Learning Objectives
このセクションの終わりには、以下のことができるようになります。
- 真核生物と原核生物のDNA複製の類似点と相違点を論じる
- DNA複製におけるテロメラーゼの役割を述べる
真核生物のゲノムは原核生物のゲノムよりはるかに複雑でサイズが大きくなっている。 真核生物はまた、多くの異なる線状染色体を持っている。 ヒトのゲノムは1組のハプロイド染色体あたり30億塩基対あり、細胞周期のS期には60億塩基対が複製される。 真核生物の各染色体には複数の複製起点があり、ヒトの場合、ゲノム全体で最大10万個の複製起点を持つことができる。 複製速度は1秒間に約100ヌクレオチドであり、原核生物の複製に比べるとかなりゆっくりした速度である。 真核生物である酵母では、染色体上にARS（Autonomously Replicating Sequence）と呼ばれる特殊な配列が存在する。 真核生物のDNAポリメラーゼの数は原核生物よりはるかに多い。 14種類が知られているが、そのうち5種類は複製時に主要な役割を果たすことが知られており、よく研究されている。 それらはpol α、pol β、pol γ、pol δ、pol εとして知られている。
複製の必須ステップは原核生物と同じである。 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らない。 真核生物のDNAはヒストンと呼ばれる塩基性タンパク質と結合してヌクレオソームと呼ばれる構造を形成している。 このため、真核生物では複製速度が遅いのです。 クロマチン（DNAとタンパク質の複合体）は、DNAがタンパク質から滑り落ちたり、DNA複製装置の酵素がアクセスできるように、何らかの化学修飾を受ける可能性がある。 複製開始点では、他の開始因子タンパク質と一緒に複製前複合体が作られる。 その後、ヘリカーゼや他のタンパク質が集められ、複製プロセスが開始される（（図））。
| 原核生物と真核生物の複製の違い | ||
|---|---|---|
| 特性 | 原核生物 | 真核生物 |
| 複製の起源 | 単一 | 複数 |
| 複製の速度 | 1000塩基/s50～100 nucleotides/s | |
| DNA polymerase types | 5 | 14 |
| Telomerase | Not is 存在 | |
| RNAプライマー除去 | DNA pol I | RNase H |
| ストランド伸長 | DNA pol III | |
| Sliding clamp | PCNA | |
ATP加水分解によるエネルギーを利用してヘリカーゼがDNAヘリックスを切り開きます。 DNAが巻き戻されると、各複製起点に複製フォークが形成される。 二重らせんが開くと、複製分枝の前方のDNAに過度の巻きつき、すなわちスーパーコイルが生じる。 これらはトポイソメラーゼの作用により解消される。 プライマーは酵素プライマーゼによって形成され、プライマーを使ってDNAポリは合成を開始することができる。 DNA polは、両鎖のRNAプライマーに短い（20〜30ヌクレオチド）DNA断片を付加し、第二のポリメラーゼに受け渡される。 先行鎖はpol δという酵素によって連続的に合成され、後続鎖はpol εによって合成される。 DNA polはPCNA（増殖細胞核抗原）と呼ばれる滑り留めタンパク質によって、DNAから滑り落ちないように固定されている。 Pol δは、遅発鎖上のプライマーRNAにぶつかると、これをDNAテンプレートから引き離す。 そして、ずれたプライマーRNAはRNase H（aka flap endonuclease）によって除去され、DNAヌクレオチドに置き換わる。 RNAプライマーがDNAに置換された後、遅行鎖の岡崎フラグメントが結合される。
テロメア複製
原核生物の染色体とは異なり、真核生物の染色体は直鎖状をしています。 これまで学んだように、DNA polという酵素は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。 先行鎖では、染色体の末端に達するまで合成が続けられます。 遅れている鎖では、DNAは短いストレッチを合成し、それぞれが別のプライマーによって開始される。 複製フォークが直線状の染色体の末端に達すると、遅れの鎖の5’端のプライマーを交換する方法がありません。 テロメアとは、特定の遺伝子をコードしない反復配列のことで、染色体の末端にあるDNAは、テロメアと呼ばれ、細胞分裂を繰り返すうちに次第に短くなっていきます。 ヒトの場合、テロメア領域ではTTAGGGという6塩基対の配列が100回から1000回繰り返されています。 このテロメアは、細胞分裂が進むにつれて遺伝子が欠落していくのを防ぐ役割を果たしている。 テロメアは、テロメラーゼという別の酵素によって染色体の末端に付加される（（図））。この酵素の発見により、染色体の末端がどのようにして繰り返されるのかが理解できるようになった。 テロメラーゼ酵素は、触媒部分とRNA鋳型を内蔵している。 酵素は染色体末端に付着し、RNA鋳型と相補的なDNAヌクレオチドがDNA鎖の3′末端に付加される。 遅れている鎖の鋳型の3′末端が十分に伸長されると、DNAポリメラーゼは染色体の末端に相補的なヌクレオチドを付加することができる。 こうして、染色体の末端が複製されます。
図1.染色体の末端が複製される。 テロメラーゼという酵素の働きによって、線状染色体の末端が維持される。
テロメラーゼは通常、生殖細胞や成人の幹細胞で活性化している。 成人の体細胞では活性化しない。 テロメラーゼの発見とその作用に対して、Elizabeth Blackburn、Carol W. Greider、Jack W. Szostak（（図））が2009年にノーベル医学生理学賞を受賞した
図2． 2009年ノーベル賞受賞のElizabeth Blackburnは、テロメラーゼの働きを発見した科学者の一人である。 (credit: US Embassy Sweden)
Telomerase and Aging
ほとんどの体細胞はテロメラーゼを作っていないので、細胞分裂をした細胞はテロメアが短縮され続けます。 つまり、テロメアの短縮は基本的に老化と関連しているのです。 現代医学、予防医療、健康的なライフスタイルの出現により、人間の寿命は延び、年をとっても若々しく、より質の高い生活を送ることが求められています。
2010年、科学者は、テロメラーゼがマウスの老化関連症状を逆転させることを発見しました。 これは、再生医療につながる可能性があります。 テロメラーゼ欠損マウスは、組織の萎縮、幹細胞の枯渇、臓器システムの不全、組織傷害反応の障害などが見られます。 このマウスにテロメラーゼを再活性化させると、テロメアが伸長し、DNA損傷が減少し、神経変性が回復し、精巣、脾臓、腸の機能が改善された。 このように、テロメア再活性化は、ヒトの加齢性疾患の治療につながる可能性があります。
がんは、異常な細胞の無秩序な細胞分裂によって特徴づけられます。 細胞は突然変異を蓄積し、制御不能に増殖し、転移と呼ばれるプロセスを通じて体のさまざまな部分に移動することができます。 科学者たちは、がん細胞はテロメアがかなり短くなっていること、そしてこれらの細胞ではテロメラーゼが活性化していることを観察してきた。 興味深いことに、がん細胞でテロメアが短くなった後でのみ、テロメラーゼが活性化されるのです。
Section Summary
真核生物の複製は複数の複製起点から始まります。 その仕組みは原核生物とよく似ている。 合成を開始するにはプライマーが必要で、そのプライマーはDNAポリメラーゼによって1つずつヌクレオチドを付加しながら伸長していく。 先行鎖は連続的に合成されるが、後行鎖は岡崎フラグメントと呼ばれる短い鎖で合成される。 RNAプライマーはDNAヌクレオチドに置き換えられ、DNA岡崎フラグメントはDNAリガーゼによって連続した1本の鎖に結合される。 染色体の末端では、5’末端のプライマーRNAをDNAに置き換えることができず、染色体がどんどん短くなってしまうという問題がある。 テロメラーゼは、RNAを鋳型に持つ酵素で、RNAを鋳型にコピーして染色体を1本伸ばすことで末端を伸長させる。 その後、DNAポリメラーゼが、通常の複製酵素を用いて、相補的なDNA鎖を埋めることができる。 このようにして、染色体の末端は保護される。
Review Questions
線状染色体の末端は
- helicase
- primase
- DNA pol
- telomerase
により維持されている。
原核生物と真核生物のDNA複製の比較で正しくないものはどれか。
- 真核生物と原核生物のDNAポリメラーゼは、どちらもプライマーゼが作ったRNAプライマーをもとに構築される。
- 真核生物のDNA複製は複数の複製フォークを必要としますが、原核生物の複製は単一の起点を用いてゲノム全体を迅速に複製します。
- DNA複製は常に核で起こります。
Free Response
真核生物の直線染色体はどのようにしてその末端の複製を完全に保証していますか。
用語集
テロメラーゼ
触媒部分と内蔵のRNAテンプレートを含む酵素である。 染色体末端のテロメア
telomere
DNA
- -Jaskelioff et al., 「テロメラーゼの再活性化は、老化したテロメラーゼ欠損マウスの組織変性を逆転させる」Nature 469 (2011): 102-7. ↵
