遺伝子発現は、特定の遺伝子にコードされている情報を使用して機能性タンパク質またはRNA分子を生成する細胞プロセスです。真核生物、原核生物、ウイルスなど、すべての既知の生命体で発生します。遺伝子のmRNA分子への転写およびmRNAの機能性タンパク質のポリヌクレオチド鎖への翻訳は、分子生物学のセントラルドグマとして知られています。遺伝子発現は、転写、転写後修飾、翻訳、翻訳後修飾など、プロセスのさまざまなステップで制御できます。遺伝子の差次的発現により、細胞は細胞の機能に必要な量のタンパク質を産生することができます。

対象となる主要分野

1.遺伝子発現とは –定義、転写、翻訳 2.遺伝子発現はどのように調節されていますか –真核生物と原核生物の定義、規制

重要な用語：真核生物、遺伝子発現、mRNA、原核生物、タンパク質、転写、翻訳

遺伝子発現とは

遺伝子発現は、遺伝子産物を合成するために遺伝子命令が使用されるプロセスです。一般的に、情報はDNAからmRNA、そしてタンパク質へと流れます。遺伝子発現の2つの主要なステップは、転写と翻訳です。分子生物学のセントラルドグマを図1に示します。

図1：分子生物学のセントラルドグマ

転写

転写とは、遺伝子の情報を新しいRNA分子にコピーするプロセスを指します。これは、真核生物と原核生物の両方における遺伝子発現の最初のステップです。 RNAポリメラーゼは転写に関与する酵素です。転写中には、メッセンジャーRNA（mRNA）、トランスファーRNA（tRNA）、リボソームRNA（rRNA）の3種類のRNAが生成されます。 mRNAは核から細胞質に遺伝情報を運びます。 tRNAは、mRNAとアミノ酸の間の物理的なリンクとして機能するアダプターRNAです。 rRNAはリボソームの不可欠な部分を形成します。転写のプロセスを図2に示します。

図2：文字起こし

ただし、一部のウイルスでは、遺伝物質はネガティブセンスRNAです。ここで、RNA依存性RNAポリメラーゼは、ネガティブセンスRNAをmRNAに転写します。

転写後修飾

転写後修飾とは、一次RNA転写産物を成熟mRNA分子に変換するプロセスを指します。それらは主に真核生物の遺伝子発現で発生します。転写によって生成されるmRNA分子は、一次RNA転写物またはプレmRNAとして知られています。 5 'キャッピング、ポリアデニル化、選択的スプライシングの4つのステップで、成熟したmRNA分子を生成するように処理されます。 NS 5 'キャップ プレmRNA分子の5 '末端にGTPを追加することです。 ポリアデニル化 プレmRNA分子の3 '末端にポリAテールを追加することです。 5 'キャップとポリAテールの両方がmRNA分子の分解を防ぎます。真核生物の遺伝子は、イントロンとエクソンで構成されています。イントロンのみが遺伝子のアミノ酸配列をコードしています。したがって、エクソンはRNAスプライシング中に削除されます。 選択的スプライシング イントロンの異なるパターンを組み合わせることにより、いくつかのポリペプチド鎖のコード配列を生成することです。真核生物のmRNAの転写後修飾を図3に示します。

図3：転写後修飾

ほとんどの原核生物の遺伝子は、オペロンとして知られるクラスターで発生します。オペロンは、単一のプロモーターによって調節されるいくつかの機能的に関連する遺伝子で構成されています。それらは転写して、いくつかの機能的に関連するタンパク質を合成するポリシストロン性mRNA分子を生成します。

翻訳

翻訳とは、mRNA分子によって運ばれる遺伝暗号が解読され、特定のタンパク質のポリペプチド鎖を生成するプロセスを指します。それはリボソームによって細胞質で発生します。ポリペプチド鎖の各アミノ酸の決定には、3つのアミノ酸のシステムが関与しています。アミノ酸を表すmRNAの3つのヌクレオチドはコドンとして知られています。完全なコドンシステムは遺伝暗号として知られています。異なるtRNA分子には、mRNAの各コドンに固定されるアンチコドンが含まれています。したがって、それらはポリペプチド鎖の合成に対応するアミノ酸を持っています。翻訳を図4に示します。

図4：翻訳

翻訳後修飾

翻訳後修飾は、機能性タンパク質のポリペプチド鎖の共有結合および酵素修飾です。機能性タンパク質を生成するために、さまざまな多糖類、脂質、または無機基が追加されます。これらの修飾は、グリコシル化、リン酸化、硫酸化などとして知られています。タンパク質の機能を調節するために、さまざまな補因子を追加することもできます。インスリンタンパク質の翻訳後修飾を図5に示します。

図5：翻訳後修飾

遺伝子発現はどのように調節されていますか

細胞は遺伝子発現を調節して、細胞内で生成されるタンパク質の数を増減させます。真核生物では、転写、転写後修飾、翻訳、翻訳後修飾など、遺伝子発現のさまざまなステップを通じて達成できます。しかし、原核生物では、遺伝子発現の調節は遺伝子発現の開始中に達成されます。

結論

細胞内での機能性タンパク質の産生は、ゲノム内の遺伝子の発現によって達成されます。遺伝子発現の2つの主要なステップは、真核生物、原核生物、ウイルスを含むあらゆる種類の生物における転写と翻訳です。転写とは、遺伝子のヌクレオチド配列に基づいたmRNA分子の生成です。翻訳とは、mRNA分子のコドン配列に基づいたポリペプチド鎖の生成です。真核生物では、遺伝子発現は転写レベルと翻訳レベルの両方で調節することができます。ただし、原核生物の遺伝子発現は、転写の開始時に調節されます。

リファレンス：

1.「10.3.1遺伝子発現とタンパク質合成」。動作中の植物、ここで入手可能。

画像提供：

1.コモンズウィキメディア経由のen.wikipedia（CC BY-SA 3.0）のDhorspoolによる「酵素による分子生化学のセントラルドグマ」2. Genomics Education Programによる「転写のプロセス（13080846733）」–転写のプロセス（CC BY 2.0）コモンズウィキメディア経由3.「図150302」CNXOpenStax経由–（CC BY 4.0）コモンズウィキメディア経由4.「0324DNA翻訳とコドン」OpenStax経由–（CC BY 4.0）コモンズウィキメディア経由5.「インスリン経路」投稿者CommonsWikimedia経由でFredthe Oyster（CC BY-SA 4.0）によってアップロードされました