塩基配列からの読み枠と翻訳

mRNA（または鋳型鎖 DNA から求めた mRNA）の塩基配列で、最初の AUG から 3 塩基ずつ区切り、終止コドン（UAA・UAG・UGA）までに指定されるアミノ酸の数を求められる

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

mRNA の塩基配列が与えられたとき、どこから 3 塩基ずつ区切って読むか（読み枠）を決めれば、そこから何個のアミノ酸がつながったペプチドができるかを数えられます。翻訳は最初の AUG（開始コドン）から始まり、同じ区切りのまま進んで終止コドン（UAA・UAG・UGA）で止まります。鋳型鎖 DNA の配列が与えられた場合も、相補的な mRNA の配列に直してから同じように数えます。

なぜそうしてよいのか

前提で学んだように、翻訳ではコドン（3 塩基）1 個が 1 個のアミノ酸を指定します。ところが、塩基配列には区切りの印がないので、どこから 3 つずつ区切るかで読まれるコドンがまったく変わってしまいます。たとえば AUGCCA を 1 文字目から区切れば AUG・CCA ですが、2 文字目から区切れば UGC・CA… となります。この区切り方を読み枠といい、翻訳では mRNA の $5^{'}$ 側から見て最初に現れる AUG を開始コドンとして、その A から 3 塩基ずつ区切る読み枠が使われます。

いったん読み枠が決まると、リボソームはその区切りのまま 3 塩基ずつ進み、終止コドンに出会ったところで翻訳を終えます。開始コドン AUG はメチオニンを指定するのでアミノ酸として数え、終止コドンはアミノ酸を指定しないので数えません。だから、アミノ酸の数は「開始コドンから終止コドンの直前までのコドンの数」です。

注意したいのは、UAA・UAG・UGA という並びが配列の中に見えても、それが今の読み枠の区切りにぴったり合っていなければ終止コドンではない、ということです。AUG より前にある終止コドンの並びや、区切りをまたいで現れる並びは翻訳に関係しません。また、鋳型鎖 DNA が与えられたときは、mRNA はその相補的な配列（A↔U、T→A、G↔C）で、向きは逆（鋳型が $3^{'} \to 5^{'}$ なら mRNA は $5^{'} \to 3^{'}$ ）になります。

手順

鋳型鎖 DNA が与えられたときは、相補的な mRNA の配列を $5^{'} \to 3^{'}$ の向きで書く（鋳型の A → U、T → A、G → C、C → G）
mRNA を $5^{'}$ 側から見て、最初に現れる AUG を探す（区切りを気にせず 1 塩基ずつずらして探す）
その AUG の A から 3 塩基ずつ区切ってコドンを並べる
区切ったコドンの中で最初に現れる終止コドン（UAA・UAG・UGA）を見つける
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、それをアミノ酸の数とする（開始コドンは数え、終止コドンは数えない）

例題

次の mRNA の塩基配列（ $5^{'}$ 末端から $3^{'}$ 末端の向きに書いてある）について、翻訳は $5^{'}$ 側から最初に現れる AUG から始まるものとする。このとき、翻訳によって合成されるペプチドを構成するアミノ酸の数を求めよ。ただし、終止コドンは UAA・UAG・UGA の 3 種類で、AUG はアミノ酸（メチオニン）を指定するものとする。

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

例題の解答

手順 1：mRNA の配列が与えられているので、そのまま使う。

手順 2： $5^{'}$ 側から 1 塩基ずつ見ていくと、4〜6 番目に UGA があるが、まだ AUG が出てきていないので関係ない。最初の AUG は 8〜10 番目（CCGUGAC の次）にある。

手順 3：AUG から 3 塩基ずつ区切ると
$AUG GCU GAC CAU UUG UAA GC$

手順 4：区切ったコドンで最初の終止コドンは 6 番目の UAA。GCU と GAC の境目にまたがる UGA は、区切りに合っていないので終止コドンではない。

手順 5：開始コドンから終止コドンの直前までのコドンは AUG・GCU・GAC・CAU・UUG の 5 個。

よって、アミノ酸は 5 個。

答え: $5$

よくある誤り

配列の中に見えた UAA・UAG・UGA をすべて終止コドンとしてしまう誤り。正しくは、終止コドンになるのは AUG から 3 塩基ずつ区切った読み枠に合っているものだけ。例題の GCU|GAC にまたがる UGA や、AUG より前の UGA は翻訳を止めない
配列の $5^{'}$ 末端の 1 文字目から 3 塩基ずつ区切ってしまう誤り。正しくは、最初の AUG を探してから、その A を起点に区切る。例題で 1 文字目から区切ると CCG・UGA… となり、まちがった答えになる
終止コドンもアミノ酸として数えたり、開始コドンを数えなかったりする誤り。正しくは、開始コドン AUG はメチオニンを指定するので数え、終止コドンはアミノ酸を指定しないので数えない（例題では $6 - 1 = 5$ 個）
鋳型鎖 DNA の配列をそのまま mRNA として読んでしまう誤り。正しくは、mRNA は鋳型鎖に相補的で、T の代わりに U を使い、向きも逆になる。たとえば鋳型鎖 $3^{'}$ -TAC- $5^{'}$ からは mRNA $5^{'}$ -AUG- $3^{'}$ ができる

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）
次の塩基配列をもつ mRNA がある。
$5^{'} -CGAUGGCUUCACGAUUGCCAUAGCA- 3^{'}$
この mRNA が翻訳されるとき、5′ 側から見て最初に現れる AUG を開始コドンとして翻訳が始まり、終止コドン（UAA・UAG・UGA のいずれか）に達すると翻訳が終わるものとする。開始コドン AUG は 1 個のアミノ酸を指定し、終止コドンはアミノ酸を指定しない。このとき合成されるペプチドを構成するアミノ酸の数を求めよ。

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。

この技能の次に学べること

置換・欠失によるアミノ酸配列の変化（高校生物遺伝情報とその発現）