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遺伝子のコード領域はコーディング配列（CDS ）とも呼ばれ、タンパク質をコードする遺伝子のDNAまたはRNAの部分です。[1]異なる種や期間にわたって非コード領域と比較してコード領域の長さ、構成、調節、スプライシング、構造、および機能を研究することで、原核生物と真核生物の遺伝子構成と進化に関する重要な情報が大幅に得られます。[2]これは、ヒトゲノムのマッピングと遺伝子治療の開発にさらに役立ちます。[3]
意味
この用語はエクソンと互換的に使用されることもありますが、厳密には同じではありません。エクソンはコーディング領域とRNAの3'および5'非翻訳領域で構成されているため、エクソンは部分的にコーディング領域で構成されています。タンパク質をコードしないRNAの3'および5'非翻訳領域は非コーディング領域と呼ばれ、このページでは説明しません。[4]
コーディング領域とエクソームは混同されることがよくありますが、これらの用語には明確な違いがあります。エクソームはゲノム内のすべてのエクソンを指しますが、コーディング領域は特定の種類のタンパク質を具体的にコード化する DNA または RNA の単一のセクションを指します。
歴史
1978年、ウォルター・ギルバートは「遺伝子はなぜ断片なのか」を出版し、遺伝子はモザイクであるという考え、つまり、核酸鎖全体が連続的にコード化されているのではなく、「サイレント」な非コード化領域によって中断されているという考えを初めて探求した。これは、タンパク質をコード化するゲノムの部分（現在ではコード化領域と呼ばれる）と、そうでない部分を区別する必要があることを初めて示唆した。[5]
構成
証拠は、塩基構成パターンとコード領域の利用可能性の間には一般的に相互依存関係があることを示唆している。[6]コード領域は非コード領域よりもGC含有量が高いと考えられている。さらに、コード鎖が長いほどGC含有量が高くなることを発見した研究もある。短いコード鎖は比較的GC含有量が少なく、TAG、TAA、TGAなどの塩基構成翻訳終止コドンのGC含有量が低いことに似ている。 [7]
GCに富む領域では、点突然変異の比率がわずかに変化します。プリンからプリンまたはピリミジンからピリミジンへの変化であるトランジションが、プリンからピリミジンまたはピリミジンからプリンへの変化であるトランスバージョンよりも多くなっています。トランジションは、コードされているアミノ酸を変更する可能性が低く、サイレント突然変異のままになります（特にコドンの3番目のヌクレオチドで発生した場合）。これは通常、翻訳およびタンパク質形成中に生物にとって有益です。[8]
これは、必須のコード領域（遺伝子が豊富）は、補助的で必須でない領域（遺伝子が乏しい）と比較して、GC含有量が高く、より安定しており、変異に対して耐性があることを示しています。 [9]しかし、これが中立的でランダムな突然変異によって生じたのか、選択のパターンによって生じたのかはまだ不明です。[10]また、GC含有量とコード領域の関係を確認するために使用される遺伝子ウィンドウなどの方法が正確で偏りがないかどうかについても議論があります。[11]
構造と機能
DNAでは、コーディング領域はテンプレート鎖の5'末端のプロモーター配列と3'末端の終結配列に挟まれている。転写中、RNAポリメラーゼ（RNAP）はプロモーター配列に結合し、テンプレート鎖に沿ってコーディング領域まで移動する。次にRNAPはコーディング領域に相補的なRNAヌクレオチドを追加してmRNAを形成し、チミンの代わりにウラシルを置換する。[12]これはRNAPが終結配列に到達するまで続く。[12]
転写と成熟の後、形成された成熟mRNAは、最終的なタンパク質への翻訳に重要な複数の部分を含みます。mRNAのコード領域は、5'非翻訳領域（5'-UTR）と3'非翻訳領域（3'-UTR）[1] 、 5'キャップ、およびポリAテールに挟まれています。翻訳中、リボソームはtRNAをコード領域に3ヌクレオチドずつ（コドン）結合させます。 [13] tRNAは関連するアミノ酸を成長中のポリペプチド鎖に転移し、最終的に最初のDNAコード領域で定義されたタンパク質を形成します。
規制
遺伝子発現を調節するためにコーディング領域を変更することができます。
アルキル化はコーディング領域の調節の1つの形態である。[15]転写されるはずだった遺伝子は、特定の配列を標的とすることでサイレンシングされる可能性がある。この配列の塩基はアルキル基を使用してブロックされ、サイレンシング効果を生み出す。 [16]
遺伝子発現の調節は細胞内で作られるRNAやタンパク質の量を管理するが、これらのメカニズムの調節はDNA鎖のオープンリーディングフレームが始まる前に見つかる調節配列によって制御することができる。調節配列はタンパク質コード領域の発現が起こる場所と時間を決定する。[17]
RNAスプライシングは最終的に配列のどの部分が翻訳され発現されるかを決定し、このプロセスにはイントロンの切り取りとエクソンの組み立てが含まれます。しかし、RNAスプライソソームが切断する場所は、スプライス部位、特にスプライシングの最初のステップの基質の1つである5'スプライシング部位の認識によって決まります。 [18]コード領域はエクソン内にあり、エクソンは共有結合して成熟したメッセンジャーRNAを形成します。
突然変異
コード領域の変異は、生物の表現型に非常に多様な影響を及ぼす可能性があります。DNA/RNA のこの領域における変異の中には、有利な変化をもたらすものもありますが、他の変異は有害で、生物の生存に致命的となる場合もあります。対照的に、非コード領域における変化は、必ずしも表現型に検出可能な変化をもたらすとは限りません。
突然変異の種類
コード領域で発生する突然変異には様々な形態がある。1つの形態はサイレント突然変異であり、ヌクレオチドの変化が転写および翻訳後にアミノ酸の変化をもたらさない。[20]また、コード領域の塩基変化が未熟な終止コドンをコードし、より短い最終タンパク質を生成するナンセンス突然変異も存在する。翻訳中に異なるアミノ酸をコードするコード領域における点突然変異、つまり1塩基対の変化はミスセンス突然変異と呼ばれる。他の種類の突然変異には、挿入や欠失などのフレームシフト突然変異がある。[20]
形成
突然変異には遺伝性（生殖細胞系列突然変異）のものや、親から子孫に受け継がれるものがある。[21]このような突然変異したコード領域は、生物内のすべての細胞に存在している。他の種類の突然変異は生物の生涯の間に獲得され（体細胞突然変異）、細胞間で一定ではない可能性がある。[21]これらの変化は、変異原、発がん物質、またはその他の環境因子（例：紫外線）によって引き起こされる可能性がある。獲得性突然変異は、 DNA複製中のコピーエラーの結果である可能性があり、子孫に受け継がれない。コード領域の変化は、de novo （新規）である可能性もある。このような変化は受精直後に発生すると考えられており、その結果、子孫のDNAには存在するが、精子と卵子の両方には存在しない突然変異が生じる。[21]
防止
コード領域における有害な変異による致死を防ぐための転写および翻訳メカニズムは複数存在します。そのような対策としては、複製中のDNAポリメラーゼによる校正、複製後のミスマッチ修復、[22]およびmRNAコドン内の3番目の塩基の縮重を説明する「ウォブル仮説」などがあります。 [23]
制約コーディング領域 (CCR)
ある個体のゲノムが別の個体のゲノムと比較すると大きな違いを持つことはよく知られていますが、最近の研究では、一部のコーディング領域は同じ種の個体間でも高度に制約されている、つまり変異に抵抗性があることがわかっています。これは、保存された配列における種間制約の概念に似ています。研究者らは、これらの高度に制約された配列を制約コーディング領域 (CCR) と呼び、このような領域が高度な純化選択に関与している可能性があることも発見しました。平均して、7 つのコーディング塩基ごとに約 1 つのタンパク質変更変異がありますが、一部の CCR は、タンパク質変更変異が観察されない 100 塩基を超える配列を持つ場合があり、同義変異さえないものもあります。[24]ゲノム間の制約のこれらのパターンは、まれな発達疾患や、潜在的に胎児致死の原因の手がかりになる可能性があります。 CCRにおける臨床的に検証された変異体や新生突然変異は、これまで乳児てんかん性脳症、発達遅延、重度の心臓病などの疾患と関連付けられてきました。 [24]
コード配列検出
DNA配列内のオープンリーディングフレームの識別は簡単ですが、コード配列の識別は簡単ではありません。なぜなら、細胞はすべてのオープンリーディングフレームのサブセットのみをタンパク質に翻訳するからです。 [26]現在、CDS予測では細胞からのmRNAのサンプリングと配列決定を使用していますが、特定のmRNAのどの部分が実際にタンパク質に翻訳されるかを決定するという問題が残っています。CDS予測は遺伝子予測のサブセットであり、後者にはタンパク質だけでなくRNA遺伝子や調節配列などの他の機能要素をコードするDNA配列の予測も含まれます。
原核生物と真核生物の両方において、遺伝子の重複はDNAウイルスとRNAウイルスの両方で比較的頻繁に発生します。これは、利用可能なコード領域からさまざまなタンパク質を生成する能力を保持しながらゲノムサイズを縮小するための進化上の利点です。[27] [28] DNAとRNAの両方について、ペアワイズアラインメントは、ウイルスの短いオープンリーディングフレームを含む重複コード領域を検出できますが、潜在的な重複コード鎖と比較するための既知のコード鎖が必要になります。[29]単一のゲノム配列を使用する代替方法では、比較を実行するために複数のゲノム配列は必要ありませんが、感度を高めるには少なくとも50ヌクレオチドの重複が必要になります。[30]
参照
- コーディング鎖 タンパク質をコードするDNA鎖
- エクソン転写される鎖全体
- 成熟mRNA mRNA転写産物のうち翻訳される部分
- 遺伝子構造遺伝子を構成する他の要素
- ネストされた遺伝子コード配列全体が、より大きな外部遺伝子の範囲内にある
- 非コードDNAタンパク質をコードする遺伝子をコードしないゲノムの部分
- 非コードRNAタンパク質をコードしない分子。CDSを持たない。
- 非機能的DNA関連する生物学的機能を持たないゲノムの部分
参考文献
- ^ ab Twyman, Richard (2003年8月1日). 「遺伝子構造」. ウェルカム・トラスト. 2007年3月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2003年4月6日閲覧。
- ^ Höglund M, Säll T, Röhme D (1990年2月). 「ランダムオープンリーディングフレームからのコーディング配列の起源について」. Journal of Molecular Evolution . 30 (2): 104–108. Bibcode :1990JMolE..30..104H. doi :10.1007/bf02099936. ISSN 0022-2844. S2CID 5978109.
- ^ Sakharkar MK、Chow VT 、 Kangueane P (2004) 。「ヒトゲノムにおけるエクソンとイントロンの分布」。In Silico Biology。4 ( 4): 387–93。PMID 15217358。
- ^ パーネル、ローレンス D. (2012-01-01)。「技術と研究デザインの進歩」。Bouchard、C.、Ordovas、JM (編)。栄養遺伝学と栄養ゲノミクスの最近の進歩。第 108 巻。学術出版。pp. 17–50。doi : 10.1016/ B978-0-12-398397-8.00002-2。ISBN 9780123983978. PMID 22656372 . 2019年11月7日閲覧。
{{cite book}}:|journal=無視されました (ヘルプ) - ^ Gilbert W (1978年2月). 「なぜ遺伝子は断片化されているのか?」Nature . 271 (5645): 501. Bibcode :1978Natur.271..501G. doi : 10.1038/271501a0 . PMID 622185. S2CID 4216649.
- ^ Lercher MJ、Urrutia AO 、Pavlícek A 、 Hurst LD（2003年10月）。「ヒトゲノムにおけるモザイク構造の統一」。 ヒト分子遺伝学。12 （19）：2411–5。doi ：10.1093/hmg/ddg251。PMID 12915446。
- ^ Oliver JL、Marín A (1996 年9月)。 「 GC含有量とコーディング配列長の関係」。Journal of Molecular Evolution。43 ( 3 ): 216–23。Bibcode :1996JMolE..43..216O。doi :10.1007/pl00006080。PMID 8703087。
- ^ 「ROSALIND | 用語集 | 遺伝子コード領域」rosalind.info . 2019年10月31日閲覧。
- ^ Vinogradov AE (2003 年 4 月). 「DNA ヘリックス: GC リッチであることの重要性」. Nucleic Acids Research . 31 (7): 1838–44. doi :10.1093/nar/gkg296. PMC 152811. PMID 12654999 .
- ^ Bohlin J、Eldholm V、Pettersson JH、Brynildsrud O 、 Snipen L（2017年2月）。「微生物ゲノムのヌクレオチド組成は、コアゲノムとアクセサリゲノムの選択パターンの違いを示している」。BMC Genomics。18 （1 ）：151。doi ：10.1186/ s12864-017-3543-7。PMC 5303225。PMID 28187704。
- ^ Sémon M、 Mouchiroud D、Duret L（2005年2月）。「哺乳類における遺伝子発現とGC含有量の関係：統計的有意性と生物学的関連性」。ヒト分子遺伝学。14 （3）：421–7。doi ：10.1093/hmg/ddi038。PMID 15590696 。
- ^ ab 転写の概要。(nd)。https://www.khanacademy.org/science/biology/gene-expression-central-dogma/transcription-of-dna-into-rna/a/overview-of-transcriptionから取得。
- ^ Clancy, Suzanne (2008). 「翻訳: DNA から mRNA へ、そしてタンパク質へ」Scitable: Nature Education より。
- ^ Plociam (2005-08-08)、英語: 成熟した真核生物のmRNAの構造。完全に処理されたmRNAには、5'キャップ、5' UTR、コーディング領域、3' UTR、およびポリ(A)テールが含まれます。、2019-11-19取得
- ^ Shinohara K, Sasaki S, Minoshima M, Bando T , Sugiyama H (2006-02-13). 「コーディング領域のテンプレート鎖のアルキル化は効果的な遺伝子サイレンシングを引き起こす」。核酸研究。34 ( 4 ) : 1189–95。doi :10.1093/nar/gkl005。PMC 1383623。PMID 16500890 。
- ^ 「DNAアルキル化遺伝子オントロジー用語（GO:0006305）」。www.informatics.jax.org 。 2019年10月30日閲覧。
- ^ Shafee T 、 Lowe R (2017)。「真核生物と原核生物の遺伝子構造」。WikiJournal of Medicine。4 ( 1) 。doi : 10.15347/wjm/2017.002。
- ^ Konarska MM (1998). 「スプライソソームによる5'スプライス部位の認識」Acta Biochimica Polonica . 45 (4): 869–81. doi : 10.18388/abp.1998_4346 . PMID 10397335.
- ^ Jonsta247 (2013-05-10)、英語: サイレント変異の例、 2019-11-19取得
{{citation}}: CS1 maint: 数値名: 著者リスト (リンク) - ^ ab Yang, J. (2016 年 3 月 23 日). 遺伝子変異とは何か? https://www.singerinstruments.com/resource/what-are-genetic-mutation/ から取得。
- ^ abc 遺伝子変異とは何か、そして変異はどのようにして起こるのか? - 遺伝学ホームリファレンス - NIH。(nd)。https://ghr.nlm.nih.gov/primer/mutationsanddisorders/genemutation から取得。
- ^ 「DNAの校正と修復（記事）」。カーンアカデミー。 2023年5月22日閲覧。
- ^ Peretó J. (2011) ウォブル仮説 (遺伝学)。Gargaud M. 他 (編) 宇宙生物学百科事典。Springer、ベルリン、ハイデルベルク
- ^ ab Havrilla, JM, Pedersen, BS, Layer, RM, & Quinlan, AR ( 2018). ヒトゲノムにおける制約コーディング領域の地図。Nature Genetics、88–95。doi :10.1101/220814
- ^ Romiguier J, Roux C (2017). 「分子進化におけるGC含量に関連する分析バイアス」Front Genet . 8:16 . doi : 10.3389/fgene.2017.00016 . PMC 5309256. PMID 28261263 .
- ^ Furuno M, Kasukawa T, Saito R, Aomori, Aomori, Aomori, 1999. (2003年6月). 「完全長cDNA配列のCDS注釈」. Genome Research . 13 (6B). Cold Spring Harbor Laboratory Press: 1478–87. doi :10.1101/gr.1060303. PMC 403693. PMID 12819146 .
- ^ Rogozin IB、Spiridonov AN、Sorokin AV、Wolf YI、Jordan IK、 Tatusov RL、Koonin EV (2002 年 5 月)。「重複する原核生物遺伝子の精製と方向性選択」。Trends in Genetics。18 ( 5): 228–32。doi :10.1016/S0168-9525(02)02649-5。PMID 12047938 。
- ^ Chirico N、Vianelli A 、 Belshaw R (2010年12 月)。「ウイルスで遺伝子 が重複する理由」。Proceedings。Biological Sciences。277 ( 1701): 3809–17。doi : 10.1098 /rspb.2010.1052。PMC 2992710。PMID 20610432。
- ^ Firth AE、 Brown CM（2005年2月）。「ペアワイズアラインメントによる重複コーディング配列の検出」バイオインフォマティクス。21 （3）：282–92。doi ：10.1093/bioinformatics/ bti007。PMID 15347574。
- ^ Schlub TE、Buchmann JP 、 Holmes EC（2018年10月）。Malik H（編）。「単一ゲノム配列を用いたウイルスの候補重複遺伝子の検出の簡単な方法」。分子生物学と進化。35 （10）：2572–2581。doi ：10.1093/ molbev /msy155。PMC 6188560。PMID 30099499。