高校生物 塩基置換と読み枠の変化—変異の位置から翻訳産物を比べる｜武蔵野個別指導塾

指定された開始位置から配列を区切り直し、同義置換、早い終止、1塩基欠失による産物の違いを比較します。

よくあるのは、高校生が塩基が置換されれば必ずアミノ酸も変わると考える場面です。配列の文字が違うのに、できる鎖が同じだという答えは意外かもしれません。しかし、塩基配列とアミノ酸配列の対応は1文字ずつではなく、3塩基ずつで決まります。変化した位置を囲み、開始位置から区切り直せば、変化の有無を順に判断できます。

配列の差をどう読むか

問題の出方には、置換前後のコドンからアミノ酸の変化を判定する型、塩基の挿入や欠失の後で区切り直す型、配列と産物の測定資料を照らし合わせる型があります。いずれも、元と変異後を同じ向きに並べ、どこから翻訳するかを決めてから比較します。変化した文字の数だけで産物の長さを決めることはできません。

ここで使う配列は自作のmRNAの一部です。5′から3′へ読み、問題で指定したAUGを開始コドンとします。終止コドンまで翻訳が続くモデルで、終止コドンはアミノ酸に数えません。表にない対応が必要な場合はその問題で与えます。実際の遺伝子では開始位置やRNAの加工なども調べる必要がありますが、与えられていない条件は勝手に補いません。

置換と読み枠の違い

mRNAの連続する3塩基をコドンと呼びます。翻訳では指定された開始位置から3塩基ずつ区切って読みます。この区切り方が読み枠です。コドンの並びがアミノ酸の並びに対応し、終止コドンに達するとそこで翻訳が終わります。

図1のように、1塩基の置換では塩基数が変わらず、後続の区切りはそのままです。一方、1塩基の挿入や欠失では、その位置以降の区切りがずれます。矢印は配列から産物を考える方向を示し、物質が移動する向きではありません。

図1の置換と挿入では、変化した位置より後の扱いが異なります。置換の結果、同じアミノ酸を指定する場合を同義置換、別のアミノ酸を指定する場合をミスセンス変異、終止コドンになる場合をナンセンス変異と呼びます。複数のコドンが同じアミノ酸に対応するため、置換があってもアミノ酸配列が変わらない場合があります。逆に、同じアミノ酸であっても塩基配列自体は変化しています。

1塩基の挿入や欠失による区切りのずれをフレームシフトと呼びます。変化後の各コドンを実際に表と照合するまでは、どのアミノ酸に変わるかも、どこで終止するかも決まりません。たまたま同じアミノ酸が続く位置もありえます。また、3塩基の挿入や欠失では、その部分を越えた後の読み枠は元とそろいます。ただし、挿入部分が終止コドンを作る場合などには、後続部分まで翻訳されるとは限りません。

開始コドン自体が変化した場合も注意が必要です。指定された開始位置が使えなくなれば、単に最初のアミノ酸を別のものに置き換える計算はできません。別の開始位置が使えるかという情報がなければ、産物を一意には決められません。変異の位置と、翻訳の開始・終止の条件を別々に確認します。

基本例題：置換したコドンを照合する

次の自作mRNAは左端のAUGから翻訳されます。元の配列は5′-AUG GAA UGG CCA UAA-3′です。第2コドンの3文字目をAからGに置換したとき、変異後のアミノ酸配列と置換の分類を答えてください。対応はAUG：メチオニン、GAA・GAG：グルタミン酸、UGG：トリプトファン、CCA：プロリン、UAA：終止とします。

まず、開始位置から元のコドンをAUG、GAA、UGG、CCA、UAAと分けます。変化するのは第2コドンの末尾ですから、GAAはGAGになります。塩基を1個置き換えただけなので、残りの区切りを動かす必要はありません。図2のように、変化前後の第2コドンを同じ表で引きます。

図2ではGAAとGAGのどちらもグルタミン酸に対応します。元の産物はメチオニン、グルタミン酸、トリプトファン、プロリンの順です。変異後も同じ4個が同じ順に並び、UAAで終止します。したがって答えはこの4個の配列で、分類は同義置換です。終止を5個目のアミノ酸にしないことも確認します。

別の確かめ方は、配列全体を書き直してから先頭から3文字ずつ区切る方法です。変異後は5′-AUG GAG UGG CCA UAA-3′となり、変化箇所以外のコドンが元に戻ることも確かめられます。塩基が変わった事実と、アミノ酸が変わったかという結論を分けて書くと、同義置換を見落としにくくなります。

標準例題：終止への置換

自作mRNA 5′-AUG UAU GGC AAA UGA-3′の第2コドンの3文字目をUからAに置換します。左端のAUGから翻訳するとき、元と変異後のアミノ酸数を整数で求め、変異の分類を答えてください。AUG：メチオニン、UAU：チロシン、GGC：グリシン、AAA：リシン、UAA・UGA：終止とします。

元の配列はAUG、UAU、GGC、AAA、UGAと読みます。終止までのアミノ酸は4個です。変異後は第2コドンがUAAになり、そこで終止します。よって変異後はメチオニン1個で、分類はナンセンス変異です。元のUGAまで数え続けることはできません。答えを配列に戻すと、開始の直後に終止があり、1個という数と一致します。

置換は第2コドンの1文字ですが、そこで翻訳が終わるため、後ろのコドンが指定するアミノ酸は産物に含まれません。塩基の変化が局所的であることと、産物への影響が局所的であることは別の話です。逆に、この結果からタンパク質の働きの程度まで断定することはできません。働きを問うには、産物の量や機能について別の資料が必要です。

発展例題：欠失と資料の限界

自作mRNA 5′-AUG CAA GGC UUU UGA-3′について、開始コドンの直後にあるCを1塩基欠失した配列を、5′・3′を付けて3塩基ごとに区切って書いてください。AUG：メチオニン、AAG：リシン、GCU：アラニン、UUU：フェニルアラニン、UGA：終止とします。この範囲の外の配列は与えません。

開始直後のCを除いて、残った文字を順に並べます。答えは5′-AUG AAG GCU UUU GA-3′です。最後のGAは2塩基なのでコドンとして読めません。AUG、AAG、GCU、UUUから、メチオニン、リシン、アラニン、フェニルアラニンまでを推定できますが、この範囲に終止コドンはありません。範囲外を含む産物の全長は決められません。

文字数でも検算します。元は15塩基、欠失後は14塩基です。変異後の区切りは3塩基が4組と残り2塩基で、合計14塩基です。3文字目以降を見た目で元の枠に戻すと、この収支が合っても対応が誤るため、残した文字の順序も元の配列と照らします。変化前後の同じ位置に縦線を引く方法と、欠失後の配列を一続きに書き直す方法の両方で確認できます。

次の表は別の自作資料です。同じ遺伝子の元の配列を持つ対照と、欠失を持つ試料について、同条件で測った産物量を対照を基準とする相対値で示します。横軸を試料の種類、縦軸を相対量として棒グラフにする場面を考えてください。各値の観測誤差はおよそ±0.1とします。

棒の高さを比べると、観測値は欠失ありの方が低いと読めます。しかし、この表は欠失が量の低下を直接引き起こしたことや、産物の機能が失われたことを単独では証明しません。試料間に欠失以外の差がないか、測定が同じ対象を捉えているかも確認します。対照と同じ条件で繰り返した資料、配列を確かめた資料、機能を測った資料があれば、別々の問いに答える助けになります。誤差を考慮しても値の差は見えますが、それだけで原因や機能までは決められません。

答えを直すときの3つの視点

図3のように、まず変異の種類を確かめ、その後で区切りと終止を確認します。途中で判断が止まる条件も、答案に書ける大切な結論です。

図3の最初の分岐を飛ばし、「1文字変わったから1個のアミノ酸が必ず変わる」とするのが誤答の一例です。同義置換では複数のコドンが同じアミノ酸に対応します。修正するときは、置換前後のコドンを表でそれぞれ引き、その結果を比較します。

次に、「1塩基欠失したからアミノ酸が1個減る」とする答えも危険です。1塩基の欠失では後続の区切りがずれ、早い終止が現れる場合も、与えられた範囲に終止がない場合もあります。欠失後の文字列を先に書き直し、指定された開始位置から区切り直します。3塩基の欠失なら後続の枠はそろいますが、欠失位置によってまたぐコドンが変化しうるため、その部分も実際に照合します。

さらに、「終止が見つからないから翻訳は永遠に続く」という答えは資料の範囲を越えます。示された範囲にないことと、配列全体にないことは別です。測定値が得られなかったときも、量がゼロと即断せず、測定失敗や検出できる範囲の問題を区別します。配列の欠落や判読不能な文字があれば、そこから先のコドンを推測で埋めず、必要な情報を明示します。

練習：5つの配列と資料

各問の配列は自作で、左端のAUGを開始位置とします。指定の対応だけを使い、終止はアミノ酸に数えません。

1. 5′-AUG GCU UAC UAG-3′のGCUをGCCに置換します。AUG：メチオニン、GCU・GCC：アラニン、UAC：チロシン、UAG：終止として、変異後のアミノ酸配列と置換の分類を答えてください。
2. 5′-AUG UGG CCG UAA-3′のUGGをUGAに置換します。AUG：メチオニン、UGG：トリプトファン、CCG：プロリン、UGA・UAA：終止として、元と変異後のアミノ酸数を整数で答え、分類してください。
3. 5′-AUG AAA CCC GGG UAA-3′の開始直後にCを1塩基挿入します。変異後の配列を5′・3′を付けて3塩基ごとに区切り、残りの塩基も示してください。終止やアミノ酸の判定は不要です。
4. 5′-AUG GAA CCU UAG-3′の第2コドンGAAを3塩基まとめて欠失します。AUG：メチオニン、GAA：グルタミン酸、CCU：プロリン、UAG：終止として、変異後のアミノ酸配列を答えてください。
5. 自作の測定表で、対照の相対量が1.0、置換を持つ試料が0.9です。各値の観測誤差はおよそ±0.1です。この表から置換が産物量を低下させたと断定できるか、理由とともに答えてください。両試料は同じ条件で測定したものとします。

練習の解答

1. メチオニン、アラニン、チロシンの順で、同義置換です。GCUとGCCはともにアラニンに対応し、ほかのコドンは変わりません。変異後のUAGで終止するので、3個という数も配列に戻して確認できます。

2. 元は3個、変異後は1個で、ナンセンス変異です。元はAUG、UGG、CCGの後にUAAで終止します。変異後はAUGの次がUGAなので、CCGまで翻訳されません。終止を数えず、それぞれの配列を先頭からたどると個数が一致します。

3. 5′-AUG CAA ACC CGG GUA A-3′です。元の15塩基にCが1個加わり16塩基です。3塩基が5組と残り1塩基で16塩基になり、挿入したCの後の文字も元の順序で残っています。元の空白を引き継がずに区切ることが要点です。

4. メチオニン、プロリンの順です。欠失後は5′-AUG CCU UAG-3′で、3塩基分が取り除かれても後続の区切りはそろっています。元の12塩基から3塩基を引くと9塩基で、答えの3組と一致します。

5. 断定できません。観測値は0.1低いものの、与えられた誤差を考えると差を明確に区別できません。繰り返し測定し、配列以外の条件や測定方法を確認する必要があります。差が確かめられた場合も、それだけで作用の仕組みや機能の変化は決まりません。

要点を手元に残す

置換では、変化前後のコドンを表と照合します。
1塩基の挿入・欠失では、開始位置から区切り直します。
終止コドンはアミノ酸に数えません。
示された範囲に終止がなければ、全長は決められません。

答案のどこで迷ったかを見る

置換で必ず産物が変わると書いた答案には、変化前後のコドンを別々に引いてもらいます。欠失後の答えがずれた場合は、元の区切りを消し、残った文字を順に並べた箇所まで戻ります。個別指導では、開始位置、最後に読めるコドン、資料から決められない部分を口頭でも確かめます。変異の文字と翻訳産物の差を結ぶには、その間の読み枠が道筋になります。