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

ある遺伝子の領域は、 $1200$ 塩基対からなる 2 本鎖 DNA である。この領域について調べたところ、次のことがわかった。

2 本鎖全体の塩基数のうち、グアニン（G）の占める割合は $23 %$ である。
この領域の 2 本のヌクレオチド鎖のうち一方（鋳型鎖）の全体が転写され、 $1200$ 塩基からなる mRNA が 1 種類つくられた。この mRNA はスプライシングなどの加工を受けず、鋳型鎖の塩基と過不足なく相補的に対応している。
この mRNA の塩基数のうち、アデニン（A）の占める割合は $31 %$ 、シトシン（C）の占める割合は $20 %$ である。

この mRNA に含まれるウラシル（U）の数を求めよ。

この問題で使うもの

シャルガフの規則と 2 本鎖の塩基組成（説明と入口の問題）
1 本鎖の塩基組成と転写された RNA の組成（説明と入口の問題）

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ヒント

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ヒント 1

mRNA の各塩基が鋳型鎖のどの塩基と対応するかを整理し、鋳型鎖の塩基組成を求めることを考えよう。

ヒント 2

2 本鎖 DNA では、どちらの 1 本鎖についても、その鎖の中の $A + T$ の割合は 2 本鎖全体の $A + T$ の割合と等しい。

ヒント 3

2 本鎖全体の $A + T$ は $54 %$ である。また、mRNA の A が $31 %$ なので、鋳型鎖の T は $31 %$ である。ここから鋳型鎖の A の割合を求めよう。

答えと解説

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276

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解説を読む

1. 2 本鎖全体の割合

2 本鎖 DNA では A と T、G と C がそれぞれ対をつくるので、2 本鎖全体で $G = C$ 、 $A = T$ である（シャルガフの規則）。

$G + C = 23 + 23 = 46 (%), A + T = 100 - 46 = 54 (%)$

2. 1 本鎖の中での A＋T の割合

一方の鎖の A は、もう一方の鎖の T と対になる。一方の鎖の T は、もう一方の鎖の A と対になる。そのため、一方の鎖の $A + T$ の数と、もう一方の鎖の $A + T$ の数は等しい。

2 本の鎖は塩基数が等しい。よって、どちらの鎖でも、その鎖の中で $A + T$ の占める割合は 2 本鎖全体と同じ $54 %$ になる。同様に、 $G + C$ の割合も $46 %$ である。

3. mRNA から鋳型鎖の組成を求める

mRNA の塩基は、鋳型鎖の塩基と次のように対応する。

鋳型鎖の A → mRNA の U
鋳型鎖の T → mRNA の A
鋳型鎖の G → mRNA の C
鋳型鎖の C → mRNA の G

mRNA の A が $31 %$ なので、鋳型鎖の T は $31 %$ である。mRNA の C が $20 %$ なので、鋳型鎖の G は $20 %$ である。

鋳型鎖の中で $A + T = 54 %$ だから、鋳型鎖の A は次のようになる。

$54 - 31 = 23 (%)$

（参考：鋳型鎖の C は $46 - 20 = 26 (%)$ である。このとき mRNA の組成は A $31 %$ 、U $23 %$ 、G $26 %$ 、C $20 %$ で、合計 $100 %$ となり矛盾しない。）

4. mRNA の U の数

mRNA の U は鋳型鎖の A に対応するので、mRNA 中で U の占める割合は $23 %$ である。mRNA は $1200$ 塩基なので、U の数は

$1200 \times 0.23 = 276$

よって、答えは $276$ 個である。

別解

2 本鎖 DNA は 1200 塩基対なので、全体の塩基数は $2400$ である。G は $23%$ なので G $= 2400 \times 0.23 = 552$ 。相補性より C $= 552$ で、A+T $= 2400 - 1104 = 1296$ 、A $=$ T $= 648$ となる。

mRNA（1200 塩基）では、A $= 1200 \times 0.31 = 372$ 、C $= 1200 \times 0.20 = 240$ である。

mRNA は鋳型鎖と相補的なので、mRNA の G は鋳型鎖の C に、mRNA の C は鋳型鎖の G に対応する。2 本鎖全体の G の数は、鋳型鎖の G と鋳型鎖の C（もう一方の鎖の G）の和である。

鋳型鎖の G $=$ mRNA の C $= 240$ なので、鋳型鎖の C $= 552 - 240 = 312$ となり、mRNA の G $= 312$ 。

よって U $= 1200 - 372 - 240 - 312 = 276$ 。

検算：2 本鎖全体の A+T $= 648$ は、mRNA の A と U の和に等しい。 $372 + 276 = 648$ となり一致する。また、mRNA の G は $26%$ 、U は $23%$ で、合計 $31 + 20 + 26 + 23 = 100%$ になる。

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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。

難易度 3（共通テストレベル）

アデニン（A）とシトシン（C）の 2 種類の塩基だけからなる、非常に長い人工 RNA を合成した。この RNA では、どの位置の塩基も他の位置とは無関係に、確率 $p$ で A、確率 $1 - p$ で C になっている（ $0 < p < 1$ ）。ただし、 $p$ の値は実験者にはわからない。

この RNA を、開始コドンがなくても翻訳を始める無細胞翻訳系に加えてポリペプチドを合成させた。A と C だけからなる 8 種類のコドンが指定するアミノ酸は、次の表のとおりである（これらの中に終止コドンはない）。

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）

合成されたポリペプチドを調べたところ、取り込まれたリシンとヒスチジンの個数の比は $Lys : His = 9 : 1$ であった。

各コドンが翻訳される回数は、そのコドンが RNA 中に現れる確率に比例し、各アミノ酸の取り込まれた個数はそのアミノ酸を指定するコドンが翻訳される回数の合計に等しいものとする。このとき、ポリペプチドに取り込まれたアミノ酸全体の個数のうち、トレオニンの個数が占める割合を分数で求めよ。

難易度 1（教科書の例題レベル）
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甲鎖の全長を鋳型として転写された RNA の塩基のうち、アデニン（A）の数の割合は何 % か。