反転授業用「生物基礎・遺伝子の本体（ＤＮＡ）」

テーマ：遺伝子の本体

Ｔ「２０世紀の初頭になると、科学者は、親から子に受け継がれる身体的特徴が、区別可能な最小単位（後に『遺伝子』と呼ばれるようになる）として受け継がれていくこと、核内にある染色体が遺伝情報の倉庫であることに気付き始めた。そして染色体の化学組成が決定され、数十年にも及ぶ研究の末にデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）が遺伝情報の実体として同定された。１９５３年のワトソンとクリックによるＤＮＡ二重らせん構造の発見を端緒とし（彼らは分子模型の組み立てに没頭[ＤＮＡのX線回折像を得ていたフランクリンは当初このやり方を軽蔑していたようである]し、二重らせん構造を発見した）、新たな科学が誕生した。分子生物学、それは遺伝子の構造と遺伝情報の伝達過程を解き明かすことを目的とした研究により成り立っている。驚くほど複雑なＤＮＡおよびその同類分子であるＲＮＡの構造と機能は、今もなお、研究者や学生を魅了し続けている」

Ｔは３枚の写真を持って話しかける。

Ｔ「私の親は誰だろう」

学生は笑いながら「中央」と答える。

Ｔ「おや、正解だ」

Ｔ「生物は、自身と似ている子をつくる。これは、親の遺伝子が子に伝わるからだ」

「遺伝子とは何ですか」

Ｔ「良い質問だ。簡単に答えるならば、『体の特徴を決めるもの』、もう少し難しく具体的に答えるなら、『ＤＮＡにある特定の領域の塩基配列』、正確に答えるなら、『定義が揺れていて、だれもわからない』」

Ｔ「とにかく、遺伝子はＤＮＡの中にある。遺伝子は体の特徴を子孫に伝える。これを証明したのはハーシーとチェイスという研究者で、大腸菌にとりつくウイルス（Ｔ２ファージ）を用いて実験した」

Ｔ「今では１０歳の子供でも遺伝子とＤＮＡが関係していることを知っているが、昔は偉大な研究者でさえタンパク質が遺伝情報をもつと考えていた(染色体の構造を思い出してほしい。ＤＮＡとタンパク質は密接に結びついているので、遺伝子としての働きがどちらにあるかを求めるのは非常にやっかいだ)」

Ｔ「グリフィスのエイブリーという二人の研究者の形質転換実験（ある種の細菌は他の細菌からＤＮＡを取り込み、体の特徴を獲得する。この現象を形質転換という）から、ＤＮＡに注目する学者は、いたことはいた」

Ｔ「ＤＮＡタンパク質遺伝子論争に決着を付けるため、ハーシーとチェイスが使った構造物がこれ、Ｔ２ファージだ（実際の大きさは１００nm程度ととても小さい）」

「なんと小さな生物でしょう！原核生物より小さな生物がいたなんて！」

Ｔ「いやいや、ウイルスは、代謝を行わないなどの理由でふつう生物とは呼ばないんだ。しかし、生物に非常に近い体を持つ。タンパク質の殻がＤＮＡを包んでいる」

Ｔ「ハーシーとチェイスはウイルスのＤＮＡを『標識（放射能を出すようなリン原子をＤＮＡに取り込ませ、ＤＮＡから放射能が検出されるようにした）』し、大腸菌に感染させた」

Ｔ「そして遠心分離（重い物を試験管の底に落とす操作）した結果、試験管の底に沈んだ大腸菌の内部に、『標識』されたＤＮＡが検出された（二人はタンパク質を標識して同様の実験をやってみたのだが、その場合は、大腸菌の外にくっついていた殻が振り落とされて、試験管の上層から標識されたタンパク質、つまりタンパク質の殻が検出された）」

Ｔ「ここから何がわかるかね？」

「ウイルスは、自身のＤＮＡのを宿主の大腸菌に注入し、大腸菌内で子供をつくります」

Ｔ「その通りだ。ＤＮＡにより、ウイルスの情報が伝わると言うことは、遺伝子とＤＮＡについて何がわかるかね」

「ＤＮＡこそ、体の情報をつたえる遺伝子の本体です」

Ｔ「よろしい。では、ＤＮＡの『使い方』は後で学ぶとして、今は二重らせん構造とよばれるＤＮＡの構造について学ぼう」

Ｔ「これがその模型だ」

。

Ｔ「ＤＮＡはヌクレオチドの鎖が２本、らせんをまきながらくっついたもので、『二重らせん構造（この構造はワトソンとクリックが発見した）』とよばれる構造をとる。君、ヌクレオチドとは何かね」

「塩基＋糖＋リン酸です」

Ｔ「シンプルで良い答えだ。ヌクレオチドが長くつながった核酸には、ＤＮＡ以外にもＲＮＡがある。ＤＮＡとＲＮＡの違いは・・・」

Ｔ「糖がＤＮＡではデオキシリボース、ＲＮＡではリボース。塩基がＤＮＡではアデニン、チミン、グリシン、シトシン、ＲＮＡではチミンの代わりにウラシルが使われている。また、ＤＮＡは『二重らせん構造』をとるが、ＲＮＡはふつう１本鎖である」

Ｔ「ＤＮＡでは、２本のヌクレオチド鎖が、お互いの塩基で手をつないでいる。ＡとＴ、ＣとＧが必ず結びついている。このような結合を『相補的』な結合と良い、このような塩基同士の性質を塩基の『相補性』という」

「ＤＮＡの塩基はどれが入っても良いのですか」

Ｔ「良い質問だ。構造的には、すべての塩基がＡ（アデニン）とＴ(チミン)のＤＮＡなどもあり得る。しかし、それは何の意味もなさない」

Ｔ「実は、我々の体の情報を決定しているのが、この塩基の並び方なのだ。１つの塩基の文字が、通常と違ったものに変わるだけで（これを突然変異という。聞いたことがあるだろう？）、致命的な肉体的変化を引き起こす場合もある」

「ＲＮＡとは何ですか。遺伝子の本体ですか」

Ｔ「いや、そうではない。ＲＮＡはＤＮＡにある情報から体をつくる過程を助ける分子だと考えられている。少なくとも、遺伝子の本体はＲＮＡではない。あくまで主役はＤＮＡだ。ＲＮＡもＤＮＡの情報を元に作られる」

＊学生の自習ノート

＊学生による議論

Ａ「ファージってかっこいい！」

Ｂ「一番かっこいい生物じゃない？」

Ｃ「ファージは生物じゃないよ」

Ｄ「ＤＮＡを持つのに？」

Ｃ「ファージは、代謝を行わないし、細胞膜も持たない。しかもほかの生物に依存しないと増殖できないんだ」

Ａ「でも、タンパク質でできていて、核酸に遺伝情報を持っているよ」

Ｃ「しかし、ＤＮＡだけを使うものばかりでもないらしい。ＲＮＡに遺伝子を持ったり、一本鎖ＤＮＡを持っていたり、かなり生物とは違う特徴を持つよ」

Ｂ「ファージなどのウイルスは、生物と無生物の間の存在だね」

Ｄ「〇ィキペディアには『ウイルスを殺菌』などと書いてあるけれど、この言い方は正確でないようだね。ウイルスは菌類でも細菌類でもないし、そもそも生きていないものは殺せないのだから」

●参考

ＤＮＡ

１．ＤＮＡとＲＮＡ

（１）核酸：糖・リン酸・塩基の結合した単位構造であるヌクレオチドが、鎖状に結合したポリヌクレオチドからなる。ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）とＲＮＡ（リボ核酸）の２種類がある。

種類		働き	糖	塩基	構造	存在場所
ＤＮＡ		遺伝子の本体	デオキシリボース	Ａ，Ｔ，Ｃ，Ｇ	二重らせん構造	主に核（もしくはミトコンドリア、葉緑体）
Ｒ ＮＡ	伝令（m）ＲＮＡ	遺伝情報の転写・運搬	リボース	Ａ，Ｕ，Ｃ，Ｇ （覚え方）ＤＮＡとＲＮＡはチがウ（ＴがＵ）	ふつう一本鎖	主に細胞質、一部は核内
	転移（ｔ）ＲＮＡ	アミノ酸の運搬
	リボソーム（ｒ）ＲＮＡ	リボソームの一部

（２）ＤＮＡの構造：糖とリン酸が交互に結合した2本の主鎖から内側につき出た相補的な塩基同士が水素結合で結びつき、二重らせん構造をとっている。

①遺伝子・・・ＤＮＡの特定の領域にある塩基配列。

②遺伝情報・・・遺伝子を含めたＤＮＡの塩基配列全体。

③染色体・・・ヒストンというタンパク質に二重らせん構造をしたＤＮＡが巻き付き、それが規則正しく折りたたまれて１本の染色体となる。

④ゲノム・・・核相同染色体の一方の一揃い（染色体数ｎ）には、その生物の全遺伝情報があり、これをゲノムという。

（３）ＤＮＡの複製：細胞周期のＳ期に複製される。

①ＤＮＡの複製方式・・・半保存的複製（娘ＤＮＡの一方の鎖は親ＤＮＡ由来）

２．遺伝子の本体

（１）肺炎双球菌：Ｓ型菌・・・カプセル（被膜）をもち病原性がある。

　　　　　　Ｒ型菌・・・カプセル（被膜）がなく病原性がない。

（２）グリフィスの実験（1928年）：肺炎双球菌の形質転換を発見。

①加熱殺菌したＳ型菌をネズミに注射→発病しない

②加熱殺菌したＳ型菌＋生きているＲ型菌をネズミに注射→発病する

ネズミの体内から生きているＳ型菌が出現・・・形質転換（形質転換を起こさなかったＲ型菌は白血球に貪食されてしまうため観察されない）

（３）エイブリーらの実験（1944年）：寒天培地で実験

①Ｓ型菌の抽出物＋生きているＲ型菌→多数のＲ型菌とＳ型菌が出現（培地に白血球はないのでＲ型菌は生存）

②Ｓ型菌の抽出物＋タンパク質分解酵素＋生きているＲ型菌→Ｓ型菌が出現（培地に白血球はないのでＲ型菌は生存）

③Ｓ型菌の抽出物＋ＤＮＡ分解酵素＋生きているＲ型菌→Ｒ型菌のみ

（覚え方）エイッと分解エイブリー（エイブリー、タンパク質やＤＮＡの分解実験）

（４）バクテリオファージの増殖

ウイルスの特徴：①細菌より遙かに小さい（１００nm）、②細胞構造がない、③タンパク質と核酸（ＲＮＡやＤＮＡ）からなる、④各ウイルスは特定の生物の細胞内で増殖

（２）ハーシーとチェイスの実（1952年）；Ｔ２ファージを用いた実験でＤＮＡが遺伝子の本体であることを証明。

（覚え方）ティーツーファージはチェイスとハーシー（実験材料と名前が似ている）