高校生物基礎 DNAの複製—相補性から複製後の鎖の組合せを説明する｜武蔵野個別指導塾

古い鎖と新しい鎖の組合せを図と自作資料でたどり、配列や複製回数からDNAの複製を考えます。

よくあるのは、定期テスト前にDNAの複製を図に描こうとして、古い2本の鎖が丸ごと片方に残ると考える場面です。2本の鎖がそれぞれ新しい鎖と組になるという点を見落とすと、複製後の分子の数は合っていても、内訳を間違えます。鎖に印を付け、1本ずつどこへ移ったかを追えば、図と文章を同じ考え方で結べます。

問われる形をつかむ

出方の1つは、複製前後の模式図から、古い鎖と新しい鎖の組合せを選ぶ問題です。二本鎖の分子を1つの箱として眺めるのではなく、その中の2本を別々にたどります。「分子が2個」という答えと「古い鎖が2本」という答えは、数える対象が違います。

もう1つは、片方の塩基配列を示し、相手の配列を答える問題です。AとT、GとCの対応を位置ごとに適用します。問題がどちら向きに配列を示すかを確かめ、対応位置をそろえて書くことが必要です。配列を読む場合と鎖の来歴を追う場合は、同じ図でも注目する情報が異なります。

さらに、複製を繰り返した後の分子について、最初の古い鎖を含むものを数える資料問題があります。各回で既存の1本から相手の新しい1本ができると追えば、暗記した式を使わずに内訳を説明できます。ここでは複製の過程を単純化し、途中で鎖が切れたり失われたりしない条件を問題ごとに置きます。

1本を手本に相手をつくる

DNAは2本の鎖からなり、向かい合う塩基には相補性があります。Aの相手はT、Tの相手はA、Gの相手はC、Cの相手はGです。元の鎖の塩基が相手を指定するため、1本を鋳型として相補的な新しい鎖がつくられます。鋳型とは、対応する相手をつくる際の手本となる鎖です。

複製では、元の二本鎖がほどけ、それぞれの鎖を鋳型として新しい鎖が合成されます。結果としてできる2つの二本鎖DNAは、どちらも複製前からの鎖1本と新しい鎖1本を含みます。このような方式を半保存的複製と呼びます。「半分が保存される」という言葉は、元の鎖が途中で半分に切れるという意味ではありません。元の2本が別々の分子に1本ずつ受け継がれるという意味です。

図1のように、古い鎖を左右に分け、それぞれに新しい相手を描きます。図の矢印は複製の進行と対応を示す模式的なものです。線の長さや間隔は、実際の分子の寸法や反応時間を表していません。

図1の左右の完成した分子をそれぞれ見ると、古い鎖と新しい鎖が1本ずつあります。古い鎖の位置を先に確かめてから、新しい相手を描くと、元の2本を片側に集める誤りを避けられます。2本の鎖が相補的であることと、どの鎖が古いかは別の情報なので、線の色や記号を添えて区別します。

基本例題：配列と来歴を同時に追う

次は自作の資料です。複製前の二本鎖DNAを1分子とし、片方の古い鎖をP、もう片方をQとします。対応する位置が上下に並ぶよう、配列を左から右に書きます。Pは左から A G T C、Qは左から T C A G です。1回の複製で各古い鎖を鋳型に新しい鎖が1本ずつでき、鎖は失われないものとします。複製後の各分子を、古い鎖の記号とその相手の配列の組で答えてください。

まず元の対応を左から確かめます。PのAにQのT、PのGにQのC、PのTにQのA、PのCにQのGが向かい合います。与えられた2本は、位置ごとに相補的です。これを確認してから複製後を考えれば、資料の読み違いを見つけやすくなります。

次にPを鋳型にします。Pの A G T C に対して、相手は順に T C A G です。この新しい鎖をPと組にした分子が1つできます。配列がQと同じでも、今つくった鎖はQそのものではありません。Qは複製前から存在した別の鎖だからです。

続いてQを鋳型にします。Qの T C A G に対する新しい相手は A G T C です。こちらはQと新しい鎖の分子になります。配列がPと等しいことと、鎖がPそのものであることを混同しないでください。

答えは「Pと新しい T C A G」「Qと新しい A G T C」です。図2のように、それぞれの古い鎖から別々の完成分子へ進みます。図の矢印は、どの古い鎖を鋳型に新しい相手ができるかを表します。

図2の各組を元の条件に戻して確認します。Pの各塩基は新しい T C A G と、Qの各塩基は新しい A G T C と、いずれも指定の組で向かい合います。古いPとQは1本ずつ残り、新しい鎖も1本ずつ加わっています。したがって、2つの分子には合計4本の鎖があります。これは2本の古い鎖それぞれから相手を1本つくるという条件に一致します。

複製を重ねたときの分かれ目

別の自作資料を考えます。最初に二本鎖DNAが1分子あり、その2本をともに「最初の鎖」と呼びます。各回ですべての分子が1回ずつ半保存的に複製され、鎖の切断や損失はないものとします。2回の複製後、分子の総数と、最初の鎖を含む分子の数を、それぞれ整数で答えてください。

1回目の後は2分子です。最初の2本は別々の分子に入るので、どちらの分子にも最初の鎖が1本ずつあります。それぞれの相手は1回目にできた新しい鎖です。ここで「新しい」とは、その回に対する呼び方です。次の回では、1回目にできた鎖も鋳型として扱います。

2回目には、この2分子のそれぞれから2分子ずつできます。総数は 2 × 2 = 4 分子です。最初の鎖を持つ各分子について、その最初の鎖を鋳型とする側には最初の鎖が残ります。一方、1回目にできた鎖を鋳型とする側には最初の鎖が入りません。最初の鎖を含む分子は、元の2分子から各1分子ずつの計2分子です。

答えは総数4分子、最初の鎖を含むもの2分子です。残りの2分子には最初の鎖がなく、1回目にできた鎖と2回目にできた鎖が1本ずつ入ります。4分子の鎖は計8本で、最初の鎖2本、1回目の鎖2本、2回目の鎖4本に分けられます。合計は8本で、各回に鋳型と同数の新しい鎖が生じる条件へ戻しても矛盾しません。

分かれ目は、分子の数と最初の鎖の数が同じ増え方をするとは限らないことです。新しい鎖は増えますが、最初にあった鎖そのものが新たに生まれるわけではありません。また、ここでの「最初の鎖を含む」は鎖の来歴を問う表現です。配列が最初の鎖と同じであることだけでは、その鎖自体が最初から存在したかどうかを判定できません。

誤りを図に戻して直す

誤答の例は「元の2本がそのまま1分子をつくり、新しい2本がもう1分子をつくる」です。分子が2つできる点だけを見ると正しそうですが、この描き方では元の鎖をそれぞれ鋳型とする対応が完成分子に反映されていません。半保存的複製では、元の2本は別々の分子に入ります。

図3のように、誤った組合せを見つけたら、古い鎖を1本ずつ別の枠へ移します。矢印は誤った図から修正した図への書き換えを示し、物質が一度に移動する経路ではありません。移したそれぞれに新しい相補鎖を添えれば、古い鎖の保存と新しい鎖の合成を同時に表せます。

別の誤りは、相補性を使う際にAの相手をCとすることです。原因が塩基の対応の取り違えなら、鎖の色分けを直しても解決しません。AとT、GとCの2組を書き出し、各位置を照合します。配列が合っていても、古い鎖の由来を誤る場合もあります。配列の一致と鎖の来歴を別々に点検することが修正の近道です。

記述では「古い鎖が残る」と書くだけでは、2本が同じ分子に残るのか別々に残るのかが伝わりません。「それぞれが鋳型となり、新しい相補鎖と組になる」と、古い鎖の行き先と新しい鎖の関係を明示します。理由を問われたら、相補性によって各鋳型に対応する鎖がつくられる点も添えます。結果だけを述べる場合と、そこに至る理由まで求める場合を問題文で区別します。

問題文に複製回数だけが示されても、分子数を数える前に開始時の分子数を確認します。また、各分子が毎回複製されるか、途中で鎖が失われないかという条件も必要です。条件が示されない場合に、都合のよい増え方を当然と決めてはいけません。資料に示された条件のもとで図を描き、図から数えた結果を言葉に戻すと、何を数えた答えなのか明確になります。

配列の問題では、資料の向きを確認せずに文字列の端から端へ相手を並べると、対応する位置を逆に読むことがあります。問題が対応位置を上下にそろえているなら、同じ列の塩基どうしを照合します。向きが示されている資料では、その表示に合わせて書き、相手の鎖をどちら側から読んだかも確かめます。この手順は、鎖を作る向きの詳しい仕組みを暗記することとは別です。

複製の前と後の図を比べるときは、まず古い鎖に目印を付け、次にそれぞれの新しい相手を点検し、最後に二本鎖を囲みます。順番を逆にして完成分子の数だけ合わせると、古い鎖が片方に偏った図も見逃します。図が完成したら、各枠の中の2本が相補的か、古い鎖が初めの本数だけ残っているか、2つの観点で見直します。

自分で追う4問

以下は練習用に作った条件です。いずれも各鎖は失われず、各回に対象の全分子が1回ずつ半保存的に複製されます。配列は対応位置がそろう向きに左から右へ示します。

1. ある古い鎖の配列は左から C A C T G です。この鎖を鋳型にできる新しい鎖の配列を、左から順に記号で答えてください。
2. 古い鎖RとSからなる1分子が1回複製されます。複製後の2分子に古い鎖がどう分かれるか、「R」「S」「新しい鎖」を使って文章で答えてください。
3. 1分子から3回複製したときの分子の総数と、そのうち最初の2本の鎖のいずれかを含む分子数を、それぞれ整数で答えてください。
4. 複製前のある二本鎖について、対応位置をそろえた古い鎖の配列が上段 G T A C、下段 C A T G です。複製後に上段の古い鎖と組になる配列と、その組に含まれる古い鎖の本数を答えてください。

解答と確かめ

1. 答えは G T G A C です。CにはG、AにはT、CにはG、TにはA、GにはCを対応させます。逆に答えの各塩基に相補的な塩基を並べると、元の C A C T G に戻ります。途中のCが2か所あることも確認し、片方を書き落とさないようにします。
2. 答えは「一方はRと新しい鎖、他方はSと新しい鎖からなる」です。RとSをそれぞれ鋳型とし、別々の新しい相手をつくります。2分子の中にRとSが各1本、新しい鎖が計2本あるので、元の2本を残して相手を1本ずつつくる条件に戻ります。
3. 答えは総数8分子、最初の鎖を含むもの2分子です。分子数は1回ごとに倍になり、1回目2、2回目4、3回目8と追えます。最初の2本は1回目に別々の分子へ入り、その後もそれぞれ1本ずつ残ります。3回目の直前の4分子から各2分子ができるので総数8分子です。最初の鎖を持つ2分子はそれぞれ、その鎖を持つ子の分子を1つずつ生むため、2分子という内訳も条件に合います。
4. 答えは C A T G、古い鎖1本です。上段のG、T、A、Cに相補的な塩基を並べます。答えの配列は下段の古い鎖と同じですが、上段に組み合わさるのは新しく合成された鎖です。上段と答えを位置ごとに照合するとGとC、TとA、AとT、CとGになり、相補性を満たします。

覚える道筋

• 古い2本は分かれ、各1本が鋳型になります。
• AとT、GとCを対応させ、新しい相手をつくります。
• 複製後の各分子は古い鎖1本と新しい鎖1本からなります。
• 配列の一致と鎖の来歴は別に確かめます。

手が止まる場所を見分ける

図を見ても手が動かないときは、まず「分子」と「鎖」を指で示してみます。1本の線を1分子と数えていれば、二本鎖を囲んでから数え直します。配列問題で対応が途中からずれる場合は、横に並べた各位置に縦の目印を付け、1組ずつ照合します。複製回数の問題で詰まる場合は、答えを急がず、回ごとに古い鎖の印を受け継ぐ分子を描きます。

個別指導で確かめるなら、学習者自身に古い鎖の行き先を説明してもらい、次に新しい鎖をどこへ描いたかを尋ねます。正答でも、同じ配列の別の鎖を同一のものと考えていれば、来歴を記号で示し直します。塩基の対応、鋳型、完成分子の組合せを順につなげると、理由の抜けた箇所が見えてきます。