The DNA story

今月、DNAの構造の発見が報告されてから50年が経ちました。 しかし、この物語はその何年も前に始まったのだと、スーザン・オルドリッジは言います。

1953年4月25日、生化学、農業、医学、遺伝学といった生命科学に変革をもたらす論文がネイチャー誌に発表されました。 当時ケンブリッジ大学に在籍していたジェームズ・ワトソンとフランシス・クリックは、DNA（デオキシリボ核酸）の構造の発見を報告し、遺伝子を構成する分子であることを明らかにしました。 また、この画期的な発見には、19世紀半ばから発展してきた生化学技術、顕微鏡、化学分析、化学結合の理論などの進歩も大きく寄与している。 DNA構造の真の重要性は、同じ頃、「生命分子」はDNAかタンパク質かという数十年にわたる論争に最終的な決着がついたことによっても強調された。

DNAの歴史は、1869年にスイスの生化学者フリードリッヒ・ミッシャーが白血球の核から新しい物質を単離したときに始まりました。 研究者たちは、細胞が生命の基本単位であることを最近知っており、ミーシャーもその化学成分に興味を持っていた。 防腐剤がなかった時代には、包帯は膿の中に浸かっていた。 アルカリを加えると、細胞核が破裂して内容物が放出され、そこからDNA（彼はこれをヌクレインと呼んだ）を抽出したのです。

このヌクレインを分析したところ、リンを含む酸であることがわかり、炭水化物やタンパク質といった既知の生体分子群のいずれにも当てはまらないことがわかりました。 ミーシャーはその式をC29H49O22N9P3と計算したが、これはDNAが長く、壊れやすい分子であり、容易に断片化するという事実を反映した、極めて過小な見積もりであった。 これは、DNAが長く壊れやすい分子であり、容易に断片化するため、その断片の1つを計算式に用いたのであろう。 ヌクレインは核酸と改名され、その化学的新規性にもかかわらず、その生物学的重要性が十分に認識されるのは、さらに何十年も後のことであった。

一方、顕微鏡の発達のおかげで、細胞はその秘密を明らかにし続けた。 1879 年、ドイツの生物学者ワルター・フレミングは、核の中にクロマチン (後に染色体) と呼ばれる糸状の小さな構造体を発見しました。 細胞分裂に関する研究により、染色体が遺伝において重要な役割を担っていることが明らかになりました。

さらなる分析により、染色体には DNA が含まれていることが示唆され、ドイツの研究者オスカル・ヘルトヴィヒは「ヌクレインこそが遺伝特性の伝達を担う物質である」と宣言しました。 しかし、ミーシャー（Miescher）のように、誰もが賛成したわけではない。 染色体にはタンパク質も含まれており、生化学者はタンパク質がいかに大きく複雑な分子であるかを理解し始めたところであった。 DNAのもろさは、その根底にある複雑さを、さらに何年にもわたって覆い隠すことになったのである。

1900年までには、DNAの基本的な構成要素は、リン酸、糖（後にデオキシリボースであることが判明）、4つの複素環式塩基（そのうちの2つはプリン、残りの2つはピリミジン）であることが分かっていました。

DNAの構成要素がリン酸塩-糖-塩基の順番でつながっていることを示したのは、ニューヨークのロックフェラー研究所のフィーバス・レヴィーン（ロシアの化学者・作曲家アレクサンダー・ボロディンの元学生）で、彼は、DNAの構成要素がリン酸塩-糖-塩基の順番でつながっていることを明らかにしたのです。 彼はこれらの単位をヌクレオチドと呼び、DNA分子は、分子の「骨格」であるリン酸基を介して結合したヌクレオチド単位の列から構成されていると主張したのである。

しかし、20世紀になるまで、誰もDNA分子の驚異的な長さを理解していなかった。 現在では、1つの人間の細胞から採取したDNAを端から端まで並べると、約1mの分子を構成することが分かっている。 大腸菌のような単純な生物でさえ、DNA分子は1mm強の長さしかないのだ。 ミーシャーもレヴィーンも、DNAは比較的小さな分子で、おそらく10ヌクレオチド程度の長さだろうと主張していたのである。

またレヴィーンは、4つの塩基の量は、どのDNA分子であっても同じであると確信していた。 そのため、1930年代にスウェーデンの研究者トルビン・カスパーソンとアイナー・ハンメルステンがDNAがポリマーであることを示したときも、ほとんどの人はレーベンの「4塩基仮説」を信じ続けていたのです。 たとえDNAが何百万ものヌクレオチドを含んでいたとしても、それらは単調で予測可能な方法で配列されており、意味のある情報内容を持ち得ないと考えられていたのだ。 レビーンと同時代のドイツの偉大な化学者エミール・フィッシャーは、タンパク質はアミノ酸が多様な配列で結合したものであることを示した。 そして、タンパク質が遺伝暗号を持ち、DNAは染色体の中で補助的な役割を担っているように思えてきたのです。

突破口となったのは、ニューヨークのロックフェラー研究所の医療微生物学者、オズワルド・エイブリー、コリン・マクラウド、マクリン・マッカーティの3人のチームである。 彼らは、1928年にイギリスの微生物学者フレッド・グリフィスが発見した「形質転換の原理」の正体を突き止めようとしていたのである。 グリフィスは、肺炎の原因菌である2種類の肺炎球菌（抗生物質がない時代には非常に恐れられていた）を使って実験していた。

一方はペトリ皿で培養したときの様子から「スムース型」と呼ばれ、病原性があることが知られていましたが、もう一方の「ラフ」型は無害でした。 驚いたことに、グリフィスは、生きた荒い細菌と殺した滑らかな肺炎球菌を混ぜると、荒い肺炎球菌が毒性のある滑らかな形態に変わることを発見したのである。 明らかに、ある物質、つまり形質転換の原理（言い換えれば遺伝子）が、平滑菌から粗面菌に受け継がれたのである。 エイブリーと彼のチームは、特定の細胞成分を分解する酵素を使って、消去法で、タンパク質ではなく、DNAが形質転換の原理であることを示したのである。

DNAの構造を決定する研究は、さらに緊急性を増しました（ただし、DNAの中心的な役割については、1950年代初頭にアメリカのアルフレッド・ハーシーとマーサ・チェイスによって行われた実験によって、最終的に確認されることになります）。 オーストリアの化学者エルヴィン・シャルガフ（Erwin Chargaff）は、エイブリーの研究に深い感銘を受けていた。 私は目の前の暗い輪郭の中に、生物学の文法の始まりを見た」と書いている。 エイブリーは新しい言語の最初のテキストを与えてくれた、というより、それを探す場所を示してくれたのだ。 私はこのテキストを探そうと決心した」。 シャルガフは、核酸のペーパークロマトグラフィーのパイオニアであり、これを使ってDNAサンプルに含まれる各成分ヌクレオチドの量を決定した。 彼は、レーベンの4ヌクレオチド説を一気に否定した。 A、C、G、Tの量は種によって異なるが、同じ種であれば、どの組織からDNAを抽出しても、それぞれの割合は同じであることがわかった。 それはまさに、種の生物学的特徴である分子として予想されることでした。

さらに重要なことは、DNA分子中のAの割合は常にTの割合と等しく、同様にGとCの量も常に対応しているという、シャルガフの比率として知られるようになった法則を発見したことである。 シャルガフ自身は、この発見を直接的にはほとんど利用していないようだが、塩基対（AとT、CとG）の考え方は、DNAの3次元構造を解明する上で極めて重要なステップとなったのである。

DNA構造のパズルを解く最終段階は、X線結晶学に依存しました。 X線を使って大きな生体分子の構造を解明することは、ドロシー・ホジキンによるペニシリン、ライソサイム、ビタミンB12の研究、そして1930年代からのマックス・ペルツによるヘモグロビンの研究によって始められた。 1938年には、ウィリアム・ブラッグ（1913年に息子のローレンスとともにこの技術を発明）の弟子であるウィリアム・アストベリーがDNAのX線写真を持っていたが、その解釈は困難であった。

1940年代後半には、3つの別々のグループがDNAの構造について集中的に研究していました。 ロンドンのキングスカレッジでは、モーリス・ウィルキンスが、水溶液からガラス棒でDNAを引き抜いたときにできる長い繊維に興味を持ち、これはDNAの構造に何らかの規則性があることを意味するのではないかと考えた。 そして、今では想像もつかないような間に合わせの装置を使って、さらにX線写真を撮った。 1951年、ウィルキンスは、石炭のX線結晶構造解析の研究ですでに国際的な名声を得ていたイギリスの物理化学者、ロザリンド・フランクリンと合流した。 彼女は、キングス大学にX線専門の研究室を作り、すぐにDNAの最高の画像を作り出した。 その結果、彼女は、DNA分子がらせん状に巻きついているのではないかという考えに至ったのです。

『化学結合の本質』の著者であるアメリカの化学者、ライナス・ポーリングも、同じようなことを考え始めていました。 ポーリングは、すでにタンパク質の構造にらせん状のモチーフを発見していた。 この頃、ケンブリッジのキャベンディッシュ研究所では、数学と物理学を専門とするフランシス・クリックと、ファージ（細菌に感染するウイルスで、遺伝子研究の実験道具として使われる）の分子生物学を専門とする若きジェームズ・ワトソンが手を結び、モデル構築法を用いてDNA構造を自ら解明しようと考えていたのです。

決定的な瞬間は、ウィルキンスがフランクリンの撮ったDNAのいわゆるBフォームの写真をワトソンに見せたときに訪れました。 それまでの研究では、水分の少ないA型を使っていたため、解析が困難な画像になっていたのです。 それとは対照的に、この写真は美しくシンプルで、この分子がらせん構造であることを明確に指し示しているように思えた。 ワトソンは、有名な回想録の中でこう言っている。 この絵を見た瞬間、私の口は開き、心臓は高鳴り始めた」。

金属板をヌクレオチドに、棒をヌクレオチド間の結合に使って、モデルの構築が本格的に開始されました。 しかし、クリックとワトソンには、リン酸塩を内側と外側のどちらに配置してらせんを作るかが分からず、また塩基対に関するシャルガフの考えをどう取り入れるかも分からなかった。

クリックとワトソンが作ったモデルの真の美点は、構造が直ちに機能を示唆することでした。 彼らはネイチャー誌の中で、次のようにほのめかしています。 我々が仮定した特定の組み合わせが、遺伝物質のコピー機構の可能性を示唆していることに、我々は気づかなかったわけではありません」。

DNA分子は、2本の一本鎖にほどくことができるので、（数年後に実験によって証明されたように）自己複製を行います。 各塩基は水素結合によって相補的な塩基を引き付け、2本の新しい二重らせんが組み立てられる。

フランクリンとウィルキンスは、DNA構造についての功績を完全に逃したわけではありません。 クリック、ワトソン、ウィルキンスの3人は、1962年にノーベル賞を受賞しました（フランクリンは1958年に37歳の若さで癌のため死去）。

DNA構造の発見は、生物学における新しい時代の始まりであり、その後20年以上にわたって、遺伝暗号の解読と、DNAがタンパク質の合成を指示することの実現につながりました。 また、DNAの塩基配列の決定、遺伝子工学、遺伝子クローニングなど、技術的な進歩もありました。 最近では、2000年6月のヒトゲノムをはじめ、多くの生物の全塩基配列が解明された。 DNAの次の50年は、クリックとワトソンの発見が人類にもたらした実用的な利益を、産業、医療、食品、農業の分野で実現することに尽きるだろう。

Source: Chemistry in Britain

謝辞

Susan Aldridge

参考文献