DNA複製
DNA複製：二重らせん構造が解かれ、ほどけた後、分離したそれぞれの鎖（青緑色）が、新しいパートナー鎖（緑色）を複製するための鋳型として機能します。ヌクレオチド（塩基）が一致することで、新しいパートナー鎖が2つの新しい二重らせん構造に合成されます

DNA複製とは、細胞が自身のDNAの正確​​なコピーを作成するプロセスです。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]このプロセスはすべての生物で発生し、生物学的遺伝、細胞分裂、損傷した組織の修復に不可欠です。DNA複製により、新たに分裂した娘細胞はそれぞれDNA分子のコピーを受け取ることができます。[ 5 ]

DNAは最も一般的には二本鎖の形で存在し、2本の相補的な鎖がそれぞれの鎖を構成するヌクレオチドの塩基対合によって結合している。二本鎖DNA分子の2本の線状鎖は、通常、二重らせん状にねじれている。[ 6 ]複製の際には、2本の鎖が分離され、元のDNA分子の各鎖が相補的な鎖を生成するための鋳型として機能し、このプロセスは半保存的複製と呼ばれる。その結果、複製された各DNA分子は、元のDNA鎖1本と新たに合成されたDNA鎖1本で構成される。[ 7 ]細胞の校正およびエラーチェック機構により、DNA複製はほぼ完璧な忠実度で行われる。 [ 8 ] [ 9 ]

DNA複製は通常、複製起点[ 10 ]と呼ばれるゲノム全体に散在する特定の場所から始まります。[ 11 ]複製起点におけるDNAの巻き戻しはヘリカーゼと呼ばれる酵素によって行われ、複製起点から双方向に複製フォークが成長します。多数のタンパク質が複製フォークと関連しており、 DNA合成の開始と継続を助けます。最も顕著なのは、DNAポリメラーゼが鋳型鎖のヌクレオチドを補完するヌクレオチドを取り込むことで新しい鎖を合成することです。DNA複製は間期のS期（合成期）に起こります。[ 12 ]

DNA複製は試験管内（細胞外で人工的に）で行うこともできる。 [ 13 ]細胞から単離したDNAポリメラーゼと人工DNAプライマーを用いて、鋳型DNA分子の既知の配列でDNA合成を開始することができる。ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）、リガーゼ連鎖反応（LCR）、転写介在増幅（TMA）はすべてこの技術の一般的な例である。2021年3月、研究者らは、翻訳（遺伝コードに従って新しいタンパク質を生物学的に合成すること）に必要な要素である転移RNAの予備的な形態が、原始生命の初期の無生物起源​​においてそれ自体が複製分子であった可能性があることを示唆する証拠を報告した。[ 14 ] [ 15 ]

DNAの構造

DNA二重らせん構造（B型DNA）。構造中の原子は元素ごとに色分けされており、2つの塩基対の詳細な構造は右下に示されています

DNAは二重鎖構造で、両方の鎖が一緒に巻かれて特徴的な二重らせんを形成しています。DNAの各一本鎖は4種類のヌクレオチドの鎖です。DNA中のヌクレオチドはデオキシリボース糖、リン酸、核酸塩基を含みます。4種類のヌクレオチドは4つの核酸塩基に対応しており、アデニン、シトシン、グアニン、チミンで、一般的にそれぞれA、C、G、Tと略されます。アデニンとグアニンはプリン[ 16 ]核酸塩基であり、シトシンとチミンはピリミジンです。これらのヌクレオチドはリン酸ジエステル結合を形成し、核酸塩基が内側（つまり反対側の鎖）を向いたDNA二重らせんのリン酸-デオキシリボース骨格を形成します。相補的な核酸塩基は、水素結合を介して鎖間で一致して塩基対を形成する。アデニンはチミンと対になり（2つの水素結合）、グアニンはシトシンと対になる（3つの水素結合）。[ 17 ]

DNA鎖には方向性があり、一本のDNA鎖の異なる末端はそれぞれ「3'（スリープライム）末端」と「5'（ファイブプライム）末端」と呼ばれます。慣例的に、一本のDNA鎖の塩基配列が与えられた場合、配列の左端は5'末端、右端は3'末端です。二重らせん構造の鎖は反平行で、一方が5'末端から3'末端、もう一方が3'末端から5'末端となります。これらの用語は、デオキシリボース分子を構成する炭素原子に番号を付ける化学的慣例に由来し、鎖中の次のリン酸基が結合する特定の炭素原子を示します。方向性はDNA合成において重要な意味を持ちます。なぜなら、DNAポリメラーゼはDNA鎖の3'末端にヌクレオチドを付加することで、一方向にのみDNAを合成できるからです。[ 18 ]

DNA中の相補塩基のペアリング（水素結合による）は、各鎖に含まれる情報が冗長であることを意味します。ホスホジエステル結合（鎖内）は水素結合（鎖間）よりも強いです。ホスホジエステル結合の実際の役割は、あるヌクレオチドの5'炭素原子を別のヌクレオチドの3'炭素原子に結合させることです。一方、水素結合はDNA二重らせんをらせん軸方向に安定化させますが、長軸方向には安定化させません。[ 19 ]これにより、鎖を互いに分離することが可能になります。したがって、一本鎖上のヌクレオチドは、新たに合成されたパートナー鎖上のヌクレオチドを再構築するために使用することができます。[ 20 ]

DNAポリメラーゼ

DNAポリメラーゼはDNA鎖の3'末端にヌクレオチドを付加します。[ 21 ]誤ってミスマッチが組み込まれた場合、ポリメラーゼはそれ以上の伸長を阻害されます。校正によってミスマッチしたヌクレオチドが除去され、伸長が継続されます

DNAポリメラーゼは、あらゆる形態のDNA複製を実行する酵素ファミリーです。 [ 22 ] DNAポリメラーゼは一般的に新しい鎖の合成を開始することはできませんが、鋳型鎖と対になった既存のDNA鎖またはRNA鎖を伸長させることしかできません。合成を開始するには、プライマーと呼ばれる短いRNA断片を作成し、鋳型DNA鎖と対合させる必要があります。

DNAポリメラーゼは、既存のヌクレオチド鎖の3'末端を延長し、テンプレート鎖に適合する新しいヌクレオチドを1つずつ追加して、ホスホジエステル結合を作り、新しいDNA鎖を追加します。このDNA重合の過程に必要なエネルギーは、取り込まれていない塩基に結合した3つのリン酸間の高エネルギーリン酸（リン酸無水物）結合の加水分解から得られます。糖分子（DNAの場合はデオキシリボース）が結合した遊離塩基はヌクレオシドと呼ばれ、1つ以上のリン酸基が結合したヌクレオシドはヌクレオチドと呼ばれます。特に、3つのリン酸基が結合したヌクレオシドはヌクレオシド三リン酸と呼ばれます。伸長中のDNA鎖に遊離ヌクレオチドが付加されると、伸長鎖中の遊離ヌクレオチドの近位リン酸基と別のヌクレオチドのデオキシリボース基との間にリン酸ジエステル結合が形成され、同時に高エネルギーリン酸結合が加水分解され、遊離ヌクレオチドの2つの遠位リン酸基がピロリン酸として遊離する。生じたピロリン酸は酵素によって無機リン酸に加水分解され、2つ目の高エネルギーリン酸結合が消費され、反応は事実上不可逆的となる。[注 1 ]

一般的に、DNAポリメラーゼは非常に正確で、10 7ヌクレオチド追加あたり1つ未満のエラー率という固有のエラー率を誇ります。 [ 23 ]一部のDNAポリメラーゼは、ミスマッチ塩基を修正するために、形成中の鎖の末端からヌクレオチドを削除することもできます。これは校正として知られています。最後に、複製後のミスマッチ修復機構はDNAのエラーを監視し、新しく合成されたDNA鎖のミスマッチを元の鎖配列と区別することができます。これら3つの識別ステップを組み合わせることで、10 9ヌクレオチド追加あたり1つ未満のエラー率という複製の忠実度が実現されます。[ 23 ]

生細胞におけるDNA複製速度は、ファージ感染大腸菌におけるT4ファージのDNA伸長速度として初めて測定された。[ 24 ] 37℃での指数関数的DNA増加期間中、速度は毎秒749ヌクレオチドであった。T4ファージによるDNA合成中の複製1回あたりの塩基対あたりの変異率は10 8あたり1.7である。[ 25 ]

複製プロセス

DNA複製のステップの概要
DNA合成のステップ

DNA 複製は、すべての生物学的重合プロセスと同様に、開始、伸長、終了という 3 つの酵素触媒協調ステップで進行します。

入会

DNA複製の開始におけるイニシエーターの役割
複製前複合体の形成

細胞が分裂するには、まずDNAを複製する必要があります。[ 26 ] DNA複製は「全か無か」のプロセスです。複製が始まると、完了まで進行します。複製が完了すると、同じ細胞周期では再び複製は起こりません。これは、複製前複合体の分裂と開始によって可能になります。

複製前複合体

有糸分裂後期からG1期初期にかけて、DNAの特定の位置（「起点」と呼ばれる）で、イニシエータータンパク質の大きな複合体が複製前複合体に組み立てられます。[ 11 ] [ 10 ]大腸菌では主要なイニシエータータンパク質はDNA Aであり、酵母ではこれは起点認識複合体です。[ 27 ] イニシエータータンパク質が使用する配列は「ATリッチ」（アデニン塩基とチミン塩基に富む）になる傾向があります。これは、AT塩基対が2つの水素結合（CG塩基対で形成される3つではなく）を持ち、鎖分離が容易であるためです。[ 28 ] 真核生物では、起点認識複合体（ORC）がイニシエータータンパク質の複製前複合体への組み立てを触媒します。さらに、最近の報告では、出芽酵母ORCが細胞周期依存的に二量体化してライセンス制御を行うことが示唆されています[ 29 ] [ 30 ] 次に、ORC の二量体化のプロセスは、生体内での細胞周期依存性の Noc3p 二量体化サイクルによって媒介され、この Noc3p の役割は、リボソーム生合成における役割とは分離可能である。必須の Noc3p 二量体化サイクルは、複製ライセンスにおける ORC 二重六量体形成を媒介し、Noc3p は細胞周期を通してクロマチンに継続的に結合している。[ 31 ]次に、 Cdc6とCdt1 は、複製起点の結合した複製起点認識複合体と会合して、Mcm 複合体をDNA にロードするために必要な、より大きな複合体を形成する。真核生物では、Mcm 複合体は、複製フォークと複製起点で DNA ヘリックスを分割するヘリカーゼである。Mcm 複合体は G1 期後期にリクルートされ、ATP 依存性タンパク質リモデリングを介して ORC-Cdc6-Cdt1 複合体によって DNA にロードされる。 MCM複合体が起点DNAにロードされると、複製前複合体の形成が完了したことを示す。[ 32 ]

G1期後期に環境条件が適切であれば、G1およびG1/Sサイクリン-Cdk複合体が活性化され、DNA合成機構の構成要素をコードする遺伝子の発現が刺激される。G1/S-Cdk活性化はS-Cdk複合体の発現と活性化も促進し、種や細胞の種類によっては複製起点の活性化に役割を果たす可能性がある。これらのCdkの制御は細胞の種類や発生段階によって異なる。この制御は出芽酵母で最もよく理解されており、SサイクリンClb5とClb6が主にDNA複製を担っている。[ 33 ] Clb5,6-Cdk1複合体は複製起点の活性化を直接引き起こすため、S期を通して各起点を直接活性化するために必要である。[ 32 ]

同様に、Cdc7はS期を通して複製起点を活性化するためにも必要である。Cdc7は細胞周期を通して活性であるわけではなく、DNA複製の早期開始を避けるためにその活性化は厳密にタイミングが調整されている。G1後期には、Cdc7の活性は、Cdc7に直接結合してタンパク質キナーゼ活性を促進する調節サブユニットDBF4との結合の結果として急激に上昇する。Cdc7は複製起点活性の律速因子であることが分かっている。G1/S-Cdkおよび/またはS-CdkとCdc7は協力して複製起点を直接活性化し、DNA合成の開始につながる。[ 32 ]

前開始複合体

S期初期には、S-CdkとCdc7の活性化により、複製開始点に形成される巨大なタンパク質複合体である前開始複合体の形成が誘導されます。前開始複合体の形成により、Cdc6とCdt1が複製開始点の複製複合体から排除され、複製開始点の複製複合体は不活性化され、分解されます。前開始複合体が複製開始点に積み込まれると、Mcmヘリカーゼが活性化され、DNAヘリックスの巻き戻しが引き起こされます。前開始複合体は、α-プライマーゼやその他のDNAポリメラーゼもDNAに積み込みます。[ 32 ]

αプライマーゼが最初のプライマーを合成した後、プライマー-テンプレート接合部はクランプローダーと相互作用し、クランプローダーはスライディングクランプをDNAにロードしてDNA合成を開始する。開始前複合体の構成要素は、複製起点から移動する際に複製フォークに結合したままである。[ 32 ]

伸長

DNAポリメラーゼは5'-3'活性を持っています。既知のDNA複製システムはすべて、合成を開始する前に遊離の3'ヒドロキシル基を必要とします（注：DNAテンプレートは3'から5'方向に読み取られますが、新しい鎖は5'から3'方向に合成されます。これはしばしば混同されます）。DNA合成には4つの異なるメカニズムが認識されています

  1. すべての細胞生命体と多くの DNAウイルス、ファージ、プラスミドはプライマーゼを使用して、遊離の 3' OH 基を持つ短い RNA プライマーを合成し、その後 DNA ポリメラーゼによって伸長されます。
  2. レトロエレメント（レトロウイルスを含む）は、逆転写酵素による伸長に使用される自由 3' OH を提供することで DNA 複製を準備する転移 RNA を使用します。
  3. アデノウイルスおよびバクテリオファージの φ29 ファミリーでは、3' OH 基はゲノムに付着したタンパク質 (末端タンパク質) のアミノ酸の側鎖によって提供され、そこに DNA ポリメラーゼによってヌクレオチドが付加されて新しい鎖が形成されます。
  4. サーコウイルス、ジェミニウイルス、パルボウイルスなどを含む一本鎖DNAウイルス、そしてローリングサークル複製（RCR）機構を利用する多くのファージやプラスミドにおいて、RCRエンドヌクレアーゼはゲノム鎖（一本鎖ウイルス）またはDNA鎖（プラスミド）の1本に切断（ニック）を挿入します。切断された鎖の5'末端はヌクレアーゼ上のチロシン残基に転移され、遊離した3'末端のOH基はDNAポリメラーゼによって新しい鎖の合成に利用されます。

細胞生物は最初の経路を使用するため、これが最もよく知られています。このメカニズムでは、2本の鎖が分離すると、プライマーゼがテンプレート鎖にRNAプライマーを追加します。リーディング鎖は1つのRNAプライマーを受け取り、ラギング鎖は複数のRNAプライマーを受け取ります。リーディング鎖は、高処理能力を持つDNAポリメラーゼによってプライマーから連続的に伸長しますが、ラギング鎖は各プライマーから不連続に伸長して岡崎断片を形成します。RNaseはプライマーRNA断片を除去し、複製ポリメラーゼとは異なる低処理能力のDNAポリメラーゼがギャップを埋めるために入ります。これが完了すると、リーディング鎖に1つの切れ目、ラギング鎖に複数の切れ目が見られます。リガーゼはこれらの切れ目を埋めるように働き、新しく複製されたDNA分子が完成します。

このプロセスで使用されるプライマーゼは、細菌と古細菌／真核生物で大きく異なります。細菌は、TOPRIMフォールド型の触媒ドメインを含むDnaGタンパク質スーパーファミリーに属するプライマーゼを使用します。 [ 34 ] TOPRIMフォールドは、ロスマン型トポロジーを持つ4つの保存された鎖を持つα/βコアを含みます。この構造は、トポイソメラーゼIa、トポイソメラーゼII、OLDファミリーヌクレアーゼ、そしてRecRタンパク質に関連するDNA修復タンパク質の触媒ドメインにも見られます。

対照的に、古細菌および真核生物が利用するプライマーゼは、RNA認識モチーフ（RRM）の高度に派生したバージョンを有する。このプライマーゼは、DNA複製および修復に関与する多くのウイルスRNA依存性RNAポリメラーゼ、逆転写酵素、環状ヌクレオチド生成シクラーゼ、およびA/B/YファミリーのDNAポリメラーゼと構造的に類似している。真核生物の複製において、プライマーゼはPol αと複合体を形成する。[ 35 ]

DNA複製プロセスでは、複数のDNAポリメラーゼが異なる役割を担う。大腸菌では、DNAポリメラーゼIIIが主にDNA複製を担うポリメラーゼ酵素である。これは複製フォークで複製複合体を形成し、非常に高いプロセッシビティを示し、複製サイクル全体にわたって完全な状態を保つ。対照的に、DNAポリメラーゼIはRNAプライマーをDNAに置き換える酵素である。DNAポリメラーゼ活性に加えて5'から3'へのエキソヌクレアーゼ活性もあり、ニックトランスレーションと呼ばれるプロセスで、エキソヌクレアーゼ活性を使用して、後ろのDNA鎖を延長しながら、その前にあるRNAプライマーを分解する。DNA複製におけるPol Iの主な機能は、少数の非常に長いDNA領域ではなく、多数の短いDNA領域を作成することであるため、Pol IIIほどプロセッシビティは高くない。

真核生物では、低プロセシビティ酵素であるPol αがプライマーゼと複合体を形成するため、複製の開始を助けます。[ 36 ] 真核生物では、リーディング鎖合成はPol εによって行われると考えられてきましたが、この見解は最近異議を唱えられ、Pol δの役割が示唆されています。[ 37 ] プライマーの除去はPol δによって完了しますが、[ 38 ]複製中のDNAの修復はPol εによって完了します。

DNA合成が続くと、元のDNA鎖は泡の両側でほどけ続け、2つの突起を持つ複製フォークを形成します。細菌は環状染色体上に単一の複製起点を持ち、このプロセスによって「シータ構造」（ギリシャ文字のシータ：θに似た構造）が形成されます。一方、真核生物はより長い線状染色体を持ち、これらの染色体内の複数の起点から複製を開始します。[ 39 ]

複製フォーク

複製フォークの模式図。a : テンプレート、b: リーディング鎖、c: ラギング鎖、d: 複製フォーク、e: プライマー、f:岡崎断片
DNA複製フォークには多くの酵素が関与しています。

複製フォークは、DNA複製中に長いらせん状のDNA鎖内に形成される構造です。これは、DNA鎖をらせん状に結合させている水素結合を切断するヘリカーゼと呼ばれる酵素によって生成されます。結果として得られる構造は、それぞれ一本のDNA鎖からなる2本の分岐した「突起」を持ちます。これらの2本の鎖は、DNAポリメラーゼが相補的なヌクレオチドを鋳型に一致させることで生成されるリーディング鎖とラギング鎖の鋳型として機能します。これらの鋳型は、正確にはリーディング鎖鋳型とラギング鎖鋳型と呼ばれます。

DNAポリメラーゼはDNAを3'から5'方向に読み取ります。つまり、新しい鎖は5'から3'方向に合成されます。複製フォークでは、リーディング鎖とラギング鎖の鋳型が逆方向に向いているため、複製フォークの成長方向とは逆方向のラギング鎖DNAをいかにして合成するかが大きな課題となります。

リーディング鎖

リーディング鎖は、成長する複製フォークと同じ方向に合成される新しいDNA鎖です。この種のDNA複製は継続的です

ラギング鎖

ラギング鎖は、複製フォークの成長方向とは逆の方向で合成される新しいDNA鎖です。その方向のため、ラギング鎖の複製はリーディング鎖の複製に比べて複雑です。その結果、この鎖上のDNAポリメラーゼは、他の鎖よりも「遅れて」いるように見えます

ラギング鎖は、短く分離されたセグメントとして合成されます。ラギング鎖鋳型上で、プライマーゼが鋳型DNAを「読み取り」、短い相補的RNAプライマーの合成を開始します。DNAポリメラーゼがプライミングされたセグメントを伸長させ、岡崎フラグメントを形成します。その後、RNAプライマーは除去され、DNAに置き換えられ、DNA断片はDNAリガーゼによって結合されます。

複製フォークにおけるダイナミクス

組み立てられたヒトDNAクランプ、PCNAタンパク質の三量体

いずれの場合も、ヘリカーゼは複製されるDNAの1本鎖のみを包み込む6つのポリペプチドから構成される。2つのポリメラーゼはヘリカーゼ六量体に結合している。真核生物ではヘリカーゼはリーディング鎖を包み込み、原核生物ではラギング鎖を包み込む。[ 40 ]

ヘリカーゼが複製フォークでDNAをほどくと、その先のDNAは回転を強いられます。このプロセスの結果、DNAにねじれが蓄積されます。[ 41 ]この蓄積はねじれ荷重を生み出し、最終的には複製フォークを停止させます。トポイソメラーゼは、DNA鎖を一時的に切断し、DNAヘリックスを構成する2本の鎖をほどくことで生じる張力を緩和する酵素です。トポイソメラーゼ（DNAジャイレースを含む）は、 DNAヘリックスに負の超らせん構造を付加することでこの作用を実現します。 [ 42 ]

むき出しの一本鎖DNAは、自ら折り畳まれて二次構造を形成する傾向があります。これらの構造はDNAポリメラーゼの動きを妨げる可能性があります。これを防ぐため、一本鎖結合タンパク質は、二本目の鎖が合成されるまでDNAに結合し、二次構造の形成を阻害します。[ 43 ]

二本鎖DNAは、遺伝子発現の制御に重要な役割を果たすヒストンに巻き付いているため、複製されたDNAは元のDNAと同じ場所でヒストンに巻き付いていなければなりません。 [ 44 ]これを保証するため、ヒストンシャペロンは複製前にクロマチンを分解し、ヒストンを正しい位置に置きます。この再構成のいくつかのステップは、やや推測の域を出ません。[ 45 ]

クランプタンパク質はDNA上でスライディングクランプとして機能し、DNAポリメラーゼが鋳型に結合してプロセッシビティを促進する。クランプの内面はDNAを通すことができる。ポリメラーゼが鋳型の末端に到達するか二本鎖DNAを検出すると、スライディングクランプの構造変化が起こり、DNAポリメラーゼが解放される。クランプローディングタンパク質は、鋳型とRNAプライマーの接合部を認識し、クランプを最初にローディングするために使用される。[ 9 ] :274-5

DNA複製タンパク質

複製フォークでは、多くの複製酵素がDNA上で集合し、レプリソームと呼ばれる複雑な分子機械を形成します。以下は、レプリソームに関与する主要なDNA複製酵素のリストです。[ 46 ]

酵素DNA複製における機能
DNAヘリカーゼヘリックス不安定化酵素としても知られています。ヘリカーゼは、トポイソメラーゼの後ろにある 複製フォークで2本のDNA鎖を分離します
DNAポリメラーゼDNA複製において、5'末端から3'末端へのヌクレオチド基質の付加を触媒する酵素。また、校正とエラー訂正も行う。DNAポリメラーゼには多くの種類があり、それぞれ異なる細胞種で異なる機能を果たす。
DNAクランプ伸長中のDNAポリメラーゼがDNA親鎖から解離するのを防ぐタンパク質
一本鎖DNA結合タンパク質一本鎖DNAに結合し、DNAヘリカーゼによってDNA二重らせんがほどかれた後、DNAが再アニーリングするのを防ぎ、鎖の分離を維持し、新しい鎖の合成を促進します
トポイソメラーゼDNAの超らせん構造を緩めます。
DNAジャイレースDNAヘリカーゼによる巻き戻しの負担を軽減します。これはトポイソメラーゼの特定のタイプです。
DNAリガーゼ半保存鎖を再アニールし、ラギング鎖の 岡崎フラグメントを結合します
プライマーゼDNAポリメラーゼが新しいDNA鎖の合成を開始するためのRNA（またはDNA）の開始点を提供します
テロメラーゼ真核生物の染色体の末端に反復ヌクレオチド配列を付加することで、テロメアDNAを延長します。これにより、生殖細胞と幹細胞は細胞分裂におけるヘイフリック限界を回避できます。[ 47 ]

試験管内単分子実験（光ピンセットと磁気ピンセットを使用）では、レプリソーム酵素（ヘリカーゼ、ポリメラーゼ、一本鎖DNA結合タンパク質）とDNA複製フォークとの間に相乗的な相互作用があり、DNAの巻き戻しとDNA複製を促進することが明らかになっています。 [ 13 ]これらの結果は、相乗的な相互作用とその安定性を考慮した運動モデルの開発につながっています。 [ 13 ]

複製機構

大腸菌レプリソーム。注目すべきは、ラギング鎖上のDNAがループを形成することです。レプリソームの正確な構造は十分に解明されていません

複製機構は、DNA複製に関与し、鋳型ssDNA上に現れる因子から構成されます。複製機構には、DNAポリメラーゼ、DNAヘリカーゼ、DNAクランプ、DNAトポイソメラーゼなどの複製酵素であるプリモソームと、一本鎖DNA結合タンパク質（SSB）などの複製タンパク質が含まれます。複製機構では、これらの構成要素が協調して機能します。ほとんどの細菌では、DNA複製に関与するすべての因子が複製フォーク上に存在し、複合体はDNA複製中もフォーク上に留まります。複製機構はレプリソームまたはDNA複製システムとも呼ばれます。これらの用語は、複製フォーク上に存在するタンパク質の総称です。真核生物および一部の細菌細胞では、レプリソームは形成されません。

別の図では、DNA工場は映写機に似ており、DNAは映写機に絶えず流れ込む映画フィルムのようなものだ。複製工場モデルでは、リーディング鎖とラギング鎖の両方のDNAヘリカーゼが鋳型DNAにロードされた後、ヘリカーゼはDNAに沿って互いに入り込む。ヘリカーゼは複製プロセスの残りの間、結合したままである。Peter Meisterらは、緑色蛍光タンパク質（GFP）タグ付きDNAポリメラーゼαをモニタリングすることにより、出芽酵母の複製部位を直接観察した。彼らは、複製起点から対称的に離れたタグ付き遺伝子座のペアのDNA複製を検出し、ペア間の距離が時間とともに著しく減少することを発見した。[ 48 ]この発見は、DNA複製のメカニズムがDNA工場に伴うことを示唆している。つまり、複製起点に複製工場のペアがロードされ、工場は互いに結合している。また、鋳型DNAが工場に入り込み、鋳型ssDNAと新しいDNAの押し出しをもたらす。マイスターの発見は、複製工場モデルの最初の直接的な証拠です。その後の研究により、多くの真核細胞ではDNAヘリカーゼが二量体を形成し、細菌の複製機構はDNA合成中に核内の単一の位置に留まることが示されました。[ 49 ]

複製工場は姉妹染色分体を解離する。DNA複製後、染色分体を娘細胞に分配するには、解離が不可欠である。DNA複製後の姉妹染色分体はコヒーシンリングによって互いに結合しているため、DNA複製において解離が起こる唯一の機会となる。複製装置を複製工場として固定することで、DNA複製の成功率を向上させることができる。複製フォークが染色体内で自由に移動すると、核の連鎖が悪化し、有糸分裂による分離が阻害される。[ 48 ]

終了

真核生物は、染色体の複数の地点で DNA 複製を開始するため、複製フォークは染色体の多くの地点で出会い、終了する。真核生物は線状染色体を持っているため、DNA 複製は染色体の末端まで到達できない。この問題により、各複製サイクルで染色体の末端から DNA が失われる。 テロメアは末端に近い反復 DNA 領域であり、この短縮による遺伝子の損失を防ぐのに役立つ。テロメアの短縮は、体細胞では正常な過程である。これにより、娘 DNA 染色体のテロメアが短くなる。その結果、細胞は DNA の損失によってそれ以上の分裂ができなくなるまで、一定回数しか分裂できない。(これはヘイフリック限界として知られている。) DNA を次の世代に渡す生殖細胞株内では、テロメラーゼがテロメア領域の反復配列を延長して分解を防ぐ。テロメラーゼは体細胞で誤って活性化することがあり、場合によっては癌の形成につながる。テロメラーゼ活性の増加は癌の特徴の一つである。[ 50 ]

終結には、DNA複製フォークの進行が停止または阻害されることが必要である。特定の遺伝子座における終結は、2つの要素間の相互作用を伴う。(1) DNA中の終結部位配列、(2) この配列に結合してDNA複製を物理的に停止させるタンパク質。様々な細菌種において、これはDNA複製終結部位結合タンパク質、またはTerタンパク質と呼ばれている。[ 51 ]

細菌は環状染色体を持つため、複製の終結は2つの複製フォークが親染色体の反対側の端で互いに出会ったときに起こります。大腸菌は、 Tusタンパク質と結合することで複製フォークの一方方向のみを通過させる終結配列を用いてこのプロセスを制御し、その結果、複製フォークは常に染色体の終結領域内で出会うように制限されます。[ 52 ]

調節

真核細胞の細胞周期

真核生物

真核生物において、DNA複製は細胞周期の枠組みの中で制御されている。細胞が成長し分裂するにつれて、細胞周期の各段階が進行する。DNA複製はS期（合成期）に行われる。真核細胞における細胞周期の進行は、細胞周期チェックポイントによって制御されている。チェックポイントの進行は、サイクリンやサイクリン依存性キナーゼなどの様々なタンパク質間の複雑な相互作用によって制御されている。[ 53 ]細菌とは異なり、真核生物のDNAは核内で複製される。[ 54 ]

G1/Sチェックポイント（制限チェックポイント）は、真核細胞がDNA複製とそれに続く分裂の過程に入るかどうかを制御します。このチェックポイントを通過しない細胞はG0期に留まり、DNAを複製しません。

DNAが「G1/S」テストを経ると、細胞周期ごとに1回しか複製できなくなります。Mcm複合体が複製起点から移動すると、複製前複合体は分解されます。複製前サブユニットが再活性化されるまで、新しいMcm複合体は複製起点に積み込まれないため、同じ細胞周期で1つの複製起点を2回使用することはできません。[ 32 ]

S期初期におけるS-Cdkの活性化は、個々の複製前複合体構成要素の破壊または阻害を促進し、即時の再集合を阻害する。S-CdkとM-CdkはS期終了後も複製前複合体の集合を阻害し続け、有糸分裂後期にすべてのCdk活性が低下するまで、再び集合が起こらないようにする。[ 32 ]

出芽酵母では、複製前複合体構成因子のCdk依存性リン酸化によって組み立てが阻害される。S期開始時に、Cdk1によるCdc6のリン酸化は、Cdc6がSCFユビキチンタンパク質リガーゼに結合し、Cdc6のタンパク質分解を引き起こす。Cdk依存性リン酸化は、S期中にCdt1とともにMcmタンパク質を核外へ排出することを促進し、単一細胞周期中に複製起点に新しいMcm複合体が積み込まれるのを防ぐ。複製起点複製複合体のCdkリン酸化は、複製前複合体の組み立ても阻害する。これら3つのメカニズムのいずれかが単独で存在すれば、複製前複合体の組み立てを阻害するのに十分である。しかし、同一細胞内で3つのタンパク質すべてが変異すると、単一細胞周期中に多くの複製起点で再開始が引き起こされる。[ 32 ] [ 55 ]

動物細胞において、タンパク質ジェミニンは複製前複合体の組み立てにおいて重要な阻害剤である。ジェミニンはCdt1に結合し、複製起点認識複合体への結合を阻害する。G1期には、APCによってジェミニンのレベルが低く抑えられ、APCはジェミニンをユビキチン化して分解の標的とする。ジェミニンが破壊されるとCdt1が放出され、複製前複合体の組み立てにおいて機能する。G1期の終わりにはAPCが不活性化され、ジェミニンが蓄積してCdt1に結合する。[ 32 ]

葉緑体とミトコンドリアのゲノムの複製は、細胞周期とは独立して、 Dループ複製のプロセスを通じて起こる。[ 56 ]

複製フォーカス

脊椎動物細胞では、複製部位は複製フォーカスと呼ばれる位置に集中しています。[ 48 ]複製部位は、娘鎖と複製酵素の免疫染色、およびGFPタグ付き複製因子のモニタリングによって検出できます。これらの方法により、細胞分裂のS期にさまざまなサイズと位置の複製フォーカスが出現し、核あたりの複製フォーカスの数はゲノム複製フォークの数よりもはるかに少ないことがわかります

P. Heunら[ 48 ] （2001）は、出芽酵母細胞におけるGFPタグ付き複製フォーカスを追跡し、複製起点がG1期とS期には絶えず移動し、S期にはその動態が著しく減少することを明らかにし[ 48 ] 。従来、複製部位は核マトリックスまたはラミンによって染色体の空間構造上に固定されていた。Heunらの結果は、出芽酵母にはラミンが存在しないという従来の概念を否定し、複製起点が自己集合して複製フォーカスを形成することを裏付けている。

複製起点の発火は空間的および時間的に制御され、複製フォーカスの形成が調節される。DA Jackson ら (1998) は、哺乳類細胞で隣接する起点が同時に発火することを明らかにした。[ 48 ]複製部位の空間的な並置は、複製フォークのクラスター化をもたらす。クラスター化は、停止した複製フォークを救済し、複製フォークの正常な進行を促進する。複製フォークの進行は、タンパク質または DNA に強く結合する複合体との衝突、dNTP の欠乏、テンプレート DNA のニックなど、多くの要因によって阻害される。複製フォークが動かなくなり、動かなくなったフォークの残りの配列がコピーされない場合、娘鎖にニック、複製されない部位ができる。一方の親鎖の複製されない部位は、もう一方の鎖をまとめているが、娘鎖はまとめていない。したがって、結果として生じる姉妹染色分体は互いに分離できず、2 つの娘細胞に分裂できない。隣接する複製起点が発火し、一方の起点からのフォークが停止した場合、もう一方の起点からのフォークは停止したフォークの反対方向にアクセスし、複製されていない部位を複製します。救済策の他のメカニズムとして、通常のDNA複製では過剰な複製起点が発火しない休眠複製起点の利用があります。

細菌

Damは複製後にGATC部位のアデニンをメチル化する

ほとんどの細菌は明確に定義された細胞周期を経ず、DNAを継続的に複製します。急速な増殖中は、複数の複製ラウンドが同時に発生する可能性があります。[ 57 ]最もよく特徴付けられている細菌である大腸菌 では、DNA複製は、複製開始配列のヘミメチル化と隔離、アデノシン三リン酸（ATP）とアデノシン二リン酸（ADP）の比率、タンパク質DnaAのレベルなど、いくつかのメカニズムによって制御されています。これらすべてが、開始タンパク質と複製開始配列の結合を制御します。[ 58 ]

大腸菌はGATC DNA配列をメチル化するため、DNA合成によってヘミメチル化配列が生成されます。このヘミメチル化DNAはSeqAタンパク質によって認識され、SeqAは複製開始配列に結合して隔離します。さらに、複製開始に必要なDnaAはヘミメチル化DNAへの結合性が低下します。その結果、新たに複製された複製開始点は、直ちに次のDNA複製を開始することができなくなります。[ 59 ]

細胞が栄養豊富な培地中にあるとATPが蓄積し、細胞が特定のサイズに達するとDNA複製が開始されます。ATPはADPと競合してDnaAに結合し、DnaA-ATP複合体が複製を開始します。DNA複製には一定数のDnaAタンパク質も必要です。複製開始点がコピーされるたびにDnaAの結合部位の数が倍増するため、次の複製開始を可能にするためにより多くのDnaAの合成が必要になります。

大腸菌のような増殖の速い細菌では、染色体の複製は細胞分裂よりも時間がかかります。細菌は、前回の複製が終了する前に新たな複製を開始することでこの問題を解決します。[ 60 ]新たな複製は、分裂細胞の2世代後に生まれる細胞の染色体を形成します。このメカニズムにより、重複した複製サイクルが形成されます。

DNA複製の問題

複製フォークは複製ストレス後の相同組換えによって再開する
停止した複製フォークにおけるヌクレオソーム再構成欠陥のエピジェネティックな影響

複製ストレスに寄与するイベントは数多くあり、その中には次のようなものがある：[ 61 ]

ポリメラーゼ連鎖反応

研究者は一般的に、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）を用いて試験管内でDNAを複製します。PCRでは、一対のプライマーを用いて鋳型DNAの標的領域を網羅し、耐熱性DNAポリメラーゼを用いてこれらのプライマーから各方向にパートナー鎖を重合します。このプロセスを複数サイクル繰り返すことで、標的DNA領域が増幅されます。各サイクルの開始時に、鋳型とプライマーの混合物が加熱され、新しく合成された分子と鋳型が分離されます。その後、混合物が冷却されると、これらは両方とも新しいプライマーのアニーリングのための鋳型となり、ポリメラーゼはそこから伸長します。その結果、標的領域のコピー数は各サイクルごとに倍増し、指数関数的に増加します。[ 62 ]

参照

ウィキメディア・コモンズには、DNA複製に関連するメディアがあります
WikiversityにはDNAに関する学習リソースがあります#DNA_Replication

注記

  1. ^この過程のエネルギー論は、合成の方向性を説明する上でも役立つ可能性がある。DNAが3'から5'方向に合成される場合、この過程に必要なエネルギーは遊離ヌクレオチドではなく、伸長鎖の5'末端から供給される。問題は、高エネルギー三リン酸が伸長鎖上にあり、遊離ヌクレオチド上にない場合、ミスマッチな末端ヌクレオチドを除去する校正が困難になることである。ヌクレオチドが追加されると、三リン酸は失われ、新しいヌクレオチドと鎖の残りの部分との間の骨格に1つのリン酸が残る。追加されたヌクレオチドにミスマッチがある場合、除去の結果、高エネルギー三リン酸ではなく、伸長鎖の末端に一リン酸が付加されてDNA鎖が終結する。その結果、鎖は動かなくなり、それ以上伸長できなくなる。実際には、各ステップで加水分解される高エネルギー三リン酸は、重合鎖ではなく遊離ヌクレオチドに由来するため、この問題は存在しません。

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