【生物基礎】遺伝情報と DNA を図解で総まとめ—DNA の構造・複製・細胞周期と体細胞分裂｜武蔵野個別指導塾

塩基の相補性、2回の半保存的複製、細胞周期によるDNA量の変化を図と例題で整理します。体細胞分裂の観察像を見分け、DNA量と染色体数を区別する手順を確かめましょう。

よくあるのは、模試会場の入口で最後にノートを開き、「DNAは分裂前に2倍になる」と「体細胞分裂で染色体数は変わらない」が矛盾して見えて、どちらを覚えるべきか迷う場面です。どちらも正しい説明ですが、数えているものと比べている時点が違います。DNAの量を見ているのか、染色体の本数を見ているのかをそろえると、疑問をほどくことができます。

この単元では、DNAという物質のつくりから、同じ遺伝情報を複製するしくみ、複製したものを2つの細胞に分ける過程までをつなげます。AやTという文字だけを覚えるのではなく、片方が決まればもう片方が決まる規則を使って考えます。図の色やグラフの高さについても、「何を表しているか」を言葉にしてから読むことが大切です。順序をつかめば、塩基配列の問題と細胞分裂の問題を、別々の暗記として扱う必要がなくなります。

この単元で身につけること

• DNAの材料と形を説明します。ヌクレオチドが多数つながった鎖が2本あり、それらが二重らせんをつくる関係を押さえます。
• 塩基の相補性を使います。AとT、GとCという組合せから、向かい合う鎖の配列や二本鎖全体の塩基の割合を求めます。
• 遺伝子・DNA・ゲノムを区別します。物質の名前、情報を担う領域、ひとそろいの遺伝情報という、言葉の役割の違いを整理します。
• 半保存的複製を図から読み取ります。元の鎖を残しながら新しい鎖をつくることを、1回目と2回目の複製に分けて追います。
• 細胞周期と体細胞分裂を対応させます。DNA量が増える時期と、染色体が分かれる時期を区別し、観察像を根拠に分裂の段階を判断します。

中学校で学んだ「核には染色体があり、細胞分裂で分かれる」という内容に、染色体の主な構成成分であるDNAのふるまいを重ねる単元です。用語を増やすだけでなく、「何を、いつ、どの単位で数えるか」を添えて説明できることが目標になります。

基本の考え方

DNAの形と、向かい合う塩基の決まり

DNAはデオキシリボ核酸という物質で、遺伝情報を担います。基本単位のヌクレオチドは、リン酸、糖、塩基が1つずつ組み合わさったものです。DNAの糖はデオキシリボースと呼ばれます。塩基だけがヌクレオチドなのではなく、糖とリン酸も含めたまとまりである点を区別しましょう。

DNAをつくる塩基には、アデニンのA、チミンのT、グアニンのG、シトシンのCの4種類があります。多数のヌクレオチドがつながって1本の鎖をつくり、2本の鎖がより合わさった構造を二重らせんといいます。はしごにたとえると、外側の縦の部分が糖とリン酸の並び、横の段に当たる部分が向かい合う塩基の組です。ただし、実際のDNAは平らなはしごではなく、ねじれた立体構造です。

図1は、二重らせんをほどいて平面に表した模式図です。丸と五角形が外側の骨格を表し、内側の文字が塩基を表します。左上の淡い橙色の囲みは、リン酸・糖・塩基からなるヌクレオチド1個を示しています。

図1のように、塩基はAとT、GとCの組で対になります。この決まった相手と対をつくる性質を塩基の相補性といいます。対になった塩基の1組が塩基対です。たとえば4塩基対の部分には、両方の鎖を合わせて8個の塩基、つまり8個のヌクレオチドがあります。「4塩基」と「4塩基対」では数える対象が違います。

向かい合う2本の鎖の塩基どうしは水素結合で結びついています。一方、1本の鎖に沿ってヌクレオチドがつながる結合は、それとは別のものです。複製の最初に2本の鎖がほどけるとき、1本の鎖まで細かく切り刻まれるわけではありません。順番を保った鎖が残るからこそ、それをもとに同じ情報を写せます。

遺伝情報に関係するのは塩基の並ぶ順序、すなわち塩基配列です。同じ4種類の文字でも、並び方が違えば異なる内容を表せることに似ています。二本鎖DNA全体ではAの数とTの数、Gの数とCの数が等しくなりますが、片方の鎖だけでAとTが同数になるとは限りません。この「全体では」という条件が、割合の問題で欠かせません。

遺伝子・ゲノムと半保存的複製

遺伝子は、DNAのうち、タンパク質などをつくるための情報を担う領域です。DNAという長い物質の中に、遺伝子としてはたらく部分があります。DNA全体と遺伝子1個を同じ大きさのものとして考えないようにします。また、DNAには遺伝子以外の領域もあり、「DNAのすべてが1つの遺伝子」という説明にはなりません。

ゲノムは、生物が生命活動を営むために必要な、ひとそろいの遺伝情報です。「ゲノム＝遺伝子1個」ではなく、全体のひとそろいを指す言葉です。ヒトなどの通常の体細胞の核には、父親と母親に由来する2組のゲノムがあります。ここでいう2組とは、由来の異なるひとそろいが2つあるという意味であり、細胞分裂前にDNAを複製して量が2倍になることとは区別します。

真核細胞の核の中では、DNAはタンパク質と結びついて染色体を構成しています。分裂の時期になると凝縮して、染色体を1本ずつ見分けやすくなります。間期に染色体が棒状に見えないからといって、DNAや染色体そのものがなくなったわけではありません。観察される形の変化と、物質の有無は別のことです。

DNAの複製とは、もとのDNAと同じ塩基配列のDNAをつくることです。まず2本の鎖がほどけ、それぞれの鎖が新しい鎖をつくるための鋳型になります。鋳型とは、相手を決めるもとになるものです。元の鎖にAがあれば向かい側にTが、GがあればCが対応するように、新しいヌクレオチドが並んでつながります。

その結果、元の鎖1本と新しい鎖1本からなる二本鎖DNAが2分子できます。この複製のしかたを半保存的複製といいます。「半分保存される」の半分は、完成した二本鎖を構成する2本の鎖のうちの1本です。塩基配列の前半だけを残すという意味でも、元の二本鎖をそのまま1分子として残すという意味でもありません。相補性によって、元のどちらの鎖を鋳型にしても、もとのDNAと同じ情報を備えた二本鎖ができます。

細胞周期と体細胞分裂の順序

細胞周期は、ある細胞が分裂して生じてから、次に分裂して2つの娘細胞を生じるまでの一連の過程です。娘細胞とは、分裂の結果できた細胞を指します。細胞周期は大きく間期と分裂期に分けられ、間期はG₁期、S期、G₂期に区分されます。間期という名前でも、細胞が何もしていない期間ではありません。

G₁期はDNA合成の準備をする時期で、細胞は成長し、生命活動を行います。S期にDNAの複製が進み、G₂期には分裂の準備を進めます。その後の分裂期、すなわちM期には、核分裂と細胞質分裂が起こります。DNAを増やすのはS期であり、染色体を両側へ分けるのは分裂期です。準備してから分けるという順序を崩さないことが大切です。

体細胞分裂の核分裂は、前期・中期・後期・終期の順に進みます。前期には染色体が凝縮し、やがて核膜が消失していきます。中期には染色体が細胞の中央付近に並びます。複製後の各染色体は、同じ情報を持つ2本の姉妹染色分体からなり、それらは動原体付近でつながっています。染色分体とは、この複製された染色体の一方ずつを指す名称です。

後期には姉妹染色分体が分離し、それぞれ染色体として細胞の両極へ移動します。終期には分かれた染色体の集まりの周囲に核膜ができ、染色体はほどけていきます。動物細胞では細胞のくびれ、植物細胞では中央にできる細胞板などによって細胞質も分かれます。通常の体細胞分裂では、それぞれの娘細胞に分裂前と同じ染色体の組が受け継がれます。

観察では、形の名前だけでなく配置を見ます。中期は中央に並ぶ様子、後期は2つの集まりが離れていく様子、終期は2つの核ができる様子が手がかりです。植物の根端のように分裂が盛んな部分の標本では、異なる段階の細胞を同じ視野で観察できます。固定・染色された標本はその瞬間の姿をとどめたものなので、1個の細胞が時間とともに変化する動画とは区別して読み取りましょう。

例題で解き方を確かめる

例題1　向かい合う塩基配列と塩基の割合

ある二本鎖DNAの片方の鎖の一部を、左からA・G・T・C・C・Aと表しました。これに向かい合う鎖の塩基を、同じ図の左から右の位置順に答えましょう。また、この6塩基対の部分で、二本鎖全体に含まれるAの割合を求めましょう。鎖の向きを反転して書く問題ではなく、上下に対応する文字を置く問題です。

1. 上の鎖の各文字の下に相手を書きます。Aの下にT、Gの下にC、Tの下にA、Cの下にGを置くのは、相補性によって組合せが決まるためです。向かい合う鎖はT・C・A・G・G・Tになります。
2. Aの数を両方の鎖で数えます。上の鎖には2個、下の鎖には1個あるので、合計は3個です。全体の割合を求めるとき、片方だけの個数では不足します。
3. 塩基の総数を求めます。6塩基対なので6 × 2＝12個であり、Aの割合は3 ÷ 12 × 100＝25％です。分母に6を使うと、塩基対の数と塩基の数を混ぜてしまいます。

答え：向かい合う配列はT・C・A・G・G・T、二本鎖全体のAの割合は25％です。

この例では片方の鎖だけを見るとAは2個、Tは1個です。それでも二本鎖全体ではAもTも3個となります。相補性による数の等しさは、向かい合う相手を含めて数えることで確かめられます。

例題2　2回複製したときに元の鎖が残る分子

最初に1分子の二本鎖DNAがあります。最初からある2本の鎖を紺色、それ以後に合成された鎖を赤色とします。すべてのDNAが1回ずつ複製する操作を2回行ったとき、DNAは何分子になり、最初からある紺色の鎖を含むDNAは何分子になりますか。図2では、横線2本を二本鎖DNAの1分子として表しています。

1. 最初の2本の鎖を別々に追います。図2の紺色の鎖は、それぞれ新しい赤色の鎖を相手にするため、1回目の後には紺色と赤色の組が2分子できます。
2. 1回目にできた各分子をもう一度複製します。紺色の鎖を鋳型にすれば紺色と赤色の組、赤色の鎖を鋳型にすれば赤色どうしの組になります。色は合成された時点を区別しており、塩基の種類を表していません。
3. 2回目の後の分子を数えます。全体は1 × 2 × 2＝4分子です。最初の紺色の鎖自体は2本のままなので、それを1本ずつ含む分子は2分子で、全体の2 ÷ 4＝1/2に当たります。

答え：DNAは4分子となり、最初の紺色の鎖を含むDNAは2分子です。

「元の鎖を含む分子の割合」と「すべての鎖に占める元の鎖の割合」は別です。2回目の後には合計8本の鎖があり、そのうち紺色は2本なので、鎖としての割合は1/4です。図で囲む対象を、2本1組の分子にするか、線1本の鎖にするかで答えが変わります。

例題3　細胞周期をDNA量から判断する

ある体細胞について、G₁期の1細胞当たりのDNA量を相対値1とします。S期の途中、G₂期、細胞質分裂が終わった直後の娘細胞1個について、DNA量を答えましょう。通常の体細胞分裂を考え、DNA量は核に含まれるものを対象とします。

1. 何を基準にした量かを確かめます。相対値1は特定の質量の単位ではなく、G₁期のDNA量を基準に置いた値です。「1細胞当たり」という条件は最後まで保ちます。
2. 複製が起こるS期を考えます。S期の途中では複製が進行中なので、DNA量は1より大きく2より小さい値です。途中というだけでは、必ず1.5になるとは決められません。
3. 複製の完了と分配を区別します。G₂期ではDNA量が2であり、分裂後には2つの娘細胞に等しく分配されるので、それぞれ1になります。娘細胞2個の合計なら2ですが、問われているのは1個当たりです。

答え：S期の途中は1より大きく2より小さく、G₂期は2、分裂直後の娘細胞1個は1です。

例題4　観察像を順番に並べる

植物の根端の標本で、甲は「染色体が中央付近に並ぶ」、乙は「2つの核ができ、その間に細胞板が見える」、丙は「染色体が太く短く見え始める」、丁は「分かれた染色体が両極へ移動する」という特徴を示しました。分裂の進行順に並べ、各段階の名称を答えましょう。

1. 各記述から位置や形の変化を取り出します。中央に並ぶ甲は中期、両極へ移動する丁は後期です。この2つを先に対応させると、単に「染色体が見える」という共通点に惑わされません。
2. その前後を決めます。凝縮が始まる丙は前期で、中央に並ぶ前です。2つの核と細胞板が見える乙は終期の特徴を示し、染色体が分かれた後に置きます。
3. 前期、中期、後期、終期の順で記号を読みます。細胞板という情報は植物細胞の細胞質分裂を示す手がかりでもあり、中央に染色体が並ぶことと混同しないようにします。

答え：丙（前期）→甲（中期）→丁（後期）→乙（終期）の順です。

つまずきやすいところと直し方

誤り1　DNA量が増える時期を分裂期にする

誤った書き方は「細胞が分裂するときにDNAをつくる」です。どこが違うかというと、分ける段階と複製する段階を同時の出来事にしている点です。正しくは「間期のS期にDNAを複製し、その後の分裂期に分配する」と書きます。図3のように、DNA量が増える区間は分裂期より前にあります。

図3は、G₁期を1とした模式的なグラフです。S期の直線はDNA量が1から2へ増えることを示したもので、実際の増加速度が常に一定であるという意味ではありません。また、各時期の横幅は実際の所要時間の比を示していません。G₂期から細胞質分裂の完了直前までは、1細胞全体のDNA量は2のままです。

右端の点線は、分裂後に数える対象を娘細胞1個へ切り替えることを示しています。DNAの半分が壊れて消えるのではなく、2つの娘細胞に分かれるので1細胞当たりの量が戻ります。核分裂が終わって1細胞内に2つの核がある段階では、1核当たりと1細胞当たりの量も区別する必要があります。

誤り2　DNA量が2倍なら染色体数も2倍とする

誤った書き方は「G₁期に染色体が4本なら、G₂期は8本」です。どこが違うかというと、複製でできた姉妹染色分体2本を、まだ分離していない段階で別々の染色体として数えている点です。正しくは「G₂期には染色体は4本で、各染色体が2本の姉妹染色分体からなるため、DNA量はG₁期の2倍」と説明します。

この例では、G₁期の染色体4本には二本鎖DNAが計4分子含まれます。G₂期には染色体4本の中に、二本鎖DNAが計8分子あります。後期に姉妹染色分体が分離すると、それぞれを染色体と呼ぶため、まだ分かれていない細胞全体では一時的に8本と数えますが、両極には4本ずつが移動します。分裂後の娘細胞1個の染色体数は4本です。「染色体数は変わらない」は、分裂前の細胞と分裂後の娘細胞を比べる説明として使います。

誤り3　多く見える段階ほど短いと判断する

誤った書き方は「標本で中期の細胞が少ないので、中期は長い」です。どこが違うかというと、観察される細胞の割合と、その段階にとどまる時間の関係を逆にしている点です。正しくは、同じ速さで周期を進む細胞が同調せずに分裂し、偏りなく観察できるという前提のもとでは、「多く見られる段階ほど所要時間が長いと推定する」と考えます。

ただし、細胞数の割合がそのまま厳密な時間の割合になるとは限りません。分裂を止めた細胞を含んでいたり、観察場所が偏っていたりすると、推定の前提が崩れます。問題文が割合から時間を求める近似を認めているかを確かめましょう。また、間期の細胞が多いことは、間期に何もしていない証拠ではありません。DNAの複製も、細胞の成長も、見た目に大きな分裂像が現れない時間に進みます。

練習問題

練習1

ある二本鎖DNA全体では、Aがすべての塩基の30％を占めます。T、G、Cはそれぞれ何％ですか。また、この情報だけから片方の鎖のAも30％だといえるか、理由を添えて答えましょう。

練習2

図2と同じ条件で、最初の二本鎖DNA1分子を出発点に、すべての分子の複製を3回繰り返します。DNAの総分子数、最初の鎖を含む分子数、その分子が全体に占める割合を求めましょう。最初の鎖は失われないものとします。

練習3

G₁期の染色体数が6本の細胞があります。G₁期のDNA量を1として、G₂期の染色体数とDNA量、体細胞分裂が終わった娘細胞1個の染色体数とDNA量を答えましょう。姉妹染色分体がいつ分かれるかも説明してください。

練習4

分裂が盛んな部分から200個の細胞を調べると、間期160個、前期20個、中期8個、後期6個、終期6個でした。各段階の細胞数の割合を、その段階にかかる時間の割合として近似できるとします。細胞周期を20時間とすると、分裂期全体と中期の時間はそれぞれ何時間ですか。また、染色体が両極へ移動するのはどの段階ですか。

答えと解説

練習1の答えは、Tが30％、GとCがそれぞれ20％です。AとTを合わせて60％なので、残りの40％をGとCで等しく分けます。片方の鎖のAの割合までは決まりません。AとTが等しいという関係は二本鎖全体で成り立ち、片方の鎖にAが多ければ、向かい合う鎖には対応するTが多くなります。

練習2の答えは、総数8分子、最初の鎖を含むもの2分子、割合は1/4です。総数は1 × 2 × 2 × 2＝8となりますが、最初の2本の鎖自体は増えません。各鎖が別々の分子に残るので、2 ÷ 8＝1/4です。全16本の鎖のうち最初の鎖が占める割合1/8とは区別しましょう。

練習3の答えは、G₂期が染色体6本・DNA量2、娘細胞1個が染色体6本・DNA量1です。G₂期では各染色体が姉妹染色分体2本からなりますが、まだ分離していないため染色体数は6本です。姉妹染色分体は後期に分かれ、両極に同じ組が移動します。

練習4の答えは、分裂期全体が4時間、中期が0.8時間、両極へ移動する段階が後期です。分裂期の細胞は20＋8＋6＋6＝40個なので、20 × 40 ÷ 200＝4時間です。中期は20 × 8 ÷ 200＝0.8時間となります。これらは問題の近似条件を使った推定値であり、個々の細胞を20時間追跡して測った値ではありません。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

次に学ぶ遺伝情報の発現では、DNAに保存された情報を使ってタンパク質をつくる流れを扱います。複製はDNAの情報を受け継ぐための過程であり、情報を使って細胞のはたらきを実現する過程とは目的が異なります。まずは、DNA・遺伝子・ゲノムを同じ意味で使わないことが、次の学習の土台になります。

家庭では5分でできる確認を2つ用意できます。1つ目は、紙にA・T・G・Cを6文字ほど自由に書き、その下に相補的な配列を書く方法です。上下を合わせてAとT、GとCがそれぞれ同数になるかを調べると、言葉の暗記を自分で確かめられます。お子さまと確認する場合も、最初から正解を伝えるより、向かい合う1組を指して説明してもらうと、迷っている箇所が見えます。

2つ目は、G₁期・S期・G₂期・M期を順に書き、DNA量が増える場所と、娘細胞に分かれる場所に別の印を付ける方法です。個別指導では、グラフを読み違えたときに、まず縦軸の「1細胞当たり」の意味まで戻って確かめます。そこでも混乱が残れば、線1本がDNAの鎖なのか、染色分体なのかを、図の凡例と照らし合わせます。

まとめ

問題を解くときは、答えの数字だけでなく、「二本鎖全体」「元の鎖を含む分子」「娘細胞1個」のように、数えた対象を短く添えてみましょう。同じ2という値でも意味が変わることに気づけば、初めて見る図にも根拠を持って向き合えます。説明の途中で迷ったら、増える前、増えた後、分かれた後の3場面を並べると、比較する時点が定まります。

DNA量のグラフの最後の段差は、情報の消失ではなく、同じ情報を2つの細胞へ受け渡したしるしです。