DNA 複製の基礎

DNA の複製は、メセルソンとスタールの実験 で示されたように、半保存的 semiconservative に行われる。つまり、DNA の 2 本の鎖が 1 本ずつに分かれ、それぞれは新しい DNA 鎖を合成するための鋳型になるわけである (図、Public domain)。

Replication bubble と replication fork

DNA 複製のために、2 本鎖が解離している部分は、電子顕微鏡で観察すると丸い「泡」のように見える。そのため、この場所は replication bubble と呼ばれる (ref)。図 (文献 3) ではたくさんの replication bubble が観察される。3 つだけ赤い矢印で示してある。

これに対して、実際に DNA 複製が行われている場所を replication fork という。Replication fork では、たくさんの酵素が DNA に結合している。このページの最初のイラストで示されている部分が replication fork で、replication bubble の両端に位置する。

リーディング鎖とラギング鎖

なぜラギング鎖で複製が不連続でなければならないか、というのは、意外とピンとこない点である。とくに PCR のイメージがあったりすると、ラギング鎖の複製も連続で良いと思ってしまう。

私がわかりやすかった説明は、DNA 二本鎖が全てほどけてから DNA 合成が開始されるなら、ラギング鎖の合成も連続でよい。実際には、それを待たずに DNA 合成がすぐに開始されるので、不連続になる というものである。

この図で言うならば、replication fork は右方向へ移動している。上のラギング鎖で DNA 複製が進んだとしたら、その起点よりさらに右側の鎖がほどけ、合成を待っているのである。

この部分を合成するために、さらに右側から次の合成をスタートする必要がある。これを繰り返すことで、ラギング鎖の合成が不連続になる。YouTube 動画は多数あるが、わかりやすかったものを一つ載せておく。

DNA 複製に関わる酵素

DNA の複製には、多くの 酵素 enzyme が必要である。簡単に表にまとめておく。ページの上にある図も再掲しておくので、参考にしてほしい。各酵素の詳細ページがある場合は、酵素の名前からリンクしている。

バクテリアの DNA 複製

まず DnaA などの initiator proteins が複製起点 oriC に結合し、DNA の一部をほどく (1)。1 本鎖となった DNA に、DNA ヘリカーゼ DNA helicase などが結合する。DNA ヘリカーゼはラギング鎖に結合しながら 5' → 3' 方向へと移動し、DNA をほどいてゆく。

DNA gyrase は DNA ヘリカーゼに先行し、DNA 鎖を緩める役割を果たす (1)。

10 から 12 塩基ほどの RNA がプライマーとして DNA 合成開始のための 3'-OH 基を提供する (1)。これは RNA polymerase である primase によって合成される。

伸長反応は DNA polymerase III によって行われる (1)。RNA プライマーを分解するのは DNA polymerase I である。

Theta replication では、環状 DNA の二本鎖がほどけて replication bubble を作る。その中で DNA が合成される。一方、Rolling-circle replication では、二本鎖のうち一本が切れ、そこで新しい鎖が合成される。

真核生物の DNA 複製

References

1. Amazon link: Pierce 2016. Genetics: A Conceptual Approach: 使っているのは 5 版ですが、6 版を紹介しています。
2. By The original uploader was Adenosine at English Wikipedia. - Transferred from en.wikipedia to Commons., CC BY-SA 2.5, Link
3. Kriegstein & Hogness, 1974a. Mechanism of DNA replication in Drosophila chromosomes: structure of replication forks and evidence for bidirectionality. Proc Natl Acad Sci 71, 135-139.

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