高校生物 減数分裂と遺伝子の分配—染色体とDNA量を区別して図を追う｜武蔵野個別指導塾

相同染色体と姉妹染色分体を見分け、数とDNA量の違いからたどるのは減数分裂です。

よくあるのは、複製した染色体の2本の腕を、別々の相同染色体として数える場面です。図に線が増えたので染色体数も倍になった、と考えると、その後の分裂で何が分かれたのかも見失います。まず着目する細胞を1個決め、染色体の数とDNA量を別々に記録しましょう。学校の範囲表と授業ノートで、減数分裂の図やDNA量の扱いがどこまで含まれるかも確認します。

何を手がかりに解くか

問いの型は大きく3つあります。1つ目は、図に描かれた相同染色体、姉妹染色分体、二価染色体を見分ける問題です。形の似た線を数える前に、複製によってできた組と、父由来・母由来の組を区別します。

2つ目は、各時期の染色体数とDNA量を求める問題です。分裂前の複製ではDNA量が増え、第1分裂と第2分裂では分かれる対象が違います。表の各行に「分裂前か後か」「1細胞あたりか」を書くと、複数の細胞を合計する誤りを防げます。

3つ目は、配偶子の染色体の組合せや多様性を説明する問題です。相同染色体の対がどちら向きに並ぶかと、乗換えで染色分体の一部が入れ替わることを分けて考えます。体細胞分裂は比較に必要な範囲にとどめ、受精後の発生は扱いません。

対を作る相手と複製した相手

相同染色体は、形や大きさが対応し、対応する位置に同じ種類の遺伝子をもつ染色体の組です。対立遺伝子は同じとは限りません。通常、1本は父由来、もう1本は母由来です。複製前からあるこの2本が相同染色体であり、複製によって初めて互いの相手になるわけではありません。

DNA複製後の1本の染色体は、セントロメアで結び付いた2本の姉妹染色分体からなります。複製直後の姉妹染色分体は、基本的には同じ遺伝情報をもつコピーです。各染色分体にはDNA分子が1つ含まれます。染色体数を数えるときは、分離前なら結び付いた姉妹染色分体を合わせて1本と数えます。図1のように、相同染色体の対と、1本の中の姉妹染色分体は異なる組です。

図1では色の異なる2本が相同染色体です。それぞれのX形は複製後の染色体1本を表し、片側の線が染色分体1本に対応します。2本が対合すると二価染色体を作り、合計4本の染色分体を含みます。二価染色体を1組と呼ぶことと、染色体を2本と数えることは両立します。

減数第1分裂の前期には相同染色体が対合し、相同染色体の姉妹ではない染色分体の間で対応する部分の乗換えが起こることがあります。その後、相同染色体が別々の細胞へ分かれます。第2分裂では姉妹染色分体が分かれ、それぞれが染色体として数えられます。乗換えが起きた部分では、分離する姉妹染色分体の遺伝情報が同一とは限りません。

体細胞分裂では通常、相同染色体同士は対合せず、姉妹染色分体が分離します。減数分裂では複製を1回行った後、間に通常のDNA複製を挟まず2回分裂します。この順序が、染色体の組数を半減させる基礎です。

基本例題：1細胞の中身を追う

自作のモデルとして、ある生物の減数分裂を始める細胞は、複製前に染色体を4本もち、その核のDNA量を4とします。乗換えの有無はDNA量を変えないものとします。複製直後、第1分裂終了後、第2分裂終了後について、それぞれ1細胞あたりの染色体数を整数で、DNA量を複製前と同じ尺度で答えてください。分裂は正常に進み、各段階の細胞は均等に分配されるものとします。

まず複製前は相同染色体が2対、合計4本です。DNA量は条件から4です。複製で各染色体のDNAがコピーされるので、DNA量は 4 × 2 = 8 です。しかし姉妹染色分体はまだ結び付いているため、染色体数は4本のままです。染色分体は 4 × 2 = 8 本あります。

次に第1分裂では、各相同染色体対から1本ずつがそれぞれの細胞に入ります。1細胞あたりの染色体数は 4 ÷ 2 = 2 本です。各染色体はまだ2本の染色分体からなり、DNA量は 8 ÷ 2 = 4 です。ここで数えているのは、できた2細胞の合計ではなく、そのうちの1細胞です。

最後に第2分裂では、2本の染色体それぞれの姉妹染色分体が分離します。各娘細胞には分離した染色分体が1本ずつ入り、それぞれを染色体1本と数えます。したがって1細胞あたり2本、DNA量は 4 ÷ 2 = 2 です。図2のように、染色体数とDNA量は同じ比率では変わりません。

図2の値を逆にたどると、第2分裂後の2細胞のDNA量は 2 + 2 = 4 で、第1分裂後の1細胞に戻ります。第1分裂後の2細胞では 4 + 4 = 8 となり、複製直後の量と一致します。第2分裂後は4細胞なのでDNA量の合計も 2 × 4 = 8 です。この合計の確認と、1細胞あたりの答えは区別します。

このモデルの値は割合を追うために置いたもので、実在する生物の測定値ではありません。DNA量を重さで指定した問題なら、同じ比率で単位を付けます。染色体の本数をDNA量と呼び換えず、問題が指定した基準を書き添えることが大切です。

組合せが変わる分かれ目

別の自作モデルを考えます。複製前の細胞に相同染色体が3対あり、各対を父由来と母由来で区別します。各対の向きは互いに独立に決まり、乗換えは考えません。正常な減数分裂で生じうる配偶子の由来の組合せは何種類ですか。整数で答えてください。

1対目から配偶子へ入る染色体は父由来か母由来の2通りです。2対目にも2通り、3対目にも2通りがあります。独立に組み合わせるので 2 × 2 × 2 = 8 種類です。各配偶子には各対から1本ずつ、計3本が入ります。8は可能な組合せの種類数であって、1回の減数分裂で8個の細胞ができるという意味ではありません。

元の条件に戻して確かめます。3対それぞれについて2通りの選択があり、どの組合せも各対から1本ずつ選んでいます。1つの減数分裂では、乗換えを考えなければ第1分裂で互いに反対側へ分かれる2組ができ、第2分裂後にはその各組が2細胞ずつに分かれます。8種類は、多数の減数分裂で向きが変わりうることを含めた数です。

ここで「独立」「乗換えを考えない」という条件が分かれ目です。異なる対の向きが独立でないと指定された場合、この掛け算をそのまま使えません。また乗換えを含めると、1本の染色体の中に父由来と母由来の部分が混在することがあり、染色体全体を父か母のどちらかに分類する上の数え方だけでは表せません。乗換えの位置や回数が与えられなければ、そこからできる型の総数を決めることはできません。

間違いの場所を図に戻す

誤答例は「複製直後はX形の線が8本だから、染色体も8本」です。原因は、染色分体と染色体を同じ単位で数えたことです。修正するときは、まずセントロメアでつながった2本を囲みます。図3のように、複製直後の1組は染色分体2本ですが、染色体は1本です。

図3では2本の線の交点を結合の位置として描いています。第2分裂で姉妹染色分体が分かれた後は、それぞれが独立した染色体になるため2本と数えます。数え方を途中で変えるのではなく、分離によって数える対象の状態が変わると捉えます。

もう1つの誤答は「第1分裂で姉妹染色分体が分かれる」です。相同染色体の対を色分けし、同じ色の2本が結び付いたまま別の色と離れるように描き直します。第2分裂まで矢印を伸ばし、そこで姉妹染色分体を分ければ、どちらの分裂で組数が半減するかも確かめられます。

練習：問題をまとめて解く

次の問題はすべて自作の条件です。正常な分裂を前提とし、乗換えの有無が問われていない場合は染色体数とDNA量に影響しないものとします。

1. 複製前の細胞の染色体数が6本、DNA量が12です。複製直後と第1分裂終了後の1細胞について、染色体数を整数、DNA量を同じ尺度でそれぞれ答えてください。
2. 複製前の細胞が相同染色体を4対もつとします。各対の向きは独立で、乗換えを考えません。生じうる配偶子の染色体の父母由来の組合せは何種類ですか。整数で答えてください。
3. 第1分裂終了後の1細胞が、複製された染色体を5本もち、DNA量が20です。第2分裂終了後の1細胞の染色体数とDNA量を、それぞれ整数と同じ尺度で答えてください。
4. 「DNA複製直後に染色体数も倍になる」という答案を直します。「姉妹染色分体」「セントロメア」を使い、数が倍にならない理由を1〜2文で書いてください。

解答とたどり方

1. 複製直後は6本、DNA量24です。6本の各染色体が複製されても、姉妹染色分体は結び付いているので本数は6本のままです。DNA量は 12 × 2 = 24 です。第1分裂終了後は1細胞あたり3本、DNA量12です。3対の相同染色体が分かれ、各細胞に各対から1本ずつ入ります。2細胞を合わせると染色体は 3 × 2 = 6 本、DNA量は 12 × 2 = 24 となり、複製直後に戻ります。

2. 2 × 2 × 2 × 2 = 16 種類です。各対からの選択は2通りで、その選択を4対について組み合わせます。どの型も4対それぞれから1本ずつ、合計4本を含みます。1回の分裂で16個が生じるという答えではありません。

3. 5本、DNA量10です。第2分裂では各染色体の姉妹染色分体が分離し、各娘細胞に1本ずつ入ります。したがって染色体数は5本のまま、DNA量は 20 ÷ 2 = 10 です。2細胞を合わせるとDNA量は 10 × 2 = 20 で、元の細胞の量に戻ります。分離後の染色体は合計10本ですが、設問は1細胞あたりを尋ねています。

4. 解答例は「複製後の姉妹染色分体はセントロメアで結び付いているため、合わせて染色体1本と数えます。」です。DNAが複製された事実と、染色体の数え方をつなぐ文になっているかを点検します。単に「数は変わらない」と書くだけでは、なぜそう数えるのかが伝わりません。

資料の表を読むときの確認

細胞の集まりを調べた資料では、同じ時点に異なる段階の細胞が含まれることがあります。ある細胞のDNA量が別の細胞の2倍でも、それだけで前者が必ず複製直後だとは決められません。後者が第1分裂後なのか第2分裂後なのか、比較する細胞が同じ種類の分裂過程にあるのかという情報も必要です。値の大小と分裂段階を結び付ける前に、基準となる細胞を資料から探します。

例えば複製直後と第1分裂後の1細胞を比べれば、正常な分配のもとで後者のDNA量は前者の半分です。しかし第1分裂後の2細胞を合計すると、複製直後の1細胞と同じ量になります。「半分」という言葉には、何個の細胞を分母にした比較かを添えます。細胞全体の数が増えることと、1細胞内のDNA量が減ることは同時に起こります。

図に乗換えが描かれている場合も、まず染色体の対応関係を確認します。相同染色体の対応する部分が交換されても、通常の乗換えでは染色体の本数が増減するわけではありません。色が混ざった染色分体を見て新しい染色体が増えたと判断せず、セントロメアと細胞の境界を目印に数えます。色の変化は遺伝情報の組合せの変化として読み取ります。

手元に残す要点

• 相同染色体は父母由来の対応する組、姉妹染色分体は複製でできた組です。
• DNA複製後も、結合した姉妹染色分体は染色体1本です。
• 第1分裂で相同染色体、第2分裂で姉妹染色分体が分かれます。
• DNA量と染色体数は、時期と1細胞あたりかどうかを添えて数えます。
• 配偶子の組合せは、独立性と乗換えの条件を確かめて求めます。

答案のどこで迷ったかを見つける

数が合わないときは、答えだけを消さず、各時期の細胞を丸で囲んだ図を描きます。X形を何本描いたか、同じXの2本を何として数えたかを答案に書き込むと、複製の段階での誤りと、第1分裂後に2細胞を合計した誤りを見分けられます。DNA量だけが違う場合は、複製を2回の分裂の間にもう1回入れていないかも見直します。

個別指導で確かめるなら、生徒が描いた相同染色体の色分けを見ながら、どの線が次の細胞に入るかを口頭で説明してもらいます。説明と図が食い違えば、分裂の名称を覚え直す前に、移動したものを指で追います。細胞の境界と分かれる相手を押さえると、減数分裂の数の変化を自分でたどれます。