高校生物基礎 遺伝子の発現と分化—同じ遺伝情報から細胞の違いが生まれる理由を書く｜武蔵野個別指導塾

DNAに遺伝子が存在することと発現することを別々に表へ戻し、細胞の働きが異なる理由を組み立てます。

よくあるのは、定期テスト前の高校生が、筋肉の細胞と神経の細胞は形も役割も違うので、全く別のDNAをもつと考える場面です。違いが見えると、設計図そのものも別々だと考えたくなります。しかし、同じ個体の体細胞は、一般に同じ遺伝情報をもっています。細胞の違いを説明するときは、持っている情報と、その細胞で使われている情報を分けて考えます。

筋肉の細胞なら体を動かすこと、神経の細胞なら情報を伝えることに関係します。ここでは、遺伝子の発現と細胞の分化を結び付け、資料に書かれた条件から説明する練習をします。細胞が生じる過程の詳しいしくみには立ち入りません。

どんな問い方をされるか

まず、言葉の意味を問う型があります。遺伝子の情報が使われてRNAやタンパク質がつくられ、形質として現れることを何というか、また細胞がそれぞれ異なる形や働きをもつようになることを何というかを区別します。「発現」は情報が使われること、「分化」は細胞の性質が異なるようになることに着目した言葉です。

次に、細胞ごとの資料を比べる型があります。遺伝子をもっているかどうかと、その遺伝子が発現しているかどうかを、別の行や列で示した表です。発現していない遺伝子があるという結果から、その遺伝子がDNAに存在しないと決めてはいけません。表の記号が何を表すかを確認してから読みます。

もう1つは、理由を短い文章で説明する型です。「同じDNAなのに、なぜ働きが異なるのか」と聞かれたら、共通する遺伝情報、発現する遺伝子の違い、それに応じてつくられるタンパク質や細胞の働きの違いを、順につなぎます。最後だけを書いても原因とのつながりは伝わりません。

情報を持つことと使うこと

DNAは遺伝情報を担う物質です。遺伝子は、その情報のうち、RNAやタンパク質をつくるもとになる部分です。タンパク質は細胞の構造をつくったり、細胞内の反応に関わったりして、細胞の性質に関係します。遺伝子が発現するとは、遺伝子の情報が使われてRNAがつくられ、タンパク質をつくる情報であれば、さらにタンパク質がつくられることなどをいいます。

DNAの情報からRNAがつくられる過程が転写です。タンパク質のもとになるRNAの情報に従って、アミノ酸がつながりタンパク質がつくられる過程が翻訳です。遺伝子の発現を考えるとき、DNAからタンパク質が直接飛び出すように考えず、RNAを介する流れを押さえます。なお、RNAがつくられて働く遺伝子もあるので、発現という言葉を「必ずタンパク質ができること」に限定しません。

図1は細胞の違いを考えるための模式図です。図1の矢印は、同じ遺伝情報をもつ細胞で発現が異なり、それに応じてつくられるタンパク質や働きが異なるという関係を表します。物質そのものが矢印に沿って移動する図ではありません。

図1のように、共通する情報から始めても、各細胞で発現する遺伝子の組合せが違えば、細胞がつくるタンパク質の組合せも異なりえます。その結果、形や働きに違いが現れます。ある遺伝子がどの細胞でも発現しない、あるいはどの遺伝子も細胞ごとに違う、と考える必要はありません。両方の細胞で発現する遺伝子と、一方で発現する遺伝子がある場合もあります。

分化は、細胞が形や働きの異なる細胞になることです。遺伝子の発現の違いは、その違いが生じることに関係します。「分化したからDNAの種類が全く別になった」という説明は、この基本的な関係を逆にしてしまいます。教科書の説明としては、同じ個体の体細胞は一般に同じ遺伝情報をもつことを出発点にします。資料で特別な条件が与えられたら、その条件を優先して読みます。

基本例題：皮膚と神経の細胞を比べる

次は説明のために自作した資料です。同じ個体の皮膚細胞と神経細胞の核のDNAを調べると、どちらにも遺伝子Aと遺伝子Bがありました。いずれもタンパク質をつくる情報をもつ遺伝子とします。別の調査では、Aは両方の細胞で発現し、Bは神経細胞では発現していましたが、皮膚細胞では発現していませんでした。この調査において、発現している場合はその遺伝子に対応するタンパク質がつくられ、発現していない場合はつくられていないとします。

問1：皮膚細胞に遺伝子Bはありますか。「ある」か「ない」で答え、表の根拠を1文で書いてください。

問2：この資料で、両方の細胞につくられるタンパク質と、神経細胞につくられるが皮膚細胞にはつくられないタンパク質を、それぞれ遺伝子の記号を用いて答えてください。

問3：細胞によってつくられるタンパク質に違いがある理由を、「DNA」「発現」という語を使い、1文で説明してください。

図2はこの資料の模式図です。図2の上の行はDNA中の遺伝子、その下の行は遺伝子ごとの発現を表します。表中の「発現しない」は遺伝子が存在しないという意味ではありません。

問1の答えは「ある」です。まず表の「DNA中の遺伝子」の行で、皮膚細胞の欄を見ます。そこにAとBの両方が記されているためです。「発現している遺伝子」の行ではBが見えませんが、その行が示すのは発現の状態です。遺伝子の存在を調べた行と取り違えないようにします。

問2は、Aに対応するタンパク質が両方につくられ、Bに対応するタンパク質が神経細胞につくられるが皮膚細胞にはつくられません。Aの行き先を確かめると、Aは両細胞で発現しています。問題の条件では発現していれば対応するタンパク質がつくられるので、両方にあります。次にBを見ると、神経細胞で発現し、皮膚細胞では発現していません。同じ条件を当てはめて、この組合せにたどり着きます。

問3の解答例は「両細胞のDNAには同じ遺伝子があるが、細胞によって発現する遺伝子が異なるためです」です。理由を聞かれているので、タンパク質が異なるという結果だけで終えず、その前にある発現の違いを入れます。発現の違いが細胞の形や働きの違いにつながることまで尋ねられた場合は、対応するタンパク質の違いも間に入れます。

答えを資料に戻して確かめましょう。皮膚細胞にAとBがあるという答えはDNAの行に、Aだけが発現しているという判断は発現の行に戻ります。神経細胞ではAとBが発現するので、両者に共通するAと神経細胞で見られるBを区別できます。資料で指定した対応を使っており、表から読み取れない遺伝子を付け足していません。

少し難しい例題：発現が示す範囲を考える

ある同じ個体の細胞Pと細胞Qについて、遺伝子Cと遺伝子Dを調べた自作の資料があります。両細胞のDNAにはCとDが存在します。CとDはいずれもタンパク質をつくる情報をもちます。CはPとQの両方で発現しています。DはPで発現し、Qでは発現していません。この問題でも、発現している遺伝子に対応するタンパク質がつくられ、発現していない遺伝子に対応するタンパク質はつくられていないとします。

問1：CとDのうち、両細胞に共通して発現している遺伝子を記号で答えてください。

問2：「QにDがないから、QではDに対応するタンパク質がつくられない」という説明の誤りを指摘し、資料に沿う1文に直してください。

問3：この資料だけから、PとQの形や働きが必ず異なると断定できますか。「できる」か「できない」で答え、理由を1文で書いてください。

問1はCです。CはPとQの両方の発現の条件を満たします。DはPで発現していますがQでは発現していないので、共通して発現する遺伝子には入りません。両細胞のDNAにあることと、両細胞で発現していることを分けて見ます。

問2の解答例は「QのDNAにもDはあるが、QではDが発現していないため、Dに対応するタンパク質はつくられません」です。誤りは、発現していないことを遺伝子が存在しないことと取り違えた点です。与えられた条件へ戻すと、QにDが存在することと、そのDが発現していないことの両方を保てます。

問3は「できない」です。PとQでDに対応するタンパク質の有無が違うことまでは条件から読めますが、そのタンパク質の具体的な働きや、PとQの形や働きを比べた結果は示されていません。発現の違いが細胞の性質の違いに関係するという一般的な説明と、手元の資料から実際に何を断定できるかは別に判断します。資料に書かれていない働きを想像して答えに足すと、根拠のない断定になります。

ここが分かれ目です。「DはQに存在するか」はDNAの条件から判断します。「Dのタンパク質はQにつくられるか」は発現と、問題中の対応条件から判断します。「その結果どんな形になるか」は、形への影響が資料に示されなければ決められません。問いの対象を変えたとき、必要な根拠も変わります。

間違えた説明を組み直す

図3は、分化についての誤答を直すときの模式図です。図3の矢印は、誤答から修正へ考えを進める向きを表します。新しい物質が生じる向きではありません。

誤答の例は「細胞が分化すると、それぞれに新しい遺伝子ができるので働きが変わる」です。原因は、細胞の性質の違いを見て、遺伝情報そのものの違いを想像したことにあります。修正すると「同じ遺伝情報をもつ細胞でも、発現する遺伝子が異なり、つくられるタンパク質の違いなどによって性質が異なります」となります。

別の誤答は「発現していない遺伝子は、DNAから消えている」です。原因は、表の空欄を存在の空欄として読んだことです。表の見出しが発現の有無なら、その遺伝子が情報として残っているかどうかは別の条件で確かめます。基本例題の皮膚細胞はBをもっていても、Bを発現していません。

また「発現が異なるなら、共通して発現する遺伝子はない」も言い過ぎです。基本例題ではAが両方で発現し、Bには違いがあります。組合せ全体が異なることと、共通するものがないことは同じではありません。両方の欄を1つずつ照合してから、共通部分と違う部分を分けて書きます。

記述で「タンパク質が違うので遺伝子の発現が違う」とだけ書いた場合も、求められた説明としては向きに注意が必要です。ここで問うのは、発現の違いがどのように細胞の性質に関係するかです。発現、タンパク質、性質の順に並べて、途中の言葉が抜けていないか確かめます。

練習：資料から言えることを選ぶ

次の4問はすべて自作です。それぞれに書かれた条件を使い、指定された形式で答えてください。

問題

1. 同じ個体の細胞Rと細胞SのDNAには、いずれも遺伝子EとFがあります。RではEとFが発現し、SではFのみが発現しています。Sに存在する遺伝子をすべて記号で答え、Sで発現している遺伝子を記号で答えてください。
2. 同じ個体の細胞Uと細胞Vは一般に同じ遺伝情報をもちます。この2種類の細胞の働きに違いが生じる理由を、「遺伝子の発現」「タンパク質」という2つの語を用いて1文で説明してください。
3. 遺伝子GとHはタンパク質をつくる情報をもちます。細胞WではGが発現し、Hは発現していません。この問題では、発現している遺伝子に対応するタンパク質がつくられ、発現していない遺伝子に対応するタンパク質はつくられないとします。WでつくられるものをGとHに対応するタンパク質の中から選び、記号で答えてください。また、WのDNAにHがあるかどうかを、この条件だけで判断できるか、「できる」か「できない」で答えてください。
4. 次の文の誤りを直し、正しい1文にしてください。「同じ個体の体細胞は一般に同じ遺伝情報をもつので、どの細胞でも同じ遺伝子が同じように発現する」。

答えと考え方

1. 存在する遺伝子はEとF、発現している遺伝子はFです。問題の最初に、RとSのDNAにEとFがあると書かれています。次にSの発現の条件を見ると、Fのみです。答えを条件に戻すと、SにEが存在することと、EがSで発現しないことを同時に満たします。

2. 解答例は「細胞によって遺伝子の発現が異なり、つくられるタンパク質などに違いが生じるため、働きにも違いが生じます」です。遺伝情報が同じという条件を保ったまま、発現からタンパク質を経て働きへとつなぎます。情報そのものを全く別にする必要はありません。条件へ戻しても、同じ情報をもつことと働きの違いが矛盾しない説明になっています。

3. つくられるものはGに対応するタンパク質で、HがDNAにあるかは「できない」です。Gは発現しているので、指定された対応からGのタンパク質がつくられます。Hは発現していないので、そのタンパク質はつくられません。ただし、HがDNAにあるかどうかは問題に書かれていません。存在しているが発現していない場合と、存在しない場合のどちらも、示された発現の条件と両立します。

4. 解答例は「同じ個体の体細胞は一般に同じ遺伝情報をもつが、細胞によって発現する遺伝子には違いがあります」です。元の文の前半は残し、後半の「どの細胞でも同じ」という断定を直します。共通する遺伝情報と異なる発現が両立することを、逆接で結ぶと条件がはっきりします。問題文に戻し、同じ情報をもつという前提を落としていないかも確認します。

覚える4行

同じ個体の体細胞は一般に同じ遺伝情報をもちます。
遺伝子をもつことと、その遺伝子が発現することは別です。
発現の違いは、つくられるタンパク質や細胞の性質の違いに関係します。
資料から言えることと、資料だけでは決められないことを分けます。

説明が止まる場所を見分ける

「あるのに発現しない」が説明しにくい場合は、表に「DNAにある」と「発現している」の2つの見出しをつくり、別々に記号を入れてみてください。存在を示す欄と発現を示す欄のどちらを見て答えたか、声に出して確かめます。共通部分を見落とす場合は、両方で発現する遺伝子と片方で発現する遺伝子を分けると、比較する場所が明確になります。

個別指導で確かめるなら、まず図1を見ながら同じ遺伝情報から細胞の働きまでを自分の言葉で説明し、矢印の向きをたどれるか見ます。次に図2の皮膚細胞について、Bが「ある」と「発現しない」を両立できるかを確かめます。最後に、資料にない働きを断定していないかを答案に戻って点検します。細胞の違いは、遺伝情報の存在とその発現を分けて捉えると説明できます。