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遺伝情報とその発現の問題

難易度 3共通テストレベル高校生物遺伝情報とその発現

ある二倍体の真核生物 X について、次の観察・測定の結果が得られた。

項目	結果
体細胞分裂の $G_{2}$ 期の細胞 1 個の核に含まれる DNA	$1.2 \times 1 0^{10}$ 塩基対
X のタンパク質 1 分子（1 本のポリペプチド鎖）の平均の分子量	$66000$
アミノ酸 1 個あたりの平均の分子量（ペプチド結合で失われる水の分を差し引いた値）	$110$
成熟した mRNA のうち、アミノ酸を指定する領域（翻訳領域）が占める割合（長さの割合）	$60 %$
遺伝子 1 個あたりのイントロンの数（平均）	$8$ 個
イントロン 1 個あたりの長さ（平均）	$3375$ 塩基対
ゲノム全体のうち、すべての遺伝子の翻訳領域の合計が占める割合	$1.2 %$

ここで、ゲノムとは X の配偶子（生殖細胞）1 個がもつ 1 組の DNA 全体を指す。また、次のように考えるものとする。

各遺伝子はゲノム中に 1 個ずつ存在し、互いに重なり合わない。
各遺伝子からはスプライシングによって 1 種類の成熟した mRNA だけがつくられ（選択的スプライシングは起こらない）、成熟した mRNA はすべてのエキソンがつながったものである。
各遺伝子は 1 種類のタンパク質を指定し、翻訳されたポリペプチドは切断などの加工を受けない。終止コドンの 3 塩基は考えない。
成熟した mRNA の長さには、5' 末端のキャップ構造や 3' 末端のポリ A 尾部は含めない。
遺伝子領域とは、転写される領域（すべてのエキソンとイントロン）を指す。遺伝子の数や長さはすべて上の平均値で考えてよい。

X のゲノムに含まれる遺伝子の数と、ゲノム全体のうち遺伝子領域の合計が占める割合 [%] を、この順に求めよ。

この問題で使うもの

ゲノムの大きさと遺伝子の数（説明と入口の問題）
エキソン・イントロンと遺伝子の長さ（説明と入口の問題）
コドンとアミノ酸の数・mRNA の長さ（説明と入口の問題）

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ヒント

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ヒント 1

まず、 $G_{2}$ 期の細胞の DNA 量からゲノム 1 組の大きさを求め、次にタンパク質の分子量から遺伝子 1 個あたりの翻訳領域の長さを求めよう。

ヒント 2

$G_{2}$ 期の二倍体細胞はゲノム 4 組分の DNA をもつ。アミノ酸 1 個は 3 塩基で指定される。遺伝子の数 $=$ （ゲノム全体の翻訳領域の合計） $\div$ （遺伝子 1 個あたりの翻訳領域）。遺伝子領域はエキソン（成熟 mRNA の長さ）とイントロンの和である。

ヒント 3

ゲノムは $3.0 \times 1 0^{9}$ 塩基対、アミノ酸は $600$ 個なので翻訳領域は 1 遺伝子あたり $1800$ 塩基対、ゲノム全体の翻訳領域は $3.6 \times 1 0^{7}$ 塩基対。成熟 mRNA は $1800 \div 0.60$ 塩基、イントロンの合計は $8 \times 3375$ 塩基対となる。

答えと解説

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(20000, 20)

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解説を読む

1. ゲノムの大きさ

二倍体の体細胞は $G_{1}$ 期に 2 組のゲノムをもち、S 期に DNA が複製されるので、 $G_{2}$ 期には 4 組分（配偶子の 4 倍）の DNA をもつ。よって、ゲノム 1 組の大きさは
$\frac{1.2 \times 1 0 ^{10}}{4} = 3.0 \times 1 0^{9} 塩基対$

2. 遺伝子 1 個あたりの翻訳領域の長さ

タンパク質 1 分子あたりのアミノ酸の数は
$\frac{66000}{110} = 600 個$
アミノ酸 1 個は 3 塩基（1 コドン）で指定されるので、終止コドンを考えないとき、翻訳領域の長さは
$600 \times 3 = 1800 塩基対$

3. 遺伝子の数

ゲノム全体の翻訳領域の合計は
$3.0 \times 1 0^{9} \times 0.012 = 3.6 \times 1 0^{7} 塩基対$
遺伝子 1 個あたりの翻訳領域は 1800 塩基対なので、遺伝子の数は
$\frac{3.6 \times 1 0 ^{7}}{1800} = 2.0 \times 1 0^{4} = 20000 個$

4. 遺伝子 1 個あたりの遺伝子領域の長さ

成熟した mRNA のうち翻訳領域が $60 %$ を占めるので、成熟した mRNA の長さは
$\frac{1800}{0.60} = 3000 塩基$
成熟した mRNA はすべてのエキソンがつながったものなので、エキソンの合計は 3000 塩基対である。イントロンの合計は
$8 \times 3375 = 27000 塩基対$
したがって、遺伝子 1 個あたりの遺伝子領域（エキソン＋イントロン）は
$3000 + 27000 = 30000 塩基対$

5. 遺伝子領域が占める割合

遺伝子どうしは重ならないので、遺伝子領域の合計は
$20000 \times 30000 = 6.0 \times 1 0^{8} 塩基対$
ゲノム全体に対する割合は
$\frac{6.0 \times 1 0 ^{8}}{3.0 \times 1 0 ^{9}} \times 100 = 20 (%)$

以上より、遺伝子の数は 20000 個、遺伝子領域が占める割合は $20 %$ である。答えは $(20000, 20)$ 。

別解

【ゲノムの大きさ】G₂ 期の細胞は DNA 複製が終わっていて、核にはゲノム 2 組分（体細胞は二倍体）の 2 倍、つまりゲノム 4 組分の DNA がある。よってゲノム = $1.2 \times 1 0^{10} \div 4 = 3.0 \times 1 0^{9}$ 塩基対。

【1 遺伝子あたりの長さ】アミノ酸数 = $66000 \div 110 = 600$ 個。翻訳領域 = $600 \times 3 = 1800$ 塩基。成熟 mRNA の長さ = $1800 \div 0.60 = 3000$ 塩基。これはすべてのエキソンの合計長に等しい。イントロンの合計 = $8 \times 3375 = 27000$ 塩基対。遺伝子領域 1 個の長さ = $3000 + 27000 = 30000$ 塩基対。

【遺伝子数】全遺伝子の翻訳領域の合計 = $3.0 \times 1 0^{9} \times 0.012 = 3.6 \times 1 0^{7}$ 塩基対。遺伝子数 = $3.6 \times 1 0^{7} \div 1800 = 20000$ 個。

【遺伝子領域の割合】遺伝子領域の合計 = $20000 \times 30000 = 6.0 \times 1 0^{8}$ 塩基対。割合 = $6.0 \times 1 0^{8} \div 3.0 \times 1 0^{9} \times 100 = 20 %$ 。

【検算】1 遺伝子あたりの翻訳領域は遺伝子領域の $1800/30000 = 6%$ 。ゲノム中の翻訳領域 1.2% を 0.06 で割ると 20% となり、上の結果と一致する。

答え: 遺伝子数 20000 個、遺伝子領域の割合 20 %。

コドン	アミノ酸
AAA	リシン（Lys）
AAC	アスパラギン（Asn）
ACA	トレオニン（Thr）
ACC	トレオニン（Thr）
CAA	グルタミン（Gln）
CAC	ヒスチジン（His）
CCA	プロリン（Pro）
CCC	プロリン（Pro）

コドン	アミノ酸
AUG	メチオニン（Met）
UCU, AGU	セリン（Ser）
GGA, GGC	グリシン（Gly）
CAU, CAC	ヒスチジン（His）
CAA	グルタミン（Gln）
UUG, CUG	ロイシン（Leu）
CCU, CCC, CCA, CCG	プロリン（Pro）
AAG	リシン（Lys）
AAC	アスパラギン（Asn）
ACU	トレオニン（Thr）
UGC	システイン（Cys）
GAC	アスパラギン酸（Asp）
UAA, UAG, UGA	終止コドン

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