細胞の分子生物学 6章 ゲノム情報の読み取り 第1節

担当：菅野

参加者：6名

[概要]

　DNAの情報は、そこからRNAというものに写し取られて利用される。この作業を転写という。これによってできたRNAはタンパク質の設計図であったり、そのまま物質として機能を持つ。
　真核生物では、DNAから写し取られたRNAにマーカーをつけて、いらない部分を取り除くスプライシングという作業を行う。この取り除き方によって、同じDNA配列部分の写しでも複数の最終産物を作ることができる。

[議論点]

スプライシングの仕方により異なるタンパク質を別々にコードするのに十分な領域があるにも関わらずなぜ別々にコードしないのか

ここでは、原核生物のようなDNAに直接タンパク質の情報を記述する場合(A)と、真核生物のようなイントロンありでRNAにし、スプライシングして利用する場合(B)を対立させて考えていく。

仮定 :
DNAの長さは現在と変わらず、使われていない部分に情報を入れていく。

(A)DNAに直接記述する
+メリット
・スプライシングに関連する情報はいらない。
・核の構造も必要でなくなり、転写と翻訳を同時にできる。
-デメリット
・新しい機能タンパク質を生み出すのが難しい。
・DNAを読む数が多くなる上、それぞれの発現調整も必要。
・１つ１つの変異がダメージになりやすい。

(B)スプライシングを利用する
+メリット
・イントロンがあるため確率的には重要なところにダメージが入りにくい。
・情報容量が大きい。
・バリエーションを比較的容易に増やせる。
・新しい機能タンパク質を生み出しやすい。
-デメリット
・１つのエキソンに変異が入るとそれを用いて作られる複数のタンパクが機能しなくなる。

そもそも少し違う新しいタンパク質を生み出すことは必要なのか。
→ほとんど同じ形だが、活性部位だけ変えたいということがあるとき有用。ただし、場合によっては生体に有害なことを引き起こすものが発生する可能性もある。

[まとめ]

　DNAに直接タンパク質の情報を記述する場合、DNAからの情報伝達が効率化できるが、それらの管理や新しいタンパク質を生成するのが難しい。一方イントロンありで記述すると、確率的にエクソンに変異は起こりにくいが、一度入ると、その部分は複数のタンパク質生成で使われているために、致命的なダメージになる。また、エキソンの組み合わせでタンパク質を記述されるために、組み合わせは変えられるため、バリエーションを増やすことができる。

細胞の分子生物学 第5章(後半) DNAの修復、組み換え

担当：近藤

参加者：6名

[概要]

　有害な変異を最小限にとどめるために、生物はDNAの修復機構をもつ。複製の間違いを正すような簡単なものから、放射線で2本のDNAが両方破損した時に修復するようなものまで多くの修復機構をもつ。

一方で、DNAの間を転移することができる因子があり、この因子の働きによって進化に必要なDNAの変化が生み出される。

[議論点]

転移によりゲノムが無駄に長くなることは有害ではないのか

[前提 1 ]

転移は、転移因子によって引き起こされるが、転移先で新たなDNAの鋳型が作られるようになるため、転移を繰り返すことでゲノムは長くなってしまう。

[前提 2 ]
今回はDNA配列の長さについて考える( 遺伝子の長さとは区別する )

DNAが長いとどうなりそうか

・(bad) 遺伝子を探すのが大変そう

・(bad) 維持コスト、複製コストが大きくなりそう

・重要ような遺伝子が変異する確率が下がる
・(good) 非コード領域で新しい機能が追加される

コストについて
コストについて考えてみると、複製コストはせいぜいnオーダでできるだろうという結論に至った。一方で、維持コストや探すコストについてはその構造がカスケードになっているとそのカスケード分(k)コストが増えてしまう。n^kとなってしまうと、明らかに時間がかかるだろうという結論に至った。

非コード領域で新しい機能が追加される について
・人間の非コード領域は99%である。
・新しい機能が追加され、有害であればその個体が死ぬ。一方で効果的であった場合は広まり集団に広まりやすい。

[まとめ]

一般化することはできないが、非コード領域を多く持つような生物種にとってゲノムが長くなることは問題ではなく、その長さがゆえに転移を許容することができる。
また、ゲノムが長くなることによってコストが莫大にかかるようになるため細胞の時間感覚が長くなると考えられ、これが寿命の長さと関係しているのではないかという考察も得ることができた。

細胞の分子生物学 第5章(前半) DNAの複製

担当：辻本
参加者：6名

[概要]
　DNAの複製により、生物は遺伝情報を伝え、その高度な秩序を保っている。この複製には、半保存的複製とその誤りを減らす校正機構があり、それによって生命にとって有害な変異を最小限にとどめている。


[議論点]
時代や環境によって変異率[占有率]は変化するのか？

変異率の定義
個体はその複製機構が議論の主題になり、集団は環境の変化が変異に影響をもたらすのではないかと考え、変異率を集団の占有率とすることにした。

進化とスピードの関係
・現在の人間は進化がゆるまりそう
・地球温暖化など人間による環境の変化が他の生物にも影響をもたらしている
・農薬により耐性のある菌のみが生き残る

変異を固定することのメリット・デメリット
メリットとして、
・種分化(競争的でなくなり、現在の環境に対して利点の多い状態のものが中心的に生息)
・最小限化(ずっと暑いなら厚手の服はいらないなどの必要なものを減らすことができる)
デメリットとして、
・環境の変化への不適応(環境が変化したら生存が困難になる)
が挙げられた。

変異率と環境の関係
・ブラックバスが日本の川に放された時、幾つかの生物は絶滅する
・人間は環境の変化を道具によって対処し、その意味では変異を固定している


[まとめ]
　環境が変化すると、強い集団が残ったりある適応性を持った種が生き延びるため、環境によって変異率は変化すると言える。

細胞の分子生物学 4章 DNA, 染色体, ゲノム

担当：川上
参加者：6名

[概要]
　遺伝情報はDNAの塩基配列として記録され、DNAはタンパク質と結合し凝集して染色体に格納される。染色体の部分構造により遺伝子の発現が制御され、この構造はエピジェネティックに継承される。ゲノムは突然変異などで多様化し、種間のゲノム比較により進化の過程や配列と機能の関連が推定される。

[議論点]
多様な性の決定方法がある中で、なぜヒトはX, Y染色体の組み合わせにより性が決定されるのか

　XXYは男性なのか、女性なのか(なぜ性の決定のためにX, Y染色体が用いられるのか)という疑問から発展し、上記のテーマに論点を絞って議論した。

性の決定方法には以下のように様々な形態がある
①成長の途中で一部の個体の性が変わる(一部の魚)
②染色体の組み合わせによって決まる(哺乳類)
③卵の周囲の温度で決まる(爬虫類など)

　これらの決定方法により異なるのは性の比であると考えた。そこで①、②の方法により生ずる性比の偏りと、偏りにより生ずる影響を挙げた。

①の場合
　メスが集団の大部分を占め、集団の一部であるオスが死ぬとメスの一部がオスに性転換する(コブダイ)例がある。この場合、

・メスが多いため、集団として産むことができる子の数は多い
・オス同士の競争による繁殖可能な個体の減少がない
・遺伝的多様性はメスの遺伝的多様性にほぼ依存
・集団として戦力が不足する？

　つまり、集団が多数の子をつくる上では合理的だが、遺伝的多様性には欠けるという影響が考えられる。
　また、魚は卵生でありメスが子宮を持たないという点でメスとオスの構造が類似しており、性転換が比較的容易なのではないかとも考えた。

②の場合
　X, Y染色体の分配により性が決まるため、性比はほぼ1:1である。この場合、

・オスとメスの組み合わせの数が多いので遺伝的多様性が高まる
・オス同士の競争により、その時々に適応した能力を持つオスが選択される
・繁殖できないオスが存在する
・メスが(①と比較して)少ないため集団として産むことができる子の数は比較的少ない

　つまり、子の遺伝的多様性は高まるが、集団がつくることのできる子の数は少なくなるという影響が考えられる。
　また、哺乳類は胎生でありメスが子宮を持つためメスとオスの構造が大きく異なり、性転換が困難である一方で、逆に構造の差を大きくすることができるのではないかとも考えた。

　このように①と②の間には遺伝的多様性と集団がつくる子の数において対称的なメリット・デメリットがあると考えられる。さらに①や②の方法をとる種には卵生、胎生による違いも存在する。

　これらから考えられる結論は以下の通りである。異なる性の決定方法はそれぞれメリット・デメリットを持ち、どのような戦略が有効かは種により異なる。関連する要因としては、性に特有の構造・役割の違い、卵生・胎生の違い、捕食されやすさの違いなどが考えられる。

細胞の分子生物学 第3章 タンパク質

担当：永井
参加者：6名

[概要]
　タンパク質には安定な折りたたみ構造であるコンホメーションがあり、その構造によって、結合する物質であるリガンドは決まる。そして、リガンドと結合することによってコンホメーションは変化し、特定の機能は発揮される。

[議論点]
ヒトはタンパク質でどれくらい語ることができるのか。(タンパク質1つ1つを調べることで個人の特性はわかるのか。)
↓
タンパク質の機能は何があるか。それらの機能は個体の特性にどう関与しているか

タンパク質の機能
　・酵素としての機能
　・繊維を構成
　・物質を識別（ex.抗体が抗原を識別）
　・物質の輸送（ex.トランスポーター）
　・エネルギーの貯蔵（ex.筋肉はエネルギー源となる）

個体の特性　→  性格、体格、運動能力、感覚特性、見た目、頭の良さ、メンタルなど

運動能力を具体化・限定して、"筋肉の量と質"に変換
"筋肉の量と質"　それぞれに、上で挙げた機能はどう関与するか

筋肉の量
　・酵素としての機能　＝　合成を制御することで量を調整

筋肉の質
　・酵素としての機能　＝　乳酸を分解し、質を高める
　・物質の輸送　＝　乳酸・ATPの輸送し、質を高める


[まとめ]
　個体の数ある特性の中の運動能力について、タンパク質の機能は関与していると言える。

[MBCセミナー2019]細胞の分子生物学 第2章 「細胞の化学と生合成」

担当：菅野
参加者：4名

[概要]
　生体内では様々な分子が働いている。その中でもタンパク質は非常に多くの場面で使われ、例えば触媒として多くの反応を促進する。代謝反応では、解糖などで、取り入れた栄養物を段階的に酸化することでエネルギーをADP→ATPやNAD+→NADHなどにして貯蓄し、それらを使って起こりにくい反応を進めることができる。代謝反応は高度に組織化され、そのバランスは驚くほど安定である。

[議論点]
ATPを増やせば増やすほど良いものなのか

ここではATPが過剰に多い状態において、悪影響があるか議論する

細胞内では
（ATPの量）+（ADPの量）= 一定
であるため、ATPが過剰に多いということはADPが非常に少ないということ
→ADPを使う解糖系が進まない

解糖やその先にあるクエン酸回路などの途中で生成される物質は他の反応経路にも使われたりする
→解糖が進まないとそれらの途中生成物もできないため、それを使う反応経路も進まなくなる

→ATPとADPの比が重要

この状態を元の状態に戻すには？
→AMP・ADPを合成する
→ATPを分解および細胞・生体外へ排出する
→解糖系などの反応経路を逆に辿ってATPを消費し、ポリグルコースを生成する

[まとめ]
　ATPが過剰に多いとADPが少なくなり、解糖系が進まず、それらの途中生成物を使う他の反応系もうまく進まなくなるため、ATPとADPの比が重要である。

担当：大林
参加者：6名

[概要]
　細胞は、全生物に共通する機構であるDNA→RNA→タンパク質という情報の流れに基づいた物質代謝を行い、その恒常性を実現している。この機構の成立の背景には遺伝子重複や細胞内共生などの遺伝子資源を増やす仕組みがある。

[議論点]
真核細胞においてミトコンドリアや葉緑体の一部の遺伝子がなぜ宿主細胞のDNAに移る必要があったのか

（簡単のため、共生前のミトコンドリアをＭＴオリジナルと書くことにする）

共生前後のミトコンドリア遺伝子
　ＭＴオリジナル（5000遺伝子程度、細菌と同程度）
　ミトコンドリア（100遺伝子程度）
　参考：核（10000遺伝子程度）

→ ミトコンドリア遺伝子は
   (1) 核に移った →  核が、ミトコンドリアの数や活性を制御するため
   (2) 消滅した     → 機能重複の回避

共生前後のミトコンドリアの機能
　ＭＴオリジナルの機能：好気的エネルギー生産、動く、食べる、増える
　ミトコンドリアの機能：好気的エネルギー生産

共生の理由
　ホストは共生で高効率なエネルギー生産手段を獲得
　ＭＴオリジナルは防御をホストに委ねることができる

一部の遺伝子がミトコンドリアゲノムに残った理由
　遺伝子資源の区分化（輸送する必要がなくなる）
　半自律的制御（酸素呼吸による障害に迅速に対応するため）

[まとめ]
　ホスト細胞の活動に合わせてミトコンドリアの数や活性を制御するため、主に制御関連の遺伝子が核に移動した。