高校生物 スプライシング—切り出す領域と成熟RNAの長さを対応させる｜武蔵野個別指導塾

残るエキソンの合計から非翻訳領域と終止コドンを区別し、成熟RNAの長さとアミノ酸数を別々に求めます。

よくあるのは、高校生がエキソンの長さを合計し、その数をそのまま3で割ってアミノ酸の数にする場面です。残った領域の中には翻訳されない部分もあります。さらに終止コドンはアミノ酸に対応しません。長さの計算を始める前に、RNAのどの部分が残り、残った部分のどこが翻訳されるかを別々に決めましょう。

何を区切って答えるか

資料の出方には、少なくとも3つの型があります。第1は、転写産物に並んだエキソンとイントロンの長さから、つなぎ合わせたRNAの長さを求める型です。第2は、成熟mRNAの非翻訳領域と終止コドンを考えて、できるポリペプチドのアミノ酸数を求める型です。第3は、同じ転写産物から異なるエキソンの組合せが残る資料を比較する型です。どの型でも、単位が塩基数なのかアミノ酸数なのかを答案に添えます。

条件が足りない場合もあります。残ったエキソンの長さがわかっても、開始位置や終止位置がわからなければアミノ酸数は決められません。逆に、各エキソンの長さがわからなくても、成熟RNA全体と取り除いた領域の長さが与えられれば、元の長さを求められます。求める量を見て、どの条件が必要かを先に整理します。

残る部分と翻訳される部分

真核生物では、遺伝子の転写によってできたRNAから、イントロンが取り除かれ、エキソンがつなぎ合わされます。この過程をスプライシングといいます。エキソンは成熟RNAに残る部分、イントロンはその過程で取り除かれる部分です。DNAからイントロンが切り取られるという意味ではありません。ここでは長さの範囲を明示したモデルを使い、キャップやポリA付加による長さの変化は計算に含めません。実際の真核生物のmRNAはこうした加工も受けます。

図1のように、転写産物上ではエキソンとイントロンを分け、成熟RNA上では残ったエキソンの中をさらに分けます。矢印は切除後につながる関係を示し、分子が移動する向きではありません。エキソンという区分はスプライシング後に残るかどうかの区分であり、翻訳領域という区分はアミノ酸の並びに対応するかどうかの区分です。

図1では両端に非翻訳領域があります。非翻訳領域は成熟mRNAに含まれますが、ポリペプチドのアミノ酸配列には翻訳されません。開始コドンから終止コドンまでを含む区間を与えられた場合、その長さを3で割った値には終止コドンが1個含まれます。終止コドンはアミノ酸を指定しないので、対応するアミノ酸数を求めるときには1を引きます。開始コドンは翻訳の開始位置を定め、通常メチオニンに対応するので、条件に別の指定がなければ数に含めます。

同じ転写産物でも、エキソンの選ばれ方が変わって異なる成熟RNAができることがあります。これが選択的スプライシングです。あるエキソンが残るかどうかでRNAの長さが変わり、翻訳領域にかかればポリペプチドの配列や長さも変わり得ます。ただし、長さの差があるだけでは、どの塩基が変わったかや、できたタンパク質の働きまでは決められません。除かれた領域が非翻訳領域に限られる場合もあります。

一般に、転写産物の対象区間の長さをT、除かれるイントロンの合計をI、残る対象区間の長さをMとすると、MはTからIを引いた値です。エキソンの長さが個別に与えられるなら、その合計から直接Mを出せます。2つの方法の値が一致するか確かめると、引き忘れや二重計上を見つけられます。対象区間の端に加工で追加された部分を含むかは、問題の条件に従います。

基本例題：残った長さから数える

次は自作の長さのモデルです。転写産物の対象区間は、順にエキソンAが90塩基、イントロンが40塩基、エキソンBが120塩基、イントロンが50塩基、エキソンCが60塩基です。両イントロンが除かれてA、B、Cがつながります。成熟RNAの対象区間では、5′側の非翻訳領域が30塩基、3′側の非翻訳領域が27塩基です。その間は開始コドンから終止コドンまで連続し、途中に終止コドンはありません。追加される部分は数えません。成熟RNAの長さを塩基数で、ポリペプチドの長さをアミノ酸数で答えてください。

図2のように、最初に残る領域を決めます。A、B、Cの合計は90 + 120 + 60で270塩基です。切り取られる領域を含めた転写産物は90 + 40 + 120 + 50 + 60で360塩基なので、360から40と50を引いても270塩基に戻ります。

次に図2の成熟RNAから非翻訳領域を除きます。270 − 30 − 27は213塩基です。これは開始から終止までを含むので、213を3で割ると71コドン、そのうち終止コドンを除いた70個がアミノ酸に対応します。答えは270塩基と70個です。逆に70個に対応する210塩基に終止コドンの3塩基と両端の30、27塩基を足すと270塩基となり、元の条件に戻ります。

非翻訳領域を引かずに270を3で割ると90になり、終止コドンを引いても89個です。この数字は、非翻訳領域を翻訳対象に入れてしまった結果です。計算が割り切れることは、領域の選び方が正しい証拠にはなりません。

標準例題：残る組合せを比較する

同じ転写産物にエキソンP、Q、R、Sが順にあり、長さはそれぞれ72、45、84、99塩基です。型Xでは4つとも残り、型YではQが除かれ、P、R、Sがこの順につながります。他のイントロンはいずれも除かれます。ここでいう長さには追加部分を含めません。型Xと型Yの成熟RNAの長さ、および両者の差を塩基数で答えてください。さらに、Qが非翻訳領域に全て含まれ、開始から終止までの配列は両型で同じとします。アミノ酸数の差も整数で答えてください。

型Xは72 + 45 + 84 + 99で300塩基です。型Yは72 + 84 + 99で255塩基です。差は300 − 255で45塩基です。別解では、Xに含まれてYに含まれないQの45塩基を直接差とします。255に45を戻すと300なので、比較の向きも確かめられます。

アミノ酸数の差は0個です。45塩基が減っても、条件では翻訳される配列が同じだからです。RNAの長さの差を3で割って15個の差とするには、除かれた部分が翻訳領域にあり、読み枠などに関する条件も必要です。選択的スプライシングという名前だけから、タンパク質の長さの差を決めることはできません。

発展例題：観測値と結論の距離

ある転写産物について、型LはエキソンD、E、Fを含み、型SはDとFを含むとします。Eは60塩基で、DとFの合計は240塩基です。対象区間以外の付加は長さに含めません。2つの条件で、それぞれ同じ方法で型Lと型Sの量を測った自作資料を考えます。縦軸は各型の相対量、単位は任意単位、横軸は条件です。対照条件ではLが80、Sが20、比較条件ではLが50、Sが50でした。各値の観測誤差の目安はそれぞれ±5任意単位です。両型の長さを塩基数で、各条件でのLの割合を百分率で答え、資料から言えることを述べてください。

Lは240 + 60で300塩基、Sは240塩基です。差の60塩基をSに足すとLに戻ります。Lの割合は対照で80/(80 + 20)を100倍して80%、比較条件で50/(50 + 50)を100倍して50%です。各条件でSの割合はそれぞれ20%、50%となり、LとSを合わせると100%です。これは表示値から計算した割合であり、誤差まで消えるわけではありません。

グラフなら同じ縦軸の目盛りで両型を読み、各条件の合計を分母にして比べます。表示値では比較条件のLの割合が低く、Sの割合が高いと言えます。ただし、この資料だけでは条件の変更が直接スプライシングを変えたと断定できません。各RNAの分解や測定の偏りも量に影響し得ます。対照と比較条件では、調べたい条件以外をそろえ、独立した試料で繰り返した結果も比べます。誤差の範囲が重なる程度の差なら、表示値の大小だけで変化を断言しないことも必要です。これは資料の考察であり、操作の手順を示すものではありません。

誤答を領域まで戻して直す

図3のように、成熟RNAの長さをそのまま3で割る誤りでは、非翻訳領域が計算に混ざっています。修正には、まず両端の非翻訳領域を引き、開始から終止までを取り出します。その区間に終止コドンを含むという条件なら、3で割った後に1を引きます。最初から終止コドンを含まない翻訳領域の長さが与えられた問題で、さらに1を引かないようにします。

図3の2段階は別の理由によります。非翻訳領域はそもそもコドンとして数える範囲から外し、終止コドンは数えたコドンからアミノ酸に対応しないものとして外します。また、イントロンを残したまま計算する誤りでは、成熟RNAの長さ自体が大きくなります。転写産物の図と成熟RNAの図を並べ、どの区間を消したかを示せば、どちらの段階で誤ったか見分けられます。

別の誤りは、異なる長さのRNAを見て、必ず異なる長さのタンパク質になると結論することです。非翻訳領域の差でもRNAの長さは変わります。翻訳領域の位置と読み枠、終止位置の情報が不足するなら、答えは「長さだけでは決められない」です。実測値が予想と一致しない場合も、ただちにモデルを捨てず、測定誤差、試料や条件の違い、モデルに含めなかった加工を順に検討します。

練習：区間を描いてから計算する

以下の長さは全て自作の条件です。付加された部分は数えず、指定された区間を対象にします。各問で答えの単位や形に従ってください。

1. 転写産物にエキソンが110、80、70塩基、イントロンが35、25塩基あります。2つのイントロンが除かれ、3つのエキソンが残ります。転写産物と成熟RNAの対象区間の長さを、それぞれ塩基数で答えてください。
2. 成熟RNAの対象区間は330塩基で、5′側と3′側の非翻訳領域はそれぞれ42、30塩基です。その間は開始から終止までで、途中に終止コドンはありません。ポリペプチドの長さをアミノ酸数で答えてください。
3. 型Mには長さが64、51、95塩基の3つのエキソンが残り、型Nには最初と最後の2つが残ります。両型の長さと差を塩基数で答えてください。
4. 成熟RNAの対象区間が390塩基であることだけが示されています。ポリペプチドの長さを決められるか、非翻訳領域と終止位置という語を使い、理由を述べてください。
5. 対照条件で型Uと型Vの相対量がそれぞれ30、70任意単位、比較条件でそれぞれ60、40任意単位でした。観測誤差の目安は各値±4任意単位です。各条件におけるUの割合を百分率で答え、この資料だけから条件が直接スプライシングを変えたと言えるか、理由を述べてください。

練習の答えと道筋

1. 転写産物は110 + 80 + 70 + 35 + 25で320塩基、成熟RNAは110 + 80 + 70で260塩基です。260に除いた35と25を戻すと320となり、元の対象区間に一致します。イントロンを引く方法でも320 − 35 − 25で260です。
2. 開始から終止までの長さは330 − 42 − 30で258塩基です。258を3で割ると86コドンで、終止を除いて85個です。85個分の255塩基に終止の3塩基と非翻訳領域の72塩基を加えると330塩基になります。
3. Mは64 + 51 + 95で210塩基、Nは64 + 95で159塩基、差は51塩基です。Nに欠けていた51塩基を足すと210に戻ります。差が翻訳に影響するかは、この条件だけでは決められません。
4. 決められません。非翻訳領域の長さや終止位置が不明なので、アミノ酸に対応する区間の長さが定まりません。390塩基から非翻訳領域と終止コドンを差し引いた後に3で割るには、それらの情報が必要です。
5. 対照では30/(30 + 70)を100倍して30%、比較条件では60/(60 + 40)を100倍して60%です。Vはそれぞれ70%、40%なので各条件で合計は100%です。表示値ではUの割合が高くなりますが、RNAの分解や測定の影響などを排除できないため、直接の原因とは断定できません。誤差を考えた繰り返しの比較が必要です。

手元に残す要点

転写産物からイントロンを除き、残るエキソンをつなぎます。 成熟RNAの長さとアミノ酸数の計算範囲は異なります。 開始から終止までのコドン数には終止コドンが含まれます。 選択的スプライシングの差は、残る領域と翻訳位置を条件で判定します。 観測した量の差と、その原因を分けて考えます。

答案が合わないときは、最初に転写産物から消した区間、次に成熟RNAから翻訳対象として取り出した区間を見比べます。個別指導では、計算式の各項が図のどこに対応するか、終止コドンを何として数えたかを問い返します。条件不足の問題では、どの情報が加われば答えが定まるかを自分の言葉で示せるかを確かめます。領域の境界が見えれば、割り算の意味も明確になります。