半保存的DNA複製の原理；複製フォーク、リーディング鎖とラギング鎖の合成

🧠 DNA複製の全ての複雑さは「2本鎖が逆平行anti-parallel逆平行（anti-parallel）anti-parallel（逆平行）である」という1つの幾何学的制約Limitations制約（Limitations）Limitations（制約）から生まれる。 DNAポリメラーゼは5′→3′方向にしか鎖を伸ばせないため、複製フォークreplication fork複製フォーク（replication fork）replication fork（複製フォーク）の進行方向と同じ向きの鎖（リーディング鎖leading strandリーディング鎖（leading strand）leading strand（リーディング鎖）、leading strand）は連続的に、逆向きの鎖（ラギング鎖lagging strandラギング鎖（lagging strand）lagging strand（ラギング鎖）、lagging strand）はDNAポリメラーゼが後ろ向きに小分けで合成する「岡崎フラグメントOkazaki fragment岡崎フラグメント（Okazaki fragment）Okazaki fragment（岡崎フラグメント）」方式にならざるを得ない——半保存的複製semiconservative replication半保存的複製（semiconservative replication）semiconservative replication（半保存的複製）という原理はシンプルだが、その実装は非対称にならざるを得ないということ。

背景

DNAは2本の鎖が二重らせんdouble helix二重らせん（double helix）double helix（二重らせん）状に互いに巻き付いた分子である。各鎖は塩基配列（A-T、C-G）からなり、2本の鎖は相補的——一方の鎖にTがあれば対岸には必ずAがある。各鎖には5′末端と3′末端があり、2本の鎖は逆方向に走る（逆平行anti-parallel逆平行（anti-parallel）anti-parallel（逆平行）、antiparallel）——この逆平行anti-parallel逆平行（anti-parallel）anti-parallel（逆平行）性こそが、各鎖の複製様式を決定する。

半保存的複製semiconservative replication半保存的複製（semiconservative replication）semiconservative replication（半保存的複製）：既知の全ての細胞でDNAが複製される機構。2つのコピーが生成され、それぞれが元の鎖（親、parent）1本と新しい鎖（娘、daughter）1本を含む。

複製の機序

1. 複製フォークの形成

DNA二重らせんdouble helix二重らせん（double helix）double helix（二重らせん）の両鎖が複製時の鋳型として機能するには、まず巻き戻される必要がある。この親DNA鎖の巻き戻しはヘリカーゼhelicaseヘリカーゼ（helicase）helicase（ヘリカーゼ）（水素結合を切断する酵素）により行われ、複製フォークreplication fork複製フォーク（replication fork）replication fork（複製フォーク）の形成をもたらす。原核生物では、巻き戻しはDNA分子上のoriC（複製起点ori複製起点（ori）ori（複製起点）、origin of replication）というセグメントで始まる。

二重鎖heavy chain重鎖（heavy chain）heavy chain（重鎖）DNAの局所的な巻き戻しはトーショナルストレスtorsional stressトーショナルストレス（torsional stress）torsional stress（トーショナルストレス）を生み、これはトポイソメラーゼItopoisomerase IトポイソメラーゼI（topoisomerase I）topoisomerase I（トポイソメラーゼI）（1本鎖を切断し他方の周りで巻き戻す、右巻き正の超らせん化を解消）により解消される（02-condensation-of-the-genetic-material-in-pro-and-eukaryotic-cells-the-role-of参照）。DNAポリメラーゼが二重鎖heavy chain重鎖（heavy chain）heavy chain（重鎖）DNAに沿って移動しコピーするには、ヘリカーゼhelicaseヘリカーゼ（helicase）helicase（ヘリカーゼ）が順次巻き戻し、トポイソメラーゼtopoisomeraseトポイソメラーゼ（topoisomerase）topoisomerase（トポイソメラーゼ）がスーパーコイルsupercoilスーパーコイル（supercoil）supercoil（スーパーコイル）を除去する必要がある。親DNA二重らせんdouble helix二重らせん（double helix）double helix（二重らせん）の2本鎖は逆平行anti-parallel逆平行（anti-parallel）anti-parallel（逆平行）であるため、それぞれ異なる様式で複製される。

複製フォークreplication fork複製フォーク（replication fork）replication fork（複製フォーク）は娘鎖の合成を実行するために全てのタンパク質が集まるDNA領域であり、以下の順序で形成される4つの構成要素からなる：

1. DNAヘリカーゼhelicaseヘリカーゼ（helicase）helicase（ヘリカーゼ）が親二重鎖heavy chain重鎖（heavy chain）heavy chain（重鎖）DNAの短いセグメントを巻き戻す
2. プライマーゼprimaseプライマーゼ（primase）primase（プライマーゼ）がDNA合成に不可欠なRNA分子（プライマー、primer）の合成を開始する
3. DNAポリメラーゼIIIが娘鎖合成を開始する
4. SSB（一本鎖DNAsingle-stranded DNA一本鎖DNA（single-stranded DNA）single-stranded DNA（一本鎖DNA）結合タンパク質、single-strand DNA-binding protein）がssDNAに結合し、ssDNAがdsDNAへ早期に再アニールするのを防ぐ

複製が進むにつれ、複製フォークreplication fork複製フォーク（replication fork）replication fork（複製フォーク）とタンパク質群は起点から離れていく。

2. プライマー合成

ヘリカーゼhelicaseヘリカーゼ（helicase）helicase（ヘリカーゼ）が親DNAを巻き戻すと、プライマーゼprimaseプライマーゼ（primase）primase（プライマーゼ）が巻き戻された鋳型鎖に相補的な短い（約12ヌクレオチド）RNAプライマーを形成する。これが新しいDNA鎖構築の開始点となる。

3. 鎖の伸長

DNAポリメラーゼがプライマーに結合し、さらに約25ヌクレオチド伸長する——結果として5′端がRNA、3′端がDNAからなるプライマーが形成される。

4. リーディング鎖とラギング鎖

親DNA二重鎖heavy chain重鎖（heavy chain）heavy chain（重鎖）の2本鎖は逆平行anti-parallel逆平行（anti-parallel）anti-parallel（逆平行）であり、DNAポリメラーゼは娘鎖に5′→3′方向にのみヌクレオチドを付加できる。

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='replication fork'>複製フォーク</span>：親DNA二<span class='jp-term jp-term-diagram' title='heavy chain'>重鎖</span>の巻き戻し"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='leading strand'>リーディング鎖</span>：単一RNAプライマーから5'→3'方向へ連続合成"]
  A --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='lagging strand'>ラギング鎖</span>：フォーク進行方向と逆向き"]
  C --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='Okazaki fragment'>岡崎フラグメント</span>ごとにRNAプライマーを新規合成"]
  D --> E["DNAポリメラーゼが5'→3'方向へ短いDNA鎖を付加"]
  E --> F["次のプライマーがさらに下流に追加され、次の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='Okazaki fragment'>岡崎フラグメント</span>を合成"]
  F --> D
  D --> G["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='exonuclease'>エキソヌクレアーゼ</span>がRNAプライマーを除去"]
  G --> H["DNAポリメラーゼδがギャップをDNAで埋める"]
  H --> I["DNA<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ligase'>リガーゼ</span>が隣接フラグメントを連結→連続した二本鎖"]

岡崎フラグメントOkazaki fragment岡崎フラグメント（Okazaki fragment）Okazaki fragment（岡崎フラグメント）の合成過程：

1. 各フラグメントはRNAプライマーから開始される
2. DNAポリメラーゼが5′→3′方向に短いDNA塩基の列を付加する。次のプライマーはラギング鎖lagging strandラギング鎖（lagging strand）lagging strand（ラギング鎖）のさらに下流に追加される
3. 別の岡崎フラグメントOkazaki fragment岡崎フラグメント（Okazaki fragment）Okazaki fragment（岡崎フラグメント）が作られ、この過程が繰り返される
4. 新しいDNAが合成されると、エキソヌクレアーゼexonucleaseエキソヌクレアーゼ（exonuclease）exonuclease（エキソヌクレアーゼ）が両鎖から全てのRNAプライマーを除去する。別のDNAポリメラーゼ（δ）がその後にできたギャップをDNAで埋める
5. 最後にDNAリガーゼligaseリガーゼ（ligase）ligase（リガーゼ）が隣接するDNA断片を連結し、連続した二本鎖を形成する

⭐ リボヌクレアーゼH（ribonuclease H, RNase H）は岡崎フラグメントOkazaki fragment岡崎フラグメント（Okazaki fragment）Okazaki fragment（岡崎フラグメント）の5′端のリボヌクレオチドを除去し、デオキシリボヌクレオチドdeoxyribonucleotideデオキシリボヌクレオチド（deoxyribonucleotide）deoxyribonucleotide（デオキシリボヌクレオチド）に置き換える（RNA→DNAへの上書き）。

まとめ

• DNA複製は半保存的（各娘二重鎖heavy chain重鎖（heavy chain）heavy chain（重鎖）が親鎖1本＋新生鎖1本を含む）であり、ヘリカーゼhelicaseヘリカーゼ（helicase）helicase（ヘリカーゼ）による巻き戻し・トポイソメラーゼItopoisomerase IトポイソメラーゼI（topoisomerase I）topoisomerase I（トポイソメラーゼI）によるトーショナルストレスtorsional stressトーショナルストレス（torsional stress）torsional stress（トーショナルストレス）解消・プライマーゼprimaseプライマーゼ（primase）primase（プライマーゼ）によるRNAプライマー合成primer synthesisプライマー合成（primer synthesis）primer synthesis（プライマー合成）・DNAポリメラーゼIIIによる娘鎖合成・SSBによるssDNA保護という4要素が複製フォークreplication fork複製フォーク（replication fork）replication fork（複製フォーク）を構成する。
• DNAポリメラーゼは5′→3′方向にしか合成できないため、フォーク進行方向と同じ向きのリーディング鎖leading strandリーディング鎖（leading strand）leading strand（リーディング鎖）は連続合成、逆向きのラギング鎖lagging strandラギング鎖（lagging strand）lagging strand（ラギング鎖）は岡崎フラグメントOkazaki fragment岡崎フラグメント（Okazaki fragment）Okazaki fragment（岡崎フラグメント）という不連続な断片として合成される。
• 岡崎フラグメントOkazaki fragment岡崎フラグメント（Okazaki fragment）Okazaki fragment（岡崎フラグメント）はRNAプライマーから開始し、エキソヌクレアーゼexonucleaseエキソヌクレアーゼ（exonuclease）exonuclease（エキソヌクレアーゼ）（RNase H含む）によるプライマー除去、DNAポリメラーゼδによるギャップ充填、DNAリガーゼligaseリガーゼ（ligase）ligase（リガーゼ）による連結という3段階の後処理を経て連続鎖となる。