タンパク質生合成：細胞がタンパク質を作る仕組み

生合成の段階

この過程は概念的にいくつかの段階に分けられる。まず、転写の際にDNAがRNAへ写し取られ、前駆体メッセンジャーRNAがつくられる。多くの生物では、この前駆体は加工を受ける。すなわち、保護的な末端の付加とRNAスプライシングであり、スプライシングによって非コード領域を除去し、単一の遺伝子から複数の成熟mRNAを生成できる。続いて成熟mRNAは、ヌクレオチドのコドンをアミノ酸配列へ翻訳するようリボソームを導く。転移RNAは特定のアミノ酸をリボソームへ運び、そこでペプチド結合によってアミノ酸がつながれ、鎖が伸長する。

基本構成要素と分子機械

主要な分子には、mRNAを読み取る巨大分子機械であるリボソーム、遺伝情報の鋳型となるメッセンジャーRNA、コドンとアミノ酸を対応づけるアダプターである転移RNA、ならびにアミノ酸をそれぞれのtRNAに結合させる酵素アミノアシルtRNA合成酵素がある。分子シャペロンは新しくつくられた鎖が正しく折り畳まれるのを助ける。また、酵素はリン酸化やグリコシル化などの翻訳後修飾を行い、活性、安定性、細胞内局在を変化させうる。これらの構成要素は一体となって、タンパク質産生の配列、時期、品質を制御する。

細胞型による違い

遺伝暗号はほぼ普遍的であるが、生合成の進行様式は細胞の系統によって異なる。原核生物では、転写と翻訳はしばしば共役しており、mRNAがまだ合成されている最中にリボソームが翻訳を開始する。これに対し、真核生物では転写は核内、翻訳は細胞質で行われ、両者は空間的に分離される。真核生物では一般に、pre-mRNAにキャップとポリA尾部を付加し、選択的スプライシングを行うことで、多様なタンパク質アイソフォームをつくる。たとえばショウジョウバエなどの生物では、遺伝子を多様な様式でスプライシングし、プロテオームの複雑さを増大させることができる。

機能的重要性と応用

正確なタンパク質生合成は生命に不可欠である。誤りは機能しないタンパク質や有害なタンパク質を生じさせ、多くの遺伝性疾患の基盤となりうる。翻訳は細菌と真核生物で異なるため、細菌リボソームを選択的に阻害する抗生物質にとって重要な標的である。バイオテクノロジーでは、細胞の生合成能を利用して治療用タンパク質、酵素、ワクチンを生産する。この過程の研究は、遺伝子工学、合成生物学、新たな機能をもつタンパク質の設計にも情報を与える。

注目される事実と進行中の研究

遺伝暗号の冗長性とほぼ普遍的な性質、mRNA配列要素が果たす調節的役割、翻訳後修飾がタンパク質の挙動に及ぼす影響は、タンパク質生合成を豊かな研究分野にしている特徴である。現代の研究では、リボソームの動態、欠陥のある新生鎖を認識する品質管理経路、医療および産業上の目的に翻訳を活用する技術が探究されている。さらに学ぶには、タンパク質の入門資料、翻訳の機構に関する詳細な解説、転写およびスプライシング過程の総説を参照。

関連リンク：アミノ酸 ・ ポリペプチド ・ 折り畳みと構造 ・ 生合成の概要 ・ 原核生物の翻訳 ・ 真核生物の加工 ・ モデル生物。