高校生物 細胞周期の制御—条件比較から進行の停止と再開を読み取る｜武蔵野個別指導塾

DNA損傷後の停止と再開、染色体の分配確認を対照実験で考える題材は細胞周期の制御です。

よくあるのは、DNAが傷ついても必ず次の期へ進むとする場面です。細胞周期の図を順番に暗記すると、矢印がいつも同じ速さで進む道に見えます。しかし、損傷などの条件によって進行が抑えられることがあります。停止後の観察から、再開したのか、それとも測定が途切れたのかも分けなければなりません。

資料問題では、処理の有無による進行率の比較、損傷の回復と進行の時間関係、染色体の分配を確認する条件の比較が出されます。どの細胞が、いつ、どの段階を越えたかを明示すると、割合の計算と生物学的な説明をつなげられます。以下の数値は教材のために設定した条件であり、実測値ではありません。

進行を確かめる場所と条件

細胞周期は、分裂後のG₁期、DNAを複製するS期、その後のG₂期、核分裂と細胞質分裂を含むM期に分けられます。G₁期からS期へ進む前や、G₂期からM期へ進む前には、DNAの状態などに応じて進行を抑える仕組みが働きます。M期には、染色体が紡錘体に適切に結びついているかが、分配の開始に関わります。これらの確認機構をチェックポイントと呼びます。

図1のように、DNAに損傷がある場合、進行が抑えられ、修復の機会が得られます。修復後に条件が整えば再開する場合がありますが、損傷がある細胞が必ず停止する、あるいは停止した細胞が必ず再開するという意味ではありません。損傷の程度や細胞の状態によって結果は異なります。停止はDNAを直接修復する作業そのものではなく、次の段階への移行を抑える制御です。

図1の矢印は時間に沿う進行または条件が整った後の再開を表す模式図です。M期の確認は、染色体の分配前に結びつきが適切かをみる仕組みであり、DNA損傷の確認と同一ではありません。分配前に進行を抑えることは、染色体を娘細胞へ適切に受け渡すために重要です。図は各段階の長さや停止時間を表していません。

観察結果は「損傷の指標が減った」「M期に入った細胞が増えた」のように記述します。そこから「修復後に再開した可能性」を考えられますが、別々の細胞を各時点で数えただけなら、同じ細胞が修復して再開したとは断定できません。同じ細胞を追跡し、損傷の指標と進行の両方を記録すると、対応をより直接に調べられます。

基本例題：停止からの再開

ある細胞群から、G₂期にある細胞をそれぞれ100個ずつ選びました。対照群には操作による影響をそろえる処理を行い、処理群にはDNA損傷を起こす処理を行いました。一定時間後にM期へ入った細胞は対照群で80個、処理群で20個でした。さらに処理群のうち、追跡可能でM期に入っていなかった60個について、損傷の指標が消えた後も観察すると、そのうち45個がM期に入りました。各段階の割合を整数の百分率で求め、結果を説明してください。追跡した60個は、最初にM期へ入っていなかった80個の一部です。

図2のように、最初の比較では両群とも分母は100個です。その後の再開の割合は、追跡した60個を分母にします。最初の100個を使い続けると、問いに対する割合が変わります。

対照群の進行率 = (80)/(100)・100 = 80%
処理群の進行率 = (20)/(100)・100 = 20%
追跡群の進行率 = (45)/(60)・100 = 75%

逆に60個の75%は45個なので、追跡結果に戻ります。対照群との進行率の差は60パーセントポイントで、処理群では一定時間内のM期への移行が少ないといえます。追跡した細胞の一部は損傷の指標が消えた後にM期へ入り、再開と整合します。ただし、指標が消えたことだけでDNAが完全に修復されたとは証明できません。また、残り15個のその後は、この観察だけでは決まりません。

別の求め方として、追跡群でM期に入らなかった割合を先に求めると、15個は60個の25%です。100%から25%を引いて75%となり、同じ分母に対する補数であることを確かめられます。追跡対象が無作為に選ばれたと書かれていないため、この75%を最初の未進行80個全体の割合として扱うことはできません。

標準例題：分配を待つ理由

ある教材の細胞群で、染色体と紡錘体の結びつきを観察できるとします。対照群では、観察した40個のうち36個が適切に結びつき、その36個のうち30個で分配が始まりました。処理群では、40個のうち12個が適切に結びつき、その12個のうち10個で分配が始まりました。両群とも、不適切な結びつきの細胞では観察中に分配は始まりませんでした。各群で観察した全細胞のうち分配が始まった割合を整数の百分率で求め、結果と限界を述べてください。

対照群 = (30)/(40)・100 = 75%
処理群 = (10)/(40)・100 = 25%

40個に各割合を戻すと、それぞれ30個、10個です。結びつきが適切な細胞に限った分配開始率は、対照群が30/36、処理群が10/12で、どちらも5/6です。全体の差には、適切な結びつきを持つ細胞の割合の差が関係していると考えられます。ただし、処理が結びつき以外に与えた影響や、観察の終了後の変化は、この資料から決められません。

不適切な結びつきの細胞で分配が始まらなかったことは、確認機構が働く説明と整合します。それだけで個々の分子の働きや、処理が直接どこに作用したかを証明したことにはなりません。処理をしない対照、操作だけを同じにした対照、結びつきの観察を組み合わせると、別の原因を検討しやすくなります。

発展例題：再開と観察不能を分ける

G₁期の細胞を同数ずつ2群に分け、片方に損傷処理、もう片方に対照処理を行いました。処理群の120個のうち、一定時点でS期に入った細胞は24個、入っていないと確認できた細胞は72個、像が不鮮明で判定できない細胞は24個でした。対照群は120個中、S期に入った細胞が84個、入っていない細胞が30個、判定不能が6個でした。判定可能な細胞の中でS期に入った割合を、整数の百分率に四捨五入して求めてください。また、この結果だけで停止と再開について何がいえるか説明してください。

処理群の判定可能数 = 24 + 72 = 96個
処理群の進行率 = (24)/(96)・100 = 25%
対照群の判定可能数 = 84 + 30 = 114個
対照群の進行率 = (84)/(114)・100 ≒ 74%

逆算すると処理群は96個の25%で24個です。対照群は丸め前の割合84/114を114個に戻すと84個です。74%からの逆算は丸めによって厳密には84個にならないので、検算には丸め前の分数を使います。

判定可能な細胞では処理群の進行率が低く、損傷処理が進行を抑えた可能性があります。しかし、判定不能の割合は両群で異なります。判定不能の細胞に偏りがあると比較が変わるため、再撮影や独立した方法での判定を検討します。さらに、1時点の結果では後から再開したかどうかを判断できません。処理後に同じ細胞を継続観察し、損傷の指標とS期への移行時刻を記録する必要があります。

判定不能を全員未進行と仮定すると、処理群は24/120、対照群は84/120です。逆に全員進行済みと仮定すると、処理群は48/120、対照群は90/120です。いずれも仮定のもとでの範囲であり、実際の進行率を確定するものではありません。欠けた観察を0と置き換えず、どの結論が欠測に左右されるかを調べることが大切です。

誤答を条件から直す

「損傷処理群でM期に入る細胞が少ないので、各細胞は永久に停止した」という答えを考えます。図3のように、一定時間内の進行の減少と永久停止は別の主張です。観察が終わった時点で進行していない細胞も、後で進むかもしれません。逆に、後で進むと決めつけることもできません。

図3では、観察期間の終わりを縦線で示します。そこまでの事実は「進行が少ない」であり、その先は観察していない範囲です。正しくは「処理群では観察期間内のM期移行が少なく、進行が抑えられた可能性がある」と書き、再開の有無は追跡で調べます。

もう1つの誤りは、分配が始まらない像を見て「必ずチェックポイントが正常に働いている」とすることです。像が不鮮明な場合や細胞が損傷している場合にも、進行の判定は難しくなります。生存状態や染色体の結びつきも調べ、判定不能は別に数えます。正常な進行を示す対照と、結びつきに異常がある条件を比べることで、説明の根拠を強められます。

観察を設計するときの注意

損傷処理の影響を調べるなら、変える条件は処理の有無です。測る結果は、例えば一定期間内にM期へ入った細胞の割合とします。細胞の種類、観察開始時の段階、培養条件、観察時間、判定基準をそろえ、処理以外の操作を対照群にも行います。観察や実験は学校の指導の下で行います。

各群を複数回観察し、細胞の選び方や判定の揺れを確かめます。視野を都合よく選ぶと、特定の段階の細胞に偏ることがあります。処理群だけ像が不鮮明なら、進行率の差に判定のしやすさが混ざります。装置の故障、観察の中断、細胞の追跡漏れが起きた場合は、その数と理由を記録し、未進行として数えずに再測定を検討します。

横軸に処理後の時間、縦軸に追跡開始時の細胞に対する累積進行率を取れば、各時点までに進んだ割合を比べられます。軸には時間の単位と%を付け、群ごとに同じ分母と観察時刻を使います。曲線が平らな区間は、その期間に新たな進行が観察されなかったことを示しますが、測定間隔の間の細かな変化は示しません。追跡不能が増えた場合には、その数も別に示します。

損傷の指標と進行の関連が見えても、指標の変化が直接再開を引き起こしたとは限りません。損傷処理のほかの影響や、細胞ごとの状態の違いも考えます。原因をさらに調べるには、対象とする条件を変えた群と適切な対照を用意し、結果の再現性を確かめます。変える条件が複数あると、どの変化が進行率の差に関係したかを分けにくくなります。

高校の範囲を超える補足

細胞周期の進行には、時期に応じて量や働きが変わるタンパク質が関わります。サイクリンはその一例で、別のタンパク質と組んで進行を調節します。種類ごとの細かな反応を覚えなくても、高校の答案では「損傷や分配の状態を確認し、条件が整わなければ進行を抑える」と、観察された段階に結びつけて説明できます。

練習問題

次の数値は教材条件です。割合は指定がなければ整数の百分率で答えてください。観察できなかった細胞は、その旨を別に扱います。

1. G₂期の細胞50個を追跡し、損傷処理後にM期へ入った細胞が15個でした。追跡開始時の細胞に対する進行率を求めてください。
2. 対照群80個のうち64個、処理群80個のうち32個が一定時間内にS期へ入りました。両群の進行率の差をパーセントポイントで求め、観察からいえることを述べてください。
3. 染色体の結びつきが不適切な細胞を観察したところ、観察中に分配が始まりませんでした。この結果と整合する確認機構を説明し、この観察だけで決められないことを1つ挙げてください。
4. 損傷処理後の90個のうち、進行が確認された細胞は36個、未進行と確認された細胞は39個、判定不能は15個でした。判定可能な細胞中の進行率を求め、判定不能を未進行に含めない理由を述べてください。
5. ある細胞群で処理直後に進行率が低下し、後の時点では高くなりました。別々の細胞を各時点で数えた場合、同じ細胞が停止後に再開したと断定できるでしょうか。根拠と、確かめるための観察を述べてください。

答えと解き方

1. 15/50・100で30%です。50個の30%を戻すと15個です。残り35個の観察後の運命は、この条件からは決まりません。
2. 対照群は64/80・100で80%、処理群は32/80・100で40%です。進行率を引き算した差は40パーセントポイントです。80個に戻すと64個と32個になり、一定時間内の進行は処理群で少ないといえます。処理以外の条件がそろっているか、観察不能がないかも確認します。
3. 結びつきが適切になるまで分配の開始を抑える仕組みと整合します。ただし、細胞の損傷など別の理由で進行しない可能性もあるため、この像だけでは確認機構が正常に働いたと断定できません。結びつきと細胞の状態を対照群と比べます。
4. 判定可能数は36 + 39で75個です。36/75・100は48%で、75個の48%を戻すと36個です。判定不能の15個は進行の有無が不明なので、未進行に加えると根拠のない分類になります。
5. 断定できません。後の時点で数えた集団に、最初から進みやすい別の細胞が含まれる可能性があります。同じ細胞を追跡し、損傷の指標と進行の時刻を対応させると、停止後の再開をより直接に調べられます。追跡できなくなった細胞も別に記録します。

覚えておくこと

• チェックポイントは条件に応じて細胞周期の進行を抑えます。
• DNA損傷の確認と、分配前の染色体の結びつきの確認を区別します。
• 一定期間の停止は永久停止を意味せず、再開は追跡して確かめます。
• 割合の分母と判定不能の数を明示し、答えを元の細胞数へ戻します。
• 対照と反復を用い、観察結果とその原因の推定を分けます。

答案のどこで迷ったかを見分ける

進行率の計算が合わないときは、最初の細胞数、追跡できた細胞数、判定可能な細胞数をそれぞれ書き出します。どの集団について問われているかを指でたどり、分母に戻せるかを確認します。個別指導で確かめるなら、数値を式に入れる前に、分母に入る細胞と入らない細胞を説明してもらうと、計算と分類のどちらで迷ったかが見えます。

記述で「必ず」が先に出るときは、観察が終わった後に起こり得る別の結果を考えます。損傷の指標、進行の時刻、分配の状態をどの細胞で測ったかを結び直すと、証拠が届く範囲を説明できます。細胞周期の制御は、進む順番だけでなく、進行を待つ条件から読み取れます。