DNA合成のメカニズム

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  • By 横山真帆 Ph.D. Reviewed by Hannah Simmons, M.Sc.

    生命のレシピのコピー

    DNA(deoxyribonucleic acid)は生体を作るための情報を含む生体分子である。 細胞が分裂して2つになるとき、両方の細胞に必要な遺伝情報が含まれるように、DNAをコピーしなければなりません。 2912>

    DNA 複製の例:生きた細胞で新しい DNA 鎖を合成することを「DNA 複製」と呼びます。 Image Credit: Designua /

    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。

    Sources

    • DNA synthesis, an overview; Science Direct – https://www.sciencedirect.com/topics/neuroscience/dna-synthesis
    • Nucleotide; Biology Dictionary – https://biologydictionary.net/nucleotide/
    • DNA polymerase, an overview; Science Direct – www.sciencedirect.com/…/dna-polymerase
    • Polymerase Chain Reaction; National Center for Biotechnology Information (NCBI) – https://www.ncbi.nlm.nih.gov/probe/docs/techpcr/
    • DNA sequencing technologies; Nature Scitable – www.nature.com/scitable/topicpage/dna-sequencing-technologies-690

    Further Reading

    • すべてのDNAコンテンツ
    • Wat is DNA?
    • DNAの性質
    • DNAの化学修飾
    • DNAの生体機能

    執筆

    横山真穂博士

    研究者、サイエンスライター。 英国バース大学にて、黄色ブドウ球菌の機能ゲノム解析に関する論文を発表し、博士号を取得しました。 博士課程では、他の研究者と共同研究し、いくつかの論文を査読付き科学雑誌に発表した。 彼女はまた、世界中の学術会議で自分の研究を発表しました。

    Last updated Feb 26, 2019

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      Yokoyama、Maho. (2019, 2月 26)です。 DNA合成のメカニズム. ニュース-メディカル. 2021年3月24日、https://www.news-medical.net/life-sciences/Mechanism-of-DNA-Synthesis.aspx.

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      Yokoyama, Maho.より取得。 “DNA合成のメカニズム”. ニュース-メディカル. 2021年3月24日. <https://www.news-medical.net/life-sciences/Mechanism-of-DNA-Synthesis.aspx>.

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      Yokoyama, Maho. “DNA合成のメカニズム”. ニュース-メディカル. https://www.news-medical.net/life-sciences/Mechanism-of-DNA-Synthesis.aspx. (accessed March 24, 2021).

    • Harvard

      Yokoyama, Maho. 2019. DNA合成のメカニズム. News-Medical、2021年3月24日閲覧、https://www.news-medical.net/life-sciences/Mechanism-of-DNA-Synthesis.aspx.

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