複製
コピーする。 DNAはクール、私たちはクール
シュムープのクラスメートが学校にいた頃、コピーしているところをいつも先生に見つかっていました。 しかし、そのクラスメートは、「コピーをするのはDNAの中にあることだ」と先生に言いました。 その論理に反論できなかったので、彼らはトラブルに巻き込まれることはなかったそうです。 なんていい話なんだろう。
このさりげなくも陳腐な物語で、私たちはどんな並列を描こうとしているのでしょうか。 DNAは常にコピーしていますし、すべての細胞を作り続けたいのであれば、そうしなければなりません。 そして、なんと、そうしているのです。 DNAの複製とは、複製している細胞が娘細胞、つまり元の細胞から派生した新しい細胞のために十分なDNAを持つように、DNAをコピーすることである。 細胞分裂、つまり1つの細胞が2つの新しい細胞になることは、非性細胞、つまりセックスに関与しない細胞では有糸分裂、性細胞、つまりカルマの良い夜にヴィニーとポーリーDよりも速くダウンして汚れる細胞では減数分裂によって起こります。
有糸分裂か減数分裂か
細胞には、ベネトン広告のようにあらゆる形とサイズがありますが、基本的に2つのタイプがあります。
- 性細胞（アムステルダムのアレではありません）
- 体細胞（非性細胞、これもアムステルダムのアレではありません）
性細胞とは有性生殖する真核生物が子孫を残す細胞で、次の2つに分類される。
- DNAの雄側半分を含む精子細胞
- DNAの雌側半分を含む卵細胞
ほとんどの真核細胞のライフサイクルには大きく4段階ある（性細胞は除く）。
これらは
- ギャップ1（またはG1）期
- 合成（または「S」）期
- ギャップ2（G2）期
- 有糸分裂
なお、ギャップが分裂を主催しているわけではありません。 G1期、S期、G2期は通常「間期」と呼ばれ、主に有糸分裂を研究している人たちによって呼ばれています。 とはいえ、単独でもらうと「退屈な相」と言われますが。
G1
G1は真核生物のライフサイクルにおいて、有糸分裂後、DNA合成前の相で、S相となる。 有糸分裂の間、有糸分裂以外の活動はほとんど停止しており、G1はすべてが再び始まる時期である。 G1は、「おい、一晩中クーポンを切り取っていたんだぞ、そろそろ起きて俺と遊んでくれ！」と言って細胞を起こす、気のふれた不眠症患者のようなものだ。
S phase
S phaseは、ライフサイクルのDNA複製段階である。 これについては後で詳しく説明しますが、待てない人は先にクリックしてください。 この段階は、細胞が娘細胞のために十分なDNAを作るためにDNAの量を2倍にするところで、細胞は2nから4n（nは染色体のセットの数、すなわち倍数体）へと変化していきます。 体細胞の多くは2n、つまり2倍体ですが、性細胞は体細胞（普通の細胞）の半分のDNAを持つという意味で、1倍体です。
G2 Phase
G2 は細胞周期のJan Bradyです。 誰もがいつも「有糸分裂、有糸分裂！」と言いながら、誰も哀れなG2のことなど気にしていない。 細胞周期の中で、より多くのタンパク質合成が行われ、有糸分裂に重要な微小管が作られる期間である。 “それだけ？” と聞くか？ そうです。 多くの細胞がこのステップをスキップするのはそのためだ。 カエルの細胞もそうだし、多くの癌細胞もこのステップを飛ばしている。 哀れなG2…
有糸分裂
有糸分裂は細胞周期で非常に重要な段階であり、それ自身の周期を持っている。 有糸分裂はG2の後に始まり、プロフェイズ、すなわちクロマチンが染色体に凝縮され、中心体が細胞の対極に向かって移動するところから始まる。 この段階を経て、プロフェーズとメタフェーズの中間段階であるプロメタフェーズでは、核膜が壊れ、染色体が中心体を結ぶマイクロチューブに集まり始める。 メタフェースでは、すべての染色体が中央に整列し、その後、アナフェースで染色体が半分に分裂し、娘染色分体が最も近い中心体の極に移動します。 テロフェースとサイトカイネシスはそれぞれ細胞分裂の最終段階で、核が2つの娘細胞に再び組み立てられる。
減数分裂
性細胞のM相は減数分裂である。 有糸分裂と同様に始まり、最初の2つの娘細胞が作られた後、2回目の有糸分裂サイクルを続ける。 2n個の娘細胞はさらに分裂して4個の娘細胞を作り、それぞれn個の染色体を持つ高価な結婚式がたくさん行われます。
In the Beginning…DNA Replication Origins
もしDNAが複製されなければ、減数分裂と有糸分裂によってゲノムのサイズはゆっくりと半分になり、それぞれの細胞が死ぬまで、それはおそらく長くはかからないだろう。 したがって、有糸分裂/減数分裂の間に細胞が分裂することを考慮して、DNAがそれ自体を2倍にすることが重要である。 DNAの複製は、RNAの転写と似ています。
以下は、この2つを比較した表です。
| DNA Replication | RNA Transcription | ||||
| Product | Double->Double->RNA transcription | DNA Replication | RNA Transcription | Double->RNA ReplicationDNA | mRNA |
| 酵素 | DNA ポリメラーゼ | RNA ポリメラーゼ | |||
| 核酸塩基類 追加 | Deoxynucleotide triphosphates | Nucleotide triphosphates | |||
| テンプレートストランド | 両方 | 両方。 が、アンチセンス鎖からしか転写されない |
複製が始まる部位を何と呼ぶか？ オリジンです。 スターウォーズ エピソード1 ファントム・メナス」と呼んで欲しかったのですが、その名前はすでに使われていました。
オリジンは、DNAの種類によって異なります。 ほとんどの真核細胞や一部の細菌、ウイルスは線状のDNAを持っており、これはDNA配列に始まりと終わりがあることを意味する。 従って、複製起点は線状DNAの5’末端である。 7752>
DNAの複製は、大腸菌のdnaAのような開始因子タンパク質の結合、または酵母の起源認識複合体のようなタンパク質の複合体で始まる。 開始因子の機能は、複製が開始できるように、DNAの2本の鎖をこじ開けることである。 この状況は、タイヤを交換するときにジャッキで車を持ち上げるのに似ています。 (タイヤ交換のやり方を知らないなら、レッカー会社に電話して、どうやってやるのか聞いてみるといい。 彼らが方法を教えてくれた後、叫んでください。 「7752>
一旦DNAが引き離されると、RNAプライマーが入り、1つがDNAの各鎖に結合し、DNA複製が5’から3’の方向で進行する。 ここで重要なのは、5’から3’への複製が同時に2回起こっていることです。 この2つの複製はそれぞれ複製フォークと呼ばれています。 7752>
複製フォークの通過
DNAを分割するとき、左から右に見て5’から3’の鎖を「遅れ鎖」と呼び、左から右に見て3’から5’を読む相補鎖を「先行鎖」と呼ぶことにします。 そこで、RNAのプライマーをつけると、一方のプライマーはリーディングストランドに結合し、もう一方のプライマーはラギングストランドに結合する。 リーディングストランドに結合するプライマーはラギングストランドの配列と同じであり、ラギングストランドに結合するプライマーはリーディングストランドの配列と同じである。 7752>
DNA複製は、あなたの左手と右手のようなものだと考えてみてください。 これらは基本的に同じですが、微妙な違いがあります。 左手は左から右に数えると親指が5番目の指になり、右手は親指が1番目の指になります。 ほらね。 お分かりいただけたでしょうか。 ですから、あなたの手と同じように、DNAの鎖は両方とも同じように複製されているのですが、微妙な違いがあります。 DNAの複製は5’から3’の方向にしか働かないので、2つのDNAポリメラーゼ分子がRNAプライマーを結合し、反対方向に複製を開始します。 RNAプライマーが5’から3’鎖の複製を駆動するので、先行鎖の複製が複製プロセスを駆動します。
「でもShmoop、『遅行』鎖の複製はどうするのですか」と質問されるかもしれませんね。
その名前が示すように、先行鎖の DNA 複製は、新しい RNA プライマーが挿入されるまでしばらく続き、その 2 番目の遅延 RNA プライマーから 2 番目の DNA ポリメラーゼが始動して、最初の RNA プライマー、または以前の二本鎖 DNA のストレッチに当たるまで DNA 複製が行われます。 そこでDNAポリメラーゼは脱落し、DNAリガーゼがこれらのDNA断片を結合させる。 この過程は先行鎖の合成と同時に行われるため、遅行鎖上には複製中の小さな二本鎖DNA断片が多数存在することになる。
Are We Done Yet?
円形ゲノムを持つ細菌やウイルスでは、2つの複製分枝が複製起点とは反対側の染色体上で出会い、見事なチキンゲームの末にDNA複製が終了します。 勇敢な複製ターミネータータンパク質が介入し、互いにぶつからないようにDNA複製を一時停止させるのである。 しかし、この終結のメカニズムにより、2本の円形染色体は魔術師の指輪のように互いにくっついたままになってしまう。 DNAジャイレースやトポイソメラーゼIVなどのトポイソメラーゼ酵素は、DNAに傷をつける役割を担っており、一方の染色体を一時的に切断して、もう一方の染色体が通り抜けられるようにするのです。
Animation of Linear Chromosome Shortening
線状染色体には別の問題があり、染色体が完全に複製されることはありません。 複製が進むたびにDNAは少しずつ短くなっていきます。 細菌やウイルスは、
- 染色体の中心で複製を開始するか、
RNA のプライマー配列の代わりにタンパク質で複製を開始することによってこの問題を回避しています。
真核生物の直鎖 DNA の末端はテロメアと呼ばれ、複製サイクルごとに定期的に短くなりますが、テロメラーゼという酵素が DNA 短縮の問題を解決しています。 テロメアは非常に繰り返しが多く、テロメラーゼは短い配列を追加してDNAの末端を長くし、短くなりすぎないようにし、DNA配列の重要な部分が失われないようにしています。 テロメラーゼは逆転写酵素、つまりRNAをDNAに変換する酵素（-aseでわかる）である。 詳しくは「スパイダーマンとその他の組み換えDNAの例」の項をご覧ください。
テロメラーゼは短いRNA配列を取り出し、二本鎖のDNA配列に変換し、DNAの末端にくっつけます。 テロメアには維持すべき最小限の長さがあり、ヘイフリック限界と呼ばれる最小限の長さよりもDNA配列が短くなると、細胞は死んでしまう。 テロメラーゼは、細胞が無限に複製と分裂を続けられるようにするものです。 そして、テロメラーゼの過剰な活性は、細胞が「ハイランダー」のように不死身になることから、一般にがんにつながるとされています。 校正と修復
おそらく皆さんは、「DNAポリメラーゼは、私の体内のすべてのDNAを複製するので、私が生き残り、有糸分裂と減数分裂を継続できるように、自分はとても偉いと思っている」と考えていることでしょう。 しかし、そう考えている一握りの人たちのために、一緒に遊んであげましょう。
実際、DNA ポリメラーゼはそれほど偉大ではありません。 あなたやシュムープと同じように間違いを犯しますが、私たちの間違いのほとんどは、5 時間のエネルギードリンクと揚げたトゥインキーを混ぜすぎたことによるものです。 7752>
DNA 複製の過程で、鋳型鎖と適切に塩基対になっていない間違った塩基が配列に追加されることがあります。 したがって、奇妙な G-T や A-G の塩基対ができるのです。 普通の塩基対はG-CとA-Tと記憶している（え、何それ）。 このような不正確な塩基対は、私たちの遺伝子に突然変異を起こし、突然変異体になることを意味するので、私たちにとって良いことではありません。 テレポーテーションやレーザービジョンなど、X-MENに登場するような素晴らしいものにつながる突然変異はほとんどありません。
私たちのようにゆっくり複製して長生きする大きな真核生物は、あまり突然変異が起こることを望んでいません。 なぜでしょうか。 私たちの成長に影響を与えるような突然変異は、たいてい…よくない…そして私たちを傷つけることになります。 悲しい顔だ。
しかし、バクテリア、ウイルス、そしてハエなどの小さな生物は、数日、時には数時間のオーダーで短いライフサイクルを持ちます。 彼らは狂ったように複製し、各新世代は前の世代よりも100s-1000s多くの個体を持っています。 したがって、彼らの場合、突然変異はより有利に働くかもしれない。 時には、農薬や抗生物質、あるいは自分たちを治療／殺害するために設計された薬物から逃れようとすることもあります。 細菌やウイルスは変異し、複製し続ける。 そして、すでに気づいたように、彼らのポリメラーゼにはほとんどエラー制御がありません。
Brain Snack
ここで、DNA複製が実際にどのように機能しているか、きちんとしたビデオをお見せしましょう。 色とりどりの球体で、1つは先行鎖用、もう1つは後行鎖用です。 遅れている鎖のポリメラーゼは、二本鎖が完成した時に入ってきて、そして落ちていくものです。