ニック（DNA）

ニックとは、二本鎖DNA分子の不連続部分で、通常は損傷や酵素の作用により、一方の鎖の隣接するヌクレオチド間にホスホジエステル結合がない状態です。ニックにより、複製中にDNA鎖のねじれが解消され、リーディング鎖とラギング鎖の両方のエラーを修正するDNAミスマッチ修復機構にも関与していると考えられています。^[1]

この図は、ねじれたプラスミド内の交差DNAに対するニックの影響を示しています。ニックは、交差状態によって保持されたエネルギーを消散させるために使用できます。ニックにより、DNAは円形になります。^[2]

ニックの入った DNA は、DNA 損傷や、細胞内で行われる意図的で制御された生体分子反応の結果である可能性があります。処理中に、DNA は物理的な剪断、過度の乾燥、または酵素によってニックが入ることがあります。ピペッティングやボルテックスで過度に乱暴に扱うと、物理的ストレスが発生し、DNA が切断されたり、ニックが入ったりすることがあります。DNA が過度に乾燥すると、DNA のホスホジエステル結合が切断され、ニックが入ることもあります。ニック エンドヌクレアーゼ酵素は、このプロセスに役立ちます。DNA の一本鎖切断 (ニック) は、らせん骨格内のリン酸基の加水分解とその後の除去によって形成されます。これにより、DNA 骨格の失われた部分の代わりに水素結合が形成され、構造が維持されるという異なる DNA 構造が生まれます。^[3]

リガーゼは、3' ヒドロキシル末端と 5' リン酸末端を結合してホスホジエステル結合を形成する多用途で遍在する酵素であり、切断された DNA の修復、そして最終的にはゲノムの忠実性に不可欠です。この生物学的役割は、分子クローニングにおいてプラスミドの粘着末端を密封する際にも非常に貴重です。その重要性は、ほとんどの生物が DNA 修復の特定の経路専用の複数のリガーゼを持っているという事実によって証明されています。真正細菌では、これらのリガーゼはATP ではなくNAD+によって駆動されます。 ^[4]各切断部位は、リガーゼ修復に動力を与えるために 1 つの ATP または 1 つの NAD+ を必要とします。^[4]

これらの断片を結合するために、リガーゼは次の 3 つのステップを経ます。

1. 酵素にアデノシン一リン酸（AMP）基を付加することをアデニル化といい、
2. アデノシン一リン酸がDNAに転移し、
3. ニックシーリング、またはリン酸ジエステル結合の形成。^{[5] [6]}

ニッククロージャーを触媒するリガーゼの具体例としては、大腸菌NAD+依存性DNAリガーゼLigAが挙げられます。LigAは、あらゆる種類の細菌に見られる酵素群と構造的に類似しているため、関連性のある例です。^[7]

リガーゼにはDNAの切れ目を認識できる金属結合部位がある。リガーゼはDNA-アデニル酸複合体を形成し、認識を助ける。^[8]ヒトDNAリガーゼでは、これが結晶化した複合体を形成する。DNA-アデニル酸中間体を持つこの複合体により、DNAリガーゼIはDNAの構造変化を開始し、DNA切れ目を分離して修復することができる。^[9]

一本鎖の切れ目は認識マーカーとして機能し、修復機構が新しく合成された鎖（娘鎖）をテンプレート鎖（親鎖）と区別するのに役立ちます。^[1] DNAミスマッチ修復（MMR）は、DNA二重鎖内のミスマッチ、つまり非ワトソン-クリック塩基対を修正することでゲノムの可塑性を維持するのに役立つ重要なDNA修復システムです。^[10]ミスマッチ塩基対の原因には、複製エラーや5-メチルシトシンDNAの脱アミノ化によるチミン形成などがあります。ほとんどの細菌と真核生物のMMRは、鎖の不連続性を認識することでミスマッチ二重鎖の誤った鎖に向けられますが、大腸菌と近縁の細菌のMMRは、メチル化がないことに基づいて鎖に向けられます。ニッキングエンドヌクレアーゼは、それぞれのシステムで鎖の不連続性、つまりDNAの切れ目を導入します。真核生物およびほとんどの細菌由来のMut Lホモログは、不連続鎖を切断して、切除反応の入り口または終結点を導入する。同様に、大腸菌では、Mut Hが二重鎖のメチル化されていない鎖に切れ目を入れて、切除の入り口を導入する。^[11] 真核生物特有の、リーディング鎖とラギング鎖間のDNA複製伸長のメカニズムは異なる。ラギング鎖では、岡崎断片間に切れ目が存在し、連結前にDNAミスマッチ修復機構によって容易に認識される。リーディング鎖では連続的に複製が行われるため、そのメカニズムはやや複雑である。複製中、複製酵素によってリボヌクレオチドが追加され、これらのリボヌクレオチドはRNase H2と呼ばれる酵素によって切れ目が入れられる。^[1]切れ目とリボヌクレオチドの存在により、リーディング鎖はDNAミスマッチ修復機構によって容易に認識される。

ニックトランスレーションは、一本鎖 DNA の切れ目がDNA ポリメラーゼのマーカーとして機能し、損傷した可能性のあるヌクレオチドを切除して置き換える生物学的プロセスです。^[3] DNA ポリメラーゼが作用するセグメントの終わりでは、DNA リガーゼがDNA バックボーンの最後のセグメントを修復して修復プロセスを完了する必要があります。^[4]研究室では、これを使用して蛍光またはその他のタグ付きヌクレオチドを導入できます。これを行うには、 in vitro で意図的に DNA に部位特異的な一本鎖の切れ目を誘導し、次に切れ目の入った DNA を DNA ポリメラーゼとタグ付きヌクレオチドが豊富な環境に追加します。次に、DNA ポリメラーゼは一本鎖の切れ目の部位から始めて、DNA ヌクレオチドをタグ付きヌクレオチドに置き換えます。

切れ目のあるDNAは、多くの生物学的機能において重要な役割を果たしています。例えば、DNAの一本鎖の切れ目は、DNAをほどき、DNAの複製と転写に不可欠な酵素トポイソメラーゼの意図的な生物学的マーカーとして機能する可能性があります。これらの場合、切れ目のあるDNAは望ましくない細胞損傷の結果ではありません。^[2]

トポイソメラーゼ 1 は、 DNA の切れ目に優先的に作用し、切れ目に隣接した部分を切断し、その後、DNA が詰まった複雑なトポロジーを巻き戻したりほどいたりします。ここで、DNA の切れ目は、一本鎖の切断とそれに続く巻き戻しのマーカーとして機能します。^[12]これは、あまり保存されていないプロセスである可能性があります。トポイソメラーゼは、結合を切断するときに短い欠失を引き起こす可能性があります。これは、トポイソメラーゼ切断の産物として、全長 DNA 産物と短い欠失鎖の両方が見られるのに対し、不活性変異体は全長 DNA 鎖のみを生成するためです。^[13]

DNAの傷はさまざまな構造特性を生み出し、紫外線による損傷の修復に関与し、遺伝子組み換えを可能にする主要なステップで使用されます。^[14]

ニックアイドリングは、DNAポリメラーゼがニックサイトでのDNA複製中に新しい娘鎖に塩基を追加する活動を遅くしたり停止したりする生物学的プロセスです。 ^[4]これは、二本鎖DNA複製のラギング鎖の岡崎断片に特に関連しています。複製の方向はDNAポリメラーゼの方向と逆であるため、ニックアイドリングは複合体が小さな断片（岡崎断片）で逆方向に複製され、DNAの各断片の長さの間で停止して再配置する必要があるため、複合体を停止させる役割を果たします。

一本鎖の切れ目ができるとDNAの構造が変化します。[ ^14]リン酸ジエステル骨格の切断によりDNAがほどけるため、ねじれや圧縮による蓄積されたストレスがそれほど強く抵抗されなくなり、安定性が低下します。^[12]切れ目の入ったDNAは、この安定性の低下により劣化しやすくなります。

nic部位またはニック領域は転移起点（oriT ）部位内にあり、細菌接合の開始に重要な役割を果たす。T鎖と呼ばれる一本鎖のDNAは、 nicでリラキサーゼと呼ばれる酵素によって切断される。^{[15]この一本鎖は、}細菌接合の過程で最終的に受容細胞に転移する。しかし、この切断が起こる前に、タンパク質のグループがoriT部位に結合する必要がある。このタンパク質のグループはリラキソソームと呼ばれる。^[15] oriT部位の一部が曲がって、リラキソソームタンパク質とnic部位との相互作用が生じると考えられている。^[15]

T鎖の切断には、nic部位のホスホジエステル結合を切断するリラキサーゼの作用が含まれる。 ^[15]切断された鎖は3'末端にヒドロキシル基を残し、受容細胞に移動した後に鎖が環状プラスミドを形成する可能性がある。^{[16] [17]}

DNAの切れ目は減数分裂中に交差形成を促進し、そのような切れ目はエキソヌクレアーゼ1（Exo1）によって連結から保護される。^[18]