セントラルドグマとは?DNAからタンパク質が合成されるまでを徹底解説!

生物 2019.7.9

遺伝子、DNA、RNA、タンパク質…..
どれも聞いたことのある言葉ですが、どのように作られているのか。

これには、セントラルドグマが関係しています。

初めて聞く方もいるかもしれませんが、遺伝子が実際に体の中で働くようになるまでのプロセスを指す言葉です。

今回は、そんな生き物にとって大切なセントラルドグマについて詳しく解説していきます。

生物の基礎知識に関してまだ不安がある方は下記の記事を先に読んでみてください!

DNAの構造について不安がある方はこちら!
タンパク質の合成について不安がある方はこちら!

 

1.セントラルドグマとは?

セントラルドグマとは、遺伝情報は

DNA→(転写)→mRNA→(翻訳)→タンパク質

の順に伝達される、という、1958年にフランシス・クリックが提唱した分子生物学の概念で、原核生物・真核生物の両方に共通する基本原理だとされています。

図で表すとこのようになります。

セントラルドグマ
このフランシス・クリックは、ジェームズ・ワトソンとともにDNAの二重螺旋構造を発見したことで頻出なので、合わせて覚えておきましょう。

DNAからmRNAを合成する過程を転写、mRNAからタンパク質を合成する過程を翻訳といいます。

転写

 

転写とは、DNAからmRNAを合成する過程をいいます。

mRNA(messenger RNA)は、簡単に言えば、膨大なDNAの情報の中から、タンパク質に翻訳される部分のみピックアップしたものをいいます。日本語で、伝令RNAと言われることもあります。

DNAでは塩基がA-T、G-Cの組み合わせでしたが、
mRNAではTがU(ウラシル)に置き換わっていることも頭に入れておきましょう。

 

では、転写の詳しい説明に入ります。

ここからは発展的な内容になります。
定期テスト対策の方は軽く読んで理解を深めましょう。難しい場合は、次の項目まで飛ばしても大丈夫です。
大学入試で生物選択をするという方は、以下の内容もしっかり頭で整理しておきましょう。

 

DNAの塩基配列を読み取ってRNAを合成する酵素を「RNAポリメラーゼ」といいます。
酵素の主成分はタンパク質であるため、このRNAポリメラーゼもセントラルドグマによって生成したものです。

転写の詳細

二本鎖DNAの二本のうち一本を基(鋳型鎖)にして、DNAの5’→3’方向に塩基配列を読み取り、鋳型鎖とペアの塩基対を作るようににヌクレオチドを選んで、伸長するRNA鎖の3’部位につないでいきます。

この時活躍する酵素を「転写酵素」といいます。

RNAからDNAへの転写を担う酵素を「逆転写酵素」と呼ぶことも併せて覚えておくとよいです。

DNA鎖には転写を調節する配列が存在し、RNAの転写を開始・終了する部位と転写の速度を決めています。

この転写調節部位は、ふつう転写開始部位よりも3’側の上流に位置しています。

この転写に関する制御機構はかなり専門的な内容になりますので、ここでは説明を省略しますが、DNAとタンパク質が立体構造をとることをうまく利用したシステムができています。

転写後装飾

 

ほとんどの原核生物では、転写によってできたRNAはそのまま翻訳され、タンパク質が合成されます。

しかし、真核生物では、転写によってできたばかりのRNAは翻訳される前に修飾されます。

この過程を「転写後修飾」といいます。

これは、転写によってできたRNAから翻訳に余分な部分を剪定するような過程です。具体的には、RNAの5’末端と3’末端に存在する「キャップ構造」と「ポリA尾部構造」を「スプライシング」という過程でなくします。

スプライシングではRNAが部分的に切り取られるので、残った部分を元の順序のまま再びつなぎます。

このときスプライシング部位を変えることで最終的なRNAの配列に違いが生まれ、同じDNAの塩基配列から別のタンパク質を生成することができます。

切り取られる領域を「イントロン」、残りの領域を「エキソン」といいます。また、修飾前のRNAを「一次転写物」、修飾後のRNAを「成熟RNA」と呼んだりします。

この転写後修飾に関する制御機構もかなり専門的な内容になりますので、ここでは説明を省略しますが、細胞内のどの部分にRNAが存在するかを巧みに利用して転写後修飾が行えるようなしくみになっています。

翻訳

転写後はmRNAの情報を基にたんぱく質を合成する「翻訳」という過程にはいります。

まず、mRNAはリボソームに運ばれます。ここで、RNAとタンパクの複合体がmRNAに結合し、アミノ酸を順につなぐことでタンパク質を生成します。mRNAは3つの塩基のセットで20種類の中から1つのアミノ酸を指定します。

この各アミノ酸に対応する塩基3つの配列の組み合わせのことを「コドン」と呼びます。このコドンに従ってリボソーム-mRNA複合体にtRNA(transfer RNA)がアミノ酸を運んできます。

コドンの配列によるアミノ酸の指定はすでに解かれています。

mRNAの塩基の種類はA,U,G,Cの4つでRNA中の3つの連続する塩基が1つのアミノ酸を指定するため、考えられるコドンは全部で4³=64種類です。標準アミノ酸は全部で20種類であるため、異なるコドンが同一のアミノ酸を指定することもあります。

例えば、転写の開始を指定する開始コドンはAUGでメチオニンを指定するコドンでもあります。

他にも、転写の終了を指定するコドンは、UAA・UAG・UGAで、いずれの組み合わせが出てきても転写が終わるという仕組みです。

このコドンによって指定されたアミノ酸は、tRNAによってリボソームへと運ばれます。そして、運ばれたアミノ酸が結合し、タンパク質が合成されるという仕組みです。

 

こうしてポリペプチド鎖が完成し、その後の正しい折りたたみや高次構造の形成によってタンパク質が出来上がります。タンパク質は消化酵素や触媒酵素、筋肉、物質の貯蔵・運搬などの役割を果たします。

 

2.セントラルドグマの練習問題

セントラルドグマについて理解が深まったでしょうか?

では、これまでの知識をふまえて練習問題を解いてみましょう。

練習問題

問題1
遺伝子のセントラルドグマでの基本原則でないものは次のうちのどれでしょうか。

a. 複製
b. 転写
c. 翻訳
d. 逆転写
e. どれでもない

 

問題2
次のうち、RNAを構成している塩基でないものはどれでしょうか。

a. アデニン(A)
b. ウラシル(U)
c. グアニン(G)
d. チミン(T)
e. シトシン(C)

 

問題3
RNAのうちでDNA上の遺伝情報が転写されるものは次のうちのどれでしょうか。

a. リボソームRNA(rRNA)
b. トランスファーRNA(tRNAtRNA)
c. メッセンジャーRNA(mRNA)
d. aとc
e. どれでもない

 

問題4
完成したmRNAは核外に運ばれて、何と結合するでしょうか。

a. リボソーム
b. 小胞体
c. ゴルジ体
d. ミトコンドリア
e. 微小管

 

 

 

 

 

解答・解説

問題1
e. どれでもない

生物の遺伝情報は、すべて「DNA→(転写)→mRNA→(翻訳)→タンパク質」の順に情報が伝達されていると考えられていました。つまり、情報の流れが一方的であり、タンパク質自体がRNAやDNAを合成することができないことを示しています。
しかし、1970年にある種のウイルスにより、RNAからDNAが合成されるという現象(=逆転写酵素)が発見されたため、セントラルドグマが一部修正され、現在の形となりました。またその後、特に高等生物において、翻訳の前にスプライシング(splicing)の過程があることもわかってきました。 「セントラルドグマ」という概念の分子機構を明らかにしようとしたことで、mRNA(メッセンジャーRNA)、tRNA(トランスファーRNA)、コドンなどが発見、解明され、遺伝子発現が定義されたという一連の流れも併せて覚えておきましょう。

 

問題2
a. アデニン(A)

RNAはDNAの鋳型鎖から作られますが、DNAのA(アデニン)はRNAではU(ウラシル:uracil)と読み取られます。覚えておくことで、細かい知識問題からも着実に点数がとれるようになりますよ。

 

問題3
c. メッセンジャーRNA(mRNA)

RNAとして最もよく知られているのがmRNAで、DNA上の遺伝情報はmRNAに転写されます。このとき、二重らせんDNAの2本鎖のうちのどちらか一方が鋳型となります。

mRNA上の塩基配列を「センス配列」といいますが、このセンス配列は鋳型となったDNAの塩基配列から相補的に作成されます。細胞内で最も多く存在するRNAはrRNAであることも併せて覚えておきましょう。

 

問題4
a. リボソーム

RNAの転写とスプライシングは核内で行われますが、完成したmRNAは核膜孔をとおって核外に運ばれ、小胞体の上にあるリボソームに結合します。

 

3.セントラルドグマのまとめ

今回は、セントラルドグマについて図を使いながら詳しく解説しました。用語が多く整理しにくくなりがちな範囲ですが、最後の練習問題を活用しながら知識を整理してみてください。


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この記事の執筆者

ニックネーム:受験のミカタ編集部

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