Fundamental Molecular Biology（分子生物学の基礎）

引用

Allison, L. A. (2021). Fundamental Molecular Biology (3rd ed.). Wiley-Blackwell.

章の要約

第3版は全15章、約816ページで、その後に付録、約50ページの用語集、索引が続き、コンパニオン・ウェブサイトもある。出版社は本書を、分子生物学入門の授業のための本質的なテーマの「選択的で的確な扱い」と説明し、発見の過程（観察、問い、実験計画、結果、結論）と分子生物学の言語を軸に構成されているとしている。各章はアウトラインで始まり、多くの章は章末要約、分析問題、発見問題、「実データ」問題で終わり、その後に参考文献が続く。本文全体を三種類のコラムが貫いている。実験戦略やより広い問題を扱う Focus ボックス、実験手法を扱う Tool ボックス、そして分子機構を臨床の文脈に置く Disease ボックスである。

第1章：分子生物学の始まり

歴史から入る章。分野を定義したうえで、DNA が遺伝物質であることを示す証拠をたどる。メンデルの法則、染色体説、形質転換因子、ハーシーとチェイス、一遺伝子一酵素説である。続いて二重らせん（ロザリンド・フランクリンの X 線写真を含む）とセントラルドグマに進み、正の選択と純化選択・中立的固定を区別する、遺伝についての進化的枠組みで締めくくる。

第2～4章：DNA の構造／RNA の多才さ／タンパク質の構造と折りたたみ

分子そのものを扱う。第2章は DNA の一次構造から三次構造までを、通常とは異なる二次構造も含めて扱い、DNA オリガミやフリードライヒ運動失調症における三重らせん DNA のコラムがある。第3章は RNA の機能の幅広さ、その構造モチーフ、RNA 触媒の発見、RNA ワールド、RNA ゲノムを示す（新興ウイルス病原体についての Disease ボックスつき）。第4章はアミノ酸と遺伝暗号、立体構造、タンパク質の活性の調節、折りたたみと誤った折りたたみを扱い、疾患の例としてプリオンを取り上げる。

第5章：ゲノムの組織化と進化

生物によってゲノムがどう異なるか、真核生物の DNA がクロマチンにどう詰め込まれるか、真核生物ゲノムの大きな非コード部分、遺伝子の水平伝播、原核生物とウイルスのゲノムの組織化を扱い、ミトコンドリア DNA の疾患を事例とする。

第6～7章：DNA 複製とテロメアの維持／DNA 修復経路

第6章は細菌の複製についての初期の知見から、DNA ポリメラーゼ、細菌と真核生物のレプリソーム、環状 DNA の別の複製様式、テロメラーゼまでを扱う。Disease ボックスはトポイソメラーゼを標的とする抗がん剤と先天性角化不全症を扱う。第7章は変異と DNA 損傷を分類し、損傷乗り越え、直接修復、単一塩基の変化と構造のゆがみの修復、二本鎖切断の修復を扱う。遺伝性の大腸がん・乳がん症候群と色素性乾皮症が疾患の例である。

第8～9章：細菌の転写／真核生物の転写

第8章は細菌の転写の機構、遺伝子調節の古典的モデルとしての lac オペロン、転写調節因子の作用、RNA による調節、遺伝子制御ネットワークを扱う。第9章は本書で最も長い章の一つで、真核生物の調節エレメント、基本転写装置、特異的転写因子、コアクチベーターとコリプレッサー（ヒストン・コードは存在するかを問う Focus ボックスつき）、転写複合体の形成のモデル、転写因子の調節された核内輸送と核外輸送を扱う。

第10章：エピジェネティックな機構

エピジェネティックな標識（DNA メチル化、CpG アイランド、ヒストン修飾）、ゲノム刷り込み、X 染色体不活性化、転移因子のエピジェネティックな制御（バーバラ・マクリントックのトウモロコシ研究から始まる）、エピジェネティクスと栄養の遺産（ヒトで世代を超えた継承が起こるかを含む）、対立遺伝子排除を扱う。Disease ボックスはがん、脆弱 X 症候群、刷り込みの異常による疾患、トリパノソーマ症を扱う。

第11～12章：RNA プロセシングと転写後の遺伝子調節／翻訳の機構

第11章は分断遺伝子の発見から、スプライシングの機構、キャップ形成とポリアデニル化、選択的スプライシングと RNA 編集、さらに RNA 干渉とマイクロ RNA、RNA の分解までを扱う。第12章はリボソームの構造と形成、アミノアシル tRNA 合成酵素、開始、伸長（リボソーム RNA が触媒であることを示す証拠を含む）、終結、翻訳の制御を扱う。

第13～14章：組換え DNA 技術と遺伝子組換え生物／遺伝子の組織化・発現・機能を解析するための手法

二つの手法の章。第13章は組換え DNA の起源から、クローニング、ライブラリー、制限酵素地図、DNA 配列決定（サンガー法から次世代シーケンシングまで）を経て、トランスジェニックマウスとノックアウトマウス、CRISPR–Cas ゲノム編集、遺伝子ドライブ、核移植によるクローン作製までを扱う。第14章は DNA 型鑑定、ゲノミクスとプロテオミクス、全ゲノム配列決定、レポーター遺伝子、トランスクリプトミクス、プロテオミクス、核酸–タンパク質相互作用とタンパク質–タンパク質相互作用の解析法、そしてクライオ電子顕微鏡を含む構造解析法を扱う。本書の Tool ボックスの大部分はこの二章にある。

第15章：医学分子生物学

本書は医学への応用で締めくくられる。ゲノム医療（ゲノムワイド関連解析、SNP と構造多型、遺伝子多型と行動、ヒトのマイクロバイオーム）、がんの分子生物学（がん遺伝子、がん抑制遺伝子、非コード RNA、染色体再編成、ウイルスと化学発がん物質）、そして初の遺伝子治療による死亡例や嚢胞性線維症の治療を含む遺伝子治療である。

主要概念

第1～5章：分子とゲノム

• セントラルドグマ：DNA から RNA、タンパク質への情報の流れ。逆転写や非コード RNA のような例外がある。
• 核酸構造のレベル：DNA の一次・二次・三次構造と RNA の構造モチーフ。
• リボザイムと RNA ワールド：触媒としての RNA と、初期の生命は RNA に依存していたという仮説。
• タンパク質の折りたたみと誤った折りたたみ：タンパク質が機能的な形に至る過程と、それに失敗したときに生じる疾患。
• クロマチンとゲノムの組織化：真核生物の DNA の詰め込みと、ゲノムの内容の進化。

第6～7章：ゲノムの維持

• レプリソーム：細菌と真核生物で DNA を複製する多タンパク質の装置。
• テロメラーゼ：染色体の末端を維持する酵素。
• DNA 修復経路：損傷乗り越え、直接修復、除去修復、二本鎖切断修復。

第8～12章：遺伝子発現とその調節

• オペロン：協調して調節される細菌の遺伝子の単位で、lac がその代表例。
• 転写因子、コアクチベーター、コリプレッサー：真核生物の転写を制御するタンパク質。
• エピジェネティックな調節：DNA メチル化とクロマチンによる、継承可能な遺伝子発現の制御。刷り込みや X 不活性化を含む。
• 選択的スプライシングと RNA 干渉：遺伝子の産物の量を転写後に制御する方法。
• リボザイムとしてのリボソーム：リボソーム RNA が触媒するペプチド結合の形成。

第13～15章：手法と医学

• 組換え DNA とクローニング：DNA 分子を切り、つなぎ、増やすこと。
• CRISPR–Cas ゲノム編集：細菌の免疫系を、狙ったゲノム改変のために転用したもの。
• 「オミクス」とシステム生物学：ゲノム、トランスクリプトーム、プロテオームの全体を対象とする解析。
• がん遺伝子とがん抑制遺伝子：その活性化または不活性化ががんを引き起こす遺伝子。

批判的分析

長所

• 発見を軸に組み立てられている。 出版社は発見の過程を強調しており、目次もそれを裏づける。各節はたびたび、機構を明らかにした実験から始まる（形質転換因子、複製についての初期の知見、分断遺伝子、rRNA がリボソームの活性部位をつくることの証拠、マクリントックのトウモロコシ研究）。多くの章が、結果の解釈を求める「実データ」問題で終わる。
• 疾患と手法が不可欠な要素になっている。 Disease ボックスはほぼすべての章にあり、色素性乾皮症、脆弱 X 症候群、脊髄性筋萎縮症などの疾患と機構を結びつける。Tool ボックスと二つの手法の章（13～14）は、CRISPR やクライオ電子顕微鏡に至るまでの実験技術の実践的な基礎を与える。
• 原核生物と真核生物の比較。 出版社は原核生物と真核生物の比較を強調しており、目次でも複製、転写、ゲノムの組織化が両者について扱われている。
• 第3版で新しい内容に。 2021年の版には CRISPR–Cas 編集、遺伝子ドライブ、次世代シーケンシングと in situ の手法、BioID、クライオ電子顕微鏡が含まれる。

短所

• コンパクトではない。 出版社は選択的な本と説明しているが、約816ページあり、第9章、第13章、第14章のような長い章は密度が高い。短い入門書ではなく、一つの授業全体を支える本格的な教科書である。
• 章末の学習支援にむらがある。 目次によれば、第7章と第15章には章末要約がなく、二つの手法の章である第13章と第14章には発見問題も実データ問題もない。学習のための仕掛けは一様ではない。
• ある程度の生物学を前提とする。 冒頭の章は古典遺伝学を歴史的背景として手早く振り返り、すぐに分子の詳細へと進む。生物学や遺伝学の最初の授業を受けていない学生には、ペースが急に感じられるかもしれない。

コースにおける位置づけ

アリソンの本は、このコースで分子生物学の最初の本格的な授業のための主要な学部向け教科書である。その前には、ディヴァンとロイズの『Molecular Biology: A Very Short Introduction』が、分野の歴史と分子についての専門的でない簡潔な概観を与えてくれる。並行して、あるいはその後に、2冊の教科書が同じ中核部分について別の視点を与える。ワトソンらの『Molecular Biology of the Gene』は、核酸、ゲノムの維持、遺伝子調節を実験手法に注意を払いながら示す。クレイグらの『Molecular Biology: Principles of Genome Function』はゲノムを軸に構成され、こちらも細菌、古細菌、真核生物を並べて扱う。

上級の学習には、『Lewin's Genes』が遺伝子の構造、組織化、発現を包括的に扱い、ズラタノヴァの『Molecular Biology: Structure and Dynamics of Genomes and Proteomes』が同じ過程を分子構造と一分子実験を通して説明する。

本書の使い方

本書は、生物学入門とある程度の化学を学んだ後に受ける、分子生物学入門の授業の学部生向けである。遺伝学や細胞生物学の授業を先に受けていると、前半の章のペースについていきやすい。

1学期の計画の一案：

• 中核： 第1～4章（背景と分子）、第6章（複製）、第8～9章（転写）、第11～12章（RNA プロセシングと翻訳）。これらでセントラルドグマを詳しく学べる。
• 第二層： 第5章、第7章、第10章（ゲノムの組織化、修復、エピジェネティクス）。時間があれば含める。第10章はとくに現在の研究と関わりが深い。
• 手法： 第13～14章は実験実習と並行して参照用に使い、前の章で初めて技術が登場したときに該当する Tool ボックスを読む。
• 応用： 第15章は最後の数週間や課題研究に向いている。

各章末の分析問題に取り組み、とくに実データ問題に時間をかけるとよい。これは結論を暗記するのではなく実験を読む訓練になる。Disease ボックスは応用問題として使う。それぞれについて、その章で説明されたばかりの機構の観点から欠陥を説明してみる。重要な実験の元の論文を探すには、各章の参考文献を使うとよい。