リーディングフレーム
分子生物学において、リーディングフレームとは、核酸分子（DNAやRNA）に記録された遺伝情報を読み解くための基本的な枠組みです。これは、ヌクレオチドが連なった核酸配列を、重なり合わない連続した3つのヌクレオチドのグループ、すなわちトリプレットに分割する方法を指します。これらのトリプレットが、タンパク質の構成要素であるアミノ酸や、翻訳を終了させる合図に対応する場合、これらはコドンと呼ばれます。遺伝情報の本体であるDNAや、その情報を一時的にコピーしたmRNAは、このコドンによってアミノ酸配列をコードしています。
核酸分子の鎖には方向性があります。一端にはリン酸基を持つ5'末端、もう一端には水酸基を持つ3'末端があり、遺伝情報は通常5'から3'の方向へ読み進められます。この5'→3'の方向に沿って核酸配列をコドンに区切る際、最初のヌクレオチドをどこにするかによって、3通りの異なる読み取り方が考えられます。例えば、配列がAGTCAGTCAG...と続く場合、AGU, CAG, UCA...と読む方法、GUC, AGU, CAG...と読む方法、UCA, GUC, AGU...と読む方法の3つが可能になります。これらが一本鎖核酸における3つのリーディングフレームです。
もし核酸が二本鎖である場合、例えばDNAのように、それぞれの鎖は逆平行に並んでいます。一方の鎖が5'→3'方向に向かっているとすると、もう一方の相補鎖は3'→5'方向に向いています。しかし、遺伝情報の読み取りは常に5'→3'方向で行われるため、二本鎖DNAの場合は、それぞれの鎖について5'→3'方向への3通りの読み取り方、合計6つのリーディングフレームが存在することになります。転写の過程では、DNAの片方の鎖（鋳型鎖）がRNAポリメラーゼによって3'→5'方向に読み取られますが、生成されるmRNAは5'→3'方向の配列になります。mRNAは一本鎖であるため、可能なリーディングフレームは3つに限られ、通常そのうちのただ一つだけがリボソームによって認識され、アミノ酸配列へと翻訳されます。この翻訳はmRNAの5'→3'方向へ進み、最終的にポリペプチド鎖が合成されます。
生物のゲノムや遺伝子の中で、実際にタンパク質に翻訳される可能性を持つ領域は、特定のリーディングフレームに限定されます。このような、タンパク質合成の設計図となり得るリーディングフレームは、オープンリーディングフレーム（ORF）と呼ばれます。ORFは、翻訳開始の目印となる開始コドンから始まり、翻訳終了の目印となる終止コドンで終わる、連続したコドン配列から構成されます。その長さは、ヌクレオチド数で言うと開始コドンと終止コドンを含まない領域が常に3の倍数となります。かつて、ミトコンドリアや葉緑体ゲノムにおいて、配列が決定されたものの、そこから推定されるアミノ酸配列の機能が未知であったORFは、「未確認のリーディングフレーム（URF）」と呼ばれた時期がありました。例えば、ヒトミトコンドリアゲノムのMT-ATP8遺伝子は、当初URF A6Lとして報告されています。
通常、一つの遺伝子領域は特定の唯一のORFとして機能しますが、生物によっては例外も存在します。特にウイルス、原核生物、そして真核生物のミトコンドリアゲノムなどでは、複数の遺伝子が一部または完全にオーバーラップしている、いわゆるオーバーラップ遺伝子が見られます。これらの遺伝子は、同じ核酸配列を異なるリーディングフレームで読み取ることで、複数の異なるタンパク質を合成することを可能にしています。例えば、B型肝炎ウイルスやいくつかの植物ウイルスでは、このようなオーバーラップしたリーディングフレームを利用して、限られたゲノムサイズの中に多様な遺伝情報を詰め込んでいます。ただし、これは遺伝子のコピー数が増える「遺伝子重複」とは全く異なる現象です。
ごく稀なケースですが、mRNAがリボソームによって翻訳される途中で、リボソームが意図せず読み取りフレームをずらしてしまうことがあります。これを翻訳フレームシフトと呼びます。これにより、mRNAの特定の部分までは一つのリーディングフレームで翻訳されていたものが、途中から別のリーディングフレームで翻訳されるという現象が起こります。この現象は、核酸配列自体が挿入や欠失によって変化する「フレームシフト変異」とは異なり、元の配列はそのままに、読み取り方のみが変わる点が特徴です。
このように、リーディングフレームの概念は、遺伝情報がどのようにコードされ、細胞内でタンパク質として読み解かれるかを理解する上で、極めて重要な基礎となります。核酸配列の構造と方向性、そしてそれをいかにコドンとして正確に読み取るかが、生命活動を支える多様なタンパク質の合成を可能にしているのです。
核酸分子の鎖には方向性があります。一端にはリン酸基を持つ5'末端、もう一端には水酸基を持つ3'末端があり、遺伝情報は通常5'から3'の方向へ読み進められます。この5'→3'の方向に沿って核酸配列をコドンに区切る際、最初のヌクレオチドをどこにするかによって、3通りの異なる読み取り方が考えられます。例えば、配列がAGTCAGTCAG...と続く場合、AGU, CAG, UCA...と読む方法、GUC, AGU, CAG...と読む方法、UCA, GUC, AGU...と読む方法の3つが可能になります。これらが一本鎖核酸における3つのリーディングフレームです。
もし核酸が二本鎖である場合、例えばDNAのように、それぞれの鎖は逆平行に並んでいます。一方の鎖が5'→3'方向に向かっているとすると、もう一方の相補鎖は3'→5'方向に向いています。しかし、遺伝情報の読み取りは常に5'→3'方向で行われるため、二本鎖DNAの場合は、それぞれの鎖について5'→3'方向への3通りの読み取り方、合計6つのリーディングフレームが存在することになります。転写の過程では、DNAの片方の鎖（鋳型鎖）がRNAポリメラーゼによって3'→5'方向に読み取られますが、生成されるmRNAは5'→3'方向の配列になります。mRNAは一本鎖であるため、可能なリーディングフレームは3つに限られ、通常そのうちのただ一つだけがリボソームによって認識され、アミノ酸配列へと翻訳されます。この翻訳はmRNAの5'→3'方向へ進み、最終的にポリペプチド鎖が合成されます。
生物のゲノムや遺伝子の中で、実際にタンパク質に翻訳される可能性を持つ領域は、特定のリーディングフレームに限定されます。このような、タンパク質合成の設計図となり得るリーディングフレームは、オープンリーディングフレーム（ORF）と呼ばれます。ORFは、翻訳開始の目印となる開始コドンから始まり、翻訳終了の目印となる終止コドンで終わる、連続したコドン配列から構成されます。その長さは、ヌクレオチド数で言うと開始コドンと終止コドンを含まない領域が常に3の倍数となります。かつて、ミトコンドリアや葉緑体ゲノムにおいて、配列が決定されたものの、そこから推定されるアミノ酸配列の機能が未知であったORFは、「未確認のリーディングフレーム（URF）」と呼ばれた時期がありました。例えば、ヒトミトコンドリアゲノムのMT-ATP8遺伝子は、当初URF A6Lとして報告されています。
通常、一つの遺伝子領域は特定の唯一のORFとして機能しますが、生物によっては例外も存在します。特にウイルス、原核生物、そして真核生物のミトコンドリアゲノムなどでは、複数の遺伝子が一部または完全にオーバーラップしている、いわゆるオーバーラップ遺伝子が見られます。これらの遺伝子は、同じ核酸配列を異なるリーディングフレームで読み取ることで、複数の異なるタンパク質を合成することを可能にしています。例えば、B型肝炎ウイルスやいくつかの植物ウイルスでは、このようなオーバーラップしたリーディングフレームを利用して、限られたゲノムサイズの中に多様な遺伝情報を詰め込んでいます。ただし、これは遺伝子のコピー数が増える「遺伝子重複」とは全く異なる現象です。
ごく稀なケースですが、mRNAがリボソームによって翻訳される途中で、リボソームが意図せず読み取りフレームをずらしてしまうことがあります。これを翻訳フレームシフトと呼びます。これにより、mRNAの特定の部分までは一つのリーディングフレームで翻訳されていたものが、途中から別のリーディングフレームで翻訳されるという現象が起こります。この現象は、核酸配列自体が挿入や欠失によって変化する「フレームシフト変異」とは異なり、元の配列はそのままに、読み取り方のみが変わる点が特徴です。
このように、リーディングフレームの概念は、遺伝情報がどのようにコードされ、細胞内でタンパク質として読み解かれるかを理解する上で、極めて重要な基礎となります。核酸配列の構造と方向性、そしてそれをいかにコドンとして正確に読み取るかが、生命活動を支える多様なタンパク質の合成を可能にしているのです。
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