高校生物 染色体と染色分体—複製前後の図から数える対象と相同の対応を整理する｜武蔵野個別指導塾

複製前後の図で数える対象と相同の対応をたどる鍵は、セントロメアを基準に捉えた染色体です。

よくあるのは、複製後の染色体を描いた図で、棒の数が増えたのを見て「二倍体から四倍体になった」と考える場面です。複製されたDNAは確かに増えますが、つながった姉妹染色分体を別々の相同染色体として数えてはいけません。何を1個と数えるのかを決め、同じ種類の染色体が何組あるかを確かめると、図の見え方が変わります。ここでは分裂の全過程を覚え直すのではなく、複製の前後で数と対応を読む判断を磨きます。

最初に固定するもの

問いには少なくとも3つの型があります。1つ目は、図の中に染色体や染色分体が何本あるかを問う型です。細胞全体なのか核1個なのか、複製前か完了後か、姉妹染色分体がまだつながっているかを先に確認します。対象が違えば、同じ図を使っても答えは変わります。

2つ目は、複製前後で何が増えるかを比較する型です。染色体数、DNA量、染色分体数、染色体の組の数は同じ量ではありません。どの量を比べるかを表の見出しに書き、両時点で同じ対象を調べます。細胞が分かれる前後を無言で混ぜると、正しい計算でも問いへの答えになりません。

3つ目は、同じ長さの構造のうち、どれが相同染色体でどれが姉妹染色分体かを問う型です。形の似たものを見つけるだけでなく、由来、結合、遺伝子の位置という資料の情報を使います。図に色や記号の意味が書かれていないときは、色だけを根拠に関係を断定しないことも判断です。

1個を数える基準と対応相手

この先の模式図は、通常の線状染色体を持つ二倍体のモデルです。特別な指示がない限り、細胞には核が1個あり、染色体の欠失や余分な染色体はなく、複製後は姉妹染色分体が分離していません。実在する生物の染色体数を示したものではありません。細胞小器官のDNAは数えず、核の染色体を対象にします。

染色体はDNAとタンパク質からなる構造です。複製前には、1個の染色体に1本の二本鎖DNA分子が対応します。DNAが複製されると、元の1個に由来する2本の姉妹染色分体ができ、セントロメア付近でつながっています。この間は2本の部分を持つ1個の染色体として数えます。数の基準は、図に示された独立したセントロメアのまとまりです。2本の染色分体それぞれに対応するセントロメア領域が、分離前には1つのまとまりとして描かれている点にも注意します。

相同染色体は、対応する位置に同じ種類の遺伝子を持つ染色体の組です。通常の二倍体では各組に母親由来と父親由来の染色体が1個ずつあります。同じ遺伝子座の対立遺伝子は必ずしも同一ではありません。姉妹染色分体は1個の染色体の複製からできた2本であり、相同染色体はもともと別々に受け継いだ2個です。複製直後の姉妹は原則として同じ遺伝情報を持ちますが、減数分裂で乗換えが起きた後などは部分的に異なりえます。

図1のように、母親由来と父親由来の1対をそれぞれ複製しても、対応する種類は1種類、各種類の染色体は2個です。色は由来の区別、中央の丸は各染色体のセントロメアのまとまりを表す模式記号です。図は関係を見せるために複製前も棒状に描いており、実際にその時期の染色体が同じ形ではっきり見えるという意味ではありません。

図1で複製後の青い2本は、互いに姉妹染色分体です。赤い2本も同様です。青いまとまりと赤いまとまりは相同染色体であり、青1本と赤1本を姉妹と呼ぶことはできません。2個の染色体を合わせると4本の染色分体があり、分子を単純化したこのモデルでは二本鎖DNA分子も4個です。

倍数性は染色体の基本となる組が何組あるかを表します。nを1組に含まれる染色体数として、この図ではn = 1、二倍体の染色体数は2n = 2です。複製後にも相同な各種類が2個ずつあるので二倍体のままです。DNA量が倍になったことと、染色体の組の数が倍になったことは別の主張です。種によって性染色体などの対応は単純な同形の組にならないことがあるため、この説明は条件をそろえたモデルに限定します。

複製前は1染色体を1本の染色分体からなると数える問題もありますが、用語を複製後の2本の片方に限る教材もあります。ここでは複製前の構造を「1本の未複製染色体」と呼び、複製後の染色分体数だけを答えます。問題文に数え方の約束があれば、その約束を優先します。

また、数える基準は分離の前後で使い直します。姉妹染色分体が分離した後は、それぞれが独立した染色体です。同じ細胞内に両極へ向かう染色体がある途中の図なら、細胞全体と片側にある分を区別しなければなりません。ここでは複製の効果を調べるため、分離前の1細胞を中心に扱います。

基本例題：4個の染色体を複製する

次は自作の条件です。相同染色体が2組ある二倍体の1細胞で、複製前の染色体数は2n = 4です。DNA複製が完了し、姉妹染色分体はまだ分離していません。核の染色体数、染色分体数、相同染色体の組数をそれぞれ整数で求めてください。欠失などはなく、すべての染色体が1回ずつ複製されたものとします。

図2のように、長い2個を相同な1組、短い2個を別の1組として扱います。色は各組の両親に由来する染色体の区別です。中央の丸を1つのまとまりとして数えると4個あり、2本の姉妹染色分体を含む染色体が4個あります。

複製後の染色体数は4個です。1個につき染色分体が2本あるので、1細胞あたりの本数は次のように求めます。

染色分体数 = 4 ・ 2
染色分体数 = 8本

相同染色体の組数は2組です。各組は複製前から存在した別々の2個でできており、複製しても新たな相同組にはなりません。答えの8本を、2本ずつのまとまりに戻すと4個となり、問題で与えた染色体数と一致します。別の見方では、2組にそれぞれ染色体2個、各染色体に染色分体2本ですから、2 ・ 2 ・ 2 = 8本です。どちらも1細胞を対象にしています。

4本という答えを染色分体数に書いた場合は、セントロメアの数をそのまま転記した可能性があります。逆に染色体数を8個とした場合は、姉妹染色分体を分離前から独立した染色体として扱っていないか確かめます。図のX字を構成する2本を指でたどり、それがどこでつながるかを見ると修正できます。

標準例題：数から時期と対応を絞る

自作のモデルで、ある二倍体の細胞は相同染色体を3組持ちます。細胞AとBは同じ個体から得られ、それぞれ核1個を持ちます。欠失や余分な染色体はなく、AはDNA複製前、Bは全染色体の複製完了後で、姉妹染色分体はつながっています。Aの核のDNA量を6単位とします。Bの核の染色体数、染色分体数、DNA量を整数で求め、倍数性も答えてください。単位は比較のために設定した相対量です。

まず相同染色体3組に各2個あるので、Aの染色体数は3 ・ 2 = 6個です。複製によって各染色体のDNAは2倍になりますが、分離前の染色体は6個のままです。したがってBの染色分体は6 ・ 2 = 12本、核のDNA量は6 ・ 2 = 12単位です。染色体の種類ごとに2個ある関係も変わらず、Bも二倍体です。

逆向きに、Bの12本を姉妹2本ずつまとめると6個、相同な2個ずつを組にすると3組です。DNA量も12単位の半分がAの6単位となり、与えられた条件に戻ります。ただし、DNA量が12単位という情報だけからBが複製後だとは一般に決められません。比較対象のDNA量、細胞の状態、染色体の構成を問題が与えているから、この判断ができます。

例えば測定器の数値が2倍になっても、2核を含む細胞と1核の細胞が混ざっていれば、1核あたりの複製を直接比較できません。Bが1核であるという条件には意味があります。観察値の比だけで倍数性を断言するのではなく、何を測った数値かを問い直します。

発展例題：資料の数値と観察のずれを読む

次の表は、相同染色体が4組の二倍体を想定して作った資料です。複製前と複製完了後の別々の1核細胞を選び、核DNA量を相対値で測ったとします。複製前の基準量を8単位とし、分裂中や複製途中の細胞は対象から除きます。表の各行は異なる標本です。値は実測値ではありません。

問1：モデルから予想される複製後の染色体数と染色分体数を、1核あたり整数で求めてください。問2：表はDNA量の倍加と整合するか、標本のばらつきに触れながら60字程度で説明してください。問3：DNA量の結果だけで四倍体化が起きたと結論できるか、観察を1つ挙げて60字程度で答えてください。

問1では4組に各2個なので、複製前の染色体は8個です。複製後も8個、染色分体は8 ・ 2 = 16本です。16本を2本ずつ束ねると8個、さらに相同な2個ずつに分けると4組です。答案で核を対象に固定することで、別の細胞と合わせた数になっていないかも検算できます。

問2では複製前の3標本の平均は8.0単位、複製後の平均は16.0単位です。平均の比は2です。各値は完全には一致しませんが、与えられた資料は複製後の量が約2倍という予想と整合します。平均に戻すと複製後の予想は8.0 ・ 2 = 16.0単位で、表の平均に一致します。各標本の値の違いは、測定のばらつきや標本の違いなどを考える入口ですが、この表だけで原因を特定することはできません。

問3では結論できません。複製完了後の二倍体でも、核DNA量は複製前の2倍になりうるからです。独立した染色体数と対応する種類の組を、複製状態をそろえて観察することが追加の手がかりになります。DNA量と染色体の構成は別の情報なので、両方の結果が予想と合うか調べます。

比較の設計では、複製前を基準群として複製後と同じ方法で測り、1核を含む細胞を選ぶ条件をそろえます。観察像で染色体が重なれば、1個を2個と誤認したり、2個を1個と数えたりします。重なりが大きい像は判定不能として区別し、別の標本や明瞭な像で確かめます。実施する場合は学校の指導の下で、観察材料の扱いと安全を確認します。

グラフにするなら横軸を複製前・後、縦軸を1核あたりの相対DNA量とし、各標本の点も示します。平均だけでなく点の散らばりを見ると、どの程度の違いを読み取れるかが見えます。複製後の点が予想より低い場合、複製途中の細胞の混入や測定上の問題を候補にできますが、この資料だけでいずれかに決めることはできません。失敗した測定を都合よく除くのではなく、判定条件と除外の理由を記録して比較する必要があります。

間違えた答えを図に戻す

基本例題の図2に対して「X字が4個で棒が8本だから染色体は8個、相同染色体は4組」と答えたとします。この答えは、分離していない姉妹染色分体を別々の染色体と見なしたところから生じています。4組という結論は最初の数え間違いを引き継いだものです。

図3のように、まず誤答側の8本を2本ずつ、同じセントロメアのまとまりにつながるように囲みます。すると4個の染色体に戻ります。次に、長いもの同士と短いもの同士を相同な2組に対応させます。正しい数は染色体4個、染色分体8本、相同染色体2組です。図3の「誤り」は考え方の誤りを示し、右側は同じ複製後の細胞を正しい単位で読んだ結果です。

別の誤りとして「同じ長さの2本だから姉妹」とする場合もあります。同じ長さの相同染色体は、別の由来であり、同一の複製染色体の2本ではありません。長さが一致していることは相同関係を考える手がかりですが、色の約束や遺伝子座の対応が不明な図だけでは確定できないこともあります。資料にない結合や由来を補って断定しないことが、観察問題の修正になります。

「DNA量が2倍なら倍数性も2倍」という答案にも、基準を補います。複製前後の1核について、相同な各種類が何個ずつあるかを調べ、次に各染色体内のDNAが何本になったかを書き分けます。染色分体が分離した後の図では、独立した染色体として改めて数える必要があります。複製後と分離後を同じ一文で処理しないでください。

練習：対象と条件を言葉にする

次の5問はいずれも自作条件です。各モデルは通常の線状染色体からなり、欠失や余分な染色体はありません。DNA量は核あたりの相対量で、複製後は分離前とします。問題を一通り解いてから解答を確認してください。

1. 相同染色体の一方に、複製後の2本の部分aとbがあり、もう一方にcとdがあります。aとb、aとcはそれぞれ姉妹染色分体と相同染色体由来の染色分体のどちらの関係か答えてください。
2. 別の二倍体の1核に、複製前の染色体が10個あります。全染色体の複製完了後、染色体数と染色分体数はそれぞれ何個・何本ですか。整数で答えてください。
3. 二倍体の1核で、複製完了後の染色分体が28本あります。染色体数と相同染色体の組数を整数で求めてください。
4. 1核のDNA量が複製前に5単位です。複製完了後の同じ条件の1核では何単位ですか。また、その数値から四倍体になったと決められるか、理由を40字程度で答えてください。
5. 長さの似た構造が2つ写った観察像があります。結合状態も由来も遺伝子座も示されていません。「この2つは相同染色体である」と結論できるか答え、追加で必要な情報を1つ、40字程度で説明してください。

解答と考え方

1. aとbは同じ染色体に属する姉妹染色分体です。aとcは相同染色体の別々のメンバーに由来します。同じ染色体の内部か、相同な2個の間かという2種類の関係を、問題の条件に戻して確認します。

2. 染色体は10個、染色分体は20本です。10個のそれぞれに2本あるので10 ・ 2 = 20本です。逆に20本を姉妹2本ずつまとめると10個になり、複製前の数と合います。2倍になったのは染色分体数で、分離前の染色体数ではありません。

3. 染色体は14個、相同染色体は7組です。28本を2本ずつまとめると14個、14個を相同な2個ずつに分けると7組です。逆に7組 ・ 2個 ・ 2本 = 28本で、与えられた1核の数に戻ります。

4. 10単位です。5単位のDNAが複製で2倍になるためです。10単位を半分にすると複製前の5単位に戻ります。数値だけでは四倍体とは決められません。二倍体のまま複製した場合も同じ量になるからです。

5. 結論できません。長さの類似だけでは、別々の相同染色体なのか、複製した同一染色体の2本なのかなどを区別できないためです。例えば、同じセントロメアのまとまりにつながるか、または対応する遺伝子座や由来を追加で調べます。情報が得られない像は判定不能とするのが妥当です。

答案に残す5行

染色体数は、分離前ならセントロメアのまとまりを基準に数えます。 姉妹染色分体は1個の染色体の複製から生じた2本です。 相同染色体は対応する種類の遺伝子を持つ別々の染色体です。 複製によるDNA量の倍加と、染色体の組数の変化は別です。 細胞・核・時期を固定し、出した数を元の条件へ戻します。

どこで数え違えたかを見分ける

個別指導で答案を確かめるときは、まず図のどこを1個として囲んだかを示してもらいます。正答でも根拠が棒の本数なら、分離前後を変えた図で数え方を試します。次に相同の相手と姉妹の相手をそれぞれ線で結び、線が同じ染色体の内部と別の染色体の間を区別しているかを見ます。

最後に、DNA量が変わった理由と倍数性を決める根拠を別々の文で書きます。数が合わないときは、核か細胞か、複製が完了しているか、姉妹が離れているかへ戻ります。図の一部分を数える単位と、染色体の組を数える単位をそろえた答案なら、初めて見る資料でも関係を追えます。