生物学

1. 生物学 第７回　遺伝子DNAはATCG４文字で 書かれたタンパク質の設計図 和田　勝

2. DNAはATCGの４文字で、 先週の番組で見たように、細胞の核は「図書館」に、染色体はそこに納められている本にたとえることができます。 この本は、ATCGのたった4文字で書かれている本です。本のページをめくって、必要な箇所を写し取ったものが、前回のセントラルドグマでお話したmRNAです。

3. DNAからタンパク質へ セントラルドグマ DNAは核から外に出ないので、DNAとタンパク合成の間を取り持つメッセンジャーが必要だと予言されました。これがmRNAです。

4. 音楽と遺伝情報は似ている mRNAは音楽を収めたカセットテープにたとえることができます。 カセットテープをカセットプレーヤーにかけると、テープの進行に伴って音が再生され、音楽になります。 mRNAをリボソームにかけると、その進行に伴ってコドンに合致するアミノ酸が取り込まれてつなぎ合わされ、タンパク質になります。

5. 音楽と遺伝情報は似ている DNAの遺伝の情報と音楽との間に共通するものを感じ取った生物学者がいます。 音楽の中の主題と変奏、繰り返し構造などが、DNAの塩基の並び方と似ているというのです。そこでACGTを楽譜に直すことで音楽にしようと考えた人がいます。

6. 遺伝子音楽 1949年　東京農工大学 　　大学院獣医学研究科修了 　　獣医学博士 1952年　カリフォルニア大学 　　ロサンゼルス校研究員 1961年　理学博士 　　（北海道大学） City of Hope National Medical Center研究員 大野　乾（おおの すすむ、1928年2月1日 - 2000年1月13日）

7. 遺伝子音楽 「音楽が音楽たる由縁は、主題が少しずつ変化しならが繰り返されていくところにありますが、同様に繰り返しを持つDNAも音楽に変換しえるわけです」。 この大野　乾さんのアイデアに基づきDNAの塩基配列を音楽にしたのが始まりです（1986）。電子音楽ならぬ遺伝子音楽です。

8. 遺伝子音楽 http://www.toshima.ne.jp/~edogiku/index.html

9. 遺伝子音楽 以前あったGeneMusic.orgのトップページには、 　「すべての芸術的な創作活動は、ヒトの脳から生まれる。もっとも基本的なことは、情報の伝達とコミュニケーションである。生命の情報はDNA、RNA、タンパク質分子にある。音楽は情報の一つの形であり、その流れや伝達のルールは自然界の場合と似ているに違いない。

10. 遺伝子音楽 自然界のルールは、１）進化、２）共通の祖先型、３）変異、４）自然選択である。これらのルールは音楽にもあてはめることができる。」

11. 遺伝子音楽 塩基のATCGを音符に変換するルールは以下の通りです。分子量の大きい順に低い音から（ただしレから）並べています。

12. DNAと音楽 ここでは、広島大学両生類研究施設の三浦郁夫さんと広島国泰寺高校が行ったプロジェクト「オオサンショウウオのDNAの塩基配列を明らかにする」の一環として行われた、塩基配列を音楽に変換した例を取り上げます。

13. DNAと音楽 １．オオサンショウウオHoxA13遺伝子 作曲：三浦郁夫（広島大学大学院理学研究科両生類研究施設）と広島国泰寺高校生物班，編曲・演奏：Trevayne Fernandez (Australian Music Examination Board) ２．ヒトのHoxA13遺伝子 作曲：三浦郁夫（広島大学大学院理学研究科両生類研究施設）と広島国泰寺高校生物班，編曲・演奏：Trevayne Fernandez (Australian Music Examination Board) ３． ミトコンドリアのATPase8遺伝子　 作曲：坪北紗綾香（エリザベト音楽大学大学院音楽研究科音楽教育学専攻），演奏：松本愛（エリザベト音楽大学大学院音楽研究科宗教音楽学（オルガン）専攻修了）

14. HoxA13遺伝子の役割 この遺伝子は、ヒトの場合、「指」を作るときにはたらく遺伝子です。番組にも出てきましたね。 簡単に言うと遺伝子のスイッチを入れる（「点灯」の状態にする）タンパク質の遺伝子です。 詳しいことは、後でまたお話します。お楽しみに。

15. DNAと音楽 楽譜です。

16. ヒトHoxA13遺伝子DNA SQ Sequence 1167 BP; atgacagcct ccgtgctcct ccacccccgc tggatcgagc ccaccgtcat gtttctctac 60 gacaacggcg gcggcctggt ggccgacgag ctcaacaaga acatggaagg ggcggcggcg 120 gctgcagcag cggctgcagc ggcggcggct gccggggccg ggggcggggg cttcccccac 180 ccggcggctg cggcggcagg gggcaacttc tcggtggcgg ccgcggccgc ggctgcggcg 240 gccgccgcgg ccaaccagtg ccgcaacctg atggcgcacc cggcgccctt ggcgccagga 300 gccgcgtccg cctacagcag cgcccccggg gaggcgcccc cgtcggctgc cgccgctgct 360 gccgcggctg ccgctgcagc cgccgccgcc gccgccgcgt cgtcctcggg aggtcccggc 420 ccggcgggcc cggcggcggc agaggcggcc aagcaatgca gcccctgctc ggcagcggcg 480 cagagctcgt cggggcccgc ggcgctgccc tatggctact tcggcagcgg ctactacccg 540 tgcgcccgca tgggcccgcc ccccaacgcc atcaagtcgt gcccccagcc cccctcggcc 600 gccgccgccg ccgccttcgc ggacaagtac atggataccg ccggcccagc tgccgaggag 660 ttcagctccc gcgctaagga gttcgcgttc taccaccagg gctacgcagc cgggccttac 720 caccaccatc agcccatgcc tggctacctg gatatgccag tggtgccggg cctcgggggc 780 cccggcgagt cgcgccacga acccttgggt cttcccatgg aaagctacca gccctgggcg 840 ctgcccaacg gctggaacgg ccaaatgtac tgccccaaag agcaggcgca gcctccccac 900 ctctggaagt ccactctgcc cgacgtggtc tcccatccct cggatgccag ctcctatagg 960 agggggagaa agaagcgcgt gccttatacc aaggtgcaat taaaagaact tgaacgggaa 1020 tacgccacga ataaattcat tactaaggac aaacggaggc ggatatcagc cacgacgaat1080 ctctctgagcggcaggtcac aatctggttc cagaacagga gggttaaaga gaaaaaagtc 1140 atcaacaaac tgaaaaccac tagttaa 1167

17. HoxA13タンパク質 10 20 30 40 50 60 MTASVLLHPR WIEPTVMFLY DNGGGLVADE LNKNMEGAAA AAAAAAAAAA AGAGGGGFPH 70 80 90 100 110120 PAAAAAGGNF SVAAAAAAAA AAAANQCRNL MAHPAPLAPG AASAYSSAPG EAPPSAAAAA 130 140 150 160 170 180 AAAAAAAAAA AAASSSGGPG PAGPAGAEAA KQCSPCSAAA QSSSGPAALP YGYFGSGYYP 190 200 210 220 230 240 CARMGPHPNA IKSCAQPASA AAAAAFADKY MDTAGPAAEE FSSRAKEFAF YHQGYAAGPY 250 260 270 280 290 300 HHHQPMPGYL DMPVVPGLGG PGESRHEPLG LPMESYQPWA LPNGWNGQMY CPKEQAQPPH 310 320 330 340 350 360 LWKSTLPDVV SHPSDASSYR RGRKKRVPYT KVQLKELERE YATNKFITKD KRRRISATTN 370 380 390 LSERQVTIWF QNRRVKEKKVINKLKTTS アミノ酸が388個、つながったタンパク質です。マゼンダの部分でDNAと結合します。下線部がメロディー。

18. 別の例で、 DNA sequence of mouse immunoglobulin gamma variable region of the heavy chain with an anti-4-hydroxy-3-nitrophenylacetyl specificity. The music was published by Susumu Ohno & Marty Jabara in 1986. 演奏はYonatan Cohen For comparison, 次は同じくYonatan Cohenの演奏による Alexander ScriabinのEtude op. 8 no. 1 in C sharp Major. http://nsm.uh.edu/~dgraur/music_dna.html

19. 興味があれば、 以下のサイトを訪ねてください。 http://www.whozoo.org/mac/Music/Sources.htm http://www.nslij-genetics.org/dnamusic/

20. 前回ビデオで見たことは 前回のビデオでイメージが膨らんだと思います。もう少し生物学的なコアの部分を学んでいきましょう。 「mRNAをリボソームにかけると、その進行に伴ってコドンに合致するアミノ酸が取り込まれてつなぎ合わされ、タンパク質になります。」 という部分です。

21. もう一度、大まかな復習 タンパク質とDNAは、まったく異なる分子です。 タンパク質 DNA 20種類のアミノ酸が、鎖状につながったもので、側鎖の並び方に意味がある（形を通して機能を決めている） 4種類のヌクレオチドが、鎖状につながったもので塩基（ATCG）の並び方に意味がある

22. もう一度、大まかな復習 タンパク質とDNAは、まったく異なる分子です。 タンパク質 DNA 本当はもっと長いが、、 こっちが設計図 こっちが実働部隊

23. ヒトHoxA13遺伝子DNA SQ Sequence 1167 BP; atgacagcct ccgtgctcct ccacccccgc tggatcgagc ccaccgtcat gtttctctac 60 gacaacggcg gcggcctggt ggccgacgag ctcaacaaga acatggaagg ggcggcggcg 120 gctgcagcag cggctgcagc ggcggcggct gccggggccg ggggcggggg cttcccccac 180 ccggcggctg cggcggcagg gggcaacttc tcggtggcgg ccgcggccgc ggctgcggcg 240 gccgccgcgg ccaaccagtg ccgcaacctg atggcgcacc cggcgccctt ggcgccagga 300 gccgcgtccg cctacagcag cgcccccggg gaggcgcccc cgtcggctgc cgccgctgct 360 gccgcggctg ccgctgcagc cgccgccgcc gccgccgcgt cgtcctcggg aggtcccggc 420 ccggcgggcc cggcggcggc agaggcggcc aagcaatgca gcccctgctc ggcagcggcg 480 cagagctcgt cggggcccgc ggcgctgccc tatggctact tcggcagcgg ctactacccg 540 tgcgcccgca tgggcccgcc ccccaacgcc atcaagtcgt gcccccagcc cccctcggcc 600 gccgccgccg ccgccttcgc ggacaagtac atggataccg ccggcccagc tgccgaggag 660 ttcagctccc gcgctaagga gttcgcgttc taccaccagg gctacgcagc cgggccttac 720 caccaccatc agcccatgcc tggctacctg gatatgccag tggtgccggg cctcgggggc 780 cccggcgagt cgcgccacga acccttgggt cttcccatgg aaagctacca gccctgggcg 840 ctgcccaacg gctggaacgg ccaaatgtac tgccccaaag agcaggcgca gcctccccac 900 ctctggaagt ccactctgcc cgacgtggtc tcccatccct cggatgccag ctcctatagg 960 agggggagaa agaagcgcgt gccttatacc aaggtgcaat taaaagaact tgaacgggaa 1020 tacgccacga ataaattcat tactaaggac aaacggaggc ggatatcagc cacgacgaat 1080 ctctctgagcggcaggtcac aatctggttc cagaacagga gggttaaaga gaaaaaagtc 1140 atcaacaaac tgaaaaccac tagttaa 1167

24. HoxA13タンパク質 10 20 30 40 50 60 MTASVLLHPR WIEPTVMFLY DNGGGLVADE LNKNMEGAAA AAAAAAAAAA AGAGGGGFPH 70 80 90 100 110120 PAAAAAGGNF SVAAAAAAAA AAAANQCRNL MAHPAPLAPG AASAYSSAPG EAPPSAAAAA 130 140 150 160 170 180 AAAAAAAAAA AAASSSGGPG PAGPAGAEAA KQCSPCSAAA QSSSGPAALP YGYFGSGYYP 190 200 210 220 230 240 CARMGPHPNA IKSCAQPASA AAAAAFADKY MDTAGPAAEE FSSRAKEFAF YHQGYAAGPY 250 260 270 280 290 300 HHHQPMPGYL DMPVVPGLGG PGESRHEPLG LPMESYQPWA LPNGWNGQMY CPKEQAQPPH 310 320 330 340 350 360 LWKSTLPDVV SHPSDASSYR RGRKKRVPYT KVQLKELERE YATNKFITKD KRRRISATTN 370 380 390 LSERQVTIWF QNRRVKEKKVINKLKTTS アミノ酸が388個、つながったタンパク質です（一つのアルファベットが一つのアミノ酸を表しています）。

25. DNAとタンパク質 つまり、DNA（の塩基の配列）はアミノ酸の並び方を決めている指令書（だから遺伝子）なのです。 タンパク質 DNA 3つの塩基（コドン）が1つのアミノ鎖 指令書に従って20種類のアミノ酸の配列が決まる この間を取り持つものがRNA

26. DNAからタンパク質へ 設計図(遺伝情報、DNA) 転写（transcription） 遺伝情報とタンパク質の仲立ちとなるRNA 翻訳（translation） タンパク質が構造と機能を実現 （セントラル・ドグマ）

27. DNAからタンパク質へ セントラルドグマ DNAは核から外に出ないので、DNAとタンパク合成の間を取り持つのがメッセンジャーRNA（mRNA）です。

28. 細胞の模式図

29. サイトゾール 核 DNA リボソーム mRNA 細胞膜 粗面小胞体 ゴルジ装置 原料のアミノ酸

30. DNAからタンパク質へ １）DNAからmRNAへ この過程は、図書室で必要な本（染色体）を広げ、必要な箇所（遺伝子）の塩基配列をmRNAへ書き写す（コピーする）過程です。 この過程を転写（transcription）と呼びます。

31. DNAからタンパク質へ ２）mRNAからタンパク質へ この過程は、コピーしたテープ（mRNA）を、プレーヤー（リボソーム）にかける過程です。もとの塩基配列に従ったタンパク質が生まれます。 この過程を翻訳（translation）と呼びます。

32. ここでDNAとRNAの違い DNA RNA １）糖はデオキシ 　リボース １）糖はリボース ２）塩基はATCG ２）塩基はAUCG ３）二本鎖 ３）一本鎖 細胞は３種類のRNAを使っています。１つ目はすでに出てきたmRNA、２つ目はリボソームの建築材料であるrRNA、３つ目がアミノ酸の運び屋 tRNA

33. 転写の過程 それでは、転写の過程をお話しましょう。 我々は、情報を書き写すためはコピー機を使ったり、鉛筆で筆写したりしますが、核の中では、酵素タンパク質がこの役目を果たします。 酵素の名前は、RNAポリメラーゼです。

34. ここでもう一度DNAの構造 DNAは、デオキシリボースという糖（Sugar）とリン酸（Phosphate）の骨格から、塩基（Base）が突き出た構造でしたね。それが2本、向かいあっています。

35. DNA分子を簡単に書くと 5’ PSPSPSPSPSPSPSPSPSPSPSPSPSPS A T C G A T C G A T C G A T 3’ T A G C T A G C T A G C T A SPSPSPSPSPSPSPSPSPSPSPSPSPSP 3’ 5’ この間が水素結合

36. (5') ATGGAATTCTCGCTC(3')（コード鎖、sense strand） (3') TACCTTAAGAGCGAG(5')（鋳型鎖、antisense strand） 転写の過程 (5‘) AUGGAAUUCUCGCUC(3’)（転写された一本鎖RNA） RNAの鎖の伸長は必ず５’→３’の方向（酵素の性質による）

37. 転写の過程 転写の過程を示す動画を見てみましょう。

38. RNAポリメラーゼ 転写は酵素であるRNAポリメラーゼによって触媒

39. RNAポリメラーゼ RNAポリメラーゼは、DNAの二重ラセンをほどきながら、二本鎖のうち鋳型となる鎖の塩基の配列を読んで、これと相補的な塩基をもったヌクレオチドを取り込み結合していきます。 RNAの鎖の伸長は必ず５’→３’の方向

40. 転写（頭だし）の過程 DNAの塩基配列にはアミノ酸配列をコードしている領域と、転写の調節に関与する領域があります。 開始コドン（ATG）のすぐ上流には、プロモーターという領域があります。 真核生物では、プロモーター領域にTATAAAという配列が共通して存在します（開始コドン上流30塩基を中心）。

41. 転写（頭だし）の過程 この領域をTATA boxとかホグネス配列とか呼ぶ。 TATA boxに転写因子（タンパク質）が結合。 これを目印にRNAポリメラーゼ（やその他の転写因子）が結合。

42. 転写の方向 プロモーターはRNAポリメラーゼの着地点であるとともに、この酵素がDNA上を滑っていく方向も規定します。 したがって、二本鎖のうちのどちらが鋳型鎖になるかは、プロモーターの配置によって決まることになります。

43. 翻訳の過程 それでは、翻訳の過程をお話しましょう。 すでにお話したように、翻訳とはmRNAをリボソームという塩基語→アミノ酸語変換機にかけて、タンパク質をつくる過程です。 材料であるアミノ酸はどのように調達するのでしょうか。

44. 材料の調達 アミノ酸をリボソームに運ぶ、運び屋が必要です。 それがRNAの一つであるtRNA（transfer RNA、転移RNAとか運搬RNA）です。

45. tRNAの構造 tRNAが塩基語とアミノ酸語のアダプターとして機能するためには、コドン認識部位とアミノ酸連結部位が必要。 クローバ型モデル

46. tRNAの構造 特定のアミノ酸を３’に結合 一本鎖内に水素結合 アミノ酸に対応したアンチコドン

47. tRNAの構造 実際の形は、下の図のようなL字型をしていて、右端にアミノ酸を結合、下端にアンチコドンがあります。

48. tRNAの構造 3‘末端はCCAで、Aにアミノ酸が結合 アンチコドン部は規則的な3段構造。

49. tRNAにアミノ酸を付加 アミノアシルｔRNA合成酵素が、特定のアミノ酸を対応するｔRNAに付加して、サイトゾール中に用意しておく

50. リボソームの構造