高校生物 DNAの複製—半保存的複製と合成方向を模式図で追う｜武蔵野個別指導塾

標識鎖と標識を含むDNA分子の割合を別々に数え、相補的な配列と合成方向を図に戻して点検します。

よくあるのは、標識鎖の割合と標識を含む分子の割合を同じにする場面です。1本の二本鎖DNAに標識が1本だけ残っているとき、その分子は標識を含みますが、2本の鎖のうち標識があるのは半分です。問題文の「何を数えるか」に線を引き、分母を決めてから図を描きましょう。学校の範囲表と授業ノートで複製が含まれるかを確かめ、用語の表記も授業に合わせます。学習指導要領の「生物」では、複製を扱う遺伝情報の発現と発生が学習範囲に含まれます。

答案に現れる3つの型

第1の型は、相補的な塩基の組合せから新しい鎖の配列と両端の向きを書く問題です。AとT、GとCの対応を使いますが、塩基だけを置き換えて両鎖を同じ向きに書くと誤りになります。5′末端と3′末端を先に記してから塩基を並べます。

第2の型は、標識されたDNAを複製させた後、標識鎖や標識を含む分子の割合を求める問題です。二本鎖を1分子と数えるのか、1本鎖を数えるのかで分母が変わります。標識物質をいつ取り除いたか、各分子が各回に1度複製するかを確認してから計算します。

第3の型は、複製の進行方向と新しい鎖の合成方向を説明する問題です。2本の鋳型鎖は逆向きなので、複製が進む側へ連続的に伸びる鎖と、短い断片をつないでできる鎖があります。図の左右だけで判断せず、各鎖の5′端と3′端に戻ることが根拠になります。

もとの鎖を受け継ぐしくみ

DNAの二本鎖では、AはT、GはCと対になり、2本の鎖は互いに逆向きです。一方が左から右へ5′、3′の順なら、もう一方は左から右へ3′、5′の順になります。これを逆平行といいます。対応する塩基を結んでから各鎖を独立に読むと、配列の左右と端の表示を混同しにくくなります。

複製では二本鎖がほどけ、それぞれのもとの鎖が新しい相補鎖を作るための鋳型になります。DNAポリメラーゼは既存の鎖の3′末端にヌクレオチドをつなぎ、新しい鎖を5′から3′へ伸ばします。開始には短いプライマーが必要です。もとの1本と新しい1本を組にした分子が2分子できるので、この方式を半保存的複製と呼びます。

図1のように、親の2本は別々の娘分子に入ります。線の色は鎖の由来を表す模式的な区別で、塩基の種類や実際の色を表しません。複製後に2本が同じ親由来の分子として残る図では、半保存的という条件を満たしません。

伸長が進む場所では2本の鋳型の向きが反対です。新しい鎖はどちらも5′から3′へ作られますが、一方は複製が開く方向へ連続的に伸び、もう一方は開いた部分に短い岡崎フラグメントを順に作ります。後者ではプライマーの除去と置換を経て、DNAリガーゼが隣接する断片をつなぎます。方向が逆になるのは新しい鎖どうしの空間上の向きであり、ポリメラーゼが3′から5′へ合成するという意味ではありません。

基本例題：標識を分子と鎖で数える

自作のモデルです。最初に、2本とも標識された鎖からなる二本鎖DNAが1分子あります。標識のない材料に移し、各分子が1回ずつ複製する操作を2回行います。鎖の切断や分解はなく、以後に合成される鎖は標識されないものとします。2回目の後、標識を含む分子の割合と、全鎖に占める標識鎖の割合をそれぞれ分数で求めてください。

まず親分子は標識鎖2本からなります。1回目には各鎖が鋳型となり、標識鎖1本と新しい無標識鎖1本からなる分子が2分子できます。ここでは2分子とも標識を含みますが、鎖は合計4本なので標識鎖の割合は2/4です。

2回目には各分子がそれぞれ複製し、分子の総数は2 × 2 = 4分子です。もとの標識鎖2本はそれぞれ別の娘分子に入り、残りの2分子は無標識鎖どうしの組になります。したがって、標識を含む分子は2分子で、割合は2/4 = 1/2です。全鎖は4 × 2 = 8本で、標識鎖は2本ですから割合は2/8 = 1/4です。

図2のように、分子の枠と鎖の線を別々に数えると、分母が混ざりません。答えを元の図に戻すと、標識を含む2分子に標識鎖が1本ずつあり、他の2分子にはありません。標識鎖2本と無標識鎖6本の合計は8本で、4分子分の鎖数に一致します。

この答えは、標識のない材料に移した後は標識鎖が新たに作られないという条件によります。途中で標識材料を加えた場合や、鎖が分解される場合に、そのまま標識鎖2本を固定してはいけません。また、細胞数が与えられていないので分子数から細胞数を決めることもできません。

数え方が使える条件を点検する

半保存的複製という名前だけから、標識の割合を決めることはできません。例えば最初の分子が両鎖とも標識されているのか、片方だけなのかで、出発時の標識鎖数が変わります。親分子が複数ある問題では、それぞれに含まれる標識鎖を合計してから、複製後に何本が残るかを数えます。問題が指定する標識の範囲も重要です。鎖の一部に標識があっても「標識を含む鎖」と数える条件なら、その鎖は1本と数えます。

また、1回ごとに全分子がちょうど1回複製するモデルでは分子数が倍になりますが、複製しない分子が混じる条件では一律に倍としてはいけません。複製しなかった分子はそのまま残り、複製した分子からは2分子ができます。どちらに標識鎖があるかを分けて追う必要があります。問題にその内訳がなければ、複製回数という言葉だけから最終割合を決めることはできません。

割合を出した後は、分子数に2を掛けた本数が全鎖数になるか、標識ありとなしの本数が全鎖数に戻るかを確かめます。分子の割合についても、標識ありとなしの分子数の合計を確認します。この戻し方は、計算の途中で分母を取り違えた場合を見つける手掛かりになります。

もう一歩：標識を入れる時期で変わる

自作の条件です。最初の二本鎖DNAは1分子で、2本とも無標識です。1回目は標識材料を使って全分子が1回複製し、その後は標識のない材料に移して、全分子がさらに1回複製します。鎖の切断や分解はなく、標識材料で合成された鎖は全長が標識されるとします。2回目の後に標識を含む分子の割合と標識鎖の割合を、それぞれ分数で求めてください。

1回目に作られる新しい鎖は2本で、いずれも標識されています。その結果、2分子はそれぞれ無標識の親鎖1本と標識された新鎖1本を持ちます。2回目には4分子になり、この2本の標識鎖が別々の分子に1本ずつ入ります。新たな標識鎖は作られないので、標識を含む分子は2/4 = 1/2、標識鎖は2/8 = 1/4です。

基本例題と最終的な割合は同じでも、標識鎖がもとの親鎖か1回目に作られた鎖かは異なります。検算では4分子を、標識鎖と無標識鎖の組が2分子、無標識鎖どうしの組が2分子と復元します。鎖の総数は2 × 2 + 2 × 2 = 8本、標識鎖は2本となり、与えた条件に戻ります。

例えば、2回目も標識材料を使えば、新しく合成される4本にも標識がつきます。すると元の標識鎖2本と合わせて標識鎖は6本になり、4分子すべてが標識を含みます。標識鎖の割合は6/8 = 3/4です。材料の切替えを読み落とすと、同じ複製回数でも別の答えになります。

間違いの位置を図で探す

誤答例は「基本例題の2回目には標識を含む分子が半分なので、標識鎖も半分」です。原因は、標識を含む分子を数えた分子の集合と、その中の1本ずつの鎖を数えた集合を混ぜたことです。標識を含む分子であっても、2本とも標識されているとは限りません。

図3のように、1分子に標識鎖1本と無標識鎖1本がある場合を考えます。標識を含む分子は1分子中1分子ですが、標識鎖は2本中1本です。分子の枠を囲んでから鎖に印を付け、それぞれ別の分数に直すと誤りを修正できます。まず対象を日本語で分子か鎖かと書き、分母を添えてから約分します。

配列の誤答にも、同じように根拠へ戻る方法が使えます。鋳型を左から右へ3′-ACG-5′としたとき、新しい鎖を左から右へ3′-TGC-5′と書くと、塩基の組合せは合っていても両鎖が同じ向きになります。相補鎖は左から右へ5′-TGC-3′です。塩基の対と末端の向きを別々に点検しましょう。

また、複製が開く向きへ矢印を描いた後、その矢印を両方の新しい鎖の合成方向として使うのも誤りです。鋳型の向きを確かめ、各新生鎖の3′端が伸びる方向に矢印を付けます。断片ができる側では、各断片の合成方向と、断片が作られる位置の移動を区別します。

練習：条件を先に整理する

次の4問はすべて自作の条件です。答えは分数を約分し、配列には両端の向きを付けます。記述は指定された語を用い、目安の長さで答えてください。

1. 鋳型鎖が左から右へ3′-GATTAC-5′です。相補的な新しいDNA鎖を左から右へ書いてください。
2. 最初の二本鎖DNA 3分子の両鎖が標識されています。標識のない材料で各分子が3回、それぞれ1回ずつ複製します。鎖の切断や分解がないとき、最後の分子数、標識を含む分子数、標識鎖の割合を答えてください。
3. 無標識の二本鎖DNA 2分子を、標識材料で1回、続けて無標識材料で1回複製します。各回に全分子が1回ずつ複製し、標識材料でできた鎖は全長が標識され、切断や分解はないものとします。最後の標識を含む分子の割合と標識鎖の割合を求めてください。
4. 複製の進行に伴って、一方の新生鎖が短い断片として作られる理由を、「逆向き」「5′から3′」「鋳型」を使い、60字程度で説明してください。

答えと確かめ方

1. 5′-CTAATG-3′です。鋳型のG、A、T、T、A、Cに、順にC、T、A、A、T、Gを対応させます。逆平行なので左端が5′です。答えの各塩基を鋳型に戻すとGとC、AとT、TとAの組合せになり、向きも反対です。末端の記号なしで塩基だけを書いた答案は、読む方向まで指定した条件を満たしません。

2. 分子数は24分子、標識を含む分子数は6分子、標識鎖の割合は1/8です。分子数は3 → 6 → 12 → 24と倍になります。親の標識鎖は3 × 2 = 6本で、新しい鎖には標識がないため最後まで6本です。それぞれが別の分子に入るので標識を含む分子も6分子です。最後の全鎖は24 × 2 = 48本なので6/48 = 1/8です。復元すると、標識鎖1本を持つ分子が6、無標識鎖2本の分子が18で合計24分子です。標識鎖6本、無標識鎖6 + 36 = 42本で合計48本になります。

3. 標識を含む分子の割合は1/2、標識鎖の割合は1/4です。1回目の後は4分子で、各分子が標識鎖1本を持ちます。2回目の後は8分子、全鎖16本です。標識鎖は1回目に作られた4本のままなので、標識を含む分子は4/8、標識鎖は4/16です。答えを戻すと、標識鎖と無標識鎖の組が4分子、無標識鎖どうしの組が4分子となり、合計8分子、16本です。

4. 解答例は「2本の鋳型が逆向きで、新生鎖は5′から3′にしか伸びないため、片側では複製の進行に伴い短い断片を順に合成するから」です。鋳型の向きと合成方向を理由として結び付けているかを見ます。「片側だけ合成方向が反対」とした場合は、空間上の向きと鎖の5′から3′という向きを混同しています。断片が後につながることまで加えても構いません。

手元に残す要点

• AとT、GとCが対になり、2本の鎖は逆平行です。
• 半保存的複製では親の各鎖が別々の娘分子に入ります。
• 新しいDNA鎖は5′から3′へ伸びます。
• 標識を含む分子と標識鎖は分母を分けて数えます。

どこで止まったかを見分ける

答えの分数だけが違う場合は、図の分子の枠数と鎖の本数を別々に数え直します。標識の本数が増えているなら、材料を切り替えた時点を書き添え、新しく作る鎖が標識されるかを確かめます。図そのものが描けない場合は、親の各鎖を別の娘分子へ1本ずつ移すところから始めます。

配列の答えでは、塩基の対応が合っていても両端が逆の場合があります。個別指導で確認するなら、生徒が書いた2本の鎖を見て、対になる塩基と5′端・3′端を順に指さしてもらうと、対応の誤りと方向の誤りを区別できます。断片の問題では、複製が開く矢印と新生鎖が伸びる矢印を別々に書き、どの端に材料が加わるかを尋ねます。分母と方向の根拠が図に残れば、答案の数字や文章も検証できます。