エキソン・イントロンと遺伝子の長さ

翻訳領域の長さ、成熟 mRNA に占める翻訳領域の割合、イントロンの数と長さから、成熟 mRNA の長さと遺伝子領域（エキソン $+$ イントロン）の長さを求められる

前提

コドンとアミノ酸の数・mRNA の長さ（高校生物遺伝情報とその発現）

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コドンとアミノ酸の数・mRNA の長さ（高校生物遺伝情報とその発現）

説明

真核生物の遺伝子は、成熟 mRNA に残る部分（エキソン）と、スプライシングで取り除かれる部分（イントロン）が交互に並んでできています。この技能を使うと、タンパク質のアミノ酸数から求めた翻訳領域の長さをもとに、成熟 mRNA の長さや、イントロンまで含めた遺伝子領域の長さを求められます。タンパク質の大きさに比べて遺伝子がどれほど長いかを見積もるときや、イントロンの長さ・数を逆算するときに使います。

なぜそうしてよいのか

DNA の遺伝子領域は、まず全体がそのまま RNA に転写されます（この RNA を mRNA 前駆体と呼びます）。その後、イントロンにあたる部分が切り取られ、残ったエキソンどうしがつなぎ合わされて成熟 mRNA になります。この過程をスプライシングといいます。したがって、ここでの約束（成熟 mRNA はエキソンをつないだものだけでできていると考え、末端に付け加えられる構造は数えない）のもとでは
$遺伝子領域の長さ = エキソンの長さの合計 + イントロンの長さの合計$
$成熟 mRNA の長さ = エキソンの長さの合計$
が成り立ちます。DNA は 2 本鎖なので長さを「塩基対」で、mRNA は 1 本鎖なので「塩基」で数えますが、エキソン 1 塩基は DNA の 1 塩基対に対応するので数は同じです。

成熟 mRNA のすべてがアミノ酸に翻訳されるわけではありません。開始コドンより前と終止コドンより後ろには翻訳されない部分があります。翻訳される部分（翻訳領域）は開始コドンから終止コドンまでで、その塩基数は前提の技能より $3 \times (アミノ酸数 + 1)$ です。翻訳領域が成熟 mRNA の $r$ （割合）を占めるなら、成熟 mRNA の長さは $\frac{翻訳領域の長さ}{r}$ です。こうして「アミノ酸数 → 翻訳領域 → 成熟 mRNA（エキソンの合計）→ イントロンを足して遺伝子領域」と順にたどれます。

手順

アミノ酸数から翻訳領域（開始コドンから終止コドンまで）の塩基数を求める: $3 \times (アミノ酸数 + 1)$
翻訳領域が成熟 mRNA に占める割合 $r$ で割り、成熟 mRNA の長さ（＝エキソンの合計の長さ）を求める: $\frac{翻訳領域}{r}$
イントロンの長さの合計を求める（数 $\times$ 平均の長さ、または個々の長さの和）
エキソンの合計とイントロンの合計を足して、遺伝子領域の長さを求める（DNA なので単位は塩基対）

例題

ある真核生物のタンパク質は 299 個のアミノ酸からなる。この遺伝子の成熟 mRNA のうち、開始コドンから終止コドンまでの翻訳領域は全体の $60%$ を占める。また、この遺伝子にはイントロンが 4 つあり、それぞれの長さの平均は 500 塩基対である。成熟 mRNA はエキソンをつないだものだけでできているとし、末端に付け加えられる構造は考えないものとする。この遺伝子のエキソンとイントロンを合わせた遺伝子領域の長さは何塩基対か求めよ。

例題の解答

手順 1: 翻訳領域の塩基数は、終止コドンの分も入れて
$3 \times (299 + 1) = 900 塩基$

手順 2: これが成熟 mRNA の $60%$ なので、成熟 mRNA の長さは
$900 \div 0.6 = 1500 塩基$
これがエキソンの長さの合計で、DNA 上では 1500 塩基対にあたる。

手順 3: イントロンの長さの合計は $4 \times 500 = 2000$ 塩基対。

手順 4: 遺伝子領域の長さは
$1500 + 2000 = 3500 塩基対$

答え: $3500$

よくある誤り

翻訳領域の長さを終止コドンを忘れて $3 \times 299 = 897$ 塩基としてしまう誤り。終止コドンはアミノ酸を指定しないが翻訳領域に含まれるので、正しくは $3 \times (299 + 1) = 900$ 塩基
翻訳領域の長さをそのまま成熟 mRNA の長さとしてしまう誤り。成熟 mRNA には翻訳されない部分もあるので、翻訳領域が $60%$ なら正しくは $900 \div 0.6 = 1500$ 塩基
遺伝子領域の長さを成熟 mRNA の長さだけ、またはイントロンの長さだけで答えてしまう誤り。遺伝子領域にはエキソンとイントロンの両方が含まれるので、正しくは $1500 + 2000 = 3500$ 塩基対
割合の向きを逆にして、成熟 mRNA の長さを $900 \times 0.6 = 540$ 塩基としてしまう誤り。成熟 mRNA は翻訳領域より長いので、割合で割って $900 \div 0.6$ とする

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）
ある真核生物の遺伝子について、次のことがわかっている。
- この遺伝子からつくられる成熟 mRNA のうち、翻訳される領域（開始コドンから終止コドンまで）の長さは $1200$ 塩基で、これは成熟 mRNA 全体の長さの $40 %$ にあたる。
- この遺伝子の領域には、長さがそれぞれ $800$ 塩基対のイントロンが $3$ つある。
成熟 mRNA は、この遺伝子のすべてのエキソンを転写した部分がつながってできており、遺伝子の領域はエキソンとイントロンだけからなるものとする。この遺伝子の領域（エキソン $+$ イントロン）の長さは何塩基対か。

この技能を使う問題

難易度 3（共通テストレベル）

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。

この技能の次に学べること

ゲノムの大きさと遺伝子の数（高校生物遺伝情報とその発現）