アミノ酸とコドン

様々な疾患の発症、増悪に関与しているといわれている活性酸素であるが、これには多くの分子種が含まれる。その中の過酸化水素は安定性が高くそのために反応性が低い、すなわち毒性が低い分子種であるが、フェントン反応などにより極めて反応性が高いヒドロキシルラジカルへと変換される。さらに、過酸化水素は安定性が高いために物理的な寿命が長いこともあり、細胞内には過酸化水素の分解酵素が存在している。
過酸化水素の主な分解酵素としてグルタチオンペルオキシダーゼ（GPx）が上げられる。GPxはその活性中心にセレンをセレノシステイン（Sec）の形で持っている、いわゆるセレノプロテインの1種である。Secはシステインのイオウ部分がセレンに置き換わった分子構造を持つ。セレノプロテインは真正細菌、古細菌、真核生物と生物界に広く存在している。

タンパク質を構成するアミノ酸は、教科書的には対応するコドンを持つ20種類であるとされているが、実際にはそれら以外の他種類のアミノ酸で構成されている。20種以外のアミノ酸残基は翻訳後修飾によって合成されるが、このSecは例外でありオパールコドンによりコードされている。通常であれば伸長反応が停止するはずであるが、セレノプロテインの3’UTRにはセレノシステイン挿入配列（SECIS）と呼ばれる配列があり、ここにある因子が結合することによりSecが挿入されることになる。このようにして本来終止コドンであったオパールコドンを異なるコドンに読み替えているのである。

2002年にこのような特殊なアミノ酸がもう一つ見つかっている。このアミノ酸、ピロリシン（Pyl）はリジンにピロリン環が結合した形を持ち、アンバーコドンでコードされている。Secと異なりPylは、今のところ古細菌でのみ見いだされており、このことはPylの翻訳系が古細菌の分岐後できたことを示唆する。Secが普遍的に存在することからPylはSecよりも遅れてやってきたのかもしれない。
しかし、この考えにも問題がある。なぜならば、Plyは他の20種のアミノ酸と同様にアミノアシルtRNA合成酵素によってtRNAに直接結合させられることによりアミノアシルtRNAとなるが、Secはまずセリンの形でアミノアシルtRNA合成酵素によってtRNAに結合し、その後結合状態のままで修飾を受けセレノシステイル-tRNAになるからである*1。他のアミノ酸と合成方法に共通性が高いPylは、この観点からみれば、Secよりも早くやってきたように思える。さらにPylはSECISのような構造を必要としないことや、Pylを持つ生物において、アンバーコドンが終止コドンとして使用される率が他の終止コドンと比べて著しく低いという報告もある*2。
かつて遺伝暗号は固定されていると考えられていたが、コドン捕獲説の提唱以来実際には現在でも進化の途上にあることがわかってきている。これらの2種類のアミノ酸とそのコドンもその顕著な例なのだろう。

1：複雑なセレノシステイル-tRNA合成経路はセレンの持つ毒性の影響を最小限にするためかもしれない。また、大量に存在するイオウとセレンを厳密に分ける手段として存在している可能性もある。

2：Zhang Y, Baranov PV, Atkins JF, Gladyshev VN. Pyrrolysine and selenocysteine use dissimilar decoding strategies. J Biol Chem. 2005;280:20740-51.