Molecular biology

Japanese: 分子生物学 - ぶんしせいぶつがく（英語表記）molecular biology

It refers to the approach of grasping and elucidating the substance of various life phenomena at the molecular level, and is the central field of modern biology. Research into life phenomena from the standpoints of molecular genetics, biochemistry, biophysics, etc. merged in the middle of the 20th century to establish molecular biology. In 1950, Astbury defined molecular biology as "a standpoint that seeks to grasp, primarily in three-dimensional, structural, and functional terms, how the forms of the molecules that make up living organisms evolve, are utilized, and differentiate." Later, informational elements were also included in molecular biology. In other words, the establishment of molecular biology was based on the fusion of the following three directions of thinking about life phenomena:

(1) Structural research: Understanding the three-dimensional structure of biomolecules and studying what structure determines the specific functions of those molecules. In particular, research has focused on physical and structural chemistry techniques, such as determining the structure of crystalline molecules by X-ray diffraction and assembling molecular models.

(2) Biochemical research This is the study of how biological molecules interact with each other in cellular metabolism and genetic phenomena, and genetic and biochemical research into cellular metabolism in particular contributed to the establishment of molecular biology.

(3) Research on information This research aims to elucidate, at a molecular level, the mechanism by which genetic information is transferred from generation to generation of cells and genetic traits are expressed. In particular, we have been considering the question of how information is carried by molecules.

[Taku Shimada]

Historical background of its establishment

Next, I will describe the historical background leading to the establishment of molecular biology.

[Taku Shimada]

Protein Molecular Research

Proteins were the first to attract attention as the basic substance of life. By around 1920, the structure of proteins had become more clear, and the fact that they are composed of many amino acids led to the idea that proteins are suitable for carrying complex genetic information. Research into the higher-order structure of proteins has made great strides thanks to the technique of X-ray crystallography. This technique of crystal structure analysis using X-ray diffraction was proposed by Bragg and his son in England around 1912, and developed in England. In general, in a crystal, the constituent molecules (which can also be atoms or ions) are arranged with their axes parallel to each other at regular intervals, forming a lattice of a certain size. When a beam of X-rays is irradiated onto a crystal, the beam of X-rays is bent in direction by the molecules and atoms of the crystal lattice. This is called X-ray diffraction. By placing a photographic plate on the opposite side of the crystal from the X-ray source, the angle of X-ray diffraction can be determined. By analyzing this diffraction image, the three-dimensional structure of the protein molecule can be determined. Using this technique, Kendrew and Perutz elucidated the molecular structures of hemoglobin and myoglobin by the early 1960s, and as a result, the functions of these protein molecules could be explained based on their three-dimensional structures. Wilkins and R. Franklin used X-ray diffraction to analyze the structure of nucleic acids. Nucleic acids were already discovered by Friedrich Miescher (1844-1895) in 1869, and by the 1930s, they were found to be polymers consisting of two purine bases (adenine and guanine) and three pyrimidine bases (cytosine, thymine, and uracil). However, their biological meaning and structure remained unknown for a long time, and their connection to genetic phenomena was generally ignored.

[Taku Shimada]

Genetics and Biochemistry

Archibald Garrod (1857-1936) was the first to suggest (1909) the mechanism of gene control of trait expression, showing that alkaptonuria is caused by a Mendelian recessive gene, and that it is a phenomenon in which homogentic acid is not oxidized but excreted in urine as it is due to a genetic disorder in homogentic acid oxidase, which plays a role in the metabolism of phenylalanine, and that genes act by affecting specific enzymes in the metabolic pathway. In 1928, Fred Griffith (1881-1941) found that when live nonpathogenic Streptococcus pneumoniae and heat-killed pathogenic Streptococcus pneumoniae were simultaneously injected into the same mouse, live pathogenic bacteria were produced, suggesting the existence of a genetic transformation agent. Avery et al. attempted to isolate this agent, and in 1944 showed that it was not a protein but DNA (deoxyribonucleic acid). However, the idea that the genetic material was DNA was not accepted at the time.

Returning to Griffith's discovery, in the 1930s, Beadle, together with Boris Ephrussi (1901-1979) and using Drosophila melanogaster, and with Tatum using Neurospora crassa, demonstrated that each gene regulates the synthesis of a specific enzyme, and later proposed the "one gene, one enzyme" hypothesis, which states that one gene acts to synthesize one specific enzyme. However, in many cases, an enzyme is made up of multiple polypeptides, and taking into account genes that code for proteins other than enzymes (specifying the genetic code), the concept of "one gene, one polypeptide" became more widespread and contributed to the understanding of genes.

[Taku Shimada]

Determination of genetic material

For a long time, research was conducted from the standpoint that genes are protein molecules that carry genetic information. In 1938, the situation changed dramatically when Delbrück took up bacteriophages as a genetic research material. Bacteriophages are bacterial viruses that consist only of nucleic acid and the proteins that surround it. When they infect a bacterium, they multiply rapidly within the host bacterium, with a generational change occurring within 20 to 30 minutes, and millions of phages can be cultured in a small culture medium. Phage genes also mutate, and genetic recombination occurs between different strains of the same phage.

In 1952, Hershey and Chase showed that when phage DNA was labeled with radioactive phosphorus and proteins with radioactive sulfur and then infected bacteria, only the phage DNA entered the host bacterium and many phage particles were replicated, while the phage proteins remained outside the bacterium. This demonstrated that the main body of genes is DNA.

[Taku Shimada]

Watson-Crick's DNA model

The molecular structure of DNA was determined by Watson and Crick, mainly based on the results of X-ray crystallography of DNA by Wilkins and Franklin, and taking into consideration Chargaff's data, namely the fact that adenine and thymine, and guanine and cytosine are present in a 1:1 ratio in DNA samples obtained from various tissues and cells, and was published in 1953. This DNA molecular model is capable of explaining at the molecular level the self-replicating ability that genes should have, and the mechanism of the retention and expression of genetic information. With the publication of the DNA molecular structure model, known as the Watson-Crick model, the flow of genetics shifted from the chromosome theory of classical Mendelian genetics to molecular genetics, and the results of molecular genetics were applied to many other fields of biology, forming the basis for the establishment of molecular biology in the 1960s.

According to the Watson-Crick model, two DNA strands pair up with opposite polarity to form a helix. Each DNA strand has a sugar-phosphate backbone that runs along the outside of the helix. Bases protrude from both strands on the inside of the helix, and the helix is supported by hydrogen bonds between the bases. The base sequences of the two DNA strands are complementary to each other; if one strand is adenine, the paired base of the other strand is thymine, and if one strand is guanine, the paired base of the other strand is cytosine. When a DNA molecule is replicated, each strand is used as a template to synthesize a DNA strand with a complementary base sequence. Thus, when replication is complete, there are two identical DNA strands, and when nuclear division occurs, the same DNA molecule as the mother nucleus is allocated to each of the two daughter nuclei. Furthermore, it was thought that the sequence of nucleotide bases arranged on one strand of the DNA helix contains genetic information, and that a specific base sequence corresponds to the amino acid sequence of a specific protein molecule.

[Taku Shimada]

The central dogma of molecular biology

In the early 1960s, it was discovered that RNA (ribonucleic acid) is involved in reading and translating genetic information from DNA, and the flow of genetic information from DNA to RNA to protein was eventually established. The synthesis of a new DNA strand using DNA as a template is called DNA replication, the process in which DNA's genetic information (base sequence) is transferred to RNA's base sequence is called transcription, and the process in which RNA's base sequence is read and a protein with the corresponding amino acid sequence is synthesized is called translation. In other words,

These three processes of replication, transcription, and translation are known as the "central dogma" of molecular biology, as Crick asserted in 1958. The RNA (transcription product of DNA) that transmits the genetic information of DNA to the protein synthesis system is called messenger RNA, which was conceptualized by Monod and F. Jacob in 1961 and later proven. In this paper, the famous "operon theory" (the theory that enzyme synthesis is regulated by regulatory genes in groups of genes called operons) was proposed as a mechanism of genetic information expression in E. coli, and the central dogma was established. Subsequently, complete proteins were synthesized in a test tube using cell extracts and messenger RNA even without cells. In 1963, Ochoa and Nirenberg completed the genetic code table. A specific sequence of base triplets, or three bases, codes for each of the 20 amino acids. In this way, it is now possible to roughly describe the mechanisms of gene replication and the transmission of genetic information at the molecular level.

[Taku Shimada]

Influence on evolutionary theory

Molecular biology has also influenced evolutionary theory through its explanation of gene mutations at the molecular level. Vernon Martin Ingram (1924-2006) examined the amino acid sequences of hemoglobin from sickle cell and normal red blood cells and found that only one amino acid was different, which was due to the substitution of one base in the DNA base sequence that codes for hemoglobin. In normal hemoglobin, glutamic acid at the sixth position of the beta chain is replaced by valine in sickle cell hemoglobin. This is because thymine in the DNA base triplet that codes for glutamic acid has been changed to adenine. The substitution of just one base has a significant effect on the survival of subsequent generations. By comparing the amino acid sequences of homologous proteins between various organisms to determine how many amino acids are different and taking into account the age of paleontological divergence of organisms, we can determine the rate at which amino acids in proteins have changed during evolution. This is called molecular evolution, and the rate of molecular evolution varies depending on the protein, with functionally important molecules and internal sites undergoing slower evolution than non-important molecules and internal sites. Molecular evolution occurs through mutation, but the neutral theory (1968) proposed by Kimura Motoo (1924-1994) states that mutations in non-functional sites accumulate in a population of organisms in a neutral state, that is, not subject to natural selection, and that this accumulation is greater than the accumulation of mutations due to natural selection. This theory had a major impact on conventional evolutionary genetics, which considered natural selection to be omnipotent.

[Taku Shimada]

Molecular Biology since the 1980s

The results and methods of molecular biology of genes, developed based on the Watson-Crick model, are applied to various fields of biology, including developmental biology, immunology, cell biology, taxonomy, and many others. With the discovery of DNA-degrading enzymes (restriction enzymes) that recognize specific base sequences and cut DNA at those sites, a technique was developed in the 1980s to isolate DNA that codes for specific proteins from living organisms. By incorporating foreign DNA into a plasmid (a genetic element that exists in prokaryotic cells independently of the nucleus or chromosomes) and introducing it into bacteria, bacterial clones carrying specific foreign DNA can be obtained. This gene cloning technique has made it possible to determine the base sequence of genetic DNA and study its fine structure.

Bacteria or cells that have specific gene DNA integrated into them actively synthesize the proteins encoded by that DNA, making it possible to produce large amounts of proteins that are normally present only in trace amounts. In this case, if part of the base sequence of the DNA fragment is artificially mutated before integration, a mutant protein can be produced. Determination of DNA base sequences has also become automated and can be done in a short time. Research is being conducted not only to modify proteins by changing the base sequence of genes to make them more effective, but also to design completely new proteins. Gene cloning technology, centered on gene recombination technology, has been applied in various fields, such as identification of genes that cause genetic diseases and gene therapy, research on cancer genes and carcinogenesis, elucidation of aging mechanisms, creation of genetically modified organisms (transgenic organisms), DNA identification, i.e., estimation of incest by comparing DNA base sequences, and development of criminal investigation methods.

Of particular note is the development of genome analysis projects that began at the end of the 20th century. As of 2003, the entire DNA sequences of the human genome, house mouse, rice, Arabidopsis, fruit fly, pufferfish, zebrafish, nematode, Escherichia coli, and Bacillus subtilis have been determined, and genome analysis is underway for Xenopus, Ciona intestinalis, and sea urchin. Humans were previously estimated to have tens of thousands of genes, but genome analysis has revealed that they only have a few thousand genes. The results of genome analysis have not only greatly supported the development of basic research in many areas of biology, such as developmental biology, cell biology, and taxonomy, but have also been widely used in medicine, pharmacology, and agriculture, such as gene therapy and breeding, and have pioneered a new industrial field called genetic engineering. With regard to humans, a field called proteomics has been established in which the structure and function of proteins are analyzed based on the results of genome analysis. Proteomics plays a major role in the creation of new drugs, screening of receptor proteins that bind to various drugs, and screening of G protein-binding proteins, and many international venture companies are involved in this field. The foundation and development of proteomics owes its existence to the development and advancement of mass spectrometry of proteins, and Koichi Tanaka of Japan, who developed this method, was awarded the Nobel Prize in Chemistry in 2002.

The development of molecular biology has also brought about major changes in research methods for systematic taxonomy and social ecology. Mitochondria encode several genes that are independent of the nuclear genome. Some of the electron transport chain proteins, mitochondrial rRNA, and mitochondrial tRNA are encoded in the DNA of mitochondria and are maternal information. It has become commonplace in systematic taxonomy research to compare the base sequences of these genes between species to determine the position and frequency of mutations, and to use gene polymorphism analysis (restriction fragment length polymorphism) using several types of restriction enzymes to identify species and clarify lineages. Gene polymorphism analysis of mitochondrial DNA can also determine which group an organism originates from, making it an effective tool in social ecology research.

Molecular biology, which was born in the middle of the 20th century, has made rapid progress, and by the end of the 20th century it had become technically possible to create new organisms by manipulating genes. The impact of such technology on the natural world and on humanity is immeasurable. It is common to manipulate the genes of embryonic stem cells (ES cells) of laboratory mice to create genetically modified embryos and then to create genetically modified mice, which has contributed greatly to the development of medicine (searching for disease-causing genes) and life sciences. However, for ethical reasons, genetic manipulation of human embryos is prohibited by law in Japan unless special national approval is obtained. In addition, the careless application of genetic manipulation to livestock and agricultural crops would be dangerous unless sufficient consideration is given to the impact of the DNA vectors used for recombination on human health. Furthermore, the release of genetically modified organisms into the natural world would have a significant impact on the ecosystem, and taking all of this into consideration, it is urgent to establish a bioethical code through international cooperation.

[Taku Shimada]

"20th Century Life Sciences I and II (1983, Science Press) by G.E. Allen, translated by Nagano Kei, Suzuki Denji, and Suzuki Zenji" ▽ "Dictionary of Molecular Biology" by Jochanan Stenesh, edited and translated by Nakamura Un (1992, Kagaku Dojin)" ▽ "From Molecular Biology to Biotechnology" (1993, Kyoritsu Shuppan) edited by Miura Kinichiro" ▽ "Molecular Biology - Concepts of Life Sciences" by Koseki Haruo, Nagata Toshio, Matsushiro Aizo, and Yura Takashi (1996, Kagaku Dojin) " ▽ "Dictionary of Microbiology and Molecular Biology" by Paul Singleton and Diana Sainsbury, supervised translation by Ota Jiro (1997, Asakura Shoten)" ▽ "An Introduction to Molecular Biology of Genes from the Perspective of the Nobel Prize" by Ishida Torao (1998, Kagaku Dojin) ▽ "Molecular Biology" edited by Yanagida Mitsuhiro, Nishida Eisuke, and Noda Ryo (1999, Tokyo Kagaku Dojin)" ▽ "Easy-to-understand Molecular Biology" edited by Kikuchi Takahiko, Muramatsu Takashi, and Sakaki Yoshiyuki (1999, Maruzen) " ▽ "Molecular Biology Protocols" revised 2nd edition edited by Koike Katsuro, Sekiya Takeo, and Kondo Hisato (1999, Nanzando)" ▽ "Invitation to Applied Animal Science" by Taterin (2001, Asakura Shoten)" ▽ "Watson's Molecular Biology of the Gene, volumes 1 and 2, by J.D. Watson et al., translated by Matsubara Kenichi et al. (2001, Tokyo Denki University Press)" ▽ "Easy-to-understand Basic Life Sciences - The History of Biology and the Concept of Life" by Yasusugi Sadao (2002, Science Press)" ▽ "Molecular Biology You'll Love: A Sketch of Life Seen from Molecules" edited by Tada Tomio and written by Hagiwara Kiyofumi (2002, Kodansha)" ▽ "Basic Molecular Biology, 2nd Edition, written by Tamura Takaaki and Muramatsu Masami (2002, Tokyo Kagaku Dojin)" ▽ "Invitation to Molecular Biology, edited by Suzuki Norio, Tanaka Isao, and Yazawa Yoichi (2002, Sankyo Publishing)" ▽ "Molecular Biology Illustrated, revised 2nd Edition, edited by Tamura Takaaki and Yamamoto Masashi (2003, Yodosha)" ▽ "Biochemistry and Molecular Biology, 2nd Edition, written by William Elliott et al., translated by Shimizu Takao and Kudo Ichiro (2003, Tokyo Kagaku Dojin)" ▽ "Molecular Biology, 2nd Edition, edited by Tanuma Yasukazu (2003, Maruzen)" ▽ "Post-genome molecular biology - exploring new developments from genome information to gene function" edited by Yasufumi Murakami (2003, Kagaku Dojin)" ▽ "Introduction to molecular biology" by Shigeki Mitake (Iwanami Shinsho)" ▽ "New introduction to molecular biology - what we know so far about the function of genes" by Kousaku Maruyama (Kodansha, Bluebacks)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

種々の生命現象の実体を分子レベルで把握し解明しようという立場をいい、現代生物学の中心分野となっている。分子遺伝学、生化学、生物物理学などの立場からの生命現象研究が20世紀なかばに合流し、分子生物学が確立された。1950年にアストバリーは、「分子生物学は生物を構成する分子の形態がどのように進化し、利用され、分化するのかを、おもに三次元的、構造的、かつ機能的に把握しようとする立場である」と定義している。その後、分子生物学には情報的な要素も含まれるようになった。すなわち、分子生物学の成立は、生命現象に対する次の三つの思考方向の融合によっている。

(1)構造的研究　生体分子の構造を三次元的に理解し、どのような構造がその分子の特定の機能を決定するのかを研究する。とくに結晶分子のX線回折による構造決定や分子模型の組立てなど、物理学的・構造化学的手法による研究が中心であった。

(2)生化学的研究　生体分子が、細胞代謝や遺伝現象においてどのように作用しあっているかを研究する立場で、とくに細胞代謝の遺伝生化学的研究が分子生物学の成立に寄与した。

(3)情報に関する研究　細胞の世代から世代へと遺伝情報が移され、遺伝形質が発現する仕組みを分子的に明らかにしようとする研究で、とくに情報がどのようにして分子に担われているかという問題を考えてきた。

［嶋田　拓］

成立の歴史的背景

次に分子生物学の成立に至る歴史的背景を述べる。

［嶋田　拓］

タンパク質分子の研究

生命の基礎物質としてまず注目されたのはタンパク質であった。1920年ごろまでにタンパク質の構造が一段と明らかになり、それが多数のアミノ酸からなることは、複雑な遺伝情報の担い手としてタンパク質がふさわしいものであると考えられるに至った。タンパク質の高次構造の研究は、X線結晶学の技術によって大きな収穫をあげた。このX線回折による結晶構造解析の技術は、1912年ごろイギリスのブラッグ父子により提案され、イギリスで発達した。結晶では一般に構成分子（原子やイオンのこともある）がきちんと一定の空間間隔で軸を平行にして配置され、一定の大きさの格子をつくっている。X線束を結晶に照射すると、X線束は結晶格子の分子や原子によって方向が曲げられる。これをX線回折という。結晶を挟んでX線源と反対側に写真乾板を置いておくと、X線回折の角度などを知ることができる。この回折像を解析することにより、そのタンパク質分子の三次元構造を知ることができる。この技術を用いてケンドルーとペルツは1960年代初めまでにヘモグロビンとミオグロビンの分子構造を明らかにし、その結果、これらタンパク質分子の機能を三次元構造に基づいて説明できるようになった。ウィルキンズとR・フランクリンはX線回折を用いて核酸の構造解析を行っていた。この核酸は、すでに1869年ミーシャーFriedrich Miescher（1844―1895）により発見され、1930年代までに、2種のプリン塩基（アデニン、グアニン）と3種のピリミジン塩基（シトシン、チミン、ウラシル）からなる重合体であることがわかった。しかしなお、その生物学的意味や構造は長くわからず、遺伝現象とのつながりも一般に無視されていた。

［嶋田　拓］

遺伝生化学

ギャロッドArchibald Garrod（1857―1936）は遺伝子による形質発現制御の仕組みについて最初に示唆し（1909）、アルカプトン尿症はメンデル性劣性遺伝子によるものであって、フェニルアラニンの代謝に働くホモゲンチン酸酸化酵素に遺伝的障害がおこってホモゲンチン酸が酸化されずにそのまま尿中に排出される現象であることを示し、遺伝子が代謝経路の特定酵素に影響して働くと考えた。1928年、グリフィスFred Griffith（1881―1941）は、生きた非病原性の肺炎双球菌と熱で殺した病原性肺炎双球菌を同時に同じマウスに注射すると、生きた病原性菌が生ずることをみいだし、遺伝形質転換物質の存在を示唆した。エーブリーらはこの物質の単離を試み、1944年、それがタンパク質でなくDNA（デオキシリボ核酸）であることを示した。しかし、遺伝物質がDNAであるという考え方は当時受け入れられなかった。

　話をグリフィスの発見まで戻すと、その後1930年代になり、ビードルはエフルシBoris Ephrussi（1901―1979）とともにショウジョウバエを、テータムとともにアカパンカビを用いて、遺伝子はそれぞれ一つの特定の酵素の合成を調節していることを示し、のちに1個の遺伝子が1種の決まった酵素の合成に働くという「一遺伝子一酵素説」を提唱した。しかし、一つの酵素が複数のポリペプチドで形成されている場合も非常に多く、また酵素以外のタンパク質をコードする（遺伝暗号を指定すること）遺伝子のことも考慮して、「一遺伝子‐一ポリペプチド」という概念がより普及し遺伝子の理解に貢献した。

［嶋田　拓］

遺伝物質の決定

長い間、タンパク質分子が遺伝情報を担う遺伝子であろうという立場から研究が進められてきた。1938年、デルブリュックが遺伝研究材料としてバクテリオファージを取り上げたことにより局面は大きく変わった。バクテリオファージは細菌ウイルスで、核酸とそれを囲むタンパク質のみからできている。細菌に感染すると宿主細菌内で急速に増殖し、20～30分で世代交代し、小さな培地中で何百万個ものファージを培養できる。ファージの遺伝子も突然変異をおこし、同種ファージでの異株間で遺伝的組換えがおこる。

　ハーシェイとチェイスは1952年、ファージDNAを放射性リンで、タンパク質を放射性硫黄(いおう)で標識したのち、細菌に感染させると、ファージDNAのみが宿主細菌内に入って多数のファージ粒子が複製され、ファージタンパク質は菌体外に残ることを示した。こうして遺伝子の本体がDNAであることが明らかになった。

［嶋田　拓］

ワトソン‐クリックのDNAモデル

DNAの分子構造は、主としてウィルキンズやフランクリンによるDNAのX線結晶解析の結果に基づき、さらにシャルガフのデータ、すなわち各種の組織や細胞から得たDNA標品中にアデニンとチミン、グアニンとシトシンがそれぞれ1対1の割合で存在するという結果を考慮に入れ、ワトソンとクリックにより決定され、1953年に発表された。このDNA分子モデルは、遺伝子のもつべき自己複製能と遺伝情報の保持とその発現の仕組みを分子レベルで説明できるものであり、ワトソン‐クリックモデルとよばれるDNA分子構造モデルの発表を境に、遺伝学の流れは、古典的なメンデル遺伝学の染色体理論から分子遺伝学へと移り、分子遺伝学の成果は生物学のほかの多くの分野へも適用され、1960年代に分子生物学が成立する基となった。

　ワトソン‐クリックのモデルによると、2本のDNA鎖が極性を逆にして対合し螺旋(らせん)構造を形成している。各DNA鎖は糖・リン酸骨格をもち、この骨格が螺旋の外側に沿って走っている。螺旋の内側には両鎖から塩基が突き出しており、塩基間の水素結合により螺旋構造が支えられている。2本のDNA鎖の塩基配列は互いに相補的で、片方がアデニンであれば他鎖の対合する塩基はチミン、片方がグアニンであれば他方はシトシンである。DNA分子の複製に際しては、それぞれの鎖を鋳型として相補的な塩基配列をもつDNA鎖が合成される。したがって複製が完了すると、まったく同じDNA螺旋が2本存在することになり、核分裂時に2個の娘(じょう)核にそれぞれ母核と同じDNA分子が配分されることになる。さらに、DNA螺旋の一方の鎖に並んだヌクレオチド塩基の配列が遺伝情報をもっており、特定の塩基配列が特定のタンパク質分子のアミノ酸配列に対応すると考えられた。

［嶋田　拓］

分子生物学のセントラルドグマ

1960年代初めには、DNAの遺伝情報の読み取りと翻訳にRNA（リボ核酸）が関与することがわかり、やがてDNA→RNA→タンパク質という遺伝情報の流れが確立された。DNAを鋳型として新しいDNA鎖が合成されることをDNAの複製とよび、DNAの遺伝情報（塩基配列）がRNAの塩基配列に移し変えられる過程を転写、RNAの塩基配列を読み取ってそれに対応するアミノ酸配列をもつタンパク質が合成される過程を翻訳とよぶ。すなわち、

のような複製、転写、翻訳の三つの過程は、1958年にクリックが主張したように、分子生物学の「セントラルドグマ（中心教義）」として知られている。DNAの遺伝情報をタンパク質合成系に伝えるRNA（DNAの転写産物）は伝令RNA（メッセンジャーRNA）とよばれ、1961年モノーとF・ジャコブにより概念化され、のちに証明された。この論文で、大腸菌における遺伝情報発現の仕組みとして有名な「オペロン説」（酵素合成がオペロンとよばれる遺伝子群を単位として調節遺伝子により調節されるという説）が提唱され、セントラルドグマが確立されたのである。続いて、細胞が存在しなくても細胞抽出液と伝令RNAを用いて試験管内で完全なタンパク質が合成された。1963年にはオチョアとニーレンバーグにより遺伝暗号表が完成した。塩基の三つ組、つまり3個ずつの塩基の特定配列が20種のアミノ酸のそれぞれの暗号となっている。こうして、大まかではあるが、遺伝子の複製さらに遺伝情報の伝達の仕組みを分子レベルで述べることができるようになったのである。

［嶋田　拓］

進化論への影響

分子生物学は遺伝子突然変異の分子レベルでの説明を通じて進化論にも影響を与えた。イングラムVernon Martin Ingram（1924―2006）は鎌(かま)状赤血球と正常赤血球のヘモグロビンのアミノ酸配列を調べ、ただ1個のアミノ酸が違っており、それはヘモグロビンをコードするDNA塩基配列中の1個の塩基が他の塩基と置換したことに基因することを明らかにした。正常ではヘモグロビンβ(ベータ)鎖の6番目に位置するグルタミン酸が、鎌状赤血球ヘモグロビンではバリンにかわっている。これは、グルタミン酸をコードするDNA塩基三つ組のうち、チミンがアデニンに変化したのである。たった1個の塩基の置換が、その後の世代の生存に大きく影響するのである。相同なタンパク質のアミノ酸配列を各種生物間で比較して何か所のアミノ酸が異なるかを決め、生物種の古生物学上の分岐の年代を考慮に入れると、生物進化においてタンパク質のアミノ酸がどんな速度で変化してきたかがわかる。これを分子進化とよぶが、分子進化の速度はタンパク質によって異なり、機能的に重要な分子や分子内部位は、重要でない分子や分子内部位に比べて分子進化の速度が遅い。分子進化は突然変異によっておこるが、非機能部位の突然変異は自然淘汰(とうた)（自然選択）にかからない状態、すなわち中立な状態で生物集団内に蓄積され、その蓄積は自然淘汰による変異の蓄積より多いというのが、木村資生(もとお)（1924―1994）により提唱された中立説（1968）である。この説は、自然淘汰を万能とする従来の進化遺伝学に大きな衝撃を与えた。

［嶋田　拓］

1980年代以降の分子生物学

ワトソン‐クリックモデルを基盤として発展した遺伝子の分子生物学の成果と手法は、発生学、免疫学、細胞生物学、分類学、そのほか生物学の多様な分野に適用されている。特定の塩基配列を識別してその部位でDNAを切断するDNA分解酵素（制限酵素）の発見によって、1980年代には特定タンパク質をコードするDNAを生物から単離する技術が開発された。外来DNAをプラスミド（原核細胞内で核や染色体と独立に存在する遺伝要因）に組み込んで細菌に取り込ませることにより特定の外来DNAをもつ細菌クローンを得ることができる。この遺伝子クローニング技術により遺伝子DNAの塩基配列の決定や微細構造の研究が可能となった。

　特定遺伝子DNAを組み込ませた細菌や細胞は、そのDNAのコードするタンパク質を盛んに合成するので、通常は微量にしか存在しないタンパク質を多量につくらせることもできる。このときDNA断片の塩基配列の一部を人為的に変異させてから組み込むと変異タンパク質をつくることもできる。DNA塩基配列の決定も自動化され短時間でできるようになった。遺伝子の塩基配列を変えることによってタンパク質を改変してより有効なものに変えることのみならず、まったく新しいタンパク質を設計する研究も行われている。遺伝子の組換え技術を中心に遺伝子クローニング技術は、遺伝病の原因遺伝子の同定と遺伝子治療、癌(がん)遺伝子と発癌機構の研究、老化機構の解明、遺伝子組換え生物（トランスジェニック生物）の作製、DNA鑑定すなわちDNA塩基配列の比較による近親関係の推定や犯罪捜査法の発展、などさまざまな分野に応用されてきている。

　特筆すべきことは、20世紀末に始まったゲノム解析プロジェクトの展開であり、2003年現在、ヒトゲノムのほか、ハツカネズミ、イネ、シロイヌナズナ、ショウジョウバエ、フグ、ゼブラフィッシュ、線虫、大腸菌、枯草(こそう)菌については全DNA塩基配列がほぼ決定されており、アフリカツメガエル、ユウレイボヤ、ウニではゲノム解析が進行中である。ヒトは従来十数万個の遺伝子をもつと推定されていたが、ゲノム解析によって2万数千個の遺伝子をもつにすぎないことが明らかになっている。ゲノム解析の結果は発生学、細胞生物学、分類学など多方面にわたる生物学の基礎研究の展開を大きく支えたのみならず、遺伝子治療や品種改良など、医学、薬学、農学などで幅広く利用され遺伝子工学という新しい産業分野が開拓された。ヒトに関しては、ゲノム解析の結果に基づいてタンパク質の構造と機能を解析するプロテオミクスとよばれる分野が成立した。新薬の創製、各種の薬剤と結合する受容体タンパク質のスクリーニングやGタンパク質結合タンパク質のスクリーニングにプロテオミクスが大きな役割を果たしており、多数の国際的ベンチャー企業が参画している。プロテオミクスの基盤形成と展開はタンパク質の質量分析法の開発と発展に負っていて、この方法を開発した日本の田中耕一は2002年のノーベル化学賞を受賞した。

　分子生物学の発達は系統分類学や社会生態学の研究法にも大きな変化をもたらした。ミトコンドリアは核ゲノムから独立したいくつかの遺伝子をコードしている。電子伝達系タンパク質の一部、ミトコンドリアrRNAおよびミトコンドリアtRNAなどはミトコンドリアのもつDNAにコードされており、母系の情報である。これらの遺伝子の塩基配列を種間で比較して変異位置とその頻度の測定、および幾種かの制限酵素を用いた遺伝子多型解析（RFLP解析。restriction fragment length polymorphism）から種の同定や系統を明らかにする作業が系統分類学の研究で普通に行われるようになっている。ミトコンドリアDNAの遺伝子多型解析によってある生物がどの群れに由来するかということもわかり、社会生態学の研究に有効な手段となっている。

　20世紀なかばに生まれた分子生物学の進歩はきわめて急速で、20世紀末には遺伝子を操作して新しい生物を創造することも技術的には可能になった。このような技術が自然界や人類に与える影響は計り知れない。実験用ネズミの胚(はい)性幹細胞（ES細胞）の遺伝子を操作して遺伝子組換え胚を経て遺伝子組換えネズミをつくることは普通に行われ、医学（疾病原因遺伝子の検索）や生命科学の発展に大きな寄与をしているが、ヒト胚の遺伝子操作は倫理的理由で日本では国の特別の認可がない限り法律によって禁止されている。また、遺伝子操作の畜産や農作物への安易な適用は、組換えに用いるDNAベクターが人間の健康にどのような影響をもつか十分な検討をしてからでないと危険であろう。また、遺伝子組換え生物の自然界への流出は生態系にきわめて重大な影響を及ぼすものであり、これらすべてを勘案して国際協力による生命倫理コードの確立が急務となっている。

［嶋田　拓］

『G・E・アレン著、長野敬・鈴木伝次・鈴木善次訳『20世紀の生命科学』Ⅰ、Ⅱ（1983・サイエンス社）』▽『Jochanan Stenesh著、中村運編訳『分子生物学辞典』（1992・化学同人）』▽『三浦謹一郎編『分子生物学からバイオテクノロジーへ』（1993・共立出版）』▽『小関治男・永田俊夫・松代愛三・由良隆著『分子生物学――生命科学のコンセプト』（1996・化学同人）』▽『Paul Singleton・Diana Sainsbury著、太田次郎監訳『微生物学・分子生物学辞典』（1997・朝倉書店）』▽『石田寅夫著『ノーベル賞からみた遺伝子の分子生物学入門』（1998・化学同人）』▽『柳田充弘・西田栄介・野田亮編『分子生物学』（1999・東京化学同人）』▽『菊池韶彦・村松喬・榊佳之編『わかりやすい分子生物学』（1999・丸善）』▽『小池克郎・関谷剛男・近藤寿人編『分子生物学プロトコール』改訂第2版（1999・南江堂）』▽『舘鄰著『応用動物科学への招待』（2001・朝倉書店）』▽『J・D・ワトソンほか著、松原謙一ほか訳『ワトソン遺伝子の分子生物学』上下（2001・東京電機大学出版局）』▽『八杉貞雄著『よくわかる基礎生命科学――生物学の歴史と生命の考え方』（2002・サイエンス社）』▽『多田富雄監修、萩原清文著『好きになる分子生物学――分子からみた生命のスケッチ』（2002・講談社）』▽『田村隆明・村松正実著『基礎分子生物学』第2版（2002・東京化学同人）』▽『鈴木範男・田中勲・矢沢洋一編著『分子生物学への招待』（2002・三共出版）』▽『田村隆明・山本雅編『分子生物学イラストレイテッド』改訂第2版（2003・羊土社）』▽『William Elliottほか著、清水孝雄・工藤一郎訳『生化学・分子生物学』第2版（2003・東京化学同人）』▽『田沼靖一編著『分子生物学』第2版（2003・丸善）』▽『村上康文編『ポストゲノムの分子生物学――ゲノム情報から遺伝子機能への新展開を探る』（2003・化学同人）』▽『美宅成樹著『分子生物学入門』（岩波新書）』▽『丸山工作著『新・分子生物学入門――ここまでわかった遺伝子のはたらき』（講談社・ブルーバックス）』