Molecular Cell Biology · 6

原核生物と真核生物におけるDNA複製の比較

Comparison of DNA-replication in pro- and eukaryotes

🧠 原核生物と真核生物のDNA複製は「半保存的・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）5′→3′・ラギング鎖lagging strandラギング鎖（lagging strand）lagging strand（ラギング鎖）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）」という同じ設計図を共有するが、実装のスケールが全く異なる——環状DNA・単一複製起点ori複製起点（ori）ori（複製起点）・大きな岡崎フラグメントOkazaki fragment岡崎フラグメント（Okazaki fragment）Okazaki fragment（岡崎フラグメント）の原核生物に対し、真核生物は線状DNA・1000超の複製起点ori複製起点（ori）ori（複製起点）（バブルbubbleバブル（bubble）bubble（バブル））・小さな岡崎フラグメント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「同じ原理を桁違いに並列化した」システムになっている。この違いの根底には、真核生物だけがテロメア問題を抱える（線状染色体の宿命）という1点がある。

複製の場所

	原核生物	真核生物
場所	細胞質	核

複製機構の比較

共通点： 半保存的機構（05-principles-of-the-semiconservative-dna-replication-replication-fork-leading-and参照）、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）（5′→3′）、ラギング鎖lagging strandラギング鎖（lagging strand）lagging strand（ラギング鎖）（3′→5′方向に鋳型を読む）。

	原核生物	真核生物
DNA形状	環状	線状、はるかに長い
複製起点ori複製起点（ori）ori（複製起点）	1個のみ（約100〜200 bp以上）	1000超の複製バブルbubbleバブル（bubble）bubble（バブル）（各約150ヌクレオチド）
複製方向	起点から両方向	全起点で同時に開始
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）長	長い（1000〜2000ヌクレオチド）	短い（100〜200ヌクレオチド）

酵素（ポリメラーゼ）の比較

共通の酵素分類：

エンドヌクレアーゼendonucleaseエンドヌクレアーゼ（endonuclease）endonuclease（エンドヌクレアーゼ）：ポリヌクレオチドpolynucleotideポリヌクレオチド（polynucleotide）polynucleotide（ポリヌクレオチド）鎖の中央でホスホジエステル結合phosphodiester bondホスホジエステル結合（phosphodiester bond）phosphodiester bond（ホスホジエステル結合）を切断
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）：ポリヌクレオチドpolynucleotideポリヌクレオチド（polynucleotide）polynucleotide（ポリヌクレオチド）鎖の末端でホスホジエステル結合phosphodiester bondホスホジエステル結合（phosphodiester bond）phosphodiester bond（ホスホジエステル結合）を切断

原核生物のDNAポリメラーゼ

酵素	修復活性	合成活性
DNAポリメラーゼI	3′-5′・5′-3′両方向のエキソヌクレアーゼ活性exonuclease activityエキソヌクレアーゼ活性（exonuclease activity）exonuclease activity（エキソヌクレアーゼ活性）を持ち除去修復excision repair除去修復（excision repair）excision repair（除去修復）に関与——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）のプライマーを単独で除去可能	RNAプライマーへのヌクレオチド付加。Pol IIIホロ酵素holoenzymeホロ酵素（holoenzyme）holoenzyme（ホロ酵素）が組み立つと高い進行性で複製を引き継ぐため、Pol Iは主にラギング鎖lagging strandラギング鎖（lagging strand）lagging strand（ラギング鎖）でプライマー配列をDNAに置換する役割を担う
DNAポリメラーゼII	3′-5′エキソヌクレアーゼ活性exonuclease activityエキソヌクレアーゼ活性（exonuclease activity）exonuclease activity（エキソヌクレアーゼ活性）を持つ	DNA合成は非常に緩徐で、DNA修復にのみ関与
DNAポリメラーゼIII	3′-5′エキソヌクレアーゼ活性exonuclease activityエキソヌクレアーゼ活性（exonuclease activity）exonuclease activity（エキソヌクレアーゼ活性）を持つ	複製の主役MAIN主役（MAIN）MAIN（主役）

真核生物のDNAポリメラーゼ

酵素	役割
α（アルファandexanet alfaアルファ（andexanet alfa）andexanet alfa（アルファ））	プライマーゼprimaseプライマーゼ（primase）primase（プライマーゼ）の後の初期セグメント（15〜30ヌクレオチド）の合成
β（ベータ）	DNA修復（主要な修復酵素）
γ（ガンマ）	ミトコンドリア内でのDNA合成
δ（デルタ）	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）・ラギング鎖lagging strandラギング鎖（lagging strand）lagging strand（ラギング鎖）の合成（主要な合成酵素）
ε（イプシロン）	DNA修復・合成の両方（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））

⭐ 一部のポリメラーゼはエキソヌクレアーゼ活性exonuclease activityエキソヌクレアーゼ活性（exonuclease activity）exonuclease activity（エキソヌクレアーゼ活性）を持たず、他の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）と複合体を形成する（3′-5′校正proofreading校正（proofreading）proofreading（校正）、proofreading；RNAプライマーの分解）。δ・εポリメラーゼはエキソヌクレアーゼ活性exonuclease activityエキソヌクレアーゼ活性（exonuclease activity）exonuclease activity（エキソヌクレアーゼ活性）を持つ。

その他のタンパク質・酵素

共通点： リガーゼligaseリガーゼ（ligase）ligase（リガーゼ）、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）・II、プライマーゼprimaseプライマーゼ（primase）primase（プライマーゼ）。

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）の型	機序
I型（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）1・3）	1本鎖を切断、エネルギー源不要
II型（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）2・4）	2本鎖を切断、ATP要求

	原核生物	真核生物
リガーゼligaseリガーゼ（ligase）ligase（リガーゼ）のエネルギー源	NAD⁺	ATP
テロメア・テロメラーゼtelomeraseテロメラーゼ（telomerase）telomerase（テロメラーゼ）	なし	あり（胚性幹細胞embryonic stem cell胚性幹細胞（embryonic stem cell）embryonic stem cell（胚性幹細胞）・癌細胞でのみ活性、07-telomeric-repeat-sequences-replication-of-the-telomeric-regions-of-eukaryotic参照）
開始タンパク質	細菌特有の開始タンパク質群	PCNA、RFC、RNase H、FEN1

原核生物の複製開始機構

DNA複製はoriCという単一の規定DNA配列から始まる
複数の開始タンパク質分子がoriCの特異的DNA配列に結合し、DNAをタンパク質にきつく巻き付けたコンパクト構造を形成して二重らせんdouble helix二重らせん（double helix）double helix（二重らせん）を不安定化させる
DnaAタンパク質がDnaAボックスと呼ばれる起点領域に結合し、13 bpの開口を引き起こし、DNAが負に超らせん化される
このDNA開口によりタンパク質複合体が複製バブルbubbleバブル（bubble）bubble（バブル）へ入りssDNAに結合できるようになる——各複合体はDnaB（ヘリカーゼhelicaseヘリカーゼ（helicase）helicase（ヘリカーゼ））とDnaC（ヘリカーゼhelicaseヘリカーゼ（helicase）helicase（ヘリカーゼ）ローダー、helicase loader）からなる
DnaAボックス上流のDnaBボックス（AT豊富で巻き戻しが起こりやすい、ATP要求）が巻き戻される
ヘリカーゼhelicaseヘリカーゼ（helicase）helicase（ヘリカーゼ）ローディングタンパク質がヘリカーゼhelicaseヘリカーゼ（helicase）helicase（ヘリカーゼ）を運び込み、適切にロードされるまでヘリカーゼhelicaseヘリカーゼ（helicase）helicase（ヘリカーゼ）の活性を抑制する
ロードされたヘリカーゼhelicaseヘリカーゼ（helicase）helicase（ヘリカーゼ）は環を開いてssDNAの周りに配置し、プライマーゼprimaseプライマーゼ（primase）primase（プライマーゼ）が初期プライマーを合成できるようにする
ローダーが解離する
2つの複製フォークreplication fork複製フォーク（replication fork）replication fork（複製フォーク）が組み立てられ、互いに逆方向へ移動する
SSB（一本鎖結合タンパク質）がssDNAの二次構造secondary structure二次構造（secondary structure）secondary structure（二次構造）形成・再アニールを防ぐ

真核生物に特有のタンパク質

タンパク質	機能
PCNA（増殖細胞核抗原nuclear antigen核抗原（nuclear antigen）nuclear antigen（核抗原）、proliferating cell nuclear antigen）	DNAポリメラーゼδ・εと複合環を形成し、ポリメラーゼが鋳型から解離するのを防ぐ
RFC（複製因子C、replication factor C）	PCNA環を開く機能。DNA 3′端へのPCNAの装着を触媒（ATP依存性）
RNase H	ポリメラーゼαまたはプライマーゼprimaseプライマーゼ（primase）primase（プライマーゼ）が作ったRNAプライマーを除去
FEN1	プライマー最後のRNAヌクレオチドを除去、H結合が不正確な場合はDNAヌクレオチドも除去しうる

速度と複製のタイミング

	原核生物	真核生物
速度	速い（500塩基/秒）	遅い（50塩基/秒）
複製のタイミング	ほぼ連続的に発生	細胞周期のS期のみ

flowchart TD
  A["原核生物：環状DNA、単一起点oriC"] --> B["両方向へ<span class='jp-term jp-term-diagram' title='replication fork'>複製フォーク</span>が進行（θ構造）"]
  B --> C["大きな<span class='jp-term jp-term-diagram' title='Okazaki fragment'>岡崎フラグメント</span>（1000-2000 nt）"]
  C --> D["速い（500塩基/秒）・ほぼ連続的"]

  E["真核生物：線状DNA、1000超の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ori'>複製起点</span>"] --> F["全起点で同時に複製開始（複製<span class='jp-term jp-term-diagram' title='bubble'>バブル</span>）"]
  F --> G["小さな<span class='jp-term jp-term-diagram' title='Okazaki fragment'>岡崎フラグメント</span>（100-200 nt）"]
  G --> H["遅い（50塩基/秒）・S期のみ"]

まとめ

原核生物・真核生物ともに半保存的複製semiconservative replication半保存的複製（semiconservative replication）semiconservative replication（半保存的複製）・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）の連続合成・ラギング鎖lagging strandラギング鎖（lagging strand）lagging strand（ラギング鎖）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）形成という共通原理を持つが、原核生物は環状DNA・単一起点・大きな岡崎フラグメントOkazaki fragment岡崎フラグメント（Okazaki fragment）Okazaki fragment（岡崎フラグメント）、真核生物は線状DNA・1000超の複製起点ori複製起点（ori）ori（複製起点）・小さな岡崎フラグメントOkazaki fragment岡崎フラグメント（Okazaki fragment）Okazaki fragment（岡崎フラグメント）という対照的な実装を取る。
DNAポリメラーゼは原核生物でI（除去修復excision repair除去修復（excision repair）excision repair（除去修復）・プライマー置換）・II（修復）・III（複製の主役）、真核生物でα（初期合成）・β（修復）・γ（ミトコンドリア）・δ（主要合成）・ε（修復兼合成）に分化している。
真核生物特有のPCNA-RFC複合体はポリメラーゼの高い進行性を保証し、テロメア・テロメラーゼtelomeraseテロメラーゼ（telomerase）telomerase（テロメラーゼ）は真核生物の線状染色体特有の問題に対応する。
複製速度は原核生物の方が10倍速く（500 vs 50塩基/秒）、複製のタイミングも原核生物はほぼ連続的である一方、真核生物は細胞周期のS期に限定される。