３，DNA  核酸

生命は自然が作り出したもの。  人工的な機械である  

コンピュータに理解できる筈がない。  そう思っていたら、  

生命の基本、遺伝情報はデジタルだった。

遺伝情報

　メンデルMendelはエンドウマメの特徴が次の世代に遺伝する様子から、エンドウマメの性質は2つ一組でその情報を持っていて、そのうちの一方が親から子に伝わると考えた。 　そして、この情報を伝える“何か”を遺伝子と呼んだ。(1865年) 　遺伝子の正体が分かるのは、 メンデルから90年近くが 過ぎた1953年のことだった。

遺伝子

　その後、遺伝子はＤＮＡ分子によって伝えられることが分かった。遺伝子とは生物の形質を伝える遺伝情報のことを指す言葉だ。この情報がＤＮＡの塩基の配列として保存・伝達される。一つの遺伝子はおおよそ一つのタンパク質に対応する。 ＤＮＡの情報量は2.9kbp/um

ヒト 6x109bp ,1.5GByte 長さ 2m 約30,000遺伝子 大腸菌 3x106bp 0.8MByte 長さ1mm 約5000遺伝子

実際に遺伝情報を持っているのはDNAの数％だけ。他の部分の働きは不明な部分が多いが、一部は遺伝子の発現を制御していることが分かってきた。

DNA：核の中の酸性物質 　細胞の核を抽出すると、内部には大量の酸性物質が詰まっていた。その正体は核酸と呼ばれる酸性の有機ポリマーで、リボースと呼ばれる糖が、リン酸のエステル結合で結びつき、長い鎖を作っている。リン酸のが多いため、酸性のなる。

DNA

　DNAとはDeoxyribonucleic Acidの略称で、デオキシリボースを骨格とする核酸である。核酸にはリボースに酸素の欠落がないRNAもあるが、RNAは分解されやすく、細胞内では量が少ない。 　細胞内のDNAは通常、右の様な2重螺旋構造をとっていて、化学的には非常に安定である。

H,C,N,O,P

DNAの分子構造

　DNAは、五炭糖のリボースの2位の水酸基が水素に置き換えられた、デオキシリボースの3位と5位の炭素間を、リン酸の水酸基でエステル結合した構造で、1位の水酸基に、アデニンA,グアニンG,シトシンC,チミンTの4種の塩基の内の1つが結合している。

RNAの分子構造

　RNAは、五炭糖のリボースの3位と5位の炭素間を、リン酸の水酸基でエステル結合した構造で、1位の水酸基に、アデニンA,グアニンG,シトシンC,ウラシルUの4種の塩基の内の1つが結合している。

二重らせん構造

　DNAのらせん状の紐構造を拡大すると、2本の柱の間に塩基と呼ばれる環状分子が2つ一組で向かい合った段が並んでいる。 　AとT、CとGが相補的に対を作ることで安定な構造となる。

DNAの構造

　初めてDNAの構造を画像として捉えたのは大阪大学の河合知二先生で、STM（走査型トンネル顕微鏡）を用いて像を捉えた。 　DNAは太さ2nmほどの非常に細長い糸に見える。 　数珠の様に見えるのは、2本の柱がねじれているため。しかし、詳細な解析を行えば一塩基が解析できる。

DNAとRNA 特徴 DNA RNA

構造 デオキシリボース  塩基：AT　GC  二重螺旋

リボース  塩基：AU　GC  ヘアピン、星形

安定性

化学的には極めて安定  生体内であまり分解を受けない。  DNA合成・修復とバランス。

短命。  生体内ではRNaseによって容易に分解される。

機能 遺伝情報の保持、伝達 遺伝情報の伝達、タンパク合

成、酵素作用、遺伝子発現の制御

機能的RNA

Hammerhead Ribozyme：RNAをRNA自身が切断する自己触媒

tRNA rRNA

Telomerase：テロメアを合成する働き。

ｍRNAの情報をアミノ酸に翻訳し、タンパク質を合成する。　

その他、miRNAやcircularRNAなど、新たな機能的RNAが見つかっている。

miRNA

miRNA=micro RNAは、遺伝情報を含まない、非コーディング領域に存在する短い塩基配列で、RNAに転写後、切り出されて細胞質中に移行して遺伝子に結合し、その発現を制御する。 　一方で、大型の環状RNAがmiRNAを無効にするよう働くことが分かった。 Nature Vol.495,322-324(2013)

µTAS µTAS=Micro Total Analysis System:微小化学分析システムは、微小流路を用いた生化学分析・検出システムの総称。

微小分析 カラム 汎用品は市販されている。

キャピラリ−電気泳動 　細いガラスキャピラリーに48のウェルからDNA試料を吸い上げ、泳動する間にサイズを分離する。 　終端近くの測定点でレーザー光による励起でDNAの蛍光を測定する。

　ガラスキャピラリーに電圧をかけると、壁面に対し正に帯電した溶液全体は負極に移動（電気浸透流：Electroosomotic Flow）。また、負に帯電したDNAは電界からの力で負極に移動(電気泳動：Electro-phoresis)。両者の釣り合いで、分子毎に異なる速度で移動する。

DNAシークエンシング

DNAの塩基配列 　長さの違うDNAフラグメントは短い順に流出する。 　異なる色の蛍光色素を付けた塩基で終端しているフラグメントを合成し、キャピラリ−に流すと長さの順に色のピークができる。4色のピークが4種の塩基に対応する。

微小PCR装置 PCR:Polymerase Chain Reaction はDNA量を2n倍に増幅する。 　理論上は、一分子からでも配列分析可能なDNA試料を得ることができる。微細化により時間が短縮され、一細胞から実時間でDNAを取り出すことができる。 　この技術は軍・警察のon site DNA分析に利用されている。

一分子の塩基配列読み取り

Professor Kawai, Osaka University, specifically introduced the next generation of DNA sequencing technology that uti l izes gating nanopores . Two con f igurab le nanoelectrodes enables the electrical detection of single nucleotides (Figure 4).6 Electron transport through single nucleotides occurs not by changes in the ionic current flowing parallel to the nanopore but by changes in the electric current f lowing between the nanogap electrodes. 阪大、河合教授らは、ナノサイズの孔に

DNA１分子を通しながら、電気的に配列を読み取る技術を開発した。

M. Tsutsui, M. Taniguchi, K. Yokota and T. Kawai, Nat. Nanotechnol., 2010, 5, 286-290.

Ion  Protonシークエンサー 　Ion Torrent社の半導体シークエンサーは、電極の付いたウェルに、それぞれ異なる試料DNAを固定。溶液中に4種の塩基を順に導入。 　RNAポリメラーゼの働きで塩基が1分子分結合するたびに、発生する水素イオンを電気的に測定。結合した塩基の種類から配列を決定する。 　 　配列にあった塩基 　だけが結合する。

細胞分離装置

　細胞の集まりから必要な細胞だけを取り出す。電気力、誘電泳動力、音響波、光圧、水流などの力で細胞ごとに行き先を制御する。 　現行の装置で高速な分離が可能だが、今後は医療用に低価格化が進む。

オーダーメード治療

　今後は、塩基配列読み取りの高速化、低価格化に伴い、SNP(Single Nucleotaide Polymolphysm=一塩基変異多型)解析・体細胞変異など、個人ごと、組織毎の遺伝子の違いを解析して、その人に合った、オーダーメードの治療を行う技術が進展する。 　例えば抗ガン剤が個人ごとに最適に選択できれば、最小限の副作用で効果を上げることが得きる。

USBシークエンサー

本日はここまでです。

環状RNAの最新情報 動物の環状RNA（circRNA）は、機能が解明されていない謎のRNA種である。circRNAを系統的に調査するために、ヒト、マウスおよび線虫のRNAの塩基配列解読およびコンピューター解析を行った。その結果、よく発現している安定なcircRNAが数千個検出され、それらは組織/発生段階特異的に発現していることが多かった。塩基配列の解析から、circRNAが重要な調節機能を担うことが示された。ヒトcircRNAの1つであるCDR1as（antisense to the cerebellar degeneration-related protein 1 transcript）には、マイクロRNA（miRNA）エフェクター複合体が密に結合しており、進化的に古いmiRNAであるmiR-7に対する保存された63個の結合部位があることがわかった。さらなる解析から、CDR1asは神経組織でmiR-7に結合する働きを持つことが示された。ゼブラフィッシュでヒトCDR1asを発現させると、miR-7のノックダウンの場合と同様に、中脳の発生が障害されたことから、CDR1asは既知のどの転写産物に比べてもmiRNA結合能が10倍高いmiRNAアンタゴニストであることが示唆される。まとめると、我々のデータは、circRNAが転写後調節因子の大きなグループを形成していることの証拠を示している。多数のcircRNAはエキソンの頭–尾（head-to-tail）方式のスプライシングによって形成されるため、コード塩基配列にはこれまで知られていなかった調節能があることが示唆される。