ＤＮＡの複製（自己複製）
| 多細胞生物では，受精卵から分裂増殖した莫大な細胞によって，胚形成が行われる。 また，成体になっても，古い細胞を交換するため，細胞は常に新生されている。この細胞分 裂の引き金となるのがＤＮＡの複製であり，遺伝子ＤＮＡは自らの複製（自己複製）を通して 細胞分裂を調節している。そして，ＤＮＡの複製によって親細胞の遺伝情報は娘細胞へ正 確に受け継がれている。ひいては，その情報が，生殖細胞の分裂を介して生物を連続させ ることにもなる。ＤＮＡ複製のしくみは３段階に分けると理解しやすい。....................................... |
| Ⅰ．半保存的複製 ＤＮＡの複製では二重らせん構造が実にうまく利用されており，片方のＤＮＡ鎖が鋳型とな って,もう一方の新しい鎖が合成される。このような複製のしかたを半保存的複製という（図 Ａ）。この方法だと，塩基対の法則（Ａ－Ｔ，Ｃ－Ｇ）に従い，全く同一の塩基配列をもつＤＮＡ 二重鎖が２本出来上がり，遺伝情報を間違いなく娘細胞へ伝達できる。ＤＮＡ複製が現在 進行中の部位はその形状から複製フォークと呼ばれる（図Ｂ）。複製フォークでの詳細な反 応過程が次の段階になる。................................................................................................................... |
図Ａ 半保存的複製の模式図 図Ｂ 複製フォーク
Ⅱ．複製フォークでの反応過程
新しいＤＮＡ鎖を合成する酵素をＤＮＡポリメラーゼといい，この酵素は５’→３’の方向へ 鎖を伸長させる特性を持つ。ＤＮＡポリメラーゼが複製フォークで働くためには，ＤＮＡ二重鎖 がヘリカーゼで開裂された後，１本鎖ＤＮＡを鋳型として，まず短いＲＮＡ鎖（プライマー）が 合成される必要がある。このプライマーが種火となって初めてＤＮＡポリメラーゼが働き，新 しいＤＮＡ鎖（新生鎖）を伸長させていく（図Ｃ）。プライマーは役目を終えると除去される。..... |
図Ｃ ＤＮＡポリメラーゼによる新生鎖合成
| ただし，図Ｄで明らかなように，鋳型となる各ＤＮＡ鎖の方向性は，複製フォークの進行方 向に対して，一方（図の上側）が３’→５’で，他方（図の下側）が５’→３’と逆になっている。 従って，新生鎖の方向性は，前者が５’→３’で，後者が３’→５’になる。ところがＤＮＡポリメ ラーゼは５’→３’の方向だけに鎖を伸長させる酵素なので，５’→３’の新生鎖は連続的に 伸長できるが，３’→５’の新生鎖は連続して伸長できない。それで，新生鎖の複製方法は， 連続的複製と不連続的複製に分けられる。ＤＮＡの複製機構は真核生物ではまだ未解決な 部分が多い。しかし，基本的には原核生物と同じなので，ここでは大腸菌を例に説明する。 |
図Ｄ 連続的複製と不連続的複製の模式図（大腸菌の例）
| ＜連続的複製＞............................................................................................................................................ ヘリカーゼで分離された各ＤＮＡ鎖のうち，３’→５’鎖を鋳型に合成される新生鎖（５’→３ ’）では，ＤＮＡポリメラーゼによる伸長方向が複製フォークの進行と同一方向になり，連続 的に複製が進む。この新生鎖をリーディング鎖（先行鎖）という（図Ｄ参照）。.............................. ＜不連続的複製＞...................................................................................................................................... もう一方の５’→３’鎖を鋳型に合成される新生鎖は３’→５’方向になるが，その方向に鎖 を伸長させる複製酵素はない。そこで，ＤＮＡポリメラーゼが，複製フォークの進行に逆らっ て，５’→３’方向に鎖を伸長させることになる。そのため，新生鎖の伸長は途中で中断さ れ，短いＤＮＡ鎖が不連続に合成される。その後，短いＤＮＡ鎖が連結されて，新生鎖が完 成する。この新生鎖をラギング鎖（遅延鎖）という。以下は，ラギング鎖の詳しい形成過程で ある（図Ｄの番号順に説明）。.......................................................................................................................... ① ヘリカーゼで分離された５’→３’鎖は結合タンパク質で補強され，安定な状態になる。 ② プライマーゼにより，まず，プライマーが５’→３’方向に合成される。.................................... ③ このプライマーに続いて，ＤＮＡポリメラーゼⅢにより，新生鎖が５’→３’方向に合成さ れ始める。しかし，先に合成開始点となったプライマーの部位までしか伸長できない。こ のようにしてできた新生鎖の断片は発見者にちなんで，岡崎フラグメント（岡崎断片）と呼 ばれる。............................................................................................................................................................... ④ 岡崎フラグメントの形成が終了すると，別のＤＮＡポリメラーゼⅠにより，先のプライマ ーが分解されてＤＮＡ鎖に置き換えられる。........................................................................................... ⑤ 最後に，ＤＮＡリガーゼにより，岡崎フラグメントと④で置き換えられたＤＮＡ鎖が連結さ れる。................................................................................................................................................................... ⑥ 以上の反応の繰り返しによって，１本の連続した新生鎖になり，複製が完了する。........ |
Ⅲ．染色体への分子構築
| 真核生物の細胞分裂では，複製されたＤＮＡは染色体の形に凝縮された後，２個の娘細 胞に分配される。ヒトの場合４６本の染色体に凝縮されるが，長さ１０μｍの染色体に含ま れるＤＮＡは１０ｃｍにもなり，約１００００分の１に圧縮されている。全染色体のＤＮＡの長さ を合計すると，実に１ｍ以上になる。すなわち，ＤＮＡがもつ莫大な遺伝情報は染色体の形 成によって初めて，娘細胞へ正確に伝達されるのである。ＤＮＡの長い二重らせんがどのよ うに折り畳まれて染色体になるのかはまだ明らかでないが，その基本モデルは次のように 考えられている（図Ｅ参照）。............................................................................................................................ |
| ＜多重らせん化モデル＞ ① 分裂前の細胞核では，ＤＮＡはタンパク質と結合したクロマチンと呼ばれる状態で存在 する。..................................................................................................................................................................... ② クロマチン内のＤＮＡは，特にヒストンというタンパク質と一定比率で結合しており，この タンパク質に巻き付けられている。........................................................................................................... ③ ＤＮＡとヒストンが結合した単位をヌクレオソームといい，ヌクレオソームは繰り返されて 数珠状につながっている。........................................................................................................................... ④ 分裂期にはいると，ヌクレオソームの連続した鎖をもとにらせん化した太い鎖ができる （一次らせん化）。............................................................................................................................................ ⑤ この太い鎖が，さらに二次らせん化，三次らせん化ぐらいまで進み，染色体になると推 測されている。................................................................................................................................................... ⑥ 染色体の構築では，部分的にはループモデルやジグザグモデル等も考えられている。 |
図Ｅ ヌクレオソーム鎖による多重らせん化モデル
| ＤＮＡ複製による細胞分裂は，単に細胞を増殖させているのではなく，細胞分化，老化， 抗体産生，傷口の修復，癌化などの生命現象と密接に関連していることを忘れてはならな い。つまり，個体の存続は，毎日，どこかで細胞が分裂し，その分裂に応じた形質が発現さ れることによって支えられている。細胞分裂のスタートとなるＤＮＡ複製の重要性は，まさに ここにある。............................................................................................................................................. |