遺伝子構造

遺伝子構造とは、遺伝子内の特殊な配列要素の組織化のことです。遺伝子には、生細胞が生存し、増殖するために必要な情報のほとんどが含まれています。^{[ 1 ] [ 2 ]}ほとんどの生物では、遺伝子はDNAで構成されており、特定のDNA配列が遺伝子の機能を決定します。遺伝子はDNAからRNAに転写（コピー）され、直接的な機能を持つ非コードRNA（ncRNA ）またはタンパク質に翻訳される中間メッセンジャーRNA（mRNA ）のいずれかになります。これらの各ステップは、遺伝子内の特定の配列要素または領域によって制御されます。したがって、すべての遺伝子が機能するには、複数の配列要素が必要です。^{[ 2 ]}これには、実際に機能するタンパク質またはncRNAをコードする配列と、複数の調節配列領域が含まれます。これらの領域は、数塩基対という短いものから、数千塩基対に及ぶものまであります。

真核生物と原核生物の遺伝子構造の多くは、概ね類似している。これらの共通要素は、20億年以上前の生物における細胞生命の共通祖先に由​​来する。 ^{[ 3 ]}真核生物と原核生物の遺伝子構造における重要な違いは、それらの異なる転写および翻訳機構を反映している。^{[ 4 ] [ 5 ]}遺伝子構造を理解することは、遺伝子の注釈、発現、および機能を理解するための基礎となる。^{[ 6 ]}

真核生物と原核生物の遺伝子の構造は、複数の入れ子状の配列要素から成ります。各要素は、遺伝子発現の多段階プロセスにおいて特定の機能を持ちます。これらの要素の配列と長さは異なりますが、ほとんどの遺伝子には同じ一般的な機能があります。^{[ 2 ]} DNAは二本鎖分子ですが、通常、RNAポリメラーゼが読み取ってタンパク質をコードするmRNAまたは非コードRNAを生成する情報をコードしているのは、一方の鎖のみです。この「センス」または「コード」鎖は、5'から3'の方向に走っており、数字は骨格のリボース糖の炭素原子を表しています。したがって、遺伝子のオープンリーディングフレーム（ORF）は通常、センス鎖が読み取られる方向を示す矢印で表されます。^{[ 7 ]}

調節配列は遺伝子の末端に位置します。これらの配列領域は、転写領域の隣にある場合（プロモーター）と、数キロベース離れたところにある場合（エンハンサーとサイレンサー）があります。^{[ 8 ]}プロモーターは遺伝子の5'末端に位置し、コアプロモーター配列と近位プロモーター配列から構成されます。コアプロモーターは、R​​NAポリメラーゼやDNAをRNAにコピーするために必要な他のタンパク質を結合することで、転写の開始部位を示します。近位プロモーター領域は、RNAポリメラーゼに対するコアプロモーターの親和性を変化させる転写因子を結合します。 ^{[ 9 ] [ 10 ]}遺伝子は、活性化タンパク質や抑制タンパク質を結合することでプロモーターの活性をさらに変化させる複数のエンハンサー配列やサイレンサー配列によって調節される場合があります。^{[ 11 ] [ 12 ]}エンハンサーとサイレンサーは、遺伝子から数千塩基対離れたところに位置する場合があります。したがって、異なる転写因子の結合は、異なる時期や異なる細胞における転写開始速度を調節します。^{[ 13 ]}

調節エレメントは互いに重複することがあり、DNA のセクションは、多くの競合する活性化因子や抑制因子、および RNA ポリメラーゼと相互作用することができます。たとえば、一部の抑制タンパク質はコアプロモーターに結合してポリメラーゼの結合を阻害することができます。^{[ 14 ]}複数の調節配列を持つ遺伝子の場合、転写速度はすべてのエレメントを組み合わせた積になります。^{[ 15 ]}活性化因子と抑制因子が複数の調節配列に結合すると、転写開始に協調的な効果があります。^{[ 16 ]}

すべての生物は転写活性化因子と転写抑制因子の両方を使用するが、真核生物の遺伝子は「デフォルトでオフ」であるのに対し、原核生物の遺伝子は「デフォルトでオン」であると言われている。^{[ 5 ]}真核生物の遺伝子のコアプロモーターは、通常、発現が起こるためにプロモーター要素による追加の活性化を必要とする。一方、原核生物の遺伝子のコアプロモーターは、強力な発現に十分であり、抑制因子によって制御される。^{[ 5 ]}

タンパク質をコードする遺伝子の場合、mRNAがタンパク質への翻訳の準備のために処理された後、さらに別の調節層が発生します。開始コドンと終止コドンの間の領域のみが最終的なタンパク質産物をコードします。隣接する非翻訳領域（UTR）には、さらに調節配列が含まれています。^{[ 18 ]} 3 ' UTRには、転写の終点を示し、RNAポリメラーゼを解放するターミネーター配列が含まれています。 ^{[ 19 ]} 5 ' UTRはリボソームに結合し、リボソームはタンパク質コード領域をアミノ酸の配列に翻訳し、それが折り畳まれて最終的なタンパク質産物を形成します。非コードRNAの遺伝子の場合、RNAは翻訳されず、代わりに折り畳まれて直接機能します。^{[ 20 ] [ 21 ]}

真核生物の遺伝子の構造には、原核生物には見られない特徴が含まれています。これらのほとんどは、タンパク質への翻訳準備が整った成熟mRNAを生成するための、pre-mRNAの転写後修飾に関連しています。真核生物の遺伝子は、原核生物と比較して、遺伝子発現を制御するための調節要素を一般的に多く持っています。^{[ 5 ]}これは、遺伝子発現が異なる組織間で大きく異なる多細胞真核生物、例えばヒトにおいて特に当てはまります。^{[ 11 ]}

真核生物の遺伝子の構造の重要な特徴は、転写産物が通常、エクソン領域とイントロン領域に細分化されていることです。エクソン領域は最終的な成熟mRNA分子に保持されますが、イントロン領域は転写後処理中にスプライシング（切除）されます。 ^{[ 22 ]}実際、遺伝子のイントロン領域はエクソン領域よりもかなり長くなることがあります。スプライシングされると、エクソンは単一の連続したタンパク質コード領域を形成し、スプライス境界は検出できません。真核生物の転写後処理では、mRNAの開始に5'キャップ、 mRNAの末端にポリアデノシンテールも付加されます。これらの付加によりmRNAが安定化され、核から細胞質への輸送が誘導されますが、これらの特徴はいずれも遺伝子の構造に直接コードされているわけではありません。^{[ 18 ]}

原核生物の遺伝子の全体的な構成は、真核生物のそれとは著しく異なります。最も明白な違いは、原核生物のORFは、共通の制御配列セットの制御下にあるポリシストロンオペロンにグループ化されることが多いことです。これらのORFはすべて同じmRNAに転写されるため、共制御され、多くの場合、関連する機能を果たします。^{[ 23 ] [ 24 ]}各ORFは通常、独自のリボソーム結合部位（RBS）を持っているため、リボソームは同じmRNA上のORFを同時に翻訳します。一部のオペロンでは、オペロン内の複数のORFの翻訳速度が連動する翻訳カップリングも見られます。^{[ 25 ]}これは、リボソームがORFの末端に付着したまま、新しいRBSを必要とせずに次のORFに移動する場合に発生する可能性があります。^{[ 26 ]}翻訳カップリングは、ORFの翻訳がRNA二次構造の変化を通じて次のRBSへのアクセスに影響を与える場合にも観察されます。^{[ 27 ]} 1 つの mRNA 上に複数の ORF が存在することは、転写と翻訳が同時に同じ細胞内場所で行われる原核生物でのみ可能である。^{[ 23 ] [ 28 ]}

プロモーターの隣にあるオペレーター配列は、原核生物における主要な調節要素である。オペレーター配列に結合したリプレッサータンパク質は、RNAポリメラーゼ酵素を物理的に阻害し、転写を阻止する。[ 29 ^{] [ 30 ]リボスイッチ}は、原核生物のUTRによく見られるもう1つの重要な調節配列である。これらの配列は、主要な代謝物の濃度に応じてRNA内の代替二次構造を切り替える。二次構造は、RBSなどの重要な配列領域をブロックしたり、露出させたりする。イントロンは原核生物では非常にまれであり、したがって原核生物の遺伝子調節において重要な役割を担っていない。^{[ 31 ]}

この記事は、 CC BY 4.0ライセンス ( 2017 )の下で以下のソースから改変されました(査読者レポート): Thomas Shafee; Rohan Lowe (2017 年 1 月 17 日). "真核生物と原核生物の遺伝子構造" (PDF) . WikiJournal of Medicine . 4 (1). doi : 10.15347/WJM/2017.002 . ISSN 2002-4436 . Wikidata Q28867140 .  

• GSDS – 遺伝子構造表示サーバー