高校生物 読み枠と開始コドン—配列の区切りを決めて終止までを数える｜武蔵野個別指導塾

開始位置から3塩基ずつ区切り、終止をアミノ酸に含めず数える手順を配列と資料で追い、読む鍵は読み枠です。

よくあるのは、高校生がmRNAの配列を見て、紙の左端から機械的に3文字ずつ区切るという場面です。配列の左端は翻訳の開始位置とは限りません。開始位置が1塩基ずれると、それ以降に組み合わされる3塩基も変わり、終止の位置も変わります。まず問題が指定した開始位置と配列の向きを確かめましょう。

問われるのは区切りと数え終える位置

配列の問題には、指定された開始コドンからアミノ酸の並びを求める型があります。この型では開始前の塩基を答えに入れず、開始コドンを含めて3塩基ずつ区切ります。別の型は開始位置を変えた2つの読み方を比較するものです。同じ文字列でも区切りが異なれば、途中に見える終止の3文字が実際の終止コドンに当たるとは限りません。

さらに、配列と産物の資料を比べ、どこまで結論が言えるかを問う型もあります。配列中に終止コドンが見つからなければ、与えられた部分の先に終止がある可能性が残ります。末端まで読んだことと、翻訳がそこで終わることは別です。配列が短く切れている資料では、完全な産物の長さを断定しない姿勢が必要です。

以下の配列は説明と練習のために作ったmRNAで、左から右へ5′から3′に示します。各問題では示したAUGから翻訳が始まり、標準遺伝暗号に従うとします。開始位置の決定そのものを配列だけから推定する問題ではありません。完成後のタンパク質の切断や修飾も扱わず、翻訳によってできるアミノ酸鎖を数えます。

3塩基のまとまりを保つ

mRNA上の連続する3塩基が1つのコドンとして読まれ、それぞれがアミノ酸または終止の合図に対応します。リボソームは開始位置を基準に5′側から3′側へ読み進めます。開始コドンAUGはメチオニンに対応するので、開始時に加わるアミノ酸を数えます。一方、終止コドンはアミノ酸を指定せず、鎖の合成を終える合図です。

図1のように、開始位置を基準として3塩基の境界を固定します。図の矢印はmRNAを読む向きを示し、分子が移動する向きや新しい鎖の合成方向を表すものではありません。開始前の領域に何文字あっても、そこを左端から3文字単位に分けた境界は使いません。図1の終止の枠はアミノ酸の枠と区別しています。

読み枠は3塩基ごとの境界の取り方です。1つの開始位置を定めれば、次のコドンの先頭はその3塩基後、その次はさらに3塩基後になります。開始位置を1塩基ずらすと、もとのコドンの2文字目から新しい組ができるので、以後の境界もずれます。文字としてUAAが連続していても、その3文字が同一の枠に収まらなければ、この読み方では終止の合図ではありません。

標準遺伝暗号では複数のコドンが同じアミノ酸に対応することがあります。したがって、同じアミノ酸が繰り返されても区切りを省略せず、コドンごとに数えます。また、標準以外の暗号を用いる場合や別の開始の仕組みもありますが、ここでは各問題に示した条件を使います。配列中にAUGを見つけただけで、その位置から必ず翻訳されると決めることはできません。

本稿の問題に必要な標準遺伝暗号の対応を次にまとめます。問題ごとにこの表を使い、左のコドンはmRNAを5′から3′に読んだものとします。

暗号表の行を引く前に、鎖の種類を確認します。DNAの配列が与えられた問題では、そのままRNAの暗号表に入れることはできません。鋳型鎖かどうかと向きを確認した上でmRNAを求め、その5′端から3′端に向かって開始位置を基準に区切ります。以下はmRNAが直接与えられるので、この変換は不要です。

基本例題：開始前の塩基を外す

問題：自作のmRNAの一部は5′-CCAUGGCUUUUGGAUAA-3′です。左から3番目の塩基を先頭とするAUGから翻訳が始まります。上の表を用い、最初の終止までに作られるアミノ酸の並びを開始側から書き、個数を整数で答えてください。

まず開始位置の前はCCの2塩基です。開始位置以降を区切ると、図2のようにAUG / GCU / UUU / GGA / UAAです。最初のAUGを開始とし、以後も同じ境界を保ちます。終止は最後のUAAです。

表に当てはめると、順にメチオニン、アラニン、フェニルアラニン、グリシン、終止となります。終止は合図なので、答えはメチオニン、アラニン、フェニルアラニン、グリシンの4個です。開始前のCCも終止も個数に入れません。

別の数え方では、開始から終止の直前までに4組あり、4組それぞれが1個のアミノ酸に対応すると考えます。確かめとして4組を連結するとAUGGCUUUUGGAの12塩基です。その前にCC、後にUAAを戻すと問題の配列に一致します。終止まで含む15塩基を3で割った5は、終止を含むコドン数であり、答えのアミノ酸数ではありません。

標準例題：見かけの終止と枠を比べる

問題：5′-AUGCUAAACCCUUAG-3′の先頭のAUGから翻訳します。上の表を使い、最初の終止までのアミノ酸の並びと個数を答えてください。配列内にUAAという連続する3文字がありますが、それが終止として読まれるかも説明してください。

開始から区切るとAUG / CUA / AAC / CCU / UAGです。この問題では、さらにCUAはロイシン、AACはアスパラギンに対応します。したがってメチオニン、ロイシン、アスパラギン、プロリンの4個の後に終止します。このUAAは、CUAの末尾2塩基のUAと、次のAACの先頭のAをつないだ並びです。3文字が連続していても同じコドン枠にないため、そこで終わりません。

別解は塩基の位置を番号で追う方法です。先頭を1番とすると各コドンの先頭は1、4、7、10、13番です。配列の5番目にあるUから続く3塩基がUAAですが、5番目はコドンの先頭ではありません。4個のアミノ酸に対応する12塩基の後にUAGの3塩基を置けば、与えられた15塩基に戻ります。数と位置の両方が合います。

発展例題：測定資料からの限界

問題：2つの自作mRNA断片P、Qはそれぞれ5′-AUGGCUAAAUAA-3′、5′-AUGGCUAAAGGU-3′です。どちらも先頭のAUGから翻訳され、表の対応に従います。断片の外側の配列は示されていません。Pの最初の終止までのアミノ酸数と、Qについて断片内から確実に言えることを答えてください。

PはAUG / GCU / AAA / UAAなので、メチオニン、アラニン、リシンの3個です。QはAUG / GCU / AAA / GGUで、断片内の4組はいずれもアミノ酸に対応します。Qの4組の直後には配列が与えられていないため、完全な鎖の長さや終止位置は決められません。Qについては、翻訳がその先まで進む条件なら、示された4組に対応する4個が並ぶところまで言えます。断片の末尾そのものを終止とみなす根拠はありません。

この判断を資料で検討するなら、PとQの開始条件や、断片の外側に関する条件をそろえる必要があります。たとえば同じ測定方法で産物の相対量を比べる自作資料を考えます。横軸を配列の種類P、Q、縦軸を開始側の共通部分を含む産物の相対量とし、基準試料を1.0とした値がPで1.0、Qで0.9だったとします。各値の観測誤差がそれぞれ±0.2であれば、値の範囲は重なります。この差だけからQの産物が少ないと断定できません。

対照として開始位置以外の条件をそろえた基準試料を置き、測定の背景や検出範囲を確かめます。実験操作をここで行うのではなく、与えられた資料を検討する考え方です。共通部分を測る方法なら、異なる長さの産物も同じように検出される可能性があります。相対量だけでは終止位置や全長を特定できず、配列や長さを別に調べた資料が必要です。誤差の重なりは差がないことの証明でもありません。

答えがずれたときの直し方

図3のように、配列の先頭を開始位置と取り違える誤りと、終止をアミノ酸に入れる誤りは別々に調べます。基本例題で左端から区切ればCCA / UGG / CUU / UUG / GAUとなり、最後のAAが余ります。これは指定された3番目の塩基から始めていません。開始のAに印を付けて、そこから区切り直します。

また基本例題で「5個」とした答案は、開始から終止までの5組を数えた可能性があります。図3のようにUAAを合図として別に囲み、残る4組を数え直します。開始のAUGを逆に除いてしまう誤りにも注意してください。開始コドンは開始の目印であると同時に、ここでは最初のメチオニンに対応します。

途中にUAAがあると見つけて即座に止める答案では、その3文字が一組かどうかを見ます。境界をまたぐ文字列はその読み枠の終止ではありません。逆に、正しい枠の終止の先にアミノ酸を追加するのも誤りです。終止より後に暗号表に載る3文字があっても、同じ翻訳がそこまで進んだとは扱いません。

配列の途中で3文字に満たなくなったときは、残りを勝手に補わないことも必要です。与えられた範囲の末端が翻訳の終点であるという条件がなければ、その先を含む答えは決まりません。時間が足りないときも、少なくとも開始位置、3文字の境界、最初の終止を紙に残すと、どの判断まで済んだかを確認できます。

練習：5つの資料を読む

各問は自作のmRNAを5′から3′に書き、指定されたAUGから翻訳されるものとします。暗号の対応は上の表を使い、アミノ酸数は整数で答えてください。配列が示す範囲より先の条件は与えられていません。

1. 5′-GAUGCCUUUCUAG-3′の2番目の塩基を先頭とするAUGから始まります。最初の終止までのアミノ酸の並びと個数を求めてください。
2. 5′-AUGAAACCAACUUGA-3′の先頭から始まります。最初の終止までのアミノ酸数と、終止を含むコドン数をそれぞれ求めてください。
3. 5′-UUAUGGAAUAUGGUUAA-3′の3番目の塩基を先頭とするAUGから始まります。アミノ酸の並びと個数を答えてください。
4. 5′-AUGUUCGCUAAG-3′の先頭から始まります。示された範囲内で終止するか、完全な鎖の長さを決められるかを理由とともに答えてください。
5. 5′-CCCAUGGGAUAAUUU-3′の4番目の塩基を先頭とするAUGから始まります。最初の終止までのアミノ酸数を求め、終止後のUUUの扱いを説明してください。

練習の答えと確かめ

1. Gを外してAUG / CCU / UUC / UAGです。答えはメチオニン、プロリン、フェニルアラニンの3個です。3組の9塩基と終止の3塩基に先頭のGを加えると13塩基となり、元の配列に戻ります。

2. AUG / AAA / CCA / ACU / UGAです。アミノ酸は4個、終止を含むコドンは5個です。4組の12塩基と終止の3塩基で15塩基となり、与えられた配列を使い切ります。2つの数の差は、終止がアミノ酸ではないことによります。

3. UUを外してAUG / GAA / UAU / GGU / UAAです。メチオニン、グルタミン酸、チロシン、グリシンの4個です。開始前の2塩基、4組の12塩基、終止の3塩基を合わせると17塩基で、条件と一致します。

4. AUG / UUC / GCU / AAGであり、示された4組の中に終止はありません。したがってこの範囲内で終止せず、後続配列が不明なので完全な鎖の長さは決められません。4組をつなぐと12塩基の元の断片に戻ります。4個に対応するところまでと、最終的に4個で終わることを区別します。

5. CCCを外してAUG / GGA / UAA / UUUです。最初の終止はUAAなので、答えはメチオニンとグリシンの2個です。UUUは終止後にあるため、この開始位置からの翻訳産物には数えません。先頭3塩基、2組、終止、残りの1組を合わせると15塩基です。

手元に残す要点

開始位置を指定条件から決め、5′から3′に区切ります。 開始のAUGは最初のアミノ酸として数えます。 同じ枠の最初の終止コドンは数に含めません。 断片内に終止がなければ完全な長さは決まりません。

答案のどこで止まったかを見る

区切りが最初からずれていれば、開始のAが配列の何番目かを問い返します。区切りは正しいのに個数が違えば、AUGと終止のそれぞれに何を対応させたかを確認します。個別指導では、答案に引いた境界と暗号表への対応を並べ、どちらの判断で食い違ったかを確かめます。示された範囲と結論の範囲がそろうと、読み枠からの説明は明確になります。