高校生物 塩基配列の決定—読み取り鎖と相補鎖を向きまでそろえる｜武蔵野個別指導塾

泳動資料を短い断片から読み、新生鎖と鋳型鎖を5′から3′に書き分けます。不明な帯を残しながら相補性を検算する練習にも取り組めます。

よくあるのは、高校生が短い断片から読んだ配列をそのまま鋳型鎖とする場面です。泳動図から並べた文字自体は正しくても、その文字がどちらの鎖に属するかを取り違えると、答えは別の配列になります。まず断片の長さが何を示すかを押さえ、次に相補性と鎖の向きを使って、求められた鎖へ移りましょう。

要点（結論から）

• 共通の出発点からの断片を短い順に読み、新生鎖の5′から3′を得ます。
• 対応する鋳型鎖は相補的で逆平行です。
• 鋳型鎖を5′から書くには、対応塩基を置いてから順序を逆にします。

資料で問われる3つの判断

第1の型は、長さ順に並んだ断片の終端の塩基から、新しく伸びた鎖の配列を求める問題です。列の名前、短い断片が位置する側、共通の出発点を確認します。第2の型では、得られた新生鎖から鋳型鎖を求めます。横に相補的な塩基を置く操作と、5′から3′へ書き直す操作を区別します。

第3の型は、帯が欠けたり重なったりした資料の判定です。文字を無理に埋めるのではなく、読める範囲と追加の情報が必要な範囲を分けます。以下の配列と数値は学習のために作ったもので、実在の配列や実験結果ではありません。実施手順や装置の性能ではなく、与えられた資料から導ける結論を扱います。

終結した断片が教えること

鎖伸長終結法では、鋳型に相補的なDNA鎖の伸長を考えます。通常のヌクレオチドがつながれば鎖は伸びますが、伸長を止める性質をもつジデオキシヌクレオチドが末端に入ると、その末端から先へ伸長できません。どの塩基で終わったかを識別し、長さの異なる断片を並べると、出発点からの塩基の順序を読めます。短い断片は出発点に近い位置で終わったものです。

同じ出発点から5′側を共通にして伸びる断片群を考えます。新生鎖は5′から3′へ伸び、最短の断片から順に終端を調べれば、新生鎖を5′から3′へ読めます。ただし、出発点に含まれる既知の部分と、その先の読み取る部分を資料で区別する必要があります。末端の塩基は新生鎖のものなので、鋳型の対応位置はAとT、GとCを入れ替えます。

図1のように、対応する2本は逆平行です。上の新生鎖を左から右に読めば5′から3′ですが、対応する鋳型鎖は左から右には3′から5′です。鋳型鎖を5′から3′と指定されたときは、対応塩基を置いた後で右から左へ読みます。図の矢印は各鎖の5′から3′への向きを表し、物質の移動は表しません。

図1ではAの向かいにT、Cの向かいにGがあります。相補的な文字を同じ順序で置いただけのものは、鋳型鎖を3′から5′へ書いた表現です。端の記号を付け替えるだけでは鎖の向きは変わらず、文字列の順番も逆にする必要があります。読み取る領域が限定されるとき、図の外の配列までは推定できません。

基本例題：帯を順に読む

次は共通の出発点の直後から4塩基を読む自作資料です。A、C、G、Tの各列の帯は、その塩基で終結した新生鎖の断片を表します。数字は出発点の直後に加わった塩基数で、各長さには1本の帯が判別されています。新生鎖と鋳型鎖の対応領域を、それぞれ5′から3′の向きで答えてください。

図2のように短い側から帯を拾うと、終端はA、C、G、Tです。各断片は共通の出発点をもち、1塩基ずつ長くなっているので、増えた位置の塩基を順につなげられます。したがって読み取った新生鎖は5′-ACGT-3′です。

次に新生鎖の各文字の下へ相補的な塩基を置きます。左からT、G、C、Aで、鋳型鎖の左端は3′です。横に並べた鋳型鎖は3′-TGCA-5′となります。問題は5′から3′の表記を求めるので、右端から読み直し、答えは5′-ACGT-3′です。

この例では2本を5′から書くと偶然同じ文字列になります。同じ文字列だから同じ鎖だと判断してはいけません。対応する位置を上下に並べれば、各位置では相補的な塩基が向かい、向きは逆です。検算は鋳型鎖を再び3′から左へ並べ、新生鎖の各位置と対合させて行います。

標準例題：表示方向を変える

ある資料では、共通の出発点の直後から短い順にT、G、A、C、Cの終端が確認されました。読み取れる5塩基について、鋳型鎖を5′から3′で答えてください。対応する長さの帯はそれぞれ明瞭に1本あり、欠けた長さはないものとします。

新生鎖は5′-TGACC-3′です。これと位置をそろえた鋳型鎖は3′-ACTGG-5′です。右から読み直すと答えは5′-GGTCA-3′です。答えを元に戻すと、右から左へA、C、T、G、Gと並び、新生鎖T、G、A、C、Cにそれぞれ対応します。

別解では、新生鎖を右から左にC、C、A、G、Tと読み、その各文字を相補的なG、G、T、C、Aに変えます。順序を逆にする操作と相補塩基への置き換えは、どちらを先にしても同じ結果です。ただし途中の鎖の端を明記すると、逆にする操作を忘れた答案を見つけやすくなります。

発展例題：欠けた帯と比較の限界

共通の出発点から数えた長さ1、2、3、4、5のうち、1はG、2はC、4はT、5はAの列に明瞭な帯があります。長さ3に相当する位置は全列で判読できません。帯の欠落以外に長さのずれはなく、各位置に塩基が1個あるとします。新生鎖の読める部分を5′から3′で示し、長さ3の塩基を決められるか答えてください。

長さ順にすると5′-GC?TA-3′です。疑問符は1塩基の位置を意味します。長さ4と5の位置は資料で与えられているため、長さ3が不明でも順番を詰めずに残せます。一方、長さ3はA、T、G、Cのいずれかをこの資料だけで選べません。鋳型を5′から表すと5′-TA?GC-3′で、不明位置は対応するまま残ります。元の向きに戻して対合を確認すると、不明な位置を除きGとC、CとG、TとA、AとTが対応します。

判読できない原因として、信号の不足、帯の重なり、長さの分離不足などを考えられますが、この資料から原因を特定できません。追加の比較として、同じ領域の独立した読み取りと、既知配列の対照を用意した資料を考えます。対照は読み取りの仕組みが期待どおり働いたかを見るためで、対照が正しく読めても目的領域の不明箇所が自動的に決まるわけではありません。複数の読み取りが一致しても、共通の偏りがあれば同じ誤りを共有する可能性があります。

例えば、別の模式資料で横軸を断片の長さ、縦軸を信号の相対強度とし、対照と対象の同じ長さを比較します。相対強度は共通の基準で表した単位のない値とし、観測誤差の幅が重なる小さな差は区別できないものとします。対象の信号が弱いことは判読困難の説明候補ですが、塩基の種類を直接示すものではありません。軸の向きや単位が示されない図では大小の意味も確定できないため、数値を補ってはいけません。

資料の成り立ちを点検する

長さを1塩基刻みで比較できるという条件は、読み取りの根拠です。例えば隣り合う長さの帯が分離できなければ、2つの終端の順序は、その像だけから決まりません。また、共通の出発点をもたない断片が混ざると、短いというだけで同じ配列の先にあるかどうかを判断できません。どちらの場合も、表に見えている文字を機械的につなぐ前に、資料が順序を保証しているかを確かめます。

複数の帯が出たときは、まず同じ長さの異なる終端なのか、異なる長さの帯が近く見えているのかを区別します。前者なら単一の配列を仮定できるかが問題になり、後者なら長さの分離が問題になります。観察の記録が不足していれば、どちらかを断定せず、両方を候補として残します。帯が見えない場合も、その位置に塩基が存在しないとは限りません。信号が検出されなかったことと、塩基そのものがないことは異なります。

新生鎖を鋳型鎖へ変換した結果を検算するときは、文字数も点検できます。相補鎖の対応領域の塩基数は元の領域と同じです。文字数が変わっていれば、逆順に並べる途中で文字を落としたり重複させたりした可能性があります。文字数が一致しても正解とは限らないので、さらに各位置の対合と両端の向きを確認します。

誤答をどこから直すか

図3のように、新生鎖を読んだ直後に鋳型鎖と名付けると、相補性を飛ばしています。たとえば新生鎖5′-AGTC-3′に対し、鋳型を5′-AGTC-3′とする答えです。対応位置を向かい合わせると相補性が成立しません。まず3′-TCAG-5′と書き、求める向きに直して5′-GACT-3′とします。

もう1つの誤りは、3′-TCAG-5′の端の記号だけを交換して5′-TCAG-3′とすることです。これは別の鎖を表します。紙の上で右端から左端へ文字をたどり、記号と文字列を一緒に書き直してください。逆に、最初から短い帯ではなく長い帯から読み始めると、新生鎖の順序自体が逆転します。短い側が図の上下のどちらかは資料の条件で判断します。

帯が2列に重なる位置で片方を勝手に選ぶのも誤りです。混合、分離不足、読み取りの誤差などが候補になり、単一配列として決める根拠はありません。該当位置を不明と記し、独立した資料で確認します。長さの目盛りも共通の出発点も与えられない場合は、順序を一意に定められるかを先に検討します。

練習：5つの資料を読む

各問の配列は独立した自作資料です。帯は新生鎖の終端を示し、指定がない限り短い順に1塩基ずつ長くなり、各位置は明瞭に判別できるものとします。配列の答えには両端の5′と3′を付けてください。

1. 終端が短い順にC、T、A、G、Aです。新生鎖を5′から3′で答えてください。
2. 終端が短い順にA、A、C、T、G、Cです。鋳型鎖を5′から3′で答えてください。
3. 新生鎖の一部が5′-CGTTA-3′です。対応する鋳型鎖を新生鎖の下に位置をそろえ、左端から右端への向きで答えてください。
4. 長さ1、2、4、5、6の終端は順にT、C、G、A、Cですが、長さ3の帯は判読できません。新生鎖を5′から3′で示し、不明箇所を1文字の疑問符で表してください。
5. 長さ順にG、A、T、Cの列に帯がある資料で、別の読み取りでは3番目の位置にCとTの両方の信号が重なりました。この2つの資料から3番目の塩基を確定できるか、理由と次に必要な確認を記述してください。

解答と考え方

1. 5′-CTAGA-3′です。短い順の終端が新生鎖の順です。元の長さ1から5へ戻すとC、T、A、G、Aとなり、各帯と一致します。
2. 新生鎖は5′-AACTGC-3′、対応する鋳型は3′-TTGACG-5′です。右から読み直すと5′-GCAGTT-3′です。これを再び逆向きに並べればTTGACGとなり、与えられた各終端の相補塩基に戻ります。
3. 3′-GCAAT-5′です。C、G、T、T、Aの各位置にG、C、A、A、Tを置き、左端を3′とします。指定は位置をそろえた左から右への表記なので、ここでは文字列を逆にしません。
4. 5′-TC?GAC-3′です。3番目を詰めずに残すことで、Gが4番目、Aが5番目、Cが6番目という条件が保たれます。不明箇所は1塩基ですが、種類は決まりません。
5. 確定できません。初めの資料は3番目にTを示しますが、もう一方はCとTを分離して判定できていません。混合や測定上の重なりを区別するため、対象と既知配列の対照について独立した読み取りを比較します。対照が正常でも対象の位置を直接確認する必要があります。

要点

• 共通の出発点からの断片を短い順に読み、新生鎖の5′から3′を得ます。
• 対応する鋳型鎖は相補的で逆平行です。
• 鋳型鎖を5′から書くには、対応塩基を置いてから順序を逆にします。
• 判読できない位置は不明のまま残し、資料の限界を答えます。

答案が違ったときは、帯を拾う順序、鎖の名前、端の記号のどこで食い違ったかを切り分けます。個別指導では、書いた鋳型鎖を元の図に向かい合わせて置き直し、各位置が相補的か、両端が逆向きかを問い返します。不明な帯については、追加資料がどの候補を区別するのかも説明してもらいます。配列の文字と向きがそろって初めて、読み取った鎖の意味が定まります。