生命科学Ⅱ›遺伝子とバイオテクノロジー

遺伝子発現調節

Gene Regulation

なぜ同じDNAなのに細胞ごとに違うのか?
🤔 皮膚細胞と脳細胞の違い
①ヒトの全体細胞は同じ約2万個の遺伝子を持つ
②しかし皮膚細胞はケラチン·赤血球はヘモグロビンを作る
③秘密:どの遺伝子を「ON/OFF」するかが細胞の正体を決める
④遺伝子発現調節 = 必要な遺伝子のみ選択的に作動させるメカニズム
⑤これが「分化(differentiation)」の核心原理
原核生物 — lacオペロンモデル
🧬 大腸菌の賢いエネルギー節約
①大腸菌はブドウ糖が一番好き(効率的なエネルギー源)
②乳糖がある時のみ乳糖分解酵素を作る — 省エネ!
③ブドウ糖があれば乳糖があっても乳糖酵素を作らない
④この調節系が「lacオペロン」
lacオペロンON条件
乳糖O + ブドウ糖X → リプレッサー不活性化 → 転写ON
両条件が満たされて初めて遺伝子発現

lacオペロン状態表

📊乳糖/ブドウ糖の組み合わせ別発現
乳糖ブドウ糖lacオペロン理由
XXOFF乳糖不要 → リプレッサーがオペレーターを遮断
XOOFFブドウ糖使用 → 乳糖酵素不要
OOOFFブドウ糖優先使用(カタボライト抑制)
OXON乳糖のみ → 分解必要!
オペロンの構成要素

オペロン構成

📋lacオペロン各部の役割
調節遺伝子
常時発現しリプレッサーを作る
リプレッサーをコード
プロモーター
RNAポリメラーゼが結合して転写開始
RNAポリメラーゼ結合部位
オペレーター
スイッチ役 — 遮断されると転写不可
リプレッサー結合部位
構造遺伝子(Z·Y·A)
Z=β-ガラクトシダーゼ·Y=パーミエース·A=トランスアセチラーゼ
乳糖分解酵素をコード
真核生物の遺伝子調節 — 多段階システム
🏗️ 原核 vs 真核:調節の複雑さが異なる
①原核:オペロン1つでON/OFF(単純スイッチ)
②真核:DNA→mRNA→タンパク質の各段階で調節
③イントロン/エクソン構造·ヒストンパッケージなど追加調節
④これが多細胞生物の複雑な分化を可能にする
転写レベル調節
転写因子+プロモーター → RNAポリメラーゼ結合 → 転写開始
転写因子が遺伝子発現の核心スイッチ

調節段階

📋真核生物遺伝子発現の調節レベル
転写前
クロマチン構造変化 → 遺伝子アクセス制御
DNAメチル化·ヒストン修飾
転写レベル
最も重要な調節レベル
転写因子·エンハンサー·サイレンサー
転写後
イントロン除去·選択的スプライシング → 1遺伝子から複数タンパク質
mRNAプロセシング(スプライシング)
翻訳レベル
mRNA寿命 → タンパク質産生量
miRNAによるmRNA分解
翻訳後
タンパク質活性/分解の調節
タンパク質リン酸化·ユビキチン化
エピジェネティクス
DNAメチル化·ヒストンアセチル化 → 塩基配列変化なしに発現調節
環境が遺伝子発現を変える(遺伝可能!)
総まとめ
遺伝子調節の核心
同じDNA+異なる発現 = 細胞分化
同じゲノムを共有しながら異なる細胞になる理由
🎯 試験ポイント
①lacオペロンON条件:乳糖O+ブドウ糖X
②調節遺伝子→リプレッサー生産/オペレーター=スイッチ
③乳糖がリプレッサーに結合→オペレーターから離脱→転写開始
④真核:転写因子+プロモーター調節が核心(多段階)
⑤エピジェネティクス:DNAメチル化/ヒストン修飾→塩基配列不変·発現のみ変化