体細胞分裂の細胞周期と DNA 量の変化

G $_{1}$ 期・S 期・G $_{2}$ 期・M 期と分裂後の娘細胞で、細胞 1 個あたりの DNA 量（G $_{1}$ 期を $2$ とした相対値など）がいくつになるかを答えられる

前提

細胞分裂と染色体の数（中学理科生命の連続性と遺伝）
細胞周期と体細胞分裂の各期（高校生物細胞と分子（知識））

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説明

体細胞分裂をくり返す細胞では、細胞周期の時期によって細胞 1 個がもつ DNA の量が変わります。この技能では、G $_{1}$ 期・S 期・G $_{2}$ 期・M 期（分裂期）と、分裂してできた娘細胞のそれぞれで、細胞 1 個あたりの DNA 量がいくつになるかを答えられるようになります。DNA 量のグラフや測定値を読み取って、細胞がどの時期にあるかを考える場面で使います。

なぜそうしてよいのか

細胞周期で DNA 量が変わるできごとは 2 つだけです。1 つは S 期の DNA の複製で、ここで DNA がすべて 1 回ずつ写し取られるので、DNA 量は 2 倍になります。もう 1 つは分裂期の終わりの細胞質分裂で、複製してできた 2 組の DNA が 2 つの娘細胞に 1 組ずつ分けられるので、細胞 1 個あたりの DNA 量は半分にもどります。

それ以外の時期では DNA 量は変わりません。G $_{1}$ 期は複製の前なので基準の量のままです。G $_{2}$ 期は複製が終わった後なので複製後の量のままです。分裂期の前期・中期・後期では染色体の凝縮や配列、分離が起こりますが、細胞はまだ 1 個のままなので、細胞 1 個あたりの DNA 量は複製後の量のままです。

そのため、G $_{1}$ 期の DNA 量を $2$ （相対値）とすると、S 期で $2$ から $4$ へ増えていき、G $_{2}$ 期と分裂期（終期に細胞質が分かれるまで）は $4$ 、分裂後の娘細胞（次の G $_{1}$ 期）は $2$ になります。娘細胞はもとの G $_{1}$ 期の細胞と同じ量の DNA をもつので、体細胞分裂では染色体の数も DNA 量も親と子で変わりません。

手順

基準になる G $_{1}$ 期の細胞 1 個あたりの DNA 量（例えば相対値 $2$ 、または与えられた値 $x$ ）を確認する
求める時期が S 期より前（G $_{1}$ 期）か、S 期の途中か、S 期より後（G $_{2}$ 期・分裂期・娘細胞）かを判断する
S 期より前（G $_{1}$ 期）なら基準の量 $2$ （ $x$ ）のまま、S 期の途中なら $2$ と $4$ の間（ $x$ と $2 x$ の間）で増えている途中、S 期が終わっていれば $2$ 倍の $4$ （ $2 x$ ）とする
S 期より後のうち、G $_{2}$ 期と分裂期（前期・中期・後期、細胞質分裂の前まで）は複製後の量 $4$ （ $2 x$ ）のままとする
細胞質分裂が終わった後の娘細胞 1 個は、半分の $2$ （ $x$ ）にもどす

例題

ある動物の体細胞を培養し、細胞 1 個あたりの DNA 量を測定したところ、G $_{1}$ 期の細胞では $6$ pg であった。この細胞が体細胞分裂を行うとき、分裂期の中期にある細胞 1 個あたりの DNA 量は何 pg か求めよ。

例題の解答

手順 1：G $_{1}$ 期の細胞 1 個あたりの DNA 量は $x = 6$ pg である。

手順 2：分裂期の中期は、S 期・G $_{2}$ 期の後なので、S 期より後である。

手順 3：S 期が終わっているので、DNA の複製で DNA 量は 2 倍になり、 $2 \times 6 = 12$ pg になっている。

手順 4：分裂期の中期はまだ細胞質分裂の前なので、細胞 1 個あたりの DNA 量は複製後の $12$ pg のままである。

手順 5 の半分にもどすのは、細胞質分裂が終わった後の娘細胞のときだけなので、ここでは使わない。

よって、答えは $12$ pg である。

答え: $12$

よくある誤り

分裂期の後期に染色体が両極に分かれた時点で DNA 量が半分になるとしてしまう誤り。後期の細胞 1 個を $2$ とするのは誤り。正しくは細胞質分裂が終わるまでは細胞は 1 個なので、後期・終期（細胞質分裂の前）も $4$ のまま。
DNA の複製が分裂期に起こるとしてしまう誤り。G $_{2}$ 期を $2$ とするのは誤り。正しくは複製は S 期に起こるので、G $_{2}$ 期はすでに $4$ 。
S 期の途中の細胞をすべて $4$ （または $2$ ）としてしまう誤り。正しくは S 期は複製が進んでいる途中なので、DNA 量は $2$ より大きく $4$ より小さい値（ $2$ と $4$ の間）になる。
娘細胞の DNA 量を G $_{1}$ 期のさらに半分（ $1$ ）としてしまう誤り。 $4 \div 2 \div 2 = 1$ とするのは誤り。正しくは体細胞分裂では複製後の $4$ を 1 回だけ半分にするので、娘細胞は $4 \div 2 = 2$ で、もとの G $_{1}$ 期と同じ量。

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
ある動物の培養細胞が体細胞分裂を繰り返している。この細胞の G $_{1}$ 期の細胞 1 個あたりの DNA 量は $6$ pg（ピコグラム）であった。
この細胞が S 期を終えて G $_{2}$ 期に入ったとき、細胞 1 個あたりの DNA 量は何 pg か。ただし、S 期では核の DNA がすべて 1 回だけ複製されるものとし、核以外の DNA は考えないものとする。

この技能を使う問題

難易度 3（共通テストレベル）
ある動物の培養細胞の集団がある。すべての細胞は同じ一定の速さで細胞周期を進み、細胞周期の長さ（1 回の周期にかかる時間）は $20$ 時間である。この集団から $10000$ 個の細胞を取り出し、細胞 1 個あたりの DNA 量を測定した。結果を下の表に示す。DNA 量は、G $_{1}$ 期の細胞の値を $2$ とする相対値で表してある。
細胞 1 個あたりの DNA 量（相対値）細胞数
$2$ $4000$
$2$ より大きく $4$ より小さい $3000$
$4$ $3000$
また、同じ $10000$ 個の細胞を光学顕微鏡で観察したところ、全細胞の $10%$ が分裂期（M 期）であった。
次に、この $10000$ 個の細胞に薬剤 X を加えた。薬剤 X は、G $_{1}$ 期から S 期への移行だけを直ちに止める。そのため、薬剤を加えたときに G $_{1}$ 期にあった細胞や、薬剤を加えたあとの分裂で生じて G $_{1}$ 期に入った細胞は、G $_{1}$ 期の終わりで止まり、S 期に入らない。一方、S 期・G $_{2}$ 期・M 期にある細胞は、薬剤の影響を受けずにそれまでと同じ速さで周期を進める。
ただし、次のことを前提とする。
- 測定と観察を行い薬剤 X を加えた時点で、 $10000$ 個の細胞は細胞周期上のどの時点にも均等に分布していたとみなす。したがって、各時期にある細胞の数の割合はその時期の長さの割合に等しく、各時期の中でも細胞はその時期の始まりから終わりまでのどの時点にも均等に分布している。
- M 期の細胞の DNA 量は相対値 $4$ であり、M 期の終わりに細胞質分裂が完了して、DNA 量が相対値 $2$ の娘細胞が $2$ 個できる。娘細胞はただちに G $_{1}$ 期に入る。
- 細胞が死ぬことはない。
薬剤 X を加えてから $5$ 時間後に、細胞 1 個あたりの DNA 量が相対値 $2$ である細胞は何個あるか求めよ。

細胞 1 個あたりの DNA 量（相対値）	細胞数
$2$	$4000$
$2$ より大きく $4$ より小さい	$3000$
$4$	$3000$

この技能の次に学べること

DNA 量の分布からの G1・S・G2・M 期の長さ（高校生物細胞と分子）
減数分裂と DNA 量の変化（高校生物細胞と分子）