阪大 情報科学研究科 生物情報 2022年度 院試 過去問 解答例・解説（全5問）

250 字に収める順序

「反応の向きが決まる化学的理由」「逆平行ゆえに二本の鎖で様式が分かれること」「プライマー・岡崎断片・リガーゼ」の三点を各 1〜2 文で書けば 250 字になる。酵素名は大腸菌の主要複製酵素として DNA ポリメラーゼ III、プライマー除去として DNA ポリメラーゼ I を挙げれば十分で、開始点 oriC の詳細まで広げると字数が足りなくなる。

失点しやすい点

「ラギング鎖は $3'\to5'$ に合成される」と書くのは誤りである。個々の岡崎断片はどれも $5'\to3'$ に伸び、断片が置かれる位置がフォークの進行と逆向きに移っていくだけである。もう一つの頻出ミスは、プライマーを DNA と書くことで、プライマーは RNA であり後で置き換えられる。

100 字での書き方

「校正で末端を削っても伸長を続けられる」という一点に絞る。エネルギー源が基質側にあるか伸長端にあるかの対比を一文入れると、理由まで説明したことになる。

この設問が試していること

制約を欠点としてではなく、精度を保つための設計として説明できるかを見ている。「不便だが仕方がない」という書き方では点が伸びない。

具体的に書くとは何か

「変異が起こる」で終えず、どの塩基対がどの塩基対に変わるかを矢印で示す。トランジション（プリン$\leftrightarrow$プリン、ピリミジン$\leftrightarrow$ピリミジン）とトランスバージョンの区別を添えると、分類まで理解していることが伝わる。

検算

脱アミノは「アミノ基がケト基に変わる」置換なので、$\mathrm{C}\to\mathrm{U}$、$\mathrm{A}\to$ ヒポキサンチン、$\mathrm{G}\to$ キサンチンと、必ずアミノ基をもつ塩基から出発する。チミンにはアミノ基がないので脱アミノの対象にならない。この対応が合っていれば方向を取り違えていない。

100 字の骨格

「誤対合の認識」「新生鎖の識別」「新生鎖側の除去と再合成」の三語で骨格ができる。識別機構に触れない答案は、なぜ鋳型を壊さずに済むのかを説明できていないので大きく減点される。

背景

校正で $10^{-7}$ 程度まで下がった誤り率を、誤対合修復がさらに 2 桁ほど下げる、という段構えで DNA 複製の精度は保たれている。順序としては「塩基選択 $\to$ 校正 $\to$ 誤対合修復」である。

比較の軸を先に決める

2 経路の比較は「鋳型の要否」「働く時期」「正確さ」の 3 軸で書くと、100 字ずつでも差がはっきりする。設問が「修復の結果にどのような違いが生じるか」を明示せよと求めているので、正確さの差は必ず最後の一文に置く。

失点しやすい点

相同組換えの鋳型を「相同染色体」とだけ書くと不正確である。体細胞の修復で主に使われるのは複製で生じた姉妹染色分体である。また NHEJ を「常に変異を生む」と書くのも言い過ぎで、末端がそのまま連結できれば配列は変わらない。

この設問が試していること

修復系を名前で列挙できるかではなく、機構の違いが結果（配列の保存されやすさ）にどうつながるかを因果で説明できるかを見ている。

覚え方

「引っ張りは繊維、押しつぶしは水」で対応づけられる。コラーゲン線維は伸びにくく、プロテオグリカンは水和ゲルとして体積を保つ。エラスチンは弾性復元を担う分子なので、張力に対抗する第一候補としては選ばない。

答案の書き方

分子名を挙げるだけの設問だが、一言ずつ「何と何をつなぐか」を添えると理解が伝わる。インテグリンについては、細胞外リガンドと細胞内の細胞骨格の両方に触れるのが最短で確実である。

失点しやすい点

カドヘリンを挙げてはいけない。カドヘリンは細胞どうしの接着分子であり、細胞と細胞外マトリックスの接着を担うのはインテグリンである。

3つを選ぶ基準

「仕切る」「運ぶ」「受け取る」と機能を動詞で押さえると、重複のない3つになる。これに加えて損傷時の速やかな再生（増殖能）を挙げてもよいが、上位3つとしては上記が答えやすい。

バリア機能を支える構造

バリア機能は細胞そのものだけでは成り立たず、細胞と細胞のすき間を塞ぐ密着結合が不可欠である。設問4へ自然につながるので、ここで一言触れておくと答案全体の流れがよくなる。

4種類を並べる順序

上皮の頂端側から基底側へ、密着結合 $\to$ 接着結合 $\to$ デスモソーム $\to$ ギャップ結合 $\to$ ヘミデスモソームの順に並ぶ。この順序で書くと、機能（封鎖・張力伝達・連絡・基底膜への固定）も自然に整理され、書き漏らしが減る。

接着結合とデスモソームを取り違えないために

連結先の細胞骨格で覚えるのが確実である。接着結合はアクチン、デスモソームは中間径フィラメントである。裏打ちタンパク質もカテニン対デスモプラキンで対応し、どちらか一方を書けば区別がつく。

失点しやすい点

ギャップ結合の構成単位を「コネキシン」とだけ書くと、複合体を問われた設問への答えとして不十分である。コネキシン 6 分子が集まってコネクソン（ヘミチャネル）となり、両細胞のコネクソンが向き合って 1 本のチャネルになる、という階層を明示する。

形と機能を結び付ける

小腸上皮の設問は、面積拡大（輪状ひだ $\to$ 絨毛 $\to$ 微絨毛）と、単層であることの意味（薄いので吸収に有利だが、その分バリアは密着結合に依存する）を押さえていれば、名称も役割も導ける。

答案の分量

名称を答える小問は 1 行ずつでよい。役割を述べる小問では、細胞名 + 分泌物または取り込む物質 + それが何に効くか、の 3 要素を 1 文にまとめると過不足がない。

失点しやすい点

杯細胞を「消化酵素を分泌する細胞」と書かない。杯細胞が分泌するのはムチンであり、消化酵素は膵臓や刷子縁の膜酵素が担う。また、絨毛と微絨毛は階層が異なる構造なので、用語を混用しない。

ウラシルと取り違えないために

一環性でカルボニル基を2個もつ塩基には、チミンのほかに RNA のウラシルがある。両者の違いは5位のメチル基だけなので、メチル基が描かれているかどうかを必ず確認する。設問文が DNA の4塩基を前提としているので、ここでウラシルと答えると設定を読み違えたことになる。

塩基対との整合で検算する

アデニンとチミンは水素結合2本、グアニンとシトシンは3本で対合する。決めた名称で「プリン1個とピリミジン1個」の組が2組できるか、$\mathrm{A}$--$\mathrm{T}$、$\mathrm{G}$--$\mathrm{C}$ の対応が成り立つかを見れば、二環性のものを取り違えていないか確かめられる。

この設問が試していること

用語の暗記ではなく、構造式を見て官能基を読み取れるかを見ている。答案には名称だけを書けばよいが、判別根拠（メチル基、環の数、アミノ基とカルボニル基の位置）を一言添えると、偶然の正解でないことが伝わる。

250 字に収める順序

「3段階の温度サイクル」「プライマーが開始点を決める」「2本のプライマーに挟まれた領域だけが単位長になる」「指数増幅と直線的増加の差」の4点を各1文で書けば 250 字になる。耐熱性ポリメラーゼの由来やサイクル数の目安まで書くと字数が足りない。

「なぜ特定配列だけか」に答え切る

設問は原理の記述ではなく、特異性の理由を求めている。プライマーの結合位置の一意性（空間的な理由）と、単位長産物だけが指数的に増えること（速度論的な理由）の両方に触れていない答案は、問いに答えたことにならない。とくに後者は忘れられやすい。

図を使う場合

図を使ってよいと明示されているので、2本のプライマーが逆向きの鎖に内向きに結合する図を1つ描くと、言葉での説明を大きく節約できる。サイクル1から3までの産物の変化まで描き込むと、単位長産物が3サイクル目から現れることも同時に示せる。

検算

$4^{12} = 2^{24} \simeq 1.7\times10^{7}$ なので、$10^{7}$ 塩基対のゲノムでの期待出現回数は $0.6$ 回で $1$ 回を下回る。$4^{11}\simeq4.2\times10^{6}$ では期待値が $2.4$ 回になり足りない。同様に $4^{17} = 2^{34} \simeq 1.7\times10^{10}$、$4^{16}\simeq4.3\times10^{9}$ なので、$17$ が境目であることが確かめられる。$2^{10}\simeq10^{3}$ を使えば筆算でも出せる。

両鎖を数える立場

二本鎖ゲノムでは、プライマーが結合しうる一本鎖は $2L$ 塩基分あるとみて $4^{n}\ge 2L$ とする数え方もある。このとき $n \ge (\log_{10}L + 0.3)/0.6$ となり、答えはそれぞれ $13$ 塩基、$18$ 塩基になる。どちらで数えたかを答案に明示していれば、いずれも正答として扱われる。$\log_{10}2 = 0.3$ が与えられているのは、この $0.6$ と $0.3$ を作るためである。

実際のプライマーが 20 塩基程度である理由

ここで求めた $12$--$17$ 塩基は、配列の一意性だけから決まる下限である。実際には融解温度 $T_{\mathrm{m}}$ を $55$--$65\,^\circ\mathrm{C}$ 付近に置き、部分的な誤対合でも結合しないだけの特異性を確保するために、$18$--$25$ 塩基が使われる。設問5でプライマーを $20$ 塩基とするのは、この実務的な長さに合わせたものである。

検算

$2^{10}\simeq10^{3}$ を使うと $2^{37} = 2^{30}\times2^{7} \simeq 10^{9}\times128 = 1.3\times10^{11}$ 分子、質量にして約 $130\ \mathrm{ng}$ で $100\ \mathrm{ng}$ を超える。一方 $2^{36}\simeq6.4\times10^{10}$ 分子は約 $64\ \mathrm{ng}$ で足りない。$37$ 回が $100\ \mathrm{ng}$ を初めて超えるサイクル数であることが確認できる。

$1830$ を忘れない

$915$ 塩基対を $915$ 個のヌクレオチドと数えると、分子量が半分になってサイクル数が $1$ 回ずれる。塩基対は二本鎖の1段であり、ヌクレオチドは両鎖合わせて $2$ 個含まれる。設問が「$915$ 塩基対の領域」と書いている以上、$2$ 倍を落とせない。

$2^{n}$ という近似の意味

厳密には、$n$ サイクル後の単位長産物は $2^{n}-2n$ 分子であり、長い産物が $2n$ 分子だけ残る。しかし $n=37$ では $2n = 74$ が $10^{11}$ に対して無視できるので、$2^{n}$ としてよい。この近似が使えることを一言添えると、指数増幅の構造を理解していることが伝わる。

答案の書く順序

「1分子の質量」$\to$「必要分子数」$\to$「対数でサイクル数」の3段で書き、各段で単位を明示する。$\mathrm{ng}$ を $\mathrm{g}$ に直す一行を省くと、桁を間違えやすい。

向きと相補の取り違えを防ぐ

逆方向プライマーは「上側の鎖の末端 $20$ 塩基を逆相補にしたもの」である。手順としては、(1) 変異を入れた上側の鎖を書く、(2) 左右を反転する、(3) 各塩基を相補塩基に置き換える、の順に機械的に処理すると誤りにくい。書き終えたら、$5'$ 端から読んで最初の $3$ 塩基が終止コドンの相補 $\mathtt{TCA}$ になっているかを確かめる。

検算

設計したプライマーの逆相補を取り、上側の鎖に戻して読み直す。末尾が Thr、Lys、Trp、終止コドンの順になり、その1つ手前の Lys がそのまま残っていれば、置換したのが C 末端の1残基だけであることが確認できる。

変異を $5'$ 側に置く原則

変異導入プライマーでは、誤対合を $3'$ 末端から遠い $5'$ 側に置くのが鉄則である。$3'$ 末端は DNA ポリメラーゼが伸長を始める場所なので、ここが浮いていると伸長そのものが起こらない。設問が「$3'$ 末端側の $14$ 塩基対以上」と条件を与えているのは、この原則を数値化したものである。

この設問が試していること

コドン表を引く力ではなく、読み枠の末端を正しく数え、鎖の向きと相補性を保ったまま設計に落とせるかを見ている。答案には $2$ 本の配列を $5'\to3'$ の向きで書き、どの塩基を変えたかと、$3'$ 側の相補塩基数がいくつあるかを必ず添える。

4語を1本の筋で結ぶ

語句が複数並ぶ設問では、定義を4つ列挙して終わると「関連性」に答えていないと判断される。「tRNA が運び、rRNA が触媒し、その触媒はリボザイムであり、できるものがポリペプチド鎖である」という1文を先に置き、そのあとで個別の定義を補うと、$200$ 字でも関係が伝わる。

リボザイムの位置づけ

リボザイムを「珍しい RNA 酵素」と書くだけでは、他の3語とつながらない。翻訳の中心反応を触媒しているのが RNA であるという点に触れると、RNA ワールド仮説（RNA が情報と触媒を兼ねていた段階）への含意まで示せる。

比較の軸を3つに決める

「チャネルの開閉が直接か間接か」「膜電位が脱分極か過分極か」「応答の速さと増幅率」の3軸で並べると、$200$ 字で両者の差が過不足なく書ける。3語のうち「チャネル」は2つの細胞をつなぐ共通項として先に定義しておく。

失点しやすい点

光受容細胞は「光で興奮する」と書きたくなるが、脊椎動物では光刺激でチャネルが閉じ、過分極する。暗所で cGMP 依存性チャネルが開いて暗電流が流れている、という暗状態の設定を先に述べておくと、この逆転を正しく説明できる。

何が問われているか

生化学の論文や教科書では、分子の大きさを「分子量 $50000$」とも「$50\ \mathrm{kDa}$」とも書く。この設問は、その二つの表記が同じ数値を指しながら次元が違うことを説明できるかを見ている。「分子量にドルトンを付けてはいけない」という結論だけでなく、なぜ付けないのかを比の定義から述べる。

関連する量との整理

モル質量は $1\ \mathrm{mol}$ あたりの質量で、単位は $\mathrm{g\,mol^{-1}}$ である。分子量が $M$ の物質のモル質量は数値として $M\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$ になる。分子量（無次元）、ドルトン（分子1個の質量）、モル質量（$1\ \mathrm{mol}$ の質量）の3つを対応づけて書くと、$200$ 字でも整理された答案になる。

「網」という名前の意味

シスタネが積み重なったゴルジ体本体と違い、トランスゴルジ網は管が網目状につながった区画である。この形は、複数の行き先へ向かう小胞を同時に出芽させるのに適している。名称の由来に触れると、構造と機能の対応を理解していることが伝わる。

$200$ 字での優先順位

行き先を4つ全部挙げるより、「選別の場である」という位置づけを先に書き、代表例としてリソソーム経路のマンノース $6$-リン酸を具体的に述べるほうが、限られた字数では評価される。修飾の話は最後に一文添えれば足りる。

前提条件を落とさない

相補性試験が成り立つのは、両方の変異が劣性の機能喪失変異である場合に限られる。優性変異や優性阻害（ドミナントネガティブ）変異では、正常な対立遺伝子があっても表現型が戻らないため、判定を誤る。答案には「劣性変異どうしで行う」という条件を必ず書く。

例外を一言添える

多量体を作るタンパク質では、同じ遺伝子の別々の部位の変異どうしが部分的に補い合い、野生型に近い表現型を示すことがある（遺伝子内相補）。逆に、別遺伝子であっても同じ複合体の構成因子どうしでは相補しない場合がある。例外に触れると、手法の限界まで理解していることが示せる。

ギャップ結合との対比で書く

機能はギャップ結合に相当するが、構造は別物である。ギャップ結合はコネキシンが作るチャネルで細胞壁を持たない動物細胞にあり、原形質連絡は細胞膜そのものが細胞壁を貫いてつながった通路である。この対比を1文入れると、$100$--$200$ 字でも要点が締まる。

この語句が問われる理由

植物は細胞壁のために細胞が動けず、細胞間の情報伝達を分泌と受容だけに頼ることができない。原形質連絡は、その制約のもとで多細胞体としてふるまうための仕組みである。発生の位置情報を伝える転写因子の移動まで触れると、単なる「通路」以上の役割を説明したことになる。

「似ている」だけで終えない

配列が似た遺伝子の集まり、という定義だけでは $100$ 字に届かない。重複という成因、その後の分化、具体例の3点を必ず入れる。とくに「重複は機能の余裕を生み、新しい機能が生まれる余地になる」という進化的な意味づけが、この語句の中心である。

バイオインフォマティクスとの接点

配列相同性検索で得られる類似遺伝子の集合は、多くの場合この遺伝子ファミリーにあたる。機能未知の遺伝子の働きを推定するとき、パラログではなくオーソログを探すべきなのは、種分化で受け継がれた関係のほうが機能が保存されやすいからである。

経路を一直線に書く

「DNA 損傷 $\to$ ATM/ATR $\to$ p53 安定化 $\to$ p21 $\to$ CDK 阻害 $\to$ $\mathrm{G_1}$ 期停止」という矢印の連鎖をそのまま文にすると、$200$ 字にきれいに収まり、因果も明確になる。分子名を並べるだけで矢印の向きを書かない答案は、経路を覚えているだけと見なされる。

量の制御という視点

p53 は転写量ではなくタンパク質の分解速度で制御される。この点に触れると、素早い応答が必要なチェックポイントに適した設計であることまで説明できる。

この語句が試していること

細胞周期のチェックポイントが、単なる時計ではなく損傷の有無を監視する仕組みであること、そしてその破綻ががんにつながることを、分子の名前で結び付けられるかを見ている。

$200$ 字での構成

「解糖系（基質レベルのリン酸化）」と「電子伝達系と ATP 合成酵素（化学浸透共役）」の2本柱を立て、最後に「舞台の膜は違うが原理は同じ」と締めれば $200$ 字になる。3者を1つずつ説明していくと字数が足りず、共通点を問う設問の意図からも外れる。

設問2への橋渡し

ここで押さえた「電子供与体から電子を取り出し、電子伝達系でプロトン駆動力に変え、ATP 合成酵素で ATP にする」という枠組みは、電子供与体が有機物であるか無機物であるかを問わず成り立つ。設問2はこの枠組みの電子供与体を $\mathrm{H_2S}$ に置き換えるだけなので、その一般性を意識して書いておくと続きが楽になる。

失点しやすい点

出芽酵母は嫌気条件でエタノール発酵、大腸菌は混合酸発酵を行い、ヒトの筋肉は乳酸発酵を行う。発酵は共通点として挙げてもよいが、生成物が3者で異なるため「共通のメカニズム」としては解糖系までにとどめ、その先は分岐すると書くのが正確である。

推定の筋道

「推定せよ」と問われているので、既知の枠組みに当てはめる論法を明示する。すなわち、設問1で確認した「電子供与体 $\to$ 電子伝達系 $\to$ プロトン駆動力 $\to$ ATP」という共通枠組みの入口だけを有機物から $\mathrm{H_2S}$ に取り替えればよい、と述べる。ゼロから機構を発明するのではなく、既知の一般則を拡張して見せるのが、この種の設問の解き方である。

還元力の問題を落とさない

ATP の説明だけで終える答案が多いが、炭素固定には還元力が要る。しかも $\mathrm{H_2S}$ の電位では自発的に $\mathrm{NAD^{+}}$ を還元できない。ここに逆電子伝達という一手が必要になることに触れられるかどうかが、この設問でもっとも差がつく点である。

エネルギー収支の見積もり

$\mathrm{H_2S}$ の酸化で取り出せる自由エネルギーは、有機物の完全酸化に比べて1電子あたり小さい。したがって化学合成独立栄養細菌は、同じ量の炭素を固定するために大量の $\mathrm{H_2S}$ を酸化する必要があり、増殖は一般に遅い。硫黄粒子を細胞内にため込むのは、硫化水素が枯渇したときの電子供与体の備蓄と解釈できる。この見積もりを一言添えると、推定に説得力が出る。

光合成細菌との区別

緑色硫黄細菌や紅色硫黄細菌も $\mathrm{H_2S}$ を電子供与体に使うが、こちらは光化学反応を駆動力にするので暗所では働かない。設問が「暗闇でも」と条件を置いているのは、光合成型ではなく化学合成型であることを答えさせるためである。この対比を明示すると、条件を読み取ったことが伝わる。

採点者が見ている点

研究計画を書かせる設問では、知識の多さではなく、目的と方法と解釈が対応しているかを見ている。各テーマについて「何を測るか」「どんな結果ならどう解釈するか」を必ず1文ずつ書く。測定量が書かれていない計画は、実施できない計画とみなされる。

手法を重ねない工夫

「手法が異なるように設計せよ」という条件は、単に対象を変えるだけでは満たせない。ここでは、対照実験による因果の検証（テーマ1）、培養によらない網羅的な配列解析（テーマ2）、条件最適化とスケールアップ（テーマ3）と、研究のかたち自体を変えている。3つが同じ実験の焼き直しになっていないかを、書き終えてから見直すとよい。

テーマ1に対照実験を必ず置く

$\mathrm{H_2S}$ を与えない条件、暗所と明所、阻害剤の有無という3種類の対照があると、主張が「$\mathrm{H_2S}$ 依存」「光非依存」「プロトン駆動力依存」の3点に分解され、それぞれ独立に検証できる。対照の置き方は、計画の質がもっとも表れる部分である。

図を使う場合の使いどころ

図の使用が認められているので、テーマ1では設問2で描いた経路図に、どの矢印をどの実験で検証するかを書き込んだ図が有効である。テーマ3では反応器の模式図に入口・出口と測定点を描くと、操作変数と応答の対応が一目で伝わる。