2018年6月26日火曜日

細胞の分子生物学 第6章「ゲノム情報の読み取り」第 2, 3節


担当:小澤
参加者:8名

[概要]
 mRNAの塩基配列はヌクレオチド 3個ずつの組み合わせとして読み取られる。この3文字の組み合わせによって、対応するアミノ酸が生成される。RNAは4種類のヌクレオチド(A,U,C,G)をもつため、この3文字の取りうる組み合わせは4×4×4=64通りである。しかし、 タンパク質に普通見られるアミノ酸は20種である。1つのアミノ酸に対応する3文字の組み合わせには被りがあり、6種類のコドンから翻訳されるアミノ酸もあれば1種類からしか翻訳されないアミノ酸もある。

[議題]
 各アミノ酸に対応するコドンの数が違う理由

ー複数のコドンがある意味ー
 1つのアミノ酸が複数のコドンを持つ場合そのコドンは似ている場合が多い(多くの場合3文字目だけ異なる)。 そうすることで変異によって1文字変わったとしても、 翻訳先のアミノ酸は変わらない、ということが起きる。これによって、変異に対してある程度強くなる。
ー重要度の高い(たくさん必要な)ものは種類が多い?ー
 たくさん必要なものにコドンを多く割り当てることによって、発生確率をあげている可能性がある。
しかし、たくさん必要だから多種のコドンを割り当てたのか、多種のコドンが割り当てられているために多く存在するのか、という疑問も生じる。

ー誤って生成された際に有害なものは種類が少ない?ー
 コドンが 1種類しかないものはメチオニン(開始コドン)とトリプトファン。コドンを6種類(最多)持つものはアルギニン、ロイシン、セリン。トリプトファンは側鎖が以上に大きくロイシンとセリンは小さい。 開始コドンが誤って生成されると新しく誤生成された開始コドンから元々開始コドンだった場所までの間で、大量の不要なアミノ酸が生成される。また、側鎖の大きいものほど誤生成されたときの影響が大きい、これらのことから、 コドンの種類は誤生成されたときの危険度と関係がありそうだ。

ー偶然?ー
 コドン表が最適であるかはわからない。あるときある程度うまくいくコドン表が生まれ、それが爆発的に広がり、コドン表の最適化は行われていない可能性がある。シミュレーションをすることで、コドン表がどの程度効率的に作られているかが分かるかもしれないが、計算量は膨大である。



まとめ
 コドンが複数あることによって、変異に強くなる。ただし、たくさんのコドンを持つアミノ酸は、変異によって誤って生成される確率が高い。誤生成された場合に致命的となるようなアミノ酸には割り当てられているコドンが少ない可能性がある。

2018年6月7日木曜日

細胞の分子生物学 第6章「ゲノム情報の読み取り」1節

担当:荒井
参加者:8名

[概要]
 DNAからの転写によってmRNAは生成される。転写の開始および終了位置は特定の配列により決定され、転写はRNAポリメラーゼが行う。細菌ではRNAポリメラーゼは1種類だが、真核生物では複数となり複雑さを増す。転写されたmRNAに対してタンパク質に翻訳されない領域イントロンを切除するスプライシングを行う。適切に加工されたmRNAは核膜孔複合体を通って細胞質へと運ばれ、タンパク質となる。最終産物がRNAとなる物も存在し、細胞内で構造体や調節因子として働く。

[議論点]
Why do we need to convert DNA to RNA to make proteins? Why cant we skip the process of transcription?
なぜタンパク質合成のためにDNARNAに転写する必要があるのか?なぜ転写を省略することは出来ないのか?

RNA転写のメリットの考察
 遺伝情報保存の能力だけでなく伝達する能力も兼ねている
 DNAよりもサイズが小さいため情報伝達の能力が高い(必要な情報のみ伝達可能)
 不要になった要素を破棄することが簡単
 全てのDNA鎖を開くには時間がかかるため部分的に行う転写の方が時間効率が良い
 DNAにとってはタンパク質合成よりもRNA転写の方がコスパが良い
スプライシングをする手間があるため一概にそうかは分からない

RNA転写のデメリットの考察
 DNAから直接プロテインを生成するよりも1ステップ多くなっている
 DNA複製と比べて塩基配列の誤りは多くなる(DNA複製の約1,000倍の確率)

DNARNAの比較
 双方とも2本鎖を形成するが、RNAは2本鎖で安定した状態が複数存在する。したが
 って、DNAの方がより画一的な状態で保存できていると考えることも出来る。

古来DNAは存在していなかった可能性
 生物の起こりの段階では細胞はRNAの海であり、RNAからタンパク質を合成すると
 いう方法しか存在しなかった。また、RNAが突然変異を起こしてDNAが誕生したと
 いう説もある。

[まとめ]
 RNAを転写によって生成するメリットは多数考えられた。特にDNAよりもRNAの方が小さなサイズであるという点は大きな違いであると思われる。また、DNAよりもRNAが古来から存在しているのではないかという観点も現在のRNA転写を考える一つの要素である。

2018年6月4日月曜日

Molecular Biology of Cells Chapter 5 (Second Half)

DNA Repair


Organism should maintain the genetic stability for its survival. DNA repair is correction of spontaneous changes in DNA by a set of processes that are collectively. The importance of DNA repair is evident from cells make in DNA repair enzymes. For example, human disease named Xeroderma pigmentosum (XP), the afflicted individuals have an extreme sensitivity to ultraviolet radiation because they are unable to repair certain DNA photoproducts.
Without DNA repair, spontaneous DNA damage would rapidly change DNA sequence. For example, the DNA of each human cell loses about 5000 purine bases (adenine and guanine) every day because their N-glycosyl linkages to deoxyribose hydrolyze, a spontaneous reaction called depurination. If left uncorrected when the DNA is replicated, most of these changes would be expected to lead either to the deletion of one or more base pairs or to a base-pair substitution in the daughter DNA chain.
The DNA double helix is readily repaired. Thus, when one strand is damaged, the complementary strand retains an intact copy of the same information, and this copy is generally used to restore the correct nucleotide sequences to the damaged strand.
DNA damage can be removed by 2 pathways:
1.     Base excision repair -> the altered base is removed by a DNA glycosylase enzyme, followed by excision of the resulting sugar phosphate.
2.     Nucleotide excision repair -> a small section of the DNA strand surrounding the damage is removed from the DNA double helix as an oligonucleotide
Other critical repair systems-based on either non-homologous end-joining or homologous recombination-reseal the accidental double-strand breaks that occur in the DNA helix.

Homologous Recombination


Nucleotide sequences are exchanged between two similar or identical molecules of DNA. The used of homologous recombination are:
1.     Accurately repairing double-strand break
2.     Exchange bits of genetic information between two different chromosomes to create new combinations of DNA sequences in each chromosome during meiosis
3.     Used in horizontal gene transfer to exchange genetic material between different strains and species of bacteria and viruses
Term: hybridization -> single-stranded DNA or RNA molecules anneal (pair by hydrogen bonds to form a double-stranded polynucleotide) to complementary DNA or RNA.

Transposition and Conservative Site-Specific Recombination


These two types of recombination (collectively termed mobile genetic elements) can alter gene order along a chromosome, and cause unusual types of mutations that add new information to genomes. It often considered to be molecular parasites that persist because cells cannot get rid of them; they certainly have come close to overrunning our own genome. However, it can provide benefits to the cell, in the case of antibiotics resistance in bacterial cells.
1.     Transposition is the movement of genetic material between unicellular and/or multicellular organisms by horizontal transmission of DNA from parent to offspring. This is the primary mechanism for the spread of antibiotic resistance in bacteria.
On the basis of their structure and mechanism, transposition can be grouped into: DNA-only transposons, retroviral-like retrotransposons, and nonretroviral retrotransposons.
Term: transposons or transposable elements -> a specific enzyme called transpoase, acts on a specific DNA sequence at each end of transposon, causing insert into a new target DNA site.
2.     Conservative site-specific recombination can distinguish from transposition. First, it requires specialized DNA sequences on both the donor and recipient DNA. Second, the reaction mechanisms are fundamentally different.
This recombination can be used to turn genes on or off. It was discovered in bacteriophage lambda.
Discussion
Is it possible to make the desired sequence by utilizing transposition?
The idea: 
- transposons can move everywhere on the genome.
- we can imagine where the transposons will be move on the genome.

Application of Transposons
  1. Control HIV virus to become less active. There are 2 ways: 1) copy and paste, 2) cut and paste. With cutting the HIV sequence, it can decrease the spread of HIV virus. Cut and paste way can make the desired sequence by using transposons.
  2. Cure danger sequence in human (possibly).
  3. Transposons can be used to randomly disrupt gene. So, we can select good result from it.
  4. To introduce new sequence.