構造遺伝子

構造遺伝子（こうぞういでんし）

構造遺伝子とは、生物の設計図であるDNA上に存在する特定の領域を指し、生命活動に不可欠な特定のタンパク質や、tRNA（転移RNA）、rRNA（リボソームRNA）などの機能性RNAを合成するための情報を保持しています。これらの遺伝子領域は、コードする分子のアミノ酸配列やヌクレオチド配列、すなわち一次構造を決定する役割を担っており、シストロンと呼ばれることもあります。

ヒトのゲノム（全遺伝情報）において、構造遺伝子がおよそ9千万塩基対を占めており、これはゲノム全体の約3%に相当します。このうち約6千万塩基対がタンパク質の設計情報として、約3千万塩基対が機能性RNAの設計情報として使われています。

構造遺伝子の機能

構造遺伝子が持つ情報は、遺伝子発現という複雑なプロセスを経て、最終的に目的の分子となります。

タンパク質合成の場合

タンパク質の設計図をコードする構造遺伝子は、まずmRNA（メッセンジャーRNA）と呼ばれる中間分子へと「転写」されます。この転写されたmRNAは、細胞内のタンパク質合成工場であるリボソームへと運ばれます。リボソーム上では、mRNA上の連続した3つの塩基配列（コドン）の情報を基に、tRNAが対応するアミノ酸を運び込み、アミノ酸が次々とペプチド結合で連結されてポリペプチド鎖が合成されます。このプロセスが「翻訳」です。合成されたポリペプチド鎖は、その後適切に折り畳まれたり修飾を受けたりすることで、機能を持つ完成したタンパク質となります。また、一つの構造遺伝子から転写されたmRNAが、選択的スプライシングと呼ばれる過程を経て、構造的に類似しながらも機能が異なる複数のタンパク質を生み出す場合もあります。これにより、限られた遺伝子数で多様な機能を持つタンパク質を生み出すことが可能になっています。

機能性RNA合成の場合

rRNAやtRNAといった機能性RNAの情報をコードする構造遺伝子も、まず対応するRNA分子へと転写されます。これらのRNAは、タンパク質のように翻訳されることはありませんが、その後、様々な化学修飾やプロセシングを受けることで、それぞれの機能を発揮できる成熟した分子として完成します。tRNAはアミノ酸を運ぶ役割を、rRNAはリボソームを構成する主要な成分としてタンパク質合成の場を提供する役割を担っています。

遺伝子発現制御における位置づけ

細胞がいつ、どこで、どのタンパク質やRNAを必要とするかは、生命活動において極めて重要です。そのため、構造遺伝子の働き（発現）は厳密に制御されています。構造遺伝子は、まさにこの遺伝子発現制御の「対象」となる遺伝子群として位置づけられます。

構造遺伝子の発現を促進したり抑制したりといった調節を行う遺伝子は、調節遺伝子と呼ばれ、構造遺伝子とは区別されます。遺伝子発現の制御は、転写、RNAの加工、翻訳、さらには最終的なRNAやタンパク質の修飾や分解といった様々な段階で巧妙に行われていますが、中でもDNAからRNAへの「転写」の段階での制御が最も基本的かつ重要と考えられています。

進化における構造遺伝子の役割

生物学における大きな課題の一つに、種レベルを超えた大規模な進化（大進化）がどのように起こるのかという問いがあります。生物の体の構造や機能といった基本的な体制が大きく変化する際には、単に個々のタンパク質やRNAの設計図である構造遺伝子そのものに変異が蓄積するだけでは不十分であると考えられています。

むしろ、体の発生や細胞の分化といったプロセスにおいて、いつ、どこで、どの構造遺伝子を、どのくらいの量発現させるか、といった全体的な遺伝子発現の「パターン」や「タイミング」を制御する遺伝子群（主に調節遺伝子）の発現様式の変化こそが、生物の多様化や大規模な体制転換の鍵を握ると推測されています。例えば、初期発生や体の基本構造の形成に関わるホメオボックス遺伝子をはじめとする多くの転写調節因子をコードする遺伝子は、少数の変化が多数の構造遺伝子の発現に影響を与え、大きな形態変化をもたらす可能性があるため、近年、大進化に関わる調節遺伝子の候補として注目されています。もちろん構造遺伝子の変化も重要ですが、全体的な体制の変革においては、その発現様式を司る調節遺伝子の変化がより決定的な役割を果たすと考えられています。

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