メセルソン・スタール実験（1958年）：DNAの半保存的複製を証明した実験

1958年のメセルソン・スタール実験が示したDNAの半保存的複製の原理と方法、同位体実験の意味をわかりやすく解説。

メセルソン-スタール実験とは、1958年にマシュー・メセルソンとフランクリン・スタールが大腸菌のDNAを用いて行った決定的な実験で、DNAの複製が半保存的であることを示しました。DNAは二本のらせん鎖（2本鎖）から構成され、複製の際には各複製体が「元の鎖を1本ずつ引き継ぎ、新しく1本を合成する」ことになります。化学の用語では新しく作られる鎖を合成と呼びます。

複製様式の候補

当時、DNA複製の可能性としては主に次の3通りが考えられていました。

• 保存的複製：親の二本鎖はそのまま残り、新たに二本鎖のDNAが合成される（親は完全に保存される）。
• 半保存的複製：親の各鎖がそれぞれ複製の鋳型となり、各複製体は「親鎖1本＋新鎖1本」を持つ。
• 分散的（分割的）複製：親のDNAは断片的に切り刻まれ、それぞれの断片に新しい断片が合成されるため、各鎖は古い部分と新しい部分が入り混じる。

メセルソンとスタールの実験手順（要点）

• まず、大腸菌を重い窒素同位体であるN¹⁵含有培地で十分長く培養し、細胞内のDNAがすべてN¹⁵で置換されるようにした（すべて「重い」DNA）。
• 次に、その細胞群を軽い窒素同位体のN¹⁴を含む培地に移し替え、DNA複製を一世代（一本鎖が複製されて二本鎖ができるまで）行わせたところで試料を採取した（1世代目）。さらに二世代目も同様に採取した。
• 取り出したDNAを塩化セシウム（CsCl）密度勾配の等密度遠心法で分離した。DNA分子は含有する窒素同位体の質量に応じて浮遊する位置が異なるため、重さに基づくバンドとして観察できる。

観察された結果と解釈

• 開始時点（N¹⁵培地で培養後）では、DNAは「重い」位置に単一のバンドとして観察された。
• 1世代目の採取では、DNAは中央付近の中間密度にある単一のバンド（ハイブリッドバンド）として観察された。これは各二本鎖DNAが一方の鎖にN¹⁵、もう一方の鎖にN¹⁴を含むことを示す（＝親鎖と新鎖がそれぞれ存在することを示す）。この結果は保存的複製の予測（親の重い二本鎖はそのまま残り、新しく軽い二本鎖ができるため、重いバンドと軽いバンドの2つが出る）とは矛盾する。
• 2世代目の採取では、密度勾配上に2本のバンドが現れた（軽いバンドと中間のハイブリッドバンド）。これは、二世代目では一部の分子が完全に新しく合成された（両鎖ともN¹⁴）ため軽いバンドが出現し、残りはハイブリッドのまま残るため中間バンドが残る、という半保存的複製の予測と一致する。一方、分散的複製モデルでは、各世代で全てのDNA分子が古い・新しい部分を混ぜ持つため、常に単一の中間バンドだけが観察されるはずであり、この観察とは一致しない。

したがって、メセルソンとスタールの実験はDNA複製が「半保存的複製」であることを強く支持しました。

手法と意義の補足

この実験の鍵は「同位体による標識」と「等密度遠心法」にあります。均一に重い同位体でラベルしたDNAを軽い同位体に移し替えて複製させ、DNA分子の平均密度の変化を世代ごとに追うことで、分子レベルの複製様式を直接検証しました。単純で明快なデザインと、明確な結果のために「分子生物学で最も美しい実験の一つ」と称されることもあります。

この発見はDNA複製の基本原理を確立し、その後の複製機構（複製フォーク、DNAポリメラーゼの働き、鋳型鎖と新鎖の合成など）の解明に大きく寄与しました。

質問と回答

Q: Meselson-Stahlテストとは何ですか?

Q:半保存的複製の仕組みは?

Q:DNAが複製される方法として考えられる3つの方法は何でしょうか?

Q:メセルソンとスタールは、どのようにして半保存的複製が正しいことを示したのですか?

Q:N15が存在した時代のヘリカル鎖を見て、何が観察されたのでしょうか?

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