点から35塩基上流） 転写によって、DNAの一方の鎖に相 補的なRNAがつくられる DNAをRNAポリメラーゼが転写する。 RNAポリメラーゼは、DNAに沿って少しずつ動きながら先 頭部分でDNAらせんをほどき、重合部分でDNA鎖を鋳型に してRNA鎖にヌクレオチドを1個ずつ付加して行く。 RNA/DNA混合らせんは、9塩基間であり、RNAは、RNAポ リメラーゼの出口から出て行く。 7 プロモーターの働きは、その下流にある、オペレーター配列によ り制御されることもある。オペレーター配列の多くは、20 bpの逆 向き反復配列で、これにリプレッサータンパク質が結合し、下流に コードされている構造遺伝子の発現を抑制する。 また、ラクトースオペロンのCAPのように、プロモーターの80から 160塩基上流領域に転写を促進する因子が結合して、遺伝子発 現が向上する場合もある。 8 原核生物の転写 RNAポリメラーゼに含まれるサブユニット、シグマ因子 がDNA上のプロモーターを認識してDNAに結合する。転 写が始まるとシグマ因子は離れ、RNA伸長反応がその まま行われる。ターミネーターに出会うと、RNAポリメ ラーゼは、DNA鋳型鎖とmRNAとを放す。RNAポリメラー ゼは、その後、遊離のシグマ因子を結合して、別のプロ モーターを探し、結合する。 遺伝子発現の調整 遺伝子となるDNAは、DNAの片方の鎖であるが、 常に同じ向きの鎖が使われるのではない。 真核生物の遺伝子発現は、いろいろな段階で調節できる RNAポリメラーゼは、1種類 RNA転写エラー；1／104 DNA複製エラー；1／107 ニューロンとリンパ球は同じゲノ ムを持つ 9 転写調節因子 10 オペレーターとリプレッサータンパク質 ５つの酵素がそろって初めてトリプトファンが合成される。５つの遺伝子は、１つのオペレーターで制御 されている。 転写調節因子はDNAらせんの主溝に結合する (A),(B) 真核生物のDNA結合モチーフ (C)ジンクフィンガー、(D)ロイシンジッパー 11 12 カタボライト活性化タンパク質(CAP) 転写に必要なエレメント ターミネーターは、転写を終結させるための配列 ρ非依存性 GC‐richな反復配列の後にUが続く配列（Uストレッチ）が 必要、このGC‐rich配列がRNAとして転写されると、RNA はヘアピン構造をとり、RNAポリメラーゼと相互作用して 転写をストップさせる。 環状AMP(cAMP) ρ依存性 Uストレッチがない終結配列には、ρ依存的な転写終結 がおこる。ρはヘリカーゼ活性があり、Uストレッチがなく てもDNA‐RNAハイブリット領域の解離を触媒する。 LacオペロンとCAPによる制御 ラクトースがあると、Lacリプレサーに結合して、Lacオペレーターに結合しなくなる。 13 グルコースがない時には、cAMPをつくり、CAPがDNAに結合する。 14 （2） 翻訳に必要なエレメント 翻訳を効率的に行わせるには、開始コドンAUG（まれにGUG、UUG)と Shine‐Dalgarno（SD配列）が必要。 SD配列・・開始コドンから3～11塩基上流 5’‐AGGAGG‐3’ 大腸菌リボゾーム30Sサブユニットに含まれる16S rRNA の3’末端配列5’‐gaucaCCUCCUua‐3’と相補 15 16
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