Biochem-III file 07

生化学Ⅲ 第７回
生化学ⅢSBO-11
転写と翻訳のメカニズム-１
RNAの種類と働きについて説明できる
RNATypesandFunctions
今回のSBOs
RNAの種類と働きについて説明できる
DNAからRNAへの転写について説明できる
SBO-11課題(予習＆復習)
RNAの種類と機能に関連する基本的な用語の意味につい
て確認し、ノートにまとめること。
SBO-11小テスト-1
真核生物のmRNAでは、5 末端側にキャップ構造が、
3 末端側にポリ(A)鎖が付加されている。
hnRNA、mRNA、tRNA、rRNA、snRNA、siRNA、リボ
ザイム、RNAワールド、コドン、アンチコドン、
Yes
キャップ構造、ポリ(A)鎖
復習
RNAは折りたたまれて独自の構造をとる
RNAの相補的な塩基の間で塩基対がつくられることに
より、立体構造が形成される。
RNAワールド説
DNAが遺伝物質として利用される前に、RNAが遺伝情報
の保存と化学反応を担う時代があった？
昔のRNAは、現在のDNAとタンパク質の働きを持っていた。
No
RNAの種類
名称
特徴
タンパク質合成に必要なアミノ酸配
mRNA
列情報をコードする
特定のアミノ酸と結合し、タンパク
tRNA
質合成時にmRNAのコドンを認識する
rRNA リボソームの構成因子
mRNAのプロセシングと遺伝子調節に
snRNA
関与する
mRNAと二本鎖をつくって翻訳を停止
miRNA
させる
mRNAと二本鎖をつくって翻訳を制御
siRNA
する(RNA干渉)
発展
教科書
p402-403
p403-404
p404-405
p405
p406
p406
生命進化とRNA-1
先RNA時代
RNAよりも単純な物質がRNA合成反応を触
媒
RNA時代
RNAが遺伝情報の保存と化学反応の触媒を
担う
発展
生命進化とRNA-2
RNA時代
RNAが遺伝情報の保存と化学反応の触媒を
担う
RNA＆タンパク質時代
RNAが遺伝情報の保存を担い、タンパク質
が化学反応の触媒を担う
復習
生命進化とRNA-3
発展
RNA＆タンパク質時代
RNAが遺伝情報の保存を担い、タンパク
質が化学反応の触媒を担う
現在
DNAが遺伝情報の保存を担い、タンパク
質が化学反応の触媒を担う
mRNAの構造と機能
mRNA
基本的に１本鎖(部分的に２本鎖にな
ることがある)。
アミノ酸の配列情報を持ち、タンパク
質合成に利用される。
原核生物のmRNAの構造と機能
原核生物のmRNAはプロセッシング(化学修飾やスプライ
シング)されない。
真核生物のmRNAの構造と機能
真核生物では、hnRNAがプロセッシング(化学修飾やス
プライシング)されてmRNAになる。
真核生物のmRNAの構造と機能
真核生物のmRNAの5 末端には7-メチルグアノシンが付
加され(キャップ構造)、3 末端にはポリアデニル酸
(polyA)が付加される(ポリAテール)。
真核生物のmRNAの構造と機能
tRNAの特徴
真核生物では、１分子のmRNAに１つの遺伝子がコード
されている。
真核生物のmRNAの構造と機能
真核生物のmRNAには原核生物のようなリボソーム結合
配列が存在せず、リボソームがmRNAの5 末端に結合す
る。
生物系薬学Ⅱp76参照
70
90ヌクレオチドで構成される。
約60種類存在するtRNAの基本構造は同じ。
多くの修飾塩基を含んでいる。
分子内で塩基対を形成することにより三次構造
を形成している。
アンチコドンでmRNAのコドンを認識する。
アミノ酸ステムにアミノ酸が結合する。
tRNAの構造
タンパク質合成には、各コドンに対応したトランス
ファーRNA(tRNA)が関与する。
転写後に化学修飾されるため、特殊な塩基を含
む。
修飾塩基の例
Ψ：プソイドウリジン
Ｄ：ジヒドロウリジン
tRNAの成熟過程
tRNAは前駆体として合成(転写)された後、プロセシン
グされ、塩基を修飾されて成熟型tRNAになる。
アミノアシルtRNA
tRNAの3 末端にそれぞれのコドンに対応したアミノ酸
が付加され、アミノアシルtRNAになる。
mRNAのコドンとアミノアシルtRNAのアンチコドン
リボソームに取り込まれたアミノアシルtRNAのアンチ
コドンがmRNAのコドンと塩基対を形成する。
tRNAの働き
アミノアシルtRNAのアミノ酸残基のアミノ基が伸長中
のペプチド鎖末端のカルボキシル基と反応し、ペプチ
ド結合で連結する(リボソーム必須、ATP不要)。
復習
原核生物と真核生物のリボソーム
真正細菌は70Sリボソームを持ち、真核生物は
80Sリボソームを持つ。
70S
複合体
真正細菌型
真核生物型
16SrRNA
18SrRNA
30S
40S
50S
60S
5SrRNA
23SrRNA
5SrRNA
5.8SrRNA
28SrRNA
Sは沈降係数
リボソームRNA(rRNA)の生成
80S
複合体
大腸菌16SrRNAの構造
rRNAは前駆体として合成(転写)された後、塩基が修飾
され、プロセシングされて成熟型rRNAになる。
生物系薬学Ⅱp77参照
rRNAは分子内で塩基対を形成し、特異的な二次
構造を形成している。
3'末端付近にmRNA認識に関わる配列を持つ。
1,540nt
rRNAの立体構造
リボソームの構造の2/3を占めるrRNAが中
心(コア)になって、その周囲にリボソーム
タンパク質が結合する。
snRNAの機能
各種のsnRNAはそれぞれ特定のタンパク質と結合し、
RNAのスプライシングなどに関与する。
miRNAの機能
核内で合成されたmiRNAの初期転写産物が核外に移行し、
ダイサーによって切断され、タンパク質と結合する。
miRNAとmRNAが二本鎖を形成すると、mRNAが分解される
か、翻訳が抑制される。
RNA干渉(RNAinterfering)
RNA干渉はウイルスなどの二本鎖RNAの排除や、遺伝子
発現制御のために真核細胞がもつ機構と考えられてい
る。二本鎖RNAと相補的なRNAが分解される。
RNA干渉の発見
mRNAと相補的な外来RNAによる翻訳阻害
加えたRNAの量に応じて阻害効果が得られると期待したら・・・
転写因子(トランスポゾン)
翻訳阻害
ウイルスの二本鎖RAN
相補的RNA
mRNA
RNA干渉の発見
siRNAの生成
mRNAと相補的な外来RNAによるmRNAの分解
加えたRNAよりも大きい効果が得られた
二本鎖RNAがダイサーなどを含むタンパク質複合体によ
り切断され、21 25塩基対の断片(siRNA)が生じる。
siRNAの機能
RNA分解
miRNAと同様にsiRNAがRISCと結合し、相補的なRNAを分
解する。
mRNA
相補的RNA
生化学ⅢSBO-12
SBO-12課題(予習＆復習)
DNAからRNAへの転写について説明できる
Transcription
転写に関連する基本的な用語の意味について確認し、
ノートにまとめること。
RNAポリメラーゼ、センス鎖、アンチセンス鎖
RNAポリメラーゼの種類
SBO-12小テスト-1
RNAポリメラーゼは、鋳型となるDNA鎖の3 末端側から
5 末端側に向けて塩基配列を読み取り、相補的な塩基
配列を持つRNAを合成する。
真核細胞には３種類のRNAポリメラーゼが存在し、細
胞内局在と転写するRNAの種類が決まっている。
原核生物
種類
Yes
復習
No
真核生物
１種類 RNAポリメラーゼⅠ RNAポリメラーゼⅡ RNAポリメラーゼⅢ
局在部位
細胞質
核小体
核質
核質
転写産物
全RNA
23SrRNA
18SrRNA
5.8SrRNA
mRNA
miRNA
siRNA
snRNAの一部
5SrRNA
tRNA
snRNAの一部
遺伝子の転写
転写
DNA(遺伝子)はRNA合成酵素(RNA polymerase)の
働きによってRNAに転写される。
(transcription)
真正細菌の転写に必要な因子
転写因子
Ａ遺伝子 Ｂ遺伝子
RNA
合成酵素
Ｃ遺伝子
RNA
RNA合成酵素はDNAをRNAに
転写する(コピーする)。
１，転写制御因子
２，RNAポリメラーゼ
３，ヌクレオチド（4種類）
Recipefortranscription
復習
復習
細菌遺伝子の基本構造
プロモーター
（promoter） 転写開始点
TAA
TGA
TAG
5'
ATG
3'
転写終結点
DNAの鋳型鎖とコード鎖
コード鎖をセンス鎖、非コード鎖をアンチセンス鎖と
呼ぶことがある
3'
コード鎖(センス鎖)
5'
二本鎖DNA
DNA
UAA
UGA
UAG
SD配列
5'
AUG
mRNA
3'
RNA
非コード鎖＝鋳型鎖(アンチセンス鎖)
翻訳開始コドン
翻訳終止コドン
日本薬学会編生物系薬学Ⅱ参照
遺伝子の方向性
復習
復習
遺伝子はそれぞれのDNA鎖にコードされるが、複数の
遺伝子がDNAの同じ領域に重複してコードされること
は希である。
矢印は遺伝子の向き(転写時にRNAポリメラーゼが進む方向)を
示す。遺伝子ａのコード鎖は下側のDNA鎖で、遺伝子ｂのコー
ド鎖は上側のDNA鎖になる。
細菌のプロモーター配列
細菌の遺伝子には、転写開始点上流にプロモーターと
呼ばれる共通配列が存在する。
-35領域
-10領域
転写開始点
5'--TTGACA---------TATAAT------A--3'
3'--AACTGT---------ATATTA------T--5'
共通配列
非共通配列
共通配列
6塩基対
約17塩基対
6塩基対
非共通配列
約10塩基対
(promotersequence)
細菌のシグマ因子の働き
復習
復習
シグマ因子はプロモーター配列を認識し、RNAポリメ
ラーゼを転写開始点に誘導する。
-35領域
-10領域
復習
5'-GTCGAGAGGCGCACTAGCCTCTCAAG-3'
3'-CAGCTCTCCGCGTGATCGGAGAGTTC-5'
RNAポリメラーゼ
細菌の転写ターミネーター
5'-GTCGAGAGGCGCACTAGCCTCTCAAG-3'
DNAやRNAは相補的な配列があると、同一鎖内でも二次
構造をつくることがある。
転写
開始点
5'--TTGACA---------TATAAT------A----3'
3'--AACTGT---------ATATTA------T----5'
シグマ因子
(sigmafactor)
細菌の転写ターミネーター
AC
CT
相補的な塩基対で二次
GA
構造をつくる。
C=G
G=C
核酸の二次 高次構造は随
G=C
所に存在し、様々な細胞機
A=T
能と密接に関係する。
G=C
A=T
5'-GTCAAG-3'
G=C
復習
細菌の基本的転写システム
1. 制御因子がプロモーター付近に結合し、
発現を制御する（例外有）。
2. シグマ因子とRNAポリメラーゼ複合体が転
写開始点に結合する。
3. アンチセンス鎖DNAを鋳型に、RNA鎖が
5'→3'方向に合成される。
4. 転写終結点で転写が終了する。
復習
復習
細菌遺伝子の発現モデル
細菌遺伝子の発現モデル
プロモーター
（promoter）
転写開始点
DNA
5'
3'
3'
5'
3'
5'
3'
5'
転写単位
シグマ因子
RNAポリメラーゼ
復習
復習
細菌遺伝子の発現モデル
RNAポリメラーゼ
RNAポリメラーゼはアンチセンス鎖DNAを鋳型にして、
5'→3'方向にRNAを合成する。
転写終結点
コード鎖
5'
3'
3'
5'
RNA
AAGCCCTAGGAGGTCATCTATGC
DNA
転写開始点
UTP
RNA
5'----3'
AAGCCCUAGGAGGUCAUCUA-3'
5'-
3'----5'
TTCGGGATCCTCCAGTAGATACG
非コード鎖
(鋳型鎖)
復習
転写終結点
伸長方向→
RNAポリメラーゼ
(RNApolymerase)
p446図36-11真核細胞の転写
転写終結点(terminator)のステ
ムループ構造により、RNAポリメ
ラーゼの進行が停止する。
AC
CT ループ
GA
C=G
G=C
G=C ステム
A=T
GTCATCTATGC G=C
DNA
A=T
AC
5'--
TTTAAT--3'
GUCAUCUAUGC-3'
3'--
TGAAATTA--5'
CAGTAGATACG
RNA
真核細胞のRNAポリメラーゼⅡ前開始複合体形成のモデ
ル
A.段階的結合
GTF(基本転写因子)、PolⅡ(RNAポリメラーゼⅡ)、メディエー
ター因子がプロモーターに順番に結合する。
B.ホロ酵素形成
polⅡ、メディエーター因子、６つのGTFが１つの複合体を形成
した後にプロモーターに結合する。
T=A
C=G
T=A
C=G
C=G
G=C
CT
GA
TG
RNAポリメラーゼ
真核細胞の転写-1
TFIIDのTBPサブユニットがTATAボックス
を認識してDNAと結合
TBP:TATA結合タンパク質
DNAと結合したTFIIDの隣にTFIIBが結合
TFIIF、TFIIE、TFIIHなどとRNAポリメ
ラーゼが転写開始点付近に結合
真核細胞の転写-2
TFIIHがATPを使って転写開始点付近の二
本鎖DNAを解離させる
TFIIHがRNAポリメラーゼのC末端領域
(CTD)をリン酸化する
転写基本因子のほとんどが解離し、RNAポ
リメラーゼによる転写が始まる
真核細胞の転写開始に必要な転写基本因子
因子名
サブユニット数
TFIID
TBPサブユニット
転写開始における役割
1
TFIID
TAFサブユニット
約11
転写開始点付近の配列を認識と、TBPのDNA
結合の調節。
TFIIB
1
プロモーターのBRE配列認識と、RNAポリメ
ラーゼの配置。
TFIIF
3
RNAポリメラーゼ、TBP、TFIIBの結合安定
化。TFIIEとTFIIHの引き寄せ。
TFIIE
2
TFIIHの引き寄せと調節。
TFIIH
9
転写開始部位のDNAをほどき、RNAポリメ
ラーゼのCTDのSer5をリン酸化し、RNAポリ
メラーゼをプロモーターから解離させる。
TATAボックスの認識。