高校生物 オペロンの変異比較—調節部位の違いから発現条件を推定する｜武蔵野個別指導塾

誘導物質の有無と結合の結果から、原因を絞るオペロン変異を考えます。

よくあるのは、発現し続ける2つの株を見て、同じ原因だと決める場面です。誘導物質がない条件でも構造遺伝子の産物が検出されたとしても、抑制するタンパク質が働かない場合と、タンパク質が結合するDNAの場所が変化した場合があります。結果が似ていることと、変化した場所が同じことは別の判断です。条件を変えた表を作り、どの結合が成立するかを1行ずつ追います。

要点（結論から）

• 誘導物質とリプレッサーの結合状態を条件ごとに追います。
• 同じ発現表は、タンパク質と結合部位の異なる変異から生じ得ます。
• 正常な部品との組合せや対照を加えて候補を絞ります。

表から問われること

問題の型は主に3つあります。第1に、誘導物質の有無と発現の有無から、与えられた変異候補を絞る型です。第2に、調節タンパク質とDNAの結合を別に調べ、似た発現を示す株を区別する型です。第3に、発現量の資料から対照との差を読み、結論の限界を述べる型です。いずれも、正常な調節に必要な部品と、問題が指定した変異の性質が出発点です。

「変異」という言葉だけでは、タンパク質の働きが消えるのか、結合が強まるのかは決まりません。問題文にない性質を勝手に足すと、同じ名前の変異でも答えが変わります。また、発現量が低いという観測は、転写の停止と同じ意味ではありません。測定対象がRNAなのか産物のタンパク質なのか、検出できる範囲も確認します。

部品の位置と結合の条件

ここでは原核生物の誘導型オペロンを単純化したモデルを使います。調節遺伝子から作られるリプレッサーは、誘導物質がないときオペレーターに結合し、構造遺伝子の転写を妨げます。誘導物質がリプレッサーに作用すると、リプレッサーはオペレーターに結合できなくなり、転写が可能になります。誘導物質が直接DNAを押し開くという設定ではありません。

プロモーターはRNAポリメラーゼが結合して転写を開始するためのDNA上の領域です。オペレーターは調節タンパク質が結合するDNA上の領域で、構造遺伝子は産物を作るための情報を持ちます。調節遺伝子はリプレッサーの情報を持つ遺伝子です。これらは役割が異なり、位置や結合する相手を区別して読む必要があります。

図1のように、調節遺伝子の産物はタンパク質であり、オペレーターはDNAの一部です。矢印は産物が作られる関係と結合対象を示し、DNA上の移動を表していません。図1の構造遺伝子の転写には、プロモーターが正常に働くことも必要です。

誘導物質がないとき、正常なリプレッサーと正常なオペレーターの組合せでは結合が成立し、転写が抑えられます。誘導物質があるときは結合が成立せず、正常なプロモーターから転写が進みます。以下の表で「発現あり」はこのモデルで転写が可能な状態、「発現なし」は抑制された状態を表します。実際の測定で完全なゼロが必ず得られるという意味ではありません。

調節遺伝子の変異で、オペレーターに結合できないリプレッサーが作られる場合を考えます。誘導物質の有無にかかわらず抑制できないため、両条件で発現します。一方、オペレーターの変異で正常なリプレッサーが結合できない場合も、同じ発現パターンになります。前者ではタンパク質の性質、後者ではその結合先の性質が変化しています。

別の変異として、誘導物質に応答できず、オペレーターに結合し続けるリプレッサーを問題が指定することもあります。この場合は両条件で抑制されます。ただしプロモーターが働かない場合も発現は両条件で見られません。発現表は原因の候補を絞る出発点であり、部品そのものを調べる結果を加えて初めて区別できる場合があります。

基本例題：同じ表から何が言えるか

次の3株は、構造遺伝子とプロモーターが正常です。正常株Nのほか、株Aはリプレッサーがオペレーターに結合できず、株Bはオペレーターに正常なリプレッサーが結合できません。他の性質は正常とします。誘導物質なしとありの各条件で、3株の発現を「あり」または「なし」で答え、AとBを発現表だけで区別できるか述べてください。

まず正常株は、誘導物質なしではリプレッサーが結合し、転写が抑制されます。ありでは誘導物質がリプレッサーに作用し、結合できないので転写が可能です。次にAは、誘導物質の有無に関係なくリプレッサーが結合できません。Bも、結合先が変化しているので正常なリプレッサーが結合できません。プロモーターが正常という条件から、AとBはいずれも両条件で発現します。

図2のように、AとBは結合できない理由が異なっていても、結果の2列が一致します。したがって答えは表のとおりで、発現表だけではAとBを区別できません。図2では各列が誘導物質の条件に対応します。

別の解き方では、最初に「抑制に必要な結合があるか」という中間列を作ります。Nはなし条件で結合あり、あり条件で結合なしです。AとBは両条件で結合なしです。この列を発現の列に戻すと、結合ありは発現なし、結合なしは発現ありとなり、上の表と一致します。原因を直接発現に結びつけるより、結合の列を挟むと条件の読み落としを見つけやすくなります。

標準例題：結合の相手を入れ替える

誘導物質がない条件で、未知株CとDはいずれも発現します。両株のプロモーターと構造遺伝子は正常です。候補は「リプレッサーが正常なオペレーターに結合できない変異」と「正常なリプレッサーが結合できないオペレーター変異」の2種類で、各株はどちらか一方を持ちます。取り出した各株のリプレッサーと各株のオペレーターを、次の組合せで調べた自作の資料が得られました。結合あり・なしはこの条件での判定です。

CとDの変異箇所をそれぞれ答え、発現結果と結びつけて説明してください。正常同士は結合するとします。

C由来のタンパク質は正常な結合先にも結合できません。一方、正常なタンパク質はC由来の結合先に結合します。候補の範囲ではCはリプレッサーの変異です。Dは反対に、D由来のタンパク質が正常な結合先に結合し、正常なタンパク質はD由来の結合先に結合できません。したがってDはオペレーターの変異です。どちらも株内では抑制に必要な結合が成立せず、誘導物質なしでも発現するという元の観測に戻ります。

この判定には、取り出した部品の状態と、結合の判定が適切であることが必要です。正常同士の結合を対照にし、両方の組合せを同じ基準で比べます。結合が検出されなければ直ちに遺伝子の変異と決めるのではなく、タンパク質が十分に得られたか、測定が成立したかを別に確かめる必要があります。

発展例題：量の差と結論の幅

次は自作のRNA測定資料です。横軸を誘導物質の有無、縦軸を構造遺伝子のRNAの相対量とするグラフにすると考えてください。正常株の誘導物質なしの平均を1.0とする同一の基準で表し、各値には観測誤差の目安として前後0.2があるものとします。正常株と変異株Eは、誘導物質の条件以外を同じにして比べます。

Eについて、正常株との比較から言えることと、この資料だけでは決められないことをそれぞれ述べてください。値は実測値ではなく問題の条件です。

正常株は、なしからありへ増える差が4.0です。Eの差は0.3で、誤差の目安を考えると、この小さな差から誘導による増加を断定できません。また、誘導物質なしではEの4.8は正常株の1.0より高い値です。誤差幅をそれぞれ0.2としても、Eは4.6から5.0、正常株は0.8から1.2で重なりません。この資料ではEが誘導物質なしでも高いRNA量を示したと言えます。

ただし、この結果は結合不能なリプレッサーと結合不能なオペレーターの両方に整合します。RNA量だけからどちらかに決めることはできません。さらに、RNA量と産物タンパク質の量は同一ではなく、RNAの安定性なども量に影響し得ます。転写の変化と断定するには、結合の比較や転写そのものを捉える別の資料が必要です。縦軸の単位を相対量と明記し、正常株のどの条件を基準にしたかを残すと、異なるグラフを不用意に比較せずに済みます。

誤差の幅が重なる場合は、差がないと証明されたわけでもありません。測定のばらつき、対照の妥当性、繰り返しの結果を考え、現在の資料で区別できる範囲を答えます。発現が見えなかったときも、測定系が働いたことを示す対照がなければ、発現そのものがないとは結論できません。

誤答を結合の段階まで戻す

誤答の例は「両方の株で誘導物質なしでも発現したので、両方とも調節遺伝子の変異である」です。発現の一致から、抑制が成立しないという共通点は推測できます。しかし、結合する側と結合される側のどちらに問題があるかは、この観測だけでは区別できません。図3のように2つの経路を書き、どちらも同じ結果に達することを確かめます。

図3に示した2候補を区別するには、正常なタンパク質と変異株のDNA、変異株のタンパク質と正常なDNAをそれぞれ比べます。結果が予想と違うときは、候補外の原因や測定の失敗も検討します。候補が網羅されていると問題文が与えていなければ、消去法で残った候補を唯一の原因と断定できません。

もう1つの誤りは「誘導物質があれば常に発現する」です。誘導物質に応答せず結合し続けるリプレッサーなら抑制は解除されません。プロモーターが機能しない場合も転写は始められません。誘導物質の有無だけでなく、抑制の解除と転写開始の両方を別々に点検します。

反対に、発現が観測されなかったときに「必ずリプレッサーが結合している」とするのも飛躍です。転写開始の異常や測定の検出限界でも同じ見かけになり得ます。問題で与えられた前提を答案に添え、観測した結果とその説明を分けて書きます。

練習：条件を変えて判定する

次の5問は互いに独立した自作モデルです。特に断りのない限り、正常なプロモーターと構造遺伝子を持ち、正常なリプレッサーは誘導物質なしでオペレーターに結合し、ありでは結合しません。発現の判定は転写が可能かどうかを意味します。

1. 株Fは誘導物質の作用を受けてもオペレーターに結合し続けるリプレッサーを作ります。誘導物質なしとありの発現を、それぞれ「あり」「なし」で答えてください。
2. 株Gはプロモーターが働かず、他の部品は正常です。誘導物質なしとありの発現をそれぞれ答え、誘導物質ありの条件における理由を述べてください。
3. 株Hは両条件で発現します。候補は結合不能なリプレッサーか、正常なリプレッサーが結合不能なオペレーターです。正常タンパク質とHのオペレーターは結合し、Hのタンパク質と正常オペレーターは結合しません。候補のどちらかを答えてください。
4. 株JについてRNAの相対量を測ると、誘導物質なしで2.0、ありで2.1でした。各値の観測誤差の目安は前後0.3です。この2値から誘導物質による増加を断定できるか、理由とともに答えてください。
5. 株Kで発現が検出されませんでした。発現しない原因と測定の失敗を区別したいとき、正常株を同時に測る対照の役割を1つ述べてください。Kの原因をこの情報から確定できるかも答えてください。

解答と考え方

1. なし、なしです。誘導物質がなくてもあってもリプレッサーが結合して抑制するという条件を、それぞれの欄に戻します。誘導物質ありでも発現すると答えると、作用を受けないという条件を落としています。
2. なし、なしです。誘導物質ありではリプレッサーによる抑制は解除されますが、プロモーターが働かないので転写を開始できません。抑制の解除は発現の必要条件の1つであり、それだけで十分とは限りません。
3. 結合不能なリプレッサーです。正常タンパク質がHのオペレーターに結合するので、与えられた候補では結合先は正常です。Hのタンパク質は正常な結合先に結合できず、両条件で発現するという観測とも一致します。
4. 断定できません。なしの範囲は1.7から2.3、ありは1.8から2.4で重なります。差の0.1は誤差の目安に比べて小さく、この資料だけでは増加と測定のばらつきを区別できません。重なることは差が絶対にないという証明でもありません。
5. 正常株で期待される発現が検出されれば、少なくともその測定で検出系が働くことを確かめる対照になります。正常株も検出されなければ測定系の失敗を疑います。正常株が検出されてもKのどの部品に原因があるかまでは確定できず、別の比較が必要です。

要点を手元に残す

• 誘導物質とリプレッサーの結合状態を条件ごとに追います。
• 同じ発現表は、タンパク質と結合部位の異なる変異から生じ得ます。
• 正常な部品との組合せや対照を加えて候補を絞ります。
• 測定値の誤差と検出限界を考え、観測から言える範囲を守ります。

答案のどこで立ち止まるか

発現の有無をすぐ書けない場合は、まず各条件でリプレッサーがオペレーターに結合するかを問い返します。結合の判定は合っているのに発現を誤る場合は、プロモーターが働くという条件まで見直します。個別指導では、答案の矢印をたどり、観測から候補を1つに決めた箇所に他の説明が残らないかを確認します。同じ結果に至る別の道筋を描けることが、オペロン変異の比較を支えます。