6

1-1

■□　 生命の起源に関する仮説　地球上の生命が，最初どのように生まれたか

は正確にわかっていないが，いくつかの仮説が

提唱されている．この中の一つとして，高温，

高圧，放電などによって無機物から単純な有機

物が生成し，それがより複雑な有機物へと変換

され，さらにコアセルベートといわれる有機物

集合体の液滴に成長し，それが細胞の原型と

なったという仮説がある（オパーリンによる化

学進化説）．

■□　 RNA ワールド ：遺伝物質の進化に関する仮説　 原 始 細 胞 で は じ め て 使 わ れ た 遺 伝 物 質 は

RNA と想像されているが（⇨これを RNA ワー

ルド仮説という），これは RNA が反応性に富む

分子で，かつ遺伝情報を含み，あるものはリボ

ザイムとして酵素活性をもつという事実，そし

て補酵素の大部分がヌクレオチドであるという

事実などに基づいている．RNA ワールドはや

がてタンパク質を含んだ RNP ワールドとなり，

さらに現在の DNA ワールドに変わっていった

と推定されている．事実 RNA から DNA を合成

する逆転写酵素も存在しており，この説を信じ

る学者は多い．

■□　 生物を大別する　生物は細胞の形態により，染色体が核膜で包

まれている真核生物と包まれていない原核生物

に分けられる（⇨ 2 ドメイン説という）．原核

生物はさらに真正細菌（通常の細菌とシアノバ

クテリア［ラン藻類ともいう］を含むグループ）

と，原始の地球環境に近い場所に生息している

古細菌に二分することができる（⇨結果的に生

物全体が三つに分類されることになるが，これ

を 3 ドメイン説という）．真核細胞と原核細胞

は核膜の有無以外にも，遺伝子の数や発現方式，

DNA の存在様式，細胞小器官の有無，細胞分

裂の様式など，多くの点で異なる．真核生物は

さらに原生生物，菌類，植物，そして動物に分

生命の起源と生物進化プロセス　生命誕生のシナリオは化学進化説などの仮説が提唱されているが，正確にはよくはわかっていない．生物は大きく原核生物（真正細菌と古細菌に分けられる）と真核生物の二つに分けられる．真核生物は，細菌類による細胞内共生を経て誕生・進化したと推定される．

核膜

ゲノムDNA

リボソーム

原核生物真核細胞（動物）

■ 図 1　真核生物と原核生物の細胞　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　■

7

1-1生命の起源と生物進化プロセス

1生命工学の基礎[

1]

：細胞，代謝，発生，分化，増殖

けられる．ただ古細菌はゲノムの存在様式や，

遺伝子の構造や発現様式（⇨転写制御因子など）

などが真核生物に近い．このため，真正細菌と

古細菌の祖先が共存した時期のあとで細胞内共

生が起こり，後者は古細菌と真核生物に分かれ

て別々に進化したという説も提唱されている．

■□　 細胞内共生説　古細菌の祖先細胞に好気性細菌が入り込んで

ミトコンドリアとなって動物細胞が生まれ，さ

らにそこにラン藻が入り込んで葉緑体となって

植物細胞が生まれたという仮説である．ミト

コンドリアと葉緑体の両方に DNA が含まれて

いること，また植物細胞に別の生物が入って二

次共生という現象が起こったと推定できる生物

が存在するなど，この仮説の信憑性は高い．

■ 図 3　細胞内共生と真核生物の誕生　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　■

コラム：パンスペルミア説　地球外生命体（細菌の胞子など）が地球上の生物の起源となったという SF 的な仮説である．｢有機物を含む隕石を発見｣ という情報（?）や生命誕生までの時間が想像よりも短い（?）などが論拠となっているらしい．もし宇宙のどこか，あるいは地球に落ちた隕石に有機物など生命の痕跡が見つかると，この説はにわかに信憑性を増すことになる，

原核生物

モネラ界

真核生物

3ドメイン説

2ドメイン説

真正細菌ラン藻

古細菌

菌類

動物

＃

五界説＊

原生生物

植物

＃：狭義の原核生物とする場合もある＊：真核生物 4 ＋ モネラ 1

現生の真正細菌

現生の真核生物

現生の古細菌

真正細菌の祖先 古細菌の祖先＊

原始生命

動物 菌類 原生生物植物

ラン藻

酸素呼吸細菌

点線のように原核生物が入り込んだと考えられている．＊：酸素を必要としない嫌気性の生物

■ 図 2　生物の分類 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　■

22

2-12-1

■□　 染色体　染色体は真核細胞の核内にある DNA- タンパ

ク質複合体で，物質的にはクロマチンとよばれ

る．細胞分裂（M）期になると複製した染色体

が高度に凝集し，顕微鏡で観察できる．複製し

た染色体は染色分体が中心部（動原体といい，

その領域にある DNA はセントロメアとよばれ

る）で結合している．染色体は相同染色体とい

う対からなり，数と形態は生物種で決まってい

る．染色体末端部分（末端小粒）はテロメアと

いい，単純な繰り返し DNA 配列からなる．染

色体維持に必須な領域は，複製起点，セントロ

メア，そしてテロメアの 3 か所であり，それ

以外の DNA は遺伝子であっても染色体維持自

体には不要である．原核生物ゲノム DNA は環

状でタンパク質がほとんど結合していない裸の

状態だが，慣例的に染色体という．

■□　 クロマチンの凝縮　1 本の染色体に含まれる DNA（直径 2nm）

の長さは平均 10cm 程度だが，これが小さな核

に収まるためには高度に凝縮される必要があ

る．クロマチンの基本構造はヒストン（コア

ヒストン）の八量体に DNA が巻き付くヌクレ

オソーム構造で，これがビーズのように連結し

ている．ヌクレオソームはリンカーヒストンに

よって束ねられ 30nm の繊維となり，さらに

折り畳まれて直径数百 nm となって核内に存在

する．染色体は最も凝縮したときには直径約 2

μ m，長さが数〜数十μ m になる．

■□　 ゲノム　染色体 1 組分の DNA をゲノムといい（注：

二倍体細胞は 2 組のゲノムをもつ），生存に必

須な遺伝子を含む．ゲノムの大きさは大腸菌で

460 万塩基対（bp），ヒトで 30 億 bp と，真核

染色体，ゲノム，遺伝子

■ 図 1　ヒトゲノムの構成　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　■

反復配列の種類反復配列（50%） ユニークな

配列（50%）

遺伝子部分（25%）

非遺伝子部分

タンパク質になる部分（2.5%）

タンパク質にならない部分

反復配列 重複遺伝子

縦列反復配列

リボソームRNA遺伝子

レトロウイルス関連配列

サテライトDNA

（例）

散在性反復配列

　細胞の生存と遺伝を担っている真核細胞の染色体は，DNA とヒストンを含む複合体であるクロマチンという形で存在し，何重にも折り畳まれて核の内に収納されている．染色体がもつDNA の 1 セット分をゲノムといい，その中に遺伝子が散りばめられている．

23

2-1染色体，ゲノム，遺伝子

2生命工学の基礎[

2]

：遺伝子と遺伝情報

生物の方が原核生物より大きく，また，一般に

は多細胞生物は単細胞生物より大きい．ただ，

真核生物では必ずしも進化度が高いほどゲノム

が大きいわけではない．これはゲノムの中に多

量に含まれる非遺伝子領域の量，さらには縦列

反復配列や散在性反復配列（レトロトランスポ

ゾンの増殖の結果と考えられる）といった反復

配列の量の違いによるところが大きい．ゲノム

に含まれる典型的遺伝子の数は単細胞生物で約

500 〜 5000 個，真核生物で約 5000 〜 30000

個である．ヒトは約 22000 個の遺伝子をもち，

マウスはそれよりやや少ない．

■□　 遺伝子　遺伝子は狭義にはタンパク質をコード（指

定）する領域の DNA と定義されるが，広義に

は RNA に転写される領域を示す．遺伝子の中

にはタンパク質をコードしないものもある（例：

tRNA 遺伝子）．近年，タンパク質をコードしな

い RNA に転写される DNA 配列が，遺伝子間ス

ペーサー領域，あるいは遺伝子の内部などにも

多数あることがわかり，遺伝子の概念が変わり

つつある．

コラム：生物がもつ最少の遺伝子数　人工培養できるマイコプラズマは約 500 個の遺伝子をもっているが，これが自己増殖できる生物の最少遺伝子数のようである．細胞内共生細菌のカルソネラは葉緑体なみの 16 万 bpのゲノム中に 182 個の遺伝子しかない．必須遺伝子の多くをもたないために自己増殖することができず，その増殖は全面的に宿主に依存している．

■ 図 3　ヌクレオソームとクロマチン　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　■

■ 図 2　染色体各部の名称と機能　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　■

一本の染色体に多数存在する

短腕

短い配列の繰り返し末端

微小管

長腕

動原体

複製起点

セントロメア

テロメア

・複製起点（ori）…DNA複製の起点になる．　　　　　　　　 多数存在する．・テロメア…………染色体の末端を保護し，　　　　　　　　 染色体を安定化する．・セントロメア……動原体形成部位に　　　　　　　　 存在する．

染色体の三大要素

（b）クロマチン構造の階層性（a）ヌクレオソーム

ヒストン #

八量体

ヌクレオソーム

DNA

約 200bp

DNA

ヌクレオソーム30nm繊維

凝縮 らせん状染色体

凝縮した染色体

クロマチン

#：コアヒストンという （ ヒストンH2A，H2B，H3， Ｈ４を各2個ずつ含む ）

700nm

50

3-1

■□　 DNA の抽出・精製　DNA を安定な条件で扱う必要があり，pH は

中性〜微アルカリ性に合わせる．高温になると

変性し，100℃近くになるとリン酸ジエステル

結合が部分的に切れて断片化する．生物のか

かわる環境で DNA を分解する主な原因は DNA

分解酵素（DNase）なので，DNA を扱う場合

には必ず DNase 阻害剤を加える．DNase はマ

グネシウムイオンなどの二価金属イオンを活性

発揮に必要とするため，操作を通して金属イ

オンと結合するキレート試薬（例：EDTA，クエン

酸）を加える．

　細胞内には大量のタンパク質があり，DNA

にもタンパク質が結合しているので，DNA 抽

出は DNA をタンパク質と分けることがポイン

トとなる．まずフェノールなどのタンパク質変

性剤を加えて細胞を壊し，その後遠心分離する．

フェノールが水より重いため，抽出 DNA は上

部の水層に集まり，変性タンパク質はその下に

くる．抽出したばかりの DNA 溶液にはまだ雑

多な物質が混ざっており，DNA を精製する必

要があるが，一般的な方法はエタノールを加え

て DNA を沈殿させることである（エタノール

沈殿）．遠心分離によって DNA を沈殿として

集め，それを溶かすことにより濃い精製 DNA

溶液が得られる．低分子物質や脂質などはこの

操作で除かれる（多糖類が入る場合があるが，

他の方法で除ける）．

　細胞から DNA を抽出する場合はタンパク質を変性させ，遠心分離によって DNA と分け，エタノール沈殿によって精製・濃縮する．DNA を分離する一般的方法にゲル電気泳動があり，DNA 検出法にはエチジウムブロマイドによる染色法や，各種の標識法がある．

抽出とゲル電気泳動による分離 ･ 検出

細胞や組織

＊1：SDS＝ドデシル硫酸ナトリウム　＊2：DNAはガラスに付きやすいため

上清を回収繊維状のDNA沈殿を巻き取る＊2

溶解精製DNA

ガラス棒

振とうする細胞を壊す

遠心分離DNA

安定化剤タンパク質変性剤

バッファーエタノールを加える

水層（DNAを含む）

変性タンパク質

フェノール

SDS＊1

フェノール

■ 図 1　生物材料から DNA を抽出する方法 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　■

51

3-1抽出とゲル電気泳動による分離 ･ 検出

3核酸の性質と基本操作

■□　 DNA の分離：ゲル電気泳動　DNA を大きさ（長さ）で分離する一般的な

方法はゲル電気泳動である．DNA は負電荷を

もつので，電圧をかけると陽極に移動するが，

ゲル（⇨ 網目構造をとって内部に多量の水を

含む．ゼリー状物質）中では小さい分子ほど

速く移動するため，DNA を長さで分離できる．

DNA 変性剤を加えれば，一本鎖 DNA としても

分離できる．使用されるゲルはポリアクリルア

ミドか寒天に似たアガロースのいずれかで，後

者は長い DNA の分離に適している．ゲル電気

泳動は DNA シークエンス解析，巨大 DNA の

分離，DNA－タンパク質検出，変異解析などと

応用範囲が広い．

■□　 DNA の検出　DNA の存在を知る普通の方法は染色である．

DNA 二本鎖に入り込むエチジウムブロマイド

（臭化エチジウム）溶液に電気泳動したゲルを

浸けて紫外線を当て，DNA をオレンジ色に光

らせる．他のアプローチは，検知しやすい物質

をもつヌクレオチドで合成した DNA を使う方

法である．一つは蛍光色素結合ヌクレオチドを

使うもので，レーザー光を当てて光らせる．他

の方法は放射性リンをもつヌクレオチドを使う

方法で，DNA 位置を写真に記録する（3-7）．

■ 図 3　DNA はいろいろな方法で検出できる 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　■

コラム：遠心分離機による核酸の分離　DNA ／ RNA は大きいほど速く沈降するので，遠心分離法で分離でき，密度の大きな塩化セシウム溶液を使うと DNA と RNA の分離もできる．エチジウムブロマイドがプラスミドDNA に結合し難く，それが結合した DNA がしないものに比べて塩化セシウム溶液中での比重が線状 DNA より小さくなることを利用して，プラスミドを分離・精製することができる．

－ ＋

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

DNA（負［－］に荷電している） 写真などで記録

ゲル（網目状の分子構造） 紫外線ランプ

エチジウムブロマイド（臭化エチジウム）

Ｘ線フィルム

RIを含むDNA

（a）染色法

紫外線

（c）放射性同位元素（RI）を使う（リン32の場合）（b）蛍光色素を使う

エチジウムブロマイド

色素

他にサイバーグリーンなども使われる

レーザー光 実際は見えない

ゲル電気泳動

（ネガ）フィルム

感光現像

オートラジオグラフィー

■ 図 2　DNA はゲル電気泳動で分離できる 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　■

70

4-1

■□　 遺伝子工学を可能にした酵素の発見　あるファージと，その感染を阻止できる型の

宿主細菌 Y という組合せでも，たまたまそこ

で増えたファージ（⇨ ファージ X）が見つか

る場合があるが，次に X を細菌 Y に接触させ

ると，今後はよく増えるようになるという現象

がみられる．ファージを増やさない現象を「制

限」というが，その原因は細菌の DNA 分解酵

素（DNase）によるファージ DNA の分解である．

細菌自身の DNA は，DNA メチル化酵素（メチ

ラーゼ）によって保護されていて分解されない．

X の DNA はたまたまメチル化が先行し，分解

をまぬがれたものと考えられる．上記 2 種の

酵素は，共通の塩基配列を標的にしている．

■□　 制限酵素は特定の配列を認識する　前述の制限という現象にかかわる DNase を

制限酵素あるいは制限エンドヌクレアーゼとい

い，その発見と応用はノーベル賞（アーバー

ら，1978 年，生理学 ･ 医学賞）の対象となり，

遺伝子工学・遺伝子組換え実験がスタートする

きっかけとなった．制限酵素は三つに分類され

るが，遺伝子工学に使われるものは，メチル化

活性をもたず，使いやすいⅡ型制限酵素であ

る．制限酵素はほとんどの細菌に見つかり，そ

の種類は非常に多く，認識配列や認識部位に対

してどこを切断するかという反応性もまちまち

である．制限酵素の名称の最初の 3 文字は起

源となった細菌名を表す略語になっている（例：

HinfⅠ酵素はヘモフィルス - インフルエンザ菌

由来）．同じ認識配列をもつ異なる細菌由来の

酵素はイソシゾマーといわれる．

■□　 制限酵素の特性　制限酵素の認識配列は 4 〜 8 塩基対で，多

くはパリンドローム（回文）構造をとる．当然

　細菌はファージの攻撃を防ぐために，自身の DNA をメチル化で保護したうえで，ファージDNA を切断する制限酵素を使う．制限酵素は特定の塩基配列を認識して DNA を切断するが，切断後に一本鎖末端を残す性質があり，これが組換え DNA の作製に利用される．

制限酵素：決まった塩基配列で DNA を切る

■ 図 1　制限酵素の発見につながった，ファージ増殖にかかわる現象 　　　　　　　　　　　　　　　■

ファージX

Y株の中でファージXに何が起こった？ファージXとX＊は何が違っているのか？Y株は通常なぜファージXを増やさないのか？

Z株

疑問

ファージX増殖

ファージXは当然増える

ファージX＊はよく増える

ファージは増えないY株は増える

Z株

Y株

Y株

わずかに増えたファージX＊

71

4-1制限酵素：決まった塩基配列で DNA を切る

4組換えD‌

N‌

Aをつくり，細胞に入れる

のことながら，認識塩基数が多いほど DNA を

まれにしか切断せず，8 塩基認識酵素は，主に

ゲノム解析で用いられる．制限酵素は反応条件

が悪いと塩基認識能が甘くなる現象がみられる

（スター活性）．制限酵素は認識部位の塩基配列，

あるいはその近傍の DNA を内部（endo）で切

断する．大部分の酵素は数塩基対ずらして二本

鎖を切断するため，切断後に一本鎖部分（3’ 末

端あるいは 5’ 末端をもつ）を生じるという特

徴をもつ．生じた一本鎖末端は回文構造をもち，

同じ末端をもつ DNA 断片が付着しやすいため

「粘着末端」とよばれる．粘着末端でない平滑

末端を生ずる酵素もある．

■□　 制限酵素メチラーゼ 　ある配列を認識する制限酵素をもつ細菌の中

には，同じ配列をメチル化する酵素であるメチ

ラーゼが共存している（例：Eco RI 産生大腸菌

は Eco RI メチラーゼをもつ）．このようなメチ

ラーゼは認識配列内の特定の塩基にメチル基を

付けることができ，遺伝子工学では制限酵素で

切断されないようにする場合に用いられる．

5′－ GGATCC G　　　GATCC3′－ CCTAGG CCTAG　　　G

5′－ GGTACC GGTAC　　　C3′－ CCATGG C　　　CATGG

5′－ AGCT AG　　　　CT3′－ TCGA TC　　　　GA

（b）3 種類の切断方式（認識配列を示す）

（1） 5′粘着末端を生じる例：Bam HⅠ

（2） 3′粘着末端を生じる例：Kpn Ⅰ

（3） 粘着末端を生じない（平滑末端を生じる）例：Alu Ⅰ

（a）認識配列

酵素 認識配列＊

NotⅠ GC｜GGCCGCEco RⅠ G｜AATTCHin dⅢ A｜AGCTTNcoⅠ C｜CATGGSphⅠ GCATG｜C

Eco RⅡ CC｜ATGG

AluⅠ AG｜CTHae Ⅲ GG｜CC

＊：二本鎖 DNA 片方のみを 5' 側から示した縦線は切断部位

■ 図 5　制限酵素の切断様式 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　■

細菌はファージから身を守る手段として制限酵素をもち，ファージDNAを分解する．自身のDNA切断部分は修飾されているため，分解されない．

ファージ

制限酵素認識配列

切断されない

分解されるファージ

DNA

メチル化による保護

ゲノムDNA

細菌制限酵素

DNAメチル化酵素

■ 図 2　細菌の制限酵素はファージ感染から自身の DNA を守る■

制限酵素の型 性質

Ⅰ型 認識部位から離れた部位を切断，Mg2+，ATP，S-アデノシルメチオニンを要求する．メチラーゼ活性をもつ．

Ⅱ型 認識部位か，そのごく近くを切断する．遺伝子工学に一般に使用される．

Ⅲ型 認識部位から約 25bp 離れたところを切断する．ATPと S-アデノシルメチオニンを要求する．メチラーゼ活性をもつ．

■ 図 3　制限酵素の分類 　　　　　　　　　　■

■ 図 4　ゲノム DNA の断片化の様子 　　　　■ ゲノムDNA

4塩基認識制限酵素

細断される あまり細かくは切れない

8塩基認識制限酵素

72

■□　 DNA リガーゼ：DNA 連結酵素　DNA 連結酵素（DNA リガーゼ）は，DNA の

リン酸ジエステル結合が切れたり，複製が終

わって隙間（⇨ ニック［切れ目］という）が

3’-OH,5’-リン酸となっている部分に作用して，

リン酸ジエステル結合をつくって DNA 鎖を連

結する．実際には T4DNA リガーゼ（T4 ファー

ジがコードする）に ATP を添加して用い，遺

伝子工学における最重要酵素の一つになってい

る．5’ 端にリン酸基がないと連結できない．

■□　 二つの DNA 断片を一つにする　DNA を制限酵素で切断して生じた粘着末端

に注目し，たとえば断片 A の端に一本鎖部分

AGCT-5’ があり，断片 B の端にも一本鎖部分

AGCT-5’ があると両者がアニールする．異なる

酵素で切断しても粘着末端が同じであれば同様

に反応が進む．この状態ではまだ安定な共有結

合になっていないので，DNA リガーゼを効か

せて両鎖にあるニックを結合させる．結合が片

方の鎖にしか起こらなくとも，組換え DNA と

しての安定性は基本的に維持される．この操作

により A と B が末端でつながった一つの DNA

（組換え DNA）ができる．1972 年，この操作

によって最初の組換え DNA がつくられた（P.

バーグ，1980 年，ノーベル化学賞）．組換え

DNA は元の DNA の素性にかかわらず（⇨PCR

で 増 や し た DNA や 化 学 合 成 し た DNA で も ）

細胞内で通常 DNA と同じ挙動を示す．

■□　 末端を整えてから連結する　上の方法では同じ粘着末端を生ずる DNA し

か連結できない．しかし制限酵素は種類が多く，

切断した DNA の末端構造が多様であるため，

希望する DNA 断片を上のようにいつでも連結

できるとは限らない．平滑末端同士を連結する

のは容易ではないが，そこにリンカーとよばれ

る制限酵素配列をもった短い DNA を連結した

あとで粘着末端をつくれば，リンカー間の結合

で DNA 断片は容易に連結できる．二つの DNA

　制限酵素で生じた DNA には末端に回文配列をもつ一本鎖部分があり，同じ末端をもつ DNAと付着させ，DNA リガーゼを作用させて一つの分子にすることができる．末端配列が合わなくとも，適当な酵素とリンカー DNA を使い，どのような DNA も連結可能である．

新しい組合せの DNA をつくる4-2

一つの分子（組換えDNA）

AGCTOH

HOTCGA

粘着末端

P

P

AGCTTCGA

付着させる

ATP

T4 DNAリガーゼ

AGCTTCGA

リン酸基

5′

3′

3′5′

粘着末端

■ 図 1　粘着末端同士で DNA 断片を付着させ，連結する 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　■