DNA複製のステップとは

DNA複製のステップ

DNA複製には、開始、伸長、終了という3つの主要なステップがあります。

細胞の核内に収まるように、DNA はクロマチンと呼ばれるしっかりと巻かれた構造に詰められていますが、複製前にこれが緩み、細胞の複製機構が DNA 鎖にアクセスできるようになります。 ヘリカーゼという酵素がこのプロセスに不可欠で、DNAの相補的な塩基同士（AとT、CとG）を結びつけている水素結合を切断するのです。 この分離により、複製フォークと呼ばれる「Y」字型の形ができ、2本の一本鎖DNAは、今度は新しいDNA鎖を作るための鋳型として働く。

次に、一本鎖DNA結合タンパク質（SSBタンパク質）が今の一本鎖DNAに結合し、分離した鎖が再び結合しないよう阻止する。 これがうまくいくには、それぞれのDNA鎖が反対方向に走っている。

一方の鎖は3’から5’方向（複製分枝の方向）に向いており、これが先行鎖である。 複製を行う酵素であるDNAポリメラーゼは5′から3′の方向にしか働かないので、娘鎖は異なる方法で合成され、一方は複製フォークの方向に一つずつヌクレオチドを加え、他方は塊でだけヌクレオチドを加えることができることを意味しています。

5′と3′という表記は、「5 prime」と「3 prime」という意味で、DNAの糖鎖の炭素数を示しています。 これらの数字は端から端までの化学的な向きを示し、5と3はそれぞれ糖環の5番目と3番目の炭素原子を表している。 5の炭素にはリン酸基が、3の炭素には水酸基（-OH基）が結合している。 この非対称性が、DNA 鎖に「方向性」を与え、反対側の鎖のヌクレオチド間の結合を容易にします。

方向性の違いに対応するために、2 つの異なるプロセスを経て複製されていることに注目することが重要です。

Leading Strand	Lagging Strand
プライマーという酵素が作り出す短いRNAは、リード鎖の末端に5’から3’の方向で結合しています。 DNAポリメラーゼと呼ばれる酵素が、相補的な塩基（A、C、G、T）を新たに生成し、伸長というプロセスで新しい鎖を作る役割を担っています。 真核細胞では、ポリメラーゼα、δ、εがDNA複製に関与する主要なポリメラーゼである。 この種の複製は「連続複製」と呼ばれる。	遅れ鎖は遅れ鎖のさまざまな場所で、プライマーゼ酵素が生成する複数のRNAプライマーと結合して複製プロセスを開始する。 このような複製は「不連続」と呼ばれ、岡崎フラグメントは後で結合される必要があるため、プライマー間の遅延鎖に追加される。

連続鎖と不連続鎖の両方が形成された後、エキソヌクレアーゼという酵素が元の鎖からすべてのRNAプライマーを除去する。 プライマーがあった隙間は、さらに相補的なヌクレオチドで埋められる。

別の酵素は、新しく形成された鎖に誤りがないことを確認するために「校正」する。

次に、DNA リガーゼという酵素が岡崎フラグメントを結合し、単一の統一鎖を形成する。

テロメラーゼという特殊なDNAポリメラーゼ酵素が、DNA末端のテロメア配列の合成を触媒する。 テロメアは染色体の両末端にあるヌクレオチド配列の繰り返し領域で、染色体の末端を劣化や隣接する染色体との融合から保護します。 靴ひものキャップをイメージしてください。 テロメアは老化のバイオマーカーでもあり、細胞分裂のたびに、言い換えれば、年齢が上がるにつれて短くなる。 テロメアが短くなると、細胞は正常に機能しなくなります。 基本的に、テロメアが短いと、がんや心血管疾患など、さまざまな病気にかかりやすくなります。

最後に、親鎖とその相補的なDNA鎖は、おなじみの二重らせん状に巻かれます。 その結果、1本の新しいヌクレオチドと1本の古いヌクレオチドの鎖からなる2つのDNA分子ができあがります。 これら 2 つの娘ヘリックスのそれぞれは、親ヘリックスのほぼ完全なコピーです（突然変異のため、100％同じではありません）。

ヒトゲノム（細胞の核に存在する遺伝子の完全なセット）は、30 億個の塩基対で構成されています。 驚くべきことに、これほど長いものをコピーするのに、私たちの生物学的装置はほとんど時間を要しないのです。 すべての細胞は、わずか1時間ですべてのプロセスを完了するのです。