Molecular Cell Biology · 23

遺伝暗号；tRNAの構造と機能；アミノアシルtRNA合成酵素；コドン-アンチコドンの対応

The genetic code; structure and function of tRNAs; aminoacyl-tRNA synthetases; codon-anticodon connections

🧠 遺伝暗号genetic code遺伝暗号（genetic code）genetic code（遺伝暗号）は「3ヌクレオチド＝1アミノ酸」という固定比率の暗号表であり、tRNAはコドン（mRNA側）とアミノ酸（タンパク質側）を橋渡しする「物理的な変換アダプター」である。アミノアシルtRNA合成酵素aminoacyl-tRNA synthetaseアミノアシルtRNA合成酵素（aminoacyl-tRNA synthetase）aminoacyl-tRNA synthetase（アミノアシルtRNA合成酵素）がtRNAに正しいアミノ酸を「充填」し、ウォブルwobbleウォブル（wobble）wobble（ウォブル）がtRNAの種類を節約する——この2つの工夫により、20種のアミノアシルtRNA合成酵素aminoacyl-tRNA synthetaseアミノアシルtRNA合成酵素（aminoacyl-tRNA synthetase）aminoacyl-tRNA synthetase（アミノアシルtRNA合成酵素）と比較的少数のtRNA種で61種のセンスコドン全てをカバーできる。

遺伝暗号

遺伝暗号genetic code遺伝暗号（genetic code）genetic code（遺伝暗号）はトリプレットコード（3ヌクレオチド配列＝コドン）であり、mRNA上の特定の開始点から読まれる。遺伝暗号genetic code遺伝暗号（genetic code）genetic code（遺伝暗号）には64通りのコドンが存在し、うち61個が個々のアミノ酸を指定する。

3つのコドン「UAA、UGA、UAG」はアミノ酸を指定せず、「終止コドンstop codon終止コドン（stop codon）stop codon（終止コドン）」と呼ばれる。これらはポリペプチド鎖のカルボキシル末端carboxyl terminus (C-terminus)カルボキシル末端（carboxyl terminus (C-terminus)）carboxyl terminus (C-terminus)（カルボキシル末端）を示す。

ほとんどのアミノ酸は複数の3ヌクレオチド配列（コドン）によりコードされる。唯一の例外はトリプトファンtryptophanトリプトファン（tryptophan）tryptophan（トリプトファン）とメチオニンmethionineメチオニン（methionine）methionine（メチオニン）で、これらは単一の3ヌクレオチド配列のみでコードされる→メチオニンAUGメチオニン（AUG）AUG（メチオニン）は「開始コドンstart codon開始コドン（start codon）start codon（開始コドン）」である。

→ 遺伝暗号genetic code遺伝暗号（genetic code）genetic code（遺伝暗号）とは、遺伝物質hereditary material遺伝物質（hereditary material）hereditary material（遺伝物質）（DNA、RNA）にコードされた情報が、生きた細胞によってタンパク質（アミノ酸配列amino-acid sequenceアミノ酸配列（amino-acid sequence）amino-acid sequence（アミノ酸配列））へ翻訳される際の一連の規則である。

遺伝暗号の特性

特性	内容
縮重性degenerated縮重性（degenerated）degenerated（縮重性）	各コドンは1つのアミノ酸のみを特定するが、1つのアミノ酸が複数のコドンによりコードされうるため縮重degeneracy (of the genetic code)縮重（degeneracy (of the genetic code)）degeneracy (of the genetic code)（縮重）していると表現される（メチオニンmethionineメチオニン（methionine）methionine（メチオニン）＝1コドン、セリン＝6コドン）
非曖昧性non-ambiguous非曖昧性（non-ambiguous）non-ambiguous（非曖昧性）	1つのアミノ酸は複数の異なるコドンでコードされうるが、各コドンは1つのアミノ酸のみをコードする（それ以上ではない）
非重複性non-overlapping非重複性（non-overlapping）non-overlapping（非重複性）	コドン配列の読み取りにコドンの重複は関与しない——遺伝暗号genetic code遺伝暗号（genetic code）genetic code（遺伝暗号）は逐次的に、一度に1コドンずつ読まれる
非区切り性	メッセージは終止コドンstop codon終止コドン（stop codon）stop codon（終止コドン）に達するまで連続したヌクレオチドトリプレットの配列として読まれる
普遍性universal普遍性（universal）universal（普遍性）	各コドンはほとんど全ての既知生物で同一である（例：真核生物と原核生物で同一）

読み枠

特定の開始コドンstart codon開始コドン（start codon）start codon（開始コドン）から特定の終止コドンstop codon終止コドン（stop codon）stop codon（終止コドン）まで続くコドンの配列（開始→読み枠reading frame読み枠（reading frame）reading frame（読み枠）→終止）。

フレームシフトframeshiftフレームシフト（frameshift）frameshift（フレームシフト）： タンパク質合成装置が4ヌクレオチドを1アミノ酸として読み、その後トリプレット読みを続けてしまう場合。基本的には読み取りが1〜2ヌクレオチドをスキップして開始すると、遺伝暗号genetic code遺伝暗号（genetic code）genetic code（遺伝暗号）全体がずれてしまう。

複数の読み枠reading frame読み枠（reading frame）reading frame（読み枠）： mRNA分子は3通りの読み枠reading frame読み枠（reading frame）reading frame（読み枠）のいずれでも読まれうる。原理的には同じRNA配列が読み枠reading frame読み枠（reading frame）reading frame（読み枠）次第で3つの全く異なるアミノ酸配列amino-acid sequenceアミノ酸配列（amino-acid sequence）amino-acid sequence（アミノ酸配列）を指定しうる。しかし実際にはこれらの読み枠reading frame読み枠（reading frame）reading frame（読み枠）のうち1つのみが実際のメッセージを含む。

転移RNA

mRNAのタンパク質への翻訳には、tRNAとアミノアシルtRNA合成酵素aminoacyl-tRNA synthetaseアミノアシルtRNA合成酵素（aminoacyl-tRNA synthetase）aminoacyl-tRNA synthetase（アミノアシルtRNA合成酵素）と呼ばれる酵素の両方が必要である。翻訳はtRNA分子に依存する——これらは一方の部位でコドンを認識・結合し、もう一方の部位でアミノ酸を結合できる。これらのアダプター分子はRNAポリメラーゼIIIRNA polymerase IIIRNAポリメラーゼIII（RNA polymerase III）RNA polymerase III（RNAポリメラーゼIII）により合成され、長さ約73〜93ヌクレオチド（うち7〜15個は特殊な修飾塩基）である。

構造

折りたたまれたtRNA分子は3D構造ではL字型だが、2Dではクローバーリーフcloverleafクローバーリーフ（cloverleaf）cloverleaf（クローバーリーフ）様の構造に折りたたまれる。4つのステムはワトソンWatson (Watson–Crick base pairing)ワトソン（Watson (Watson–Crick base pairing)）Watson (Watson–Crick base pairing)（ワトソン）-クリックclickクリック（click）click（クリック）塩基対合base pairing塩基対合（base pairing）base pairing（塩基対合）（ピリミジン＋プリン）によって安定化された短い二重らせんdouble helix二重らせん（double helix）double helix（二重らせん）である。

部位	内容
3′端	アミノ酸（AA）がここに付加する——付加されるとアミノアシルtRNAaminoacyl-tRNAアミノアシルtRNA（aminoacyl-tRNA）aminoacyl-tRNA（アミノアシルtRNA）を形成
5′端	リン酸化されている（PO₄²⁻基）
アンチコドンループanticodon loopアンチコドンループ（anticodon loop）anticodon loop（アンチコドンループ）	アンチコドンanticodonアンチコドン（anticodon）anticodon（アンチコドン）（mRNA中のコドンに相補的な3ヌクレオチド配列）を含む。mRNAは5′→3′で読まれるため、ヌクレオチドは3′→5′配置となる
Dループ	ジヒドロウリジンdihydrouridineジヒドロウリジン（dihydrouridine）dihydrouridine（ジヒドロウリジン）を含む
Tループ	ウラシルuracilウラシル（uracil）uracil（ウラシル）に由来するΨ（シュードウリジンpseudouridineシュードウリジン（pseudouridine）pseudouridine（シュードウリジン）、pseudouridine）を含む
アクセプターステムacceptor stemアクセプターステム（acceptor stem）acceptor stem（アクセプターステム）	5′端が3′端と塩基対合base pairing塩基対合（base pairing）base pairing（塩基対合）（特定のアミノ酸が付着——CCA配列を持つ）

機能： 翻訳中にリボソームへアミノ酸を運ぶ。mRNA上の各トリプレットコードが読まれると、tRNAは成長中のポリペプチド鎖にアミノ酸を届ける（mRNA→tRNAアンチコドンanticodonアンチコドン（anticodon）anticodon（アンチコドン）→タンパク質）。mRNAとアミノ酸配列amino-acid sequenceアミノ酸配列（amino-acid sequence）amino-acid sequence（アミノ酸配列）間の物理的な連結役を果たす。

ウォブル

ウォブルwobbleウォブル（wobble）wobble（ウォブル）とは、A-U・G-C以外のヌクレオチド間の非典型的non-conventional非典型的（non-conventional）non-conventional（非典型的）な塩基対合base pairing塩基対合（base pairing）base pairing（塩基対合）が起こる現象である。

コドンの第3位置とアンチコドンanticodonアンチコドン（anticodon）anticodon（アンチコドン）の第1位置で起こる
ウォブルwobbleウォブル（wobble）wobble（ウォブル）対合synapsis対合（synapsis）synapsis（対合）には独自の規則がある——アンチコドンanticodonアンチコドン（anticodon）anticodon（アンチコドン）中のGはコドン第3位置のC/Uとのみ対合synapsis対合（synapsis）synapsis（対合）できる
機能： 遺伝暗号genetic code遺伝暗号（genetic code）genetic code（遺伝暗号）の全コドンをカバーするために必要なtRNAの種類を減らしながら、コード化の正確性を確保できる＝tRNAのmRNAからの解離を速める

コドン-アンチコドンanticodonアンチコドン（anticodon）anticodon（アンチコドン）ハイブリダイゼーションhybridizationハイブリダイゼーション（hybridization）hybridization（ハイブリダイゼーション）：コドンとアンチコドンanticodonアンチコドン（anticodon）anticodon（アンチコドン）の相補的結合——アンチコドンanticodonアンチコドン（anticodon）anticodon（アンチコドン）はmRNA上のコドンに対する逆向き＋相補的なヌクレオチドトリオを提示する。

アミノアシルtRNA合成酵素

mRNA中の核酸配列nucleic acid sequence核酸配列（nucleic acid sequence）nucleic acid sequence（核酸配列）をタンパク質中のアミノ酸配列amino-acid sequenceアミノ酸配列（amino-acid sequence）amino-acid sequence（アミノ酸配列）へ翻訳する過程は、各アミノ酸をtRNA分子の3′端へ結合させるアミノアシルtRNA合成酵素aminoacyl-tRNA synthetaseアミノアシルtRNA合成酵素（aminoacyl-tRNA synthetase）aminoacyl-tRNA synthetase（アミノアシルtRNA合成酵素）から始まる→tRNAが活性化される。

アミノアシルの形成

flowchart TD
  A["アミノ酸の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='carboxyl group'>カルボキシル基</span>（-COOH）がAMPと連結"] --> B["アデニル化アミノ酸を形成（ATP加水分解、ATP→AMPが駆動）"]
  B --> C["アデニル化アミノ酸がtRNA3'端の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='hydroxyl group'>ヒドロキシル基</span>（-OH）へ転移"]
  C --> D["AMPが放出される"]
  D --> E["アミノ酸のCOOH基とtRNAのOH基が<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ester bond'>エステル結合</span>を形成"]
  E --> F["tRNAはmRNA上の対応コドンに<span class='jp-term jp-term-diagram' title='anticodon'>アンチコドン</span>で結合可能に"]

アミノ酸はまずカルボキシル基carboxyl groupカルボキシル基（carboxyl group）carboxyl group（カルボキシル基）をAMPに連結することで活性化され、アデニル化アミノ酸を形成する。この連結はATPの加水分解（ATP→AMP）によって駆動される
アデニル化アミノ酸はtRNA分子の3′端のヒドロキシル基hydroxyl groupヒドロキシル基（hydroxyl group）hydroxyl group（ヒドロキシル基）（-OH）へ転移される
ここでAMPが放出され、アミノ酸のCOOH基とtRNAのOH基が連結してエステル結合ester bondエステル結合（ester bond）ester bond（エステル結合）を形成する＝tRNAがmRNA上の対応コドンにそのアンチコドンanticodonアンチコドン（anticodon）anticodon（アンチコドン）で結合するようになる

結合の種類： 高エネルギーエステル結合ester bondエステル結合（ester bond）ester bond（エステル結合）（tRNA3′端のCCA中の2′または3′-OH末端A）。

アンチコドンループanticodon loopアンチコドンループ（anticodon loop）anticodon loop（アンチコドンループ）の機能： アンチコドンループanticodon loopアンチコドンループ（anticodon loop）anticodon loop（アンチコドンループ）先端のトリプレットがmRNA中の対応コドンと塩基対合base pairing塩基対合（base pairing）base pairing（塩基対合）する。

アクセプターステムacceptor stemアクセプターステム（acceptor stem）acceptor stem（アクセプターステム）の機能： tRNAの3′端に位置し、CCA配列を持つ。特定のアミノ酸が結合し、tRNAが活性化アミノアシルtRNAaminoacyl-tRNAアミノアシルtRNA（aminoacyl-tRNA）aminoacyl-tRNA（アミノアシルtRNA）となる部位。

アミノアシルtRNA合成酵素の機能

アミノ酸の活性化
- 形成されたエステル結合ester bondエステル結合（ester bond）ester bond（エステル結合）はペプチド結合形成のためのエネルギーを提供する
- ピロリン酸pyrophosphateピロリン酸（pyrophosphate）pyrophosphate（ピロリン酸）の加水分解が反応を不可逆にする
遺伝暗号genetic code遺伝暗号（genetic code）genetic code（遺伝暗号）の翻訳
- 20種の異なるアミノアシルtRNA合成酵素aminoacyl-tRNA synthetaseアミノアシルtRNA合成酵素（aminoacyl-tRNA synthetase）aminoacyl-tRNA synthetase（アミノアシルtRNA合成酵素）はそれぞれ1つのアミノ酸と適合するtRNAを認識する → アミノ酸の数だけアミノアシルtRNA合成酵素aminoacyl-tRNA synthetaseアミノアシルtRNA合成酵素（aminoacyl-tRNA synthetase）aminoacyl-tRNA synthetase（アミノアシルtRNA合成酵素）が存在する

まとめ

遺伝暗号genetic code遺伝暗号（genetic code）genetic code（遺伝暗号）は縮重性degenerated縮重性（degenerated）degenerated（縮重性）・非曖昧性non-ambiguous非曖昧性（non-ambiguous）non-ambiguous（非曖昧性）・非重複性non-overlapping非重複性（non-overlapping）non-overlapping（非重複性）・非区切り性・普遍性universal普遍性（universal）universal（普遍性）という5つの特性を持つトリプレットコードであり、61個のセンスコドンが20種のアミノ酸を、3個の終止コドンstop codon終止コドン（stop codon）stop codon（終止コドン）（UAA、UGA、UAG）が翻訳終結を指定する。
tRNAはクローバーリーフcloverleafクローバーリーフ（cloverleaf）cloverleaf（クローバーリーフ）2次構造（アンチコドンループanticodon loopアンチコドンループ（anticodon loop）anticodon loop（アンチコドンループ）・D-loop・T-loop・アクセプターステムacceptor stemアクセプターステム（acceptor stem）acceptor stem（アクセプターステム））を持ち、mRNAのコドンとアミノ酸を仲介mediate仲介（mediate）mediate（仲介）する物理的アダプターとして機能する。
ウォブルwobbleウォブル（wobble）wobble（ウォブル）（コドン第3位置とアンチコドンanticodonアンチコドン（anticodon）anticodon（アンチコドン）第1位置の非標準対合synapsis対合（synapsis）synapsis（対合））は、遺伝暗号genetic code遺伝暗号（genetic code）genetic code（遺伝暗号）全体をカバーするために必要なtRNA種類数を減らす効率化機構である。
アミノアシルtRNA合成酵素aminoacyl-tRNA synthetaseアミノアシルtRNA合成酵素（aminoacyl-tRNA synthetase）aminoacyl-tRNA synthetase（アミノアシルtRNA合成酵素）はATP依存性にアミノ酸をtRNAの3′端へエステル結合ester bondエステル結合（ester bond）ester bond（エステル結合）で連結し（アミノ酸ごとに1種、計20種）、この活性化がペプチド結合形成のエネルギー源となる。