原核生物のDNA複製

原核生物の DNA 複製は、原核生物がDNA を別のコピーに複製し、それを娘細胞に渡すプロセスです^{。 [1]}モデル生物で ある大腸菌でよく研究されていますが、他の細菌でも多くの類似点が見られます。 ^[2]複製は双方向で、単一の複製起点(OriC) から始まります。 ^[3]複製は開始、伸長、終了の 3 つのステップで構成されます。 ^[4]

すべての細胞は、細胞分裂に進む前に DNA 複製を完了する必要があります。細菌の急速な成長を促す培地条件は、細菌における複製開始間隔の短縮とも結びついています。つまり、急速に成長する細胞の倍加時間は、ゆっくりと成長する細胞に比べて短くなります。^[5]言い換えれば、成長が速い条件では、祖母細胞が孫娘細胞のために DNA を複製し始める可能性があります。同じ理由で、DNA 複製の開始は高度に制御されています。細菌の複製開始点は、複製開始点をほどき、すべての複製機構をロードする役割を担う、複製開始点上に組み立てられる核タンパク質複合体であるオリソームの組み立てを制御します。大腸菌では、オリソームの組み立ての指示は、複製開始点 ( oriC ) と呼ばれる短いヌクレオチド配列に組み込まれており、これには開始タンパク質 DnaA ^[6] (細菌界で相同性の高いタンパク質)の複数の結合部位が含まれています。DnaA には 4 つのドメインがあり、各ドメインが特定のタスクを担当しています。^[7]大腸菌の複製起点には11個のDnaA結合部位/ボックスがあり^[6]、そのうちの3個のボックスR1、R2、R4（高度に保存された9bpの コンセンサス配列5' - TTATC/ACACA ^[2]を持つ）は高親和性DnaAボックスである。これらはDnaA-ADPとDnaA-ATPに等しい親和性で結合し、細胞周期のほとんどの間DnaAに結合し、オリソームの残りの部分が組み立てられる足場を形成する。残りの8個のDnaAボックスは低親和性部位であり、DnaA-ATPに優先的に結合する。^[6]開始時に、高親和性DnaAボックスR4に結合したDnaAは、隣接する低親和性部位に追加のDnaAを提供し、徐々にすべての低親和性DnaAボックスを埋めていく。^[6]部位が満たされると、起点の構造が本来の状態から変化する。起点に結合したDnaAによるDNA伸張により鎖分離が促進され、より多くのDnaAがほどけた領域に結合できるようになると仮定されている。[ ^8]次に、 DnaCヘリカーゼローダーは一本鎖DNAに結合したDnaAと相互作用してDnaBヘリカーゼをリクルートし、^[9] DnaGプライマーがRNAプライマーを配置し、DNAポリメラーゼIIIホロ酵素が伸長を開始すると、 DNAの巻き戻しが継続される。^[10]

細菌における染色体の複製は開始段階で制御されています。^[2] DnaA-ATP は、RIDA (DnaA の制御的不活性化) によって不活性 DnaA-ADP に加水分解され [11]、DARS ⁽ DnaA 再活性化シーケンス、それ自体は Fis およびIHF）。^{[12] [13]}しかし、DnaA-ATP の主な供給源は新しい分子の合成です。^[2]一方、他のいくつかのタンパク質は、oriC配列と直接相互作用して、通常は阻害によって開始を制御します。大腸菌では、これらのタンパク質には DiaA、^[14] SeqA、^[15] IciA、^[2] HU、^[9]、ArcA-P、^[2]が含まれますが、他の細菌種では異なります。開始をさまざまに制御する大腸菌の他のメカニズムとしては、DDAH ( datA - 依存性 DnaA 加水分解、IHF によっても制御される)、^[16]、dnaA遺伝子の阻害(SeqA タンパク質による)、^[2]、および dnaA 遺伝子の再活性化などがあります。脂質膜による DnaA。^[17]

プライミングが完了すると、DNAポリメラーゼIIIホロ酵素がDNAにロードされ、複製が開始されます。DNAポリメラーゼIIIの触媒メカニズムには、活性部位の2つの金属イオンと、デオキシリボヌクレオチドとリボヌクレオチドを区別できる活性部位の領域の使用が含まれます。金属イオンは一般的な二価カチオンであり、3' OHがデオキシリボヌクレオチドのアルファリン酸への求核攻撃を開始し、デオキシリボヌクレオチド上の負に帯電した三リン酸を配向および安定化するのに役立ちます。アルファリン酸への3' OHによる求核攻撃によりピロリン酸が放出され、その後、（無機ホスファターゼによって）2つのリン酸に加水分解されます。この加水分解により、DNA合成が完了します。

さらに、DNA ポリメラーゼ III は、正しく対になった塩基と誤って対になった塩基を区別できなければなりません。これは、正しく対になったヌクレオチドの構造と形状が相補的な活性部位ポケットを使用してワトソン-クリック塩基対を区別することによって実現されます。このポケットには、正しく対になったヌクレオチドとファンデルワールス相互作用を形成できるチロシン残基があります。さらに、活性部位のdsDNA (二本鎖DNA ) には、プリン塩基の3 番目の窒素およびピリミジン塩基の2 番目の酸素との水素結合の形成を可能にする、より広い主溝とより浅い副溝があります。最後に、活性部位は DNA バックボーンと広範囲にわたる水素結合を形成します。これらの相互作用により、DNA ポリメラーゼ III は、正しく対になった塩基の周囲に閉じこもります。塩基が挿入されて誤って対になった場合、水素結合とファンデルワールス相互作用が破壊されるため、これらの相互作用は発生しません。

DNA は 3' → 5' 方向に読み取られるため、ヌクレオチドは5' → 3' 方向に合成されます (またはテンプレート鎖に付加されます)。しかし、DNA の親鎖の 1 つは 3' → 5' であり、もう 1 つは 5' → 3' です。これを解決するために、複製は反対方向に発生します。複製フォークに向かって、リーディング鎖は連続的に合成され、プライマーは 1 つだけ必要です。一方、複製フォークから遠ざかる方向に向かうラギング鎖は、オカザキ断片と呼ばれる一連の短い断片で合成されるため、多くのプライマーが必要になります。オカザキ断片の RNA プライマーは、その後、 RNase HおよびDNA ポリメラーゼ I (エキソヌクレアーゼ)によって分解され、ギャップ (またはニック) はデオキシリボヌクレオチドで埋められ、酵素リガーゼによって密閉されます。

生細胞におけるDNA複製速度は、ファージに感染した大腸菌におけるT4ファージDNA伸長速度として初めて測定されました。^[18] 37℃での指数関数的DNA増加期間中、速度は1秒あたり749ヌクレオチドでした。T4ファージDNA合成中の複製あたりの塩基対あたりの突然変異率は108あたり1.7です^。 [ ^19]

大腸菌における DNA 複製の終結は、終結配列とTus タンパク質の使用によって完了します。これらの配列により、2 つの複製フォークは一方向にのみ通過でき、他の方向には通過できません。

DNA 複製では、最初に 2 つの連結またはリンクされた環状 DNA 二重鎖が生成されます。各二重鎖は、親鎖 1 本と新しく合成された鎖 1 本で構成されます (半保存的複製の性質による)。この連結は、分離できない 2 つの連結されたリングとして視覚化できます。大腸菌のトポイソメラーゼ 2は、親 DNA または新しく形成された DNA の連続する 2 つのヌクレオチドに存在するホスホジエステル結合を破壊することで、2 つの環状 DNA 二重鎖の連結を解除または脱連結し、その後、連結活性によってその切断された DNA 鎖が連結され、2 つの DNA が形成されます。

シータ型複製については既に述べた。原核生物の複製には、ローリングサークル複製やDループ複製など他の種類もある。

これは、同じ環状テンプレート DNA が回転し、その周りに新しい鎖が形成される 細菌の接合で見られます。

接合がシグナルによって開始されると、リラックス 酵素が接合プラスミドのoriTの鎖の 1 つに切れ目を入れます。リラックス酵素は単独で機能することも、リラックスソームと呼ばれる 12 種類以上のタンパク質の複合体として機能することもあります。F プラスミド システムでは、リラックス酵素は TraI と呼ばれ、リラックスソームは TraI、TraY、TraM、および統合された宿主因子 IHF で構成されています。切れ目の入った鎖、つまりT 鎖は、切断されていない鎖からほどかれ、5' 末端から 3' 末端の方向に受容細胞に転送されます。残った鎖は、接合作用とは独立して複製されるか ( oriVで始まる栄養複製)、接合と同時に複製されます (ラムダファージのローリングサークル複製に似た接合複製)。接合複製では、転送が成功するまでに 2 つ目の切れ目が必要になる場合があります。最近の報告では、この2回目の切断過程の中間段階を模倣した化学物質で接合を阻害したと主張している。^[20]

Dループ複製は主にオルガネラDNAで見られ、そこでは置換ループと呼ばれる三本鎖構造が形成される。^[21]