共通テスト生物基礎の遺伝情報の発現｜配列と実験結果から発現の違いを説明する｜武蔵野個別指導塾

短い配列と自作の実験表を手がかりに、転写と翻訳、細胞の違いから読み解くのは遺伝情報の発現です。

よくあるのは、同じDNAをもつ細胞の働きが違う理由を考える机で、遺伝子の有無と働きの違いを一度に判断してしまう場面です。細胞の種類によって、作られるタンパク質の種類や量は異なります。その違いを考えるときは、DNAの情報がRNAに写される段階と、RNAの情報を使ってタンパク質が作られる段階を分けて追います。資料の数値を見るときも、何を測ったかと、何をそろえて比べたかが出発点です。

要点（結論から）

• 鋳型鎖の3′から5′に対応させ、mRNAを5′から3′へ書きます。
• 開始位置からmRNAを3塩基ずつ読み、終止はアミノ酸に数えません。
• 同じDNAをもつ細胞でも、発現する遺伝子や量は異なります。

まず資料の種類を見分ける

配列を読む型では、DNAのどちらの鎖が鋳型か、各鎖の端が5′と3′のどちらかが示されます。鋳型鎖と相補的なmRNAを作り、そのmRNAを5′側から3塩基ずつ区切って、与えられた対応表を使います。DNAの3塩基をそのまま表に当てると、鋳型鎖の場合は別の配列を読んでしまいます。配列の一部だけが示された問題なら、開始位置や終止位置を勝手に補わず、与えられた条件で読める範囲を答えます。

実験表を読む型では、細胞の種類や処理を変えたとき、特定の遺伝子に対応するmRNAやタンパク質がどの程度検出されたかを比べます。同じ遺伝子があることと、その遺伝子のmRNAが同じ量だけあることは別です。さらにmRNAの量が違うことだけから、転写の速さやタンパク質の量まで一意には決まりません。何を直接測定したかを表の見出しに戻して確認します。

もう1つは、ある条件が発現に関係するかを調べる型です。比べる組では調べたい条件以外をそろえ、差が出たらその条件との関係を考えます。比較の条件が複数違えば、結果の差の原因を1つに決めることはできません。いずれも、観察された差と、そこから考えられる説明の範囲を分けることが鍵です。

DNAからタンパク質までの道筋

タンパク質を作る遺伝子では、DNAの一方の鎖を鋳型としてRNAが合成されます。この過程が転写です。DNAの塩基A、T、G、Cに対し、RNAではそれぞれU、A、C、Gが対応します。RNAにはDNAのTに代わってUが使われます。2本のDNA鎖は向きが逆で、転写されるmRNAも鋳型鎖とは逆向きです。鋳型を3′から5′へたどると、作られるmRNAは5′から3′へ並びます。

図1のように、転写で得たmRNAの情報をリボソームが読み、アミノ酸を順につなぐ過程を翻訳といいます。mRNAの連続する3塩基をコドンと呼び、コドンとアミノ酸などの対応を遺伝暗号といいます。終止コドンは翻訳を終える合図であり、アミノ酸として数えません。mRNAとタンパク質では、情報の表し方が塩基の並びからアミノ酸の並びに変わります。

図1の矢印は、情報を使う順序を表します。DNAの全てがタンパク質に変わるという意味ではありません。また、タンパク質を指定しないRNAもあるため、遺伝子の発現を常にタンパク質の完成だけに限定しないようにします。真核細胞では転写後のRNAが加工される場合もありますが、以下の配列問題は加工後に翻訳されるmRNAの対応部分を条件として与えます。

体の細胞は通常、同じ個体に由来するほぼ同じDNAをもちますが、細胞ごとに転写される遺伝子やその量が異なります。作られるRNAやタンパク質の違いは、細胞の形や働きの違いに関係します。ただし、同じDNAをもつことだけでは、個々の遺伝子がどの細胞でどの程度発現するかは決まりません。資料に示された遺伝子を個別に見る必要があります。

基本例題：鋳型鎖から3塩基ずつ読む

次の配列は、ある真核細胞の遺伝子の転写に使われるDNAの鋳型鎖の一部です。示した範囲は、加工後のmRNAにも同じ並びで残るものとします。対応するmRNAを5′から3′の向きで書き、その先頭のAUGから翻訳が始まって、終止コドンまでに指定されるアミノ酸を順に書いてください。終止コドンをアミノ酸に含めず、個数も整数で答えます。

鋳型鎖：3′-TAC GAA CCG ATT-5′

この問題で必要なmRNAの対応は、AUG：メチオニン、CUU：ロイシン、GGC：グリシン、UAA：終止です。表にあるのはmRNAのコドンであり、DNAの鋳型鎖の配列ではありません。図2では、まず上下の対応を一文字ずつ確かめ、それから下の列を左から読みます。

はじめに鋳型鎖の左端が3′、右端が5′であることを確認します。mRNAはそれと逆向きなので、左端が5′、右端が3′です。左から対応を取ると、TACにはAUG、GAAにはCUU、CCGにはGGC、ATTにはUAAが対応します。各文字を見直せば、TとA、AとU、CとGという対応がそれぞれ使われています。

mRNAは5′-AUG CUU GGC UAA-3′です。指定された先頭のAUGを開始位置として3塩基ずつ区切ると、AUG、CUU、GGC、UAAの順です。表に当てると、メチオニン、ロイシン、グリシンと続き、UAAで翻訳が終わります。答えはこの順に3個です。4組のコドンがあっても、最後の1組は終止の合図なので、アミノ酸は4個ではありません。

逆に、得られたmRNAのAUG CUU GGC UAAを鋳型鎖の3′側から対応させると、TAC GAA CCG ATTに戻ります。開始位置から終止までを再び表に当てても、3個の並びと終止が再現されます。このように、配列を戻す確認と、表の意味を確認する作業は別々に行います。転写の対応が正しくても、区切る位置を1文字ずらせば違う答えになるからです。

比較例題：発現量の差と原因を分ける

同じ個体の細胞Aと細胞Bには、遺伝子Pと遺伝子Qがともに存在するとします。2種類の細胞を同じ条件で培養し、それぞれ同じ数の細胞からRNAを取り出しました。下の値は、各遺伝子に対応するmRNA量を同じ基準で表した自作の相対値です。測定値は検出限界を上回っているものとします。

PのmRNA量はAがBの何倍か、整数で答えます。また、表から直接読み取れる発現の違いと、これだけでは決められないことをそれぞれ述べてください。

Pについては12を3で割り、12 / 3 = 4より、AはBの4倍です。逆にBの3に4を掛けると12に戻ります。両者とも同じ数の細胞を使い、同じ基準で測ったので、この表の値を比べられます。QはAもBも6ですから、この測定ではQのmRNA量に差は示されていません。PのDNAがAにしかない、という説明は問題文の条件とも合いません。

ここでの分かれ目は、mRNA量を比べるのか、差が生じた仕組みを決めるのかです。測定した時点のmRNA量には、作られる過程だけでなく、分解される過程なども関係します。したがって、この表だけからPの転写速度がAでBの4倍だとは断定できません。Pのタンパク質量も測っていないので、同じ比率になるとは決められません。

次に、細胞Aについて物質Xを加えない組と加える組を用意し、細胞数、培養時間、測定方法などをそろえてPのmRNA量を調べたとします。加えない組が8、加える組が16なら、Xの有無以外の条件をそろえたこの比較では、Xを加えた組の値が2倍です。8に2を掛けると16に戻ります。Xの添加とmRNA量の増加の関係は示されますが、XがDNAに直接作用したか、別の物質を介したかは、この表だけでは決められません。

もしXを加えた組だけ培養時間も長ければ、Xの有無と時間が同時に変わります。値が異なっても、どちらの違いによるかをこの比較から切り分けられません。Xの影響を調べるには、同じ時間でXの有無を比べる組を用意します。結果が出なかった場合も、測定が十分に行われたか、検出限界や対照の値を確かめてから考えます。

誤答を直す：配列と実験表の読み違い

図3のように、基本例題の鋳型鎖TACをそのままmRNAのコドンとして扱うのは誤りです。DNAのTをUに置き換えてUACとするだけでは、鋳型鎖に相補的な配列を作ったことになりません。TACに対応するmRNAはAUGです。まず資料の鎖が鋳型かどうかを見て、鋳型なら1塩基ずつ対応させます。

もう一方のDNA鎖が与えられた場合は注意が必要です。鋳型でない鎖をmRNAと同じ向きに並べると、対応する範囲ではTをUに置き換えた配列になります。どちらの鎖なのかが示されなければ、単に「DNAの配列」という言葉から一方に決められません。図3の修正は、与えられた鎖が鋳型である場合に使います。

実験表では「mRNA量が多い細胞は、その遺伝子のDNAを多くもつ」という誤答にも気をつけます。前の表で両細胞はPをもつと与えられ、測られたのはPに対応するmRNAです。DNAの量はその表の測定対象ではありません。修正すると、同じ数の細胞について、AのPのmRNA量がBより多い、となります。数値から読めることに主語と測定対象を付ければ、観察と推測を分けられます。

練習：配列と条件を確かめる

以下は全て自作の設定です。配列は示された範囲が加工後のmRNAに残るものとし、各問の必要な対応は問題中に与えます。まず4問を続けて解き、後の解答で対応と理由を確認してください。

問1

ある遺伝子のDNA鋳型鎖は3′-TAC AAA GCT ACT-5′です。対応するmRNAを5′から3′に書き、先頭のAUGから翻訳を始めたとき、終止までのアミノ酸の種類と順番、個数を答えてください。mRNAの対応はAUG：メチオニン、UUU：フェニルアラニン、CGA：アルギニン、UGA：終止です。

問2

ある遺伝子のDNA鋳型鎖が5′-TTA CCA CAT-3′と書かれています。対応するmRNAを5′から3′に書き、先頭のAUGから終止までに指定されるアミノ酸の順番と個数を答えてください。mRNAの対応はAUG：メチオニン、UGG：トリプトファン、UAA：終止です。端の向きに注意します。

問3

同じ個体に由来し、遺伝子RとSを両方もつ細胞CとDを、同条件で同じ数ずつ調べました。RのmRNA量の相対値はCが5、Dが15、SのmRNA量はCが9、Dが9でした。DのRのmRNA量はCの何倍か、整数で答えてください。また、次の記述アとイそれぞれについて、この資料から言えるかどうかと理由を述べてください。

ア：この測定ではRのmRNA量はDの方が多い。

イ：Sのタンパク質量はCとDで必ず同じである。

問4

同じ種類の細胞で、遺伝子Tに対応するmRNA量への物質Yの影響を調べました。細胞数と測定法は同じですが、組EはYを加えず2時間培養し、組FはYを加えて4時間培養しました。mRNA量の相対値はEが7、Fが21です。Fの値はEの何倍か整数で答えたうえで、Yの添加が差の原因だとこの比較だけで決められるか、理由と改善する比較条件を述べてください。

解答と確かめ方

問1のmRNAは5′-AUG UUU CGA UGA-3′です。鋳型鎖を左から読むと、TACにAUG、AAAにUUU、GCTにCGA、ACTにUGAが対応します。与えられた開始位置から区切ると、メチオニン、フェニルアラニン、アルギニンの順で3個です。UGAは終止です。mRNAを鋳型に戻すとTAC AAA GCT ACTとなり、問題の配列を再現します。

問2では、鋳型鎖が左から5′、右が3′です。mRNAを5′から書くため、まず鋳型を右端の3′から左向きに読みます。右から並べた鋳型は3′-TAC ACC ATT-5′なので、mRNAは5′-AUG UGG UAA-3′です。指定された表から、メチオニン、トリプトファンの順で2個となり、UAAで終わります。mRNAに対応する鋳型を3′-TAC ACC ATT-5′と戻し、さらに元の向きで書けば5′-TTA CCA CAT-3′です。左右を入れ替えるときは端の表示も一緒に移します。

問3は15 / 5 = 3より3倍です。5に3を掛けるとDの15に戻ります。アは言えます。同じ数の細胞を同条件で測り、Rの値はDの15がCの5を上回るからです。イは言えません。Sについて測定されたのはmRNA量であり、タンパク質量の測定値はありません。mRNA量が等しいという結果と、タンパク質量が必ず等しいという結論の間には、資料にない段階があります。

問4は21 / 7 = 3より3倍で、7に3を掛けると21に戻ります。ただしYの影響だけで差が生じたとは決められません。Yの有無と培養時間の両方が違うためです。例えば同じ時間、同じ細胞数と測定法で、Yを加えない組と加える組を比較します。その比較で差が出ればYの添加との関係を考えられますが、直接の作用経路までは別の証拠が必要です。

要点を手元に残す

• 鋳型鎖の3′から5′に対応させ、mRNAを5′から3′へ書きます。
• 開始位置からmRNAを3塩基ずつ読み、終止はアミノ酸に数えません。
• 同じDNAをもつ細胞でも、発現する遺伝子や量は異なります。
• mRNAとタンパク質は別の測定対象です。
• 対照では調べたい条件以外をそろえ、結論の範囲を守ります。

つまずいた箇所を見つけるには

配列の答えが合わないときは、最初の1塩基の対応だけを指でたどり、次に両端の5′と3′を確認します。対応は正しいのにアミノ酸が違うなら、開始位置と3塩基の区切りを見直します。表の問題なら、値に線を引く前に、細胞数、測定対象、比較する2組の条件を言葉で説明してみます。

個別指導で確認する場合も、答えだけでなく、鋳型鎖からmRNAを作る途中の対応と、実験表でそろえた条件を示す箇所を一緒に確かめます。複数の条件が変わった表を前に、どの結論を保留するかまで説明できれば、数字が変わった資料でも根拠を追えます。