DNA合成のメカニズム

Making a New Strand of DNA

DNA は2本のDNAが2つのヘリックスに結合した状態で発見されました。 DNAの複製プロセスは、2本のDNA鎖が分離するところから始まります。 ヘリカーゼと呼ばれる酵素が2本のDNA鎖の間の結合をほどいて分離し、この分離した鎖の両方が新しいDNAを作るためのテンプレートとして機能します。 しかし、この酵素が働くためには、プライマーが必要である。プライマーとは、一本のDNA鎖の一方に付着している短いヌクレオチド配列のことである。 DNAの複製中、プライマーは通常短いリボ核酸（RNA）配列であり、後に分解されてDNAに置き換わる。

プライマーは3’水酸基を持ち、そこにDNAポリメラーゼがDNAの前駆物質であるヌクレオチドを付加する。 ヌクレオチドがプライマーまたは新しいDNA鎖の3’末端に付加されると、プライマー/新しいDNAの3’水酸基とヌクレオチドの5’リン酸基の間に結合が形成される。

DNAヌクレオチドには、アデニン（A）、シトシン（C）、グアニン（G）およびチミン（T）というそれぞれ異なる窒素塩基の付いた4種類のヌクレオチドが存在する。 これらは常にA-TとC-Gのペアで存在する。 これは「ワトソン・クリック塩基対」と呼ばれ、鋳型に「A」のヌクレオチドがあれば、「T」のヌクレオチドが成長中のDNA鎖に付加されることになります。

DNAの方向性とDNA合成への影響

DNAには方向性があり、一方の鎖は5’から3’へ、もう一方は3’から5’へと向かいます。 5′-3’鎖では、新しいDNAを合成する際に3’末端が露出する。 つまり、DNAポリメラーゼは鋳型DNAの方向に新しいDNAを作ることができるのです。

しかし、3′-5’立となると、これは5’端が露出したままになりますが、DNAポリメラーゼはこれにどう対処しているのでしょうか。 3′-5’鎖では、DNAポリメラーゼが岡崎フラグメントと呼ばれる5′-3’の短いフラグメントを作って、新しいDNAが作られるのです。

Proof-Reading

鋳型となるDNA鎖にヌクレオチドを付加する際にエラーが起こることがあります。 DNAポリメラーゼの中には、「3′-5’エキソヌクレアーゼ活性」と呼ばれるものを持つものがあります。 3′-5’エキソヌクレアーゼ活性は、ポリメラーゼや合成活性に逆らって働き、鋳型と一致しないヌクレオチドを切り離すのである。 これは、新しい DNA 鎖が可能な限り正確であるように、校正を行います。

How is this Exploated in Molecular Biology?

DNA合成の特性は、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）とDNA配列決定というさまざまな分子生物学技術で使用されています。 DNAのプライマーは、目的の領域をカバーするように設計されている。 熱で2本のDNA鎖を分離し、温度を下げてプライマーをDNAに付着させる。

DNA Sequencing

DNA シークエンスは、DNA に含まれる塩基（A、C、G、T）の順序を調べることである。 サンガー・シーケンスは、DNAの合成を停止させるという、初期のDNA配列決定技術の一つです。 これは、ヌクレオチドの3’末端から水酸基を取り除くことによって可能になる。したがって、この「ジデオキシヌクレオチド」がDNA鎖に組み込まれると、DNAポリメラーゼは次のヌクレオチドを付加することができないのである。 このジデオキシヌクレオチドがヌクレオチドと混在しているため、様々な長さの断片が作られる。 ジデオキシ-A、ジデオキシ-C、ジデオキシ-G、ジデオキシ-Tを別々の反応にすることで、断片の最後のヌクレオチドを決定することができる。 2912>

最近のDNAシーケンスは自動化されており、サンガーシーケンスよりも手間がかからないが、サンガーシーケンスをベースにしたものもあり、例えばジデオキシヌクレオチドに異なる蛍光色素を加え、その違いを蛍光色の違いで検出する方法がある。

Further Reading

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