概要

遺伝子の発現とは、DNAがタンパク質などの機能的産物の合成を指示するプロセスです。細胞は様々な段階で遺伝子発現を制御できます。これにより、生物はさまざまな種類の細胞を生成し、細胞が内外の要因に適応できるようになります。

遺伝子情報は、DNA→RNA→タンパク質へと流れます

遺伝子は、機能するRNAやタンパク質の設計図となるDNAの一部分です。DNAはヌクレオチド、タンパク質はアミノ酸で構成されているため、DNAにコードされた情報をタンパク質に変換するためには、媒介物が必要となります。この仲介者がメッセンジャーRNA（mRNA）です。mRNAは、転写と呼ばれるプロセスによってDNAからの設計図をコピーします。真核生物の場合、転写は核の中でDNAの鋳型と相補的な塩基対になって行われます。その後、mRNAは処理されて細胞質に運ばれ、翻訳の際にタンパク質合成の鋳型としての役割を果たします。核を持たない原核生物では、新たに生成されたmRNAは速やかに分解されるため、転写と翻訳は同じ場所でほぼ同時に行われます。

遺伝子の発現は転写のどの段階でも制御できます

生物の細胞はすべて同じDNAを持ち、同じ遺伝子を持っています。しかし、細胞内のすべての遺伝子がオンになり、タンパク質の合成に使われるわけではないです。その遺伝子がコードするタンパク質が細胞内で生成されたとき、その遺伝子は「発現している」といいます。遺伝子の発現は、特定の細胞で特定の時期にタンパク質が適切に生成されるように制御されています。様々な内在的および外在的メカニズムが、転写前および転写中の遺伝子発現を制御しています。

クロマチンの構造は、圧縮されたDNAとそれに結合したヒストン蛋白質を化学的に修飾して、開いたり閉じたりできます。このような修飾は、転写装置のDNAへの接近を可能にしたり、制限したりします。クロマチン修飾は、発生過程において、同じゲノムから異なる種類の細胞（例えば、神経細胞と筋肉細胞）を作るのに必要な重要なメカニズムです。

DNAに結合するタンパク質は転写因子と呼ばれ、遺伝子のコード領域の近くや中にある特定のDNA配列に結合することで転写を制御します。転写の開始を促進する転写因子は活性化因子と呼ばれます。転写開始を促す転写因子を活性化因子、転写装置が転写開始点に結合するのを妨げるタンパク質を抑制因子と呼びます。転写の活性化因子や抑制因子は、シグナル分子、栄養不足、温度、酸素などの外部刺激に応答します。

遺伝子の発現は、転写後および翻訳後に制御されます

遺伝子の発現は、転写後のmRNAの処理によって制御されます。真核生物では、転写されたmRNAはスプライシングなどの修飾を受け、RNA鎖の末端が分解されないように保護されます。スプライシングでは、タンパク質をコードしていない部分であるイントロンを除去し、エクソンと呼ばれるタンパク質をコードする領域を結合させます。代替スプライシングによって、同じ遺伝子から機能の異なるタンパク質を発現させることができます。代替スプライシングによる遺伝子発現の制御は、器官の発達、細胞の生存・増殖、環境因子への適応などに重要な役割を果たしています。

遺伝子の発現は、mRNAからタンパク質への翻訳を制御することによっても変化させられます。翻訳の制御には、特定のmRNA配列に結合して翻訳の開始を妨げたり、転写されたmRNAを分解したりするマイクロRNA(小さなノンコーディングのRNA)が用いられます。また、翻訳リプレッサーと呼ばれるタンパク質がRNAに結合し、翻訳の開始を妨げることもあります。

翻訳されたポリペプチドは、加工されて機能的なタンパク質になりますが、化学基の付加や除去によって、細胞内でのタンパク質の活性、安定性、局在などが変化します。例えば、リン酸基（PO₃²⁻）の付加や除去は、タンパク質を活性化したり不活性化したりします。同様に、ユビキチン基の付加はタンパク質の分解を引き起こします。このように、タンパク質の翻訳後修飾は、遺伝子制御の最終段階です。