生物学 第2版 — 第14章 DNAの構造と機能 —
Japanese translation of “Biology 2e”
OpenStax のサイトで公開されている教科書“ Biology 2e”の翻訳です。こちらのページから各章へ移動できます。
14 | DNAの構造と機能
この章の概要
14.1:現代的な理解の歴史的基盤
14.2:DNA構造とシークエンシング
14.3:DNA複製の基本
14.4:原核生物におけるDNA複製
14.5:真核生物におけるDNA複製
14.6:DNA修復
はじめに
「DNA」という3つの文字は、今では犯罪解決および遺伝子検査と同義語になりました。DNAは髪の毛、血液、または唾液から回収できます。一人ひとりのDNAは特有なものであり、これらの固有の特徴に基づいて種内の個体間の違いを検出することが可能です。
DNA分析は法医学を超えた多くの実用的な用途を有します。人間では、DNA検査は、父子鑑定、家系図の追跡、病原体の特定、考古学的研究、疾病の流行の追跡、および人間の移住パターンの調査など、さまざまな用途に適用されます。医療分野では、DNAは診断、新ワクチンの開発、およびがん治療に使用されています。今や遺伝子を見ることによって病気のかかりやすさを決定することが可能です。
それぞれの人間細胞には23対の染色体があります。1組の染色体は母親から受け継がれ、もう1組は父親から受け継がれます。また、母親から独占的に受け継がれるミトコンドリアゲノムもあり、これは遺伝性疾患に関与することがあります。それぞれの染色体には、個体の遺伝子型と表現型の決定を担う何千もの遺伝子があります。遺伝子は機能的産物をコードするDNAの配列として定義されます。人間の一倍体ゲノムは30億塩基対を含み、そして2万～2万5000の機能的遺伝子を有します。
14.1 | 現代的な理解の歴史的基盤
この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•DNAの形質転換を説明する
•DNAが遺伝物質であることを特定するのに役立った重要な実験を記述する
•シャルガフの規則を述べて、説明する
私たちの現在のDNAの理解は、核酸の発見と、それに続く二重らせんモデルの開発から始まりました。1860年代に、医師を職業とするフリードリッヒ・ミーシェル(図14.2)は、白血球からリン酸を豊富に含む化学物質を単離しました。それらは細胞の核から単離されたので、彼はこれらの化学物質(これは最終的にDNAとして知られることになります)をヌクレインと名付けました。
学習へのリンク
ミーシェルが核内のDNAおよび関連タンパク質の発見につながった彼の実験を行うのを見るには、この説明をクリックして進んでください(http://openstaxcollege.org/l/miescher_levene)。
半世紀後の1928年、イギリスの細菌学者フレデリック・グリフィスが細菌の形質転換の最初の証拠を報告しました。形質転換とは、外部のDNAが細胞によって取り込まれ、それによってその形態と生理機能が変化するプロセスのことです。グリフィスは肺炎を引き起こす細菌である肺炎球菌(Streptococcus pneumoniae)で実験を行いました。グリフィスは、この細菌のラフ(R:粗い)とスムーズ(S:滑らか)と呼ばれる2つの株を使って研究しました。(2つの細胞型は、ニュートリエント寒天プレート上でそれらのコロニーが増殖したときの見た目から「ラフ」および「スムーズ」と名づけられました。)
R株は非病原性です(疾患を引き起こしません)。S株は病原性(疾患を引き起こします)であり、そしてその細胞壁の外側に莢膜を有します。莢膜は、細胞が宿主マウスの免疫反応を免れるのを可能にします。
グリフィスが生きたS株をマウスに注射したとき、それらは肺炎で死亡しました。対照的に、グリフィスが生きたR株をマウスに注射したとき、それらは生き残りました。別の実験において、彼が熱で殺菌したS株をマウスに注射したとき、それらもまた生き残りました。この実験は、莢膜がそれ単独が死因ではないことを示していました。実験の第3セットでは、生きているR株と熱で殺菌したS株の混合物をマウスに注射しましたが、彼が驚いたことに、マウスは死亡しました。生きた細菌を死んだマウスから単離すると、細菌のS株のみが回収されました。この単離されたS株を別のマウスに注射すると、マウスは死亡しました。グリフィスは、何かが熱で殺菌したS株から生きているR株に移って、R株を病原性のS株に変えたと結論を下しました。彼はこれを転換原理と呼びました(図14.3)。これらの実験は現在では、グリフィスの転換実験として知られています。
科学者のオズワルド・アベリー、コリン・マクロード、およびマクリン・マッカーティ(1944)は、この転換原理をさらに探求することに興味を持っていました。彼らは、死んだマウスからS株を単離し、タンパク質と核酸(RNAとDNA)を単離しました。なぜなら、これらは遺伝の分子の候補となりうるからです。彼らは、それぞれの成分を特異的に分解する酵素を使用し、次にそれぞれの混合物を別々に使用してR株を形質転換しました。彼らは、DNAが分解されるときには、得られた混合物はもはや細菌を形質転換することができないものの、他のすべての組み合わせでは細菌を形質転換することができることを発見しました。これは彼らをDNAが転換原理であるという結論へと導きました。
キャリアへのつながり
法医学者たちは、ある移民の事件を解決するために初めてDNA分析による証拠を使用しました。この物語は、母親と一緒に暮らすためにガーナからロンドンに戻った10代の少年から始まりました。空港の入国管理当局は、彼が偽造されたパスポートで旅行していると考え、彼を疑いました。多くの説得の後、彼は母親と同居することを許されましたが、入国管理当局は彼に対する事件を取り下げませんでした。写真を含むあらゆる種類の証拠が当局に提供されましたが、それにもかかわらず強制送還手続きが開始されました。同じ頃、イギリスのレスター大学のアレック・ジェフリーズ博士はDNAフィンガープリント法として知られる技術を発明しました。入国管理当局はジェフリーズ博士に助けを求めました。彼は、母親と3人の子供、そして無関係の母親からDNAサンプルを採取し、そのサンプルを少年のDNAと比較しました。生物学的な父親はこの件に関与していなかったので、3人の子供のDNAが少年のDNAと比較されました。彼は、少年のDNAの中に、母親と彼の3人の兄弟の両方との一致を見つけました。彼はその少年は確かにこの母親の息子であると結論付けました。
法医学者は、文書、筆跡、銃器、および生物学的サンプルを含む多くの物品を分析します。彼らは、髪の毛、精液、唾液、血液のDNA内容物を分析し、それを既知の犯罪者のDNAプロファイルのデータベースと比較します。分析は、DNAの単離、配列決定、および配列分析を含みます。法医学者は、彼らの調査結果を提示するために法廷審問に出席することが期待されています。彼らは通常、市および州といった政府機関の犯罪科学捜査研究所で雇用されています。DNA技術を使って実験している遺伝学者は、科学機関や研究機関、製薬業界、そして大学の研究室でも働いています。法医学者としてのキャリアを追求したい学生は、化学、生物学、または物理学で少なくとも学士号を、そして望ましくは研究室での作業経験を有しているべきです。
アベリー、マッカーティ、およびマクロードの実験は、DNAが形質転換の間に伝達される情報要素であることを証明しましたが、DNAは依然として生物学的情報を運ぶには単純すぎる分子だと考えられていました。20個の異なるアミノ酸を伴うタンパク質が、よりありえそうな候補と見なされていました。1952年にマーサ・チェイスとアルフレッド・ハーシーによって行われた決定的な実験は、タンパク質ではなくDNAが確かに遺伝物質であるという確証的な証拠を提供しました。チェイスとハーシーはバクテリオファージ — 細菌に感染するウイルス — を研究していました。ウイルスは通常、単純な構造を持っています:カプシドと呼ばれるタンパク質の殻と、遺伝物質(DNAまたはRNA)を含む核酸コアです。バクテリオファージは、宿主細菌の細胞の表面に付着することによって感染し、次いでそれは細胞内にその核酸を注入します。ファージDNAは、宿主の機構を使用してそれ自身の複数のコピーを作成し、そして最終的に宿主細胞が破裂し、多数のバクテリオファージを放出します。ハーシーとチェイスは、感染した細胞のDNAとタンパク質を明確に区別する放射性元素を選択しました。彼らは、タンパク質の殻を標識化するために、1つのまとまりのファージを放射性硫黄(³⁵S)で標識しました。もう1つのまとまりのファージは放射性リン(³²P)で標識されました。リンはDNAには見られますがタンパク質には見られないので、タンパク質ではなくDNAが放射性リンでタグ付けされるでしょう。同様に、硫黄はDNAには存在しませんが、メチオニンやシステインなどのいくつかのアミノ酸に存在します。
ファージのそれぞれのまとまりを、別々に細胞に感染させました。感染の後、ファージと細菌の懸濁液を撹拌機に入れ、それによりファージの殻を宿主細胞から剥離させました。次いで、感染が起こるのに十分なほど長く曝露された細胞を調べて、2つの放射性分子のうちどちらが細胞に入ったかを調べました。ファージと細菌の懸濁液を遠心分離機で沈降させました。より重い細菌細胞は沈降してペレットを形成する一方で、より軽いファージ粒子は上清の中に留まりました。³⁵Sで標識されたファージを含む試験管では、上清は放射性物質で標識されたファージを含んでいましたが、ペレット中には放射能は検出されませんでした。³²Pで標識されたファージを含む試験管では、より重い細菌細胞を含むペレット中に放射能が検出され、上清中に放射能は検出されませんでした。ハーシーとチェイスは、細胞に注入され、より多くのファージ粒子を生成するための情報を運ぶのはファージDNAであると結論付け、したがってタンパク質ではなくDNAが遺伝物質であるという証拠を提供しました(図14.4)。
これと同じ頃、オーストリアの生化学者エルヴィン・シャルガフは異なる種のDNAの内容物を調べたところ、アデニン、チミン、グアニン、シトシンの量は同じ量ではなく、4つのヌクレオチド塩基の相対濃度は種によって異なるものの、同一個体の組織内や同じ種の個体間では異ならないということがわかりました。彼はまた、予想外のことも発見しました:アデニンの量がチミンの量に等しく、そしてシトシンの量がグアニンの量に等しいということです(すなわち、A = TおよびG = C)。異なる種は同量のプリン(A + G)およびピリミジン(T + C)を有するが、A + T対G + Cの比は異なります。これらの観察はシャルガフの規則として知られるようになりました。ワトソンとクリックが彼らのDNA二重らせんモデルを提案する準備をしていたとき、シャルガフの発見は非常に役に立つことがわかりました!あなたはここまでの数ページを読んだ後には、科学が以前の発見の上にどのようにして(時にはゆっくりとした骨の折れるプロセスで)構築されているかが理解できるでしょう。
14.2 | DNA構造とシークエンシング
この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•DNAの構造を記述する
•サンガー法によるDNAシークエンシングを説明する
•真核生物と原核生物のDNAの類似点と相違点を議論する
DNAの基礎的要素はヌクレオチドです。ヌクレオチドの重要な構成要素は、窒素含有(窒素を帯びている)塩基、五炭素糖(ペントース)、およびリン酸基です(図14.5)。ヌクレオチドは窒素含有塩基に応じて命名されます。窒素含有塩基は、アデニン(A)およびグアニン(G)のようなプリン、またはシトシン(C)およびチミン(T)のようなピリミジンであることがあります。
ビジュアルコネクション
上の図はDNAとRNAの5つの塩基を示しています。この図を観察して、なぜこれらが「窒素含有塩基」と呼ばれるのかを説明してください。プリンはピリミジンとどのように違うのでしょうか?ある1つのプリンまたはピリミジンは他のものとどのように違うのでしょうか?たとえば、グアニンとアデニンはどのように違うのでしょうか?ヌクレオシドはヌクレオチドとどのように違うのでしょうか?
プリンは、五員環に結合した六員環を持つ二重環構造をしています。ピリミジンは単一の六員環構造を有しており、サイズが小さいです。
糖はDNA中ではデオキシリボースおよびRNA中ではリボースです。五炭素糖の炭素原子は、1'、2'、3'、4'、および5'の番号が付けられています(1'は「1プライム」と読みます)。DNAおよびRNAを酸性にするリン酸基は、リン酸と5'−OH基との間のエステル結合(エステルは酸+アルコールです)の形成によって糖の5'炭素に結合しています。DNAヌクレオチドでは、糖のデオキシリボースの3'炭素はヒドロキシル(OH)基に結合しています。RNAヌクレオチドでは、糖のリボースの2'炭素もヒドロキシル基を含みます。塩基は糖の1'炭素に結合しています。
ヌクレオチドは互いに結合してホスホジエステル結合を生成します。あるヌクレオチドの糖の5'炭素に結合したリン酸残基は、次のヌクレオチドの糖の3'炭素のヒドロキシル基と第2のエステル結合を形成し、それによって5'−3'ホスホジエステル結合を形成します。ポリヌクレオチドにおいて、鎖の一端は遊離5'リン酸基を有し、そして他端は遊離3'-OH基を有します。これらは鎖の5'末端および3'末端と呼ばれます。
1950年代、フランシス・クリックとジェームズ・ワトソンはイギリスのケンブリッジ大学でDNAの構造を決定するために協力して作業していました。ライナス・ポーリングやモーリス・ウィルキンスのような他の科学者もこの分野を積極的に探求していました。ポーリングは以前にX線結晶学を用いてタンパク質の二次構造を発見していました。ウィルキンスの研究室では、研究者ロザリンド・フランクリンがDNAの構造を理解するためにX線回折法を使っていました。クリックはX線回折も研究していたので、ワトソンとクリックはフランクリンのデータに基づいてDNA分子のパズルを組み立てることができました(図14.6)。1962年に、ジェームズ・ワトソン、フランシス・クリック、そしてモーリス・ウィルキンスはノーベル医学賞を受賞しました。残念ながら、それまでにフランクリンは亡くなっており、ノーベル賞は死後には授与されません。
ワトソンとクリックは、DNAは2本のストランドで構成されていて、それらがお互いの周りにねじれて右巻きのらせんを形成することを提案しました。塩基対形成は、向かい合うストランド上のプリンとピリミジンとの間で起こり、その結果、(シャルガフの規則によって示唆されるように)AはTと対になり、そしてGはCと対になります。したがって、アデニンとチミンは相補的塩基対であり、シトシンとグアニンもまた相補的塩基対です。塩基対は水素結合によって安定化されています:アデニンとチミンは2つの水素結合を形成し、シトシンとグアニンは3つの水素結合を形成します。2本のストランドは、実際には逆平行です。すなわち、一方のストランドの3'末端が他方のストランドの5'末端に面しています。ヌクレオチドの糖とリン酸基はこの構造の骨格を形成し、窒素含有塩基ははしごの横木のように内側に積み重ねられます。それぞれの塩基対は次の塩基対から0.34nmの距離だけ離れており、らせんのそれぞれの周回は3.4nmです。それ故、らせんの1周回につき10塩基対が存在します。DNA二重らせんの直径は2nmであり、それは全体を通して均一です。プリンとピリミジンの間の対合および2本のDNAストランドの逆平行配向のみが均一な直径を説明することができます。2本のストランドを互いに撚り合わせると、均一な間隔の主溝と副溝が形成されます(図14.7)。
DNAシークエンシング技術
1990年代まで、DNAのシークエンシング(DNAの配列を読み取ること)は比較的高価で時間のかかるプロセスでした。放射性標識ヌクレオチドを使用することはまた、安全性への懸念を通じて問題を複雑にしました。現在利用可能な技術と自動化された機械によって、このプロセスはより安く、より安全で、そして数時間で完了することができるようになりました。フレッド・サンガーは、ヒトゲノム配列決定プロジェクトに使用されるシークエンシング方法を開発し、それは今日では広く使用されています(図14.8)。
学習へのリンク
このサイト(http://openstaxcollege.org/l/DNA_sequencing)にアクセスして、サンガーの仕事から生まれたDNA配列読み取り技術を説明するビデオを見てください。
このシークエンシング方法は、ジデオキシ連鎖停止法として知られています。この方法は、連鎖停止剤ジデオキシヌクレオチド(ddNTP)の使用に基づいています。ddNTPは、五炭素糖上に遊離3'OH基がないという点でデオキシヌクレオチドとは異なります。もしddNTPが伸びていくDNAストランドに付加されると、他のヌクレオチドを付加するのに必要な遊離3'OH基が利用できないため、鎖をそれ以上伸長することができません。所定の比率のデオキシヌクレオチドとジデオキシヌクレオチドを使用することによって、異なるサイズのDNA断片を生成することが可能です。
配列決定されるDNAサンプルは変性されます(高温に加熱することにより2本のストランドに分離します)。DNAは4本の試験管に分けられ、その中にプライマー、DNAポリメラーゼ、および4種すべてのヌクレオシド三リン酸(A、T、G、およびC)が加えられます。さらに、4つのジデオキシヌクレオシド三リン酸(ddCTP、ddATP、ddGTP、およびddTTP)のうちの1つの限られた量を各試験管にそれぞれ添加します。添加したddNTPに従って試験管にA、T、G、およびCのラベルがつけられます。検出の目的のために、4つのジデオキシヌクレオチドのそれぞれは異なる蛍光標識を持っています。鎖の伸長は蛍光ジデオキシヌクレオチドが組み込まれるまで続き、その後にはさらなる伸長は起こりません。反応が終了した後、電気泳動を行います。1塩基の長さの違いでさえも検出することができます。配列はそれぞれの断片の蛍光マーカーを検出するレーザースキャナーから読み取られます。サンガーは、DNAシークエンシングに関する彼の業績のために、1980年にノーベル化学賞を受賞しました。
学習へのリンク
サンガーのゲノムシークエンシング法は、速いスピードでそして低コストでヒトゲノムを配列決定する競争へとつながり、しばしば1日1000ドルのシークエンスと呼ばれます。ここで「高速シークエンシング(Sequencing at Speed)」のアニメーションを選択することによって、より詳しく学んでください(http://openstaxcollege.org/l/DNA_and_genomes)。
ゲル電気泳動は、異なるサイズのDNA断片を分離するために使用される技術です。通常、ゲルはアガロース(海藻から抽出されたガラクトース残基の多い多糖ポリマー)と呼ばれる化学物質でできています。アガロース粉末を緩衝液に加えて、そして加熱します。冷却後、ゲル溶液を成型トレイに注ぎます。ゲルが固化したら、DNAをゲルに乗せて電流を流します。DNAは正味の負電荷を有し、負極から正極に向かって移動します。DNAをサイズによって分離させるのに十分な時間だけ、電流を流します。最小の断片はウェル(DNAが乗せられた場所)から最も遠く、重い分子量の断片はウェルに最も近くなります。ひとたびDNAが分離されたら、DNAを見るためにゲルをDNAに特異的な色素で染色します(図14.9)。
進化へのつながり
ネアンデルタール人のゲノム:私たちはどのように関係しているのか?
最近、ネアンデルタール人のゲノムの最初のドラフト配列が、リチャード・E・グリーンらによって2010年に発表されました。[1]ネアンデルタール人は現代の人間の最も近い先祖です。彼らはおよそ3万年前に化石記録から消滅する前にヨーロッパと西アジア(そして今では、おそらく北アフリカ)に住んでいたことが知られていました。グリーンのチームは、世界中の場所から選ばれた約4万年前の化石の遺物を調査しました。骨の脆弱な性質および重度の微生物汚染のために、試料調製とDNAシークエンシングの非常に洗練された手段が用いられました。彼らの研究では、科学者たちは約40億の塩基対を配列決定することができました。ネアンデルタール人の配列は、世界中の現代の人間の配列と比較されました。配列を比較した後、研究者らは、ネアンデルタール人のゲノムが、アフリカの人々よりもアフリカの外に住んでいる人々のほうに対して2～3%大きい類似性を有することを見出しました。現在の理論は、すべての現代の人間はアフリカの小さな祖先の個体群にたどることができることを示唆していますが、ネアンデルタール人のゲノムからのデータはネアンデルタール人と初期の現生人類の間にいくらかの交配があったことを示唆しています。
[1] Richard E. Green et al., “A Draft Sequence of the Neandertal Genome,” Science 328 (2010): 710–22.
グリーンと彼の同僚はまた、ヨーロッパやアジアの人々の間で、他の現代の人間の配列よりもネアンデルタール人の配列に似ているDNAセグメントを発見しました。もう1つの興味深い観察は、ネアンデルタール人は中国やフランスの人々と同じくらいパプアニューギニアの人々と密接に関係しているということでした。ネアンデルタール人の化石遺跡はヨーロッパと西アジアにしか存在しないため、これは驚くべきことです。もっともありえそうなこととして、現代人がアフリカから出てきたときに、ヨーロッパ人、東アジア人、およびパプアニューギニア人が分岐する前に、ネアンデルタール人と現代人との間で遺伝子交換が行われた可能性があります。
現代の人間の進化の間に、いくつかの遺伝子がネアンデルタール人から変化したようです。これらの遺伝子は、頭蓋構造、代謝、皮膚の形態、および認知発達に関与しています。特に興味深い遺伝子の1つはRUNX2です。これは現代の人間とネアンデルタール人では異なります。この遺伝子は、ネアンデルタール人に見られる顕著な前頭骨、鐘型の胸郭、および歯の違いの原因となっています。RUNX2の進化的変化は現代の人間の起源において重要であり、これは頭蓋および上体に影響を及ぼしたと推測されています。
学習へのリンク
2011年のTED(Technology、Entertainment、Design)カンファレンスにおける、ネアンデルタール人のゲノム研究を説明するスバンテ・ペーボの講演(http://openstaxcollege.org/l/neanderthal)をご覧ください。
細胞内のDNAパッケージング
原核生物は、その多くの機能において真核生物よりはるかに単純です(図14.10)。ほとんどの原核生物は、核様体領域と呼ばれる細胞質の領域に見られる単一の環状染色体を含みます。
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真核細胞では、DNAとRNAの合成はタンパク質合成とは別の区画で行われます。原核細胞では、両方のプロセスが一緒に起こります。このプロセスを分けることにはどんな利点がありますか?それらが一緒に起こることにはどんな利点がありますか?
最もよく研究されている原核生物の1つである大腸菌のゲノムのサイズは、460万塩基対です(もし切断して引き伸ばすと約1.1mm)。それでは、これはどのようにして小さい細菌の細胞の中に収まるのでしょうか?DNAは超らせんとして知られているものによってねじられています。超らせんは、DNAがその通常の弛緩した状態から「少なく巻かれている」(10塩基対あたり1周回未満のらせん)または「多く巻かれている」(10塩基対あたり1周回より多いらせん)のいずれかであることを示唆しています。いくつかのタンパク質は超らせんに関与することが知られています。DNAジャイレースのような他のタンパク質および酵素は、超らせん構造を維持するのを助けます。
染色体がそれぞれ線状DNA分子からなる真核生物では、DNAを核内に収めるために異なるタイプの詰め込み戦略が採用されています(図14.11)。最も基本的なレベルでは、DNAはヒストンとして知られるタンパク質の周りに巻き付けられ、ヌクレオソームと呼ばれる構造を形成します。ヒストンは進化的に保存されてきたタンパク質であり、塩基性アミノ酸に富み、それぞれ4つの異なるヒストンである2つの分子からなる八量体を形成します。DNA(リン酸基のために負に帯電していることを思い出してください)は、ヒストンのコアの周りにしっかりと巻き付いています。このヌクレオソームはリンカーDNAの助けを借りて次のヌクレオソームに連結されています。これは「紐の上のビーズ」構造としても知られています。5番目のヒストンの助けを借りて、一連のヌクレオソームがさらに30nmの線維へと圧縮されます。この構造の直径は、30nmです。中期の染色体は足場となるタンパク質とのつながりによってさらに凝縮されます。中期の段階では、染色体は最もコンパクトになり、幅は約700nmです。
間期において、真核生物の染色体は、染色によって区別することのできる2つの異なる領域を有します。密に詰め込まれた領域はヘテロクロマチンとして知られており、そしてより密度の低い領域はユークロマチンとして知られています。ヘテロクロマチンは通常、発現されていない遺伝子を含み、セントロメアおよびテロメアの領域に見られます。ユークロマチンは通常、転写される遺伝子を含み、DNAはヌクレオソームの周囲にパッケージングされていますがそれ以上は圧縮されていません。
14.3 | DNA複製の基本
この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•DNAの構造がどのようにして複製プロセスを明らかにするかを説明する
•メセルソンとスタールの実験について記述する
二重らせんの構造の解明は、DNAがどのように分裂してそれ自身のコピーを作るかについてのヒントを与えました。ワトソンとクリックは、1953年の彼らの論文の中で、信じられないほどの控えめな表現で書きました:「我々が仮定した特定の対合が遺伝物質に関するあり得るコピーメカニズムを即座に示唆するということを、我々は見落とすことはなかった」。特定の塩基対のために、一方のDNAストランドの配列はその相補体から予測することができます。二重らせんモデルは、二重らせんの2本のストランドが複製中に分離し、そしてそれぞれのストランドが鋳型として働き、そこから新しい相補ストランドがコピーされることを示唆しています。明確ではなかったのは、複製がどのように行われるかでした。3つのモデルが提案されました(図14.12):保存的、半保存的、そして分散的です。
保存的複製においては、親DNAは組み合わさって残り、そして新しく形成された娘ストランドがまとまります。半保存的方法は、2つの親DNAストランドのそれぞれが合成される新しいDNAの鋳型として作用することを提案しています。複製後、それぞれの二本鎖DNAは1本の親ストランドすなわち「古い」ストランドと1本の「新しい」ストランドを含みます。分散的モデルでは、両方のDNAコピーで、親DNAと新たに合成されたDNAの二本鎖セグメントが点在しています。
メセルソンとスタールは、DNAがどのように複製するかを理解することに興味を持っていました。彼らは、窒素の「重い」同位体(¹⁵N)を含む培地で大腸菌を数世代増殖させました。この窒素は、窒素含有塩基に、そして最終的にはDNAに取り込まれます(図14.13)。
次いで、大腸菌の培養物を¹⁴Nを含む培地に入れ、数世代増殖させました。最初の数世代のそれぞれの後に、細胞を回収してDNAを単離し、そして超遠心分離機の中で高速で遠心分離しました。遠心分離の間、DNAは勾配(典型的には塩化セシウムまたはスクロースのような塩の溶液)の中に入れられ、そして50,000～60,000rpmの高速で回転させられました。このような状況下では、DNAはその浮遊密度(それが浮遊する勾配内での密度)に従ってバンドを形成します。¹⁵Nで増殖させたDNAは、¹⁴Nで増殖させたものよりも高密度の位置(すなわち遠心分離管のより下の位置)でバンドを形成します。メセルソンとスタールは、¹⁵Nから移動させてから¹⁴Nで1世代増殖した後では、観察される単一のバンドは、¹⁵Nのみおよび¹⁴Nのみで増殖させた細胞のDNAの中間の位置にあることに気づきました。これは、半保存的または分散的複製の様式のいずれかであることを示唆していました。¹⁴Nで2世代増殖させた細胞から採取したDNAは2つのバンドを形成しました:一方のDNAバンドは¹⁵Nと¹⁴Nの間の中間位置にあり、他方は¹⁴NのDNAのバンドの位置に対応しました。これらの結果は、DNAが半保存的に複製する場合にのみ説明できます。したがって、この理由から、他の2つのモデルは除外されました。
DNA複製の間、二重らせんを構成する2本のストランドのそれぞれは、そこから新しい鎖がコピーされるような鋳型として働きます。新しいストランドは、親の、または「古い」ストランドと相補的になります。2つの娘DNAコピーが形成されるとき、それらは同じ配列を有し、そして2つの娘細胞に等しく分けられます。
学習へのリンク
DNA複製に関するこのチュートリアル(http://openstaxcollege.org/l/DNA_replicatio2)をクリックして進んでください。
14.4 | 原核生物におけるDNA複製
この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•原核生物におけるDNA複製のプロセスを説明する
•このプロセスを支える上でのさまざまな酵素やタンパク質の役割について議論する
DNA複製は、原核生物においてよく研究されています。これは主として、ゲノムのサイズが小さいこと、および利用可能な多種多様な変異体があるからです。大腸菌は、単一の環状染色体に460万の塩基対を有し、そしてその全ては、染色体に沿った単一の部位から出発して円の周りを両方向に進んで約42分で複製されます。これは、毎秒約1000ヌクレオチドが追加されることを意味します。したがって、このプロセスは非常に迅速であり、多くの間違いが生じることなしに起こります。
DNA複製は多数の構造タンパク質および酵素を使用し、それらはそれぞれプロセス中で重要な役割を果たします。重要な役割を果たすものの1つは、DNA polとしても知られている酵素DNAポリメラーゼで、これは鋳型のストランドに相補的なように伸長していくDNA鎖にヌクレオチドを1つずつ付加します。ヌクレオチドの付加はエネルギーを必要とします。このエネルギーはヌクレオシド三リン酸のATP、GTP、TTPおよびCTPから得られます。ATPと同様に、他のNTP(ヌクレオシド三リン酸)も高エネルギー分子であり、DNAヌクレオチドの供給源としても、重合を促進するエネルギーの供給源としても機能します。リン酸間の結合が「切断」されると、放出されたエネルギーは入ってくるヌクレオチドと伸長している鎖との間にホスホジエステル結合を形成するために使用されます。原核生物では、3つの主要なタイプのポリメラーゼが知られています:DNA pol I、DNA pol II、およびDNA pol IIIです。現在では、DNA pol IIIがDNA合成に必要な酵素であることが知られています。DNA pol Iは、DNA複製における重要な補助酵素であり、そしてDNA pol IIと一緒に、主に修復に必要とされます。
複製機構はどこから始めるべきかをどのようにして知ることができるのでしょうか?複製が始まる複製起点と呼ばれる特定のヌクレオチド配列があることがわかっています。(ほとんどの原核生物がそうであるように)1つの染色体上に単一の複製起点を有する大腸菌では、その複製起点は約245塩基対の長さであり、AT配列が豊富にあります。複製起点は、この部位に結合する特定のタンパク質によって認識されます。ヘリカーゼと呼ばれる酵素は、窒素含有塩基対の間の水素結合を切断することによってDNAをほどきます。このプロセスにはATP加水分解が必要とされます。DNAが開くと、複製フォークと呼ばれるY字型の構造が形成されます。2つの複製フォークが複製起点に形成され、これらは複製が進行するにつれて双方向に伸びます。一本鎖結合タンパク質は、一本鎖DNAが二重らせんに戻ってしまうのを防ぐために、複製フォークの近くのDNAの一本鎖を被覆します。
DNAポリメラーゼには2つの重要な制限があります:それは5'から3'方向にのみしかヌクレオチドを付加することができません(新しいDNAストランドはこの方向にのみ伸長することができます)。それはまた、3'-OH末端と次のヌクレオチドの5'リン酸基との間にホスホジエステル結合を形成することによってそれがヌクレオチドを付加することができるような遊離3'-OH基を必要とします。これは本質的に、遊離3'-OH基が利用できない場合にはヌクレオチドを付加することができないことを意味します。それでは、どのようにして最初のヌクレオチドを追加するのでしょうか?この問題は、遊離3'-OH末端を提供するプライマーの助けを借りて解決されます。他の酵素RNAプライマーゼは、約5～10ヌクレオチド長でありそして鋳型DNAに相補的であるRNAセグメントを合成します。この配列はDNA合成を準備する(prime)ので、それはプライマーという適切な名前で呼ばれます。DNAポリメラーゼは、鋳型ストランドに相補的なヌクレオチドを1つずつ追加することで、このRNAプライマーを伸ばすことができます(図14.14)。
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質問:あなたが細胞株を単離すると岡崎フラグメントの結合が損なわれており、あなたは複製フォークで見られる酵素に突然変異が起こったのではないかと疑っています。どの酵素が変異している可能性が最も高いですか?
複製フォークは毎秒1000ヌクレオチドの速度で移動します。トポイソメラーゼは、DNAが開かれていくときに複製フォークの先でDNA二重らせんが多く巻かれることを防ぎます。それは、DNAらせんに一時的な切れ目を入れてからそれを再度封をすることによって行います。DNAポリメラーゼは5'から3'方向にしか伸長することができず、そしてDNA二重らせんは逆平行であるため、複製フォークにはちょっとした問題があります。2つの鋳型DNAストランドは反対方向の配向を有します:一方のストランドは5'から3'方向にあり、他方のストランドは3'から5'方向に配向しています。3'から5'への親DNAストランドに相補的である1つの新しいDNA鎖のみが複製フォークに向かって連続的に合成されることができます。この連続的に合成されたストランドはリーディング鎖として知られています。5'から3'への親DNAに相補的な他のストランドは、岡崎フラグメントとして知られる小さなフラグメントで複製フォークから離れるように伸びており、それぞれのフラグメントは合成を開始するためにプライマーを必要とします。新しいプライマー部分は複製フォークの方向ではあるものの、それぞれがそこから離れるように配置されます。(岡崎フラグメントは、それらを最初に発見した日本の科学者にちなんで名付けられました。岡崎フラグメントがあるストランドは、ラギング鎖として知られています。)
リーディング鎖は単一のプライマーから伸長することができるのに対して、ラギング鎖は短い岡崎フラグメントのそれぞれに対して新しいプライマーを必要とします。ラギング鎖の全体的な方向は3'から5'であり、リーディング鎖の全体的な方向は5'から3'です。スライディングクランプと呼ばれるタンパク質は、DNAポリメラーゼがヌクレオチドを付加し続ける間、DNAポリメラーゼを所定の位置に保持します。スライディングクランプは、DNAに結合してポリメラーゼを所定の位置に保持する環状タンパク質です。合成が進むにつれて、RNAプライマーはDNAに置き換えられます。プライマーは、DNA pol Iのエキソヌクレアーゼ活性によって除去されます。DNA pol Iはそれ自体のプライマーとしてRNAの後ろのDNAを使用し、そしてRNAヌクレオチドの除去によって残された隔たりにDNAヌクレオチドを付加することで埋めます。新しく合成されたDNA(RNAプライマーを置き換えたもの)と以前に合成されたDNAとの間に残る切れ目は、酵素DNAリガーゼによって封止されます。DNAリガーゼは、1つのヌクレオチドの3'-OH末端と他のフラグメントの5'リン酸末端の間のホスホジエステル結合の形成を触媒します。
ひとたび染色体が完全に複製されると、2つのDNAコピーが細胞分裂中に2つの異なる細胞に移動します。
DNA複製のプロセスは以下のように要約することができます:
1.DNAが複製起点でほどける。
2.ヘリカーゼはDNAを形成する複製フォークを開く。これらは双方向に広がる。
3.一本鎖結合タンパク質が、DNAが再び巻き直るのを防ぐために複製フォークの周りのDNAを覆う。
4.トポイソメラーゼが複製フォークの先の領域で結合して超らせんを防止する。
5.プライマーゼがDNAストランドに相補的なRNAプライマーを合成する。
6.DNAポリメラーゼIIIがプライマーの3'-OH末端にヌクレオチドを付加し始める。
7.ラギング鎖とリーディング鎖の両方の伸長が続く。
8.RNAプライマーがエキソヌクレアーゼ活性によって除去される。
9.dNTPを付加することで、隔たりがDNA pol Iによって埋められる。
10.2つのDNAフラグメント間の隔たりは、DNAリガーゼによって封止される。DNAリガーゼはホスホジエステル結合の形成を助ける。
表14.1は原核生物のDNA複製に関与する酵素とそれぞれの機能をまとめたものです。
学習へのリンク
ここでDNA複製の全過程を振り返ってください(http://openstaxcollege.org/l/replication_DNA)。
14.5 | 真核生物におけるDNA複製
この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•真核生物と原核生物におけるDNA複製の類似点と相違点を議論する
•DNA複製におけるテロメラーゼの役割を述べる
真核生物ゲノムは原核生物ゲノムよりもはるかに複雑でサイズも大きいです。真核生物はまた、多数の異なる線状染色体を有します。ヒトゲノムは染色体の一倍体セットあたり30億の塩基対を有し、60億の塩基対が細胞周期のS期の間に複製されます。真核生物の染色体のそれぞれには複数の複製起点があります。人間はゲノム全体で最大10万の複製起点を有することができます。複製速度は毎秒約100ヌクレオチドであり、原核生物の複製よりはるかに遅いです。真核生物である酵母では、自己複製配列(ARS)として知られる特別な配列が染色体上に見出されます。これらは大腸菌の複製起点に相当します。
真核生物におけるDNAポリメラーゼの数は原核生物におけるよりもはるかに多いです。14個が知られており、そのうち5つは複製の間に主要な役割を果たすことが知られているとともに、よく研究されてきました。それらはpolα、polβ、polγ、polδ、およびpolεとして知られています。
複製の重要なステップは原核生物の場合と同じです。複製を開始する前に、DNAを鋳型として利用可能にする必要があります。真核生物のDNAは、ヒストンとして知られる塩基性タンパク質に結合し、ヌクレオソームと呼ばれる構造を形成します。複製過程では、ヒストンは除去されて置き換えられなければなりません。これは、真核生物における複製速度の低下を説明するのに役立ちます。クロマチン(DNAとタンパク質との間の複合体)はいくつかの化学修飾を受けることがあり、その結果DNAはタンパク質から滑り落ちるか、またはDNA複製機構の酵素に接近可能となることができます。複製起点において、他の開始タンパク質とともに複製前の複合体が作られます。次いでヘリカーゼおよび他のタンパク質を補充して複製プロセスが開始します(表14.2)。
ATP加水分解からのエネルギーを利用するヘリカーゼは、DNAらせんを開いていきます。DNAがほどけるにつれて、複製フォークがそれぞれの複製起点に形成されます。二重らせんが開くと、複製フォークの前のDNAにおいて多く巻かれることまたは超らせん化を引き起こします。これらはトポイソメラーゼの作用によって解決されます。プライマーは酵素プライマーゼによって形成され、そしてそのプライマーを使用して、DNA polは合成を開始することができます。それから3つの主要なDNAポリメラーゼ、α、δおよびεが関与します。DNA polαは、短い(20～30ヌクレオチド)DNAフラグメントを両方のストランド上のRNAプライマーに付加し、そして次に第2のポリメラーゼに渡します。リーディング鎖は酵素polεによって連続的に合成されますが、ラギング鎖はpolδによって合成されます。PCNA(増殖細胞核抗原)として知られるスライディングクランプタンパク質はDNA polを所定の位置に保持するので、それはDNAを滑り落ちることがありません。polδがラギング鎖上のプライマーRNAに入ると、それはDNA鋳型からそれを追い出します。次いで、追い出されたプライマーRNAはRNase H(またはフラップエンドヌクレアーゼ)によって除去され、そしてDNAヌクレオチドと置換されます。ラギング鎖中の岡崎フラグメントは、RNAプライマーをDNAで置換した後に結合されます。残っている隔たりは、DNAリガーゼによって封をされ、それがホスホジエステル結合を形成します。
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線状です。あなたが学んだように、酵素DNA polは5'から3'方向にのみヌクレオチドを加えることができます。リーディング鎖では、合成は染色体の終わりに達するまで続きます。ラギング鎖上では、DNAは短い部分で合成され、そのそれぞれは別々のプライマーによって開始されます。複製フォークが線状の染色体の末端に達すると、ラギング鎖の5'末端のプライマーを置き換える方法はありません。したがって、染色体の末端にあるDNAは対になることなく残ります。時間が経つにつれて、テロメアと呼ばれるこれらの末端は、細胞が分裂し続けると次第に短くなるでしょう。
テロメアは、特定の遺伝子をコードしない反復配列を含みます。人間では、6塩基対の配列TTAGGGがテロメア領域で100～1000回繰り返されています。ある意味で、これらのテロメアは、細胞が分裂し続けるにつれて遺伝子が欠失するのを防ぎます。テロメアは別の酵素テロメラーゼ(図14.16)によって染色体の末端に付加されます。テロメラーゼの発見はこれらの反復的な染色体末端がどのように維持されるかの理解を助けました。テロメラーゼ酵素は触媒部分と組み込まれたRNA鋳型とを含みます。それは染色体の末端に付着し、そしてRNA鋳型に相補的なDNAヌクレオチドがDNAストランドの3'末端に付加されます。ラギング鎖鋳型の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ます。したがって、染色体の末端は複製されます。
テロメラーゼは典型的には生殖細胞および成体幹細胞において活性です。それは成人の体細胞では活性ではありません。テロメラーゼとその作用の発見によって、エリザベス・ブラックバーン、キャロル・W・グライダー、ジャック・W・ショスタク(図14.16)は2009年にノーベル医学生理学賞を受賞しました。
テロメラーゼと加齢
大部分の体細胞はテロメラーゼを作らないので、細胞分裂を行う細胞はそれらのテロメアが短くなり続けます。これは本質的にテロメア短縮が加齢と関連していることを意味します。現代医学、予防医療、そしてより健康的なライフスタイルの出現により、人間の寿命は伸びており、人間が年をとったとしても、若く見え、より良い生活の質を持つことへの要求が高まっています。
2010年に、科学者たちは、テロメラーゼがマウスの中でいくつかの加齢に関連する状態を元に戻すことができることを発見しました。これは再生医療に対する潜在的な可能性を持っているかもしれません。[2]これらの研究ではテロメラーゼ欠損マウスが使用されました。これらのマウスは、組織萎縮、幹細胞の減少、器官系の機能不全、および組織損傷への反応の障害を有します。これらのマウスにおけるテロメラーゼ再活性化は、テロメアの伸長、DNA損傷の減少、神経変性の回復、および精巣、脾臓、および腸の機能の改善を引き起こしました。したがって、テロメアの再活性化は、人間での加齢性疾患を治療するための可能性を持っているかもしれません。
[2] Jaskelioff et al., “Telomerase reactivation reverses tissue degeneration in aged telomerase-deficient mice,” Nature 469 (2011): 102–7.
がんは、異常細胞の制御されない細胞分裂として特徴付けられます。細胞は突然変異を蓄積し、制御不能な形で増殖し、そして転移と呼ばれる過程を経て体の異なる部分に移動することができます。科学者らは、がん性細胞がかなり短くなったテロメアを有していること、およびテロメラーゼがこれらの細胞において活性であることを観察しました。興味深いことに、がん細胞においてテロメアが短くなった後に初めてテロメラーゼが活性化しました。もしこれらの細胞におけるテロメラーゼの作用ががん治療中に薬物によって阻害される場合、がん性細胞は潜在的にさらなる分裂が停止されるかもしれません。
14.6 | DNA修復
この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:
•さまざまな種類のDNAの突然変異について議論する
•DNA修復メカニズムを説明する
DNA複製は非常に正確なプロセスですが、DNAポリメラーゼが誤った塩基を挿入するなどの間違いが起こることがたまにあります。修正されていない間違いは時にはがんのような深刻な結果につながるかもしれません。修復メカニズムはこの間違いを修正します。まれに、間違いが修正されずに突然変異が生じることがあります。他の場合には、修復酵素はそれ自体変異しているかまたは欠陥があります。
DNA複製中の間違いのほとんどは、DNAポリメラーゼ自体の校正能力によって即座に修正されます。(図14.17)校正では、DNA polは次の塩基を追加する前に、新しく追加された塩基を読み取るので、修正を加えることができます。ポリメラーゼは、新たに付加された塩基が鋳型ストランド中の塩基と正しく対合したかどうかを調べます。もしそれが正しい塩基であれば、次のヌクレオチドが付加されます。もし誤った塩基が付加されていると、酵素はホスホジエステル結合を切断し、誤ったヌクレオチドを放出します。これはDNA polの3'エキソヌクレアーゼ作用によって行われます。誤ったヌクレオチドが除去されたら、それを正しいものと置換することができます。
一部の間違いは複製中には修正されませんが、その代わりに複製の完了後に修正されます。この種の修復はミスマッチ修復として知られています(図14.18)。特異的な修復酵素が、誤って対合したヌクレオチドを認識し、それを含むストランドの一部を切除します。切除された領域はその後再合成されます。もしミスマッチが修正されないままである場合、ミスマッチDNAが複製されるときに、それはより永久的な損傷につながるでしょう。ミスマッチ修復酵素は、どのようにして2つの塩基のうちのどちらが誤った塩基であるかを認識するのでしょうか?大腸菌では、複製後、窒素含有塩基アデニンはメチル基を獲得します。親のDNAストランドはメチル基を持ちますが、新しく合成されたストランドはそれらを欠いています。したがって、DNAポリメラーゼは、新しく合成された非メチル化ストランドから、誤って取り込まれた塩基を除去することができます。真核生物において、そのメカニズムはあまり理解されていませんが、それは新しいストランドにおける封をされていない切れ目の認識、ならびに複製が完了した後のいくつかの複製タンパク質と新しい娘ストランドとの短期間の継続的な会合を含むと考えられています。
別の種類の修復メカニズムであるヌクレオチド除去修復は、ミスマッチ修復と類似していますが、これはミスマッチ塩基ではなく損傷した塩基を除去するために使用されます。修復酵素は、損傷を受けた塩基の3'末端と5'末端の両方を切断することによって異常な塩基を置換します(図14.19)。DNAのセグメントは除去され、そしてDNA polの作用により正しく対を形成したヌクレオチドと置換されます。塩基が埋められると、残りの隔たりはDNAリガーゼにより触媒されるホスホジエステル結合で封をされます。この修復メカニズムは、紫外線にさらされてピリミジン二量体が形成されるときによく使用されます。
修正されない間違いのよく研究された例は、色素性乾皮症を患っている人々に見られます(図14.20)。これに罹患した人は、太陽からの紫外線に非常に敏感な肌を持っています。その人が紫外線にさらされると、ピリミジン二量体、特にチミンのものが形成されます。色素性乾皮症の人はこの損傷を修復することができません。これらはヌクレオチド除去修復酵素における欠陥のために修復されないのですが、一方で正常な個人においてはチミン二量体は切除され、欠陥が修正されます。チミン二量体はDNA二重らせんの構造を歪め、これはDNA複製中に問題を引き起こす可能性があります。色素性乾皮症の人は、この症状がない人よりも皮膚がんにかかる危険性が高くなります。
DNA複製中の間違いが、DNAに突然変異が生じる唯一の理由ではありません。突然変異(ゲノムのヌクレオチド配列の変動)はまた、DNAに対する損傷によっても起こることがあります。そのような突然変異は2つのタイプのものがあります:誘発突然変異または自然突然変異です。誘発突然変異は化学薬品、紫外線、X線、または他の環境要因への暴露から生じるものです。自然突然変異はいかなる環境要因にもさらされることなく起こります。それらは体内で起こる自然の反応の結果です。
突然変異は広範囲の影響を及ぼすことがあります。点突然変異は、単一の塩基対に影響を与える突然変異です。最も一般的なヌクレオチド変異は置換であり、これは1つの塩基が別の塩基によって置き換えられるものです。これらの置換は、転位と転換の2つのタイプになります。転位置換とは、プリンまたはピリミジンが同種の塩基によって置き換えられていることを指します。たとえば、アデニンのようなプリンが、プリンのグアニンによって置き換えられることがあります。転換置換とは、プリンがピリミジンに置き換えられていること、またはその逆を指します。たとえば、ピリミジンのシトシンが、プリンのアデニンによって置き換えられます。いくつかの点突然変異は発現されません。これらはサイレント変異として知られています。サイレント変異は通常コドンの3番目の塩基の置換によるもので、これはしばしば元のコドンと同じアミノ酸を表すことがあります。他の点突然変異は、あるアミノ酸の別のアミノ酸による置換をもたらすことがあり、これはタンパク質の機能を改変する可能性があります。終止コドンを生成する点突然変異はタンパク質を早期に終結させることがあります。
いくつかの変異は、同じコドンのコピー数の増加をもたらすことがあります。これらはトリヌクレオチド反復拡張と呼ばれ、同じアミノ酸の反復領域をもたらします。突然変異はまた、挿入として知られる塩基の付加、または欠失として知られる塩基の除去の結果のこともあります。もし挿入または欠失が翻訳リーディングフレームの変更(フレームシフト突然変異)をもたらす場合、得られるタンパク質は通常は非機能的です。時には、ある染色体のDNAの一部が他の染色体や同じ染色体の別の領域に移動することがあります。これは転座としても知られています。これらの変異の種類は図14.21に示されています。
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3つのヌクレオチドの挿入をもたらすフレームシフト突然変異は、1つのヌクレオチドの挿入をもたらす突然変異よりもしばしば有害さが少ないです。なぜでしょうか?
修復遺伝子の突然変異はがんを引き起こすことが知られています。多くの突然変異した修復遺伝子は、ある種の形態の膵臓がん、結腸がん、および結腸直腸がんに関係しています。突然変異は体細胞または生殖細胞に影響を及ぼすことがあります。もし多くの突然変異が体細胞に蓄積すると、がんで観察されるような制御されない細胞分裂などの問題を引き起こす可能性があります。もし突然変異が生殖細胞に起こると、その突然変異は血友病や色素性乾皮症の場合のように次世代に受け継がれるでしょう。
重要用語
電気泳動:サイズに従ってDNA断片を分離するために使用される技術
ヘリカーゼ:この酵素は、複製中に水素結合を切断することによってDNAらせんが開くのを助ける
誘発突然変異:化学物質または環境要因への暴露から生じる突然変異
ラギング鎖:複製中に、短い断片で複製フォークから離れるように複製されるストランド
リーディング鎖:複製フォークの方向に合成される、5'-3'方向に連続的に合成されるストランド
リガーゼ:DNAの3'OH末端と5'リン酸末端との間のホスホジエステル結合の形成を触媒する酵素
ミスマッチ修復:ミスマッチ塩基が複製後に除去される修復メカニズムの種類
突然変異:ゲノムのヌクレオチド配列の変異
ヌクレオチド除去修復:上流または下流のいくつかのヌクレオチドとともに誤った塩基が除去されるDNA修復メカニズムの種類
岡崎フラグメント:ラギング鎖上に短い部分で合成されるDNAフラグメント
点突然変異:単一塩基に影響を及ぼす突然変異
プライマーゼ:RNAプライマーを合成する酵素。プライマーはDNA polが新しいDNAストランドの合成を開始するのに必要とされる
プライマー:複製を開始するのに必要とされるヌクレオチドの短い部分。複製の場合、プライマーはRNAヌクレオチドを有する
校正:次の塩基を追加する前に、新しく追加された塩基を読み取るDNA polの機能
複製フォーク:複製開始中に形成されるY字型構造
サイレント変異:発現していない変異
一本鎖結合タンパク質:複製中に、一本鎖DNAに結合するタンパク質。これは、DNAが鋳型として機能するように、DNAの2本のストランドが離れているように維持する
スライディングクランプ:DNAストランド上にDNA polを保持する環状タンパク質
自然突然変異:いかなる外的要因にもさらされることなく自然に起こる化学反応の結果として細胞内で起こる突然変異
テロメラーゼ:触媒部分および組み込まれたRNA鋳型を含む酵素。染色体末端でテロメアを維持するように機能する
テロメア:直鎖状染色体の末端にあるDNA
トポイソメラーゼ:DNA複製が行われているときにDNAが少なく巻かれることあるいは多く巻かれることを引き起こす酵素
形質転換:外部DNAが細胞によって取り込まれる過程
転位置換:プリンがプリンに置き換えられるか、またはピリミジンが別のピリミジンに置き換えられるとき
転換置換:プリンがピリミジンに置き換えられるか、またはピリミジンがプリンに置き換えられるとき
この章のまとめ
14.1 | 現代的な理解の歴史的基盤
初めてのDNA単離は、フリードリッヒ・ミーシェルによって白血球から行われました。彼はそれが核から単離されたものであるので、それをヌクレインと呼びました。肺炎球菌(Streptococcus pneumoniae)の菌株を用いたフレデリック・グリフィスの実験は、DNAが形質転換の原理であるかもしれないという最初のヒントを提供しました。アベリー、マクロード、およびマッカーティは、DNAが細菌の形質転換に必要であることを示しました。バクテリオファージT2を用いたハーシーおよびチェイスによる後の実験は、DNAが遺伝物質であることを証明しました。シャルガフは、A = TとC = Gの比率、およびA、T、G、Cの含有率は種によって異なることを見出しました。
14.2 | DNA構造とシークエンシング
現在受け入れられているDNAの二重らせん構造のモデルは、ワトソンとクリックによって提案されました。顕著な特徴のいくつかは、二重らせんを構成する2本のストランドが相補的塩基配列および逆平行配向を有するということです。交互のデオキシリボース糖およびリン酸がこの構造の骨格を形成し、窒素含有塩基がはしごの横木のように内側に積み重ねられます。二重らせんの直径2nmは、全体を通して均一です。プリンは常にピリミジンと対になります。AはTと対になり、GはCと対になります。らせんの1周回は10塩基対を有します。原核生物は、その多くの特徴において真核生物よりもはるかに単純です。ほとんどの原核生物は単一の環状染色体を含んでいます。一般に、真核生物の染色体はヌクレオソームにパッケージされた線状DNA分子を含み、パッケージングおよび凝縮の異なる状態を反映して、染色によって区別することができる2つの異なる領域を有しています。
14.3 | DNA複製の基本
細胞分裂中に、それぞれの娘細胞は、DNA複製として知られるプロセスによってDNAの各分子のコピーを受け取ります。原核生物の単一の染色体または真核生物の染色体のそれぞれは、単一の連続した二重らせんからなります。DNA複製のためのモデルは、複製中に二重らせんの2つのストランドが分離し、そしてそれぞれのストランドが新しい相補ストランドがコピーされるもととなる鋳型として働くことを提案しています。保存的複製モデルでは、親DNAは保存され、そして娘DNAが新たに合成されます。半保存的モデルは、2つの親DNAストランドのそれぞれが合成される新しいDNAの鋳型として作用することを提案しています。複製後、それぞれの二本鎖DNAは、親または「古い」ストランドと1本の「新しい」ストランドを保持します。分散的モデルは、DNAの2つのコピーが親DNAと新たに合成されたDNAのセグメントを有することを提案していました。メセルソンとスタールの実験は半保存的複製モデルを支持しており、それでは複製された染色体全体が1本の親ストランドと1本の新しく合成されたDNAストランドからなります。
14.4 | 原核生物におけるDNA複製
原核生物における複製は、複製起点と呼ばれる染色体上に見出される配列(DNAが開く点)から始まります。ヘリカーゼはDNA二重らせんを開き、その結果複製フォークが形成されます。一本鎖結合タンパク質は複製フォークの近くの一本鎖DNAに結合してフォークを開いた状態に保ちます。プライマーゼはRNAプライマーを合成してDNAポリメラーゼによる合成を開始します。DNAポリメラーゼは、以前に合成されたプライマー鎖の3'末端にのみヌクレオチドを付加することができます。両方の新しいDNAストランドはそれらのそれぞれの5'−3'方向に従って成長します。一方のストランドは複製フォークの方向に連続的に合成されます。これはリーディング鎖と呼ばれます。もう一方のストランドは、複製フォークから離れる方向に、岡崎フラグメントとして知られるDNAの短い部分で合成されます。このストランドはラギング鎖として知られています。複製が完了したら、RNAプライマーはDNAヌクレオチドで置換され、そしてDNAはDNAリガーゼで封をされます。DNAリガーゼは、一方の末端の3'−OHと他のストランドの5'リン酸との間にホスホジエステル結合を形成します。
14.5 | 真核生物におけるDNA複製
真核生物における複製は複数の複製起点から始まります。そのメカニズムは原核生物のものに非常に似ています。プライマーは合成を開始するのに必要とされ、次にDNAポリメラーゼが成長していく鎖にヌクレオチドを1つずつ付加することにより、伸長されます。リーディング鎖は連続的に合成され、一方、ラギング鎖は岡崎フラグメントと呼ばれる短い部分で合成されます。RNAプライマーはDNAヌクレオチドに置き換えられます。DNA岡崎フラグメントは、DNAリガーゼによって1本の連続したストランドへと連結されます。DNAの5'末端のプライマーRNAはDNAと置換されることができず、染色体が次第に短くなるので、染色体の末端には問題が起きます。組み込まれたRNA鋳型を持つ酵素テロメラーゼは、RNA鋳型をコピーし、染色体の一方のストランドを伸ばすことによって末端を伸ばします。次いで、DNAポリメラーゼは、通常の複製酵素を用いて相補的DNA鎖を埋めることができます。このようにして、染色体の末端は保護されます。
14.6 | DNA修復
DNAポリメラーゼはヌクレオチドを付加する際に間違いを犯す可能性があります。それは新しく追加されたすべての塩基を校正することによりDNAを編集します。伸長を進める前に、不適切な塩基は除去され、正しい塩基で置き換えられます。ほとんどの間違いは複製中に修正されますが、これが起こらない場合は、ミスマッチ修復メカニズムが採用されます。ミスマッチ修復酵素は、誤って取り込まれた塩基を認識し、それをDNAから切除し、正しい塩基と交換します。さらに別の種類の修復のヌクレオチド除去修復では、損傷を受けた塩基が5'および3'末端の数塩基と共に除去され、これらはDNAポリメラーゼの助けを借りて鋳型をコピーすることによって置換されます。新しく合成されたフラグメントの末端は、DNAリガーゼを使用して残りのDNAに結合され、DNAリガーゼはホスホジエステル結合を作り出します。
ほとんどの間違いは修正されており、もし修正されていないと、DNA配列の恒久的な変化として定義される突然変異を引き起こす可能性があります。突然変異には、置換、欠失、挿入、およびトリヌクレオチド反復拡張などの多くの種類のものがあります。修復遺伝子の突然変異はがんのような深刻な結果につながるかもしれません。突然変異は誘発されるか、または自然に発生する可能性があります。
ビジュアルコネクション問題
1.図14.10 | 真核細胞では、DNAとRNAの合成はタンパク質合成とは別の区画で行われます。原核細胞では、両方のプロセスが一緒に起こります。このプロセスを分けることにはどんな利点がありますか?それらが一緒に起こることにはどんな利点がありますか?
2.図14.14 | あなたが細胞株を単離すると岡崎フラグメントの結合が損なわれており、あなたは複製フォークで見られる酵素に突然変異が起こったのではないかと疑っています。どの酵素が変異している可能性が最も高いですか?
3.図14.21 | 3つのヌクレオチドの挿入をもたらすフレームシフト突然変異は、1つのヌクレオチドの挿入をもたらす突然変異よりもしばしば有害さが少ないです。なぜでしょうか?
レビュー問題
4.特定の種のDNAを分析した結果、27%のAが含まれていることが判明した場合、Cの割合はいくらになりますか?
a.27%
b.30%
c.23%
d.54%
5.ハーシーとチェイスによる実験は、以下の発見に基づいて、DNAが遺伝性物質であることを確認するのを助けました。
a.ペレット中に放射性ファージが見つかった
b.上清中に放射性細胞が見つかった
c.細胞内に放射性硫黄が見つかった
d.細胞内に放射性リンが見つかった
6.細菌の形質転換は、多くの医療現場での大きな関心事です。なぜ医療提供者が心配しているのでしょうか?
a.病原性細菌が、非病原性細菌に病原性遺伝子を導入する可能性がある。
b.抗生物質耐性遺伝子が新しい細菌に導入されて「スーパーバグ」が生み出されることがある。
c.バクテリオファージが毒素をコードするDNAを新しい細菌に広げる可能性がある。
d.上記のすべて。
7.DNA二重らせんが持っていないのは、次のうちどれですか?
a.逆平行構成
b.相補的塩基対
c.主溝と副溝
d.ウラシル
8.真核生物において、DNAが巻き付いているものは何ですか?
a.一本鎖結合タンパク質
b.スライディングクランプ
c.ポリメラーゼ
d.ヒストン
9.メセルソンとスタールの実験は、DNAがどのモードで複製することを証明しましたか?
a.保存的
b.半保存的
c.分散的
d.上記のどれでもない
10.もし5'-3'ストランドの配列がAATGCTACの場合、相補配列は以下の配列を有します。
a.3'-AATGCTAC-5'
b.3'-CATCGTAA-5'
c.3'-TTACGATG-5'
d.3'-GTAGCATT-5'
11.メセルソンとスタールは、ワトソンとクリックの二重らせんモデルをどのように支持しましたか?
a.彼らは、それぞれのストランドが新しいDNAストランドを合成するための鋳型として役立つことを実証した。
b.彼らは、DNAストランドが遺伝物質を失うことなく分解しそして再結合することを示した。
c.彼らは、半保存的複製を行う際に、DNAが二重らせん構造を維持することを証明した。
d.彼らは、保存的複製がそれぞれのDNAらせんの相補的塩基対合を維持することを実証した。
12.次の内容物のうち、複製フォークの形成に関与していないものはどれですか?
a.一本鎖結合タンパク質
b.ヘリカーゼ
c.複製起点
d.リガーゼ
13.酵素プライマーゼは次のうちどれを合成しますか?
a.DNAプライマー
b.RNAプライマー
c.岡崎フラグメント
d.ホスホジエステル結合
14.DNA複製はどの方向に行われますか?
a.5'-3'
b.3'-5'
c.5'
d.3'
15.ある科学者が細菌のDNAをランダムに突然変異させます。彼女はそれから細菌の娘細胞の配列決定をして、娘細胞がその複製されたDNAの中に多くの間違いを持つことを見つけました。親細菌はどの酵素の中に突然変異を獲得したでしょうか?
a.DNAリガーゼ
b.DNA pol II
c.プライマーゼ
d.DNA pol I
16.線状染色体の末端は以下のものによって維持されます。
a.ヘリカーゼ
b.プライマーゼ
c.DNA pol
d.テロメラーゼ
17.次の原核生物と真核生物のDNA複製を比較する記述のうち、正しくないものはどれですか?
a.真核生物および原核生物の両方のDNAポリメラーゼは、プライマーゼによって作られたRNAプライマーを構築する。
b.真核生物のDNA複製は複数の複製フォークを必要とし、一方で原核生物の複製は単一の起点を使用して全ゲノムを迅速に複製する。
c.DNA複製は常に核内で起こる。
d.真核生物のDNA複製は原核生物の複製よりも多くのポリメラーゼを含む。
18.校正中に、次の酵素のどれがDNAを読み取りますか?
a.プライマーゼ
b.トポイソメラーゼ
c.DNA pol
d.ヘリカーゼ
19.DNA中のヌクレオチドの間違いを修復するための最初のメカニズムは________です。
a.ミスマッチ修復
b.DNAポリメラーゼ校正
c.ヌクレオチド除去修復
d.チミン二量体
20.ある科学者が、DNA pol IIIのエキソヌクレアーゼ機能を排除する突然変異を有するミバエの幼虫を作り出しました。成虫のミバエにおける突然変異の負荷について、どの予測が最も正しいと思われますか?
a.DNA pol III変異を有する成虫は、平均よりもはるかに多くの変異を有するであろう。
b.DNA pol III変異を有する成虫は、平均よりもわずかに多い変異を有するであろう。
c.DNA pol III変異を有する成虫は、平均と同数の変異を有するであろう。
d.DNA pol III変異を有する成虫は、平均よりも少ない変異を有するであろう。
クリティカルシンキング問題
21.グリフィスの形質転換実験を説明してください。彼はそれらから何を結論づけましたか?
22.ハーシーとチェイスの実験でバクテリオファージの標識に放射性硫黄とリンが使われたのはなぜですか?
23.シャルガフが彼の実験を行っていた時、DNAはGACTヌクレオチドの反復から構成されていると述べるテトラヌクレオチド仮説がDNAの組成についての最も広く受け入れられている見解でした。シャルガフはどのようにしてこの仮説を否定したのでしょうか?
24.サンガーのシークエンシング法の簡単な概要を説明してください。
25.DNAの構造と相補的塩基対を記述してください。
26.原核生物は単一の環状染色体を有しますが、真核生物は線状染色体を有します。原核生物と比較した際の真核生物のゲノムパッケージングの利点と欠点を説明してください。
27.科学界は、どのようにしてDNA複製が半保存的な方法で行われることを学びましたか?
28.メセルソンとスタールの実験が半保存的複製ではなく保存的複製を支持していたと想像してください。2回の複製後にどのような結果が観察されると予想しますか?勾配内で¹⁵Nと¹⁴Nを組み込んだDNAの%分布について具体的に説明してください。
29.DNA複製は双方向性で不連続です。それらの概念に対するあなたの理解を説明してください。
30.岡崎フラグメントとは何ですか?また、それらはどのようにして形成されますか?
31.もし特定の原核生物における複製速度が1秒あたり900ヌクレオチドである場合、120万塩基対のゲノムの2つのコピーを作成するのにどのくらいの時間がかかりますか?
32.複製フォークで発生する事象について説明してください。もしヘリカーゼの遺伝子が変異している場合、複製のどの部分が影響を受けますか?
33.DNA複製におけるプライマーの役割は何ですか?もしあなたがDNAシークエンシング反応用の反応混合物を含む試験管にプライマーを追加するのを忘れた場合は何が起こるでしょうか?
34.キノロン系抗生物質は、トポイソメラーゼの活性を阻害することによって細菌感染症を治療します。なぜこの治療は機能するのでしょうか?分子レベルで何が起こるのかを説明してください。
35.真核生物の線状染色体はどのようにしてその末端が完全に複製されるのを確実にするのでしょうか?
36.ミスマッチ修復酵素における突然変異の結果は何ですか?これは遺伝子の機能にどのように影響するでしょうか?
37.日焼けの過去がある成人が、自分のゲノムの配列決定をしてもらいました。彼のDNAのタンパク質コード領域の始まりがATGGGGATATGGCATと読み取られました。もし健康な成人のタンパク質コード領域にATGGGGATATGAGCATである場合、変異の部位と種類を特定してください。
解答のヒント
第14章
1 図14.10 区画化により、真核細胞はプロセスを別々のステップに分割し、より複雑なタンパク質およびRNA産物を構築することができます。しかし、単一の区画を持つことにも利点があります。RNAとタンパク質の合成は、原核細胞ではるかに早く起こります。3 図14.21 もし3つのヌクレオチドが追加された場合、さらに1つのアミノ酸がタンパク質鎖に組み込まれますが、リーディングフレームは移動しません。4 C 6 D 8 D 10 C 12 D 14 A 16 D 18 C 20 B 21 生きているR細胞は、熱で殺菌されたS細胞から遺伝情報を獲得し、それはR細胞をS細胞に「形質転換」しました。23 もしテトラヌクレオチド仮説が正しいとすれば、DNAは4つのヌクレオチドすべてを等しい量だけ含まなければならないでしょう(A = T = G = C)。しかしながら、シャルガフは、A = TおよびG = Cであるが、4つのヌクレオチドは等しい量では存在しないことを実証しました。25 DNAは、逆平行配向の2本のストランドを有します。糖-リン酸結合は外側で骨格を形成し、塩基は内側で対になっています:らせん状のはしごの横木のように、AはTと、GはCと対になっています。27 ¹⁵N中で増殖させた大腸菌を用いたメセルソンの実験がこの発見を導き出しました。29 複製の起点では、2つの複製フォークが形成され、それらは2つの方向に伸びています。ラギング鎖上には、岡崎フラグメントが不連続に形成されています。31 1333秒または22.2分。33 プライマーはDNA polに3'-OH基を提供してヌクレオチドの付加を開始します。プライマーなしでは試験管内で反応は起こらず、電気泳動でも縞模様は見えないでしょう。35 テロメラーゼは3'末端を伸長する組み込まれたRNA鋳型を有するので、プライマーは合成されて伸長されます。したがって、両端が保護されます。37 これは、コード領域の12番目の位置にある「A」の欠失を伴うフレームシフト変異です。患者:ATGGGGATATGGCAT 正常:ATGGGGATATGAGCAT
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