Biochem-III file 05

生化学Ⅲ 第５回
生化学ⅢSBO-8
遺伝子の複製・変異・修復-１
DNAの複製の過程について説明できる
DNAReplication
今回のSBOs
DNAの複製の過程について説明できる
SBO-8課題(予習＆復習)
DNAの複製に関連する基本的な用語の意味につい
て確認し、ノートにまとめること。
複製起点、複製フォーク、DNAヘリカーゼ、DNAトポイ
ソメラーゼ、DNAポリメラーゼ、プライマー、DNAプラ
イマーゼ、リーディング鎖とラギング鎖、岡崎フラグ
メント、不連続複製、ヌクレアーゼ、DNAリガーゼ、
テロメラーゼ、染色体の分配、細胞周期、サイクリン、
サイクリン依存性プロテインキナーゼ
SBO-8小テスト-1
２本鎖DNAが解離して、１本鎖のDNAを鋳型に新たなDNA
が合成される過程を半保存的複製という。
Yes
複製開始点
SBO-8課題(予習＆復習)-2
遺伝学に関する歴史上重要な研究（研究者・実
験方法・研究結果・定説など）について確認し、
ノートにまとめること。
メセルソンとスタール(M.Meselson&F.Stahl)の研究
DNAの複製
DNAの複製(合成)は、適切な場所で、適切な
時期に、正確に行われるよ！
No
複製開始点
結合タンパク質
複製開始点
複製開始点
特定の塩基配列
特定の塩基配列
DNAの複製が始まる場所を、
複製開始点と呼びます。
複製開始点に特定のDNA結
合タンパク質が結合して
DNA合成が始まります。
DNAの解裂
DNAの合成
複製ホーク
DNAポリメラーゼが鋳型DNA
鎖に対して相補的なDNA鎖
を合成するよ。
複製開始点でDNAが解裂し
て、１本鎖DNAになるよ。
環状DNAの複製
DNAの複製
環状DNAでは１カ所の複製起点からDNAの分離が
始まり、複製フォークの両側にDNA合成が進行す
る。最終的に複製終結点で終了する。
DNAreplication
大腸菌のDNA複製に必要な因子
１，複製開始因子
２，DNAヘリカーゼ
３，DNAトポイソメラーゼ
４，DNAプライマーゼ
５，DNAポリメラーゼⅠ＆Ⅲ
６，DNAリガーゼ
７，ヌクレオチド（4種類）
複製された２つの環状DNAは、Ⅱ型トポイソメ
ラーゼにより分離される（大腸菌の場合）。
細菌DNA、ミトコンドリアDNA、葉緑体DNA、プラ
スミドDNA。
原核生物のDNA複製
環状DNAの複製モデル
大腸菌の場合、複製開始点から複製が両方向に
進行する。
複製フォーク
複製起点
複製開始点
(oriC)
複製終結点
(ter)
複製終結点
DNAヘリカーゼ
複製開始因子
最初に複製を制御するタンパク質(複合体)が複
製起点(oriC)に結合する。
複製開始タンパク質
5'
複製起点
（複製開始点）
3'
DNAヘリカーゼは、複製起点に結合して2本鎖DNA
を分離させ１本鎖にする。
3'
5'
5'
3'
DNA
H
H
3'
5'
DNA
複製起点
大腸菌ではDnaAなどが知られている。
大腸菌の場合、ヘリカーゼ活性を有するDnaBとDnaCが２本鎖DNA
を両方向にほどく。
複製フォーク
一本鎖DNA結合タンパク質
ヘリカーゼの働きにより、複製フォークが形成
される。
5'
H
H
3'
一本鎖DNAに結合して、ヘアピン構造の形成をふ
せぐ
3'
5'
5'
3'
複製フォーク
（replicationfork）
3'
プライマーゼ
DNAトポイソメラーゼは、２本鎖DNAの分離に伴
い形成される超らせんを解消する。
プライマーゼは分離したそれぞれのDNA鎖の一部
分に相補的なRNAプライマー(10塩基程度)を合成
する。
P
複製フォーク→
T
T
H
H
3'
5'
3'
5'
3'
3'
5'
←複製フォーク
（replicationfork）
P
RNAprimer
プライマーゼはRNA合成酵素(DNA依存RNAポリメラーゼ)
外部からのエネルギーを必要としない(ATP不要)
DNAポリメラーゼ
プライマーゼの詳細
RNA鎖の3 末端水酸基とNTPの5 位のリン酸基をエス
テル結合させ、鋳型DNAに相補的なRNA鎖を合成する。
DNAポリメラーゼⅢがRNAプライマーに続いて鋳
型DNAに相補的な新しいDNA鎖を合成する。
エステル結合
↓
NTP
RNA
5'
一本鎖DNA結合タンパク質
(single-strandDNAbindingprotein)
DNAトポイソメラーゼ
5'
H
H
5'-ACUCUAGU-3'
DNA
llllllll
3'-ATCTGAGATCTCGAGTTAGTAG-5'
Pol-III
5'
3'
3'
3'
5'
5'
5'
3'
←水素結合
Pol-III
DNA合成の方向性
DNAポリメラーゼⅢの詳細
DNA鎖の3'末端水酸基とdNTPのリン酸基をエステ
ル結合させる。
DNAポリメラーゼは、鋳型DNA鎖を3
取りながら、新しいDNA鎖を5 →3
エステル結合
↓
RNA
DNA
dNTP
5'-ACUCUAGUGCTCA-3'
DNA
lllllllllllll
3'-CTGAGATCTCGAGTTAGTAGAT-5'
一方通行だよ
→5 方向に読み
方向に伸長させる。
リーディング鎖とラギング鎖
リーディング鎖とラギング鎖
リーディング鎖は、複製フォークの移動に伴って連続
的に合成される。
5
3
H
3
リーディング鎖の反対側はどうやって合
成するでしょうか？
5
H
H
5
複製開始点
3
3
5
H
複製開始点
リーディング鎖
リーディング鎖
リーディング鎖とラギング鎖
リーディング鎖とラギング鎖
ラギング鎖DNAは非連続的に合成される
ラギング鎖には岡崎フラグメントが形成される。
岡崎フラグメント
5
3
H
3
H
5
複製開始点
リーディング鎖
真核生物：100 150ヌクレオチドずつ合成
原核生物：1000 2000ヌクレオチドずつ合成
ラギング鎖
(Okazakifragment)
複製フォークの進行方向とは逆にDNAが伸長
するラギング鎖では、岡崎フラグメントと呼
ばれるDNA断片が合成される。
岡崎フラグメントの長さは、大腸菌で1 2千
塩基対、真核細胞では100 200塩基対と言わ
れている。
DNAポリメラーゼⅠ
DNAポリメラーゼⅠ
DNAポリメラーゼⅠは、RNAプライマーの除去機
能とDNA合成機能を持つ
PolI
DNA
DNAポリメラーゼⅠはエキソヌクレアーゼ活性
を持ち、RNAプライマーを分解除去する。
DNA
5'
3'
3'
5'
PolI
DNA
RNA
-3' 5'-
5'-CTAGAGAGCTCAATCAT-3'
DNA
lllllllllllllllll
3'-GATCTGAGATCTCGAGTTAGTA-5'
5 →3 エキソヌクレアーゼ活性：ヌクレオチドを
末端から除去する働き
大腸菌のDNAポリメラーゼ
DNAポリメラーゼⅠ
DNAポリメラーゼⅠは、RNAプライマーを除去し
た後、相補的DNA鎖を合成する。
dATP
DNA
-3' 5'-
5'-CTAGACTCTTCAATCAT-3'
DNA
lllllllllllllllll
3'-GATCTGAGATCTCGAGTTAGTA-5'
役割の異なる複数のDNAポリメラーゼが存在する。
大腸菌のPolIはDNAの修復とRNAプライマーの除
去。PolⅢはDNA複製と複製時のエラー校正。
DNA
5
→3 DNAポリメラーゼ活性を有する
ポリメラーゼⅠ ポリメラーゼⅡ
ポリメラーゼⅢ
5 →3 DNA合成活性
＋
＋
＋
3 →5 DNA分解活性
＋
＋
＋
5 →3 RNA分解活性
＋
−
−
DNAリガーゼの詳細
DNAリガーゼ
DNAリガーゼは新たに合成されたDNA鎖の末端同
士を結合させる。
L
3'末端
水酸基
DNA
5'
3'
3'
5'
L
岡崎フラグメントの3
DNAリガーゼはATP依存的にDNA鎖の3'末端水酸基
と5'末端リン酸基をエステル結合させる。
末端が隣接するDNAの5
末端と結合
5'末端
リン酸基
DNA
DNA
CT
5'-CTAGACTCTAGAGCAATCAT-3'
DNA
llllllllllllllllllll
3'-GATCTGAGATCTCGAGTTAGTA-5'
真核生物の細胞周期
原核生物の複製されたDNAの分離
DNAジャイレース（DNAトポイソメラーゼⅡ）は
複製が完了したDNAを分離する。
ATP
分裂開始から次の分裂開始までを細胞周期という。細
胞周期はG1、S、G2、Mの4段階に分かれている。
参考：キノロン系の抗生物質は細菌のジャイレースを阻害する。
細胞周期とDNA合成
細胞周期とDNA合成
細胞分裂の前にDNAが合成(複製)される(例外：減数分
裂の第２分裂前)
DNA合成はS期に行われる。
G2期
DNA合成
細胞分裂
DNA合成
細胞分裂
S期
M期
G1期
真核生物の染色体の複製と分離
間期
間期には遺伝子が発現しタンパク質が合成される
間期
核小体
Ｓ期
Ｓ期にDNAが合成される。G2期のDNA量はG1期の２倍
中心体
核
真核生物の染色体の複製と分離
前期
真核生物の染色体の複製と分離
前期
相同染色体
染色体
星状体
紡錘糸
コルヒチンの作用
真核生物の染色体の複製と分離
コルヒチンはチューブリンの重合を阻害し、M期の進行
を阻害する(微小管や中心体の形成阻害)。
中期
αチューブリン
βチューブリン
赤道面
チューブリンの重合方向
動原体
コルヒチン
真核生物の染色体の複製と分離
後期
真核生物の染色体の複製と分離
終期
くびれ
真核生物の染色体の複製と分離
終期
真核生物の染色体の複製と分離
間期
娘核
細胞分裂
細胞分裂
娘細胞
細胞周期のチェックポイント
すべてのDNAが複製したか？
環境は望ましいか？
DNAが損傷して
いないか？
細胞周期のチェックポイント
すべての染色体が紡錘体に
付着しているか？
サイクリンとサイクリン依存プロテインキナーゼ(CDK)
による制御
細胞周期の制御系
真核細胞では細胞周期にあわせてサイクリンの濃度が
変化し、サイクリン依存プロテインキナーゼ(CDK)の活
性が変化する。
DNAが損傷して
いないか？
DNAが損傷して
いないか？
環境は望ましいか？
細胞周期の制御系
直鎖状DNAの複製モデル
サイクリンによって活性化したCDKは、細胞周期の進行
に必要なタンパク質をリン酸化する。
複製起点
テロメア
テロメア
複製単位＝レプリコン
真核細胞の細胞周期はサイクリンとサイクリン依存プ
ロテインキナーゼ(CDK)によって制御される。
テロメア
直鎖状DNAの複製モデル
直鎖状DNAでは、複数箇所の複製起点からDNAの
分離が始り、DNAの複製が行われる。
復習：真核生物のDNAの両末端にはテロメアが存
在する。
真核細胞の染色体DNAの複製単位をレプリコンという
テロメア
セントロメア
5'
3'
直鎖状DNAの末端は複製の度に少しずつ短くなる。
3
末端
新生DNA鎖
RNAプライマー
新生DNA鎖
欠失
鋳型DNA鎖
3'
（動原体）
5'
テロメア
テロメア
鋳型DNA鎖
テロメア
テロメアがある程度短くなると細胞分裂できなくなる。
テロメア
テロメア部分は、一方の3
5
末端側に続く
3
末端側に続く
テロメア
末端が長く他方の5
末端が短い
3
5
末端
末端
短い
末端
テロメラーゼ
RNAを鋳型にDNAを合成する(逆転写)活性を持つ。
細胞内ではループ構造
になる
5
テロメアはタンパク質と結合してループ構造(D-loopと
t-loop)を形成する。
D-ループ
t-ループ
3
末端
テロメラーゼ
直鎖状DNAの両末端に存在するテロメアは、DNA
複製のたびに短くなる。テロメラーゼは必要に
応じてテロメアを合成(再生)する。
再生

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