問題

N¹⁵の放射性同位体を含む培地で育てた大腸菌をN¹⁴の培地に移して分裂させる実験を行った。移し替えた瞬間の世代数を0とし、それ以後の複製ではN¹⁴のみが取り込まれるものとする。以下の実験のように、密度勾配遠心分離によってN¹⁴とN¹⁵を含むDNAをもつ大腸菌は分けることができ、バンド(右図のピークの高さと幅)からその存在量の比を推定することができる。

同様の実験を異なる世代数が経過(右の列のGENERATIONSに記載されている)した大腸菌株を用いて行った時の結果が以下の図である。

DNA複製のモデルとしては元のDNAはそのままに新しいコピーを新たな材料で作る複製方式や、DNAの2本鎖の一方の鎖を保存したままもう一方の鎖が新しくできる複製方式、どちらの鎖も古い材料と新しい材料を混ぜて作られる複製方式などが考えられるが、この結果はどの方式を支持しているだろうか？

また、他の複製方式ではどのような結果が得られるか説明せよ。

答え

1世代で全てのDNAがN¹⁴とN¹⁵の中間の位置にバンドが出現し、2世代でN¹⁴とN¹⁵の中間の位置のバンドとN¹⁴の位置のバンドが半々となるため、実験結果はDNAの一本の鎖を保存したままもう一方の鎖が新しくできる半保存的複製を支持している。
元のDNAはそのままに新しいコピーを新たな材料で作る複製方式である保存的複製では、1世代でN¹⁵の位置のバンドとN¹⁴の位置のバンドが半々に、2世代でN¹⁵の位置のバンドとN¹⁴の位置のバンドのピークの高さが1:3になると予想される。どちらの鎖も古い材料と新しい材料を混ぜて作られる複製方式である分散複製では、古いDNA鎖の混合率が分裂した両方のDNAで50％だとすると、1世代で全てのDNAのバンドがN¹⁴とN¹⁵の中間の位置に出現し、2世代でN¹⁴とN¹⁵のバンドの位置を1:3に内分する距離に全てのDNAのバンドが位置すると考えられる。混合率が50%ではなかった場合は、そもそも1世代で全てのDNAのバンドがN¹⁴とN¹⁵の中間の位置に集まることがない。

解説

DNAの半保存的複製を証明したとして教科書にものっている有名な実験をベースに、研究者の視点に立って仮説とその検証を論理的に行えるかを問う出題とした。世代を経たDNA鎖の受け継がれ方を通して描かれた複製のモデル図を以下に示す。

補足的であるが、2番目の図にのっている0世代と1.9(~2)世代を混合する実験や0世代と4.1(~4)世代を混合する実験は何のために行っているだろうか？

これらは、実験が仮説を検証する際に必要な、変数の変更が実験結果に与える影響を明確に識別するためのいわゆるコントロール実験である。DNAのほとんどをN¹⁵として含む0世代とほとんどをN¹⁴として含む4.1(~4)世代を混合する実験は、他の世代のDNAがどの程度N¹⁴で標識されているかをバンドの相対的位置で判断するための、基準となるバンド位置を提供する実験として行われている。

0世代と1.9(~2)世代を混合する実験は、中間の密度のピークがN¹⁴とN¹⁵のピークの間の距離のどこに位置するかを調べ、中間の密度のバンドにあるDNAがN¹⁴とN¹⁵をほぼ等量含むという仮説を検証するために行われている。

他の説明も考えられるため出題には含めなかったが、論文の図から実験の内容と意図を理解することは研究者に必須の能力である。DNAの電気泳動で実験群のDNA長を知るためにマーカーを一緒に泳動する必要があるのと同様に、今回の実験では得られたDNAの中で、N¹⁵を最も含む割合が高いと考えられるDNAとN¹⁴を最も含む割合が高いと考えられるDNAのバンド位置を示すことで、他のDNAのバンドがどの程度それぞれの同位体を含むかの基準としている。コントロール実験は本筋の実験よりも研究者の頭を悩ませ、また条件数も多い場合が多々あり、ある意味で生物学実験の本質ともいえる。

この問題の題材としたMeselsonとStahlの実験は、シンプルな系でDNAの半保存的複製という普遍的な生命現象を明快に解き明かしたことから、生物学で最も美しい実験(The most beautiful experiment in Biology)と呼ばれている。Youtubeではおじいちゃんになった著者らがこの古典的実験について振り返り解説している動画も公開されており、一見の価値がある。

参考文献

The replication of DNA in Escherichia coli* | PNAS