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2016年11月 6日 (日)

やぶにらみ生物論44: メッセンジャーRNA(mRNA)

1aa1956年にエリオット・ヴォルキンとローレンス・アストラハン(Elliot Volkin and Lawrence Astrachan)は興味深い実験を行いました。

彼らによると、T2ファージを大腸菌に感染させたときに放射性のリンをとりこませて、その後RNAを分析すると、大部分のRNAには取り込まれないが、一部のRNAには顕著に取り込まれるという結果になりました(1)。

その後彼らは研究を進めて、このリン酸をとりこんだRNAの寿命は極めて短く、かつファージのDNAと極めて塩基組成が似ていることを確認しました。

野村眞康らはこのRNAがタンパク質製造工場の一部であるリボソームRNAやアミノ酸を運ぶトランスファーRNAとはサイズが異なり、マグネシウム濃度が高い場合はリボソームに結合しているが、マグネシウム濃度が低い場合は解離することを発見しました(2)。

シドニー・ブレナー(1927~)とフランソワ・ジャコブ( 1920~2013)(図1)らは大腸菌を15Nと13Cの重い元素からなる培地で培養し、ファージに感染させてすぐ、14Nと12Cの軽い元素からなる培地に移しました。そうして作られたRNAを超遠心分析装置で調べました。そうすると半減期が16分で、軽い元素からなる新種のRNAが合成され、これは重い元素からなる安定なRNAが含まれるリボソームに結合することがわかりました。これこそがメッセンジャーRNA(mRNA)だったわけです(3)。

共同研究者のメセルソンはこの実験を行うために13Cのガスをロシア(当時はソ連)からシビアな交渉を経て取り寄せ、炭酸ガスに変換したあと藻類に吸収させて、光合成によって大腸菌の培地に入れる素材を作ったそうです(4)。

この実験で、メッセンジャーRNAの存在を証明したことは非常に重要な研究だと思いますが、なぜかブレナーとジャコブは別件でノーベル賞を受賞し、メセルソンに至っては、すでに述べたメセルソン-スタールの実験でDNAの半保存的複製を証明したばかりか、メッセンジャーRNAの存在を証明したのにノーベル賞をもらえなかったという気の毒な運命でした。

DNAに含まれる有機塩基A・G・C・Tは、T・C・G・Aという新たなDNAの鋳型になりますが、同時にU・C・G・AというmRNAの鋳型にもなり得ます。チミンとウラシルは5の位置にメチル基がついているかついていないかだけの違いです(図2)。

2aa


DNAとmRNAにはもうひとつ違いがあって、それは前者の骨格となる糖はデオキシリボースであり、後者はリボースであるということです。2の位置がHかOHかという違いです(図3 青丸がDNAに含まれるデオキシリボース2の位置のH、赤丸がmRNAに含まれるリボース2の位置のOH)。ウラシルはチミンより不安定、リボースはデオキシリボースより不安定という化学的特性があります。

DNAが世代にわたって安定であるべきなのに対して、mRNAはDNAからその時に必要な情報を読み取るためのツールなわけですから、用が済めばすみやかに消滅することが望ましいのです。

シトシンはときどきウラシルに変わってしまうことがあって、もしDNAの成分にウラシルがもともと含まれているとすると、DNAを修復するシステムがシトシンから変わったウラシルなのか、もとからあるウラシルなのか判別できず困ってしまいます。DNAにはウラシルがないと決まっていれば、問答無用にウラシルを除去してシトシンに変えれば良いのですから、それは可能です。このこともウラシルがDNAに含まれないことの理由と考えられます。

3aa


DNAは特別な場合を除いて二重らせん構造をとっていますが、mRNAは上記のような構造上の違いで通常一重鎖となっています。mRNAが二重鎖になってしまうとリボソームに結合してタンパク質を合成することができなくなるので、一重鎖であることは重要です。

DNA → mRNA →  (リボソーム&トランスファーRNAと連携作業) → タンパク質

という基本的な情報の流れについての図式を描くことができます。後に詳述しますが、リボソームはタンパク質合成工場、トランスファーRNA(tRNA)はアミノ酸を運ぶ運搬体、mRNAはDNAからの情報の運搬体と、とりあえず理解しておいてください。

DNAがDNAポリメラーゼという酵素によって複製されるように、mRNAはRNAポリメラーゼという酵素によってDNAから読み取られます。このことを転写(トランスクリプション)といいます。その状況を図4に示しました。

DNAの二重らせんの一部がほどけて、そこからmRNAのリボンが伸びてくるというイメージです。伸びたmRNAのリボンはリボソームと結合してタンパク質合成に利用されます。細菌の場合はそうなのですが、真核生物の場合、mRNAは核で加工された後、細胞質に送り出され、細胞質でリボソームと結合してタンパク質合成を行います。


4aa


図4は見てきたような話なのですが、1970年になって本当にそのような画像が電子顕微鏡によってキャッチされました(参照5、図5)。DNAの電子顕微鏡写真は特殊な方法によって撮影されますが、開発した Miller Jr らの業績は素晴らしいと思います。

5aa


これはまた後に出てきますが、DNAのすべてが遺伝子の情報で隙間無く満たされているわけではありません。実際には 中間部分-遺伝子-中間部分ー遺伝子という構造になっています。mRNAは遺伝子の部分にしか対応していないので、DNAのすべての部分に対応した mRNAが存在するわけではありません。しかし中間部分には遺伝子の発現を制御する領域などが含まれており、重要な部分も存在します。

参照:

1)Volkin E and Astrachan L. Intracellular distribution of labeled ribonucleic acid after phage infection of Escherichia coli. Virology Volume 2, Issue 4, pp. 433-437 (1956)

2)Nomura M., Hall B.D. and Spiegelman S. Characterization of RNA synthesized in Escherichia coli after bacteriophage T2 infection.Journal of Molecular Biology vol.2(5), pp.306-326 (1960)

3)Brenner, S., Jacob, F., & Meselson, M. An Unstable Intermediate Carrying Information from Genes to Ribosomes for Protein Synthesis. Nature 190, pp.576-581 (1961).

4)http://sickpapes.tumblr.com/post/51016848003/brenner-s-jacob-f-and-meselson-m-1961-an

5)O. L. Miller Jr., Barbara A. Hamkalo, C. A. Thomas Jr., Visualization of Bacterial Genes in Action. Science, Vol. 169, Issue 3943, pp. 392-395 (1970)
http://science.sciencemag.org/content/169/3943/392.full.pdf+html

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