分子生物学の領域では、「転写」と「翻訳」という用語がよく出てきますが、音が似ていることや役割が相互に関連していることから、混同されることがあります。さらに「複製」が加わると、さらに混乱を招く可能性があります。これらのプロセスは、遺伝子発現の基本的なステップとしてある程度の類似性を共有していますが、細胞レベルでの生命の複雑さを理解しようとする人にとって、明確に異なる重要なプロセスです。
多細胞生物内のすべての細胞は、同じDNAの青写真を持っています。逆説的に、これらの細胞は、同一の遺伝情報を持っているにもかかわらず、著しい生理学的 diversité を示します。この現象は、特定の細胞でどの遺伝子が活性化または沈黙するかを決定する洗練されたメカニズムである、遺伝子発現の差次的制御から生じ、それによってそれらの独自の特性と機能が定義されます。
遺伝子発現を理解することは、同じDNAを持つ細胞がどのようにして大きく異なる役割を果たすことができるかを理解する鍵となります。このプロセスは、基本的に2つの連続したステップ、転写と翻訳に依存しています。それぞれのプロセスの機能と重要性を明確に比較対照するために、詳しく見ていきましょう。
転写とは？
転写とは、DNAを鋳型としてRNAを合成するプロセスです。DNAにコードされている遺伝情報の複製を作成するようなものですが、RNAの言語で行われます。転写中、マスター設計図のようなDNAコードは、作業コピーとして機能する相補的なRNAコードに変換されます。この重要なステップにより、遺伝子情報はアクセス可能になり、タンパク質合成の次の段階で使用できるようになります。
翻訳とは？
翻訳とは、RNAテンプレート、具体的にはメッセンジャーRNA（mRNA）を使用してタンパク質を合成する後続のプロセスです。このステップでは、RNAコードは、細胞の主力であるタンパク質の言語に翻訳されます。 mRNAのコドンの配列は、タンパク質を形成するために一緒に連結されるアミノ酸の特定の配列を決定します。したがって、翻訳とは、遺伝情報が最終的に機能性タンパク質として発現される、実際のタンパク質合成のプロセスです。
転写と翻訳の主な違い
転写と翻訳はどちらも遺伝子発現に不可欠ですが、目的、生成物、場所、開始メカニズム、細胞の分子成分への寄与において大きく異なります。ここでは、5つの主要な違いを示します。
- 目的: 転写の主な目標は、遺伝子のRNAコピーを作成し、タンパク質合成に必要な遺伝子情報を利用できるようにすることです。一方、翻訳は、RNAテンプレートに基づいてタンパク質を合成し、最終的に細胞機能を実行することを目的としています。
- 生成物: 転写は、メッセンジャーRNA（mRNA）、トランスファーRNA（tRNA）、リボソームRNA（rRNA）、および非コードRNAなど、それぞれ特定の役割を持つさまざまなタイプのRNA分子を生成します。翻訳は、細胞活動の広範な役割を担う多様な分子であるタンパク質のみを生成します。
- 場所: 原核細胞では、転写と翻訳はどちらも細胞質で行われます。これは、これらのプロセスを区画化する核がないためです。真核細胞では、転写はDNAが存在する核内で行われ、翻訳は細胞質、主にリボソームで行われ、リボソームは自由に浮遊しているか、小胞体に付着している場合があります。
- 開始: 転写は、RNAポリメラーゼと呼ばれる酵素がプロモーターと呼ばれる特定のDNA領域に結合すると開始されます。この結合は、転写開始複合体の形成を開始し、RNA合成の準備を整えます。翻訳は、リボソームが開始因子とtRNAとともに、開始コドンの近くのmRNAを認識して結合すると開始され、タンパク質合成の開始が示されます。
- 分子への寄与: 転写から生じるRNA分子は、まとめて細胞のトランスクリプトームに寄与し、細胞に存在するRNA分子の総数を表します。翻訳は、タンパク質を生成することにより、細胞によって発現されるタンパク質のセット全体を包含するプロテオームに寄与します。
転写のプロセス
遺伝子発現の最初の段階である転写は、3つの主要な段階に分けられる、注意深く調整されたプロセスです。
- 開始: 転写は、RNAポリメラーゼがDNA上のプロモーター領域に結合することから始まります。このプロモーター部位は、遺伝子転写の開始点を示します。真核生物では、転写因子は、RNAポリメラーゼがプロモーターを見つけて結合し、開始複合体を形成するのを助ける上で重要な役割を果たします。
- 伸長: RNAポリメラーゼがプロモーターにしっかりと配置されると、伸長段階が始まります。RNAポリメラーゼはDNA二重らせんをほどき、相補的なRNA鎖の合成を開始します。塩基対合則（アデニンとウラシル、グアニンとシトシン）に従って、DNAテンプレートに沿って移動し、RNAヌクレオチドを1つずつ追加します。RNAポリメラーゼが進むにつれて、RNA鎖は長くなります。
- 終結: 転写は、RNAポリメラーゼがDNA配列内の終結シグナルに遭遇すると終了します。このターミネーター配列は、ポリメラーゼに転写を停止するように信号を送ります。真核生物では、終結後、プレmRNA分子は、5’キャップとポリAテールの付加、および非コード領域（イントロン）を除去するためのスプライシングを含む、プロセッシングステップを受け、翻訳の準備ができた成熟mRNAになります。原核生物では、mRNAは通常、これらの修飾ステップなしで転写直後に翻訳の準備ができています。
翻訳のプロセス
タンパク質合成段階である翻訳も、転写を段階的アプローチで反映した3つの異なるステップで進行しますが、分子プレーヤーとアクションは異なります。
- 開始: 翻訳開始は、小さなリボソームサブユニットがmRNAに結合することから始まります。アミノ酸メチオニンを運ぶ特定の開始tRNAが、mRNA上の開始コドン（AUG）を認識して結合します。最後に、大きなリボソームサブユニットが結合して完全なリボソームを形成し、開始複合体が組み立てられ、次の段階の準備が整います。
- 伸長: 伸長の間、リボソームはmRNAに沿ってコドンごとに移動します。各コドンについて、対応するアミノ酸を運ぶtRNAがリボソームに結合します。リボソームは、入ってくるアミノ酸と成長するポリペプチド鎖の間のペプチド結合の形成を触媒します。次に、リボソームは次のコドンに移動し、プロセスが繰り返され、アミノ酸が鎖に順番に追加されます。
- 終結: 翻訳は、リボソームがmRNA上の終止コドン（UAA、UAG、またはUGA）に遭遇すると終了します。終止コドンはアミノ酸をコードせず、代わりに終止を信号します。放出因子が終止コドンに結合し、リボソームが完成したポリペプチド鎖（タンパク質）を放出し、mRNAから detachment するようになります。新しく合成されたタンパク質は、機能的な三次元構造に折り畳まれ、細胞内で指定された役割を果たすことができます。
遺伝子発現における転写と翻訳の重要性
転写と翻訳は、単離された細胞プロセスだけではありません。それらは、細胞のアイデンティティと機能を決定するまさにそのプロセスである遺伝子発現を支える2つの基本的な柱です。転写は、DNAに保存されている遺伝情報とタンパク質合成におけるその利用の間のギャップを埋めます。次に、翻訳はmRNAにコードされている命令を実行し、事実上すべての細胞活動を駆動するタンパク質を生み出します。
転写と翻訳は共に、DNAからRNA、そしてタンパク質への遺伝情報の忠実な流れを確保します。これは、しばしば分子生物学の中心教義と呼ばれています。この複雑な2段階のプロセスにより、細胞はどの遺伝子がどの程度発現されるかを正確に調節することができ、細胞の特殊化、適応、および環境の手がかりへの応答を可能にします。したがって、転写と翻訳のニュアンスを理解することは、生命自体の複雑さを理解するために不可欠です。
