DNA複製：原核生物と真核生物におけるメカニズム - 生物学 - 2025

DNA（デオキシリボ核酸）の複製は、ゲノム、つまり生物のDNA内のすべての遺伝情報をコピーして、2つの同一のコピーを作成することです。ゲノムは完全な生物を構築するために必要な情報を持っています。

細胞分裂の前に、DNA複製が起こります。減数分裂を通して、有性生殖のための配偶子が作られます。有糸分裂を介して、細胞置換（例、皮膚および血液）および発生（例、組織および臓器）が発生します。

出典：I、Madprime

DNAの構造を知ることにより、その複製がどのように発生するかを理解することができます。DNAの構造は、連続したヌクレオチドの2つの逆平行鎖で構成される二重らせんからなり、その窒素含有塩基は特定の方法で互いに補完します。

複製中、DNA二本鎖の各鎖は、新しい鎖の生合成のテンプレートとして機能します。新しく合成された2つの鎖には、テンプレート鎖の塩基に相補的な塩基があります。アデニン（A）とチミン（T）、シトシン（C）とグアニン（G）です。

さまざまな酵素やタンパク質がDNA複製に関与しています。たとえば、DNAの二重らせんを開き、DNAを開いたままにし、デオキシリボヌクレオシド-5'-三リン酸（dNTP）を追加して新しい鎖を形成します。

DNA複製は半保守的です

DNAの構造に基づいて、WatsonとCrickは、DNA複製が半保守的に行われることを提案しました。これは、MeselsonとStahlによって、大腸菌のDNAを窒素の重同位体¹⁵ Nで標識し、数世代にわたって¹⁴ Nの軽い窒素を含む培地での分布パターンに従って、示されました。

MeselsonとStahlは、第1世代では、2つの娘DNA分子がそれぞれ、窒素の重い同位体と軽い同位体で別の鎖で標識された分子を持っていることを発見しました。両方の鎖が重同位体¹⁵ Nで標識された親DNA分子とは異なります。

第2世代では、DNA分子の50％が第1世代のDNA分子と同様であり、残りの50％には軽質窒素しかありませんでした。この結果の解釈は、娘の二重らせんが親の鎖（テンプレートとして機能する）と新しい鎖を持つというものです。

半保存的な複製メカニズムには、DNA鎖の分離と、連続するヌクレオチドのペアリングによる相補的な塩基のペアリングが含まれ、2つの娘の二重らせんが生成されます。

バッテリー複製

細菌におけるDNA複製の開始

細菌のDNAは環状染色体からなり、複製起点の部位は1つだけです。このサイトから、2つの娘鎖の生合成は双方向で発生し、原点と反対方向に移動する2つの複製フォークを形成します。最後に、ヘアピンが出会い、複製が完了します。

複製は、DnaAタンパク質の起源部位への結合から始まります。これらのタンパク質は次に複合体を形成します。次に、特にHUとIHFタンパク質が結合してDNAを折りたたみ、チミンとアデニンが豊富な領域で2本のDNA鎖を分離させます。

次に、DNaCタンパク質が結合して、DNAヘリカーゼが結合します。それらはDNAをほどき、塩基対の間に形成された水素結合を破壊するのを助けます。したがって、2つのチェーンがさらに分離され、2つの単純なチェーンが形成されます。

トポイソメラーゼII、またはDNAジャイレースは、DNAヘリカーゼの前に移動し、正のスーパーコイルを減らします。一本鎖DNA結合（SSB）タンパク質は、DNA鎖をばらばらにします。したがって、娘鎖の生合成が始まります。

バクテリアにおける娘DNA鎖の生合成

プライマーゼ酵素は、10-15ヌクレオチド長のプライマーと呼ばれる短いRNA鎖を合成する役割を果たします。DNAポリメラーゼは、プライマーシュガーの3'-OH末端に5'-三リン酸デオキシヌクレオシド（dNTP）を追加し始め、その後、鎖は同じ末端から成長し続けます。

DNA鎖は逆平行であるため、1つのプライマーがリーダー鎖で合成され、多くのプライマーがラグ鎖で合成されます。このため、遅延した鎖の生合成は不連続です。DNA鎖は逆平行ですが、複製フォークは一方向にのみ移動します。

DNAポリメラーゼは、新しく合成された鎖の5'®3 '方向の隣接ヌクレオチド間の共有結合の形成に関与します。大腸菌には5つのDNAポリメラーゼがあります。DNAポリメラーゼIおよびIIIはDNA複製を実行します。DNAポリメラーゼII、IV、Vは、損傷したDNAを修復および複製します。

ほとんどの複製はDNAポリメラーゼIIIによって行われます。これは、DNA複製にさまざまな機能を持つ10の異なるサブユニットを持つホロ酵素です。たとえば、アルファサブユニットはヌクレオチド間のリンクを作成する責任があります。

酵素の複合体は細菌のDNAの複製に責任があります

DNAヘリカーゼとプライマーゼが結合して、プリモソームと呼ばれる複合体を形成します。これはDNAに沿って移動し、2つの親ストランドを分離するように協調して作用し、遅延ストランドの特定の間隔ごとにプライマーを合成します。

プリモソームはDNAポリメラーゼIIIに物理的に結合し、レプリソームを形成します。2つのDNAポリメラーゼIIIは、ガイドと遅延鎖のDNAを複製する役割を果たします。DNAポリメラーゼIIIに関しては、遅延鎖は外向きループを形成します。これにより、この鎖へのヌクレオチドの付加がリーダー鎖と同じ方向で起こるようになります。

リーダー鎖へのヌクレオチドの付加は連続的です。遅れている間は不連続です。長さ150ヌクレオチドのフラグメントが形成され、岡崎フラグメントと呼ばれます。

DNAポリメラーゼIの5 '-> 3'エキソヌクレアーゼ活性は、プライマーの除去と充填、ヌクレオチドの追加に関与します。リガーゼ酵素がフラグメント間のギャップをシールします。レプリケーションは、2つのレプリケーションフックが終了シーケンスで出会ったときに終了します。

Tusタンパク質は終結配列に結合し、複製フォークの動きを停止します。トポイソメラーゼIIは、2つの染色体の分離を可能にします。

デオキシリボヌクレオチド三リン酸はDNAポリメラーゼによって使用されます

デオキシヌクレオシド三リン酸（dNTP）には、デオキシリボースの5 '炭素に結合した3つのリン酸基が含まれています。dNTP（dATP、dTTP、dGTP、dCTP）は、AT / GCルールに従ってテンプレートチェーンにバインドします。

DNAポリメラーゼは次の反応を触媒します。成長する鎖ヌクレオチドの3 'ヒドロキシル基（–OH）は、入ってくるdNTPのアルファリン酸と反応し、無機ピロリン酸（PPi）を放出します。PPiの加水分解により、成長する鎖のヌクレオチド間で共有結合またはホスホジエステル結合を形成するためのエネルギーが生成されます。

DNA複製の忠実度を保証するメカニズム

DNA複製中、DNAポリメラーゼIIIは1億ヌクレオチドの間違いを犯します。エラーの確率は非常に低いですが、DNA複製の忠実度を保証するメカニズムがあります。これらのメカニズムは次のとおりです。

1）塩基対形成の安定性。AT / GC間の水素結合エネルギーは、間違った塩基対よりも高くなります。

2）DNAポリメラーゼの活性部位の構造。DNAポリメラーゼは、反対側の鎖上の正しい塩基を使用してヌクレオチド結合を優先的に触媒します。塩基対合が悪いと、DNA二重らせんに歪みが生じ、間違ったヌクレオチドが酵素の活性部位を占有するのを防ぎます。

3）読書テスト。DNAポリメラーゼは、組み込まれた誤ったヌクレオチドを識別し、それらを娘鎖から除去します。DNAポリメラーゼのエキソヌクレアーゼ活性により、新しい鎖の3 '末端にあるヌクレオチド間のホスホジエステル結合が切断されます。

真核生物におけるDNA複製

複製が単一のサイトで始まる原核生物での複製とは異なり、真核生物での複製は複数の起点サイトで始まり、複製フォークは双方向に移動します。その後、すべての複製ヘアピンが融合し、セントロメアで結合した2つの姉妹染色分体が形成されます。

真核生物には多くの種類のDNAポリメラーゼがあり、その名前にはギリシャ文字が使用されています。DNAポリメラーゼαは、プライマーゼと複合体を形成します。この複合体は、10ヌクレオチドのRNAに続いて20〜30ヌクレオチドのDNAからなる短いプライマーを合成します。

次に、εまたはδDNAポリメラーゼは、プライマーからの娘鎖の伸長を触媒します。DNAポリメラーゼεはリーダー鎖の合成に関与し、DNAポリメラーゼδは遅延鎖を合成します。

DNAポリメラーゼδは、右側のRNAプライマーに到達するまで左側の岡崎フラグメントを伸長させ、プライマーの短いフラップを生成します。DNAポリメラーゼがプライマーを除去する原核生物とは異なり、真核生物では、Flapエンドヌクレアーゼ酵素がRNAプライマーを除去します。

次に、DNAリガーゼが隣接するDNAフラグメントをシールします。複製の完了は、複製フォークからのタンパク質の解離で発生します。

真核生物の細胞周期におけるDNA の複製

真核生物における複製は、細胞周期のS期で発生します。複製されたDNA分子は、有糸分裂中に2つの娘細胞に分泌されます。G1期とG2期は、S期と有糸分裂を分離します。細胞周期の各段階の進行は、キナーゼ、ホスファターゼ、およびプロテアーゼによって高度に制御されています。

細胞周期のG1期では、起源認識複合体（OCR）が起源の部位に結合します。これにより、MCMヘリカーゼと他のタンパク質（Cdc6やCdt1など）の結合が誘導され、複製前複合体（preRC）が形成されます。MCMヘリカーゼはガイドチェーンに結合します。

Sフェーズでは、preRCがアクティブな複製サイトになります。OCR、Cdc6、およびCdt1タンパク質が放出され、MCMヘリカーゼが3 'から5'方向に移動します。複製が完了すると、次のセルサイクルで再開されます。

真核生物における染色体の末端の複製

染色体の末端はテロメアとして知られています。テロメアは、タンデム配列の繰り返しと、突出する3 '領域から構成され、長さは12〜16ヌクレオチドです。

DNAポリメラーゼは、DNA鎖の3 '末端を複製できません。これは、DNAポリメラーゼが5'-3 '方向にのみDNAを合成でき、この領域でプライマーを合成できずに、既存の鎖のみを伸長できるという事実によるものです。その結果、テロメアは複製の各ラウンドで短くなります。

酵素テロメラーゼはテロメアの短縮を防ぎます。テロメラーゼは、タンパク質およびRNAサブユニット（TERC）を所有する酵素です。後者はDNAの反復配列に結合し、テロメラーゼがテロメアの3 '末端に結合することを可能にします。

接合部位の背後にあるRNA配列は、DNA鎖の末端での6ヌクレオチド配列の合成（重合）のテンプレートとして機能します。テロメア伸長は、テロメラーゼ逆転写酵素（TERT）と呼ばれるテロメラーゼサブユニットによって触媒されます。

重合後、転座が起こり、テロメラーゼがDNA鎖の新しい端に移動し、最後まで6つのヌクレオチドが結合します。

真核生物における他のDNAポリメラーゼの機能

DNAポリメラーゼβは、DNAから誤った塩基を除去する上で重要な役割を果たしますが、DNA複製には関与しません。

多くの発見されたDNAポリメラーゼは、「トランスレション複製」ポリメラーゼのグループに属しています。これらのポリメラーゼは、損傷したDNAの領域で相補鎖を合成する役割を果たします。

「トランスレション複製」ポリメラーゼにはいくつかのタイプがあります。たとえば、DNAポリメラーゼηは、紫外光によって生成されるチミン二量体で複製できます。

古細菌におけるDNA複製

古細菌のDNA複製は、真核生物と類似しています。これは次の理由によるものです。1）複製に関与するタンパク質は、原核生物のタンパク質よりも真核生物のタンパク質に類似しています。２）原核生物のように複製部位は１つしかないが、その配列は真核生物の起源の部位と類似している。

古細菌と真核生物の間の複製の類似性は、両方のグループが、原核生物に対するよりも系統学的に互いにより関連しているという考えを支持します。

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