DNAの複製

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半保存的複製

新しくDNAを合成する際は2本鎖が解け、それぞれ新しいDNAを合成するための鋳型となる。半分はオリジナルのDNAがベースになって複製されることを半保存的複製と呼ぶ。

メセルソンとスタールによる実験

半保存的複製を証明したのはメセルソンスタールである。彼らは窒素(14N)の同位体15Nを用いて大腸菌のDNAを複製させた。なお、15Nは通常の14Nに比べて重いという特徴を持つ。

実験手順1

メセルセンとスタールは大腸菌を15Nの培地で育て、DNAに含まれる窒素を全て15Nとした。大腸菌をすり潰し、DNAを抽出して遠心分離にかけたところ、次のようなバンド(15NのみのDNA)が現れた。

メセルセンとスタールの実験

実験手順2

大腸菌を14Nの培地に移して一度細胞分裂させた。培地内の大腸菌のDNAを抽出し、遠心分離すると15Nと14Nの中間の重さを持ったDNAのバンドが現れた。

メセルセンとスタールの実験

実験手順3

14Nの培地で2度目の細胞分裂をさせた。同様に、培地内の大腸菌のDNAを抽出し、遠心分離すると15Nと14Nの中間の重さを持ったDNAと、14Nだけの軽いDNAが複製された。

メセルセンとスタールの実験

結論

DNAの複製方法には以下の画像にように様々な仮説が立てられていた。しかし、メセルセンとスタールの実験結果は画像左の仮説の正しさ、つまり半保存的にDNAが複製されていることを証明した。

DNA複製

http://slideplayer.com/

DNA複製の仕組み

DNA複製は以下の順序で起こる。

①二本鎖の開裂

複製の始まりとなる部分を複製起点(レプリケーター)と呼ぶ。複製起点においてDNAヘリカーゼ(下画像)と呼ばれる酵素がDNAの2重らせん構造を解き、1本ずつのヌクレオチド鎖となる。
helicase

②プライマーの結合

プライマーと呼ばれる短いRNAが、解かれたヌクレオチド鎖に結合する。プライマーはDNAポリメラーゼが結合する際の目印となる。

プライマー

http://www.gmotesting.com/

③DNAポリメラーゼによる合成

プライマーを目印としてDNAポリメラーゼと呼ばれる酵素が解かれた1本鎖DNAに結合する。DNAポリメラーゼは相補的な塩基を持つヌクレオチドを結合させていく。DNAポリメラーゼは鋳型DNAを3’から5’の方向に進行し、5’から3’の新しいヌクレオチド鎖を合成する。

DNAポリメラーゼ

http://researchguides.library.vanderbilt.edu/

3’、5’とはデオキシリボースの炭素の番号のことである。デオキシリボースの5番目の炭素がある方向を5’、3番目の炭素がある方向を3’と呼ぶ。それぞれの鎖のヌクレオチドの向きは逆向きになっている。

DNA

④リーディング鎖とラギング鎖の合成

1本のヌクレオチド鎖は、DNAヘリカーゼが開裂する方向に向かってDNA合成するため、連続して合成できる。そのDNA鎖リーディング鎖(下画像上段)と呼ぶ。しかし、もう一方のヌクレオチド鎖は、DNAヘリカーゼの進行方向と逆向きに合成を進行するため、不連続なDNA複製を行う。この不連続な合成を行う鎖をラギング鎖(下画像下段)と呼ぶ。

DNA複製
http://imgur.com/

下のGIF画像では、中央がヘリカーゼ、上段がラギング鎖で、下段がリーディング鎖である。

DNA複製2

https://plus.google.com/

⑤DNAリガーゼによるDNA連結

また、ラギング鎖で合成された短いヌクレオチド鎖を岡崎フラグメントと呼ぶ。岡崎フラグメントはDNAリガーゼによって連結される。

岡崎フラグメント

http://bio1151.nicerweb.com/

複製が終わると、プライマーが分解されて代わりにDNAが合成され、最後にはDNAリガーゼによって結合される。

真核生物のDNAの末端構造-テロメア-

真核生物のDNAの末端にはテロメアと呼ばれる特定の繰り返し配列がある。また、DNA末端ではプライマーが末端に結合し、除去されると、DNAポリメラーゼがその分を複製することができない。そのため、複製する度にリーディング鎖のテロメアが短くなっていく。原核生物のDNAは環状なのでそのようなことは起こらない。

https://download.e-bookshelf.de/d

DNA鎖が短くなって遺伝情報を損なうことを防ぐためにテロメアと呼ばれる意味のない繰り返し配列領域を作っていると考えられている。また、このテロメアが短くなると、それ以上細胞分裂することができなくなるため、「老い」や「寿命」と関係していると考えられている。

DNA複製の際には、プライマーをDNAに置換する機能がある。なぜテロメアのプライマーRNAをDNAに置換することができないのだろうか。そのことについては、「なぜテロメアのプライマーRNAをDNAに置換することができないのか」を参照してほしい。

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コメント

  1. あああ より:

    5’→3’へ複製やろ

  2. 管理人 より:

    ご指摘ありがとうございました。
    DNAポリメラーゼの鋳型DNA上の進行方向は3’→5’と書いたつもりでしたが、わかりづらい文章で誤解を招いてしまい申し訳ありません。
    ご指摘の通り、新しく合成されたDNAは5’→3’です。何とか訂正してみましたが、まだわかりづらい文章です:w:すみません

  3. より:

    ありがとうございました、GIFもあってとってもわかりやすかったです!
    メセルソンとスタールの実験もやっと理解できました…♪
    一つ気になったのですが
    ④リーディング鎖とラギング鎖 の上から2行目、「しかし」が「しかい」になっちゃってませんか?

  4. 管理人 より:

    >蛍さん
    コメントありがとうございました・w・!
    また、誤字の指摘もありがとうございます。また、不備等ありましたら教えていただければ幸いです。

  5. とり より:

    「複製基点」ではなく「複製起点」ではないでしょうか?

    1. 管理人 より:

      コメントありがとうございます!
      まさにご指摘の通り;w;誤字でした。

      また、お気づきの点がありましたらコメントいただければ嬉しいです。
      よろしくお願いいたします。

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