遺伝子の塩基配列から生き物がどうやって出来るのでしょう？

質問

俗に生物の設計図といわれるＤＮＡには塩基配列があって
それが３つ組みでアミノ酸を、更に集まってたんぱく質を指定している。
（大分略してますが）というような基本的な話を聞きました。
ということは(1)ＤＮＡはたんぱく質の設計図、と言ったイメージで捉えても良いのでしょうか？
(2)たんぱく質が決まっているというだけでどうやって生き物のような複雑なものが出来るのかが想像できません。

たんぱく質がバラバラに出来るとか、その塊ができるとかでなく、こうして色々な器官が出来ていくのは何が原因なんでしょうか？

聞いての通り専門でもなんでもない人間ですので、分かりやすい言葉で教えていただけると嬉しいです。

回答No.4

ruehas

こんにちは。
（たいへん長いので、暇なときにお読み下さい）

ＤＮＡが単なるタンパク質の設計図でしかないというのは、これは間違った解釈です。
タンパク質の設計図というのは「遺伝子」のことを言います。この遺伝子を含め全てのＤＮＡ配列一個体分を「ゲノム」と言いますが、このゲノムは「生体の設計図」であり、それ以外の何物でもありません。

子供の顔が親に似るというのは遺伝子の働きであることは疑いもない事実ですよね。例えば、ＤＮＡの中に二重まぶたの遺伝子があるかないかによって、そのひとが二重になるか一重になるかが決まります。つまり、設計図として予めに記されている内容によって完成品が違うんです。
チンパンジーとヒトでは、どうしてこれほど風貌が違うのでしょうか。これは、それぞれのＤＮＡに書き込まれている内容が最初から違うからです。チンパンジーにはチンパンジーの設計図、ヒトにはヒトの設計図、それ以外のものでチンパンジーを完成させることはできません。ＤＮＡというのは、単なるタンパク質のパーツリストではなく、どのような完成品が出来上がれば良いかという情報の記された、紛れもない「生体の設計図」です。
多細胞動物では、一卵性の双子を除いては、ひとつとして同じ「ゲノム（ＤＮＡ配列）」というものはありません。つまり、我々は誰でも自分の設計図というものを持っているわけですね。

質問者さんがお聞きになった通り、タンパク質の材料であるアミノ酸を指定する三つの塩基配列を「コドン」と言い、ひとつのタンパク質の合成に必要なコドンの集まりを「遺伝子」と言います。この遺伝子がＤＮＡ情報の最小単位でありまして、これを以ってＤＮＡ情報は特定の機能と対応します。ＤＮＡの中には様々な機能を持つタンパク質の構造が遺伝子単位で書き込まれています。ですから、タンパク質の設計図というのは、この「遺伝子」のことなんですね。
筋肉細胞や神経細胞、我々の人体の場合、様々な組織や臓器を構成する細胞の種類は二百数十種類あり、みなそれぞれに働きや特徴が異なります。これは、その細胞内で合成されているタンパク質の種類が違うからです。遺伝子としてＤＮＡに記された情報を元に合成されるタンパク質は、様々な生体活動に必要な機能をそれぞれに持っています。この機能の違いが細胞の特徴ということですね。

一重まぶたや二重まぶた、チンパンジーとヒト、このような個体同士である場合は、ＤＮＡに書き込まれている遺伝子の種類が生まれたときから違います。従って、それによって合成されるタンパク質の機能が異なりますので、完成品の体質は先天的に違うということになります。これが「ゲノム（ＤＮＡ配列）」が「個体の設計図」であるということの所以です。
但し、幾ら持っている遺伝子が違うと言いましても、哺乳動物一体、人間ひとりの完成・稼動に必要な部品をきちんと揃えようとしますならば、最低でも九十数パーセントは同じ設計でなくてはなりません。個体・個人の違いというものが、残りのほんの僅かな遺伝子でしかないというのは、質問者さんも何処かでご存知ではないかと思います。
ですが、この基本設計に遺伝子ひとつでも変更を加えますならば、二重まぶた、癖毛、青い瞳、酒に強いなど、それははっきりと判別可能な個体の特徴となります。更に、このような違いが複数・多数に及びますならば、例えば二本足で偉そうに歩き回るとか、全身毛むくじゃらでバナナが大好きといった、たいへん大きな生態の違いにまで発展することになります。ですから、ヒトとチンパンー、この体質の違い、種の違いといいますのは、当然のことながらＤＮＡという設計図によって生まれながらに定められているということですね。

このように、「ゲノム（ＤＮＡ配列）」というのは個体に固有の「生体設計図」でありまして、どのような遺伝子を持っているのかというのが設計上の先天的な個体差・個人差ということになります。ではご質問の、同一個体内で全く同じＤＮＡ配列を持つ細胞や組織は、いったいどのようにして異なる役割や特徴というものを獲得するのでしょうか。
これまでに述べました通り、細胞の特徴といいますのは、そこにどのような機能を持ったタンパク質が合成されているのかということで決定されます。そして、全ての細胞が同じＤＮＡ配列を持っているということは、持っている遺伝子の種類もみな同じ組み合わせということです。
結論に飛びますと、細胞というのはＤＮＡに書き込まれたタンパク質の構造情報のうち、必要なもの不要なものに対してそのスイッチを遺伝子単位でＯＮ・ＯＦＦさせています。つまり、例えば筋肉細胞と神経細胞では、持っている遺伝子の種類は全く同じなのですが、ＯＮ・ＯＦＦの設定が違うということですね。これにより、合成されるタンパク質の種類と機能の組み合わせが異なりますので、それがそのまま各細胞の役割や特徴ということになります。そして、このようにＤＮＡ内に遺伝子として記された特定の機能が細胞内で選択的に発現するプロセスを「セントラル・ドグマ」と言います。

細胞がＤＮＡ内に遺伝子として書き込まれている様々な機能を選んで自分の役割を果たす、このセントラル・ドグマの実現に必要なスイッチをＯＮ・ＯＦＦさせる機能は、「制御領域」として同じＤＮＡ内に塩基配列として書き込まれています。
ただ、一口に「制御領域」と言いましても、セントラル・ドグマをコントロールする機能はひとつではなく、まだ様々な未知の要素があると考えられておりまして、多くのことが解明されているとは決して言えません。ですから、ここでは最も分かり易いと思われる例をひとつ挙げて、その流れを簡単にご説明致します。
この制御機能の場合、制御領域には「コード領域」と「調節領域」の二つがあります。「コード領域」と言いますのは、他の遺伝子と同様にタンパク質の構造を記録している配列なのですが、これによって合成されるのは普通のタンパク質とはちょっと違い、目的の遺伝子の働きを活性させたり抑制させたするという機能を持っています。そして、ここで合成された「活性・抑制タンパク質」が、「調整領域」と呼ばれる塩基配列の特定の部分と結合しますと、必要なスイッチがＯＮ・ＯＦＦされます。
また、これとは別に、スイッチをＯＮ・ＯＦＦさせるのではなく、同じ遺伝子に働き、それによって合成されるタンパク質の量を増やしたり減らしたりするといった制御機能もあります。

このように、ＤＮＡの中に記録されているのはタンパク質の構造だけではなく、その働きをコントロールするための機能というのも情報として一緒に書き込まれています。
ここでたいへん興味深いことは、「調整領域」という塩基配列は、「コード領域」の情報を元に合成されたタンパク質を「情報伝達因子」として受け取っているということです。これがどういうことかと申しますと、つまり、ＤＮＡというのは、単にそこに書き込まれた情報が外から読み取られるためだけのものではなく、「情報をやり取りする機能」というのもしっかり持ち合わせているということです。
同じＤＮＡであるのに、どうして我々の身体の細胞の特徴が様々に異なるのかといいますならば、それを決定するスイッチが細胞ごとにＯＮ・ＯＦＦされているからです。そして、どのスイッチを切り替えるのかといった命令は「コード領域」で作られるタンパク質によって下され、「調整領域」は、それを情報として受け取る機能を持っています。
何だ、こんな単純なことか、ならばこれにて一件落着――、といいたいところなのですが、残念ながらそうは簡単にはゆきません。
では、そもそもコード領域に対して「抑制タンパク質を作れ！」と命令を出しているのはいったい何処なんでしょうか？　
更には、発令者が誰であれ、果たして何を根拠にそんな命令を下すことができるのでしょうか？　
これを考えますと、セントラル・ドグマというものが、その名前の響き通りたいへん神秘的なもののように思えてなりません。

ＤＮＡは、自らの働きを制御する機能を持っており、これによって細胞の性質を変更することができます。ですが、それが目的や状況に応じて適切に行われるためには、ＤＮＡに記された情報だけでまず不可能であり、どうしても何か別な情報が与えられなければなりません。ＤＮＡ情報以外に別の情報を獲得し、複数の条件が与えられることによって、細胞は初めて無数の選択肢の中から特定の方向性というものを選択することが可能になります。このためには、「細胞内」、及び「細胞間」における綿密でタイムリーな「情報伝達」の行われる必要があります。
「細胞内情報伝達（内部情報）」とは、ＤＮＡ情報の翻訳や制御タンパク質のやり取りといった細胞単位の作業です。これに対しまして「細胞間情報伝達（外部情報）」と言いますのは、細胞が自分に与えられた外部環境の変化を何らかの情報として獲得したり、遺伝子やタンパク質などによって化学合成される内分泌ホルモンなどは、細胞の外へ情報を運び出し、別の細胞がそれを受け取るという、良く知られた細胞間伝達の代表例だと思います。

我々の人体は、最初は一個の受精卵から始まり、成人では６０兆に及ぶ多彩な細胞によってその組織や臓器が巧妙に構成されています。この成り立ちを述べるには、細胞の「機能分化」と「アポトーシス」、どうしてもこの二つのキーワードを除くわけにはゆきません。
命の始まりを宿す受精卵といいますのは、如何なる細胞にも分裂・分化することのできる「全能性」を持った細胞です。分裂を始めた時点からしばらくの間は「全能性」を維持しており、スイッチの設定はみな初期設定のままどの細胞も同じです。
やがて分裂・成長が進む過程でスイッチが切り替わり、特定の細胞や臓器が生み出されます。このような、「全能性細胞」が分裂の過程で特定の機能を獲得してゆくことを「機能分化」といいますが、この時点で細胞は切り替えたスイッチを初期状態に戻すことができなくなり、全能性は失われてしまいます。その代わり、次からは分裂によって同じ細胞を順調に増やしてゆくことができるようになります。筋肉や内臓など、同じ細胞によって構成される組織が一箇所で成長できるのはこのためですね。

「機能分化」と言いますのは遺伝子のスイッチが切り替えられることによって達成されます。ですが、どのスイッチをＯＮ・ＯＦＦさせればどのような機能を果たせるのかといったことはＤＮＡの情報を引き出せば良いことなのですが、では、自分はいったいここで何の細胞になれば良いのかという判断を下すためには、それ以外に何かしらの別な情報が与えられなければなりません。
このとき、たまたま近くの細胞からホルモンなどが分泌されていたというのでありますならば、このような場合は状況判断がたいへん容易になるのですが、さもなくば、細胞は回りの様子を見て身の振り方を決めなくてはなりません。つまり、与えられた環境から自分自身で情報を獲得しなければならないということです。
例えば、隣が血管細胞でしたら自分も血管に、お向かいが骨ならば自分のそれに、自分は身体の内側に分裂したのだから内蔵の細胞、これ以上外側に近くなったら皮膚の細胞に分化する……、ということになるのだろうなあ。
実は、細胞の機能分化におけるこのようなメカニズムは、現在ではまだほとんど解明されてはいません。ですが、ＤＮＡには設計図はありますが、地図というものは書いてありません。では細胞には、道は自分で切り開かなければならないという運命が課せられていることだけは事実です。ですから、細胞は自らが保持するＤＮＡ情報（内部情報）と、環境から獲得した外部情報、このような複数の条件を組み合わせることによって選択肢を絞り込むことになります。

突然ですが、手の指は五本です。
これは、ＤＮＡの中の何処かに「手の指は五本」と書いてあるか、さもなくばそうなるべく機序がきちんと設定されているからです。本当でしょうか？
だって、それ以外に理由を探そうと思ったとしても、いったい何処を探せば良いのでしょう（かなり弱気です）。
お母さんのお腹の中にいる胎児の腕は、体細胞の分裂によって最初は棒のように生えてきます。やがて、掌のようなものができ、指の間に当たる部分がカエルの水かきのように薄くなり、それが消えてしまえば五本の指が残ります。
この、指の間の細胞が消えてなくなってしまうのは、細胞の計画死「アポトーシス」ですね。「アポトーシス」というのは、自分が不要であったり、役目を終えてしまった細胞が全体のために自殺するというプログラム死です。胎児の身体は、細胞の分裂とアポトーシスを同時に行うことにより、彫刻のように造形されてゆきます。
自殺する細胞は、
「自分は指の間にいる」
「この指はこれ以上長くなってはいけない」
自分に与えられた環境からこのような情報を獲得し、尚且つ、ＤＮＡに記された「指は五本」という内部情報を比較することによって死ぬか生きるかの判断を下しています。

以上、遺伝情報の制御機能による細胞の「機能分化」と「アポトーシス」による設計施工を例に、ＤＮＡ情報がどのようにして生体構造に反映するのかというのを簡単にご説明致しました。ですが、本当にこんな単純な話で６０兆の細胞が歩き回れるようになるのかということになりますと、私の知識の及ばぬことはもちろん、科学的にも未解決の宝庫に類する分野でありますから、間違ってもこれが全てということではありませんし、同じメカニズムでも異なった解釈というものはあると思います。
だからというわけではありませんが、ここでひとつ言い訳を書いておきますと、プロトコルそのものは至って単純かつアバウトではあるのですが、全体的には極めて複雑かつ巧妙であるというのが生物というもの際立った特徴です。６０兆は実際に歩いているのですが、その理由をきちんと答えられる６０兆はまだいません。正に生命の神秘だと思います。

回答No.3

love-birds

(1)ＤＮＡはたんぱく質の設計図、と言ったイメージで捉えても良いのでしょうか？

はい。そうです。タンパク質はＤＮＡの配列によって決定されますから（ＤＮＡ＝イントロン（いらない、とされている部分）＋エキソン（いるやつ）で構成されていると考えられ、タンパク質合成はこのエキソンをもとに実行されているとかんがえられています。）、その考えでＯＫです。

(2)たんぱく質が決まっているというだけでどうやって生き物のような複雑なものが出来るのかが想像できません。

タンパク質は２０種類のアミノ酸からできていますのでその並びやアミノ酸の種類、結合の仕方や量でかなりの数のタンパク質の種類を決定することができます。しかもタンパク質同士で相互に影響を及ぼしたりもしますから、すごい数になっちゃいます。酵素もタンパク質からできているのでこっちで分解あっちで合成、とかもできちゃいます。そういう風にいろいろなタンパク質ができるので生物の身体を形作る材料はこれでＯＫです。

一般的な話をしますと卵と精子が出会うと受精しますよね。それが発生の始まりです。発生が始まると、細胞分裂が始まり（ぼこぼこっとしたやつです）、細胞の数を増やしていきます。初期の課程では胚性幹細胞（ＥＳ細胞）が形作られます。この胚性幹細胞はいろいろな組織になることができ、ある時期を過ぎると僕は神経になるよ！とかいう風に役割分担をはじめます。それが分化と呼ばれる物です。僕は神経になるよ！と公言したやつはそいつらどうしで集まり、神経細胞にひつようなタンパク質を利用して神経になります。そんなかんじでいろいろな器官がひとつの個体のなかで形成されていくのです。＝生き物完成（？）
　しかしながらタンパク質ができ、器官ができ、ひとつの生き物ができ、なぜそれらが私たちのように「生きて」いるその根底の理由はよくわかってないのです。材料だけを集めても生命はできませんし、ＤＮＡという設計図だけでは生物は生まれません。どうやってわたしたちの体が自分を保っているかはまさしく生命の神秘だと思います。

回答No.2

Chicago243

(1)ＤＮＡはたんぱく質の設計図
これはほぼ正しいと思います。

(2)たんぱく質が決まっているというだけでどうやって生き物のような複雑なものが出来るのかが想像できません。

これは確かに1)だけのイメージでは想像できない事が多いと思います。

一つは細胞の構造すべてがDNAの設計図にあるわけではありません。これはちょっとややこしいので後廻しにします。
まずたんぱく質ですが、たんぱく質自身の配列にどこで発現するのかという情報が組み込まれています。したがって特定の細胞小器官や細胞外に正しく移動するわけです。あるいは、たんぱく質は正しいパートナーのたんぱく質を見つけることができますから、そのようにして細胞や体の構造を維持したりもできます。

あと、細胞の起源は脂質2重膜に囲まれたDNAなどを含む袋みたいな物と想像できると思います。このような袋状の物で、この構造が維持できるようなDNAを含む物が生物になったのだと思います。したがって細胞の構造は生物の起源となる脂質2重膜を単に維持して、進化してきたわけで、DNAが脂質2重膜を全くない状態から作るような設計図は持ってないといって良いでしょう。ヒトでも最初は精子であり、卵子です。これらは細胞であり、生物はこの細胞をバラバラの小器官から作ることができません。

確かに、生物の細胞はそれにしても複雑です。これはDNAがいろんなたんぱく質の設計図を得たからできるようになったのですが、偶然的なことも手伝っています。それは、細胞内共生からミトコンドリアや葉緑体ができたことです。これは明らかにミトコンドリアや葉緑体を作る遺伝子があってできたのではなく、細胞内共生する細胞を、本体の細胞がうまく利用し維持できるようになったからこのような小器官ができたのだと思います。

あと、ERやリソソームは蛋白質が複雑に相互作用することで出来上がったように思えます。

回答No.1

yama06

＞(1)ＤＮＡはたんぱく質の設計図、と言ったイメージで捉えても良いのでしょうか？

良いです。実際にはDNA上の遺伝子と呼ばれる領域がたんぱく質の設計図です。

＞(2)どうやって生き物のような複雑なものが出来るのかが想像できません。

たんぱく質はヒトなどでは２万種類以上あり、それらそれぞれが物質を合成したり分解したりといった機能を持っていたり、それらの組み合わせ次第で異なる機能を発揮したりします。

また、たんぱく質の合成の量や合成するタイミングも転写因子などと呼ばれるたんぱく質たちや、シグナル伝達系という情報処理のような処理をするたんぱく質たちなどによって調節されています。発生ではそれらが組み合わさって働くことで様々な器官ができてくるわけですが、その過程はとても複雑なので現在でもよく分かっていないことがたくさんあります。

ちなみに、個々のたんぱく質の機能はリン酸化や脱リン酸化などの化学反応ですが、実際の細胞の中ではそれらが組み合わさって情報処理を行っているような状況になっており、それらがたんぱく質の合成を制御することで細胞の分化の制御を行っていると現在では考えられています。

参考URL：

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%BF%E3%83%B3%E3%83%91%E3%82%AF%E8%B3%AA