原核生物と真核生物におけるDNA複製の比較

🧠 原核生物と真核生物のDNADNA（deoxyribonucleic acid）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 replication origin複製起点（replication origin） replication origin（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・多数（ヒトでは実測25,000超）の複製起点 replication origin 複製起点（replication origin） replication origin（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

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）。

⚠️ 「起点が同時に発火する」は簡略化した言い方。 真核生物の起点は数が桁違いに多いのは確かで、ヒトゲノムでは次世代シーケンサによる直接マッピング（ini-seq）で25,000か所超が同定されている¹。しかし全部が一斉に開くわけではない。HeLa細胞のDNAコーミングでは起点は約40 kb間隔に並び、小さなクラスタ単位で順次発火して、その同期性がS期の進行につれて高まる²。「早期複製ドメイン・後期複製ドメイン」という複製タイミングのプログラムがあるということで、並列化されているが同時ではないと覚える。

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

💡 大腸菌のDNAポリメラーゼは実は5種類ある。 試験で問われるのはI・II・IIIだが、1999年以降にPol IV（DinB）とPol V（UmuD′₂C）が加わり、現在は大腸菌で5種類、出芽酵母budding yeasts 出芽酵母（budding yeasts）budding yeasts（出芽酵母） で8種類、ヒトでは少なくとも15種類が認められている³。IV・Vは校正 proofreading 校正（proofreading） proofreading（校正） 活性を持たない低忠実度の損傷乗り越え合成用で、SOS応答で誘導され変異の主な出どころになる。

真核生物のDNAポリメラーゼ

⭐ 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。

⚠️ δとεの鎖の分担は2007〜2008年に決着した。 古い教科書は「δがリーディング鎖 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） の両方を作り、εは補助と修復にまわる」と書く。しかし酵母で、特定のミスマッチ mismatch (base-pair mismatch) ミスマッチ（mismatch (base-pair mismatch)） mismatch (base-pair mismatch)（ミスマッチ） だけ起こしやすい低忠実度変異型 mutant 変異型（mutant） mutant（変異型） ポリメラーゼを作り、置換変異が起きる向きが複製起点 replication origin 複製起点（replication origin） replication origin（複製起点） との位置関係でどう変わるかを追った実験により、εがリーディング鎖 leading strand リーディング鎖（leading strand） leading strand（リーディング鎖） を⁵、δがラギング鎖 lagging strand ラギング鎖（lagging strand） lagging strand（ラギング鎖） を（δの複製の90%超がラギング鎖 lagging strand ラギング鎖（lagging strand） lagging strand（ラギング鎖） 鋳型で行われる）⁴担うという分担が示された。δ・εともに3′-5′校正 proofreading 校正（proofreading） proofreading（校正） 活性を持つ点は変わらない。

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）。

原核生物の複製開始機構

1. DNA複製はoriCという単一の規定DNA配列から始まる
2. 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
3. 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
4. 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
5. 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
6. 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
7. 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
8. ローダーが解離する
9. 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
10. 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

速度と複製のタイミング

flowchart TD
  A["原核生物：環状<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deoxyribonucleic acid'>DNA</span>、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<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deoxyribonucleic acid'>DNA</span>、多数の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='replication origin'>複製起点</span>（ヒトで25,000超）"] --> F["各起点から複製開始（複製<span class='jp-term jp-term-diagram' title='bubble'>バブル</span>）。S期を通じ順次発火"]
  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・多数の複製起点 replication origin 複製起点（replication origin） replication origin（複製起点） （ヒトで実測25,000超）・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。真核の起点は一斉ではなく、S期を通じて順次発火する。
• 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（ラギング鎖lagging strand ラギング鎖（lagging strand）lagging strand（ラギング鎖） の主要合成）・ε（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） の主要合成）に分化している。大腸菌には損傷乗り越え用のPol IV・Vもあり計5種類、ヒトでは少なくとも15種類のDNAポリメラーゼが知られる。
• 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1桁以上速く（大腸菌の生体内 in vivo 生体内（in vivo） in vivo（生体内） 実測 平均653 nt/秒 対 ヒトの実測 十数〜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。