高校生物 DNA鎖の方向性—両端の表示から合成できる向きを説明する｜武蔵野個別指導塾

相補鎖の端を対応させ、短い新生鎖の3′端に塩基が加わる向きと、完成配列の書き方を確かめます。

よくあるのは、高校生が2本のDNA鎖を同じ向きに描き、向かい合う塩基がAとT、GとCだから相補的だと答える場面です。塩基の組合せは重要ですが、それだけでは標準的な二本鎖の表現として足りません。鎖の骨格には向きがあり、向かい合う2本は逆向きです。端の記号を確かめると、そこから新しい鎖がどちらへ伸びるかも追えます。

端の表示から問われること

問題の出方には、大きく3つの型があります。第1は、一方の鎖の端と配列から、向かい合う鎖の端と塩基を埋める型です。第2は、鋳型に結合した短い鎖のどちらの端に付加が起こるかを問う型です。第3は、候補となる資料を比較し、方向に関して言えることと言えないことを分ける型です。

どの型でも、まず紙面の左と右を決め、次に各鎖の5′端と3′端を記入します。左から読む方向と、その鎖の5′から3′へたどる方向は同じとは限りません。配列の問題では、向かい合う文字を対応させた後、求められた向きへ書き直します。伸長の問題では、矢印が何の向きを表すかも区別します。ここでの合成方向の矢印は新生鎖の5′側から伸びていく3′端へ向くもので、二本鎖がほどける方向を表すものではありません。

骨格の向きと伸長端

DNAをつくるヌクレオチドは、糖、リン酸、塩基からなります。塩基にはA、T、G、Cがあり、二本鎖では基本的にAとT、GとCが向かい合います。一方、鎖の中では隣り合うヌクレオチドが糖とリン酸を介してつながります。塩基同士の対応と、同じ鎖をつくる結合は別の関係です。

5′と3′は糖の炭素の位置に由来する名前です。鎖の両端は同じ形ではなく、端を区別できるため、鎖には5′から3′という向きがあります。鎖の途中では一方の糖の3′側と次の糖の5′側がリン酸を介して結ばれます。塩基の文字を並べるときも、この骨格の向きを省いてはいけません。

図1のように、上の鎖を左から右へ5′、3′と置くと、下の鎖は左が3′、右が5′です。同じ紙面上の左から右という向きで比べれば、2本の向きは反対です。これを逆平行といいます。図の縦線は向かい合う塩基の対応を表し、鎖の伸長方向ではありません。

図1では左端のAの向かいにT、右端のCの向かいにGがあります。下の鎖を5′から3′に読むなら右から左へ進みます。図を左右反転しても各鎖の5′と3′の関係は変わらないので、紙の右向きそのものを合成方向として覚えるのは危険です。

DNAの複製では既存の鎖が鋳型となり、対応する塩基をもつ新しい鎖がつくられます。DNAポリメラーゼは、伸長中の鎖の3′端のOHに次のヌクレオチドを結合させます。したがって新生鎖は5′から3′へ伸びます。対応する鋳型は、伸長が進む向きに3′から5′へたどられます。鋳型を3′から5′へ読む方向と、新生鎖を5′から3′へ伸ばす方向は、紙面上では同じです。

伸長には適切に配置された3′端が必要です。鋳型の配列があっても、DNAポリメラーゼが何もない場所から独力で新しい鎖を始めると考えてはいけません。実際の複製では短いプライマーが伸長の出発点を与えます。図や問題で短い鎖が示されたら、その3′端が鋳型に沿って伸びる向きを調べます。

両端の数字は、塩基の種類や鎖の長さを表す数字ではありません。例えば同じ長さの2本でも、紙面上で5′端がある側は互いに反対です。鋳型をたどる向きと新生鎖をたどる向きを別々の矢印で描けば、何が伸びているかを取り違えにくくなります。矢印を描く前に、どちらの鎖についての矢印かを言葉で添えると、読み手にも判断の根拠が伝わります。

基本例題：向かい合わせてから書き直す

次の鋳型の左側に短い新生鎖が結合しています。新生鎖は鋳型に相補的で逆平行です。鋳型の右端まで伸びるとき、追加される塩基と、完成した新生鎖を5′から3′の向きで答えてください。問題の配列は考察用に作ったものです。

鋳型　　3′-A G T C C A-5′
新生鎖　5′-T C-3′

図2のように短い新生鎖の3′端は右側にあり、右へ伸ばせます。図の矢印は新生鎖の伸長方向を示します。鋳型は左から右に3′から5′なので、新生鎖が右へ5′から3′に伸びる条件と整合します。

まず、既にあるTとCが鋳型のAとGにそれぞれ対応していると確かめます。次に、未対応の鋳型は左からT、C、C、Aです。各位置に対応する塩基を同じ順に置くと、A、G、G、Tです。したがって追加されるのはA、G、G、Tの順で、完成鎖は5′-T C A G G T-3′です。

答えを元の図へ戻して、6組がAとT、GとC、TとA、CとG、CとG、AとTになることを確かめます。両端も向かい合わせで3′と5′、5′と3′です。別の方法として、鋳型全体の向かいに相補塩基を先に並べ、その左端の2文字が短い鎖と一致することを確かめても同じ答えに到達します。途中の鎖と合わない場合は、向きか塩基対応のどちらかを見直します。

標準例題：記載方向を変える

ある鎖は5′-C A G T A C G-3′です。この鎖と対になる鎖を5′から3′の向きで答えてください。また、対応を確かめるために、その鎖を元の鎖の下に左端をそろえて書いてください。

同じ位置に相補塩基を置くと、下の鎖は3′-G T C A T G C-5′です。しかし設問の答えは5′から3′ですから、下の鎖を右から左へ読みます。答えは5′-C G T A C T G-3′です。文字を一文字ずつ置き換えたG T C A T G Cをそのまま5′から書くと、向きの変更が抜けます。

検算では答えを再び逆向きに並べ、3′-G T C A T G C-5′として元の鎖の下へ戻します。7位置の組合せと両端を確認できるので、文字の数だけが合った誤答も見つけられます。別解は、元の配列を先に右から左へ読み、各文字を相補塩基へ変える方法です。ただし、その操作をする理由は相補鎖が逆平行だからです。

発展例題：対照と観測の限界

次は方向性を考えるための自作の資料です。同じ鋳型と同じ配列の短い鎖を使い、条件Aでは短い鎖の3′端にOHがあり、条件BではそのOHが付加に使えないようにされています。他の条件は同じとします。横軸は反応開始後の経過を表す任意単位で、0、1、2の3時点です。縦軸は初めの短い鎖より長い産物の相対量で、単位は任意単位です。各値は独立した測定の平均で、観測誤差の目安は各平均について±0.2とします。

グラフにするなら、両条件を同じ軸と目盛りで示します。条件Aの増加は時点2で2.0、Bは0.1なので差は1.9です。誤差の目安を各値に適用しても時点2の範囲はAが1.8〜2.2、Bが-0.1〜0.3で重なりません。負の値は誤差を機械的に示した範囲であり、負の産物量を意味しません。条件Bを対照とすることで、3′端のOHを使える状態と長い産物の形成に関係があると考えられます。

ただし、この資料だけから、OHの変更が酵素の結合など別の段階に影響しなかったとまでは言えません。また、量の変化だけで新生鎖の塩基配列や伸びた端を直接読めるわけではありません。短い鎖の端以外にも条件が違えば、差の原因は絞れません。比較を強めるには、端の性質以外をそろえ、別の方法で産物の長さや端を確かめる資料も必要です。数値の差をそのまま機構の完全な証明にしないことが大切です。

ずれた答案を直す

図3のように、同じ左側を両方とも5′とすると、向かい合う2本は同じ向きになります。塩基をAとT、GとCにしても、標準的な逆平行の二本鎖としては端の表記が誤りです。片方の鎖を消して塩基を書き直す前に、その鎖の両端を入れ替えます。

図3の修正後は、左側で上が5′、下が3′です。右側では上が3′、下が5′です。もし一方の端だけを直して両端が同じ数字になったら、1本の鎖として向きが表されていません。左右の両端を一組として確認します。

別の誤りは、鋳型の3′端に新しいヌクレオチドが付くと書くことです。鋳型は対応を決める元の鎖で、伸びるのは新生鎖です。短い鎖の3′端に印をつけ、鋳型の次の塩基と向かい合う位置へ付加する、と文章を修正します。

さらに、図の右側が常に3′端だと決める誤りもあります。左向きに伸びる新生鎖を描けば、その3′端は左側です。右向きか左向きかは紙面の配置で変わり、5′から3′へ伸びるという鎖自身の向きは変わりません。端の表示がない図では右か左かを決められない場合があるので、足りない条件を明記します。

練習問題

各配列は考察用に作ったものです。対になる塩基はAとT、GとCとし、二本鎖は逆平行とします。配列は指定された向きと両端を含めて答えてください。

1. 上の鎖が左から5′-A C C T G A-3′です。下の鎖を上と左端をそろえて書き、両端を記してください。
2. 5′-G T A A C C T-3′と対になる鎖を、5′から3′の向きで書いてください。
3. 鋳型が左から5′-C G A T T G C A-3′です。その右端の3塩基に結合した新生鎖が左から3′-C G T-5′と表示されています。この新生鎖が鋳型の左端まで伸びるとき、追加される塩基を付加順に書き、完成鎖を5′から3′で答えてください。
4. 2本の鎖が同じ紙面上でともに左から5′、右が3′と記されています。塩基は各位置で相補的です。この図が標準的な二本鎖として正しいか、端の向きを理由に述べてください。
5. 鋳型に結合する短い新生鎖の両端のうち、右端が5′と示されています。左側にも対応できる鋳型が続き、3′端は伸長可能です。伸長は紙面の左右どちらへ進むか、理由とともに答えてください。

練習の答えと確かめ方

1. 3′-T G G A C T-5′です。上の各位置と下の各位置がAとT、CとG、CとG、TとA、GとC、AとTになります。左側が5′と3′、右側が3′と5′であることも、元の配置に戻して確かめます。

2. 5′-A G G T T A C-3′です。まず元の鎖の下には3′-C A T T G G A-5′と並びます。これを右から読んだものが答えです。答えを下の段へ戻して逆向きに置けば、元の7文字に相補的な7組になります。

3. 追加順はA、A、T、C、Gです。鋳型は左から5′から3′なので、新生鎖の左端が3′であり左へ伸びます。完成鎖は左から3′-G C T A A C G T-5′、指定の向きでは5′-T G C A A T C G-3′です。元の鋳型の下に左からG C T A A C G Tと戻すと8組が対応し、右端の3文字C G Tも最初の短い鎖に一致します。

4. 正しくありません。同じ紙面上で両方が左から5′、右が3′なら2本は同じ向きですが、標準的な二本鎖の骨格は逆平行です。片方の左右の端を3′と5′に直してから、各位置の塩基の対応も確かめます。塩基対応が正しいことと端の向きが正しいことは別の条件です。

5. 左へ進みます。右端が5′なら左端は3′であり、与えられた条件ではその3′端に付加できるからです。完成した鎖は右の5′端から左の3′端へ伸びます。鋳型が左へ続かない場合や、3′端が伸長できない場合には、この条件のまま左へ伸びるとは言えません。

端を読むための要点

• 二本鎖の骨格は逆平行で、向かい合う塩基はAとT、GとCです。
• 相補塩基を同じ位置に置き、指定された5′から3′の向きに読み直します。
• DNAポリメラーゼによる付加は新生鎖の3′端で起こり、鎖は5′から3′に伸びます。
• 左右の方向は図の配置次第であり、伸長可能な端と鋳型の条件も必要です。

答案のどこで迷ったか

相補塩基は正しいのに配列が逆になる答案では、向かい合わせの図に戻し、どちらの端から答えを書き始めたかを尋ねます。個別指導では、まず端を伏せた図に両端を書き入れ、次に新生鎖の3′端に印をつけてもらいます。塩基の対応、鎖の向き、伸長端のどこで判断が変わったかを一つずつ確かめます。端をそろえた図は、配列と合成方向の両方を説明する根拠になります。