テロメアとは
テロメアとは、ＤＮＡの末端に出現する繰り返し配列のことである。遺伝情報は含まれておらず、ＤＮＡを保護する役目があるとされている。ヒトの場合はTTAGGGの繰り返しである。
末端複製問題
ＤＮＡポリメラーゼはプライマーを起点としてＤＮＡを複製するため、複製ごとにＤＮＡ鎖末端ではＤＮＡ鎖が短くなっていくとされている。
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生殖細胞やがん細胞などでは、テロメラーゼと呼ばれる酵素がテロメアを伸長させるため、テロメアの短縮は起こらない。しかし、多くの体細胞ではテロメアが短縮し、ある程度まで短くなるとそれ以上、細胞分裂が起こらなくなることが知られている。
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教科書・参考書に書かれている謎部分
参考書や解説サイトなどにはＤＮＡの複製過程について次のように書かれている。
最終的には、幾つかの酵素によって、RNAプライマーが取り除かれ、DNAへ置き換えられ、岡崎フラグメント同士が連結されることで切れ目のないDNAとなります。
多くの図などを見ると、この最端のプライマー（RNA）分だけの塩基配列が短くなっていくように表現されている。
しかし、テロメアにあるプライマーもＤＮＡに置き換わるのでは？というのがずっと謎でモヤモヤしていた。この疑問は、プライマー（ＲＮＡ）をＤＮＡに置換するＤＮＡポリメラーゼⅠの働きを調べることで解決した。
ちなみに、プライマーはテロメアの最端にいつもあるわけではないので、プライマーがＤＮＡに置換されてたとしても、テロメアは短縮されていく。テロメアの短縮を食い止めるにはテロメア―ゼによる塩基配列追加しかない。
ＤＮＡポリメラーゼⅠの特性
「ＤＮＡポリメラーゼ」と一言に言っても様々な種類がある。例えば、ＤＮＡポリメラーゼⅢは、ＲＮＡプライマーを起点としてＤＮＡ鎖伸長を行うＤＮＡポリメラーゼである。そして、ＤＮＡポリメラーゼⅠがＲＮＡプライマーを除去して、ＤＮＡに置き換えるポリメラーゼである。
ＤＮＡポリメラーゼⅠはニックと呼ばれる、ＲＮＡとＤＮＡの切れ目（結合が切れている箇所）を探し出す機能を持っている。この切れ目は、ＤＮＡポリメラーゼⅢがＲＮＡプライマーとは結合を作らないために生じる。
DNAポリメラーゼ I はDNA上をたどっていきホスホジエステル結合がとぎれている箇所（ニック；DNAとプライマーの境界線）を発見すると，この箇所から３’方向に向かって 約１０塩基ヌクレオチドを除去する５’→３’エキソヌクレアーゼ活性を発揮する。この活性のおかげでRNAプライ マーは取り除かれ，その後DNAポリメラーゼ I は生じた空白部をポリメラーゼ活性で埋める。最後に残ったニックはDNAリガーゼという酵素がＮＡＤ＋，またはＡＴＰを利用してつなぐ。
ＲＮＡを除去する機能をエキソヌクレアーゼ活性と呼び、どのＤＮＡポリメラーゼが何の活性を持つかはすでに調べられている。ちなみにポリメラーゼⅠ・Ⅱ・Ⅲとの呼称は原核生物のそれに対するものであって、真核生物のＤＮＡポリメラーゼにはギリシャ文字が使用されており、その機能も異なっている。
結論
「なぜＤＮＡポリメラーゼⅠはテロメア部分のプライマーをＤＮＡに置換することができないのか」との問いへの答えは、「ヌクレオチド同士の切れ目「ニック」が存在しないため、ＤＮＡポリメラーゼⅠの活性が生じないため」と言うことができる。
大変参考にさせていただいております。
ありがとうございます。
結論まで大変わかりやすく拝見させていただきました。
質問なのですが、真核生物においても、原核生物と同様（ＤＮＡポリメラーゼⅠの５’→３’方向のエキソヌクレアーゼ活性による機構）のものがあると考えてよいのでしょうか。