原核生物と真核生物の遺伝子発現は、機能的な遺伝子産物を生成するために、ゲノム中の遺伝子の発現を担う2つの細胞内プロセスです。
一般に、どちらのプロセスも転写と翻訳という2つのステップを経て進行する。
本稿では、原核生物と真核生物の遺伝子発現を比較対照することを目的とする。
原核生物では、近縁の遺伝子が集まってオペロンを形成し、ポリシストロンと呼ばれるmRNA分子が作られる。
一方、機能的な遺伝子は個々に発現し、モノシストロンと呼ばれるmRNA分子が作られる。
さらに、原核生物では、細胞質で転写と翻訳が同時に行われる。
しかし、真核生物では、前者は核の中で、後者は細胞質で、それぞれ別々に起こる。
さらに、真核生物では、転写後修飾と翻訳後修飾の両方が行われる。
主な対象分野
- 原核生物の遺伝子発現とは？
– 定義、プロセス、意義 - 真核生物の遺伝子発現とは？
– 定義、過程、意義 - 原核生物の遺伝子発現と真核生物の遺伝子発現の比較対照
– 類似点と相違点
この記事の重要な単語
Eukaryotic Gene Expression, mRNAs, Prokaryotic Gene Expression, Translation, Transcription 
原核生物の遺伝子発現とは？
原核生物の遺伝子発現とは、原核生物の遺伝子の情報に従って、遺伝子産物を合成することである。
原核生物の遺伝子発現の意義は、原核生物の遺伝子が機能的に関連した遺伝子の集まりであるオペロンを形成していることである。
オペロンの例としては、LacオペロンやTrpオペロンなどがあります。
このため、オペロン内の遺伝子は一緒に転写され、ポリシストロン型のmRNA分子を形成する。
さらに、原核生物は転写と翻訳が細胞質で同時に行われる。
そのため、一次転写産物は、転写がまだ進行している翻訳に容易に利用される。
：図1 原核生物の遺伝子の構造
さらに、原核生物では、1種類のRNAポリメラーゼが転写を担っている。
このポリメラーゼは、シグマ因子とプリブナウボックスと呼ばれる特定のDNA配列を必要とし、転写を開始する。
原核生物のポリシストロンmRNAの翻訳は、70Sリボソームが担っている。
最も重要なことは、原核生物の遺伝子発現の制御は、転写レベルの増減によって行われるということである。
真核生物の遺伝子発現とは？
真核生物の遺伝子発現とは、真核生物の遺伝子の情報によって、遺伝子産物が合成される過程を指す。
真核生物のDNAは核の中に存在するため、転写も核の中で行われる。
通常、3つのRNAポリメラーゼが、異なる種類のRNAの転写を担っている。
rRNAを転写するRNAポリメラーゼ1、mRNAを転写するRNAポリメラーゼ2、tRNAを転写するRNAポリメラーゼ3です。
また、真核生物の遺伝子は、それぞれ個別のプロモーターの制御下にある。
従って、転写されると一本鎖のmRNAになる。
図2: 原核生物と真核生物の遺伝子発現
さらに、mRNAの一次転写産物は、5’キャップや3’ポリAテールの付加などの転写後修飾を受ける。
一方、真核生物のmRNAのタンパク質コード領域を挟むイントロンは、RNAスプライシングと呼ばれるプロセスで切り離される。
最終的なmRNA分子は成熟mRNAであり、核から細胞質へ出て、翻訳の準備が整う。
真核生物のmRNAの翻訳は、80Sリボソームが担っている。
真核生物のタンパク質は、リン酸化、アセチル化、メチル化、グリコシル化などの翻訳後修飾を受ける。
真核生物における遺伝子発現の調節は、そのほとんどが転写レベルで行われる。
しかし、エピジェネティクス、転写後、翻訳、翻訳後といったレベルでも起こりうる。
原核生物と真核生物の遺伝子発現を比較対照する。
原核生物と真核生物の遺伝子発現の類似性
- 原核生物の遺伝子発現と真核生物の遺伝子発現は、細胞内で機能的な遺伝子産物を合成する生物学的なプロセスであり、原核生物と真核生物の遺伝子発現には、機能的なタンパク質が含まれる。
- その遺伝子産物には、コーディング遺伝子が発現してできる機能性タンパク質と、ノンコーディングDNAが発現してできるノンコーディングRNAがあります。
- 遺伝子発現の主な過程は、転写と翻訳の2つです。
- タンパク質をコードする遺伝子は転写と翻訳の両方を行い、ノンコーディングDNAは転写のみを行う。
- 一方、転写を担う酵素はRNAポリメラーゼです。タンパク質をコードする遺伝子が転写されるとmRNAができ、ノンコーディングDNAが転写されると、tRNA、rRNA、miRNAなどのノンコーディングRNAができる。
- ただし、mRNAのみ翻訳が行われ、細胞質で翻訳が行われる。また、rRNAから形成されるリボソームが翻訳を促進し、tRNAが適切なアミノ酸を運ぶ。
原核生物と真核生物の遺伝子発現の違い
定義
原核生物の遺伝子発現とは、原核生物の遺伝子の情報をもとに、機能的な遺伝子産物を合成する過程を指す。
一方、真核生物の遺伝子発現とは、真核生物の遺伝子の情報により、機能的な遺伝子産物を合成する過程を指す。
空間的な隔たり
原核生物の遺伝子発現は完全に細胞質で行われるが、真核生物では転写は核の中で、翻訳は細胞質で行われる。
Temporal Segregation
原核生物の遺伝子発現では転写と翻訳が同時に起こるが、真核生物の遺伝子発現では転写と翻訳が時間的に分離している。
DNAの発生
また、原核生物のDNAは細胞質で、真核生物のDNAは核の中で発生する。
エピジェネティック因子
また、原核生物のDNAは永久に凝縮した形にはならないが、真核生物のDNAはヒストンと安定した凝縮した複合体を形成している。
プロモーター要素
原核生物には3つのプロモーター要素があります。
1つは遺伝子の上流、2つ目は遺伝子の10塩基下流、3つ目は遺伝子の35塩基下流にある。
しかし、真核生物には、TATAボックスを含む、より多くのプロモーターエレメントが存在する。
転写開始因子（Transcription Initiation Factor
原核生物の転写開始因子は、転写開始複合体とは会合しない。
しかし、真核生物の転写開始因子は、転写開始複合体と会合する。
オープンリーディングフレーム
原核生物の遺伝子ではイントロンはオープンリーディングフレームを中断しないが、真核生物の遺伝子ではイントロンがオープンリーディングフレームを中断している。
RNAポリメラーゼ
また、原核生物の遺伝子発現は1種類のRNAポリメラーゼを備えているのに対し、真核生物の遺伝子発現では3種類のRNAポリメラーゼが用いられている。
遺伝子の大きさ
原核生物の遺伝子が小さいのに対して、真核生物の遺伝子は大きい。
エクストラDNA
原核生物は余分なDNAをほとんど持たないが、真核生物は大きな繰り返しDNAの領域を持っています。
コーディングDNAからノンコーディングDNAへ
原核生物ゲノムの95%はタンパク質をコードする遺伝子を含み、真核生物ゲノムの98%は非コード化DNAを含む。
遺伝子
原核生物では、機能的に関連するいくつかの遺伝子がオペロンと呼ばれるクラスターを形成しているが、真核生物の遺伝子は個々に存在している。
mRNAの種類
原核生物の遺伝子発現ではポリシストロン型、真核生物の遺伝子発現ではモノシストロン型のmRNAが生成されます。
転写後の修飾
原核生物の遺伝子発現では転写後修飾は起こらないが、真核生物の遺伝子発現では転写後修飾が起こる。
リボソーム
さらに、原核生物には70Sリボソームが、真核生物には80Sリボソームがあります。
翻訳後修飾（Post-Translational Modifications
原核生物の遺伝子発現では、翻訳後修飾は起こらない。
しかし、真核生物の遺伝子発現では、翻訳後修飾が起こる。
遺伝子発現の制御
原核生物の遺伝子発現制御は、転写レベルで行われる。
しかし、真核生物の遺伝子発現制御は、エピジェネティックレベル、転写レベル、転写後レベル、翻訳レベル、翻訳後レベルで行われることがあります。
結論
原核生物および真核生物の遺伝子発現は、ゲノムの情報に従って機能的な遺伝子産物を生成するプロセスです。
一般に、転写と翻訳の2つの過程を経て進行する。
一般に、翻訳は細胞質で行われる。
原核生物では、機能的に関連する遺伝子が集まってオペロンを形成し、それらが一緒に転写されてポリシストロンと呼ばれるmRNAが形成される。
また、原核生物の細胞質では、転写と翻訳が同時に行われる。
一方、真核生物の転写は核で行われ、mRNAは細胞質内を通過して翻訳される。
従って、転写と翻訳は連動していない。
さらに、真核生物の遺伝子は個別に転写を受け、モノシストロン型のmRNAを形成する。
