高校生物で学ぶPCR法についてわかりやすく解説します。末尾に練習問題もありますので、理解度の確認に利用してください。
PCR法とは？
PCR（Polymerase Chain Reaction：ポリメラーゼ連鎖反応）は、DNAを短時間で大量に増幅する方法です。次のような分野で利用されています。
- 遺伝子研究：特定の遺伝子を解析し、生物の進化や遺伝病の研究に活用
- 法医学：犯罪現場の微量なDNAを増幅し、犯人の特定に利用
- 医療検査：感染症（例：COVID-19）の診断に利用
PCR法の3つのステップ
PCRは、以下の3つのステップを1サイクルとして繰り返します。
- 変性（Denaturation, 変性）
- アニーリング（Annealing, アニーリング）
- 伸長（Extension, 伸長）
これらのステップが1サイクルになり、通常30〜40回繰り返されます。
変性（Denaturation, 変性）
- 温度: 約94〜98℃
- 目的: 二本鎖DNAを一本鎖にする
DNAはもともと二本鎖ですが、高温にすることで水素結合が切れ、一本鎖になります。この一本鎖の状態にしないと、次のステップでプライマーが結合できません。
アニーリング（Annealing, アニーリング）
- 温度: 約50〜65℃（プライマーの性質によって異なる）
- 目的: プライマー（短いDNA断片）を一本鎖DNAに結合させる
プライマーは、増幅したいDNA配列の両端に特異的に結合する短いDNAの断片です。このプライマーが結合することで、次のステップでDNA合成を開始できます。
※ プライマーの役割: DNAポリメラーゼ（Taqポリメラーゼなど）は、DNAの合成を始めるための「目印」が必要です。その目印となるのがプライマーです。
伸長（Extension, 伸長）
- 温度: 約72℃（Taqポリメラーゼの最適温度）
- 目的: DNAポリメラーゼが新しいDNA鎖を合成する
プライマーが結合した後、DNAポリメラーゼ（通常、熱に強いTaqポリメラーゼ）がDNAの新しい鎖を作ります。DNAポリメラーゼは、元のDNA鎖を鋳型（ひな型）として、ヌクレオチドを取り込んで新しいDNA鎖を作ります。
この過程で、元のDNAのコピーが作られ、DNAの量が2倍になります。
PCRのサイクルの繰り返し
この「変性 → アニーリング → 伸長」の3つのステップを繰り返すことで、DNAの量が指数関数的に増えていきます。例えば、
- 1サイクル後：2本
- 2サイクル後：4本
- 3サイクル後：8本
- 4サイクル後：16本
（※ 実際は効率の問題で100%増え続けるわけではありません）
通常、30〜40回繰り返すことで、数百万〜数十億倍にDNAが増幅されます。
まとめ
| ステップ | 温度 | 目的 |
|---|---|---|
| ① 変性（Denaturation） | 94〜98℃ | 二本鎖DNAを一本鎖にする |
| ② アニーリング（Annealing） | 50〜65℃ | プライマーを結合させる |
| ③ 伸長（Extension） | 72℃ | DNAポリメラーゼが新しいDNA鎖を合成する |
この3つのステップを繰り返すことで、特定のDNA配列を大量に増幅することができます。
以下の点を特に押さえておくとよいでしょう。
- 温度変化によってDNAの状態が変わること
- プライマーがDNAポリメラーゼの目印になること
- サイクルを繰り返すことでDNAが指数関数的に増えること
練習問題
【問題1】 基本的な理解
次の説明が 正しい場合は〇、間違っている場合は× をつけなさい。
- PCR法では、DNAを増やすためにRNAポリメラーゼを使用する。
- PCR法の3つのステップは「変性」「アニーリング」「伸長」である。
- PCR法では温度を一定に保つことでDNAを増幅する。
- PCR法を繰り返すことでDNAの量は指数関数的に増える。
- PCR法ではプライマーが鋳型DNAのどこにでもランダムに結合する。
【問題2】 温度の役割
次の空欄に適切な温度（約○℃）を入れなさい。
- 変性（Denaturation）では、DNAの二本鎖を一本鎖にするために、約__℃に加熱する。
- アニーリング（Annealing）では、プライマーを結合させるために、約__℃にする。
- 伸長（Extension）では、DNAポリメラーゼがDNAを合成しやすいように、約__℃に保つ。
【問題3】 PCR法の手順
次のPCRの手順を 正しい順番に並べ替え なさい。（1〜4の番号をつける）
- ( ) プライマーが一本鎖DNAに結合する。
- ( ) DNAポリメラーゼが新しいDNAを合成する。
- ( ) DNAを高温にして二本鎖DNAを一本鎖にする。
- ( ) 新しく作られたDNAをもとに、さらにPCRを繰り返す。
【問題4】 記述問題
- PCR法においてプライマーはどのような役割を持っているか？（50字以内）
- PCR法においてTaqポリメラーゼが使われる理由を説明しなさい。（50字以内）
- PCR法の特徴を2つ挙げ、それぞれ簡単に説明しなさい。
【問題5】 計算問題
PCR法を用いて、最初に1本のDNA分子があったとする。
このDNAをPCRで 5回 繰り返すと、理論上は何本のDNA分子になるか？
（計算式も書くこと）
練習問題 解答例
【問題1】 基本的な理解（〇×問題）
- ×（RNAポリメラーゼではなく、DNAポリメラーゼを使用する）
- 〇
- ×（温度を変化させながらDNAを増幅する）
- 〇
- ×（プライマーは特定の配列に結合する）
【問題2】 温度の役割
- 94〜98℃
- 50〜65℃
- 72℃
【問題3】 PCR法の手順（正しい順番）
- (3) DNAを高温にして二本鎖DNAを一本鎖にする。（変性）
- (1) プライマーが一本鎖DNAに結合する。（アニーリング）
- (2) DNAポリメラーゼが新しいDNAを合成する。（伸長）
- (4) 新しく作られたDNAをもとに、さらにPCRを繰り返す。
【問題4】 記述問題
- PCR法においてプライマーはどのような役割を持っているか？
→ DNAポリメラーゼがDNA合成を始めるための目印となる。（50字以内） - PCR法においてTaqポリメラーゼが使われる理由を説明しなさい。
→ 高温でも変性しないため、PCRの繰り返しに耐えられる。（50字以内） - PCR法の特徴を2つ挙げ、それぞれ簡単に説明しなさい。
① 少量のDNAから短時間で大量のDNAを増幅できる。
② 目的のDNA配列を特異的に増やすことができる。
【問題5】 計算問題
PCR法では、1サイクルごとにDNAの量が 2倍 になる。
最初に 1本 のDNAがあった場合、5回繰り返すとDNAの本数は以下のようになる。
答え：32本
まとめ
PCR法は生物学や医療の発展に欠かせない技術であり、高校生物でも重要な知識の一つです。PCR法の仕組みをしっかり理解しましょう。
