文部科学省 大学等開放推進事業

高大連携特別授業：

ショウジョウバエの遺伝子 DNA の観察

2004 年 11 月 28 日（日）京都工芸繊維大学
ショウジョウバエ遺伝資源センター

“科学者の世界がどんなものか知りたいなら、かれらのいうことを聞くのではなく、かれらのしていることをごらんなさい。”——— アルベルト・アインシュタイン

i

タイムテーブル

10:00
10:15

特別授業の説明と導入
アルコール耐性試験
の開始

11:15

DNA と遺伝子に関する講義

11:45

昼休み・集合写真撮影

DNA の抽出・遺伝

12:45

子増幅の開始ショウジョウバエの13:20

野外採集と種の分類
ショウジョウバエの13:40

突然変異の観察

14:00
14:20
15:00

電気泳動開始アルコール耐性試験の結果
電気泳動像の観察・
撮影

DNA 塩基配列決定
15:20

デモンストレーショ
ン実験

16:00

まとめ

ii

注意事項
実験を安全に行うために、次のことをお守りください。
● 実験室には、薬品や道具が保管してあります。危険なものもありますので、使わな
い薬品や道具にはさわらないでください。
● 電気泳動は、100V の電圧で行ないますので、泳動槽の中に指や鉛筆などを決して入れないでください。また、ゲルには危険な薬品が含まれていますので、取り扱い
はスタッフにお任せください。
● 実体顕微鏡やサーマルサイクラーなどは高価な機械です。スタッフの指導のもと、取り扱いには十分気を付けてください。
● 実験室内は飲食禁止です。お弁当は、1 階の食堂とロビー、2 階の演習室で食べてください。ジュースの自動販売機は南門を出てすぐにあります。行き方はスタッフ
までお尋ねください。北門を出た向い側の自動販売機は、交通量の多い道路を渡り危険ですので、ご利用はご遠慮下さい。
●（大人のオブザーバー参加者で喫煙される方）喫煙は、1 階ロビーまたは建物の外でお願いします。
実験は失敗してもやり直しが出来ますが、事故が起こってしまうと取り返しのつかないことになりかねません。ご協力をお願いします。
その他、わからないことがございましたら、気軽にスタッフにお尋ねください。

特別授業について大学レベルの遺伝学の実験・実習です。ショウジョウバエのアルコール脱水素酵素（Adh）の突然変異を使って、アルコール耐性を調査する実験（表現型を調べる）と Adh遺伝子の違いを DNA レベルで調査する実験（遺伝子型を調べる）を行います。実験結果
を比べて、表現型と遺伝子型との関連について学びます。
本特別授業は、文部科学省の地域振興施策「大学等開放推進事業 大学 Jr. サイエンス事業」として行います。地域の小、中学校、高等学校等の教育機関との連携し（本特別授業
では、京都工芸繊維大学が京都教育大学附属高等学校と連携して実施）、子どもたちに科
学技術等に関する体験活動の機会を提供します。なお、本事業は文部科学省から放送大学に委託されており、京都工芸繊維大学は放送大学と委託契約し、事業を行います。

iii

目次
第1章

ショウジョウバエとは？

1

第2章

ショウジョウバエと遺伝学

3

2.1

遺伝すること . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42.2

遺伝子が発現すると . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

2.3

ショウジョウバエを飼育する. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

第3章

アルコールを代謝する

9

第4章

アルコール耐性実験

114.1

材料 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

4.2

方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

4.3

結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

DNA の抽出と増幅

15

5.1

DNA の抽出と増幅の手順 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

5.2

PCR 反応液の準備 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

5.3

PCR 法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

5.4

電気泳動法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

DNA の構造と塩基配列

23

DNA の塩基配列の決定法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

突然変異体の観察

27

ショウジョウバエの観察 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

野外採集と観察

31

第5章

第6章

6.1
第7章

7.1
第8章

8.1

バナナトラップ法による採集. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

8.2

スイーピング法による採集 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

iv

目次

8.3
第9章

採集したショウジョウバエの観察 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

もっといろいろ知りたいときには

35

9.1

ショウジョウバエに関する本. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

9.2

メンデルの遺伝の法則の原本. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

9.3

インターネット Web サイト. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

1

第1章

ショウジョウバエとは？
そう し もく

ハエ、カ、アブの仲間（双翅目）で、体長 2〜4 mm の小さな昆虫です。ショウジョウ
バエ科には全世界で 3000 以上の種が知られており、日本ではそのうちの 200 種以上が記録されています。野外では、果物や樹液、キノコなどにつく酵母を主なえさとしていまはっこうす。醗酵臭が好きなので、新鮮な果実よりは、むしろ、熟しすぎた果実や落果など、アルコールを含むものによく集まります。複眼が赤いのが特徴です。生物学の研究に主に使われているのは、キイロショウジョウバエ（Drosophila melanogaster ）で、寒地や乾燥地を除くほぼ全世界に生息し、日本全国で採集できます。

図 1.1: キイロショウジョウバエ（Drosophila melanogaster ）

2

第1章
の

ショウジョウバエとは？

しょうじょう

酒を呑み赤い顔をして舞う、能∗1 の「 猩 々 」にちなみ、ショウジョウバエと名付けられました。能の猩々は真っ赤な髪、赤い面、赤い装束で登場します。学名の Drosophila（ドロソフィラ）の語源は、「露（dros）を好む（philia）」。

3
2
1
0

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∗1 日本の古典芸能

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3

第2章

ショウジョウバエと遺伝学
1910 年にアメリカのモーガンがキイロショウジョウバエの眼色が白い突然変異を発見し、ショウジョウバエの遺伝学研究の歴史は始まりました。最近のゲノム研究の進展にともない、その研究材料としての重要性はさらに高まっています。

bababababababababababababab

ノーベル賞でたどるショウジョウバエ研究の歴史（医学・生理学賞）
1933 年 染色体説
T. H. モーガン
X 線による人工突然
1946 年
H. J. マラー
変異の誘発

E. B. ルイス
C. ニ ュ ー ス ラ イ ン
初期発生を支配する1995 年– フォルハルト
遺伝子の解明E. F. ウィッシュハウス

ショウジョウバエは、理学・医学・薬学・農学など生命科学研究の分野において、生物機能を解明する上で不可欠な研究用モデル生物として、その重要性が認められています。
それを示す一例として、1995 年には、ショウジョウバエの初期発生を制御する遺伝子群を発見した貢献により、E. B. ルイス、C. ニュースライン – フォルハルト、E. F. ウィッシュハウス∗1 にノーベル医学・生理学賞が贈られています。

2000 年には、キイロショウジョウバエの全ゲノム塩基配列が決められ、公開されました。また、2001 年にはヒトの遺伝子の全塩基配列のかなりの部分（ドラフトシークエン∗1 ドイツ語読みの「ヴィーシャウス」と紹介されていることもあります。ですが、本人は「ウィッシュハウ

ス」と言っていたと大学院時代の同級生（日本人）はおっしゃっています。

4

第2章

ショウジョウバエと遺伝学

ス）が決められ、公開されました。ショウジョバエとヒトを比べると、遺伝子のレベルではかなりよく似ていることがはっきりしました。遺伝学の研究はゲノムの時代を迎え、新しい展開が始まっています。

図 2.1: ショウジョウバエデータベース FlyBase

興味のある人は、http://flybase.net/ にアクセスしてみて下さい。FlyBase というショウジョウバエの遺伝学の世界最大のデータベースです（図 2.1）。最新の遺伝学の情報を誰でも利用できます。ただし、英語です。
また、
ショウジョウバエ遺伝資源センターのホームページ（http://www.DGRC.kit.ac.jp）
から、日本ショウジョウバエデータベース（Japan Drosophila Database: JDD）にアクセスしてみて下さい。様々な突然変異の写真とその説明があります。FlyBase への
リンクもあり、最新情報も得られます。こちらは日本語です。

2.1

遺伝すること生物の性質（表現型）は、遺伝と環境によって決まります。親から子、子から孫へと伝えられるものが「遺伝子」です。両親から 1 セットずつ遺伝子をもらい、子供は 2 セット
で 1 組の遺伝子を持っています。両親からもらった遺伝子が、かたちをつくる設計図のよ
うに働くことから、生命の青写真と言われることもあります。一卵性双生児がそっくりなのも、ふたりとも同じ遺伝子のセットを持っているからです。
遺伝子の本体はデオキシリボ核酸（deoxyribonucleic acid: DNA）という化学物質です。その分子構造（二重らせん）は、1953 年にワトソンとクリックにより明らかにさ

2.1 遺伝することれました。遺伝子の情報が正確に複製され、親から子へと遺伝子が伝えられること、遺伝子がタンパク質の設計図になっていることとが、二重らせん構造の解明により、分子のレベルで理解できるようになりました。
子供は、両親のどちらにも似ていて、両親の特徴が混ざっているように感じるかもしれません。しかし、遺伝子に注目すると、「混ざる」というのはちょっと不適切です。子供は、両親からもらった遺伝子をどちらも持っていて、遺伝子そのものが混ざったり、消えてしまったわけではありません。親は、自分の持っている 1 組の遺伝子のうち、どちらか一方の対立遺伝子∗2 を次の世代（自分の子供）に渡します。
生物が卵から発生して、成長し、大人になる間に、体を作る細胞は増え、様々な特徴を持つようになります。全ての細胞には同じ遺伝子のセットがありますが、細胞によって、ある遺伝子は働いたり、また、別な遺伝子は働かなかったりして、個々の細胞の個性ができてきます。

∗2 対立遺伝子：同じ遺伝子であっても、「個性」が違うものが多く知られています。遺伝子と個々の遺伝子の「個性」（対立遺伝子）とは別々に考えないと混乱してしまいます。なお、英語では、遺伝子は gene、
対立遺伝子は allele という別な単語です。

5

6

第2章

ショウジョウバエと遺伝学¶
グレゴール・ヨハン・メンデル³

グレゴール・ヨハン・メンデル（Gregor Johan Mendel）は、1822 年

7 月 22 日、ブルノ（現在はチェコ共和国）の近くの小さな村で生まれた。
村の学校に入ったころから神童ぶりが先生方の目にとまったという。1843
年にブルノの修道院に入った。1851 年から 1853 年にかけて、ウィーン大学に留学し、物理学を学んだ（指導教授は C. ドップラー教授：ドップラー
効果に名を残している）。1854 年から 1868 年までブルノの州立専門学校
で代用教員も務めていた。

1856 年から 1862 年にかけて、メンデルは修道院の庭にエンドウを植え、交雑の実験を行った。1865 年 2 月 8 日と 3 月 8 日の 2 回にわたり、研究結果を口頭発表し、その発表内容が論文「雑種植物の研究」として 1865
年のブルノ自然科学会誌に掲載された。

1868 年に修道院長になってからは、多忙で研究をする暇もなかったようである。1884 年 1 月 6 日に慢性の腎臓炎のため亡くなった。（ここまでは、「メンデル 雑種植物の研究」岩槻・須原訳 1999 の解説によった）

1865 年にメンデルの「雑種植物の研究」によって明らかにされた遺伝の基本的な法則は、ほとんど注目されず、無視されてしまっていた。1900 年にド・フリース、コレンス、チェルマクの 3 人がそれぞれ独立にメンデルの実験結果を検証し、「再発見」したとされる。

µ

2.2

´

遺伝子が発現すると遺伝子を持っているだけでは何もおこりません。生き物は卵から成長し、子孫を増やしていきますが、体を作る基礎となるのはタンパク質です。タンパク質は体の構造となる働きをするものや酵素として働くものがあります。一般に、それぞれのタンパク質はある特定の遺伝子によって決められています（「コードされる」といいます）。つまり、ひとつの遺伝子は設計図のように働き、１種類のタンパク質を作るという「仕事」をしています∗3 。
遺伝子の情報は DNA の塩基の並び（塩基配列）として、つまり、DNA の構造として
命令∗4 が組み込まれています。この DNA 情報はメッセンジャー RNA（mRNA）に転写∗3 タンパク質をコードしていない遺伝子もあります。また、遺伝子の中には複数の種類のタンパク質をコードしているものもあります。
∗4 「遺伝暗号」という魅力的な名前が付けられています。
「暗号」は英語ではコード（code）です。3 つの2.2 遺伝子が発現すると7され、タンパク質のアミノ酸配列∗5 に翻訳されます。
細胞の中で遺伝子からタンパク質が作られる過程を簡単に見ると下のようになります。

• DNA を鋳型にして、たくさんの酵素の働きによって mRNA が作られます（転写）。
ここで、DNA の情報が mRNA に写されます。RNA（リボ核酸）は DNA （デオキシリボ核酸）とよく似た構造と性質をしているので、DNA の情報がそのまま写し取られます。転写は核の中で起こります。

• mRNA が核膜の穴を通って細胞質に移動します。
トランスファー RNA• mRNA とアミノ酸とを両方とも認識する tRNAという分子の働きにより、

mRNA の情報にしたがって、アミノ酸を順序よく並べていきます（翻訳）。RNAとアミノ酸は全く構造が違うので、RNA の情報と対応するアミノ酸を仲介する分子として tRNA が活躍します∗6 。翻訳は、細胞質にあるリボソームという構造で行われます。

• こうしてできたポリペプチド（アミノ酸が連なったもの）は立体的に折り畳まれ、場合によっては一部分が切り取られたり、糖鎖がくっついたりして機能的なタンパ
ク質が完成します。こうしてできあがったタンパク質は適切な場所に運ばれていきます（または、そのままそこに留まります）。

¶
分子遺伝学のセントラルドグマ³「DNA は自己複製する。DNA は RNA に転写される。RNA はタ
ンパク質に翻訳される。遺伝情報はこの向きに進む。
」という考え。

DNA の二重らせん構造を発見したクリックによって提唱された。
ある種の RNA ウイルスa から、RNA から DNA を合成する酵素（逆転写酵素）が発見され、転写の方向は必ずしも一方向とは言えないことがわかっている。しかし、タンパク質が作られる過程はDNA の構造から推察されたセントラルドグマ（中心教義）から逸脱するものではない、と考えられます。
a レトロウイルス。HIV（エイズウイルス）などもそう。

µ´

塩基でひとつのアミノ酸に対応します。
∗5 タンパク質はアミノ酸がつながったもの（ポリペプチド）が複雑な形に折り畳まれてできています。
∗6 特定の tRNA は特定のアミノ酸と対応します。また、mRNA と性質と構造が似ているので、上手く結合できるところが別にあります。

8

第2章

2.3

ショウジョウバエと遺伝学

ショウジョウバエを飼育する▼遺伝ショウジョウバエの飼育はあまり難しくありません。バナナなどの果物を入れた適当な大きさのびんにショウジョウバエを入れ、綿などでふたをすれば飼育できます。
ショウジョウバエを実験材料として使いはじめた 20 世紀のはじめの頃は、バナナをえさとして使っていたそうです。とはいえ、遺伝の実験にはバナナよりも簡単に保存できる材料が便利です。トウモロコシを材料にしたえさの作り方を下の囲みに紹介しています。
びんの大きさは、牛乳びんかそれよりも小さなものが手軽で便利です（重いと大変です）。ショウジョウバエ遺伝資源センターでは、直径 25 mm、高さ 90 mm のガラスびんで飼育しています。今回の実習では同じサイズのプラスチック製の使い捨てのびんを使います。なお、実際に飼育するときは、温度があまり高くならないよう（28 ℃より低いほうがよい）、低くならないよう（18 ℃以上がいいでしょう）に注意して下さい。また、個体の密度が高くなりすぎないよう、親バエを入れる数も調整しましょう。

¶
えさの組成

³

• トウモロコシの粉 70g• 乾燥ビール酵母 40g• ブドウ糖 100g
• 粉末寒天 7.5g
• プロピオン酸 5ml• 10% p-ヒドロキシ安息香酸メチルa 5ml
a 70%エタノールに溶かしたもの）µ¶
えさの作り方³• トウモロコシの粉、乾燥ビール酵母、ブドウ糖、粉末寒天
をぬるめのお湯に溶き、鍋で沸騰直前まで加熱するa 。
• 沸騰しない程度の温度で 20 分間ほど煮込むb 。
• 火を止め、80◦ C くらいまで冷めたら、プロピオン酸とボーキニンを加える。
• 冷めて固まる前に、びんに分注する。
• 栓をする。
a 焦げつかないように、よくかき混ぜながら加熱する。
b 気を抜かず、よくかき混ぜる。

µ

´

´

9

第3章

アルコールを代謝する
エタノール（エチルアルコール、酒精）は、お酒に含まれているアルコールだということはご存じでしょう。もちろん、お酒を飲めばエタノールは体内に取り込まれますが、食物などに少量含まれていることもありますし、代謝過程で体内に生じることもあります。
生物にはこのエチルアルコールを代謝しエネルギーに変えるしくみがあります。このしくみの第一段階で働くのが、アルコール脱水素酵素（Alcohol dehydrogenase, ADH）
です。ADH はエタノールの水酸基を酸化（脱水素）して、アセトアルデヒドに変えます。
アセトアルデヒドは、別の酵素（ヒトではアルデヒド脱水素酵素 ALDH、ショウジョウバ
エではアルデヒド酸化酵素 ALDOX）の働きで酢酸になり、クエン酸回路に入ります。このようにして、エタノールは体内でエネルギーになります。

ADH  

CH3-CH2-OH

NAD+

ALDOX

 CH  -CH=O 

CH3-C=OOH  CoA

NADH

H2O 2

  

3

H2O + O2



図 3.1: アルコール代謝（ショウジョウバエの場合）

一方、エタノールは、神経を麻痺させる作用や脱水作用などの毒性があり、大量の摂取
は生物を死に至らしめます（いわゆる急性アルコール中毒）。こうした点から、ADH の役
割にはエタノールの解毒という側面もあるといえます。
はっこう

キイロショウジョウバエは、醗酵した果物が好物で、野生環境では産卵や成長する場所にもなります。ところが、そういったところでは、しばしばアルコール醗酵によって高濃度のエタノールが生じることがあります。そのせいでしょうか、キイロショウジョウバエ
は他の昆虫などと比べても、エタノールに対してかなり高い耐性を身につけています。む

10

第3章

アルコールを代謝する

しろ、エタノール臭のするところへ好んで寄っていくほどです。しかし、ADH に変異を生じたキイロショウジョウバエは、エタノール耐性が低くなることが知られています。
今回の実験では、ADH をコードする遺伝子の型が異なる、3 系統のキイロショウジョ
ウバエのエタノール耐性を調べるとともに（表現型を調べる）、遺伝子構造が異なっている部分を PCR 法で増幅して電気泳動で比較してみます（遺伝子型を調べる）。また、その部分の塩基配列を DNA シークエンサーで解読する（塩基配列を決定する）実験のデモン
ストレーションをお見せします。

11

第4章

アルコール耐性実験
ADH の遺伝子型の異なるキイロショウジョウバエ系統 A、B、C、それぞれのエタノー
ル耐性を調べて比較します。濃度の異なるエタノールをしみこませた紙の上でショウジョ
ウバエを数時間飼育し、生存率を見ます。ADH はエタノールだけでなく、アルコール類
一般（炭素鎖に水酸基がついたもの）の水酸基を酸化します。そこで、応用編として、ア
ルコールの一種、ペンテノールに対する耐性も調べてみましょう。

4.1

材料

• キイロショウジョウバエ、系統 A, B, C（羽化後 4 日〜5 日。一晩、絶飲食）• 100% エタノール（エチルアルコール、CH3 -CH2 OH）• 1% ペンテノール（1-ペンテン-3- オール、CH3 -CH2 -CH(OH)-CH=CH2 ）• 20% ショ糖液（ブリリアントブルー∗1 で着色）
• 蒸留水
• キムワイプ（実験室用ティッシュペーパー）• プラスチック飼育ビン（スポンジ栓つき）• 15 ml プラスチック試験管• 1000 µl マイクロピペット• スポイト• 吸虫管、ピンセット、麻酔ビン（トリエチルアミン入り）、実体顕微鏡、割り箸∗1 食用色素の一種

12

第4章

4.2

アルコール耐性実験

方法

1. 下の表に従って、プラスチック試験管にエタノール、ペンテノールの希釈液（5%ショ糖を含む）を用意する。
20%
No.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

希釈液

0%（コントロール）
5% エタノール
10% エタノール
15% エタノール
20% エタノール
25% エタノール
0.05% ペンテノール
0.10% ペンテノール
0.15% ペンテノール
0.20% ペンテノール
0.25% ペンテノール

100%

1%

ショ糖液 エタノール ペンテノール

2 ml
2 ml
2 ml
2 ml
2 ml
2 ml
2 ml
2 ml
2 ml
2 ml
2 ml

蒸留水

−

−

全量を

0.4 ml0.8 ml1.2 ml
1.6 ml2.0 ml−8 ml に

−

メスアップ

−

0.4 ml0.8 ml1.2 ml
1.6 ml2.0 ml

−
−
−
−

−
−
−

2. プラスチック飼育ビンの底にキムワイプ１枚をつめる。割り箸を使ってしっかりと押し固める。これを 33 本用意する。

3. 系統 A, B, C それぞれについて、2 のプラスチック飼育ビン 11 本に、ショウジョ
ウバエを約 30 匹ずつ入れ、スポンジ栓をする。それぞれのビンに系統名と、1〜

11 番までの番号を付ける（A-1, A-2, A-3, ……のように）。
4. 各系統の 1 番から 11 番の飼育ビンにそれぞれ、1 番から 11 番までの希釈液を2ml ずつ入れる。スポイトの目盛で 2 ml 吸い、スポンジ栓の隙間からスポイトを差し込み、先端をキムワイプにつけ、静かに液を排出して吸い込ませる （注意：低い濃度から順次、高い濃度にいく場合、同じスポイトを使ってよい。エタノールとペンテノールはスポイトを変えること）。

5. 2 時間から 3 時間、放置する。
6. それぞれの飼育ビンごとに、ハエの総数と生き残ったハエの数を数える。ハエを空の飼育ビンに移してスポンジ栓をし、スポンジ栓の隙間から、麻酔ビンの吹き出し口を差し込み、トリエチルアミン蒸気をひと吹きして、ハエが麻酔されるまで待
けいれん

こうふん

つ（だいたい１〜２分）。実体顕微鏡下で観察して、脚の痙攣や口吻の曲げ伸ばしなど、自律的な運動がみられるものを生存と判定し、ピンセットなどで刺激を与えても全く動かないものを死亡とする。結果を表に記入する。

7. 生存率（生存数／総数）を計算する。各系統の生存率を折れ線グラフに表す。

4.3 結果

4.3

13

結果

実験結果を記録しましょう。
系統 A

No.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

希釈液

系統 B

系統 C

生存数 総数 生存率 生存数 総数 生存率 生存数 総数 生存率

0%（コントロール）
5% エタノール
10% エタノール
15% エタノール
20% エタノール
25% エタノール
0.05% ペンテノール
0.10% ペンテノール
0.15% ペンテノール
0.20% ペンテノール
0.25% ペンテノール

結果をグラフにプロットしてみましょう。
100





50



0

0

5

15
 10 

 

20

25

0

0.05

 0.10 0.15
  0.20
  A   B   C 

0.25

100







50

0

15

第5章

DNA の抽出と増幅遺伝子の本体はデオキシリボ核酸（deoxyribonucleic acid: DNA）という化学物質です。今回の実験では、ショウジョウバエから DNA を抽出し、ADH 遺伝子の中で A、B、C 系統で構造の異なっている部分を PCR 法で増幅し、観察します。
ショウジョウバエを適切な溶液の中でつぶすと、DNA が溶液中に溶け出します。この時、細胞内の DNA 分解酵素が働いて DNA の自己分解がおこります。この現象を防ぐために、この溶液にはタンパク質分解酵素が加えてあります。タンパク質分解酵素によってDNA 分解酵素が壊されるので、DNA を安定して取り扱うことが可能となります。

図 5.1: 電気泳動像

このように調製したショウジョウバエの DNA に「プライマー」と呼ばれる短かい一本鎖 DNA と DNA 合成酵素を加え、DNA 増幅装置（サーマルサイクラー）で、特定の遺伝子を増幅させます。この DNA の増幅方法を PCR 法といいます。
増幅した DNA を電気泳動法により観察します。DNA を電気泳動すると長さによって、ゲル内を移動する速さが異なるので、同じ長さの DNA が同じ位置に集まりバンドができます（図 5.1）。この DNA に蛍光色素を結合させ、紫外線照射すると蛍光が発せられるので DNA をバンドとして観察できるのです。電気泳動のゲルの写真は一人一枚ずつお渡しできる予定です。

16

第5章

DNA の抽出と増幅

5.1 DNA の抽出と増幅の手順
DNA 抽出溶液が 50µl 入ったチューブにハエを 1 匹入れる。
ハエをペッスルですりつぶす。

w
w
Ä

1.5 ml チューブをヒートブロックで 56◦ C、10 分間加温する。
次に、95◦ C、10 分間加熱する。

DNA 溶液として保存する。

ww
Ä
0.2 ml チューブに PCR 反応液（作り方は次のページ）を 18µlずつ入れる。次に DNA 溶液 2 µl を加える。サーマルサイク
ラーに 0.2 ml チューブをセットする。
プログラムをスタートする（40 分程度かかる）。

0.2 ml チューブを取り出す。
w
w
Ä
電気泳動槽にアガロースゲルと電気泳動用緩衝液をセットする。

DNA サイズマーカー 5 µl をゲルの一番端の穴に入れる。
ww
Ä5.1 DNA の抽出と増幅の手順

17

各自の PCR 反応液 20 µl に電気泳動用色素 5 µl を加えよく混
ぜる。

w
w
Ä

そこから 5 µl を採り、各自別々のゲルの穴に入れる。

w
w
Ä

電気泳動をする（100V 30 分間）。

w
w
Ä
紫外線照射で DNA のバンドを観察する。

w
w
Ä
と

電気泳動像の写真を撮る。

図 5.2 を参考に。

18

第5章

DNA の抽出と増幅

5.2 PCR 反応液の準備
下の表に従って、溶液を混ぜ、PCR 反応液を作って下さい。

• DNA 溶液以外をひとつのチューブに入れます。グループごとに作って下さい。
• 18µl ずつ取り、それぞれのチューブに小分けします。
• DNA 溶液を 2µl ずつ加えて下さい。
ストック溶液容量× ＿本容量1× PCR バ ッ フ ァ ー (10 mM Tris-HCl
pH8.5, 50 mM KCl, 1.5 mM MgCl2 )

10×

2 µl

µl

0.8 mM dNTP

10 mM

1.6µl

µl

0.5 µM プライマー 1

10 µM

1 µl

µl

0.5 µM プライマー 2

10 µM

1 µl

µl

0.5 U Taq DNA ポリメラーゼ

5U

0.1 µlµl

純水–

12.2 µlµl

PCR 反応液の容量

–

18 µl

µl

DNA 溶液

–

2 µl

–

総容量

–

20 µl

–

組成

5.2 PCR 反応液の準備

19

DNA 抽出溶液などの組成¶
DNA 抽出溶液³• 10 mM Tris-HCl, pH8.0,• 1 mM EDTA
• 25 mM NaCl
• 20µg/ml RNase• 200 µg/ml プロテアーゼＫ• 1% Triton X100µ´
¶ PCR の条件³

• 94◦ C 2 分(a) 94◦ C 15 秒(b) 60◦ C 30 秒
★ (a)〜(b) を 30 回繰り返す。

• 72◦ C 2 分• 4◦ Cµ¶電気泳動用緩衝液´³• 40 mM Tris-acetate• 1 mM EDTAµ¶電気泳動用アガロースゲル´³• 40 mM Tris-acetate• 1 mM EDTA
• 4 % アガロース• 0.2 µg/ml 臭化エチジウム

µ

´

20

第5章

図 5.2: DNA の抽出と観察の手順

DNA の抽出と増幅

5.3 PCR 法

21

5.3 PCR 法PCR （ポリメラーゼ連鎖反応：polymerase chain reaction ）法は、DNA を増やす画期的な方法で、遺伝子工学に革命をもたらしました（K. B. マリス：1993 年ノーベル化学賞）。微量の DNA や長くて複雑な配列の DNA から、目的の部分を、試験管の中で、指数関数的に∗1 増幅させる方法です。図 5.3 に原理を模式的に示します。PCR 法により、ごく微量の DNA を分析可能な量にまで増幅することができます。

図 5.3: PCR 法

DNA を試験管の中に入れて、100◦ C 近くに熱すると、DNA の二本鎖は離れて、一本鎖になります。DNA ポリメラーゼによって、この一本鎖の DNA が鋳型となり、新しいDNA が合成されます。この時、DNA ポリメラーゼは、合成の開始部分が二本鎖になっていなければ合成をはじめられません。そこで、鋳型になる DNA の一部と結合する相補的な一本鎖 DNA「プライマー」が必要となります。プライマー DNA は塩基配列の情報を利用して、増幅したい DNA 配列の両側を挟むように設計し、DNA 合成機で合成します∗2 。一本鎖にする加熱と DNA 合成の反応を 1 回おこなうと、DNA の本数が 2 倍に増えます。この 1 回の反応（1 サイクル）に要する時間は、ほんの数分間です。この DNA
合成サイクルを自動化し、温度の上昇と下降を正確にくり返し行なう機器がサーマルサイ
クラーです。

∗1 「ねずみ算式に」∗2 設計したプライマーを試薬会社に発注し、オーダーメードで合成されたものを購入するのが、今は普通かもしれません。

22

第5章

5.4

DNA の抽出と増幅

電気泳動法

DNA はマイナス電荷を持っているので、電界中ではプラス極に引きつけられます。電界中に適当な障害物があれば、短かい DNA ほど速く移動します。この性質を利用して、長さに応じて DNA を分けることができます（図 5.4）。

図 5.4: 左：ピペットマン（精密ピペット）、中：電気泳動槽、右：DNA は−極から＋極へ移動するアガロース（寒天の成分を精製したもの）でつくったゲルの一方の端に小さな穴を開けておき、その中に DNA の溶液を入れます。アガロースゲルを電気泳動用の緩衝液の中に入れておき、適当な電圧を加えると DNA が移動します。臭化エチジウム（DNA に結合する蛍光色素）をアガロースゲルにあらかじめ入れておくと、電気泳動中に、DNA と臭化エチジウムが結合します。泳動終了後にゲルに紫外線を当てると、DNA が存在するところから蛍光が発せられるので、これを観察します（図 5.1）。

23

第6章

DNA の構造と塩基配列
DNA（デオキシリボ核酸）は４種類の分子（塩基と言います。通常、アデニン：A、グ
アニン：G、チミン：T、シトシン：C のように省略されます）がリボン状に繋がった構造をしています。遺伝情報は４つの塩基が DNA 上にどのように並ぶか、その順序で決定されています。ヒトもショウジョウバエも遺伝子として DNA を用いていますが、ヒトとショウジョウバエの違いは DNA 上の塩基の配列順序の違いによりもたらされます。現在、我々ヒトを含めて多くの生物の遺伝情報の解読が進められています。ヒトのゲノム
30憶（全遺伝子を含んだ DNA の総体）は GATC ４つの塩基が約3,000,000,000個並んでいます。そしてその並ぶ順序がすべて決定されています。同様に、ショウジョウバエのゲノム
1憶8000万はヒトの 17 分の 1、約180,000,000個の塩基から成り立っていて、やはり全塩基配列が決定されています。
遺伝子の情報は細胞から細胞へ、親から子供へ、子孫代々受け継がれていきます。では、どうしてそれが可能なのでしょうか？ その秘密は、DNA の構造に隠されています。

DNA は塩基 GATC が並んだリボン状の分子でしたが、通常２本の DNA 鎖が互いに絡み合ってらせん構造をとっています。これを DNA の２重らせん構造といいます。そして２本の DNA 鎖はお互いの塩基にたいして、ある約束を持って２重らせん構造をとります。
それは互いの DNA 鎖の塩基のＧに対しては C、A に対しては T という約束です。ですから、２重鎖 DNA の各鎖はお互いに相補しあう塩基の並びを持つことになります。DNA
が複製される時は、２本鎖 DNA が１本鎖にほどけて、それぞれの１本鎖 DNA を鋳型にして新しい１本鎖の DNA が合成されていきます。つまり新たに合成された２本の２本
鎖 DNA のそれぞれの片割れは元の古い DNA 鎖に由来することになります。このように

DNA 上の遺伝情報は複製をとおして変化することなく子孫代々受け継がれていきます。
本実習では、ショウジョウバエの遺伝子 Adh の一部分を PCR 法を用いて増幅しましたが、ここでは PCR により増幅された DNA 断片の塩基配列を決定して野生型と突然変
異の Adh 遺伝子の比較を行ってみましょう。

24

第6章

DNA の構造と塩基配列

6.1 DNA の塩基配列の決定法
いくつかの方法が開発されていますが、現在、一般的に用いられているダイデオキシ法について簡単に説明します。

1. 塩基配列を知りたい DNA 断片を用意します。今回は PCR 法を用いて増幅した
Adh 遺伝子を用います。できるだけ純粋な DNA を用意する必要があるので、PCR 反応後アガロース電気泳動を行い、目的の DNA を含んだ領域のゲルを切り出して、そこから DNA を抽出します。ちなみに一回に解読できる DNA の長さは500 塩基程です。
2. 1 で得られた DNA と、20 塩基程度の DNA 断片（プライマー）を混ぜます。用いるプライマーの塩基配列は１で得られた DNA の一部と完全に相補するものを用いデオキシ GTP

ます。さらにこの中に、DNA の素材になる４種類の塩基に対応する分子、 dGTP 、
デオキシ ATPデオキシ TTP

デオキシ CTP

dATP 、 dTTP 、 dCTP （合わせて dNTP といいます）を入れておきます。さらにDNA を合成する酵素（DNA 合成酵素）を加えて、新たに DNA を合成してやります。DNA 合成酵素は１の DNA にプライマーが貼付いた場所からプライマーの片端に４つの塩基ＧＡＴＣを取り込んでプライマー DNA を伸長していきます。このとき新たに作られる DNA は１の DNA を鋳型にして作られる相補的なものとなります。この反応は我々の細胞内で DNA が複製されるメカニズムと同じもので、これをチューブの中で行わせるのです。

3. 2 の反応では 1 の DNA が複製されるだけですが、実際には反応液の中に微量のダイデオキシ GTP

ダイデオキシ ATP

ダイデオキシ TTP

ダイデオキシ CTP

ddGTP 、 ddATP 、 ddTTP 、 ddCTP （合わせて ddNTP といいます）という物質も混ぜておきます。これら ddNTP は構造的に dNTP とほとんど同じなので対応する dNTP と同様に DNA 合成酵素によって、ある確率で∗1 DNA に取り込まれます。大部分の合成中の DNA 鎖は ddNTP が取り込まれないので、そのまま伸長
していきますが、ある DNA 鎖にいったん ddNTP が取り込まれるとその DNA 鎖の反応は停止してしまい、それ以上伸長できなくなってしまいます。この ddNTPには蛍光色素を付けておき（ddGTP は黄、ddATP は緑、ddTTP は赤、ddCTP は青）、後にどの ddNTP を取り込んだ DNA かが区別できるようにしておきます。

4. 3 の反応産物をゲル電気泳動にかけます。ここから後の操作は全て機械が自動で行ってくれます。具体的には、細いガラス管（キャピラリーといいます）の中にゲルを詰めてその中を３で得られた DNA を泳動します。皆さんがやった電気泳動と∗1 偶然に。たくさんある DNA 分子に対する反応なので、たくさんの偶然が積み重なり、一定のデータが生まれてきます。

6.1 DNA の塩基配列の決定法

25

原理は同じで、短い DNA ほど早くゲルの中を移動できるために、DNA の長さによって分画することが出来ます。ただし、分解能が非常に高いため１塩基長さの違った DNA も正確に分離できます。キャピラリーの一方の端から DNA を流しはじめて、もう一方の端から流れてきた DNA をその色素により検出します。最初にプライマーの長さの DNA が、次にそれに１塩基の長くなった DNA が、次に２塩
基長く延びたもの、次が３塩基というふうに順次長い DNA が流れでてきます。それぞれの長さの DNA は末端で ddNTP を取り込んだためそこで伸長が止まってしまったものです。同じ所で伸長が止まった DNA は全て止まったところの塩基が何であるかによって、黄（G）か、緑（A）か、赤（T）か、青（C）かどれかに別れます。短いものから順次１塩基ずつ長くなったものの塩基が何色かを並べていくと、それが元の知りたい DNA の塩基配列の相補的な配列となるわけです。

࠳ࠗ࠺ࠝࠠࠪᴺߦࠃࠆDNAߩႮၮ㈩೉ߩ᳿ቯ
Ⴎၮ㈩೉ࠍ᳿ቯߒߚ޿DNA
C

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T

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A

G

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G

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A

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T

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ࡊ࡜ࠗࡑ࡯DNA

DNAวᚑ㉂⚛

dNTP

G

A

T

C

ddNTP

G

A

T

C

DNAวᚑ෻ᔕ
&
㔚᳇ᵒേ

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G

G

A

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T

G

A

A

C

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G

A

T

C

A

G

G

A

図 6.1: ダイデオキシ法

T

27

第7章

突然変異体の観察
遺伝子の正常な機能が損なわれたものが突然変異です。突然変異を起こした生物（突然変異体）の性質を調べれば、その遺伝子の正常な機能が分かると考えられます。また、遺伝子が染色体のどこにあるのかを調べるためにも突然変異は大変重要です。今日は、体の色、眼の形や色、翅や剛毛の形の突然変異体を用意しました。

図 7.1: C. B. Bridges 原図（Drosophila Information Service, No.3, 1935 より）

28

第7章

7.1

突然変異体の観察

ショウジョウバエの観察

ショウジョウバエは小さいので、そのままではよく観察できません。実体顕微鏡（図 7.2）を使って観察しましょう。実体顕微鏡は対象物の左右がそのままで、立体的に観察できる、虫眼鏡の親分みたいな装置です。ズームが付いているので、いろいろな大きさに拡大して観察できます。

図 7.2: 双眼実体顕微鏡

ショウジョウバエを麻酔して眠らせ、白い紙∗1 の上に乗せます（図 7.3）
。針先の丸い柄付針を使って、よく観察して下さい。

¶
麻酔のかけ方³

空 の び ん に ハ エ を 移 し 、ト リ エ チ ル ア ミ ン（ (C2 H5 )3 N ）の蒸気を吹き込みます。
µ´

皆さんにお渡ししたショウジョウバエは、次のような突然変異を持っています。中にはふたつの突然変異を組み合わせで持っているものもいます。普通のタイプとよく見比べて、違いを見つけましょう。
観察した突然変異体の表現型を記録しましょう。ひとつだけ、全ての特徴が普通のタイ
プ（野生型）のハエがいます。

∗1 白色や水色などの薄い色のタイルでもよい。下敷きなどのプラスチックの板は静電気を持つので扱いにくい。

7.1 ショウジョウバエの観察

29

図 7.3: 白い紙の上にショウジョウバエを乗せる

特徴

普通のタイプ
（野生型）

眼の色

赤色

突然変異の特徴

遺伝子の名前（遺伝子記号）

白色
セピア色

white
cinnabar
sepia

(w)
(cn)
(se)

非常に小さいeyemissing(eym)

上向きに曲がる

Curly
Serratevestigial

(Cy)
(Ser)
(vg)

黒色

yellow
black
ebony

(y)
(b)
(e)

やや太く、短い

Stubble

(Sb)

朱色

眼の大き

大きく頭部をさ占める
まっすぐ伸びる翅（はね） 端が丸い

端が欠ける

大きい

痕跡的
黄色

体の色
剛毛の形

茶色

黒色

細長い

びんの番号
特徴

例

眼の色

白

眼の大きさ
翅
体の色
剛毛の形

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

31

第8章

野外採集と観察ほ ちゅうもうバナナトラップ法とスイーピング法（捕 虫 網法）の 2 つの方法でショウジョウバエを採集します。ショウジョウバエの種類の多くは、バナナトラップによく集まります。ショ
ウジョウバエを効率よく採集できるので、野外採集で最も多く使われる方法です。欠点
は、キノコに集まるショウジョウバエのように、食物が限定しているものが採れないことです。スイーピング法では、草の根元や木の肌にいるショウジョウバエを採集します。バ
ナナトラップ法とは違う種類のショウジョウバエが採れます。

8.1

バナナトラップ法による採集

トラップをフィールドセンター内のいろいろなところに設置しておきました。トラップ
つには、えさ（バナナにドライイースト∗1 を振りかけたもの）を入れ、木の枝などに吊り下げます（図 8.1）
。あまり低いところに設置すると、ほかの動物にいたずらされるかもしな
ついので、地上から 1m 以上の高さにして吊るします。
設置したトラップからショウジョウバエを採集します。トラップにポリエチレンの袋を静かにかぶせ、トラップをたたいてショウジョウバエを袋の中に追い込みます。集まった
ショウジョウバエを逃がさないよう注意して、採集しましょう。林の中の暗いところ、明るく開けたところ、建物から近いかどうか、川から近いかどうか、環境条件が違うところ
では採れるショウジョウバエの種類に違いがあるでしょうか。

8.2

スイーピング法による採集

暑い夏の昼間には、ショウジョウバエは、涼しい草の根元にひそんでいるようです。足で草の根元をガサガサとして、ショウジョウバエを飛び立たせるようにして、すかさず草∗1 パン酵母32

第8章

野外採集と観察

図 8.1: バナナトラップ

ほ ちゅうもうむらの草をこするようにして捕 虫 網を振ります。網に入ったショウジョウバエは吸虫管で吸い出し、びんの中に入れます（図 8.2）。

図 8.2: スイーピング

8.3 採集したショウジョウバエの観察

8.3

33

採集したショウジョウバエの観察

実験室に持ち帰り、実体顕微鏡を使って観察しましょう。どのような種類のショウジョ
ウバエがいるでしょうか。分類をしてみましょう。トラップを仕掛けたところが違うと採れたショウジョウバエの種が違っている可能性があります。フィールドセンターは京都市内の住宅地にありますので、「人家性」と呼ばれるショウジョウバエが採れると考えられます。深い森の奥に住んでいるようなショウジョウバエは残念ながら採れないでしょう。
しかし、明るいか暗いか、開けているか林の中か、好みの居場所が種によって違うのが分
かるかもしれません。
採集できたショウジョウバエ
個体数
種

特徴

雌

雄

採集場所

35

第9章

もっといろいろ知りたいときには
9.1

ショウジョウバエに関する本• 遺伝学ノート：ショウジョウバエと私 森脇 大五郎 著
学会出版センター

1988 年 本体価格：1,800 円

ISBN: 4-7622-0540-0• ショウジョウバエ物語 渡辺 隆夫 著
裳華房

9.2

1995 年 本体価格：1,400 円

ISBN: 4-7853-8618-5

メンデルの遺伝の法則の原本• メンデル 雑種植物の研究 岩槻邦男・須原凖平 訳
岩波文庫

1999 年 本体価格：400 円

ISBN: 4-00-339321-X• MendelWeb
http://www.netspace.org/MendelWeb/「雑種植物の研究」のウェブページ版。ドイツ語（Versuche über Pflanzen-

Hybriden）とその英訳（Experiments in Plant Hybridization）がある。関連サ
イトへのリンクあり。

36

第 9 章 もっといろいろ知りたいときには

9.3

インターネット Web サイト• 京都工芸繊維大学 ショウジョウバエ遺伝資源センター
http://www.DGRC.kit.ac.jp/• 東京都立大学大学院 理学研究科 生物学教室進化遺伝学研究室・細胞遺伝学研究室
http://dept.biol.metro-u.ac.jp/fly/www/• 国立遺伝学研究所 遺伝学電子博物館
http://www.nig.ac.jp/museum/livingthing/syojyobae/index-fiy.html• Jfly（ショウジョウバエ研究者のためのデータベース）
http://jfly.iam.u-tokyo.ac.jp/index j.html• FlyBase（ショウジョウバエの遺伝学の世界最大のデータベース：全て英語）
http://shigen.lab.nig.ac.jp:7081/（日本のミラーサイト）
http://flybase.net/（マスターサイト：アメリカ）

37

謝辞
本特別授業は文部科学省 大学等開放推進事業の助成を受けた活動です。
高大連携の事業として、京都教育大学附属高等学校にご協力いただきました。関係の諸先生方には大変お世話になりました。感謝いたします。
施設をお貸し下さった京都工芸繊維大学繊維学部附属生物資源フィールド科学教育研究センターに感謝いたします。

高大連携特別授業：
ショウジョウバエの遺伝子 DNA の観察
テキスト

2004 年 11 月 28 日
著者・発行者
京都工芸繊維大学
ショウジョウバエ遺伝資源センター〒616 – 8354 京都市右京区嵯峨一本木町 1
電話：(075) 873–2660（代表）
ファクス：(075) 861–0881

http://www.DGRC.kit.ac.jp/
c°M.-T.
Yamamoto, Y. H. Inoue,
H. Matsubayashi, N. Juni & M. Tomaru
c Sato, K. Nakatani & S. Toyohira
Illustration °H.