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単語帳
高校2~高校3年生 (16-18歳)

遺伝子発現調節

Gene Regulation

すべての体細胞は同じ遺伝子をもちますが、どの遺伝子をオン・オフするかで細胞の種類が決まります。 大腸菌のlacオペロンは、乳糖がありブドウ糖がないときだけ乳糖分解酵素をつくりエネルギーを節約します。 真核生物は転写前後・翻訳まで多段階で調節し、エピジェネティクスも発現に関わります。 乳糖とブドウ糖のボタンで組み合わせを変え、lacオペロンがいつONになるかを確かめてみましょう。

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

Chart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

Listlac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

List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!)
例題と過去問で確認
例題 1
大腸菌のlacオペロンで、乳糖分解酵素が最も活発に作られる条件は?(乳糖とグルコースの有無で答えよ)
1
乳糖があってこそ抑制タンパク質が外れ、転写が始められる。
2
グルコースがあると大腸菌はグルコースを先に使うため、乳糖酵素の生産が抑えられる(グルコース効果)。
乳糖あり + グルコースなし
二つの条件が揃ってこそlacオペロンはON。グルコースがあれば乳糖があっても酵素はほとんど作られない。
例題 2
培地に乳糖が入ると、lacオペロンで何が起こって転写が始まるか?
1
普段は抑制タンパク質がオペレーターに結合し、RNAポリメラーゼの進行を妨げる。
2
乳糖(誘導物質)が抑制タンパク質に結合すると形が変わってオペレーターから外れ、RNAポリメラーゼが構造遺伝子を転写する。
乳糖が抑制因子に結合 → 抑制因子がオペレーターから外れる → 転写開始
オペレーターはスイッチ、抑制因子はその上の錠。乳糖が錠を開ける。
共通テスト類題
原核生物のlacオペロンについての説明として正しいものは?
グルコースが豊富だと乳糖分解酵素が多く作られる
オペレーターはRNAポリメラーゼが結合する部位である
抑制タンパク質は調節遺伝子で作られる
乳糖がないとき構造遺伝子の転写が活発である
真核生物もlacオペロンで遺伝子を調節する
③ 抑制タンパク質は調節遺伝子で作られる
1
調節遺伝子は常に発現して抑制タンパク質を作り、このタンパク質がオペレーターを塞ぐ。
2
グルコースが多いと酵素生産は抑えられ(①)、RNAポリメラーゼが結合するのはプロモーターで(②)、乳糖がないと転写は抑制され(④)、オペロン調節は原核生物の方式である(⑤)。
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
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