やぶにらみ生物論４０： 核酸構造解析のはじまり

アルブレヒト・コッセル（図１）はミーシャーが生化学・生理学を学んだホッペ＝ザイラーの研究室、といってもチュービンゲンではなくてストラスブール（現在はフランス）にあった研究室で１８７７年から１８８１年まで助手をしていました。

当時ホッペ＝ザイラーはミーシャーが発見した奇妙な酸性物質ヌクレイン（後に核酸と呼ばれる）に関心を寄せていて、コッセルも巻き込まれることになりました。その後ベルリン大学、大学、マールブルク大学、ハイデルベルク大学で教鞭をとりながら研究を進めました。

１９世紀末から２０世紀初めにかけてコッセルは、化学の手法のみによって、エミール・フィッシャーをはじめとする多くの研究者の協力を得て、核酸（ＤＮＡ）が４種類の成分、アデニン・グアニン・シトシン・チミンと糖を含むことを証明しました（図２）。

現在では低分子物質の化学構造は分析機器によって簡単に判るわけですが、当時は大変な作業で、いろいろと紆余曲折を経てようやく構造決定にこぎつけました。アデニン・グアニン・シトシン・チミンはまとめて核塩基と呼ばれます。

コッセルはこの業績によって１９１０年にノーベル賞を受賞しています。受賞講演の中で彼は、「核酸などの生体分子はビルディング・ブロックにたとえられる部品（ある種の原子のグループ）の集合体で構成されており、部品の段階で体内に吸収されて、体内で計画に基づいて生体分子が形成される」という考え方を述べています（１）。これは非常に先進的な考え方であり、コッセルのセンスの良さを感じます。

もうひとつの核の塩基ウラシルは、１９００年にアルベルト・アスコーリによって酵母の核酸から発見されました。現在ではウラシルはＤＮＡにはほとんど含まれず、もうひとつの核酸であるＲＮＡの成分であることが知られています。現代的表現の構造式を図３に示します。

コッセルは核酸には糖が含まれることを見いだしましたが、糖と核塩基との関係、さらにミーシャーが核酸の成分としているリン酸との関係は明らかではありませんでした。これらの構造的関係を明らかにしたのがフィーバス・レヴィン（図４）です。

レヴィンは１９０５年にニューヨークのロックフェラー医学研究所の研究室長に抜擢され、ずっとそこで研究を続けました。当時この研究所には野口英世も在籍していました。

レヴィンは１９０９年に核酸に含まれている糖がリボース（D-ribose）であるとし、１９２９年にはこれがデオキシリボース（2-deoxy-D-ribose）であると修正しました。

現在ではＤＮＡの成分がデオキシリボース、ＲＮＡの成分がリボースであることが判っています。ここにいたってようやく　ミーシャーのリン酸、コッセルの有機塩基、レヴィンのデオキシリボースというＤＮＡのすべての構成要素が出そろったわけです。

レヴィンのもうひとつの大きな業績は糖・核塩基・リン酸の構造的関係を明らかにしたことです。

図５で示されるように、リン酸－デオキシリボース－塩基が化学結合し、核酸の基本的な構成ユニットとなっていることをレヴィンは解明しました。このユニットはヌクレオチド（nucleotide）と命名されました。

ここまではよかったのですが、レヴィンはこの構成ユニットがどのように連結されているかについて、テトラヌクレオチド仮説という誤った仮説を発表し、大きな混乱をもたらしました。彼の仮説によると、アデニン－糖－リン酸、グアニン－糖－リン酸、シトシン－糖－リン酸、チミン－糖－リン酸という４つのユニットが図６のように連結されて核酸を構成していることになります。レヴィンの業績については文献（２）にまとめられています。

テトラヌクレオチド仮説に対する決定的な反論はスウェーデンの科学者、スヴェドヴェリ（Theodor Svedverg 1884-1971、参照３）によって行われました。スヴェドヴェリは超遠心機を開発し、分子の沈降速度からその分子の大きさを計測しました。それによれば、ＤＮＡはテトラヌクレオチドのような分子とは比較にならないくらい巨大な分子であることがわかりました。

このほかもしレヴィンの説が正しければ、アデニン・グアニン・シトシン・チミンは常に１：１：１：１で存在しなければなりませんが、測定が精密になればなるほどそうではないことが明らかになってきました。こうして謎が深まる一方の状況で、レヴィンは１９４０年に亡くなってしまい、世界は第二次世界大戦に突入します。

最後にヌクレオチド関連物質の命名法について述べておきましょう（図７）。

５炭糖（炭素原子５個を含む糖、時計回りにそれぞれの炭素原子に１～５の番号がつけられています）のデオキシリボースまたはリボースは、炭素原子４個と酸素原子１個からなる複素環にもう一つ炭素原子（５番）が結合した形になっています。１の位置の炭素が有機塩基（ここでは adenine だとします）の窒素と結合してＣ－Ｎ結合でつながっています。このデオキシリボース（またはリボース）と有機塩基が結合した分子をヌクレオシド（nucleoside, ヌクレオサイド）と呼びます。

ヌクレオシドの５炭糖の５の位置の炭素にリン酸が結合した分子をヌクレオチド（nucleotide, ヌクレオタイド）と呼びます。ヌクレオチドにはリン酸が１個または２個または３個結合する場合があり（図７）、区別が必要な場合はそれぞれ、ヌクレオシド１リン酸、ヌクレオシド２リン酸、ヌクレオシド３リン酸と呼びます。

ヌクレオシドには塩基として、アデニン、グアニン、チミン、シトシンが結合している分子があり、糖の２の位置がＨだった場合、それぞれデオキシアデノシン、デオキシグアノシン、（デオキシ）チミジン、デオキシシチジンと呼びます。糖の２の位置がＯＨだった場合は、それぞれアデノシン、グアノシン、ＲＮＡの場合にはチミンでなくウラシルが結合していて、この場合ウリジンと呼びます、そしてシチジンです。チミジンの場合、ウリジンと判別が容易なので、頭にデオキシをつけないことがあります。

５炭糖の２の位置の炭素にＨが結合する場合の糖の名称はデオキシリボース、ＯＨが結合する場合リボースです。ＤＮＡの構成要素はデオキシリボースです。アデニンとグアニンをまとめてプリン、チミンとシトシンとウラシルをまとめてピリミジンと呼ぶことがあります。

次にヌクレオチドですが、例えば図７のようにアデノシンに３つのリン酸が結合している場合で糖がリボースの場合、アデノシン３リン酸（ＡＴＰ＝adenosine triphosphate）と呼びます。２つのリン酸が結合している場合はアデノシン２リン酸（ＡＤＰ＝adenosine diphosphate)、ひとつだとアデノシン１リン酸（AMP=adenosine monophosphate) ということになります。これらの物質の名前は、生化学を学ぶときには嫌と言うほど頻繁に登場します。

糖がデオキシリボースの場合、例えばアデノシン３リン酸はデオキシアデノシン３リン酸ということになり、dATPと表記します。２リン酸の場合dADP、１リン酸の場合dAMPです。

参照：

１）アルブレヒト・コッセルのノーベル賞受賞講演
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1910/kossel-lecture.html

２）レヴィンの業績：PHOEBUS AARON THEODOR LEVENE　1869-1940、Proc NAS USA XXIII  pp.75-126 (1943)
http://www.nasonline.org/publications/biographical-memoirs/memoir-pdfs/levene-phoebus-a.pdf

３）https://en.wikipedia.org/wiki/Svedberg