高校生物 複製フォーク—進行方向と新生鎖の伸長を分けて図に描く｜武蔵野個別指導塾

新生鎖の向きとプライマーの位置を手がかりに、左右へ広がる複製分岐を描く。

よくあるのは、複製フォークが左へ進む図でも、新生鎖を右向きにだけ描いてしまう場面です。右向きの矢印で覚えた図を裏返すと、同じ場所で何が伸びるか見失います。紙の左右は分子の性質ではありません。親鎖の端とフォークの動きを別々に書き込めば、左向きの図でも根拠をたどれます。

どの向きを問う図なのか

問題の型は大きく3つあります。1つ目は、フォークの進む方向と親鎖の5′・3′から、連続的に合成される新生鎖を選ぶ型です。2つ目は、短い断片の伸長方向とプライマーの位置を描く型です。3つ目は、複製開始点から左右に開いた領域を比べ、同じ親鎖を鋳型とする新生鎖の合成の違いを説明する型です。

最初に矢印が何を表すか確かめます。フォークの矢印は親鎖が開く境界の移動、新生鎖の矢印はその鎖が伸びる方向です。両者は別の動きなので、必ず一致するとは限りません。親鎖の向きが図にない場合、左右だけから連続側を選ぶことはできません。条件が不足していると気づくことも、図の読み取りの一部です。

端からたどる複製のしくみ

DNAの2本の親鎖は互いに逆向きです。一方を左から右へ5′、3′と読めば、他方は左から右へ3′、5′となります。塩基の対応に従って新生鎖が作られ、向きも鋳型となる親鎖と逆になります。新生鎖が伸びる先端は3′端です。

DNAポリメラーゼは、既にある鎖の3′端に材料をつなぎます。したがって新生鎖の合成方向は5′から3′です。酵素が親鎖上を読む向きは3′から5′で、新生鎖の伸長方向とは逆の表記になります。この2つを同じ鎖の矢印と取り違えないようにします。

図1のように、右に開くフォークでは上の親鎖を左から右へ3′、5′と置くと、その上の新生鎖は右へ伸びます。下の親鎖では新生鎖の各断片が左へ伸びます。図中の矢印は新生鎖の伸長方向で、右上の矢印だけはフォークの進行方向です。

図1の連続側は、開いた部分に向かって1本の新生鎖を伸ばせます。これをリーディング鎖と呼びます。反対側はフォークの進む向きと各断片の伸長方向が逆なので、開くたびに新しくできた鋳型の部分を使って短い鎖を作ります。こちらがラギング鎖で、その短いDNA断片を岡崎フラグメントと呼びます。

DNAポリメラーゼは何もないところに伸長の始点を作れません。プライマーという短いRNAが先に作られ、その3′端から伸長が始まります。連続側にも始点のプライマーは必要です。不連続側では新しい断片を始めるたびにプライマーが必要です。後にプライマー部分は除かれてDNAに置き換えられ、残る切れ目はDNAリガーゼによってつながります。リガーゼが切れ目をつなぐことと、ポリメラーゼが新しい鎖を伸ばすことは区別します。

フォークの位置は時間とともに変わります。ラギング鎖の新しい断片は、開いたばかりのフォークに近いところで始まり、先に作られた部分の方へ伸びます。個々の断片はフォークから離れる向きですが、複製された領域全体はフォークとともに広がります。「鎖全体が広がる方向」と「各断片の伸長方向」を分けると、矛盾はありません。

基本例題：左へ開く境界を読む

親鎖の上側を左から右へ5′、3′、下側を左から右へ3′、5′とします。複製フォークは左へ進み、開いた領域はその右側にあります。上側と下側のどちらを鋳型とする新生鎖が連続的に合成されるか答え、各新生鎖の伸長方向を左右で示してください。短い断片のプライマーはフォークに近い端と遠い端のどちらかも答えてください。

図2のように、まず親鎖の端を左右に置きます。次にそれぞれに逆向きの新生鎖を対応させ、5′から3′への向きをたどります。矢印は各新生鎖の伸長を示し、上の大きな矢印はフォークの進行を示します。

上側の親鎖は左から右へ5′、3′なので、対応する新生鎖は左から右へ3′、5′です。その5′から3′への伸長は右から左です。フォークの進行と同じ左向きなので、上側を鋳型とする新生鎖が連続的に合成されます。

下側の親鎖は左から右へ3′、5′なので、対応する新生鎖は左から右へ5′、3′です。各断片は左から右へ伸び、左へ進むフォークから離れます。よって下側は不連続です。各断片の始点である5′側は左にあり、左側のフォークに近い端にプライマーが置かれます。

解答は「上側が連続、上側の新生鎖は左向き、下側の各断片は右向き、プライマーはフォークに近い端」です。逆に答えから確かめると、上側は右側の5′端から左側の3′端へ伸び、親鎖の5′端と新生鎖の3′端が向かい合います。下側も同様に親鎖と新生鎖が逆向きです。左右を先に暗記するより、この戻し方が確実です。

標準例題：開始点の両側を比べる

直線状のDNAの一部分で、上の親鎖は左から右へ3′、5′、下の親鎖は左から右へ5′、3′です。中央の開始点から2つのフォークがそれぞれ外向きに進むとします。左右それぞれのフォークで、上と下のどちらの親鎖を鋳型とする新生鎖が連続的か、理由を添えて答えてください。

上の親鎖を鋳型とする新生鎖は、紙の上ではどちらの領域でも右向きに伸びます。下の親鎖を鋳型とする新生鎖は左向きに伸びます。右のフォークは右へ進むため、右側では上の親鎖に対応する新生鎖が連続的です。左のフォークは左へ進むため、左側では下の親鎖に対応する新生鎖が連続的です。

答えは「右側は上、左側は下」です。どちらも伸長方向とその場所のフォークの進行方向が一致することを確認します。同じ親鎖に沿う新生鎖でも、開始点の反対側では連続と不連続が入れ替わります。親鎖そのものがリーディング鎖なのではなく、その親鎖を鋳型として作られる新生鎖をフォークごとに分類します。

別解として、フォークに向かって親鎖をたどる方法があります。向かう向きに親鎖を3′から5′と読める側が連続側です。新生鎖はその逆向きに対応し、同じ空間方向へ5′から3′に伸びるためです。右に向かうと上側、左に向かうと下側がこの条件を満たし、先の答えに戻ります。

発展例題：観察値から言える範囲

次は複製途中の短い新生DNAを比較した自作の資料です。同じ種類の細胞由来の試料について、通常条件と、プライマーを作る働きを弱めた条件を比較しました。その他の条件と観察の方法は同じとします。短い新生DNAの相対量は、通常条件の平均を100と定めた単位なしの値です。

各条件の平均を整数で求め、差から何が示唆されるか、因果を言い切るために不足する条件とともに答えてください。この数値は仕組みを検討するために置いたもので、実測値ではありません。

通常の平均は (96 + 100 + 104)/(3) = 100、働きを弱めた条件は (39 + 42 + 45)/(3) = 42 です。差は58です。通常条件を比較の基準にすると、働きを弱めた条件では短い新生DNAの相対量が低いと読めます。新たな断片の開始にプライマーが必要という説明と整合します。

ただし、この結果だけで観察された短いDNAのすべてが岡崎フラグメントだとは決められません。細胞の状態や分解、検出の効率が変化した可能性も残ります。働きを回復させた対照で量が戻るか、短いDNAが複製中の領域に由来するかを別の資料で調べれば、説明をさらに絞れます。複製の停止や細胞数の違いを別に測る比較も必要です。

測定ごとの値のばらつきは、同条件内でも観察に誤差があることを示します。上の値をグラフにするなら横軸を条件、縦軸を短い新生DNAの相対量として単位なしと明記し、各測定値も示します。平均の棒だけでは重なりやばらつきを読めません。3回の測定が独立な試料か同じ試料の繰り返し測定かによって、結果を一般化できる範囲も変わります。

計算の戻し方も確認します。通常の平均100に3をかけると合計300、もう一方の平均42に3をかけると合計126です。それぞれ元の3測定の和と一致します。ただし平均の検算が合っても、プライマーの働き以外の影響が消えるわけではありません。計算と結論の強さは別に点検します。

誤答の矢印を直す

図3のように、親鎖の方向を見ずにフォークの矢印をそのまま両方の新生鎖へ写すと、片方の新生鎖は5′から3′に伸びる条件を破ります。左向きのフォークでは両方を左向きにしたくなるかもしれません。先に各新生鎖の両端を親鎖と逆向きに置き、3′端へ向かう矢印を描き直します。

別の誤答は「不連続側にはプライマーが要らない」です。短い断片のそれぞれに伸長を始める3′端が必要なので、むしろ繰り返し始点を作ります。反対に「連続側にはプライマーがない」とするのも誤りです。連続側にも最初の始点が必要で、断片ごとに新しい始点を設けるかどうかが違います。

「ラギング鎖は3′から5′に合成される」という文も修正が必要です。フォークと反対へ伸びても、各断片は5′から3′に合成されます。図では方向を表す矢印の始点を5′、先端を3′と書き、どの鎖の矢印か添えます。さらに「リガーゼが断片を伸ばす」と書いた場合は、ポリメラーゼの伸長とリガーゼの切れ目の接合に仕事を分けます。

条件が欠けた図では、見えていない端の向きを勝手に補わないことも修正です。フォークが右に動くという情報だけでは、上側が連続か下側が連続か決まりません。上側の親鎖を右向きに3′から5′とする場合と、その逆にする場合を描くと、答えが入れ替わることを確かめられます。

練習：問題を先に解く

それぞれ親鎖は逆向きで、新生鎖は5′から3′へ伸びるものとします。左右の端は紙の上の位置です。

1. フォークが右へ進み、上の親鎖は左から右へ5′、3′です。上と下のどちらの親鎖に対応する新生鎖が連続か、上下で答えてください。
2. フォークが左へ進み、ある岡崎フラグメントの5′端は左、3′端は右にあります。この断片の伸長方向とプライマーがある側を左右で答えてください。
3. 中央から左右へフォークが進み、上の親鎖は左から右へ5′、3′です。左と右のフォークでそれぞれ上・下のどちらに対応する新生鎖が連続か答えてください。
4. ある模式図では、ラギング鎖の未接合の断片が7本あり、各断片は1個のプライマーから作られました。断片の数と、その断片を始めるために使われたプライマーの数をそれぞれ整数で答えてください。連続側は数に含めません。
5. 新しいプライマーを作る働きを弱めた資料で、短い新生DNAの相対量が通常条件より減りました。この資料だけでは「断片をつなぐ酵素が働かなくなった」と断定できない理由を、比較条件に触れて1文で答えてください。

解答とたどり方

1. 下です。上の親鎖に対応する新生鎖は右から左へ伸びるため、右へ進むフォークとは逆向きです。下の親鎖に対応する新生鎖は左から右へ伸びるので連続的です。下の親鎖は左から右へ3′、5′となり、その上の新生鎖の右端が3′であることに戻して確かめます。
2. 右向きに伸び、プライマーは左側です。鎖は5′端の側から3′端へ伸びるので、左端が始点です。フォークは左にあるため、始点はフォークに近い側になります。右向きの矢印の始点を5′、先端を3′と書き戻すと条件に一致します。
3. 左は上、右は下です。上に対応する新生鎖は左向き、下に対応する新生鎖は右向きです。それぞれ同じ向きに進むフォーク側が連続です。左側の上の親鎖はフォークに向かって3′から5′と読め、右側の下の親鎖も同様に3′から5′と読めるので、別の方法でも確認できます。
4. 断片7本、プライマー7個です。各断片に1個という条件を7回対応させます。7個を断片に1個ずつ戻すと余りも不足もなく、条件に合います。この数は未接合の断片に限ったもので、最終的な連続DNAの本数ではありません。
5. 例えば「プライマーを作る働きを弱めた条件と通常条件の比較であり、断片をつなぐ酵素の働きを直接比較していないためです」と答えます。短いDNAの量が減る原因は複数考えられます。接合の働きを調べるには、その働きの違いを確かめる別の比較が必要です。観察値にない酵素の状態を答えに付け足していないか見直します。

覚えておく線

• 新生鎖は5′から3′へ伸び、親鎖と逆向きです。
• フォークと同じ方向へ伸びる新生鎖が連続側です。
• 不連続側の各断片はフォークから離れる向きに伸びます。
• プライマーは連続側の開始にも各断片の開始にも必要です。
• 左右のフォークでは、同じ親鎖に対応する連続・不連続が入れ替わります。

答案で矢印だけが並んでいたら、まず各矢印がフォークか新生鎖かを尋ねます。次に親鎖と新生鎖の5′・3′を記入し、矢印の先が新生鎖の3′端にあるかを一緒に確かめます。個別指導では、同じ図のフォークを反対側に移したとき、どの判断が変わるかを言葉にしてもらいます。端と動きを分けて描けば、初めて見る向きの複製フォークにも筋道が残ります。