遺伝情報とその発現の問題

1. mRNA の塩基配列を求める

mRNA は鋳型鎖に相補的で、向きは逆平行である。鋳型鎖を $3^{\prime }$ 側から書いているので、各塩基を相補的な塩基（A→U, T→A, G→C, C→G）に置き換えると、そのまま mRNA を $5^{\prime }$ 側から書いたものになる。鋳型鎖の $3^{\prime }$ 末端から $i$ 番目の塩基は、mRNA の $5^{\prime }$ 末端から $i$ 番目の塩基と対になる。

$$5^{\prime }\text{-GCAAUGUCUGGACACUUGCCAAAGUAACUAGC-}{3}^{\prime }$$

2. 正常なポリペプチドを求める

最初の AUG は 4〜6 番目にある。ここから 3 塩基ずつ区切ると

AUG（4〜6）| UCU（7〜9）| GGA（10〜12）| CAC（13〜15）| UUG（16〜18）| CCA（19〜21）| AAG（22〜24）| UAA（25〜27）

となり、正常なポリペプチドは Met－Ser－Gly－His－Leu－Pro－Lys（7 個）である。

3. 欠失の位置をしぼりこむ

突然変異体のポリペプチドは 4 番目のアミノ酸が Pro なので、4 番目のコドンは CC で始まるコドン（CCU, CCC, CCA, CCG）でなければならない。mRNA の $p$ 番目の塩基が欠失したとき、どうなるかを場合分けして調べる。

• $1\leqq p\leqq 3$ のとき：開始コドン AUG より前の塩基が欠けるだけなので、AUG とそれ以降の塩基はまとめて 1 つ前にずれる。AUG から見た読み枠は変わらないので、4 番目のコドンは CAC（His）のままであり、不適。
• $p=4$ のとき：もとの 3 番目の A、5 番目の U、6 番目の G が並んで新しい AUG ができる。この AUG の次は もとの 7〜9 番目の UCU であり、読み枠はもとと同じになるので、4 番目のコドンは CAC（His）で、不適。
• $p=5$ または $p=6$ のとき：開始コドン AUG がこわれる。残りの配列（$p=5$ なら GCAAGUCUGG…、$p=6$ なら GCAAUUCUGG…）を調べると、どこにも AUG が現れないので、翻訳が始まらず、Met から始まるポリペプチドはつくられない。不適。
• $7\leqq p\leqq 12$ のとき：開始コドン AUG（4〜6）は残るが、2 番目・3 番目のコドンの中で 1 塩基が欠けるため、13 番目以降が 1 つずつ前にずれる。4 番目のコドンはもとの 14〜16 番目の ACU（Thr）になり、不適。
• $p=13$ のとき：4 番目のコドンはもとの 14, 15, 16 番目で ACU（Thr）、不適。
• $p=14$ のとき：4 番目のコドンはもとの 13, 15, 16 番目で CCU（Pro）、適する。
• $p=15$ のとき：4 番目のコドンはもとの 13, 14, 16 番目で CAU（His）、不適。
• $p\geqq 16$ のとき：4〜15 番目はそのまま残るので、4 番目のコドンは CAC（His）になり、不適。

よって、条件を満たしうるのは $p=14$ だけである。

4. $p=14$ で残りの配列が一致するか確かめる

14 番目の A を除いた mRNA は

$$5^{\prime }\text{-GCA AUG UCU GGA CCU UGC CAA AGU AAC UAG C-}{3}^{\prime }$$

となり、AUG（Met）－UCU（Ser）－GGA（Gly）－CCU（Pro）－UGC（Cys）－CAA（Gln）－AGU（Ser）－AAC（Asn）－UAG（終止）となる。読み枠がずれた（フレームシフト）ため、もとの終止コドン UAA は読まれず、その先の UAG で翻訳が終わって 8 個のアミノ酸になる。これは突然変異体の結果と一致する。

5. 鋳型鎖での位置

mRNA の $5^{\prime }$ 末端から 14 番目の A に対応するのは、鋳型鎖の $3^{\prime }$ 末端から 14 番目の T である。

したがって、答えは 14 番目 である。

鋳型鎖の塩基に 3′ 末端から 1〜32 の番号を付ける。mRNA は、鋳型鎖の各塩基に相補的な塩基を同じ番号順に並べたもの（5′ 末端が番号 1）である。

もとの mRNA(5′→3′): GCA AUG UCU GGA CAC UUG CCA AAG UAA CUA GC

最初の AUG は 4〜6 番目にある。ここからコドンを読むと、AUG UCU GGA CAC UUG CCA AAG UAA となり、Met－Ser－Gly－His－Leu－Pro－Lys で終止する。

突然変異体は Met－Ser－Gly－Pro－Cys－Gln－Ser－Asn なので、はじめの 3 つ（AUG UCU GGA、4〜12 番目）は変化していない。変化が始まるのは 13 番目以降である。

もとの 13 番目以降は C A C U U G C C A A A G U A A C U A G C… である。4 番目のアミノ酸 Pro は CCN で、続いて UGC(Cys)、CAA(Gln)、Ser（UCU か AGU）、AAC(Asn) が並ぶ必要がある。

14 番目の A を欠失させると、13 番目以降は C C U U G C C A A A G U A A C U A G C… となる。これを 3 塩基ずつ読むと CCU(Pro) UGC(Cys) CAA(Gln) AGU(Ser) AAC(Asn) UAG(終止) となり、Met－Ser－Gly－Pro－Cys－Gln－Ser－Asn の 8 個のアミノ酸と一致する。

13 番目の C や 15 番目の C を欠失させた場合は、次のようになり一致しない。
- 13 番目の C を欠失：ACU(Thr) UGC… で、4 番目のアミノ酸が Pro にならない。
- 15 番目の C を欠失：CAU(His) UGC… で、4 番目のアミノ酸が His になる。

よって欠失したのは mRNA の 14 番目の A に対応する塩基、つまり鋳型鎖の 3′ 末端から 14 番目の T である。鋳型鎖 CGTTACAGACCTGT… の 14 番目は T で、これに相補的な塩基が mRNA の A なので、矛盾はない。