【生物基礎】遺伝情報の発現を図解で総まとめ—転写・翻訳・遺伝暗号と分化｜武蔵野個別指導塾

DNAからRNAを経てタンパク質ができる流れを、3枚の図と塩基配列の例題でたどります。遺伝暗号表の読み方から、同じ遺伝情報をもつ細胞が異なるはたらきを担う理由まで確かめましょう。

よくあるのは、塾の教材棚の脇で生物基礎の問題を開き、DNAのAとT、GとCの組合せは言えるのに、「転写後のRNAを答えなさい」の行で手が止まるという場面です。さらに遺伝暗号表が出てくると、DNAの文字をそのまま表で探すのか、いったん別の文字に直すのかがあいまいになります。用語を覚えていても、何を出発点にして何を求めているかが見えていないと、解答はつながりません。

この単元の中心は、遺伝情報が使われる道筋です。DNAに並んだ情報がRNAへ写し取られ、その情報をもとにアミノ酸が並び、タンパク質がつくられます。そして、どの遺伝子の情報を使うかによって、細胞の形やはたらきに違いが生まれます。塩基配列の問題と細胞の分化の問題は、この道筋の細部と全体をそれぞれ尋ねているのです。まず矢印の前後にある物質を区別し、次に文字の対応を追っていきましょう。

この単元で身につけること

• DNAとRNAを区別します。どちらもヌクレオチドがつながった核酸ですが、糖の種類、塩基の種類、通常の鎖の本数に違いがあります。
• 転写と翻訳の役割を説明します。転写はDNAの情報をRNAへ写し取る過程、翻訳はmRNAの情報をもとにアミノ酸をつなぐ過程です。
• コドンと遺伝暗号表を使います。mRNAの連続する3個の塩基を1組として読み、対応するアミノ酸や終止の指示を確かめます。
• タンパク質の合成と細胞のはたらきを結びつけます。アミノ酸の配列がタンパク質の構造や性質に関係することを押さえます。
• 細胞の分化を遺伝子発現の違いから説明します。遺伝情報をもっていることと、その情報を実際に使っていることを分けて考えます。

前の単元で学ぶDNAの相補性は転写の文字の対応に、体細胞分裂による遺伝情報の受け渡しは分化の理解につながります。DNAを増やす複製と、DNAの情報を使う発現を区別できると、細胞の増殖とはたらきを別々の視点で整理できます。

基本の考え方

DNAとRNAは、共通点から違いへ整理する

DNAはデオキシリボ核酸、RNAはリボ核酸という物質です。どちらも核酸というなかまに含まれ、基本単位はヌクレオチドです。ヌクレオチドは、リン酸、糖、塩基からなります。「RNAはDNAとはまったく別の材料でできている」と覚えるのではなく、共通のつくりの中でどこが違うかを比べると整理しやすくなります。

DNAの糖はデオキシリボース、RNAの糖はリボースです。DNAの塩基はアデニンA、チミンT、グアニンG、シトシンCの4種類です。RNAではTの代わりにウラシルUが使われ、A、U、G、Cの4種類になります。また、DNAは通常2本の鎖が組になった二重らせん構造をとり、RNAは通常1本鎖です。「通常」と添えるのは、RNAにも部分的に折れ曲がって塩基どうしが結びつく部分があるためです。基礎の段階では、まず代表的な構造の違いを押さえます。

ここで「RNAはすべて情報を運ぶだけ」としないことも必要です。メッセンジャーRNAを略したmRNAは、DNAから写し取った情報をリボソームへ伝えます。トランスファーRNAを略したtRNAは、アミノ酸を運びます。リボソームRNAを略したrRNAは、タンパク質とともにリボソームを構成します。名前を一度に丸暗記するより、「情報を伝える」「アミノ酸を運ぶ」「合成の場を構成する」という役割と組にして覚えましょう。

転写と翻訳は、読み取る情報の形が違う

遺伝子の情報が使われ、その情報に応じた産物ができることを遺伝子の発現といいます。ここでは、タンパク質の情報をもつ遺伝子について、転写と翻訳の2段階を考えます。タンパク質は、多数のアミノ酸がつながってできる物質です。酵素として化学反応を進めるものや、細胞の構造を支えるものなどがあり、細胞のはたらきと深く関係しています。

転写は、DNAの塩基配列をもとにRNAが合成される過程です。ある遺伝子を転写するときは、DNAの2本鎖のうち一方が鋳型になります。鋳型とは、相補的な配列をつくるときに読み取るもとになる鎖です。DNA全体を一度にRNAへ変えるのではなく、必要な領域の情報が写し取られます。DNAそのものが消えてRNAになるわけでもありません。

転写で対応する塩基は、鋳型DNAのAにRNAのU、TにA、GにC、CにGです。DNAどうしの対応であるAとTを、そのままRNAに持ち込まないようにします。情報を写すといっても、鋳型と同じ文字を並べるのではなく、相補的な文字を並べる点が大切です。

翻訳は、mRNAの塩基配列にもとづいてアミノ酸がつながる過程です。合成の場はリボソームです。tRNAが運んできたアミノ酸が、mRNAの情報に対応した順でつながり、できたアミノ酸の鎖が折りたたまれるなどして、はたらくタンパク質になります。RNAの塩基そのものがアミノ酸に変化するわけではありません。情報をもつ物質と、材料としてつながる物質を区別しましょう。

図1のように、DNAからmRNAへの矢印に「転写」、mRNAからタンパク質への矢印に「翻訳」を置きます。この矢印は情報が使われる順序を示し、物質がそのまま別の物質へ変わることを示すものではありません。

核をもつ真核細胞の、核内の遺伝子について考えると、転写は核内で起こり、できたmRNAは核の外へ出ます。翻訳は細胞質にあるリボソームで進みます。図1ではこの位置関係も簡略化して示しています。原核細胞には核膜で囲まれた核がないため、「すべての生物で転写は核内」とは言えません。問われた細胞の種類を先に確かめる習慣が、場所の取り違えを防ぎます。

コドンからタンパク質、そして分化へつなぐ

mRNA上の連続する3個の塩基を1組としたものをコドンといいます。たとえばAUG、GCU、UUUは、それぞれ1個のコドンです。コドンとアミノ酸などとの対応関係を遺伝暗号といい、これを一覧にしたものが遺伝暗号表です。基本となる表はmRNAの塩基で書かれているので、Tを含むDNAの配列をそのまま探すことはできません。

RNAの塩基は4種類なので、3個の並び方は4×4×4＝64通りあります。一方、タンパク質を構成する主なアミノ酸は20種類です。したがって、1種類のアミノ酸に複数のコドンが対応することがあります。たとえばUUUとUUCは、どちらもフェニルアラニンに対応します。ただし、標準的な遺伝暗号で、同じコドンが読むたびに異なるアミノ酸を指定するという意味ではありません。

AUGはメチオニンに対応し、通常、翻訳の開始を指定するコドンにもなります。UAA、UAG、UGAは終止コドンで、アミノ酸を指定せず、翻訳の終わりを示します。問題で開始位置が指定されている場合は、そこから3個ずつ区切って読みます。配列の途中にもAUGは現れうるので、AUGを見つけるたびに別のタンパク質の合成が始まると考えないようにします。

タンパク質の種類や量が変わると、細胞の形やはたらきにも違いが生まれます。細胞が特定の形やはたらきをもつようになることを分化といいます。同じ個体の細胞は、基本的に同じ遺伝情報を受け継いでいても、発現する遺伝子の組合せが異なります。筋肉の細胞と神経の細胞の違いを考えるときも、必要な情報だけが残ってほかは捨てられたとするのではなく、使われる情報が異なると考えるのが基本です。

例題で解き方を確かめる

例題1　DNAとRNAを材料から見分ける

ある核酸について、糖がリボースであり、塩基としてA、U、G、Cが見つかりました。この核酸はDNAとRNAのどちらですか。また、そのうちDNAから写し取られた情報をリボソームへ伝えるものを何といいますか。

1. 糖の名前を確かめます。リボースはRNAに含まれる糖なので、物質の種類を判断する手がかりになります。
2. 塩基にUがあることを確かめます。RNAではTの代わりにUが使われるため、糖からの判断と一致します。
3. 問われている役割を読み直します。情報を伝える役割はmRNAであり、アミノ酸を運ぶtRNAとは区別します。

答え：核酸はRNAで、情報をリボソームへ伝えるものはmRNAです。

この問題では、糖と塩基という2つの根拠が同じ結論を指しています。「1本鎖ならRNA」という見た目だけの判断に頼らず、組成を確かめると理由を説明できます。また、RNAという物質の分類とmRNAという種類の名前は、同じ段階の答えではありません。前半では大きな分類を、後半でははたらきに応じた種類を答えています。

例題2　鋳型DNAからmRNAの配列を求める

ある遺伝子の鋳型DNAの一部が、TAC CGA AAA ACTです。この問題では、鋳型は左から右へ読み取られ、できるmRNAの対応する塩基も左から右へ書くものとします。途中の塩基の除去などは考えず、対応するmRNAの配列を求めてください。

1. 与えられた鎖が鋳型であることを確認します。DNAのどちらの鎖を示したかによって、mRNAとの対応のさせ方が変わるためです。
2. 各塩基をT→A、A→U、C→G、G→Cと対応させます。TACはAUG、CGAはGCU、AAAはUUU、ACTはUGAになります。
3. 求めた配列にTが残っていないか確認します。答える物質はRNAなので、Aと対になる塩基にはUを使います。

答え：mRNAの塩基配列はAUG GCU UUU UGAです。

塩基を3個ずつ離して書いたのは、次の翻訳の問題とつなげて読みやすくするためです。転写でRNAがつくられるときに、3個ずつの独立した断片ができるという意味ではありません。問題の指定がなければ、配列はひと続きの文字として書くこともできます。

図2のように上下の同じ位置を見比べると、DNAのどの3個がmRNAのどの3個に対応するかが追えます。図では横方向の位置をそろえて対応関係を表していますが、実物のDNAとRNAの鎖の形や大きさを描いたものではありません。

例題3　遺伝暗号表からアミノ酸の順序を読む

例題2のmRNAについて、左端のAUGを開始コドンとして翻訳します。次の遺伝暗号表の抜粋を用いて、終止までにつながるアミノ酸の順序と個数を答えてください。この問題では、合成直後のアミノ酸の鎖を考えます。

1. 開始位置からAUG／GCU／UUU／UGAと区切ります。最初の位置がずれると、同じ文字の並びでも別のコドンになるためです。
2. 3個の塩基を順に表と照合します。AUGはメチオニン、GCUはアラニン、UUUはフェニルアラニンに対応します。
3. UGAを終止の指示として扱います。ここには対応するアミノ酸がないので、個数へ加えずに読み取りを終えます。

答え：メチオニン→アラニン→フェニルアラニンの順で、アミノ酸は3個です。

mRNAは12個の塩基、コドンは4個ですが、アミノ酸は3個です。この違いは、最後の3塩基が合成を止める指示だからです。「塩基数÷3」を機械的にアミノ酸数とする前に、その範囲に終止コドンが含まれるかを確かめましょう。

全体の遺伝暗号表を読むときも、手順は同じです。表の見出しで第1塩基、第2塩基、第3塩基の位置を確認し、たとえばGCUならG、C、Uの順にたどります。表によって配置が違うことがあるので、行と列の位置だけを暗記せず、見出しを見て探します。今回のような抜粋表でも、文字の順番を入れ替えずに照合する点は変わりません。

例題4　同じ遺伝子をもつ細胞の違いを説明する

同じ個体の細胞Xと細胞Yは、どちらも遺伝子P、Q、Rをもっています。表は、ある時点で各遺伝子からのmRNAの生成が検出されたかを示します。検出ありは、その遺伝子の転写が起きていると判断できるものとします。細胞Xと細胞Yの違いを、遺伝子の有無と転写の違いを区別して説明してください。

1. 両方の細胞がP、Q、Rをもつという条件を確認します。生成物が見つからないことを、遺伝子そのものがないことと取り違えないためです。
2. 共通する部分と異なる部分を分けます。Pの転写は両方で確認され、Qの転写はXで、Rの転写はYで確認されます。
3. 言える範囲を限定します。表はmRNAの検出結果なので、これだけでタンパク質の正確な量や細胞の種類までは決められません。

答え：両細胞は同じP、Q、Rをもちますが、転写が確認された遺伝子の組合せはXでPとQ、YでPとRと異なります。

検出なしは、この条件でmRNAの生成を確認できなかったという意味です。永久にその遺伝子が使われないとまで結論づけるものではありません。細胞による違いに加えて、同じ細胞でも時期や周囲の条件に応じて遺伝子の発現は調節されます。表を読む問題では、測定された対象と測定した時点を意識すると、説明を広げすぎずに済みます。

つまずきやすいところと直し方

誤り1　転写でもAにはTを対応させる

誤った書き方：鋳型DNAがTACなら、転写でできるRNAはATGです。

どこが違うか：AにTを対応させる決まりは、DNAどうしの相補性を考えるときのものです。転写では新たにつくる鎖がRNAなので、そこにTは使われません。また、鋳型の文字のTだけをUに置き換える方法も、鋳型からの転写には使えません。

正しい書き方：鋳型DNAのTACに対応するRNAはAUGです。

直すときは、配列の上に「鋳型DNA」、下に「RNA」と物質名を書き、1文字ずつ縦に対応させます。DNAのもう一方の鎖が与えられる問題もあるので、「DNAの配列」という言葉だけで操作を始めず、鋳型という条件を探しましょう。向きが指定されている場合は、その指定も対応づけに必要です。

誤り2　終止コドンをアミノ酸の名前として数える

誤った書き方：AUG UUU UAAからは、メチオニン、フェニルアラニン、終止の3個のアミノ酸ができます。

どこが違うか：終止はアミノ酸の種類ではなく、翻訳を終える指示です。コドンの数とアミノ酸の数は、終止コドンを含む場合には一致しません。また、終止コドンの後ろに配列が続いていても、この開始位置からの翻訳では、そこを続けて同じ鎖のアミノ酸に加えません。

正しい書き方：左端のAUGから翻訳すると、メチオニンとフェニルアラニンの2個がつながり、UAAで終止します。

見直すときは、アミノ酸を表す語の下に線を引き、終止の語は別に囲みます。表に書かれた語をすべて同じ種類の答えとして扱わず、その語が材料を示すのか、進行の指示を示すのかを区別する練習になります。

誤り3　分化すると不要な遺伝子がなくなると考える

誤った書き方：筋肉の細胞には筋肉用の遺伝子だけが残り、神経の細胞には神経用の遺伝子だけが残ります。

どこが違うか：同じ個体の細胞は、基本的に同じ遺伝情報を受け継ぎます。一般的な分化の説明では、遺伝情報の選択的な消失ではなく、どの遺伝子をどの程度発現させるかという調節を考えます。すべての遺伝子が常に同じ強さで使われているわけではありません。

正しい書き方：同じ遺伝情報をもつ細胞でも、発現する遺伝子の組合せや程度が異なるため、つくられるタンパク質に違いが生じ、形やはたらきが異なります。

図3のように、P、Q、Rを両方の細胞に残したまま、転写が確認された位置だけを囲むと、遺伝子の有無と使用の違いを分けて表せます。丸で囲まれていない遺伝子も存在することが、この図の読み取りの要点です。図3は例題4の条件を整理した模式図で、特定の実在する遺伝子を示してはいません。

練習問題

練習1

DNAとRNAの違いを、糖の名前とTまたはUのどちらを含むかという2点から説明してください。続いて、アミノ酸をリボソームへ運ぶRNAの種類を答えてください。物質の構成と役割を分けて書きましょう。

練習2

鋳型DNAの一部がTAC CCA AAG ATTです。左から右に鋳型を読み取り、対応するmRNAも左から右へ書くものとします。途中の塩基の除去などは考えません。mRNAの配列を求め、左端のAUGから翻訳したときのアミノ酸の順序を、例題3の表を使って答えてください。

練習3

mRNAのGCUがGCCに変わった場合、そこに対応するアミノ酸は変わりますか。例題3の表を根拠に説明してください。また、AUG GCU UAAを左端のAUGから翻訳したとき、つながるアミノ酸の個数を答えてください。

練習4

同じ個体の細胞Aと細胞Bが、ともに遺伝子P、Q、Rをもっています。ある時点で、AではPとR、BではPとQからのmRNAの生成が確認されました。「AにはQがない」という説明は正しいですか。両細胞に共通する点と異なる点も答えてください。

答えと解説

練習1の答え：DNAの糖はデオキシリボースでTを含み、RNAの糖はリボースでUを含みます。アミノ酸を運ぶのはtRNAです。情報を伝えるmRNAと、材料を運ぶtRNAを区別します。

練習2の答え：mRNAはAUG GGU UUC UAAで、メチオニン→グリシン→フェニルアラニンの順につながります。鋳型のCCAはGGU、AAGはUUCに対応します。最後のUAAは終止の指示なので、アミノ酸の列には加えません。

練習3の答え：アミノ酸は変わらず、どちらもアラニンです。後半のアミノ酸数は2個です。異なるコドンが同じアミノ酸を指定する場合があるため、塩基の変化が必ずアミノ酸の変化になるとは限りません。UAAは数に含めません。

練習4の答え：「AにはQがない」は誤りです。両細胞は同じP、Q、Rをもち、Pからの転写が確認されている点が共通します。一方、AではR、BではQからの転写も確認されている点が異なります。mRNAが確認された遺伝子と、存在する遺伝子を別々に記述できれば十分です。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

この単元で学んだタンパク質の合成は、酵素のはたらきや、今後学ぶ体内環境の維持につながります。たとえば、細胞がつくるタンパク質には、物質の運搬に関わるものや、体内の情報伝達に関わるものもあります。体のさまざまなはたらきの説明を読むときに、その物質がどのような細胞でつくられるかという視点をもてます。

家庭では、5分でできる確かめ方を2つ試せます。1つ目は、紙にDNA、mRNA、タンパク質を離して書き、間の矢印に転写と翻訳を書き入れる方法です。各矢印について「何を読み、何をつくるか」を声に出せれば、用語の順番だけでなく意味を確かめられます。

2つ目は、例題2の解答を隠して配列を写し取り、例題3の表でアミノ酸まで求め直す方法です。最後に終止コドンを囲み、塩基数、コドン数、アミノ酸数を別々に書くと、数え間違いの原因が見えます。保護者がお子さまと確かめる場合も、答えの暗唱だけでなく、Uを使った理由や終止を数えなかった理由を聞くと理解の位置を確かめやすくなります。

個別指導では、配列の問題で止まるならDNAの相補性まで戻り、分化の説明で止まるなら体細胞分裂で遺伝情報が受け継がれるところまで戻って確認します。戻る場所は、間違えた用語の数ではなく、説明が途切れたつながりから判断できます。

まとめ

問題を解き終えたら、正しい配列が書けたかに加えて、その列がDNAなのかRNAなのか、何の情報を表すのかを説明してみましょう。物質の名前と情報の役割がそろうと、転写、翻訳、分化をばらばらの暗記事項として扱う必要がなくなります。細胞の表を読んだときも、手元の証拠が遺伝子の存在を示すのか、使われている状態を示すのかを見分けられます。

同じ遺伝情報をもつことと、同じはたらきをすることは別です。細胞の違いを説明する鍵は、もっている情報と使っている情報の区別にあります。