置換・欠失によるアミノ酸配列の変化

塩基の置換・欠失・挿入が起こった mRNA について、読み枠のずれ（フレームシフト）や新たな終止コドンの出現を判定し、合成されるポリペプチドのアミノ酸の数や、早く翻訳が終わる置換の数を求められる

前提

塩基配列からの読み枠と翻訳（高校生物遺伝情報とその発現）
突然変異と形質への影響（高校生物遺伝情報とその発現（知識））

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塩基配列からの読み枠と翻訳（高校生物遺伝情報とその発現）
突然変異と形質への影響（高校生物遺伝情報とその発現（知識））

説明

mRNA の塩基が 1 つ別の塩基に置き換わる（置換）、1 つ抜け落ちる（欠失）、余分に入り込む（挿入）と、そこから読まれるアミノ酸配列が変わります。この技能を使うと、変化した mRNA を開始コドンから改めて 3 塩基ずつ区切り直して、読み枠がずれるか、新しく終止コドンが現れるかを判定し、合成されるポリペプチドのアミノ酸の数を求められます。また、どの位置にどんな置換が起これば翻訳が途中で終わるかを数え上げることもできます。

なぜそうしてよいのか

リボソームは開始コドン AUG から 3 塩基ずつ順に読み、終止コドン（UAA・UAG・UGA）に出会うと翻訳をやめます。3 塩基の区切り方（読み枠）は開始コドンの位置だけで決まり、途中に区切りの目印はありません。

置換では塩基の数が変わらないので、変異の位置より後ろの区切り方は元のままで、変わるのは置換が起きたコドン 1 つだけです。そのコドンが終止コドンになれば、そこで翻訳が終わります。一方、1 塩基の欠失（または挿入）では、それより後ろの塩基が 1 つずつ前（または後ろ）にずれるので、変異の位置を含むコドンから後ろはすべて区切り方が変わります（フレームシフト）。すると元の配列にはなかった終止コドンが新しい区切りの中に現れることがあり、元の終止コドンより手前で翻訳が終わったり、逆に元の終止コドンが読み飛ばされたりします。欠失・挿入が 3 塩基単位なら、区切りは 1 コドン分ずれるだけで、その後ろの読み枠は元に戻ります。

ですから、変化後のアミノ酸の数を正しく求めるには、「どこが変わったか」の推測で済ませず、変化後の mRNA を書き直して開始コドンから区切り直し、最初に現れる終止コドンを探すのが確実です。

手順

元の mRNA で最初の AUG を探し、そこから 3 塩基ずつ区切って読み枠を確かめる
問題の変異（置換・欠失・挿入）を加えた mRNA を書き直す
変異の種類で見通しを立てる: 置換なら変わるのはそのコドン 1 つだけ、1 塩基（3 の倍数でない数）の欠失・挿入なら変異の位置から後ろはすべて区切り直しになる
変化後の mRNA を開始コドンから 3 塩基ずつ区切り直し、最初に現れる終止コドン（UAA・UAG・UGA）を探す
開始コドンから終止コドンの直前までのコドンの数を数える。これが合成されるポリペプチドのアミノ酸の数（終止コドンは数えない）

例題

ある mRNA の塩基配列の一部は次のとおりで、左端の AUG が開始コドンである（左が 5′ 側）。
$AUGGCUCUAAGCAAAGGUUAA$
この mRNA は 6 個のアミノ酸からなるポリペプチドを指定している。開始コドンの A を 1 番目として左から数えたとき、5 番目の塩基 C が欠失した mRNA から合成されるポリペプチドは、何個のアミノ酸からなるか求めよ。ただし、翻訳は左端の AUG から始まるものとする。

例題の解答

手順 1: 元の mRNA を区切ると
$AUG ∣ GCU ∣ CUA ∣ AGC ∣ AAA ∣ GGU ∣ UAA$
で、終止コドン UAA の前に 6 個のコドンがあり、6 個のアミノ酸と一致する。

手順 2: 5 番目の C（2 番目のコドン GCU の C）を除くと
$AUGGUCUAAGCAAAGGUUAA$

手順 3: 1 塩基の欠失なので、2 番目のコドンから後ろは読み枠がずれる。

手順 4: 開始コドンから区切り直すと
$AUG ∣ GUC ∣ UAA ∣ GCA ∣ \dots$
となり、3 番目のコドンが終止コドン UAA になる。

手順 5: 終止コドンの前のコドンは AUG と GUC の 2 個なので、アミノ酸は 2 個。

答え: $2$

よくある誤り

終止コドンもアミノ酸 1 個と数えてしまう誤り。例題で $AUG ∣ GUC ∣ UAA$ を 3 個とするのは誤りで、終止コドンはアミノ酸を指定しないので正しくは 2 個
1 塩基の欠失でも、変異を含むコドン 1 つだけが変わると考えてしまう誤り。例題で GCU が GU だけになって残りは CUA, AGC, $\dots$ のままと読むのは誤りで、正しくは後ろを区切り直して $GUC ∣ UAA ∣ \dots$ となる
置換でも読み枠がずれると考えて、変異の後ろをすべて区切り直してしまう誤り。置換では塩基の数が変わらないので、例えば $AAA \to UAA$ の置換なら、そのコドンが終止コドンになるだけで、それより前のアミノ酸の数がそのまま答えになる
翻訳が早く終わる置換の数を数えるとき、1 つのコドンからは 1 通りしかないとしてしまう誤り。例えば $UGG$ は 2 番目を A にすると $UAG$ 、3 番目を A にすると $UGA$ となり、終止コドンになる 1 塩基置換は 2 通りある

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）
ある遺伝子からつくられる mRNA の一部の塩基配列は、次のとおりである。
$5^{'} -AUGCCAGUAAGCUUCGGAUAGCA- 3^{'}$
翻訳は 5′ 末端の $AUG$ （開始コドン）から始まり、3 塩基ずつ読まれて、終止コドン（ $UAA$ ・ $UAG$ ・ $UGA$ ）が現れたところで終わる。開始コドン $AUG$ はメチオニンを指定し、合成されるポリペプチドのアミノ酸の数に含める。また、終止コドンはアミノ酸を指定しない。
この遺伝子に突然変異が起こり、mRNA の 5′ 末端から数えて $4$ 番目の塩基 $C$ が 1 つ欠失した。この変異した mRNA から合成されるポリペプチドは、何個のアミノ酸からなるか。

この技能を使う問題

難易度 3（共通テストレベル）

ある遺伝子の一部の領域について、DNA の鋳型鎖（転写のときに鋳型となる鎖）の塩基配列を $3^{'}$ 末端から順に書くと、次のようになる（32 塩基）。

$3^{'} -CGTTACAGACCTGTGAACGGTTTCATTGATCG- 5^{'}$

この領域から転写される mRNA は、鋳型鎖の $3^{'}$ 末端の塩基と相補的な塩基を $5^{'}$ 末端とし、鋳型鎖のすべての塩基に相補的な 32 塩基からなるものとする。翻訳は、mRNA の $5^{'}$ 末端側から見て最初に現れる AUG を開始コドンとして始まり、終止コドンが現れるまで 3 塩基ずつ読まれるものとする。必要なコドンとアミノ酸の対応は次の表のとおりである（表にないコドンは、この問題を解くのに必要ない）。

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

ある突然変異体では、この領域の鋳型鎖の塩基 1 個（およびそれと対になる相補鎖の塩基 1 個）だけが欠失しており、それ以外の塩基に変化はなかった。この突然変異体でこの領域からつくられるポリペプチドのアミノ酸配列を調べたところ、N 末端から順に

Met－Ser－Gly－Pro－Cys－Gln－Ser－Asn

の 8 個のアミノ酸からなっていた。欠失した鋳型鎖の塩基は、もとの鋳型鎖の $3^{'}$ 末端から数えて何番目の塩基か。