GNC仮説

GNC仮説

GNC仮説とは、地球上の生命の遺伝情報がどのようにして現在の形になったのか、その始まりと進化の道筋を説明しようとする学説です。この仮説は、現在のほとんどの生物が共通して使用している遺伝暗号（これを普遍遺伝暗号と呼びますが、一部の細胞内小器官や微生物では例外も存在するため、標準遺伝暗号とも称されます）が、原始的な段階から段階的に複雑化して形成されたと考えます。特に、奈良女子大学（当時）の池原健二教授が提唱したこの考え方は、特定の原始的な遺伝暗号の段階を設定し、その妥当性を検証しています。

この仮説では、遺伝暗号はまず「GNC原初遺伝暗号」という最も単純な段階から始まり、次に「SNS原始遺伝暗号」の段階を経て、最終的に現在の普遍遺伝暗号の形へ至ったと考えられています。

GNC原初遺伝暗号の段階

GNC原初遺伝暗号は、非常に限られた数のコドン（遺伝情報を読み取る際の最小単位）しか持たなかったと想定されています。この段階で使用されたのは、GGC、GCC、GAC、GUCというわずか4種類のコドンです。これらのコドンは、それぞれ以下に示す4種類のアミノ酸のみをコードしていました。

GGC: グリシン (Gly)
GCC: アラニン (Ala)
GAC: アスパラギン酸 (Asp)
GUC: バリン (Val)

これらのアミノ酸、グリシン、アラニン、アスパラギン酸、バリンは、その頭文字を取ってGADVアミノ酸とも呼ばれます。GNC原初遺伝暗号の段階では、遺伝情報に基づいて作られるタンパク質の材料が、この4種類のアミノ酸に限られていたと考えられます。

SNS原始遺伝暗号の段階

GNC原初遺伝暗号の段階から発展し、次に現れたと考えられているのがSNS原始遺伝暗号です。この段階では、遺伝暗号を構成するコドンの種類が増加しました。具体的には、16種類のコドンが使用されるようになり、それに伴ってコードできるアミノ酸の種類も増加しました。SNS原始遺伝暗号がコードしたとされるアミノ酸は、以下の10種類です。

グリシン (Gly)
アラニン (Ala)
アスパラギン酸 (Asp)
バリン (Val)
グルタミン酸 (Glu)
ロイシン (Leu)
プロリン (Pro)
ヒスチジン (His)
グルタミン (Gln)
アルギニン (Arg)

この段階で、遺伝暗号が指定できるアミノ酸の種類が大幅に増え、より多様な機能を持つタンパク質を合成する基盤ができたと考えられます。

仮説を支持する根拠

GNC仮説の主な裏付けとなっているのは、各段階の遺伝暗号がコードするアミノ酸の組成が、タンパク質が特定の構造を形成するために必要な能力を満たすという、理論的な検証結果です。これらの検証は、主に計算によって行われています。

1. GNC原初遺伝暗号段階の根拠:
GNC原初遺伝暗号によって指定される4種類のGADVアミノ酸は、現代のタンパク質のアミノ酸組成を参照し、それぞれの持つ物理化学的な性質から計算によって導かれる、タンパク質の基本的な構造形成能力を満たすことが示されています。具体的には、以下の4つの能力です。
タンパク質が水とどのように相互作用するかを示す疎水性や親水性の度合い。
らせん状の構造（α-ヘリックス）を作る能力。
シート状の構造（β-シート）を作る能力。
不規則な曲がりや構造（ターンやコイル）を作る能力。
これは、最も原始的なタンパク質が、これらの基本的な立体構造を形成するために必要なアミノ酸セットを持っていた可能性を示唆します。

2. SNS原始遺伝暗号段階の根拠:
SNS原始遺伝暗号によって指定される10種類のアミノ酸も、タンパク質の構造形成能力を満たします。この段階で加わったアミノ酸によって、タンパク質はさらに多様な構造を取れるようになったと考えられます。SNS段階で満たされる構造形成能力は、GNC段階の4つに加えて、さらに2つの能力が加わった計6つです。
疎水性/親水性の度合い
α-ヘリックス形成能
β-シート形成能
ターン（コイル）形成能
タンパク質全体における酸性アミノ酸の含量（負の電荷に関わる）
タンパク質全体における塩基性アミノ酸の含量（正の電荷に関わる）
電荷を持つアミノ酸が加わったことで、タンパク質は電気的な性質を持つようになり、他の分子との相互作用や、より複雑な機能（例えば酵素としての働きなど）を発揮するための基盤が強化されたと考えられます。

これらの計算に基づく検証結果は、遺伝暗号がGNCからSNSへと段階的に進化し、それぞれのアミノ酸セットがその段階で必要とされるタンパク質の機能や構造を支えるのに適していた、というGNC仮説の考え方を支持しています。GNC仮説は、生命の根源である遺伝暗号の起源を理解する上で、段階的な進化という視点から重要な洞察を提供するものです。この仮説は、関連するGADV仮説とも密接に関連しています。

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