細胞がポリメラーゼ、プライマー、フォーク、校正、修復を使用して二重らせんをコピーする仕組み
DNA レプリケーション
DNA 複製は、細胞分裂の前に遺伝情報をコピーする細胞プロセスであり、二重らせんの各鎖を鋳型として使用して、新しい相補鎖を高精度に構築します。
DNA レプリケーションの機能
細胞は分裂する前に、その DNA をコピーして、各娘細胞が遺伝的命令の完全なセットを受け取る必要があります。 DNA レプリケーションは、そのコピーを作成するプロセスです。成長、組織修復、生殖、遺伝に不可欠です。人間では、分裂するすべての細胞が数十億のDNA塩基対をコピーする必要がありますが、細菌やウイルスは、関連する、しかし場合によっては異なる機構を使用してより小さなゲノムをコピーします。
二重らせんが重要な理由
DNA には 2 本のストランドが二重らせん状に巻かれています。塩基は予測可能な方法で対合します。アデニンはチミンと対になり、シトシンはグアニンと対になります。この塩基対合規則により、元の各鎖は、失われたパートナー鎖を再構築するためのテンプレートとして機能することができます。完成した各 DNA 分子には 1 本の元の鎖と 1 本の新たに作成された鎖が含まれるため、複製は半保存的と呼ばれます。
レプリケーションが開始される場所
レプリケーションは、レプリケーション起点と呼ばれる特定の DNA シーケンスで開始されます。タンパク質はこれらの起点を認識し、二重らせんを開き、複製バブルを作成します。バブルの両端にはレプリケーション フォークがあり、DNA が巻き戻されてコピーされる Y 字型の領域です。細菌は多くの場合、環状染色体上に 1 つの主要な起点を持っていますが、植物や動物の細胞などの真核細胞は長い直線状の染色体全体にわたって多くの起点を使用します。
複製機械
いくつかの酵素が連携して働きます。ヘリカーゼは二重らせんをほどきます。一本鎖結合タンパク質は、分離した鎖が元に戻るのを防ぎます。トポイソメラーゼはフォークに先立ってねじれストレスを軽減します。 DNA polymerase は単独では新しい鎖を開始できないため、Primase は短い RNA プライマーを作成します。 DNA polymerase は、ヌクレオチドを追加することによってプライマーから拡張されます。 DNA リガーゼはギャップをシールし、sugar-phosphate backbone が連続するようにします。
リーディング鎖とラギング鎖
DNA polymerase は、成長する鎖の 3-prime 末端にのみヌクレオチドを追加できるため、新しい DNA は 5-prime から 3-prime の方向に作成されます。 2 つのテンプレート ストランドは反対方向に実行されるため、1 つの新しいストランドがフォークに向かって連続的にコピーされます。これが先頭鎖です。もう 1 つは、短い Okazaki fragments でフォークからコピーされます。これが遅行鎖です。その後、プライマーが除去され、DNA に置き換えられ、フラグメントがリガーゼで結合されます。
校正と修理
DNA polymerase はテンプレートのペアリングに従って塩基を選択し、多くのポリメラーゼが機能するときに校正されるため、複製は正確です。間違った塩基が追加された場合は、合成を続行する前に校正によって削除できます。追加の修復システムにより、レプリケーション後の不一致や損傷を修正できます。これらのシステムは完璧ではないため、一部の変化は突然変異となります。突然変異は、中立的な場合もあれば、有害な場合もあれば、場合によっては進化に役立つ場合もありますが、体の細胞ではがんの原因となる場合もあります。
テロメアと複製ストレス
真核生物の染色体は線状であるため、通常の複製ではラギング鎖の末端を完全にコピーできないため、末端で問題が発生します。テロメアは染色体末端を保護する繰り返される DNA 配列であり、一部の細胞ではテロメラーゼがテロメアを伸長することができます。複製ストレスは、DNA 損傷、難しい配列、ヌクレオチドの供給不足、または他の細胞プロセスとの衝突によりコピーが遅くなったり停止したりするときに発生します。細胞はゲノムの安定性を維持するためにこのストレスを管理する必要があります。
なぜそれが重要なのか
DNA 複製が重要なのは、生命が同一性を維持できるほど正確に、しかし長い時間スケールで進化できるほど柔軟に遺伝情報をコピーすることに依存しているからです。複製を理解することは、遺伝、発生、老化、癌、抗生物質の標的、ウイルス感染、遺伝病、バイオテクノロジー、DNA シーケンスを説明するのに役立ちます。複製が機能すると、細胞は命令を渡します。失敗すると、無害な変化から深刻な病気に至るまで、さまざまな影響が及ぶ可能性があります。