共通テスト（理科） 過去問
令和5年度（2023年度）本試験
問135 (生物（第1問） 問3)
問題文
次の文章を読み、後の問いに答えよ。
シアノバクテリアは、光合成に用いる光エネルギーを捕集する色素―タンパク質複合体（以下、集光装置）としてフィコシアノビリン―タンパク質複合体を用いている。この複合体を構成する主なタンパク質は、αサブユニットとβサブユニットとが結合した複合体（以下、α／β複合体）であり、それらの遺伝子は（a）オペロンを形成している。
細菌は、必須元素の硫黄を硫酸イオンとして取り込み、硫黄を含むアミノ酸であるメチオニンやシステインの合成に利用している。ある種のシアノバクテリアは、硫酸イオンを十分取り込める培養条件（以下、硫酸十分条件）から硫酸イオンが欠乏する培養条件（以下、硫酸欠乏条件）に切り替わると、メチオニンやシステインをアミノ酸配列中に必要最小限しか持たないα／β複合体を使うようになる。シアノバクテリアでは集光装置がタンパク質全体のおよそ半分を占めるため、このような応答によって、生育に必要な硫酸イオンの量を大幅に少なくすることができる。
シアノバクテリアの硫酸欠乏条件への適応におけるα／β複合体の発現調節の仕組みを調べるため、実験1を行った。
実験1 硫酸十分条件および硫酸欠乏条件で培養したシアノバクテリアで、α／β複合体のαサブユニットのアミノ酸配列を指定する遺伝子A・C・Eおよびβサブユニットのアミノ酸配列を指定する遺伝子B・D・Fの発現量を調べたところ、図1の結果が得られた。なお、遺伝子Aと遺伝子B、遺伝子Cと遺伝子D、および遺伝子Eと遺伝子Fは、それぞれオペロンを形成している。
図1の遺伝子Eと遺伝子Fの転写には、調節タンパク質Rが関わっていると考えられた。この仮説を証明するための実験として適当でないものを、次の選択肢のうちから一つ選べ。
シアノバクテリアは、光合成に用いる光エネルギーを捕集する色素―タンパク質複合体（以下、集光装置）としてフィコシアノビリン―タンパク質複合体を用いている。この複合体を構成する主なタンパク質は、αサブユニットとβサブユニットとが結合した複合体（以下、α／β複合体）であり、それらの遺伝子は（a）オペロンを形成している。
細菌は、必須元素の硫黄を硫酸イオンとして取り込み、硫黄を含むアミノ酸であるメチオニンやシステインの合成に利用している。ある種のシアノバクテリアは、硫酸イオンを十分取り込める培養条件（以下、硫酸十分条件）から硫酸イオンが欠乏する培養条件（以下、硫酸欠乏条件）に切り替わると、メチオニンやシステインをアミノ酸配列中に必要最小限しか持たないα／β複合体を使うようになる。シアノバクテリアでは集光装置がタンパク質全体のおよそ半分を占めるため、このような応答によって、生育に必要な硫酸イオンの量を大幅に少なくすることができる。
シアノバクテリアの硫酸欠乏条件への適応におけるα／β複合体の発現調節の仕組みを調べるため、実験1を行った。
実験1 硫酸十分条件および硫酸欠乏条件で培養したシアノバクテリアで、α／β複合体のαサブユニットのアミノ酸配列を指定する遺伝子A・C・Eおよびβサブユニットのアミノ酸配列を指定する遺伝子B・D・Fの発現量を調べたところ、図1の結果が得られた。なお、遺伝子Aと遺伝子B、遺伝子Cと遺伝子D、および遺伝子Eと遺伝子Fは、それぞれオペロンを形成している。
図1の遺伝子Eと遺伝子Fの転写には、調節タンパク質Rが関わっていると考えられた。この仮説を証明するための実験として適当でないものを、次の選択肢のうちから一つ選べ。
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問題
共通テスト（理科）試験 令和5年度（2023年度）本試験 問135（生物（第1問） 問3） （訂正依頼・報告はこちら）
次の文章を読み、後の問いに答えよ。
シアノバクテリアは、光合成に用いる光エネルギーを捕集する色素―タンパク質複合体（以下、集光装置）としてフィコシアノビリン―タンパク質複合体を用いている。この複合体を構成する主なタンパク質は、αサブユニットとβサブユニットとが結合した複合体（以下、α／β複合体）であり、それらの遺伝子は（a）オペロンを形成している。
細菌は、必須元素の硫黄を硫酸イオンとして取り込み、硫黄を含むアミノ酸であるメチオニンやシステインの合成に利用している。ある種のシアノバクテリアは、硫酸イオンを十分取り込める培養条件（以下、硫酸十分条件）から硫酸イオンが欠乏する培養条件（以下、硫酸欠乏条件）に切り替わると、メチオニンやシステインをアミノ酸配列中に必要最小限しか持たないα／β複合体を使うようになる。シアノバクテリアでは集光装置がタンパク質全体のおよそ半分を占めるため、このような応答によって、生育に必要な硫酸イオンの量を大幅に少なくすることができる。
シアノバクテリアの硫酸欠乏条件への適応におけるα／β複合体の発現調節の仕組みを調べるため、実験1を行った。
実験1 硫酸十分条件および硫酸欠乏条件で培養したシアノバクテリアで、α／β複合体のαサブユニットのアミノ酸配列を指定する遺伝子A・C・Eおよびβサブユニットのアミノ酸配列を指定する遺伝子B・D・Fの発現量を調べたところ、図1の結果が得られた。なお、遺伝子Aと遺伝子B、遺伝子Cと遺伝子D、および遺伝子Eと遺伝子Fは、それぞれオペロンを形成している。
図1の遺伝子Eと遺伝子Fの転写には、調節タンパク質Rが関わっていると考えられた。この仮説を証明するための実験として適当でないものを、次の選択肢のうちから一つ選べ。
シアノバクテリアは、光合成に用いる光エネルギーを捕集する色素―タンパク質複合体（以下、集光装置）としてフィコシアノビリン―タンパク質複合体を用いている。この複合体を構成する主なタンパク質は、αサブユニットとβサブユニットとが結合した複合体（以下、α／β複合体）であり、それらの遺伝子は（a）オペロンを形成している。
細菌は、必須元素の硫黄を硫酸イオンとして取り込み、硫黄を含むアミノ酸であるメチオニンやシステインの合成に利用している。ある種のシアノバクテリアは、硫酸イオンを十分取り込める培養条件（以下、硫酸十分条件）から硫酸イオンが欠乏する培養条件（以下、硫酸欠乏条件）に切り替わると、メチオニンやシステインをアミノ酸配列中に必要最小限しか持たないα／β複合体を使うようになる。シアノバクテリアでは集光装置がタンパク質全体のおよそ半分を占めるため、このような応答によって、生育に必要な硫酸イオンの量を大幅に少なくすることができる。
シアノバクテリアの硫酸欠乏条件への適応におけるα／β複合体の発現調節の仕組みを調べるため、実験1を行った。
実験1 硫酸十分条件および硫酸欠乏条件で培養したシアノバクテリアで、α／β複合体のαサブユニットのアミノ酸配列を指定する遺伝子A・C・Eおよびβサブユニットのアミノ酸配列を指定する遺伝子B・D・Fの発現量を調べたところ、図1の結果が得られた。なお、遺伝子Aと遺伝子B、遺伝子Cと遺伝子D、および遺伝子Eと遺伝子Fは、それぞれオペロンを形成している。
図1の遺伝子Eと遺伝子Fの転写には、調節タンパク質Rが関わっていると考えられた。この仮説を証明するための実験として適当でないものを、次の選択肢のうちから一つ選べ。
- 調節タンパク質Rの機能を失っている変異体で、遺伝子Eと遺伝子Fの発現を調べる。
- 調節タンパク質Rを過剰に発現している変異体で、遺伝子Eと遺伝子Fの発現を調べる。
- 調節タンパク質Rが、遺伝子Eと遺伝子Fの転写調節領域に結合するかを調べる。
- 調節タンパク質Rが、遺伝子Eと遺伝子Fからつくられるタンパク質と結合するかを調べる。
- 調節タンパク質Rの発現が、硫酸イオン濃度の異なる条件によって変動するかを調べる。
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この過去問の解説 （3件）
01
このような実験設定問題は記述でもよく問われますが、必ず対象区を設定しましょう。聞く話によると配点が10であるなら、対象区の設定をしているか否かが6点を占めるそうです。
対象区というのは、その実験で確認したい部分に変化を与えていないもののこと。つまり対象実験を成立させるためのノーマルなもの。例えば、植物などの変異株に対し、普通株を置くこと。
しかし、今回の問題は仮説が成り立つ条件、仕組みさえ理解していれば解ける仕組みになっています。
仮説に調節タンパク質Ｒの反応への関わり方が明言されていないので、発現そのものにかかわっている場合について、この実験で仮説を検証できます。
仮説に調節タンパク質Ｒの反応への関わり方が明言されていないので、発現そのものにかかわっている場合について、この実験で仮説を検証できます。
仮説に調節タンパク質Ｒの反応への関わり方が明言されていないので、リプレッサーのようにオペレーターに反応する場合について、この実験で仮説を検証できます。
調節タンパク質Rにより遺伝子E,Fの生成が起こるならば、フィードバック的なシステムの有無は仮説に関わっていない事象です。
よって誤りです。
仮説に調節タンパク質Ｒの反応への関わり方が明言されていないので、硫酸欠乏条件下で遺伝子E,Fの生成に寄与していることと、調節タンパク質が遺伝子E,Fの生成に寄与することから、「硫酸濃度→調節タンパク質Ｒ→遺伝子Ｅ,F」が成り立つ場合について、この実験で仮説を検証できます。
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02
この問題では、調節タンパク質の働きについて問われています。調節タンパク質とは、遺伝子状の転写領域に結合し、転写を抑制したり促進したりします。この働きにより、遺伝子の発現を調節しています。この問いの実験では、調節タンパク質Rが遺伝子Eと遺伝子Fの発現に影響を及ぼす場合の条件を設定することで、調節タンパク質Rが影響しているのかを調べています。
調節タンパク質Rの機能が失われている条件下での、遺伝子Eと遺伝子Fの発現量を比較することができるため、この選択肢は正しいと言えます。
調節タンパク質Rの発現が過剰な変異体を使うことで、遺伝子Eと遺伝子Fの発現量に明確な反応が見られる可能性が高いため、この選択肢は正しいと言えます。
調節タンパク質の働きは、遺伝子の転写領域に結合して、遺伝子の発現を抑制・促進させるものです。調節タンパク質Rが遺伝子Eと遺伝子Fの転写領域に結合するかどうかを調べることは、直接的に発現量への影響を調べることができるため、この選択肢は正しいと言えます。
調節タンパク質はDNA上の転写領域に結合するものであり、タンパク質には結合しないため、この選択肢は誤りと言えます。
遺伝子Eと遺伝子Fは硫酸イオンの濃度の違いにより発現量が異なることが図１から分かるため、調節タンパク質Rが遺伝子の発現に関与しているのであれば調節タンパク質Rの発現も変化すると考えられるため、この選択肢は正しいと言えます。
問題文の実験結果から導き出しづらい選択肢は特に注意して問題文を読むようにしましょう。
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03
この問題を解くには、転写時の調節タンパク質の働き方について知っている必要があります。調節タンパク質は遺伝子上に結合して、転写を調節します。
調節タンパク質Rの変異体を用意する事で、発現量への影響を比較する事ができます。この実験は正しいです。
調節タンパク質Rの存在量と発現量の関係性を知る事ができれば、転写へ関わっている事が分かります。この実験は正しいです。
調節タンパク質は遺伝子上の転写調節領域上に結合するので、この実験は正しいです。
この実験は翻訳後のタンパク質への結合を調べていますが、問題文で求められている仮説の証明とはズレています。問題文では転写時の関わりを調べる実験が求められています。
図1より硫酸欠乏時に遺伝子E、Fの発現量が増加する事がわかります。仮説が正しいとすると、(硫酸の欠乏)→(調節タンパク質Rの増加)→(遺伝子E、Fの発現量増加)だと考えられる為、この実験は正しいです。
選択肢を読んだ時に、迷う際は消去法が良いです。今回の実験デザインの正誤を問われる問題の様に知識と組み合わせて柔軟に選ぶ必要がある際は、全体的に選択肢を見渡してから選んでも遅くないです。生物は様々な問題を解いて、その分野に対する解像度を上げていくほど解く速度が上がります。
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