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。