遺 伝 暗 号 は 進 化 す る 	 
横堀伸一	 
東京薬科大学生命科学部応用生命科学科	 
〒192-0392	  東京都八王子市堀之内 1432-1	 
yokobori@ls.toyuku.ac.jp((Received 30 October, 2014, Accepted 6 February, 2015))	  地球の生命の特徴として、遺伝情報に基づいて「タンパク質をつくる」こと、すなわち翻訳を挙げることに異議を唱える研究者は少ないのではないだろうか。分子生物学の黎明期の研究成果の白眉の一つは、遺伝情報を担う、4 文字で記述される塩基配列と 20 文字（20 種のアミノ酸）からなるタンパク質のアミノ酸配列との変換ルール、遺伝暗号表、の解明であろう。	  3 文字の塩基からなるコドン 64 種のうち、61種類のコドンが 20 種類のいずれかのアミノ酸に対応する。アミノ酸に対応しない 3 種類のコドンは終止コドンであり、ピリオドとしての役割を持つ(Figure 1A)。Figure 1A で示した遺伝暗号表は、「すべて」の生物で共通して使われている（そこで Universal genetic code 普遍遺伝暗号表またはStandard genetic code 標準遺伝暗号表）[1]。	  しかし、1979 年に初めての報告があってから[2,3]、標準遺伝暗号表と少し異なる遺伝暗号表を使っている生物が色々と知られてきた。これらは、いわば方言で、標準遺伝暗号表の一部が変化する形で進化して生まれて来たものである（Unusualgenetic code 変則遺伝暗号、Modified genetic code
派生型遺伝暗号、または Non-standard genetic code
非標準遺伝暗号）。多くは、ゲノムサイズの小さい Mycoplasma 類などの寄生性の真正細菌や細胞小器官であるミトコンドリアに見いだされるが、真核生物の核ゲノムでも、標準遺伝暗号表から逸脱 し た 遺 伝 暗 号 表 の 例 が 知 ら れ て い る (Figure1B-C) [4-6]。	  遺伝暗号の進化がどのように起きたかについて２種の代表的な説明が知られている。1 つ目は、Osawa & Jukes による codon capture（コドン捕獲）説である[7]。この説では、次のようなプロセスでコドンの再指定が進行すると説明する。①あるコドンがゲノム上から消失する。②そのコドンを解読する tRNA ないしは終結因子（Release Factor、RF）がその翻訳系から失われ、そのコドンが非指定コドンとなる。③その非指定コドンを認識する tRNA または RF が出現する。④その非指定コドンがゲノムに再出現し、③で出現した tRNA ないしは RF によって解読されるようになる（③で出現した tRNA ないしは RF によって「捕獲」される）。	  2 つ目は、Schultz & Yarus による ambiguousintermediate（多義中間状態）説である[8]。この説では、次のようなプロセスでコドンの再指定が進行すると説明する。①あるアミノ酸に対応するtRNA によって解読されているコドンを認識する、Figure 1: Codon tables. A. Standard genetic code. B. Variations of genetic code found in organellar translation
system. C. Variations of genetic code found in bacterial translation system and eukaryotic nuclear translation system.
Figure 1 of Yokobori et al. [4] was modified.

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元とは異なるアミノ酸に対応する tRNA またはRF が出現する（ある終止コドンに対し、新たにそのコドンを認識する tRNA が出現する）。②このコドンが、複数の別のアミノ酸に対応するtRNA(一方は RF でも構わない)に同時に対応する、多義コドンとなる。③複数の別のアミノ酸に対応する tRNA (一方は RF でも構わない）の一方が翻訳系から失われる。④残った tRNA(または RF)
が本来のものと異なるのであれば、この一連の過程でコドンの再指定が起こる。この説でも、多義コドンの数がゲノム中で多数存在することはその生物の生存に不利であると考えられるので、この場合でも、再指定が起こるコドンのゲノム上の数は非常に少なくなっていることが必要であろう。	  Sengupta 等のシミュレーション研究によれば、コドン捕獲説と多義中間状態説のどちらが良い説明を与えるかは、ゲノムサイズと再指定されるコドンの出現頻度により異なる。ミトコンドリア
ゲノムのような小さなゲノムの場合、コドン捕獲説が良くコドン再指定のプロセスを説明する[9]。	  一方、渡辺らは、ミトコンドリア tRNA の解析から表 1 で示したような Wobble rule の拡張を提案した(Table 1) [4-6]。この拡張された Wobble ruleに基づいて考えると、2 コドンファミリーボック
スでのコドン再指定について、このようなメカニズムも考え得る(Figure 2)。コドン 3 文字目が U、C のコドンはアンチコドン 1 文字目に G (G34)をTable 1. Expanded wobble rule based on mainly theanalyses of mitochondrial tRNAs.

First position ofanticodonU
cmnm5(s2)U, tm5(s2)UCf5C
k2C (L)AI
GQ
m7 G

Third position of codon
U, C, A, G
A, G
G, A (if t6A37 coexists）
G, A
A
U, C, A, G
U, C, A
U, C, A
U, C
U, C, A, G

Based on the literatures [4-6]. The nucleotides of codon
third positions shown in the original wobble rule byCrick (1968) are underlined.
cmnm5(s2)U:
5-carboxymethylaminomethyl(-2-thio)uridinetm 5(s2)U: 5-taurinomethyl(-2-thio)uridine
f5C: 5-formylcytidine
k2C: lysidine (2-lysyl-cytidine)m7G: 7-methylguanidine
I: inosine (hypoxyanthine).

Figure 2: Codon reassignment based on the expanded wobble rule suggested in Watanabe & Yokobori [5]. The
reassignment of AUA codon from specifying Ile to specifying Met is shown as an example. A. AUA codon is recognized
by tRNAIleLAU. However, tRNAIleGAU can recognize AUA codon in potential. In this stage, tRNAIleLAU forms more stablebasepairs with AUA codon at the A site of ribosome than tRNAIleGAU. B. When tRNAIleLAU become to be absent,tRNAIleGAU recognizes AUA codon. C-D. The C at the anticodon first position of tRNAMetCAU become to be modified tof5C and to decode AUA codon instead of tRNAIleGAU. In this stage, tRNAMetf5CAU forms more stable basepairs with AUA
codon at the A site of ribosome than tRNA IleGAU. As the result, codon reassignment of AUA codon from Ile to Met occurs
without AUA codon being unassigned codon and/or AUA codon having dual meaning (specifying both Ile and Met).

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持つ tRNA によって解読され、コドン 3 文字目がA、G のコドンはアンチコドン 1 文字目に修飾された U (U*34)を持つ tRNA（または C34+t6A37 を持つ tRNA、f5C34 を持つ tRNA）によって解読される。G34 を持つ tRNA は、コドン 3 文字目が Aのコドンも解読し得るが、U*34 を持つ tRNA（または C34+t6A37 を持つ tRNA、f5C34 を持つ tRNA）と競争的に排除され、A が 3 文字目のコドンを結果的に解読しないと考えられる [6]。もし、U*34を持つ tRNA の遺伝子上で、アンチコドン 1 文字目（T）が C に変異するなら（または C34+t6A37を持つ tRNA の t6A37 の修飾、f5C34 を持つ tRNAの f5C34 の修飾が失われるなら）、G34 を持つ tRNAが U、C、または A を 3 文字目に持つコドンを解読し、変異後の C34 を持つ tRNA が G を 3 文字目に持つコドンのみを解読するように、変化する。
ここでは、コドンの非指定化やコドンの多義化というステップ無しにコドンの再指定が生じ得る。
同様に、コドン 3 文字目が U、C のコドンは G34を持つ tRNA によって解読され、コドン 3 文字目が A、G のコドンは修飾された U34 を持つ tRNAによって解読されると言う状況下を考える。ここで、G が 3 文字目を占めるコドンがゲノム上から失われる（非指定コドン化する）と、A が 3 文字目を占めるコドンは修飾された U34 を持つ tRNAの消失があっても、非指定コドン化すること無しに G34 を持つ tRNA によって捕獲され、コドンの再指定が起こることが期待される。また、この過程は実験的な検証が可能であろう。	  このように拡張版 Wobble rule に基づいて遺伝暗号表の進化を考えると、codon capture 説を再解釈するのであれば非指定コドンの出現や特定のコドンの消失の過程無し（再捕獲されるコドンの出現回数が少なくなることは必要だが）に、ambiguous intermediate 説を再解釈するのであれば 1 つのコドンの多義状態の過程無しに、コドンの進化の多くを説明できることになる。そのように 考 え る と 、 codon capture 説 と ambiguousintermediate 説は本質的に同じと言ってよいのではないか。

8.
9.

引用文献	 
1.
Watanabe, K. and Yokobori, S. Genetic Code: Introduction.
In John Wiley & Sons, Ltd, eLS. Chichester, UK: John
Wiley & Sons, Ltd.
doi:10.1002/9780470015902.a0000809.pub2 (2011)2.
Barrell, B. G., Bankier, A. T. and Drouin, J. A different
genetic code in human mitochondria. Nature 282, 189–194(1979)
3.
Macino, G., Coruzzi, G., Nobrega, F. G., Li, M. andTzagoloff, A. Use of the UGA terminator as a tryptophan
codon in yeast mitochondria. Proc. Natl. Acad. Sci. USA
76, 3784–3785 (1979)
4.
Yokobori, S., Ueda, T. and Watanabe, K. Evolution of theGenetic Code. Chichester: John Wiley & Sons, Ltd.
doi:10.1038/npg.els.0001494 (2010)
5.
Watanabe, K. and Yokobori, S. tRNA Modification andGenetic Code Variations in Animal Mitochondria. J.
Nucleic Acids 2011, 1–12. doi:10.4061/2011/623095(2011)
6.
Watanabe, K. and Yokobori, S. How the Early Genetic
Code Was Established?: Inference from the Analysis ofExtant Animal Mitochondrial Decoding Systems. In V. A.
Erdmann, W. T. Markiewicz, & J. Barciszewski, Chemical
Biology of Nucleic Acids. pp. 25-40. Berlin, Heidelberg:
Springer Berlin Heidelberg.
doi:10.1007/978-3-642-54452-1_2 (2014)
7.
Osawa, S. and Jukes, T. H. Codon reassignment (codon49capture) in evolution. J. Mol. Evol. 28, 271–278 (1989)
Schultz, D. W. and Yarus, M. Transfer RNA mutation andthe malleability of the genetic code. J. Mol. Biol. 235,1377–1380 (1994)
Sengupta, S., Yang, X. and Higgs, P. G. The mechanismsof codon reassignments in mitochondrial genetic codes. J.
Mol. Evol. 64, 662–688 (2007)