DNA合成

DNAポリメラーゼ

DNAポリメラーゼは，DNAを鋳型として相補的なデオキシヌクレオチド三リン酸(dNTP)を娘鎖の3'末端に結合し，鎖を延長させる酵素である。この酵素は，DNA親鎖を3'→5'方向に読み取り，親鎖と相補的な新しい鎖（娘鎖）を5'→3'方向に延長合成する。ポリメラーゼの基質は４種のデオキシリボヌクレオチド三リン酸 (dATP, dGTP, dCTP, dTTP) である｡

　鎖の延長の開始には，親鎖の3'末端に，相補的な短いDNAやRNA断片が前もって結合していることが必要であり，単なる1本鎖には基本的には作用しない。つまり，DNAポリメラーゼは鎖の合成の開始はできない。この短い断片をプライマー(primer)という。DNA複製に関与する酵素はDNAを3'→5'方向に分解する活性を合わせもっている。この活性はDNA複製の校正に必要なものである。DNAポリメラーゼは多くの補助タンパク質と共同してDNA複製を行う｡

DNAポリメラーゼの構造はよく保存されており、生物種による差異はあまりない。またDNAポリメラーゼの持つ活性は、5→3ポリメラーゼ活性が基本であり， これに加えて3→5エキソヌクレアーゼ活性、5→3エキソヌクレアーゼ活性を有する。

[DNAポリメラーゼの特徴のまとめ]

  • 鎖の合成の開始はできない

  • DNAを鋳型として要求

  • DNA親鎖を3'→5'方向に読み取り、相補的なdNTPを娘鎖の3'末端に結合（5'→3'方向に延長）

  • 鎖の延長にプライマーを要求

  • 3'→5'DNA分解活性をもつ
    （校正機構のため）

大腸菌のDNAポリメラーゼ

● DNAポリメラーゼ I はDNA修復と複製（熟成）に関与する。

● DNAポリメラーゼ II も修復に関与。

● DNA複製の主役はポリメラーゼ III で，多くのサブユニットから成る。

これ以外に，DNA修復に関与するDNAポリメラーゼ IVとDNAポリメラーゼ Vも存在している｡

DNA ポリメラーゼIの立体構造

DNA鎖に結合している様子｡ 結合に関与する塩基性アミノ酸残基を赤で示す。

大腸菌DNAポリメラーゼIIIの構造

aeq： コア複合体（触媒中心）

　alpha： DNAポリメラーゼ

　exo： 3'-5'エキソヌクレアーゼ

beta： クランプ

gamma複合体： 進行性促進（クランプ装着）

tau： コアの二量体形成促進

beta サブユニットの構造

大腸菌DNAポリメラーゼIIIのbetaサブユニットは2量体で，ドーナツ状をしている｡12本のalpha-へリックスでできた中央の35Åの穴にDNAを通して複製中にDNAが外れないようにするため、クランプと呼ばれる｡DNAポリメラーゼのコア酵素の複製速度を1000倍に高める。

ヒト細胞のDNAポリメラーゼ

DNAポリメラーゼa、d、eがDNA複製に関与する酵素である。aは核DNAの複製開始とプライマー合成に関与する｡dはラギング鎖を合成，またDNA修復を行う。eはリーディング鎖を合成する酵素である。

DNAポリメラーゼbは核でDNA修復に関与する。

DNAポリメラーゼgはミトコンドリアDNAの複製と修復を行う。

下の表に掲げた以外に，DNA修復に関与するDNAポリメラーゼが数多く知られ，現在では１５種類確認されている。ここには５種類を示す。

ヒトDNAポリメラーゼbと切れ目のあるDNAの複合体

青のらせんはa-helix，緑の矢印はb-構造である｡中央に上から見た，切れ目のあるDNAの二重らせんが通っている。ポリメラーゼbはDNA鎖を挟み込むように結合する。

校正機能

DNAポリメラーゼは時々、間違ったヌクレオチドを挿入する。これは塩基の互変異性による場合がある。

DNAポリメラーゼのミスを引き起こす互変異性による以上塩基対形成

この時、DNAポリメラーゼは自身の3'→5'エキソヌクレアーゼ活性で下の図のように誤りを訂正する。この校正(proof-reading)機構により、大腸菌における複製の間違いは108～1010に1回程度に抑えられる。

DNAポリメラーゼの校正機構

DNA複製阻害剤

DNA複製阻害剤としては、DNAポリメラーゼを直接阻害するもの、複製に関わる他の酵素を阻害するもの、DNA二本鎖に強く結合して複製を阻害するなどがある。阻害剤の中には、抗がん剤や免疫抑制剤に用いられているものがある。