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21.11: DNA複製
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Chemistry

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DNA Replication
 

21.11: DNA複製

DNAの複製過程は、まず二重らせんの二本鎖が分離され、それぞれの鎖が鋳型となることで、新しい相補的な鎖が複製されることで起こります。  複製後のDNA二本鎖は、1本の親鎖と、1本の娘鎖からなります。これは半保存的複製として知られています。出来上がったDNA分子は同じ塩基配列を持ち、2つの娘細胞に均等に分けられます。

原核生物における複製

DNAの複製には多数のタンパク質と酵素が使われます。ヘリカーゼという酵素は、DNAの二本鎖を分離します。ヘリカーゼは、DNAに沿って移動しながら2本の鎖を分離し、複製フォークと呼ばれるY字型の構造を形成します。続いて、プライマーゼという酵素が、プライマーと呼ばれる短いRNAを加え、DNA合成を担う酵素であるDNAポリメラーゼによるDNAの合成を開始させます。細菌では、主に3種類のDNAポリメラーゼが知られています。DNA pol I、DNA pol II、そしてDNA pol IIIです。DNA pol IIIはDNA合成に必要な酵素で、DNA pol IとDNA pol IIは主に修復に必要な酵素です。DNA pol IIIは、鋳型鎖のヌクレオチドに相補的なデオキシリボヌクレオチドを、成長するDNA鎖の3’-OH基に1つずつ加えていく。DNA pol IIIは、5’から3’の方向にしか伸長できません。このヌクレオチドの付加にはエネルギーが必要です。このエネルギーは、アデノシン三リン酸(ATP)のリン酸結合にエネルギーが蓄えられているのと同じように、各ヌクレオチドの3つのリン酸基の結合に蓄えられています。リン酸基の結合が切れて二リン酸が放出されると、放出されたエネルギーによって脱水反応が進行し、ホスホジエステル結合が形成されます。

DNAの二重らせんは逆平行であり、一方の鎖は5’から3’の方向に、もう一方の鎖は3’から5’の方向を向いています。ポリメラーゼはこの方向に沿ってヌクレオチドを加えることができるので、3’から5’のDNA親鎖に相補的な1本の鎖が、複製フォークに向かって連続的に合成されます。この連続して合成される鎖をリーディング鎖と呼びます。もう一方の鎖は、5’から3’までのDNA親鎖に相補的なもので、複製フォークから離れる方向に向かって合成されます。そのため、ポリメラーゼは複製フォークに向かって戻り、再び複製フォークから離れる方向に新しいプライマーに塩基を加えなければなりません。ポリメラーゼは、先に合成された鎖にぶつかるまで移動し、再び戻ってくます。このようにして、岡崎フラグメントと呼ばれる小さなDNA配列の断片が作られ、それぞれがRNAプライマーによって分離されます。岡崎フラグメントのある鎖は「遅れた鎖」と呼ばれ、その合成は不連続的です。

DNAポリメラーゼIIIによる合成の後、DNAポリメラーゼIのエキソヌクレアーゼ活性によってプライマーが除去され、隙間が埋められます。新たに合成されたDNA(RNAプライマーに取って代わったもの)と先に合成されたDNAとの間に残ったニックは、DNAリガーゼという酵素によって封鎖されます。この酵素は、一方のDNA断片の3’-OH端と他方の断片の5’リン酸端との間に共有結合のホスホジエステル結合を形成することを触媒し、DNA分子の糖-リン酸主鎖を安定化させます。

真核生物における複製

真核生物のゲノムは、原核生物のゲノムに比べてはるかに複雑で大きく、通常、複数の直線状の染色体から構成されています。例えば、ヒトのゲノムは、半数の染色体に30億の塩基対があり、複製時に60億の塩基対が挿入されます。真核生物の各染色体には複数の複製起点があり、ヒトゲノムには3万から5万の複製起点があります。複製速度は毎秒約100ヌクレオチドで、原核生物の複製速度の10倍です。

真核生物における複製の重要なステップは、原核生物と同じです。複製を開始する前に、DNAを鋳型として利用できるようにしなければなりません。真核生物のDNAは高度な超らせん化によってパッケージングされており、これはヒストンを含む多くのタンパク質によって促進されます。複製が開始されると、原核生物と同様のプロセスで、真核生物のDNAポリメラーゼによって伸長が促進されます。先頭の鎖は真核生物のポリメラーゼであるpol δという酵素によって連続的に合成され、後続の鎖はpol εという酵素によって合成されます。バクテリアにおけるDNAポリメラーゼの代わりに、リボヌクレアーゼH(RNase H)という酵素がRNAプライマーを除去し、DNAヌクレオチドに置き換えます。残った隙間はDNAリガーゼによって封鎖されます。

原核生物と同様、真核生物のDNAポリメラーゼは、5’から3’の方向にのみヌクレオチドを付加することができます。リーディング鎖では、染色体の末端に到達するか、反対方向に進行する別の複製フォークに到達するまで合成が続く。ラギング鎖では、DNAは短い部分に分けて合成され、それぞれの部分の合成は別々のプライマーによって開始されます。複製フォークが直線状の染色体の末端に到達すると、染色体の末端でコピーされるDNA断片のプライマーを作る場所がなくなります。そのため、これらの末端は対になっていない状態のままとなり、細胞分裂を繰り返すうちに徐々に短くなっていく可能性があります。

上記の文章は以下から引用しました。Openstax, Microbiology, Chapter 11.2: DNA Replication.


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