遺伝子発現

概要

遺伝子発現（gene expression）とは、DNAに記録された遺伝情報が細胞内で読み出され、機能的なタンパク質または機能性RNAとして実体化するプロセスの総称である。

ヒトゲノムには約2万個の遺伝子が存在するが、すべての遺伝子がすべての細胞で常に発現しているわけではない。肝細胞・筋細胞・神経細胞は同一のゲノムを持ちながら、発現する遺伝子の組み合わせが異なることで、まったく異なる機能を担う。「遺伝子を持つこと」と「遺伝子が発現すること」は別の問題である。

この概念は1950年代から60年代にかけてフランソワ・ジャコブとジャック・モノーらの研究によって体系化され、1965年のノーベル生理学・医学賞受賞につながった。

発現の二段階プロセス

遺伝子発現は大きく転写と翻訳の二段階に分かれる。

転写（transcription）では、DNAの二重鎖がほどかれ、RNAポリメラーゼがDNA配列を鋳型としてメッセンジャーRNA（mRNA）を合成する。細胞核内で行われるこの工程は、プロモーターと呼ばれるDNA領域への転写因子の結合によって制御される。どの遺伝子をいつ読み出すかの決定は、ここで行われる。

翻訳（translation）では、核外に輸送されたmRNAがリボソームと結合し、核酸の塩基配列がアミノ酸配列へと変換される。コドンと呼ばれる3塩基の組み合わせが1つのアミノ酸を指定し、連続するアミノ酸の鎖がタンパク質として折りたたまれ機能を獲得する。

発現制御のメカニズム

遺伝子発現は多層的な仕組みで精密に制御されている。

転写レベルでの制御が最も基本的である。転写因子がプロモーターやエンハンサーと呼ばれる調節配列に結合することで、特定の遺伝子のRNA合成を促進または抑制する。環境シグナル・ホルモン・細胞間コミュニケーションが転写因子の活性を変化させ、結果として遺伝子発現パターンが変わる。

エピジェネティクス（epigenetics）はDNA配列を変えずに発現を制御する層である。DNAのメチル化やヒストンタンパク質の化学修飾によってクロマチン構造が変化し、特定遺伝子へのアクセス可否が決まる。ストレスや栄養状態・生活習慣がエピジェネティックな変化を通じて遺伝子発現に影響を与えることが明らかになっており、この変化の一部は次世代へ受け継がれうる。

転写後の制御も重要である。マイクロRNA（miRNA）などの非コードRNAがmRNAの分解を促進したり翻訳を抑制したりすることで、タンパク質産生量が調整される。

原典: François Jacob, Jacques Monod, “Genetic Regulatory Mechanisms in the Synthesis of Proteins,” Journal of Molecular Biology, 3(3), 1961
入門: 中村桂子・松原謙一監訳『細胞の分子生物学第6版』Newton Press、2017
研究: David Allis et al., Epigenetics, Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2nd ed., 2015

概要

発現の二段階プロセス

発現制御のメカニズム

現代への示唆

1. 「持っているか」ではなく「使っているか」で問う

2. 環境が遺伝子発現を変える

3. 同一の情報から多様な機能が生まれる

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参考