高校生物 遺伝子の発現調節—転写を変える条件を比較実験から見分ける｜武蔵野個別指導塾

オペロンで抑制が外れる条件と転写因子の働きを比べ、同じDNAを持つ細胞でも発現が異なる理由を考えます。

よくあるのは、同じDNAを持つ細胞なら、同じ遺伝子が同じように発現すると考える場面です。多細胞生物の細胞を比べると、同じ遺伝情報を持っていても、作るタンパク質の種類や量は異なります。何が転写されるかを調節する仕組みと、実験で変えた条件を結び付けると、この違いを説明できます。

学校の範囲表と授業ノートで、遺伝情報の発現と発生のうち、オペロンと転写因子がどこまで扱われているか確認しましょう。ここでは転写の調節と細胞分化を扱い、転写後の詳しい修飾機構には立ち入りません。

答案で問われる3つの見方

1つ目は、プロモーター、オペレーター、調節タンパク質の役割を図から区別する型です。DNA上の場所と、そこに結合するタンパク質を同じものとして扱うと、何が転写を妨げるのか説明できません。ラベルの名前を覚えるとともに、結合先と結果を矢印でつなぎます。

2つ目は、物質の有無や遺伝子の状態を変えた実験の比較です。比べる2条件のうち、変わった点が1つなら、その変化と結果との関係を考えやすくなります。複数の条件が同時に変わったときは、どちらが結果に関係したかを切り分けられません。

3つ目は、異なる細胞で遺伝子の発現が異なる理由を記述する型です。DNAを持つことと、その遺伝子からRNAが作られることは別です。答案では「遺伝子がない」と短絡せず、調節に働くタンパク質と転写の違いをつなぎます。

DNA上の場所と調節するタンパク質

遺伝子の発現とは、遺伝情報が使われ、RNAやタンパク質などが作られることです。タンパク質を指定する遺伝子では、まずDNAをもとにRNAが作られます。この転写の始まりやすさを変えると、その先で作られるタンパク質の量も変わりえます。ただし、タンパク質量はRNAの分解や翻訳などにも左右されるため、タンパク質が少ないという観察だけで転写が減ったと断定はできません。

原核生物には、関連する複数の遺伝子が共通の調節を受け、まとめて転写されるオペロンがあります。プロモーターはRNAポリメラーゼが転写を始める際に認識するDNA上の領域です。オペレーターは調節タンパク質が結合して転写を調節するDNA上の領域です。遺伝子そのものと、これらの調節領域を図の上で分けて見ます。

図1のように、抑制タンパク質がオペレーターに結合すると転写が妨げられる型があります。ある物質が抑制タンパク質に作用し、オペレーターに結合できなくなると、抑制が解除されます。この関係は実際の乳糖オペロンを考える際の基本ですが、物質の作用の向きはオペロンごとに異なるため、問題の条件を先に読みます。

図1では、上段は抑制タンパク質がDNAに結合した状態、下段は物質が作用して結合できない状態です。下段の矢印は転写の進行を表します。転写が進むかどうかは、物質の名前だけでなく、調節タンパク質がDNAに結合できるかという途中の段階で判断します。

真核生物でも、転写を調節するタンパク質がDNAの特定の領域に結合します。転写因子には、転写の開始を助けるものや抑えるものがあります。細胞ごとに働く転写因子の組合せが異なれば、同じ遺伝子を持っていても転写のされ方は変わります。細胞分化とは、細胞が異なる構造や働きを持つようになることです。分化した細胞の性質を、発現する遺伝子や作られるタンパク質の違いと結び付けて考えましょう。

基本例題：物質を加えたときの転写

次は仕組みを考えるための自作モデルです。ある原核生物のオペロンには、タンパク質Rが結合するオペレーターと、酵素を指定する遺伝子があります。Rがオペレーターに結合すると転写は抑えられます。物質XがRに結合するとRはオペレーターに結合できなくなります。RNAポリメラーゼなど転写に必要な他の条件は同じで、測定時のRは働くものとします。

同じ種類の細胞を2群に分け、片方にXを加え、もう片方には加えません。十分に条件をそろえた後、対象遺伝子から作られるRNAを比較すると、Xなしでは少なく、Xありでは多くなりました。Xの有無による転写の違いを、「R」「オペレーター」「転写」の3語を用い、2文程度で説明してください。

図2のように、まず共通する条件と変えた条件を分けます。共通するのは細胞の種類と、転写に必要な他の条件です。変えたのはXの有無で、測ったのは対象遺伝子のRNA量です。酵素の活性や細胞の増殖量を直接測った結果ではありません。

Xがない群では、条件からRはオペレーターに結合でき、転写を抑えます。したがってRNAが少ないという結果と合います。Xがある群では、XがRに結合し、Rはオペレーターに結合できなくなります。その結果、転写の抑制が解除され、RNAが多いという結果と合います。

解答例は「XがないとRがオペレーターに結合し、転写を抑えます。XがあるとRがオペレーターに結合できなくなり、転写の抑制が解除されます」です。条件から判断した結合状態を間に置くと、物質の有無とRNA量を飛躍せずにつなげられます。

ここでの少ない・多いはモデルの比較結果であり、転写が完全に停止したことや、酵素量が同じ割合で増えたことまでは意味しません。RNA量の違いだけから実際の結合状態を証明したわけでもありません。設問で与えられたRの性質と組み合わせて、結果を説明しています。

条件を変えたときの分かれ目

同じ自作モデルに、Rを作れない細胞を加えて考えます。他の条件は正常な細胞と同じです。正常な細胞では、XなしでRNAが少なく、Xありで多いとします。Rを作れない細胞では、Xの有無にかかわらずRNAが多いとします。Rを外から補うと働けるものとして、Rを作れない細胞のXなしの条件にRを補った場合のRNA量を「多い」「少ない」から選び、理由を「抑制」「オペレーター」を用いて2文程度で答えてください。

Rを作れない細胞では、オペレーターに結合するRがないため、このモデルの抑制が働きません。XがなくてもRNAが多いことは、その説明と整合します。Xなしで働くRを補えば、Rはオペレーターに結合でき、転写が抑制されるので、RNA量は少なくなると予想します。答えを条件へ戻すと、補った後は正常な細胞のXなしと同じ調節状態になり、少ないという予想と一致します。

一方、補ったRが細胞内で働けるとは限らない実験なら、補充してもRNAが多い場合があります。その場合は、補充した量やRが機能したかを別に確かめなければ、モデルそのものの否定とは決められません。また、Rを作れない細胞と正常な細胞で他の条件まで異なれば、結果の差をRの有無に結び付けにくくなります。予想には、何が正常に働くという前提があるかを書き添えましょう。

転写の抑制が解除されたことと、積極的に転写を促す因子が働いたことも区別します。XありでRNAが増えただけでは、そのどちらの仕組みかを単独で決められません。上の例で抑制の解除と判断できるのは、RとXの作用を問題文が与えているからです。

誤答を手順に戻して直す

誤答の例は「Xがオペレーターに結合し、RNAポリメラーゼを直接動かす」です。Xを加えた群でRNAが多いという結果だけに注目し、問題文にある結合相手を取り違えています。図3のように、まずXが作用する相手をRに戻し、次にRとオペレーターの結合がどう変わるかをたどります。XがDNAに直接結合するという情報は与えられていません。

図3の上段は誤った対応、下段は問題の条件に沿った対応です。修正した答案では、XがRに結合し、Rがオペレーターに結合できなくなり、転写の抑制が解除されると書きます。矢印を1本ずつ説明できるか確認すれば、結論だけが合っている答案も点検できます。

別の誤答は「分化した細胞では不要な遺伝子がすべて失われるので、作るタンパク質が違う」です。同じDNAを持つ細胞の比較という前提に反し、発現の違いを遺伝子の有無の違いに置き換えています。修正すると「同じ遺伝子を持つ細胞でも、働く転写因子などの違いによって転写される遺伝子が異なり、作られるタンパク質に違いが生じます」となります。発現の違いだけから、DNAが失われたと推定しないことが要点です。

練習：結果と結論を対応させる

以下はすべて自作の条件と結果です。各問は互いに独立しています。解答を見る前に、比較する条件と測定したものを余白に書いてください。

問1

別の原核生物のモデルでは、タンパク質Sがオペレーターに結合すると、遺伝子群の転写が抑えられます。物質YがSに結合すると、Sはオペレーターに結合できるようになります。YがないとSは結合できません。他の条件を同じにして、YなしとYありのRNA量を比べます。どちらでRNA量が少ないと予想されますか。「Y」「S」「オペレーター」を用い、2文程度で理由を答えてください。

問2

同じDNAを持つ分化した細胞AとBを調べたところ、遺伝子PのRNAはAで多く、Bでは検出されませんでした。検出に用いた方法は両細胞に同じように適用できるとします。この結果から「Bには遺伝子Pが存在しない」と結論できるか答え、「DNA」「転写」を用いて2文程度で理由を示してください。

問3

真核生物の培養細胞で、遺伝子Qの転写を促すタンパク質Tの働きを調べます。同じ細胞から分けた2群のうち、一方ではTを働けなくし、もう一方は操作に使う液だけを加えました。その他の条件は同じです。前者では遺伝子QのRNAが少なく、後者では多くなりました。この比較が支持するTの働きを「転写」「対照」を用いて2文程度で答えてください。RNA量から直接は確定できないことも1つ挙げてください。

問4

あるモデルの調節タンパク質Uは、物質ZがないときDNAに結合して転写を抑え、Zがあると結合できません。Uを作れない細胞をZなしの条件に置き、働くUを補う実験を考えます。ところが、補ったUが細胞内に入っていないことが後から判明しました。RNAが多かった結果だけで「Uは転写を抑えない」と結論できるか答え、「細胞内」「結合」を使って2文程度で説明してください。

解答と確かめ方

問1の解答

YありでRNA量が少ないと予想します。解答例は「YがSに結合すると、Sがオペレーターに結合できるようになります。その結果、転写が抑えられます」です。YなしではSが結合できず、抑制が働かないという条件に戻して比較すると、ありの方が少ないという予想に一致します。基本例題のXとは物質の作用の向きが逆なので、物質があると必ず抑制が外れると覚えると誤ります。

問2の解答

結論できません。解答例は「BもAと同じDNAを持つという条件なので、遺伝子Pの存在を否定できません。Bでは遺伝子Pの転写が少ない可能性があります」です。検出されないことは測定方法の検出限界を下回る場合も含むため、転写が絶対にないとまでは断定しません。RNAが少ない原因には転写以外も考えられ、この観察だけで原因を確定しないことも必要です。

問3の解答

解答例は「Tを働けなくした群は、対照より遺伝子QのRNAが少なくなりました。この結果は、Tが遺伝子Qの転写を促すことを支持します」です。操作がT以外に影響しないという前提のもとでの推論です。RNA量だけではTが遺伝子Qの近くのDNAに直接結合するかは確定できず、間接的に転写を促す可能性も残ります。タンパク質Qの量も測っていないため、この結果からは直接わかりません。

問4の解答

結論できません。解答例は「補ったUが細胞内に入っていなければ、DNAへの結合を調べられません。RNAが多い結果は、働くUが届かなかったことでも説明できます」です。細胞内に働くUが届く条件で、補わない対照と比較し直します。失敗した操作の結果を、そのままタンパク質の性質の証拠にしないことが分かれ目です。

覚えておくこと

• DNA上の調節領域と、結合するタンパク質を区別します。
• 物質の作用から、結合状態と転写への影響を順にたどります。
• 比較では変えた条件と測定した量を分けます。
• 同じDNAを持つ細胞でも、発現する遺伝子は異なります。

答案のどこで止まっているか

図に名前を書けるのに実験を説明できないときは、物質から調節タンパク質、DNAへの結合、転写の順に矢印を描いてもらいます。矢印の途中で相手が変わっていれば、問題文の条件へ戻って修正します。細胞分化の説明でDNA自体が変わると書いた場合は、同じDNAという前提に印を付け、RNAの量とタンパク質の違いを別々に説明できるか確かめます。

個別指導では、正解したかだけでなく、対照群を選んだ理由や、観察だけでは決められないことを生徒の言葉で確認します。結果と仕組みをつなぐ条件が答案に残れば、初めて見る比較実験でも根拠をたどれます。