第14章DNAの構造と機能
14.4 DNA Replication in Prokaryotes14.4 原核生物のDNA複製
Learning Objectives学習目標
By the end of this section, you will be able to do the following:
この節を学ぶと、次のことができるようになる。
- Explain the process of DNA replication in prokaryotes原核生物のDNA複製の過程を説明する。
- Discuss the role of different enzymes and proteins in supporting this processこの過程を支える、さまざまな酵素やタンパク質の役割について論じる。
DNA replication has been well studied in prokaryotes primarily because of the small size of the genome and because of the large variety of mutants that are available. E. coli has 4.6 million base pairs in a single circular chromosome and all of it gets replicated in approximately 42 minutes, starting from a single site along the chromosome and proceeding around the circle in both directions. This means that approximately 1000 nucleotides are added per second. Thus, the process is quite rapid and occurs without many mistakes.
英語のヒント
DNA複製は、原核生物でよく研究されてきた。主な理由は、ゲノムが小さいことと、多様な変異体を利用できることである。大腸菌は1本の環状染色体に460万塩基対をもち、そのすべてが約42分で複製される。複製は染色体上の1か所から始まり、環に沿って両方向へ進む。これは、1秒あたり約1,000個のヌクレオチドが付加されることを意味する。このように、複製は非常に速く、しかも多くの誤りを生じることなく進む。
DNA replication employs a large number of structural proteins and enzymes, each of which plays a critical role during the process. One of the key players is the enzyme DNA polymerase, also known as DNA pol, which adds nucleotides one-by-one to the growing DNA chain that is complementary to the template strand. The addition of nucleotides requires energy; this energy is obtained from the nucleoside triphosphates dATP, dGTP, dTTP and dCTP. Like ATP, the other NTPs (nucleoside triphosphates) are high-energy molecules that can serve both as the source of DNA nucleotides and the source of energy to drive the polymerization. When the bond between the phosphates is “broken,” the energy released is used to form the phosphodiester bond between the incoming nucleotide and the growing chain. In prokaryotes, three main types of polymerases are known: DNA pol I, DNA pol II, and DNA pol III. It is now known that DNA pol III is the enzyme required for DNA synthesis; DNA pol I is an important accessory enzyme in DNA replication, and along with DNA pol II, is primarily required for repair.
英語のヒント
DNA複製には、多数の構造タンパク質や酵素が使われ、それぞれが過程の中で重要な役割を果たす。主役の1つは、DNA polとも呼ばれる酵素、DNAポリメラーゼである。この酵素は、鋳型鎖に相補的な伸長中のDNA鎖に、ヌクレオチドを1個ずつ付加する。ヌクレオチドの付加にはエネルギーが必要であり、そのエネルギーはヌクレオシド三リン酸であるdATP、dGTP、dTTP、dCTPから得られる。ATPと同じく、ほかの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、重合を進めるエネルギー源の両方として働く。リン酸間の結合が「切れる」と、放出されたエネルギーが、入ってくるヌクレオチドと伸長中の鎖との間のホスホジエステル結合の形成に使われる。原核生物では、DNA pol I、DNA pol II、DNA pol IIIという主な3種類のポリメラーゼが知られている。現在では、DNA合成に必要な酵素はDNA pol IIIであることがわかっている。DNA pol IはDNA複製における重要な補助酵素であり、DNA pol IIとともに、主として修復に必要とされる。
How does the replication machinery know where to begin? It turns out that there are specific nucleotide sequences called origins of replication where replication begins. In E. coli, which has a single origin of replication on its one chromosome (as do most prokaryotes), this origin of replication is approximately 245 base pairs long and is rich in AT sequences. The origin of replication is recognized by certain proteins that bind to this site. An enzyme called helicase unwinds the DNA by breaking the hydrogen bonds between the nitrogenous base pairs. ATP hydrolysis is required for this process. As the DNA opens up, Y-shaped structures called replication forks are formed. Two replication forks are formed at the origin of replication and these get extended bi-directionally as replication proceeds. Single-strand binding proteins coat the single strands of DNA near the replication fork to prevent the single-stranded DNA from winding back into a double helix.
英語のヒント
複製を行う仕組みは、どこから始めればよいとわかるのだろうか。複製が始まる場所には、複製起点と呼ばれる特定のヌクレオチド配列がある。大腸菌では、ほとんどの原核生物と同じく、1本の染色体に複製起点が1つある。この複製起点は約245塩基対の長さで、AT配列に富む。複製起点は、その部位に結合する特定のタンパク質によって認識される。ヘリカーゼという酵素が、含窒素塩基対の間の水素結合を切り、DNAをほどく。この過程にはATPの加水分解が必要である。DNAが開くにつれて、複製フォークと呼ばれるY字形の構造ができる。複製起点には2つの複製フォークができ、複製が進むにつれて両方向へ広がっていく。一本鎖結合タンパク質が複製フォーク付近の一本鎖DNAを覆い、DNAが再び巻き合って二重らせんに戻るのを防ぐ。
DNA polymerase has two important restrictions: it is able to add nucleotides only in the 5' to 3' direction (a new DNA strand can be only extended in this direction). It also requires a free 3'-OH group to which it can add nucleotides by forming a phosphodiester bond between the 3'-OH end and the 5' phosphate of the next nucleotide. This essentially means that it cannot add nucleotides if a free 3'-OH group is not available. Then how does it add the first nucleotide? The problem is solved with the help of a primer that provides the free 3'-OH end. Another enzyme, RNA primase, synthesizes an RNA segment that is about five to ten nucleotides long and complementary to the template DNA. Because this sequence primes the DNA synthesis, it is appropriately called the primer. DNA polymerase can now extend this RNA primer, adding nucleotides one-by-one that are complementary to the template strand (Figure 14.14).
英語のヒント
DNAポリメラーゼには、重要な制約が2つある。1つは、ヌクレオチドを5′から3′の方向にしか付加できないことである(新しいDNA鎖を伸ばせるのは、この方向だけである)。もう1つは、ヌクレオチドを付加するための遊離の3′-OH基が必要なことである。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作って付加するからである。つまり、遊離の3′-OH基がなければ、ヌクレオチドを付加できない。では、最初のヌクレオチドはどうやって付加するのだろうか。この問題は、遊離の3′-OH末端を与えるプライマーによって解決される。別の酵素であるRNAプライマーゼが、鋳型DNAに相補的な、約5〜10ヌクレオチドの短いRNAを合成する。この配列がDNA合成の開始を準備するため、プライマーという名前が付いている。DNAポリメラーゼは、このRNAプライマーを伸ばし、鋳型鎖に相補的なヌクレオチドを1個ずつ付加できるようになる(図14.14)。
The replication fork moves at the rate of 1000 nucleotides per second. Topoisomerase prevents the over-winding of the DNA double helix ahead of the replication fork as the DNA is opening up; it does so by causing temporary nicks in the DNA helix and then resealing it. Because DNA polymerase can only extend in the 5' to 3' direction, and because the DNA double helix is antiparallel, there is a slight problem at the replication fork. The two template DNA strands have opposing orientations: one strand is in the 5' to 3' direction and the other is oriented in the 3' to 5' direction. Only one new DNA strand, the one that is complementary to the 3' to 5' parental DNA strand, can be synthesized continuously towards the replication fork. This continuously synthesized strand is known as the leading strand. The other strand, complementary to the 5' to 3' parental DNA, is extended away from the replication fork, in small fragments known as Okazaki fragments, each requiring a primer to start the synthesis. New primer segments are laid down in the direction of the replication fork, but each pointing away from it. (Okazaki fragments are named after the Japanese scientist who first discovered them. The strand with the Okazaki fragments is known as the lagging strand.)
英語のヒント
複製フォークは、1秒あたり1,000ヌクレオチドの速さで移動する。DNAが開く際、トポイソメラーゼは複製フォークの前方でDNA二重らせんが巻き込みすぎるのを防ぐ。DNAらせんに一時的な切れ目を入れ、その後で再びつなぐことで、この働きを果たす。DNAポリメラーゼは5′から3′の方向にしか鎖を伸ばせず、DNA二重らせんは逆平行であるため、複製フォークでは少し問題が生じる。2本の鋳型DNA鎖は反対の向きに並んでおり、一方は5′から3′、他方は3′から5′の方向を向いている。複製フォークに向かって連続的に合成できる新しいDNA鎖は、3′から5′の方向を向く親DNA鎖に相補的な鎖だけである。この連続的に合成される鎖を、リーディング鎖と呼ぶ。5′から3′の方向を向く親DNAに相補的なもう一方の鎖は、複製フォークから離れる方向へ、岡崎フラグメントという短い断片として伸長する。各断片は、合成を開始するためのプライマーを必要とする。新しいプライマーは、複製フォークの進む方向に沿って次々と置かれるが、それぞれはフォークから離れる向きになっている。(岡崎フラグメントは、これを初めて発見した日本人科学者にちなんで名づけられた。岡崎フラグメントを含む鎖は、ラギング鎖と呼ばれる。)
The leading strand can be extended from a single primer, whereas the lagging strand needs a new primer for each of the short Okazaki fragments. The overall direction of the lagging strand will be 3' to 5', and that of the leading strand 5' to 3'. A protein called the sliding clamp holds the DNA polymerase in place as it continues to add nucleotides. The sliding clamp is a ring-shaped protein that binds to the DNA and holds the polymerase in place. As synthesis proceeds, the RNA primers are replaced by DNA. The primers are removed by the exonuclease activity of DNA pol I, which uses DNA behind the RNA as its own primer and fills in the gaps left by removal of the RNA nucleotides by the addition of DNA nucleotides. The nicks that remain between the newly synthesized DNA (that replaced the RNA primer) and the previously synthesized DNA are sealed by the enzyme DNA ligase, which catalyzes the formation of phosphodiester linkages between the 3'-OH end of one nucleotide and the 5' phosphate end of the other fragment.
英語のヒント
リーディング鎖は1つのプライマーから伸長できるが、ラギング鎖では短い岡崎フラグメントごとに新しいプライマーが必要となる。ラギング鎖の全体としての合成方向は3′から5′であり、リーディング鎖では5′から3′である。スライディングクランプというタンパク質は、DNAポリメラーゼがヌクレオチドを付加し続ける間、その位置を保つ。スライディングクランプは環状のタンパク質で、DNAに結合してポリメラーゼを保持する。合成が進むにつれて、RNAプライマーはDNAに置き換えられる。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る。DNA pol Iは、RNAの後ろにあるDNAを自らのプライマーとして使い、RNAヌクレオチドを取り除いた後の隙間にDNAヌクレオチドを付加して埋める。RNAプライマーを置き換えて新しく合成されたDNAと、先に合成されていたDNAとの間には切れ目が残る。これをつなぐのがDNAリガーゼという酵素である。DNAリガーゼは、一方のヌクレオチドの3′-OH末端と、もう一方の断片の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。
Once the chromosome has been completely replicated, the two DNA copies move into two different cells during cell division.
染色体の複製がすべて終わると、細胞分裂の際に、2つのDNAコピーは別々の細胞へ移る。
The process of DNA replication can be summarized as follows:
DNA複製の過程は、次のようにまとめられる。
- DNA unwinds at the origin of replication.DNAが複製起点でほどける。
- Helicase opens up the DNA-forming replication forks; these are extended bidirectionally.ヘリカーゼがDNAを開いて複製フォークを形成する。複製フォークは両方向へ広がる。
- Single-strand binding proteins coat the DNA around the replication fork to prevent rewinding of the DNA.一本鎖結合タンパク質が複製フォーク周辺のDNAを覆い、DNAが再び巻き合うのを防ぐ。
- Topoisomerase binds at the region ahead of the replication fork to prevent supercoiling.トポイソメラーゼが複製フォークの前方の領域に結合し、超らせんの形成を防ぐ。
- Primase synthesizes RNA primers complementary to the DNA strand.プライマーゼが、DNA鎖に相補的なRNAプライマーを合成する。
- DNA polymerase III starts adding nucleotides to the 3'-OH end of the primer.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。
- Elongation of both the lagging and the leading strand continues.ラギング鎖とリーディング鎖の両方が伸長し続ける。
- RNA primers are removed by exonuclease activity.エキソヌクレアーゼ活性によってRNAプライマーが除去される。
- Gaps are filled by DNA pol I by adding dNTPs.DNA pol IがdNTPを付加して隙間を埋める。
- The gap between the two DNA fragments is sealed by DNA ligase, which helps in the formation of phosphodiester bonds.DNAリガーゼがホスホジエステル結合の形成を助け、2つのDNA断片の間の隙間をつなぐ。
Table 14.1 summarizes the enzymes involved in prokaryotic DNA replication and the functions of each.
表14.1に、原核生物のDNA複製に関与する酵素と、それぞれの働きをまとめる。
Prokaryotic DNA Replication: Enzymes and Their Function 原核生物のDNA複製:酵素とその働き |
|
|---|---|
Enzyme/protein 酵素・タンパク質 |
Specific Function 具体的な働き |
DNA pol I |
Removes RNA primer and replaces it with newly synthesized DNA RNAプライマーを除去し、新しく合成したDNAに置き換える。 |
DNA pol III |
Main enzyme that adds nucleotides in the 5'-3' direction 5′から3′の方向へヌクレオチドを付加する主な酵素。 |
Helicase ヘリカーゼ |
Opens the DNA helix by breaking hydrogen bonds between the nitrogenous bases 含窒素塩基間の水素結合を切り、DNAらせんを開く。 |
Ligase リガーゼ |
Seals the gaps between the Okazaki fragments to create one continuous DNA strand 岡崎フラグメント間の隙間をつなぎ、1本の連続したDNA鎖を作る。 |
Primase プライマーゼ |
Synthesizes RNA primers needed to start replication 複製の開始に必要なRNAプライマーを合成する。 |
Sliding Clamp スライディングクランプ |
Helps to hold the DNA polymerase in place when nucleotides are being added ヌクレオチドが付加されている間、DNAポリメラーゼの位置を保つのを助ける。 |
Topoisomerase トポイソメラーゼ |
Helps relieve the strain on DNA when unwinding by causing breaks, and then resealing the DNA DNAを切断してから再びつなぐことにより、DNAがほどける際にかかるひずみを和らげる。 |
Single-strand binding proteins (SSB) 一本鎖結合タンパク質(SSB) |
Binds to single-stranded DNA to prevent DNA from rewinding back. 一本鎖DNAに結合し、DNAが再び巻き合うのを防ぐ。 |