第14章DNAの構造と機能
Section Summary節のまとめ
Replication in prokaryotes starts from a sequence found on the chromosome called the origin of replication—the point at which the DNA opens up. Helicase opens up the DNA double helix, resulting in the formation of the replication fork. Single-strand binding proteins bind to the single-stranded DNA near the replication fork to keep the fork open. Primase synthesizes an RNA primer to initiate synthesis by DNA polymerase, which can add nucleotides only to the 3' end of a previously synthesized primer strand. Both new DNA strands grow according to their respective 5'-3' directions. One strand is synthesized continuously in the direction of the replication fork; this is called the leading strand. The other strand is synthesized in a direction away from the replication fork, in short stretches of DNA known as Okazaki fragments. This strand is known as the lagging strand. Once replication is completed, the RNA primers are replaced by DNA nucleotides and the DNA is sealed with DNA ligase, which creates phosphodiester bonds between the 3'-OH of one end and the 5' phosphate of the other strand.
英語のヒント
原核生物の複製は、染色体上の複製起点と呼ばれる配列、つまりDNAが開く場所から始まる。ヘリカーゼがDNA二重らせんを開き、複製フォークを形成する。一本鎖結合タンパク質は、複製フォーク付近の一本鎖DNAに結合し、フォークが開いた状態を保つ。プライマーゼがRNAプライマーを合成し、DNAポリメラーゼによる合成を開始させる。DNAポリメラーゼは、すでに合成されたプライマー鎖の3′末端にしかヌクレオチドを付加できない。新しい2本のDNA鎖は、それぞれの5′から3′の方向に伸長する。一方の鎖は、複製フォークの進む方向に連続的に合成され、リーディング鎖と呼ばれる。もう一方の鎖は、複製フォークから離れる方向に、岡崎フラグメントという短いDNA断片として合成される。この鎖はラギング鎖と呼ばれる。複製が完了すると、RNAプライマーはDNAヌクレオチドに置き換えられ、DNAはDNAリガーゼによってつながれる。DNAリガーゼは、一方の端の3′-OHと、他方の鎖の5′リン酸基との間にホスホジエステル結合を作る。
Visual Connection Questions図を使った問題
Exercises 18練習問題 18
Exercise 18問題 18
Figure 14.14 You isolate a cell strain in which the joining of Okazaki fragments is impaired and suspect that a mutation has occurred in an enzyme found at the replication fork. Which enzyme is most likely to be mutated?
図14.14 岡崎フラグメントの結合が損なわれている細胞株を単離し、複製フォークに存在する酵素に変異が起きたのではないかと考えた。変異している可能性が最も高い酵素はどれか。
Solution解き方
Figure 14.14 DNA ligase, as this enzyme joins together Okazaki fragments.
図14.14 DNAリガーゼ。この酵素が岡崎フラグメントどうしをつなぐためである。
Review Questions確認問題
Exercises 19–22練習問題 19–22
Exercise 19問題 19
Which of the following components is not involved during the formation of the replication fork?
複製フォークの形成に関与しないものは、次のうちどれか。
- single-strand binding proteins一本鎖結合タンパク質
- helicaseヘリカーゼ
- origin of replication複製起点
- ligaseリガーゼ
Solution解き方
D
D
Exercise 20問題 20
Which of the following does the enzyme primase synthesize?
プライマーゼという酵素が合成するのは、次のうちどれか。
- DNA primerDNAプライマー
- RNA primerRNAプライマー
- Okazaki fragments岡崎フラグメント
- phosphodiester linkageホスホジエステル結合
Solution解き方
B
B
Exercise 21問題 21
In which direction does DNA replication take place?
DNA複製は、どの方向へ進むか。
- 5'-3'5'-3'
- 3'-5'3'-5'
- 5'5'
- 3'3'
Solution解き方
A
A
Exercise 22問題 22
A scientist randomly mutates the DNA of a bacterium. She then sequences the bacterium’s daughter cells, and finds that the daughters have many errors in their replicated DNA. The parent bacterium likely acquired a mutation in which enzyme?
英語のヒント
ある科学者が、細菌のDNAに無作為に変異を起こさせた。その後、細菌の娘細胞の配列を決定すると、複製されたDNAに多くの誤りがあることがわかった。親の細菌では、どの酵素に変異が生じた可能性が高いか。
- DNA ligaseDNAリガーゼ
- DNA pol IIDNA pol II
- Primaseプライマーゼ
- DNA pol IDNA pol I
Solution解き方
B
B
Critical Thinking Questions考察問題
Exercises 23–28練習問題 23–28
Exercise 23問題 23
DNA replication is bidirectional and discontinuous; explain your understanding of those concepts.
DNA複製は双方向的かつ不連続である。これらの概念について、理解したことを説明しなさい。
Solution解き方
At an origin of replication, two replication forks are formed that are extended in two directions. On the lagging strand, Okazaki fragments are formed in a discontinuous manner.
複製起点には2つの複製フォークが形成され、2方向へ広がる。ラギング鎖では、岡崎フラグメントが不連続に形成される。
Exercise 24問題 24
What are Okazaki fragments and how they are formed?
岡崎フラグメントとは何か。また、どのように形成されるか。
Solution解き方
Short DNA fragments are formed on the lagging strand synthesized in a direction away from the replication fork. These are synthesized by DNA pol.
複製フォークから離れる方向に合成されるラギング鎖では、短いDNA断片が形成される。これらはDNAポリメラーゼによって合成される。
Exercise 25問題 25
If the rate of replication in a particular prokaryote is 900 nucleotides per second, how long would it take 1.2 million base pair genomes to make two copies?
ある原核生物の複製速度が1秒あたり900ヌクレオチドであるとき、120万塩基対のゲノムから2つのコピーができるまでに、どれくらいの時間がかかるか。
Solution解き方
1333 seconds or 22.2 minutes.
1,333秒、すなわち22.2分。
Exercise 26問題 26
Explain the events taking place at the replication fork. If the gene for helicase is mutated, what part of replication will be affected?
複製フォークで起こる事柄を説明しなさい。ヘリカーゼの遺伝子に変異が起きると、複製のどの部分に影響が出るか。
Solution解き方
At the replication fork, the events taking place are helicase action, binding of single-strand binding proteins, primer synthesis, and synthesis of new strands. If there is a mutated helicase gene, the replication fork will not be extended.
複製フォークでは、ヘリカーゼの作用、一本鎖結合タンパク質の結合、プライマーの合成、新しい鎖の合成が起こる。ヘリカーゼ遺伝子に変異があると、複製フォークは広がらない。
Exercise 27問題 27
What is the role of a primer in DNA replication? What would happen if you forgot to add a primer in a tube containing the reaction mix for a DNA sequencing reaction?
DNA複製におけるプライマーの役割は何か。DNA配列決定反応の反応液を入れた試験管に、プライマーを加え忘れるとどうなるか。
Solution解き方
Primer provides a 3'-OH group for DNA pol to start adding nucleotides. There would be no reaction in the tube without a primer, and no bands would be visible on the electrophoresis.
プライマーは、DNAポリメラーゼがヌクレオチドの付加を開始するための3′-OH基を供給する。プライマーがなければ試験管内では反応が起こらず、電気泳動でもバンドは見えない。
Exercise 28問題 28
Quinolone antibiotics treat bacterial infections by blocking the activity of topoisomerase. Why does this treatment work? Explain what occurs at the molecular level.
英語のヒント
キノロン系抗菌薬は、トポイソメラーゼの活性を阻害することで細菌感染症を治療する。なぜこの治療が有効なのか。分子レベルで何が起こるかを説明しなさい。
Solution解き方
Bacteria treated with quinolones will no longer be able to replicate their DNA. Topoisomerase relieves the excess DNA supercoiling that occurs ahead of the replication fork as DNA is unwound for replication. If topoisomerase is inhibited, DNA helicase will only be able to unwind the DNA for a short stretch before the supercoiling becomes too overwound for replication to continue.
英語のヒント
キノロンで処理された細菌は、DNAを複製できなくなる。複製のためにDNAがほどかれると、複製フォークの前方に過剰な超らせんが生じるが、トポイソメラーゼはこれを緩和する。トポイソメラーゼが阻害されると、DNAヘリカーゼはDNAを短い範囲しかほどけない。すぐに超らせんの巻き込みが強くなりすぎて、複製を続けられなくなるためである。
exonuclease
エキソヌクレアーゼ
enzymes that cleave nucleotides one at a time from the end of a polynucleotide chain
英語のヒント
ポリヌクレオチド鎖の末端から、ヌクレオチドを1個ずつ切り離す酵素。
helicase
ヘリカーゼ
during replication, this enzyme helps to open up the DNA helix by breaking the hydrogen bonds
複製の際、水素結合を切ることでDNAらせんを開くのを助ける酵素。
lagging strand
ラギング鎖
during replication, the strand that is replicated in short fragments and away from the replication fork
複製の際、複製フォークから離れる方向へ、短い断片として複製される鎖。
leading strand
リーディング鎖
strand that is synthesized continuously in the 5'-3' direction, which is synthesized in the direction of the replication fork
5′から3′の方向へ、複製フォークの進む方向に連続的に合成される鎖。
ligase
リガーゼ
enzyme that catalyzes the formation of a phosphodiester linkage between the 3' OH and 5' phosphate ends of the DNA
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。
Okazaki fragment
岡崎フラグメント
DNA fragment that is synthesized in short stretches on the lagging strand
ラギング鎖上に短い部分として合成されるDNA断片。
primase
プライマーゼ
enzyme that synthesizes the RNA primer; the primer is needed for DNA pol to start synthesis of a new DNA strand
英語のヒント
RNAプライマーを合成する酵素。プライマーは、DNAポリメラーゼが新しいDNA鎖の合成を始めるために必要である。
primer
プライマー
short stretch of nucleotides that is required to initiate replication; in the case of replication, the primer has RNA nucleotides
複製の開始に必要な、ヌクレオチドの短い連なり。複製の場合、プライマーはRNAヌクレオチドを含む。
replication fork
複製フォーク
Y-shaped structure formed during initiation of replication
複製の開始時に形成されるY字形の構造。
single-strand binding protein
一本鎖結合タンパク質
during replication, protein that binds to the single-stranded DNA; this helps in keeping the two strands of DNA apart so that they may serve as templates
複製の際、一本鎖DNAに結合するタンパク質。DNAの2本の鎖を離れた状態に保ち、それぞれが鋳型として働けるようにする。
sliding clamp
スライディングクランプ
ring-shaped protein that holds the DNA pol on the DNA strand
DNA鎖上にDNAポリメラーゼを保持する環状のタンパク質。
topoisomerase
トポイソメラーゼ
enzyme that prevents overwinding of DNA when DNA replication is taking place
DNA複製の際、DNAが巻き込みすぎるのを防ぐ酵素。