1．生物の特徴と細胞21生物の特徴と細胞生物は遺伝現象を伴って増殖するが，低い頻度で変異という現象も起こす．
細胞は生物の必須要件であるが，核の有無によって真核生物と原核生物に分けることができ，後者はさらに真正細菌と古細菌に分けられる．これら 3領域の生物には，細胞の形態と機能，遺伝子の構造や発現機構に特徴がある．

1･11･1･1

生物は細胞を単位として増える
生物は遺伝現象を示して自己増殖する

a．生物は自己増殖する：生物の特徴は成長し増えること，すなわち増殖たねである．何の変化も見せない長期間休眠中の種も適当な温度と水があれば発芽 ･ 成長するし，真菌（カビなど）や細菌の胞子も同様である．微量のタバ
コモザイクウイルスをタバコの葉に着けると葉が枯れ，そこに増えた大量のウイルスがみられる．
ウイルスはまさに生物的な一面をもつが，だからといってウイルスを生物とはしない．これは後述する，生物のもう一つの必須要素である細胞をウイルスはもたないということと，増えるといっても，ウイルス自身が増殖装置を完備しているのではなく，細胞の装置で増やしてもらっているためである．自己増殖能も生物の重要な要件である．
b．遺伝と変異：生物の増え方には遺伝という重要な特徴がある．遺伝ととびたかは子が親に似ることであり，「鳶が鷹を生む」ことはない．このことは，生物には親の形質（形や性質）を確実に子に伝える手段があることを暗示して遺伝現象を示す
自己増殖する（ある程度の変異を許す）細胞をもつ

ウイルスはここが欠けている
図 1･1

生物の条件

1･2

生物を分類する（a）動物細胞3（b）細菌細胞
細胞壁

ミ
トコンドリア小胞
細胞膜
アクチン繊維
中心体
微小管
5μm

リソソーム
図 1･2

エンドソームペルオキシソーム

2

鞭毛
DNA
線毛

34｝

核小体
核
小胞体
リボソーム
ゴルジ体

1

核様体

細胞膜
リボソーム
1μm

細胞とその内部形態

いる．生物の増殖過程では時折変わり者（変異体）が出現する（例：色や形の変化した変異個体）．他方，水が蒸発している濃い食塩水中では食塩の結晶が成長・増殖するが，色や形の異なる結晶は決して現れない．変異は起こり得ないのである．変異を許容する遺伝が生物増殖の特徴といえ，それがあるからこそ生物は進化し，多様化するのである．

567891011121･1･2

生物は細胞をもつ

増殖する塩の結晶や鍾乳石は直感的に無生物とわかる．なぜか？ 生物は他のものと違って柔軟な体をもつが，これは生物が細胞から成り立っていることと関連している．細胞は柔らかな袋のようなもので，中に水と多くの物質を含み，代謝（化学反応）や物質の移動，エネルギーの授受がみられる．
個体が多数の細胞からなる多細胞生物でも，増殖という点では個体中の各細胞は自己増殖能をもっており，生命体の一つの単位ととらえることができる．

1･2
1･2･1

生物を分類する五界説による古典的生物分類

生物の種類はわかっているものだけでも 150 万種以上あるが，実際はその5 〜 10 倍存在するといわれている．生物ははじめ動物と植物に分けられたが，13144．核酸の構造

30

4

核酸の構造

核酸は塩基，糖，リン酸からなるヌクレオチドが重合した分子で，DNAの場合は A：T，G：C という塩基対結合で二重鎖となり，さらにその全体が右回転している．二重鎖は熱などで変性するが，徐冷すると核酸の由来にかかわりなく相補的配列があれば二本鎖となる．細胞内 DNA の超らせん状態は酵素により調節されている．

4･1

ヌクレオチドの構造

核酸の構成単位は，塩基，糖（リボースかデオキシリボース），リン酸からなるヌクレオチドである．
4･1･1

塩基の名称と構造

塩基（生体塩基性物質）のうち，ヌクレオチドの材料となるものは窒素を含む複素環化合物で，プリン環あるいはピリミジン環をもつ．プリン塩基（R）にはアデニン（A），グアニン（G），ピリミジン塩基（Y）にはチミン（T），ウラシル（U），シトシン（C）が含まれる（T は DNA 用，U は RNA 用）．
上述のかっこ内のように，塩基はアルファベット記号で略される．DNA 塩G と T にはケト基があるので K，基の場合，A と C にはアミノ基があるので M，
A と T は弱い水素結合をつくるので W（weak），C と G は強い水素結合をつくるので S（strong）と表記し，すべてのヌクレオチドは N で表す．この他，3 種類の塩基を表す略語もある（表 4･1）
．塩基は窒素を含み，水素イオンを捕捉して塩基性を示す（2 章）．ヒポキサンチンはプリンヌクレオチド合成の途中で出現するイノシン酸を構成する塩基である（2 章）．
4･1･2

ヌクレオシドとヌクレオチド

a．ヌクレオシド：塩基は五炭糖であるリボースかデオキシリボース（2-4･1ヌクレオチドの構造31

表 4･1 DNA 用塩基の略語

1

略語
MK

塩基
A，C
G，T

略語
WS

塩基
A，TC，G

略語
DB

塩基
A，G，T
C，G，TRY

A，GC，TVHA，C，G
A，C，T

N（X） A，C，G，T

2
3

A：アデニン，C：シトシン，G：グアニン，T：チミン

4デオキシリボース）の 1 位の位置とグリコシド結合で結合してヌクレオシドとなる．ヌクレオシドの名称は A 塩基の場合はアデノシン，G ではグアノ
シン，T ではチミジン，U ではウリジン，C ではシチジンと，塩基名に関連して付けられている．塩基や糖の位置には番号がついているが，ヌクレオシドとなった場合は，塩基と区別するため，糖位置の数値にダッシュを付け，b．ヌクレオチド：ヌクレオシド 3´ 位にある -OH 基は，5´ 位のリン酸基［(OH)2P(=O)-］の -OH との間で水が除かれる形で結合する．リン酸のついたヌクレオシドをヌクレオチドというが，リン酸は連続 3 個まで結合することができる．1 個（Mono），2 個（Di），3 個（Tri）のリン酸（Phosphate）（b）塩基の構造

NH2プリン塩基NH2NOOHO4′H

H3′OHリン酸

NNNH2′R）

H2NO

ヌクレオチドN321 65NHシトシン
図 4･1NNH

グアニン

ONH24ヌクレオチドと塩基101114ピリミジン塩基

リボース ，R = OH（リボース）

ヌクレオシドN

HN8アデニン
H 1′ 糖R = H デオキシH
（913O

971273 45′

HO P O CH2O塩基N 65
N （この例ではシトシン） 21

681´ 〜 5´ とよぶ（注：ダッシュはプライムとも呼称する）．

（a）ヌクレオチドの構成成分

5HNOO
CH3HN
NH

ウラシルO

NH
チミン

5･15

複製に関与する DNA ポリメラーゼ

41

DNA の合成 ･ 分解にかかわる酵素とその利用12DNA 合成酵素は 4dNTP を基質として鋳型上に相補的なヌクレオチドを重合させ，プライマーから 3´ の方向に DNA 鎖を伸ばす．一方 DNA を分解する酵素にも分解形式の違いによる多様なものがあり，制限酵素は塩基特異的に DNA を切断する．これらの酵素は DNA 調製，PCR，遺伝子組換え実験などに幅広く利用されている．

345675･1

複製に関与する DNA ポリメラーゼ

5･1･18DNA 合成反応の原則

a．概要：DNA 合成酵素を一般に DNA ポリメラーゼ（DNA pol）という．
複製のための DNA 合成とは，一本鎖 DNA の上に新しい DNA 鎖が合成されて二本鎖が形成されるという反応であるが，このときに合成される塩基配列の元となる（＝相補的な）一本鎖 DNA を鋳型という．鋳型 DNA は DNA

91011合成のときだけ肝腎な部分だけが一本鎖になっていればよく，普段は二本鎖12でもよい．

13b．プライマー要求性と反応方向：DNA 合成では鋳型 DNA と部分的に二本鎖を形成して合成の引き金になる核酸が必要だが（注：RNA 合成では必－dATP

PGCCGTAPPPP

DNA ポリメラーゼ－

プライマー DNA
5′3′OHP－

基質ヌクレオチド二リン酸
HOH
P P
P P P
－AP

5′5′P

P

3′OH
－GCCGA
T

A

P

PP

P

鋳型 DNA
図 5･1

DNA ポリメラーゼの反応機構

3′の方向に伸長する
5′14

5．DNA の合成 ･ 分解にかかわる酵素とその利用42要ない），このような核酸をプライマーという．これは，DNA pol は鋳型上での DNA 合成を無の状態からはじめることはできず，鋳型上のプライマーの 3´-OH 末端にヌクレオチドを転移する反応しか行えないためである．結局 DNA 合成は常に 3´ 端の方向へ向かうことになるが，この方向性は核酸合成の大原則である．試験管反応ではプライマーとして DNA が使われるが，細胞内では短い RNA が働く．
c．基質：酵素反応の基質として取り込まれるヌクレオチドは三リン酸型のデオキシヌクレオチド（dNTP）で，上述のように 3´ 末端は -OH である必要がある．三リン酸型と 3´ 末端 -OH の必要性は転写も同じで，転写ではNTP（リボ NTP）が基質となる．酵素は鋳型と相補的な塩基を一リン酸型ヌクレオチドとして取り込み，二リン酸を放出するが，二リン酸が離れるときに出る大きな自由エネルギーが合成反応には欠かせない．細胞内では二リン酸がさらに加水分解されるので，より大きなエネルギーが供給される．
5･1･2

複製にかかわる酵素の種類

a．大腸菌：大腸菌では DNA pol Ⅰ〜 DNA pol Ⅲが複製に直接かかわる．
主要複製酵素は DNA pol Ⅲで，反応速度は速いが細胞内分子数は少ない．
DNA pol Ⅲは複雑なサブユニット構成の巨大な酵素で，2 個の触媒サブユニットのほか，それらを連結する成分や DNA につなぎ止める成分をもつ．DNA
表５･1
役割

種々の DNA ポリメラーゼ

大腸菌

真核生物
DNA pol α DNAプライマーの合成（RNA，DNA 合成＊）

DNA pol Ⅰ●
複製，短い範囲のDNA合成

5´→3´エキソヌクレアーゼ
DNA pol γ ● ミトコンドリア DNA
活性もある．反応は遅いがの複製
分子数は多い．修復合成や●RNAプライマー除去も行う．DNA pol δ ラギング鎖の合成

DNA pol Ⅲ●

主要な複製酵素．分子数は DNA pol ε ● リーディング鎖の合成
少ないが反応は速い．

修復
TLS ＃
●

DNA pol Ⅱ
ギャップを埋める修復合成
DNA pol Ⅳ/Ⅴ

DNA pol β DNA pol λDNA pol ζ DNA pol κ
DNA pol μ DNA pol ι など

：3´ → 5´ エキソクレアーゼ活性がある．＃：損傷乗り越え合成．＊：RNA を少し合成した
後に DNA 合成に続ける．

6･16

複製の概観

531

複製のしくみ2複製は DNA ポリメラーゼが各一本鎖上に新生鎖をつくるように進む．新生鎖の一方の DNA 合成は複製方向とは逆になるが，そこでは岡崎フラグメント連結という不連続複製がみられる．線状 DNA は複製のたびに末端が除かれるが，真核生物はこの問題をテロメラーゼで克服している．真核生物の複製は S 期開始時に 1 回だけ起こる．

345676･16･1･1

複製の概観

8

複製は半保存的に進む

DNA が合成され，元と同じ DNA ができる過程を複製という．複製の基本は 1 回の完結したプロセスで DNA が倍加することだが，このとき，元DNA と複製後 DNA との関係がどのようなものかが，分子遺伝学の初期の問題であった．複製後に元 DNA が断片化されて複製後の DNA に入る散在

91011的複製，複製後 DNA には入らない保存的複製，そして元 DNA の各鎖 1 本12ずつが複製後 DNA に入る半保存的複製が考えられるが，この問に対する回13

答はメセルソンとスタールによる実験により得られた．彼らはまず大腸菌を重い窒素（N-15：安定同位体の一つ）を含む培地で増やした．重い窒素は窒（b）
メセルソンｰスタールの実験（a）半保存的複製の概念図

N-14 中で増やす

DNA

N-15 中で増加した菌

2 度分裂

遠心分離

複製

1 度分裂

軽新生鎖

重
DNA の分析
図 6･1

DNA の半保存的複製

14

6．複製のしくみ

54

素を含む分子に取り込まれるが，DNA も塩基に窒素があるため，少し重いDNA ができる．次にこの大腸菌を通常の窒素（N-14）を含む培地で，1 回，2 回……と分裂させ，その都度細胞を回収し，遠心分離法によって DNA の重さを比較した．結果は，1 回分裂した細胞から得た DNA は最初の重い
DNA よりは少し軽い値（＊）を示し，さらにもう一度分裂させると，少し軽い DNA（＊）とそれよりもっと軽い DNA（＃）の二つに分かれた．分裂
回数を増やすと，＊の DNA の比率がどんどん減り，＃の重さの DNA の比率が増えていった．この実験の 1 回目の分裂で DNA の重さが均一になったことで保存的複製が否定され，2 回目の分裂で密度が 2 種類に分かれたことで分散型複製が否定された．
6･1･2

複製の単位と両方向複製

a．レプリコン：DNA の複製単位をレプリコンという．DNA 複製は特定の DNA 領域：複製起点（ori）から始まってレプリコンをすべて複製して終了する．DNA が一つのレプリコンとして複製するものをユニレプリコン，複数のレプリコンとして複製するものをマルチレプリコンという．後者の例
としては真核生物の線状のゲノム DNA がこれにあたり（特殊な例としては，複数本の DNA をもつウイルスがある），他は基本的にユニレプリコンである（例：環状 DNA ゲノム，プラスミド，ウイルス DNA）．
b．両方向複製：複製が始まるとき，はじめに複製起点の DNA が電子顕微鏡で膨れて見えるが，この状態をその形態から複製の泡，あるいは複製の目という．複製の泡ができ，その泡が大きくなっていくが，このとき複製は，泡の両側へほぼ均等の速度で広がっている．つまり，複製は両方向に進む．
＜ユニ［単一］レプリコン＞

複製の泡（目）両方向への複製DNA＜マルチ［多］レプリコン＞
DNA
複製起点
図 6･2

複製 DNA 単位：レプリコン

10．RNA の多様性とその働き

102

10 RNA の多様性とその働き
細胞内 RNA は，種類や分子数のみならず機能面でも多様である．一般に
RNA はタンパク質合成にかかわるものとして知られているが，それ以外にもリボザイムや遺伝子発現の制御因子，結合因子や複製プライマーになるなどと，その役割は多様である．RNA サイレンシングは RNA が示すユニークな遺伝子抑制機構である．

真核生物のゲノム解読と超高速シークエンサーの活用により，近年 多様な RNA の存在が次々に明らかになっている．本章では新規に発見されたものも含め，RNA の多様な機能について説明する．

10･1
10･1･1

RNA の種類と働き
細胞内の RNA の分画

細胞間で画一的な DNA に対し，RNA は構造的にも機能的にも多様性に富む．細胞から RNA を抽出すると，その過半数はリボソーム RNA（rRNA）で，残りの多くが tRNA，その残り（全体の数％）が主に mRNA である．前者 2 種は特定の大きさを示すが，mRNA はそのほとんどが数百〜数万塩基長の範囲に分布する．以上の RNA 分布のプロフィールはすべての生物に共通である．一方，真核生物の核には mRNA 前駆体［pre-mRNA］としてのhnRNA（不均一核 RNA）
，タンパク質とともにスプライシングにかかわるsnRNA（核内低分子 RNA）
，タンパク質とともに rRNA を含む RNA 遺伝子のメチル化などにかかわる snoRNA（核小体低分子 RNA）が少量みられる．
主要な 3 種の RNA はタンパク質合成にかかわるが（次章），タンパク質をコード（暗号化，指定）するのは mRNA のみであり，マイナーなものも含め，その他の RNA はすべて非コード RNA（ncRNA）といわれる．

10･118S

RNA の種類と働き

28S（SnoRNA）
RNA （SnRNA）
量 tRNA［4S］
5S RNA
5.8S RNA

全 RNA パターン
rRNA103（RNA 種）（塩基数：kb）
28S rRNA ：4700
18S rRNA ：1900
5.8S rRNA ：4005S rRNA ：160tRNA ：75mRNA：0.5 ～ 6000mRNA［分子量］

図 10･110･1･2hnRNA＊

3大5＊：実際は不安定で微量

真核細胞 RNA から抽出した RNA の分画パターン

非コード RNA の全体像

RNA は塩基結合する以外，タンパク質に似た挙動も示すため，タンパク質がもつような機能をもつ．その一つは酵素活性で，リボザイムと総称される（

24tRNA

小1

リボは RNA に，ザイムは酵素［enzyme］に由来）．RNA 機能の中には物質結合能もあり，事実 rRNA や tRNA もそれぞれタンパク質やアミノ酸と結合する．特定の物質に対する非共有結合能を示す核酸をアプタマーと67891011いうが，アプタマーとして作用する RNA の例も多い．RNA や DNA に相補12的に結合して調節作用を果たす RNA には RNA 抑制にかかわるいくつかの13ものがあり，またスプライシング調節にかかわる snRNA，RNA 編集にかか
表 10･1 ncRNA の大きさと機能（rRNA，tRNA 以外）
種類
塩基長（● 塩基対長）機能
U1，U2，U4，U5 snRNA 20 ～ 100
スプライシング制御
U6 snRNA100
スプライシング制御
U7 snRNA300
ヒストン mRNA のプロセシング
snoRNA
60 ～ 150
rRNA の塩基修飾
mlncRNA
100 ～ 100000
多彩な働きがあると考えられる
miRNA
22 ●
翻訳抑制，RNA 分解？
piRNA
30 ●
トランスポゾン抑制
7SK RNA300
転写因子の活性を制御
7SL RNA300
タンパク質局在化シグナル認識
RNaseP RNA
300
tRNA のプロセシング，リボザイム
380 ～ 560
テロメラーゼ RNA
テロメア複製の鋳型，テロメラーゼの成分

14

13･1

大腸菌のゲノム13113 細菌の遺伝要素
細菌は分子遺伝学研究の基本的材料で，多くの重要な発見が細菌を用いて得られてきた．細菌には特異的な複製方式と生活環を示すゲノム以外の遺伝因子として，細胞と共存するプラスミドや細菌を殺すファージ，DNA の中を動き回るトランスポゾンがあるが，この中のあるものは遺伝子工学の材料としても有用である．

123456713･1大腸菌のゲノム

8大腸菌は二本鎖環状 DNA をゲノムにもち（注：伝統的にゲノム DNA は染色体という），複製起点を 1 個もつ単一レプリコンである．ゲノムサイズ
6は 4.6 × 10 bp，長さは約 1 mm だが，少量のタンパク質が結合して数 μmの細胞内に収納されている．ゲノムは約 4300 個の遺伝子をもち，遺伝子あたりのゲノムサイズは約 1.1 kbp とヒトの 136 kbp よりかなり小さい．遺伝91011

子 1 個の平均サイズは約 1 kbp なので，ゲノムは遺伝子によって隙間なく埋12められているといえる．ゲノム中に F 因子などのプラスミドやファージゲ

13ノム，トランスポゾンが入り込んでいることもある（後述）．

細菌のゲノム（染色体）
プラスミド

溶原化

ファージトランスポゾン
図 13･1

細菌にかかわる遺伝因子14

13．細菌の遺伝要素

132

13･2

プラスミド

13･2･1

プラスミドとは細胞質内に安定に存在する小さな核酸（数千〜数万塩基）をプラスミドといい，1 個の複製起点と少数の遺伝子をもつ．プラスミドは細胞にとっては外来遺伝因子だが，細胞に有利な遺伝子をもつため，細胞はプラスミドを積極的には排除しない．このような理由から，遺伝子組換え実験のベクターの材料として汎用される．
細菌には多様なプラスミドの存在が知られているが，主には環状二本鎖 DNA で，基本的に θ 型複製機構で増える（6 章）（注：F因子の移入時は［後述］σ 型複製がみられる）．真核生物のプラスミドとしては，酵母の 2 μ m 系プラスミド（DNA）や他の細胞を殺すキラー因子となる二本鎖 RNA などが知られている．動物の DNA ウイルス（例：ウシパピローマウイルス）の中には，細胞内でプラスミド状態で長期間存続するものもある．
13･2･2

プラスミドの増幅a．コピー数：細胞あたりのプラスミド数をコピー数というが，複製因子が限定的であることもあり，コピー数は一定の数値で安定する（注：裸のRNA 病原体であるウイロイドは無制御に増えて植物細胞を殺すので，プラスミドではない）．プラスミドはコピー数の多いもの（十〜数百コピー）と（b）不和合性とそのしくみ

ゲノム

和合性
世代の進行

低コピー
多（高）コピー［ストリンジェント］ ［リラックス］
プラスミド
プラスミド
大型のプラスミド 小型のプラスミド
図 13･2

不和合性（類似プラスミドの一方のみ残る）
プラスミドの増幅特性

分配の不均衡が広がっていく（a）プラスミドのコピー数とサイズ