生物学通論 第６回講義
遺伝とDNA
第６回の講義では、メンデルの遺伝の実験から初めて、遺伝子の本体を探る研究の歴史について紹介しました。
Ｑ：遺伝に関して、突然変異に興味があります。突然変異はＤＮＡの複製のときなどに起こる事故によって発生しますが、今のところその突然変異を良い意味で利用する研究はされていないと思います。これはクローンの法的な問題と類似していると思いますが、突然変異を医療の分野で研究すれば耐性がついたり身体の再生などに大いに生かせると思います。
Ａ：突然変異については、今後の講義の中で扱う予定です。
Ｑ：前回の講義では、メンデルの発見からDNAの役割の研究の歴史などを学んだ。遺伝の役割を担ったものはタンパク質であると信じている人が多かったが、研究が進められて結局その役割は二重螺旋構造を持つDNAが受け持っているという話だった。しかし、いくらDNAが二重螺旋構造を持ち、4×4の塩基の組み合わせパターンを持っていても20種類あるタンパク質の方がより多くの情報を伝えられて動物の身体にとってはとしては便利なのではないかと疑問に感じた。私の予想では生物の体は遺伝情報を持つ上での制約として遺伝情報を持つ物質の構造のシンプルさ(立体的な対称性など)などの条件があり、その条件と持たなければならない遺伝情報量の両方が必要十分に満たされる形がDNAの二重螺旋構造なのではないかと考えた。
Ａ：素晴らしい。サイエンスの基礎は「疑う」ことです。たとえ先生が講義の中で言ったことであっても、それを鵜呑みにしていたらサイエンスではなくて宗教になってしまいます。確かに構造のシンプルさも重要な要因でしょう。きちんと考えていてよいと思います。
Ｑ：今回の講義では、情報などの分野で使われるbitを用いた考え方を学んだ。遺伝子配列はA、T、G、Cの4種核酸塩基によって構成される。人間の遺伝情報を決める二重らせん構造の段差の部分は、これら4種の核酸塩基の結びつきによるものであるから、当然4bitであると考えていた。しかし、AはGとCはTとしか結びつかないという特殊な性質があり、4bitと考えがちであるが、実際は2bitであることを理解した。ここで私は、この2bitの話は講義の途中で出てきた血液型の遺伝にも通じるものがあると考えた。AA型とOO型から生まれる子孫はAO型と決まる。一見AA型やOO型というのは二つが組み合わさっていると思いがちであるが、種類は1種類であるから子孫の種類は1bitにあたる。逆にAO型(2bit)とOO型(1bit)の組み合わせでは2bitとなり、数が多いほうに合うようになる。ここで注意しなければならないのはAO型とBO型の組み合わせである。これは2つの組み合わせではあるが、AB型、AO型、BO型、OO型と4bit存在することになってしまうのである。しかし、このように派生を見て行くと、A型やB型、O型というのは自然と多くなるが、AB型というのは派生から生まれたもので、数も少なく、珍しい血液型ということができるのではないだろうか。これは偏見に近いかも知れないがAB型は他の血液型に比べると特殊であると言われるゆえんもここにあると考える。
Ａ：子孫の多様性で情報量を定義するというのは面白い考え方だと思います。皆さんは、生物の専門家ではないわけですから、このように、定説にとらわれることなく、自分なりの考えを展開してもらえればと思います。ただ、ここで展開されている情報業の定義は、おそらく一般的なものとは言えないように思いますので、最初に「子孫の多様性で情報量を定義した場合には」という前提をつけた方が良いでしょうね。
Ｑ：今回は遺伝子とDNAについての講義であり、優性遺伝子と劣性遺伝子について興味を持った。優性遺伝子と劣性遺伝子が対になって一個体に入っている場合には優性の形質のみが現れる。ということから、劣性遺伝子はいずれ無くなるなるのだろうかという疑問を持った。 まず、子どもに受け継がれる時に強く現れる形質の遺伝子が優性遺伝子で、そうでないのが劣性遺伝子である。単純に優性遺伝子の方が増えていくように感じられるが、劣性遺伝子同士の対もあるから、完全に劣性遺伝子が無くなるということはない。また、劣性の方が多いというパターンが考えられる。例えば、えくぼは現れるが優性であり、現れないが劣性である。しかし、私の周りにはえくぼがない人の方が多い。つまり、劣性遺伝子同士の対になる可能性が高いということが考えられる。以上の理由から、劣性遺伝子が無くなることは考えられないという結論に至った。
Ａ：考え方はよいと思います。欲を言えば、定性的な議論ではなく、定量的な議論をできるとよいですね。実際に、子孫の中の優性遺伝子の割合と劣性遺伝子の割合がどうなるかを、適当な例で数えることは簡単にできると思いますから。
Ｑ：今回の講義では遺伝のメカニズムについて学んだ。肺炎球菌の実験では加熱殺菌したS型菌と無害のはずであったR型菌からS型菌とR型菌の両方が生まれたことについて、生命がDNAにより支配されていることの根拠になると感じた。二重らせん構造の単純さについても巻きなおして新しい配列を作るなどして対応できると考えられる。
Ａ：１文目は事実の記載。２文目は「感じた」という感覚。３文目は考えたことですが、さすがに文一つだけでは論理の展開にはなりません。何度も言いますが、この講義で求められているのは自分なりの論理を盛り込んだレポートです。
Ｑ：本日の授業は遺伝とDNAについて扱いました。高校時に生物を履修していなかったので、ヒトの血液型は表現型のみならず、遺伝子型というものがあると知り驚きました。私の父はO型なのに父方の祖父母はA型とB型であったことに小さいころは疑問を抱いていたので解決することもできました。遺伝子型はAOとBOだったのです。また日本人の血液型はA型、O型、B型、AB型の順に多いと言われていますが、遺伝子型ではAA、AO、BB、BO、OO、AB型となり、このそれぞれからなる子の遺伝子型を計算すると、AA型は11通り、AO型は１７通り、BB型は１１通り、BO型は１７通り、OO型は１１通り、AB型は１７通り。というようにO型の割合は小さく思えます。現在では二番目に多い血液型ですが、世代が変わり続けることで日本人の血液型の多い順はA型、B型、AB型、O型と変わっていくのではないかと思いました。
Ａ：何通りあるかの計算をどうやってやったのかがわかりませんでした。書かれている数を全部足すと８４通りになりますが、親が６通りですから、全ての組み合わせを考えても６ｘ６で３６通りにしかならないと思いますが。できたら計算根拠も書いてください。
Ｑ：遺伝情報を親から子へと伝えることはDNAとRNAによって行われている。DNAとRNAのそれぞれの役割について調べた。DNAは遺伝情報を記憶していくものであり、RNAの中には二重らせんがほどけたDNAがタンパク質と合成されたmRNAという遺伝子の情報を細胞核の外へ送り出す役割のものがある。この時mRNAというのは細胞核のある生物、つまり真核生物には必要であるが原核生物には不要なのではないかと考えられる。このことから真核生物と原核生物のRNAの役割は異なるのではないかと考えられる。原核生物にはmRNAが存在しないとしたらmRNAの役割を省くことができると考えられる。しかし、DNAは核内にあるわけではないのだからRNAが存在すればDNAがなくても遺伝情報は伝えられるのではないかと思った。ここでRNAも遺伝情報を保存できるのならなぜDNAが存在するのかということを疑問に思いDNAの方が記録能力が高いのかと考えたががよくわからなかった。
Ａ：まず、「調べた」というのであれば、出典を明記してください。原核生物にはmRNAが存在しない、などということがありません。後半、少し独自の論理が表れていますが、科学的なレポートとしては、もう少しカチッと論理を構成したほうがよいでしょう。
Ｑ：疑問：O型遺伝子は劣性遺伝子なのになぜ日本人の血液型はOが30％もいるのか。先週の授業の最初でまず最初にメンデルの遺伝の法則について学習したが、その理論によれば優性遺伝子の型と劣性遺伝子の型は３：１の割合で発現することがわかった。そして、先生はABOの血液型にもその法則が当てはまると説明されていたが、素直になぜそうなるのか疑問に思った。なぜなら、AとBが優性でBが劣性なら、OはAやBの1/3の割合しかないのではないかと考えられるからだ。しかし、よく考えてみると、A型にも遺伝子型にはAAとAO型があり、もし、AOとOOで交配が起こった場合はA型とO型は半々で発現することになる。そして、日本人の血液型の割合が現在A型39％O型30％B型22％AB型9％であり、また世代間で割合がほとんど変化してないことから、任意に交配が行われていると仮定すれば、AO型やBO型の割合を求めることができる。計算方法は省略するが、計算結果はAO31％、BOが19%と求めることができ、実際にもそのようになっていると予想できた。
Ａ：血液型の話は、今後の講義の中で改めて紹介します。計算方法は、科学的な論文では少なくとも考え方の大筋を紹介したほうがよいでしょう。
Ｑ：今回の授業では遺伝とDNAのことを習いました。メンデルの遺伝の実験、遺伝子の本体について、構造と仕組み等を習いました。その中の、遺伝子の本体を特定するグリフィスの肺炎双球菌の実験で、熱した病原性のS型菌と非病原性のR型菌をマウスに注射するとS型菌とR型菌が同時に検出され、マウスが発病するというものでしたが、僕にはその形質転換の仕組みがよく、分かりませんでした。そもそも、S型菌を熱した際になぜ、DNAは無事なのか、なぜS型菌ができるのか、不思議です。その理由を自分なりに考えたいと思います。以前の授業で習ったように、タンパク質は三次構造にも意味があり、その三次構造が変形すると機能まで変わってしまいます。なので、S型菌を熱した段階で、S型菌のタンパク質はその構造を失い、機能しなくなっているはずです。なので、この時、DNAは丸裸の状態になっているはずです。そのDNAについて考えます。DNAにも二重螺旋構造という構造があります。熱されたことでもし、そのDNAの構造が変化して、その二重がほどけたとしても、必要な環境さえあれば、DNAはその一本の鎖からもう片方の鎖を復元することができます。これは、DNAの４つの塩基が２つずつに対応していることからです。動植物が遺伝情報をタンパク質ではなく４つの塩基にしたのも、この復元のし易さが理由かもしれません。なので、第一の疑問のなぜDNAは熱されても無事なのかという疑問は、無事でなくても塩基の配列さえ残っていれば復元できるからだと思いました。しかし、いくらDNAが復元可能であっても、丸裸では復元できないと思います。現に熱したS型菌だけ注射しても発病しません。ここで第二の疑問です。細菌の増え方は細胞分裂だと思います。なので、いくらむき出しのDNAがあったとしても、増やしてくれる、生きている「もと」がいないと、増殖できないと思います。なので、そのR型菌のなかに入らないことには始まりません。僕はこの肺炎双球菌には、捕食作用があるものだと考えました。周囲のものを取り込んでいるうちに、S型菌のDNAを取り込み、原核生物が故、そのDNAを自分のものと勘違いをして、S型菌のDNAを複製してしまったのだと思いました。
Ａ：これは素晴らしいですね。問題点を明確に定義して、講義の中で与えられた複数の事実をもとに、自分なりの論理で結論を引き出しています。ここまで書ければ完璧でしょう。
Ｑ：シャガフが気づいたDNAの塩基組成からの特徴から、原核生物はDNAの塩基がAとTがそれぞれ約26%、植物（小麦）が約27%、植物以外が約29%でした。この差は大きくはないがこの差が大切なのではないかと思ったので、今回はここに注目して考えます。原核生物と植物細胞、動物細胞の３つを比べるには細胞内に含まれている細胞小器官などが違いすぎるので、違いの少ない植物細胞と動物細胞を比べます。植物細胞のみにあるものは細胞壁と葉緑体で、植物細胞のみで成長するものが液胞、動物細胞には多くあるものが小胞体と中心体である。他の細胞小器官などの大きさや細胞小器官などを構成するDNAの塩基が植物と動物で変わらないとすると、細胞壁と葉緑体、液胞を構成しているDNAの塩基はCとGがAとTよりも多く、逆に小胞体と中心体はAとTがCとGよりも多いことがわかる。また植物細胞と動物細胞の差２％と動物細胞内の差１％を比べてみても動物内の見た目の差よりも体を構成している細胞の大きな違いがDNAの塩基の違いに大きく影響していることがわかると思います。
Ａ：これも、与えられた情報をもとに、きちんと考察していてよいと思います。ちょっと気になったのは「細胞小器官などを構成するDNAの塩基」という表現です。DNAはあくまで遺伝情報であって、ものを作る材料ではありませんから、「細胞小器官などを構成するのに必要なDNAの塩基」と、誤解を招かない表現にした方が良いでしょう。
Ｑ：メンデルはエンドウの花が赤色でも遺伝子型がAaであるのか、それともAAであるのかをどのようにして判断したのか。また、なぜ遺伝子型を予測できたのか。もしも、AAとAA、AAとAa、AAやaaをかけ合わせていたら、すべて赤色になる。AaとAaをかけ合わせると、赤:白=3:1になる。Aaとaaをかけ合わせると、赤:白=1:1になる。aaとaaをかけ合わせると、すべて白になる。これらから、①赤色と赤色をかけ合わせたときにはほとんどが赤色であるがわずかに白色になる可能性があること、②白色と白色をかけ合わせたときには必ず白色になること、③赤色と白色をかけ合わせたときには白色よりも赤色になる可能性が高いという規則性を実験の前に見い出していて、①～③の規則性から遺伝子型の存在を予測したのではないかと考えられる。もし表現型のみの計算では、赤色と赤色をかけ合わせたときに白色は出てこないし（①に矛盾）、赤色と白色をかけ合わせたときは、赤:白=1:1になるはずである（③に矛盾）。また、実際の実験ではこれらを踏まえて、白色のaaをベースにして、赤色をかけ合わせたときの子が複数の実験で赤色であれば、高確率でAAとaaをかけ合わせていることになる。このため、メンデルは実験においてエンドウの遺伝子型を判断しておらず、表現型だけで遺伝子型を考慮した実験を行ったと考えられる。
Ａ：よく考えていてよいと思います。具体的な実験を考えるに当たっては、一つの株から種子が１個しかできないと非常に難しくなりますが、同じ遺伝子型の種子がたくさんできるのであれば、そのうち一部を試すことができますから、見分けるのは簡単です。実際に実験をするにあたっては、そのような点も重要になります。