情報とは何か

ーーその本質を考えるーー

                                                                                 久保田隆成

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第４章　遺伝情報

4.3 遺伝子の発現

　算機用のソース・ファイルが実行ファイルになるまでには、次のような処理過程を経る。

　　ソースファイル→コンパイル（翻訳）→オブジェクトファイル→リンク（連係編集）→実行ファイル

　「実行ファイル」を「起動」（「実行ファイル名」を入力する」）すると、「実行ファイル」は「メインメモリー」に読み込まれ、「プログラムカウンタ」の示す順序に従って、逐次に「ＣＰＵ」に取り込まれて、処理が進んでいく。処理の「終了」はプログラムに書かれた「命令」による。

 　「ＣＰＵ」（Central Processing Unit, 中央処理装置）は「制御装置」 と「演算装置」から構成されている。「制御装置」内の「命令レジスタ」に読み込まれた「ログラム」は「命令部」と「アドレス部」からなる。「アドレス部」は命令の処理対象となるデータが入るメモリリーのアドレス（又はアドレスに付した変数名）が記述されている。３アドレス方式で、アドレス、a1, a2 に格納されレている値を加算して、その結果をアドレス a3 に格納する場合の「命令レジスタ」の内容は次のようになる。（実際は 2 進数（機械語））

「命令部」の内容は、「制御装置」内の「デコーダ」で解読されて、「演算装置」に制御信号として送られる。一方、「アドレス部」の内容は、「主記憶装置」内の「アドレス選択回路」に送られ、当該アドレスのメモリーの内容が「読み書き回路」を通して、「演算装置」の「汎用レジスタ」とやりとりされる。上の例のように、命令が演算命令であれば、「演算装置」内の「演算回路」で演算が実行される。

　以上を頭において、遺伝情報の「翻訳」をみていくことにする。

　遺伝子の働きが形質となって現れることを「遺伝子の発現」（または「形質の発現」）と呼んでいる。具体的には、遺伝子がタンパク質を作ることによって形質が発現される。

4.3.1 転写と翻訳

＜転写＞

　コンピュータで、主記憶装置に保存されていた情報としてのプログラムが「CPU」に取りだされて初めて、何らかの処理（例えば加算などの演算）が開始される。DNAの塩基配列の情報からタンパク質を合成する過程は「翻訳」と呼ばれるが、コンピュータと同様、塩基情報が直接タンパク質に「翻訳」（translation）されるわけではない。

　タンパク質が合成される場は、細胞質内の「リボソーム」（ribosome）である。「DNA」は細胞の核内にあって、この核内で、「DNA] のコピーが取られて、それが核外へ出て「リボソーム」の位置に運ばれる。この過程は「転写」（transcription）と呼ばれる。

　「転写」では、「DNA」の一部が「RNA」（ribonucleic acid、リボ核酸）に相補的に写し取られる。ただし、塩基「アデニン」(A)と対をなす塩基は「チミン」（T)でなく、「ウラシル」（U）である。以下に、「転写」の過程を示す。この過程は、「RNAポリメラーゼ」（RNA合成酵素）によって進められ、「転写」の産物として「messenger RNA」(「mRNA」) が生成される。

　　　　　�@　「DNA」の２本鎖がほどけて１本鎖が露出する。

　　　　　�A　「DNA」の１本鎖を鋳型として、「ヌクレオチド」（「RNA」の素材）が結合する。

　　　　　�B　「ヌクレオチド」が連結して、鋳型鎖に相補的な「ｍRNA」が生成される。

　「転写」の「開始」と「停止」は、「DNA」上の特別な位置（それぞれ、「プロモータ」と「ターミネータ」と呼ばれる）にある塩基配列を「RNAポリメラーゼ」が認識して、調整することによって行われる。

　＜翻訳＞

　「mRAN」の塩基配列に従ってアミノ酸の配列が決められタンパク質が合成されるが、この過程で活動するのが「transfer RNA, tRNA」（「転移（運搬）RNA」）である。その動作は次のとおりである。

　転写が終わって、リボソーム内にある「mRNA」のところへ「mRNA」と相補的に結合できる「tRNA」がアミノ酸を伴って向かってきて、お互いの「コドン」（塩基の3個組）が結合する。このとき、「tRNA」側のコドンは「アンチコドン」と呼ばれる。これは、1つの「コドン」が、対応する「アミノ酸」を指定したことすなわち、アミノ酸に「翻訳」されることになる。

　1つの「コドン」がアミノ酸に「翻訳」されると、次の「コドン」が読みだされて次のアミノ酸に「翻訳」され、前のアミノ酸に「ペプチド結合」（重合）して、次々と「ペプチド鎖」が生成されて行く。

　コンピュータでは、1命令の長さは、例えば「32ビット」のように決まっていて、「プログラムカウンター（PC）」によって指定される命令が「命令レジスタ」に呼び出されて「デコーダ」によって「解読」され、その解読内容に従って「演算装置」で1つの命令が実行される。実行と並行して、「プログラムカウンタ」の値は繰り上がって、次の命令を「命令レジスタ」読み込んで次の命令の実行を繰り返していく。

　＜コドン表＞

　塩基の種類は４種類（U, C, A, G）あり、３つの塩基組が「コドン」を形成するから、「コドン」の種類は全部で 64 (= 4³) ある。これに対して、アミノ酸の種類は 20 であるから、複数の「コドン」が１つのアミノ酸に対応して翻訳されることになる。また、一部の「コドン」は、「翻訳」と「翻訳開始」を兼ね、他の一部の「コドン」は「翻訳終止」を司っている。次に、「コドン表」を示す。

　２０種類のアミノ酸を、６４個のコドンがコードするから、平均的には、１アミノ酸に対して３個のコドンが対応することになるが、上の表のように、「ロイシン」、「セリン」、「アルギン」に対しては、６個のコドンが縮重（degenerate）して対応している。一方、「メチオニン」と「トリプトファン」に対しては、１個のコドンしか対応していない。このように、アミノ酸をコード化するコドンに「冗長性」があるのは、生物の進化の過程で、必然的に生じたものなのであろうか。

　「コドン表」がほとんどの生物に共通であることは、すべての生物が共通の祖先から分化してきたことを示していると考えられている。

　＜プロセシング＞

　真核細胞の「DNA」は、何の情報も持っていない領域がほとんどを占めていて（95%)、情報が記されている領域（5%）が、 断続的に配置されていることが、1977 年に明らかになった。情報を含んでいる領域は「エクソン」（exon）、含んでいない領域は「イントロン」（intron） と呼ばれている。

　真核細胞では、翻訳前に「mRNA」から不必要な「イントロン」を除去する必要がある。この作業は「スプライシング」(splicing)と呼ばれている。「スプライシング」を含めて、転写直後の「mRNA」に対して「翻訳」に必要な修飾を加える編集過程は「プロセシング」（processing）と呼ばれている。すなわち、「プロセシング」のうち主要な処理が「スプライシング」である。

　原核細胞には「イントロン」がなく、原核生物（バクテリア=細菌）はこれによって、DNA 複製の時間を短縮し、分裂速度を速めるように進化したものと考えられている。

　「イントロン」の役割は、種の「保守」と「進化」の両面で戦略的機能を果たしているように考えれる。

　＜種の保守＞

　　　�@　遺伝子組換え時、アミノ酸配列情報の破壊確率を下げる。

　　　�A　「トランスポゾン」（「動く遺伝子」、DNA 上のある領域が別の部位に転移する現象）や「ウィルス」の侵入に対して「DNA」を保護する。

　＜種の進化＞

　　　�@　「スプライシング」の仕方により、同一遺伝子から多種類のタンパク質が合成できる。

　　　�A　「イントロン」間での組換えが起こりやすくなり、既存遺伝子の部分と組合わせた新遺伝子が進化する。

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