高校生物 転写と翻訳—鎖の向きとコドンを確認して配列を読み取る｜武蔵野個別指導塾

鋳型鎖とRNAの向きを対応させ、除去領域を切り取ってからコドンを区切り、終止位置までのアミノ酸を並べます。

よくあるのは、鋳型鎖をそのままmRNAへ置き換えるという場面です。DNAの文字を見ながらTをUに直すだけで答えたくなりますが、それで得られる配列は鋳型鎖に相補的ではありません。さらに、正しい文字を選んでも向きを逆に書けば、読み取るコドンが変わります。まず2本のDNAのどちらが鋳型かを決め、矢印を付けてからRNAを作りましょう。学校の範囲表と授業ノートで、転写、RNAの加工、翻訳のどこまでが対象かも先に確かめます。

配列問題で求められる仕事

出方の1つは、DNAの一方の鎖から転写されるRNAの配列を答える型です。相補的な塩基の組合せと、2本の鎖が逆向きであることを同時に使います。鋳型鎖と非鋳型鎖の表示が変わっても、どちらを読むのかを問題文から決める必要があります。

2つ目は、転写されたRNAから不要な領域が除かれた後、残った配列をコドンに区切る型です。除かれる位置を取り違えたり、除去前の配列を3文字ずつ区切ったりすると、その後の答えが連鎖して変わります。まず切り取る領域、次に残る領域、最後に読み枠という順序で書きます。

3つ目は、処理や装置の違いから結果を説明する型です。mRNAがあるか、リボソームが働くか、対応するtRNAが使えるかを区別します。たとえばRNAが検出されたという結果は転写の手がかりですが、それだけでタンパク質が作られた証拠にはなりません。条件と観察結果を分け、何が言えて何がまだ決まらないかを示します。

学習指導要領の「生物」では、遺伝情報の発現と発生が学習範囲に含まれます。ここでは転写から翻訳までを扱い、発現量を調節する仕組みや発生の詳細には踏み込みません。

2本の鎖からタンパク質まで

DNAの2本の鎖は互いに相補的で、向きが逆です。DNAではAとT、GとCが対応します。遺伝子の転写では、RNAポリメラーゼが一方を鋳型鎖として読み、その情報に相補的なRNAを合成します。RNAではTの代わりにUが使われるので、鋳型鎖のAにはRNAのU、TにはA、GにはC、CにはGを対応させます。RNAは5′側から3′側へ伸び、鋳型鎖はその逆の3′側から5′側へ読まれます。

もう一方の非鋳型鎖は、転写領域について、できるRNAと同じ向きに並べるとTをUに変えた配列に対応します。これは非鋳型鎖が直接RNAの鋳型になるという意味ではありません。どちらの鎖が鋳型かは対象の遺伝子ごとに問題の指定に従います。紙面の上側に書かれているからという理由では決められません。

図1のように、転写と翻訳は別の段階です。真核生物では、転写直後のRNAからイントロンが除かれ、エキソンがつなぎ合わされるスプライシングを経て成熟mRNAができます。イントロンはDNAから最初に転写される領域ですが、通常、成熟mRNAの対応部分には残りません。図1は過程の順序を示す模式図であり、細胞内の距離や大きさを示してはいません。

翻訳ではリボソームがmRNAのコドンを5′側から読みます。コドンは連続する3塩基で、対応するアミノ酸または翻訳の終了を指定します。tRNAはアンチコドンでmRNAのコドンと対応し、結合しているアミノ酸を運びます。アンチコドンもコドンに対して逆向きに対応します。終止コドンではアミノ酸を加える対応tRNAが結合するのではなく、翻訳が終了します。問題で開始位置と対応表が与えられたら、その位置から区切り、終止コドンをアミノ酸として数えないことが重要です。

基本例題：向きをそろえて読む

次の配列と対応表は練習用に作った条件です。ある遺伝子の転写領域について、DNAの鋳型鎖が3′-TAC GGA CTT ATT-5′と示されています。転写されたRNAに除去される領域はなく、先頭から翻訳が始まるものとします。対応はAUGがメチオニン、CCUがプロリン、GAAがグルタミン酸、UAAが終止です。成熟mRNAを5′から3′の向きで書き、アミノ酸の並びを先頭から答えてください。

図2のように、まず鋳型鎖の左端が3′、右端が5′であることを確認します。RNAは逆向きなので、同じ紙面の左側が5′、右側が3′です。左から1塩基ずつ対応を取ります。

鋳型鎖のTACにはAUGが対応します。次のGGAにはCCU、CTTにはGAA、ATTにはUAAが対応します。したがってRNAは5′-AUG CCU GAA UAA-3′です。ここで空白は読みやすくするための区切りで、実際に塩基の間に隙間があるという意味ではありません。

指定された開始位置から3塩基ずつ読むと、AUG、CCU、GAA、UAAです。対応表を順に引くと、メチオニン、プロリン、グルタミン酸となり、UAAで終了します。答えのアミノ酸は3個です。終止を4個目のアミノ酸として加えないようにします。

逆向きにも点検できます。得られたRNAのAUG CCU GAA UAAに相補的なDNAを逆向きに並べると、3′-TAC GGA CTT ATT-5′になり、与えられた鋳型鎖に戻ります。非鋳型鎖は5′-ATG CCT GAA TAA-3′です。これのTをUにするとRNAと一致するので、鋳型鎖の相補性と非鋳型鎖の一致を別々に確かめられます。

配列が5′側から書かれた鋳型鎖として与えられた場合は、左からそのまま相補文字を並べた結果の向きが3′から5′になります。答えを5′から書く指定なら、その配列の並びを逆にしてから提示します。端の記号を付け替えるだけでは並びを反転したことにはならないので、両端の塩基まで実際に書き直します。

少し難しい例題：除去後に読み枠を作る

真核生物のある遺伝子について、転写直後のRNAを5′-AUG GCA UUU CCG AAA UAG-3′とします。これは自作の配列です。太さや空白は除去位置を示しません。5′端から数えて7〜9番目のUUUがイントロンとして除去され、それ以外が順につながるとします。成熟mRNAの先頭から翻訳が始まり、AUGはメチオニン、GCAはアラニン、CCGはプロリン、AAAはリシン、UAGは終止とします。成熟mRNAとアミノ酸の並びを5′側に対応する先頭から答えてください。

まず1〜6番目はAUG GCA、7〜9番目はUUU、10番目以降はCCG AAA UAGです。指定領域を除いて両側を結ぶと、成熟mRNAは5′-AUG GCA CCG AAA UAG-3′です。先頭から区切るとAUG、GCA、CCG、AAA、UAGなので、メチオニン、アラニン、プロリン、リシンの順となり、そこで翻訳が終わります。除いたUUUは成熟mRNAに残らないため、対応表を引く対象になりません。

確認として、成熟mRNAのGCAとCCGの間に除去したUUUを戻すと、元の転写直後の配列に復元できます。これは除去した位置と、残した両端の順序を確かめる操作です。次に成熟mRNAから3文字ずつ区切り直し、指定の開始位置と終止位置に合うことを点検します。

ここで結論を分ける条件は、除去される位置と開始位置です。イントロンが常に3の倍数の長さだと決めることはできません。また、除去の境界がコドンの境界と一致するとも限りません。境界が途中にある場合は、残った塩基を連結した後に新しい3塩基のまとまりを作ります。除去前の各部分を別々に翻訳してからつなぐ方法では、境界をまたぐコドンを正しく読めません。

転写直後のRNAが検出された一方、成熟mRNAが検出されなかったという資料があっても、直ちに特定の加工装置の故障を断定することはできません。検出条件やRNAの分解など別の可能性も残るからです。問題が与える条件のもとでどこまで言えるかを絞り、対照群と比較して結論を書きます。

間違えた行から戻る

誤答の例は、基本例題の鋳型鎖3′-TAC GGA CTT ATT-5′に対し、3′-UAC GGA CUU AUU-5′をmRNAとするものです。DNAのTをUに置き換えただけで、鋳型鎖とRNAが相補的になる条件を使っていません。最初のTに対応するRNAはUではなくAです。図3のように、誤った変換と相補的な変換を見比べ、端の向きも書きます。

修正すると、鋳型鎖の3′-TAC-5′に対応するRNAは5′-AUG-3′です。TをUへ変える方法が使えるのは、転写領域の非鋳型鎖をRNAと同じ5′から3′の向きに並べた場合です。どの鎖に適用しているかを言葉でも書き添えると、同じ操作の使い分けが明確になります。

もう1つの誤りは、アミノ酸の数に終止コドンを含めることです。終止は翻訳を終える目印であり、対応するアミノ酸名ではありません。区切った列の下に対応表の語を順に書き、終止の位置で列を閉じれば、数える対象が見えます。途中に終止がある条件なら、その後ろのコドンを先にあった翻訳のアミノ酸列へ加えません。

スプライシングの誤答では、除去した領域を含む配列のまま翻訳しがちです。削除範囲に印を付けた後、残りを一行に書き直し、その一行から改めて区切ります。境界が変わる問題では特に、消した場所を戻せるかを確認すると、隣の塩基を余分に消した間違いにも気づけます。

自分で解く4問

いずれも配列と条件は自作です。各問の対応表はその問で使う部分を示しています。配列は指定方向で、アミノ酸は翻訳の開始側から順に答えてください。

1. 鋳型鎖が3′-TAC AAA CGT ACT-5′です。除去領域はなく、RNAの先頭から翻訳します。AUGはメチオニン、UUUはフェニルアラニン、GCAはアラニン、UGAは終止です。RNAを5′から3′で書き、アミノ酸の並びを答えてください。
2. 鋳型鎖が5′-CTA GGG CAT-3′です。対応するRNAを5′から3′で答え、どの端の塩基から対応を取ったかを1文で説明してください。
3. 転写直後のRNAが5′-AUG ACU GGG AUC UAA-3′で、7〜9番目のGGGが除かれます。残りは順につながり、先頭から翻訳します。AUGはメチオニン、ACUはトレオニン、AUCはイソロイシン、UAAは終止です。成熟mRNAとアミノ酸の並びを答えてください。
4. 同じ細胞から作った2つの試料に同じmRNAと翻訳に必要な材料を加えます。試料Aには働くリボソームを加え、試料Bには加えません。ほかの条件は同じで、もともと働くリボソームは両試料にありません。Aでは指定のタンパク質が検出され、Bでは検出されませんでした。この結果から言えることを「リボソーム」「翻訳」を使って2文程度で述べ、RNAの転写が起こったかどうかをこの比較から判断できるか答えてください。

答えと確かめ方

1. RNAは5′-AUG UUU GCA UGA-3′、アミノ酸はメチオニン、フェニルアラニン、アラニンです。鋳型のTAC、AAA、CGT、ACTに順に相補的な塩基を置きます。最後のUGAは終止なので数えません。RNAから相補的なDNAを3′から並べ直すと、与えられた鋳型鎖に戻ります。

2. RNAは5′-AUG CCC UAG-3′です。鋳型の3′端は右端なので、右からCAT、GGG、CTAの順に対応を取り、RNAを左からAUG、CCC、UAGと書きます。逆向きに塩基を照合すると、RNAの左端Aは鋳型の右端Tに、右端Gは鋳型の左端Cに対応します。端を入れ替える際に塩基の順序も反転したことを確かめてください。

3. 成熟mRNAは5′-AUG ACU AUC UAA-3′で、メチオニン、トレオニン、イソロイシンの順です。7〜9番目を除去してから残った部分を結びます。ACUとAUCの間にGGGを戻すと元の転写直後のRNAになるので、削除位置と残りの順序を確認できます。UAAは終止として扱います。

4. この条件では、働くリボソームを加えた試料で指定のタンパク質が検出されました。比較は、リボソームがこの翻訳に必要であることを支持します。両試料にmRNAを外から加えているため、各試料内でそのmRNAの転写が起こったかは、この比較から判断できません。検出の差から、リボソームの有無以外の条件も違ったと考えないよう、問題の前提を明示します。

最後に残す4行

• 鋳型鎖とRNAは相補的で、向きは逆です。
• 非鋳型鎖はRNAと同じ向きでTとUを対応させます。
• スプライシング後の配列を開始位置から3塩基ずつ読みます。
• 終止コドンはアミノ酸として数えません。

答案のどこで止まったか

転写で止まるときは、最初の1塩基を指して、鋳型のどちらの端に対応させたかを説明してみます。文字の対応が合っていても、5′と3′の書き替えだけで順序を反転したつもりになっていれば、末端の照合で見つかります。非鋳型鎖から書いた場合も、鋳型鎖への相補性まで戻して確認します。

加工で止まるときは、消す位置に印を付けた図と、つなぎ直した一行を並べます。個別指導で答案を確かめるなら、削除位置を元に戻せるか、つなぎ目をまたぐ3塩基をどこから数えたかを問い直します。翻訳で止まる場合は、開始位置、コドン、対応表、終止の4か所を順に示してもらいます。配列の各文字がどの段階で決まったかをたどれば、誤りを1行ずつ直せます。